DE102011079646A1 - Ultrasonic sensor device for detecting and / or transmitting ultrasound - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallsensorvorrichtung (1) zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall (2). Um die Empfindlichkeit zur Detektion eines Objekts zu verbessern, weist die Ultraschallsensorvorrichtung (1) eine Vielzahl von Ultraschallsensorelementen (3a, b) auf, wobei jedes Ultraschallsensorelement (3a, b) aufweist: einen Grundkörper (4), welcher eine Öffnung (5a, b) aufweist, ein flexibles Biegeelement (6a, b), welches stirnseitig einen ersten Endbereich (A) der Öffnung (5a, b) verschließt, wobei das flexible Biegeelement (6a, b) ein Polymer, insbesondere ein Flüssigkristallpolymer, aufweist, ein Piezoelement (7a, b), welches in der Öffnung (5a, b) angeordnet und mit dem flexiblen Biegeelement (6a, b) verbunden ist, und ein Dämpfungselement (8a, b), welches in der Öffnung (5a, b) angeordnet ist und stirnseitig einen zweiten Endbereich (B) der Öffnung (5a, b) verschließt.The present invention relates to an ultrasonic sensor device (1) for detecting and / or transmitting ultrasound (2). In order to improve the sensitivity for detecting an object, the ultrasonic sensor device (1) comprises a plurality of ultrasonic sensor elements (3a, b), each ultrasonic sensor element (3a, b) comprising: a base body (4) having an opening (5a, b ), a flexible bending element (6a, b) which closes the end face of a first end region (A) of the opening (5a, b), wherein the flexible bending element (6a, b) comprises a polymer, in particular a liquid crystal polymer, a piezo element ( 7a, b) which is arranged in the opening (5a, b) and connected to the flexible bending element (6a, b), and a damping element (8a, b) which is arranged in the opening (5a, b) and the front side a second end region (B) of the opening (5a, b) closes.
Description
Die Erfindung betrifft ein Ultraschallsensorelement zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall, eine Ultraschallsensorvorrichtung zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall und ein Verfahren zum Herstellen einer Ultraschallsensorvorrichtung zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall.The invention relates to an ultrasonic sensor element for detecting and / or transmitting ultrasound, an ultrasonic sensor device for detecting and / or transmitting ultrasound and a method for producing an ultrasonic sensor device for detecting and / or transmitting ultrasound.
Stand der TechnikState of the art
Ultraschall-Einparkvorrichtungen dienen zum Erfassen eines Objekts in einem Raum vor und/oder hinter einem Fahrzeug mittels Ultraschallfeldern und weisen dazu üblicherweise 4 bis 6 Ultraschallsensorvorrichtungen auf, die jeweils in einem Heck- und/oder Frontstoßfänger des Fahrzeugs angeordnet sind. Jede der Ultraschallsensorvorrichtungen weist dabei jeweils ein Ultraschallsensorelement auf, welches selektiv im Erfassungs- oder Sendebetrieb arbeitet. Die Ultraschallsensorvorrichtungen sind derart relativ zueinander in dem Heck- und/oder Frontstoßfänger angeordnet, dass die Ultraschallsensorvorrichtungen horizontal ausgerichtet sind, so dass Bodenreflexionen des Ultraschalls entweder nicht erfasst oder ausgeblendet werden. Üblicherweise haben die Ultraschall-Einparkvorrichtungen ausschließlich eine warnende Funktion für die Objekterfassung in Schallfeldraum.Ultrasonic parking devices are used to detect an object in a space in front of and / or behind a vehicle by means of ultrasonic fields and usually have 4 to 6 ultrasonic sensor devices, which are each arranged in a rear and / or front bumper of the vehicle. Each of the ultrasonic sensor devices in each case has an ultrasonic sensor element which operates selectively in the detection or transmission mode. The ultrasonic sensor devices are arranged relative to each other in the rear and / or front bumper so that the ultrasonic sensor devices are horizontally aligned, so that ground reflections of the ultrasound are either not detected or hidden. Usually, the ultrasonic parking devices have only a warning function for the object detection in sound field space.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallsensorelement zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall, wobei das Ultraschallsensorelement einen Grundkörper, welcher eine Öffnung aufweist, ein flexibles Biegeelement, welches stirnseitig einen ersten Endbereich der Öffnung verschließt, wobei das flexible Biegeelement ein Polymer, insbesondere ein Flüssigkristallpolymer, aufweist, ein Piezoelement, welches in der Öffnung angeordnet und mit dem flexiblen Biegeelement verbunden ist, und ein Dämpfungselement aufweist, welches in der Öffnung angeordnet ist und stirnseitig einen zweiten Endbereich der Öffnung verschließt.The present invention relates to an ultrasonic sensor element for detecting and / or transmitting ultrasound, wherein the ultrasonic sensor element comprises a base body which has an opening, a flexible bending element which closes a first end region of the opening on the front side, wherein the flexible bending element is a polymer, in particular a liquid crystal polymer , comprising a piezoelectric element arranged in the opening and connected to the flexible bending element, and a damping element which is arranged in the opening and closes the end face of a second end region of the opening.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Ultraschallsensorvorrichtung zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall, wobei die Ultraschallsensorvorrichtung eine Vielzahl von Ultraschallsensorelementen aufweist, wobei jedes Ultraschallsensorelement einen Grundkörper, welcher eine Öffnung aufweist, ein flexibles Biegeelement, welches stirnseitig einen ersten Endbereich der Öffnung verschließt, ein Piezoelement, welches in der Öffnung angeordnet und mit dem flexiblen Biegeelement verbunden ist, ein Dämpfungselement, welches in der Öffnung angeordnet ist und stirnseitig einen zweiten Endbereich der Öffnung verschließt, wobei die Grundkörper der Ultraschallsensorelemente der Vielzahl der Ultraschallsensorelemente einstückig ausgebildet sind.Another object of the present invention is an ultrasonic sensor device for detecting and / or transmitting ultrasound, wherein the ultrasonic sensor device comprises a plurality of ultrasonic sensor elements, each ultrasonic sensor element having a base body, which has an opening, a flexible bending element which closes a first end region of the opening frontally a piezoelectric element which is arranged in the opening and connected to the flexible bending element, a damping element which is arranged in the opening and the end faces a second end portion of the opening, wherein the base body of the ultrasonic sensor elements of the plurality of ultrasonic sensor elements are integrally formed.
Unter einem flexiblen Biegeelement kann insbesondere ein biegeflexibles Element verstanden werden, welches aus einem biegbaren, flexiblen Material gefertigt sein und daher besonders einfach in einer oder mehreren Richtungen gebogen werden kann. Insbesondere kann das flexible Biegeelement dazu eingerichtet sein, Schwingungen auszuführen.A flexible bending element may, in particular, be understood to mean a bendable element which may be made of a bendable, flexible material and therefore can be bent particularly easily in one or more directions. In particular, the flexible bending element may be configured to perform vibrations.
Unter einem Piezoelement kann insbesondere ein als Piezokeramik ausgebildetes Element verstanden werden, welches beispielsweise auf Blei-Zirkonat-Titanat-(PZT)-Basis ausgebildet sein kann. A piezoelectric element may, in particular, be understood as an element formed as a piezoceramic, which may be formed, for example, on lead zirconate titanate (PZT) -based.
Unter einem Dämpfungselement kann insbesondere ein Element verstanden werden, welches akustische (also Schall) und/oder mechanische Schwingungen abschwächen oder eliminieren kann. Das Dämpfungselement kann insbesondere bewirken, dass rückstreuender Schall abgeschwächt und/oder eine Charakteristik eines Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung verbessert, insbesondere eine Bandbreite einer Übertragungscharakteristik des Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung vergrößert, werden kann.A damping element can in particular be understood as an element which can attenuate or eliminate acoustic (ie sound) and / or mechanical vibrations. In particular, the damping element can cause backscattering sound to be attenuated and / or a characteristic of an ultrasound sensor element and the ultrasound sensor device to be improved, in particular a bandwidth of a transmission characteristic of the ultrasound sensor element and the ultrasound sensor device can be increased.
Das Ultraschallsensorelement und die Ultraschallsensorvorrichtung können eine hohe Auflösung, insbesondere quer zu einer Längserstreckung des Ultraschallsensorelements, also beispielsweise bezüglich eines Bodens in horizontaler und/oder vertikaler Richtung, bei der Erfassung eines Objekts in einem Raumbereich benachbart zum Ultraschallsensorelement und/oder zu der Ultraschallsensorvorrichtung aufweisen. Ferner kann eine dreidimensionale Erfassung des Objekts durch die Vielzahl von Ultraschallsensorelementen ermöglicht sein. Ferner kann ein Abstand und/oder ein Winkel zu dem Objekt basierend auf Information, die mittels der Vielzahl von Ultraschallsensorelementen ermittelt werden kann, bestimmt werden. The ultrasound sensor element and the ultrasound sensor device can have a high resolution, in particular transversely to a longitudinal extent of the ultrasound sensor element, ie, for example, with respect to a bottom in the horizontal and / or vertical direction, when detecting an object in a spatial area adjacent to the ultrasound sensor element and / or to the ultrasound sensor device. Furthermore, a three-dimensional detection of the object by the plurality of ultrasonic sensor elements may be made possible. Furthermore, a distance and / or an angle to the object can be determined based on information that can be determined by means of the plurality of ultrasonic sensor elements.
Das flexible Biegeelement auf Polymerbasis kann dabei zu einem genauen, hochauflösenden Abtasten der Umgebung des Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung beitragen, da solch ein Ultraschallsensorelement eine hohe Empfindlichkeit aufweisen kann.The flexible polymer-based flexure may thereby contribute to accurate, high-resolution scanning of the surroundings of the ultrasonic sensor element and the ultrasonic sensor device, since such an ultrasonic sensor element may have a high sensitivity.
Das Piezoelement, insbesondere eine Elektrode des Piezoelements, kann insbesondere elektrisch leitend mit dem flexiblen Biegeelement und dem Grundkörper verbunden sein, und das Ultraschallsensorelement kann eine weitere elektrische Kontaktierung einer gegenüberliegenden Elektrode des Piezoelements zu einem Substrat aufweisen.The piezoelectric element, in particular an electrode of the piezoelectric element, can in particular be connected in an electrically conductive manner to the flexible bending element and the main body, and this Ultrasonic sensor element may have a further electrical contacting of an opposite electrode of the piezoelectric element to a substrate.
Das flexible Biegeelement kann insbesondere elektrisch leitfähig ausgebildet sein.The flexible bending element may in particular be designed to be electrically conductive.
Der Grundkörper des Sensorelements kann insbesondere als Hohlzylinder ausgebildet sein, in beziehungsweise an dem die weiteren Elemente des Ultraschallsensorelements angeordnet sein können. Es können insbesondere in einem Prozessschritt mittels Spritzguss das als Polymermembran ausgebildete flexible Biegeelement sowie eine Verbindung der Hohlzylinder und ein verbleibendes Gehäuse erstellt werden. Ein Querschnitt des Hohlzylinders kann entsprechend einem Querschnitt der Öffnung kreisförmig oder rechteckig sein.The main body of the sensor element may in particular be formed as a hollow cylinder, in or on which the other elements of the ultrasonic sensor element may be arranged. In particular, in a process step by means of injection molding, the flexible bending element formed as a polymer membrane and a connection of the hollow cylinder and a remaining housing can be created. A cross section of the hollow cylinder may be circular or rectangular according to a cross section of the opening.
Der Grundkörper kann insbesondere auch als Platte ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Grundkörper insbesondere Metall, insbesondere Aluminium, Metalloxid insbesondere Aluminiumoxid, und/oder eine Metalloxidkeramik, insbesondere eine Aluminiumoxidkeramik, aufweisen. Das Metalloxid kann, insbesondere im Falle von Aluminiumoxid, der Metalloxidkeramik entsprechen. Dies kann eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung des Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung ermöglichen, da der Grundkörper eine einfache Form aufweisen und/oder das Material des Grundkörpers besonders einfach verarbeitet werden kann. The main body may in particular also be formed as a plate. Alternatively or additionally, the base body may in particular comprise metal, in particular aluminum, metal oxide, in particular aluminum oxide, and / or a metal oxide ceramic, in particular an aluminum oxide ceramic. The metal oxide may, in particular in the case of aluminum oxide, correspond to the metal oxide ceramic. This can allow a particularly simple and cost-effective production of the ultrasonic sensor element and the ultrasonic sensor device, since the base body have a simple shape and / or the material of the base body can be processed particularly easily.
Eine äußere Oberfläche des flexiblen Biegeelements kann insbesondere bündig mit einer äußeren Oberfläche des Grundkörpers ausgebildet sein, so dass das Ultraschallsensorelement keine freiliegenden Kanten aufweisen und eine Beschädigung des Ultraschallsensorelements vermieden werden kann. Der Begriff „äußere“ Oberseite kann in der vorliegenden Anmeldung eine nach außen hin gewandte Oberseite oder Oberfläche des Elements bezeichnen.An outer surface of the flexible bending element may in particular be designed to be flush with an outer surface of the base body, so that the ultrasonic sensor element has no exposed edges and damage to the ultrasonic sensor element can be avoided. The term "outer" top may in the present application designate an outwardly facing top or surface of the element.
Im Rahmen einer Ausführungsform weist das flexible Biegeelement ein Polymer, insbesondere ein Flüssigkristallpolymer (Englisch: liquid crystal polymer), weiter insbesondere ein Polymer der Spezifikation A950 von Tikona, auf. Alternativ zu einem Flüssigkristallpolymer kann ein Elastomer mit einem ähnlichen Elastizitätsmodul, einer ähnlichen chemischen Beständigkeit usw. ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich zu dem Polymermaterial A950 von Tikona kann zumindest ein Flüssigkristallpolymer aus einer Gruppe bestehend aus einem Flüssigkristallpolymer der Spezifikation Sumikasuper von Sumitomo Chemical Industry, einem Flüssigkristallpolymer der Spezifikation Vectra von Ticona, einem Flüssigkristallpolymer der Spezifikation Xydar von Solvay und einem Flüssigkristallpolymer der Spezifikation Zenite von Ticona verwendet werden. Das Polymer aufweisende Material kann insbesondere zumindest eine der folgenden Eigenschaften aufweisen: Ein Dämpfungsverhalten, welches ähnlich zu Gummi sein kann (und beispielsweise mit einer Dämpfungskonstante von etwa 0,6); ein Elastizitätsmodul, welches besonders gering sein kann (beispielsweise mit einem Wert zwischen etwa ≥ 7 GPa und etwa ≤ 10 GPa); eine gute Fließfähigkeit; eine hohe Wärmeformbeständigkeit; und einen Längenausdehnungskoeffizienten, welcher ähnlich zu einem Längenausdehnungskoeffizient eines Materials des Grundkörpers sein kann (und beispielsweise zwischen etwa ≥ 15 × 10–6/K) und etwa ≤ 20 × 10–6/K betragen kann).In one embodiment, the flexible bending element comprises a polymer, in particular a liquid crystal polymer (English: liquid crystal polymer), more particularly a polymer of the specification A950 from Tikona. As an alternative to a liquid crystal polymer, an elastomer having a similar modulus of elasticity, chemical resistance, etc. may be formed. Alternatively, or in addition to Tikona polymer material A950, at least one liquid crystal polymer may be selected from a group consisting of Sumika Superfin liquid crystal polymer of Sumitomo Chemical Industry specification, Ticona Vectra liquid crystal polymer, Solvay Xydar liquid crystal polymer and Zenite specification liquid crystal polymer of Ticona be used. In particular, the polymer-comprising material may have at least one of the following properties: an attenuation behavior which may be similar to rubber (and, for example, with an attenuation constant of about 0.6); a modulus of elasticity which may be particularly low (for example, between about ≥ 7 GPa and about ≦ 10 GPa); good flowability; a high heat resistance; and a coefficient of linear expansion which may be similar to a coefficient of linear expansion of a material of the body (and may be, for example, between about ≥ 15 × 10 -6 / K) and about ≦ 20 × 10 -6 / K).
Ferner kann das flexible Biegeelement auf Polymerbasis eine Übersprechdämpfung zwischen benachbarten Ultraschallsensorelementen der Ultraschallsensorvorrichtung ermöglichen, so dass die Auflösung der Ultraschallvorrichtung zusätzlich verbessert sein kann. Ferner kann das Ultraschallsensorelement eine hohe Dichtigkeit aufweisen, da das Polymer-basierte Material des flexiblen Biegeelements gegenüber Umgebungseinflüssen, beispielsweise Wasser, undurchlässig sein kann. Das flexible Biegeelement auf Polymerbasis kann ferner insbesondere einen ausreichenden Schutz gegenüber Steinschlag bieten, so dass das Anbringen einer zusätzlichen Abdeckschicht oberhalb des flexiblen Biegeelements nach außen hin vermieden werden kann, die eine Empfindlichkeit des Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung reduzieren könnte. Ferner kann Polymer besonders einfach verarbeitet werden, so dass eine Oberflächenwelligkeit des flexiblen Biegeelements vermieden werden kann, und eine Oberfläche des flexiblen Biegeelements kann insbesondere nach einer (Inline-) Plasmabehandlung und/oder Beschichtung direkt lackierbar sein. Weitere Prozessschritte bei der Fertigung des Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung können hierdurch entfallen.Further, the flexible polymer-based flexure element may enable crosstalk attenuation between adjacent ultrasonic sensor elements of the ultrasonic sensor device, so that the resolution of the ultrasonic device may be further improved. Furthermore, the ultrasonic sensor element may have a high density, since the polymer-based material of the flexible bending element may be impermeable to environmental influences, for example water. In particular, the flexible polymer-based flexure may further provide sufficient protection against chipping so that the attachment of an additional cover layer to the exterior of the flexible flexure may be avoided, which could reduce sensitivity of the ultrasonic sensor element and the ultrasonic sensor device. Furthermore, polymer can be processed particularly easily, so that a surface waviness of the flexible bending element can be avoided, and a surface of the flexible bending element can be directly painted especially after an (inline) plasma treatment and / or coating. Further process steps in the production of the ultrasonic sensor element and the ultrasonic sensor device can thereby be dispensed with.
Das Polymer des flexiblen Biegeelements kann insbesondere elektrisch leitfähig sein, so dass eine Kontaktierung des Piezoelements und des Grundkörpers über das flexible Biegeelement bewirkt werden kann.The polymer of the flexible bending element may in particular be electrically conductive, so that a contacting of the piezoelectric element and the base body via the flexible bending element can be effected.
Das flexible Biegeelement kann innerhalb des ersten Endbereichs der Öffnung angeordnet sein, die durch den Grundkörper hindurch verlaufen kann. Daher kann das stirnseitige Verschließen der Öffnung durch das flexible Biegeelement dadurch erreicht werden, dass das flexible Biegeelement an einem Abschnitt von inneren Seitenwänden des Grundkörpers anliegen kann. Dies bewirkt eine hohe Dichtigkeit des Ultraschallsensorelements. Das Ultraschallsensorelement kann insbesondere bei einer Fertigung des Grundkörpers aus einem formbeständigen Material, insbesondere Metall, Metalloxid oder Metalloxidkeramik, und des flexiblen Biegeelements aus Polymer eine hohe Dichtigkeit aufweisen und/oder einer Dampfstrahlprüfung, wie sie zu Testzwecken des Ultraschallsensorelements einer Ultraschall-Einparkvorrichtung durchgeführt werden kann, standhalten, da das Biegeelement in einer Richtung quer zu einer Längserstreckung der Öffnung gesehen, insbesondere in radialer Richtung der Öffnung gesehen, lagestabil gehalten sein kann. Bei einem Metall, Metalloxid oder Metalloxidkeramik aufweisenden Grundkörper kann insbesondere die hohe Dichtigkeit während einer Vielzahl von Temperaturwechseln, die beispielsweise bei einer Thermoschockprüfung durchgeführt werden, dadurch erreicht werden, dass eine Wärmeleitfähigkeit von Metall größer als eine Wärmeleitfähigkeit von Polymer sein und sich das der Grundkörper schneller als das flexible Biegeelement abkühlen kann. Dies kann bewirken, dass sich das Material des Grundkörpers (trotz eventuell ähnlicher Längenausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Materialien) schneller als das Biegeelement zusammenziehen kann, wodurch die Öffnung des Grundkörpers beim Abkühlen im Verhältnis zur Ausdehnungsreduzierung des flexiblen Biegeelements schneller kleiner wird und somit die hohe Dichtigkeit des Ultraschallsensorelements erreicht sein kann. Ferner können aufgrund der ähnlichen Längenausdehnungskoeffizienten von Metall und Polymer temperaturbedingte Langzeitänderungen der Materialien des Grundkörpers und des flexiblen Biegeelements vermieden werden. The flexible flexure may be disposed within the first end region of the opening that may extend through the body. Therefore, the end closure of the opening by the flexible bending element can be achieved in that the flexible bending element can abut a portion of inner side walls of the base body. This causes a high density of the ultrasonic sensor element. The ultrasonic sensor element can in particular in a production of the main body of a dimensionally stable material, in particular metal, metal oxide or metal oxide ceramic, and the flexible flexure of polymer have a high density and / or a steam jet test, as can be performed for test purposes of the ultrasonic sensor element of an ultrasonic parking device, withstand, since the flexure in a direction transverse to seen a longitudinal extent of the opening, in particular seen in the radial direction of the opening, can be kept stable in position. In the case of a base body having a metal, metal oxide or metal oxide ceramic, in particular the high tightness during a multiplicity of temperature changes, which are carried out, for example, in a thermal shock test, can be achieved by virtue of the fact that a thermal conductivity of metal is greater than a thermal conductivity of polymer and the body becomes faster as the flexible flexure can cool. This can cause the material of the base body (despite possibly similar coefficients of linear expansion of the respective materials) to contract faster than the bending element, whereby the opening of the base body during cooling in relation to the expansion reduction of the flexible bending element becomes smaller faster and thus the high density of the ultrasonic sensor element can be achieved. Furthermore, due to the similar coefficients of linear expansion of metal and polymer temperature-related long-term changes in the materials of the body and the flexible bending element can be avoided.
Im Rahmen einer Ausführungsform sind das flexible Biegeelement und der Grundköper einstückig, also aus einem gleichen Material, ausgebildet, wobei ein Material des flexiblen Biegeelements und des Grundkörpers insbesondere Metall, insbesondere Aluminium, Metalloxid, insbesondere Aluminiumoxid, und/oder Metalloxidkeramik, insbesondere Aluminiumoxidkeramik, aufweist. Die Öffnung kann hierbei nicht durch den Grundkörper hindurch verlaufen, also ein Sackloch sein. Daher kann das Ultraschallsensorelement kostengünstig und auf einfache Weise hergestellt sein. Das flexible Biegeelement kann hierbei ausreichend dünn ausgebildet sein, um eine Biegbarkeit des flexiblen Biegeelements zu gewährleisten.In the context of one embodiment, the flexible bending element and the base body are integrally formed, that is, made of a same material, wherein a material of the flexible bending element and the base body in particular metal, in particular aluminum, metal oxide, in particular alumina, and / or metal oxide, in particular alumina ceramic having , The opening can not run through the body through, so be a blind hole. Therefore, the ultrasonic sensor element can be manufactured inexpensively and easily. The flexible bending element can in this case be made sufficiently thin to ensure flexibility of the flexible bending element.
Das Piezoelement kann in einer Richtung quer, insbesondere senkrecht, zu einer Längserstreckung der Öffnung, insbesondere in radialer Richtung der Öffnung, verformbar sein. Die Verformung kann eine Ladungsverschiebung in dem Piezoelement verursachen oder durch jene verursacht sein. Dazu kann insbesondere eine Kristallstruktur des Piezoelements eine entsprechende Polarisation aufweisen, die die Verformung bzw. die Ladungsverschiebung bewirkt. Folglich können das flexible Biegeelement und das Piezoelement, welche miteinander mechanisch fest, beispielsweise durch Verkleben, verbunden sein können, eine Biegung oder eine mechanische Schwingung in Richtung der Längserstreckung der Öffnung, also insbesondere entlang einer Längserstreckung des Ultraschallsensorelements, ausführen, da das flexible Biegeelement vollumfänglich mit dem Grundkörper verbunden sein kann. Bei einem Empfang des Ultraschalls kann insbesondere eine Druckeinwirkung auf das flexible Biegeelement eine Verformung des flexiblen Biegeelements und des Piezoelements verursachen. Auf diese Weise kann eine Ladungsverschiebung in dem Piezoelement erzeugt werden, die als Signal erfassbar sein kann. Bei einem Aussenden des Ultraschalls kann eine induzierte Ladung an dem Piezoelement eine Verformung des Piezoelements und des flexiblen Biegeelements verursachen, so dass eine Ultraschallwelle ausgesendet werden kann. Der ausgesendete Ultraschalls kann daher entlang einer Längserstreckung des Ultraschallsensorelements gerichtet sein, und eine Empfindlichkeit der Ultraschallsensorvorrichtung für den empfangenen Ultraschall, welcher sich entlang der Längserstreckung der Öffnung ausbreiten kann, kann besonders gut sein.The piezoelectric element can be deformable in a direction transversely, in particular perpendicular, to a longitudinal extent of the opening, in particular in the radial direction of the opening. The deformation may cause or be caused by a charge shift in the piezo element. For this purpose, in particular a crystal structure of the piezoelectric element can have a corresponding polarization, which effects the deformation or the charge displacement. Consequently, the flexible bending element and the piezoelectric element, which may be mechanically fixed to one another, for example by gluing, perform a bending or a mechanical oscillation in the direction of the longitudinal extent of the opening, ie in particular along a longitudinal extent of the ultrasonic sensor element, since the flexible bending element is full can be connected to the body. Upon receipt of the ultrasound, in particular a pressure action on the flexible bending element can cause a deformation of the flexible bending element and the piezoelectric element. In this way, a charge shift can be generated in the piezoelectric element, which can be detected as a signal. When emitting the ultrasound, an induced charge on the piezoelectric element may cause a deformation of the piezoelectric element and the flexible bending element, so that an ultrasonic wave can be emitted. The emitted ultrasound may therefore be directed along a longitudinal extent of the ultrasound sensor element, and a sensitivity of the ultrasound sensor device for the received ultrasound, which may propagate along the longitudinal extent of the opening, may be particularly good.
Das Piezoelement kann insbesondere (in der Querrichtung, insbesondere in der radialen Richtung, der Öffnung gesehen) beabstandet von dem Grundkörper angeordnet sein, wodurch eine Verformung des Piezoelements in dieser Richtung der Öffnung nicht eingeschränkt sein kann. Das Piezoelement kann scheibenförmig ausgebildet sein.In particular, the piezoelectric element can be arranged at a distance from the base body (seen in the transverse direction, in particular in the radial direction, of the opening), whereby a deformation of the piezoelectric element in this direction of the opening can not be restricted. The piezoelectric element may be disc-shaped.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist ein Substrat, beispielweise ausschließlich, entlang einer äußeren Oberfläche des Grundkörpers benachbart zu dem Dämpfungselement angeordnet. Dadurch kann der Grundkörper mittels einer dem Biegeelement abgewandten Seite des Ultraschallsensorelements an dem Substrat befestigbar und/oder das Piezoelement mit dem Substrat elektrisch kontaktierbar sein, ohne dass eine Empfindlichkeit des Ultraschallsensorelements beeinträchtigt werden kann.Within the scope of a further embodiment, a substrate, for example exclusively, is arranged along an outer surface of the base body adjacent to the damping element. As a result, the base body can be fastened to the substrate by means of a side of the ultrasonic sensor element facing away from the bending element and / or the piezoelement can be electrically contacted to the substrate without a sensitivity of the ultrasonic sensor element being impaired.
Das Substrat kann flexibel (beispielsweise als flexible Leiterplatte) oder fest (beispielsweise als feste, nicht biegbare Leiterplatte) ausgebildet sein.The substrate may be flexible (for example as a flexible printed circuit board) or fixed (for example as a solid, non-bendable printed circuit board).
Eine elektrisch leitende, insbesondere Metall aufweisende, Schicht kann insbesondere entlang einer dem Piezoelement zugewandten Seite des flexiblen Biegeelements, entlang innerer Seitenwände des Grundkörpers und entlang einer äußeren Oberseite des Grundkörpers benachbart zu dem Substrat angeordnet sein. Eine Bondverbindung, beispielsweise ein Bonddraht, kann insbesondere zwischen einer dem Dämpfungselement zugewandten Seite des Piezoelements und dem Substrat vorgesehen sein und mittels Bondens oder Reibschweißens angebracht sein. Dies bewirkt eine elektrische Kontaktierung des Piezoelements und des Substrats, insbesondere im Falle eines elektrisch nicht leitfähigen Grundkörpers und eines elektrisch nicht leitfähigen flexiblen Biegeelements. Der Grundkörper kann dabei Metalloxid aufweisen und das flexible Biegeelement kann ein nicht leitfähiges Polymer aufweisen. Die Metallisierung kann eine Massekontaktierung des Piezoelements und die Bondverbindung kann eine Signalleitung zur Signalzuführung zu oder Signalableitung von dem Piezoelement bilden. Ein entsprechender erster und zweiter Kontakt des Piezoelements können auf gegenüberliegenden Oberflächen des Piezoelements angebracht sein.An electrically conductive, in particular metal, layer may be arranged in particular along a side facing the piezoelectric element side of the flexible bending element, along inner side walls of the base body and along an outer upper side of the base body adjacent to the substrate. A bonding connection, for example a bonding wire, may be provided in particular between a side of the piezoelectric element facing the damping element and the substrate and attached by means of bonding or friction welding. This causes an electrical contact of the Piezoelectric element and the substrate, in particular in the case of an electrically non-conductive base body and an electrically non-conductive flexible bending element. The base body may comprise metal oxide and the flexible bending element may comprise a non-conductive polymer. The metallization can be a ground contact of the piezoelectric element and the bond connection can form a signal line for signal supply to or signal derivation from the piezoelectric element. A corresponding first and second contact of the piezoelectric element can be mounted on opposite surfaces of the piezoelectric element.
Alternativ können – insbesondere bei einem elektrisch nichtleitenden Grundkörper – insbesondere zwei Bondverbindungen, beispielsweise in Form von Bonddrähten oder mittels Reibschweissens verbundenen dünnen Leitern, zwischen einer dem Dämpfungselement zugewandten Seite des Piezoelements und dem Substrat vorgesehen sein. Dies bewirkt eine elektrische Kontaktierung des Piezoelements und des Substrats.Alternatively, in particular in the case of an electrically non-conductive main body, in particular two bond connections, for example in the form of bonding wires or thin conductors connected by friction welding, may be provided between a side of the piezoelectric element facing the damping element and the substrate. This causes an electrical contacting of the piezoelectric element and the substrate.
Alternativ kann insbesondere bei einem elektrisch leitenden Grundkörper und einem elektrisch leitfähigen (Polymer aufweisenden) flexiblen Biegeelement eine Bondverbindung, beispielsweise in Form eines Bonddrahts oder eines mittels Reibschweissens verbundenen dünnen Leiters, zwischen einer dem Dämpfungselement zugewandten Seite des Piezoelements und dem Substrat vorgesehen sein. Eine Massekontaktierung des Piezoelements kann über eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Piezoelement und dem flexiblen Biegeelement (beispielsweise in Form einer Klebeverbindung oder einer Metallisierung) und einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem flexiblen Biegeelement und dem Grundkörper (beispielsweise in Form einer Klebeverbindung oder einer Metallisierung) bewerkstelligt werden.Alternatively, in particular in the case of an electrically conductive base body and an electrically conductive (polymer-comprising) flexible bending element, a bond connection, for example in the form of a bonding wire or a thin conductor connected by friction welding, can be provided between a side of the piezoelectric element facing the damping element and the substrate. A ground contact of the piezoelectric element can be accomplished via an electrically conductive connection between the piezoelectric element and the flexible bending element (for example in the form of an adhesive bond or a metallization) and an electrically conductive connection between the flexible bending element and the main body (for example in the form of an adhesive bond or metallization) become.
Das Piezoelement und das flexible Biegeelement können insbesondere auch mittels eines anisotropen und/oder isotropen Leitklebers miteinander verklebt sein, um eine elektrisch leitfähige Verbindung beider Elemente zu bewirken. Anisotrope Leitkleber können eine Basissubstanz aufweisen, in der kleine Silberkugeln mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa ≥ 5 Mikrometer (µm) bis etwa ≤ etwa 10 Mikrometer eingebettet sein können. Der anisotrope Leitkleber kann erst elektrisch leitend werden, wenn beide miteinander zu verklebende Kontaktpartner Druck und Temperatur erfahren, da ohne Anlegen des Drucks bei einem temperaturunterstützten Aushärten des Klebers die kleinen Silberkugeln nicht in Kontakt mit beiden Kontaktpartnern kommen können. Der anisotrope Kleber kann die für das Ultraschallsensorelement und die Ultraschallsensorvorrichtung erforderlichen, dünnen Klebeschichtdicken mit einem hohen Elastizitätsmodul bewirken. Isotrope Leitkleber können eine Basissubstanz aufweisen, in der Silberflakes mit einer Abmessung in einem Bereich von etwa ≥ 20 µm bis etwa ≤ 70 µm angeordnet sind, und eine elektrische Kontaktierung ohne Druck auf beide Kontaktpartner während der Aushärtung bewirken.The piezoelectric element and the flexible bending element can in particular also be adhesively bonded together by means of an anisotropic and / or isotropic conductive adhesive in order to produce an electrically conductive connection of the two elements. Anisotropic conductive adhesives may have a base substance in which small silver spheres having a diameter in a range of about ≥ 5 microns (μm) to about ≦ about 10 microns may be embedded. The anisotropic conductive adhesive can only become electrically conductive when both contact partners to be bonded experience pressure and temperature, since without applying the pressure at a temperature-assisted curing of the adhesive, the small silver balls can not come into contact with both contact partners. The anisotropic adhesive may provide the thin adhesive layer thicknesses having a high elastic modulus required for the ultrasonic sensor element and the ultrasonic sensor device. Isotropic conductive adhesives can have a base substance in which silver flakes are arranged with a dimension in a range of about ≥ 20 microns to about ≤ 70 microns, and cause an electrical contact without pressure on both contact partners during curing.
Der Grundkörper und das Substrat können insbesondere mittels eines (isotropen) Leitklebers miteinander verklebt sein, um eine elektrisch leitfähige Verbindung beider Elemente zu bewirken.The base body and the substrate can be glued together in particular by means of an (isotropic) conductive adhesive in order to effect an electrically conductive connection of the two elements.
Das Dämpfungselement kann insbesondere als (insbesondere Polymer-, beispielsweise Polyurethan- oder Polypropylen- oder Silikon-) Schaum ausgebildet sein, so dass das Ultraschallsensorelement besonders einfach und kostengünstig fertigbar sein kann. Ferner kann das Ultraschallsensorelement auch im Bereich des Dämpfungselement bereits eine vergleichsweise hohe Dichtigkeit aufweisen, da der Schaum das Ultraschallsensorelement weitgehend gegen äußere Umgebungseinflüsse abdichten kann.The damping element can be designed in particular as (in particular polymer, for example polyurethane or polypropylene or silicone) foam, so that the ultrasonic sensor element can be manufactured in a particularly simple and cost-effective manner. Furthermore, the ultrasound sensor element can also already have a comparatively high density in the region of the damping element, since the foam can largely seal the ultrasound sensor element against external environmental influences.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist das Ultraschallsensorelement ferner ein Abdeckelement auf, welches sich entlang einer äußeren Oberseite des Grundkörpers benachbart zu dem Biegeelement und einer äußeren Oberseite des Biegeelements, die von dem Piezoelement abgewandt ist, erstreckt. Das Abdeckelement kann insbesondere als Abdeckschicht ausgebildet sein und/oder mittels Spritzgusstechniken gefertigt werden. Das Abdeckelement kann einen zusätzlichen Schutz des Ultraschallsensorelements gegenüber Umgebungseinflüssen ermöglichen.In the context of a further embodiment, the ultrasonic sensor element further comprises a cover element, which extends along an outer upper side of the main body adjacent to the bending element and an outer upper side of the bending element, which faces away from the piezoelectric element. The cover element may in particular be designed as a cover layer and / or manufactured by means of injection molding techniques. The cover member may allow additional protection of the ultrasonic sensor element from environmental influences.
Das Abdeckelement kann insbesondere ein Polymer, insbesondere ein Flüssigkristallpolymer, weiter insbesondere ein Flüssigkristallpolymer der Spezifikation A950 von Ticona, aufweisen und insbesondere auch elektrisch leitfähig sein. Das Material des Abdeckelements und das Material des flexiblen Biegeelements können insbesondere identisch sein und/oder in einem gemeinsamen Prozessschritt beispielsweise mittels Umspritzens herstellbar sein. The cover element may in particular comprise a polymer, in particular a liquid crystal polymer, more particularly a liquid crystal polymer of the specification A950 from Ticona, and in particular also be electrically conductive. The material of the cover element and the material of the flexible bending element may in particular be identical and / or be producible in a common process step, for example by means of extrusion coating.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist eine äußere Oberseite des Grundkörpers benachbart zu dem flexiblen Biegeelement und/oder eine äußere Oberseite des flexiblen Biegeelements, die von dem Piezoelement abgewandt ist, und/oder eine äußere Oberseite des Abdeckelements zumindest teilweise gekrümmt ausgebildet. Die äußere Oberseite des Grundkörpers, die äußere Oberseite des flexiblen Biegeelements und/oder die äußere Oberseite des Abdeckelements können insbesondere als freiliegende Oberseiten der jeweiligen Elemente ausgebildet sein. Dadurch kann eine Oberflächenkontur des Ultraschallsensorelements an eine Oberflächenform, insbesondere an Radien, eines Stoßfängers einer Stoßstange eines Fahrzeugs angepasst sein. Dies kann insbesondere günstig bei einer Integration der Ultraschallsensorvorrichtung in Außenecken des Stoßfängers des Fahrzeugs sein. Bei einer Fertigung des flexiblen Biegeelements, des Grundkörpers und/oder des Biegeelements mittels Spritzgießtechniken kann die Oberflächenformung des Grundkörpers, des flexiblen Biegeelements und/oder des Abdeckelements an eine Oberflächenkontur des Stoßfängers besonders einfach realisierbar sein. Insbesondere kann nur die Oberseite des Abdeckelements zumindest teilweise gekrümmt ausgebildet sein, so dass eine Funktionsweise des darunter liegenden Biegeelements nicht beeinträchtigt werden kann.In the context of a further embodiment, an outer upper side of the base body adjacent to the flexible bending element and / or an outer upper side of the flexible bending element, which faces away from the piezoelectric element, and / or an outer upper side of the cover element is at least partially curved. The outer upper side of the main body, the outer upper side of the flexible bending element and / or the outer upper side of the cover element may in particular be designed as exposed upper sides of the respective elements. This can be a surface contour of the ultrasonic sensor element may be adapted to a surface shape, in particular to radii, of a bumper of a bumper of a vehicle. This can be particularly favorable in an integration of the ultrasonic sensor device in outer corners of the bumper of the vehicle. When manufacturing the flexible bending element, the base body and / or the bending element by means of injection molding techniques, the surface shaping of the base body, the flexible bending element and / or the cover element to a surface contour of the bumper can be particularly easily implemented. In particular, only the upper side of the cover element can be designed to be at least partially curved, so that an operation of the underlying bending element can not be impaired.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die Ultraschallsensorelemente der Vielzahl von Ultraschallsensorelementen (in Draufsicht oder in Sicht von unten auf die Ultraschallsensorvorrichtung gesehen) in einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Muster angeordnet. Die Anordnung der Ultraschallsensorelemente in einem eindimensionalen Muster kann beispielsweise linienförmig, also als eindimensionales Feld realisiert sein. Die Ultraschallsensorelemente können insbesondere in einem Matrixmuster (beispielsweise mit sechs Elementen in einer ersten Richtung und drei Elementen in einer zweiten Richtung, die quer, insbesondere senkrecht, zu der ersten Richtung sein kann) angeordnet sein. Das zweidimensionale Muster kann insbesondere eine kreisförmige Fläche aufweisen und/oder die Ultraschallsensorelemente können entlang einer Umfangslinie der kreisförmigen Fläche angeordnet sein. Die musterförmige Anordnung der Ultraschallsensorelemente kann eine platzsparende Anordnung der Ultraschallsensorelemente bewirken und/oder eine bezüglich der Längserstreckung der Ultraschallsensorelemente vertikale und horizontale Empfindlichkeit der Ultraschallsensorvorrichtung und damit ein dreidimensionales Erfassen eines Objekts ermöglichen.In a further embodiment, the ultrasound sensor elements of the plurality of ultrasound sensor elements (seen in plan view or in view from below onto the ultrasound sensor device) are arranged in a one-dimensional or two-dimensional pattern. The arrangement of the ultrasonic sensor elements in a one-dimensional pattern can be realized, for example, linearly, that is to say as a one-dimensional field. The ultrasonic sensor elements may in particular be arranged in a matrix pattern (for example with six elements in a first direction and three elements in a second direction, which may be transverse, in particular perpendicular, to the first direction). In particular, the two-dimensional pattern may have a circular area and / or the ultrasonic sensor elements may be arranged along a circumferential line of the circular area. The patterned arrangement of the ultrasound sensor elements can bring about a space-saving arrangement of the ultrasound sensor elements and / or allow a vertical and horizontal sensitivity of the ultrasound sensor device with respect to the longitudinal extension of the ultrasound sensor elements and thus a three-dimensional detection of an object.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die Ultraschallsensorelemente der Vielzahl von Ultraschallsensorelementen zum Senden und/oder Empfangen des Ultraschalls eingerichtet. In einem Sendebetrieb eines Ultraschallsensorelements kann eine Schallwelle basierend auf einer Verformung des Biegeelements erzeugbar sein, die durch eine Verformung des Piezoelements verursacht werden kann. Die Verformung des Piezoelements kann durch eine hohe Spannung an dem Piezoelement verursacht werden. In einem Empfangsbetrieb eines Ultraschallsensorelements kann ein (elektrisches) Signal durch eine Verschiebung von Ladungen in dem Piezoelement, die auf einer Verformung des Biegeelements basiert, erzeugbar sein. Die Verformung kann hierbei durch eine Druckeinwirkung auf das flexible Biegeelement verursacht sein. Die Ultraschallsensorvorrichtung kann ausschließlich zum Senden oder ausschließlich zum Empfangen von Ultraschall eingerichtet sein. Ferner kann die Ultraschallsensorvorrichtung gleichzeitig zum Senden und Erfassen des Ultraschalls eingerichtet sein, indem beispielsweise ein Teil der Ultraschallsensorelemente der Ultraschallsensorvorrichtung zum Senden des Ultraschalls und ein anderer Teil der Ultraschallsensorelement der Ultraschallsensorvorrichtung zum Empfangen des Ultraschalls eingerichtet sein können. Im Fall, dass ein Ultraschallsensorelement oder ausschließlich Ultraschallsensorelemente einer Betriebsart vorhanden sind, können das Ultraschallsensorelement und die Ultraschallsensorelemente der einen Betriebsart sequentiell zum Senden und zum Empfangen des Ultraschalls eingerichtet sein. Eine Betriebsart zumindest eines Ultraschallsensorelements kann insbesondere während eines Betriebs der Ultraschallsensorvorrichtung in die andere Betriebsart änderbar sein.In a further embodiment, the ultrasound sensor elements of the plurality of ultrasound sensor elements are arranged for transmitting and / or receiving the ultrasound. In a transmission mode of an ultrasonic sensor element, a sound wave can be generated based on a deformation of the bending element, which can be caused by a deformation of the piezoelectric element. The deformation of the piezoelectric element can be caused by a high voltage at the piezoelectric element. In a receiving operation of an ultrasonic sensor element, an (electrical) signal can be generated by a displacement of charges in the piezoelectric element based on a deformation of the bending element. The deformation can be caused by a pressure on the flexible bending element. The ultrasound sensor device can be set up exclusively for transmitting or exclusively for receiving ultrasound. Furthermore, the ultrasound sensor device can be set up at the same time for transmitting and detecting the ultrasound, for example by having a part of the ultrasound sensor elements of the ultrasound sensor device for transmitting the ultrasound and another part of the ultrasound sensor element of the ultrasound sensor device configured to receive the ultrasound. In the case where an ultrasonic sensor element or exclusively ultrasonic sensor elements of one operating mode are present, the ultrasonic sensor element and the ultrasonic sensor elements of the one operating mode can be set up sequentially for transmitting and for receiving the ultrasound. An operating mode of at least one ultrasound sensor element may be changeable in particular during operation of the ultrasound sensor device into the other operating mode.
Eine Vielzahl von, insbesondere oberflächenmontierten (Englisch: surface mounted device (SMD))) Kondensatoren, kann insbesondere an einer dem Grundkörper abgewandten Oberseite des Substrat angeordnet sein, die parallel zu den Piezoelementen der Ultraschallelementen geschaltet sein können. Diese Maßnahme bewirkt eine Empfindlichkeitsdrift-Kompensation der Ultraschallsensorvorrichtung. Ferner kann durch die musterartige Anordnung der Ultraschallsensorelemente eine räumlich sehr nahe Anordnung der Kondensatoren und der Ultraschallsensorelemente bewerkstelligt werden, da die musterartige Anordnung der Ultraschallsensorelemente an dem Substrat einen geringen Platzbedarf haben kann.A plurality of, in particular surface-mounted devices (SMD)) capacitors, may in particular be arranged on an upper side of the substrate facing away from the main body, which may be connected in parallel to the piezo elements of the ultrasonic elements. This measure effects sensitivity drift compensation of the ultrasonic sensor device. Furthermore, a spatially very close arrangement of the capacitors and the ultrasonic sensor elements can be accomplished by the pattern-like arrangement of the ultrasonic sensor elements, since the pattern-like arrangement of the ultrasonic sensor elements on the substrate can have a small footprint.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Ultraschallsensorvorrichtung in einer Einparkvorrichtung oder in einem Manöverassistenzsystem eines Fahrzeugs aufgenommen. Dadurch kann mittels der Ultraschallsensorvorrichtung ein Objekt in einer Umgebung eines Heck- und/oder Frontstoßfängers des Fahrzeugs erfasst und dessen Winkel zu dem Fahrzeug beispielsweise mittels eines sogenannten Bartlet-Beam-Forming-Algorithmus bestimmt werden. Der Abstand zum Objekt kann sich dabei aus der Zeitinformation zwischen dem ausgesendeten Ultraschall und dem empfangenen Ultraschall ergeben, der am Objekt reflektiert sein kann.In a further embodiment, the ultrasonic sensor device is accommodated in a parking device or in a maneuver assistance system of a vehicle. As a result, an object in an environment of a rear and / or front bumper of the vehicle can be detected by means of the ultrasonic sensor device and its angle to the vehicle can be determined, for example, by means of a so-called Bartlet Beam Forming Algorithm. The distance to the object may result from the time information between the emitted ultrasound and the received ultrasound, which may be reflected at the object.
Der Grundkörper kann insbesondere eine Länge von etwa 50 Millimeter (mm) und ein Breite von etwa 30 mm aufweisen. Eine Dicke des Grundkörpers entlang einer Längserstreckung der Öffnung kann insbesondere zwischen etwa 5 mm und etwa 6 mm betragen.The main body may in particular have a length of about 50 millimeters (mm) and a width of about 30 mm. A thickness of the main body along a longitudinal extent of the opening may in particular be between about 5 mm and about 6 mm.
Im Falle von A950 von Tikona kann insbesondere eine Dicke des flexiblen Biegeelements höchstens etwa ≤ 1 mm betragen. Im Falle eines Biegeelements aus Metall kann insbesondere eine Dicke des Biegeelements etwa 0,3 mm betragen. Ein Durchmesser eines einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Biegeelements kann insbesondere in einem Bereich von etwa ≥ 4 bis etwa ≤ 5 mm liegen. In diesen Fällen kann eine Übersprechdämpfung zwischen den Ultraschallsensorelementen etwa 20 Dezibel (dB) betragen.In the case of Tikona A950 in particular, a thickness of the flexible bending element at most about ≤ 1 mm. In the case of a metal bending element, in particular, a thickness of the bending element may be about 0.3 mm. A diameter of a bending element having a circular cross-section may in particular be in a range of approximately ≥ 4 to approximately ≦ 5 mm. In these cases, crosstalk attenuation between the ultrasonic sensor elements may be about 20 decibels (dB).
Eine Resonanzfrequenz des flexiblen Biegeelements kann insbesondere etwa 50 Kilohertz (kHz) betragen. Die Resonanzfrequenz des flexiblen Biegeelements kann in Abhängigkeit von einer Form des flexiblen Biegeelements, insbesondere in Abhängigkeit einer Dicke des flexiblen Biegeelements und eines Durchmessers sowie des Elastizitätsmoduls des verwendeten Materials des flexiblen Biegeelements, einstellbar sein.In particular, a resonant frequency of the flexible flexure may be about 50 kilohertz (kHz). The resonant frequency of the flexible bending element may be adjustable depending on a shape of the flexible bending element, in particular depending on a thickness of the flexible bending element and a diameter and the modulus of elasticity of the material used of the flexible bending element.
Eine Dicke des Abdeckelements kann insbesondere etwa 0,4 mm betragen. Dies kann gewährleisten, dass eine Empfindlichkeit der Ultraschallsensorvorrichtung auf den Ultraschall nicht durch das Abdeckelement vermindert werden kann.In particular, a thickness of the cover element may be about 0.4 mm. This can ensure that sensitivity of the ultrasonic sensor device to the ultrasound can not be reduced by the cover member.
Ein Radius der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Ultraschallsensorelemente kann insbesondere etwa 2,5 mm betragen, und ein Abstand direkt benachbarter Ultraschallsensorelemente kann zwischen etwa ≥ 1 mm und etwa ≤ 3 mm betragen.In particular, a radius of the ultrasonic sensor elements having a circular cross section may be about 2.5 mm, and a distance of directly adjacent ultrasonic sensor elements may be between about ≥ 1 mm and about ≦ 3 mm.
Die Anzahl an Ultraschallsensorelementen in der Ultraschallsensorvorrichtung kann sehr vielfältig sein. Insbesondere kann unter wirtschaftlichen Aspekten die Ultraschallsensorvorrichtung bis zu 20 Ultraschallsensorelemente aufweisen.The number of ultrasonic sensor elements in the ultrasonic sensor device can be very diverse. In particular, from an economic point of view, the ultrasonic sensor device can have up to 20 ultrasonic sensor elements.
Ein erfasster Winkelbereich quer zu einer und zentriert um die Längserstreckung eines Ultraschallsensorelements kann insbesondere in einem Bereich von etwa ≥ 70 Grad bis etwa ≤ 80 Grad liegen. Ein erfasster Winkelbereich quer zu einer und zentriert um die Längserstreckung der Ultraschallsensorvorrichtung kann insbesondere in einem Bereich von etwa ≥ 140 Grad bis etwa ≤ 160 Grad liegen.A detected angular range transverse to and centered about the longitudinal extent of an ultrasonic sensor element may, in particular, be in a range of approximately ≥ 70 degrees to approximately ≦ 80 degrees. A detected angular range transverse to and centered about the longitudinal extension of the ultrasonic sensor device may, in particular, be in a range of approximately ≥ 140 degrees to approximately ≦ 160 degrees.
Das Ultraschallsensorelement und/oder die Ultraschallsensorvorrichtung können insbesondere durch ein Verfahren hergestellt sein, das im Folgenden beschrieben wird.In particular, the ultrasonic sensor element and / or the ultrasonic sensor device may be manufactured by a method which will be described below.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further advantages and features of the device according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention and the description of the figures.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Ultraschallsensorvorrichtung zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall, wobei die Ultraschallsensorvorrichtung eine Vielzahl von Ultraschallsensorelementen aufweist, wobei ein Herstellen eines Ultraschallsensorelements aufweist:
- – Bereitstellen eines Grundkörpers, welcher eine Öffnung aufweist,
- – Stirnseitiges Verschließen eines ersten Endbereichs der Öffnung durch ein flexibles Biegeelement,
- – Anordnen eines Piezoelements in der Öffnung,
- – Miteinander-Verbinden des flexiblen Biegeelements und des Piezoelements,
- – Anordnen eines Dämpfungselements in der Öffnung, und
- – Stirnseitiges Verschließen eines zweiten Endbereichs der Öffnung durch das Dämpfungselement,
- Providing a base body which has an opening,
- Closing a first end region of the opening on the face side by means of a flexible bending element,
- Arranging a piezoelectric element in the opening,
- Connecting the flexible bending element and the piezo element to each other,
- - placing a damping element in the opening, and
- Closing a second end region of the opening on the side by the damping element,
Für die Wirkung des Verfahrens wird auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der Vorrichtung verwiesen. Ferner kann das Verfahren besonders einfach ausgeführt werden, da bekannte Maßnahmen, insbesondere Spritzgießtechniken, Umspritzen von Elementen, Fließpressen usw., und kommerziell erhältliche Werkzeuge zum Herstellen des Ultraschallsensorelements und/oder der Ultraschallsensorvorrichtung verwendet werden können. Dies kann eine Massenproduktion der Ultraschallsensorelemente ermöglichen, so dass Herstellungskosten der Ultraschallsensorvorrichtung besonders gering sein können.For the effect of the method, reference is made to the explanations in connection with the device. Furthermore, the method can be carried out particularly simply, since known measures, in particular injection molding techniques, encapsulation of elements, extrusions, etc., and commercially available tools for producing the ultrasonic sensor element and / or the ultrasonic sensor device can be used. This may enable mass production of the ultrasonic sensor elements, so that manufacturing costs of the ultrasonic sensor device may be particularly small.
Im Rahmen einer Ausführungsform weist das Bereitstellen des Grundkörpers Einbringen der Öffnung in den Grundkörper mittels Bohrens, Erodierens oder Fließpressens, insbesondere Kaltfließpressens, auf.In one embodiment, the provision of the base body introducing the opening in the body by means of drilling, eroding or extrusion, in particular cold extrusion on.
Dabei kann das Bereitstellen des Grundkörpers das Einbringen einer Bohrung in den Grundkörper aufweisen, die die Öffnung bilden kann. Dadurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung der Ultraschallsensorvorrichtung ermöglicht sein. Die Öffnung kann eine durch den Grundkörper hindurch gehende oder eine nicht hindurch gehende Öffnung sein.In this case, the provision of the main body can have the introduction of a bore in the base body, which can form the opening. As a result, a particularly simple and cost-effective production of the ultrasonic sensor device can be made possible. The opening may be an opening going through the base or not going through.
Durch das Erodieren der Öffnung kann eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung der Ultraschallsensorvorrichtung ermöglicht sein. Die Öffnung kann eine durch den Grundkörper hindurch gehende oder eine nicht hindurch gehende Öffnung sein.By eroding the opening, a particularly simple and cost-effective production of the ultrasonic sensor device can be made possible. The opening may be an opening going through the base or not going through.
Der Grundkörper und/oder das flexible Biegeelement können mittels Fließpressens ausgebildet werden. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung des Grundkörpers. und/oder des flexiblen Biegeelements. Im Falle, dass der Grundkörper und/oder das flexible Biegeelement mittels Fließpressens, insbesondere mittels Kaltfließpressens, ausgebildet werden können, können der Grundkörper und/oder das flexible Biegeelement einstückig ausgebildet sein. Hierbei kann die Öffnung eine nicht durch den Grundkörper hindurch gehende Öffnung darstellen. Fließpressen kann bei einer Fertigung des flexiblen Biegeelements und des Grundköpers aus Metall, insbesondere Aluminium, verwendet werden. Im Fall, dass der Grundkörper mittels Fließpressens ausgebildet wird, kann die Öffnung in den Grundkörper durch das Fließpressen mit eingebracht werden. The main body and / or the flexible bending element can be formed by means of extrusion. This allows a particularly cost-effective production of the body. and / or the flexible bending element. In the event that the main body and / or the flexible bending element can be formed by extrusion, in particular by means of cold extrusion, the base body and / or the flexible bending element can be integrally formed. In this case, the opening can represent an opening which does not pass through the main body. Extrusion molding can be used in a production of the flexible bending element and the Grundköpers of metal, in particular aluminum. In the case that the main body is formed by extrusion molding, the opening in the body can be introduced by the extrusion.
Der Grundkörper kann insbesondere mehrere Öffnungen aufweisen.The main body may in particular have a plurality of openings.
Die Öffnungen des Grundkörpers können insbesondere gleichzeitig gefertigt werden.The openings of the base body can be made in particular simultaneously.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform werden der Grundkörper und das in der Öffnung angeordnete Piezoelement umspritzt, um das flexible Biegeelement in der Öffnung zu bilden. Ein hierbei verwendetes Material kann Polymer, insbesondere Flüssigkristallpolymer, aufweisen. In einem gleichen oder nachfolgenden Prozessschritt kann der Grundkörper mit dem Biegeelement und dem Piezoelement umspritzt werden, um ein Gehäuse der Ultraschallsensorvorrichtung zu bilden. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung der Ultraschallsensorvorrichtung. In a further embodiment, the base body and the piezoelectric element arranged in the opening are encapsulated in order to form the flexible bending element in the opening. A material used here may comprise polymer, in particular liquid-crystal polymer. In a same or subsequent process step, the base body with the bending element and the piezoelectric element can be encapsulated to form a housing of the ultrasonic sensor device. This allows a particularly simple and cost-effective production of the ultrasonic sensor device.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further advantages and features of the method according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the device according to the invention and the description of the figures.
Zeichnungen und BeispieleDrawings and examples
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigenFurther advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it
Ein flexibles Substrat
Die Ultraschallsensorelemente
Die Ultraschallsensorelemente
In einem Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen der Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, bei dem Ultraschallsensorvorrichtung
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird das Piezoelement
In einem weiteren Schritt wird in einem Siebdruckverfahren der isotrope Leitkleber
In einem weiteren Schritt wird eine elektrische Kontaktierung zwischen der Unterseite des Piezoelements
In einem weiteren Schritt werden die Öffnungen
Ein Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung
Bei einem Verfahren zum Herstellen der Sensorvorrichtung
Die
Ein Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung
Bei einem Verfahren zum Herstellen der Ultraschallsensorvorrichtung
Ein Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung
Ein Verfahren zum Herstellen der Ultraschallsensorvorrichtung
Ein Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung
Bei den Verfahren zum Herstellen der Ultraschallsensorvorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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