DE102012211404A1 - Ultrasonic sensor installed in park system of motor vehicle, for distance measurement, has element on which electrically conductive polymer layer is partially arranged for producing electrical measuring signals - Google Patents

Ultrasonic sensor installed in park system of motor vehicle, for distance measurement, has element on which electrically conductive polymer layer is partially arranged for producing electrical measuring signals Download PDF

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Abstract

The ultrasonic sensor (10) has an element (20) on which an electrically conductive polymer layer (22) is partially arranged. The polymer layer is used for producing electrical measuring signals. The element is made of poly ethylenedioxy thiopen or glass fiber reinforced plastic. An amplifier circuit (25) is located on the element, and a spacer (23) is secured over the element. An independent claim is included for a method for manufacturing the ultrasonic sensor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Ultraschallsensorarray nach dem Oberbegriff von Anspruch 8 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.The present invention relates to an ultrasonic sensor according to the preamble of claim 1, an ultrasonic sensor array according to the preamble of claim 8 and a method of manufacturing an ultrasonic sensor according to the preamble of claim 9.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

In der modernen Technik werden Ultraschallsensoren in sehr verschiedenen Gebieten eingesetzt und weisen somit ein sehr breites Einsatzspektrum auf. Einer der möglichen Einsatzbereiche ist beispielsweise der Einsatz von Ultraschallsensoren beziehungsweise Ultraschallempfänger im Zusammenwirken mit Ultraschallsendern zur Abstandsmessung, beispielsweise in einem Parksystem eines Kraftfahrzeugs. Bevorzugt werden dabei für diese Anwendung insbesondere breitbandige akustische Ultraschallsensoren eingesetzt. Derartige Ultraschallsensoren zeichnen sich durch eine besonders hohe Effizienz bei einem Einsatz von Frequenzen unterhalb der ersten Resonanzfrequenz des Sensors aus. Die Sensitivität eines Ultraschallsensors ist dabei antiproportional zu der Steifigkeit eines Schwingers des Ultraschallsensors, insbesondere einer Membran des Ultraschallsensors. Breitbandige Ultraschallsensoren lassen sich somit insbesondere dadurch herstellen, dass man gleichzeitig die Steifigkeit und die Masse des eingesetzten Schwingers, insbesondere der eingesetzten Membran, reduziert. Dies kann jedoch bei bekannten Sensoren, wie beispielsweise Elektretmikrofone, piezoresistive Mikrofone oder Biegeschwinger mit Piezokeramik, zum Einsatz von dünnen Membranen als Schwingern führen, die bei äußeren mechanischen Einwirkungen zerstört werden können. In modern technology, ultrasonic sensors are used in very different fields and thus have a very wide range of applications. One of the possible fields of use is, for example, the use of ultrasound sensors or ultrasound receivers in cooperation with ultrasound transmitters for distance measurement, for example in a parking system of a motor vehicle. In particular, broadband acoustic ultrasonic sensors are preferably used for this application. Such ultrasonic sensors are characterized by a particularly high efficiency when using frequencies below the first resonant frequency of the sensor. The sensitivity of an ultrasonic sensor is antiproportional to the rigidity of a vibrator of the ultrasonic sensor, in particular a membrane of the ultrasonic sensor. Broadband ultrasonic sensors can thus be produced in particular by simultaneously reducing the rigidity and the mass of the oscillator used, in particular of the membrane used. However, in the case of known sensors, such as, for example, electret microphones, piezoresistive microphones or bending oscillators with piezoceramics, this can lead to the use of thin membranes as vibrators, which can be destroyed in the case of external mechanical influences.

Um Ultraschallsensoren mit möglichst dünnen Schwingern zu realisieren, ist es bekannt, die Schwinger, insbesondere die Membranen der Ultraschallsensoren, aus einer Polymerfolie beziehungsweise aus einer Polymerschicht, insbesondere einer piezoelektrisch aktivierten Polymerschicht, zu fertigen. So ist beispielsweise aus der EP 0 381 796 A1 ein Ultraschallsensor bekannt, der insbesondere zum Messen einer Schalldruckamplitude geeignet ist. Das aktive Element des Ultraschallsensors ist dabei aus einer piezoelektrisch aktivierten Polymerschicht gefertigt. Auch in der EP 0 557 780 A1 wird ein Ultraschallwandler offenbart, der eine piezoelektrische Polymerschicht als Schwinger aufweist. Problematisch an diesen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallsensoren ist, dass die Membran selbst als eine aufwendig herzustellende piezoelektrisch aktivierte Polymerschicht ausgestaltet ist und diese nur unzureichend gegen eine Zerstörung durch Einflüsse von außerhalb des Ultraschallsensors geschützt ist. In order to realize ultrasonic sensors with the thinnest possible resonators, it is known to manufacture the oscillators, in particular the membranes of the ultrasonic sensors, from a polymer film or from a polymer layer, in particular a piezoelectrically activated polymer layer. For example, from the EP 0 381 796 A1 an ultrasonic sensor is known, which is particularly suitable for measuring a sound pressure amplitude. The active element of the ultrasonic sensor is made of a piezoelectrically activated polymer layer. Also in the EP 0 557 780 A1 discloses an ultrasonic transducer having a piezoelectric polymer layer as a vibrator. A problem with these ultrasound sensors known from the prior art is that the diaphragm itself is designed as a piezoelectrically activated polymer layer which is expensive to manufacture and which is only insufficiently protected against destruction by influences from outside the ultrasound sensor.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Ultraschallsensoren zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallsensor, ein Ultraschallsensorarray sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors bereitzustellen, welche in einfacher und kostengünstiger Weise einen Ultraschallsensor bereitstellen, der zum einen eine möglichst große Bandbreite und Sensitivität aufweist und zum anderen eine möglichst große Robustheit gegenüber zerstörerischen Umwelteinflüssen aufweist. It is therefore the object of the invention to remedy the above-described disadvantages of known ultrasonic sensors at least partially. In particular, it is the object of the present invention to provide an ultrasound sensor, an ultrasound sensor array and a method for producing an ultrasound sensor which provide an ultrasound sensor in a simple and cost-effective manner, which on the one hand has the widest possible bandwidth and sensitivity and, on the other hand, the greatest possible robustness has destructive environmental influences.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallsensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch ein Ultraschallsensorarray mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9. The above object is achieved by an ultrasonic sensor with the features of independent claim 1, by an ultrasonic sensor array having the features of claim 8 and by a method for producing an ultrasonic sensor having the features of independent claim 9.

Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensorarray und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.Further features and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the ultrasonic sensor according to the invention apply, of course, in connection with the ultrasonic sensor array according to the invention and the inventive method for producing an ultrasonic sensor and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference or can be.

In einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Ultraschallsensor, aufweisend zumindest eine Membran und eine an bzw. auf der Membran zumindest teilweise angeordneten Polymerschicht gelöst. Insbesondere ist ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht elektrisch leitend ausgestaltet ist und zur Erzeugung von den elektrischen Messsignalen dient. Dabei bedeutet Erzeugung der Messsignale im Sinne der Erfindung, dass durch die Polymerschicht insbesondere eine elektrisch messbare Änderung und/oder Beeinflussung eines Messkreises, beispielsweise eine Widerstandsänderung, hervorgerufen wird. Durch das Anordnen der Polymerschicht an bzw. auf der Membran wird eine Auslenkung der Membran, insbesondere eine Auslenkung der Membran durch einlaufende Ultraschallwellen, auf die Polymerschicht übertragen und von dieser in elektrische Signale umgewandelt. Diese Umwandlung kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass durch die durch die Auslenkung der Membran erzeugte Dehnung der Polymerschicht Ladungsträger freigesetzt oder sich der spezifische (elektrische) Widerstand der Polymerschicht ändert. Durch das Vorsehen von einer Membran und einer davon materialunterschiedlichen Polymerschicht können die Materialien beider Komponenten derart gewählt werden, dass der Schwinger des Ultraschallsensors, der sich aus der Membran und der Polymerschicht zusammensetzt, möglichst dünn ist und damit eine möglichst geringe Masse aufweist. Dadurch wird der mit einem derartig ausgestalteten Schwinger gefertigte erfindungsgemäße Ultraschallsensor breitbandig in seiner Sensorcharakteristik. Ferner kann das Material der Membran derart gewählt werden, dass es trotz der geringen Masse einen ausreichenden Schutz für die Polymerschicht darstellt, wodurch der erfindungsgemäße Ultraschallsensor widerstandsfähig gegenüber zerstörerischen Umwelteinflüssen ist. Die Polymerschicht muss dabei die Membran nicht vollständig bzw. vollflächig abdecken, sondern kann nur an einem räumlich begrenzten Bereich der Membran angeordnet sein. Durch die Polymerschicht werden die Messsignale direkt an der Membran erzeugt, eine nachgeschaltete Mechanik zur Erzeugung der Signale ist nicht notwendig. Ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor wird dadurch besonders einfach, er ist leicht zu montieren und kostengünstig herzustellen. Die erwähnte elektrisch leitende Polymerschicht kann auf der Membran aufgeschweißt, -gedampft oder -geklebt werden.In a first aspect of the invention, the object is achieved by an ultrasonic sensor, comprising at least one membrane and a polymer layer at least partially arranged on or on the membrane. In particular, an ultrasonic sensor according to the invention is characterized in that the polymer layer is designed to be electrically conductive and is used to generate the electrical measuring signals. In this case, generation of the measurement signals in the sense of the invention means that, in particular, an electrically measurable change and / or influencing of a measuring circuit, for example a change in resistance, is caused by the polymer layer. By arranging the polymer layer on or on the membrane, a deflection of the membrane, in particular a deflection of the membrane by incoming ultrasonic waves, transmitted to the polymer layer and converted by this into electrical signals. This conversion can be realized, for example, by the release of charge carriers by the stretching of the polymer layer produced by the deflection of the membrane or by the change in the specific (electrical) resistance of the polymer layer. By the Provision of a membrane and a material-different polymer layer thereof, the materials of both components can be chosen such that the oscillator of the ultrasonic sensor, which is composed of the membrane and the polymer layer, is as thin as possible and thus has the lowest possible mass. As a result, the ultrasound sensor according to the invention, which is manufactured with a transducer designed in this way, becomes broadband in its sensor characteristic. Furthermore, the material of the membrane can be chosen such that, despite the low mass, it provides sufficient protection for the polymer layer, whereby the ultrasonic sensor according to the invention is resistant to destructive environmental influences. The polymer layer does not have to cover the membrane completely or completely, but can only be arranged on a spatially limited region of the membrane. Due to the polymer layer, the measuring signals are generated directly on the membrane, a downstream mechanism for generating the signals is not necessary. An inventive ultrasonic sensor is characterized particularly simple, it is easy to assemble and inexpensive to manufacture. The mentioned electrically conductive polymer layer can be welded, vapor-deposited or glued on the membrane.

Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor vorgesehen sein, dass die Polymerschicht auf der Membran das Polymer Poly-3,4-Ethylendioxy-Thiophen (PEDOT) aufweist. Das Polymer PEDOT ist ein leitfähiges Polymer, das sich zur Anordnung an einer Membran eines Ultraschallsensors besonders gut eignet. Das Verhalten der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstands dieses Polymers bei Dehnung ist bekannt. Aus einem gemessenen Widerstand kann somit auf den Dehnungszustand des Polymers rückgeschlossen werden, wodurch der Zustand der Membran gemessen werden kann, da das Polymer an der Membran des Ultraschallsensors angeordnet ist bzw. fest mit dieser verbunden ist. Bevorzugt wird dabei Polysulfonsäure (PSS) als negatives Gegenion zum positiv geladenen Polymer PEDOT eingesetzt. Das verwendete Polymer wird dann als PEDOT: PSS bezeichnet. Furthermore, it can be provided in an ultrasonic sensor according to the invention that the polymer layer on the membrane has the polymer poly-3,4-ethylenedioxy-thiophene (PEDOT). The polymer PEDOT is a conductive polymer that is particularly well suited for placement on a membrane of an ultrasonic sensor. The behavior of the electrical conductivity or the electrical resistance of this polymer upon stretching is known. From a measured resistance can thus be deduced the strain state of the polymer, whereby the state of the membrane can be measured, since the polymer is disposed on the membrane of the ultrasonic sensor and is firmly connected thereto. Polysulfonic acid (PSS) is preferably used as the negative counterion to the positively charged polymer PEDOT. The polymer used is then referred to as PEDOT: PSS.

Darüber hinaus kann bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor vorgesehen sein, dass die Membran als Trägerelement ausgestaltet ist, welches zumindest teilweise aus einem kohlenstoff- oder glasfaserfaserverstärkten Kunststoff aufgebaut ist, wobei insbesondere das Trägerelement flach ausgestaltet ist. Durch die Verwendung eines kohlenstoff- oder glasfaserfaserverstärkten Kunststoffs für die Membran kann eine hohe Stabilität der Membran bei gleichzeitig geringer Dicke und somit geringer Masse der Membran erreicht werden. Ferner kann durch die flache Ausgestaltung der als Trägerelement ausgestalteten Membran erreicht werden, dass die Membran des Ultraschallsensors bei einer Schwingung als Reaktion auf einlaufende Ultraschallwellen nach beiden Seiten der Membran gleich ausgelenkt werden kann. Dadurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte, da nicht von einer Membranwölbung abhängige, Messcharakteristik eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors. In addition, it can be provided in the ultrasonic sensor according to the invention that the membrane is designed as a carrier element, which is at least partially constructed of a carbon or glass fiber reinforced plastic, in particular, the support member is configured flat. By using a carbon or glass fiber reinforced plastic for the membrane high stability of the membrane can be achieved with low thickness and thus low mass of the membrane. Furthermore, it can be achieved by the flat configuration of the membrane designed as a carrier element that the membrane of the ultrasonic sensor can be deflected the same at a vibration in response to incoming ultrasonic waves to both sides of the membrane. This results in a particularly advantageous, since not dependent on a membrane curvature, measurement characteristic of an ultrasonic sensor according to the invention.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors kann es ferner vorgesehen sein, dass die Membran über zumindest einen Abstandshalter an einem Basiselement befestigt ist. Dabei können beispielsweise ein bzw. mehrere Abstandshalter umfangmäßig zur Unterstützung der Membran oder nur punktuell zur Unterstützung der Membran vorgesehen sein. Durch die Abstandshalter wird die Membran vom Basiselement abgehoben. Ein Anschlagen der Membran auf das Basiselement bei einer Schwingung als Reaktion auf einlaufende Ultraschallwellen kann so sicher vermieden werden. Die Abstandshalter können auf einer Innen- und/oder Außenseite der Membran befestigt sein. Weiterhin kann durch die Geometrie und/oder Anordnung der Abstandshalter eine Einstellung der Resonanzfrequenz erfolgen. Der sich bildende Hohlraum kann durch ein Material ausgefüllt sein, das insbesondere vorzugsweise dämpfende Eigenschaften aufweist bei gleichzeitig geringer Steifigkeit und Masse. Dadurch können Reflektionen der Schallwellen innerhalb des Sensors vermieden werden.In the context of the ultrasonic sensor according to the invention, it may further be provided that the membrane is attached via at least one spacer to a base member. In this case, for example, one or more spacers may be provided circumferentially to support the membrane or only selectively to support the membrane. The spacers lift the membrane away from the base element. An impact of the membrane on the base member at a vibration in response to incoming ultrasonic waves can be safely avoided. The spacers may be mounted on an inner and / or outer side of the membrane. Furthermore, the geometry and / or arrangement of the spacers can be used to adjust the resonance frequency. The forming cavity may be filled by a material, which in particular preferably has damping properties with low stiffness and mass. As a result, reflections of the sound waves within the sensor can be avoided.

Bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor vorgesehen sein, dass die leitfähige Polymerschicht auf einer zur Messseite abgewandten Innenseite der Membran angeordnet ist. Durch die Anordnung an der Innenseite der Membran ist die Polymerschicht Umwelteinflüssen nicht direkt ausgesetzt sondern wird durch die Membran vor diesen Umwelteinflüssen geschützt. Dadurch kann eine besonders lange Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors erreicht werden. Selbstverständlich ist auch denkbar, zusätzlich an der Messseite, die eine Außenseite der Membran darstellt, eine weitere Polymerschicht anzuordnen, um beispielsweise über eine Differenzmessung der Signale der beiden Polymerschichten Messfehler zu ermitteln bzw. die Messgenauigkeit zu erhöhen. In an ultrasonic sensor according to the invention, it can preferably be provided that the conductive polymer layer is arranged on an inner side of the membrane facing away from the measuring side. Due to the arrangement on the inside of the membrane, the polymer layer is not directly exposed to environmental influences but is protected by the membrane from these environmental influences. This allows a particularly long life of an ultrasonic sensor according to the invention can be achieved. Of course, it is also conceivable, in addition to the measurement side, which is an outer side of the membrane, to arrange a further polymer layer in order to determine, for example via a differential measurement of the signals of the two polymer layers measurement errors or to increase the accuracy of measurement.

Auch kann bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor vorgesehen sein, dass eine Verstärkerschaltung vorgesehen ist, insbesondere dass zumindest ein Teil der Verstärkerschaltung auf der Membran selbst angeordnet ist. Durch die Verstärkerschaltung ist es möglich, auch kleine Ausschläge der Membran, die nur in kleinen bzw. schwachen, durch das elektrisch leitende Polymer erzeugten, Signalen resultieren, durch eine Verstärkung dieser Signale nachweisbar zu machen. Dadurch, dass zumindest ein Teil der Verstärkerschaltung an der Membran angeordnet sein kann, kann Bauraum eingespart werden. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors. It can also be provided in an ultrasonic sensor according to the invention that an amplifier circuit is provided, in particular that at least a part of the amplifier circuit is arranged on the membrane itself. By the amplifier circuit, it is possible to make even small deflections of the membrane, which result only in small or weak, generated by the electrically conductive polymer signals, by amplifying these signals detectable. Due to the fact that at least part of the amplifier circuit can be arranged on the membrane, installation space can be provided be saved. This allows a particularly compact construction of an ultrasonic sensor according to the invention.

Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor vorgesehen sein, dass die leitfähige Polymerschicht in einem geometrisch mittigen Bereich an bzw. auf der Membran angeordnet ist (unter mittig ist gemeint: in maximaler Entfernung zu den Rändern der Membrane), der bei einem Betrieb des Ultraschallsensors eine hohe geometrische Dehnung aufweist. Eine hohe geometrische Dehnung der Membran geht dabei auch mit einer hohen geometrischen Dehnung der elektrisch leitfähigen Polymerschicht einher. Dadurch wird im elektrisch leitfähigen Polymer ein möglichst großes und deutliches Signal erzeugt, beispielsweise durch eine deutliche Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Polymers. Durch eine Anordnung der elektrisch leitfähigen Polymerschicht in dem mittigen Bereich an der Membran kann somit die Sensitivität eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors erhöht werden. Bei einer Verwendung von Abstandshaltern zwischen der Membran und einem Basiselement kann dabei vorgesehen sein, dass sich dieser mittige Bereich in einer maximalen Entfernung zu den Abstandshaltern befindet. In addition, it can be provided in an ultrasonic sensor according to the invention that the conductive polymer layer is arranged in a geometrically central region on or on the membrane (in the middle is meant: at a maximum distance to the edges of the membrane), which in an operation of the ultrasonic sensor having high geometric strain. A high geometric strain of the membrane is accompanied by a high geometric strain of the electrically conductive polymer layer. As a result, the largest possible and clear signal is generated in the electrically conductive polymer, for example by a significant change in the electrical conductivity of the polymer. By arranging the electrically conductive polymer layer in the central region on the membrane, the sensitivity of an ultrasonic sensor according to the invention can thus be increased. When using spacers between the membrane and a base element can be provided that this central region is located at a maximum distance to the spacers.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Ultraschallsensorarray nach Anspruch 8 gelöst. Insbesondere sind die Ultraschallsensoren des Ultraschallsensorarrays dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Ultraschallsensoren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, die zu einem Ultraschallsensor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit selbstverständlich auch für ein erfindungsgemäßes Ultraschallsensorarray, das zumindest einen derartigen, erfindungsgemäßen Ultraschallsensor aufweist. According to a second aspect of the invention, the object is achieved by an ultrasonic sensor array according to claim 8. In particular, the ultrasonic sensors of the ultrasonic sensor array are characterized in that at least one of the ultrasonic sensors according to the first aspect of the invention is formed. All the advantages that have been described for an ultrasonic sensor according to the first aspect of the invention thus naturally also result for an ultrasonic sensor array according to the invention which has at least one such ultrasonic sensor according to the invention.

In einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors, wobei der Ultraschallsensor eine Membran und eine an der Membran angeordnete Polymerschicht aufweist. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass auf die Membran eine elektrisch leitende Polymerschicht angeordnet wird. Die elektrisch leitende Polymerschicht wird dabei dafür verwendet, einlaufende Ultraschallwellen beim Betrieb des Ultraschallsensors in elektrische Messsignale umzuwandeln. Dies können beispielsweise aktive elektrische Impulse oder auch eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Polymerschicht sein. Dadurch, dass die elektrisch leitfähige Polymerschicht direkt an der Membran angeordnet wird, werden die Messsignale direkt an der Membran erzeugt. Das Vorsehen einer nachgeschalteten Mechanik kann somit vermieden werden. Allein die Auslenkung der Membran und die direkte Anordnung der elektrisch leitenden Polymerschicht an der Membran ermöglichen somit die Erzeugung von elektrischen Signalen. Dadurch kann durch das Verfahren ein Ultraschallsensor hergestellt werden, der einfach und leicht zu montieren ist und kostengünstig in der Herstellung ist. Als elektrisch leitende Polymerschicht kann dabei insbesondere eine Polymerschicht verwendet werden, die das Polymer PEDOT:PSS aufweist. In a third aspect of the invention, the object is achieved by a method for producing an ultrasound sensor, wherein the ultrasound sensor has a membrane and a polymer layer arranged on the membrane. In particular, the method according to the invention is characterized in that an electrically conductive polymer layer is arranged on the membrane. The electrically conductive polymer layer is used to convert incoming ultrasonic waves during operation of the ultrasonic sensor into electrical measurement signals. These may be, for example, active electrical impulses or else a change in the electrical conductivity of the polymer layer. The fact that the electrically conductive polymer layer is disposed directly on the membrane, the measurement signals are generated directly on the membrane. The provision of a downstream mechanism can thus be avoided. Only the deflection of the membrane and the direct arrangement of the electrically conductive polymer layer on the membrane thus allow the generation of electrical signals. Thereby, by the method, an ultrasonic sensor can be produced which is simple and easy to assemble and is inexpensive to manufacture. In this case, in particular a polymer layer which comprises the polymer PEDOT: PSS can be used as the electrically conductive polymer layer.

Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass die leitfähige Polymerschicht auf die Membran aufgedruckt wird. Ein derartiges Druckverfahren ist ein besonders einfaches Verfahren, um die Polymerschicht, insbesondere auch in komplizierten Geometrien, auf die Membran aufzubringen. Insbesondere können dadurch Membranen für die Ultraschallsensoren auch in hohen Stückzahlen und somit besonders kostengünstig bei der Herstellung mit einer elektrisch leitfähigen Polymerschicht versehen werden. Furthermore, it can be provided in a method according to the invention that the conductive polymer layer is printed on the membrane. Such a printing process is a particularly simple method of applying the polymer layer to the membrane, especially in complicated geometries. In particular, membranes for the ultrasound sensors can therefore also be provided in large numbers and thus particularly cost-effectively in the production with an electrically conductive polymer layer.

Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass durch das Verfahren ein Ultraschallsensor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt wird. Sämtliche Vorteile, die zu einem Ultraschallsensor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, ergeben sich somit selbstverständlich auch für ein erfindungsgemäßes Verfahren, in dem ein derartiger Ultraschallsensor hergestellt wird. With a method according to the invention, it may be particularly preferred for the method to produce an ultrasonic sensor according to the first aspect of the invention. All the advantages that have been described for an ultrasonic sensor according to the first aspect of the invention thus naturally also result for a method according to the invention in which such an ultrasonic sensor is manufactured.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELEPREFERRED EMBODIMENTS

Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor bzw. das erfindungsgemäße Ultraschallsensorarray und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt schematisch: The ultrasonic sensor according to the invention or the ultrasonic sensor array according to the invention and their developments and their advantages and the method according to the invention and its developments and their advantages are explained in more detail below with reference to a drawing. It shows schematically:

1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors. 1 a sectional view of an ultrasonic sensor according to the invention.

In 1 ist eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors 10 gezeigt. Der Ultraschallsensor 10 weist dabei eine Membran 20 auf, die dick gezeichnet in ihrer Ruhestellung gezeigt ist. Eine ausgelenkte Membran 21 ist dünner gezeichnet angedeutet. Die Membran 20 ist über Abstandshalter 23 an einem Basiselement 24 angeordnet. Durch die Basishalter 23 ergibt sich ein Abstand zum Basiselement 24, wodurch die Membran 20 in beide Richtungen, d.h. in Richtung des Basiselements 24 und von dem Basiselement 24 weg ungestört schwingen kann. kann. Auf einer Innenseite 30 der Membran 20, d.h. abgewandt von der Umwelt, ist eine elektrisch leitende Polymerschicht 22 angeordnet. Die elektrisch leitende Polymerschicht 22 wird über eine Verstärkerschaltung 25 ausgelesen. Die Polymerschicht 22 ist dabei ferner durch die Membran 20 gegen Umwelteinflüsse, die von einer Messseite 31 kommen können, geschützt. Da die Polymerschicht 22 ein besonders empfindliches Bauteil des Ultraschallsensors 10 darstellt, kann dadurch eine höhere Lebensdauer des Ultraschallsensors 10 erreicht werden. Im Betrieb des Ultraschallsensors 10 schwingt die Membran 20 als Antwort auf die einlaufenden Ultraschallwellen. Die Polymerschicht 22 ist dabei an einem Bereich der Membran 20 angeordnet, die bei diesen Schwingungen einer besonders großen Dehnung ausgesetzt ist. Der gezeigte Ultraschallsensor 10 weist dabei eine Polymerschicht 22 auf, die zumindest teilweise aus PEDOT:PSS besteht. Diese Polymerschicht 22 reagiert auf Dehnung mit einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstandes. Diese Änderung kann mit Hilfe der Verstärkerschaltung 25 gemessen werden. Die Schwingungen der Membran 20 werden so direkt über die elektrisch leitende Polymerschicht 22 in elektrische Signale umgesetzt, aus denen die Information sowohl über Amplitude als auch Frequenz der einlaufenden Ultraschallwellen gewonnen werden kann. Eine komplizierte und aufwendige nachgeschaltete Mechanik zum Umwandlung der Schwingungen der Membran 20 in elektrische Signale ist somit nicht nötig. Durch die Ausgestaltung von Membran 20 und Polymerschicht 22 als getrennte, aber aneinander angeordnete, Bauelemente ist es möglich, beide Komponenten für ihre Hauptaufgabe zu optimieren. Dabei wird die Membran 20 dahin gehend konstruiert, dass sie bei möglichst geringem Gewicht möglichst stabil ist und die Polymerschicht 22 dahingehend, dass sie ebenfalls bei möglichst geringem Gewicht ein möglichst großes und gutes elektrisches Signal liefert.In 1 is a schematic sectional view of an ultrasonic sensor according to the invention 10 shown. The ultrasonic sensor 10 has a membrane 20 on, which is shown drawn thick in its rest position. A deflected membrane 21 is indicated thinner drawn. The membrane 20 is about spacers 23 on a base element 24 arranged. By the base holder 23 there is a distance to the base element 24 , causing the membrane 20 in both directions, ie in the direction of the base element 24 and from the base element 24 can swing away undisturbed. can. On an inside 30 the membrane 20 , ie remote from the environment, is an electrically conductive polymer layer 22 arranged. The electrically conductive polymer layer 22 is via an amplifier circuit 25 read. The polymer layer 22 is also through the membrane 20 against environmental influences from a measuring side 31 can come, protected. As the polymer layer 22 a particularly sensitive component of the ultrasonic sensor 10 represents, thereby a longer life of the ultrasonic sensor 10 be achieved. During operation of the ultrasonic sensor 10 the membrane vibrates 20 in response to the incoming ultrasonic waves. The polymer layer 22 is at an area of the membrane 20 arranged, which is exposed to these vibrations of a particularly large strain. The ultrasound sensor shown 10 has a polymer layer 22 on, which consists at least partly of PEDOT: PSS. This polymer layer 22 responds to strain with a change in electrical conductivity or electrical resistance. This change can be made with the help of the amplifier circuit 25 be measured. The vibrations of the membrane 20 become so directly over the electrically conductive polymer layer 22 converted into electrical signals from which the information about both amplitude and frequency of the incoming ultrasonic waves can be obtained. A complicated and expensive downstream mechanism for converting the vibrations of the membrane 20 in electrical signals is therefore not necessary. Due to the design of membrane 20 and polymer layer 22 As separate but juxtaposed components, it is possible to optimize both components for their main task. The membrane becomes 20 designed so that it is as stable as possible with the lowest possible weight and the polymer layer 22 to the effect that it also delivers the largest possible and good electrical signal with the lowest possible weight.

Die voranstehend genannten Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können Merkmale zu den einzelnen Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The above-mentioned embodiments describe the present invention by way of examples. Of course, features of the individual embodiments, if technically feasible, can be freely combined with one another without departing from the scope of the present invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0381796 A1 [0003] EP 0381796 A1 [0003]
  • EP 0557780 A1 [0003] EP 0557780 A1 [0003]

Claims (11)

Ultraschallsensor (10), aufweisend zumindest eine Membran (20) und eine an der Membran (20) zumindest teilweise angeordnete Polymerschicht (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht (22) elektrisch leitend ausgestaltet ist und zur Erzeugung von elektrischen Messsignalen dient.Ultrasonic sensor ( 10 ), comprising at least one membrane ( 20 ) and one on the membrane ( 20 ) at least partially arranged polymer layer ( 22 ), characterized in that the polymer layer ( 22 ) is electrically conductive and is used to generate electrical measurement signals. Ultraschallsensor (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht (22) an der Membran (20) das Polymer Poly-3,4-Ethylendioxy-Thiophen (PEDOT) aufweist.Ultrasonic sensor ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the polymer layer ( 22 ) on the membrane ( 20 ) the polymer comprises poly-3,4-ethylenedioxy-thiophene (PEDOT). Ultraschallsensor (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (20) als Trägerelement ausgestaltet ist, welches zumindest teilweise aus einem kohlenstoff- oder glasfaserfaserverstärkten Kunststoff aufgebaut ist, wobei insbesondere das Trägerelement flach ausgestaltet ist.Ultrasonic sensor ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the membrane ( 20 ) is designed as a support element, which is at least partially constructed of a carbon or glass fiber reinforced plastic, in particular, the support member is configured flat. Ultraschallsensor (10) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (20) über zumindest einen Abstandshalter (23) an einem Basiselement (24) befestigt ist. Ultrasonic sensor ( 10 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the membrane ( 20 ) via at least one spacer ( 23 ) on a base element ( 24 ) is attached. Ultraschallsensor (10) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Polymerschicht (22) auf einer zur Messseite (31), die eine Außenseite der Membran bildet, abgewandten Innenseite (30) der Membran (20) angeordnet ist.Ultrasonic sensor ( 10 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the conductive polymer layer ( 22 ) on one to the measuring side ( 31 ), which forms an outer side of the membrane, facing away from inside ( 30 ) of the membrane ( 20 ) is arranged. Ultraschallsensor (10) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstärkerschaltung (25) vorgesehen ist, insbesondere dass zumindest ein Teil der Verstärkerschaltung (25) auf der Membran (20) angeordnet ist.Ultrasonic sensor ( 10 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that an amplifier circuit ( 25 ), in particular that at least a part of the amplifier circuit ( 25 ) on the membrane ( 20 ) is arranged. Ultraschallsensor (10) gemäß zumindest einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Polymerschicht (22) in einem geometrisch mittigen Bereich an der Membran (20) angeordnet ist, der bei einem Betrieb des Ultraschallsensors (10) eine hohe geometrische Dehnung aufweist.Ultrasonic sensor ( 10 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the conductive polymer layer ( 22 ) in a geometrically central region on the membrane ( 20 ), which during operation of the ultrasonic sensor ( 10 ) has a high geometric strain. Ultraschallsensorarray mit zumindest zwei Ultraschallsensoren (10), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Ultraschallsensoren (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche ausgestaltet ist.Ultrasonic sensor array with at least two ultrasonic sensors ( 10 ), characterized in that at least one of the ultrasonic sensors ( 10 ) is configured according to one of the preceding claims. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors (10), wobei der Ultraschallsensor (10) eine Membran (20) und eine an der Membran (20) angeordnete Polymerschicht (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Membran (20) eine elektrisch leitende Polymerschicht (22) angeordnet wird.Method for producing an ultrasonic sensor ( 10 ), wherein the ultrasonic sensor ( 10 ) a membrane ( 20 ) and one on the membrane ( 20 ) arranged polymer layer ( 22 ), characterized in that on the membrane ( 20 ) an electrically conductive polymer layer ( 22 ) is arranged. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors (10) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Polymerschicht (22) auf die Membran (20) aufgedruckt wird.Method for producing an ultrasonic sensor ( 10 ) according to claim 9, characterized in that the conductive polymer layer ( 22 ) on the membrane ( 20 ) is printed. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors (10) gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Verfahren ein Ultraschallsensor (10) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wird.Method for producing an ultrasonic sensor ( 10 ) according to any one of claims 9 or 10, characterized in that by the method an ultrasonic sensor ( 10 ) is produced according to at least one of claims 1 to 7.
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