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In vielen Anwendungsgebieten ist eine Interaktion eines Benutzers mit einem elektronischen System erforderlich. Beispielsweise werden in einem Kraftfahrzeug ein Schalter zur Betätigung der Frontscheibenbelüftung und eine entsprechende Anzeige benötigt. Häufig werden als Schalter Berührungssensoren eingesetzt. Kapazitive Berührungssensoren unterliegen Einschränkungen hinsichtlich des Materials der Oberfläche, an der sie Berührungen detektieren sollen. Beispielsweise ist eine Kombination einer metallenen Berührungsfläche mit einem kapazitiven Berührungssensor regelmäßig nicht möglich. Bei Ultraschallberührungssensoren kann die Berührungsfläche aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Allerdings ist eine gute akustische Ankopplung an die Berührungsfläche erforderlich, um sicher eine Berührung feststellen zu können.
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Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Ultraschallberührungssensor bereitzustellen, der sich auf einfache Weise an eine Verkleidung anbringen lässt.
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Die Aufgabe wurde mit dem Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird ein Ultraschallberührungssensor zum Anbringen an eine Verkleidung, mit einem Halbleiterchip, welcher eine Substratseite und eine Bauelementseite aufweist, wobei der Halbleiterchip ein Ultraschallwandlerelement umfasst, wobei das Ultraschallwandlerelement an der Bauelementseite angeordnet ist, mit einem den Halbleiterchip wenigstens im Bereich des Ultraschallwandlerelements abdeckenden akustischen Kopplungsmedium, mit elektrischen Kontaktelementen zur Ansteuerung des Ultraschallwandlerelements, wobei die elektrischen Kontaktelemente auf der Bauelementseite des Halbleiterchips angeordnet sind.
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Beispiele des vorgeschlagenen Ultraschallberührungssensors werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1 einen Ultraschalltransceiver;
- 2 einen Ultraschalltransceiver;
- 3 einen Ultraschalltransceiver in einer ersten Situation;
- 4 den in der 3 gezeigten Ultraschalltransceiver in einer zweiten Situation;
- 5 einen Ultraschalltransceiver in einer dritten Situation;
- 6 den in der 5 gezeigten Ultraschalltransceiver in einer vierten Situation;
- 7 ein Haushaltsgerät;
- 8 einen Ultraschallberührungssensor;
- 9 einen Ultraschallberührungssensor;
- 10 eine Verkleidung mit einem Ultraschallberührungssensor;
- 11 eine Verkleidung mit einem Ultraschallberührungssensor;
- 12 einen Ultraschallberührungssensor;
- 13 einen Ultraschallberührungssensor;
- 14 einen Ultraschallberührungssensor; und
- 15 ein Gehäuse für einen Ultraschallberührungssensor.
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In den 1 und 2 ist ein Ultraschallwandlerelement 100 dargestellt. Das Ultraschallwandlerelement 100 weist eine Membran 120 mit einer Elektrode 112 und ein Substrat 101 mit einer Elektrode 111 auf. Zwischen der Membran 120 und dem Substrat 101 ist eine Kavität 130 vorgesehen, welche eine Bewegung der Membran 120 ermöglicht.
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Durch Anlagen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden 111 und 112 mittels einer Spannungsquelle 151 kann die Membran 120 zu Schwingungen angeregt werden, so dass das Ultraschallwandlerelement 100 Ultraschallwellen 141 aussenden kann.
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Das in den 1 und 2 gezeigte Ultraschallwandlerelement 100 kann ebenfalls genutzt werden, um Ultraschallwellen 142 zu detektieren. Dazu kann mittels der Spannungsquelle 152 eine Gleichspannung zwischen den Elektroden 111 und 112 angelegt werden. Die Ultraschallwellen 142 können die Membran 120 zu Schwingungen anregen. Durch den sich dadurch ändernden Abstand zwischen den Elektroden 111 und 112 wird eine Wechselspannung induziert, die mit einer Messvorrichtung 153 gemessen werden kann.
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In den 3 bis 6 ist schematisch dargestellt, wie mittels des Ultraschallwandlerelements 311 bzw. 411 eine Berührung einer Verkleidung 390, 490 auf der dem Ultraschallberührungssensor gegenüberliegenden Seite der Verkleidung 390, 490 erfasst werden kann. Das Ultraschallwandlerelement 311 bzw. 411 ist jeweils in einer Kapselungsschicht 320, 420 eingebettet, wobei die Kapselungsschicht 320, 420 eine Kontaktoberfläche aufweist, mit welcher der Ultraschallberührungssensor an der Verkleidung 390, 490 angebracht ist. Das Ultraschallwanderelement 311, 411 kann jeweils auf einer Leiterplatte 370, 470 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden sein.
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Wie in der 3 gezeigt können mittels des Ultraschallwandlerelements 311 Ultraschallwellen erzeugt werden, die im Wesentlichen vollständig durch die Grenzfläche zwischen der Kapselungsschicht 320 und der Verkleidung 390 transmittiert und anschließend an der der Kapselungsschicht 320 gegenüberliegenden, freien Oberfläche der Verkleidung 390 reflektiert werden. Nach der abermaligen Transmission durch die Grenzfläche zwischen der Verkleidung 390 und der Kapselungsschicht 320 können die Ultraschallwellen wieder vom Sensorelement 311 detektiert werden, so dass ein Echosignal, wie unterhalb der 3 gezeigt ist, erhalten wird.
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Bei einer Berührung der der Kapselungsschicht 320 gegenüberliegenden, freien Oberfläche der Verkleidung 390, beispielsweise mit einem Finger 401, wird nur ein geringerer Anteil der Ultraschallwellen an der freien Oberfläche reflektiert und das Echosignal nimmt ab, wie es unterhalb der 4 dargestellt ist.
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In der 5 ist dargestellt, dass beim Anbringen des Ultraschallberührungssensors an der Verkleidung 490 ein Hohlraum 491 verblieben ist. Dieser Hohlraum 491 hat zur Folge, dass die von dem Sensorelement 411 ausgesandten Ultraschallwellen die Grenzfläche zwischen der Kapselungsschicht 420 und der Verkleidung 490 nicht passieren, sondern an dieser Grenzfläche reflektiert werden, so dass ein Echosignal, wie es darunter dargestellt ist, erhalten wird.
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Da die Ultraschallwellen nicht (oder fast nicht) in die Verkleidung transmittiert werden, führt eine Berührung der Verkleidung 490 mit dem Finger 601 nicht zu einer Änderung des Echosignals.
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In der 7 ist als Beispiel für eine Verwendung des vorgeschlagenen Ultraschallberührungssensors 720 ein Haushaltsgerät 700 dargestellt. Bei dem Haushaltsgerät 700 kann es sich beispielsweise um eine Waschmaschine handeln. An einer Verkleidung 790 des Haushaltsgeräts 700 ist ein Ultraschallberührungssensor 720 vorgesehen, mit welchem Einstellung des Haushaltsgeräts 700 geändert oder geprüft werden können. Gegenüber anderen Berührungssensoren kann ein Ultraschallberührungssensor den Vorteil haben, dass er auch bei Verkleidungen einsetzbar ist, die aus Metall bestehen.
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In der 8 ist ein Ultraschallberührungssensor 800 zum Anbringen an einer Verkleidung dargestellt. Der Ultraschallberührungssensor 800 weist einen Halbleiterchip 810 mit einem Ultraschallwanderelement 813, ein akustische Kopplungsmedium 820 und elektrische Kontaktelemente 830 auf. Bei dem in der 8 gezeigten Beispiel werden die elektrischen Kontaktelemente 830 in Form einer Kugelgitteranordnung (engl. Ball Grid Array) bereitgestellt. Die elektrischen Kontaktelemente 830 können insbesondere Lotkugeln umfassen. Durch Auf- und/oder Anschmelzen der Lotkugeln kann der Ultraschallberührungssensor 800 einfach an der Verkleidung angebracht werden. Wie nachfolgend noch beschrieben werden wird, sind jedoch auch andere Formen elektrischer Kontaktelemente 830 denkbar. Der Halbleiterchip 810 hat eine Substratseite 811 und eine Bauelementseite 812. Das Ultraschallwandlerelement 813 ist an der Bauelementseite des Halbleiterchips 810 angeordnet. Das akustische Kopplungsmedium 820 deckt den Halbleiterchip 810 wenigstens im Bereich des Ultraschallwanderlements 813 ab. Die Kontaktelemente 830 zur Ansteuerung des Ultraschallwandlerelements 813 sind auf der Bauelementseite 812 des Halbleiterchips 810 angeordnet. Die Bereitstellung der elektrischen Kontaktelemente 830 auf der gleichen Seite wie die aktive Seite des Ultraschallwandlerelement 813 kann das Anbringen des Ultraschallberührungssensors 800 an der Verkleidung und dessen elektrische Verbindung vereinfachen. Neben dem Ultraschallwandlerelement 813 kann der Halbleiterchip 810 noch weitere Sensorelemente, Auswerteelemente, Verstärker, aktive Schaltungselemente und/oder passive Schaltungselemente aufweisen.
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In dem Beispiel der 8 ist der Halbleiterchip 810 auf einem Träger 860 angeordnet und es wird eine Zwischenverbindungsschicht 840 bereitgestellt, um elektrische Anschlüsse des Halbleiterchips 810 mit den einzelnen elektrischen Kontaktelemente 830 elektrisch zu verbinden. Der Träger 860 kann den Vorteil haben, dass der Ultraschallsensor 800 mechanisch einfacher handhabbar ist und einfacher an eine Verkleidung angebracht werden kann. Das akustische Kopplungsmedium 820 kann aufgebracht werden, bevor die elektrischen Kontaktelemente 830 und/oder die Zwischenverbindungsschicht 840 befestigt werden (engl. preapplied underfill). Dies kann es ermöglichen, auch bei sehr geringem Abstand der elektrischen Kontaktelemente 830, das akustische Kopplungsmedium zwischen den elektrischen Kontaktelementen 830 bereitzustellen. Es ist ebenfalls denkbar, das akustische Kopplungsmedium erst nach dem Anbringen der elektrischen Kotnaktelemente anzubringen. Dies kann den Herstellungsprozess ggf. vereinfachen. Das akustische Koppplungsmedium kann insbesondere ein Gel umfassen.
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9 zeigt einen weiteren Ultraschallberührungssensor 900 zum Anbringen an eine Verkleidung mit einem Halbleiterchip 910, welcher eine Substratseite 811 und eine Bauelementseite 812 aufweist, wobei der Halbleiterchip 910 ein Ultraschallwandlerelement 913 umfasst und wobei das Ultraschallwandlerelement 913 an der Bauelementseite 912 angeorndet ist, mit einem den Halbleiterchip 910 wenigstens im Bereich des Ultraschallwandlerelement 913 abdeckenden akustischen Kopplungsmedium 920, und mit elektrischen Kontaktelementen 930 zur Ansteuerung des Ultraschallwandlerelements 913, wobei die elektrischen Kontaktelemente 913 auf der Bauelementseite 912 des Halbleiterchips 810 angeordnet sind. Im Unterschied zu dem in der 8 gezeigten Beispiel, weist der Ultraschallberührungssensor 900 weder einen Träger noch eine Zwischenverbindungsschicht auf.
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In der 10 ist ein an einer Verkleidung 1050 angebrachter Ultraschallberührungssensor 1000 dargestellt. Die Verkleidung 1050 weist auf der dem Ultraschallberührungssensor 1000 zugewandten Seite eine Metallbeschichtung 1051 auf. Die Metallbeschichtung 1051 kann die elektrische Verbindung von der Verkleidung 1050 mit dem Ultraschallberührungssensor 1000 ermöglichen. Insbesondere kann die Metallbeschichtung 1051 in Form von Leiterbahnen ausgebildet sein.
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Der in der 11 gezeigt Ultraschallberührungssensor 1100 weist ein flexibles Substrat 1160 auf und das akustische Kopplungsmedium 1120 ist zwischen dem Ultraschallwandlerelement 1113 und dem flexiblen Substrat 1160 angeordnet. Das flexible Substrat 1160 kann Leiterbahnen 1161 zur elektrischen Ansteuerung des Ultraschallwandlerelements 1113 bereitstellen. Auf der dem Kopplungsmedium 1120 gegenüberliegenden Seite kann das flexible Substrat 1160 eine Klebeschicht (nicht dargestellt) aufweisen, mit der der Ultraschallberührungssensor 1100 an die Verkleidung 1150 angeklebt werden kann.
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In der 12 ist ein Ultraschallberührungssensor 1200 dargestellt, der ein vorgefertigtes Gehäuse 1260 umfasst. Der Halbleiterchip 1210 mit dem Ultraschallwandlerelement ist in einem Trog des vorgefertigten Gehäuses 1260 angeordnet. Der Halbleiterchip 1210 kann mittels einer Klebeschicht 1290 in dem Trog befestigt sein. Der Trog kann mit dem akustischen Kopplungsmedium 1220 gefüllt sein. Das Gehäuse 1260 kann eine höhere Steifigkeit aufweisen als das akustische Kopplungsmedium 1220. Wie in der 12 angedeutet ist, kann das akustische Kopplungsmedium leicht über den Trog herausragen, so dass es beim Anbringen des Ultraschallberührungssensors 1200 an eine Verkleidung durchgängig zwischen dem Ultraschallberührungssensor 1200 und der Verkleidung bereitgestellt wird. Es ist ebenfalls denkbar, dass das Gehäuse 1260 eine geringere Steifigkeit aufweist als das akustische Kopplungsmedium 1220 und somit beim Anbringen des Ultraschallberührungssensors 1200 an die Verkleidung nachgibt, so dass das akustische Kopplungsmedium 1220 aufgrund der Elastizität des Gehäuses 1260 unter leichtem Druck zwischen Ultraschallwandlerelement und der Verkleidung angeordnet ist und eine gute akustische Ankopplung erzielt werden kann. Innerhalb des Troges des vorgefertigten Gehäuses 1260 können Leiterbahnen 1261 zur elektrischen Verbindung des Halbleiterchips 1210 mit den elektrischen Kontaktelementen 1230 des Ultraschallberührungssensors 1200 vorgesehen sein. Bei dem in der 12 gezeigten Ultraschallberührungssensor 1200 können es sich bei den elektrischen Kontaktelementen 1230 um Lotkugeln handeln. Der Ultraschallberührungssensor 1200 kann einen weiteren Halbleiterchip 1270 aufweisen, der mittels einer Klebeschicht 1291 in einem weiteren Trog des Gehäuses befestigt sein kann. Der zweite Trog kann mit einem Einkapselungsmaterial 1280 anschließend vergossen sein. Der zweite Halbleiterchip kann beispielsweise einen integrierten Schaltkreis mit einer Auswerteschaltung für den Ultraschallberührungssensor 1210 bereitstellen.
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13 zeigt ebenfalls einen Ultraschallberührungssensor 1300, welcher ein vorgefertigtes Gehäuse 1360 aufweist. In einem Trog des vorgefertigten Gehäuses 1360 ist mittels einer Klebeschicht 1390 ein Halbleiterchip 1310 mit einem Ultraschallwandlerelement (nicht dargestellt) befestigt. Das vorgefertigte Gehäuse 1360 weist eine eingekapselte Leiterbahn 1361 zur elektrischen Verbindung des Halbleiterchips 1310 mit dem Kontaktelement 1330 auf. Die Leiterbahn 1361 kann Teil eines Leadframes sein. Der Trog des vorgefertigten Gehäuses ist mit einem akustischen Kopplungsmedium 1320 gefüllt.
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Bei dem in der 14 abgebildeten Ultraschallberührungssensor 1400 ist der Halbleiterchip 1410 mit dem Ultraschallwandlerelement in einer Einkapselung 1460 angeordnet. Eine Leiterbahn 1461, welche den Halbleiterchip 1410 mit dem elektrischen Kontaktelement 1430 elektrisch verbindet ist mit in die Einkapselung 1460 eingegossen. Die Leiterbahn 1461 kann Teil eines Leadframes sein. Oberhalb des Halbleiterchips 1410 ist ein akustisches Kopplungsmedium 1420 vorgesehen. Wenigstens ein elektrisches Kontaktelement kann als Federstift 1431 realisiert sein. Dieser Federstift kann die mechanische Befestigung des Ultraschallberührungssensors 1400 an der Verkleidung vereinfachen. Es ist denkbar nur einen Teil der elektrischen Kontaktelemente als Federstift auszubilden und als weitere elektrische Kontaktelemente Lotkugeln vorzusehen. Auf diese Weise können die mechanischen Vorteile der Federstifte mit den elektrischen Vorteilen der Lotkugeln verbunden werden. Beidseitig der Leiterbahn 1461 oder einer weiter Leiterbahn können weitere Halbleiterchips 1470, 1471 vorgesehen und mit einer der Einkapselung eingegossen sein, mit Hilfe derer weitere Funktionalitäten des Ultraschwallberührungssensors 1400 realisiert werden können.
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Wie in der 15 angedeutet ist, können Tröge 1561 eines Gehäuses 1560, in denen beispielsweise wie in 12 und 13 die Halbleiterchips 1210, 1310 angeordnet werden, einen runden Querschnitt (vgl. Trog 1561) oder einen rechteckigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt aufweisen (vgl. Trog 1562) und von den elektrischen Kontaktelementen 1530 umgeben sein. In Beispielen kann das akustische Kopplungsmedium mit einer Textilmembran 1521 abgedeckt sein. Die Textilmembran kann verhindern, dass das Kopplungsmedium in der Zeit zwischen der Fertigung des Ultraschallberührungssensors und dessen Anbringen an die Verkleidung degradiert. Insbesondere kann die Textilmembran 1521 dafür sorgen, dass das Kopplungsmedium in dem Trog verbleibt.
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Bei dem Kopplungsmedium kann es sich insbesondere um ein B-Stage-Material handeln und erst nach dem Anbringen des Ultraschallberührungssensors an der Verkleidung vollständig vernetzt werden. Insbesondere kann es sich bei einem B-Stage-Material um ein teilausgehärtetes Material handeln, welches nach einer ersten Wärmebehandlung immer noch flexibel und benetzbar ist und erst im zweiten Aushärteschritt (z.B. bei der Montage bzw. Klebung an der Verkleidung) vollständig ausgehärtet wird.
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Einige Ausführungsbeispiele werden durch die nachfolgenden Beispiele definiert:
- Beispiel 1. Ultraschallberührungssensor (800) zum Anbringen an eine Verkleidung
mit einem Halbleiterchip (810), welcher eine Substratseite (811) und eine Bauelementseite (812) aufweist,
wobei der Halbleiterchip (810) wenigstens ein Ultraschallwandlerelement (813) umfasst,
wobei das Ultraschallwandlerelement (813) an der Bauelementseite (812) angeordnet ist,
mit einem den Halbleiterchip (810) wenigstens im Bereich des Ultraschallwandlerelements (813) abdeckenden akustischen Kopplungsmedium (820), und
mit elektrischen Kontaktelementen (830) zur Ansteuerung des Ultraschallwandlerelements (813),
wobei die elektrischen Kontaktelemente (813) auf der Bauelementseite (812) des Halbleiterchips (810) angeordnet sind.
- Beispiel 2. Ultraschallberührungssensor (800) nach Beispiel 1,
wobei das akustische Kopplungsmedium (820) ein Gel umfasst.
- Beispiel 3. Ultraschallberührungssensor nach einem der Beispiele 1 oder 2,
wobei auf der dem Halbleiterchip abgewandten Seite des akustischen Kopplungsmediums eine Textilmembran (1521) angebracht ist.
- Beispiel 4. Ultraschallberührungssensor nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei das akustische Kopplungsmedium eine akustische Impedanz von mehr als 0,6 MPa s/m aufweist.
- Beispiel 5. Ultraschallberührungssensor (1000) nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei der Ultraschallberührungssensor (1000) im an der Verkleidung (1050) angebrachten Zustand zum Erfassen einer Berührung der Verkleidung (1050) auf der dem Ultraschallberührungssensor (1000) gegenüber liegenden Seite eingerichtet ist.
- Beispiel 6. Ultraschallberührungssensor (1200) nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei der Ultraschallberührungssensor (1200) ein vorgefertigtes Gehäuse (1260) umfasst.
- Beispiel 7. Ultraschallberührungssensor (800) nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei die Kontaktelemente (830) Lotkugeln umfassen.
- Beispiel 8. Ultraschallberührungssensor (1400) nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei der Halbleiterchip (1410) in einer Einkapselung (1460) eingegossen ist.
- Beispiel 9. Ultraschallberührungssensor (1200) nach einem der voranstehenden Beispiele 6 bis 8,
wobei der Halbleiterchip (1210) in einem Trog des vorgefertigten Gehäuses (1260) angeordnet ist.
- Beispiel 10. Ultraschallberührungssensor (1200) nach einem der voranstehenden Beispiele 6 bis 9,
wobei das Gehäuse (1260) eine höhere Steifigkeit aufweist als das akustische Kopplungsmedium (1220).
- Beispiel 11. Ultraschallberührungssensor (1200) nach einem der voranstehenden Beispiele 6 bis 9,
wobei das Gehäuse (1260) eine geringere Steifigkeit aufweist als das akustische Kopplungsmedium (1220).
- Beispiel 12. Ultraschallberührungssensor (1200) nach einem der voranstehenden Beispiele 9 bis 11,
wobei der Trog mit dem akustischen Kopplungsmedium (1220) gefüllt ist.
- Beispiel 13. Ultraschallberührungssensor (1100) nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei der Ultraschallberührungssensor (1100) ein flexibles Substrat (1160) aufweist,
wobei das akustische Kopplungsmedium (1120) zwischen dem Ultraschallwandlerelement (1113) und dem flexiblen Substrat (1160) angeordnet ist.
- Beispiel 14. Ultraschallberührungssensor (1100) nach Beispiel 13,
wobei das flexible Substrat (1160) Leiterbahnen (1161) aufweist.
- Beispiel 15. Ultraschallberührungssensor (1100) nach einem der voranstehenden Beispiele 13 oder 14,
wobei das flexible Substrat (1160) auf der dem Kopplungsmedium (1120) gegenüber liegenden Seite eine Klebeschicht aufweist.
- Beispiel 16. Ultraschallberührungssensor (1300) nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei das vorgefertigte Gehäuse (1360) eine eingekapselte Leiterbahn (1361) zur elektrischen Verbindung des Halbleiterchips (1310) mit dem Kontaktelement (1330) aufweist.
- Beispiel 17. Ultraschallberührungssensor (1200) nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei innerhalb des Troges des vorgefertigten Gehäuses (1260) eine Leiterbahn (1261) zur elektrischen Verbindung des Halbleiterchips (1210) mit dem Kontaktelement (1230) vorgesehen ist.
- Beispiel 18. Ultraschallberührungssensor (1400) nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei das Kontaktelement ein Federstift (1430) ist.
- Beispiel 19. Ultraschallberührungssensor nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei das Kopplungsmedium ein B-Stage-Material umfasst.
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Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.
