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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 eine besondere zuverlässige Detektion einer Berührung ermöglicht.
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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 Ultraschallberührungssensor mit einer Kontaktfläche zum Anbringen des Ultraschallberührungssensors an eine Verkleidung, mit einem ersten Ultraschallwandlerelement, mit einem ersten Halbleiterchip, wobei der erste Halbleiterchip das erste Ultraschallwandlerelement aufweist, mit einem zweiten Ultraschallwandlerelement, wobei zwischen dem ersten Ultraschallwandlerelement und dem zweiten Ultraschallwandlerelement eine akustische Barriere ausgebildet ist.
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Ebenso wird vorgeschlagen ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors, wobei ein erster Halbleiterchip bereitgestellt wird, wobei der erste Halbleiterchip ein erstes Ultraschallwandlerelement aufweist, wobei ein zweites Ultraschallwandlerelement bereitgestellt wird, wobei der erste Halbleiterchip in einer Vergussmasse eingebettet wird, wobei eine Ausnehmung zur Herstellung einer akustischen Barriere zwischen dem ersten Ultraschallwandlerelement und dem zweiten Ultraschallwandlerelement in die Vergussmasse, insbesondere mittels Laserabtragung, eingebracht wird.
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Beispiele des vorgeschlagenen Ultraschallberührungssensors und des Verfahrens werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1 ein Ultraschallwandlerelement;
- 2 ein Ultraschallwandlerelement;
- 3 ein Ultraschallwandlerelement in einer ersten Situation;
- 4 das in der 3 gezeigte Ultraschallwandlerelement in einer zweiten Situation;
- 5 ein Ultraschallwandlerelement in einer dritten Situation;
- 6 das in der 6 gezeigte Ultraschallwandlerelement in einer vierten Situation;
- 7 einen Ultraschallberührungssensor;
- 8 einen Schritt zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors;
- 9 einen Schritt zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors;
- 10 einen Schritt zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors;
- 11 einen Schritt zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors;
- 12 einen Schritt zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors;
- 13 einen Schritt zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors;
- 14 einen Schritt zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors;
- 15 einen Ultraschallberührungssensor;
- 16 einen Ultraschallberührungssensor;
- 17 einen Ultraschallberührungssensor; und
- 18 ein Ablaufdiagramm zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors.
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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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Gleichwohl voranstehend ein kapazitives Sensorelement 311, 411 beschrieben worden ist, gelten korrespondierende Überlegungen auch für ein piezoelektrisches Sensorelement, insbesondere für Ultraschalltransceiver, welche nach einem piezoelektrischen Messprinzip arbeiten.
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7 illustriert einen Ultraschallberührungssensor 701, welcher ein Gehäuse 702 aufweist, in welchem ein erster Halbleiterchip 711 und ein zweiter Halbleiterchip 712 angeordnet sind. Der erste Halbleiterchip 711 und der zweite Halbleiterchip 712 umfassen dabei jeweils ein Ultraschallwandlerelement und sind in einer Kapselungsschicht 706 eingebettet. Der Ultraschallberührungssensor 701 ist mittels einer Klebeschicht 704 mit einer Verkleidung 703 verbunden.
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Beim Aussenden von Ultraschallwellen durch eines der Ultraschallwandlerelemente kann es zu Reflexionen am Gehäuse 702 kommen, so dass nicht nur ein aufgrund einer Berührung mit dem Finger 705 veränderliches Echosignal 780, sondern gegebenenfalls auch parasitäre Ultraschallsignale 771, 772, 773, 774 erfasst werden. Diese können die zuverlässige Erfassung einer Berührung der Verkleidung 703 beeinträchtigten.
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8 illustriert einen Schritt zur Herstellung eines Berührungssensors. Es wird ein vorgefertigtes Gehäuse 801 mit einer Ausnehmung 802 und mit elektrischen Anschlüssen 811, 812.
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Wie in der 9 dargestellt, können ein erster Halbleiterchip 921 und ein zweiter Halbleiterchip 922 in der Ausnehmung 802 des vorgefertigten Gehäuses 801 angeordnet werden. Über Bondingdrähte 931 und 932 können elektrische Kontakte des ersten Halbleiterchip 921 und des zweiten Halbleiterchips 922 mit den elektrischen Anschlüssen 811, 812 verbunden werden. Der erste Halbleiterchip 921 kann ein erstes Ultraschallwandlerelement aufweisen und der zweite Halbleiterchip 922 kann ein zweites Ultraschallwandlerelement umfassen.
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Das erste Ultraschallwandlerelement und das zweite Ultraschallwandlerelement können jeweils mit einem Gel 1041, 1042 zur akustischen Ankopplung an eine Vergussmasse abgedeckt werden. Das aufgebrachte Gel 1041, 1042 kann einer physikalischen und/oder chemischen Behandlung unterzogen werden, so dass ein ausgehärtetes Gel 1141, 1142 erhalten wird, wie es in der 11 durch eine dunklere Schraffierung dargestellt ist.
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Anschließend kann der erste Halbleiterchip 921 und der zweite Halbleiterchip 922 in einer Vergussmasse 1205 eingebettet werden (vgl. 12, verwendet werden, die im Anschluss in physikalischen und/oder chemischen Behandlung unterzogen werden, insbesondere ausgehärtet werden kann, wie es in 13 durch die dunklere Schraffierung dargestellt ist.
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Die Vergussmasse 1305 kann dabei insbesondere die Bondingdrähte 931, 932 und deren Befestigung an dem ersten Halbleiterchip 921 bzw. zweiten Halbleiterchip 922 sowie den elektrischen Anschlüssen 811, 812 vor einer mechanischen Belastung schützen. Mit der freien Oberfläche der Vergussmasse 1305 kann später der Ultraschallberührungssensor an eine Verkleidung angebracht werden.
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Wie in der 14 dargestellt ist, wird im Anschluss eine Ausnehmung 1406 zur Herstellung einer akustischen Barriere zwischen dem ersten Ultraschallwandlerelement und dem zweiten Ultraschallwandlerelement in die Vergussmasse 1305 eingebracht. Dies kann beispielsweise mittels Laserabtragung geschehen.
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15 zeigt einen Ultraschallberührungssensor 1500 mit einer Kontaktfläche zum Anbringen des Ultraschallberührungssensor 1500 an eine Verkleidung 1592 mit einem ersten Ultraschallwandlerelement, mit einem ersten Halbleiterchip 921, wobei der erste Halbleiterchip 921 das erste Ultraschallwandlerelement aufweist, und mit einem zweiten Ultraschallwandlerelement, wobei zwischen dem ersten Ultraschallwandlerelement und dem zweiten Ultraschallwandlerelement eine akustische Barriere 1406 ausgebildet ist. Das zweite Ultraschallwandlerelement ist dabei seitlich des ersten Ultraschallwandlerelements angeordnet. In dem in der 15 ist die akustische Barriere als 1406 als Kavität, insbesondere als Luftspalt ausgebildet. Ist allerdings auch denkbar, dass die akustische Barriere ein Absorptionsmaterial aufweist. Als Absorptionsmaterial können insbesondere Wolfram aufweisende Polymere verwendet werden. Es ist ebenfalls denkbar, zur Herstellung der akustischen Barriere die Ausnehmung 1406 mit einer schallabsorbierenden Wandstruktur zu versehen. Zur Befestigung des Ultraschallberührungssensors 1500 kann die Verkleidung 1592 eine Klebeschicht 1591 aufweisen.
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Mittels der akustischen Barriere kann das Risiko mindern, dass unerwünschte, aber häufig schwer zu vermeidende parasitäre Ultraschallwellen 1571, 1572, welche beim Aussenden von Ultraschallwellen 1581 durch das erste Ultraschallwandlerelement in Richtung der Verkleidung 1592 entstehen, das zweite Ultraschallwandlerelement erreichen. Insbesondere kann ein Übersprechen (engl. crosstalk) vermieden werden. Somit kann die Zuverlässigkeit der Detektion der Berührung der Verkleidung 1592 mit einem Finger 1505 mit einer höheren Sicherheit erkannt werden.
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In der 16 ist ein weiterer Ultraschallberührungssensor 1600 dargestellt. Dieser entspricht weitgehend dem Ultraschallberührungssensor 1500, der in der 15 dargestellt ist, so dass für die Beschreibung der mit den Bezugszeichen 1611, 1631, 1621, 1641, 1681, 1605, 1601, 1606, 1691, 1682, 1642, 1622, 1692, 1632, 1612 versehenen Merkmale auf die Beschreibung der entsprechenden Merkmale 811, 931, 921, 1141, 1581, 1305, 801, 1406, 1591, 1582, 1142, 922, 1592, 932, 812 verwiesen wird.
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Zusätzlich zu dem ersten Halbleiterchip 1621 und dem zweiten Halbleiterchip 1622 weist der Ultraschallberührungssensor 1600 noch einen dritten Halbleiterchip 1623 auf. Der dritte Halbleiterchip 1623 kann insbesondere einen integrierten Schaltkreis zur Generierung der Ansteuerungssignale für ein sendendes Ultraschallwandlerelement und/oder zur Auswertung der Empfangssignal für ein empfangendes Ultraschallwandlerelement aufweisen. Die Verwendung eines dritten Halbleiterchips 1623 kann es erlauben, den dritten Halbleiterchip 1623 mit Prozesstechniken zu fertigen, die sich von den Prozesstechniken unterscheiden, welche für die Herstellung der Ultraschallwandlerelemente benötigt werden.
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Der dritte Halbleiterchip 1623 kann bereits als im vorgefertigten Gehäuse teilweise oder ganz eingebetteter Halbleiterchip 1623 bereitgestellt worden sein. Der dritte Halbleiterchip 1623 kann auch seitlich neben oder auch unter dem ersten Halbleiterchip 1612 angeordnet sein.
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In der 17 ist ein weiterer Ultraschallberührungssensor 1700 abgebildet. Im Unterschied zu den Ultraschallberührungssensoren 1500 und 1600 sind bei dem Ultraschallberührungssensor 1700 mehrere Ultraschallwandlerelemente in einem einzigen Halbleiterchip 1721 angeordnet. Zwischen den Ultraschallwandlerelementen sind mehrere akustische Barrieren 1761, 1762, 1763, 1764, 1765, 1766, 1767 vorgesehen. Die akustischen Barrieren 1761, 1762, 1763, 1764, 1766, 1767 sind als Ausnehmungen ausgebildet, welche sich nicht nur durch die Vergussmasse 1705, sondern auch durch das Gel 1741 erstrecken, welches die Ultraschallwandlerelemente abdeckt. Die Mehrzahl von durch akustische Barrieren 1761, 1762, 1763, 1764, 1766, 1767 getrennte Ultraschallwandlerelemente kann es erlauben, nicht nur eine Berührung, sondern auch eine Position des Fingers 1505 zu bestimmen. Der Ultraschallberührungssensor 1700 kann folglich auch als Positionssensor aufgefasst werden.
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18 illustriert Schritte zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors. In Schritt 1801 wird ein erster Halbleiterchip bereitgestellt, wobei der erste Halbleiterchip ein erstes Ultraschallwandlerelement aufweist. Im Schritt 1802 wird ein zweites Ultraschallwandlerelement bereitgestellt. In Schritt 1803 wird der erste Halbleiterchip in einer Vergussmasse eingebettet. In Schritt 1804 wird eine Ausnehmung zur Herstellung einer akustischen Barriere zwischen dem ersten Ultraschallwandlerelement und dem zweiten Ultraschallwandlerelement in die Vergussmasse eingebracht wird.
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Einige Ausführungsbeispiele werden durch die nachfolgenden Beispiele definiert:
- Beispiel 1. Ultraschallberührungssensor (1500)
mit einer Kontaktfläche zum Anbringen des Ultraschallberührungssensors (1500) an eine Verkleidung (1592),
mit einem ersten Ultraschallwandlerelement,
mit einem ersten Halbleiterchip (921), wobei der erste Halbleiterchip (921) das erste Ultraschallwandlerelement aufweist,
mit einem zweiten Ultraschallwandlerelement,
wobei zwischen dem ersten Ultraschallwandlerelement und dem zweiten Ultraschallwandlerelement eine akustische Barriere ausgebildet ist.
- Beispiel 2. Ultraschallberührungssensor (1500) nach Beispiel 1,
wobei das zweite Ultraschallwandlerelement seitlich des ersten Ultraschallwandlerelements angeordnet ist.
- Beispiel 3. Ultraschallberührungssensor (1500) nach einem der Beispiele 1 oder 2,
wobei die akustische Barriere als Kavität, insbesondere als Luftspalt ausgebildet ist.
- Beispiel 4. Ultraschallberührungssensor (1700) nach einem der Beispiele 1 bis 3,
mit einem zweiten Halbleiterchip (922),
wobei der zweite Halbleiterchip (922) das zweite Ultraschallwandlerelement aufweist.
- Beispiel 5. Ultraschallberührungssensor (1500) nach einem der Beispiele 1 bis 3,
wobei der erste Halbleiterchip das zweite Ultraschallwandlerelement aufweist.
- Beispiel 6. Ultraschallberührungssensor (1500) nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei das erste Ultraschallwandlerelement und/oder das zweite Ultraschallwandlerelement mit einem Gel zu akustischen Ankopplung an eine Vergussmasse abgedeckt sind.
- Beispiel 7. Ultraschallberührungssensor (1500) nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei der erste Halbleiterchip (921) und/oder der zweite Halbleiterchip (922) in einer oder der Vergussmasse (1305) eingebettet sind.
- Beispiel 8. Ultraschallberührungssensor (1500) nach Beispiel 7,
wobei die Barriere eine akustische Impedanz aufweist, welche sich von der akustischen Impedanz der Vergussmasse unterscheidet.
- Beispiel 9. Ultraschallberührungssensor (1500) nach einem der Beispiele 5 bis 8,
wobei der erste Halbleiterchip eine Vielzahl von Ultraschallwandlerelementen aufweist, welche voneinander durch akustische Barriere getrennt sind.
- Beispiel 10. Ultraschallberührungssensor (1500) nach einem der voranstehenden Beispiele,
wobei der Ultraschallberührungssensor (1500) ein Positionssensor ist.
- Beispiel 11. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors (1500), insbesondere eine Ultraschallberührungssensors (1500) nach einem der Beispiele 1 bis 10,
wobei ein erster Halbleiterchip (921) bereitgestellt wird, wobei der erste Halbleiterchip (921) ein erstes Ultraschallwandlerelement aufweist,
wobei ein zweites Ultraschallwandlerelement bereitgestellt wird,
wobei der erste Halbleiterchip (921) in einer Vergussmasse (1205) eingebettet wird,
wobei eine Ausnehmung (1406) zur Herstellung einer akustischen Barriere zwischen dem ersten Ultraschallwandlerelement und dem zweiten Ultraschallwandlerelement in die Vergussmasse (1305), insbesondere mittels Laserabtragung, eingebracht wird.
- Beispiel 12. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors (1500) nach Beispiel 11,
wobei ein vorgefertigtes Gehäuse (801) bereitgestellt wird, wobei ein erster Halbleiterchip (921) in einer Ausnehmung (802) des vorgefertigten Gehäuses (801) angeordnet wird.
- Beispiel 13. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors (1500) nach einem der Beispiele 11 oder 12,
wobei das erste Ultraschallwandlerelement und/oder das zweite Ultraschallwandlerelement mit einem Gel (1041) zur akustischen Ankopplung an die Vergussmasse (1305) abgedeckt werden.
- Beispiel 14. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors (1500) nach Beispiel 13,
wobei das Gel (1141) ausgehärtet wird.
- Beispiel 15. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors (1500) nach einem der Beispiele 11 bis 14,
wobei die Vergussmasse (1305) ausgehärtet wird.
- Beispiel 16. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors (1500) nach einem der Beispiele 11 bis 15,
wobei die Ausnehmung (1406) zur Herstellung der akustischen Barriere mit einem Absorptionsmaterial gefüllt wird.
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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.
