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VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung basiert auf der am 13. Juni 2011 eingereichten
japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2011-131411 , auf deren Offenbarung vollinhaltlich Bezug genommen wird.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Ultraschallsensorvorrichtung einschließlich eines Ultraschallsensors mit einem piezoelektrischen Vibrator auf einem dünnen Abschnitt eines Substrats, der konfiguriert ist, um eine Ultraschallwelle zu senden und deren reflektierte Welle durch denselben piezoelektrischen Vibrator zu empfangen. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine Ultraschallsensorvorrichtung, die ein sich relativ bewegendes Objekt erfassen kann.
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STAND DER TECHNIK
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Wie in Patentdokument 1 beschrieben ist, ist ein piezoelektrischer Ultraschallsensor bekannt, der durch ein sogenanntes Mikrosystem-Verfahren (MEMS, Micro Electromechanical System) hergestellt ist.
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In dem Patentdokument 1 ist ein piezoelektrischer Vibrator aus einem Ferroelektrikum konstruiert, das sich zwischen einem Paar Elektroden befindet, die angeordnet sind, um sich in einer Dickenrichtung eines Substrats gegenüberzuliegen. Der piezoelektrische Vibrator ist auf einem dünnen Abschnitt einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet, um ein Ultraschallsensorelement auszubilden.
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Ferner wird in dem Patentdokument 1 eine Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors auf eine vorbestimmte Resonanzfrequenz durch Anlegen einer vorbestimmten Vorspannung zwischen dem Elektrodenpaar des piezoelektrischen Vibrators abgeglichen.
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Im Übrigen ist es möglich, dass, wenn ein Zielobjekt sich relativ zu einer Vorrichtung bewegt, auf der ein Ultraschallsensor angebracht ist, eine Frequenz einer reflektierten Welle (eine empfangene Ultraschallwelle) gegenüber einer Sendefrequenz aufgrund des Doppler-Effekts von Schall versetzt wird. In diesem Fall sind der Betrag und die Richtung des Versatzes der Frequenz aufgrund von Einflüssen der relativen Geschwindigkeit und der Richtung nicht einheitlich.
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Demnach wird, wenn ein Ultraschallsensor sowohl für Senden als auch Empfangen verwendet wird, eine Frequenz einer reflektierten Welle gegenüber einer Sendefrequenz versetzt, sogar wenn eine Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors auf eine vorbestimmte Resonanzfrequenz abgeglichen wird, indem eine vorbestimmte Vorspannung zwischen Elektroden angelegt wird, wie im Patentdokument 1 beschrieben. Demzufolge kann ein sich relativ bewegendes Objekt nicht genau erfasst werden.
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STAND DER TECHNIK
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PATENTDOKUMENT
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- Patentdokument 1: JP-A-2003-284132
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Hinsichtlich des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Ultraschallsensorvorrichtung bereitzustellen, die einen Ultraschallsensor sowohl für Senden als auch Empfangen aufweist und konfiguriert ist, ein sich relativ bewegendes Zielobjekt genau zu erfassen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Ultraschallsensor ein Substrat, einen piezoelektrischen Vibrator und eine Q-Faktor-Abgleicheinrichtung. Der piezoelektrische Vibrator beinhaltet ein Paar Erfassungselektroden und einen piezoelektrischen Körper, der sich zwischen den Elektroden befindet. Der piezoelektrische Vibrator stellt eine Membranstruktur bereit, die auf einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist und eine niedrigere Festigkeit als die eines verbleibenden Abschnitts des Substrats aufweist. Eine Ultraschallwelle wird durch den piezoelektrischen Vibrator gesendet und deren reflektierte Welle wird durch denselben piezoelektrischen Vibrator empfangen. Die Q-Faktor-Abgleicheinrichtung gleicht einen Q-Faktor des piezoelektrischen Vibrators ab, so dass der Q-Faktor während einer Sendeperiode, in der der piezoelektrische Vibrator die Ultraschallwelle sendet, größer als während einer Empfangsperiode sein kann, in der der piezoelektrische Vibrator die Ultraschallwelle empfängt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Ultraschallsensorvorrichtung eine Abdeckung. Die Abdeckung hat einen gegenüberliegenden Abschnitt, der der Membranstruktur gegenüberliegt und von der Membranstruktur beabstandet ist. Die Abdeckung ist am Substrat befestigt, so dass ein abgedichteter Raum, der mit Gas gefüllt ist, zwischen der Abdeckung und dem Substrat ausgebildet werden kann. Die Q-Faktor-Abgleicheinrichtung gleicht einen Lückenabstand zwischen dem gegenüberliegenden Abschnitt und der Membranstruktur ab, wodurch der Q-Faktor des piezoelektrischen Vibrators abgeglichen wird, so dass der Q-Faktor während der Sendeperiode, in der der piezoelektrische Vibrator die Ultraschallwelle sendet, größer als während der Empfangsperiode sein kann, in der der piezoelektrische Vibrator die Ultraschallwelle empfängt.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Q-Faktor-Abgleicheinrichtung ein Paar Abgleichelektroden und eine Steuereinrichtung zum Steuern einer Speisung der Abgleichelektroden. Die Abgleichelektroden liegen sich einander in der Dickenrichtung des Substrats gegenüber und erzeugen elektrostatische Antriebskraft, wenn sie gespeist werden. Eine der Abgleichelektroden ist auf dem Ultraschallsensor ausgebildet und die andere der Abgleichelektroden ist auf der Abdeckung ausgebildet. Die elektrostatische Anziehungskraft veranlasst den gegenüberliegenden Abschnitt der Abdeckung, sich in Richtung der Membranstruktur zu bewegen: Die Steuereinrichtung hat einen Spannungsanlegeabschnitt zum Anlegen einer Spannung zwischen den Abgleichelektroden mindestens dann, wenn der piezoelektrische Vibrator einen Empfangszustand aufweist. Der Spannungsanlegeabschnitt steuert die Speisung der Abgleichelektroden, so dass der Lückenabstand zwischen dem gegenüberliegenden Abschnitt der Abdeckung und der Membranstruktur, wenn der piezoelektrische Vibrator den Empfangszustand aufweist, kleiner als der Lückenabstand zwischen dem gegenüberliegenden Abschnitt der Abdeckung und der Membranstruktur sein kann, wenn der piezoelektrische Vibrator einen Sendezustand aufweist.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Offenbarung hat das Substrat einen dünnen Abschnitt. Der piezoelektrische Vibrator auf der ersten Oberfläche des Substrats ist in dem dünnen Abschnitt ausgebildet. Der piezoelektrische Vibrator und der dünne Abschnitt stellen die Membranstruktur bereit.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenschau mit den Zeichnungen ersichtlicher.
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Es zeigen:
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1 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt;
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2 ein Diagramm, das eine Draufsicht einer Sensoreinheit der Ultraschallsensorvorrichtung darstellt, in der eine Abdeckung der Einfachheit halber nicht dargestellt ist;
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3 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht entlang Linie III-III von 2 illustriert;
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4 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht entlang Linie IV-IV von 2 illustriert;
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5 ein Blockschaltbild einer Schaltungskonfiguration der Ultraschallsensorvorrichtung;
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6 ein Ablaufdiagramm einer Sende- und Empfangsverarbeitung;
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7 ein Zeitdiagramm einer Zeitgebung zum Anlegen einer Abgleichspannung;
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8 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht der Sensoreinheit in einem Sendezustand illustriert;
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9 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht der Sensoreinheit in einem Empfangszustand illustriert;
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10 ein Diagramm, das ein Sendeband und ein Empfangsband illustriert;
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11 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht einer Abgleichelektrode gemäß einer Modifikation illustriert;
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12 ein Diagramm, das eine Draufsicht einer Anordnung einer Abgleichelektrode auf einer Abdeckung gemäß einer Modifikation illustriert, in dem die Abgleichelektrode auf der Abdeckung der Einfachheit halber als eine Oberfläche eines Substrats überlappend illustriert ist;
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13 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht einer Sensoreinheit einer Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
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14 ein Ablaufdiagramm einer Sende- und Empfangsverarbeitung einer Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;
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15 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert;
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16 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert;
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17 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert;
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18 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert;
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19 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert;
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20 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert; und
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21 ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht einer Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert;
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen kennzeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Eine Dickenrichtung eines Substrats, d. h. eine Vibrationsrichtung einer Membranstruktur, wird einfach als die Dickenrichtung bezeichnet, und eine Richtung senkrecht zur Dickenrichtung wird einfach als die senkrechte Richtung bezeichnet.
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(Erste Ausführungsform)
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Wie in 1 dargestellt ist, beinhaltet eine Ultraschallsensorvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Sensoreinheit 11 und einen Schaltungschip 12, die auf einer gemeinsamen Leiterplatte 13 angebracht sind. Die Sensoreinheit 11 beinhaltet einen Ultraschallsensor 30 und eine Abdeckung 50. Der Schaltungschip 12 beinhaltet eine Verarbeitungsschaltung 110. Die Leiterplatte 13 weist ein Durchführungsloch 13a auf, um es dem Ultraschallsensor 30 zu ermöglichen, Senden und Empfangen auszuführen.
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Als Erstes wird die Sensoreinheit 11 beschrieben.
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Wie in 2 bis 4 dargestellt ist, beinhaltet die Sensoreinheit 11 einen piezoelektrischen Ultraschallsensor 30 (einen Sensorchip), der durch MEMS-Verfahren hergestellt wird, und eine Abdeckung 50, die an einem Substrat 31 des Ultraschallsensors 30 befestigt ist, so dass ein abgedichteter Raum 90 zwischen der Abdeckung 50 und dem Substrat 31 ausgebildet werden kann. Die Sensoreinheit 11 beinhaltet ferner Abgleichelektroden 70, 71. Die Abgleichelektroden 70, 71 sind jeweils an dem Ultraschallsensor 30 und der Abdeckung 50 derart ausgebildet, dass die Abgleichelektroden 70, 71 einander gegenüberliegen.
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Der Ultraschallsensor 30 beinhaltet das Substrat 31 und einen piezoelektrischen Vibrator 33. Das Substrat 31 hat einen dünnen Abschnitt 32, und der piezoelektrische Vibrator 33 ist auf dem dünnen Abschnitt 32 des Substrats 31 ausgebildet. Der dünne Abschnitt 32 und der piezoelektrische Vibrator 33 stellen eine Membranstruktur 34 bereit, die eine niedrigere Festigkeit als die eines verbleibenden Abschnitts (dicker Abschnitt 43) des Substrats 31 aufweist. Wenn die Membranstruktur 34 in der Dickenrichtung vibriert, wird Senden und Empfangen von Ultraschallwellen erreicht.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet das Substrat 31 ein SOI-Substrat und einen Isolierfilm 41. Das SOI-Substrat beinhaltet ein aus Silizium gefertigtes Trägersubstrat 38, eine aus Siliziumdioxid gefertigte Halbleiterschicht 40 und eine aus Siliziumdioxid gefertigte Isolierschicht 39, die zwischen dem Trägersubstrat 38 und der Halbleiterschicht 40 angeordnet ist. Der Isolierfilm 41 ist auf der der Isolierschicht 39 gegenüberliegenden Oberfläche der Halbleiterschicht 40 ausgebildet. Der Isolierfilm 41 kann ein Einzelschichtfilm oder ein Mehrschichtfilm sein, der aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder dergleichen gefertigt ist.
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In dem Substrat 31 ist die der Halbleiterschicht 40 gegenüberliegende Oberfläche des Isolierfilms 41 als eine erste Oberfläche 31a definiert, wo der piezoelektrische Vibrator 33 ausgebildet ist, und die der Isolierschicht 39 gegenüberliegende Oberfläche des Trägersubstrats 38 ist als eine zweite Oberfläche 31b definiert, die der ersten Oberfläche 31a gegenüberliegt. Ein Öffnungsabschnitt 42 ist in dem Substrat 31 ausgebildet. Der Öffnungsabschnitt 42 ist hin zur zweiten Oberfläche 31b offen und hat einen Boden, der durch die dem Isolierfilm 41 gegenüberliegende Oberfläche der Halbleiterschicht 40 definiert ist. Der Öffnungsabschnitt 42 wird durch teilweises Entfernen des Trägersubstrats 38 und der Isolierschicht 39 durch Ätzen ausgebildet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat die zweite Oberfläche 31b des Substrats 31 eine (100)-Fläche, und eine Wand des Öffnungsabschnitts des Trägersubstrats 38 hat eine (111)-Fläche.
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Ein Abschnitt des Substrats 31, der den Öffnungsabschnitt 42 überbrückt, das heißt, Abschnitte der Halbleiterschicht 40 und des Isolierfilms 41, die den Öffnungsabschnitt 42 überbrücken, dienen als der dünne Abschnitt 32 des Substrats 31. Ein Bezugszeichen 32a, das in 3 dargestellt ist, repräsentiert die dem piezoelektrischen Vibrator 33 gegenüberliegende Oberfläche des dünnen Abschnitts 32. Die Oberfläche 32a definiert den Boden des Öffnungsabschnitts 42 der Halbleiterschicht 40. Ein Abschnitt des Substrats 31 mit Ausnahme des dünnen Abschnitts 32 dient als dicker Abschnitt 43 des Substrats 31. Wie in 2 dargestellt ist, weist der dünne Abschnitt 32 eine rechtwinklige Form in der Draufsicht auf, und der dicke Abschnitt 43 hat eine rechtwinklige Ringform, um den dünnen Abschnitt 32 zu umgeben.
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Der piezoelektrische Vibrator 33 ist auf der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 in dem dünnen Abschnitt 32 ausgebildet. Insbesondere hat der piezoelektrische Vibrator 33, wie in 2 dargestellt ist, in der Draufsicht eine rechtwinklige Form und ist geringfügig größer als der dünne Abschnitt, um den gesamten dünnen Abschnitt 32 zu bedecken. Der piezoelektrische Vibrator 33 beinhaltet ein Paar Erfassungselektroden 35, 36 und einen piezoelektrischen dünnen Film 37, der zwischen den Elektroden 35, 36 angeordnet ist. Der piezoelektrische dünne Film 37 entspricht einem in den Ansprüchen genannten piezoelektrischen Körper.
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Die Erfassungselektroden 35, 36 liegen sich in der Dickenrichtung gegenüber. Das heißt, die Erfassungselektrode 35, der piezoelektrische dünne Film 37 und die Erfassungselektrode 36 sind aufeinander in dieser Reihenfolge auf der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 in der Dickenrichtung geschichtet. Beispielsweise können die Erfassungselektroden 35, 36 aus Platin (Pt), Gold (Au) oder Aluminium (Al) gefertigt werden. Beispielsweise kann der piezoelektrische dünne Film 37 aus einem Ferromagneten wie PZT, Aluminiumnitrid (AlN) oder Zinkoxid (ZnO) gefertigt sein. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Erfassungselektroden 35, 36 aus Pt gefertigt, und der piezoelektrische dünne Film 37 ist aus PZT gefertigt. Ein Bezugszeichen 44, das in 2 und 4 dargestellt ist, repräsentiert eine Leitung zum elektrischen Verbinden der Erfassungselektrode 35 mit einem in den Zeichnungen nicht dargestellten Pad der Abdeckung 50. Ein Bezugszeichen 45, das in 2 dargestellt ist, repräsentiert eine Leitung zum elektrischen Verbinden der Erfassungselektrode 36 mit einem Pad der Abdeckung 50, das nicht in den Zeichnungen dargestellt ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Leitungen 44, 45 integral durch Verwenden desselben Materials wie bei den Erfassungselektroden 35, 36 ausgebildet.
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Eine Metallschicht 46 zum Fixieren der Abdeckung 50 an dem Substrat 31 ist auf der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 in dem dicken Abschnitt 43 ausgebildet. Wie in 2 dargestellt ist, ist die Metallschicht 46 nahe einer äußeren Kante der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 ausgebildet, um die Membranstruktur 34, die Leitungen 44, 45 und die Abgleichelektroden 70, 71 zu umgeben.
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Die Abdeckung 50 ist an dem Substrat 31 des Ultraschallsensors 30 fixiert, so dass der abgedichtete Raum 90 angrenzend zur Membranstruktur 34 zwischen der Abdeckung 50 und dem Substrat 31 ausgebildet werden kann. Beispielsweise kann die Abdeckung 50 aus synthetischem Harz, Keramik oder einem Halbleiter wie beispielsweise Silizium gefertigt werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Abdeckung 50 aus synthetischem Harz gefertigt.
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Die Abdeckung 50 weist einen gegenüberliegenden Abschnitt 51 auf, der der Membranstruktur 34 gegenüberliegt und von der Membranstruktur 34 in der Dickenrichtung beabstandet ist. Ein Abschnitt der Abdeckung 50 einschließlich des gegenüberliegenden Abschnitts 51 ist in Richtung der Membranstruktur 34 durch elektrostatische Anziehungskraft versetzt. Insbesondere ist ein Mittenabschnitt der Abdeckung 50 einschließlich des gegenüberliegenden Abschnitts 51 dünner als ein peripherer Abschnitt der Abdeckung 50, der den Mittenabschnitt umgibt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird dieser dünnere Abschnitt als ein dünner Abschnitt 52 bezeichnet und der dickere periphere Abschnitt wird als ein dicker Abschnitt 53 bezeichnet. Der dünne Abschnitt 52 ist größer als der dünne Abschnitt 32 und die Membranstruktur 34. Ein Abschnitt des dünnen Abschnitts 52 mit Ausnahme des gegenüberliegenden Abschnitts 51 liegt dem dicken Abschnitt 43 des Substrats 31 gegenüber. Wie vorstehend beschrieben ist, ist die Abdeckung 50 aus synthetischem Harz gefertigt und weist unterschiedliche Dicken des dünnen Abschnitts 52 und des dicken Abschnitts 53 auf. Die Abdeckung 50 wird durch teilweises Schichten und Bonden mehrerer thermoplastischer Harzfilme miteinander gefertigt, so dass der dünne Abschnitt 52 und der dicke Abschnitt 53 unterschiedliche Dicken aufweisen können.
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Die Abdeckung 50 ist auf der Seite der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 derart platziert, dass eine Vertiefung 54 mit einem Boden, der durch den dünnen Abschnitt 52 definiert ist, der Seite des abgedichteten Raums 90 gegenüberliegt. Eine Metallschicht 55 ist auf einer Oberfläche des dicken Abschnitts 53 der Abdeckung 50 ausgebildet, die dem Substrat 31 gegenüberliegt, und liegt der Metallschicht 46 gegenüber. Das heißt, die Metallschicht 55 umgibt die Membranstruktur 34, die Leitungen 44, 45 und die Abgleichelektroden 70, 71. Die Metallschichten 46, 55 sind verbunden, um eine ringförmige Verknüpfung (junction) auszubilden. Der abgedichtete Raum 90 ist zwischen der Abdeckung 50 und dem Substrat 31 durch die Verknüpfung ausgebildet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der abgedichtete Raum 90 mit Luft unter atmosphärischem Druck gefüllt.
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Ferner sind Durchführungselektroden, die es den Erfassungselektroden 35, 36 des piezoelektrischen Vibrators 33 und den Abgleichelektroden 70, 71 ermöglichen, elektrisch mit einer Außenseite des abgedichteten Raums 70 verbunden zu werden, in der Abdeckung 50 ausgebildet. Ein in 3 dargestelltes Bezugszeichen 56 repräsentiert eine Durchführungselektrode, die an einem Abschnitt ausgebildet ist, der sich von dem gegenüberliegenden Abschnitt 51 des dünnen Abschnitts 52 unterscheidet, und elektrisch mit der Abgleichelektrode 71 der Abdeckung 50 verbunden. Ein in 4 dargestelltes Bezugszeichen 57 repräsentiert eine Durchführungselektrode, die in dem dicken Abschnitt 53 ausgebildet und elektrisch mit der Abgleichelektrode 70 des Ultraschallsensors 30 verbunden ist. Ein Bezugszeichen 58 repräsentiert eine Durchführungselektrode, die in dem dicken Abschnitt 53 ausgebildet und elektrisch mit der Erfassungselektrode 35 (der Leitung 44) des piezoelektrischen Vibrators 33 verbunden ist. Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, wird eine Durchführungselektrode, die elektrisch mit der Erfassungselektrode 36 (der Leitung 45) verbunden ist, ebenso in dem dicken Abschnitt 53 der Abdeckung 50 ausgebildet. Diese Durchführungselektroden 56–58 können durch Ausbilden von Durchführungslöchern in den Harzfilmen und dann durch Füllen der Durchführungslöcher mit leitender Paste oder durch Plattieren der Durchführungslöcher mit Metall ausgebildet werden.
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Ferner ist eine Leitung 60 auf einer äußeren Oberfläche der Abdeckung 50 ausgebildet. Ein Ende der Leitung 60 ist mit der Durchführungselektrode 56 verbunden und das andere Ende der Leitung 60 ist zum dicken Abschnitt 53 hin verlängert. Das andere Ende der Leitung 60 wird als ein in den Zeichnungen nicht dargestelltes Pad verwendet und ein Bonddraht oder dergleichen ist mit dem Pad verbunden.
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Es ist zu beachten, dass ein in 4 dargestelltes Bezugszeichen 59 eine Anschlussfläche repräsentiert, die auf der Oberfläche des dicken Abschnitts 53 ausgebildet ist, die dem Substrat 31 gegenüberliegt. Beispielsweise kann diese Anschlussfläche durch Gestalten einer Kupferfolie ausgebildet werden. Die Abgleichelektrode 70 ist mit der Durchführungselektrode 57 durch eine Leitung 72 und die Anschlussfläche 59 elektrisch verbunden (verlötet). Ferner ist die Erfassungselektrode 35 mit der Durchführungselektrode 58 durch die Leitung 44 und die Anschlussfläche 59 elektrisch verbunden (verlötet). Dasselbe gilt für die Erfassungselektrode 36. Auf diese Weise weist die Abdeckung 50, die mit mehreren Harzfilmen konstruiert ist, die aufeinandergeschichtet ist, die Durchführungselektroden 56–58, die Anschlussfläche 59 und die Leitung 60 auf. Das heißt, die Abdeckung 50 ist als eine Leiterplatte konfiguriert. Es ist zu beachten, dass die Leitung 72 die Abgleichelektrode 70 mit der Durchführungselektrode 57 (der Anschlussfläche 59) verbindet.
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Wenn das Paar Abgleichelektroden 70, 71 gespeist wird, erzeugen sie eine elektrostatische Anziehungskraft, wodurch sie den dünnen Abschnitt 52 (den gegenüberliegenden Abschnitt 51) der Abdeckung 50 veranlassen, sich in Richtung der Membranstruktur 34 des Ultraschallsensors 30 zu bewegen. Die Abgleichelektrode 70 ist auf dem Ultraschallsensor 30 ausgebildet, und die Abgleichelektrode 71 ist auf der Abdeckung 50 an einer Position gegenüberliegend der Abgleichelektrode 70 ausgebildet.
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Die Abgleichelektrode 70 auf dem Ultraschallsensor 30 ist eine zu den Erfassungselektroden 35, 36 separate Elektrode. Die Abgleichelektrode 70 ist auf der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 in dem dicken Abschnitt 43 ausgebildet und umgibt die Membranstruktur 34. Insbesondere ist die Abgleichelektrode 70 von der Membranstruktur 34 um einen vorbestimmten Abstand in der senkrechten Richtung beabstandet und erstreckt sich entlang einer äußeren Form der Membranstruktur 34. Die Abgleichelektrode 70 ist im Wesentlichen C-förmig, um es den Leitungen 44, 45 zu ermöglichen, gezogen zu werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Abgleichelektrode 70 aus demselben Metallmaterial wie die Erfassungselektroden 35, 36 und die Leitungen 44, 45 gefertigt.
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Die Abgleichelektrode 71 auf der Abdeckung 50 ist auf einer inneren Oberfläche (eine Oberfläche der Vertiefung 54) des dünnen Abschnitts 52 der Abdeckung 50 ausgebildet. Insbesondere ist die Abgleichelektrode 71 auf dem dünnen Abschnitt 52 an einer Position außerhalb der Membranstruktur 34 in der senkrechten Richtung ausgebildet. Da die Leitungen 44, 45 nicht gezogen werden müssen, weist die Abgleichelektrode 71 eine rechtwinklige Ringform auf. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Abgleichelektrode 71 wie die Anschlussfläche 59 durch Gestalten einer Kupferfolie ausgebildet.
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Wie vorstehend beschrieben ist, stellen in der Sensoreinheit 11 der dünne Abschnitt 32 des Substrats 31 und der piezoelektrische Vibrator 33 die Membranstruktur 34 bereit, die dünner als ein verbleibender Abschnitt ist und in der Dickenrichtung vibrieren kann. Ferner ist die Abdeckung 50 an der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 fixiert, sodass der abgedichtete Raum 90 zwischen dem Substrat 31 und der Abdeckung 50 ausgebildet werden kann. Somit werden Senden und Empfangen von Ultraschallwellen auf der Seite der zweiten Oberfläche 31b des Substrats 31 und nicht auf der Seite der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 ausgeführt.
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Als Nächstes wird eine Schaltungskonfiguration der Ultraschallsensorvorrichtung 10 einschließlich der Verarbeitungsschaltung 110 des Schaltungschips 12 mit Bezug auf 5 erläutert.
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Die Verarbeitungsschaltung 110 beinhaltet eine Steuereinrichtung 111, einen Antriebssignalgenerator 112, eine Treibereinrichtung 113, einen Verstärker 114, ein Filter, einen TAD 116, einen DSP (digital signal processor, digitale Signalverarbeitungseinrichtung) 117 und einen Abgleichspannungsgenerator 118. Diese Verarbeitungsschaltung 110 entspricht der Steuereinrichtung der Ansprüche.
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Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, beinhaltet die Steuereinrichtung 111 eine zentrale Verarbeitungseinheit (central processing unit, CPU), einen Nur-Lese-Speicher (read-only memory, ROM) zum Speichern von durch die CPU ausgeführten Programmen und einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (random access memory, RAM), der verwendet wird, wenn die CPU Anweisungen gemäß den in dem ROM gespeicherten Programmen ausführt. Die Steuereinrichtung 111 weist eine Funktion zum Steuern der Zeitgebung, bei der der Antriebssignalgenerator 112 ein Antriebssignal erzeugt, eine Funktion zum Erfassen einer Anwesenheit oder Abwesenheit eines Zielobjekts und einer Position (Abstand und Richtung) des Zielobjekts, eine Funktion zum Ausgeben eines Erfassungsergebnisses an eine externe Vorrichtung und eine Funktion zum Steuern der Zeitgebung auf, bei der der Abgleichspannungsgenerator 118 eine Abgleichspannung erzeugt.
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In Antwort auf ein Befehlssignal von der Steuereinrichtung 111 erzeugt der Antriebssignalgenerator 112 ein Pulssignal mit einer Referenzfrequenz für nur eine vorbestimmte Zeitperiode und erzeugt ein Antriebssignal mit einer vorbestimmten Frequenz f1 basierend auf dem Pulssignal. Insbesondere ist die vorbestimmte Frequenz f1 fast gleich einer Resonanzfrequenz der Membranstruktur 34.
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Die Treibereinrichtung 113 treibt den piezoelektrischen Vibrator 33 basierend auf dem vom Antriebssignalgenerator 112 ausgegebenen Antriebssignal an. Demzufolge wird eine Ultraschallwelle mit der vorbestimmten Frequenz f1 vom Ultraschallsensor 30 (der Sensoreinheit 11) gesendet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die Treibereinrichtung 113 eine Leistungsverstärkerschaltung wie beispielsweise einen Transformator.
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Der Verstärker 114 verstärkt ein Empfangssignal, das durch den piezoelektrischen Vibrator 33 empfangen wird, und gibt das verstärkte Empfangssignal an das Filter 115 aus. Das Filter 115 filtert das verstärkte Empfangssignal, das durch den piezoelektrischen Vibrator 33 empfangen und dann durch den Verstärker 114 verstärkt wird. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden Frequenzkomponenten außerhalb eines Empfangsbands der Membranstruktur 34 entfernt.
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Der TAD 116 ist ein bekannter Zeit-A/D-Wandler (time A/D converter). Der DSP 117 berechnet die Amplitude und Phase des Empfangssignals des piezoelektrischen Vibrators 33 basierend auf dem Empfangssignal, das durch den TAD 116 A/D-gewandelt wird. Das Berechnungsergebnis wird an die Steuereinrichtung 111 ausgegeben. Es ist zu beachten, dass der DSP 117 einen Speicher aufweist.
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In Antwort auf ein Befehlssignal von der Steuereinrichtung 111 legt der Abgleichspannungsgenerator 118 eine vorbestimmte Spannung zwischen den Abgleichelektroden 70, 71 an. Ebenso stoppt der Abgleichspannungsgenerator 118 in Antwort auf ein Befehlssignal von der Steuereinrichtung 111 das Anlegen der Spannung zwischen den Abgleichelektroden 70, 71.
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Als Nächstes wird ein Beispiel einer Sende- und Empfangsverarbeitung mit Bezug auf 6 erläutert.
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Beispielsweise befiehlt die Steuereinrichtung 111, wenn ein Zündschlüssel eines Fahrzeugs auf EIN gedreht wird, so dass die Verarbeitungsschaltung 110 eingeschaltet werden kann, dem Antriebssignalgenerator 112, das Antriebssignal zu erzeugen. Dann erzeugt der Antriebssignalgenerator 112 das Antriebssignal mit der vorbestimmten Frequenz f1 und gibt das Antriebssignal an die Treibereinrichtung 113 aus.
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Dann wird das Antriebssignal (Spannungssignal) an die Erfassungselektroden 35, 36 des piezoelektrischen Vibrators 33 übertragen. Demzufolge vibriert der piezoelektrische Vibrator 33 in der senkrechten Richtung (d31-Richtung von PZT) und die Membranstruktur 34 vibriert in der Dickenrichtung. Da sich die Abdeckung 50 auf der Seite der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 befindet, wird eine Ultraschallwelle hauptsächlich von der Seite der zweiten Oberfläche 31b des Substrats 31 gemäß der Vibration gesendet. Eine Frequenz der Ultraschallwelle ist gleich der Frequenz f1 des Antriebssignals. Dies sind Erläuterungen eines Schritts 10.
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Nachdem die Übertragungsverarbeitung beendet ist, befiehlt die Steuereinrichtung 111 dem Abgleichspannungsgenerator 118, die Abgleichspannung zu erzeugen. Dann legt der Abgleichspannungsgenerator 118 die vorbestimmte Spannung zwischen den Abgleichelektroden 70, 71 an (Schritt 11). Dieser Schritt 11 entspricht einem Spannungsanlegeabschnitt der Ansprüche. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Sendeverarbeitung beendet, wenn das vom Abgleichspannungsgenerator 112 ausgegebene Antriebssignal gestoppt ist. Wie in 7 dargestellt ist, wird, wenn die Antriebssignalausgabe gestoppt ist, die Abgleichspannung eingeschaltet. Alternativ kann die Sendeverarbeitung zu Ende geführt werden, so dass die Abgleichspannung eingeschaltet werden kann, wenn eine Nachschwingzeit der Membranstruktur 34 ausläuft, nachdem die Antriebssignalausgabe gestoppt ist.
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Dann vergleicht die Steuereinrichtung 111, wenn die Abgleichspannung bei Schritt 111 an die Abgleichelektroden 70, 71 angelegt wird, die Amplitude des Empfangssignals des piezoelektrischen Vibrators 33, die durch den DSP 117 berechnet wird, mit einem vorbestimmten, vorab in dem Speicher des DSP 117 gespeicherten Grenzwert. Das heißt, die Steuereinrichtung 111 bestimmt, ob der Ultraschallsensor 30 (der piezoelektrische Vibrator 33) eine reflektierte Welle empfängt (Schritt 12) Wenn die Amplitude des Empfangssignals des piezoelektrischen Vibrators 33 größer als der Grenzwert ist, bestimmt die Steuereinrichtung 111 bei Schritt 12, dass ein Zielobjekt existiert (es gibt ein Zielobjekt), berechnet die Steuereinrichtung einen Abstand zum Zielobjekt (Schritt 13) ausgehend von dem Zeitpunkt, zu dem die Amplitude den Grenzwert überschreitet.
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Dann befiehlt der Steuereinrichtung 111, wenn eine vorbestimmte Zeit abläuft, nachdem die Abgleichspannung angelegt ist, dem Abgleichspannungsgenerator 118, die Erzeugung der Abgleichspannung zu stoppen. Dann stoppt der Abgleichspannungsgenerator 118 das Anlegen der Spannung zwischen den Abgleichelektroden 70, 71 (Schritt 14). Das Anlegen der Abgleichspannung wird mindestens während einer Zeitperiode beibehalten, in der der piezoelektrische Vibrator 33 die reflektierte Welle empfangen kann, und die Abgleichspannung wird zu der Zeit ausgeschaltet, wenn ein Befehl zum Erzeugen eines nächsten Antriebssignals auftritt.
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Als Nächstes werden Vorteile der Ultraschallsensorvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Abdeckung 50 an dem piezoelektrischen Ultraschallsensor 30 fixiert, so dass der abgedichtete Raum 90, der mit Luft gefüllt ist, zwischen der Abdeckung 50 und dem Substrat 31 ausgebildet werden kann. Ferner ist der abgedichtete Raum 90 benachbart zur Membranstruktur 34. Somit wird die Vibration der Membranstruktur 34 durch Dämpfen des abgedichteten Raums 90 beeinflusst.
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Ein Q-Faktor, der einen Vibrationszustand der Membranstruktur 34 angibt, ist invers proportional zu einem Dämpfungsfaktor C des abgedichteten Raums 90. Der Dämpfungsfaktor C ist invers proportional zu einem Lückenabstand D zwischen dem gegenüberliegenden Abschnitt 51 der Abdeckung 50 und der Membranstruktur 34. Demnach ist, wenn der Lückenabstand D kleiner ist, der Dämpfungsfaktor C größer und der Q-Faktor ist kleiner.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird keine Abgleichspannung an die Abgleichelektroden 70, 71 angelegt, wenn der piezoelektrische Vibrator 33 einen Sendezustand aufweist, das heißt, während einer Zeitperiode zwischen einem Start der Ausgabe des Antriebssignals und einem Stopp der Ausgabe des Antriebssignals oder einem Ablauf der Nachschwingzeit. Da keine elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Abgleichelektroden 70, 71 erzeugt wird, bewegt sich der gegenüberliegende Abschnitt 51 (der dünne Abschnitt 52) der Abdeckung 50 nicht in Richtung der Membranstruktur 34 des Ultraschallsensors 30. Demnach sind bezüglich einer Mittenposition einer Vibration der Membranstruktur 34 der gegenüberliegende Abschnitt 51 und die Membranstruktur 34 voneinander um einen Anfangslückenabstand D1 beabstandet, bei dem keine Ultraschallwelle gesendet und empfangen wird und keine Abgleichspannung anliegt.
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Im Gegensatz dazu wird die Abgleichspannung an die Abgleichelektroden 70, 71 angelegt, wenn der piezoelektrische Vibrator 33 einen Empfangszustand aufweist, das heißt, während einer Zeitperiode, in der der piezoelektrische Vibrator 33 die reflektierte Welle empfangen kann. Demzufolge wird elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Abgleichelektroden 70, 71 erzeugt. Somit wird, wie in 9 dargestellt ist, der gegenüberliegende Abschnitt 51 (der dünne Abschnitt 52) der Abdeckung 50 deformiert und hin zur Membranstruktur 34 des Ultraschallsensors 30 angezogen. Demnach sind bezüglich der Mittenposition der Vibration der Membranstruktur 34 der gegenüberliegende Abschnitt 51 und die Membranstruktur 34 um einen Lückenabstand D2 voneinander beabstandet, der kleiner als der Anfangslückenabstand D1 ist.
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Wie vorstehend beschrieben ist, ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Lückenabstand D2 im Empfangszustand kleiner als der Lückenabstand D1 im Sendezustand. Das heißt, der Q-Faktor wird im Empfangszustand gegenüber dem Sendezustand verkleinert. Demnach ist, wie in 10 dargestellt ist, eine Bandbreite des Frequenzbands, obwohl ein Amplitudenpeakwert eines Frequenzbands der Membranstruktur 34 im Empfangszustand kleiner als im Sendezustand ist, im Empfangszustand breiter als im Sendezustand.
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Ferner bewegt sich, wenn die elektrostatische Anziehungskraft durch Anlegen der Spannung zwischen den Abgleichelektroden 70, 71 erzeugt wird, der gegenüberliegende Abschnitt 51 in Richtung der Membranstruktur 34. Mit einem derartigen Ansatz kann, obwohl die Spannung an die Abgleichelektroden 70, 71 angelegt wird, die Resonanzfrequenz der Membranstruktur 34 zwischen dem Sendezustand und dem Empfangszustand gleich (wie die vorbestimmte Resonanzfrequenz f1) sein. Somit kann ein Resonanzpeakversatz reduziert werden.
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Aus den vorstehenden Gründen wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform, während die Resonanzfrequenz (der Resonanzpeak) bei f1 aufrechterhalten wird, das Frequenzband im Sendezustand geschmälert und im Empfangszustand verbreitert. Mit einem derartigen Ansatz kann die reflektierte Welle, d. h. das Zielobjekt, genau erfasst werden, sogar wenn die Doppler-Verschiebung aufgrund der relativen Bewegung des Zielobjekts auftritt.
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In dem Fall einer Ultraschallwelle mit 60 kHz tritt, wenn sich das Zielobjekt mit einer relativen Geschwindigkeit von 10 m/s bewegt, die Verschiebung von ca. 2 kHz verglichen mit einem Fall auf, in dem sich das Zielobjekt nicht bewegt. Beispielsweise unter der Annahme, dass das Frequenzband zwischen Senden und Empfangen der Ultraschallwelle unverändert bleibt, wird, wenn die Frequenz des Empfangssignals sich zu f2, die höher als f1 ist, aufgrund der Doppler-Verschiebung ändert, das Empfangssignal niedriger als der Grenzwert, so dass das Zielobjekt nicht erfasst werden kann. Im Gegensatz wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie in 10 dargestellt ist, das Frequenzband im Empfangszustand verbreitert. Somit überschreitet, sogar wenn die Frequenz des Empfangssignals sich hin zu f2 ändert, das Empfangssignal den Grenzwert, so dass das Zielobjekt erfasst werden kann.
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Ferner ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform der piezoelektrische Vibrator 33 in dem abgedichteten Raum 90 aufgenommen, der zwischen dem Substrat 31 und der Abdeckung 50 durch Fixieren des Gehäuses 50 an der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 ausgebildet ist. Somit kann der piezoelektrische Vibrator 33 durch die Abdeckung 50 geschützt werden.
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Ferner wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Abgleichelektrode 70 des Ultraschallsensors 30 auf dem dicken Abschnitt 43 des Substrats 31 ausgebildet. Somit wird die Membranstruktur 34 durch die elektrostatische Anziehungskraft nicht einfach deformiert. Demnach kann der Versatz des Peaks der Resonanzfrequenz zwischen dem Sendezustand und dem Empfangszustand effektiv reduziert werden.
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Ferner ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Abgleichelektrode 70 auf dem Ultraschallsensor 30 auf der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 ausgebildet. Da die Abgleichelektrode 70 auf derselben Oberfläche wie der piezoelektrische Vibrator 33 ausgebildet ist, kann die Abgleichelektrode 70 in derselben Verarbeitung wie die Erfassungselektrode 35 und die Leitungen 44, 45 ausgebildet werden. Somit kann ein Herstellungsverfahren vereinfacht werden.
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Ferner ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Dicke des dünnen Abschnitts 52 der Abdeckung 50 kleiner als die Dicke des dicken Abschnitts 53, der den dünnen Abschnitt 52 umgibt. Somit wird, wenn die elektrostatische Anziehungskraft erzeugt wird, der gegenüberliegende Abschnitt 51 der Abdeckung 50 einfach in Richtung der Membranstruktur 34 deformiert. Demnach kann der Versatz des Peaks der Resonanzfrequenz zwischen dem Sendezustand und dem Empfangszustand wirkungsvoller reduziert werden.
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Ferner ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Festigkeit des dünnen Abschnitts 52 der Abdeckung 50 geringer als die Festigkeit der Membranstruktur 34. Somit wird, wenn die elektrostatische Anziehungskraft erzeugt wird, der gegenüberliegende Abschnitt 51 der Abdeckung 50 verglichen mit der Membranstruktur 34 einfach deformiert. Demnach kann, obwohl die Abdeckung 50 durch die elektrostatische Anziehungskraft deformiert wird, so dass der Lückenabstand D reduziert werden kann, die Deformation der Membranstruktur 34 reduziert werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird die Metallschicht 46, die auf der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 ausgebildet ist, durch Lot oder dergleichen mit der Metallschicht 55 verbunden, die auf der Oberfläche des dicken Abschnitts 53 der Abdeckung 50 ausgebildet ist. Jedoch kann die Abdeckung 50 an dem Substrat 31 durch ein anderes Verfahren fixiert werden. Beispielsweise kann die Abdeckung 50 an dem Substrat 31 durch ein Klebemittel fixiert werden. Ist die Abdeckung 50 aus Silizium gefertigt, kann die Abdeckung 50 an dem Silizium der Halbleiterschicht 40 des Substrats 31 durch direktes Bonden fixiert werden.
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(Modifikation)
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In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die Ultraschallsensorvorrichtung 10 den Schaltungschip 12 und die Leiterplatte 13 separat zur Sensoreinheit 11. Alternativ kann die Verarbeitungsschaltung 110 des Schaltungschips 12 in der Sensoreinheit 11 ausgebildet (integriert) sein.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird die elektrostatische Anziehungskraft durch Anlegen der Abgleichspannung nur erzeugt, wenn die Membranstruktur 34 den Empfangszustand aufweist. Alternativ kann die elektrostatische Anziehungskraft durch Anlegen der Abgleichspannung erzeugt werden, wenn die Membranstruktur 34 im Empfangszustand und im Sendezustand ist. Die elektrostatische Anziehungskraft ist proportional zum Quadrat der Anlegespannung. Demnach kann, wenn die Anlegespannung im Empfangszustand höher als im Sendezustand ist, der Lückenabstand D2 im Empfangszustand kleiner sein als der Lückenabstand D1 im Sendezustand, so dass der Q-Faktor im Empfangszustand kleiner als im Sendezustand sein kann. Jedoch kann, wenn die Abgleichspannung nur angelegt wird, wenn die Membranstruktur 34 den Empfangszustand aufweist, die Abgleichspannung klein sein.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat der dicke Abschnitt 43 eine Ringform und umgibt den dünnen Abschnitt 32 in der senkrechten Richtung. Alternativ kann der dünne Abschnitt 32 zwei dicke Abschnitte 32 überbrücken. In diesem Fall ist mindestens ein Teil der Abdeckung 50 am dünnen Abschnitt 32 fixiert.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Abgleichelektrode 70 auf dem Ultraschallsensor 30 separat zu den Erfassungselektroden 35, 36 des piezoelektrischen Vibrators 33 ausgebildet. Alternativ kann eine der Erfassungselektroden 35, 36 des piezoelektrischen Vibrators 33 ebenso als die Abgleichelektrode 70 verwendet werden. In einem in 11 dargestellten Beispiel wird die Erfassungselektrode 36, die näher am gegenüberliegenden Abschnitt 51 in der Dickenrichtung ist, ebenso als die Abgleichelektrode 70 verwendet. Mit einem derartigen Ansatz kann die Struktur der Sensoreinheit 11, d. h. die Struktur der Ultraschallsensorvorrichtung 10, vereinfacht werden.
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Jedoch befinden sich die Erfassungselektroden 35, 36 in dem dünnen Abschnitt 32 des Substrats 31. Demnach wird, wenn die Erfassungselektrode 36 ebenso als die Abgleichelektrode 70 verwendet wird, die Membranstruktur 34 verglichen damit, wenn die Abgleichelektrode 70 in dem dicken Abschnitt 43 ausgebildet ist, einfach durch die elektrostatische Anziehungskraft deformiert. Demnach ist es bevorzugt, dass die Abgleichelektrode 71 auf der Abdeckung 50 an einer Position entsprechend dem dicken Abschnitt 43 des Substrats 31 in der senkrechten Richtung ausgebildet wird. Mit einem derartigen Ansatz kann, sogar wenn die Erfassungselektrode 36 ebenso als die Abgleichelektrode 70 verwendet wird, die Deformation der Membranstruktur 34 reduziert werden. Wird die Abgleichelektrode 71 auf der Abdeckung 50 an einer Position gegenüberliegend der Erfassungselektrode 36 ausgebildet, die ebenso als die Abgleichelektrode 70 verwendet wird, muss die Festigkeit des gegenüberliegenden Abschnitts 51 (des dünnen Abschnitts 52) der Abdeckung 50 einschließlich der Abgleichelektrode 70 geringer als die Festigkeit der Membranstruktur 34 sein.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Abgleichelektrode 70 auf dem Ultraschallsensor 30 C-Form, die durch Entfernen eines Abschnitts einer rechtwinkligen Ringform ausgebildet wird, und die Abgleichelektrode 71 auf der Abdeckung 50 hat eine rechtwinklige Ringform. Alternativ kann die Abgleichelektrode 70 auf dem Ultraschallsensor 30 eine C-Form aufweisen, die durch Entfernen eines Abschnitts einer kreisförmigen Ringform ausgebildet wird, und die Abgleichelektrode 71 auf der Abdeckung 50 kann eine kreisförmige Ringform aufweisen. In diesem Fall kann, wenn die Mitte der Abgleichelektrode 71 mit der Mitte des dünnen Abschnitts 52 übereinstimmt, der dünne Abschnitt 52 verglichen damit, wenn die Abgleichelektrode 71 eine rechtwinklige Ringform aufweist, einheitlich deformiert werden. Es ist zu beachten, dass 12 die Abgleichelektrode 71 auf der Abdeckung 50 darstellt, um eine Positionsbeziehung anzugeben.
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In der vorliegenden Ausführungsform hat die Abgleichelektrode 70 auf dem Ultraschallsensor 30 eine C-Form mit offenen Enden (freien Enden), und die Leitungen 44, 45 der Erfassungselektroden 35, 36 des piezoelektrischen Vibrators 33 sind von zwischen den offenen Enden gezogen. Alternativ kann die Abgleichelektrode 70 eine Ringform durch Ausbilden der Leitungen 44, 45 als unterliegende Leitungen der Abgleichelektrode 70 aufweisen. Alternativ kann die Abgleichelektrode 70 eine Ringform durch Ausbilden der Leitung 72 oder sowohl der Abgleichelektrode 70 als auch der Leitung 72 als unterliegende Leitungen der Leitungen 44, 45 aufweisen.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der abgedichtete Raum 90 mit Luft gefüllt. Jedoch kann der abgedichtete Raum 90 mit einem anderen Gas als Luft gefüllt werden. Beispielsweise kann der abgedichtete Raum 90 mit Gas gefüllt werden, das einen größeren Viskositätskoeffizienten μ als Luft aufweist. Der Dämpfungsfaktor C ist proportional zu einem Viskositätskoeffizienten μ von Gas, das den abgedichteten Raum 90 füllt. Demnach kann die Abgleichspannung durch Füllen des abgedichteten Raums 90 mit Gas (beispielsweise Helium) reduziert werden, das einen größeren Viskositätskoeffizienten μ als Luft aufweist. Unter der Annahme, dass die Abgleichspannung unverändert aufrechterhalten wird, wird ein Unterschied zwischen dem Q-Faktor im Sendezustand und dem Q-Faktor im Empfangszustand verglichen damit erhöht, wenn der abgedichtete Raum 90 mit Luft gefüllt ist. Somit ist es möglich, das Zielobjekt zu erfassen, sogar wenn der Betrag der Doppler-Verschiebung groß ist.
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In der Ausführungsform ist die Abgleichelektrode 71 auf der Abdeckung 50 auf der inneren Oberfläche (der Oberfläche, die dem Substrat 31 gegenüberliegt) des dünnen Abschnitts 52 der Abdeckung 50 ausgebildet. Alternativ kann die Abgleichelektrode 71 auf der äußeren Oberfläche des dünnen Abschnitts 52 ausgebildet werden. Mit einem derartigen Ansatz kann die Struktur vereinfacht werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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Gemäß der ersten Ausführungsform ist die Abdeckung 50 an der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 fixiert und der piezoelektrische Vibrator 33 ist in dem abgedichteten Raum 90 aufgenommen. Im Gegensatz dazu ist gemäß der gegenwärtigen Ausführungsform, wie in 13 dargestellt ist, die Abdeckung 50 an der zweiten Oberfläche 31b des Substrats 31 fixiert. Demnach werden Senden und Empfangen von Ultraschallwellen auf der Seite der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 im Unterschied zur ersten Ausführungsform ausgeführt, in der Senden und Empfangen von Ultraschallwellen auf der Seite der zweiten Oberfläche 31b des Substrats 31 ausgeführt werden.
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In einem in 13 dargestellten Beispiel hat der Ultraschallsensor 30 fast dieselbe Struktur wie der der ersten Ausführungsform. In 13 ist die Metallschicht 46 zur Verknüpfung auf der zweiten Oberfläche 31b des Substrats 31 in dem dicken Abschnitt 43 ausgebildet. Ferner wird die Erfassungselektrode 35 des piezoelektrischen Vibrators ebenso als die Abgleichelektrode 70 auf dem Ultraschallsensor 30 verwendet.
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Die Abdeckung 50 beinhaltet ein Halbleitersubstrat 61 und eine Isolierschicht 62. Um den gegenüberliegenden Abschnitt 51 der Abdeckung 50 auszubilden, wird ein Öffnungsabschnitt 63 mit einem Boden, der durch die Isolierschicht 62 definiert ist, durch Entfernen eines Abschnitts des Halbleitersubstrats 61 ausgebildet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das Halbleitersubstrat 62 aus Silizium gefertigt und eine Wand des Öffnungsabschnitts des Halbleitersubstrats 61 hat eine (111)-Fläche.
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In der Abdeckung 50 dient ein Abschnitt der Isolierschicht 62, der den Öffnungsabschnitt 63 überbrückt, als der dünne Abschnitt 52. In dem Beispiel von 13 wird der dünne Abschnitt 52 durch lediglich den gegenüberliegenden Abschnitt 51 bereitgestellt. Die Metallschicht 55 für eine Verknüpfung ist auf der dem Halbleitersubstrat 61 in dem dicken Abschnitt 53 der Abdeckung 50 gegenüberliegenden Oberfläche der Isolierschicht 62 ausgebildet. Die Metallschicht 55 ist mit der Metallschicht 46 des Ultraschallsensors 30 verbunden, so dass ein abgedichteter Raum 90 einschließlich des Öffnungsabschnitts 42 des Substrats 31 ausgebildet werden kann.
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Die Abgleichelektrode 71 auf der Abdeckung 50 ist auf der Oberfläche der Isolierschicht 62, wo die Metallschicht 55 ausgebildet ist, in dem gegenüberliegenden Abschnitt 51 ausgebildet. Der gegenüberliegende Abschnitt 51 (der dünne Abschnitt 52) weist in der Draufsicht eine rechtwinklige Form auf, und die Abgleichelektrode 71 ist geringfügig größer als der gegenüberliegende Abschnitt 51, um den gesamten gegenüberliegenden Abschnitt 51 in der senkrechten Richtung zu bedecken. Die Abgleichelektrode 71 ist elektrisch durch eine Leitung 73 mit einer Durchführungselektrode 64 verbunden, die das Halbleitersubstrat 61 und die Isolierschicht 62 durchdringt.
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Wie vorstehend beschrieben ist, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform der gegenüberliegende Abschnitt 51 der Abdeckung 50 durch die Isolierschicht 62 und die Abgleichelektrode 71 bereitgestellt. Andererseits wird wie in der ersten Ausführungsform die Membranstruktur 34 des Ultraschallsensors 30 durch den dünnen Abschnitt 32 (die Halbleiterschicht 40 und die Isolierschicht 41) des Substrats 31 und den piezoelektrischen Vibrator 33 bereitgestellt. Demnach ist die Festigkeit des gegenüberliegenden Abschnitts 51 der Abdeckung 50 einschließlich der Abgleichelektrode 70 geringer als die Festigkeit der Membranstruktur 34.
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Sogar wenn eine derartige Struktur eingesetzt wird, können dieselben Vorteile wie die, die durch die Ultraschallsensorvorrichtung 10 gemäß der ersten Ausführungsform erlangt werden, erlangt werden.
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Ferner, da die Erfassungselektrode 35 ebenso als die Abgleichelektrode 70 verwendet wird, die Struktur der Sensoreinheit 11, d. h. die Struktur der Ultraschallsensorvorrichtung 10. Alternativ kann die Erfassungselektrode 36 ebenso als die Abgleichelektrode 70 verwendet werden. Alternativ kann die Abgleichelektrode 70 separat zu den Erfassungselektroden 35, 36 ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Abgleichelektrode 70 zwischen der Halbleiterschicht 40 und der Isolierschicht 41 ausgebildet werden oder kann auf der Oberfläche 32a des dünnen Abschnitts 32 ausgebildet werden. Das heißt, die Abgleichelektrode 70 kann bei jeder Position innerhalb einer Ausbildungsregion der Membranstruktur 34 ausgebildet werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird die Abdeckung 50 durch das Halbleitersubstrat 61 und die Isolierschicht 62 bereitgestellt. Die Struktur der Abdeckung 50 ist nicht auf das vorstehende Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann die Abdeckung 50 wie in der ersten Ausführungsform aus Harz gefertigt sein.
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(Dritte Ausführungsform)
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In der ersten Ausführungsform wird zur Zeit des Empfangs die vorbestimmte Spannung, die vorab festgelegt wird, als die Abgleichspannung zwischen den Abgleichelektroden 70, 71 angelegt. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Ausführungsform eine Frequenz eines Empfangssignals durch den DSP 117 berechnet, und die Steuereinrichtung 111 berechnet eine Differenz zwischen der berechneten Frequenz des Empfangssignals und einer Frequenz eines Antriebssignals, d. h. einer Frequenz eines Sendesignals. Dann befiehlt die Steuereinrichtung 111 dem Abgleichspannungsgenerator 118, die vorbestimmte Spannung basierend auf der Frequenzdifferenz zu erzeugen.
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Eine Sende- und Empfangsverarbeitung gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird nachfolgend mit Bezug auf 14 erläutert.
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Eine Sendeverarbeitung, die bei Schritt 20 ausgeführt wird, ist dieselbe wie die, die bei Schritt 10 der ersten Ausführungsform (vgl. 7) ausgeführt wird. Wie vorstehend beschrieben ist, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Ultraschallwelle von der Seite der ersten Oberfläche 31a des Substrats 31 gesendet. Eine Frequenz der Ultraschallwelle ist gleich der Frequenz f1 des Antriebssignals.
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Nachdem die Ultraschallwelle gesendet ist, bestimmt die Steuereinrichtung 111, ob die Amplitude des Empfangssignals des piezoelektrischen Vibrators 33, die durch den DSP 117 berechnet wird, größer als der vorbestimmte Grenzwert ist, der vorab in dem Speicher des DSP 117 gespeichert wird. Das heißt, die Steuereinrichtung 111 bestimmt, ob der Ultraschallsensor 30 (der piezoelektrische Vibrator 33) die reflektierte Welle empfängt (Schritt 21).
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Wird bei Schritt 21 bestimmt, dass die Amplitude des Empfangssignals des piezoelektrischen Vibrators 33 kleiner als der Grenzwert während einer Zeitperiode ist, wenn die reflektierte Welle empfangen werden kann, nachdem das Antriebssignal erzeugt ist, werden die Schritte 20 und 21 wiederholt. Wenn im Gegensatz dazu die Amplitude des Empfangssignals des piezoelektrischen Vibrators 33 größer als der Grenzwert ist, berechnet die Steuereinrichtung 111 eine Differenz zwischen der Frequenz des Empfangssignals, die durch den DSP 117 berechnet wird, und der Frequenz f1 des Antriebssignals, die vorab in dem Speicher der Steuereinrichtung 111 gespeichert wird (Schritt 22). Dieser Schritt 22 entspricht einem Frequenzdifferenzberechnungsabschnitt der Ansprüche.
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Dann bestimmt die Steuereinrichtung 111 basierend auf der berechneten Frequenzdifferenz einen Wert einer durch den Abgleichspannungsgenerator 118 zu erzeugenden Spannung (Schritt 23). Dieser Schritt 23 entspricht einem Spannungswertbestimmungsabschnitt der Ansprüche. Da die Frequenzdifferenz größer ist, das heißt, da der Betrag der Doppler-Verschiebung größer ist, wird der Spannungswert für die Abgleichspannung beispielsweise auf einen größeren Wert festgelegt, so dass der Q-Faktor der Membranstruktur 34 kleiner sein kann.
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Nachdem der Spannungswert für die Abgleichspannung wie bei S20 bestimmt ist, wird die Sendeverarbeitung der Ultraschallwelle ausgeführt (Schritt 24). Das Befehlssignal für die Abgleichspannungserzeugung wird von der Steuereinrichtung 111 nicht an den Abgleichspannungsgenerator 118 ausgegeben.
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Nachdem die Sendeverarbeitung (Schritt 24) zu Ende geführt ist, befiehlt die Steuereinrichtung 111 dem Abgleichspannungsgenerator 118, die Abgleichspannung zu erzeugen, die den bei den Schritten 20–23 bestimmten Spannungswert aufweist. In Antwort darauf legt der Abgleichspannungsgenerator 118 die Abgleichspannung zwischen den Abgleichelektroden 70, 71 an. Dieser Schritt 25 entspricht einem Spannungsanlegeabschnitt der Ansprüche. Die nachfolgenden Schritte 26–28 sind dieselben wie die Schritte 12–14 der ersten Ausführungsform.
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Wie vorstehend beschrieben ist, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Spannungswert für die Abgleichspannung, die zwischen den Abgleichelektroden 70, 71 anzulegen ist, basierend auf der Differenz zwischen der Sendefrequenz und der Frequenz der empfangenen reflektierten Welle bestimmt. Mit einem derartigen Ansatz wird der Q-Faktor im Empfangszustand gemäß einem Bewegungszustand (beispielsweise Geschwindigkeit) des sich relativ bewegenden Zielobjekts festgelegt. Demnach kann das Zielobjekt ungeachtet des relativen Bewegungszustands des Zielobjekts genau erfasst werden.
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In dem in 14 dargestellten Ablaufdiagramm werden die Schritte 20–23 jedes Mal ausgeführt, wenn die Schritte 24–28 einmal ausgeführt werden. Alternativ können die Schritte 24–28 während einer vorbestimmten Zeitperiode wiederholt ausgeführt werden. Das heißt, die Sende- und Empfangsverarbeitung kann mehrmals durch Verwenden der Abgleichspannung, die den vorbestimmten Spannungswert aufweist, ausgeführt werden.
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(Weitere Ausführungsformen)
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Während die vorliegende Offenbarung mit Bezug auf ihre Ausführungsformen erläutert wurde, ist es ersichtlich, dass die Offenbarung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung soll unterschiedliche Modifikationen und äquivalente Anordnungen innerhalb des Lichts und des Umfangs der vorliegenden Offenbarung abdecken.
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In den vorstehenden Ausführungsformen wird, wenn die Verarbeitungsschaltung 110 die Spannung zwischen den Abgleichelektroden 70, 71 anlegt, der Lückenabstand D zwischen dem gegenüberliegenden Abschnitt 51 der Abdeckung 50 und der Membranstruktur 34 durch elektrostatische Kraft geändert, so dass der Q-Faktor der Membranstruktur 34 geändert werden kann. Das heißt, die Abgleichelektroden 70, 71 dienen als Q-Faktor-Abgleicheinrichtung. Die Q-Faktor-Abgleicheinrichtung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt.
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In einem in 15 dargestellten Beispiel ist ein Film 200 mit einem thermischen Expansionskoeffizienten, der sich von dem der Abdeckung 50 unterscheidet, auf einer oberen Oberfläche der Abdeckung 50 angeordnet, und elektrischer Strom wird der Abdeckung 50 oder dem Film 200 bereitgestellt, um Wärme zu erzeugen. Demzufolge wird die Abdeckung 50 aufgrund einer Differenz des thermischen Expansionskoeffizienten deformiert, so dass der Lückenabstand D geändert werden kann. Das heißt, der Film 200 dient als eine Q-Faktor-Abgleicheinrichtung.
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In einem in 16 dargestellten Beispiel ist ein piezoelektrischer Körper 210 an einer Innenfläche der Abdeckung 50 fixiert, und elektrischer Strom wird dem piezoelektrischen Körper 210 bereitgestellt, so dass der piezoelektrische Körper 210 verdreht werden kann. Demzufolge wird die Abdeckung 50 deformiert, so dass der Lückenabschnitt D geändert werden kann. Das heißt, der piezoelektrische Körper 210 dient als eine Q-Faktor-Abgleicheinrichtung.
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In einem in 17 dargestellten Beispiel ist ein Nocken 220 oberhalb der Abdeckung 50 vorgesehen. Wenn der Nocken 220 zu einem vorbestimmten Winkel rotiert, ist der Nocken in Kontakt mit der oberen Oberfläche der Abdeckung 50 und drückt gegen diese. Demzufolge wird die Abdeckung deformiert, so dass der Lückenabstand D geändert werden kann. Das heißt, der Nocken 220 dient als eine Q-Faktor-Abgleicheinrichtung.
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In einem in 18 dargestellten Beispiel ist ein Dach der Abdeckung 50 entfernt und ein Kolben 230 ist in Kontakt mit und gleitet auf einer Seitenoberfläche der Abdeckung 50, um den abgedichteten Raum 90 auszubilden. In diesem Beispiel ist der Lückenabstand D ein Abstand zwischen einer unteren Oberfläche des Kolbens 230 und der Membranstruktur 34. Wenn sich der Kolben 230 nach oben und unten bewegt, ändert sich der Lückenabstand D entsprechend. Das heißt, der Kolben 230 dient als eine Q-Faktor-Abgleicheinrichtung.
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In einem in 19 dargestellten Beispiel ist ein Durchführungsloch in dem Dach der Abdeckung 50 ausgebildet, und eine Pumpe 240 ist mit dem abgedichteten Raum 90 durch das Durchführungsloch hindurch verbunden. Die Pumpe 240 ändert den Viskositätskoeffizienten μ des Gases in dem abgedichteten Raum 90 durch Ändern von Temperatur oder Druck innerhalb des abgedichteten Raums 90. Wie vorstehend erläutert, ist der Dämpfungsfaktor C des abgedichteten Raums 90 proportional zum Viskositätskoeffizienten μ des Gases in dem abgedichteten Raum 90. Demnach kann der Dämpfungsfaktor C des abgedichteten Raums 90 durch Ändern von Temperatur und Druck innerhalb des abgedichteten Raums 90 geändert werden. Demzufolge kann der Q-Faktor der Membranstruktur 34 geändert werden. Das heißt, die Pumpe 240 dient als eine Q-Faktor-Abgleicheinrichtung.
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Alternativ kann die Pumpe 240 den Dämpfungsfaktor C des abgedichteten Raums 90, d. h. den Q-Faktor der Membranstruktur 34, durch Ersetzen des Gases in dem abgedichteten Raum 90 ändern. Beispielsweise kann der abgedichtete Raum 90 mit einem ersten Gas (beispielsweise Luft), das einen kleinen Viskositätskoeffizienten aufweist, zur Zeit des Sendens der Ultraschallwelle gefüllt werden und mit einem zweiten Gas (beispielsweise Helium), das einen größeren Viskositätskoeffizienten als das erste Gas aufweist, zur Zeit des Empfangs der Ultraschallwelle gefüllt werden.
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In einem in 20 dargestellten Beispiel ist ein Magnet 250 an der oberen Oberfläche der Abdeckung 50 fixiert und ein elektrischer Strom wird einer Spule bereitgestellt, die sich in der Nähe des Magneten 250 befindet, so dass ein Magnetfeld um den Magneten 250 herum erzeugt werden kann. Demzufolge wird die Abdeckung 50 deformiert, so dass der Lückenabstand D geändert werden kann. Das heißt, der Magnet 250 dient als eine Q-Faktor-Abgleicheinrichtung.
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In einem in 21 dargestellten Beispiel bilden die Abdeckung 50 und ein Diaphragma 260 ein Öldruckdiaphragma zum Ändern von Druck oder Temperatur des in dem abgedichteten Raum 90 befindlichen Gases. Das heißt, das Diaphragma 260 dient als eine Q-Faktor-Abgleicheinrichtung.
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Wie vorstehend beschrieben ist, wird gemäß den in 15 bis 21 dargestellten Beispielen der Q-Faktor der Membranstruktur 34 durch Ändern des Lückenabstands D oder durch Ändern des Viskositätskoeffizienten des Gases in dem abgedichteten Raum 90 geändert. Alternativ kann ein Bauteil, das sich aufgrund von Hitze oder dergleichen erweitern und zusammenziehen kann, an der Membranstruktur 34 angebracht werden, um eine Spannung der Membranstruktur 34 zu ändern. Somit kann der Q-Faktor der Membranstruktur 34 geändert werden. In diesem Fall dient das Bauteil als eine Q-Faktor-Abgleicheinrichtung.
