DE102011079646A1

DE102011079646A1 - Ultraschallsensorvorrichtung zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall

Info

Publication number: DE102011079646A1
Application number: DE201110079646
Authority: DE
Inventors: Guenter Gerlach; Andre Gerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-02-07
Also published as: FR2978243A1; CN102890273A; FR2978243B1; GB2493101A; GB201212895D0; CN102890273B; GB2493101B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallsensorvorrichtung (1) zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall (2). Um die Empfindlichkeit zur Detektion eines Objekts zu verbessern, weist die Ultraschallsensorvorrichtung (1) eine Vielzahl von Ultraschallsensorelementen (3a, b) auf, wobei jedes Ultraschallsensorelement (3a, b) aufweist: einen Grundkörper (4), welcher eine Öffnung (5a, b) aufweist, ein flexibles Biegeelement (6a, b), welches stirnseitig einen ersten Endbereich (A) der Öffnung (5a, b) verschließt, wobei das flexible Biegeelement (6a, b) ein Polymer, insbesondere ein Flüssigkristallpolymer, aufweist, ein Piezoelement (7a, b), welches in der Öffnung (5a, b) angeordnet und mit dem flexiblen Biegeelement (6a, b) verbunden ist, und ein Dämpfungselement (8a, b), welches in der Öffnung (5a, b) angeordnet ist und stirnseitig einen zweiten Endbereich (B) der Öffnung (5a, b) verschließt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallsensorelement zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall, eine Ultraschallsensorvorrichtung zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall und ein Verfahren zum Herstellen einer Ultraschallsensorvorrichtung zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall.
Stand der Technik
Ultraschall-Einparkvorrichtungen dienen zum Erfassen eines Objekts in einem Raum vor und/oder hinter einem Fahrzeug mittels Ultraschallfeldern und weisen dazu üblicherweise 4 bis 6 Ultraschallsensorvorrichtungen auf, die jeweils in einem Heck- und/oder Frontstoßfänger des Fahrzeugs angeordnet sind. Jede der Ultraschallsensorvorrichtungen weist dabei jeweils ein Ultraschallsensorelement auf, welches selektiv im Erfassungs- oder Sendebetrieb arbeitet. Die Ultraschallsensorvorrichtungen sind derart relativ zueinander in dem Heck- und/oder Frontstoßfänger angeordnet, dass die Ultraschallsensorvorrichtungen horizontal ausgerichtet sind, so dass Bodenreflexionen des Ultraschalls entweder nicht erfasst oder ausgeblendet werden. Üblicherweise haben die Ultraschall-Einparkvorrichtungen ausschließlich eine warnende Funktion für die Objekterfassung in Schallfeldraum.
US 2008/0060439 A1 beschreibt ein Ultraschallsensorelement, das für eine Abstandsmessung in einem Fahrzeug verwendbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallsensorelement zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall, wobei das Ultraschallsensorelement einen Grundkörper, welcher eine Öffnung aufweist, ein flexibles Biegeelement, welches stirnseitig einen ersten Endbereich der Öffnung verschließt, wobei das flexible Biegeelement ein Polymer, insbesondere ein Flüssigkristallpolymer, aufweist, ein Piezoelement, welches in der Öffnung angeordnet und mit dem flexiblen Biegeelement verbunden ist, und ein Dämpfungselement aufweist, welches in der Öffnung angeordnet ist und stirnseitig einen zweiten Endbereich der Öffnung verschließt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Ultraschallsensorvorrichtung zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall, wobei die Ultraschallsensorvorrichtung eine Vielzahl von Ultraschallsensorelementen aufweist, wobei jedes Ultraschallsensorelement einen Grundkörper, welcher eine Öffnung aufweist, ein flexibles Biegeelement, welches stirnseitig einen ersten Endbereich der Öffnung verschließt, ein Piezoelement, welches in der Öffnung angeordnet und mit dem flexiblen Biegeelement verbunden ist, ein Dämpfungselement, welches in der Öffnung angeordnet ist und stirnseitig einen zweiten Endbereich der Öffnung verschließt, wobei die Grundkörper der Ultraschallsensorelemente der Vielzahl der Ultraschallsensorelemente einstückig ausgebildet sind.
Unter einem flexiblen Biegeelement kann insbesondere ein biegeflexibles Element verstanden werden, welches aus einem biegbaren, flexiblen Material gefertigt sein und daher besonders einfach in einer oder mehreren Richtungen gebogen werden kann. Insbesondere kann das flexible Biegeelement dazu eingerichtet sein, Schwingungen auszuführen.
Unter einem Piezoelement kann insbesondere ein als Piezokeramik ausgebildetes Element verstanden werden, welches beispielsweise auf Blei-Zirkonat-Titanat-(PZT)-Basis ausgebildet sein kann.
Unter einem Dämpfungselement kann insbesondere ein Element verstanden werden, welches akustische (also Schall) und/oder mechanische Schwingungen abschwächen oder eliminieren kann. Das Dämpfungselement kann insbesondere bewirken, dass rückstreuender Schall abgeschwächt und/oder eine Charakteristik eines Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung verbessert, insbesondere eine Bandbreite einer Übertragungscharakteristik des Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung vergrößert, werden kann.
Das Ultraschallsensorelement und die Ultraschallsensorvorrichtung können eine hohe Auflösung, insbesondere quer zu einer Längserstreckung des Ultraschallsensorelements, also beispielsweise bezüglich eines Bodens in horizontaler und/oder vertikaler Richtung, bei der Erfassung eines Objekts in einem Raumbereich benachbart zum Ultraschallsensorelement und/oder zu der Ultraschallsensorvorrichtung aufweisen. Ferner kann eine dreidimensionale Erfassung des Objekts durch die Vielzahl von Ultraschallsensorelementen ermöglicht sein. Ferner kann ein Abstand und/oder ein Winkel zu dem Objekt basierend auf Information, die mittels der Vielzahl von Ultraschallsensorelementen ermittelt werden kann, bestimmt werden.
Das flexible Biegeelement auf Polymerbasis kann dabei zu einem genauen, hochauflösenden Abtasten der Umgebung des Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung beitragen, da solch ein Ultraschallsensorelement eine hohe Empfindlichkeit aufweisen kann.
Das Piezoelement, insbesondere eine Elektrode des Piezoelements, kann insbesondere elektrisch leitend mit dem flexiblen Biegeelement und dem Grundkörper verbunden sein, und das Ultraschallsensorelement kann eine weitere elektrische Kontaktierung einer gegenüberliegenden Elektrode des Piezoelements zu einem Substrat aufweisen.
Das flexible Biegeelement kann insbesondere elektrisch leitfähig ausgebildet sein.
Der Grundkörper des Sensorelements kann insbesondere als Hohlzylinder ausgebildet sein, in beziehungsweise an dem die weiteren Elemente des Ultraschallsensorelements angeordnet sein können. Es können insbesondere in einem Prozessschritt mittels Spritzguss das als Polymermembran ausgebildete flexible Biegeelement sowie eine Verbindung der Hohlzylinder und ein verbleibendes Gehäuse erstellt werden. Ein Querschnitt des Hohlzylinders kann entsprechend einem Querschnitt der Öffnung kreisförmig oder rechteckig sein.
Der Grundkörper kann insbesondere auch als Platte ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Grundkörper insbesondere Metall, insbesondere Aluminium, Metalloxid insbesondere Aluminiumoxid, und/oder eine Metalloxidkeramik, insbesondere eine Aluminiumoxidkeramik, aufweisen. Das Metalloxid kann, insbesondere im Falle von Aluminiumoxid, der Metalloxidkeramik entsprechen. Dies kann eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung des Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung ermöglichen, da der Grundkörper eine einfache Form aufweisen und/oder das Material des Grundkörpers besonders einfach verarbeitet werden kann.
Eine äußere Oberfläche des flexiblen Biegeelements kann insbesondere bündig mit einer äußeren Oberfläche des Grundkörpers ausgebildet sein, so dass das Ultraschallsensorelement keine freiliegenden Kanten aufweisen und eine Beschädigung des Ultraschallsensorelements vermieden werden kann. Der Begriff „äußere“ Oberseite kann in der vorliegenden Anmeldung eine nach außen hin gewandte Oberseite oder Oberfläche des Elements bezeichnen.
Im Rahmen einer Ausführungsform weist das flexible Biegeelement ein Polymer, insbesondere ein Flüssigkristallpolymer (Englisch: liquid crystal polymer), weiter insbesondere ein Polymer der Spezifikation A950 von Tikona, auf. Alternativ zu einem Flüssigkristallpolymer kann ein Elastomer mit einem ähnlichen Elastizitätsmodul, einer ähnlichen chemischen Beständigkeit usw. ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich zu dem Polymermaterial A950 von Tikona kann zumindest ein Flüssigkristallpolymer aus einer Gruppe bestehend aus einem Flüssigkristallpolymer der Spezifikation Sumikasuper von Sumitomo Chemical Industry, einem Flüssigkristallpolymer der Spezifikation Vectra von Ticona, einem Flüssigkristallpolymer der Spezifikation Xydar von Solvay und einem Flüssigkristallpolymer der Spezifikation Zenite von Ticona verwendet werden. Das Polymer aufweisende Material kann insbesondere zumindest eine der folgenden Eigenschaften aufweisen: Ein Dämpfungsverhalten, welches ähnlich zu Gummi sein kann (und beispielsweise mit einer Dämpfungskonstante von etwa 0,6); ein Elastizitätsmodul, welches besonders gering sein kann (beispielsweise mit einem Wert zwischen etwa ≥ 7 GPa und etwa ≤ 10 GPa); eine gute Fließfähigkeit; eine hohe Wärmeformbeständigkeit; und einen Längenausdehnungskoeffizienten, welcher ähnlich zu einem Längenausdehnungskoeffizient eines Materials des Grundkörpers sein kann (und beispielsweise zwischen etwa ≥ 15 × 10^–6/K) und etwa ≤ 20 × 10^–6/K betragen kann).
Ferner kann das flexible Biegeelement auf Polymerbasis eine Übersprechdämpfung zwischen benachbarten Ultraschallsensorelementen der Ultraschallsensorvorrichtung ermöglichen, so dass die Auflösung der Ultraschallvorrichtung zusätzlich verbessert sein kann. Ferner kann das Ultraschallsensorelement eine hohe Dichtigkeit aufweisen, da das Polymer-basierte Material des flexiblen Biegeelements gegenüber Umgebungseinflüssen, beispielsweise Wasser, undurchlässig sein kann. Das flexible Biegeelement auf Polymerbasis kann ferner insbesondere einen ausreichenden Schutz gegenüber Steinschlag bieten, so dass das Anbringen einer zusätzlichen Abdeckschicht oberhalb des flexiblen Biegeelements nach außen hin vermieden werden kann, die eine Empfindlichkeit des Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung reduzieren könnte. Ferner kann Polymer besonders einfach verarbeitet werden, so dass eine Oberflächenwelligkeit des flexiblen Biegeelements vermieden werden kann, und eine Oberfläche des flexiblen Biegeelements kann insbesondere nach einer (Inline-) Plasmabehandlung und/oder Beschichtung direkt lackierbar sein. Weitere Prozessschritte bei der Fertigung des Ultraschallsensorelements und der Ultraschallsensorvorrichtung können hierdurch entfallen.
Das Polymer des flexiblen Biegeelements kann insbesondere elektrisch leitfähig sein, so dass eine Kontaktierung des Piezoelements und des Grundkörpers über das flexible Biegeelement bewirkt werden kann.
Das flexible Biegeelement kann innerhalb des ersten Endbereichs der Öffnung angeordnet sein, die durch den Grundkörper hindurch verlaufen kann. Daher kann das stirnseitige Verschließen der Öffnung durch das flexible Biegeelement dadurch erreicht werden, dass das flexible Biegeelement an einem Abschnitt von inneren Seitenwänden des Grundkörpers anliegen kann. Dies bewirkt eine hohe Dichtigkeit des Ultraschallsensorelements. Das Ultraschallsensorelement kann insbesondere bei einer Fertigung des Grundkörpers aus einem formbeständigen Material, insbesondere Metall, Metalloxid oder Metalloxidkeramik, und des flexiblen Biegeelements aus Polymer eine hohe Dichtigkeit aufweisen und/oder einer Dampfstrahlprüfung, wie sie zu Testzwecken des Ultraschallsensorelements einer Ultraschall-Einparkvorrichtung durchgeführt werden kann, standhalten, da das Biegeelement in einer Richtung quer zu einer Längserstreckung der Öffnung gesehen, insbesondere in radialer Richtung der Öffnung gesehen, lagestabil gehalten sein kann. Bei einem Metall, Metalloxid oder Metalloxidkeramik aufweisenden Grundkörper kann insbesondere die hohe Dichtigkeit während einer Vielzahl von Temperaturwechseln, die beispielsweise bei einer Thermoschockprüfung durchgeführt werden, dadurch erreicht werden, dass eine Wärmeleitfähigkeit von Metall größer als eine Wärmeleitfähigkeit von Polymer sein und sich das der Grundkörper schneller als das flexible Biegeelement abkühlen kann. Dies kann bewirken, dass sich das Material des Grundkörpers (trotz eventuell ähnlicher Längenausdehnungskoeffizienten der jeweiligen Materialien) schneller als das Biegeelement zusammenziehen kann, wodurch die Öffnung des Grundkörpers beim Abkühlen im Verhältnis zur Ausdehnungsreduzierung des flexiblen Biegeelements schneller kleiner wird und somit die hohe Dichtigkeit des Ultraschallsensorelements erreicht sein kann. Ferner können aufgrund der ähnlichen Längenausdehnungskoeffizienten von Metall und Polymer temperaturbedingte Langzeitänderungen der Materialien des Grundkörpers und des flexiblen Biegeelements vermieden werden.
Im Rahmen einer Ausführungsform sind das flexible Biegeelement und der Grundköper einstückig, also aus einem gleichen Material, ausgebildet, wobei ein Material des flexiblen Biegeelements und des Grundkörpers insbesondere Metall, insbesondere Aluminium, Metalloxid, insbesondere Aluminiumoxid, und/oder Metalloxidkeramik, insbesondere Aluminiumoxidkeramik, aufweist. Die Öffnung kann hierbei nicht durch den Grundkörper hindurch verlaufen, also ein Sackloch sein. Daher kann das Ultraschallsensorelement kostengünstig und auf einfache Weise hergestellt sein. Das flexible Biegeelement kann hierbei ausreichend dünn ausgebildet sein, um eine Biegbarkeit des flexiblen Biegeelements zu gewährleisten.
Das Piezoelement kann in einer Richtung quer, insbesondere senkrecht, zu einer Längserstreckung der Öffnung, insbesondere in radialer Richtung der Öffnung, verformbar sein. Die Verformung kann eine Ladungsverschiebung in dem Piezoelement verursachen oder durch jene verursacht sein. Dazu kann insbesondere eine Kristallstruktur des Piezoelements eine entsprechende Polarisation aufweisen, die die Verformung bzw. die Ladungsverschiebung bewirkt. Folglich können das flexible Biegeelement und das Piezoelement, welche miteinander mechanisch fest, beispielsweise durch Verkleben, verbunden sein können, eine Biegung oder eine mechanische Schwingung in Richtung der Längserstreckung der Öffnung, also insbesondere entlang einer Längserstreckung des Ultraschallsensorelements, ausführen, da das flexible Biegeelement vollumfänglich mit dem Grundkörper verbunden sein kann. Bei einem Empfang des Ultraschalls kann insbesondere eine Druckeinwirkung auf das flexible Biegeelement eine Verformung des flexiblen Biegeelements und des Piezoelements verursachen. Auf diese Weise kann eine Ladungsverschiebung in dem Piezoelement erzeugt werden, die als Signal erfassbar sein kann. Bei einem Aussenden des Ultraschalls kann eine induzierte Ladung an dem Piezoelement eine Verformung des Piezoelements und des flexiblen Biegeelements verursachen, so dass eine Ultraschallwelle ausgesendet werden kann. Der ausgesendete Ultraschalls kann daher entlang einer Längserstreckung des Ultraschallsensorelements gerichtet sein, und eine Empfindlichkeit der Ultraschallsensorvorrichtung für den empfangenen Ultraschall, welcher sich entlang der Längserstreckung der Öffnung ausbreiten kann, kann besonders gut sein.
Das Piezoelement kann insbesondere (in der Querrichtung, insbesondere in der radialen Richtung, der Öffnung gesehen) beabstandet von dem Grundkörper angeordnet sein, wodurch eine Verformung des Piezoelements in dieser Richtung der Öffnung nicht eingeschränkt sein kann. Das Piezoelement kann scheibenförmig ausgebildet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist ein Substrat, beispielweise ausschließlich, entlang einer äußeren Oberfläche des Grundkörpers benachbart zu dem Dämpfungselement angeordnet. Dadurch kann der Grundkörper mittels einer dem Biegeelement abgewandten Seite des Ultraschallsensorelements an dem Substrat befestigbar und/oder das Piezoelement mit dem Substrat elektrisch kontaktierbar sein, ohne dass eine Empfindlichkeit des Ultraschallsensorelements beeinträchtigt werden kann.
Das Substrat kann flexibel (beispielsweise als flexible Leiterplatte) oder fest (beispielsweise als feste, nicht biegbare Leiterplatte) ausgebildet sein.
Eine elektrisch leitende, insbesondere Metall aufweisende, Schicht kann insbesondere entlang einer dem Piezoelement zugewandten Seite des flexiblen Biegeelements, entlang innerer Seitenwände des Grundkörpers und entlang einer äußeren Oberseite des Grundkörpers benachbart zu dem Substrat angeordnet sein. Eine Bondverbindung, beispielsweise ein Bonddraht, kann insbesondere zwischen einer dem Dämpfungselement zugewandten Seite des Piezoelements und dem Substrat vorgesehen sein und mittels Bondens oder Reibschweißens angebracht sein. Dies bewirkt eine elektrische Kontaktierung des Piezoelements und des Substrats, insbesondere im Falle eines elektrisch nicht leitfähigen Grundkörpers und eines elektrisch nicht leitfähigen flexiblen Biegeelements. Der Grundkörper kann dabei Metalloxid aufweisen und das flexible Biegeelement kann ein nicht leitfähiges Polymer aufweisen. Die Metallisierung kann eine Massekontaktierung des Piezoelements und die Bondverbindung kann eine Signalleitung zur Signalzuführung zu oder Signalableitung von dem Piezoelement bilden. Ein entsprechender erster und zweiter Kontakt des Piezoelements können auf gegenüberliegenden Oberflächen des Piezoelements angebracht sein.
Alternativ können – insbesondere bei einem elektrisch nichtleitenden Grundkörper – insbesondere zwei Bondverbindungen, beispielsweise in Form von Bonddrähten oder mittels Reibschweissens verbundenen dünnen Leitern, zwischen einer dem Dämpfungselement zugewandten Seite des Piezoelements und dem Substrat vorgesehen sein. Dies bewirkt eine elektrische Kontaktierung des Piezoelements und des Substrats.
Alternativ kann insbesondere bei einem elektrisch leitenden Grundkörper und einem elektrisch leitfähigen (Polymer aufweisenden) flexiblen Biegeelement eine Bondverbindung, beispielsweise in Form eines Bonddrahts oder eines mittels Reibschweissens verbundenen dünnen Leiters, zwischen einer dem Dämpfungselement zugewandten Seite des Piezoelements und dem Substrat vorgesehen sein. Eine Massekontaktierung des Piezoelements kann über eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Piezoelement und dem flexiblen Biegeelement (beispielsweise in Form einer Klebeverbindung oder einer Metallisierung) und einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem flexiblen Biegeelement und dem Grundkörper (beispielsweise in Form einer Klebeverbindung oder einer Metallisierung) bewerkstelligt werden.
Das Piezoelement und das flexible Biegeelement können insbesondere auch mittels eines anisotropen und/oder isotropen Leitklebers miteinander verklebt sein, um eine elektrisch leitfähige Verbindung beider Elemente zu bewirken. Anisotrope Leitkleber können eine Basissubstanz aufweisen, in der kleine Silberkugeln mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa ≥ 5 Mikrometer (µm) bis etwa ≤ etwa 10 Mikrometer eingebettet sein können. Der anisotrope Leitkleber kann erst elektrisch leitend werden, wenn beide miteinander zu verklebende Kontaktpartner Druck und Temperatur erfahren, da ohne Anlegen des Drucks bei einem temperaturunterstützten Aushärten des Klebers die kleinen Silberkugeln nicht in Kontakt mit beiden Kontaktpartnern kommen können. Der anisotrope Kleber kann die für das Ultraschallsensorelement und die Ultraschallsensorvorrichtung erforderlichen, dünnen Klebeschichtdicken mit einem hohen Elastizitätsmodul bewirken. Isotrope Leitkleber können eine Basissubstanz aufweisen, in der Silberflakes mit einer Abmessung in einem Bereich von etwa ≥ 20 µm bis etwa ≤ 70 µm angeordnet sind, und eine elektrische Kontaktierung ohne Druck auf beide Kontaktpartner während der Aushärtung bewirken.
Der Grundkörper und das Substrat können insbesondere mittels eines (isotropen) Leitklebers miteinander verklebt sein, um eine elektrisch leitfähige Verbindung beider Elemente zu bewirken.
Das Dämpfungselement kann insbesondere als (insbesondere Polymer-, beispielsweise Polyurethan- oder Polypropylen- oder Silikon-) Schaum ausgebildet sein, so dass das Ultraschallsensorelement besonders einfach und kostengünstig fertigbar sein kann. Ferner kann das Ultraschallsensorelement auch im Bereich des Dämpfungselement bereits eine vergleichsweise hohe Dichtigkeit aufweisen, da der Schaum das Ultraschallsensorelement weitgehend gegen äußere Umgebungseinflüsse abdichten kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist das Ultraschallsensorelement ferner ein Abdeckelement auf, welches sich entlang einer äußeren Oberseite des Grundkörpers benachbart zu dem Biegeelement und einer äußeren Oberseite des Biegeelements, die von dem Piezoelement abgewandt ist, erstreckt. Das Abdeckelement kann insbesondere als Abdeckschicht ausgebildet sein und/oder mittels Spritzgusstechniken gefertigt werden. Das Abdeckelement kann einen zusätzlichen Schutz des Ultraschallsensorelements gegenüber Umgebungseinflüssen ermöglichen.
Das Abdeckelement kann insbesondere ein Polymer, insbesondere ein Flüssigkristallpolymer, weiter insbesondere ein Flüssigkristallpolymer der Spezifikation A950 von Ticona, aufweisen und insbesondere auch elektrisch leitfähig sein. Das Material des Abdeckelements und das Material des flexiblen Biegeelements können insbesondere identisch sein und/oder in einem gemeinsamen Prozessschritt beispielsweise mittels Umspritzens herstellbar sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist eine äußere Oberseite des Grundkörpers benachbart zu dem flexiblen Biegeelement und/oder eine äußere Oberseite des flexiblen Biegeelements, die von dem Piezoelement abgewandt ist, und/oder eine äußere Oberseite des Abdeckelements zumindest teilweise gekrümmt ausgebildet. Die äußere Oberseite des Grundkörpers, die äußere Oberseite des flexiblen Biegeelements und/oder die äußere Oberseite des Abdeckelements können insbesondere als freiliegende Oberseiten der jeweiligen Elemente ausgebildet sein. Dadurch kann eine Oberflächenkontur des Ultraschallsensorelements an eine Oberflächenform, insbesondere an Radien, eines Stoßfängers einer Stoßstange eines Fahrzeugs angepasst sein. Dies kann insbesondere günstig bei einer Integration der Ultraschallsensorvorrichtung in Außenecken des Stoßfängers des Fahrzeugs sein. Bei einer Fertigung des flexiblen Biegeelements, des Grundkörpers und/oder des Biegeelements mittels Spritzgießtechniken kann die Oberflächenformung des Grundkörpers, des flexiblen Biegeelements und/oder des Abdeckelements an eine Oberflächenkontur des Stoßfängers besonders einfach realisierbar sein. Insbesondere kann nur die Oberseite des Abdeckelements zumindest teilweise gekrümmt ausgebildet sein, so dass eine Funktionsweise des darunter liegenden Biegeelements nicht beeinträchtigt werden kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die Ultraschallsensorelemente der Vielzahl von Ultraschallsensorelementen (in Draufsicht oder in Sicht von unten auf die Ultraschallsensorvorrichtung gesehen) in einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Muster angeordnet. Die Anordnung der Ultraschallsensorelemente in einem eindimensionalen Muster kann beispielsweise linienförmig, also als eindimensionales Feld realisiert sein. Die Ultraschallsensorelemente können insbesondere in einem Matrixmuster (beispielsweise mit sechs Elementen in einer ersten Richtung und drei Elementen in einer zweiten Richtung, die quer, insbesondere senkrecht, zu der ersten Richtung sein kann) angeordnet sein. Das zweidimensionale Muster kann insbesondere eine kreisförmige Fläche aufweisen und/oder die Ultraschallsensorelemente können entlang einer Umfangslinie der kreisförmigen Fläche angeordnet sein. Die musterförmige Anordnung der Ultraschallsensorelemente kann eine platzsparende Anordnung der Ultraschallsensorelemente bewirken und/oder eine bezüglich der Längserstreckung der Ultraschallsensorelemente vertikale und horizontale Empfindlichkeit der Ultraschallsensorvorrichtung und damit ein dreidimensionales Erfassen eines Objekts ermöglichen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die Ultraschallsensorelemente der Vielzahl von Ultraschallsensorelementen zum Senden und/oder Empfangen des Ultraschalls eingerichtet. In einem Sendebetrieb eines Ultraschallsensorelements kann eine Schallwelle basierend auf einer Verformung des Biegeelements erzeugbar sein, die durch eine Verformung des Piezoelements verursacht werden kann. Die Verformung des Piezoelements kann durch eine hohe Spannung an dem Piezoelement verursacht werden. In einem Empfangsbetrieb eines Ultraschallsensorelements kann ein (elektrisches) Signal durch eine Verschiebung von Ladungen in dem Piezoelement, die auf einer Verformung des Biegeelements basiert, erzeugbar sein. Die Verformung kann hierbei durch eine Druckeinwirkung auf das flexible Biegeelement verursacht sein. Die Ultraschallsensorvorrichtung kann ausschließlich zum Senden oder ausschließlich zum Empfangen von Ultraschall eingerichtet sein. Ferner kann die Ultraschallsensorvorrichtung gleichzeitig zum Senden und Erfassen des Ultraschalls eingerichtet sein, indem beispielsweise ein Teil der Ultraschallsensorelemente der Ultraschallsensorvorrichtung zum Senden des Ultraschalls und ein anderer Teil der Ultraschallsensorelement der Ultraschallsensorvorrichtung zum Empfangen des Ultraschalls eingerichtet sein können. Im Fall, dass ein Ultraschallsensorelement oder ausschließlich Ultraschallsensorelemente einer Betriebsart vorhanden sind, können das Ultraschallsensorelement und die Ultraschallsensorelemente der einen Betriebsart sequentiell zum Senden und zum Empfangen des Ultraschalls eingerichtet sein. Eine Betriebsart zumindest eines Ultraschallsensorelements kann insbesondere während eines Betriebs der Ultraschallsensorvorrichtung in die andere Betriebsart änderbar sein.
Eine Vielzahl von, insbesondere oberflächenmontierten (Englisch: surface mounted device (SMD))) Kondensatoren, kann insbesondere an einer dem Grundkörper abgewandten Oberseite des Substrat angeordnet sein, die parallel zu den Piezoelementen der Ultraschallelementen geschaltet sein können. Diese Maßnahme bewirkt eine Empfindlichkeitsdrift-Kompensation der Ultraschallsensorvorrichtung. Ferner kann durch die musterartige Anordnung der Ultraschallsensorelemente eine räumlich sehr nahe Anordnung der Kondensatoren und der Ultraschallsensorelemente bewerkstelligt werden, da die musterartige Anordnung der Ultraschallsensorelemente an dem Substrat einen geringen Platzbedarf haben kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die Ultraschallsensorvorrichtung in einer Einparkvorrichtung oder in einem Manöverassistenzsystem eines Fahrzeugs aufgenommen. Dadurch kann mittels der Ultraschallsensorvorrichtung ein Objekt in einer Umgebung eines Heck- und/oder Frontstoßfängers des Fahrzeugs erfasst und dessen Winkel zu dem Fahrzeug beispielsweise mittels eines sogenannten Bartlet-Beam-Forming-Algorithmus bestimmt werden. Der Abstand zum Objekt kann sich dabei aus der Zeitinformation zwischen dem ausgesendeten Ultraschall und dem empfangenen Ultraschall ergeben, der am Objekt reflektiert sein kann.
Der Grundkörper kann insbesondere eine Länge von etwa 50 Millimeter (mm) und ein Breite von etwa 30 mm aufweisen. Eine Dicke des Grundkörpers entlang einer Längserstreckung der Öffnung kann insbesondere zwischen etwa 5 mm und etwa 6 mm betragen.
Im Falle von A950 von Tikona kann insbesondere eine Dicke des flexiblen Biegeelements höchstens etwa ≤ 1 mm betragen. Im Falle eines Biegeelements aus Metall kann insbesondere eine Dicke des Biegeelements etwa 0,3 mm betragen. Ein Durchmesser eines einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Biegeelements kann insbesondere in einem Bereich von etwa ≥ 4 bis etwa ≤ 5 mm liegen. In diesen Fällen kann eine Übersprechdämpfung zwischen den Ultraschallsensorelementen etwa 20 Dezibel (dB) betragen.
Eine Resonanzfrequenz des flexiblen Biegeelements kann insbesondere etwa 50 Kilohertz (kHz) betragen. Die Resonanzfrequenz des flexiblen Biegeelements kann in Abhängigkeit von einer Form des flexiblen Biegeelements, insbesondere in Abhängigkeit einer Dicke des flexiblen Biegeelements und eines Durchmessers sowie des Elastizitätsmoduls des verwendeten Materials des flexiblen Biegeelements, einstellbar sein.
Eine Dicke des Abdeckelements kann insbesondere etwa 0,4 mm betragen. Dies kann gewährleisten, dass eine Empfindlichkeit der Ultraschallsensorvorrichtung auf den Ultraschall nicht durch das Abdeckelement vermindert werden kann.
Ein Radius der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Ultraschallsensorelemente kann insbesondere etwa 2,5 mm betragen, und ein Abstand direkt benachbarter Ultraschallsensorelemente kann zwischen etwa ≥ 1 mm und etwa ≤ 3 mm betragen.
Die Anzahl an Ultraschallsensorelementen in der Ultraschallsensorvorrichtung kann sehr vielfältig sein. Insbesondere kann unter wirtschaftlichen Aspekten die Ultraschallsensorvorrichtung bis zu 20 Ultraschallsensorelemente aufweisen.
Ein erfasster Winkelbereich quer zu einer und zentriert um die Längserstreckung eines Ultraschallsensorelements kann insbesondere in einem Bereich von etwa ≥ 70 Grad bis etwa ≤ 80 Grad liegen. Ein erfasster Winkelbereich quer zu einer und zentriert um die Längserstreckung der Ultraschallsensorvorrichtung kann insbesondere in einem Bereich von etwa ≥ 140 Grad bis etwa ≤ 160 Grad liegen.
Das Ultraschallsensorelement und/oder die Ultraschallsensorvorrichtung können insbesondere durch ein Verfahren hergestellt sein, das im Folgenden beschrieben wird.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Figurenbeschreibung verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Ultraschallsensorvorrichtung zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall, wobei die Ultraschallsensorvorrichtung eine Vielzahl von Ultraschallsensorelementen aufweist, wobei ein Herstellen eines Ultraschallsensorelements aufweist:

– Bereitstellen eines Grundkörpers, welcher eine Öffnung aufweist,
– Stirnseitiges Verschließen eines ersten Endbereichs der Öffnung durch ein flexibles Biegeelement,
– Anordnen eines Piezoelements in der Öffnung,
– Miteinander-Verbinden des flexiblen Biegeelements und des Piezoelements,
– Anordnen eines Dämpfungselements in der Öffnung, und
– Stirnseitiges Verschließen eines zweiten Endbereichs der Öffnung durch das Dämpfungselement,

Für die Wirkung des Verfahrens wird auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der Vorrichtung verwiesen. Ferner kann das Verfahren besonders einfach ausgeführt werden, da bekannte Maßnahmen, insbesondere Spritzgießtechniken, Umspritzen von Elementen, Fließpressen usw., und kommerziell erhältliche Werkzeuge zum Herstellen des Ultraschallsensorelements und/oder der Ultraschallsensorvorrichtung verwendet werden können. Dies kann eine Massenproduktion der Ultraschallsensorelemente ermöglichen, so dass Herstellungskosten der Ultraschallsensorvorrichtung besonders gering sein können.
Im Rahmen einer Ausführungsform weist das Bereitstellen des Grundkörpers Einbringen der Öffnung in den Grundkörper mittels Bohrens, Erodierens oder Fließpressens, insbesondere Kaltfließpressens, auf.
Dabei kann das Bereitstellen des Grundkörpers das Einbringen einer Bohrung in den Grundkörper aufweisen, die die Öffnung bilden kann. Dadurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung der Ultraschallsensorvorrichtung ermöglicht sein. Die Öffnung kann eine durch den Grundkörper hindurch gehende oder eine nicht hindurch gehende Öffnung sein.
Durch das Erodieren der Öffnung kann eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung der Ultraschallsensorvorrichtung ermöglicht sein. Die Öffnung kann eine durch den Grundkörper hindurch gehende oder eine nicht hindurch gehende Öffnung sein.
Der Grundkörper und/oder das flexible Biegeelement können mittels Fließpressens ausgebildet werden. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Fertigung des Grundkörpers. und/oder des flexiblen Biegeelements. Im Falle, dass der Grundkörper und/oder das flexible Biegeelement mittels Fließpressens, insbesondere mittels Kaltfließpressens, ausgebildet werden können, können der Grundkörper und/oder das flexible Biegeelement einstückig ausgebildet sein. Hierbei kann die Öffnung eine nicht durch den Grundkörper hindurch gehende Öffnung darstellen. Fließpressen kann bei einer Fertigung des flexiblen Biegeelements und des Grundköpers aus Metall, insbesondere Aluminium, verwendet werden. Im Fall, dass der Grundkörper mittels Fließpressens ausgebildet wird, kann die Öffnung in den Grundkörper durch das Fließpressen mit eingebracht werden.
Der Grundkörper kann insbesondere mehrere Öffnungen aufweisen.
Die Öffnungen des Grundkörpers können insbesondere gleichzeitig gefertigt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform werden der Grundkörper und das in der Öffnung angeordnete Piezoelement umspritzt, um das flexible Biegeelement in der Öffnung zu bilden. Ein hierbei verwendetes Material kann Polymer, insbesondere Flüssigkristallpolymer, aufweisen. In einem gleichen oder nachfolgenden Prozessschritt kann der Grundkörper mit dem Biegeelement und dem Piezoelement umspritzt werden, um ein Gehäuse der Ultraschallsensorvorrichtung zu bilden. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung der Ultraschallsensorvorrichtung.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der Figurenbeschreibung verwiesen.
Zeichnungen und Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Draufsicht auf die Ultraschallsensorvorrichtung von 1;
3 einen schematischen Querschnitt durch eine Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Draufsicht auf die Ultraschallsensorvorrichtung von 3;
5 eine schematische Draufsicht auf eine Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine schematische Querschnittansicht der Ultraschallsensorvorrichtung von 5;
7 eine schematische Draufsicht auf eine Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 einen schematischen Querschnitt durch eine Ultraschallsensorvorrichtung in 7;
9 eine schematische Draufsicht auf eine Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
10 einen schematischen Querschnitt durch die Ultraschallsensorvorrichtung von 9.
1 zeigt eine Ultraschallsensorvorrichtung 1 zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Ultraschallsensorvorrichtung 1 weist eine Vielzahl von Ultraschallsensorelementen, hier zwei Ultraschallsensorelemente 3a, b, auf. Jedes Ultraschallsensorelement 3a, b weist einen Grundkörper 4 auf, welcher eine durch den Grundkörper 4 hindurch gehende Öffnung 5a, b mit einem kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Grundkörper 4 der Ultraschallsensorelemente 3a, b sind einstückig ausgebildet und werden im Folgenden mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet. Jedes Ultraschallsensorelement 3a, b weist ferner ein flexibles Biegeelement 6a, b, welches in der Öffnung 5a, b angeordnet und elektrisch leitfähig ist, ein scheibenförmiges Piezoelement 7a, b, welches in der Öffnung 5a, b angeordnet und mit dem flexiblen Biegeelement 6a, b verbunden ist, und ein Dämpfungselement 8a, b auf, welches in der Öffnung 5a, b angeordnet ist und das Piezoelement 7a, b bedeckt. Das flexible Biegeelemente 5a, b verschließt stirnseitig einen ersten Endbereich A der Öffnung 5a, b, die in dem Grundkörper 4 gebildet ist, und das Dämpfungselement 8a, b verschließt stirnseitig einen zweiten Endbereich B der Öffnung 5a, b. Eine Oberfläche 9 des Grundkörpers 4 und eine Oberfläche 10 des flexiblen Biegeelements 6a, b sind bündig und eben ausgebildet, so dass das Biegeelement 6a, b das Ultraschallsensorelement 3a, b nach außen hin abschließt.
Ein flexibles Substrat 11, hier eine flexible Leiterplatte, ist entlang einer weiteren äußeren Oberfläche 12 des Grundkörpers 4 angeordnet, die benachbart zu dem Dämpfungselement 8a, b ist. Die flexible Leiterplatte 11 erstreckt sich nicht entlang des Dämpfungselements 5a, b. Eine elektrisch leitfähige Schicht 13a, b in Form einer Oberflächenmetallisierung erstreckt sich entlang einer Oberfläche 14a, b des flexiblen Biegeelements 6a, b, die benachbart zu dem Piezoelement 7a, b ist, entlang von inneren Seitenwänden 15a, b des Grundkörpers 4 und entlang der Oberfläche 12 des Grundkörpers 4. Eine Bondleitung 16a, b ist mit dem flexiblen Substrat 11 und einer Oberfläche des Piezoelements 7a, b verbunden, die benachbart zu dem Dämpfungselement 8a, b angeordnet ist. Anisotroper Leitkleber 17a, b ist zwischen dem flexiblen Biegeelement 6a, b und dem Piezoelement 7a, b und isotroper Leitkleber 18a, b ist zwischen dem Grundkörper 4 und dem flexiblen Substrat 11 aufgenommen.
Die Ultraschallsensorelemente 3 weisen, wie in 2 gezeigt, einen kreisförmigen Querschnitt auf und sind in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein Ultraschallsensorelement mit dem Bezugszeichen 3 versehen. Die Matrix weist drei zueinander parallel angeordnete Reihen 20–22 auf. Die erste Reihe 20 der Matrix weist sechs entlang einer Linie in einer Richtung x angeordnete Ultraschallsensorelemente 3 auf. In der zweiten Reihe 21 der Matrix sind entlang der Richtung x sieben Ultraschallsensorelemente 3 angeordnet, und die dritte Reihe 22 der Matrix weist sechs Ultraschallsensorelemente 3 entlang der Richtung x auf. Die Ultraschallsensorelemente 3 der zweiten Reihe 21 sind bezüglich der Ultraschallsensorelemente 3 der ersten und dritten Reihen 20, 22 um einen Abstand verschoben angeordnet, welcher gleich dem Radius des kreisförmigen Querschnitts des Ultraschallsensorelements 3 ist. Folglich sind die Ultraschallsensorelemente 3 der ersten und dritten Reihe 20, 22 entlang einer gemeinsamen Line in einer Richtung y angeordnet. Oberflächenmontiere Kondensatoren sind in einem Bereich 23a, b angeordnet, welcher sich parallel zu den ersten und dritten Reihen 20, 22 der Matrix der Ultraschallsensorelemente erstrecken. Die Kondensatoren dienen zur Driftkompensation und sind parallel zu den Ultraschallsensorelementen 3 geschaltet und in der Draufsicht in 2 gestrichelt dargestellt.
Die Ultraschallsensorelemente 3 der ersten und dritten Reihe 20, 22 sind zum Senden des Ultraschalls eingerichtet, und die Ultraschallsensorelemente 3 der zweiten Reihe 21 sind zum Empfangen des Ultraschalls eingerichtet. Daher kann ein Objekt in einem Schallraum der Ultraschallsensorvorrichtung 1 zeiteffizient mittels der Ultraschallsensorvorrichtung 1 erfasst werden. Es wird angemerkt, dass in der Anzahl und Anordnung beliebige Sensorelemente für das Senden und das Empfangen des Ultraschalls verwendet werden können.
In einem Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung 1 senden die Ultraschallsensorelemente 3 der ersten und dritten Reihe 20, 22 den Ultraschall 2 aus, der an dem zu erfassenden Objekt im Schallraum der Ultraschallsensorvorrichtung 1 reflektiert wird. Der reflektierte Ultraschall 2 wird von den Ultraschallsensorelementen 3 der zweiten Reihe 21 empfangen. Elektrische Signale werden basierend auf dem empfangenen Ultraschall 2 von den Ultraschallsensorelementen 3 der zweiten Reihe 21 erzeugt, die jeweils einer Längenausdehnungsänderung eines der Piezoelemente 7a, b zugeordnet sind. Die Verformung in dem Piezoelement 7a, b ist durch zweiseitig endende Pfeile angedeutet und wird in einem Empfangsbetrieb der Ultraschallsensorelemente 3 durch eine mittels einseitig endender Pfeile angedeutete Druckeinwirkung des Ultraschalls 2 auf das Biegeelement 6a, b verursacht. Die erzeugten elektrischen Signale werden an eine Auswerteeinheit der Ultraschallsensorvorrichtung 1 weitergegeben, die basierend auf den elektrischen Signalen eine Positionierung des Objekts im Schallraum erfasst.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen der Ultraschallsensorvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, bei dem Ultraschallsensorvorrichtung 1 in 1 gebildet wird. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird der Grundkörper 4 als Platte aus Aluminiumoxidkeramik bereitgestellt, die mit Bohrungen versehen ist, die die durchgehenden Öffnungen 5a, b bilden. Alternativ kann der Grundkörper 4 als Kaltfließpressteil mit den hindurch gehenden Öffnungen 5a, b gefertigt werden. Danach werden die flexiblen Biegeelemente 6a, b in der Öffnung 5a, b mittels eines Kunststoffspritzgussverfahrens mittels Anspritzens angeordnet. Dazu wird zuerst eine Inline-Plasmabehandlung des Grundkörpers 4 durchgeführt, und der Grundkörper 4 wird in einem Spritzgießwerkzeug angeordnet. Die Öffnungen 5a, b des Grundkörpers 4 werden in dem Spritzgusswerkzeug teilweise mit einem Flüssigkristallpolymer der Spezifikation A950 von Tikonaumspritzt. Alternativ kann ein anderes Polymer verwendet werden. Dadurch wird das flexible Biegeelement 6a, b in der Öffnung 5a, b gebildet und mit dem Grundkörper 4 verbunden.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird das Piezoelement 7a, b bereitgestellt, welches auf einer Oberseite und einer Unterseite eine zuvor mittels einer Oberflächenmetallisierungstechnik aufgebrachte Metallschicht aufweist. In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird bei dem nicht elektrisch leitfähigen Grundkörper 4 die leitfähige Schicht 13 auf der Oberfläche 14 des flexiblen Biegeelements 6a, b, auf den Seitenwänden 15 des Grundkörpers 4 und auf der Oberfläche 12 des Grundkörpers 4 als Oberflächenmetallisierung aufgebracht. Die leitfähige Schicht 13 kann bei einem Grundkörper 4 aus Metall entfallen. Das Piezoelement 7a, b wird danach mittels des elektrisch leitfähigen anisotropen Leitklebers 17 an der beschichteten Oberseite 14 des flexiblen Biegeelements 6a, b aufgeklebt. Das Piezoelement 7a, b wird an das flexible Biegeelement 6a, b gepresst, und der Leitkleber 17 wird ausgehärtet. Auf diese Weise wird eine Kontaktierung des Piezoelements 7a, b und des flexiblen Substates 11 über die leitfähige Schicht 13 bereitgestellt.
In einem weiteren Schritt wird in einem Siebdruckverfahren der isotrope Leitkleber 18 auf die leitfähige Schicht 13 an der Oberfläche 12 des Grundkörpers 4 aufgebracht, und das flexible Substrat 11 wird an den Grundkörper 4 aufgepresst und unter Druck ausgehärtet. Das Ausüben des Drucks auf das flexible Substrat 11 und/oder den Grundkörper 4 kann auch entfallen.
In einem weiteren Schritt wird eine elektrische Kontaktierung zwischen der Unterseite des Piezoelements 7a, b und dem flexiblen Substrat 11 bewerkstelligt, indem ein Bonddraht 16a, b zwischen beiden Elemente 7a, b, 11 mittels Bonden angebracht wird. Eine Kontaktierung der Unterseite des Piezoelements 7a, b und des flexiblen Substrats 11 mittels Reibschweißens eines Leiters an die Unterseite des Piezoelements 7a, b und an das flexible Biegeelement 11 ist ebenfalls möglich.
In einem weiteren Schritt werden die Öffnungen 5a, b automatisiert mit Polyurethanschaum aufgefüllt. Alternativ kann auch Silikonschaum verwendet werden. Der Schaum wird ausgehärtet, wodurch das Dämpfungselement 8a, b gebildet wird. Dies bewirkt einen Verguss des Piezoelements 7a, b und des Bonddrahts 16a, b in der Öffnung 5a, b. Im Anschluss daran werden die Kondensatoren in den Bereichen 23a, b auf dem flexiblen Substrat 11 aufgebracht und elektrisch mit den Ultraschallsensorelementen 3a, b verschaltet.
3 und 4 zeigen eine weitere Sensorvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Ultraschallsensorvorrichtung 1 ist ähnlich zu der Ultraschallsensorvorrichtung 1 von 1 und 2 ausgebildet. Allerdings sind der Grundkörper 4 und das flexible Biegeelement 6a, b einstückig aus Aluminium als Fließpressteil gefertigt. Der Grundkörper 4 weist nicht durch den Grundkörper 4 hindurch gehende Öffnungen 5a, b, also Sacklöcher, auf. Das flexible Biegeelement 6a, b ist außerhalb der Öffnung 5a, b angeordnet und verschließt einen ersten Endbereich A der Öffnung 5a, b, indem das flexible Biegeelement 6a, b die Öffnung 5a, b bedeckt. Das Biegeelement 5a, b ist als kreisförmige Membran mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa ≥ 4 bis etwa ≤ 5 mm und einer Dicke in einem Bereich von etwa ≥ 0,2 bis etwa ≤ 0,4 mm ausgebildet. Die dünne Biegemembran 5a, b ist umfänglich mit dem Grundkörper 4 verbunden und weist einen stark versteiften Außenabschnitt auf. Das Ultraschallsensorelement 3a, b weist ferner im Vergleich zu dem Ultraschallsensorelement 3a, b in 1 keine leitfähige Schicht 13a, b entlang der Oberfläche 14a, b des flexiblen Biegeelements 6a, b, entlang inneren Seitenwänden 15a, b des Grundkörpers 4 und entlang der äußeren Oberfläche 12 des Grundkörpers 4 benachbart zu dem Dämpfungselement 8a, b auf, da das Piezoelement 7a, b über den anisotropen Leitkleber 17a, b direkt die elektrisch leitende Grundplatte 4 und die flexible Leiterplatte 11 den Grundkörper 4 direkt über den isotropen Leitkleber 18a, b kontaktiert. Eine Resonanzfrequenz der Ultraschallsensorelemente 3a, b beträgt 50 kHz.
Ein Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung 1 ist ähnlich zu dem Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung 1 in den 1 und 2.
Bei einem Verfahren zum Herstellen der Sensorvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Grundkörper 4 zusammen mit den flexiblen Biegeelementen 6a, b mittels Fließpressens aus einer Aluminiumplatte gefertigt. Bei diesem Prozessschritt werden die nicht hindurch gehenden Öffnungen 5a, b in dem Grundkörper 4 eingebracht. Im Anschluss hieran werden die mit Bezug auf die Ultraschallsensorvorrichtung 1 der 1 und 2 beschriebenen Verfahrensschritte ausgeführt, die nach dem Bilden des Biegeelements aus Polymer ausgeführt werden.
Die 5 und 6 zeigen eine Ultraschallsensorvorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Ultraschallsensorelemente 3 der Ultraschallsensorvorrichtung 1 sind ähnlich zu den Ultraschallsensorelementen 3 der Ultraschallsensorvorrichtung 1 in den 1 und 2 ausgebildet, weisen allerdings anstatt der leitfähigen Schicht 13 und des einen Bonddrahts 16a, b zwei Bonddrähte zwischen dem Piezoelement und dem flexiblen Substrat auf. Ferner sind die Ultraschallsensorelemente 3 der Ultraschallsensorvorrichtung 1 in drei Reihen 20–22 angeordnet, die jeweils sechs Ultraschallsensorelemente 3 aufweisen, die entlang einer ersten Richtung x der matrixförmigen Anordnung und einer zweiten Richtung y der matrixförmigen Anordnung, die senkrecht zur ersten Richtung x verläuft, zueinander äquidistant angeordnet sind. Diese Anordnung ist beispielhaft. Die Ultraschallsensorelemente 3 können auch, in Draufsicht auf den Grundkörper 4 gesehen, kreisförmig angeordnet sein.
Ein Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung 1 ist ähnlich zu dem Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung 1 der 1 und 2.
Bei einem Verfahren zum Herstellen der Ultraschallsensorvorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Grundkörper 4 mit den Öffnungen 5 als Kaltfließpressteil bereitgestellt. Danach werden die Piezoelemente 7 mit beidseitig aufgebrachten Oberflächenmetallisierungen automatisiert in eine Spritzgussform eingesetzt und anschließend wird der Aluminiumoxidkeramikgrundkörper 4 in der Spritzgussform aufgenommen. Hierbei weisen die Piezoelemente 7 eine seitliche Umkontaktierung von der Oberflächenmetallisierung an seiner Oberseite, die in einem zusammengebauten Zustand der Ultraschallsensorvorrichtung 1 dem flexiblen Biegeelement 6 zugewandt ist, zu der Oberflächenmetallsierung an einer weiteren Oberseite auf, die im zusammengebauten Zustand der Ultraschallsensorvorrichtung 1 dem Dämpfungselement 8a zugewandt ist. Im Bereich der flexiblen Biegeelemente 5 wird der Grundkörper 4 zusammen mit den Piezoelementen 7 umspritzt. Daher sind die Piezoelemente 7 nicht mit dem flexiblen Biegeelementen 6 verklebt. Im gleichen Prozessschritt wird das den Grundkörper 4 umschließende Gehäuse gespritzt. Im Anschluss hieran erfolgt die elektrische Kontaktierung der weiteren Oberseite der Piezoelemente 7 und des flexiblen Substrats 11 mittels Bondens. Dabei werden zwei Bonddrähte 16 zwischen jeder der weiteren Oberflächen der Piezoelemente 7 und dem flexiblen Substrat 11 gebildet. Danach wird Polymer-oder Silikon basiertes Material in die Öffnungen 5 eingebracht, wodurch die Dämpfungselemente 8 nach einem Aushärten des jeweiligen Materials gebildet werden.
7 und 8 zeigen eine Ultraschallsensorvorrichtung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Ultraschallsensorelemente 3a–f der Ultraschallsensorvorrichtung 1 sind identisch zu den Ultraschallsensorelementen 3a–f der Ultraschallsensorvorrichtung 1 in 5 und 6 ausgebildet. Allerdings weisen Öffnungen der Ultraschallsensorelemente 3 anstatt eines kreisförmigen Querschnitts einen rechteckigen Querschnitt auf.
Ein Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung 1 ist ähnlich zu dem Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung 1 in 5 und 6.
Ein Verfahren zum Herstellen der Ultraschallsensorvorrichtung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ähnlich zu einem Verfahren zum Herstellen der Ultraschallsensorvorrichtung 1 in 5 und 6 ausgebildet. Hierbei ist die Querschnittsform der Ultraschallsensorelemente 3 aufgrund der verwendeten Fließpress- und Spritzgusstechnik besonders einfach herstellbar.
9 und 10 zeigen eine Ultraschallsensorvorrichtung 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Ultraschallsensorvorrichtung 1 ist ähnlich zu der Ultraschallsensorvorrichtung 1 in 1 und 2 ausgebildet, weist allerdings eine zusätzliche Abdeckschicht 25 auf, die sich entlang einer Oberfläche des Grundkörpers 4 und einer Oberfläche des polymerbasierten flexiblen Biegeelements 5 erstreckt. Eine Oberfläche 26 der Abdeckschicht 25 ist gekrümmt ausgebildet und eine Dicke der Abdeckschicht 25 verringert sich kontinuierlich zu seinem Außenbereich hin.
Ein Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung 1 ist ähnlich zu dem Betrieb der Ultraschallsensorvorrichtung 1 in 1 und 2.
Bei den Verfahren zum Herstellen der Ultraschallsensorvorrichtung 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Verfahrensschritte des Verfahrens ausgeführt, welches mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben ist. Die Abdeckschicht 25 wird gleichzeitig mit den flexiblen Biegeelementen 6 durch Umspritzen gebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0060439 A1 [0003]

Claims

Ultraschallsensorelement (3a–f) zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall (2), wobei das Ultraschallsensorelement (3a–f) aufweist: – einen Grundkörper (4), welcher eine Öffnung (5a, b) aufweist, – ein flexibles Biegeelement (6a, b), welches stirnseitig einen ersten Endbereich (A) der Öffnung (5a, b) verschließt, wobei das flexible Biegeelement (6a, b) ein Polymer, insbesondere ein Flüssigkristallpolymer, aufweist, – ein Piezoelement (7a, b), welches in der Öffnung (5a, b) angeordnet und mit dem flexiblen Biegeelement (6a, b) verbunden ist, und – ein Dämpfungselement (8a, b), welches in der Öffnung (5a, b) angeordnet ist und stirnseitig einen zweiten Endbereich (B) der Öffnung (5a, b) verschließt.
Ultraschallsensorvorrichtung (1) zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall (2), wobei die Ultraschallsensorvorrichtung (1) eine Vielzahl von Ultraschallsensorelementen (3a–f) aufweist, wobei jedes Ultraschallsensorelement (3a–f) aufweist: – einen Grundkörper (4), welcher eine Öffnung (5a, b) aufweist, – ein flexibles Biegeelement (6a, b), welches stirnseitig einen ersten Endbereich (A) der Öffnung (5a, b) verschließt, – ein Piezoelement (7a, b), welches in der Öffnung (5a, b) angeordnet und mit dem flexiblen Biegeelement (6a, b) verbunden ist, und – ein Dämpfungselement (8a, b), welches in der Öffnung (5a, b) angeordnet ist und stirnseitig einen zweiten Endbereich (B) der Öffnung (5a, b) verschließt, wobei die Grundkörper (4) der Ultraschallsensorelemente (3a–f) der Vielzahl der Ultraschallsensorelemente (3a–f) einstückig ausgebildet sind.
Ultraschallsensorvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei das flexible Biegeelement (6a, b) ein Polymer, insbesondere ein Flüssigkristallpolymer, aufweist.
Ultraschallsensorvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei das flexible Biegeelement (6a, b) und der Grundköper (4) jedes Ultraschallsensorelements (3a–f) einstückig ausgebildet sind, wobei ein Material des flexiblen Biegeelements (6a, b) und des Grundkörpers (4) insbesondere Metall, Metalloxid, und/oder Metalloxidkeramik aufweist.
Ultraschallsensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei ein Substrat (11) entlang einer äußeren Oberseite (9) des Grundkörpers (4) benachbart zu dem Dämpfungselement (8a, b) angeordnet ist.
Ultraschallsensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Ultraschallsensorelement (3a–f) ferner aufweist: – ein Abdeckelement (25), welches sich entlang einer äußeren Oberseite (9) des Grundkörpers (4) benachbart zu dem Biegeelement (6a, b) und einer äußeren Oberseite (10) des Biegeelements (6a, b), die von dem Piezoelement (7a, b) abgewandt ist, erstreckt.
Ultraschallsensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei eine äußere Oberseite (9) des Grundkörpers (4) benachbart zu dem flexiblen Biegeelement (6a, b), eine äußere Oberseite (10a, b) des flexiblen Biegeelements (6a, b), die von dem Piezoelement (7a, b) abgewandt ist, und/oder eine äußere Oberseite (26) des Abdeckelements (25) zumindest teilweise gekrümmt ausgebildet ist.
Ultraschallsensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Vielzahl von Ultraschallsensorelementen (3a–f) in einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Muster angeordnet sind.
Ultraschallsensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Vielzahl von Ultraschallsensorelementen (3a–f) zum Senden und/oder Empfangen des Ultraschalls (2) eingerichtet sind.
Ultraschallsensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Ultraschallsensorvorrichtung (1) in einer Einparkvorrichtung oder in einem Manöverassistenzsystem eines Fahrzeugs aufgenommen ist.
Verfahren zum Herstellen einer Ultraschallsensorvorrichtung (1) zum Erfassen und/oder Senden von Ultraschall (2), wobei die Ultraschallsensorvorrichtung (1) eine Vielzahl von Ultraschallsensorelementen (3a–f) aufweist, wobei ein Herstellen eines Ultraschallsensorelements (3a–f) aufweist: – Bereitstellen eines Grundkörpers (4), welcher eine Öffnung (5a, b) aufweist, – Stirnseitiges Verschließen eines ersten Endbereichs der Öffnung (5a, b) durch ein flexibles Biegeelement (6a, b), – Anordnen eines Piezoelements (7a, b) in der Öffnung (5a, b), – Miteinander-Verbinden des flexiblen Biegeelements (6a, b) und des Piezoelements (7a, b), – Anordnen eines Dämpfungselements (8a, b) in der Öffnung (5a, b), und – Stirnseitiges Verschließen eines zweiten Endbereichs der Öffnung (5a, b) durch das Dämpfungselement (8a, b), wobei die Grundkörper (4) der Ultraschallsensorelemente (3a–f) der Vielzahl der Ultraschallsensorelemente (3a–f) einstückig ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bereitstellen des Grundkörpers (4) Einbringen der Öffnung in den Grundkörper (4) aufweist, welche insbesondere mittels Bohrens, Erodierens oder Fließpressens, insbesondere Kaltfließpressens, eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Grundkörper (4) und das in der Öffnung (5a, b) angeordnete Piezoelement (7a, b) umspritzt werden.