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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallsensorarray insbesondere auf ein MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) und auf ein Herstellverfahren für dieses.
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DE 10 2005 040 081 A1 offenbart einen Ultraschallsensor, der eine Mehrzahl von Umwandlungsmitteln so beispielsweise Empfangs- oder Sendeelemente aufweist und eine vor den Umwandlungsmitteln angeordnete Schutzschicht umfasst. Der Empfangsabschnitt eines Sensors umfasst eine Mehrzahl von piezoelektrischen Empfangselementen, die als Feld angeordnet sind. Dabei enthalten die Empfangs-/Sendelemente ein piezoelektrisches oder ein kapazitives Element, das mit Hilfe der MEMS-Technik dargestellt ist. Diese Empfangselemente sind so angeordnet, dass eine Empfangsoberfläche zum Empfangen einer Ultraschallwelle in Richtung einer Öffnung des Gehäuses weist, wobei die Öffnung mit einer Schutzschicht verschlossen ist. Die Schutzschicht ist eine Dünnschicht aus einem Material, das von einer Ultraschallwelle in Schwingungen versetzt werden kann. Um die Übertragung von Ultraschallwellen zu verbessern, ist ein Spalt zwischen der Schutzschicht und den Empfangselementen mit einem Füllmaterial wie etwa einer Flüssigkeit, einer Sole oder einem Gel gefüllt.
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DE 10 2006 061 182 A1 offenbart einen Ultraschallsensor für Fahrzeuge, der ein Sendeelement zum Aussenden einer Ultraschallwelle, einen Empfangsabschnitt zum Empfangen einer durch ein Objekt reflektierten Ultraschallwelle und einen Schwingabschnitt, der aufgrund der hierauf übertragenen Ultraschallwelle schwingt, umfasst. Der Schwingabschnitt kann mehrere piezoelektrische Schwingungserfassungselemente enthalten. Ein Empfangselement kann in MEMS-Technologie ausgebildet werden. Zum Schutz des Schwingabschnittes ist ein Empfangsabschnitt vorgesehen, wobei der Empfangsabschnitt und der Schwingabschnitt durch einen Stützabschnitt derart miteinander verbunden sind, dass die durch den Empfangsabschnitt empfangene Ultraschallwelle durch den Stützabschnitt auf den Schwingabschnitt übertragen wird.
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DE 10 2006 004 874 A1 bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung, die insbesondere für Kraftfahrzeuge zur Unterstützung des Fahrers beim Rangieren oder Einparken des Kraftfahrzeuges geeignet ist. Diese Vorrichtung umfasst einen Ultraschallsensor und eine Sensorabdeckung in Form einer Folie, wobei der Ultraschallsensor in eine Ausnehmung oder Bohrung eines Fahrzeugaußenteils aufgenommen ist. Ein schwingfähig ausgebildetes Sensorelement des Ultraschallsensors ist innerhalb des Gehäuses des Ultraschallsensors angeordnet, wobei das Sensorelement und die Gehäuse durch die Sensorabdeckung nach außen abgedeckt sind. Die Sensorabdeckung ist unmittelbar an dem Ultraschallsensor befestigt.
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DE 10 2004 063 740 A1 beschreibt einen Ultaschalltransducer, der als mikrobearbeiteter Ultraschalltransducer in kapazitiver Bauart ausgestaltet ist (cMUT). Dabei weisen die cMUT-Zellen eine nachgiebige Stützstruktur auf, die auf einem Substrat ausgebildet ist, und eine Membran über einer Ausnehmung hält. So entkoppelt die nachgiebige Stützstruktur die Membran von dem Grundsubstrat. Der Hohlraum zwischen der Membran und dem Substrat kann luft- oder gasgefüllt oder vollständig oder teilweise evakuiert sein.
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DE 10 2009 029 201 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mikro- oder nanostrukturierten Bauelements. Es sind die einzelnen Herstellungsschritte dargestellt, wobei die mikro- oder nanostrukturierten Bauelemente in eine Umhüllungsmasse eingebettet sind. Dabei können die mikro- oder nanostrukturierten Bauelemente ein Sensorelement darstellen.
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Die MEMS-Technologie hat mittlerweile nicht nur bei Empfangs- sondern auch bei Sendeelementen Einzug gehalten.
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Ultraschallsensoren haben ein weites Anwendungsspektrum und können, so sie in MEMS-Technologie ausgebildet sind, eine hohe Sensitivität aufweisen im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren im Empfängerbetrieb. Die Anwendung in MEMS-Technologie hergestellter Ultraschallarrays wird allerdings stark durch deren Robustheit eingeschränkt. Die MEMS-Komponenten sind in der Regel nicht sehr robust gegenüber Feuchtigkeit, auftretenden Verschmutzungen und äußeren mechanischen Einwirkungen, so dass Abhilfe erforderlich ist. Der Erfindung liegt demnach das Problem zugrunde, dass bekannte in MEMS-Technik hergestellte Ultraschallsensorarrays eine geringe Robustheit gegenüber Feuchtigkeit, auftretenden Verschmutzungen und äußeren mechanischen Einwirkungen aufweisen.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen einen Ultraschallsensorarray in MEMS-Technologie auszubilden, wobei ein Feld (Array) aus einzelnen Zellen gebildet ist, die wiederum durch eine Membran oder eine Deckschicht abgedeckt, d. h. gegen Umgebungseinflüsse geschützt sind. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann die hohe Sensitivität von Ultraschallsensoren, die in MEMS-Technologie ausgebildet sind, beibehalten werden, wobei gleichzeitig eine sehr kostengünstige Herstellungsmöglichkeit gegeben ist. Je nach Konfiguration der Deckschicht, beziehungsweise der Membran kann die Robustheit, insbesondere die Robustheit gegen mechanische Einwirkungen eingestellt werden. Da ein derartiges Ultraschallsensorarray äußerst klein baut, kann ein Ultraschallsensorarray, so zum Beispiel ein Empfängerarray, mit geringen äußeren Abmaßen bereit gestellt werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich zudem dadurch aus, dass die Komponenten nicht resonant ausgelegt werden müssen, aber so ausgelegt werden können, dass sich relativ wenig, im Idealfall keine, Probleme wie die bei der Fertigung unvermeidlicherweise auftretenden Fertigungstoleranzen einstellen. Die Auslegung der Teile für den resonanten Betrieb liefert Vorteile bei der Empfangssensitivität und bietet einen mechanischen Filter der einkommenden Signale. Eine resonant ausgebildete Deckschicht hat somit die Funktion eines Bandpasses.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, kann die das Ultraschallsensorfeld beziehungsweise das Ultraschallsensorarray abdeckende Membran beziehungsweise Deckschicht durch auftreffende Schallwellen in Schwingung versetzt werden. Da unterhalb der Deckschicht beziehungsweise der das Ultraschallsensorarray abdeckenden Membran eine Vielzahl von Kammern ausgebildet ist, in den die einzelnen in MEMS-Technik hergestellten Ultraschallsensoren angeordnet sind, kann die Luft innerhalb einer jeden der Ultaschallsensorarray-Zellen in Schwingung versetzt werden. In vorteilhafter Weise beträgt die maximale Höhe einer Ultraschallsensorarray-Zelle die halbe Wellenlänge. So stellt sich beispielsweise bei einer Ultraschallfrequenz von 50 kHz eine maximale Höhe der die einzelnen Array-Zellen begrenzenden Wände von ca. 3,5 mm ein. Die minimale Höhe der die einzelnen Array-Zellen begrenzenden Wände im Ultraschallsensorarray wird durch die Auslenkung der Deckschicht bestimmt. Auftreffende Gegenstände, so zum Beispiel aufgewirbelte Partikel, Steine und dergleichen deformieren die Membran beziehungsweise Deckschicht, die Membran beziehungsweise Deckschicht wird ausgelenkt und eine durch eine derartige äußere Einwirkung ausgelenkte Membran darf die von ihr jeweils abgedeckte MEMS-Komponente gerade nicht berühren. Demzufolge dient die Membran beziehungsweise Deckschicht als Dämpfer oder als Rückhalteeinrichtung, welche durch Deformation aufgrund der ihr innewohnenden elastischen Eigenschaften abgedeckte Komponente in MEMS-Technologie schützt.
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Die Deckschicht beziehungsweise die Membran, welche die einzelnen Ultraschallsensorarray-Zellen abdeckt, kann aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Erfindungsgemäß ist die erste Eigenfrequenz der Membran beziehungsweise der Deckschicht größer oder gleich der Nutzfrequenz zu wählen, da andernfalls die Richtcharakteristik ungünstig beeinflusst würde. Ein in Frage kommendes Material ist beispielsweise ein Faser-Kunststoff-Gewebe, welches eine relativ hohe Festigkeit aufweist, wobei ein derartiges Material darüber hinaus ein besonders geringes Gewicht aufweist. Bei derartigen Faser-Kunststoff-Geweben kann in vorteilhafter Weise das mechanische Verhalten hinsichtlich der Dämpfung und der Eigenfrequenz in einem weiten Spektrum auf die unterschiedlichsten Einsatzzwecke angepasst werden, d. h. es handelt sich um ein Material, dessen Eigenschaften in einem weiten Spektrum gestaltbar sind.
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Vorteile der Erfindung
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Die mit der Erfindung einhergehenden Vorteile sind vor allem darin zu erblicken, dass aufgrund der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Deckschicht beziehungsweise Membran zur Abdeckung einzelner Ultraschallsensorarray-Zellen die hohe Sensitivität der in MEMS-Technologie ausgebildeten Komponenten weitestgehend erhalten bleibt, da ein wirksamer mechanischer Schutz gegen äußere Einwirkungen, Verschmutzungen, Feuchtigkeit und dergleichen mehr geschaffen ist. Wird ein Faser-Kunststoff-Gewebe als Deckschicht beziehungsweise Membran eingesetzt, so besteht die Möglichkeit, mechanische Eigenschaften, d. h. die Robustheit, in einem weiten Spektrum einzustellen. Aufgrund der geringen Baugröße der MEMS-Komponente und der damit einhergehenden relativ kompakten Bauweise kann beispielsweise ein Empfängerarray für Anwendungen im Sensorikbereich mit geringen äußeren Abmaßen bereitgestellt werden. Werden darüber hinaus die einzelnen Komponenten eines derartigen Ultraschallwandlersensorarrays nicht resonant ausgelegt, ergeben sich wenig Probleme aufgrund auftretender Fertigungstoleranzen, so dass die Ausschussrate positiv beeinflusst werden kann.
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Da die MEMS-Komponenten gleichzeitig auf einem Träger hergestellt werden können, müssen nur noch das Gehäuse und die Deckschicht mit dem Träger stoffschlüssig verbunden werden, so zum Beispiel mit diesem verklebt oder verlötet werden. Somit gestaltet sich die Fertigung äußerst einfach und schnell. Durch Einsatz der MEMS-Technologie können insbesondere eine Verstärkerschaltung sowie die Auswerteelektronik schon integriert werden, so dass weitere separate Komponenten entfallen können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 den Aufbau eines Ultraschallsensors insbesondere eines Ultraschallsensorfeldes im Querschnitt,
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2 eine perspektive Draufsicht auf eine im quadratischen Feldmuster angeordnete Anzahl von Sensorfeldzellen mit gemeinsamer Deckschicht,
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3 ein erstes rundes Anordnungsmuster von Sensorfeldzellen,
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4 ein zweites längliches Anordnungsmuster von Sensorfeldzellen und
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5 ein beliebiges, drittes Anordnungsmuster von Sensorfeldzellen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der Darstellung gemäß 1 ist der Aufbau des Ultraschallsensorfeldes im Querschnitt in schematischer Wiedergabe zu entnehmen.
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1 zeigt, dass ein Ultraschallsensorfeld 10, welches im allgemeinen Sprachgebrauch auch als Ultraschallsensorarray bezeichnet wird, eine Vielzahl nebeneinander liegender Sensorfeldzellen 12 umfasst. In einer jeden der Sensorfeldzellen 12 befindet sich eine in MEMS-Technik hergestellte Komponente, in diesem Fall ein Ultraschallempfänger. Die einzelnen Sensorfeldzellen 12 sind voneinander durch Stege 18 getrennt. Die einzelnen, die Sensorfeldzellen 12 voneinander trennenden Stege 18 erstrecken sich ausgehend von einer den Boden einer jeweiligen Sensorfeldzelle 12 bildenden Platine 16 bis zu einer Deckschicht 20, mit welcher die einzelnen Sensorfeldzellen 12 des Ultraschallsensorfeldes 10 nach außen abgedeckt sind. Die Stege 18 können in einem regelmäßigen Abstand oder auch in unregelmäßigen Abständen voneinander zwischen der Deckschicht 20 und der Platine 16 angeordnet sein.
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Die auf der Platine 16 in einer jeden der Sensorfeldzellen 12 aufgenommene MEMS-Komponente kann beispielsweise – wie in der Querschnittsdarstellung gemäß 1 dargestellt – in einem identischen Seitenabstand 22 zwischen zwei die Sensorfeldzelle 12 jeweils begrenzenden Stege 18 angeordnet sein. In der Sensorfeldzelle 12, in der jeweils eine MEMS-Komponente 14 angeordnet ist, ist ein Luftvolumen 24 eingeschlossen. Das Luftvolumen 24 wird von einem freien Flächenabschnitt 26 zwischen zwei die Sensorfeldzelle 12 jeweils begrenzenden Stegen 18 überdeckt. Die in der Darstellung gemäß 1 gemeinsam alle Sensorfeldzellen 12 überdeckende Deckschicht 20 ist an einzelnen Abschnittsstellen 30 durch die Stege 18 abgestützt. Die Stege 18 definieren einen Abstand 28 zwischen der Unterseite der Deckschicht 20 und der Oberseite der Platine 16, die den Boden einer jeden Sensorfeldzelle 12 bildet.
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Auf die Außenseite der Deckschicht 20, die als Membran bezeichnet werden kann, auftreffender Schall versetzt die Deckschicht 20 in Schwingung. Diese Schwingung wird aufgrund der Auslenkung der Deckschicht 20 in Richtung auf die abgeschlossene Sensorfeldzelle 12 an das in dieser eingeschlossene Luftvolumen 24 übertragen. In vorteilhafter Weise entspricht der Abstand 28, der die Höhe einer jeden Sensorfeldzelle 12 zwischen der Deckschicht 20 und der Platin 16 definiert, einer halben Wellenlänge der Ultraschallwellen. Hier ergibt sich beispielsweise bei einer Nutzfrequenz von 50 kHz eine maximale der Höhe der Stege 18 von etwa 3,5 mm. Eine minimale Höhe, d. h. eine minimaler Abstand 18 zwischen der Deckschicht 20 und der Platine 16 ist dadurch definiert, dass bei einer Deformation des freien Flächenabschnittes 26 aufgrund auf dieser auftreffender Partikel beispielsweise eine hohe kinetische Energie aufweisende Steine oder dergleichen, der freie Flächenabschnitt 26 der Deckschicht 20 nur soweit ausgelenkt werden kann, dass ein derart deformierter freier Flächenabschnitt 26 die in der Sensorfeldzelle 12 jeweils aufgenommene MEMS-Komponente 14 gerade nicht kontaktiert.
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Somit ergibt sich die Steghöhe 28, d. h. die Höhe der Sensorfeldzelle 12 einerseits aus der eingesetzten Ultraschallfrequenz im Hinblick auf deren halbe Wellenlänge und andererseits durch die Materialeigenschaften der Deckschicht 20 beziehungsweise die Länge des freien Flächenabschnitts 26, der sich zwischen zwei Abstützstellen 30 zweier benachbarter Stege 18 zwischen der Deckschicht 20 und der Platine 16 ergibt. Wird die Steghöhe derart gewählt, dass diese ein Viertel der Wellenlänge der Ultraschallwellen beträgt, kann der Luftraum innerhalb einer jeden Sensorfeldzelle 12 in Resonanz versetzt werden, wodurch die Sensitivität der Sensorfeldzelle 12 erheblich gesteigert werden kann.
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In vorteilhafter Weise kommen als Materialien, aus denen die Deckschicht 20 beziehungsweise die Membran gefertigt wird, Faser-Kunststoff-Gewebe in Betracht. Diese zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass diese eine hohe Festigkeit, bei einem ausreichend hohen Deformationsvermögen zum Abbau kinetischer Energie und ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweisen. Faser-Kunststoff-Gewebe, die als Material für die Deckschicht 20 beziehungsweise die Membran bevorzugt in Frage kommen, können mit unterschiedlichen Materialeigenschaften gestaltet werden. Dies ist insbesondere hinsichtlich des Dämpfungsvermögens und der Eigenfrequenz insbesondere dem Wert für die erste Eigenfrequenz von Bedeutung. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Eigenfrequenz der Deckschicht 20 größer oder gleich der Nutzfrequenz ist, mit der der erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschallsensor, insbesondere ausgestattet als Ultraschallsensorfeld 10 betrieben wird. Die erste Eigenfrequenz des Materials sollte größer oder nahe der Nutzfrequenz sein, da andernfalls die Richtcharakteristik des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschallsensors beeinträchtigt werden könnte.
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Durch die Ausgestaltung des Faser-Kunststoff-Gewebes lässt sich unter Beibehaltung eines geringen Gewichtes unter Berücksichtigung der ersten Eigenfrequenz durch Materialwahl das Dämpfungsvermögen und die Deformationscharakteristik einstellen. Diese ist, wie obenstehend bereits erwähnt, hinsichtlich der maximalen Auslenkbarkeit des freien Flächenabschnittes 26 der Deckschicht 20 in das Innere der Sensorfeldzelle 12 von Bedeutung. Je nachdem, welches Deformationsvermögen die Deckschicht 20 aufweist, kann unter Berücksichtigung der Nutzfrequenz des Ultraschallfeldsensors die Steghöhe 28, d. h. der Abstand zwischen der Deckschicht 20 und der Platine 16 so gewählt werden, dass unter Beachtung der maximal möglichen Deformation des freien Flächenabschnittes 26, die MEMS-Komponente 14 gerade nicht berührt wird.
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Der Darstellung gemäß 2 ist ein Systemaufbau des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschallsensorfeldes zu entnehmen.
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Wie der Darstellung gemäß 2 zu entnehmen ist, sind in dieser Ausführungsvariante die einzelnen Sensorfeldzellen 12 quadratisch beschaffen. Andere geometrischen Formen sind selbstverständlich auch möglich. Die einzelnen Sensorfeldzellen 12 sind durch die Stege 18, die in dieser Ausführungsvariante rechtwinklig zueinander verlaufen, voneinander getrennt. Es ergibt sich gemäß der Darstellung in 2 ein Ultraschallsensorfeld 10, welches 12 einzelne Sensorfeldzellen 12 umfasst. Wie aus der Darstellung gemäß 2 hervorgeht, werden alle hier im quadratischen Feldmuster 38 angeordneten Sensorfeldzellen 12 durch eine gemeinsame Deckschicht 20, deren Fläche mit Bezugszeichen 32 bezeichnet ist, überdeckt. Der perspektivischen Darstellung gemäß 2 ist entnehmen, dass das hier gezeigte Ultraschallsensorfeld 10 eine erste Außenwand 42 und eine zweite Außenwand 44 aufweist, wobei eine Länge des Ultraschallsensorfeldes 10 mit Bezugszeichen 34 und dessen Breite durch Bezugszeichen 36 identifiziert ist. Aufgrund der quadratischen Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels gemäß 2 ist die Ultraschallfeldlänge 34 identisch mit der Ultraschallsensorfeldbreite 36. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass Sensorfeldzellen 12 im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ein Quadrat 40 beschreiben, welches entweder von aneinandergrenzenden Stegen 18 begrenzt wird, oder von Stegen 18 und entsprechenden Abschnitten der ersten und zweiten Außenwände 42 beziehungsweise 44.
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In den Darstellungen gemäß der 3, 4 und 5 sind verschiedene Anordnungsmuster, in denen die Sensorfeldzellen innerhalb eines Ultraschallsensorfeldes angeordnet werden können, zu entnehmen.
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Aus der Darstellung gemäß 3 ergibt sich beispielsweise, dass innerhalb eines ersten Anordnungsmusters 46 die einzelnen Sensorfeldzellen 12 als runde oder auch als ovale Anordnung angeordnet werden können.
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4 zeigt dem gegenüber, dass innerhalb eines zweiten, ein längliches Aussehen aufweisenden Anordnungsmuster 48, einzelne Sensorfeldzellen 12 eines Ultraschallsensorfeldes 10 nebeneinander liegend in Reihenform, sei es in vertikaler Richtung orientiert, sei es wie in 4 dargestellt in horizontaler Richtung orientiert, angeordnet werden können.
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5 schließlich ist zu entnehmen, dass die einzelnen Sensorfeldzellen 12 auch in einem beliebigen dritten Anordnungsmuster 50 verteilt angeordnet werden können. Hinsichtlich des Designs und der Anordnungsmöglichkeit bietet die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung die Möglichkeit, neben geometrischen Mustern, wie in den 3 und 4, bei dem beliebigen dritten Anordnungsmuster gemäß 5 auch Designelemente ausbilden, beispielsweise Buchstaben oder auch Zahlen zu formen, die wiederum durch einzelne Sensorfeldzellen 12 in ihrer jeweiligen geometrischen Ausprägung gebildet werden können.
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Die einzelnen Sensorfeldzellen 12, gemäß 2 als Quadrate beschaffen, können auch quadratisch, rechteckig und rautenförmig oder oval ausgebildet sein, was eine große gestalterische Freiheit mit sich bringt.
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In einer zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsvariante besteht die Möglichkeit, die einzelnen Sensorfeldzellen 12 des Ultraschallsensorfeldes 10 so anzuordnen, dass diese lediglich aneinander angesetzt werden, ohne dass die einzelnen Sensorfeldzellen 12 durch eine gemeinsame Deckschicht 20 beziehungsweise deren Fläche 32 miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsvariante ist von Vorteil, dass das Übersprechen stark verringert werden kann. So verringert oder verschwindet der Anteil des Körperschalls, der sich durch die Deckschicht 20 ausbreitet. Dadurch lassen sich in erheblichem Maße Interferenzen reduzieren; ferner wird die Signalauswertung erleichtert und sicherer.
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Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschallsensorfeld 10 lässt sich ein Empfänger mit geringen äußeren Ausmaßen gestalten, der hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen und seiner geometrischen Gestaltungsfreiheit äußerst vielseitig eingesetzt werden kann. Die Robustheit kann durch entsprechende Auswahl der die einzelnen Sensorfeldzellen 12 abdeckenden Deckschicht 20 je nach Anwendungsfall eingestellt werden, wobei die hohe Sensitivität der MEMS-Komponente 14, die in den jeweiligen Sensorfeldzellen 12 aufgenommen sind, unverändert genutzt werden kann. Idealerweise erfolgt eine nicht resonante Auslegung der Komponenten, so dass sich geringfügige, im Idealfall keine, Probleme hinsichtlich der Fertigungstoleranzen ergeben.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereiches eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
