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In vielen Anwendungsgebieten ist eine Interaktion eines Benutzers mit einem elektronischen System erforderlich. Beispielsweise werden in einem Kraftfahrzeug ein Schalter zur Betätigung der Frontscheibenbelüftung und eine entsprechende Anzeige benötigt. Häufig werden als Schalter Berührungssensoren eingesetzt. Kapazitive Berührungssensoren unterliegen Einschränkungen hinsichtlich des Materials der Oberfläche, an der sie Berührungen detektieren sollen. Beispielsweise ist eine Kombination einer metallenen Berührungsfläche mit einem kapazitiven Berührungssensor regelmäßig nicht möglich. Bei Ultraschallberührungssensoren kann die Berührungsfläche aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Allerdings ist eine gute akustische Ankopplung an die Berührungsfläche erforderlich, um sicher eine Berührung feststellen zu können.
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Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Ultraschallberührungssensor bereitzustellen, der sich auf einfache Weise fertigen lässt.
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Die Aufgabe wurde mit dem Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Beispiele des vorgeschlagenen Ultraschallberührungssensors werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1 ein Ultraschallwandlerelement;
- 2 ein Ultraschallwandlerelement;
- 3 ein Ultraschallwandlerelement in einer ersten Situation;
- 4 das in der 3 gezeigte Ultraschallwandlerelement in einer zweiten Situation;
- 5 ein Ultraschallwandlerelement in einer dritten Situation;
- 6 das in der 6 gezeigte Ultraschallwandlerelement in einer vierten Situation;
- 7 einen Schritt zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors;
- 8 einen Schritt zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors;
- 9 einen Ultraschallberührungssensor;
- 10 einen Ultraschallberührungssensor und eine Verkleidung;
- 11 der an der Verkleidung angebrachten Ultraschallberührungssensor nach 10;
- 12 einen an einer Verkleidung angebrachten Ultraschallberührungssensor; und
- 13 einen an einer Verkleidung angebrachten Ultraschallberührungssensor.
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In den 1 und 2 ist ein Ultraschallwandlerelement 100 dargestellt. Das Ultraschallwandlerelement 100 weist eine Membran 120 mit einer Elektrode 112 und ein Substrat 101 mit einer Elektrode 111 auf. Zwischen der Membran 120 und dem Substrat 101 ist eine Kavität 130 vorgesehen, welche eine Bewegung der Membran 120 ermöglicht.
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Durch Anlagen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden 111 und 112 mittels einer Spannungsquelle 151 kann die Membran 120 zu Schwingungen angeregt werden, so dass das Ultraschallwandlerelement 100 Ultraschallwellen 141 aussenden kann.
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Das in den 1 und 2 gezeigte Ultraschallwandlerelement 100 kann ebenfalls genutzt werden, um Ultraschallwellen 142 zu detektieren. Dazu kann mittels der Spannungsquelle 152 eine Gleichspannung zwischen den Elektroden 111 und 112 angelegt werden. Die Ultraschallwellen 142 können die Membran 120 zu Schwingungen anregen. Durch den sich dadurch ändernden Abstand zwischen den Elektroden 111 und 112 wird eine Wechselspannung induziert, die mit einer Messvorrichtung 153 gemessen werden kann.
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In den 3 bis 6 ist schematisch dargestellt, wie mittels des Ultraschallwandlerelements 311 bzw. 411 eine Berührung einer Verkleidung 390, 490 auf der dem Ultraschallberührungssensor gegenüberliegenden Seite der Verkleidung 390, 490 erfasst werden kann. Das Ultraschallwandlerelement 311 bzw. 411 ist jeweils in einer Kapselungsschicht 320, 420 eingebettet, wobei die Kapselungsschicht 320, 420 eine Kontaktoberfläche aufweist, mit welcher der Ultraschallberührungssensor an der Verkleidung 390, 490 angebracht ist. Das Ultraschallwanderelement 311, 411 kann jeweils auf einer Leiterplatte 370, 470 befestigt und mit dieser elektrisch verbunden sein.
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Wie in der 3 gezeigt können mittels des Ultraschallwandlerelements 311 Ultraschallwellen erzeugt werden, die im Wesentlichen vollständig durch die Grenzfläche zwischen der Kapselungsschicht 320 und der Verkleidung 390 transmittiert und anschließend an der der Kapselungsschicht 320 gegenüberliegenden, freien Oberfläche der Verkleidung 390 reflektiert werden. Nach der abermaligen Transmission durch die Grenzfläche zwischen der Verkleidung 390 und der Kapselungsschicht 320 können die Ultraschallwellen wieder vom Sensorelement 311 detektiert werden, so dass ein Echosignal, wie unterhalb der 3 gezeigt ist, erhalten wird.
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Bei einer Berührung der der Kapselungsschicht 320 gegenüberliegenden, freien Oberfläche der Verkleidung 390, beispielsweise mit einem Finger 401, wird nur ein geringerer Anteil der Ultraschallwellen an der freien Oberfläche reflektiert und das Echosignal nimmt ab, wie es unterhalb der 4 dargestellt ist.
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In der 5 ist dargestellt, dass beim Anbringen des Ultraschallberührungssensors an der Verkleidung 490 ein Hohlraum 491 verblieben ist. Dieser Hohlraum 491 hat zur Folge, dass die von dem Sensorelement 411 ausgesandten Ultraschallwellen die Grenzfläche zwischen der Kapselungsschicht 420 und der Verkleidung 490 nicht passieren, sondern an dieser Grenzfläche reflektiert werden, so dass ein Echosignal, wie es darunter dargestellt ist, erhalten wird.
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Da die Ultraschallwellen nicht (oder fast nicht) in die Verkleidung transmittiert werden, führt eine Berührung der Verkleidung 490 mit dem Finger 601 nicht zu einer Änderung des Echosignals.
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Gleichwohl voranstehend ein kapazitives Sensorelement 311, 411 beschrieben worden ist, gelten korrespondierende Überlegungen auch für ein piezoelektrisches Sensorelement, insbesondere für Ultraschalltransceiver, welche nach einem piezoelektrischen Messprinzip arbeiten.
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In der 7 ist ein Schritt zur Herstellung eines Ultraschallberührungssensors dargestellt. Zwischen einer ersten Formhälfte 701 und einer zweiten Formhälfte 702 ist ein Träger 703 angeordnet, auf dem ein erster Halbleiterchip 704, ein zweiter Halbleiterchip 705 und ein dritter Halbleiterchip 706 befestigt sind. Der erste Halbleiterchip 703 umfasst ein erstes Ultraschallwandlerelement 711 und der zweite Halbleiterchip 705 umfasst ein zweites Ultraschallwandlerelement 712. Weiter sind elektrische Anschlüsse 707, z.B. in Form eines Leiterrahmens, vorgesehen, mit welchen der Ultraschallberührungssensor später mit Auswertungsschaltkreisen elektrisch verbunden werden kann. Die elektrischen Anschlüsse 707 können über Drähte 708 mit den Halbleiterchips 704, 705, 706 verbunden sein. Der dritte Halbleiterchip 706 kann beispielweise einen integrierten Schaltkreis zur Erzeugung bzw. Auswertung der an die Ultraschallwandlerelemente 711, 712 abgegebenen oder empfangenen Signal aufweisen.
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An der Oberfläche der ersten Formhälfte 701 und/oder der zweiten Formhälfte 702 kann ein Film 709 vorgesehen sein, der zu einer verbesserten Abdichtung des zwischen der ersten Formhälfte 701 und der zweiten Formhälfte 702 gebildeten Hohlraums 710 führen kann.
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Der zwischen der ersten Formhälfte 701 und der zweiten Formhälfte 702 gebildete Hohlraum 710 kann anschließend mit einer Vergussmasse 810 gefüllt werden, um den in den 8 und 9 dargestellten Ultraschallberührungssensor 800 zu erhalten. Die Vergussmasse 810 bildet dabei das Gehäuse des Ultraschallberührungssensors 800. Das Verfahren zur Herstellung des Ultraschallberührungssensors 800 kann insbesondere auch filmunterstütztes Gießen umfassen.
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Der in den 8 und 9 dargestellte Ultraschallberührungssensor 800 weist eine Kontaktfläche 814 zum Anbringen des Ultraschallberührungssensors 800 an eine Verkleidung auf. Der Ultraschallberührungssensor 800 umfasst einen ersten Halbleiterchip 704, welcher ein erstes Ultraschallwandlerelement 711 aufweist. Der erste Halbleiterchip 704 ist so in die Vergussmasse 810 eingegossen, dass eine erste Ausnehmung 813 vom ersten Ultraschallwandlerelement 711 zur Kontaktfläche 813 des Ultraschallberührungssensors 800 gebildet ist. Die Vergussmasse 810 bildet dabei das Gehäuse des Ultraschallberührungssensors 800.
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Weiter kann der Ultraschallberührungssensor 800 ein zweites Ultraschallwandlerelement 712 aufweisen, wobei sich eine zweite Ausnehmung 815 des Gehäuses 810 vom zweiten Ultraschallwandlerelement 712 zur Kontaktfläche 814 erstreckt. Das zweite Ultraschallwandlerelement 712 kann in einem zweiten Halbleiterchip 705 angeordnet sein, wie es in den 7 bis 9 gezeigt ist. Dies kann es vereinfachen, einen größeren Abstand zwischen dem ersten Ultraschallwandlerelement 711 und dem zweiten Ultraschallwandlerelement 712 bereitzustellen. Es ist allerdings ebenso denkbar, dass das zweite Ultraschallwandlerelement im ersten Halbleiterchip angeordnet ist. Auf diese Weise kann die für einen Ultraschallberührungssensor benötigte Anzahl von Halbleiterchips reduziert und der Herstellungsaufwand verringert werden.
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Die erste Ausnehmung 813 und/oder die zweite Ausnehmung 815 können wenigstens teilweise mit einem akustischen Kopplungsmaterial 913, 915 zur akustischen Ankopplung des ersten Ultraschallwandlerelements 711 und/oder des zweiten Ultraschallwandlerelements 712 an die Verkleidung gefüllt sein.
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Die erste Ausnehmung 813 und/oder die zweite Ausnehmung 815 können einen Reservefreiraum 916, 917 aufweisen. Der Reservefreiraum ist dazu eingerichtet, beim Anbringen des Ultraschallberührungssensors an die Verkleidung überschüssiges akustisches Kopplungsmaterial 913, 915 aufzunehmen.
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Das erste Ultraschallwandlerelement 711 kann einen Ultraschallempfänger und das zweite Ultraschallwandlerelement 712 einen Ultraschallsender umfassen.
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Die erste Ausnehmung 813 und die zweite Ausnehmung 815 können durch eine Barriere 918 voneinander separiert sein. Die Barriere 918 kann die Wahrscheinlichkeit und/oder Intensität eines unmittelbaren Empfangs eines von dem ersten Ultraschallwandlerelement 711 abgegebenes akustisches Ultraschallsignal durch das zweite Ultraschallwandlerelement 712 verringern. Somit kann das Risiko einer fälschen Detektion einer Berührung der Verkleidung reduziert werden.
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In der 10 ist der Ultraschallberührungssensor 800 zusammen mit einer Verkleidung 1000 dargestellt. Die Verkleidung 1000 weist eine Klebeschicht 1019 auf, mit Hilfe derer der Ultraschallberührungssensor 800 an der Verkleidung 1000 befestigt werden kann. Zudem sind an der Verkleidung 1000 Kontaktflächen 1020 vorgesehen, die beim Anbringen des Ultraschallberührungssensors 800 mit den elektrischen Anschlüssen 707 des Ultraschallberührungssensors 800 in elektrischen Kontakt kommen. Die gleichzeitige elektrische und mechanische Kontaktierung erleichtert dabei die Herstellung des Geräts, welches mit dem Ultraschallberührungssensor 800 ausgestattet werden soll. Es ist grundsätzlich allerdings auch denkbar, die elektrische Verbindung auf anderem Wege, beispielsweise über zusätzliche Steckverbinder, zu gewährleisten.
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11 zeigt den Ultraschallberührungssensor 800 in an der Verkleidung 1000 angebrachten Zustand. Die Reservefreiräume 916, 917 haben dabei das beim Anbringen des Ultraschallberührungssensors an die Verkleidung verdrängte akustische Kopplungsmaterial 913, 915 aufgenommen.
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In der 12 ist ein weiterer Ultraschallberührungssensor 1200 dargestellt, der an einer Verkleidung 1290 angebracht ist. Im Unterschied zu dem Ultraschallberührungssensor 800 ist bei dem Ultraschallberührungssensor 1200, der dritte Halbleiterchip 1206 nicht zwischen dem ersten Halbleiterchip 1204 und dem zweiten Halbleiterchip 1205 angeordnet, sondern der erste Halbleiterchip 1204 ist zwischen dem dritten Halbleiterchip 1206 und dem zweiten Halbleiterchip 1205 angeordnet. Der erste Halbleiterchip 1204 mit dem ersten Ultraschallwandlerelement 1211 kann somit näher an dem zweiten Halbleiterchip 1205 mit dem zweiten Ultraschallwandlerelement 1212 angeordnet sein. Mit einer Barriere 1218 zwischen der ersten Ausnehmung 1213 und der zweiten Ausnehmung 1215 kann das Risiko einer gegenseitigen akustischen Beeinflussung des ersten Ultraschallwandlerelements 1211 und des zweiten Ultraschallwandlerelements 1212 reduziert werden.
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Bei dem in der 13 dargestellten Ultraschallberührungssensor 1300 sind ein erstes Ultraschallsensorelement 1311 und ein zweites Ultraschallsensorelement 1312 beide in einem ersten Halbleiterchip 1304 angeordnet. Eine Barriere 1318 zwischen der ersten Ausnehmung 1313 und der zweiten Ausnehmung 1315 kann von der Kontaktfläche der Verkleidung 1390 beabstandet sein. Dies kann die Befestigung des Ultraschallberührungssensor 1300 vereinfachen, wobei gleichwohl das Risiko einer gegenseitigen akustischen Beeinflussung des ersten Ultraschallwandlerelements 1311 und des zweiten Ultraschallwandlerelements 1312 reduziert werden kann. ES ist allerding auch denkbar, bei mehreren Ultraschallwandlerelementen pro Halbleiterchip eine bis zur Kontaktfläche reichende Barriere vorzusehen. Ebenso kann bei den in den 8 bis 12 dargestellten Ultraschallberührungssensoren die Barriere von der Kontaktfläche beabstandet sein.
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Einige Ausführungsbeispiele werden durch die nachfolgenden Beispiele definiert:
- Beispiel 1. Ultraschallberührungssensor mit einer Kontaktfläche zum Anbringen des Ultraschallberührungssensors an eine Verkleidung,
- mit einem ersten Ultraschallwandlerelement, mit einem ersten Halbleiterchip, wobei der erste Halbleiterchip das erste Ultraschallwandlerelement aufweist, wobei der erste Halbleiterchip so in eine Vergussmasse eingegossen ist, dass eine erste Ausnehmung vom ersten Ultraschallwandlerelement zur Kontaktfläche des Ultraschallberührungssensors gebildet ist, und wobei die Vergussmasse das Gehäuse des Ultraschallberührungssensors bildet.
- Beispiel 2. Ultraschallberührungssensor nach Beispiel 1, wobei der Ultraschallberührungssensor durch filmunterstütztes Gießen gebildet ist.
- Beispiel 3. Ultraschallberührungssensor nach Beispiel 1 oder 2, mit einem zweiten Ultraschallwandlerelement, wobei sich eine zweite Ausnehmung des Gehäuses vom zweiten Ultraschallwandlerelement zur Kontaktfläche erstreckt.
- Beispiel 4. Ultraschallberührungssensor nach einem der Beispiele 1 bis 3, wobei die erste Ausnehmung und die zweite Ausnehmung durch eine Barriere voneinander separiert sind.
- Beispiel 5. Ultraschallberührungssensor nach Beispiel 4, wobei sich die Barriere bis zur Kontaktfläche erstreckt.
- Beispiel 6. Ultraschallberührungssensor nach Beispiel 4, wobei die Barriere von der Kontaktfläche beabstandet ist.
- Beispiel 7. Ultraschallberührungssensor nach einem der Beispiele 3 bis 6, wobei das zweite Ultraschallwandlerelement im ersten Halbleiterchip angeordnet ist.
- Beispiel 8. Ultraschallberührungssensor nach einem der Beispiele 3 bis 6, wobei das zweite Ultraschallwandlerelement in einem zweiten Halbleiterchip angeordnet ist.
- Beispiel 9. Ultraschallberührungssensor nach einem der Beispiele 3 bis 8, wobei das erste Ultraschallwandlerelement einen Ultraschallempfänger und das zweite Ultraschallwandlerelement einen Ultraschallsender umfasst.
- Beispiel 10. Ultraschallberührungssensor nach einem der Beispiele 1 bis 9, wobei die erste Ausnehmung und/oder die zweite Ausnehmung wenigstens teilweise mit einem akustischen Kopplungsmaterial zur akustischen Ankopplung des ersten Ultraschallwandlerelements und/oder zweiten Ultraschallwandlerelements an die Verkleidung gefüllt sind.
- Beispiel 11. Ultraschallberührungssensor nach Beispiel 10, wobei die erste Ausnehmung und/oder die zweite Ausnehmung einen Reservefreiraum aufweist, wobei der Reservefreiraum dazu eingerichtet ist, beim Anbringen des Ultraschallberührungssensors an die Verkleidung überschüssiges akustisches Kopplungsmaterial aufzunehmen.
- Beispiel 12. Ultraschallberührungssensor nach einem der Beispiele 1 bis 11, wobei der Ultraschallberührungssensor an der Kontaktfläche elektrische Anschlüsse zur elektrischen Verbindung des Ultraschallsensors mit der Verkleidung aufweist.
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Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.
