超声传感器的制作方法

本发明从一种根据独立权利要求的类别的超声传感器出发。

背景技术：

文献de102012209238a1描述一种超声传感器，至少一个质量元件如此布置在该超声传感器的膜片上，使得随着振动频率的增加，质量元件抵抗膜片振动的阻力增加。因此，由至少一个质量元件施加到膜片上的力随着频率增加而增加。同样地，由所述至少一个质量元件施加到膜片上的扭矩会随着频率增加而增加。通过布置一个或多个质量元件实现如下效果：在较低振动频率的情况下，所述一个或多个质量元件抵抗膜片振动的阻力较低，然而在较高频率的情况下，该阻力增加。

本发明的任务是研发出一种超声传感器，该超声传感器在不同工作频率情况下具有改善的声辐射特性。

技术实现要素：

为了解决该任务，根据本发明提出一种根据权利要求1的特征的超声传感器。

根据本发明，该超声传感器包括具有环绕的侧壁的壳体。此外，超声传感器的电子构件以已知的方式布置在壳体中。附加地，超声传感器包括换能器元件，该换能器元件构造用于将到达的超声信号转换为能够检测的电信号，或者相反地，将电信号转换为待发射的超声信号。为了获得大的机电转换效果，共振地运行已知的超声传感器。除了压电换能器原理之外，在此例如已知静电换能器、驻极体换能器或压电换能器。附加地，超声传感器包括与壳体连接的能够振动的膜片，该膜片例如可以作为单独的部分夹紧在壳体中，但是该膜片也可以是膜片罐形件的组成部分。根据本发明，在膜片的表面上布置有多个质量元件。替代地或附加地，在膜片内部布置有多个质量元件。

这些质量元件形成声学超材料——也称为阻带材料、带隙材料或声子晶体。现在，如果多个具有相同或非常相似的振动机械特性的质量元件布置在膜片的表面上和/或内部，则可以在确定的频带中减弱自由波传播。于是，质量元件充当减振器，因为质量元件在该频带内从膜片中吸收振动能量用于自身的振动运动并表现为共振。可以将这种特性用于影响膜片的振型(schwingungsform)，其方式是：将质量元件的所述具有共振特性的频带如此调谐到整个系统(该整个系统由膜片以及布置在膜片上和/或内部的多个质量元件构成)的弯曲振动的共振频率上，使得整个系统的共振频率处于质量元件的具有共振特性的频带内。

原则上，可以在如下不同频率情况下运行超声传感器：所述不同频率相应于该超声传感器的膜片弯曲振动的共振频率。膜片在不同频率情况下以不同几何特性振动。因此产生不同的振型，然而并非所有振型都以相同的方式适用于车辆中超声传感器的运行、尤其用于距离测量，因为通过不同振型产生不同的方向特性(辐射特性)，并且因此产生所辐射的声波的不同声压。例如超过100khz的过高频率不太适合于车辆中的距离测量，因为所述频率范围内的声波通过空气极大地衰减。通过根据本发明的装置可以有利地如此改变膜片的具有节圆或节椭圆的振型，使得得到声辐射方面的改善的特性。另一优点是，由于声学超材料仅在确定的频带中减弱或防止自由波传播，因此可以彼此独立地影响不同共振频率的振型。

优选地，质量元件被嵌入到膜片中。这具有如下优点：在膜片的表面上不需要用于质量元件的附加空间。也不需要将质量元件附加地固定在膜片上。优选地，质量元件代表球形共振器。所述球形共振器例如可以实施为环氧树脂基体中的涂覆硅树脂的钢球。在此，可以通过球形共振器的质量-刚度比相对简单地调整质量元件的频带。由于球形共振器在壳体内部不需要空间，因此优选设置，换能器元件实施为静电换能器元件。为此，静电换能器元件的第一电极布置在膜片的内侧上，并且第二电极布置在承载元件上。在此，承载元件布置在壳体的内部。

在一种替代实施方案中，质量元件与膜片的外表面连接。在此尤其涉及膜片的指向壳体内腔的内侧。在此优点是：可以相对容易地将质量元件实施为弯曲梁或纵向振荡器。杆形共振器在其制造方面相对简单，并且杆形共振器的特性能够通过长度和直径良好地调整。弯曲梁是杆形共振器。

优选地，换能器元件代表与膜片内侧连接的压电元件。该压电元件用于机电转换。在发射运行中，在施加电压之后，压电元件将膜片置于振动中，在接收模式中，压电元件将膜片的变形转换为电信号。

优选地，处于质量元件的频带内的共振频率涉及具有多个质量元件的膜片(所述多个质量元件布置在膜片上和/或内部)的如下频率：在该频率情况下，形成具有多个质量元件的膜片(所述多个质量元件布置在膜片上和/或内部)的具有节圆或节椭圆的振型。这种振型例如相对于第二振型是有利的，因为这种振型在中心没有节线。节线是不利的，因为膜片的不同区域在不同方向上衰减(ausschwingen)并且因此形成不同的声压，由此，无法定向地发射或接收超声信号。在膜片的一半沿正方向衰减时，而另一半在负方向上衰减。如果现在将质量元件布置在膜片的外部区域中，则在所述(具有带有节圆的振型的)共振频率情况下，偏移(auslenkung)在外部区域中减弱或者甚至完全被阻止。由此，振型受到如下方面的影响：膜片的中心强烈地偏移，然而在节圆所包围的区域之外的边缘区域较少地或没有偏移。因此可以定向地接收以及定向地发射超声信号。可以将具有多个质量元件的膜片(所述多个质量元件布置在膜片上和/或内部)的如下共振频率用作超声传感器的另外的第一工作频率：在该共振频率情况下，形成具有多个质量元件的膜片(所述多个质量元件布置在膜片上和/或内部)的没有节圆且没有节椭圆的振型。因此得出如下优点：超声传感器可以在两种不同的工作频率情况下运行。

优选地，超声传感器构造为距离传感器。在此，所述距离传感器优选用于机动车的驾驶员辅助系统。例如将这种距离传感器用于车辆与障碍物之间的距离测量——例如用于支持泊车过程。

附图说明

图1a示出在借助如下共振频率激励膜片期间的超声传感器的第一实施方式：该共振频率具有没有节圆且没有节线的振型；

图1b示出在借助如下共振频率激励膜片期间的超声传感器的第一实施方式：该共振频率具有带有节圆/节椭圆的振型；

图2a示出超声换能器的第二实施方式；

图2b示出超声换能器的第三实施方式；

图3a示出杆形共振器在膜片上的第一可能布置；

图3b示出杆形共振器在膜片上的第二可能布置；

图3c示出球形共振器在膜片上的第一可能布置；

图3d示出球形共振器在膜片上的第二可能布置。

具体实施方式

图1a中的超声传感器的第一实施方式示出超声传感器的壳体5，该壳体包括环绕的侧壁10。在此，壳体5的底部通过膜片20构造，该膜片实施成能够被激励进行振动。在膜片20的内侧20a上，一方面在其中心36布置有压电元件30，并且在外部膜片区域35上布置有多个杆形共振器作为质量元件40。在图1a所示的情况中，借助第一共振频率激励整个系统(由具有膜片20的壳体5以及布置在膜片20内侧上的多个质量元件40构成)进行具有如下振型的振动：该振型没有节圆且没有节线。在该运行点中，布置在外部膜片区域35上的作为质量元件40的杆形共振器没有表现出共振特性。

图1b示出与图1a不同的情况，在该情况中，借助共振频率在膜片上激励整个系统(该整个系统由膜片20以及布置在内侧20a上的作为质量元件40的杆形共振器构成)进行具有如下振型的振动：该振型具有节圆/节椭圆。质量元件40在此如此构造，使得在这种情况下，膜片20的共振频率与如下频带重合：在该频带中，布置在膜片20上的质量元件4表现出共振特性。因此，在这种情况下，质量元件40在膜片20的振动期间也共振地一起振动，并且该质量元件从膜片20中吸收振动能量用于其自身的振动运动。因此，在外部膜片区域35上阻止自由波传播和膜片20的偏移。因此实现一种不具有节线并且具有节圆的振型。产生如下振型：该振型在膜片中心具有偏移，然而在节圆所包围的区域之外的边缘区域中较少地或没有偏移。因此，在膜片偏移的区域中，为了考虑到与图1a不同的振型的振动幅度，如此调整振型，使得仅产生一个波腹，或者产生三个波腹，所述三个波腹中靠外的两个仅具有非常小的偏移。

图1a和图1b都没有示出按比例示出，而是膜片20的偏移在此均被大幅放大地示出。

图2a示出超声传感器的第二实施方式，该超声传感器具有壳体的环绕的侧壁10的一部分。在此，作为质量元件50的球形共振器嵌入到膜片20中。球形共振器例如可以包括环氧树脂基体中的涂覆硅树脂的钢球。随着借助(处于球形共振器的共振特性的频带内的)共振频率激励整个系统(由膜片20以及球形共振器构成)，铅球也在基体内一起振动。由此，铅球从膜片20中吸收振动能量用于自身的振动运动，并且至少减弱或者甚至完全阻止膜片20在嵌入有球形共振器的外部膜片区域37中的偏移。

在该第二实施例中，换能器元件30构造成压电元件，该压电元件在膜片的中心38中与膜片20的内侧20a连接。

与图2a不同，在图2b中的超声传感器的第三实施方式中，超声传感器包括实施为静电换能器的换能器元件60a和60b。在此，第一电极20a布置在膜片20的内侧20a上，第二电极60b布置在承载元件70的与膜片20的内测20a相对置的侧80上。

图3a以俯视图示出(作为质量元件40的)杆形共振器在膜片的内侧20a上的第一可能布置。在此，杆形共振器在膜片的外部区域中如此布置，使得波传播不仅垂直于而且平行于膜片主轴线衰减。

压电元件30中心地布置在膜片的内侧20a上。

图3b以俯视图示出作为质量元件40的杆形共振器在膜片的内侧20a上的第二可能布置。在此，杆形共振器在膜片的外部区域中如此布置，使得波传播垂直于膜片主轴线强烈地衰减，从而支持形成具有节椭圆的振型。压电元件30也中心地布置在膜片的内侧20a上。

图3c以俯视图示出作为质量元件50的球形共振器在膜片20内的第一可能布置。在此，球形共振器在膜片的外部区域中如此布置，使得在膜片的中心产生椭圆形的不存在质量元件的区域。由此，波传播垂直于膜片主轴线强烈地衰减，从而支持形成具有节椭圆的振型。

图3d以俯视图示出作为质量元件50的球形共振器在膜片20内的第二可能布置。在此，球形共振器在膜片的外部区域中如此布置，使得在膜片的中心产生圆形的不存在质量元件的区域。由此，波传播不仅垂直于而且平行于膜片主轴线衰减。