声变换器装置制造方法
【专利摘要】按照本发明提出一种声变换器装置，其包括在第一电极结构和第二电极结构之间的压电式活性的驻极体材料。在第一电极结构上施加驻极体材料，尤其是如此施加，使得所述第一电极结构完全由驻极体材料覆盖。在驻极体材料的上面或之上设置第二电极结构，从而所述驻极体材料位于所述第一电极结构与所述第二电极结构之间。所述第一电极结构由多个可相互独立寻址的电极元件构造。所述电极元件因此限定各个声变换器元件，所述各个声变换器元件共同地形成声变换器装置，也称为阵列。在此按照本发明，所述第一电极结构(30、130)构造在多层电路载体的表面上。
【专利说明】声变换器装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种声变换器装置，其尤其可以用于基于声的周围环境检测，以及涉 及一种包含该声变换器装置的基于声波的传感器。在此考虑由至少两个声变换器组成的阵 列装置。在此，两个或更多个单个变换器相互间的间距典型地分别小于半个空气声波长。 阵列装置相比于单元件变换器提供信号处理的扩展可能性并且因此特别有利地可应用在 具有由此造成的复杂声场的复杂的周围环境中。各个变换器元件可以分开地作为声发送器 和作为声接收器或者不仅作为发送器而且作为接收器运行。本发明还涉及一种基于声波的 用于周围探测的传感器、尤其是用于机动车或机器人应用或移动的作功机械的超声波传感 器，其包括按照本发明构造的声变换器装置。
【背景技术】
[0002] 由文献已知基于驻极体（Elektret)原理的声变换器。例如在文献W01008/135004 A1中描述了一种用于在气态介质中的应用的超声波变换器阵列，该超声波变换器阵列包括 两个电极结构之间的由压电式活性的蜂窝式的驻极体材料组成的层。在此首先通过电极结 构的尺寸在大小方面确定变换器元件。对于阵列的设计需要构造具有各两个电极的多个声 变换器元件，所述各两个电极分别限制一个元件的有效区域。电极必须连接到后置的电子 组件上（例如放大器或滤波器）。需要的元件的数量越大，那么与后置的电子组件的连接越 困难。例如主要是当电极元件不仅设置在一条线上（线阵列）而且二维分布地设置（2D阵 列）时，出现问题。在该情况下在常规装置中必须在各个电极元件之间引导印制导线。这 些印制导线减小了用于作为电极元件的使用的可用的面。此外，这些印制导线表示附加的 电容，这些附加的电容必须由声变换器元件与后置的电子组件并行地再充电。如果驻极体 材料的表面完全被金属化并且用作接地电极，那么印制导线还形成寄生声变换器元件，其 在这些地方并不是所期望的并且干扰阵列信号处理。
【发明内容】
[0003] 在本发明中描述的声变换器技术基于压电驻极体材料，该压电驻极体材料进行在 通过声压引起的机械应力与电场之间的变换。将驻极体材料理解为一种电绝缘材料，该电 绝缘材料包含准永久存储的电荷或准永久定向的电双极子并且由此在其周围环境中或在 其内部产生准永久电场。压电式活性的驻极体材料经常构造为所谓的铁驻极体并且具有蜂 窝式的或泡沫状的结构。与其他变换器技术--例如机械共振变换器、压电复合变换器、静 电变换器或MEMS变换器相比，基于驻极体的声变换器对于在流体（气体、液体）中的声产 生和声接收具有特别有利的特征，特别是关于电声学接收敏感性。
[0004] 按照本发明提出一种声变换器装置，其包括在第一电极结构和第二电极结构之间 的压电式活性的驻极体材料。在第一电极结构上施加驻极体材料，尤其是如此施加，使得第 一电极结构完全由驻极体材料覆盖。驻极体材料构成压电层。在驻极体材料的上面或之上 设置第二电极结构，从而驻极体材料位于第一电极结构与第二电极结构之间。第一电极结 构由多个可相互独立寻址的电极元件构成。电极元件因此限定各个声变换器元件，所述各 个声变换器元件共同地形成声变换器装置，也称为阵列。在此，按照本发明，第一电极结构 构造在多层电路载体的表面上。
[0005] 通过第一电极结构的电极元件结合在由压电式活性的驻极体材料制成的层的对 置的侧上设置的第二电极结构，可以以已知的方式产生或探测层或层的孔的局部厚度振动 (Dickenschwingung)。特别是该振动的频率可以位于超声波范围中。厚度振动的激励以有 利的方式通过适合的电压信号实现，该电压信号施加在相应的电极元件与第二电极结构的 对应电极之间。这些电压信号产生压电式活性的驻极体材料的局部厚度振动，所述局部厚 度振动又引起声波的辐射。在到达的声波的情况下通过声波激励压电式活性的驻极体材料 进行厚度振动，所述厚度振动又产生相应电极元件上的相应的电压信号。
[0006] 第一电极结构优选由多层电路载体的最上层形成或者施加在多层电路载体的表 面上。紧接着，驻极体材料施加例如粘接在第一电极结构上。替代地，也可能的是，通过印 刷方法--例如丝网印刷施加驻极体材料。也可能的是，首先将第一电极结构施加到驻极 体材料的表面上并且随后例如通过粘接来连接驻极体材料与多层电路载体。
[0007] 通过声变换器装置的按照本发明的构造产生以下优点：多层电路载体的不同层可 以用于各个电极元件的布线。多层电路载体可以例如以常规方式构造为具有多个线路层面 的多层印刷电路板。最上层可以有利地用于构造第一电极结构。电极元件可以通过不同的 布线层面连接到后置的电子组件上。为此，优选可以应用所谓的覆镀通孔。可用于电极元 件的构造的面由此增大，因为在电路载体的或第一电极结构的表面上不必提供用于印制导 线的附加的面。此外，电极元件的相应的大小和形状以及印制导线的引导相互独立地确定。
[0008] 多层电路载体的另一有利的功能是实现用于声变换器装置的机械稳定化的载体 层。优选地，使用印刷电路板、尤其是例如具有纤维作为填料的复合系统作为电路载体。尤 其如此选择复合系统的填料，使得印刷电路板在从外部对在其上构造有声变换器装置的表 面的机械作用下是柔性的（nachgiebig)。因此，机械应力的一部分不是在驻极体材料中而 是由印刷电路板承受，并且避免了敏感的驻极体材料的损坏。
[0009] 驻极体材料优选构造为薄膜、尤其构造为铁驻极体薄膜。这样的薄膜通常具有 50 μ m至500 μ m的厚度并且具有蜂窝式结构。优选地也可以叠加地施加两层或更多层这样 的薄膜（堆叠结构）。通过压电式活性的驻极体材料的如此增大的层厚实现了声变换器装 置在接收运行中更高的灵敏度和在发送运行中更高的发送强度。此外也可能的是，通过层 厚有针对性地调节用于声变换器装置的共振性能的预给定频率。
[0010] 本发明的有利的实施方式是从属权利要求的主题。第二电极结构构造为在压电式 活性的驻极体材料上的连续的金属化层并且用作用于整个声变换器装置的接地电极。通过 印制导线和电极元件构造在不同的层上或层面上的方式，提高了印制导线与第二电极结构 的间距。通过提高的间距减小干扰性的电容。
[0011] 优选地，第二电极结构由尤其是多层构造的保护层覆盖，该保护层保护声变换器 装置免受外部影响，例如湿气、污物、紫外线、热作用或机械作用。此外，该保护层可以通过 促成可涂漆性而对于视觉外观是重要的。
[0012] 在一个优选的实施中，多层电路载体具有至少一个覆镀通孔。在此优选一个覆镀 通孔分配给一个电极元件，该覆镀通孔将电极元件与在多层电路载体的确定的内层上构造 的印制导线电连接。通过印制导线可以将电极元件与后置的电子组件连接，所述电子组件 例如激励相应的变换器元件或者进一步处理由相应的变换器元件提供的信号。
[0013] 优选地，多个尤其是相邻的电极元件如此与印制导线连接，使得相应的印制导线 构造在多层电路载体的不同的线路层面上。
[0014] 在本发明一个优选的构型中，可以在多层电路载体的与第一电极结构对置的表面 上设置电子构件。这些构件可以用作例如用于声变换器装置的滤波器或放大器。通过该实 施实现了特别紧凑和节省空间的构造，因为电路载体不仅可以用作用于第一电极结构的载 体结构而且用作用于声变换器装置的后置的电子器件的载体。在此，特别有利的是具有与 之连接的小的寄生的电容、电阻和电感的短的线路引导。电路载体的不同布线层面可以不 仅用于各个变换器元件的访问，而且用于电子构件的印制导线的构造。
[0015] 按照本发明的声变换器装置可以例如如此实施，使得第一电极结构的电极元件设 置在一条线上并且变换器元件因此形成所谓的线阵列。
[0016] 一种实施是特别优选的，其中，第一电极结构的电极元件二维分布地设置并且变 换器元件因此形成所谓的2D阵列。在这样的装置中通过具有多层电路载体的声变换器装 置的按照本发明的实施特别显著地起作用，因为可以省去在第一电极结构的各个电极元件 之间的复杂的和耗费空间的印制导线并且取而代之地可以使用多层电路载体的不同布线 层面。
[0017] 多层电路载体可以构造为弯曲的印刷电路板。由此，声变换器装置也可以弯曲地 实施并且由此能够实现三维实施。因此可以实现一种在形状方面匹配于相应的应用的实 施。例如声变换器装置的弯曲的形状可以不显眼地匹配于车辆的或机器的外部轮廓。因此 产生了用于安装地点选择和用于设计的扩展可能性。通过信号处理的匹配也可以通过各个 转换器元件的三维分布实现信号分析处理与相应的应用的改善的匹配。通过电子构件的适 合的选择和放置，弯曲的印刷电路板也可以承载电子电路。
[0018] 本发明的其他的优点和构型由说明书和附图得出。
[0019] 当然，先前提到的和后面还要阐述的特征不仅可以以分别说明的组合而且还可以 以其他组合和/或单独地应用，而不脱离本发明的范畴。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1示意性地示出了按照本发明构造的声变换器装置的一个实施例的剖面图；
[0021] 图2示意性地示出了在多层电路载体的表面上的电极结构的一个实施例的俯视 图。
【具体实施方式】
[0022] 在图1中示出了按照本发明的声变换器装置的一个示例性的实施的剖面图。声变 换器装置具有多层电路载体50,其构造为多层印刷电路板。多层电路载体在内部具有印制 导线55、57的多个层面，它们分别通过由复合材料例如纤维强化的塑料制成的绝缘层51相 互分离。
[0023] 在多层电路载体50的表面52上构造第一电极结构30。在该实施例中第一电极结 构30通过多层电路载体50的最上层的相应结构化形成。构造两个可相互独立寻址的电极 元件32和34,它们形成第一电极结构30的至少一部分。
[0024] 在第一电极结构30上设置压电式活性的驻极体材料20,该压电式活性的驻极体 材料在该实施例中构造为铁驻极体薄膜22。铁驻极体薄膜22借助于绝缘粘胶剂层24固定 在第一电极结构30上并且优选完全覆盖第一电极结构30。替代地，也可以使用可导电的粘 胶剂，其中，在使用可导电的粘胶剂的情况下仅仅以胶粘剂覆盖电极元件32和34。
[0025] 在铁驻极体薄膜22上设置第二电极结构40,其在该实施例中构造为连续的金属 化层42,所述金属化层连接到接地电位。金属化层可以例如通过气相沉积（Aufdampfen)或 通过溉射沉积（Aufspattern)或通过印刷方法例如丝网印刷产生。施加在电极元件32或 34与金属化层42之间的电压信号通过压电效应引起压电式活性的驻极体材料20的厚度变 化。如果声或其他机械作用对于驻极体材料20是有效的，那么压电式活性的驻极体材料20 的与所述声或其他机械作用伴随的厚度变化产生电荷移动或电压，其可以在电极元件32、 34或40上量取。
[0026] 为了被保护免受外部影响--例如湿气、污物、紫外线、热作用或机械作用，金属 化层42以多层的保护层60覆盖。该层可以例如由塑料--例如聚合物（例如聚对二甲 苯）或聚酰亚胺（例如聚酰亚胺薄膜（Kapton))、或者不同塑料的复合物或塑料-金属-复 合物实现。
[0027] 压电式活性的驻极体材料20因此设置在第一电极结构30与第二电极结构40之 间。在多层电路载体50上的第一电极结构30、压电式活性的驻极体材料20以及第二电极 结构40共同构成声变换器装置1。声变换器装置1在该例子中具有两个变换器元件12和 14,其相应的有效区域通过第一电极结构30的电极元件32和34的形状和位置确定。因此， 第一变换器元件12通过电极元件32、在电极元件32之上的区域中的压电式活性的驻极体 材料20和第二电极结构40形成，第二变换器元件14通过电极元件34、在电极元件34之上 的区域中的压电式活性的驻极体材料20和第二电极结构40形成。通过施加相应的电压信 号到不同的电极元件32、34上通过压电效应以已知的方式产生在相应的电极元件32或34 之上的驻极体材料的厚度变化并且辐射声波。相反地，到达的声波引起驻极体材料的变形， 由此在电极元件32、34上产生电压信号。因此，声变换器装置1不仅可以作为发送器而且 可以作为接收器运行。通过不同的可独立寻址的电极元件32、34可以在声变换器装置1作 为接收器运行的情况下以高精度和高空间分辨率探测声场。在声变换器装置1作为发送器 运行的情况下可以通过不同变换器元件12、14的信号叠加产生复杂的声场。
[0028] 多层电路载体50具有覆镀通孔（Durchkontaktierung) 56和58。覆镀通孔56分 配给电极元件32并且电连接电极元件32与印制导线55。覆镀通孔58分配给电极元件34 并且电连接电极元件34与印制导线57。印制导线55和57构造在多层电路载体50的不同 的内部线路层面上。因此可以相互独立地设计印制导线55和57的相应走向。
[0029] 在多层电路载体50的表面54-该表面与在其上构造有第一电极结构30的表面 52对置--上在该例子中设置不同的电子构件72、73和74。电子构件72、73、74可以是例 如电阻、电容器、晶体管或集成电路（例如运算放大器），它们构成例如可以作为用于声变 换器装置1的滤波器和/或放大器起作用的电路。优选地，多层电路载体的内层59构造为 连续的金属层，其位于接地电位上。因此，由包括构件72、73和74的电路实现声变换器装 置的电磁屏蔽。电子构件72、73和74可以例如通过印制导线接触，这些印制导线构造在多 层电路载体50的其他内层（未不出）上。
[0030] 此外，多层电路载体50作为用于电极结构30和40以及用于驻极体材料20、22的 机械载体结构起作用。在声变换器装置的机械负荷下力主要由形成电路载体50的绝缘层 51承受。由此避免了铁驻极体薄膜22和电极结构30、40的损坏。
[0031] 在图2中详细地示意地在俯视图中示出了用于按照本发明的声变换器装置的第 一电极结构130的一个实施例。第一电极结构130构造在多层电路载体150的表面152上。 电极结构130在该例子中具有18个电极元件132、134,它们以六列102、104、102'、104'、 102'、104"设置，对于每三个电极元件组成一列。电极结构130因此形成所谓的2D阵列 100,因为电极元件132、134二维地在一个面上分布地设置。在该例子中所有电极元件132、 134具有相同的尺寸。电极元件基本上方形地构造并且相互间规则地设置。如此选择电极 元件132U34的尺寸，使得在两个相邻的电极元件132U43之间的间距D小于在对于应用 而言典型的频率的情况下声波（在空气中）的半波长。例如在50kHz的典型工作频率下空 气声波长为大约7毫米。在该情况下间距D并且由此还有电极元件的棱边长度可以为例如 大约3毫米。
[0032] 根据按照本发明的声变换器装置的应用也可以考虑这样的装置，在所述装置中构 造不同大小、不同成形的、和/或相互不规则地定位的电极元件。例如也考虑矩形的、圆形 的、椭圆形的、多边形的或不规则成形的电极元件。电极元件也不必表面覆盖地设置。可能 的是，暴露电路载体的各个区域。人们那么称之为不完全占据的阵列装置。
[0033] 给电极结构130的每一个电极元件132、134分配多层电路载体150的一个覆镀通 孔156、158。覆镀通孔156、158电连接电极元件132、134与印制导线155、157。在该实施 例中，覆镀通孔156、158如此构造，使得在2D阵列100的同一列102中设置的电极元件132 借助于覆镀通孔156与印制导线155导电连接，其中，印制导线155构造在多层电路载体的 一个内层上。在2D阵列100的与列102相邻的列104中设置的电极元件134借助于覆镀 通孔158与印制导线157导电连接。印制导线157构造在多层电路载体的另一内层上。印 制导线155和印制导线157因此在不同的层面上走向，因此可以相互独立地选择印制导线 155和157的相应的走向。
[0034] 此外由在图2中的示图可以看出，在在其上构造有电极结构130的表面152上不 必提供印制导线。所有印制导线155和157在多层电路载体150的电路层面上走向，所述 电路层面位于表面152之下。因此，表面152完全可用于电极结构130的构造。
[0035] 按照本发明的声变换器装置特别适用于基于声场的周围环境检测。该声变换器装 置可以例如在驾驶员辅助系统--如泊车系统--中用于车辆的操纵支持或死角的监视。 也可以考虑的是，应用在机器人--例如割草机器人、吸尘机器人、运输机器人中或静止的 机器中。此外，按照本发明的声变换器装置可以用于制造工艺的和/或制造设备的监视或 者用于空间或车辆的安全技术监视，其中，例如可以探测对象或人员的侵入。同样可以考虑 用于支持视障的人，例如以障碍物警告器的形式。其他可能的应用包括例如用于远程操作 的超声波通信。
【权利要求】
1. 一种声变换器装置（1)，其包括： 在第一电极结构和第二电极结构之间的压电式活性的驻极体材料（20); 其中，所述第一电极结构（30、130)由多个可相互独立寻址的电极元件（32、34、132、 134)构造， 其特征在于， 所述第一电极结构（30、130)构造在多层电路载体（50)的表面（52)上。
2. 根据权利要求1所述的声变换器装置，其特征在于，所述第二电极结构（40)构造为 在所述压电式活性的驻极体材料（20)上的连续的金属化层（42)。
3. 根据权利要求1或2所述的声变换器装置，其特征在于，所述第二电极结构（40)由 尤其是多层构造的保护层（60)覆盖。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的声变换器装置，其特征在于，所述多层电路载 体（50)具有至少一个覆镀通孔（56、58、156、158)，其中，一个覆镀通孔分配给一个电极元 件（32、34、132、134)，其中，所述电极元件（32、34、132、134)借助于所述覆镀通孔（56、58、 156U58)与所述多层电路载体（50)的内部线路层面的印制导线（55、57、155、157)接触。
5. 根据权利要求4所述的声变换器装置，其特征在于，多个印制导线（55、57、155、157) 构造在所述多层电路载体（50)的不同的线路层面上。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的声变换器装置，其特征在于，所述压电式活性的 驻极体材料（20)构造为薄膜、尤其是铁驻极体薄膜（22)。
7. 根据权利要求6所述的声变换器装置，其特征在于，所述压电式活性的驻极体材料 (20)由两层或更多层薄膜构造。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的声变换器装置，其特征在于，在所述多层电路载 体（50)的与表面（52)对置的表面（54)上设置有电子构件（72、73、74)。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的声变换器装置，其特征在于，所述第一电极结构 (30)的电极元件（32、34)设置在一条线上。
10. 根据权利要求1至8中任一项所述的声变换器装置，其特征在于，所述第一电极结 构（130)的电极元件（132、134)二维分布地设置。
11. 根据权利要求1至9中任一项所述的声变换器装置，其特征在于，所述多层电路载 体（50)构造为弯曲的印刷电路板。
12. -种基于声波的周围环境探测的传感器、尤其是用于机动车应用或机器人应用的 超声波传感器，其包括根据权利要求1至11中任一项所述的声变换器装置（1)。
【文档编号】B06B1/02GK104114288SQ201380009363
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年2月7日 优先权日:2012年2月16日
【发明者】A·格拉赫 申请人:罗伯特·博世有限公司