具有由纤维复合材料制成的膜片的声学传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种声学传感器，其包括传感器壳体和具有压电致动器的有振动能力 的膜片。本发明还涉及所述传感器的应用及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 在一般情况下声学传感器将声学信号或通过声学信号引起的可变声压 (SchallwechseldrUcke)变换成电信号、尤其电压。在这种情况下声学传感器用作接收器。 反之声学传感器也可以作为发射器起作用，其将电信号转换成声学信号。为了从空间接收 声学信号或向空间发射声学信号通常使用由有振动能力的膜片与结合压电致动器的组合， 以便引起机电交互作用。在此，这种传感器的作用方式以膜片的弹性变形与由此在压电材 料中导致的电压（压电效应）之间的直接关系为基础。
[0003] 在汽车工业中将这种类型的声学传感器、尤其超声波传感器作为距离传感器使 用，以便例如在驾驶辅助系统内执行距离测量。对此，控制作为发射器的超声波传感器用于 发射超声波脉冲，并且通过作为接收器起作用的超声波传感器探测被反射的超声波脉冲。 在此可以使用不同构型的超声波传感器。
[0004] 从DE 10 2010 044 995 Al中已知一种用于驾驶辅助装置的超声波转换器，所述 超声波转换器两件式地以转换器罐形式构型。在此，膜片具有由第一材料制成的底，所述底 构造有由与第一材料制不同的第二材料制成的空心体。此外，由金属材料制成的膜片通过 粘接部与由一种非金属材料制成的空心体连接。
[0005] 从DElO 2008 040 905 Al中已知一种具有壳体的超声波传感器，所述超声波传感 器一件式地构型为罐式转换器。在此，超声波传感器包括底面和环形包围所述底面的由金 属材料制成的侧壁。从EP 0 308 931 Al中已知一种罐式转换器形式的超声波转换器的另 一实施方式。在此，膜片形成一件式实施的罐式转换器的底并且包括纤维复合材料，其他组 成部分一一如与压电陶瓷复合的聚酰亚胺层与所述纤维复合材料邻接。
[0006] 以上所述类型的声学传感器在其功能方式方面如下受限制，对于距离测量仅仅能 够使用低带宽的信号频率。附加地，振动衰减时间长并且限制可实现的扫描频率。
[0007] 但是对于一些应用一一如驾驶辅助系统范围中的环境检测，对声学传感器提出高 要求。例如传感器和所属测量参数应能够最佳地与在行驶期间变化的环境匹配。由此能够 分别根据情况提高扫描率并且因此提高系统的精度。例如在运动的、在反射中使频率发生 偏移的对象的情况下产生一个问题。如果传感器是窄带的，则具有已偏移的频率的回波信 号不再能够被充分地接收。因此，持续的兴趣在于，如此设计传感器，使得在宽的参数范围 上也能够实现可靠的测量运行。
【发明内容】
[0008] 根据本发明提出一种声学传感器、尤其超声波传感器，其包括传感器壳体并且具 有转换器元件的、尤其压电致动器的有振动能力的膜片，其中，膜片由纤维复合材料制造并 且作为单独的部件与传感器壳体连接。
[0009] 根据本发明的声学传感器的传感器壳体可以由至少在一侧是敞开的空心体形成。 在这里有振动能力的膜片设置在空心体的敞开的端面处。因此，膜片形成传感器壳体的底， 并且声学传感器构造为声学罐式转换器。优选地，空心体在两侧敞开地构型，以便必要时将 用于运行传感器的装置、尤其是控制和调节电子元件连接在与膜片相对置的端面之上。 [0010] 传感器壳体的或空心体的侧壁在与膜片平行的平面内具有多角形的、圆形的或椭 圆形的轮廓。此外，侧壁可以以恒定的壁厚或阶梯状的内部轮廓实施，其中，阶梯状的内部 轮廓在侧壁的圆周上沿着整个圆周或分区段地构造。阶梯状在这里表示，侧壁包括不同壁 厚的至少两个区段。例如与膜片邻接的下侧壁区段比上侧壁区段具有较大的壁厚。在此， 上侧壁区段可以在大于10 %并且尤其小于90 %之上延伸。此外，可以在这两个侧壁区段之 间构造至少一个合适的、尤其朝侧壁倾斜约45°的区段。
[0011] 尤其铝、陶瓷、塑料或者钢适合作为用于传感器壳体或空心体的材料。此外，传感 器壳体的材料可以与膜片的材料相符并且同样包括纤维复合材料。在此，膜片与传感器壳 体可以包括相同的或不同的纤维复合材料。传感器壳体或空心体优选由铝或陶瓷制造。
[0012] 在本发明的一个实施方式中，所述传感器壳体包括至少一个用于所述膜片的支承 面，在所述支承面中构造有至少一个定向元件。在这里所述支承面代表在端面布置在空心 体处的面，声学传感器的膜片与所述面连接。在此，支撑面中的定向元件如此构型，使得影 响声学传感器的方向特性。在声学中通常将所接收的或发射的波的强度的角度相关性称作 方向特性，其中，强度与在主方向上、即膜片法线上的敏感度或密集度（Intensity)相关。 除了定向元件以外，方向特性也通过有振动能力的膜片的形状或其构型确定。
[0013] 优选地，定向元件通过支承面内的至少一个凹部形成。在此，定向元件可以包括不 同尺寸的凹部，其例如通过溅镀、蚀刻、铣削或者通过置入具有特殊形状的一一例如V形或 U形的刻槽来置入支承面中。例如所述凹部可以逐区段地或环绕地在支承面中延伸。此外， 凹部可以具有不同的深度和宽度。在一个特别优选的实施方式中，恰恰凹部环绕地并且在 中心设置在支承面中。但定向元件的明确实施可以采用不同的形状，它们分别不同地影响 方向特性。在此，定向元件导致振动形式的变化，其中，尤其膜片可以更进一步地偏转。因 此可能的是，使定向元件与要实现的方向特性相匹配。
[0014] 在本发明的范围内，膜片由纤维复合材料制造并且作为单独的部件与传感器壳体 连接。在此，膜片构型为具有从几微米到几百微米的厚度的柔性膜片并且为了机电能量转 换而与转换器元件一一例如压电致动器连接。优选地，膜片由与传感器壳体不同的材料制 造。因此，膜片作为独立的部件制造并且与例如传感器壳体的敞开的端面连接地形成声学 传感器。通常膜片可以通过粘接、夹紧或焊接材料锁合地固定在传感器壳体上。
[0015] 纤维复合材料通常包括至少一种具有嵌入的纤维的基质材料。此外，合成纤维如 聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳族聚酰胺纤维板、矿物纤维、例如玄武岩纤维 或上述一种或多种纤维的任意组合都适合作为纤维。在一种优选的实施方式中，膜片的纤 维复合材料包括由具有嵌入的碳纤维的基质材料形成的碳纤维增强材料。
[0016] 基质材料可以由陶瓷或至少一种塑料制造，其中，所述塑料包括选自以下的一个 或多个组分：聚酰胺（PA)、聚酰亚胺（PI)、聚丙烯（PP)、热塑性聚氨酯（TPU)、聚苯硫醚 (PPS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)、双轴取向的PET、聚砜（PSu)、聚丙烯腈、全氟化聚合 物或部分氟化聚合物、半结晶聚合物--例如聚氟乙烯（PVF)--或氟乙烯与四氟乙烯或 三氟乙烯的共聚物、环氧树脂（EP)、酚醛树脂、聚酯树脂或乙烯基酯树脂。在一个优选的实 施方式中选择环氧树脂作为基质材料。
[0017] 根据本发明的传感器的可替代的实施方式也可以包括多层的复合材料，所述复 合材料可以附加地具有至少一个金属层。在此，纤维复合材料的选择基本上取决于特征 值P 3/E，其中，P代表膜片的密度，E代表膜片的弹性模量。纤维复合材料的密度优选位 于0. 3g/cm3-10g/cm3之间，特