超声转换器的制作方法

本发明涉及一种超声转换器和一种用于制造超声转换器的方法。

背景技术：

1、超声转换器通常用于距离测量。在发送运行中，在进行距离测量时由超声转换器发出超声信号作为短脉冲串，所述短脉冲串在其遇到物体之后部分地再次向回反射。在接收运行中，探测所述反射回来的脉冲，由此能够确定渡越时间。因为超声波在空气中也在水中以已知的声速传播，所以能够借助于渡越时间来计算距反射物体的距离。

2、汽车例如在停车辅助系统中使用借助于超声的距离测量，所述距离测量在距附近物体的距离小时将警报信号传给驾驶员。超声转换器通常安置在保险杠中，所述保险杠提供相对多的空间用于装入超声转换器连同壳体和所需的电子装置。

3、出版物wo 2020/245064 a2描述一种超声转换器，其中压电元件和评估电子装置借助于金属线连接。

4、出版物wo 2016/184604 a1描述一种具有压电元件的超声转换器，所述压电元件的电极分别覆盖压电元件的相反的表面和侧面。

5、出版物ep 2133156 b1描述一种具有压电元件的超声转换器，其中压电元件在超声转换器中粘接在不具有电极的一侧上。

6、新技术发展和应用例如无人机或自主机器人对适用于距离测量的超声转换器提出新的挑战。

7、因此，期望一种在制造中紧凑的、鲁棒的和成本有利的超声转换器。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种改进的超声转换器和一种适合的制造方法。

2、该目的至少部分地通过根据独立权利要求所述的设备和方法来实现。

3、描述一种超声转换器，所述超声转换器包括具有带状导线的载体和具有电极的压电元件。压电元件具有紧固在载体上的接触侧。载体的带状导线和压电元件的电极经由元件的接触侧电耦合。也就是说，换言之，载体的带状导线和压电元件的电极在元件的接触侧上电耦合。

4、接触侧是压电元件的朝向载体的一侧。接触侧能够是压电元件的下侧。

5、通过电极与接触部之间的电耦合优选能够弃用与压电元件电接触的其他构件、尤其金属线。尤其地，电极和接触部能够直接电耦合。因此，超声转换器的构造变得更紧凑和更鲁棒，并且超声转换器的制造工艺被简化并且变得更成本有利。

6、载体能够在超声转换器中满足膜片的功能。尤其地，载体能够是超声转换器的容器的底部。

7、压电元件能够构成为盘、即如下几何体，所述几何体的垂直于接触侧的高度明显小于所述几何体的其余扩展。压电元件尤其能够构成为平坦的柱体。柱体的直径明显大于柱体的高度。在其他实施方案中，压电元件能够具有任意的其他形状，例如另一旋转对称的形状、椭圆形的形状、任意的n角(n＝3、4、5、6、...)或立方体的形状。

8、压电元件包括压电材料。压电材料能够包括压电陶瓷或压电聚合物。

9、在至少一个实施方案中，在运行状态中电极不同地极化、即例如正极化和负极化。因此，能够经由电极将电压施加到压电元件上。

10、在至少一个实施方案中，在运行状态中在电极之间施加电压。因此，电极设置在压电元件处，使得电压经由电极施加到元件上。

11、在下文中所描述的所有特征也能够涉及先前描述的超声转换器。

12、此外，描述一种超声转换器，所述超声转换器具有容器，所述容器具有底部，所述底部设计为用于压电元件的载体。此外，超声转换器包括壁和安装开口。安装开口可借助盖封闭。在容器或盖中或者在容器和盖中集成有电子装置。在载体上紧固有压电元件的接触侧。超声转换器还包括将压电元件的电极和电子装置的连接部位彼此电连接的带状导线。

13、电子装置尤其能够集成在壁和盖中或者仅集成在盖中。

14、所描述的超声转换器能够具有先前描述的超声转换器的所有特征。

15、尤其地，在至少一个实施方案中，在运行状态中电极不同地极化、即例如正极化和负极化。因此，能够经由电极将电压施加到压电元件上。

16、在至少一个实施方案中，在运行状态中在电极之间施加电压。电极设置在压电元件处，使得电压经由电极施加到元件上。

17、在发送运行中，压电元件能够经由由电子装置施加的交流电压被激励进行脉冲式振动、尤其短脉冲串式振动，所述脉冲式振动具有例如大约30khz至100khz的频率和预先确定数量的周期。因为压电元件紧固在载体上，所以载体能够作为膜片一起振动并且能够发出超声锥。如果超声锥遇到物体或其他障碍物，那么超声锥能够部分地向回反射。所述反射的超声脉冲又能够遇到载体或膜片并且能够不仅在载体中而且能够在压电元件中感应产生具有与所发出的脉冲式振动相同频率的机械偏转。元件的压电材料的机械偏转能够引起所施加的电极处的电压变化，所述电压变化又能够由电子装置读取。从超声脉冲的确定的渡越时间以及已知的声速能够计算距反射物体的距离。

18、在一个实施方式中，容器能够罐形地构成，其中载体用作为超声转换器的膜片并且形成罐的底部，而壁形成罐的包围可借助盖封闭的安装开口的壁部。

19、在容器中，在压电元件与盖之间不需要用于电接触的其他器件、例如金属线。因此，在容器中在具有压电元件的载体与盖之间的空腔能够通过阻尼元件填充。

20、阻尼元件能够填充整个空腔。阻尼元件在插入空腔之前就已经能够硬化，只要其具有合适的形状。

21、阻尼元件能够主要用于阻尼从压电元件开始朝向盖的超声振动，然而也还能够附加地稳定容器。对于阻尼元件的最重要的材料特性是阻尼常数，所述阻尼常数在30khz和100khz之间的典型的超声频率的情况下应尽可能大。由具有夹杂气体的塑料、例如硅树脂构成的泡沫材料尤其适合于阻尼元件。

22、容器能够一件式地或多件式地构成。容器例如能够由单独的底部元件和单独的壁元件组成。

23、容器能够基本上旋转对称地或也能够立方体地构成。在旋转对称的实施方案的情况下，容器例如能够柱形地、锥形地或截锥形地构成。容器在此能够完全地或部分地对应于压电元件的几何基本形状，即例如是圆形的、椭圆形的或角形的。容器的内部形状和/或外部形状在这种情况下能够对应于压电元件的基本形状，尤其地，底部元件和/或壁元件能够对应于压电元件的基本形状。容器在其内部中具有空腔。

24、在同一实施方式中，容器的内部形状和外部形状能够是不同的。例如，在容器的内部中的空腔的外壁部立方体地形成，并且容器的外部柱形地成形。此外，容器例如能够内部锥形地和外部柱形地或者内部柱形地和外部立方体地成形。内部形状和外部形状的其他组合是任意可行的。

25、然而，优选地，内部形状和外部形状相同地成形。例如，容器内部立方体地和外部立方体地或者内部柱形地和外部柱形地成形。尤其优选的是容器的如下实施方案，所述实施方案在内部和外部是锥形的或截锥形的。所述实施方式提供容器的简单制造的优点，因为容器能够由于所选择的造型简单地借助于压制工具例如在塑料的情况下通过注塑成型或在铝的情况下通过深冲来生产。

26、此外，如果容器的内部形状是锥形的或截锥形的，那么使用预成形的和/或预硬化的阻尼元件是特别有利的。

27、在这种情况下，与在液态地引入并且随后硬化的阻尼材料的情况下所出现的不同的填充程度相反，在适合并且匹配地测定容器中的空腔和阻尼元件的尺寸的情况下已经事先确定：在容器中阻尼元件始终占据相同的空间体积。

28、此外因此，不同于将柱形的或立方体的预成形的阻尼元件受生产所决定而不同深地引入到柱形的或立方体成形的容器中，阻尼元件的设置深度在事先就已经确定。

29、附加地，在所述设计方案中也存在简单的如下可行性：通过适合地测定阻尼元件的尺寸有针对性地在具有所施加的压电元件的容器底部和阻尼元件的与底部相对置的端部之间可复现地设定不具有阻尼元件的谐振空间，这对超声转换器的声学特性产生正面影响。

30、容器能够由统一的材料或不同的材料制成。容器能够包括由不同材料生产的不同的部段。容器在不同的部段中能够具有不同的几何形状。

31、容器能够由导电材料、例如铝或铝合金制成。容器能够由不导电的材料如不导电的塑料、例如lcp(liquid crystal polymer，液晶聚合物)制成。

32、如果容器由导电材料如铝制成，那么容器能够在其表面上用绝缘层覆层。如果容器由铝制成，那么作为绝缘层能够形成氧化铝层、例如阳极氧化层。

33、如果容器由不导电的材料制造，那么在一个实施方式中，容器能够具有与电子装置电路连接的机构，以便尽管容器材料是不导电的，仍确保以法拉第屏蔽形式充分屏蔽入射的电磁干扰。

34、例如，在容器中、优选在容器的内侧处能够存在内部的电极结构或金属编织物如铜网，其与电子装置匹配地接地。金属编织物优选覆盖容器的整个内侧。

35、用于进行法拉第屏蔽的其他设计可行性是(例如通过溅镀、电镀等)在容器的内侧和/或外侧上施加金属覆层或施加能导电的涂漆。

36、附加地，替选于或者补充于法拉第屏蔽，能够将机械的防护涂漆施加在容器的外侧上，以便例如减少或防止金属覆层的在超声转换器的日常运行中的机械磨损，从而提高金属覆层进而超声转换器的使用寿命或保证无干扰的运行。机械的防护涂漆优选覆盖容器的整个外侧。

37、如果用于进行法拉第屏蔽的金属覆层仅施加在容器的外侧上，那么在一个实施方式中，法拉第屏蔽部与电子装置的必要的电接触能够作为穿过容器壁至容器的内部中的带状导线的例如呈过孔形式的贯通部来实现。因此，超声转换器能够保持完全关闭，并且不需要经由围绕容器的安装开口的窄的上侧边缘的特别敏感的跨越接触

38、压电元件在容器内以其接触侧设置在载体上。

39、此外，超声转换器具有封闭容器的盖。电子装置集成到盖中，所述电子装置设计用于控制和读取压电元件。电子装置在盖中的集成使超声转换器极其紧凑。

40、由于电子装置在盖中的集成，不需要将超声转换器构造到安装有电子装置的外部壳体中。通过将发出声波的容器的功能与传感器壳体的功能相结合，本发明的超声转换器能够紧凑地构成。此外，因此能够节省生产时的成本，因为不需要附加的电的和机械的接口，并且能够省去超声转换器和传感器壳体的组装。

41、替选于此或除此之外，电子装置也能够完全地或部分地设置在容器中、尤其在壁中和/或壁处。

42、在所描述的超声转换器的一个实施方式中，带状导线和电极经由压电元件的接触侧电耦合。

43、在一个实施方式中，在压电元件的接触侧上施加两个电极，所述两个电极与容器的载体处的两个接触部电耦合。这两个电极中的各一个电极在此与相应对应的接触部耦合。

44、在一个实施方式中，容器的载体处的接触部与分别对应的电带状导线电耦合。容器的载体处的接触部和相应的对应的电带状导线在此尤其能够分别表示直接连贯的、统一的元件。

45、电极包括导电材料，例如铜、银、镍或铬。例如能够通过溅镀或通过印刷、例如通过丝网印刷来施加电极。替选地，能够通过施加能导电的聚合物来形成电极。

46、在一个实施方式中，盖可借助于能导电的盖粘接剂紧固在容器上。电子装置可借助于同一能导电的盖粘接剂与带状导线电接触。

47、带状导线包括导电材料，例如铜、银、镍或铬。例如能够通过溅镀或通过印刷、例如通过丝网印刷来施加带状导线。替选地，能够通过施加能导电的聚合物来形成带状导线。

48、在一个优选的实施方式中，压电元件上的电极和电子装置的连接部位仅通过带状导线电连接。

49、不设有用于电接触的其他构件，例如金属线。也就是说，电子装置和压电元件无线地电连接。

50、在至少一个实施方式中，电极与带状导线电接触。

51、为此，电极与载体处的带状导线的接触部电接触。电极和接触部彼此直接电接触。这种设置的优点是电极与载体处或容器底部处的接触部之间的安全的和稳定的电连接。

52、在至少一个实施方式中，电极和带状导线的接触部无间隙地彼此接触。在所述实施方案中，紧凑的设置和稳定的电连接是有利的。

53、在一个实施方式中，电极包括第一电极和第二电极。

54、在至少一个实施方式中，第一电极面状地设置在压电元件的接触侧上。第一电极在此能够覆盖接触侧的大部分。

55、在至少一个实施方式中、优选在同一实施方式中，第二电极的主要部段施加在压电元件的与接触侧相反的一侧上。所述侧在下文中称为压电元件的上侧。除了压电元件的上侧上的部分之外，第二电极的其他部分设置在压电元件的侧面和接触侧上。第二电极的所描述的电极部分连贯，尤其彼此直接电接触或形成统一的电接触面。

56、第二电极的所描述的设置实现这两个电极从同一侧、优选从压电元件的接触侧所指向的一侧起的接触。

57、也就是说，压电元件的电接触在如下侧上，在所述侧上压电元件机械地紧固在载体内侧上。载体内侧是载体的指向容器的内部的侧。载体内侧朝向压电元件的接触侧。

58、这简化超声转换器的构造和生产工艺。

59、在一个实施方式中，压电元件的接触侧借助于载体粘接剂紧固在载体上。也就是说，载体粘接剂施加在压电元件的接触侧与载体之间。

60、通过载体粘接剂，压电元件能够简单地并且以紧凑的方式紧固在载体上。载体粘接剂能够作为呈粘接层形式的连贯的粘接连接部施加在压电元件与载体之间。

61、在至少一个实施方式中，载体粘接剂是不导电的或绝缘的。于是，压电元件的接触侧与载体之间的载体粘接剂因此仅用于压电元件的机械固定。

62、通过选择不导电的载体粘接剂，能够避免压电元件的接触侧上的不同电极之间的短路。于是，粘接连接部因此也作用为电极之间的绝缘体。

63、在一个实施方式中，电极和带状导线分别具有粗糙的表面。电极和带状导线于是间隔开，使得电极和带状导线直接接触、尤其电接触。尤其地，电极与载体上的带状导线的对应的接触部接触。

64、在所述实施方式中，压电元件的包括电极的接触侧和包括带状导线的接触部的与接触侧相对置的载体内侧能够借助于设置在其间的粘接连接部机械连接。

65、通过电极和带状导线的接触部的预设的表面粗糙度，在如下接触部位处存在足够薄地构成的粘接连接部的情况下，电极和接触部在各个部位处彼此直接接触，在所述接触部位处所形成的隆起部存在于电极或接触部的表面上。

66、也就是说，构成如下接触部位，在所述接触部位处，在电极之一和对应的接触部的表面上的隆起部或接触部的表面上的隆起部与对应的电极之间不存在载体粘接剂。

67、因此，通过电极或带状导线的接触部的充分的表面粗糙度和电极与带状导线之间的相应适合地选择的距离，保证电极与带状导线的充分的电接触。

68、换言之，压电元件与容器的带状导线之间的电连接通过直接的多重的点接触进行。通过相对置的面即一方面是这两个电极的表面而另一方面是载体的接触部的自然存在的粗糙度，局部地产生如下部位，在所述部位处，电极和带状导线直接接触。这种接触允许电极与带状导线之间的良好的导电。

69、在表面的自然粗糙度不足够大的情况下，能够人工地提高自然粗糙度。例如，能够通过使用适合的技术方法来提高自然粗糙度，尤其地，能够借助于激光烧蚀工艺来提高自然粗糙度。

70、在此，载体粘接剂本身不参与电接触。

71、同时，在较高的表面粗糙度的情况下，压电元件与载体之间的可用的接触面增大，使得能够改进元件与容器的机械连接、尤其粘接连接和电连接的强度和耐抗性。

72、在一个实施方式中，电极和带状导线的接触部分别相对于其环境暴露。这意味着，一方面，整个电极或电极的至少一些部段在压电元件的接触侧上突出。所述效果能够仅通过将电极涂覆在接触侧上实现。为了增强效果，电极能够附加地被增强。

73、另一方面，带状导线的整个接触部或接触部的一些部段在载体内侧上突出。所述效果能够仅通过涂覆接触部来实现。为了增强效果，电极能够附加地被增强。

74、电极和接触部通常例如能够通过溅镀或电镀来涂覆和/或增强。电极和接触部包括良好的导电材料、优选金属或金属合金，例如铜、银、镍或铬，或导电塑料。

75、因为接触部和电极相对于其相应的环境暴露，所以所述接触部和电极能够直接彼此接触，而在压电层的其余的接触侧与其余的载体内侧之间构成有不导电的粘接连接部以进行机械连接。

76、因此，通过最后描述的实施方式保证电极和接触部的充分的电接触。

77、在另一实施方式中，电极和带状导线电容性地耦合。

78、在所述实施方式中，电极和带状导线的接触部彼此不直接接触。接触部例如能够在载体中结构化，使得所述接触部不在载体的表面处露出。

79、替选地或补充地，在电极与带状导线之间能够附加地设置有电绝缘层。附加的绝缘层能够由不导电的材料、尤其有机的非导体构成。例如，有机的非导体能够以漆的形式施加。特别优选地，绝缘层能够通过不导电的载体粘接剂本身构成。

80、所描述的实施方式具有如下优点：电极和接触部形成电容器，所述电容器能够替代电子装置中的附加的电容器构件。因此能够简化超声转换器、尤其电子装置的构造和生产工艺。

81、在一个实施方式中，载体粘接剂是各向异性导电的。载体粘接剂在垂直于压电元件和载体内侧的接触侧的方向上是导电的。也就是说，载体粘接剂用作为电极与所属的接触部之间的电导体。

82、同时，载体粘接剂在平行于压电元件的接触侧的每个方向上作用为电绝缘体。也就是说，载体粘接剂类似于不导电的载体粘接剂作用为不同的电极之间、尤其在运行状态中不同地极化的电极和/或不同地极化的接触部之间的绝缘体。

83、这种各向异性的导电的载体粘接剂保证电极与带状导线的接触部之间的稳定的电接触，并且同时防止不期望的电接触或短路。

84、在至少一个实施方式中，带状导线的接触部施加在载体内侧上。载体内侧朝向压电元件的接触侧。这实现压电元件的接触侧上的接触部和电极的直接电接触。由此能够明显简化超声转换器的构造。

85、在一个实施方式中，带状导线的接触部在载体中结构化，使得所述接触部不在表面处露出。这例如实现电容器在接触部与电极之间的上述构成。

86、容器如先前所描述的那样还具有将压电元件的电极和电子装置电连接的带状导线。电子装置具有如下连接部位，在所述连接部位处进行电子装置与带状导线之间的电接触。优选地，电子装置具有两个连接部位，所述连接部位分别用于带状导线的电接触。

87、通过带状导线的构成能够弃用通过金属线进行的电连接。

88、在一个实施方式中，带状导线设置在容器的内表面处。带状导线例如以带状金属的形式施加在容器的内表面上。对此而言，良好导电的材料如铜、银、镍或铬是有利的。例如通过溅镀来施加带状导线。在由导电材料构成的容器的情况下，在带状导线与容器之间在容器的表面上构成有绝缘层。

89、带状导线从载体的接触部伸展直至容器的壁的如下部段，在所述部段处安置有具有电子装置的盖。电子装置与带状导线电接触。

90、在一个实施方式中，带状导线集成在容器的内部中。带状导线能够在容器的壁中结构化。

91、如果容器本身是导电的，那么容器能够用作为第一带状导线。为此，绝缘层在第一接触部位、与第一电极接触的部位和第二接触部位、与电子装置的连接部位接触的部位处中断。

92、然后，将第二电极与电子装置连接的第二带状导线能够被涂覆在容器的内侧上的绝缘层上。

93、如果容器本身是不导电的，那么导电结构能够构成为容器中的内部的带状导线。为了直接的电接触，所述内部带状导线在第一接触部位和第二接触部位处露出或在该处伸展直至容器的内表面。

94、在一个实施方式中，带状导线和电子装置借助于能导电的盖粘接剂电连接。

95、为此，至少在带状导线的相对于电子装置的连接部位构成的第二接触部位处涂覆盖粘接剂，借助于所述盖粘接剂电接触电子装置。

96、载体粘接剂和盖粘接剂优选是具有分别在其应用方面优化的特性的两种不同的粘接剂。

97、在至少一个实施方式中，盖借助于能导电的盖粘接剂也机械地紧固在容器上。因此，盖粘接剂用于盖的机械紧固和电接触。

98、在另一实施方式中，盖借助于弹性的、不导电的粘接剂机械地紧固在容器上。盖粘接剂随后仅用于盖的电接触。

99、此外，描述一种超声转换器，所述超声转换器具有容器，所述容器具有安装开口，所述安装开口可通过具有集成的电子装置的盖封闭。盖可借助于能导电的盖粘接剂紧固在容器上，并且电子装置可借助于能导电的盖粘接剂与容器的带状导线电接触。

100、此外，所描述的超声转换器能够具有先前描述的超声转换器的所有特征。

101、此外，描述一种用于制造超声转换器的方法。所述方法包括多个步骤。

102、在步骤a中，提供可通过盖封闭的具有安装开口的容器。在盖中集成有电子装置。容器还包括构成为载体的底部和带状导线。替选地或补充地，电子装置能够完全地或部分地设置在容器中。

103、在步骤b中，在容器中将压电元件紧固在载体上。压电元件被紧固，使得设置在压电元件上的电极经由带状导线与电子装置的连接部位电连接。

104、所述方法的步骤b还能够包括以下子步骤：

105、在子步骤中，压电元件被紧固，使得电极与带状导线电耦合。

106、在另一子步骤中，通过盖封闭安装开口。在这种情况下，电子装置的连接部位与带状导线电耦合，使得电子装置与电极无线地电连接。

107、在电子装置已经完全设置在容器中的一个替选的实施方式中，电极和电子装置在盖闭合之前已经无线地电连接。

108、在一个实施方式中，所述方法还能够包括用于将阻尼元件引入压电元件与盖之间的步骤。阻尼元件填充容器。

109、超声转换器还能够具有先前描述的超声转换器的所有特征。

110、在所述方法的一个实施方式中，在一个步骤中提供容器。容器具有安装开口、作用为载体的底部和壁。在载体内侧上存在带状导线的接触部。载体内侧在这种情况下是指向容器的内部的一侧。补充地，电子装置还能够全部地或部分存在于容器中。

111、在另一步骤中，将载体粘接剂涂覆到载体内侧上。

112、载体粘接剂优选包括热固性粘接剂、例如热固性环氧树脂粘接剂。

113、在另一步骤中，将压电元件的形成有两个电极的接触侧施加到载体粘接剂上。在一个替选的实施方案中，将载体粘接剂施加在压电元件的接触侧上。

114、在另一步骤中，将压电元件压紧在载体内侧上，使得两个电极与载体的接触部直接接触。随后将载体粘接剂固化。

115、直接接触例如能够通过接触部和电极的足够高的表面粗糙度来实现。载体粘接剂在压紧时部分地挤出，使得接触部和电极的表面上的隆起部彼此直接接触。

116、高的表面粗糙度还引起电极和接触部的有利的更大的表面。

117、直接接触还能够通过电极和接触部的与其环境相比提高的部段来实现。在压紧载体粘接剂时，所述载体粘接剂被挤出，使得提高的面彼此直接接触，而在未提高的面之间构成粘接连接。在所述方法的一个实施例中，在压紧时，应用至少0.3n的力。优选应用至少0.3n和最大3n的力。

118、在硬化时，载体粘接剂能够收缩，使得加强两个电极与对应的接触部之间的接触。

119、载体粘接剂的固化例如能够热地或uv诱导地进行。

120、在另一步骤中，在施加压电元件之前，能够将电绝缘层施加到载体内侧上或施加到压电元件的接触侧上。绝缘层至少覆盖接触部和/或电极，使得所述接触部和/或电极不再电接触。

121、包括不导电的材料的绝缘层的施加能够替选于或者补充于施加载体粘接剂进行。绝缘层也能够包括载体粘接剂本身。由此，能够设定电极与带状导线之间的现在纯电容式、即非欧姆式的接触部的电容。