[发明专利]声变换器装置

说明书

技术领域

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

由文献已知基于驻极体(Elektret)原理的声变换器。例如在文献WO1008/135004 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

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。

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。

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。

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。