CN119667688A - 超声波相位阵列传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波相位阵列传感器(200)，所述超声波相位阵列传感器包括多层构造(108)，其中，至少一个第一层(108.1)具有膜片(104)，至少一个第二层(108.2)具有压电衬底(106)，并且至少一个第三层(108.3)具有多个电触点(102)，其中，所述电触点(102)彼此独立地施加在所述压电衬底(106)的表面(110)上。

Description

超声波相位阵列传感器

技术领域

本发明涉及一种超声波相位阵列传感器，该超声波相位阵列传感器具有膜片、压电衬底和多个电触点，其中，所述电触点彼此独立地施加在压电衬底的表面上。

背景技术

超声波泊车传感器的测量原理基于声波。

这些声波被辐射到听不见的区域中并且在障碍物上被反射。超声波泊车传感器再次接收被反射的信号，并且电子装置通过时间测量(飞行时间)对该信号进行分析处理。为了将电能转换为声能，在所有超声波泊车传感器中使用压电元件。然而，这些单个的元件将泊车传感器的使用领域局限在声辐射的方向。别的物理效应，例如激光雷达或者雷达，同样能够用于泊车传感器。然而，超声波能够实现泊车传感器的非常成本有利的制造。

为了扩展超声波传感器的传感器区域，在医学中已经使用超声波相位阵列传感器(A.S.Savoia，“Design,Fabrication,Characterization,and System Integration of a1-D PMUT Array for Medical Ultrasound Imaging”，2021IEEE InternationalUltrasonics Symposium(IUS)，第4页，2021)。这些超声波相位阵列传感器基于单个的超声波换能器阵列的合并。通过以相位错位的方式对各个超声波换能器阵列的操控，可以改变超声波的辐射方向。由此可能的是，借助超声波相位阵列传感器扫描体积并且甚至执行声学成像。根据如今的现有技术，空气耦合式超声波相位阵列传感器在商业上尚不可用。迄今为止，在本领域上仅存在研究项目(D.Groβkurth、M.Rutsch、A.Unger、R.Golinske、H.Wang、S.Dixon、K.Hofmann和M.Kupnik，“Aircoupled 40-kHz ultrasonic 2D-phasedarray based on a 3D-printed waveguide structure”，2017IEEE InternationalUltrasonics Symposium(IUS)，第4页，2017；G.Allevato、M.Rutsch、J.Hinrichs、M.Pesavento和M.Kupnik，“Embedded Air-Coupled Ultrasonic 3D Sonar System withGPU Acceleration”，2020IEEE SENSORS，第4页，2020；G.Allevato、M.Rutsch、J.Hinrichs、E.Sarradj、M.Pesavento和M.Kupnik，“Spiral Air-Coupled Ultrasonic Phased Arrayfor High Resolution 3D Imaging”，2020IEEE International Ultrasonics Symposium(IUS)，第4页，2020；E.Verreycken、W.Daems和J.Steckel，“Passive Akustik”。Steckel，“Passive Acoustic Sound Source Tracking in 3DUsing Distributed MicrophoneArrays”，2018International Conference on Indoor Positioning and IndoorNavigation(IPIN)，第4页，20018)和初创企业(Toposens，Toposens，2022，https://toposens.com/autonomous-parking/)。这些系统在汽车领域中的商业使用尚未来到。所有这些系统基于多个压电超声波换能器的互相连接。由于传感器的成本与超声波换能器的数量成正比，因此，这些方案不能够被考虑用于成本有利的泊车传感器。此外，这些系统对于汽车领域而言是过大的，并且不能够紧凑地生产。

目前，只有在表面波(Surface Acoustic Waves，SAW)的情况下才使用电极分离(Y.-n.YIN、W.WANG、Y.-n.JIA、X.-f.XUE和Y.LIANG，“Development of A SurfaceAcoustic Wave Delay Line Device for Sensing ICE”，2019 13th Symposium onPiezoelectric，Acoustic Waves and Device Applications(SPAWDA)，第4页，2019)。通过梳状电极，仅在压电衬底的所选择的区域上发出或者接收波。这些SAW用于构造高频滤波器或者延迟元件，所述高频滤波器或者延迟元件不是本发明的一部分。

在此所提出的发明与PMUT(压电的、机械加工的超声波换能器)也显著地不同(S.Sadeghpour、E.Zilonova、J.D'Hooge和M.Kraft，“A Novel6MHz Phased ArrayPiezoelectric Micromachined Ultrasound Transducer(pMUT)with 128Elements forMedical Imaging”，2021IEEE International Ultrasonics Symposium(IUS)，第4页，2021，A.S.Savoia，“Design,Fabrication,Characterization,and System Integrationof a 1-D PMUT Array for Medical Ultrasound Imaging”，2021IEEE InternationalUltrasonics Symposium(IUS)，第4页，2021)，因为在此不使用净化室工艺并且因此节省成本。

发明内容

对具有单个的压电元件(在下文中被称为压电衬底)的超声波相位阵列传感器的功能进行模仿，以便实现新型泊车传感器。在此，不对具有大面积的电极的整个压电衬底进行照射，而是将电极隔绝，以便激励压电衬底的单个的区域进行振动。这构成一种紧凑的且成本有利的解决方案。

根据本发明，提出一种超声波相位阵列传感器，该超声波相位阵列传感器包括多层构造，其中，至少一个第一层具有膜片，至少一个第二层具有压电衬底，并且至少一个第三层具有多个电触点，其中，电触点彼此独立地施加在压电衬底的表面上。

膜片是用作待测量的介质与传感器之间的分离层的层。在超声波相位阵列传感器中，使用膜片，以便发出或者接收超声波。例如，该膜片用作用于将机械振动转换为电信号的超声波换能器。

电触点具有连接部或者附接端，该附接端用于建立压电材料与电子电路之间的电信号，该电子电路控制该超声波相位阵列传感器。例如，电触点适合为用于基于衬底的压电性能产生、检测或者处理电信号。这些电触点可以安装在压电衬底上，例如呈引线、接触销或者钎焊连接的形式。

在根据本发明的解决方案的框架中，压电衬底的多个区域设有电触点，其中，电触点可以彼此独立地被操控。由此，被触点接通的区域可以彼此独立地被电操控，并且可以控制超声波辐射的方向。除此之外，通过通过电触点独立地操控接触面，明显地增大传感器的检测区域。在此基础上，例如，可以执行对障碍物的高度分类。

压电衬底的在本发明的框架中提出的使用是超声波相位阵列传感器的重要部件。在此，使用具有压电性能的材料。压电性能能够实现，材料在机械负载或者变形的情况下产生电荷并且反过来在施加电压的情况下经历机械变形。例如，在产生超声波的情况下，当施加电压时，压电衬底由于压电性能变形，并且该变形产生作为声波传播的超声波。在超声波击中到对象上时，这些超声波被反射到压电衬底上，其中，被反射的超声波引起压电衬底的另外的变形，该另外的变形被转换为电压。如此，例如可以对该电压进行测量和分析处理，以便获得关于对象的信息，例如关于对象与超声波传感器的间距的信息。

在根据本发明提出的超声波相位阵列传感器的有利的扩展方案中，该膜片与压电衬底机械地连接。

在本发明的意义上的机械的连接被理解为，至少两个结构元件物理地相互连接。压电衬底与膜片的机械的连接包括不同的接合方法，例如阳极键合或者粘贴、机械紧固或者热键合。该连接激励该膜片局部地振动，并且在自由介质中发射超声波。

在根据本发明提出的超声波相位阵列传感器的有利的扩展方案中，能够通过相移改变辐射角度。

辐射角度是如下角度范围：在该角度范围中，辐射源、例如超声波相位阵列传感器的辐射源辐射到环境空间中或者被该环境空间接收。辐射角度是辐射源的主要辐射轴线、主轴线与被照射的区域的界线之间的确定的角度。辐射角度可以例如以度为单位被测量并且例如在超声波相位阵列传感器中以极坐标示出。被辐射的声压水平基于最大值被标准化(normiert)(标准化声压水平(dB))。基于阵列元件之间的相移，出现辐射方向的变化。

在根据本发明提出的超声波相位阵列传感器的有利的构型中，能够通过相移控制辐射方向。

根据本发明，相移被理解为对在超声波栅格的单个部件之间对所发射的或者所探测的超声波的时间取向的有针对性的调整。对该相移的改变可以例如被用于对传感器的超声波进行转向、进行聚焦并且在其辐射特性方面进行控制。例如，通过精确的聚焦，可以改进空间分辨率。

通过电子装置实现各个电触点的相移。该电子装置包括至少一个函数发生器，该函数发生器将电触点的共振置于振动中。然后，由函数发生器操控多个移相器(Phi_1、Phi_2、Phi_3)，所述移相器改变控制信号的相位。移相器的输出端与各个电触点电连接。由此，每个电触点以不同的相位振动，并且可以改变该超声波相位阵列传感器的所得的辐射方向。

在本发明意义上的辐射方向是由超声波相位阵列传感器的声源发出的超声波的有针对性的定向。通过辐射方向能够精确地控制超声波的能量流并且因此能够实现对传感器的效率和灵活性的显著影响。能够通过辐射角度和相移的结合实现对辐射方向的控制。例如如果如此改变辐射角度，使得由此实现所发射的能量的空间传播方向的变化，则该相移导致，实现超声波的如下组合：该组合引起在期望的辐射方向上的放大。

如此，例如可以将超声波相位阵列传感器装入到车辆的保险杠中，其中，可以操纵该辐射方向。由此，例如可以以不同角度辐射超声波信号。

在根据本发明提出的超声波相位阵列传感器的有利的构型中，超声波相位阵列传感器包括通过相移进行的障碍物高度测量。

通过根据本发明的解决方案，可以例如在相同地施加交流电压的情况下在直线的方向上辐射声。另外，例如在引入电相移的情况下，可以改变超声波相位阵列传感器的辐射方向。因此，可以对障碍物进行声识别、扫描并且例如可以执行障碍物高度测量。

例如，用于障碍物高度测量的超声波相位阵列传感器可以被装入到车辆的保险杠中。在此，将超声波首先直线地辐射到障碍物上。通过直接的辐射，从障碍物接收最大回波。现在，为了测量障碍物的高度，一直增大超声波的辐射的角度，直到该超声波未击中障碍物。一旦超声波已经过障碍物，就探测最小的接收信号并且可以估计障碍物的高度。

在根据本发明提出的超声波相位阵列传感器的有利的扩展方案中，超声波相位阵列传感器可以以多个几何形状实施：圆形、矩形、椭圆形、三角形或者正方形。

在根据本发明提出的超声波相位阵列传感器的有利的构型中，能够任意地选择电触点的数量。

在根据本发明提出的超声波相位阵列传感器的另一种有利的构型中，电触点划分为单个的、电分离的区域，其中，能够单独地操控每个区域或者多个单个的区域。

在根据本发明提出的超声波相位阵列传感器的另一种有利的构型中，膜片提供对环境影响的防护，其中，该膜片包括防潮的且防尘的材料。

除此之外，本发明涉及超声波相位阵列传感器用于汽车应用的使用，其中，超声波相位阵列传感器构造为泊入传感器。

本发明的优点

在根据本发明的超声波相位阵列传感器中，压电衬底被用作插入件，该压电衬底划分为多个区域。由此，这些区域可以彼此独立地被电操控，并且超声波的辐射方向可以被转向。

通过根据本发明的超声波相位阵列传感器，明显地增大传感器的探测区域(FOV)。由此，可以在有限的检测区域内探测较大的面积或较大的体积。由此，例如在需要完整的环境检测的安全关键的应用情况下，例如自主驾驶或者泊入，提供与现有技术相比增加的探测区域。

另外，通过超声波相位阵列传感器的增加的探测区域，能够在障碍物进入到直接的探测区域中之前及早地识别障碍物。此外，通过增大的检测区域，可以减少所需要的传感器的数量。另外，根据本发明的超声波相位阵列传感器的增加的探测区域能够实现灵活的传感器放置并且因此降低总系统复杂性。

除此之外可能的是，执行障碍物的高度分类。借助高度分类，可以实现对泊车空位的更准确的识别，因为该传感器不仅监控泊车空位的水平位置、还监控可供使用的位置的高度。在泊入时，高度分类有助于识别电线杆、路边石边缘或者相邻对象等障碍物，使得可以在无碰撞的情况下执行泊入和泊出。

所述发明增加在泊入时的安全性。如此，例如可以更好地识别直接位于车辆前方、旁边或者后方的儿童。这也同样适用于狗、猫等动物。

所述发明是用于超声波相位阵列传感器的成本有利的可能性中的一种可能性。由于只需要一个压电衬底，因此，与具有多个压电衬底的系统相比，不但在生产中的制造成本、而且材料成本是非常低的。

由于与现有技术相比，所示出的发明内容具有宽的接收区域(FoV)，因此，可以减少车辆中所需要的超声波泊车传感器的数量。例如，对于较大的车辆(旅行车、双座轿车和其他车辆)，一个传感器能够居中地安装，两个另外的传感器能够安装在车辆前侧的或者后侧的角部上。小型车辆能够装备有仅一个居中的传感器，以便进一步降低成本。

借助当前的超声波泊车传感器，由于来自地面的强烈的声学回波而一再地产生错误探测。特别是在具有复式停车位的停车楼中或者在具有粗糙表面的行车道中，虽然不存在障碍物，但是传感器做出响应。借助所述发明，该问题可以被解决，因为可以检查反射的方向的可信度。这在整体上提高超声波泊车传感器的可靠性并且减少错误探测。

附图说明

根据附图和下面的描述更详细地阐述本发明的实施方式。

附图示出：

图1示出超声波相位阵列传感器的横截面的示意图，

图2示出超声波相位阵列传感器的示意图，

图3示出声压水平曲线图的示意图，

图4示出移相器的示意图，该移相器附接到超声波相位阵列传感器上，

图5示出装配在车辆上的超声波相位阵列传感器的辐射方向的示意图，

图6示出高度障碍物测量的示意图。

具体实施方式

在下面对本发明的实施方式的描述中，相同的或者相似的元件用相同的附图标记表示，其中，在个别情况下省去对这些元件的重复描述。附图仅示意性示出本发明的主题。

图1示出超声波相位阵列传感器200的横截面100的示意图，该横截面包括多层构造108。图1所示的多层构造108具有第一层108.1，该第一层由膜片104形成。第二层108.2具有压电衬底106，第三层108.3具有四个电触点102，其中，电触点102以彼此相距间距112的方式施加在压电衬底106的表面110上。

替代图1地，在压电衬底106的表面110上可以例如施加有另外的电触点102，其中，该间距112能够以可变的方式选择。

图2示出超声波相位阵列传感器200的示意图。图2所示的超声波相位阵列传感器200具有几何形状202，其中，该几何形状202具有圆形的底面。此外，超声波相位阵列传感器200具有多层构造108。示出的多层构造108具有第一层108.1，该第一层由膜片104形成。第二层108.2具有压电衬底106，第三层108.3、即内层具有三个电触点102。图2所示的三个电触点102具有不同的形状。

例如，压电衬底106的几何形状202可以是正方形的、矩形的、圆形的或者椭圆形的。电触点102的数量也可以任意地增加或者减少。

图3示出声压水平曲线图300的示意图。声压水平曲线图300具有X轴和Y轴，X轴以[dB]为单位示出标准化的声压水平X，Y轴以度为单位示出角度，其中，该角度代表超声波相位阵列传感器200的方向特性Y。此外，声压水平曲线图300示出四个变化线(Verlaufslinie)304，其中，每个单个的变化线304示出用于超声波射束的确定的角度的声压水平。

根据图3以10°步距示出从0°(直线地)至30°的辐射变化。这仅是用以阐明该功能的示范性的辐射角度。

变化线304以极坐标示出。这允许对方向特性的特别好的示出。变化线304相应于单波瓣变化(Einzelkeulenverlauf)。

例如，图3中的变化线304示出超声波的辐射方向608的变化，该变化通过电触点102之间的相移引起。其中，所示出的每个变化线304在曲线图中相应于不同的辐射方向608。

图4示出移相器400的示意图，该移相器附接到超声波相位阵列传感器200上。图4所示的超声波相位阵列传感器200具有圆形的底面的几何形状202。此外，超声波相位阵列传感器200具有多层构造108。示出的多层构造108具有第一层108.1，该第一层由膜片104形成。第二层108.2具有压电衬底106，第三层108.3、即内层具有三个电触点102。图4所示的三个电触点102具有不同的形状。另外，在图4中示出电子装置402。电子装置402包括函数发生器410、移相器Phi_1 404、移相器Phi_2 406和移相器Phi_3 408。移相器404、406、408的输出端与超声波相位阵列传感器200的各个电触点102电连接。

函数发生器410具有电容，该电容可以在电触点102的共振中振动。另外，函数发生器410给多个移相器404、406、408馈电，所述移相器改变控制信号的相位。通过这种方式将具有不同相位的每个电触点102置于共振中，并且可以改变超声波相位阵列传感器200的由此产生的辐射方向608。

如此，例如可以实现通过相移对声辐射的有针对性的控制，在该控制的情况下，可以控制并且调整例如如下方向：该超声波沿该方向被辐射。可以将超声波有针对性地对准确定的区域或者障碍物602，是一种有利的控制可能性。通过多个移相器404、406、408进行的相移可以导致更好的成像、例如对障碍物高度的成像。

图5示出安装在车辆502上的超声波相位阵列传感器200的辐射方向608的示意图。超声波相位阵列传感器200安装在保险杠504上。另外，示出三个辐射方向，即向上的辐射方向506、直线的(gerade)辐射方向508和向下的辐射方向510。

例如，可以借助超声波相位阵列传感器200操纵超声波的辐射方向608，该超声波由超声波相位阵列传感器200辐射。通过这种方式可以产生多个辐射角度。

图6示出高度障碍物测量的示意图，其具有到障碍物602上的直线的辐射600.1的和围绕障碍物602的弧线的辐射600.2的示意图。图6另外示意性地示出安装在车辆502上的超声波相位阵列传感器200的辐射方向608。超声波相位阵列传感器200安装在保险杠504上或者中。

用于此的例子是将一个或者多个超声波相位阵列传感器200集成到车辆502的保险杠504中。直接在障碍物602的方向上发送超声波(直线的辐射600.1)。通过直线的辐射600.1，接收来自障碍物602的最大回波。现在为了测量障碍物602的高度，一直增大超声波的辐射方向608的角度，直到该超声波未击中(verfehlen)障碍物602。一旦超声波已经过障碍物602，就仅仍然探测最小的接收信号并且可以估计障碍物602的高度。

本发明不限于在这里描述的实施例和在其中强调的方面。相反地，在通过权利要求给定的范围内能够实现处于本领域技术人员的能力范围内的多种修改。

Claims (10)

1.超声波相位阵列传感器(200)，所述超声波相位阵列传感器包括多层构造(108)，其中，至少一个第一层(108.1)具有膜片(104)，至少一个第二层(108.2)具有压电衬底(106)，并且至少一个第三层(108.3)具有多个电触点(102)，其中，电触点(102)彼此独立地施加在所述压电衬底(106)的表面(110)上。

2.根据权利要求1所述的超声波相位阵列传感器(200)，其中，所述膜片(104)与所述压电衬底(106)机械地连接。

3.根据上述权利要求中任一项所述的超声波相位阵列传感器(200)，其中，能够通过相移改变辐射角度。

4.根据上述权利要求中任一项所述的超声波相位阵列传感器(200)，其中，能够通过相移控制辐射方向(608)。

5.根据权利要求3所述的超声波相位阵列传感器(200)，其中，所述超声波相位阵列传感器(200)包括通过相移进行的障碍物高度测量。

6.根据上述权利要求中任一项所述的超声波相位阵列传感器(200)，其中，所述超声波相位阵列传感器(200)以多个几何形状(202)实施，即圆形、矩形、椭圆形、三角形或者正方形。

7.根据上述权利要求中任一项所述的超声波相位阵列传感器(200)，其中，能够任意地选择所述电触点(102)的数量。

8.根据上述权利要求中任一项所述的超声波相位阵列传感器(200)，其中，所述电触点(102)划分为单个的、电分离的区域，其中，能够单独地操控每个区域或者多个单个的区域。

9.根据上述权利要求中任一项所述的超声波相位阵列传感器(200)，在所述超声波相位阵列传感器中，所述膜片(104)提供对环境影响的防护，其中，所述膜片(104)包括防潮的且防尘的材料。

10.根据上述权利要求中任一项所述的超声波相位阵列传感器(200)在汽车应用中的使用，其中，所述超声波相位阵列传感器(200)构造为泊入传感器。