專利名稱：具有超聲波發(fā)射裝置和接收裝置的超聲傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲傳感器。
背景技術(shù)：
超聲傳感器安裝在例如機動車輛上。當司機停車或?qū)④囕v轉(zhuǎn)彎時，該傳感器檢測傳感器(即，車輛)與障礙物之間的距離。超聲傳感器例如在JP-A-2001-16694中有所披露。用于檢測障礙物的傳感器包括發(fā)射裝置和接收裝置，用于發(fā)射超聲波和接收超聲波。該傳感器可包括發(fā)射/接收裝置。當發(fā)射裝置發(fā)射超聲波時，超聲波碰到障礙物。障礙物將超聲波反射；然后，由接收裝置接收反射的超聲波?；谟山邮昭b置接收的超聲波，檢測超聲波的聲壓、時滯和/或相差，以便計算出到障礙物的方向和障礙物與車輛之間的距離。此外，能夠檢測障礙物的凹凸情況。
超聲波的接收裝置例如為具有振子的超聲元件，振子由設(shè)置在作為基片薄片部分的薄膜上的壓電薄膜組成。具有薄膜結(jié)構(gòu)的超聲元件例如在JP-A-2003-284182中有所披露。該元件通過微加工方法形成，從而，該元件被稱為MEMS(即，micro electro mechanical system，微電子機械系統(tǒng))型超聲元件。JP-A-2003-284182還披露了包含MEMS型超聲元件的超聲陣列傳感器。
MEMS型超聲元件90R如圖13A所示。在元件90R中，作為鐵電物質(zhì)的PZT陶瓷薄膜層2夾在一對電極3a、3b之間。元件90R還包括用于檢測超聲波的具有預(yù)定諧振頻率的壓電傳感器。當元件90R工作時，在兩個電極3a、3b之間施加預(yù)定偏壓，以便改變(即，控制)元件90R的諧振頻率。
圖13B說明通過使用超聲波的定位測量方法，該方法在JP-A-2003-284182中有所披露。超聲傳感器900包括作為超聲波發(fā)射裝置的超聲波源40和作為超聲波接收裝置的超聲陣列裝置A90R。超聲陣列裝置A90R包括排成陣列的多個MEMS型超聲元件90R。在傳感器900中，源40與傳感裝置A90R相鄰，并且發(fā)射超聲波。超聲波碰到作為障礙物的物體51，52；然后，由物體51，52反射超聲波。從而，超聲波返回到傳感器900。返回的超聲波由傳感裝置A90R中的每個傳感元件90R接收。基于接收的超聲波，確定出物體51，52的位置，包括到物體51，52的方向角。具體而言，基于在傳感元件90R的各個入射方向的超聲波傳輸時間，計算出在傳感元件90R與物體51，52之間沿入射方向的距離。從而，確定出在不同入射方向的距離分布。因此，確定出物體51，52與傳感元件90R之間在物體51，52景深方向上的距離。這里，超聲波傳輸時間是從源40發(fā)射超聲波時的發(fā)射時間到超聲波返回到傳感元件90R時的返回時間之間的時間。
這里，源40和傳感裝置A90R彼此分開。因此，源40和傳感裝置A90R中每個的制造成本都很必要。此外，當將源40和傳感裝置A90R安裝在車輛的保險杠上時，源40和傳感裝置A90R各自的安裝精度影響著對物體方向和距離的檢測精度。此外，源40與傳感裝置A90R之間的安裝距離可以增大。
此外，通常，當將超聲傳感裝置直接安裝到車輛的保險杠上時，由于附著在傳感元件表面上的水滴或灰塵的緣故，傳感裝置不能精確地檢測到物體的距離。此外，通過空氣傳輸?shù)某暡ǖ乃p取決于空氣的溫度和濕度。這些溫度和濕度會根據(jù)車輛周圍的環(huán)境而改變。從而，物體的檢測精度取決于溫度變化和濕度變化。特別是，車輛周圍的環(huán)境溫度可以通過外部溫度傳感器等進行檢測。然而，不存在安裝在車輛外側(cè)的適當?shù)耐獠繚穸葌鞲衅?。從而，不能檢測車輛周圍的環(huán)境濕度。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問題，本發(fā)明的一個目的在于提供一種具有超聲波發(fā)射裝置和接收裝置的超聲傳感器。
用于檢測物體的超聲傳感器包括基片；發(fā)射裝置，用于發(fā)射超聲波；多個接收裝置，用于接收超聲波；以及用于處理接收的超聲波的電路，所述接收的超聲波是在由發(fā)射裝置發(fā)射的超聲波被物體反射之后由接收裝置接收到的。發(fā)射裝置和接收裝置被集成到基片中。
與傳統(tǒng)傳感器相比，上述傳感器的尺寸被最小化了。此外，降低了傳感器的制造成本。此外，精確地確定了發(fā)射裝置與接收裝置之間的定位關(guān)系；并且因此，傳感器的檢測精度不受傳感器的安裝精度影響。
或者，接收裝置的數(shù)量可等于或大于三，以便電路能夠檢測操作故障。此外，發(fā)射裝置和三個接收裝置中的每一個都具有用于發(fā)射或接收超聲波的表面，該表面與地面垂直。這三個接收裝置由第一至第三接收裝置組成。第一接收裝置設(shè)置在第三接收裝置之上，并且設(shè)置在第二接收裝置的左側(cè)。所述電路能夠基于由第一和第二接收裝置接收到的所述接收的超聲波，計算出在平行于地面的水平平面內(nèi)物體與傳感器之間的水平平面距離以及在該水平平面內(nèi)從傳感器到物體的水平平面方向角。該電路還能夠基于由第一和第三接收裝置接收到的所述接收的超聲波，計算出在垂直于地面的垂直平面內(nèi)物體與傳感器之間的垂直平面距離以及在該垂直平面內(nèi)從傳感器到物體的垂直平面方向角。該電路能夠基于由第二和第三接收裝置接收到的所述接收的超聲波，檢查水平和垂直平面距離以及水平和垂直平面方向角，以便該電路能夠檢測操作故障。
或者，接收裝置的數(shù)量可等于或大于四。此外，發(fā)射裝置和四個接收裝置中的每一個都具有用于發(fā)射或接收超聲波的表面，該表面與地面垂直。這四個接收裝置由第一至第四接收裝置組成。第一接收裝置設(shè)置在第三接收裝置之上，并且設(shè)置在第二接收裝置的左側(cè)。第四接收裝置設(shè)置在第二接收裝置之下，并且設(shè)置在第三接收裝置的右側(cè)。所述電路能夠基于由第一和第二接收裝置接收到的所述接收的超聲波，計算出在平行于地面的水平平面內(nèi)物體與傳感器之間的水平平面距離以及在該水平平面內(nèi)從傳感器到物體的水平平面方向角，還能夠基于由第一和第三接收裝置接收到的所述接收的超聲波，計算出在垂直于地面的垂直平面內(nèi)物體與傳感器之間的垂直平面距離以及在該垂直平面內(nèi)從傳感器到物體的垂直平面方向角，從而獲得物體的第一數(shù)據(jù)。所述電路能夠基于由第三和第四接收裝置接收到的所述接收的超聲波，計算出水平平面距離和水平平面方向角，還能夠基于由第二和第四接收裝置接收到的所述接收的超聲波，計算出垂直平面距離和垂直平面方向角，從而獲得物體的第二數(shù)據(jù)。該電路能夠檢查第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)，以便電路能夠檢測操作故障。
或者，發(fā)射裝置能夠發(fā)射具有不同頻率的多個超聲波，以便電路能夠補償濕度。此外，發(fā)射裝置能夠發(fā)射具有第一頻率的第一超聲波和具有第二頻率的第二超聲波。接收裝置的數(shù)量等于或大于三。發(fā)射裝置和三個接收裝置中的每一個都具有用于發(fā)射或接收超聲波的表面，該表面與地面垂直。這三個接收裝置由第一至第三接收裝置組成。第一接收裝置設(shè)置在第三接收裝置之上，并且設(shè)置在第二接收裝置的左側(cè)。所述電路能夠基于由第一和第二接收裝置接收到的具有第一頻率的接收的超聲波，計算出在平行于地面的水平平面內(nèi)物體與傳感器之間的水平平面距離以及在該水平平面內(nèi)從傳感器到物體的水平平面方向角，并且還能夠基于由第一和第三接收裝置接收到的具有第一頻率的接收的超聲波，計算出在垂直于地面的垂直平面內(nèi)物體與傳感器之間的垂直平面距離以及在該垂直平面內(nèi)從傳感器到物體的垂直平面方向角。該電路能夠計算出具有第一頻率的發(fā)射的超聲波與接收的超聲波之間的第一衰減損耗。該電路能夠計算出具有第二頻率的發(fā)射的超聲波與接收的超聲波之間的第二衰減損耗。該電路能夠基于第一和第二衰減損耗以及從外部溫度傳感器獲得的溫度計算出環(huán)境濕度。
或者，發(fā)射裝置和接收裝置中的每一個都可以由超聲元件提供。該超聲元件設(shè)置在基片的薄膜上。超聲元件包括壓電薄膜和一對金屬電極，以提供壓電振子。壓電薄膜夾在金屬電極之間。壓電振子能夠在預(yù)定超聲頻率與薄膜一起發(fā)生諧振。此外，發(fā)射裝置的壓電薄膜包括局部切割圖案，該局部切割圖案設(shè)置在薄膜的徑向方向振動的應(yīng)力集中區(qū)上。此外，薄膜被局部切割圖案分隔成四片。薄膜具有方形平面(planar)形狀，薄膜的每一片都具有方形平面形狀。局部切割圖案穿透金屬電極和壓電薄膜的其中之一。


參照附圖，通過后面給出的詳細描述，本發(fā)明的以上及其他目的、特征和優(yōu)點將會更加清楚。其中圖1A是顯示根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的超聲傳感器的俯視圖，圖1B是顯示安裝在電路板上的傳感器的示意性透視圖；圖2A是顯示傳感器中的超聲元件的平面圖，圖2B是顯示沿圖2A中的線IIB-IIB作出的該元件的橫截面圖；圖3是顯示根據(jù)實施例的變形的另一超聲傳感器的平面圖；圖4A是顯示根據(jù)實施例的第二變形的超聲元件的平面圖，圖4B是顯示沿圖4A中的線IVB-IVB作出的該元件的橫截面圖；圖5A是顯示根據(jù)實施例的第三變形的超聲元件的平面圖，圖5B是顯示沿圖5A中的線VB-VB作出的該元件的橫截面圖；圖6A是顯示根據(jù)實施例的第四變形的超聲元件的平面圖，圖6B是顯示沿圖6A中的線VIB-VIB作出的該元件的橫截面圖，圖6C是顯示圖6B中的元件的部分VIC的局部放大橫截面圖；圖7A是顯示根據(jù)實施例的第五變形的超聲元件的平面圖，圖7B是顯示沿圖7A中的線VIIB-VIIB作出的該元件的橫截面圖；圖8A是顯示根據(jù)實施例的第六變形的超聲元件的平面圖，圖8B是顯示沿圖8A中的線VIIIB-VIIIB作出的該元件的橫截面圖，圖8C是顯示沿圖8A中的線VIIIC-VIIIC作出的該元件的橫截面圖；圖9A是說明由接收裝置接收到的在X-Y平面中的接收的超聲波的示意圖，圖9B是說明由接收裝置接收到的在Z平面中的接收的超聲波的示意圖，圖9C是顯示來自發(fā)射裝置和四個接收裝置的信號的時序圖；圖10是顯示根據(jù)實施例的第七變形的來自發(fā)射裝置和四個接收裝置的具有兩個不同頻率的信號的時序圖；圖11A是顯示根據(jù)實施例的第八變形的超聲傳感器的俯視圖，
圖11B是顯示根據(jù)第八變形的來自兩個發(fā)射裝置和四個接收裝置的具有兩個不同頻率的信號的時序圖；圖12是顯示根據(jù)實施例的第九變形的超聲傳感器的俯視圖；以及圖13A是顯示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的超聲元件的局部放大橫截面圖，圖13B是說明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于通過使用超聲波來檢測物體的方法的示意圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的超聲傳感器100如圖1A和1B所示。圖1B顯示了安裝在電路板K上的傳感器100。傳感器100包括一個發(fā)射裝置S1和四個接收裝置R1-R4，它們被集成在同一半導(dǎo)體基片10上。圖2A顯示了用于提供每個發(fā)射裝置S1和接收裝置R1-R4的超聲元件90。
超聲元件90類似于圖13A所示的作為接收裝置的MEMS型超聲元件90R。超聲元件90的發(fā)射裝置S1具有與超聲元件90的接收裝置R1-R4相同的結(jié)構(gòu)。
超聲元件90由SOI(即，silicon-on-insulator，絕緣硅)半導(dǎo)體基片10形成?；?0包括作為支撐層的第一半導(dǎo)體層1a、嵌入氧化物層1b、第二半導(dǎo)體層1c和保護氧化物膜1d。作為基片10的薄片部分的薄膜M通過利用半導(dǎo)體微加工方法形成。壓電振子20形成在薄膜M上以覆蓋薄膜M。壓電振子20包括壓電薄膜2和一對金屬電極3a、3b。具體而言，壓電薄膜2夾在一對由金屬膜形成的金屬電極3a、3b之間。
當將超聲元件90用作發(fā)射裝置S1時，向壓電振子20的金屬電極3a、3b施加交變電壓，以便薄膜M與壓電振子20一起以預(yù)定超聲頻率諧振。從而，發(fā)射了超聲波。當將超聲元件90用作接收裝置R1-R4時，所要測量的由物體反射的返回超聲波使薄膜M與壓電振子20一起諧振，以便壓電振子20將返回超聲波轉(zhuǎn)換成電信號。從而，接收了超聲波。
當將超聲元件90用作發(fā)射裝置S1時，優(yōu)選地發(fā)射裝置S1中的薄膜M的平面區(qū)相對較大。這是由于需要生成自發(fā)射裝置S1輸出的大的超聲聲壓。從而，優(yōu)選地發(fā)射裝置S1中的薄膜M的平面區(qū)比接收裝置R1-R4中的更大。從而，發(fā)射裝置S1能夠發(fā)射具有較大聲壓的超聲波。然而，只要接收裝置R1-R4具有足夠的超聲波靈敏度，接收裝置R1-R4中的薄膜M的平面區(qū)就可相對較小。
圖3顯示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的另一超聲傳感器100a。在這種情況下，發(fā)射裝置S1a中的薄膜Ms的平面區(qū)大于接收裝置R1-R4中的薄膜Mr的平面區(qū)。
圖4A至8C顯示用作發(fā)射裝置S的其他超聲元件91-95。
如圖4A和4B所示的超聲元件91包括具有SOI結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體基片。壓電振子21形成在薄膜M上，而薄膜M又構(gòu)成基片10的薄片部分。壓電振子21覆蓋薄膜M。壓電振子21還包括壓電薄膜2和金屬電極3a、3b。壓電薄膜2夾在金屬電極3a、3b之間。
在超聲元件91的壓電振子21中，壓電薄膜2包括作為凹槽的局部切割圖案2a，該局部切割圖案2a將壓電薄膜4分隔成四部分。該局部切割圖案2a通過去除壓電薄膜2的一部分來獲得，薄膜M的徑向振動所引起的應(yīng)力在該部分處集中。因此，降低了作為應(yīng)力集中區(qū)的該部分壓電薄膜2的剛性，從而使薄膜M易于彎曲，即，提高了薄膜M的撓性。因此，壓電振子21能夠發(fā)射(即，輸出)具有足夠大聲壓的超聲波。
在如圖5A和5B所示的超聲元件92的壓電振子22中，壓電薄膜2包括作為局部凹槽的局部凹形圖案2b。減少了作為薄膜M徑向振動的應(yīng)力集中區(qū)的該部分壓電薄膜2的厚度，從而形成了局部凹形圖案2b。從而，提高了薄膜M的撓性，以使壓電振子21能夠輸出具有足夠大聲壓的超聲波。
如圖6A至6C所示的超聲元件93的壓電振子23由多個層形成，該多個層由多個壓電薄膜2和多個金屬電極3a-3c組成，該多個壓電薄膜2和該多個金屬電極3a-3c交替層疊。當將電壓施加到壓電振子23上時，壓電振子23的變形增大。從而，薄膜M的振動幅度增大，以使振子23輸出具有足夠大聲壓的超聲波。
在如圖7A和7B所示的超聲元件94的壓電振子24中，壓電振子24和薄膜Md在基片10上懸伸。從而，能夠使薄膜Md充分變形，即，在薄膜Md中不存在阻止薄膜Md變形的部分。從而，當將電壓施加到壓電振子24上以使壓電振子24變形時，薄膜Md也會大大變形。因此，壓電振子24輸出具有足夠大聲壓的超聲波。
在圖8A至8C所示的超聲元件95的壓電振子25中，薄膜Me按照這樣的方式形成通過犧牲刻蝕法(sacrifice etching method)將基片10的嵌入氧化物層1b的一部分挖空即，從基片10的上表面?zhèn)惹懈?。在薄膜Me和梁架Ha周圍形成用于犧牲刻蝕法的孔H。因此，薄膜Me的外圍部分通過梁架Ha被部分地支撐在基片10上。從而，防止薄膜Me變形的薄膜Me的干擾部分變小。當將電壓施加到壓電振子25上以使薄膜Me變形時，梁架Ha發(fā)生扭曲并且，梁架Ha大大變形；從而使薄膜Me大大變形。從而，振子25輸出具有足夠大聲壓的超聲波。
由于每個超聲元件91-95能夠輸出具有足夠大聲壓的超聲波，元件91-95能夠提供具有高檢測精度的超聲傳感器100的發(fā)射裝置S1。這里，元件91-95還可提供超聲傳感器100的接收裝置R1-R4。
接著，參照圖9A至9C，描述通過使用超聲傳感器100檢測物體的方法。在圖9A至9C中，將超聲傳感器100的基片表面設(shè)置成與地面垂直。具體而言，發(fā)射裝置S1的表面與地面垂直。這里，圖9A中的X-Y平面與地面平行。圖9B中的Z軸與地面垂直。圖9A顯示X-Y平面中的超聲傳感器100的接收裝置R1，R2和接收超聲波。具體而言，自發(fā)射裝置S1發(fā)射的超聲波被障礙物50反射，然后反射的超聲波被接收裝置R1，R2接收作為接收超聲波。圖9B顯示Z-X，Y平面中的超聲傳感器100的接收裝置R1，R3和接收超聲波。這里，圖9B中的Z-X，Y平面與地面垂直。ΔL表示接收超聲波的行程差。圖9C是顯示由發(fā)射裝置S1輸出的超聲波的交替脈沖信號和由四個接收裝置R1-R4接收的超聲波的四個交替脈沖信號的時序圖。
圖9A中，Dx表示在X-Y平面中超聲傳感器100的中心與障礙物50之間的距離。距離Dx是基于由發(fā)射裝置S1輸出的S信號No.1、由接收裝置R1接收的R信號No.1和由接收裝置R2接收的R信號No.2計算出的。接收裝置R1，R2設(shè)置在圖1中的傳感器100的上側(cè)。具體而言，從R信號No.1和No.2的接收時間(即，到達時間)與S信號No.1的發(fā)射時間(即，輸出時間)之間的平均時間差ΔTx計算出距離Dx。
圖9中，θx表示在X-Y平面中到障礙物50的方向角。方向角θx從作為參考軸的X軸測量出。方向角θx是基于來自接收裝置R1和R2的R信號No.1和No.2獲得的。具體而言，從R信號No.1與R信號No.2之間的相差ΔPx計算出方向角θx。
圖9B中，Dz表示在垂直于地面的Z-X，Y平面中超聲傳感器100的中心與障礙物50之間的距離。距離Dz是基于來自發(fā)射裝置S1的S信號No.1、來自接收裝置R1的R信號No.1和由接收裝置R3接收的R信號No.3計算出的。接收裝置R1，R3設(shè)置在圖1中的傳感器100的左側(cè)。具體而言，從R信號No.1和No.3的接收時間與S信號No.1的發(fā)射時間之間的平均時間差ΔTz計算出距離Dz。
圖9B中，θz表示在Z-X，Y平面中到障礙物50的方向角。方向角θz從作為參考平面的X-Y平面測量出。基于來自接收裝置R1和R3的R信號No.1和No.3獲得方向角θz。具體而言，從R信號No.1與R信號No.3之間的相差ΔPz計算出方向角θz。
基于距離Dx、Dz和方向角θx、θz，確定出障礙物50與傳感器100之間的距離以及到障礙物50的方向。從而，傳感器100檢測出障礙物50。
傳感器100中，將發(fā)射裝置S1和接收裝置R1-R4集成到同一基片10中。因此，與圖13B中所示的傳感器900相比，傳感器100的尺寸和制造成本降低了，其中在該傳感器900中，發(fā)射裝置S1和超聲陣列裝置A90R獨立形成。此外，由于在基片10上精確設(shè)計了(即，確定了)發(fā)射裝置S1和接收裝置R1-R4之間的定位關(guān)系。從而，即使當將傳感器100安裝在機動車輛的保險杠上時，傳感器100在保險杠上的安裝精度也不會影響傳感器100的檢測精度。
即使當發(fā)射裝置S1的數(shù)量和/或接收裝置R1-R4的數(shù)量增加或減少時，和/或即使當發(fā)射裝置S1的尺寸和/或接收裝置R1-R4的尺寸改變時，也能夠僅通過改變掩模來形成傳感器100。從而，傳感器100的制造成本幾乎相同。
盡管傳感器100包括四個接收裝置R1-R4，但是也能夠通過使用三個接收裝置R1-R3檢測出障礙物50。具體而言，通過使用設(shè)置在傳感器100上側(cè)的兩個接收裝置R1、R2獲得在X-Y平面中的距離Dx和自X軸測量的方向角θx。通過使用設(shè)置在傳感器100左側(cè)的兩個接收裝置R1、R3獲得在Z-X，Y平面中的距離Dz和自X-Y平面測量的方向角θz。
但是，還可以通過使用設(shè)置在傳感器100下側(cè)的兩個接收裝置R3、R4獲得在X-Y平面中的距離Dx和自X軸測量的方向角θx。通過使用設(shè)置在傳感器100右側(cè)的兩個接收裝置R2、R4獲得在Z-X，Y平面中的距離Dz和自X-Y平面測量的方向角θz。從而，通過三個接收裝置R2-R4能夠檢測出障礙物50。
因此，在傳感器100中，獲得了到障礙物50的兩個不同的距離和兩個不同的方向角。通過比較關(guān)于障礙物50的這些兩個數(shù)據(jù)，判斷出了傳感器100的操作故障。具體而言，當關(guān)于障礙物的兩個數(shù)據(jù)不相符時，就出現(xiàn)了傳感器100的操作故障。因此，傳感器100具有操作故障檢測功能。
如果傳感器100確定只有一個接收裝置R1-R4運作不正常引起了操作故障，傳感器100能夠通過使用其他三個接收裝置R1-R4檢測出障礙物50。因此，傳感器100具有故障安全(fail safe)功能。
此外，即使當傳感器100只包括三個接收裝置R1-R3時，傳感器100也能具有操作故障檢測功能。具體而言，從兩個接收裝置R1、R2獲得距離Dx和方向角θx，通過使用兩個接收裝置R1、R3獲得距離Dz和方向角θz。因此，基于這樣的兩個組合數(shù)據(jù)檢測出障礙物50，該兩個組合數(shù)據(jù)其中一個從接收裝置R1、R2獲得，另一個從接收裝置R1、R3獲得。從接收裝置R2、R3獲得的另一組合數(shù)據(jù)可用于檢查對于障礙物50的檢測的計算。從而，即使當傳感器100包括三個接收裝置R1-R3時，傳感器100也能具有操作故障檢測功能。
從而，當傳感器100包括三個或更多接收裝置R1-R3時，傳感器100具有操作故障檢測功能。當傳感器100包括四個或更多接收裝置R1-R4時，傳感器100具有故障保護功能。從而，如果由于附著于傳感器100的水滴或灰塵導(dǎo)致出現(xiàn)傳感器100的操作故障，那么傳感器100能夠避免操作故障。
傳感器100能夠輸出兩個或更多個具有不同頻率的不同超聲波，通過控制交變脈沖信號隨時間的頻率從一個發(fā)射裝置S1發(fā)射這些不同的超聲波，所述脈沖信號被施加到發(fā)射裝置S1上。通過使用兩個不同的超聲波，傳感器100能夠利用濕度補償功能檢測障礙物50。這里，輸入電壓被控制為具有不同于薄膜M的諧振頻率之外的頻率范圍，以便發(fā)射具有兩個不同頻率的超聲波。
圖10說明了用于補償濕度的方法。圖10中，發(fā)射裝置S1輸出具有兩個不同頻率f1，f2的兩個不同超聲波。發(fā)射裝置S1發(fā)射具有第一頻率f1的第一超聲波，然后，裝置S1發(fā)射具有第二頻率f2的第二超聲波。第一和第二超聲波周期性(即，以預(yù)定時間間隔)地輸出。在四個接收裝置R1-R4中，檢測與第一超聲波對應(yīng)的第一R信號No.1和與第二超聲波對應(yīng)的第二R信號No.1直至與第一超聲波對應(yīng)的第一R信號No.4和與第二超聲波對應(yīng)的第二R信號No.4。圖10中與第一超聲波對應(yīng)的第一R信號No.1-4和第一S信號No.1之間的關(guān)系與圖9C所示的相同。此外，圖10中與第二超聲波對應(yīng)的第二R信號No.1-4和第二S信號No.1之間的關(guān)系與圖9C所示的相同。
圖10中，第一頻率f1的第一S信號No.1的交變脈沖信號的高度等于第二頻率f2的第二S信號No.1的交變脈沖信號的高度。但是，第一頻率f1的第一R信號No.1的高度高于第二頻率f2的第二R信號No.1的高度，即，與第一頻率f1的第一R信號No.1相比，第二頻率f2的第二R信號No.1大大衰減了。類似地，第二R信號No.2-4也大大衰減(即，縮小)了。
這里，超聲波的衰減損耗P(即，吸收損耗)通過下式獲得P∝e-mr(F1)
m=(33+0.2T)f2×10-12+Mfk2πf+2πfk---(F2)]]>k=1.92×(G0G×h)1.3×105---(F3)]]>這里，m表示吸收系數(shù)，r表示傳輸距離，M表示預(yù)定系數(shù)，f表示頻率，T表示溫度，G0表示飽和蒸汽壓力，G表示總氣壓，以及h表示濕度。
從上述公式F1看出，衰減損耗P取決于頻率f。隨著超聲波頻率f變大，衰減損耗也變大。此外，衰減損耗P不僅取決于頻率，還取決于發(fā)射環(huán)境的溫度T和濕度h。超聲波的頻率f是預(yù)先確定的。環(huán)境的溫度T可通過外部溫度傳感器等檢測。當傳感器100安裝在車輛上時，能夠很容易地檢測出溫度T(即，外部溫度)。然而，并不能很容易地通過濕度傳感器檢測出環(huán)境的濕度h(即，外部濕度h)。這是由于沒有合適的用于檢測車輛周圍的外部濕度的濕度傳感器。
然而，由于測量出了具有兩個不同頻率f1，f2的接收的超聲波，能夠基于從兩個不同頻率f1，f2獲得的兩個衰減損耗P的差計算出濕度h。這個計算出的濕度h用于補償在傳感器100中預(yù)先確定并存儲的標準濕度。從而，傳感器100具有濕度補償功能。在這種情況下，傳感器100針對濕度變化的檢測精度大大改善。
盡管傳感器100只包括一個發(fā)射裝置S1，但優(yōu)選地傳感器100包括兩個或更多個發(fā)射裝置S1。當傳感器100包括兩個發(fā)射裝置S1時，每個發(fā)射裝置S1能夠輸出具有高Q值的不同頻率的超聲波，裝置S1通過使用薄膜M的不同諧振頻率輸出波。
圖11顯示具有兩個發(fā)射裝置S1、S2的超聲傳感器101。傳感器101能夠通過使用用于輸出兩個不同超聲波的兩個發(fā)射裝置S1、S2，同時輸出具有不同頻率f1、f2的兩個超聲波。從而，無需對車輛運動進行補償。這里，由于具有不同頻率f1、f2的超聲波具有相同的傳輸速度，所以反射的超聲波同時到達傳感器100處。因此，需要進行頻率分析，以將接收超聲波分解成具有第一頻率f1的分量和具有第二頻率f2的分量。
圖12顯示具有發(fā)射裝置S1和八個接收裝置R1-R8的超聲傳感器102。發(fā)射裝置S1周圍圍繞著八個接收裝置R1-R8。在這種情況下，優(yōu)選地將兩個接收裝置R1-R8排列成關(guān)于發(fā)射裝置S1對稱。具體而言，將一對接收裝置R1、R8，一對接收裝置R2、R7，一對接收裝置R3、R6和一對接收裝置R4、R5排列成關(guān)于發(fā)射裝置S1對稱，以便每對接收裝置R1-R8圍繞著發(fā)射裝置S1。
在這種情況下，由于每對接收裝置R1-R8對稱設(shè)置，反射的自發(fā)射裝置S1輸出的超聲波按照這樣一種方式返回到該對接收裝置R1-R8接收裝置R1-R8的一對中的一個接收到的接收超聲波的聲壓與接收裝置R1-R8的該對中的另一個所接收到的接收超聲波的聲壓幾乎相等。因此，改善了障礙物50的檢測精度。
從而，每個傳感器100、100a、101、102具有較小的尺寸和較低的制造成本，并且傳感器100、100a、101、102的檢測精度不受傳感器在車輛上的安裝精度的影響。此外，傳感器100、100a、101、102具有較高檢測精度，即使水滴或灰塵附著在傳感器100、100a、101、102上以及即使傳感器100、100a、101、102周圍的濕度發(fā)生改變。
盡管傳感器100、100a、101、102包括一個發(fā)射裝置S1和四個或八個接收裝置R1-R8，傳感器也可以包括一個或更多個發(fā)射裝置S1和兩個或更多個接收裝置。當傳感器包括多個發(fā)射裝置和多個接收裝置時，來自傳感器的信息增加。此外，當傳感器包括兩個或更多個發(fā)射裝置時，超聲波的聲壓會變得更大，并且超聲波的方向性受到控制。
或者，由于發(fā)射信號可能引起傳感器噪聲，所以可對傳感器中的接收裝置進行排列，以使發(fā)射信號被多個接收裝置接收，以消除發(fā)射信號。具體而言，當將發(fā)射裝置和接收裝置集成到一個基片上時，發(fā)射信號可輸入到接收裝置，以使發(fā)射信號引起傳感器噪聲。從而，通過消除輸入的發(fā)射信號，傳感器噪聲降低了。因此，當障礙物位于接近傳感器的位置時，信號的S/N比提高以檢測出障礙物。
盡管接收裝置包括壓電薄膜以便接收裝置提供壓電型裝置，但是接收裝置也可為用于檢測電極之間的電容改變的電容型裝置。此外，接收裝置可為用于檢測由壓力產(chǎn)生的量規(guī)(gauge)輸出的壓力型裝置。此外，傳感器還可包括這些不同類型接收裝置的組合。
盡管已經(jīng)參照其優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于所述的優(yōu)選實施例和結(jié)構(gòu)。本發(fā)明意在涵蓋各種變形及等效設(shè)置。此外，除優(yōu)選的各種組合和結(jié)構(gòu)外，包括更多，更少或僅單個元件的其他組合和配置也在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測物體(50)的超聲傳感器，包括基片(10)；發(fā)射裝置(S1，S2)，用于發(fā)射超聲波；多個接收裝置(R1-R8)，用于接收所述超聲波；以及電路(K)，用于處理接收的超聲波，所述接收的超聲波是在自所述發(fā)射裝置(S1，S2)發(fā)射的所述超聲波被所述物體(50)反射之后被所述接收裝置(R1-R8)接收的，其中所述發(fā)射裝置(S1，S2)和所述接收裝置(R1-R8)被集成到所述基片(10)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述接收裝置(R1-R8)的數(shù)量等于或大于三，以便所述電路(K)能夠檢測操作故障。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述發(fā)射裝置(S1，S2)和三個接收裝置(R1-R3)的每一個都具有用于發(fā)射或接收所述超聲波的表面，所述表面與地面垂直，所述三個接收裝置(R1-R3)由第一至第三接收裝置(R1-R3)組成，所述第一接收裝置(R1)設(shè)置在所述第三接收裝置(R3)之上，并且設(shè)置在所述第二接收裝置(R2)的左側(cè)，所述電路(K)能夠基于由所述第一和第二接收裝置(R1，R2)接收到的所述接收的超聲波，計算出在平行于所述地面的水平平面內(nèi)所述物體(50)與所述傳感器之間的水平平面距離以及在所述水平平面內(nèi)從所述傳感器到所述物體(50)的水平平面方向角，所述電路(K)還能夠基于由所述第一和第三接收裝置(R1，R3)接收到的所述接收的超聲波，計算出在垂直于所述地面的垂直平面內(nèi)所述物體(50)與所述傳感器之間的垂直平面距離以及在所述垂直平面內(nèi)從所述傳感器到所述物體(50)的垂直平面方向角，以及所述電路(K)能夠基于由所述第二和第三接收裝置(R2，R3)接收到的所述接收的超聲波，檢查所述水平和垂直平面距離以及所述水平和垂直平面方向角，以便所述電路(K)能夠檢測所述操作故障。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述接收裝置(R1-R8)的數(shù)量等于或大于四。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述發(fā)射裝置(S1，S2)和四個接收裝置(R1-R4)的每一個都具有用于發(fā)射或接收所述超聲波的表面，所述表面與地面垂直，所述四個接收裝置(R1-R4)由第一至第四接收裝置(R1-R4)組成，所述第一接收裝置(R1)設(shè)置在所述第三接收裝置(R3)之上，并且設(shè)置在所述第二接收裝置(R2)的左側(cè)，所述第四接收裝置(R4)設(shè)置在所述第二接收裝置(R2)之下，并且設(shè)置在所述第三接收裝置(R3)的右側(cè)，所述電路(K)能夠基于由所述第一和第二接收裝置(R1，R2)接收到的所述接收的超聲波，計算出在平行于所述地面的水平平面內(nèi)所述物體(50)與所述傳感器之間的水平平面距離以及在所述水平平面內(nèi)從所述傳感器到所述物體(50)的水平平面方向角，還能夠基于由所述第一和第三接收裝置(R1，R3)接收到的所述接收的超聲波，計算出在垂直于所述地面的垂直平面內(nèi)所述物體(50)與所述傳感器之間的垂直平面距離以及在所述垂直平面內(nèi)從所述傳感器到所述物體(50)的垂直平面方向角，從而獲得所述物體(50)的第一數(shù)據(jù)，所述電路(K)能夠基于由所述第三和第四接收裝置(R3，R4)接收到的所述接收的超聲波，計算出所述水平平面距離和所述水平平面方向角，還能夠基于由所述第二和第四接收裝置(R2，R4)接收到的所述接收的超聲波，計算出所述垂直平面距離和所述垂直平面方向角，從而獲得所述物體(50)的第二數(shù)據(jù)，以及所述電路(K)能夠檢查所述第一數(shù)據(jù)和所述第二數(shù)據(jù)，以便所述電路(K)能夠檢測所述操作故障。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述發(fā)射裝置(S1，S2)能夠發(fā)射具有不同頻率的多個超聲波，以使所述電路(K)能夠補償濕度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其中所述發(fā)射裝置(S1)能夠發(fā)射具有第一頻率的第一超聲波和具有第二頻率的第二超聲波，所述接收裝置(R1-R3)的數(shù)量等于或大于三，所述發(fā)射裝置(S1)和三個接收裝置(R1-R3)的每一個都具有用于發(fā)射或接收所述超聲波的表面，所述表面與地面垂直，所述三個接收裝置(R1-R3)由第一至第三接收裝置(R1-R3)組成，所述第一接收裝置(R1)設(shè)置在所述第三接收裝置(R3)之上，并且設(shè)置在所述第二接收裝置(R2)的左側(cè)，所述電路(K)能夠基于由所述第一和第二接收裝置(R1，R2)接收到的具有所述第一頻率的所述接收的超聲波，計算出在平行于所述地面的水平平面內(nèi)所述物體(50)與所述傳感器之間的水平平面距離以及在所述水平平面內(nèi)從所述傳感器到所述物體(50)的水平平面方向角，還能夠基于由所述第一和第三接收裝置(R1，R3)接收到的具有所述第一頻率的所述接收的超聲波，計算出在垂直于所述地面的垂直平面內(nèi)所述物體(50)與所述傳感器之間的垂直平面距離以及在所述垂直平面內(nèi)從所述傳感器到所述物體(50)的垂直平面方向角，所述電路(K)能夠計算出具有所述第一頻率的所述發(fā)射的超聲波與所述接收的超聲波之間的第一衰減損耗，所述電路(K)能夠計算出具有所述第二頻率的所述發(fā)射的超聲波與所述接收的超聲波之間的第二衰減損耗，以及所述電路(K)能夠基于所述第一和第二衰減損耗以及從外部溫度傳感器獲得的溫度計算出環(huán)境濕度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，還包括第二發(fā)射裝置(S2)，用于發(fā)射具有第二頻率的第二超聲波，所述第二頻率不同于自所述發(fā)射裝置(S1)發(fā)射的所述超聲波的頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述接收裝置(R1-R8)按照這樣的方式圍繞著所述發(fā)射裝置(S1)所述接收裝置(R1-R8)的一對被設(shè)置成關(guān)于所述發(fā)射裝置(S1)對稱。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器，其中所述接收裝置(R1-R8)的數(shù)量等于八，所述發(fā)射裝置(S1)設(shè)置在所述傳感器的中心，以及每個接收裝置按照這樣的方式設(shè)置在所述發(fā)射裝置(S1)的周圍四對接收裝置(R1-R8)中的每一對都設(shè)置成關(guān)于所述發(fā)射裝置(S1)對稱。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項所述的傳感器，其中所述發(fā)射裝置(S1，S2)和所述接收裝置(R1-R8)的每一個都可由超聲元件(90-95)提供，所述超聲元件(90-95)設(shè)置在所述基片(10)的薄膜(M)上，所述超聲元件(90-95)包括壓電薄膜(2)和一對金屬電極(3a-3c)，以提供壓電振子(20-25)，所述壓電薄膜(2)夾在所述金屬電極(3a-3c)之間，以及所述壓電振子(20-25)能夠在預(yù)定超聲頻率與所述薄膜(M)一起諧振。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中所述發(fā)射裝置(S1)具有所述薄膜(M)的平面區(qū)，以及每個接收裝置(R1-R4)都具有所述薄膜(M)的平面區(qū)，所述接收裝置的薄膜(M)的平面區(qū)小于所述發(fā)射裝置(S1)的薄膜(M)的平面區(qū)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中所述發(fā)射裝置(S1)的所述壓電薄膜(2)包括局部切割圖案(2a)，所述局部切割圖案(2a)設(shè)置在所述薄膜(M)的徑向方向振動的應(yīng)力集中區(qū)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述薄膜(M)被所述局部切割圖案(2a)分隔成四片，所述薄膜(M)具有方形平面形狀，并且所述薄膜(M)的每片都具有方形平面形狀，以及所述局部切割圖案(2a)穿透所述金屬電極(3b)和所述壓電薄膜(2)的其中之一。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中所述發(fā)射裝置(S1)的所述壓電薄膜(2)包括局部凹形圖案(2b)，所述局部凹形圖案(2b)設(shè)置在所述薄膜(M)的徑向方向振動的應(yīng)力集中區(qū)上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的傳感器，其中所述薄膜(M)被所述局部凹形圖案(2b)分隔成四部分，所述薄膜(M)具有方形平面形狀，并且所述薄膜(M)的每部分都具有方形平面形狀，以及所述局部凹形圖案(2b)穿透所述金屬電極(3b)之一并到達所述壓電薄膜(2)。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中所述壓電振子(23)包括交替層疊的多個壓電薄膜(3a-3c)和多個金屬電極(2)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中所述壓電振子(24)和所述薄膜(M)在所述基片(10)上懸伸。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器，其中通過犧牲刻蝕法從所述基片(10)的表面去除一部分基片(10)來提供所述薄膜(M)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項所述的傳感器，其中所述傳感器能夠安裝在機動車輛上。
全文摘要
一種用于檢測物體(50)的超聲傳感器，包括基片(10)；發(fā)射裝置(S1，S2)，用于發(fā)射超聲波；多個接收裝置(R1－R8)，用于接收超聲波；以及電路(K)，用于處理接收的超聲波，所述接收的超聲波是在由所述發(fā)射裝置(S1，S2)發(fā)射的所述超聲波被所述物體(50)反射之后被接收裝置(R1－R8)接收的。發(fā)射裝置(S1，S2)和接收裝置(R1－R8)被集成到基片(10)中。傳感器的尺寸得以最小化，并且提高了傳感器的檢測精度。
文檔編號H01L41/00GK1829395SQ20061001983
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月1日
發(fā)明者杉浦真紀子, 吉田貴彥 申請人:株式會社電裝