具有由纖維復(fù)合材料制成的膜片的聲學(xué)傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聲學(xué)傳感器，其包括傳感器殼體和具有壓電致動器的有振動能力 的膜片。本發(fā)明還涉及所述傳感器的應(yīng)用及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在一般情況下聲學(xué)傳感器將聲學(xué)信號或通過聲學(xué)信號引起的可變聲壓 (SchallwechseldrUcke)變換成電信號、尤其電壓。在這種情況下聲學(xué)傳感器用作接收器。 反之聲學(xué)傳感器也可以作為發(fā)射器起作用，其將電信號轉(zhuǎn)換成聲學(xué)信號。為了從空間接收 聲學(xué)信號或向空間發(fā)射聲學(xué)信號通常使用由有振動能力的膜片與結(jié)合壓電致動器的組合， 以便引起機電交互作用。在此，這種傳感器的作用方式以膜片的彈性變形與由此在壓電材 料中導(dǎo)致的電壓（壓電效應(yīng)）之間的直接關(guān)系為基礎(chǔ)。
[0003] 在汽車工業(yè)中將這種類型的聲學(xué)傳感器、尤其超聲波傳感器作為距離傳感器使 用，以便例如在駕駛輔助系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行距離測量。對此，控制作為發(fā)射器的超聲波傳感器用于 發(fā)射超聲波脈沖，并且通過作為接收器起作用的超聲波傳感器探測被反射的超聲波脈沖。 在此可以使用不同構(gòu)型的超聲波傳感器。
[0004] 從DE 10 2010 044 995 Al中已知一種用于駕駛輔助裝置的超聲波轉(zhuǎn)換器，所述 超聲波轉(zhuǎn)換器兩件式地以轉(zhuǎn)換器罐形式構(gòu)型。在此，膜片具有由第一材料制成的底，所述底 構(gòu)造有由與第一材料制不同的第二材料制成的空心體。此外，由金屬材料制成的膜片通過 粘接部與由一種非金屬材料制成的空心體連接。
[0005] 從DElO 2008 040 905 Al中已知一種具有殼體的超聲波傳感器，所述超聲波傳感 器一件式地構(gòu)型為罐式轉(zhuǎn)換器。在此，超聲波傳感器包括底面和環(huán)形包圍所述底面的由金 屬材料制成的側(cè)壁。從EP 0 308 931 Al中已知一種罐式轉(zhuǎn)換器形式的超聲波轉(zhuǎn)換器的另 一實施方式。在此，膜片形成一件式實施的罐式轉(zhuǎn)換器的底并且包括纖維復(fù)合材料，其他組 成部分一一如與壓電陶瓷復(fù)合的聚酰亞胺層與所述纖維復(fù)合材料鄰接。
[0006] 以上所述類型的聲學(xué)傳感器在其功能方式方面如下受限制，對于距離測量僅僅能 夠使用低帶寬的信號頻率。附加地，振動衰減時間長并且限制可實現(xiàn)的掃描頻率。
[0007] 但是對于一些應(yīng)用一一如駕駛輔助系統(tǒng)范圍中的環(huán)境檢測，對聲學(xué)傳感器提出高 要求。例如傳感器和所屬測量參數(shù)應(yīng)能夠最佳地與在行駛期間變化的環(huán)境匹配。由此能夠 分別根據(jù)情況提高掃描率并且因此提高系統(tǒng)的精度。例如在運動的、在反射中使頻率發(fā)生 偏移的對象的情況下產(chǎn)生一個問題。如果傳感器是窄帶的，則具有已偏移的頻率的回波信 號不再能夠被充分地接收。因此，持續(xù)的興趣在于，如此設(shè)計傳感器，使得在寬的參數(shù)范圍 上也能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的測量運行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明提出一種聲學(xué)傳感器、尤其超聲波傳感器，其包括傳感器殼體并且具 有轉(zhuǎn)換器元件的、尤其壓電致動器的有振動能力的膜片，其中，膜片由纖維復(fù)合材料制造并 且作為單獨的部件與傳感器殼體連接。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的聲學(xué)傳感器的傳感器殼體可以由至少在一側(cè)是敞開的空心體形成。 在這里有振動能力的膜片設(shè)置在空心體的敞開的端面處。因此，膜片形成傳感器殼體的底， 并且聲學(xué)傳感器構(gòu)造為聲學(xué)罐式轉(zhuǎn)換器。優(yōu)選地，空心體在兩側(cè)敞開地構(gòu)型，以便必要時將 用于運行傳感器的裝置、尤其是控制和調(diào)節(jié)電子元件連接在與膜片相對置的端面之上。 [0010] 傳感器殼體的或空心體的側(cè)壁在與膜片平行的平面內(nèi)具有多角形的、圓形的或橢 圓形的輪廓。此外，側(cè)壁可以以恒定的壁厚或階梯狀的內(nèi)部輪廓實施，其中，階梯狀的內(nèi)部 輪廓在側(cè)壁的圓周上沿著整個圓周或分區(qū)段地構(gòu)造。階梯狀在這里表示，側(cè)壁包括不同壁 厚的至少兩個區(qū)段。例如與膜片鄰接的下側(cè)壁區(qū)段比上側(cè)壁區(qū)段具有較大的壁厚。在此， 上側(cè)壁區(qū)段可以在大于10 %并且尤其小于90 %之上延伸。此外，可以在這兩個側(cè)壁區(qū)段之 間構(gòu)造至少一個合適的、尤其朝側(cè)壁傾斜約45°的區(qū)段。
[0011] 尤其鋁、陶瓷、塑料或者鋼適合作為用于傳感器殼體或空心體的材料。此外，傳感 器殼體的材料可以與膜片的材料相符并且同樣包括纖維復(fù)合材料。在此，膜片與傳感器殼 體可以包括相同的或不同的纖維復(fù)合材料。傳感器殼體或空心體優(yōu)選由鋁或陶瓷制造。
[0012] 在本發(fā)明的一個實施方式中，所述傳感器殼體包括至少一個用于所述膜片的支承 面，在所述支承面中構(gòu)造有至少一個定向元件。在這里所述支承面代表在端面布置在空心 體處的面，聲學(xué)傳感器的膜片與所述面連接。在此，支撐面中的定向元件如此構(gòu)型，使得影 響聲學(xué)傳感器的方向特性。在聲學(xué)中通常將所接收的或發(fā)射的波的強度的角度相關(guān)性稱作 方向特性，其中，強度與在主方向上、即膜片法線上的敏感度或密集度（Intensity)相關(guān)。 除了定向元件以外，方向特性也通過有振動能力的膜片的形狀或其構(gòu)型確定。
[0013] 優(yōu)選地，定向元件通過支承面內(nèi)的至少一個凹部形成。在此，定向元件可以包括不 同尺寸的凹部，其例如通過濺鍍、蝕刻、銑削或者通過置入具有特殊形狀的一一例如V形或 U形的刻槽來置入支承面中。例如所述凹部可以逐區(qū)段地或環(huán)繞地在支承面中延伸。此外， 凹部可以具有不同的深度和寬度。在一個特別優(yōu)選的實施方式中，恰恰凹部環(huán)繞地并且在 中心設(shè)置在支承面中。但定向元件的明確實施可以采用不同的形狀，它們分別不同地影響 方向特性。在此，定向元件導(dǎo)致振動形式的變化，其中，尤其膜片可以更進一步地偏轉(zhuǎn)。因 此可能的是，使定向元件與要實現(xiàn)的方向特性相匹配。
[0014] 在本發(fā)明的范圍內(nèi)，膜片由纖維復(fù)合材料制造并且作為單獨的部件與傳感器殼體 連接。在此，膜片構(gòu)型為具有從幾微米到幾百微米的厚度的柔性膜片并且為了機電能量轉(zhuǎn) 換而與轉(zhuǎn)換器元件一一例如壓電致動器連接。優(yōu)選地，膜片由與傳感器殼體不同的材料制 造。因此，膜片作為獨立的部件制造并且與例如傳感器殼體的敞開的端面連接地形成聲學(xué) 傳感器。通常膜片可以通過粘接、夾緊或焊接材料鎖合地固定在傳感器殼體上。
[0015] 纖維復(fù)合材料通常包括至少一種具有嵌入的纖維的基質(zhì)材料。此外，合成纖維如 聚乙烯纖維、玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維、芳族聚酰胺纖維板、礦物纖維、例如玄武巖纖維 或上述一種或多種纖維的任意組合都適合作為纖維。在一種優(yōu)選的實施方式中，膜片的纖 維復(fù)合材料包括由具有嵌入的碳纖維的基質(zhì)材料形成的碳纖維增強材料。
[0016] 基質(zhì)材料可以由陶瓷或至少一種塑料制造，其中，所述塑料包括選自以下的一個 或多個組分：聚酰胺（PA)、聚酰亞胺（PI)、聚丙烯（PP)、熱塑性聚氨酯（TPU)、聚苯硫醚 (PPS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET)、雙軸取向的PET、聚砜（PSu)、聚丙烯腈、全氟化聚合 物或部分氟化聚合物、半結(jié)晶聚合物--例如聚氟乙烯（PVF)--或氟乙烯與四氟乙烯或 三氟乙烯的共聚物、環(huán)氧樹脂（EP)、酚醛樹脂、聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂。在一個優(yōu)選的實 施方式中選擇環(huán)氧樹脂作為基質(zhì)材料。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的傳感器的可替代的實施方式也可以包括多層的復(fù)合材料，所述復(fù) 合材料可以附加地具有至少一個金屬層。在此，纖維復(fù)合材料的選擇基本上取決于特征 值P 3/E，其中，P代表膜片的密度，E代表膜片的彈性模量。纖維復(fù)合材料的密度優(yōu)選位 于0. 3g/cm3-10g/cm3之間，特