超聲波傳感器裝置制造方法
【專利摘要】一種超聲波傳感器裝置具有襯底（31）、壓電振動器（33）和Q因數調節器（70，71，110，200，210，220，230，240，250，260）。所述壓電振動器（33）包括在襯底（31）厚度方向上彼此面對的一對檢測電極（35，36）以及插置在電極（35，36）之間的壓電體（37）。所述壓電振動器（33）提供膜結構（34），該膜結構（34）形成于所述襯底（31）的表面（31a）上并具有比所述襯底（31）的其余部分低的剛性。由壓電振動器（33）發射超聲波，并由同一壓電振動器（33）接收其反射波。所述Q因數調節器調節所述壓電振動器（33）的Q因數，以使得在所述壓電振動器（33）發射超聲波的發射時段期間的Q因數可以大于在所述壓電振動器（33）接收超聲波的接收時段期間的Q因數。
【專利說明】超聲波傳感器裝置
[0001]對相關申請的交叉引用
[0002]本申請以2011年6月13日提交的日本專利申請N0.2011-131411為基礎，在此通過引用將其內容并入本文。
【技術領域】
[0003]本公開內容涉及包括在襯底薄部分上具有壓電振動器的超聲波傳感器的超聲波傳感器裝置，該裝置被配置成發射超聲波并由同一壓電振動器接收其反射波。具體而言，本公開內容涉及適于檢測相對運動的對象的超聲波傳感器裝置。
【背景技術】
[0004]如專利文獻I中所述，已知由MEMS (微機電系統)技術制造的超聲波傳感器。
[0005]在專利文獻I中，利用插置在一對電極之間的鐵電體構建壓電振動器，將該對電極布置成在襯底的厚度方向上彼此面對。在半導體襯底表面的薄部分上形成壓電振動器，以形成超聲波傳感器元件。
[0006]此外，在專利文獻I中，通過在壓電振動器的一對電極之間施加預定的偏壓將超聲波傳感器的共振頻率調整為預定的共振頻率。
[0007]附帶提一下，當目標對象相對于其上安裝有超聲波傳感器的裝置移動時，由于聲音的多普勒效應，反射波(接收到的超聲波)的頻率可能會從發射頻率移位。在這種情況下，由于相對速度和方向的影響，頻率移位的量和方向是不均勻的。
[0008]因此，如果超聲波傳感器既用于發射又用于接收，即使如專利文獻I中公開內容的那樣，通過在電極之間施加預定的偏壓將超聲波傳感器的共振頻率調整到預定的共振頻率時，反射波的頻率也會從發射頻率移位。結果，無法精確地檢測到相對移動的目標對象。
[0009]現有技術
[0010]專利文獻
[0011]專利文獻l:JP-A-2003-284132
【發明內容】
[0012]鑒于上述內容，本公開內容的目的是提供一種超聲波傳感器裝置，其具有用于發射和接收并被配置成精確檢測相對運動目標對象的超聲波傳感器。
[0013]根據本公開內容的第一方面，一種超聲波傳感器裝置包括襯底、壓電振動器和Q因數調節器。壓電振動器包括在襯底的厚度方向上彼此面對的一對檢測電極和插置在電極之間的壓電體。壓電振動器提供膜結構，膜結構形成在襯底的表面上并具有比襯底的其余部分低的剛性。由壓電振動器發射超聲波，并由同一壓電振動器接收其反射波。該Q因數調節器調節所述壓電振動器的Q因數，以使得在所述壓電振動器發射超聲波的發射時段期間的Q因數可以大于在所述壓電振動器接收超聲波的接收時段期間的Q因數。
[0014]根據本公開內容的第二方面，該超聲波傳感器裝置包括蓋體。該蓋體具有面對膜結構并與膜結構間隔開的面對部分。蓋體被固定到襯底，從而在蓋體和襯底之間形成填充有氣體的密封空間。所述Q因數調節器調節面對部分和膜結構之間的間隙距離，從而調節所述壓電振動器的Q因數，以使得在所述壓電振動器發射超聲波的發射時段期間的Q因數可以大于在所述壓電振動器接收超聲波的接收時段期間的Q因數。
[0015]根據本公開內容的第三方面，所述Q因數調節器包括一對調節電極和控制器，所述控制器用于控制所述調節電極的通電。調節電極在襯底的厚度方向上彼此面對并在通電時產生靜電引力。調節電極之一形成于超聲波傳感器上，而調節電極的另一個形成于蓋體上。靜電引力使蓋體的面對部分朝向膜結構移動。控制器具有電壓施加部，用于至少在壓電振動器處于接收狀態時向調節電極施加電壓。電壓施加部控制調節電極的通電，以使得蓋體的面對部分與膜結構之間的間隙距離在壓電振動器處于接收狀態時小于在壓電振動器處于發射狀態時。
[0016]根據本公開內容的第四方面，該襯底具有薄部分。壓電振動器形成于襯底表面的薄部分上。壓電振動器和薄部分提供膜結構。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]根據參考附圖做出的以下詳細描述，本公開內容的以上和其它目的、特征和優點將變得更加明顯。在附圖中:
[0018]圖1是示出了根據第一實施例的超聲波傳感器裝置的截面圖的視圖；
[0019]圖2是示出了超聲波傳感器裝置的傳感器單元的平面圖的視圖，為了方便起見，其中未示出蓋體；
[0020]圖3是示出沿圖2中的線II1-1II截取的截面圖的視圖；
[0021]圖4是示出沿圖2中的線IV-1V截取的截面圖的視圖；
[0022]圖5是示出超聲波傳感器裝置的電路配置的方框圖；
[0023]圖6是發射和接收處理的流程圖；
[0024]圖7是調節電壓施加定時的時序圖；
[0025]圖8是示出在發射狀態下傳感器單元的截面圖的視圖；
[0026]圖9是示出在接收狀態下傳感器單元的截面圖的視圖；
[0027]圖10是示出發射頻帶和接收頻帶的視圖；
[0028]圖11是示出根據變形例的調節電極的截面圖的視圖；
[0029]圖12是示出根據變形例在蓋體上的調節電極的布局的平面圖的視圖，為了方便起見，其中示出在蓋體上的調節電極與襯底的表面重疊；
[0030]圖13是示出根據第二實施例的超聲波傳感器裝置的傳感器單元的截面圖視圖；
[0031]圖14是示出根據第三實施例的超聲波傳感器裝置的發射和接收處理的流程圖；
[0032]圖15是示出根據另一實施例的超聲波傳感器裝置的截面圖的視圖；
[0033]圖16是示出根據另一實施例的超聲波傳感器裝置的截面圖的視圖；
[0034]圖17是示出根據另一實施例的超聲波傳感器裝置的截面圖的視圖；
[0035]圖18是示出根據另一實施例的超聲波傳感器裝置的截面圖的視圖；
[0036]圖19是示出根據另一實施例的超聲波傳感器裝置的截面圖的視圖；
[0037]圖20是示出根據另一實施例的超聲波傳感器裝置的截面圖的視圖；以及[0038]圖21是示出根據另一實施例的超聲波傳感器裝置的截面圖的視圖。
【具體實施方式】
[0039]參考附圖描述本公開內容的實施例。在如下所述的所有實施例中，類似的附圖標記示出類似元件。將襯底的厚度方向，即膜結構的振動方向簡稱為厚度方向，并將垂直于厚度方向的方向簡稱為垂直方向。
[0040](第一實施例)
[0041]如圖1所示，根據本實施例的超聲波傳感器裝置10包括傳感器單元11和安裝在公共接線板13上的電路芯片12。傳感器單元11包括超聲波傳感器30和蓋體50。電路芯片12包括處理電路110。接線板13具有用于允許超聲波傳感器30進行發射和接收的通孔13a。
[0042]首先，描述傳感器單元11。
[0043]如圖2-4所示，傳感器單元11包括由MEMS技術制造的壓電超聲波傳感器30 (傳感器芯片)和蓋體50，該蓋體50被固定到超聲波傳感器30的襯底31上，以便能夠在蓋體50和襯底31之間形成密封空間90。傳感器單元11還包括調節電極70、71。調節電極70、71以彼此面對的方式分別形成于超聲波傳感器30和蓋體50上。
[0044]超聲波傳感器30包括襯底31和壓電振動器33。襯底31具有薄部分32，并且壓電振動器33形成于襯底31的薄部分32上。薄部分32和壓電振動器33提供膜結構34，其剛性低于襯底31的其余部分(厚部分43)的剛性。當膜結構沿厚度方向振動時，實現超聲波的發射和接收。
[0045]根據本實施例，襯底31包括SOI襯底和絕緣膜41。SOI襯底包括由硅制成的支撐襯底38、由硅制成的半導體層40、以及由二氧化硅制成的絕緣層39，該絕緣層39被插置在支撐襯底38和半導體層40之間。絕緣膜41形成在半導體層40的與絕緣層39相反的表面上。絕緣膜41可以是由二氧化硅、氮化硅等制成的單層膜或者多層膜。
[0046]在襯底31中，將絕緣膜41的與半導體層40相反的表面定義為形成壓電振動器33的第一表面31a，并將支撐襯底38的與絕緣層39相反的表面定義為與第一表面31a相反的第二表面31b。在襯底31中形成開口部42。開口部42向第二表面31b開口，并具有由半導體層40的與絕緣膜41相反的表面界定的底部。通過蝕刻來部分地去除支撐襯底38和絕緣層39，而形成開口部42。根據本實施例，襯底31的第二表面31b具有(100)面，支撐襯底38的開口部的壁具有(111)面。
[0047]襯底31的橋接在開口部42上的部分(B卩，部分的半導體層40)以及橋接在開口部42上的絕緣膜41用作襯底31的薄部分32。圖3中示出的符號32a代表薄部分32的與壓電振動器33相反的表面。表面32a界定半導體層40的開口部42的底部。襯底31中除薄部分32之外的部分用作襯底31的厚部分43。如圖2所示，在平面圖中薄部分32具有矩形形狀，并且厚部分43具有矩形環形狀，以圍繞薄部分32。
[0048]在薄部分32中，在襯底31的第一表面31a上形成壓電振動器33。具體而言，如圖2所示，壓電振動器33在平面圖中具有矩形形狀，并且比薄部分稍大以覆蓋整個薄部分32。壓電振動器33包括一對檢測電極35、36以及插置在電極35、36之間的壓電薄膜37。壓電薄膜37對應于權利要求中提到的壓電體。[0049]檢測電極35、36在厚度方向上彼此面對。即，檢測電極35、壓電薄膜37和檢測電極36在襯底31的第一表面31a上、且在厚度方向上以該順序層疊在彼此的頂部。例如，檢測電極35、36可由鉬(Pt)、金(Au)或鋁(Al)制成。例如，壓電薄膜37可以由諸如PZT的鐵磁體、氮化鋁(AlN)或氧化鋅(ZnO)制成。根據本實施例，檢測電極35、36由Pt制成，并且壓電薄膜37由PZT制成。圖2和4中示出的符號44代表用于將檢測電極35電連接到蓋體50的焊盤(圖中未示出)的導線。圖2中示出的符號45代表用于將檢測電極36電連接到蓋體50的焊盤(圖中未示出)的導線。根據本實施例，通過使用與檢測電極35、36相同的材料來一體形成導線44、45。
[0050]在厚部分43中，在襯底31的第一表面31a上形成用于將蓋體50固定到襯底31的金屬層46。如圖2所示，在襯底31的第一表面31a外緣附近形成金屬層46，以圍繞膜結構34、導線44,45和調節電極70,71o
[0051]將蓋體50固定到超聲波傳感器30的襯底31，從而可以在蓋體50和襯底31之間形成與膜結構34相鄰的密封空間90。例如，蓋體50可以由合成樹脂、陶瓷或諸如硅的半導體制成。根據本實施例，蓋體50由合成樹脂制成。
[0052]蓋體50具有面對部分51，該面對部分51在厚度方向上面對膜結構34并與膜結構34間隔開。由靜電引力將蓋體50的包括面對部分51的一部分向膜結構34移位。具體而言，蓋體50的包括面對部分51的中心部分比蓋體50的圍繞中心部分的周邊部分薄。根據本實施例，該較薄的部分稱為薄部分52，而較厚的周邊部分稱為厚部分53。薄部分52大于薄部分32和膜結構34。薄部分52中除了面對部分51之外的部分均面對襯底31的厚部分43。如上所述，蓋體50由合成樹脂制成，并在薄部分52和厚部分53處具有不同厚度。通過將多個熱塑性樹脂膜部分層疊和結合在一起來制造蓋體50，以使得薄部分52和厚部分53可具有不同厚度。
[0053]將蓋體50置于襯底31的第一表面31a側，以使得底部由薄部分52界定的凹陷54面對密封空間90 —側。在蓋體50的厚部分53的面對襯底31的表面上形成金屬層55，該金屬層55面對金屬層46。S卩，金屬層55圍繞膜結構34、導線44、45和調節電極70、71。金屬層46、55接合在一起以形成環形接合部。由接合部在蓋體50和襯底31之間形成密封空間90。根據本實施例，在大氣壓下利用空氣填充密封空間90。
[0054]此外，在蓋體50中形成貫通電極，用于將壓電振動器33的檢測電極35、36和調節電極70、71電連接到密封空間90的外部。圖3中所示的符號56代表貫通電極，該貫通電極形成在與薄部分52的面對部分51不同的部分，并電連接到蓋體50的調節電極71。圖4中示出的符號57代表形成于厚部分53中并電連接到超聲波傳感器30的調節電極70的貫通電極。符號58代表形成于厚部分53中并電連接到壓電振動器33的檢測電極35 (導線44)的貫通電極。盡管圖中未示出，但在蓋體50的厚部分53中還形成電連接到檢測電極36 (導線45)的貫通電極。可以通過在樹脂膜中形成通孔，然后利用導電膏填充通孔或利用金屬電鍍通孔來形成這些貫通電極56-58。
[0055]此外，在蓋體50的外表面上形成導線60。導線60的一端連接到貫通電極56，導線60的另一端延長到厚部分53。導線60的另一端被用作焊盤(圖中未示出)，并且將結合導線等連接到焊盤。
[0056]要注意的是，圖4中所示的符號59代表厚部分53面對襯底31的表面上形成的連接盤。例如，可以通過將銅箔圖案化來形成該連接盤。調節電極70通過導線72和連接盤59電連接(焊接)到貫通電極57。此外，檢測電極35通過導線44和連接盤59電連接(焊接)到貫通電極58。檢測電極36的情況相同。以這種方式，利用層疊在彼此之上的多個樹脂膜來構成的蓋體50具有貫通電極56-58、連接盤59和導線60。S卩，將蓋體50配置為接線板。要注意的是，導線72將調節電極70連接到貫通電極57 (連接盤59)。
[0057]在通電時，該對調節電極70、71產生靜電引力，由此導致蓋體50的薄部分52 (面對部分51)朝向超聲波傳感器30的膜結構34移動。在超聲波傳感器30上形成調節電極70，并且在蓋體50上的面對調節電極70的位置處形成調節電極71。
[0058]超聲波傳感器30上的調節電極70是與檢測電極35、36分隔開的電極。調節電極70形成于襯底31的第一表面31a上的厚部分43中，且圍繞膜結構34。具體而言，調節電極70在垂直方向上與膜結構34間隔預定距離，并沿膜結構34的外部形狀延伸。調節電極70具有基本C形，以允許引出導線44、45。根據本實施例，調節電極70由與檢測電極35、36和導線44、45相同的金屬材料制成。
[0059]在蓋體50的薄部分52的內表面(凹陷54的表面)上形成在蓋體50上的調節電極71。具體而言，在膜結構34的垂直方向上的外部位置處在薄部分52上形成調節電極71。由于無需引出導線44、45，所以調節電極71具有矩形環形狀。根據本實施例，像連接盤59那樣，通過對銅箔進行圖案化來形成調節電極71。
[0060]如上所述，在傳感器單元11中，襯底31的薄部分32和壓電振動器33提供了比其余部分薄且能夠在厚度方向上振動的膜結構34。此外，將蓋體50固定到襯底31的第一表面31a上，從而可以在襯底31和蓋體50之間形成密封空間90。因此，在襯底31的第二表面31b側，而非在襯底31的第一表面31a側進行超聲波的發射和接收。
[0061]接下來，參考圖5來描述包括電路芯片12的處理電路110的超聲波傳感器裝置10的電路配置。
[0062]處理電路110包括控制器111、驅動信號產生器112、驅動器113、放大器114、濾波器115、TAD116、DSP117和調節電壓產生器118。該處理電路110對應于權利要求中提到的控制器。
[0063]盡管圖中未示出，但控制器111包括中央處理單元(CPU)、用于存儲由CPU執行的程序的只讀存儲器(ROM)、以及在CPU根據ROM中存儲的程序來執行指令時所使用的隨機存取存儲器(RAM)。控制器111具有控制驅動信號產生器112產生驅動信號的定時的功能、檢測有無目標對象以及目標對象的位置(距離和方向)的功能、向外部裝置輸出檢測結果的功能、以及控制調節電壓產生器118產生調節電壓的定時的功能。
[0064]響應于來自控制器111的命令信號，驅動信號產生器112僅在預定時段內產生具有基準頻率的脈沖信號，并基于脈沖信號產生具有預定頻率Π的驅動信號。具體而言，預定頻率Π幾乎等于膜結構34的共振頻率。
[0065]驅動器113基于從驅動信號產生器112輸出的驅動信號來驅動壓電振動器33。結果，從超聲波傳感器30 (傳感器單元11)發射具有預定頻率Π的超聲波。根據本實施例，驅動器113包括諸如變壓器的功率放大電路。
[0066]放大器114放大由壓電振動器33接收的接收信號并向濾波器115輸出所放大的接收信號。濾波器115過濾所放大的接收信號，該放大的接收信號由壓電振動器33接收并然后由放大器114放大。根據本實施例，去除膜結構34的接收頻帶之外的頻率成分。
[0067]TADl 16是已知的時間A/D轉換器。DSP (數字信號處理器)117基于由TAD116進行A/D轉換的接收信號來計算壓電振動器33的接收信號的振幅和相位。將計算結果輸出到控制器111。要注意的是，DSP117具有存儲器。
[0068]響應于來自控制器111的命令信號，調節電壓產生器118在調節電極70、71之間施加預定電壓。而且，響應于來自控制器111的命令信號，調節電壓產生器118停止在調節電極70、71之間施加電壓。
[0069]接下來，參考圖6來描述發射和接收處理的范例。
[0070]例如，在打開車輛的點火鑰匙，從而可以為處理電路110加電時，控制器111命令
驅動信號產生器112產生驅動信號。然后，驅動信號產生器112產生具有預定頻率Π的驅動信號并向驅動器113輸出驅動信號。
[0071]然后，將驅動信號(電壓信號)發射到壓電振動器33的檢測電極35、36。結果，壓電振動器33在垂直方向(PZT的d31方向)上振動，并且膜結構34在厚度方向上振動。由于蓋體50位于襯底31的第一表面31a側,所以根據振動主要從襯底31的第二表面31b側發射超聲波。超聲波的頻率等于驅動信號的頻率H。這些是步驟10的說明。
[0072]在完成發射處理之后，控制器111命令調節電壓產生器118產生調節電壓。然后，調節電壓產生器118在調節電極70、71之間施加預定電壓(步驟11)。該步驟11對應于權利要求中提到的電壓施加部。根據本實施例，在停止從驅動信號產生器112輸出驅動信號時，完成發射處理。如圖7中所示，在停止驅動信號輸出時，打開調節電壓。可替換地，當在停止驅動信號輸出之后經過了膜結構34的殘響時間時，可以完成發射處理，從而可以打開調節電壓。
[0073]然后，當在步驟11向調節電極70、71施加調節電壓時，控制器111將由DSP117計算的壓電振動器33的接收信號的振幅與在DSP117的存儲器中預存儲的預定閾值相比較。即，控制器111確定超聲波傳感器30 (壓電振動器33)是否接收到反射波(步驟12)。
[0074]如果壓電振動器33的接收信號振幅大于閾值，則控制器111在步驟12確定目標對象存在(具有目標對象)，控制器從振幅超過閾值的時刻計算至目標對象的距離(步驟13)。
[0075]然后，當在施加調節電壓之后經過了預定時間時，控制器111命令調節電壓產生器118停止產生調節電壓。然后，調節電壓產生器118停止在調節電極70、71之間施加電壓(步驟14)。至少在壓電振動器33能夠接收反射波的時段期間保持調節電壓的施加，并當出現用以產生下一驅動信號的命令時，關閉調節電壓。
[0076]接下來，描述根據本實施例的超聲波傳感器裝置10的優點。
[0077]根據本實施例，將蓋體50固定到壓電超聲波傳感器30,從而可以在蓋體50和襯底31之間形成填充有空氣的密封空間90。此外，密封空間90與膜結構34相鄰。因此，通過密封空間90的阻尼而影響膜結構34振動。
[0078]表示膜結構34的振動狀況的Q因數與密封空間90的阻尼因數C成反比。阻尼因數C與蓋體50的面對部分51和膜結構34之間的間隙距離D成反比。因此，隨著間隙距離D越小，阻尼因數C就越大，而Q因數就越小。
[0079]根據本實施例，在壓電振動器33處于發射狀態時，即在從開始輸出驅動信號時到停止輸出驅動信號時或經過殘響時間的時段期間，不向調節電極70、71施加調節電壓。由于在調節電極70、71之間不產生靜電引力，所以蓋體50的面對部分51 (薄部分52)不向超聲波傳感器30的膜結構34移動。因此，相對于膜結構34振動的中心位置,面對部分51和膜結構34彼此分開初始間隙距離D1，在該初始間隙距離Dl不發射和接收超聲波，并且不施加調節電壓。
[0080]相反，在壓電振動器33處于接收狀態時，即在壓電振動器33能夠接收反射波的時段期間，向調節電極70、71施加調節電壓。因此，在調節電極70、71之間產生靜電引力。因此，如圖9中所示，蓋體50的面對部分51 (薄部分52)變形并被吸引朝向超聲波傳感器30的膜結構34。因此，相對于膜結構34振動的中心位置，面對部分51和膜結構34彼此間隔開間隙距離D2，其小于初始間隙距離D1。
[0081]如上所述，根據本實施例，接收狀態中的間隙距離D2小于發射狀態中的間隙距離Dl0即，使得在接收狀態中的Q因數小于發射狀態中的Q因數。因此，如圖10中所示，盡管膜結構34的頻帶的振幅峰值在接收狀態下比在發射狀態下要小，但在接收狀態下的頻帶帶寬寬于在發射狀態下的頻帶帶寬。
[0082]此外，在通過在調節電極70、71之間施加電壓來產生靜電引力時，面對部分51朝向膜結構34移動。在這樣的方法中，盡管向調節電極70、71施加電壓，但在發射狀態下和接收狀態下，膜結構34的共振頻率可以幾乎相同(與預定共振頻率fl相同)。因此，可以減小共振峰的位移。
[0083]由于以上理由，根據本實施例，在將共振頻率(共振峰)保持在f I時，使頻帶在發射狀態中變窄，并在接收狀態中被加寬。在這樣的方法中，即使在由于目標對象相對運動而發生多普勒頻移時，也可以精確地檢測到反射波，即目標對象。
[0084]在60kHz的超聲波的情況下，在目標對象以lOm/s的相對速度移動時，與目標對象靜止時相比，發生大約2kHz的頻移。例如，假設在超聲波的發射和接收之間頻帶不變，如果由于多普勒頻移而導致接收信號的頻率改變到高于Π的f2，接收信號變得低于閾值，從而不能檢測到目標對象。相反，根據本實施例，如圖10中所示，在接收狀態中頻帶被加寬。因此，即使在接收信號的頻率改變到f2時，接收信號也超過閾值，從而可以檢測到目標對象。
[0085]此外，根據本實施例，壓電振動器33容納在密封空間90中，通過將蓋體50固定到襯底31的第一表面31a，將該密封空間90形成于襯底31和蓋體50之間。因此，可以由蓋體50來保護壓電振動器33。
[0086]此外，根據本實施例，在襯底31的厚部分43上形成超聲波傳感器30上的調節電極70。因此，膜結構34不容易被靜電引力變形。因此，可以有效地減小在發射狀態下和在接收狀態下之間共振頻率峰的位移。
[0087]此外，根據本實施例，在襯底31的第一表面31a上形成超聲波傳感器30上的調節電極70。由于調節電極70形成于與壓電振動器33相同的表面上，所以可以在與檢測電極35和導線44、45相同的處理中形成調節電極70。因此，可以簡化制造工藝。
[0088]此外，根據本實施例，蓋體50的薄部分52的厚度小于圍繞薄部分52的厚部分53的厚度。因此，在產生靜電引力時，蓋體50的面對部分51容易朝向膜結構34發生變形。因此，可以更有效地減小在發射狀態下和在接收狀態下之間共振頻率峰的位移。
[0089]此外，根據本實施例，蓋體50的薄部分52的剛性低于膜結構34的剛性。因此，在產生靜電引力時，蓋體50的面對部分51相比膜結構34易于變形。因此，盡管靜電引力使蓋體50變形，從而會減小間隙距離D，但可以減小膜結構34的變形。
[0090]在本實施例中，通過焊料等將襯底31的第一表面31a上形成的金屬層46接合到蓋體50的厚部分53的表面上形成的金屬層55。然而，可以通過與以上范例不同的方法將蓋體50固定到襯底31。例如，可以通過粘合劑將蓋體50固定到襯底31。在蓋體50由硅制成時，可以通過直接結合將蓋體50固定到襯底31的半導體層40的硅。
[0091](變形例)
[0092]在本實施例中，超聲波傳感器裝置10包括與傳感器單元11分開的電路芯片12和接線板13。可替換地，電路芯片12的處理電路110可以形成(集成)在傳感器單元11中。
[0093]在本實施例中，僅在膜結構34處于接收狀態時，才通過施加調節電壓產生靜電引力。可替換地，在膜結構34處于接收狀態和發射狀態時，可以通過施加調節電壓來產生靜電引力。靜電引力與施加電壓的平方成正比。因此，當施加電壓在接收狀態下高于在發射狀態下時，接收狀態下的間隙距離D2可以小于發射狀態下的間隙距離D1，從而可以使在接收狀態下的Q因數小于發射狀態下的Q因數。然而，在僅在膜結構34處于接收狀態時才施加調節電壓時，調節電壓可以較小。
[0094]根據本實施例，厚部分43具有環形并在垂直方向上圍繞薄部分32。可替換地，薄部分32能夠橋接在兩個厚部分43之間。在這種情況下，將蓋體50的至少一部分固定到薄部分32。
[0095]根據本實施例，獨立于壓電振動器33的檢測電極35、36來形成在超聲波傳感器30上的調節電極70。可替換地，也可以將壓電振動器33的檢測電極35、36之一用作調節電極70。在圖11所示的范例中，還將在厚度方向上更接近于面對部分51的檢測電極36用作調節電極70。在這樣的方法中，可以簡化傳感器單元11的結構，即超聲波傳感器裝置10的結構。
[0096]然而，檢測電極35、36位于襯底31的薄部分32中。因此，在還將檢測電極36用作調節電極70時，與在厚部分43中形成調節電極70時相比，膜結構34容易被靜電引力變形。因此，優選于應在垂直方向上對應于襯底31的厚部分(43)的位置處形成蓋體50上的調節電極71。在這樣的方法中，即使在還將檢測電極36用作調節電極70時，也可以減小膜結構34的變形。當在面對檢測電極36 (也用作調節電極70)的位置處形成蓋體50上的調節電極71時，蓋體50的包括調節電極70的面對部分51 (薄部分52)的剛性需要低于膜結構34的剛性。
[0097]在本實施例中，在超聲波傳感器30上的調節電極70具有通過去除矩形環形狀的一部分而形成的C形，并且蓋體50上的調節電極71具有矩形環形狀。可替換地，超聲波傳感器30上的調節電極70可以具有通過去除圓環形狀的一部分而形成的C形，并且在蓋體50上的調節電極71可以具有圓環形狀。在這種情況下，在調節電極71的中心與薄部分52的中心一致時，與調節電極71具有矩形環形狀時相比，可以使薄部分52均勻變形。要注意的是，圖12示出了蓋體50上的調節電極71，來表示空間關系。
[0098]在本實施例中，在超聲波傳感器30上的調節電極70具有帶開口端(自由端)的C形形狀，并且從開口端之間引出壓電振動器33的檢測電極35、36的導線44、45。可替換地，通過將導線44、45形成為調節電極70的下方導線，調節電極70可以具有環形。可替換地，通過將導線72或調節電極70和導線72這兩者形成為導線44、45的下方導線，調節電極70可以具有環形。
[0099]根據本實施例，利用空氣填充密封空間90。然而，可以利用除空氣之外的氣體來填充密封空間90。例如，可以利用粘性系數μ大于空氣的粘性系數μ的氣體來填充密封空間90。阻尼因數C與填充密封空間90的氣體粘性系數μ成正比。因此，可以通過利用粘性系數μ大于空氣的粘性系數μ的氣體(例如，氦)填充密封空間90，來減小調節電壓。假設調節電壓保持不變，與利用空氣填充密封空間90時相比，發射狀態下的Q因數與接收狀態下的Q因數之間的差增大。因此，即使在多普勒頻移量較大時，也能夠檢測到目標對象。
[0100]在實施例中，在蓋體50的薄部分52的內表面(面對襯底31的表面)上形成在蓋體50上的調節電極71。可替換地，可以在薄部分52的外表面上形成調節電極71。在這樣的方法中，可以簡化結構。
[0101](第二實施例)
[0102]根據第一實施例，將蓋體50固定到襯底31的第一表面31a,并將壓電振動器33容納在密封空間90中。相反，根據本實施例，如圖13所示，將蓋體50固定到襯底31的第二表面31b。因此，與在襯底31的第二表面31b側進行超聲波的發射和接收的第一實施例不同，在襯底31的第一表面31a側進行超聲波的發射和接收。
[0103]在圖13所示的范例中，超聲波傳感器30具有與第一實施例中幾乎相同的結構。在圖13中，在厚部分43中，在襯底31的第二表面31b上形成用于接合的金屬層46。此外，壓電振動器33的檢測電極35還被用作超聲波傳感器30上的調節電極70。
[0104]蓋體50包括半導體襯底61和絕緣層62。為了形成蓋體50的面對部分51，通過去除半導體襯底61的一部分來形成底部由絕緣層62界定的開口部63。根據本實施例，半導體襯底61由硅制成，并且半導體襯底61的開口部的壁具有(111)面。
[0105]在蓋體50中，橋接在開口部63上的絕緣層62的一部分用作薄部分52。在圖13的范例中，僅由面對部分51來提供薄部分52。在絕緣層62的與蓋體50的厚部分53中的半導體襯底61相反的表面上形成用于接合的金屬層55。將金屬層55接合到超聲波傳感器30的金屬層46，從而可以形成包括襯底31的開口部42的密封空間90。
[0106]在面對部分51中，在絕緣層62的形成金屬層55的表面上形成在蓋體50上的調節電極71。面對部分51 (薄部分52)在平面圖中具有矩形形狀，并且調節電極71略大于面對部分51，以在垂直方向上覆蓋整個面對部分51。調節電極71通過導線73電連接到貫通電極64，該貫通電極64穿透半導體襯底61和絕緣層62。
[0107]如上所述，根據本實施例，由絕緣層62和調節電極71提供蓋體50的面對部分51。另一方面，像在第一實施例中那樣，由襯底31和壓電振動器33的薄部分32 (半導體層40和絕緣層41)提供超聲波傳感器30的膜結構34。因此，蓋體50的包括調節電極70的面對部分51的剛性低于膜結構34的剛性。
[0108]即使采用這樣的結構，也可以獲得與由根據第一實施例的超聲波傳感器裝置10獲得的相同優點。
[0109]此外，由于檢測電極35還被用作調節電極70，傳感器單元11的結構，即超聲波傳感器裝置10的結構。可替換地，也可以將檢測電極36用作調節電極70。可替換地，可以獨立于檢測電極35、36來形成調節電極70。例如，可以在半導體層40和絕緣層41之間或在薄部分32的表面32a上形成調節電極70。即，可以在膜結構34的形成區域內的任何位置處形成調節電極70。
[0110]在本實施例中，由半導體襯底61和絕緣層62提供蓋體50。蓋體50的結構不限于以上范例。例如，像在第一實施例中那樣，蓋體50可以由樹脂制成。
[0111](第三實施例)
[0112]在第一實施例中，在接收時，施加事先預設的預定電壓作為調節電極70、71之間的調節電壓。相反，在本實施例中，由DSP117計算接收信號的頻率，并且控制器111計算接收信號的計算頻率和驅動信號頻率(即發射信號頻率)之間的差。然后，控制器111命令調節電壓產生器118基于頻率差來產生預定電壓。
[0113]下文參考圖14描述根據本實施例的發射和接收處理。
[0114]在步驟20執行的發射處理與在第一實施例的步驟10執行的相同(參照圖7)。如上所述，根據本實施例，從襯底31的第一表面31a側發射超聲波。超聲波的頻率等于驅動信號的頻率H。
[0115]在發射超聲波之后，控制器111確定由DSP117計算的壓電振動器33的接收信號的振幅是否大于在DSP117的存儲器中預存儲的預定閾值。即，控制器111確定超聲波傳感器30 (壓電振動器33)是否接收到反射波(步驟21)。
[0116]如果在步驟21確定出，當在產生驅動信號之后可以接收反射波時的時段期間，壓電振動器33的接收信號的振幅小于閾值，重復步驟20和21。相反，如果壓電振動器33的接收信號的振幅大于閾值，控制器111計算由DSP117計算的接收信號頻率與在控制器111的存儲器中存儲的驅動信號頻率Π之間的差(步驟22)。該步驟22對應于權利要求中提到的頻率差計算部。
[0117]然后，基于所計算的頻率差，控制器111確定要由調節電壓產生器118產生的電壓值(步驟23)。該步驟23對應于權利要求中提到的電壓值確定部。例如，隨著頻率差變大，即隨著多普勒頻移量變大，將調節電壓的電壓值設定成更大值，以使得膜結構34的Q因數可以更小。
[0118]在確定調節電壓的電壓值之后，像在S20那樣，執行超聲波的發射處理(步驟24)。不從控制器111向調節電壓產生器118輸出用于產生調節電壓的命令信號。
[0119]在完成發射處理(步驟24 )之后，控制器111命令調節電壓產生器118產生調節電壓，該調節電壓具有在步驟20-23確定的電壓值。響應于此，調節電壓產生器118在調節電極70、71之間施加調節電壓。該步驟25對應于權利要求中提到的電壓施加部。后續步驟26-28與第一實施例的步驟12-14相同。
[0120]如上所述，根據本實施例，基于發射頻率和所接收的反射波的頻率之間的差，來確定調節電極70、71之間要施加的調節電壓的電壓值。在這樣的方法中，根據相對運動的目標對象的運動狀態(例如，速度)設定接收狀態下的Q因數。因此，不論目標對象的相對運動狀態如何，都可以精確地檢測到目標對象。
[0121]在圖14所示的流程圖中，每當執行步驟24-28 —次，就執行步驟20-23。可替換地，可以在預定時段期間反復執行步驟24-28。即，可以利用具有所確定的電壓值的調節電壓將發射和接收處理執行多次。
[0122](其它實施例)[0123]盡管已經參考其實施例描述了本公開內容，但要理解本公開內容不限于這些實施例。本公開內容意在覆蓋本公開內容的精神和范圍內的各種修改和等價布置。
[0124]在以上實施例中，在處理電路110在調節電極70、71之間施加電壓時，由靜電力改變蓋體50的面對部分51與膜結構34之間的間隙距離D，從而可以改變膜結構34的Q因數。即，調節電極70、71用作Q因數調節器。Q因數調節器不限于以上實施例。
[0125]在圖15中所示的范例中，熱膨脹系數不同于蓋體50的熱膨脹系數的膜200被置于蓋體50的頂表面上，并向蓋體50或膜200供應電流以產生熱。結果，由于熱膨脹系數的差異而導致蓋體50變形，從而可以改變間隙距離D。S卩，膜200用作Q因數調節器。
[0126]在圖16中所示的范例中，將壓電體210固定到蓋體50的內表面上，并向壓電體210供應電流，從而可以使壓電體210變歪。結果，使蓋體50變形，從而可以改變間隙距離D。即，壓電體210用作Q因數調節器。
[0127]在圖17中所示的范例中，在蓋體50上方提供凸輪220。在凸輪220旋轉到預定角度時，凸輪220與蓋體50的頂表面接觸并擠壓頂表面。結果，使蓋體50變形，從而可以改變間隙距離D。即，凸輪220用作Q因數調節器。
[0128]在圖18中所示的范例中，去除蓋體50的頂板，并且活塞230與蓋體50的側表面相接觸并在其上滑動，以形成密封空間90。在該范例中，間隙距離D是活塞230的下表面和膜結構34之間的距離。當活塞230上下運動時，間隙距離D相應地變化。S卩，活塞230用作Q因數調節器。
[0129]在圖19中所示的范例中，在蓋體50的頂板中形成通孔，并通過該通孔將泵240連接到密封空間90。泵240通過改變密封空間90內部的溫度或壓力來改變密封空間90中氣體的粘性系數μ。如前所述,密封空間90中的阻尼因數C與密封空間90中的氣體的粘性系數μ成正比。因此，可以通過改變密封空間90內部的溫度或壓力來改變密封空間90的阻尼因數C。因此，可以改變膜結構34的Q因數。即，泵240用作Q因數調節器。
[0130]可替換地，泵240能夠通過替換密封空間90中的氣體，來改變密封空間90的阻尼因數C，即膜結構34的Q因數。例如，可以在發射超聲波時利用小粘性系數的第一氣體(例如空氣)填充密封空間90，并在接收超聲波時利用粘性系數大于第一氣體的粘性系數的第二氣體(例如，氦)填充密封空間。
[0131]在圖20中所不的范例中，將磁體250固定到蓋體50的頂表面，向位于磁體250附近的線圈供應電流，從而可以在磁體250周圍產生磁場。結果，使蓋體50變形，從而可以改變間隙距離D。即，磁體250用作Q因數調節器。
[0132]在圖21所示的范例中，蓋體50和隔膜260形成油壓隔膜，用于改變密封空間90中的氣體的壓力或溫度。即，隔膜260用作Q因數調節器。
[0133]如上所述，根據圖15-21所示的范例，通過改變間隙距離D或改變密封空間90中的氣體的粘性系數，來改變膜結構34的Q因數。可替換地，能夠由于熱等而導致膨脹和收縮的構件可以被附著于膜結構34，以改變膜結構34上的應力。因此，可以改變膜結構34的Q因數。在這種情況下，該構件用作Q因數調節器。
【權利要求】
1.一種超聲波傳感器裝置，包括: 超聲波傳感器(30 )，所述超聲波傳感器(30 )包括襯底(31)和壓電振動器(33 )，以及Q 因數調節器(70，71，110，200，210，220，230，240，250，260)，其中所述壓電振動器(33)包括插置在一對檢測電極(35，36)之間的壓電體(37)，所述一對檢測電極(35，36)在所述襯底(31)的厚度方向上彼此面對， 所述壓電振動器(33)提供膜結構(34)，所述膜結構(34)形成在所述襯底(31)的第一表面(31a)上，并且所述膜結構(34)的剛性比所述襯底(31)的其余部分的剛性低， 所述超聲波傳感器(30)通過所述壓電振動器(33)發射超聲波并通過同一壓電振動器(33)接收其反射波，并且 所述Q因數調節器(70，71，110，200，210，220，230，240，250，260)調節所述壓電振動器(33)的Q因數，以使得在所述壓電振動器(33)發射超聲波的發射時段期間的Q因數大于在所述壓電振動器(33)接收超聲波的接收時段期間的Q因數。
2.根據權利要求1所述的超聲波傳感器裝置，還包括: 蓋體(50)，所述蓋體具有在所述襯底(31)的厚度方向上面對所述膜結構(34)并與所述膜結構(34)間隔開的面對部分(51)，所述蓋體(50)被固定到所述襯底(31)，從而在所述蓋體(50)和所述襯底( 31)之間形成填充有氣體的密封空間(90)，其中 所述Q因數調節器(70，71，110，200，210，220，230，240，250，260)調節所述面對部分(51)和所述膜結構(34)之間的間隙距離，由此調節所述壓電振動器(33)的Q因數，以使得在所述壓電振動器(33)發射超聲波的發射時段期間的Q因數大于在所述壓電振動器(33)接收超聲波的接收時段期間的Q因數。
3.根據權利要求2所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述Q因數調節器包括一對調節電極(70，71)和控制器(110 )，所述控制器用于控制對所述調節電極(70，71)的通電， 所述調節電極(70，71)之一形成在所述超聲波傳感器(30)上，而所述調節電極(70，71)的另一個形成在所述蓋體(50)上，以使得所述調節電極(70，71)在所述襯底(31)的厚度方向上彼此面對， 在通電時，所述調節電極(70，71)產生靜電引力，所述靜電引力使所述蓋體(50)的所述面對部分(51)朝向所述膜結構(34 )移動， 所述控制器(110)具有電壓施加部(Sll，S25)，用于至少在所述壓電振動器(33)處于接收狀態時，在所述調節電極(70，71)之間施加電壓，并且 所述電壓施加部(Sll，S25)控制所述調節電極的通電，以使得在所述壓電振動器處于所述接收狀態時所述蓋體(50)的面對部分(51)與所述膜結構(34)之間的間隙距離(D2)小于在所述壓電振動器處于發射狀態時所述蓋體(50 )的面對部分(51)與所述膜結構(34)之間的間隙距離(Dl)。
4.根據權利要求1所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述襯底(31)具有薄部分(32)， 所述壓電振動器(33)形成于所述襯底(31)的所述第一表面(31a)上的所述薄部分(32)中，并且 所述壓電振動器(33 )和所述薄部分(32 )提供所述膜結構(34)。
5.根據權利要求2所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述蓋體(50)被固定到所述襯底(31)的所述第一表面(31a)上，并且 所述壓電振動器(33)容納在所述蓋體(50)與所述襯底(31)之間的所述密封空間(90)中。
6.根據權利要求4所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述超聲波傳感器(30 )上的所述調節電極(70 )形成在所述襯底(31)中的與所述薄部分(32)不同的厚部分(43)上。
7.根據權利要求6所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述厚部分(43)具有環形，以在垂直于所述襯底(31)的厚度方向的方向上圍繞所述薄部分(32)。
8.根據權利要求3所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述超聲波傳感器(30 )上的所述調節電極(70 )形成于所述襯底(31)的所述第一表面(31a)上。
9.根據權利要求3所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述蓋體具有中心部分(52)和與所述中心部分(52)相鄰的周圍部分(53)， 所述中心部分(52)比所述周圍部分(53)薄，并且· 所述面對部分(51)和所述調節電極(71)形成在所述中心部分(52 )中。
10.根據權利要求9所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述蓋體(50)的包括了所述蓋體上的調節電極(70)的中心部分(52)的剛性低于所述膜結構(34)的剛性。
11.根據權利要求3所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述壓電振動器(33)的所述檢測電極(35，36)之一還被用作在所述超聲波傳感器上的所述調節電極(70)，并且 在垂直于所述襯底(31)的厚度方向的方向上,在對應于所述襯底(31)的不同于所述薄部分(32)的厚部分(43)的位置處形成了在所述蓋體上的調節電極(71)。
12.根據權利要求3所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述蓋體(50)被固定到所述襯底(31)的與所述襯底(31)的所述第一表面(31a)相反的第二表面(31b)， 所述壓電振動器(33)形成在所述薄部分(32)的第一表面(32a)上， 所述面對部分(51)面對所述薄部分(32)的與所述薄部分(32)的所述第一表面(32a)相反的第二表面， 在所述蓋體上的所述調節電極(71)形成于所述面對部分(51)上， 在所述超聲波傳感器上的所述調節電極(70 )形成于所述膜結構(34 )上，并且所述蓋體(50)的包括了所述蓋體上的所述調節電極(71)的所述面對部分(51)的剛性低于所述膜結構(34)的剛性。
13.根據權利要求12所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述壓電振動器(33)的所述檢測電極(35，36)之一還被用作在所述超聲波傳感器上的所述調節電極(70)。
14.根據權利要求2-13中的任一項所述的超聲波傳感器裝置，其中填充所述密封空間(90)的氣體為空氣。
15.根據權利要求2-13中的任一項所述的超聲波傳感器裝置，其中 填充所述密封空間(90)的氣體的粘性系數大于空氣的粘性系數。
16.根據權利要求3所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述電壓施加部(SI I，S25 )僅在所述壓電振動器(33 )處于所述接收狀態時才向所述調節電極(70，71)施加電壓。
17.根據權利要求16所述的超聲波傳感器裝置，其中 所述控制器(I 10)包括頻率差計算部(S22)和電壓值確定部(S23)， 所述頻率差計算部(S22)計算在不向所述調節電極(70，71)施加電壓的條件下由所述壓電振動器(33)發射的超聲波的頻率與所發射的超聲波的反射波的頻率之間的差， 所述電壓值確定部(S23)基于由所述頻率差計算部(S22)計算的頻率差，來確定施加到所述調節電極(70，71)的電壓的電壓值，并且 所述電壓施加部(S25)向所述調節電極(70，71)施加具有已由所述電壓值確定部(S23)確定的電 壓值的電壓。
【文檔編號】G01S7/52GK103597854SQ201280029347
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年6月12日 優先權日:2011年6月13日
【發明者】杉浦真紀, 樋口祐史 申請人:株式會社電裝