Миниатюрный радар намерен покорить робототехнику и мобильные телефоны

Финансируемые ЕС исследователи создали радиолокационный прибор размером с ноготь, причем абсолютно недорогой

Это чип, который, как считают, позволит исследователям создавать приборы с большим радиусом действия и лучшими зондирующими качествами. Новое устройство может применяться в автомобильной промышленности, а также в мобильных устройствах, робототехнике и других областях.

Созданный в рамках проекта «Кремниевый ультракомпактный экономичный прибор, работающий с датчиками миллиметровых волн» (аббревиатура – Success, что в переводе обозначает «успех»), прибор содержит наиболее полный пакет устройств для радаров, работающих на высоких частотах, выше 100 ГГц.

«Насколько я знаю, это самая маленькая полная радиолокационная система в мире, – говорит профессор Кристоф Шейт, координатор проекта со стороны МГП во Франкфурте (Германия). – Есть и другие чипы, работающие на частотах выше 100 ГГц с системой зондирования РЛС, но в этом устройстве самый высокий уровень интеграции функций, который когда-либо можно было видеть в кремниевых устройствах».

Этот чип размером всего 8 на 8 мм является кульминацией трехлетних исследований девяти академических и отраслевых партнеров по всей Европе, с финансированием в 3 млн евро со стороны Европейской комиссии. Команда использовала опыт исследований в каждой сфере микроэлектроники для разработки новаторской технологии, которая, как ожидается, будет поставлена на поток в коммерческих целях в ближайшем будущем.

Работая на 120 ГГц, соответствующих длине волны около 2,5 мм, чип использует показатель длины волны для расчета расстояния до объекта в диапазоне около трех метров с погрешностью менее 1 мм. Он также может обнаруживать движущиеся объекты и вычислять их скорость с помощью эффекта Допплера.

С коммерческой точки зрения технология также очень недорогая: производимый в промышленных масштабах, каждый полнофункциональный миниатюрный радар будет стоить около 1 евро, что по достоинству оценили партнеры по проекту.

Впоследствии такие чипы могут заменить ультразвуковые датчики для обнаружения различных предметов и пешеходов в транспортных средствах, будут использоваться для систем автоматического управления дверью, для измерения вибрации или нахождения полостей внутри автомобилей, для производства робототехники и широкого спектра других целей. Их можно будет использовать даже в сотовых телефонах.

Для разработки миниатюрной радиолокационной системы команде исследователей пришлось преодолеть ряд технических проблем, одной из которых стало вмонтирование и обеспечение надежности крошечной антенны.

«В этом плане размер имеет большое значение, – отмечает профессор Шейт. – Одной из главных причин использования высоких частот, а не низких, было то, что антенны при работе с ними могут быть меньшего размера».

В то время как FM-радио имеет антенну длиной около метра, а антенна Wi-Fi – около 10 см в длину, на частотах миллиметровых волн (от 30 до 300 ГГц) антенны могут иметь в длину всего несколько миллиметров. Учитывая растущую миниатюризацию современных устройств – от мобильных телефонов до компонентов робототехники, – устройства, работающие в миллиметровом диапазоне, обладают значительным преимуществом.

Радарный чип позиционируется как «самая маленькая полная радарная система в мире». Фото с сайта gizmag.com

Полиамидная подложка для решения проблем с потерями сигнала

Тем не менее на высоких частотах присутствует нежелательное электромагнитное излучение, и высокий коэффициент потери сигнала вызывает серьезные проблемы. «Чем выше вы поднимаетесь по частоте, тем сильнее излучение волн, что сделало моделирование такого интерфейса большой проблемой», – рассказывает координатор проекта.

В Success данная проблема решена путем точного моделирования, создав новую технику для встраивания антенны с помощью полиамидной подложки.

Ученые исследовали и проверили много различных субстратов для антенны, чтобы найти наиболее подходящий. Потом они решили использовать технику присоединения антенны к устройству с помощью припоя. Профессор Шейт объясняет: «Сама антенна плоская и устанавливается на верхнюю плоскую часть чипа. Такая технология полностью отличается от технологии вмонтирования других систем, работающих на миллиметровых волнах, которые, как правило, представляют собой громоздкие антенны с трубами, выполняющих роль проводников. Преимущество заключается в том, что наше устройство, способное выполнять весь пакет функций, намного меньше».

Еще одна проблема высокочастотных устройств в том, как проверить, работают ли они так, как должны. Современные методы тестирования дорогие и плохо подходят для больших объемов тестирования. Они используются, если устройство изготавливается на коммерческой основе. Для решения этой проблемы команда создателей Success пошла на необычный шаг – самостоятельное тестирование функции, встроенных в чип.

«Встроенный самоконтроль характерен для чипов сотовых телефонов, которые работают на гораздо более низких частотах, но это – нечто совершенно новое, предназначенное для чипов, работающих с миллиметровыми волнами, – говорит профессор Шейт. – Наши партнеры обращают на это много внимания, помня, что нет смысла иметь чип, который может быть изготовлен за 1 евро, а затем потратить 30 или 40 евро, чтобы проверить его».

Встроенная проверка функций позволяют техникам легко и дешево проверить, подключена ли антенна правильно, определить мощность передачи устройства, а также работает ли оно в нужном диапазоне частот. И, поскольку нет аналогичного радиочастотного интерфейса, внедрение на печатной плате таких функций дешево и легко.

«Так как все высокочастотные схемы находятся в самом чипе, у вас есть только низкочастотные интерфейсы для работы», – отмечает профессор Шейт.

Он указывает, что мастер может работать с чипом потому, что он обладает всем стандартным для поверхностного монтажа пакетом функций; фактически он будет соответствовать ультразвуковому датчику или микроконтроллеру.

«Пользователи могут припаять чип на их стандартные платы и получать низкочастотные сигналы, которые могут быть без труда обработаны», – говорит профессор Томас Цвик, глава ИГЕ в Технологическом институте Карлсруэ (KIT), партнер проекта.

Партнеры консорциума Success теперь ищут способ, как использовать эту технологию в коммерческих целях. Bosch, например, изучает возможности его использования, видя большой потенциал для производства недорогих радаров, работающих на высоких частотах, в то время как другие партнеры, такие как Silicon Radar в Германии, Selmic в Финляндии и Hightec в Швейцарии, как ожидается, также будут использовать работу Success в своих производственных целях.

Разработка Success получила финансирование в рамках Седьмой рамочной программы Европейского союза (FP7).