El pequeño radar diseñado por Success. Fuente: Success.
Investigadores financiados con fondos de la Unión Europea han conseguido comprimir tecnología de radar en un paquete de chips de bajo coste del tamaño de una uña, que promete llevar a una nueva gama de aplicaciones a distancia y con sensores de movimiento. El nuevo dispositivo podría tener usos importantes en la industria del automóvil, así como en dispositivos móviles, robótica y otras aplicaciones, informa CORDIS.
Desarrollado en el marco del proyecto Sucess ("Éxito" en español, "Diseño de sistema para sensores de ondas milimétricas con coste eficiente, ultracompacto y basado en silicio"), el dispositivo es el paquete "sistema en un chip" (SoC) basado en silicio para radares que funcionan en frecuencias superiores a los 100 GHz más completo.
"Hasta donde yo sé, este es el sistema completo de radar más pequeño del mundo", dice el profesor Christoph Scheytt, que coordina el proyecto en nombre de IHP en Frankfurt (Alemania). "Hay otros chips que trabajan a frecuencias por encima de 100 GHz, pero este es el más alto nivel de integración que se ha logrado en silicio".
Mide tan sólo 8 mm por 8 mm, y es la culminación de tres años de investigación por parte de nueve socios académicos e industriales de toda Europa, apoyados por 3 millones de euros en fondos de la Comisión Europea. El equipo se basó en la experiencia de cada parte de la cadena de desarrollo de microelectrónica para desarrollar esta innovadora tecnología, la cual se espera que sea puesta en marcha en aplicaciones comerciales en un futuro próximo.
Calcula distancias a tres metros
Funcionando a 120 GHz -correspondiente a una longitud de onda de aproximadamente 2,5 mm- el chip utiliza el tiempo de duración de las ondas para calcular la distancia de un objeto hasta alrededor de tres metros de distancia, con una precisión de menos de un milímetro. También puede detectar objetos en movimiento y calcular su velocidad mediante el efecto Doppler.
Desde un punto de vista comercial, la tecnología es también muy barata: fabricado a escala industrial, cada radar en miniatura completo costaría alrededor de un euro, estiman los socios del proyecto.
Eso le da el potencial para reemplazar sensores ultrasónicos para detección de objetos y peatones en vehículos, para ser utilizado en los sistemas automáticos de control de puertas, para medir la vibración o distancias dentro de máquinas, para aplicaciones de robótica y una amplia gama de otros usos. Incluso podría encontrar su uso en teléfonos móviles.
Para desarrollar el sistema de radar en miniatura, el equipo tuvo que superar una serie de desafíos técnicos, entre ellos integrar y garantizar la fiabilidad de la pequeña antena.
"En esta área, el tamaño importa mucho", señala el profesor Scheytt. "La principal motivación para el uso de frecuencias altas en lugar de otras más pequeñas es que las antenas pueden ser más pequeñas".
Mientras que una radio de FM tiene una antena que tiene en torno a un metro de largo y una antena de router Wifi tiene unos 10 cm de longitud, a frecuencias de ondas milimétricas (entre 30 y 300 GHz) las antenas también puede estar en escala de milímetros. Dada la creciente miniaturización de los dispositivos modernos -desde teléfonos celulares a los componentes de la robótica- trabajar en el rango milimétrico es por tanto una ventaja significativa.
Un nuevo substrato para resolver la atenuación
Sin embargo, a altas frecuencias la radiación electromagnética no deseada y la alta atenuación son graves problema. "Cuanto más se asciende en la frecuencia más irradia el cableado: resolver eso fue un gran reto", dice el coordinador del proyecto. El equipo Success abordó la cuestión a través de un modelado preciso, una nueva técnica para la integración de la antena, y el uso de un sustrato de poliamida para la antena.
Desarrollado en el marco del proyecto Sucess ("Éxito" en español, "Diseño de sistema para sensores de ondas milimétricas con coste eficiente, ultracompacto y basado en silicio"), el dispositivo es el paquete "sistema en un chip" (SoC) basado en silicio para radares que funcionan en frecuencias superiores a los 100 GHz más completo.
"Hasta donde yo sé, este es el sistema completo de radar más pequeño del mundo", dice el profesor Christoph Scheytt, que coordina el proyecto en nombre de IHP en Frankfurt (Alemania). "Hay otros chips que trabajan a frecuencias por encima de 100 GHz, pero este es el más alto nivel de integración que se ha logrado en silicio".
Mide tan sólo 8 mm por 8 mm, y es la culminación de tres años de investigación por parte de nueve socios académicos e industriales de toda Europa, apoyados por 3 millones de euros en fondos de la Comisión Europea. El equipo se basó en la experiencia de cada parte de la cadena de desarrollo de microelectrónica para desarrollar esta innovadora tecnología, la cual se espera que sea puesta en marcha en aplicaciones comerciales en un futuro próximo.
Calcula distancias a tres metros
Funcionando a 120 GHz -correspondiente a una longitud de onda de aproximadamente 2,5 mm- el chip utiliza el tiempo de duración de las ondas para calcular la distancia de un objeto hasta alrededor de tres metros de distancia, con una precisión de menos de un milímetro. También puede detectar objetos en movimiento y calcular su velocidad mediante el efecto Doppler.
Desde un punto de vista comercial, la tecnología es también muy barata: fabricado a escala industrial, cada radar en miniatura completo costaría alrededor de un euro, estiman los socios del proyecto.
Eso le da el potencial para reemplazar sensores ultrasónicos para detección de objetos y peatones en vehículos, para ser utilizado en los sistemas automáticos de control de puertas, para medir la vibración o distancias dentro de máquinas, para aplicaciones de robótica y una amplia gama de otros usos. Incluso podría encontrar su uso en teléfonos móviles.
Para desarrollar el sistema de radar en miniatura, el equipo tuvo que superar una serie de desafíos técnicos, entre ellos integrar y garantizar la fiabilidad de la pequeña antena.
"En esta área, el tamaño importa mucho", señala el profesor Scheytt. "La principal motivación para el uso de frecuencias altas en lugar de otras más pequeñas es que las antenas pueden ser más pequeñas".
Mientras que una radio de FM tiene una antena que tiene en torno a un metro de largo y una antena de router Wifi tiene unos 10 cm de longitud, a frecuencias de ondas milimétricas (entre 30 y 300 GHz) las antenas también puede estar en escala de milímetros. Dada la creciente miniaturización de los dispositivos modernos -desde teléfonos celulares a los componentes de la robótica- trabajar en el rango milimétrico es por tanto una ventaja significativa.
Un nuevo substrato para resolver la atenuación
Sin embargo, a altas frecuencias la radiación electromagnética no deseada y la alta atenuación son graves problema. "Cuanto más se asciende en la frecuencia más irradia el cableado: resolver eso fue un gran reto", dice el coordinador del proyecto. El equipo Success abordó la cuestión a través de un modelado preciso, una nueva técnica para la integración de la antena, y el uso de un sustrato de poliamida para la antena.
"Los socios del proyecto investigaron y probaron un montón de sustratos diferentes para la antena para encontrar aquella que provocara menos pérdidas. Luego usaron una técnica para "imprimir" la antena en él y conectarlo a través de soldaduras", explica el profesor Scheytt.
'La propia antena es plana, lo que significa que está montada en la parte superior del chip. Esto es completamente diferente a la tecnología de envasado de otros sistemas de ondas milimétricas, que normalmente tienen antenas voluminosos con conductores con forma de tubo. La ventaja es que todo el "sistema-empaquetado" es mucho más pequeño", añade Scheytt.
Otro problema con los dispositivos de alta frecuencia es comprobar que funcionen como está planeado. Las técnicas actuales de pruebas son costosas y poco adaptadas a las pruebas necesarias si el dispositivo se va a fabricar comercialmente. Para hacer frente a esto, el equipo Success tomó la inusual decisión de incluir aplicaciones de auto-test integradas en el paquete de chips.
"El auto-test incorporado es muy común en los chips de teléfonos móviles que funcionan a frecuencias mucho más bajas, pero es algo bastante novedoso para los chips de onda milimétrica", dice el profesor Scheytt. "Nuestros socios industriales ponen mucho énfasis en la inclusión de esto, ya que no tiene sentido tener un chip que puede ser fabricado por un euro y luego tener que pagar 30 o 40 euros para testarlo".
La características incorporadas permiten a los técnicos de pruebas para poner a prueba de forma sencilla y a buen precio si la antena está conectada correctamente, la potencia de transmisión del dispositivo y si se está operando en el rango de frecuencias correcto.
Señala que un ingeniero de aplicaciones puede manejar el chip, porque es un estándar de montaje en superficie del paquete, en la misma forma que se ajuste de un sensor ultrasónico o un microcontrolador.
Los diferentes socios del consorcio Success están tratando de utilizar la tecnología comercialmente. Bosch, por ejemplo, y otros socios, como Silicon Radar en Alemania, Selmic en Finlandia y HighTec en Suiza.
'La propia antena es plana, lo que significa que está montada en la parte superior del chip. Esto es completamente diferente a la tecnología de envasado de otros sistemas de ondas milimétricas, que normalmente tienen antenas voluminosos con conductores con forma de tubo. La ventaja es que todo el "sistema-empaquetado" es mucho más pequeño", añade Scheytt.
Otro problema con los dispositivos de alta frecuencia es comprobar que funcionen como está planeado. Las técnicas actuales de pruebas son costosas y poco adaptadas a las pruebas necesarias si el dispositivo se va a fabricar comercialmente. Para hacer frente a esto, el equipo Success tomó la inusual decisión de incluir aplicaciones de auto-test integradas en el paquete de chips.
"El auto-test incorporado es muy común en los chips de teléfonos móviles que funcionan a frecuencias mucho más bajas, pero es algo bastante novedoso para los chips de onda milimétrica", dice el profesor Scheytt. "Nuestros socios industriales ponen mucho énfasis en la inclusión de esto, ya que no tiene sentido tener un chip que puede ser fabricado por un euro y luego tener que pagar 30 o 40 euros para testarlo".
La características incorporadas permiten a los técnicos de pruebas para poner a prueba de forma sencilla y a buen precio si la antena está conectada correctamente, la potencia de transmisión del dispositivo y si se está operando en el rango de frecuencias correcto.
Señala que un ingeniero de aplicaciones puede manejar el chip, porque es un estándar de montaje en superficie del paquete, en la misma forma que se ajuste de un sensor ultrasónico o un microcontrolador.
Los diferentes socios del consorcio Success están tratando de utilizar la tecnología comercialmente. Bosch, por ejemplo, y otros socios, como Silicon Radar en Alemania, Selmic en Finlandia y HighTec en Suiza.