Articoli di approfondimento - Un radar low cost piccolo come un'unghia
Sviluppato nell'ambito del progetto Success ("Silicon-based ultra-compact cost-efficient system design for mm-wave sensors"), il dispositivo è il più completo complesso "sistema su chip" (system on chip o SoC) a base di silicio per i radar che funzionano ad alte frequenze, oltre i 100 GHz. "Per quanto ne so, è il più piccolo sistema radar completo al mondo," dice il prof. Christoph Scheytt, che coordina il progetto per conto della IHP di Francoforte, in Germania. "Ci sono altri chip che funzionano a frequenze oltre i 100 GHz usati per la rilevazione radar, ma questo è il più alto livello di integrazione mai raggiunto in silicio." Il complesso chip, che misura appena 8 mm per 8 mm, è il culmine di tre anni di ricerca da parte di nove partner accademici e industriali in tutta Europa, sostenuto con 3 milioni di euro in finanziamenti da parte della Commissione europea. Il team si è basato su competenze di ogni parte della catena di sviluppo di microelettronica per sviluppare questa rivoluzionaria tecnologia, che dovrebbe essere messa in opera in applicazioni commerciali nel prossimo futuro. Il chip, che funziona a 120 GHz (corrispondenti a una lunghezza d'onda di circa 2.5 mm), usa il run time delle onde per calcolare la distanza di un oggetto fino a tre metri di distanza con una precisione di meno di un millimetro. È in grado di rilevare oggetti in movimento e calcolare la loro velocità usando l'effetto Doppler. Dal punto di vista commerciale, questa tecnologia è anche molto economica: prodotto su scala industriale, ogni radar in miniatura completo costerebbe circa un euro, secondo le stime dei partner del progetto. Questo gli dà le potenzialità per sostituire i sensori ultrasonici per la rilevazione di oggetti e pedoni nei veicoli, per essere usato per i sistemi di controllo delle porte automatiche, per misurare la vibrazione o la distanza dentro le macchine, per applicazioni nel campo della robotica e per un'ampia gamma di altri usi. Potrebbe anche essere usato perfino nei telefoni cellulari. Per sviluppare questo sistema radar in miniatura, il team ha dovuto superare una serie di problemi tecnici, uno dei quali è stato integrare e assicurare l'affidabilità della piccolissima antenna. "In questo campo, le dimensioni sono molto importanti," osserva il prof. Scheytt. "Il motivo principale per il quale abbiamo usato le alte frequenze rispetto a quelle più basse è che le antenne possono essere più piccole." Mentre una radio FM ha un'antenna lunga circa un metro e le antenne di un router WiFi sono lunghe circa 10 cm, alle frequenze mm-Wave (tra i 30 GHz e i 300 GHz) le antenne possono essere anche in scala millimetrica. Data la crescente miniaturizzazione dei dispositivi moderni - dai telefoni cellulari ai componenti robotici - lavorare con i millimetri è un vantaggio significativo. Un nuovo substrato per risolvere l'attenuazione Alle alte frequenze però la radiazione elettromagnetica e l'alta attenuazione sono problemi seri. "Più si va in alto con la frequenza più il circuito elettrico irradia: costruire un modello di questa interfaccia è stato molto difficile," dice il coordinatore del progetto. Il team di Success ha affrontato il problema attraverso una modellazione precisa, una nuova tecnica per l'integrazione dell'antenna e usando un substrato di poliammide per l'antenna. "I partner del progetto hanno studiato e testato molti substrati diversi per l'antenna per trovare quello con meno perdita. Hanno poi usato una tecnica per stampare l'antenna su di esso e collegarla attraverso sfere per saldatura," spiega il prof. Scheytt. "L'antenna è bidimensionale, il che significa che è piatta e montata sul chip. È completamente diverso dalla tecnologia di assemblaggio di altri sistemi a onda millimetrica, che di solito hanno antenne voluminose con conduttori a forma di tubo. Il vantaggio è che l'intero complesso è molto più piccolo." Un altro problema dei dispositivi ad alta frequenza è testare che funzionino secondo il progetto. Le attuali tecniche di collaudo sono costose e non adatte alla grande quantità di test necessari se il dispositivo deve essere prodotto commercialmente. Per risolvere il problema, il team di Success ha scelto un approccio insolito, includere funzioni di auto-collaudo integrate nel complesso chip. "L'auto-collaudo integrato è piuttosto comune per i chip dei telefoni cellulari che funzionano a frequenze molto più basse, ma è una novità per i chip a onde millimetriche," dice il prof. Scheytt. "I nostri partner industriali hanno messo molta enfasi sull'inclusione di questo sistema perché non ha senso avere un chip che può essere prodotto per un euro se poi bisogna spendere 30 o 40 euro per ogni chip per testarlo." Le funzioni di collaudo integrato permettono ai tecnici di testare in modo facile e poco costoso se l'antenna è connessa correttamente, il potere di trasmissione del dispositivo e se funziona alla giusta frequenza e poiché non c'è un'interfaccia di radio frequenza, l'integrazione su un circuito stampato è ugualmente economica e facile. "Poiché tutto il circuito ad alta frequenza è nel sistema ci sono solo interfaccia a bassa frequenza per lavorare," osserva il prof. Scheytt. Sottolinea che un ingegnere applicativo può gestire il chip, perché è un sistema standard a montaggio superficiale, in modo molto simile a quando si mette un sensore ultrasonico su un microcontrollore. "Gli utenti possono saldare il chip sui loro circuiti e ricevere segnali a bassa frequenza che possono essere elaborati senza difficoltà," dice il prof. Thomas Zwick, direttore di IHE presso il Karlsruhe Institute of Technology (KIT), un partner del progetto. I vari partner del consorzio Success stanno adesso esaminando il modo di usare la tecnologia commercialmente. Bosch, per esempio, sta studiando le possibilità di utilizzo e vede un grande potenziale per il funzionamento del radar low-cost ad alte frequenze, mentre altri partner, come Silicon Radar in Germania, Selmic in Finlandia e Hightec in Svizzera dovrebbero incorporare il lavoro svolto da Success nei loro processi industriali. Success ha ricevuto finanziamenti per la ricerca nell'ambito del Settimo programma quadro dell'Unione europea (7° PQ). Link dei progetti su CORDIS: - 7° PQ su CORDIS - Scheda informativa del progetto Success su CORDIS Link delle pagine web dei progetti: - Sito web "Silicon-based ultra-compact cost-efficient system design for mm-wave sensors Altri link: - Sito web dell'Agenda digitale della Commissione europea