Beschreibung

Titel

Antennenanordnung für einen Radar-Sensor

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für einen Radar-Sensor, insbesondere zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung. Der Einsatz von Radar-Sensoren mit dieser speziellen Antennenanordnung ist sehr breit möglich. Insbesondere kommen angepasste Ausführungen im sehr nahen cm-Bereich, z.B. zur Bohrtiefebestimmung oder im m-Bereich wie im Umfeld von Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.

Derartige Radar-Sensoren, das heißt Sende-/Empfängermodule, kommen im

Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich zur Ortung von Gegenständen im Raum oder zur Geschwindigkeitsbestimmung, insbesondere von Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Solche Radar-Sensor werden insbesondere für Fahrerassistenzsysteme verwendet, welche beispielsweise zur Bestimmung des Abstands eines vor einem Fahrzeug vorausfahrenden weiteren Fahrzeugs und zur Abstandsregelung eingesetzt werden. Dabei sendet ein solcher Radar-Sensor zur Ortung von Gegenständen im Raum und zur Geschwindigkeitsbestimmung höchstfrequente Signale in Form elektromagnetischer Wellen aus, die vom Zielgegenstand reflektiert werden, und von dem Radar-Sensor wieder empfangen und weiterverarbeitet werden. Nicht selten werden dabei mehrere dieser Radar-Sensor zu einem Gesamtmodul verschaltet.

Aus der DE 103 00 955 Al ist ein Radar-Sensor für Mikrowellen- und Millimeterwellenanwendungen bekannt geworden, bei dem auf einen in mehreren Schichten aufgebauten Bauelement sowohl Sende- und Empfangseinheiten als auch eine

Antenne angeordnet sind. Ein derartiger Schichtaufbau erfordert Verbindungen, die so ausgeführt sein müssen, daß eine übertragung von höchstfrequenten HF-Signalen möglich ist. Um solche HF-übergänge einigermaßen verlustarm herstellen zu können, sind bei diesen Radar-Sensorn sehr hohe Anforderungen an die Fertigung zu stellen.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2004 059 333.7 geht eine Antennenanordnung für einen Radar-Sensor der gattungsgemäßen Art hervor, bei der die wenigstens eine Antenne einen ersten, auf dem Chip angeordneten Teil und einen in einem Abstand von dem ersten Teil angeordneten und an den ersten Teil strahlungsgekoppelten zweiten Teil umfaßt.

Bei dieser Antennenanordnung ist vorgesehen, auf den Chip mit sehr dünnen elektrisch wirksamen Schichten, die auch die Sende-/Empfangseinheiten enthalten, eine Antennenanordnung vorzusehen, die statt Patch- Antennen gedruckte Dipole mit Parallelspeisung, d.h. differenzieller Speiseleitung, verwendet. Die Zweiteilung der

Antenne in einen ersten auf dem Chip angeordneten Teil und in einen in einem Abstand von dem ersten Teil angeordneten und an den ersten Teil des strahlungsgekoppelten zweiten Teil ermöglicht eine vorteilhafte Vergrößerung der Bandbreite. Darüber hinaus sinkt der Strahlungswiderstand. Bevorzugt ist der zweite Teil der Antenne hierbei an einem Radom angeordnet.

Aus der ebenfalls nicht vorveröffentlichten DE 10 2004 063 541.2 ist eine gattungsgemäße Antennenanordnung bekannt, bei der der zweite Teil der Antenne auf einem Antennenträger oder einem weiteren Chip angeordnet ist, der über dem ersten Teil durch einen speziellen Montage- und Kontaktierprozess befestigt ist, um geringe mechanische Toleranzen zu realisieren. Die Befestigung geschieht hierbei durch Flip- Chip-Verbindungen. Eine wesentliche Kostenreduzierung des Radarsensors wird durch Integration aller Hochfrequenzkomponenten auf dem Halbleiterchip erreicht, insbesondere Baugruppen wie Oszillator, Mischer und Verstärker. Darüber hinaus sind auch die passiven Baugruppen auf dem Halbleiterbauelement integriert.

Hierbei sind unterschiedliche Ansätze zur Integration von Antennenelementen auf Halbleiterschaltungen bekannt. So kommen beispielsweise hochohmige Siliziumwafer zum Einsatz, bei welchen Antennenstrukturen durch mikromechanische

Nachbearbeitung, z.B. Rückdünnen oder ätzen von Schichten, hergestellt werden. Darüber hinaus kann auch das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht, z.B. aus BCB (Benzocyclobuten) auf der ein Antennenelement aufgebracht wird, vorgesehen sein.

Problematisch hierbei ist, daß zur Herstellung der Antennen zusätzliche

Technologieschritte bei der Bearbeitung der Siliziumwafer erforderlich sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antennensystem zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen zu vermitteln, welches bei einem guten Wirkungsgrad eine definierte Abstrahlcharakteristik mit sehr geringen Toleranzen in der Serienfertigung aufweist. Dieses Antennensystem soll aufpreisgünstige Weise hergestellt werden können und es sollen zusätzliche Prozessierungsschritte bei der Herstellung der Halbleiterschaltungen vermieden werden.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch eine Antennenanordnung für einen Radar-Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Neben einer einfachen Herstellung, welche keine zusätzlichen Prozeßschritte bei der Herstellung der Halbleiterschaltungen erfordert, ist ein solches Antennensystem relativ unabhängig vom Backendprozess, d.h. dem Schichtaufbau der Metallagen des Halbleiterprozesses. Dieser Backendprozess beeinflusst im Wesentlichen nur den Antennenwirkungsgrad.

Bei einem geeigneten Backendprozess mit relativ großen Abständen zwischen der untersten und der obersten Metalllage im Bereich von etwa 10 μm läßt sich ein Wirkungsgrad der Antennen von deutlich über 50 % erreichen. Ein Antennensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht auch ein definiertes und wohlgeformtes Richtdiagramm mit geringen Nebenkeulen. Sehr vorteilhaft und kostengünstig ist, dass keine hochfrequenztauglichen elektrischen übergänge von dem HF-Halbleiterbauelement auf ein Leiterplattensubstrat erforderlich sind. Damit können die elektrischen Verbindungen der Versorgungs- und Informationsleitungen der Halbleiterschaltung durch standardisierte Bond- Verdrahtungen realisiert werden, da die Strahlrichtung der Antenne

vom Chip weg nach oben ausgerichtet ist. Das Leiterplattensubstrat kann aus dem preiswertesten Polyestermaterial FR4 bestehen.

Weitere Vorteile und Merkmale sind Gegenstand der auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.

Bevorzugt ist der erste Teil unsymmetrisch kontaktiert und wird aus einem am Ende kurzgeschlossenen verkürzten Rechteck-Patch-Element gebildet. Der zweite Teil besteht aus einem Rechteck-Resonator, dessen Zentrum über einer offenen Kante des ersten Teils auf dem Träger positioniert ist.

So sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, daß das Erregerelement eine im Wesentlichen ebene metallische Fläche, ein sogenanntes Erreger-Patch ist.

Dieses Erreger-Patch weist eine Länge auf, die bevorzugt im Wesentlichen einem Viertel der abzustrahlenden Wellenlänge entspricht und eine Breite, die kleiner ist als die Länge.

Das Resonatorelement ist eine auf dem Träger im Wesentlichen eben ausgebildete metallische Fläche, ein sogenanntes Resonator-Patch. Dieses Resonator-Patch weist eine Länge auf, die im Wesentlichen einer halben Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung entspricht und eine Breite, die kleiner als die Länge ist.

Das Resonatorelement kann ein Polyrod, d.h. einen sich verjüngenden Zylinder zur Strahlformung aufweisen, wodurch sich ein höherer Antennengewinn erzielen läßt.

Um die Antennenanordnung vor Umwelteinflüssen zu schützen, kann ferner vorgesehen sein, in den Raum zwischen dem Chip und dem Träger durch ein das Erreger-Patch und das Resonator-Patch eine ausfüllende Vergussmasse einzubringen.

Zeichnung

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. Ia, b schematisch ein auf einem Chip angeordnetes Erregerelement gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht des in Fig. 1 dargestellten Erregerelements mit einem darüber angeordneten Resonatorelement;

Fig. 3 der Verlauf der elektrischen Feldlinien der in Fig. 2 dargestellten Antennenanordnung und Fig. 4 schematisch die Antennenanordnung mit einem zusätzlichen Polyrod.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Bei einem in Fig. Ia und Fig. Ib dargestellten Radar-Sensor sind auf einem Chip 100 nicht nur sämtliche Sende-/Empfangseinheiten 105 des Transceivers angeordnet, sondern auch ein Erreger-/Empfängerelement 120 der Antennenanordnung. Der Chip 100 besteht beispielsweise aus einem Halbleiterbauelement, welches eine definierte Dielektrizitätskonstante aufweist. Wie insbesondere aus Fig. 1 a hervorgeht, wird das Erregerelement aus einem am Ende kurzgeschlossenen verkürzten Rechteck-Patch-

Element gebildet, das unsymmetrisch kontaktiert ist.

In Fig. 2 und 3 ist eine solche Antennenanordnung im Schnitt dargestellt. Auf dem Siliziumchip 100 ist eine Oxidschicht 102 vorgesehen, in die das Erreger- /Empfängerelement 120 eingebettet ist.

Das auch als Erreger-Patch bezeichnete Erreger-/Empfängerelement 120 besteht aus einer im Wesentlichen ebenen metallischen Fläche mit einer Länge 1 und einer Breite w (vergl. Fig. Ia). Es ist mit einer metallischen Schicht 101 des Chips über einen Steg 121 kurzgeschlossen (vergl. Fig. 2 und Fig. 3). Das Erreger-/Empfänger-Patch 120 weist eine

Länge auf, die im Wesentlichen einem Viertel der abzustrahlenden Wellenlänge entspricht, und eine Breite, die größer ist als die Länge.

Der Chip 100 selbst kann eine Dicke dl von etwa 350 μm aufweisen, die Oxidschicht weist eine Dicke d2 von 9 μm auf (Fig. 2, Fig. 3).

über dem Erreger-/Empfänger-Patch 120 ist ein Resonatorelement 220 angeordnet, welches gebildet wird durch eine ebenfalls im Wesentlichen ebene metallische Fläche, die auf einem Träger 200 angeordnet ist. Der Träger 200 besteht bevorzugt aus Kunststoff, die ebene metallische Fläche des Resonatorelements 200, auch Resonator- Patch 220 genannt, ist in einem Abstand d3 von etwa 150 μm über der Oxidschicht 102 angeordnet (Fig. 2, Fig. 3). Das Resonator-Patch 220 weist eine Länge auf, die im Wesentlichen einer halben Wellenlänge der abgestrahlen elektromagnetischen Strahlung entspricht, und eine Breite, die kleiner als die Länge ist. Das Zentrum des rechteckförmigen Resonator-Patch 220, in Fig. 2 dargestellt durch eine mit Z bezeichnete Linie, liegt über einer offenen Kante 122 des Erreger-/Empfängerelements 120.

Der Feldlinienverlauf des elektromagnetischen Feldes E ist schematisch in Fig. 3 dargestellt, die Ausbreitung des Feldes E ist durch einen Pfeil 300 angedeutet. Das Feld E breitet sich im Wesentlichen von der Antennenanordnung weg gerichtet nach oben aus, weshalb der gesamte Chip durch an sich bekannte Bond-Drähte kontaktiert werden kann.

Zur Strahlformung kann vorgesehen sein, daß über dem Resonator-Patch 220 ein sogenanntes Polyrod 250 angeordnet ist, d.h. ein kegelförmiges Gebilde zur Strahlformung, welches sich mit seitlichen Armen 252 auf dem Chip 100 abstützt.

Der Raum zwischen dem Chip 100 und dem Träger 200 kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform durch eine das Erreger-/Empfänger-Patch 120 und das Resonator-Patch

220 einbettende Vergussmasse, insbesondere ein Silikongel oder ein Unterfϊller auf Epoxidharzbasis ausgefüllt sein.