DE10156258A1 - Integriertes Halbleiterbauelement für Hochfrequenzmessungen und dessen Verwendung - Google Patents

Integriertes Halbleiterbauelement für Hochfrequenzmessungen und dessen Verwendung

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DE10156258A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein integriertes Halbleiterbauelement für Hochfrequenzmessungen und dessen Verwendung. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass das Halbleiterbauelement Bestandteil einer Halbleiterschaltung (10) aus einer ersten Siliziumschicht (12), einer sich anschließenden Siliziumdioxidschicht (Isolierschicht (14)) und einer nachfolgenden weiteren Siliziumschicht (Strukturschicht (16)) ist (SOI-Wafer), und das Halbleiterbauelement aus einem Impatt-Oszillator (30) mit einem Resonator (24), der einen in der Strukturschicht (16) angeordneten metallisierten Zylinder (18) aus Silizium, eine den Zylinder (18) im Bereich der ersten Schicht (12) überdeckende Ankopplungsscheibe (28) und eine über eine Ausnehmung (38) der Ankopplungsscheibe (28) mit dem Zylinder (18) des Resonators (24) in Verbindung stehende Impatt-Diode (32) umfasst, sowie einem Referenz-Oszillator (46) niedrigerer Frequenz mit einem Resonator (24), der einen in der Strukturschicht (16) angeordneten metallischen Zylinder (18) aus Silizium und den Zylinder im Bereich der ersten Schicht (12) überdeckende Ankopplungsscheibe (28) und einem über eine Ausnehmung (38) der Ankopplungsscheibe (28) mit dem Zylinder (18) des Resonators (24) in Verbindung stehenden Mikrowellenleiter umfasst, wobei der Referenz-Oszillator über eine aktive Oszillatorschaltung (58) einer Frequenzstabilisierung des Impatt-Oszillators (30) dient, einem Empfangsmischer mit integrierten Schottky-Dioden und einer Sende- und Empfangsantenne besteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein integriertes Halbleiterbauelement für Hochfrequenzmessungen und dessen Verwendung.
    • Stand der Technik
  • Die Halbleitertechnologie findet in zunehmendem Maße Einzug in die Kraftfahrzeugtechnik. Die Miniaturisierung ermöglicht nicht nur eine verbesserte Steuerungs- und Regelungstechnik der motorspezifischen Funktionen, sondern öffnet auch den Weg für neue Sicherheits- und Fahrkomfortsysteme, wie beispielsweise Einparkhilfen, Precrash- und Sidecrash-Funktionen, Toter-Winkel-Erkennung, Füllstandsmessungen und Abstandsmessungen. Für alle steuerungs- und regelungstechnischen Vorgänge muss eine - nach Möglichkeit miniaturisierte - Sensorik im Kraftfahrzeug vorhanden sein.
  • In der Regel werden für die oben genannten beispielhaften Anwendungsgebiete berührungslose Sensoren verwendet, die einen Messstrahl bestimmter Frequenz emittieren, der an dem zu messenden Objekt reflektiert und mittels einer Empfängereinheit wieder erfasst und ausgewertet wird.
  • Für Füllstandsmessungen sind Messgeräte im Mikrowellenbereich mit etwa 2 bis 24 GHz, die entweder nach dem FMCW-Prinzip oder als Pulsradar arbeiten, bekannt. Derartige Füllstandssensoren werden für den robusten stationären Gebrauch unter problematischen Umgebungsbedingungen - beispielsweise in Behältern mit brennbaren Stoffen oder bei hohen Umgebungstemperaturen - auf Trägersubstraten wie Teflon oder RT- Duriod realisiert. Des Weiteren bekannt sind Kurzstreckenradarsysteme für Kraftfahrzeuge, die zur Einparkhilfe oder als Precrash-Sensoren dienen und eine Messfrequenz im Bereich von etwa 20 GHz aufweisen.
  • Für Abstandsmessungen bis zu Reichweiten von 150 m wurden Sensoren mit verschiedenen Lösungsansätzen entwickelt. Sehr kostengünstig, dafür aber aufgrund der geringen Strahlbündelung relativ ungenau, sind Ultraschallgeräte. Wesentlich präziser sind Laserentfernungsmesser, die sich allerdings nicht beliebig miniaturisieren lassen und sehr teuer sind. Weiterhin sind Abstandssensoren bekannt, mit denen Messungen im Mikrowellenbereich durchgeführt werden können. Die dazu notwendigen Sensoren basieren zwar auf Halbleiterschaltungen, jedoch sind die notwendigen Anregungsquellen (Oszillatoren) erst nachträglich durch übliche Hybridtechnik auf der Halbleiterschaltung montiert. Nachteilig hieran ist, dass der Miniaturisierung schon aufgrund der schwierigen Reproduzierbarkeit der Kopplung der Sendeeinheiten an die Halbleiterschaltung Grenzen gesetzt sind. Darüber hinaus müssen die nachträglich auf der Halbleiterschaltung montierten Oszillatoren aufwendig abgeglichen werden. Die Genauigkeit der Messungen hängt unter anderem auch von der Stabilität der Sendefrequenz ab. Zur Frequenzstabilisierung benötigte Referenz-Oszillatoren müssen dann ebenfalls montiert und justiert werden.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße integrierte Halbleiterbauelement für Hochfrequenzmessungen ermöglicht die Realisation von Abstandsmessgeräten, die bei sehr geringen Abmessungen hochpräzise Messungen erlauben. Das Halbleiterbauelement zeichnet sich dadurch aus, dass es Bestandteil einer Halbleiterschaltung aus einer ersten Siliziumschicht, einer sich anschließenden Siliziumdioxidschicht (Isolierschicht) und einer nachfolgenden weiteren Siliziumschicht (Strukturschicht) ist (SOI-Wafer). Das Halbleiterbauelement besteht aus
    • a) einem Impatt-Oszillator mit einem Resonator, der einen in der Strukturschicht angeordneten metallisierten Zylinder aus Silizium, eine den Zylinder im Bereich der ersten Schicht überdeckende Ankopplungsscheibe und eine über eine Ausnehmung der Ankopplungsscheibe mit dem Zylinder des Resonators in Verbindung stehende Impatt-Diode umfasst, sowie
    • b) einem Referenz-Oszillator niedrigerer Frequenz mit einem Resonator, der einen in der Strukturschicht angeordneten metallisierten Zylinder aus Silizium und den Zylinder im Bereich der ersten Schicht überdeckende Ankopplungsscheibe und einem über eine Ausnehmung der Ankopplungsscheibe mit dem Zylinder des Resonators in Verbindung stehenden Mikrowellenleiter umfasst, wobei der Referenz-Oszillator über eine aktive Oszillatorschaltung einer Frequenzstabilisierung des Impatt- Oszillators dient,
    • c) einem Empfangsmischer mit integrierten Schottky- Dioden und
    • d) einer Sende- und Empfangsantenne.
  • Damit ist ein System geschaffen, das eine Messung unter sehr hohen Betriebsfrequenzen im Millimeterwellenbereich (120 bis 130 GHz) gewährt. Die Messung im Mikrowellenbereich ermöglicht eine hohe Strahlbündelung (kleiner ±5° Halbwertsbreite), so dass auch eine als Empfängereinheit dienende, quasioptische Antenne Linsendurchmesser von < 30 mm haben kann. Das eingesetzte Halbleitermaterial erlaubt die Integration der benötigten planaren Komponenten in Mikrostreifenleiter-Technik auf der in der Umgebung der zylinderförmigen Resonatoren freigeätzten Siliziummembran oder auch in Koplanar-Technik auf dem umgebenden Siliziumbasissubstrat. Alle passiven Komponenten, wie mikromechanisch strukturierte Resonatoren, Schottky-Dioden, Varaktor-Dioden, sowie alle aktiven Komponenten, wie Impatt-Dioden, werden auf dem semiisolierenden SOI-Wafer integriert.
  • Insbesondere wird so vorteilhaft erreicht, dass kein Anschluss mit hochfrequentem Signal von dem System herunterführt. Es ist somit möglich, ein komplettes Radarsystem auf einen Chip zu integrieren.
  • Der Impatt-Oszillator erzeugt vorzugsweise eine feste Frequenz im Bereich von 80 bis 500 GHz, insbesondere von 100 bis 150 GHz. Der Referenz-Oszillator ist vorzugsweise zur Erzeugung einer festen Frequenz im Bereich von 1 bis 70 GHz, insbesondere von 20 bis 50 GHz, ausgelegt. Die Zylinder der Resonatoren werden von einer jeweils etwa 1 µm dicken Aluminiumschicht als Metallisierung bedeckt. Die die Resonatoren überdeckenden Ankopplungsscheiben sind so dimensioniert, dass an ihrem Rand keine störende Sendeenergie im Mikrowellenbereich austreten kann.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Impatt-Oszillator spannungsgesteuert und eine Varaktor-Diode ist zur Ansteuerung am Rande der Ankopplungsscheibe implantiert. Die Spannungsversorgung der Impatt-Diode erfolgt vorzugsweise über zwei Tiefpassfilter.
  • Die Leiterschicht der Halbleiterschaltung dient als Trägersubstrat für eine darauf angeordnete Mikrostreifenleiter-Schaltung. In die Halbleiterschaltung kann dabei eine Patch-Antenne integriert werden. In einer bevorzugten monostatischen Ausführungsform fungiert die Patch-Antenne als gemeinsame zirkular polarisierte Sende- und Empfangsantenne. Denkbar ist natürlich auch eine bistatische Ausführungsform mit getrennten linear oder zirkular polarisierten Sende- und Empfangsantennen.
  • Eine Einspeisung der erzeugten Sendeenergie des Impatt-Oszillators in die umgebende Mikrostreifenleiter-Schaltung erfolgt über ein Koppelelement. Es können insbesondere Branchline-Koppler zur Auskopplung von Teilen der Sendeenergie in die Patch-Antenne und zur Frequenzstabilisierung mit dem Referenz-Oszillator vorhanden sein. Die aktive Oszillatorschaltung kann vorzugsweise als zusätzliche Halbleiterschaltung mittels üblicher Hybridtechnik auf der Halbleiterschaltung montiert werden oder als diskreter Einzeltransistor realisiert werden. Im letzteren Falle ist bevorzugt, die erforderliche Anpassungsschaltung in Koplanar- oder Mikrostreifenleiter-Technik in der Halbleiterschaltung zu integrieren. Ferner ist es vorteilhaft, einen weiteren Branchline-Koppler zur Aufteilung eines Sendesignals in einer Inphase- und Quadratur-Komponente einzusetzen. Dieser Koppler dient im Falle einer monostatischen Ausführungsform zusätzlich zur Sende- und Empfangssignaltrennung.
  • Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente finden bevorzugt Einsatz als Bestandteile eines Sensors zur Entfernungsmessung. Der Sensor soll dabei insbesondere im Kraftfahrzeug zur Toten-Winkel-Erkennung, Precrash- und Sidecrash-Erkennung, Abstandsmessung oder als Einparkhilfe genutzt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
    • Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 bis 3 schematische Schnittansichten durch Halbleiterbauelemente für Hochfrequenzanwendungen in verschiedenen Herstellungsstadien;
  • Fig. 4 eine perspektivische Seitenansicht auf einen Resonator für einen Oszillator;
  • Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf einen Impatt-Oszillator;
  • Fig. 6 einen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement im Bereich einer Impatt-Diode;
  • Fig. 7 ein Blockschaltbild einer monostatischen Ausführungsform;
  • Fig. 8 ein Blockschaltbild einer bistatischen Ausführungsform;
  • Fig. 9 eine weitere Darstellung einer monostatischen Ausführungsform gemäß Fig. 7;
  • Fig. 10 eine Ausführungsform mit einem Referenz- Oszillator in einer zusätzlich montierten Halbleiterschaltung und
  • Fig. 11 einen schematischen Aufbau eines Sensors zur Entfernungsmessung.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Ausschnitt aus einem handelsüblichen SOI(Silicon on Insulator)-Wafer, der zur Herstellung einer Halbleiterschaltung 10 mit den erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen dient. Die in Koplanar- oder Planartechnik bekannte Herstellung aller Komponenten der Halbleiterschaltung 10 in einem gemeinsamen Herstellungsschritt wird hier - da allgemein bekannt - nicht näher erläutert. Der Wafer besteht aus einer 675 µm dicken semiisolierenden, p- -dotierten Strukturschicht 16 aus Silizium. Sie weist einen spezifischen Widerstand im Bereich von 500 bis 1000 Ωcm, insbesondere 750 Ωcm, auf. Die Strukturschicht 16 wird von einer etwa 300 nm dicken Isolierschicht 14 aus Siliziumdioxid bedeckt, auf der eine 50 µm dicke, p--dotierte Schicht 12 aus Silizium aufgebracht ist.
  • Die Schicht 14 aus Siliziumdioxid dient als Ätzstopp beim Trench-Ätzen der mikromechanischen Strukturen in die Strukturschicht 16. Der Trench-Ätzprozess legt eine Membran, bestehend aus der präzisen 50 µm dicken Schicht 12 und der 300 nm dicken Schicht 14, frei, wodurch es zur Ausbildung eines Freiraumes 19 in der Schicht 16 kommt. In diesem Freiraum 19 kragt ein Zylinder 18 aus Silizium ein (Fig. 2), der quasi von dem Freiraum 19 umgeben ist. Diese Strukturierung ist durch entsprechende Maskierungen während des Trench- Ätzens möglich.
  • Die entstandene zylinderförmige Struktur 18 wird durch Bedampfung oder Sputtern mit einer zirka 1 µm dicken Aluminiumschicht 20 überzogen (Fig. 3). Der hierdurch metallisierte Zylinder 18 dient als mit semiisolierendem Silizium gefüllter Resonator 24 hoher Güte (Q ≍ 200), der gezielt je nach Anforderungsbedingungen im TM010-Mode oder TE111-Mode angeregt werden kann. Auf eine nach herkömmlicher Technik zur Wärmeabfuhr notwendige zusätzliche Kupferschicht im Bereich des Resonators 24 kann verzichtet werden.
  • Ein Bereich der Schicht 12 oberhalb des Zylinders 18 wird mit einer Ankopplungsscheibe 28, die über den darunter liegenden Zylinder 18 hinausreicht, bedampft (Fig. 4). In der Ankopplungsscheibe 28 wird eine Ausnehmung 38 (insbesondere als Schlitz) strukturiert. Die Ankopplungsscheibe 28 ist so dimensioniert, dass an deren Rand keine Mikrowellenenergie austreten kann. Der Resonator 24 eignet sich - mit jeweils unterschiedlicher Dimensionierung und Spannungsversorgung - sowohl als Sender als auch als Referenzquelle. Der Resonator 24 für einen noch näher erläuterten Impatt-Oszillator 30 hat eine Höhe von zirka 725 µm und einen auf die gewünschte Resonatorfrequenz 122,3 GHz abgestimmten Radius von 242 µm. Für eine Referenzfrequenz von 40 GHz beträgt der Radius 800 µm bei einer Höhe von 725 µm.
  • Die Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Impatt- Oszillator 30, wie er für die Erzeugung eines Sendesignals im Mikrowellenbereich benötigt wird. Neben dem Resonator 24 umfasst der Impatt-Oszillator 30 eine Impatt-Diode 32, die über zwei Tiefpassfilter 34, 36 mit Spannung versorgt wird. Die Impatt-Diode 32 sitzt in der Ausnehmung 38 der Ankopplungsscheibe 28 und ermöglicht die Verbindung zu einer in die Schicht 12 integrierten Mikrostreifenleiter-Schaltung. Die erzeugte Sendeenergie des Impatt-Oszillators 30 wird über ein Koppelelement 40 in die umgebende Mikrostreifenleiter-Schaltung eingespeist. Der Impatt-Oszillator 30 kann im besonders günstigen TE111-Mode betrieben werden. Für den Fall eines spannungsgesteuerten Oszillators wird zusätzlich zur Impatt-Diode 32 eine Varaktor-Diode 42 am Rande der Ankopplungsscheibe 28 implantiert (siehe Fig. 9).
  • Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch die Halbleiterschaltung 10 im Bereich der Impatt-Diode 32. Derartige Dioden sind bekannt, daher wird auf eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Schichten beziehungsweise Funktionselemente an dieser Stelle Verzichtet. Aufeinander folgend umfasst die Impatt- Diode 32 eine Aluminiumschicht 33, eine p+-dotierte Siliziumschicht 35, eine Epi-Siliziumschicht 37 und eine n+-dotierte Schicht 39.
  • Der Aufbau eines Referenz-Oszillators 46 (Fig. 9) ist prinzipiell gleich dem Aufbau des Impatt-Oszillators 30. Für den Betrieb im TM010-Mode kann die Anbindung jedoch nicht über eine Impatt-Diode 32 erfolgen, sondern es ist ein anderer geeigneter Mittelleiter einzusetzen. Der TM010-Mode erlaubt die Erzeugung besonders stabiler Referenzsignale.
  • Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer monostatischen Ausführungsform mit einer gemeinsamen zirkular polarisierten Sende- und Empfangsantenne. Die Anordnung umfasst den Impatt-Oszillator 30, der ein hochfrequentes Sendesignal im Bereich von 122 GHz erzeugt, und den Referenz-Oszillator 46, der zur Frequenzstabilisierung und -linearisierung dient. Dazu wird ein festes Referenzsignal im Bereich von 40 GHz erzeugt. Das Sendesignal wird über eine Kopplung 40 in eine Patch-Antenne 48 eingespeist. Die gesamte Halbleiterschaltung 10 ist mit einer angedeuteten Superstrate 50 als Gehäuse vor Umwelteinflüssen geschützt. Eine Linse 52, die einen Durchmesser geringer als 30 mm haben kann, fokussiert den emittierten Messstrahl. Neben der dargestellten monostatischen Ausführungsform können Sende- und Empfangsantennen auch als getrennte linear oder zirkular polarisierte Einheiten realisiert werden. So zeigt Fig. 8 eine getrennte Patch-Antenne 54 und eine davon unabhängige Empfängerantenne 56.
  • Fig. 7 zeigt die Hauptbestandteile Impatt-Oszillator (Sender) 30, Frequenzaufbereitung 31 mit Referenzquelle (Referenz-Oszillator 46), Antennensystem 49 und Empfangsmischer 51 mit integrierten Schottky- Dioden. Diese sind auf einen kompakten Chip integriert. Es ist kein Hochfrequenzanschluss (im Mikrowellenbereich) nach außen geführt.
  • Eine weitere Darstellung der monostatischen Ausführungsform gemäß Fig. 7, die für Radarsysteme zur Abstandsmessung geeignet ist, zeigt Fig. 9. Für die Frequenzstabilisierung ist eine aktive Oszillatorschaltung 58 - hier in Form einer zusätzlichen GaAs- Halbleiterschaltung, die in Flip-Chip-Technik montiert wird - vorhanden. Alternativ kann die aktive Oszillatorschaltung 58 durch einen leitend aufgeklebten, diskreten Einzeltransistor verwirklicht werden. Die in diesem Fall erforderliche Anpassungsschaltung kann in Koplanar- und in Mikrostreifenleiter-Technik ebenfalls in die Schicht 12 der Halbleiterschaltung 10 integriert werden.
  • Die vom Impatt-Oszillator 30 erzeugte Sendeenergie wird über Branchline-Koppler 60, 62 in Teilen zur Frequenzstabilisierung mit dem Referenz-Oszillator 46 genutzt. Ein weiterer Branchline-Koppler 64 spaltet das Sendesignal in eine Inphase- und Quadratur-Komponente zur Speisung der zirkular polarisierten Patch- Antenne 48 und bewerkstelligt gleichzeitig die Sende- und Empfangssignaltrennung des monostatischen Systems. Einem Ratrace-Mischer wird in einem Eingang das Empfangssignal aus dem Branchline-Koppler 64 und im zweiten Eingang die Oszillatorenergie aus dem Referenz-Oszillator 46 zugeführt.
  • Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der als Referenz dienende Oszillator 46 als SiGe- Halbleiterschaltung mittels Flip-Chip-Bonding auf der Halbleiterschaltung 10 montiert ist.
  • In Fig. 11 ist zur Veranschaulichung nochmals schematisch der Aufbau eines Radarsystems mit Superstrate 50 und Antennenlinse 52 in nicht maßstabsgetreuer Weise dargestellt.

Claims (20)

1. Integriertes Halbleiterbauelement für Hochfrequenzmessungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement Bestandteil einer Halbleiterschaltung (10) aus einer ersten Siliziumschicht (12), einer sich anschließenden Siliziumdioxidschicht (Isolierschicht (14)) und einer nachfolgenden weiteren Siliziumschicht (Strukturschicht (16)) ist (SOI- Wafer), und das Halbleiterbauelement aus
a) einem Impatt-Oszillator (30) mit einem Resonator (24), der einen in der Strukturschicht (16) angeordneten metallisierten Zylinder (18) aus Silizium, eine den Zylinder (18) im Bereich der ersten Schicht (12) überdeckende Ankopplungsscheibe (28) und eine über eine Ausnehmung (38) der Ankopplungsscheibe (28) mit dem Zylinder (18) des Resonators (24) in Verbindung stehende Impatt- Diode (32) umfasst, sowie
b) einem Referenz-Oszillator (46) niedrigerer Frequenz mit einem Resonator (24), der einen in der Strukturschicht (16) angeordneten metallischen Zylinder (18) aus Silizium und den Zylinder im Bereich der ersten Schicht (12) überdeckende Ankopplungsscheibe (28) und einem über eine Ausnehmung (38) der Ankopplungsscheibe (28) mit dem Zylinder (18) des Resonators (24) in Verbindung stehenden Mikrowellenleiter umfasst, wobei der Referenz-Oszillator über eine aktive Oszillatorschaltung (58) einer Frequenzstabilisierung des Impatt-Oszillators (30) dient,
c) einem Empfangsmischer (51) mit integrierten Schottky-Dioden und
d) einer Sende- und Empfangsantenne (49)
besteht.
2. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impatt-Oszillator (30) eine feste Frequenz im Bereich von 80 bis 500 GHz, insbesondere von 100 bis 150 GHz, erzeugt.
3. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenz- Oszillator (46) eine feste Frequenz im Bereich von 1 bis 70 GHz, insbesondere von 30 bis 50 GHz, erzeugt.
4. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (18) der Resonatoren (24) von einer Metallschicht (20), insbesondere aus Aluminium, bedeckt sind.
5. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankopplungsscheiben (28) der Resonatoren (24) so dimensioniert sind, dass an deren Rand keine Sendeenergie austreten kann.
6. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Impatt-Oszillator (30) spannungsgesteuert ist und eine Varaktor-Diode (42) am Rand der Ankopplungsscheibe (28) implantiert ist.
7. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung der Impatt-Diode (32) über zwei Tiefpassfilter (32, 34) erfolgt.
8. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (12) als Trägersubstrat für eine Mikrostreifenleiter-Schaltung dient.
9. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschaltung (10) eine Patch-Antenne (48) als integrierten Empfänger aufweist.
10. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Patch-Antenne (48) als gemeinsame, zirkular polarisierte Sende- und Empfangsantenne dient (monostatische Ausführungsform).
11. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenz-Oszillator (46) Bestandteil einer in Hybridtechnik auf der Halbleiterschaltung (10) montierten eigenständigen Schaltung ist.
12. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspeisung der erzeugten Senderenergie des Impatt- Oszillators (30) in die umgebende Mikrostreifenleiter-Schaltung über ein Koppelelement (40) erfolgt.
13. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Branchline-Koppler (60, 62) zur Auskopplung von Teilen der Senderenergie in die Patch-Antenne (48) und zur Frequenzstabilisierung mit dem Referenz-Oszillator (46) vorhanden sind.
14. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Oszillatorschaltung (58) eine zusätzliche Halbleiterschaltung ist.
15. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Oszillatorschaltung (58) ein diskreter Einzeltransistor ist.
16. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erforderliche Anpassungsschaltung in Koplanar- oder Mikrostreifenleiter-Technik in der Halbleiterschaltung (10) integriert ist.
17. Integriertes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Branchline-Koppler (64) zur Aufteilung eines Sendesignal in eine Inphase- und Quadratur-Komponente vorhanden ist.
18. Integriertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Branchline-Koppler (64) in der monostatischen Ausführungsform zur Sende- und Empfangssignaltrennung dient.
19. Verwendung des integrierten Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement Bestandteil eines Sensors zur Entfernungsmessung ist.
20. Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor im einem Kraftfahrzeug zur Toten-Winkel-Erkennung, Precrash- und Sidecrash- Erkennung, Einparkhilfe und Abstandsmessung Einsatz findet.
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KR10-2004-7006706A KR20040053271A (ko) 2001-11-09 2002-08-16 고주파 측정용 집적 반도체 소자 및 그의 용도
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10156258A1 (de) * 2001-11-09 2003-05-28 Bosch Gmbh Robert Integriertes Halbleiterbauelement für Hochfrequenzmessungen und dessen Verwendung
DE10156257A1 (de) * 2001-11-09 2003-05-28 Bosch Gmbh Robert Mikromechanischer Resonator
WO2005045466A1 (en) * 2003-11-04 2005-05-19 Cmte Development Limited Cavity monitoring system
US7796080B1 (en) * 2004-12-08 2010-09-14 Hrl Laboratories, Llc Wide field of view millimeter wave imager
DE102007034329A1 (de) * 2007-07-24 2009-01-29 Robert Bosch Gmbh Radarvorrichtung
US7830301B2 (en) * 2008-04-04 2010-11-09 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Dual-band antenna array and RF front-end for automotive radars
US20100152972A1 (en) * 2008-12-15 2010-06-17 Joe Charles Attard Parallel park assist
DE102010042276A1 (de) * 2010-10-11 2012-04-12 Robert Bosch Gmbh Sensor, Justageverfahren und Vermessungsverfahren für einen Sensor
JP5880508B2 (ja) * 2013-09-24 2016-03-09 日本電気株式会社 配線基板およびその製造方法
DE102018200647A1 (de) 2018-01-16 2019-07-18 Vega Grieshaber Kg Radar-transceiver-chip

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0424509B1 (de) * 1989-04-24 1994-12-07 Hughes Aircraft Company Radar-sender und -empfänger für kurze entfernung unter verwendung eines fet-oszillators

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3882419A (en) * 1974-03-01 1975-05-06 Rca Corp Varactor tuned impatt diode microwave oscillator
US4514707A (en) * 1982-06-15 1985-04-30 Motorola, Inc. Dielectric resonator controlled planar IMPATT diode oscillator
DE3322304A1 (de) * 1983-06-21 1985-01-03 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Streifenleitungsdopplerradar
US5511238A (en) * 1987-06-26 1996-04-23 Texas Instruments Incorporated Monolithic microwave transmitter/receiver
US4982168A (en) * 1989-11-01 1991-01-01 Motorola, Inc. High peak power microwave oscillator
US5204641A (en) * 1992-03-11 1993-04-20 Space Systems/Loral, Inc. Conducting plane resonator stabilized oscillator
US6133795A (en) * 1994-06-24 2000-10-17 Williams; Roscoe Charles Oscillator circuit
GB2291551B (en) * 1994-06-24 1998-03-18 Roscoe C Williams Limited Electronic viewing aid
US5432482A (en) * 1994-07-28 1995-07-11 Bailey; Michael J. Variable-frequency microwave oscillator with multi-resonator matching circuit
DE19729095A1 (de) * 1997-07-08 1999-02-04 Bosch Gmbh Robert Kraftfahrzeug-Radarsystem
EP0978729A3 (de) * 1998-08-07 2002-03-20 Hitachi, Ltd. Hochfrequenz-Sende-Empfangsvorrichtung für Fahrzeug-Radarsysteme
DE19931928A1 (de) * 1999-07-08 2001-01-11 Bosch Gmbh Robert Radarsender
DE10156255A1 (de) * 2001-11-09 2003-05-22 Bosch Gmbh Robert Hochfrequenz-Oszillator für eine integrierte Halbleiterschaltung und dessen Verwendung
DE10156258A1 (de) * 2001-11-09 2003-05-28 Bosch Gmbh Robert Integriertes Halbleiterbauelement für Hochfrequenzmessungen und dessen Verwendung

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0424509B1 (de) * 1989-04-24 1994-12-07 Hughes Aircraft Company Radar-sender und -empfänger für kurze entfernung unter verwendung eines fet-oszillators

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Leblanc et al., GaAs Monolithic Circuit for FMCLo Radars IEEE MTT-S Digest, 1988 *
Widmann, Mader, Friedrich, Technologie hochintegrierter Schaltungen, S. 87-89 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE10295162D2 (de) 2004-11-11
US20050001632A1 (en) 2005-01-06
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EP1446824A2 (de) 2004-08-18
AU2002320950A1 (en) 2003-05-19
US7109917B2 (en) 2006-09-19
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