DE102016120665B3

DE102016120665B3 - Radar sensor unit for use in harsh environments

Info

Publication number: DE102016120665B3
Application number: DE102016120665.2A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Winkler; Dieter Genschow
Original assignee: Silicon Radar GmbH
Current assignee: Indie Semiconductor FFO GmbH
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-10-29

Abstract

Radarsensoreinheit (10) zum Einsatz in rauen Umgebungen, insbesondere in ölgefüllten Hydraulikzylindern (100) mit einer Radarelektronik (12), die mindestens eine Hochfrequenzantenne (42) zum Aussenden und Empfangen von hochfrequenter Strahlung (56) aufweist, mit einer Linse (14) zum Bündeln der hochfrequenten Strahlung (56), und mit einem Träger (16) aus Metall, der eine Aussparung (18) zur Montage der Radarelektronik (12) aufweist. Der Träger weist eine erste plane Seitenfläche (20) auf, in der die Aussparung (18) zentral angeordnet ist. Die Linse weist eine zweite plane Seitenfläche auf. Die erste plane Seitenfläche (20) des Trägers (16) und die zweite plane Seitenfläche (22) der Linse (14) sind übereinanderliegend fest miteinander verbunden, so dass die Aussparung (18) einseitig durch die Linse (14) verschlossen ist.Radar sensor unit (10) for use in harsh environments, in particular in oil-filled hydraulic cylinders (100) with radar electronics (12) having at least one high-frequency antenna (42) for emitting and receiving high-frequency radiation (56), with a lens (14) for Bundling the high-frequency radiation (56), and with a metal support (16) having a recess (18) for mounting the radar electronics (12). The carrier has a first planar side surface (20), in which the recess (18) is arranged centrally. The lens has a second planar side surface. The first planar side surface (20) of the carrier (16) and the second planar side surface (22) of the lens (14) are firmly connected to one another so that the recess (18) is closed on one side by the lens (14).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radarsensoreinheit zum Einsatz in rauen Umgebungen, einen Hydraulikzylinder mit einer solchen Radarsensoreinheit sowie die Verwendung einer solchen Radarsensoreinheit als Abstandsmesseinrichtung.The present invention relates to a radar sensor unit for use in harsh environments, a hydraulic cylinder with such a radar sensor unit and the use of such a radar sensor unit as a distance measuring device.

Es gibt viele Anwendungsfälle, bei denen in Systemen, in denen hohe Drücke und/oder andere raue Umgebungsbedingungen herrschen, eine präzise Abstandsmessung notwendig ist. Beispielsweise ist es von Bedeutung, in einem Hydraulikzylinder die genaue Position des Kolbens zu kennen, um dessen Hubweg zu ermitteln. Andererseits ist es bei einem Getriebe oder einem Motor von Bedeutung, die genaue Drehbewegung der Zahnräder zu detektieren. Bei all diesen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, einen Sensor zur Positionsbestimmung innerhalb des Systems zu integrieren, der den rauen Umgebungsbedingungen standhalten kann. So herrschen beispielsweise in einem Zylinder, der eine Linearbewegung mit hoher Kraft ausführen soll, sehr hohe Drücke. In Motoren oder Getrieben kommt es wiederum zu starken Ölströmungen bei verschiedenen Temperaturen und Drücken.There are many applications where precise distance measurement is required in systems where high pressures and / or other harsh environmental conditions prevail. For example, it is important to know the exact position of the piston in a hydraulic cylinder in order to determine its stroke. On the other hand, it is important in a transmission or a motor to detect the precise rotational movement of the gears. In all these applications, it is desirable to integrate a position sensor within the system that can withstand the harsh environmental conditions. For example, in a cylinder that is to perform a linear motion with high force, very high pressures prevail. In engines or gearboxes, there are again strong oil flows at different temperatures and pressures.

Integrierte Sensoren zur Positionsbestimmung bei bekannten Systemen beruhen im Wesentlichen auf zwei verschiedenen Prinzipien. Einerseits gibt es Methoden zur Positionsbestimmung, die auf dem Prinzip der Magnetostriktion beruhen. Hierbei wird durch ein magnetisches Feld ein Ultraschallimpuls erzeugt, der auf einem speziellen in das System integrierten metallischen Torsionsstab entlangläuft und an einem Positionsgeber, der aus einem Permanentmagneten besteht, reflektiert. Die Laufzeit der reflektierten Welle wird gemessen und in einen Positionswert umgerechnet.Integrated sensors for position determination in known systems are based essentially on two different principles. On the one hand, there are methods for determining position based on the principle of magnetostriction. In this case, an ultrasonic pulse is generated by a magnetic field, which runs along a special integrated in the system metallic torsion bar and at a position sensor, which consists of a permanent magnet, reflected. The propagation time of the reflected wave is measured and converted into a position value.

Andererseits gibt es Systeme, bei denen die Positionsbestimmung auf Wirbelstromeffekten beruht. Bei diesem Prinzip werden zwei orthogonale magnetische Felder durch eine Kompensations- und eine Messspule erzeugt. Das von der Messspule erzeugte Feld hat eine magnetische Verkopplung mit einem Target am Kolben. Die so entstehenden Wirbelströme im Target bilden ein magnetisches Feld, das die Impedanzen der Messspule beeinflusst. Diese ändert sich linear mit der Position des Targets, woraus der Abstand ableitbar ist.On the other hand, there are systems in which the position determination is based on eddy current effects. In this principle, two orthogonal magnetic fields are generated by a compensation coil and a measuring coil. The field generated by the measuring coil has a magnetic coupling with a target on the piston. The resulting eddy currents in the target form a magnetic field that influences the impedances of the measuring coil. This changes linearly with the position of the target, from which the distance can be derived.

Beide oben genannten Prinzipien arbeiten kontaktlos und können direkt in das zu messende System eingebracht werden. Allerdings ist ein hoher mechanischer Aufwand nötig, da zusätzlich mechanische Bauteile, wie Messstäbe, Magnete oder Spulen benötigt werden. Am Beispiel des Hydraulikzylinders bedeutet dies, dass diese Bauteile zusätzlich in den Zylinder eingebracht werden müssen bzw. eine hohl gebohrte Kolbenstange notwendig wird, wodurch hohe Kosten bei der Fertigung solcher Zylinder entstehen. Außerdem gibt es Beschränkungen bei der Anwendung, beispielsweise geringe Genauigkeit, geringe Dynamik oder ein beschränkter Wegebereich.Both of the above principles work without contact and can be incorporated directly into the system to be measured. However, a high mechanical complexity is necessary because additional mechanical components, such as measuring rods, magnets or coils are needed. Using the example of the hydraulic cylinder, this means that these components must be additionally introduced into the cylinder or a hollow drilled piston rod is necessary, resulting in high costs in the production of such cylinders. There are also application limitations, such as low accuracy, low dynamics, or limited range of travel.

Darüber hinaus werden vermehrt auch Wegemesseinrichtungen diskutiert, die mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung realisiert werden. Diese Lösungen unter Anwendung von Mikrowellenstrahlung sollen die Kosten senken und die Genauigkeit erhöhen, haben sich aber bisher nicht durchsetzen können, da auch hierbei zusätzliche mechanische Komponenten wie beispielsweise Wellenleiter in das System eingebracht werden müssen.In addition, increasingly also Wegemesseinrichtungen be discussed, which are realized with the help of electromagnetic radiation. These solutions using microwave radiation to reduce costs and increase accuracy, but have not been able to prevail, as this additional mechanical components such as waveguides must be introduced into the system.

EP 1 677 126 A1 offenbart einen auf dem Doppler-Effekt basierenden Radarsensor als Geschwindigkeitssensor, der in einem robusten Gehäuse angeordnet ist. EP 1 677 126 A1 discloses a Doppler-effect radar sensor as a speed sensor disposed in a rugged housing.

US 5,955,752 offenbart ein Halbleitermodul mit einer kompakten Hochfrequenzantenne. Das Halbleitermodul umfasst ein Gehäuse mit einem Deckel und einem darin enthaltenden Fenster, durch welches die Signale der Hochfrequenzantenne abgestrahlt werden können. US 5,955,752 discloses a semiconductor module with a compact radio-frequency antenna. The semiconductor module comprises a housing with a lid and a window therein, through which the signals of the radio-frequency antenna can be radiated.

US 6,717,544 B2 offenbart einen Radarsensor auf einem Halbleiterchip. Der Halbleiterchip ist vollständig von einem Vergussmaterial umschlossen, welches dem Halbeiterchip als Gehäuse dient. US 6,717,544 B2 discloses a radar sensor on a semiconductor chip. The semiconductor chip is completely enclosed by a potting material, which serves as a housing for the semiconductor chip.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Sensoreinheit anzugeben, mit der eine präzise Positionsbestimmung auch in einem System mit rauen Umgebungsbedingungen möglich ist. Insbesondere ist es eine Aufgabe, eine Sensoreinheit anzugeben, die robust genug ist, hohen Drücken oder anderen rauen Umgebungsbedingungen, wie sie bspw. in Hydraulikzylindern, Getrieben und Motoren herrschen, standhalten zu können.It is therefore an object of the present invention to provide a compact sensor unit, with which a precise position determination is possible even in a system with harsh environmental conditions. In particular, it is an object to provide a sensor unit that is robust enough to withstand high pressures or other harsh environmental conditions such as those prevailing in hydraulic cylinders, transmissions, and motors, for example.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Radarsensoreinheit zum Einsatz in rauen Umgebungen, mit einer Radarelektronik, die mindestens eine Hochfrequenzantenne zum Aussenden und Empfangen von hochfrequenter Strahlung aufweist, mit einer Linse zum Bündeln der hochfrequenten Strahlung, und mit einem Träger aus Metall, der eine Aussparung zur Montage der Radarelektronik aufweist, wobei der Träger eine erste plane Seitenfläche aufweist, in der die Aussparung zentral angeordnet ist, und die Linse eine zweite plane Seitenfläche aufweist, und wobei die plane Seitenfläche des Trägers und die zweite plane Seitenfläche der Linse übereinander-liegend fest miteinander verbunden sind, so dass die Aussparung einseitig durch die Linse verschlossen ist, wobei die Radarelektronik einen Halbleiterchip aufweist mit einer ersten Hauptfläche, einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche sowie Seitenflächen, welche die erste und zweite Hauptfläche miteinander verbinden, wobei die Hochfrequenzantenne auf der Oberfläche der ersten Hauptfläche integriert ist und der Halbleiterchip mit der zweiten Hauptfläche mit der Linse gekoppelt ist, insbesondere mit dieser verklebt ist, so dass die hochfrequente Strahlung durch den Halbleiterchip hindurch in die Linse einkoppelt.According to one aspect of the present invention, this object is achieved by a radar sensor unit for use in harsh environments, with radar electronics, which has at least one high-frequency antenna for emitting and receiving high-frequency radiation, with a lens for bundling the high-frequency radiation, and with a carrier A metal having a recess for mounting the radar electronics, wherein the carrier has a first planar side surface in which the recess is centrally disposed, and the lens has a second planar side surface, and wherein the planar side surface of the carrier and the second planar side surface of the Lens one above the other are firmly connected to each other, so that the recess is closed on one side by the lens, wherein the radar electronics having a semiconductor chip with a first major surface, a second major surface opposite the first major surface, and side surfaces interconnecting the first and second major surfaces, wherein the high frequency antenna is integrated on the surface of the first major surface and the semiconductor chip is coupled to the second major surface, in particular the latter is glued, so that the high-frequency radiation coupled through the semiconductor chip into the lens.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Hydraulikzylinder mit einem Zylinderkörper, der eine Bodenfläche aufweist, mit einem zur Bodenfläche translatorisch beweglichen Kolben sowie mit einer an der Bodenfläche angeordneten Sensoreinheit, wobei der Sensor dazu eingerichtet ist, hochfrequente Strahlung von der Bodenfläche zum Kolben auszusenden und am Kolben reflektierte hochfrequente Strahlung zu empfangen, um einen Abstand des Kolbens von der Bodenfläche zu bestimmen.According to a further aspect of the present invention, the object is achieved by a hydraulic cylinder having a cylinder body, which has a bottom surface, with a piston translationally movable to the bottom surface and with a sensor unit arranged on the bottom surface, wherein the sensor is adapted to high-frequency radiation from the Send ground surface to the piston and to receive high-frequency radiation reflected on the piston to determine a distance of the piston from the bottom surface.

Es ist somit eine Idee der vorliegenden Erfindung eine Einheit aus Sensor und Trägerkörper anzugeben, die unter rauen Umgebungsbedingungen für eine Abstandsmessung eingesetzt werden kann. Über eine Antenne wird hochfrequente Strahlung ausgesandt und reflektierte Strahlung empfangen, um aus dem Laufzeitverhalten einen Abstand von der Radarsensoreinheit zu einem Objekt zu bestimmen. Die Radarsensoreinheit basiert somit auf dem Prinzip der Abstandsmessung mittels elektromagnetischer Strahlung, die ohne eine sich über die Länge der Abstandsmessung erstreckende Strahlführung auskommt.It is thus an idea of the present invention to provide a sensor and carrier assembly which can be used under harsh environmental conditions for distance measurement. High-frequency radiation is emitted via an antenna and received reflected radiation in order to determine from the transit time behavior a distance from the radar sensor unit to an object. The radar sensor unit is thus based on the principle of distance measurement by means of electromagnetic radiation, which manages without a beam guidance extending over the length of the distance measurement.

Die Radarsensoreinheit arbeitet dabei bei sehr hohen Frequenzen, vorzugsweise im Gigahertz oder Terahertzbereich. Diese Frequenzen ermöglichen es, die Radarelektronik sehr kompakt aufzubauen. Die Radarelektronik selbst wird von einem robusten Gehäuse umgeben, welches im Wesentlichen ausschließlich aus der Linse und dem Träger gebildet wird. Der Träger ist aus Metall und dient dazu der Einheit mechanische Stabilität zu verleihen. Die Linse und der Träger schirmen die Radarelektronik von den rauen Umgebungsbedingungen ab, so dass eine kompakte und robuste Einheit entsteht, die in einer Vielzahl von Systemen einsetzbar ist. Die planen Seitenflächen der Linse und des Trägers wirken dabei so zusammen, dass die Radarelektronik verkapselt ist und vor äußeren Einflüssen geschützt ist.The radar sensor unit operates at very high frequencies, preferably in the gigahertz or terahertz range. These frequencies make it possible to build the radar electronics very compact. The radar electronics themselves are surrounded by a robust housing, which is formed essentially exclusively of the lens and the carrier. The support is made of metal and serves to give the unit mechanical stability. The lens and the carrier shield the radar electronics from harsh environmental conditions, resulting in a compact and robust unit that can be used in a variety of systems. The planar side surfaces of the lens and the carrier act together so that the radar electronics is encapsulated and protected from external influences.

Gleichzeitig bündelt die Linse, die vorzugsweise eine hyper-hemisphärische Linsenform hat, die hochfrequente Strahlung (HF-Strahlung) und ermöglicht eine präzise Abstandsmessung. Aufgrund der gerichteten Strahlung und der kompakten Bauweise, die sowohl das Senden als auch das Empfangen auf engem Raum ermöglicht, werden keine zusätzlichen mechanischen Komponenten, wie beispielsweise Waveguides oder Ähnliches, für die Abstandsmessung benötigt. Durch Ausnutzen der Linse als Teil des Gehäuses lässt sich die Radarsensoreinheit besonders kompakt und robust realisieren und zudem günstig hergestellen. Darüber hinaus ist die Kombination der Linse mit einem metallischen Träger besonders gut geeignet, eine mechanisch sehr stabile Einheit zu bilden und insbesondere Dichtheit hinsichtlich Öl, Wasser oder anderem zu gewährleisten und gleichzeitig äußerst druckbeständig zu sein.At the same time, the lens, which preferably has a hyper-hemispherical lens shape, focuses the high-frequency radiation (RF radiation) and enables a precise distance measurement. Due to the directional radiation and compact design, which allows both transmission and reception in confined spaces, no additional mechanical components, such as waveguides or the like, are needed for the distance measurement. By exploiting the lens as part of the housing, the radar sensor unit can be realized in a particularly compact and robust manner and, moreover, can be produced cheaply. In addition, the combination of the lens with a metallic carrier is particularly well suited to form a mechanically very stable unit and in particular to ensure tightness in terms of oil, water or other and at the same time to be extremely pressure resistant.

Aufgrund der Verwendung von hochfrequenter Strahlung, kann eine Antenne auf einem Halbleiterchip, vorzugsweise einem Siliziumchip, integriert werden. Die Antenne und ggf. weitere elektrische Schaltungen sind auf der Oberfläche eines Halbleiterchips integriert, wobei die Rückseite des Halbleiterchips an der Linse befestigt ist. Vorzugsweise ist der Halbleiterchip unmittelbar auf die Linse aufgeklebt und so angeordnet, dass die Antenne zentral mittig zur zweiten planen Seitenfläche der Linse liegt. Wenn der Halbleiterchip zudem aus dem gleichen oder ähnlichen Material gefertigt ist wie die Linse, kann die hochfrequente Strahlung besonders gut von der Antenne durch den Halbleiterchip in die Linse einkoppeln. Damit kann eine besonders gute Abstrahlung der HF-Strahlung erfolgen, wodurch eine zuverlässige Messung des Abstands erreicht werden kann. Zudem lässt sich eine derartige Ausgestaltung besonders leicht und kostengünstig realisieren, da keine zusätzliche Halterung für den Halbleiterchip benötigt wird und eine Kontaktierung über auf der Oberfläche befindliche Bond-Pads sehr einfach realisiert werden kann.Due to the use of high-frequency radiation, an antenna can be integrated on a semiconductor chip, preferably a silicon chip. The antenna and optionally further electrical circuits are integrated on the surface of a semiconductor chip, wherein the back of the semiconductor chip is attached to the lens. Preferably, the semiconductor chip is glued directly to the lens and arranged so that the antenna is centrally located centrally to the second planar side surface of the lens. Moreover, if the semiconductor chip is made of the same or similar material as the lens, the high-frequency radiation can couple in particularly well from the antenna through the semiconductor chip into the lens. This allows a particularly good radiation of the RF radiation, whereby a reliable measurement of the distance can be achieved. In addition, such an embodiment can be implemented particularly easily and cost-effectively, since no additional holder for the semiconductor chip is required and contacting via bonding pads located on the surface can be realized very simply.

In einer weiteren Ausgestaltung liegt ein Rand der zweiten planen Seitenfläche der Linse vollständig in der ersten planen Seitenfläche des Trägers. In dieser Ausgestaltung liegt die zweite plane Seitenfläche der Linse mit Ausnahme im Bereich der Aussparung vollständig auf dem Träger auf. Dies ermöglicht einen sehr guten Schutz der Radarelektronik durch die Linse, die wie ein Deckel auf den Träger aufgesetzt ist. Ebenso lässt sich eine derartige Ausgestaltung kostengünstig realisieren, da die Linse und der Träger einfach auf einer Ebene verklebt werden können.In a further embodiment, an edge of the second planar side surface of the lens lies completely in the first planar side surface of the carrier. In this embodiment, the second planar side surface of the lens is completely on the support except in the region of the recess. This allows a very good protection of the radar electronics through the lens, which is placed like a lid on the support. Likewise, such a design can be realized inexpensively, since the lens and the carrier can be easily glued on one plane.

In einer weiteren Ausgestaltung geht die erste plane Seitenfläche über den Rand der zweiten planen Seitenfläche hinaus. In dieser Ausgestaltung erstreckt sich die erste plane Seitenfläche über die zweite plane Seitenfläche hinaus. Zuzüglich der Fläche, die die Aussparung ausmacht, ist die erste plane Seitenfläche somit größer als die zweite plane Seitenfläche. Die Linse liegt somit, abgesehen von der Aussparung, vollständig auf dem Träger auf und ist durch diesen gestützt. Dies verleiht der Radarsensoreinheit eine besonders hohe Stabilität und trägt zur Robustheit der Radarsensoreinheit bei.In a further embodiment, the first plane side surface extends beyond the edge of the second plane side surface. In this embodiment, the first planar side surface extends beyond the second planar side surface. In addition to the area that makes up the recess, the first plane side surface is thus larger than the second plane side surface. The lens is thus, apart from the recess, completely on the support and is supported by this. This gives the Radar sensor unit has a particularly high stability and contributes to the robustness of the radar sensor unit.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Aussparung eine Öffnung in einer anderen Seitenfläche als der ersten planen Seitenfläche des Trägers auf, so dass die Radarelektronik elektrisch kontaktierbar ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Radarsensoreinheit an einer Grenzfläche einzusetzen, beispielsweise am Boden eines Hydraulikzylinders, wobei die Radarsensoreinheit zu einer Seite hin verkapselt ist und zur anderen Seite durch die Öffnung kontaktierbar ist. Auf diese Weise kann die Radarelektronik besonders leicht von außen kontaktiert werden, wobei sie gleichzeitig gegenüber den rauen Umgebungsbedingungen geschützt ist.In a further embodiment, the recess has an opening in a different side surface than the first planar side surface of the carrier, so that the radar electronics can be electrically contacted. This embodiment makes it possible to use the radar sensor unit at an interface, for example at the bottom of a hydraulic cylinder, wherein the radar sensor unit is encapsulated to one side and can be contacted to the other side through the opening. In this way, the radar electronics can be particularly easily contacted from the outside, while being protected against the harsh environmental conditions.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Träger aus Stahl. Durch die Verwendung von Stahl kann der Träger besonders stabil ausgebildet sein, so dass die Radarsensoreinheit besonders robust ausgelegt ist.In a further embodiment, the carrier is made of steel. By using steel, the carrier can be made particularly stable, so that the radar sensor unit is designed to be particularly robust.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Träger aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von größer 100, insbesondere mit einem Elastizitätsmodul von größer 190. Materialien mit diesen Elastizitätsmodulen zeichnen sich dadurch aus, dass sie besonders robust sind. Eine Ausgestaltung mit einem derartigen Material verleiht der Radarsensoreinheit somit eine besonders hohe Festigkeit und Robustheit gegenüber äußeren Einflüssen.In a further embodiment, the carrier is made of a material having a modulus of elasticity greater than 100, in particular having a modulus of elasticity greater than 190. Materials having these moduli of elasticity are characterized by being particularly robust. An embodiment with such a material thus gives the radar sensor unit a particularly high strength and robustness against external influences.

In einer weiteren Ausgestaltung sind der Hochfrequenzsender, der Hochfrequenzempfänger und die Hochfrequenzantenne auf einem einzelnen Halbleiterchip integriert. In dieser Ausgestaltung ist somit im Wesentlichen die gesamte Radarelektronik auf einem einzelnen Halbleiterchip integriert. Dies trägt insbesondere zu einer kompakten und kostengünstigen Realisierung der Radarsensoreinheit bei.In a further refinement, the radio-frequency transmitter, the radio-frequency receiver and the radio-frequency antenna are integrated on a single semiconductor chip. In this embodiment, substantially all the radar electronics are thus integrated on a single semiconductor chip. This contributes in particular to a compact and cost-effective implementation of the radar sensor unit.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Halbleiterchip zusätzlich noch weitere Sensoren insbesondere einen Temperatursensor aufweisen. Über weitere Sensoren können zusätzliche Parameter insbesondere der an die Linse angrenzenden Umgebung erfasst werden, die zur Berechnung des Abstands mit herangezogen werden können. Eine Abstandsbestimmung ist damit noch präziser möglich.In a preferred embodiment, the semiconductor chip may additionally comprise further sensors, in particular a temperature sensor. Additional sensors can be used to record additional parameters, in particular of the surroundings adjacent to the lens, which can be used to calculate the distance. A distance determination is thus possible even more precisely.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine Leiterplatte neben oder um den Halbleiterchip angeordnet und mit der ersten planen Seitenfläche der Linse verbunden, insbesondere mit dieser verklebt. Durch diese Ausgestaltung kann der Halbleiterchip ohne weitere Komponenten direkt auf die Linse geklebt werden, während etwaige Anschlusskomponenten auf der zusätzlichen Leiterplatte untergebracht sind. Dies ermöglicht eine besonders gute Kopplung des Halbleiterchips mit der Linse, wodurch die Abstrahlcharakteristik der Radarsensoreinheit weiter verbessert werden kann. Zudem trägt diese Ausgestaltung zur kostengünstigen Realisierung der Radarsensoreinheit bei, da für den Halbleiterchip kein zusätzliches Gehäuse benötigt wird.In a further preferred embodiment, a printed circuit board is arranged next to or around the semiconductor chip and connected to the first planar side surface of the lens, in particular adhesively bonded thereto. With this configuration, the semiconductor chip can be glued directly to the lens without any further components, while any connection components are accommodated on the additional printed circuit board. This allows a particularly good coupling of the semiconductor chip with the lens, whereby the radiation characteristic of the radar sensor unit can be further improved. In addition, this embodiment contributes to the cost-effective implementation of the radar sensor unit, since no additional housing is required for the semiconductor chip.

In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Innenseite der Aussparung mit einer isolierenden Schicht überzogen. Durch die isolierende Schicht kann das Trägermaterial leitend sein, ohne dass es zu ungewollten Kurzschlüssen an den Kontakten der Radarelektronik kommen kann. Durch diese Ausgestaltung können somit auch günstige hochfeste Materialien, die leitend sind, wie beispielsweise Stahl, für den Träger der Radarsensoreinheit verwendet werden. Die Ausgestaltung trägt somit zu einer weiteren Reduzierung der Herstellungskosten bei. Alternativ oder ergänzend kann der durch die Aussparung gebildete Hohlraum, in dem sich die Radarelektronik und insbesondere ein Radarchip befindet, vollständig mit Isoliermaterial gefüllt sein.In a further embodiment, an inner side of the recess is covered with an insulating layer. Due to the insulating layer, the carrier material may be conductive, without it being possible for unwanted short circuits to occur at the contacts of the radar electronics. As a result of this configuration, it is thus also possible to use inexpensive high-strength materials which are conductive, such as steel, for the carrier of the radar sensor unit. The design thus contributes to a further reduction in manufacturing costs. Alternatively or additionally, the cavity formed by the recess, in which the radar electronics and in particular a Radarchip is located, may be completely filled with insulating material.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Träger auf einer der Linse abgewandten Seite mit einem Schraubenkörper fest verbunden. Diese Ausgestaltung erlaubt eine extreme Miniaturisierung der Radarsensoreinheit, da der Träger direkt mit einer Halterung verbunden ist. Auf diese Weise kann die Radarsensoreinheit besonders einfach in einem System befestigt werden. Da keine zusätzlichen Komponenten für die Befestigung benötigt werden, kann die Radarsensoreinheit besonders kostengünstig und kompakt realisiert werden.In a further embodiment, the carrier is fixedly connected to a side facing away from the lens with a screw body. This embodiment allows extreme miniaturization of the radar sensor unit, since the carrier is connected directly to a holder. In this way, the radar sensor unit can be particularly easily mounted in a system. Since no additional components are required for the attachment, the radar sensor unit can be realized particularly cost-effective and compact.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Schraubenkörper einen Hohlraum auf, der einseitig durch den Träger verschlossen ist, und die Radarelektronik ist teilweise in dem Hohlraum angeordnet. Durch den Hohlraum in der Schraube können elektrische Signale auf einfache Weise nach außen geführt werden. Darüber hinaus kann bei größerem Schraubendurchmesser beispielsweise ein Teil der Basisbandverarbeitung im Hohlraum der Schraube untergebracht werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht es somit, die Radarsensoreinheit noch kompakter zu gestalten. Vorzugsweise sind der Träger und die Schraube aus dem gleichen oder ähnlichem Material, so dass der Träger und die Schraube besonders gut miteinander verbunden werden können, beispielsweise durch Kleben oder Verschweißen.In a further preferred embodiment, the screw body has a cavity, which is closed on one side by the carrier, and the radar electronics is partially arranged in the cavity. Through the cavity in the screw electrical signals can be performed in a simple manner to the outside. In addition, with a larger screw diameter, for example, a part of the baseband processing can be accommodated in the cavity of the screw. This configuration thus makes it possible to make the radar sensor unit even more compact. Preferably, the carrier and the screw of the same or similar material, so that the carrier and the screw can be particularly well connected together, for example by gluing or welding.

In einer weiteren Ausgestaltung sind Teile der Radarelektronik, insbesondere eine Phased-Locked-Loop-Schaltung und eine Basisbandverarbeitungseinheit, auf einer Leiterplatte außerhalb des Schraubenkörpers angeordnet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Radarsensoreinheit besonders kompakt aufgebaut werden kann, da im Wesentlichen nur die zur Abstrahlung der HF-Strahlung notwendigen Komponenten innerhalb der Radarsensoreinheit verbaut werden müssen. So können beispielsweise für Teile der Radarelektronik Standardkomponenten verwendet werden, wodurch die Radarsensoreinheit besonders kostengünstig realisiert werden kann.In a further embodiment, parts of the radar electronics, in particular a phased-locked loop circuit and a baseband processing unit, are arranged on a printed circuit board outside the screw body. This embodiment has the advantage that the radar sensor unit can be constructed in a particularly compact manner, since essentially only the components necessary for the radiation of the HF radiation within the Radar sensor unit must be installed. For example, standard components can be used for parts of the radar electronics, whereby the radar sensor unit can be realized particularly cost-effectively.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Linse aus einem Material, insbesondere Silizium, gefertigt, welches eine Dielektrizitätskonstante von circa 12, insbesondere von größer oder gleich 12, aufweist. Eine Linse aus diesem Material hat den Vorteil, dass die Radarstrahlung besonders gut in die Linse einkoppeln kann und die gewünschte Strahlformung möglich ist. Die Verwendung von Silizium hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Linse besonders robust ist und großen Belastungen standhalten kann. Mit einer solchen Linse kann die Radarsensoreinheit so eingerichtet werden, dass eine Oberfläche der Radarsensoreinheit, welche den rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, ausschließlich aus dem Material des Trägers und dem Material der Linse besteht.In a further embodiment, the lens is made of a material, in particular silicon, which has a dielectric constant of approximately 12, in particular greater than or equal to 12. A lens made of this material has the advantage that the radar radiation can couple particularly well into the lens and the desired beam shaping is possible. The use of silicon also has the advantage that the lens is particularly robust and can withstand high loads. With such a lens, the radar sensor unit can be arranged so that a surface of the radar sensor unit, which is exposed to the harsh environmental conditions, consists exclusively of the material of the carrier and the material of the lens.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die hochfrequente Strahlung Frequenzen im Bereich von einigen 10 bis einigen 100 GHz auf. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Radarsensoreinheit besonders kompakt aufgebaut werden kann, da die Größe einer benötigten Antenne geringer wird, je höher die verwendete Frequenz ist.In a further refinement, the high-frequency radiation has frequencies in the range of a few tens to a few 100 GHz. This embodiment has the advantage that the radar sensor unit can be made particularly compact, since the size of a required antenna is lower, the higher the frequency used.

In einer weiteren Ausgestaltung hat die Linse eine hyper-hemisphärische oder elliptische Linsenform. Durch diese Ausgestaltung kann die hochfrequente Strahlung besonders gut für eine Radarabstandsmessung gebündelt werden.In a further embodiment, the lens has a hyper-hemispherical or elliptical lens shape. With this configuration, the high-frequency radiation can be bundled particularly well for a Radarabstandsmessung.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Linse mehrschichtig. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Linse flexibel ausgestaltet sein kann und aus verschiedenen Materialen gefertigt werden kann.In a further embodiment, the lens is multi-layered. This embodiment has the advantage that the lens can be made flexible and can be made of different materials.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Linse zumindest eine erste Schicht aus Silizium auf. Silizium hat eine bessere Wärmeleitfähigkeit als beispielsweise Plastik, so dass ein Temperaturausgleich zwischen einem an der Schicht befestigten Chip und der Umgebung schneller erfolgen kann. Insbesondere wenn von einem auf dem Chip befindlichen Temperatursensor zusätzlich die Umgebungstemperatur im Bereich der Linse gemessen werden soll, ist die mehrschichtige Linsenanordnung mit zumindest einer Siliziumschicht aufgrund der Temperatureigenschaften von Silizium vorteilhaft.In a further embodiment, the lens has at least a first layer of silicon. Silicon has a better thermal conductivity than plastic, for example, so that a temperature compensation between a chip attached to the layer and the environment can be done faster. In particular, if the ambient temperature in the region of the lens is additionally to be measured by an on-chip temperature sensor, the multilayer lens arrangement with at least one silicon layer is advantageous due to the temperature characteristics of silicon.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die erste Schicht eine Höhe von ca. 0,7 mm auf. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, da eine Siliziumschicht mit einer solchen Dicke auf einfache Weise aus gängigem Wafer-Material der Massenproduktion gefertigt werden kann.In a further embodiment, the first layer has a height of about 0.7 mm. This embodiment is advantageous because a silicon layer having such a thickness can be manufactured in a simple manner from conventional wafer material of mass production.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der neuen Radarsensoreinheit, 1 a schematic representation of a first embodiment of the new radar sensor unit,

2 eine schematische Draufsicht auf das erste Ausführungsbeispiel der neuen Radarsensoreinheit, 2 a schematic plan view of the first embodiment of the new radar sensor unit,

3 eine Vergrößerung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der neuen Radarsensoreinheit, 3 an enlargement of a preferred embodiment of the new radar sensor unit,

4 eine Skizze des Wirkprinzips eines Ausführungsbeispiels der neuen Radarsensoreinheit, 4 a sketch of the operating principle of an embodiment of the new radar sensor unit,

5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der neuen Radarsensoreinheit, 5 a schematic representation of a second embodiment of the new radar sensor unit,

6 eine Querschnittsdarstellung des zweiten Ausführungsbeispiels der neuen Radarsensoreinheit, 6 a cross-sectional view of the second embodiment of the new radar sensor unit,

7 einen Hydraulikzylinder mit einer Radarsensoreinheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, 7 a hydraulic cylinder having a radar sensor unit according to the first embodiment,

8 einen Hydraulikzylinder mit einer Radarsensoreinheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, 8th a hydraulic cylinder having a radar sensor unit according to the second embodiment,

9 einen Hydraulikzylinder mit einer Radarsensoreinheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in einer zweiten Variante, und 9 a hydraulic cylinder with a radar sensor unit according to the second embodiment in a second variant, and

10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der neuen Radarsensoreinheit. 10 Another embodiment of the new radar sensor unit.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der neuen Radarsensoreinheit. Die neue Radarsensoreinheit ist hier in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the new radar sensor unit. The new radar sensor unit is here in its entirety with the reference numeral 10 designated.

Die Radarsensoreinheit 10 beinhaltet eine Radarelektronik 12 zum Aussenden und Empfangen von hochfrequenter Strahlung, eine Linse 14 zum Bündeln der hochfrequenten Strahlung und einen Träger 16 mit einer Aussparung 18 zur Montage der Radarelektronik 12. Der Träger 16 hat eine erste plane Seitenfläche 20, in der zentral die Aussparung 18 angeordnet ist, und die Linse 14 eine zweite plane Seitenfläche 22. Die Linse 14 und der Träger 16 sind so angeordnet, dass die erste plane Seitenfläche 20 und die zweite plane Seitenfläche 22 aufeinanderliegen und die Linse 14 die Aussparung 18 einseitig verschließt. Vorzugsweise liegt die Linse 14 bündig auf dem Träger 16 auf, um die Aussparung 18 luftdicht zu verschließen.The radar sensor unit 10 includes radar electronics 12 for transmitting and receiving high-frequency radiation, a lens 14 for bundling the high-frequency radiation and a carrier 16 with a recess 18 for mounting the radar electronics 12 , The carrier 16 has a first flat side surface 20 in the middle of the recess 18 is arranged, and the lens 14 a second flat side surface 22 , The Lens 14 and the carrier 16 are arranged so that the first plane side surface 20 and the second plane side surface 22 on top of each other and the lens 14 the recess 18 closes on one side. Preferably, the lens is located 14 flush on the carrier 16 on to the recess 18 airtight to close.

Die Linse 14 ist vorzugsweise aus Silizium gefertigt und wie in 1 dargestellt plankonvex. Eine Linse aus Silizium ermöglicht eine besonders effektive Ankopplung einer auf einen Halbleiterchip integrierten Antenne, wenn der Halbleiterchip ebenfalls aus Silizium gefertigt ist. Darüber hinaus ermöglicht die relativ hohe Dielektrizitätskonstante er gleich 12 eine effektive Linsenwirkung, wenn sich der Radarsensor in Öl befindet. Alternativ können natürlich auch andere Materialien zur Herstellung der Linse 14 eingesetzt werden, die eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen und in gleicher Weise robust sind, wie eine Siliziumlinse. Der Durchmesser der Linse 14 kann in Bereichen von einigen Millimetern bis einigen wenigen Zentimetern liegen. Ebenso ist die Linse 14 nicht auf die plankonvexe Form beschränkt. Denkbar ist auch eine Ausgestaltung der Linse 14 mit einer rechteckigen Basis mit einem kuppelförmigen Aufsatz. In solch einer Ausgestaltung könnte die Basis durch ein zusätzliches Halbleitersubstrat gebildet sein. Eine zweite plane Seitenfläche 22 im Sinne der Erfindung wäre dann eine ebene Seitenfläche der Basis. Mit einer Linse mit hyper-hemisphärischen oder elliptischen Form erreicht man eine besonders vorteilhafte Bündelung der Sende- und Empfangsstrahlung.The Lens 14 is preferably made of silicon and as in 1 represented plankonvex. A lens made of silicon allows a particularly effective coupling of an antenna integrated on a semiconductor chip, if the semiconductor chip is also made of silicon. In addition, the relatively high dielectric constant, equal to 12, provides an effective lensing effect when the radar sensor is in oil. Alternatively, of course, other materials for the production of the lens 14 can be used, which have a high dielectric constant and are robust in the same way as a silicon lens. The diameter of the lens 14 can range from a few millimeters to a few centimeters. Likewise, the lens 14 not limited to the plano-convex form. Also conceivable is an embodiment of the lens 14 with a rectangular base with a domed top. In such an embodiment, the base could be formed by an additional semiconductor substrate. A second flat side surface 22 in the context of the invention would then be a flat side surface of the base. With a lens with a hyper-hemispherical or elliptical shape, a particularly advantageous bundling of the transmitted and received radiation is achieved.

Der Träger 16 dient als stabile Plattform für den Radarsensor. Vorzugsweise ist der Träger 16 aus robustem und gehärtetem Material, wie beispielsweise Stahl, oder Materialien mit ähnlicher Festigkeit gefertigt. Das Trägermaterial kann in einigen Ausführungsbeispielen ein Elastizitätsmodul von größer 100, insbesondere ein Elastizitätsmodul von größer 190 aufweisen. Ein bevorzugter Träger 16 aus Stahl hat beispielsweise je nach Härtegrad ein Elastizitätsmodul von 190 bis 214. In anderen Ausführungsbeispielen können in Abhängigkeit der Belastung, die auf die Radarsensoreinheit einwirkt, auch ”weichere” Materialien wie Titan, Kupfer oder Eisen verwendet werden.The carrier 16 serves as a stable platform for the radar sensor. Preferably, the carrier 16 made of tough and hardened material, such as steel, or materials of similar strength. In some embodiments, the carrier material may have a modulus of elasticity greater than 100, in particular a modulus of elasticity greater than 190. A preferred carrier 16 made of steel, for example, depending on the degree of hardness has a modulus of elasticity of 190 to 214. In other embodiments, depending on the load acting on the radar sensor unit, "softer" materials such as titanium, copper or iron can be used.

In den Träger 16 ist eine Aussparung 18 eingearbeitet. Vorzugsweise ist die Aussparung 18 in die erste plane Seitenfläche 20 des Trägers hineingefräst oder gebohrt. In der Aussparung 18 ist die Radarelektronik 12 untergebracht. Bei der Verwendung von leitenden Materialien für den Träger 16 kann die Aussparung mit einer nicht-leitenden Beschichtung verkleidet sein, um Kurzschlüsse zwischen Bonddrähten der Radarelektronik zu vermeiden. Die Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Radarelektronik auch ohne Gehäuse auskommen kann.In the carrier 16 is a recess 18 incorporated. Preferably, the recess 18 in the first flat side surface 20 the beam is milled or drilled. In the recess 18 is the radar electronics 12 accommodated. When using conductive materials for the wearer 16 For example, the recess may be clad with a non-conductive coating to prevent short circuits between radar electronics bonding wires. The embodiment has the advantage that the radar electronics can also do without a housing.

Vorzugsweise hat die Aussparung neben einer ersten Öffnung 24 in der ersten planen Seitenfläche 20 des Trägers 16 eine zweite Öffnung 26, durch welche die Radarelektronik 12 von außen elektrisch kontaktierbar ist. Die zweite Öffnung 26 befindet sich vorzugsweise gegenüber der ersten Öffnung 24 auf der Rückseite 28 des Trägers 16. In anderen Ausführungsbeispielen kann die zweite Öffnung 26 jedoch auch zu den Seitenflächen 30 des Trägers 16, welche die erste Seitenfläche 20 und die Rückseite 28 verbinden, herausgeführt sein. Ein Durchmesser der vorzugsweise runden Aussparung 18 ist im Verhältnis zum Durchmesser der zweiten planen Seitenfläche 22 der Linse 14 gering. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Aussparung 18 kleiner als ein Drittel des Durchmessers der zweiten planen Seitenfläche 22 der Linse 14, so dass die Aussparung 18 effektiv durch die Linse 14 verschlossen wird.Preferably, the recess has a first opening 24 in the first plan side surface 20 of the carrier 16 a second opening 26 through which the radar electronics 12 From the outside is electrically contacted. The second opening 26 is preferably opposite the first opening 24 on the back side 28 of the carrier 16 , In other embodiments, the second opening 26 but also to the side surfaces 30 of the carrier 16 which is the first side surface 20 and the back 28 connect, be led out. A diameter of the preferably round recess 18 is in proportion to the diameter of the second plane side surface 22 the lens 14 low. Preferably, the diameter of the recess 18 less than one third of the diameter of the second plane side surface 22 the lens 14 so that the recess 18 effectively through the lens 14 is closed.

Entsprechend der 1 wird die Radarelektronik 12, die hier vollständig auf einem Halbleiterchip 32 integriert ist, direkt auf die zweite plane Seitenfläche 22 der Linse 14 geklebt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden zusätzlich noch eine oder mehrere Leiterplatten 34 an der Linse 14 befestigt. Die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 32 und der Leiterplatte 34 wird durch Bonddrähte 36 hergestellt. Alternativ kann eine Verbindung aber auch mittels Flip-Chip Technologie hergestellt werden. Über eine elektrische Verbindung (hier nicht dargestellt) kann die Radarelektronik 12 mit einer Auswerteelektronik (ebenfalls hier nicht dargestellt) verbunden werden. Vorzugsweise wird diese Verbindung durch eine Flexleiterplatte gebildet, die zusammen mit der Leiterplatte 34 hergestellt wird. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Verbindung auch Steckverbinder oder Ähnliches umfassen, mit denen eine schnelle und zuverlässige Verbindung zur Auswerteelektronik hergestellt werden kann. Darüber hinaus wird in bevorzugten Ausführungsbeispielen die zweite Öffnung 26 durch eine Vergussmasse abgedichtet, so dass keine Feuchtigkeit oder Verschmutzung zu der Radarelektronik 12 gelangen kann. Alternativ oder ergänzend kann der verbleibende Hohlraum in der Aussparung 18 auch vollständig mit einer Vergussmasse vergossen werden, um die Konstruktion zu stabilisieren und insbesondere die Bonddrähte 36 zu schützen.According to the 1 becomes the radar electronics 12 that is completely on a semiconductor chip here 32 integrated, directly on the second flat side surface 22 the lens 14 glued. In a preferred embodiment, in addition one or more circuit boards 34 at the lens 14 attached. The electrical connection between the semiconductor chip 32 and the circuit board 34 is through bonding wires 36 produced. Alternatively, however, a connection can also be produced by means of flip-chip technology. About an electrical connection (not shown here), the radar electronics 12 with an evaluation (also not shown here) are connected. Preferably, this connection is formed by a flex circuit board, which together with the circuit board 34 will be produced. In other embodiments, the connection may also include connectors or the like, with which a fast and reliable connection to the transmitter can be made. In addition, in preferred embodiments, the second opening 26 sealed by a potting compound, so that no moisture or pollution to the radar electronics 12 can get. Alternatively or additionally, the remaining cavity in the recess 18 be completely shed with a potting compound to stabilize the construction and in particular the bonding wires 36 to protect.

2 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß der 1 in einer Draufsicht. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche Teile wie in Bezug auf 1 und werden im Folgenden nicht erneut erläutert. 2 shows the embodiment according to the 1 in a top view. The same reference numerals designate the same parts as with respect to 1 and will not be explained again below.

Wie der 2 zu entnehmen ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel die Linse 14 zentral auf dem Träger 16 angeordnet. Die plane Seitenfläche 20 des Trägers 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel rechteckig. Es versteht sich, dass in anderen Ausführungsbeispielen der Träger 16 auch andere Formen annehmen kann. Erfindungsgemäß ist jedoch die erste plane Seitenfläche 20 einschließlich der Fläche, die die erste Öffnung 24 der Aussparung 18 einnimmt, größer als die zweite plane Seitenfläche 22 der Linse 14. Mit anderen Worten erstreckt sich der Träger 16 über die Linse 14 hinaus. Again 2 it can be seen in this embodiment, the lens 14 centrally on the carrier 16 arranged. The flat side surface 20 of the carrier 16 is rectangular in this embodiment. It is understood that in other embodiments, the carrier 16 can also take other forms. According to the invention, however, the first planar side surface 20 including the area that the first opening 24 the recess 18 occupies, larger than the second flat side surface 22 the lens 14 , In other words, the carrier extends 16 over the lens 14 out.

Die Radarelektronik 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einem Halbleiterchip 32 integriert. Die Radarelektronik 12 umfasst einen Hochfrequenzsender 38, einen Hochfrequenzempfänger 40 sowie eine Hochfrequenzantenne 42. Um die Hochfrequenzantenne 42 sowohl an den Hochfrequenzsender 38 als auch an den Hochfrequenzempfänger 40 anschließen zu können, befindet sich zwischen Hochfrequenzsender 38, Hochfrequenzempfänger 40 und Hochfrequenzantenne 42 ein Koppler 44. Es versteht sich, dass die Radarelektronik 12 weitere Komponenten umfassen kann, wobei diese nicht zwangsläufig auf dem hier dargestellten Halbleiterchip 32 integriert sein müssen. Vorzugsweise wird jedoch mindestens die Hochfrequenzantenne 42 in einem Siliziumhalbleiterchip 32 integriert, der unmittelbar mit der Linse 14 gekoppelt ist. Zusätzlich ist um den Halbleiterchip ringförmig eine Leiterplatte 34 angeordnet, über die der Halbleiterchip 32 durch die zweite Öffnung 26 kontaktierbar ist. Hierzu führen Bonddrähte 36 von der Leiterplatte 34 zu Bond-Pads 44 auf der Oberfläche des Halbleiterchips 32. Es sei angemerkt, dassThe radar electronics 12 is in this embodiment on a semiconductor chip 32 integrated. The radar electronics 12 includes a high frequency transmitter 38 , a high frequency receiver 40 and a radio frequency antenna 42 , To the high-frequency antenna 42 both to the radio frequency transmitter 38 as well as to the radio frequency receiver 40 to be able to connect, is located between high-frequency transmitter 38 , High frequency receiver 40 and radio frequency antenna 42 a coupler 44 , It is understood that the radar electronics 12 may include other components, which are not necessarily on the semiconductor chip shown here 32 must be integrated. Preferably, however, at least the high frequency antenna 42 in a silicon semiconductor chip 32 integrated, directly with the lens 14 is coupled. In addition, around the semiconductor chip is annular a printed circuit board 34 arranged over which the semiconductor chip 32 through the second opening 26 is contactable. For this lead bonding wires 36 from the circuit board 34 to bond pads 44 on the surface of the semiconductor chip 32 , It should be noted that

2 nur eine Prinzipschaltung des Halbleiterchips 32 zeigt. In einer realen Anordnung sollte die Hochfrequenzantenne 42 im Zentrum der planen Seitenfläche 22 der Linse 14 angeordnet sein. 2 only a basic circuit of the semiconductor chip 32 shows. In a real arrangement, the radio frequency antenna should be 42 in the center of the flat side surface 22 the lens 14 be arranged.

3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Radarelektronik 12 in einer Vergrößerung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen auch hier gleiche Teile wie zuvor. 3 shows a preferred embodiment of the radar electronics 12 in an enlargement. Like reference numerals designate like parts as before.

Die Radarelektronik 12 ist hier im Wesentlichen vollständig als integrierte Schaltung auf einem einzelnen Halbleiterchip 32 ausgebildet. Der Halbleiterchip 32 weist eine Oberseite 46 und eine Rückseite 48 auf. Die Komponenten der Radarelektronik 12 sind auf der Oberseite 46 des Halbleiterchips 32 integriert. In diesem Ausführungsbeispiel sind dies insbesondere die Hochfrequenzantenne 42 sowie der Hochfrequenzsender 38 und der Hochfrequenzempfänger. Mit der Rückseite 48 ist der Halbleiterchip 32 unmittelbar mit der zweiten Seitenfläche 22 der Linse 14 verbunden, wobei der Halbleiterchip 32 vorzugsweise mit der Rückseite 48 auf die zweite Seitenfläche 22 geklebt ist. Kontaktiert wird der Halbleiterchip 32 über die Leiterplatte 34, die in diesem Ausführungsbeispiel über eine Flexplatine 50 mit einer hier nicht dargestellten Auswerteelektronik verbunden ist. In weiteren Ausführungsbeispielen können zusätzlich weitere Sensoren auf dem Halbleiterchip integriert sein. Beispielhaft für solch einen Sensor ist hier ein Temperatursensor 51 angedeutet. Die zusätzlichen Informationen können bei einer Radarabstandsmessung vorteilhaft mit einfließen und so die Genauigkeit der Messung erhöhen.The radar electronics 12 is here essentially completely as an integrated circuit on a single semiconductor chip 32 educated. The semiconductor chip 32 has a top 46 and a back 48 on. The components of radar electronics 12 are on the top 46 of the semiconductor chip 32 integrated. In this embodiment, these are in particular the high-frequency antenna 42 as well as the high-frequency transmitter 38 and the radio frequency receiver. With the back 48 is the semiconductor chip 32 immediately with the second side surface 22 the lens 14 connected, wherein the semiconductor chip 32 preferably with the back 48 on the second side surface 22 is glued. The semiconductor chip is contacted 32 over the circuit board 34 in this embodiment, via a flexplate 50 is connected to a transmitter, not shown here. In further exemplary embodiments, additional sensors can additionally be integrated on the semiconductor chip. An example of such a sensor is a temperature sensor 51 indicated. The additional information can advantageously be included in a radar distance measurement and thus increase the accuracy of the measurement.

Mit dem Bezugszeichen 52 und 54 sind exemplarisch eine Haupt- und eine Nebenkeule der Hochfrequenzantenne 42 angedeutet. Davon ausgehend, dass die Aussparung 18 mit Luft gefüllt ist, bzw. mit einem Material, dessen Dielektrizitätskonstante geringer ist als die Elektrizitätskonstante des Materials, welches für die Linse 14 verwendet wird, ergibt sich die hier dargestellte Abstrahlcharakteristik. D. h., die Abstrahlung durch den Halbleiterchip 32 hindurch in die Linse 14 ist größer als die Abstrahlung der Antenne 42 in die mit Luft oder Isoliermaterial gefüllte Aussparung 18. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Aussparung 18 auch noch vorteilhaft beschichtet sein, so dass die Nebenkeule 54 reflektiert wird, und ebenfalls in die Linse 14 einkoppelt. Ebenso ist es denkbar, dass die Aussparung 18 so beschichtet ist, dass die Strahlung der Nebenkeule 54 absorbiert wird.With the reference number 52 and 54 are exemplarily a main and a side lobe of the high-frequency antenna 42 indicated. Assuming that the recess 18 is filled with air, or with a material whose dielectric constant is less than the dielectric constant of the material, which is for the lens 14 is used, the radiation characteristic shown here results. D. h., The radiation through the semiconductor chip 32 through the lens 14 is greater than the radiation of the antenna 42 in the filled with air or insulating material recess 18 , In a preferred embodiment, the recess 18 also be advantageous coated, so that the side lobe 54 is reflected, and also in the lens 14 couples. Likewise, it is conceivable that the recess 18 coated so that the radiation of the side lobe 54 is absorbed.

Wie in 3 gezeigt, benötigt die Radarsensoreinheit kein separates Gehäuse für die Radarelektronik 12. Insbesondere kann eine auf einem Halbleiterchip 32 integrierte Antenne 42 ohne Gehäuse unmittelbar mit der Linse 14 gekoppelt werden, wodurch eine besonders gute Abstrahlung der HF-Strahlung erreicht wird.As in 3 shown, the radar sensor unit does not require a separate housing for the radar electronics 12 , In particular, one may be on a semiconductor chip 32 integrated antenna 42 without housing directly with the lens 14 be coupled, whereby a particularly good radiation of the RF radiation is achieved.

Anhand der 4 wird im Folgenden das Funktionsprinzip der Radarsensoreinheit 10 näher erläutert werden. Auch hier bezeichnen gleiche Bezugszeichen wieder gleiche Teile wie zuvor.Based on 4 Below is the principle of operation of the radar sensor unit 10 be explained in more detail. Again, like reference numerals designate the same parts as before.

Die Hochfrequenzantenne 42 der Radarelektronik 12, die hier als auf einem Siliziumchip 32 integrierte Halbleiterantenne ausgebildet ist, strahlt Hochfrequenzstrahlung 56 durch das Siliziumsubstrat des Halbleiterchips 32 und durch die Linse 14 hindurch, in den oberen Halbraum ab. Der obere und untere Halbraum werden hier und durch die Ebene, in der die erste und zweite Seitenfläche 20, 22 liegen, definiert. Die Hochfrequenzstrahlung 56 wird durch die Linse 14 gebündelt und damit in einem nahezu parallelen Strahl auf ein zu bestimmendes Hindernis 58 gelenkt. Die Hochfrequenzstrahlung 56 wird an dem Hindernis 58 reflektiert und ein Teil der Hochfrequenzstrahlung kehrt zu der Linse 14 zurück, wird gebündelt und erreicht die Antenne der Radarelektronik 12 mit einer zeitlichen Verzögerung. Die zeitliche Verzögerung ist proportional zu dem Abstand 60 zwischen der Linse 14 und dem Hindernis 58, und ist somit ein Maß für die zu bestimmende Entfernung.The high-frequency antenna 42 the radar electronics 12 that's here as on a silicon chip 32 integrated semiconductor antenna is formed radiates high frequency radiation 56 through the silicon substrate of the semiconductor chip 32 and through the lens 14 through, into the upper half-space. The upper and lower half spaces are here and through the plane in which the first and second side surfaces 20 . 22 lie, defined. The high frequency radiation 56 is through the lens 14 bundled and thus in a nearly parallel beam on an obstacle to be determined 58 directed. The high frequency radiation 56 will be at the obstacle 58 reflected and part of the high frequency radiation returns to the lens 14 back, is bundled and reaches the antenna of the radar electronics 12 with a time delay. The temporal Delay is proportional to the distance 60 between the lens 14 and the obstacle 58 , and is thus a measure of the distance to be determined.

Der Abstand 60 wird mit den bekannten Methoden der Radartechnik in einer an die Radarelektronik 12 angeschlossenen Auswerteeinheit 62 berechnet. Bekannte Methoden der Radartechnik sind dabei beispielsweise ein FMCW-Radar, Puls-Radar, Pseudo-Noise-Radar, Frequenz-Stufen-Radar oder sonstige Verfahren einschließlich CW-Radar für Interferometrie-Messungen. Allen Verfahren gemeinsam ist, dass die verwendeten Frequenzen sehr hoch sein müssen, d. h. die Frequenzen liegen bei einigen 10 GHz bis einigen 100 GHz. Je höher die Frequenzen sind, umso kompakter kann die Radarsensoreinheit aufgebaut werden, da insbesondere die Antennengröße abhängig von der Wellenlänge ist und diese mit größeren Frequenzen immer kleiner wird. Sofern ein zusätzlicher Temperatursensor auf dem Chip integriert ist oder anderweitig Temperaturinformationen der Umgebung bereitgestellt werden, kann die Temperaturinformation ggf. zur Korrekturberechnung herangezogen werden. Vorzugsweise ist ein Temperatursensor ebenfalls auf dem Halbleiterchip 32 angeordnet und somit direkt mit der Linse 14 gekoppelt, um die Temperatur im oberen Halbraum zu bestimmen.The distance 60 is using the well-known methods of radar technology in a to the radar electronics 12 connected evaluation unit 62 calculated. Known methods of radar technology are, for example, an FMCW radar, pulse radar, pseudo-noise radar, frequency-step radar or other methods including CW radar for interferometry measurements. All methods have in common that the frequencies used must be very high, ie the frequencies are from a few 10 GHz to a few 100 GHz. The higher the frequencies, the more compact the radar sensor unit can be constructed, since in particular the antenna size is dependent on the wavelength and this becomes smaller and smaller with larger frequencies. If an additional temperature sensor is integrated on the chip or otherwise temperature information of the environment is provided, the temperature information can possibly be used for the correction calculation. Preferably, a temperature sensor is also on the semiconductor chip 32 arranged and thus directly with the lens 14 coupled to determine the temperature in the upper half-space.

Die Radarsensoreinheit 10 kann vorteilhaft unter rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Dazu gehören Umgebungen, die mit Öl oder anderen isolierenden Medien gefüllt sind, wie Lösungsmittel oder Farben. Weiterhin können hohe Drücke auftreten, ohne dass die Funktion der Radarsensoreinheit beeinträchtigt wird.The radar sensor unit 10 can be used advantageously under harsh environmental conditions. These include environments that are filled with oil or other insulating media, such as solvents or paints. Furthermore, high pressures can occur without affecting the function of the radar sensor unit.

Wie bereits ausgeführt, ist die Linse 14 vorzugsweise aus Silizium, welches eine hohe relative Dielektrizitätskonstante ε_r von circa 12 aufweist. Damit bleibt die Linsenwirkung auch in flüssigkeitsgefüllten Umgebungen mit relativen Dielektrizitätskonstanten ε_r größer 1 erhalten. Die meisten Plastikmaterialien, die derzeit als Millimeterwellen-Linsen eingesetzt werden, haben eine kleine relative Dielektrizitätskonstante im Bereich von ε_r = 3, was sie in einer ölgefüllten Umgebung unbrauchbar macht. Anstelle von Silizium können jedoch alternativ auch andere dielektrische Materialien mit hohem ε_r eingesetzt werden.As already stated, the lens is 14 preferably made of silicon, which has a high relative dielectric constant ε _r of about 12. Thus, the lens effect is maintained even in liquid-filled environments with relative dielectric constants ε _r greater than 1. Most plastic materials currently used as millimeter-wave lenses have a small relative dielectric constant in the range of ε _r = 3, rendering them useless in an oil-filled environment. Instead of silicon, however, other high ε _r dielectric materials may alternatively be used.

Die Materialien für die Linse 14 haben vorteilhaft eine hohe Festigkeit. Silizium beispielsweise hat ein E-Modul von 107 während die meisten Polymere E-Module im ein- bis zweistelligen Bereich aufweisen. Eine Linse 14 aus Silizium kann somit hohem Druck widerstehen und ist auch unter sehr rauen mechanischen Beanspruchungen stabil. Die neue Radarsensoreinheit kann daher auch vorteilhaft in Umgebungen mit fließenden Ölen, die aggressive Partikel beinhalten, oder in Umgebungen mit Schmutz- und Sandbelastung eingesetzt werden. In Verbindung mit einem Träger 16, der ebenfalls eine hohe Festigkeit aufweist, ergibt sich eine äußerst robuste Konstruktion, die universell einsetzbar ist. Insbesondere wird durch die Kombination der stabilen Linse 14 mit dem stabilen Träger 16 ein separates Gehäuse für die Radarelektronik 12 überflüssig, womit weitere Kosten eingespart werden können.The materials for the lens 14 advantageously have a high strength. Silicon, for example, has an E-modulus of 107 while most polymers have e-modules in the one to two-digit range. A lens 14 Silicon can thus withstand high pressure and is stable under very harsh mechanical conditions. The new radar sensor unit can therefore also be used advantageously in environments with flowing oils containing aggressive particles or in environments with dirt and sand pollution. In conjunction with a carrier 16 , which also has a high strength, results in an extremely robust construction, which is universally applicable. In particular, the combination of the stable lens 14 with the stable carrier 16 a separate housing for the radar electronics 12 superfluous, whereby further costs can be saved.

Mit Bezug zu 5 und 6 wird im Folgenden ein zweites Ausführungsbeispiel der neuen Radarsensoreinheit näher beschrieben, wobei auch hier gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile stehen und im Folgenden im Bezug zum zweiten Ausführungsbeispiel nicht erneut beschrieben werden.In reference to 5 and 6 In the following, a second exemplary embodiment of the new radar sensor unit will be described in more detail, the same reference numerals for the same parts also being used here and not being described again below in relation to the second exemplary embodiment.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, weist die Radarsensoreinheit 10 einen zusätzlichen Körper 64 auf, der sich unterhalb der Trägers 16 erstreckt. Mit anderen Worten liegt der Träger 16 auf dem Körper 64 auf und ist mit diesem, beispielsweise durch Verkleben, fest verbunden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sowohl der Träger 16 als auch der Körper 64 aus hochfestem Material, wie beispielsweise Stahl, gefertigt und durch Schweißen miteinander fest verbunden. Der Körper 64 ist bolzenförmig und vorzugsweise mit einem Außengewinde 66 als Schraube ausgebildet. In dieser bevorzugten Ausgestaltung kann die Radarsensoreinheit besonders gut in einem System verbaut werden, da vorteilhaft keine weiteren Komponenten für eine Halterung benötigt werden.According to the second embodiment, the radar sensor unit 10 an extra body 64 on, which is below the carrier 16 extends. In other words, the carrier lies 16 on the body 64 on and is firmly connected to this, for example by gluing. In a preferred embodiment, both are the carrier 16 as well as the body 64 made of high-strength material, such as steel, and firmly joined together by welding. The body 64 is bolt-shaped and preferably with an external thread 66 designed as a screw. In this preferred embodiment, the radar sensor unit can be installed particularly well in a system, since advantageously no further components are required for a holder.

6 zeigt das Ausführungsbeispiel der 5 in einem Längsschnitt. Der Körper 64 ist hier ein Hohlkörper mit einem Hohlraum 68. Der Hohlkörper ermöglicht es, dass einige Teile der Radarelektronik 12 in den Hohlraum 68 ausgelagert werden können. Auf diese Weise können die Einheit aus Linse 14 und Träger 16 besonders kompakt aufgebaut sein. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können eine Phased-Locked-Loop-Schaltung 70 und eine Basisbandverarbeitungseinheit 72 in dem Hohlraum 68 verlagert sein, damit der Sensor noch kompakter ausgestaltet werden kann. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann innerhalb der Aussparung 18 auch ausschließlich die HF-Antenne 42, vorzugsweise integriert auf einem Halbleiterchip, vorhanden sein, während die übrige Radarelektronik außerhalb der Aussparung 18 angeordnet ist. Durch die Verlagerung einzelner Komponenten der Radarelektronik 12 hinaus aus der Aussparung 18 können vorteilhafterweise Standardkomponenten für die Radarelektronik verwendet werden, wodurch sich die Radarsensoreinheit nicht nur kompakt und robust ausgestalten lässt, sondern die Radarsensoreinheit auch kostengünstig realisiert werden kann. 6 shows the embodiment of the 5 in a longitudinal section. The body 64 Here is a hollow body with a cavity 68 , The hollow body allows some parts of the radar electronics 12 in the cavity 68 can be outsourced. In this way, the unit of lens 14 and carriers 16 be particularly compact. In a preferred embodiment, a phased-locked loop circuit 70 and a baseband processing unit 72 in the cavity 68 be relocated, so that the sensor can be made even more compact. In a further embodiment, within the recess 18 including only the RF antenna 42 , preferably integrated on a semiconductor chip, be present, while the remaining radar electronics outside the recess 18 is arranged. By relocating individual components of the radar electronics 12 out of the recess 18 For example, standard components for the radar electronics can advantageously be used, as a result of which the radar sensor unit can not only be made compact and robust, but the radar sensor unit can also be realized cost-effectively.

Mit Bezug auf die 7 und 8 wird im Folgenden die Verwendung der neuen Radarsensoreinheit 10 zur Abstandsmessung am Beispiel eines Hydraulikzylinders näher erläutert. 7 zeigt einen Hydraulikzylinder 100 mit einem Zylindergehäuse 102, einem Kolben 104 sowie einer Kolbenstange 106. Eine erfindungsgemäße Radarsensoreinheit 10 ist auf einer Bodenfläche des Zylindergehäuses 102 angebracht. Um den hohen auftretenden Drücken innerhalb des Zylindergehäuses 102 zu widerstehen, ist die Radarsensoreinheit 10 hier fest auf der Bodenfläche 108 verklebt.With reference to the 7 and 8th Below is the use of the new one Radar sensor unit 10 for distance measurement using the example of a hydraulic cylinder explained in more detail. 7 shows a hydraulic cylinder 100 with a cylinder housing 102 , a piston 104 and a piston rod 106 , A radar sensor unit according to the invention 10 is on a bottom surface of the cylinder housing 102 appropriate. To the high pressures occurring within the cylinder housing 102 To resist is the radar sensor unit 10 stuck here on the floor surface 108 bonded.

Die Radarsensoreinheit 10 strahlt in der zuvor beschriebenen Weise hochfrequente Strahlung 56 gegen die Kolbenoberfläche 110 des Kolbens 104. Die hochfrequente Strahlung 56 wird von der Kolbenfläche 110 reflektiert und gelangt zeitlich verzögert zurück zur Radarsensoreinheit 10. Die Zeitverzögerung der zurückkommenden Strahlung wird durch die Radarsensoreinheit gemessen, woraus sich der Abstand 60 und damit die Position des Kolbens 104 in Relation zum Boden des Zylindergehäuses 102 bestimmen lässt.The radar sensor unit 10 radiates in the manner described above high-frequency radiation 56 against the piston surface 110 of the piston 104 , The high-frequency radiation 56 is from the piston surface 110 reflects and returns with a time lag back to the radar sensor unit 10 , The time delay of the returning radiation is measured by the radar sensor unit, which gives the distance 60 and hence the position of the piston 104 in relation to the bottom of the cylinder housing 102 determine.

Die auf dem Boden des Zylindergehäuses 102 angebrachte Radarsensoreinheit arbeitet mit sehr hohen Frequenzen im GHz-Bereich oder THz-Bereich, so dass die Wellenlängen der Strahlung klein gegenüber den Abmessungen des Zylinders sind. Damit ist es möglich, mit quasi optischen Verfahren zu arbeiten und die beschriebene Linse 14 einzusetzen, um die Radarstrahlung in einem gerichteten Strahl im Zylindergehäuse 102 zu führen.The on the bottom of the cylinder housing 102 mounted radar sensor unit operates at very high frequencies in the GHz range or THz range, so that the wavelengths of radiation are small compared to the dimensions of the cylinder. This makes it possible to work with quasi-optical methods and the described lens 14 to use the radar radiation in a directional beam in the cylinder housing 102 respectively.

Die Radarsensoreinheit kann dabei mit bekannten Radarverfahren arbeiten. In einem Ausführungsbeispiel kann bspw. ein FMCW-Verfahren verwendet werden, bei dem ein frequenzmoduliertes Hochfrequenzsignal von der Radarsensoreinheit ausgesendet wird. Das am Kolben 104 reflektierte Signal trifft dabei mit einer Zeitverzögerung wieder am Sensor ein und es wird der Frequenzversatz zwischen gesendetem und empfangenem Signal ausgewertet. Unter Berücksichtigung der relativen Dielektrizitätskonstante eines Hydrauliköls im Zylinder wird daraus der Abstand berechnet. Alternativ kann die neue Radarsensoreinheit 10 auch mit einem Radar-Puls-Verfahren verwendet werden. Die Radarsensoreinheit 10 sendet dabei sehr kurze elektromagnetische Pulse aus, die vom Kolben 104 reflektiert werden und wieder zur Radarsensoreinheit 10 gelangen. Die dabei auftretende Zeitverzögerung wird gemessen und umgerechnet in den gesuchten Abstand 60.The radar sensor unit can work with known radar. In one embodiment, for example, an FMCW method may be used, in which a frequency-modulated high-frequency signal is emitted by the radar sensor unit. That on the piston 104 reflected signal arrives at the sensor again with a time delay and the frequency offset between the transmitted and the received signal is evaluated. Taking into account the relative dielectric constant of a hydraulic oil in the cylinder, the distance is calculated from this. Alternatively, the new radar sensor unit 10 also be used with a radar pulse method. The radar sensor unit 10 emits very short electromagnetic pulses from the piston 104 be reflected and back to the radar sensor unit 10 reach. The occurring time delay is measured and converted into the desired distance 60 ,

In dem Zylindergehäuse 102 befindet sich unterhalb der Radarsensoreinheit 10 eine Bohrung 112, durch welche die Radarsensoreinheit 10 über eine elektrische Verbindung 114 mit einer Signalverarbeitungsleiterplatte 116 verbunden ist. Die Signalverarbeitungsleiterplatte 116 weist eine Verarbeitungseinheit auf, die anhand der gemessenen Signale den Abstand 60 bestimmt.In the cylinder housing 102 located below the radar sensor unit 10 a hole 112 through which the radar sensor unit 10 via an electrical connection 114 with a signal processing board 116 connected is. The signal processing circuit board 116 has a processing unit which uses the measured signals to determine the distance 60 certainly.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Auswerteeinheit weitere Parameter zur Bestimmung des Abstands 60 verwenden. So kann die Auswerteeinheit beispielsweise die momentane Temperatur eines verwendeten Hydrauliköls oder dessen Beschaffenheit in die Berechnung des Abstands 60 mit einfließen lassen. Es versteht sich, dass somit weitere Sensoren (hier nicht dargestellt) an oder im Hydraulikzylinder 102 oder vorzugweise direkt auf einem Chip der Radarsensoreinheit vorgesehen sein können, mit denen diese zusätzlichen Parameter erfasst werden.In a preferred embodiment, the evaluation unit may have further parameters for determining the distance 60 use. Thus, the evaluation unit, for example, the current temperature of a hydraulic oil used or its nature in the calculation of the distance 60 to flow with. It is understood that thus further sensors (not shown here) on or in the hydraulic cylinder 102 or preferably directly on a chip of the radar sensor unit may be provided with which these additional parameters are detected.

Die ermittelte Abstandsinformation wird über ein hier nicht dargestelltes Verbindungskabel zu jener Stelle im System geführt, welche diese Information benötigt und weiter verarbeitet. Beispielsweise könnte dies der Zentralrechner oder ein Steuergerät in einem Fahrzeug sein. Es versteht sich, dass diese Signalübertragung auch drahtlos über bekannte drahtlose Schnittstellen erfolgen kann.The determined distance information is routed via a connection cable (not shown here) to the point in the system which requires and further processes this information. For example, this could be the central computer or a controller in a vehicle. It is understood that this signal transmission can also be done wirelessly via known wireless interfaces.

8 zeigt denselben Anwendungsfall, wie er in Bezug auf 7 beschrieben worden ist, jedoch mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der Radarsensoreinheit. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen erneut gleiche Teile. 8th shows the same use case as in relation to 7 has been described, however, with the second embodiment of the radar sensor unit. Like reference numerals designate like parts again.

In dem Hydraulikzylinder 100 ist hier zur Abstandsmessung eine Radarsensoreinheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel integriert. Der Hydraulikzylinder 100 weist eine Durchgangsbohrung 112 im Boden des Zylindergehäuses 102 auf. Die Bohrung verfügt über ein Innengewinde 118, in welches die Radarsensoreinheit 10 eingeschraubt werden kann. Die Radarsensoreinheit 10 weist hierzu einen Schraubenkörper 64 auf, mit einem dem Innengewinde entsprechenden Außengewinde. Der Träger 16 und die Linse 14 können so besonders kompakt aufgebaut sein.In the hydraulic cylinder 100 is here for distance measurement, a radar sensor unit according to the second embodiment integrated. The hydraulic cylinder 100 has a through hole 112 in the bottom of the cylinder housing 102 on. The hole has an internal thread 118 into which the radar sensor unit 10 can be screwed. The radar sensor unit 10 has a screw body for this purpose 64 on, with an external thread corresponding to the internal thread. The carrier 16 and the lens 14 can be so very compact.

Die Radarsensoreinheit kann alternativ auch seitlich in den Boden des Zylindergehäuses eingeschraubt werden (9). Eine Durchgangsöffnung 112a ist dann seitlich am Zylindergehäuse 102 angeordnet. Zur Strahlumlenkung ist ein Spiegel 113 vorgesehen, der die eingehende und ausgehende Radarstrahlung 56 umlenkt. Diese Ausgestaltung erlaubt eine besonders einfache Zugänglichkeit zur Radarsensoreinheit 10 und vereinfacht die Installation und Wartung. Die zusätzliche Variante ist in 9 dargestellt. Auch hier bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile wie in Bezug zur 8.The radar sensor unit can alternatively also be screwed laterally into the bottom of the cylinder housing ( 9 ). A passage opening 112a is then on the side of the cylinder housing 102 arranged. For beam deflection is a mirror 113 provided the incoming and outgoing radar radiation 56 deflects. This embodiment allows a particularly easy access to the radar sensor unit 10 and simplifies installation and maintenance. The additional variant is in 9 shown. Again, like reference numerals designate the same parts as in relation to 8th ,

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Radarsensoreinheit in dem Schraubenkörper 64 einen Hohlraum 68 auf, in dem die Radarelektronik abgesehen von der Hochfrequenzantenne angeordnet ist. Alternativ kann jedoch auch eine Signalverarbeitungsleiterplatte 116 außerhalb der Radarsensoreinheit 10 vorgesehen sein, die über eine elektrische Verbindung 114 mit der Radarelektronik gekoppelt ist.In a preferred embodiment, the radar sensor unit in the screw body 64 a cavity 68 on, in which the radar electronics is arranged apart from the high-frequency antenna. Alternatively, however, may also be a signal processing circuit board 116 outside the radar sensor unit 10 be provided, which has an electrical connection 114 coupled with the radar electronics.

Die Ausgestaltung als Schraube ermöglicht neben der kompakteren Bauweise eine einfache Wartung der Radarsensoreinheit, da diese auf einfache Weise von dem Hydraulikzylinder gelöst werden kann, im Betrieb jedoch sehr gut mit dieser verbunden ist. Die Bestimmung des Abstands 60 erfolgt dabei nach dem gleichen Prinzip, wie es bereits im Zusammenhang mit der 7 näher erläutert worden ist.The design as a screw allows in addition to the more compact design easy maintenance of the radar sensor unit, as this can be solved in a simple manner by the hydraulic cylinder, but in operation is very well connected to this. The determination of the distance 60 takes place according to the same principle, as it already in connection with the 7 has been explained in detail.

Es versteht sich, dass die Verwendung der erfindungsgemäßen Radarsensoreinheit 10 nicht auf die hier gezeigte Ausführungsform beschränkt ist. Ein weiteres Anwendungsgebiet wäre beispielsweise der Einsatz in einem Getriebe, Motor, in einem Tank oder einer Rohrleitung, in denen starke Ölströmungen vorkommen, um dort die Bewegung von Zahnrädern oder anderen beweglichen Komponenten zu detektieren. Ebenso ist die erfindungsgemäße Radarsensoreinheit nicht auf die Verwendung in geschlossenen Systemen beschränkt, sondern kann auch zur Kollisionsvermeidung von Fahrzeugen beispielweise unter den rauen Umgebungsbedingungen eines Bergwerks verwendet werden, wo durch Sand und Steinschlag ebenso raue Umgebungsbedingungen herrschen, wie in geschlossenen Systemen. Neben einer reinen Abstandsmessung sind darüber hinaus auch andere Radarmessungen zur Positionsbestimmung mit der neuen Radarsensoreinheit denkbar.It is understood that the use of the radar sensor unit according to the invention 10 not limited to the embodiment shown here. A further field of application would be, for example, the use in a gearbox, engine, in a tank or a pipeline, in which strong oil flows occur, in order to detect the movement of gears or other moving components. Likewise, the radar sensor unit according to the invention is not limited to the use in closed systems, but can also be used for collision avoidance of vehicles, for example under the harsh environmental conditions of a mine, where by sand and rockfall as harsh environmental conditions prevail, as in closed systems. In addition to a pure distance measurement beyond other radar measurements for position determination with the new radar sensor unit are conceivable.

10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der neuen Radarsensoreinheit. Die Radarsensoreinheit entspricht im Wesentlichen der Radarsensoreinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1, jedoch mit einer abgewandelten Linse. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen auch hier gleiche Teile. 10 shows a further embodiment of the new radar sensor unit. The radar sensor unit essentially corresponds to the radar sensor unit according to the exemplary embodiment of FIG 1 but with a modified lens. Like reference numerals designate like parts.

Die Linse 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel mehrschichtig und umfasst mindestens eine erste Schicht 120 und eine zweite Schicht 122. Die erste und zweite Schicht 120, 122 können aus demselben oder aus unterschiedlichem Material gefertigt sein. Beispielweise ist die erste Schicht aus Silizium und die zweite Schicht aus Plastik gefertigt. Es versteht sich, dass in anderen Ausführungsbeispielen die Linse 14 neben der ersten und der zweiten Schicht 120, 122 auch weitere Schichten aufweisen kann. In dem hier dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zumindest die erste Schicht 120, die unmittelbar auf dem Träger 16 aufliegt, aus Silizium gefertigt und vorzugsweise 0,7 mm stark. Wie in 10 dargestellt, kann die erste Schicht 120 über die zweite Schicht 122 hinausgehen und sich in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel über die gesamte erste Seitenfläche 20 des Trägers 16 erstrecken. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die erste und die zweite Schicht 120, 122 jedoch auch übergangslos ineinander übergehen, so dass die erste und die zweite Schicht 120, 122 an der Stelle des Übergangs denselben Durchmesser aufweisen.The Lens 14 is multi-layered in this embodiment and comprises at least a first layer 120 and a second layer 122 , The first and second layers 120 . 122 can be made of the same or different material. For example, the first layer is made of silicon and the second layer of plastic. It is understood that in other embodiments, the lens 14 next to the first and the second layer 120 . 122 may also have further layers. In the preferred embodiment shown here, at least the first layer 120 directly on the carrier 16 rests, made of silicon and preferably 0.7 mm thick. As in 10 shown, the first layer 120 over the second layer 122 go out and in a preferred embodiment over the entire first side surface 20 of the carrier 16 extend. In another embodiment, the first and second layers 120 . 122 but also seamlessly merge into each other, so that the first and the second layer 120 . 122 have the same diameter at the point of transition.

Die mehrsichtige Ausgestaltung der Linse 14 hat den Vorteil, dass die strahlformenden Eigenschaften der Linse 14 durch eine Schicht 122 aus günstigem Material, beispielsweise Plastik, realisiert werden können, während im Übergang zum Träger 16 eine Schicht 120 aus hierfür geeigneterem Material vorgesehen sein kann. Beispielswiese kann die Übergangsschicht aus stabilerem Material, wie Silizium, gefertigt sein. Eine Siliziumschicht hätte darüber hinaus den Vorzug, einen besseren Temperaturübergang von der Umgebung (beispielweise von dem Öl) zum Halbleiterchip 32 zu gewährleisten, da Silizium eine bessere Wärmeleitfähigkeit hat und so ein Temperaturausgleich schneller erfolgen kann. Insbesondere wenn der Halbleiterchip 32 einen zusätzlichen Temperatursensor aufweist, dessen Messwerte bei der Berechnung des Abstands berücksichtigt werden, ist ein guter Temperarturübergang von Bedeutung. Die mehrschichtige Linse 14 kann somit zu einer besseren Abstandsmessung positiv beitragen. Vorteilhaft lässt sich die mehrschichtige Linse bei der Fertigung aus einzelnen Schichten zusammensetzen, so dass sich verschiedene Linsenformen einfach und kostengünstig herstellen lassen. Darüber hinaus ist es denkbar, dass sich eine abschließende Schicht der Linse erst nach der Fertigung der Radarsensoreinheit ergänzen lässt, um die strahlformenden Eigenschaften der Linse 14 flexible auf die jeweilige Anwendung anpassen zu können.The multi-layered design of the lens 14 has the advantage that the beam-forming properties of the lens 14 through a layer 122 from inexpensive material, such as plastic, can be realized while in the transition to the carrier 16 a layer 120 may be provided from this more suitable material. For example, the transition layer may be made of more stable material, such as silicon. A silicon layer would also have the advantage of a better temperature transition from the environment (for example, the oil) to the semiconductor chip 32 to ensure that silicon has a better thermal conductivity and so a temperature compensation can be done faster. In particular, when the semiconductor chip 32 an additional temperature sensor whose measured values are taken into account in the calculation of the distance, a good Temperarturübergang is important. The multilayer lens 14 can thus contribute positively to a better distance measurement. Advantageously, the multilayer lens can be assembled during manufacture from individual layers, so that different lens shapes can be produced easily and inexpensively. Moreover, it is conceivable that a final layer of the lens can be supplemented only after the manufacture of the radar sensor unit to the beam-forming properties of the lens 14 flexible to adapt to the particular application.

Claims

Radar sensor unit ( 10 ) for use in harsh environments, in particular in oil-filled hydraulic cylinders ( 100 ), with radar electronics ( 12 ) comprising at least one high-frequency antenna ( 42 ) for transmitting and receiving high-frequency radiation ( 56 ), with a lens ( 14 ) for bundling the high-frequency radiation ( 56 ), and with a carrier ( 16 ) made of metal, which has a recess ( 18 ) for mounting the radar electronics ( 12 ), wherein the carrier ( 16 ) a first plane side surface ( 20 ), in which the recess ( 18 ) is centrally located, and the lens ( 14 ) a second plane side surface ( 22 ), and wherein the first plane side surface ( 20 ) of the carrier ( 16 ) and the second plane side surface ( 22 ) of the lens ( 14 ) are firmly connected to one another so that the recess ( 18 ) on one side through the lens ( 14 ), whereby the radar electronics ( 12 ) a semiconductor chip ( 32 ) having a first major surface ( 46 ), one of the first main surfaces ( 46 ) opposite second major surface ( 48 ) as well as side surfaces which the first and the second main surface ( 46 . 48 ), wherein the at least one radio-frequency antenna ( 42 ) on the first main surface ( 46 ) and the semiconductor chip ( 32 ) with the second main surface ( 48 ) with the lens ( 14 ), in particular with this is glued, so that the high-frequency radiation ( 56 ) through the semiconductor chip ( 32 ) into the lens ( 14 ).

Radar sensor unit according to claim 1, wherein an edge of the second plane side surface ( 22 ) of the lens ( 14 ) completely within the first plane side surface ( 20 ) of the carrier ( 16 ) lies.

Radar sensor unit according to one of claims 1 or 2, wherein the first plane side surface ( 20 ) of the carrier ( 16 ) over an edge of the second plane side surface ( 22 ) of the lens ( 14 ) goes out.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 3, wherein the recess ( 18 ) an opening ( 26 ) in another side surface ( 28 . 30 ) as the first plane side surface ( 20 ) of the carrier ( 16 ), so that the radar electronics ( 12 ) is electrically contactable.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 4, wherein the carrier ( 16 ) is made of steel.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 5, wherein the carrier ( 16 ) of a material having a modulus of elasticity greater than 100, in particular having a modulus of elasticity of greater than 190.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 6, wherein the radar electronics ( 12 ) a high-frequency transmitter ( 38 ) and a high frequency receiver ( 40 ) and the radio frequency transmitter ( 38 ), the high-frequency receiver ( 40 ) and the at least one radio-frequency antenna ( 42 ) on a single semiconductor chip ( 32 ) are integrated.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 7, wherein the semiconductor chip ( 32 ) additionally a temperature sensor ( 51 ).

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 8, wherein a printed circuit board ( 19 ) next to or around the semiconductor chip ( 32 ) and with the second plane side surface ( 22 ) of the lens ( 14 ) is connected, in particular glued to this.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 9, wherein an inner side of the recess ( 18 ) is coated with an insulating layer.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 10, wherein the carrier ( 16 ) on one of the lenses ( 14 ) facing away with a screw body ( 64 ) is firmly connected.

Radar sensor unit according to claim 11, wherein the screw body ( 64 ) a cavity ( 68 ), which on one side by the carrier ( 16 ) and the radar electronics ( 12 ) partially in the cavity ( 68 ) is arranged.

Radar sensor unit according to one of claims 11 or 12, wherein parts of the radar electronics ( 12 ), in particular a phased-locked loop circuit ( 70 ) and a baseband processing unit ( 72 ), on a printed circuit board ( 116 ) outside the screw body ( 64 ) are arranged.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 13, wherein the lens ( 14 ) is made of a material, in particular silicon, which has a dielectric constant ε _r of about 12.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 14, wherein the lens ( 14 ) has a hyper-hemispherical or elliptical shape.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 15, wherein the lens ( 14 ) is multilayered.

Radar sensor unit according to claim 16, wherein the lens ( 14 ) at least a first layer ( 120 ) of silicon.

Radar sensor unit according to claim 17, wherein the first layer ( 120 ) has a height of about 0.7 mm.

A radar sensor unit according to any one of claims 1 to 18, wherein the high-frequency radiation has frequencies in the range of several tens to several hundreds of GHz.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 19, wherein the radar sensor unit is adapted to operate with a frequency-modulated method.

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 19, wherein the radar sensor unit is adapted to operate with a pulse method.

Hydraulic cylinder ( 100 ) with a cylinder body ( 102 ), which has a bottom surface ( 108 ), with one to the bottom surface ( 108 ) translationally movable piston ( 104 ) as well as with at the Floor area ( 108 ) arranged radar sensor unit ( 10 ) according to one of claims 1 to 21, wherein the radar sensor unit is adapted to high-frequency radiation ( 56 ) from the bottom surface ( 108 ) to the piston ( 104 ) and on the piston ( 104 ) reflected high-frequency radiation ( 56 ) to receive a distance ( 60 ) of the piston ( 104 ) from the bottom surface ( 108 ).

Hydraulic cylinder according to claim 22, wherein the radar sensor unit ( 10 ) is set up to transmit a frequency-modulated high-frequency signal for distance determination.

Hydraulic cylinder according to claim 22, wherein the radar sensor unit ( 10 ) is adapted to emit short electromagnetic pulses for distance determination.

Hydraulic cylinder according to one of claims 22 to 24, wherein the floor surface ( 108 ) a passage opening ( 112 ), by which the radar sensor unit ( 10 ) is electrically contactable.

Hydraulic cylinder according to one of claims 22 to 24, wherein a passage opening ( 112a ) laterally in the cylinder body ( 102 ) is introduced.

Hydraulic cylinder according to one of claims 25 or 26, wherein the passage opening is an internal thread ( 118 ), and wherein the radar sensor unit ( 10 ) a body ( 64 ) with a female thread ( 118 ) corresponding external thread ( 66 ).

Radar sensor unit according to one of claims 1 to 21 for use as a distance measuring device in a hydraulic cylinder, a transmission, a motor or a tank or as a flow meter in a pipeline.