DE102017114686A1 - Elektronisches Bauteil zum Aussenden und Empfangen von Radar-Signalen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil (1) zum gebündelten Aussenden und/oder Empfangen von Radar-Signalen (SHF, EHF). Hierzu umfasst es: - Einen Halbleiter-Baustein (2), der ausgestaltet ist, um das Radar-Signal (SHF, EHF) mittels eines Primärstrahlers (21) auszusenden und/oder zu empfangen; - Einen Träger (3), auf dessen Oberfläche (31) der Halbleiter-Baustein (2) zur elektrischen Kontaktierung angeordnet ist. Erfindungsgemäß zeichnet sich das elektronische Bauteil (1) dadurch aus, dass die Oberfläche (31) des Trägers (3) zumindest eine derart ausgestaltete erste Stufe (32a,b) aufweist, um das Radar-Signal (SHF, EHF) beim Aussenden und/oder Empfangen in etwa senkrecht zur Oberfläche (31) des Trägers (3) zu bündeln. Hierdurch eignet sich das erfindungsgemäße elektronische Bauteil (1) speziell für diejenigen Anwendungen der Radar-basierten Distanzmessung, die von gebündelt ausgesendeten und empfangenen Radar-Signalen (SHF, EHF) profitieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil zum Aussenden und/oder Empfangen von Radar-Signalen, sowie ein hierauf basierendes Distanzmessgerät.
  • Radar-basierte Distanzmessung wird in einem breiten Anwendungsspektrum genutzt. Entsprechende Distanzmessgeräte werden beispielsweise zur Positionsbestimmung in der Luftfahrt, zur Abstandsmessung bei Kraftfahrzeugen oder zur Füllstandsmessung in der Prozessautomation großer industrieller Anlagen eingesetzt. Hierzu können prinzipiell zwei unterschiedliche Radar-Technologien nach dem Stand der Technik angewandt werden: Zum einen FMCW („Frequency Modulated Continuos Wave“, auch bekannt als Dauerstrichradar) oder das sogenannte Puls-Laufzeit-Verfahren. Beide Verfahren werden innerhalb von vordefinierten Radar-Frequenzbändern betrieben (im Rahmen dieser Erfindung beziehen sich der Begriff „Radar-Signal“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz).
  • Im Bereich der Füllstandsmessung wird in Radar-Frequenzbändern bei 6 GHz, 26 GHz oder 79 GHz gearbeitet. Dabei sind die höherliegenden Frequenzbänder bevorzugt, da in diesen Fällen eine größere absolute Bandbreite genutzt werden kann. Hierdurch wird wiederum eine höhere Auflösung erreicht. Insbesondere bei der Füllstandsmessung stellt dies eine wichtige Anforderung dar, da je nach Anwendung eine möglichst genaue Kenntnis des Füllstandes erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung hoher Frequenzen besteht darin, dass das Radar-basierte Distanzmessgerät mit einer kleineren Antenne ausgestattet werden kann, ohne dass die Bündelungs-Wirkung der Antenne vermindert wird. Bei Füllstandsmessung werden dadurch beispielsweise verkleinerte Anschluss-Flansche zur Anbringung am Behälter möglich. Daher ist es erstrebenswert, Füllstands- bzw. Distanzmessung im Allgemeinen bei höheren Frequenzen als 79 GHz (bis hin zu Radarfrequenzen von 300 GHz) zu betreiben.
  • Radar-Signale bei Frequenzen von über 100 GHz können zwischen dem Halbleiter-Chip, auf dem das Radar-Signal erzeugt wird, und der Leiterkarte nicht mehr über hybride Verbindungstechnologien geführt werden. Da die Dimensionen der Verbindungsstrukturen wie Bonddrähte oder Lötstellen zu den jeweiligen elektronischen Bauteilen in der Größenordnung der Wellenlänge der Radar-Signale liegen, stören diese Verbindungsstrukturen als parasitäre Elemente das Übertragungsverhalten. Darüber hinaus verursachen viele der in der Elektronik üblichen Werkstoffe mit der Frequenz steigende Verluste, durch welche die Millimeterwellensignale schon über kurze Distanzen erheblich gedämpft werden. Die Realisierung leistungsfähiger und zuverlässiger Millimeterwellenschaltungen mit Standardtechnologien ist aus diesem Grund mit zunehmender Frequenz schwieriger. Dies wirkt sich nicht zuletzt auf die Auflösung und die Genauigkeit der Füllstandsmessung aus.
  • Daher werden zur Erzeugung bzw. zum Empfang von Radar-Signalen, insbesondere oberhalb von 60 GHz, monolithische Halbleiter-Bausteine eingesetzt. Vorteilhaft an monolithischer Realisierung ist, dass sowohl die Signalerzeugungs-Einheit zur Erzeugung des auszusendenden Radar-Signals, als auch die Auswerte-Einheit zur Abstands-Bestimmung anhand des empfangenen Radar-Signals in einem Halbliter-Baustein vereint werden können. Hierdurch wird vermieden, dass die hochfrequenten Radar-Signale über externe Leiterbahnen, Lötverbindungen oder Bonddrähte geführt werden müssen. Dies vermindert gerade bei hohen Frequenzen die Störanfälligkeit des Distanzmessgerätes.
  • Zum Aussenden des Radar-Signals und/oder zum Empfang des reflektierten Radar-Signals umfasst der Halbleiter-Baustein einen Primärstrahler. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Planar-Antenne, die als Halbleiterstruktur des Halbleiter-Bausteins realisiert ist, oder die mittels mikromechanischer Verfahren auf den Halbleiter-Baustein aufgebracht ist. Ein entsprechender Halbleiter-Baustein wird unter anderem in der Veröffentlichungsschrift DE 10 2015 119 690 A1 beschrieben.
  • Aufgrund der in der Regel planaren Anordnung und der kleinen Dimension des Primärstrahlers wird das Radar-Signal in nahezu den kompletten Halbraum vor dem Halbleiter-Baustein ausgesendet. Gleiches gilt für den Empfang des reflektierten Radar-Signals, welches ohne zusätzliche Bündelung ungerichtet aus diesem Halbraum empfangen wird.
  • Zumindest zur Füllstandsmessung ist jedoch eine gewisse Mindest-Bündelung (dies ist gleichbedeutend mit einem maximalen Bündelungswinkel) des auszusendenden Radar-Signals bzw. des zu empfangenen Radar-Signals notwendig. Hierdurch wird bewirkt, dass das ausgesendete Radar-Signal in Richtung der Füllgut-Oberfläche fokussiert wird, so dass das reflektierte Radar-Signal nicht von etwaigen Stör-Echos aus dem Randbereich des Behälters (also Echos, die nicht von der Oberfläche des zu detektierenden Füllgutes, sondern von peripheren Störkörpern resultieren) überlagert wird. Typischerweise wird bei Füllstandsmessung ein Bündelungswinkel von maximal 35 ° eingestellt. Standardmäßig wird ein Bündelungswinkel von 3° angestrebt. Dabei entspricht der Bündelungswinkel gemäß der gängigen Definition demjenigen Winkel, bei dem sich ausgehend vom Vektor der Maximal-Leistung des ausgesendeten Radar-Signals dessen Leistung auf 50 % bzw. um -3 dB verringert hat.
  • Um solch eine Bündelung zu bewirken, muss dem Primärstrahler beziehungsweise dem Halbleiter-Baustein eine konvexe Linse oder ein Parabolspiegel vorgeschaltet werden. Da der komplette Halbraum vor dem Halbleiter-Baustein abgedeckt werden muss, ist die Apertur der Linse bzw. des Hohlspiegels entsprechend groß auszulegen. Hiermit sind aber gerade im Randbereich der Optik erhebliche Totalreflexions-Verluste verbunden. Eine Verringerung der Totalreflexions-Verluste ist nur mittels einer Verkleinerung der Apertur möglich. In diesem Fall wird jedoch nicht der komplette Halbraum abgedeckt. Somit ist die Abstrahl- bzw. Empfangs-Effizienz in beiden Fällen vermindert. Dies schränkt wiederum die Sicherheit ein, mit welcher der zu bestimmende Abstand eindeutig und fehlerfrei detektiert werden kann.
  • Gerade im Falle von Füllstandsmessung ist jedoch eine hohe Leistungs-Effizienz erforderlich. Denn obwohl Füllstandsmessgeräte explosionssicher ausgelegt sein müssen und deren Leistungsaufnahme dementsprechend konstruktiv begrenzt wird, ist eine fehlerfreie Füllstands-Detektion je nach Einsatzgebiet unerlässlich.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, insbesondere zur Füllstandsmessung ein sicheres, effizientes und genaues Distanzmessgerät bereitzustellen.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein elektronisches Bauteil zum Aussenden und/oder zum Empfangen eines Radar-Signals. Hierzu umfasst es:
    • - Einen Halbleiter-Baustein, der ausgestaltet ist, um das Radar-Signal mittels eines Primärstrahlers auszusenden und/oder zu empfangen,
    • - einen Träger mit einer Oberfläche, wobei der Halbleiter-Baustein zur elektrischen Kontaktierung auf der Oberfläche des Trägers angeordnet ist.
  • Erfindungsgemäß zeichnet sich das elektronische Bauteil dadurch aus, dass die Oberfläche des Trägers zumindest eine derart ausgestaltete erste Stufe aufweist, um das Radar-Signal beim Aussenden und/oder Empfangen in etwa senkrechter Richtung zur Oberfläche des Trägers zu bündeln. Hierzu ist die Oberfläche des Trägers vorzugsweise zumindest im Bereich der ersten Stufe elektrisch leitfähig ausgestaltet.
  • Mittels des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils wird somit erreicht, dass das ausgesendete bzw. empfangene Radar-Signal bereits auf Ebene des elektronischen Bauteils und somit sehr effizient gebündelt werden kann. Hierdurch kann der Einsatz nachträglicher, platzintensiver Bündelungs-Maßnahmen stark vermindert werden. Dadurch ist das elektronische Bauteil zum Einsatz als Distanzmessgerät, und insbesondere zur Füllstandsmessung prädestiniert, da hier eine effiziente Bündelung zu einer fehlerfreien Füllstands-Detektion beiträgt
  • Zur effizienten Bündelung des Radar-Signals ist es im Rahmen der Erfindung außerdem von Vorteil, wenn der Halbleiter-Baustein ausgestaltet ist, um das auszusendende Radar-Signal mit einer Frequenz von mehr als 100 GHz, insbesondere mehr als 150 GHz zu erzeugen. Bei Einsatz des elektronischen Bauteils zur Distanzmessung wird durch die erhöhte Frequenz darüber hinaus die erzielbare Auflösung erhöht.
  • Zwecks einer symmetrischen Bündelung des Radar-Signals (in Bezug zur Senkrechten der Träger-Oberfläche) besteht eine geeignete Ausgestaltungsvariante darin, dass die erste Stufe eine den Halbleiter-Baustein umschließende Kontur, insbesondere eine rund oder rechteckig umschließende Kontur, aufweist. Außerdem hat es sich für eine verbesserte Bündelung als vorteilhaft erweisen, die Kontur der ersten Stufe zumindest teilweise geriffelt oder wellig auszugestalten. Eine wiederum erhöhte Bündelung kann ebenfalls dadurch erreicht werden, dass das elektronische Bauteil eine zweite Stufe, die in Bezug zum Halbleiter-Bauteil außerhalb der ersten Stufe angeordnet ist, umfasst. Außerdem besteht eine Maßnahme zur Bündelung erfindungsgemäß darin, dass die Stufe einen minimalen Abstand zu dem Primärstrahler und eine Höhe aufweist, die in Summe in etwa einem Viertel der Wellenlänge des ausgesendeten Radar-Signals, oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon entsprechen. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der ersten Stufe und/oder der zweiten Stufe in einer dieser Ausgestaltungsvarianten kann des Radar-Signals beim Aussenden und/oder Empfangen eine Bündelung mit einem Bündelungswinkel von maximal 60°, insbesondere weniger als 40° bewirkt werden.
  • Im Rahmen der Erfindung ist es per se nicht vorgeschrieben, ob die erste Stufe in Richtung des Halbleiter-Bausteins abfallend oder ansteigend ausgestaltet ist. Dementsprechend kann die erste Stufe entweder eine Vertiefung der Oberfläche des Trägers ausbilden, wobei der Halbleiter-Baustein in diesem Fall innerhalb der Vertiefung angeordnet ist. Oder die erste Stufe bildet die Oberfläche des Trägers sockelförmig aus, wobei der Halbleiter-Baustein in diesem Fall auf dem Sockel angeordnet ist.
  • Sofern die Stufe weder einen Sockel, noch eine Vertiefung ausbildet, kann der Träger alternativ auch so konzipiert werden, dass die erste Stufe auf der Oberfläche des Trägers eine Grabenstruktur neben dem Halbleiter-Baustein ausbildet. Analog hierzu ist es des Weiteren auch möglich, die erste Stufe neben dem Halbleiter-Baustein nicht als Graben, sondern als Wand beziehungsweise Umwandung auf der Oberfläche des Trägers auszubilden.
  • Zum Schutz und zur vereinfachten externen Kontaktierung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils kann generell auf alle gängigen Gehäusebauformen zurückgegriffen werden. Hierbei bietet es sich insbesondere an, das elektronische Bauteil durch ein QFN-Gehäuse (engl. QFN: Quad Flat No Leads Package) zu kapseln. In diesem Fall ist der Träger entsprechend als Leadframe auszugestalten. Auch derjenige Bereich des Gehäuses, durch den der Strahlengang des Radar-Signals verläuft (also derjenige Bereich oberhalb des Primärstrahlers, der senkrecht zur Oberfläche des Trägers bzw. Leadframes an den Primärstrahler anschließt), ist entsprechend transparent für das Radar-Signal auszulegen. Möglich wäre zu diesem Zweck, eine Aussparung in diesem Bereich vorzusehen und/oder ein entsprechend transparentes Gehäuse-Material in diesem Bereich zu verwenden. Anstelle eines QFN-Gehäuses ist es nicht ausgeschlossen, eine andere Gehäuseformen für elektronische Bauteile (z. B. DIL, SOP, SSOP, BGA) in Abhängigkeit des Einsatzzweckes des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils einzusetzen.
  • Das erfindungsgemäße elektronische Bauteil ermöglicht insbesondere die Realisierung eines Radar-basierten Distanzmessgerätes zur Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt. Aufgrund des elektrischen Bauteils zeichnet sich ein solches Distanzmessgerät somit durch eine Bündelung des Radar-Signals aus. Zum Einsatz als Distanzmessgerät sind im Halbleiter-Baustein folgende Blöcke zu implementieren:
    • - Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, um das auszusendende Radar-Signal zu erzeugen,
    • - einen derart ausgestalteten Primärstrahler, um das Radar-Signal in Richtung des Objektes auszusenden, und um das am Objekt reflektierte Radar-Signal zu empfangen, und
    • - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, um anhand des empfangenen Radar-Signals den Abstand zu bestimmen.
  • Durch diesen Aufbau kann bei entsprechender Auslegung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils ein Distanzmessgerät realisiert werden, dass gegebenenfalls ohne weitere bündelnde Maßnahmen betrieben werden kann. Falls in Abhängigkeit des Anwendungsgebietes des Distanzmessgerätes dennoch eine weitergehende Bündelung zweckdienlich ist, so könnte an dem elektronischen Bauteil eine entsprechende Linse, ein Hohlleiter und/oder eine Antenne in der Art angeordnet werden, um das ausgesendete Radar-Signal und das empfangenen Radar-Signals weiter zu bündeln. Hierzu kann beispielsweise eine Linse so in das Gehäuse des elektronischen Bauteils integriert werden, dass die Linse vor dem Primärstrahler des Halbleiter-Bausteins im Strahlengang des Radar-Signals angeordnet ist. Alternativ könnte die Linse natürlich auch entsprechend oberhalb des Gehäuses des elektronischen Bauteils angebracht sein.
  • Aufgrund der optimierten Bündelung des erfindungsgemäßen Distanzmessgerätes bietet es sich an, das Distanzmessgerät zur Bestimmung eines Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes einzusetzen. In diesem Fall ist das Distanzmessgerät so auszulegen und in einer vorbekannten Einbauhöhe am Behälter anzuordnen, um mittels des gemessenen Abstandes zur Füllgut-Oberfläche den Füllstand zu bestimmen. Auf Grundlage des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils kann somit ein sicheres, genaues und effizientes Füllstandsmessgerät realisiert werden.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren wird das erfindungsgemäße elektronische Bauteil näher erläutert. Es zeigt:
    • 1: ein elektronisches Bauteil nach dem Stand der Technik zum Aussenden/Empfangen von Radar-Signalen,
    • 2: ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauteil zum Aussenden und/oder Empfangen von Radar-Signalen,
    • 3 und 4: das erfindungsgemäße elektronische Bauteil in weiteren Ausgestaltungsvarianten, und
    • 5: eine mögliche Verwendung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils in einem Füllstandsmessgerät.
  • Zur Veranschaulichung der Erfindung ist in 1 ein nach dem Stand der Technik konzipiertes elektronisches Bauteil 1' gezeigt, dass zum Aussenden und zum Empfang von Radar-Signalen SHF , EHF , insbesondere bei oberhalb von 100 GHz dient: Kern des elektronischen Bauteils 1' ist ein Halbleiter-Baustein 2, der zum Aussenden und/oder Empfangen von Radar-Signalen SHF , EHF auf dessen Oberseite einen Primärstrahler 21 umfasst. Dabei bildet der Primärstrahler 21 eine planare Antennen-Struktur aus, beispielsweise Mäander-förmig, die entweder als monolithische Teilstruktur des Halbleiter-Bausteins 2 ausgebildet ist, oder als hybride Struktur auf dem Halbleiter-Baustein 2 angebracht wird (beispielsweise mittels mikromechanischen- oder sonstigen Back-end Verfahren). Alternativ zu der in 1 dargestellten Ausführungsvariante könnte der Halbleiter-Baustein 2 auch mit zwei Primärstrahlern 21 ausgelegt werden, die jeweils separat zum Senden bzw. Empfangen dienen.
  • Zur Erzeugung des Radar-Signals SHF sowie zum Empfang eines entsprechenden Radar-Signals EHF sind im Halbleiter-Baustein 2 standardmäßig folgende Funktionsblöcke implementiert:
    • - Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, um das auszusendende Radar-Signal zu erzeugen,
    • - der Primärstrahler, der das Radar-Signal in Richtung des Objektes aussendet und das am Objekt reflektierte Radar-Signal empfängt, sowie
    • - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, um anhand des empfangenen Radar-Signals den Abstand zu bestimmen.
  • Bei Anwendung des FMCW-Verfahrens kann die Signalerzeugungs-Einheit schaltungstechnisch beispielsweise realisiert werden, wie es beim FMCW-Verfahren aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist: Mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators (auch bekannt als „VCO - Voltage Controlled Oscillator“), der über einer PLL („Phase Locked Loop“) geregelt und durch einen Taktoszillator getaktet wird. Dabei wird der spannungsgesteuerte Oszillator so gesteuert, dass sich an dessen Ausgang ein Signal mit der bei FMCW typischen „sägezahnförmigen“ Frequenzänderung (also eine zeitlich lineare Änderung, die periodisch innerhalb des Frequenzbandes repetiert) einstellt. Dieses Signal wird (gegebenenfalls über einen entsprechenden Sende-Verstärker) entlang einer Sende-/Empfangsweiche dem Primärstrahler 31 zugeführt, so dass dieses Signal als Radar-Signal SHF ausgesendet wird.
  • Nach Reflektion an dem Objekt, dessen Abstand zu bestimmen ist, wird das Radar-Signal EHF in Abhängigkeit der Laufzeit (und somit in Abhängigkeit des Abstandes zum Objekt) vom Primärstrahler 21 wieder empfangen und über die Sende-/Empfangsweiche der Auswerte-Einheit zugeführt. Anstelle eines einzigen Primärstrahlers 21, über den sowohl gesendet als auch empfangen wird, wäre es natürlich auch denkbar, zwei separate Primärstrahler 21, die jeweils zum Senden und zum Empfangen dienen, auf dem Halbleiter-Baustein 21 zu implementieren. In diesem Fall wäre keine Sende-/Empfangsweiche erforderlich.
  • Auch die Auswerte-Einheit kann im Halbleiter-Baustein so konzipiert werden, wie es bei FMCW nach dem Stand der Technik üblich ist: Im Kern umfasst diese einen Mischer, der das empfangene Signal der Sende-/Empfangsweiche mit dem Signal mischt, welches auf Seiten der Signalerzeugungs-Einheit am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators anliegt. Durch das Mischen resultiert ein so genanntes Differenzsignal, dessen Frequenz sich linear mit dem zu messenden Abstand ändert. Durch einen entsprechenden Mess-Baustein zur Messung dieser Frequenz ist es der Auswerte-Einheit möglich, beispielsweise auf Basis digitaler Signalverarbeitung den Abstand zu bestimmen.
  • Rückseitig ist der Halbleiter-Baustein 2 auf einer planaren Oberfläche 31 eines Trägers 3 aufgebracht. Der Träger 3 fungiert dabei als Leadframe eines Gehäuses des elektronischen Bauteils 1'. Wie nach dem Stand der Technik üblich, ist der Halbleiter-Baustein 2 auf dem Träger 3 zum Beispiel mittels Chip-Bonden oder Kleben aufgebracht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die elektrische Kontaktierung des Halbleiter-Bausteins 2 zu den entsprechenden Kontaktflächen des Leadframes mittels Bonddrähten 4.
  • Aufgrund der planaren Auslegung und den kleinen Dimensionen des Primärstrahlers 21 im Bereich von maximal einigen hundert µm erstreckt sich dessen Strahlkegel nahezu in den kompletten Halbraum oberhalb des Trägers 3. Dabei bezieht sich der Begriff „Strahlkegel“ im Rahmen dieser Erfindung auf denjenigen vom Bündelungswinkel rotationssymmetrisch umschlossenen Kegel, entlang dessen Achse das Radar-Signal SHF mit der maximalen Leistung ausgesendet wird. Der Bündelungswinkel wiederum definiert sich über denjenigen Winkel, bei dem sich ausgehend von der Achse der Maximal-Leistung des ausgesendeten Radar-Signals dessen Leistung auf 50 % bzw. um -3 dB verringert hat. Aufgrund der allgemein reziproken Eigenschaften von Antennen bezüglich deren Richtwirkung, die gleichermaßen beim Senden und beim Empfangen vorherrscht (und somit auch der reziproken Eigenschaft des Primärstrahlers 21), entspricht dieser Strahlkegel des Primärstrahlers 21 auch der Richtwirkung beim Empfang des Radar-Signals EHF .
  • Ein erfindungsgemäßer elektronischer Baustein 1, der einen geringeren Bündelungswinkel, und damit verbunden einen in etwa senkrecht zur Oberfläche 31 ausgerichteten, verengten Strahlkegel zum Aussenden eines Radar-Signals SHF und/oder zum Empfang eines Radar-Signals EHF aufweist, ist in 2 dargestellt (dabei illustriert der reziproke Pfeil in 2 wiederum die Achse, entlang derer das Radar-Signal SHF mit der maximalen Leistung ausgesendet wird; dies entspricht somit die Achse des Strahlkegels).
  • Die Verengung des Strahlkegels, also die in etwa senkrecht zur Oberfläche 31 ausgerichtete Bündelung wird erfindungsgemäß durch eine Stufe 32a auf der Oberfläche 31 des Trägers 3 bewirkt.
  • Erfindungsgemäß gibt es mehrere Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Stufe 32a. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Stufe 32a so umgesetzt, dass sie den Halbleiter-Baustein 21 in Form eines Rechteckes komplett umschließt. Darüber hinaus steigt die Stufe 32a in Richtung des Halbleiter-Bausteins 21 hin an. Damit ergibt sich eine Sockel-förmige Anordnung des Halbleiter-Bausteins 21 auf der Oberfläche 31 des Trägers 3. Als alternative Realisierung der Stufe 32a wäre es auch denkbar, die Oberfläche 31 nicht Sockel-förmig auszulegen, sondern mit einer entsprechenden Vertiefung zu versehen, in der der Halbleiter-Baustein 2 angeordnet ist.
  • Der Grad der Bündelung wird nicht nur durch die Stufe 32a selbst, sondern auch maßgeblich von deren Dimensionierung beeinflusst. In diesem Zusammenhang ist es vorzuziehen, wenn die Stufe 31a einen minimalen Abstand zu dem Primärstrahler und eine Höhe aufweist, wobei der minimale Abstand und die Höhe in der Summe etwa einem Viertel der Wellenlänge des ausgesendeten Radar-Signals SHF , oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon entsprechen.
  • Eine zweite Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils ist in 3 abgebildet: Die hier dargestellte Ausführungsvariante unterschiedet sich von dem in 2 gezeigten elektrischen Bauteil 1 insofern, als dass die Stufe 32a keine gerade, sondern eine geriffelte Kontur aufweist. Anstelle einer Riffelung könnte die Stufe alternativ auch mit einer welligen Kontur versehen werden, um wie auch bei Riffelung eine erhöhte Bündelung zu erreichen.
  • 4 zeigt eine alternative Möglichkeit zur Ausgestaltung der Stufe 32b, bei der der Halbleiter-Baustein 2 nicht komplett durch die Stufe 32b umschlossen ist. In diesem Fall ist die Stufe 32b als Wand ausgestaltet, die den Halbleiter-Baustein 2 zu drei Seiten hin umwandet (denkbar wäre natürlich auch eine ein- oder zweiseitige Umwandung). Analog zu einer Umwandung wäre zur Bündelung auch eine entsprechende Grabenstruktur einsetzbar.
  • Darüber hinaus ist in 4 eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme zur Erhöhung der Bündelung dargestellt. Es handelt sich um eine zweiten Stufe 33, die in Bezug zum Halbleiter-Baustein 2 außerhalb der ersten Stufe 32b angeordnet ist. In diesem Fall ist die zweite Stufe 33 als zweite Wand ausgestaltet. Logischerweise ließe sich diese Maßnahme in Form einer dritten, vierten, usw. Stufe erweitern.
  • In 5 ist eine mögliche Verwendung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils 1 in einem Füllstandsmessgerät 11 gezeigt. Hierbei dient das Füllstandsmessgerät 11 zur Messung des Füllstandes L eines in einem Behälter 12 befindlichen Füllgutes 13. Dazu ist das Füllstandsmessgerät 11 in einer vorbekannten Einbauhöhe h oberhalb des Füllgutes 13 am Behälter 12 angebracht. Je nach Prozess-Anlage kann solch ein Behälter 12 bis zu mehr als 30 m hoch sein.
  • Das Füllstandsmessgerät 11 ist so am Behälter 2 konzipiert, dass das elektronische Bauteil 1 das Radar-Signal SHF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 13 aussendet. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 11 bzw. das elektronische Bauteil 1 das reflektierte Radar-Signal EHF in Abhängigkeit des Abstandes d = h - L zur Füllgut-Oberfläche. Da die Einbauhöhe h bekannt ist, lässt sich mittels der obigen Formel anhand des gemessenen Abstandes d der Füllstand L bestimmen. Bei Implementierung des Puls-Laufzeit Verfahrens wird der Abstand d auf Basis der gemessenen Laufzeit t des ausgesendeten, pulsförmigen Radar-Signals SHF berechnet. Im Falle des FMCW-Verfahrens wird der Abstand d über die momentane Frequenzdifferenz zwischen dem ausgesendeten, frequenzmodulierten Radar-Signal SHF und dem empfangenen, reflektierten Radar-Signal EHF ermittelt.
  • In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 11 über ein Bussystem, etwa „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 14, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 11 kommuniziert werden. Es können auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls die am Behälter vorhandenen Zu- oder Abflüsse zu steuern. Durch die Ausstattung des Füllstandsmessgerätes 11 mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Bauteil 1 kann sowohl das ausgesendete Radar-Signal SHF als auch das empfangene Radar-Signal EHF gebündelt werden, so dass am Füllstandsmessgerät 11 gegebenenfalls keine weiteren Maßnahmen zur Bündelung erforderlich sind. Bei entsprechender Auslegung kann durch die Bündelung erreicht werden, dass das ausgesendete Radar-Signal SHF nur an der Oberfläche des Füllgutes 13 reflektiert wird. Hierdurch können etwaige Einbauten außerhalb des vom Bündelungswinkel umschlossenen Strahlkegels nicht zu Störreflektionen führen. Darüber hinaus kann das Füllstandsmessgerät 11 durch die erhöhte Bündelung leistungsoptimiert betrieben werden, wodurch unter anderem das Einhalten von Explosionsschutz-Maßnahmen (im europäischen Raum ist für Füllstandsmessgeräte bezüglich Explosionsschutz die Normenreihe EN 600/79 geltend) vereinfacht wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Elektronisches Bauteil
    2
    Halbleiter-Baustein
    3
    Träger
    4
    Bonddraht
    11
    Distanzmessgerät
    12
    Behälter
    13
    Füllgut
    14
    Übergeordnete Einheit
    21
    Primärstrahler
    31
    Oberfläche
    32a
    Sockel
    32b
    Wand
    33
    Zweite Stufe
    d
    Abstand
    EHF
    Reflektiertes Radar-Signal
    h
    Einbauhöhe
    L
    Füllstand
    SHF
    Radar-Signal
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015119690 A1 [0006]

Claims (16)

  1. Elektronisches Bauteil zum Aussenden und/oder Empfangen eines Radar-Signals (SHF, EHF), umfassend: - Einen Halbleiter-Baustein (2), der ausgestaltet ist, um das Radar-Signal (SHF, EHF) mittels eines Primärstrahlers (21) auszusenden und/oder zu empfangen, - einen Träger (3) mit einer Oberfläche (31), wobei der Halbleiter-Baustein (2) zur elektrischen Kontaktierung auf der Oberfläche (31) des Trägers (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (31) des Trägers (3) zumindest eine derart ausgestaltete erste Stufe (32a,b) aufweist, um das Radar-Signal (SHF, EHF) beim Aussenden und/oder Empfangen in etwa senkrecht zur Oberfläche (31) des Trägers (3) zu bündeln.
  2. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter-Baustein (2) ausgestaltet ist, um das auszusendende Radar-Signal (SHF) mit einer Frequenz von mehr als 100 GHz, insbesondere mehr als 150 GHz zu erzeugen.
  3. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (31) des Trägers (3) zur Bündelung des Radar-Signals (SHF, EHF) zumindest im Bereich der ersten Stufe (32a,b) elektrisch leitfähig ist.
  4. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe (32a,b) eine den Halbleiter-Baustein (2) umschließende Kontur, insbesondere eine rund oder rechteckig umschließende Kontur, aufweist.
  5. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der ersten Stufe (32a) zumindest teilweise geriffelt oder wellig ausgestaltet ist.
  6. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe (32a,b) eine Vertiefung der Oberfläche (31) des Trägers (3) ausbildet, wobei der Halbleiter-Baustein (2) innerhalb der Vertiefung angeordnet ist.
  7. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe (32a,b) die Oberfläche (31) des Trägers (3) sockelförmig ausbildet, wobei der Halbleiter-Baustein (2) auf dem Sockel (32a) angeordnet ist.
  8. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe (32) auf der Oberfläche (31) des Trägers (3) eine Grabenstruktur neben dem Halbleiter-Baustein (2) ausbildet.
  9. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe (32) neben dem Halbleiter-Baustein (2) eine Wand (32b) auf der Oberfläche (31) des Trägers (3) ausbildet.
  10. Elektronisches Bauteil nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil eine zweite Stufe (33), die in Bezug zum Halbleiter-Bauteil (2) außerhalb der ersten Stufe (32a,b) angeordnet ist, umfasst.
  11. Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe (31a,b) einen minimalen Abstand zu dem Primärstrahler und eine Höhe aufweist, die in Summe in etwa einem Viertel der Wellenlänge des ausgesendeten Radar-Signals (SHF), oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon entsprechen.
  12. Elektronisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil durch ein Gehäuse, insbesondere ein QFN-Gehäuse gekapselt ist, wobei der Träger (3) als Leadframe ausgestaltet ist.
  13. Elektronisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest erste Stufe (32a,b) und/oder die zweite Stufe (33) derart ausgestaltet sind/ist, um das Radar-Signal (SHF, EHF) beim Aussenden und/oder Empfangen in einem Winkel von maximal 60°, insbesondere weniger als 40° zu bündeln.
  14. Radar-basiertes Distanzmessgerät (11) zur Bestimmung eines Abstandes (d) zu einem Objekt (14), mit: - einem elektronischen Bauteil (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiter-Baustein (2) umfasst: ◯ eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, um das auszusendende Radar-Signal (SHF) zu erzeugen, ◯ einen derart ausgestalteten Primärstrahler (21), um das Radar-Signal (SHF) in Richtung des Objektes (14) auszusenden, und um das am Objekt (14) reflektierte Radar-Signal (EHF) zu empfangen, ◯ eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, um anhand des empfangenen Radar-Signals (EHF) den Abstand (d) zu bestimmen.
  15. Radar-basiertes Distanzmessgerät (11) nach Anspruch 14, wobei an dem elektronischen Bauteil (1) eine Linse, ein Hohlleiter und/oder eine Antenne derart angeordnet sind/ist, um das ausgesendete Radar-Signal (SHF) und das empfangenen Radar-Signals (SHF, EHF) weiter zu bündeln.
  16. Verwendung des Radar-basierten Distanzmessgerätes (11) nach Anspruch 14 oder 15 zur Bestimmung eines Füllstandes (L) eines in einem Behälter (12) befindlichen Füllgutes (13), wobei das Distanzmessgerät (11) so ausgelegt und in einer vorbekannten Einbauhöhe (h) am Behälter (12) angeordnet ist, um mittels des gemessenen Abstandes (d) zur Oberfläche des Füllgutes (13) den Füllstand (L) zu bestimmen.
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