Un radar que cabe en una uña… y económico

nvestigadores financiados por la Unión Europea han miniaturizado la tecnología de radar hasta hacerla caber en un chip de bajo coste y del tamaño de una uña. Este adelanto podría dar paso a una serie de aplicaciones para la detección de distancias y movimiento. Este dispositivo innovador podría ser utilizado en la industria de la automoción y en aparatos móviles, robótica y otros ámbitos.

Desarrollado como parte del proyecto «Silicon-based ultra-compact cost-efficient system design for mm-wave sensors», ( Success), este dispositivo es el paquete de «sistema en chip» (system-on-chip, SoC) de silicio más completo para radar. Funciona a frecuencias superiores a 100 GHz. 

«Hasta donde sé, este es el sistema completo de radar más pequeño del mundo», aseguró el profesor Christoph Scheytt, coordinador del proyecto en nombre de IHP en Frankfurt, Alemania. «Hay otros chips que funcionan a frecuencias superiores a los 100 GHz para detección por radar, pero este sistema posee el grado más alto de integración jamás logrado en silicio.» 

El chip, de apenas 8 mm por 8 mm, supone la culminación de tres años de investigación por parte de nueve entidades académicas e industriales de toda Europa financiadas por 3 millones de euros otorgados por la Comisión Europea. El equipo se valió su pericia en todas las etapas de la cadena de desarrollo microelectrónico para desarrollar una tecnología revolucionaria que podría aprovecharse en aplicaciones comerciales en un futuro cercano. 

El chip opera a una frecuencia de 120 GHz (es decir, a una longitud de onda de aproximadamente 2,5 mm) y usa el tiempo de propagación de las ondas para calcular la distancia a un objeto (hasta un máximo de unos tres metros) con un margen de error de menos de un milímetro. También puede detectar objetos en movimiento y calcular su velocidad por medio del efecto Doppler. 

Desde el punto de vista comercial, la tecnología también es sumamente económica. Los socios del proyecto calculan que, de ser fabricado a escala industrial, cada radar en miniatura costaría alrededor de un euro. 

Esto les permitiría reemplazar los sensores de ultrasonido usados en la actualidad para detectar objetos y peatones desde vehículos, para sistemas automáticos de control para puertas, para medir vibraciones y distancias dentro de máquinas, para aplicaciones en robótica y para muchos otros usos. Podría integrarse incluso en teléfonos móviles. 

El desarrollo del sistema de radar miniaturizado obligó al equipo a superar diversos desafíos técnicos, entre ellos integrar y garantizar la fiabilidad de la diminuta antena. 

«En esta área, el tamaño importa mucho», apuntó el profesor Scheytt. «El principal motivo para emplear frecuencias altas en vez de bajas es que es posible usar antenas más pequeñas.» 

Las radios de FM tienen antenas de más o menos un metro de largo, mientras que las de los enrutadores de Wi-Fi miden unos 10 cm. A frecuencias de entre 30 y 300 GHz (con longitudes de onda correspondientes del orden de milímetros) las antenas también pueden tener una longitud de milímetros. Dada la miniaturización creciente de los aparatos modernos —de teléfonos móviles a componentes de robótica— es muy ventajoso trabajar en este rango de tamaños. 

Un sustrato novedoso para resolver problemas de atenuación 

Sin embargo, a altas frecuencias se presentan problemas graves debidos a la radiación electromagnética indeseada y a la elevada atenuación. «A medida que aumenta la frecuencia, aumenta la radiación por parte de los alambres. Fue todo un desafío modelar esta interfase», reconoció el coordinador del proyecto. 

Para encarar el problema el equipo de Success modeló el sistema con precisión, empleó una técnica novedosa para integrar la antena y para construirla usó un sustrato de poliamida. 

«Los socios del proyecto investigaron y probaron varios sustratos distintos para la antena con el fin de encontrar aquel que sufriera las menores pérdidas. Luego usaron una técnica para imprimir la antena en el sustrato y conectarla con bornes de soldadura», explicó el profesor Scheytt. «La antena misma es plana, es decir, está tendida en la cara superior del chip. Los demás sistemas de onda milimétrica tienen tecnologías de ensamblado que normalmente involucran antenas voluminosas y conductores tubulares. El nuestro tiene la ventaja de que el sistema ensamblado ocupa mucho menos espacio.» 

Otra dificultad que conllevan los dispositivos de alta frecuencia consiste en probar que efectivamente hacen aquello para lo que fueron diseñados. Actualmente las técnicas de ensayo son caras y no son aptas para las pruebas a gran escala que hay que realizar si se pretende fabricar los dispositivos con fines comerciales. Para subsanar este problema el equipo de Success decidió incluir mecanismos automáticos de autoprueba en el chip. 

«Los mecanismos de autoprueba son comunes en chips de teléfonos móviles que funcionan a frecuencias mucho más bajas. Hasta ahora nadie había intentado integrarlos en chips de onda milimétrica», informó el profesor Scheytt. «Nuestros socios industriales hicieron mucho hincapié en este aspecto, ya que no tiene sentido desarrollar un chip cuya producción cuesta un euro y luego gastar entre 30 y 40 euros probándolo.» 

Los mecanismos de autoprueba permiten a los técnicos verificar fácilmente y a bajo coste si la antena está bien conectada y si el dispositivo tiene la potencia de transmisión adecuada y opera en el rango correcto de frecuencias. Además, al no haber una interfase de radiofrecuencia, resulta más fácil y económico integrar el dispositivo en una placa de circuito impreso. 

«Todos los circuitos de alta frecuencia están incluidos en el sistema, y por eso solo es necesario trabajar con interfases de baja frecuencia», apuntó el profesor Scheytt. 

Éste añadió que cualquier técnico o ingeniero puede emplear el chip igual a como instalaría un microcontrolador o un sensor ultrasónico, ya que está construido con tecnología de montaje superficial estándar. 

«El usuario puede soldar el chip en sus placas de circuitos estándar y recibir señales de baja frecuencia que se pueden procesar sin dificultad», explicó el profesor Thomas Zwick, del IHE del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), uno de los socios del proyecto. 

Los distintos socios del consorcio Success buscan ahora la manera de emplear la tecnología comercialmente. Por ejemplo, Bosch está investigando la posibilidad de usar el dispositivo tras ver el potencial que podría tener un radar económico de alta frecuencia. También se espera que otros socios, como Silicon Radar en Alemania, Selmic en Finlandia y Hightec en Suiza también incorporen los resultados de Success a sus procesos industriales.