Besonderheiten bei der Simulation von Systemen zur optischen Entfernungs- und Sichtweitemessung

Transkript

1 Besonderheiten bei der Simulation von Systemen zur optischen Entfernungs- und Sichtweitemessung Jünemann, O. Reimann, P. Becker, J. Haase, J. Schwarz, P. Jenoptik Laser, Optik, Systeme GmbH Jena Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen, Außenstelle EAS Dresden EIWOS Statusseminar 30. Oktober 2003 Folien-Nr.: 1

2 Besonderheiten bei der Simulation von Systemen zur optischen Entfernungs- und Sichtweitemessung Systemkonzeption Applikation Spezifikation Parametrisierung und Rückstreumessungen Technologie-Roadmap Modellierung und Simulation heterogener Komponenten Rauschen von Fotodioden Lebensdauer hochbelasteter Bauelemente Funktionsmuster und Meßergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Folien-Nr.: 2

3 Systemkonzeption Folien-Nr.: 3

4 Applikation L I D A R LIght Detection And Ranging + spektroskopische Auswertung Straßenverkehr Abstand Sichtweite Fahrzeugklassifikation Geschwindigkeit Maschinenbau Distanz Temperatur Farbe LWL-Technologie Umwelttechnik Düngezustand Reifezustand Bodenbelastung Messverfahren: Gemeinsame Baugruppen: Ziel: Laufzeit, OTDR, Raman-Shift, Fluoreszenz Optische Strecke, Laserelektronik, Empfängerelektronik Miniaturisierung, wirtschaftliche Herstellung Folien-Nr.: 4

5 Spezifikation Wirtschaftlichkeit Marktakzeptanz Stückzahlen Herstellkosten Alleinstellungsmerkmale Betriebliche Voraussetzungen spezifisches Wissen und Erfahrungen technische Grundlagen Simulationsmodelle Normen, Festlegungen Miniaturisierungstechniken Bauelemente-Bauformen Leiterplatten-Technologien Verbindungstechnik Klebetechnik Justiertechnologie Physikalisch-technische Kennwerte optoelektronische Parameter EMV Interface Lebensdauer Folien-Nr.: 5

6 Parametrisierung System Reichweite (10 2 m) Messgenauigkeit (10-3 m) spektraler Messbereich (NIR) Umgebungseinflüsse (Wetter) Laser Impulsenergie (10-7 Ws) Impulsform (10-9 s) optische Wellenlänge (NIR) Laserdivergenz (mrad) Laserapertur (cm) Laserklassifikation (EN , Laser Klasse 1) optische Umgebung Solarbestrahlung (Tageszeit) atmosphärische Dämpfung (Nebel) Objektreflektivität (Farbe) Messentfernung (10 2 m) Empfänger Signal/Rausch-Verhältnis Signaldynamik (10 9 ) Umgebungsleistung (10-7 W) Empfängerdivergenz (mrad) Empfängerapertur (cm) Signalbandbreite (10 8 Hz) Folien-Nr.: 6

7 Rückstreumessungen Oszillogramm am Verstärkerausgang Folien-Nr.: 7

8 Technologie-Roadmap Herstellkosten Stückzahl Miniaturisierung Leiterplattentechnologie Anzahl Lagen Leiterbahnbreite / -abstand passive Bauelemente Bauform Steckverbinder / Kontakte aktive Bauelemente QFP / Kontakte BGA/CSP FC ASIC ,2 mm N N ,1 mm /280 J J (mixed) integrierte Optik N Folien-Nr.: 8 J

9 Modellierung Pspice-Modelle Avalanche-Fotodioden: AD 230 (Silicon Sensor) AD (Silicon Sensor) C 30902E (Perkin Elmer) Impuls-Laserdioden: PGAU 3S09 (Perkin Elmer) SPL PL 90_3 (OSRAM) Avalanche-Transistor: ZTX 415 (ZETEX) Optische Strecke: Rauschquelle: Abschirmung: Attribute (Distanz, Imp.breite, Refl.faktor) in Arbeit in Arbeit Folien-Nr.: 9

10 Simulation Ausgewählte elektronische und heterogene Baugruppen PC Herstellermodelle, Heterog. Modelle, Pspice-Simulation Vergleich mit physik. techn. Vorgaben lt. Pflichtenheft, Optimierung Maximierung Reichweite und Genauigkeit unter Beachtung der Augensicherheit Minimierung Masse, Volumen, Verlustleistung, BE-Kosten Erhöhung der Effektivität in Produktkonzeption Entwicklung Fertigungsbetreuung Kundenberatung Dokumentation Folien-Nr.: 10

11 Impulslaser Gehäusetemperatur Optischer Ausgang optische Impulsleistung P opt = 85 W Laserimpuls Halbwertsbreite t H = 6 ns Impulsbreite Impulshöhe Leistungsrauschen Augensicherheit Lebensdauer Folien-Nr.: 11

12 APD-Empfänger Stable for G > 12 V x B = 3,8 GHz Vnoise = 0,95 nv/hz 1/2 Slew Rate = 900 V/µs Spannung am Ausgang des TIA Abtastung und Auswertung der Form des Rückstreusignals Verzerrung Überschwingen Dynamik Rauschen Folien-Nr.: 12

13 Optische Strecke optische Leistung aus der Impulslaserdiode optische Leistung auf die APD Pin = 100W tr = 1ns tf = 1ns th = 10ns Dist = 10 Wide1 = 100 Refl1 = 0,00001 Dist2 = 50 Refl2 = 0, Transmission der opt. Elemente Transmission, Absorption und Rückstreuung der Atmosphäre Folien-Nr.: 13

14 Heterogene Komponenten Laserimpuls Optische Leistung auf der APD Spannung am TIA-Ausgang Rauschreduktion A/D-Anpassung Folien-Nr.: 14

15 Signal/Rausch-Verhältnis für Impulsdetektion Rauschquellen APD TP S/N Multiplikationsrauschen Dunkelstromrauschen Gleichlichtrauschen Thermisches Rauschen Verstärkerrauschen PIN M SNR APD / SNR Pin < 5 (InGaAs( InGaAs) SNR APD / SNR Pin < 16 (Si) TP S/N Parametrisierung Optischer Impuls: Optik: Fotodiode: TIA Impulsbreite Impulsleistung Empfängerapertur, Transmission, Wellenlänge Konstruktion, Material Dunkelstrom Rauschfaktor APD Multiplikation APD Rückführwiderstand Eingangskapazität Bandbreite Rauschfaktor Folien-Nr.: 15

16 MTBF Avalanche-Transistor Impulsstrom Kennwerte des Pulsers Impulsstrom i Puls = 70 A Impulsbreite t Puls = 10ns Impulsfrequenz f Puls = 10kHz Impulszahl / Jahr N = 3, Folien-Nr.: 16

17 MTBF Impuls-Laserdiode Stacklänge, µm L = 230 Anzahl der Stacks N = 3 Impulslaserdiode PGAU 3S09 (PerkinElmer) Impulshalbwertsbreite, ns t h =10 Impulsfrequenz, khz f laser =10 Laserleistung, mw P laser1 = P laser2 = Folien-Nr.: 17

18 Funktionsmuster APD-Empfänger Impulslaser ferromagnetische Abschirmung optische Öffnung mit entspiegeltem Fenster, Interferenzfilter, Faserkopplung integrierter Hochspannungsgenerator im synchronisierten Betrieb Folien-Nr.: 18

19 Messungen Hochspannungserzeugung Laserimpuls U lade = 230 V, t lade = 200 µs (5 khz) Hochspannungsentladung t H ca. 6 ns, P imp ca.70 W Empfängersignal U lade = 230 V, t entl < 10 ns gutes S/N, gute Abschirmung Folien-Nr.: 19

20 Zusammenfassung und Ausblick KMU : Umsatzzuwachs geeignete Modularisierung von Baugruppen Einsatz von Mikrosystemtechniken verstärkter CAD-Einsatz schnelle Reaktion auf Marktbedarf EIWOS : neue CAD-Methoden und Technologien der Mikrosystemtechnik neue Designmethoden u. -mittel Miniaturisierung Verbesserung der Kennwerte Verkürzung der Entwicklungszeit Erhöhung der Designeffektivität Folien-Nr.: 20