CN1552175A - 电磁干扰空气过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电磁干扰过滤器和衬垫。在一个示例性的实施例中，该过滤器和衬垫由孔密度在每英寸10孔和每英寸40孔(PPI)之间的导电涂覆的网状泡沫塑料制成。该过滤器能够用来覆盖电器外壳的通风口，以屏蔽电子元件、电子设备、电子器件，使之不受EMI、电子静电荷(ESD)、和射频干扰(RFI)的影响，同时仍然提供足够的气流进入该系统并冷却该系统。该过滤器材料有助于防止灰尘、脏物进入外壳。本发明的过滤器合适于导电地桥接电器外壳的配合表面之间的间隙。制造过滤器的网状泡沫在低压力下具有良好的可压缩性(一般为原厚度的20％－50％)，同时很容易从压力载荷下恢复而没有明显的压缩形变(永久变形)。

Description

电磁干扰空气过滤器
相关申请的交叉引用
本申请根据37C.F.R.§1.78，要求2001年9月4日提交的名称为“EMI Gasketing Material Using Conductive Coating”的美国临时申请第60/316,822号和2001年12月13日提交的名称为“EMI GasketingMaterial Using Conductive Coatings on Reticulated in Combination withMetalized Plastic layers”的美国临时申请第60/339,237号的权益。
背景技术
电磁(EMI)干扰过滤器通常见于个人计算机、网络设备、移动电话和其他类似电子器件。这些EMI过滤器还可以用作用于安放印刷电路板(PCB)或类似器件的外壳的配合部件之间的导电接地接口。这种做法是所希望的，因在PCB上的电子器件或类似的器件既发射电磁干扰(EMI)、电子静电放电(ESD)、和射频干扰(RFI)又对这些很敏感。电子系统和相应的外壳的适当结构既使系统辐射最小又保护系统免受外部器件所产生的外部噪声的干扰，使所有器件基本相互接近以具有所想要的功能。
适当设计的电器外壳通常通过围绕电子系统提供连续的导电屏障从而形成通常所说的“法拉第笼”。法拉第笼的原理是这样一个概念，即连续的导电外壳或者反射入射的辐射或者将电干扰传输到地，使之产生较少的辐射问题。
这种外壳性能降低的一种方式是由于通风所需要的孔，或在制造过程中在构成该外壳的金属化部件的配合表面之间不经意地产生的间隙。由于这些孔和间隙形成能够通过辐射或进入系统的开口，因而能够减少外壳的屏蔽效果。这些间隙或开口通过用作能够有助于发射辐射的缝隙天线甚至能够增强EMI辐射。此外，这些间隙是接地中断的原因，从而减少外壳的EMI反射和吸收性能。
为了解决这种EMI/RFI问题，已经提出若干种产品。美国专利第6,384,325号提出用蜂窝状结构作为波导以防止EMI进出外壳。另外一些提出在外壳配合部件之间装密封衬垫的方案，密封衬垫利用涂覆有导电金属丝网或外层护套的不同形状和大小的弹性芯(美国专利第5,902,956号)。通常还用一种主要由用导电填料填充的弹性树脂组成的“形成在位”的衬垫(美国专利第6,096,413号和5,641,438号)。
虽然上面提出的方法相当有效，但他们有各种缺点。蜂窝状EMI过滤器通常非常厚，既不可压缩又在压缩载荷下不能恢复原状。此外这种蜂窝状结构相当重。由于现在的电器外壳变得很小很轻，不能适应复杂形状的厚重的EMI过滤器限制了这些类型过滤器的合适应用场合。
屏蔽的弹性芯EMI衬垫通常用不导电的泡沫弹性体热塑塑料，例如聚乙烯、聚丙烯、丁二烯、苯乙烯-丁二烯或类似材料制成线性形式。这些弹性芯可以成形在或者模制在导电网格或护套的里面。可选地，这些弹性芯在模制或成形工艺之后被包裹成类似形式的网格、护套或薄片。偶尔，粘结剂用作芯与网格之间的结合剂。网格或护套通常由普通的金属，例如铜、铝、锡、金、银、镍或类似合金全部制成。此外，通过在普通的导电金属内涂覆或电镀诸如尼龙、聚酯、聚乙烯的合成纤维、棉、毛等制成复合纤维网格或护套。
这种类型的线性衬垫当用于具有不规则的或非线性的外形外壳时不受其机械和电连接的限制。为了配合外壳的不规则外形或将被密封的边界界面，这种线性衬垫经常被切断以便于将衬垫固定于外壳。切断或切割覆盖的衬垫具有不利的影响。通常，在切割时衬垫的网格或护套部分的端部容易磨损或散开，因而损害衬垫的导电性并且导电材料的碎片或粉末可能存积在系统中有可能引起系统短路。当使用粘结剂时，粘结剂具有用不导电的粘结剂覆盖导电网格纤维的可能。由于绝缘其导电性而引起接地装置中断，往往会减小网格纤维的屏蔽效果。
形成在位的衬垫通常包括泡沫凝胶式的或非泡沫式弹性体树脂，例如硅酮聚氨脂或其他类似聚合物，并用作导电填充物的载体。填充树脂衬入在外壳的一个或多个配合表面以提供EMI屏蔽衬垫。可选地，非填充的弹性体树脂可以被衬入外壳，然后涂以导电的外层，例如银或其他类似合金。虽然这些类型的衬垫相当普遍并且利用合适的机械设备可施加给大多数外形和配合表面形状，但他们具有某些缺点。形成在位的衬垫仅仅部分地用导电材料填充并且不是100％的导电材料。因此，这些衬垫在配合外壳表面之间通常需要很大压力，以确保与包含在弹性体树脂内的导电颗粒足够的接地接触。由于当今的电器外壳变得越来越小并且其壁厚逐渐变薄，要达到必需的压力而不使外壳变形或不损坏外壳变得越来越困难。此外，由于参杂导电颗粒，弹性体树脂的弹性压缩恢复性质被减小，因此，如果为了重新工作和维修必须利用内部电器，打开和关闭外壳的能力减小。
为了解决上述方法中的某些缺点，Clupper等人的美国专利第6309724号提出使用孔密度在80-240PPI范围内的金属化网状及弹性泡沫塑料。Clupper等人利用对压缩形变的改进的刚性和弹性，及改进的导电性作为利用高孔密度材料的理由。
然而，业已发现高泡沫孔密度降低屏蔽EMI的屏蔽效果。这很可能是由于高孔密度阻止了过滤器贯穿整个泡沫厚度的完全金属化。结果过滤器在整个厚度具有较差的三维或“XYZ”一致导电性。因此，EMI屏蔽具有这种趋势，即只有外表面具有导电性，中心没有导电性。因此，对金属化的高密度网状泡沫塑料的任何在后处理(冲切、剪切)将进一步暴露非金属化的内部区域并可能进一步减少屏蔽效果。
为此，需要一种改进方法和EMI过滤器。
发明内容
本发明的方法提供一种改进的EMI/RFI空气过滤器和衬垫。本发明利用在整个过滤器厚度都完全金属化的可压缩网状泡沫塑料或类似弹性体材料所构成的导电EMI/RFI空气过滤器，避免了现有技术的缺点。
一方面，本发明提供一种EMI/RFI空气过滤器。该EMI/RFI空气过滤器包括具有开孔骨架结构和孔密度在每英寸10孔到每英寸40孔之间的基体。导电金属涂层可以穿过基片的开孔骨架结构沉积在基体上，以保持整个基体的导电连续性。
在本发明的示例性的EMI/RFI空气过滤器中，弹性体基体(例如，网状聚氨脂泡沫塑料、聚乙烯胺、聚丙烯、聚氯乙烯、醚型聚亚胺酯、聚酰胺、聚丁二烯、硅树脂或类似弹性体材料)被金属化而不用任何中间的或增进粘结的步骤。然而，在本发明另外的EMI过滤器中，可以引进各种中间步骤以在金属化之前对基体提供粘结增进层。
整个开孔结构上的金属涂层对整个过滤器提供导电连续性并在100MHz和1GHz的整个频率范围内能够提供至少50dB的衰减。通常衰减范围在50dB和90dB之间。
另一方面，本发明提供过滤空气和EMI/RFI的方法。该方法包括提供包含具有每英寸10孔到每英寸40孔之间的孔密度的骨架结构的开孔基体。导电金属涂层沉积在整个开孔骨架结构上。该金属化的基体放置在通风孔附近以过滤来自气流中的碎屑并过滤EMI/RFI。
在又一方面，本发明提供导电的EMI/RFI衬垫。该衬垫包括具有开孔骨架结构和孔密度在每英寸10孔到每英寸40孔之间的可压缩的基体。导电金属涂层沉积在该基体的整个开孔骨架结构上，使得导电金属涂层在压力作用下时在整个基体上保持电连续性。
本发明的EMI衬垫能够导电地桥接电器外壳配合部件之间的间隙。用来制造该衬垫的网状泡沫和弹性体材料在低压力作用下能够很好地变形(一般高为原厚度的20％-50％)，同时很容易从压力载荷下恢复而没有明显的压缩形变(永久变形)。
由于整个开孔结构的连续导电性，EMI/RFI空气过滤器能够被冲切(金属化之前或之后)以便与两个本体之间的间隙相一致。
在另一方面，本发明提供一种EMI/RFI屏蔽方法。该方法包括提供包含具有每英寸10孔到每英寸40孔之间的孔密度的骨架结构的可压缩的开孔基体。导电金属涂层沉积在整个开孔骨架结构上以便在整个基体上提供连续的导电性。该金属化的基体然后放置在两个本体之间以便密封两个本体配合部件之间的间隙。
参考本说明书的其余部分和附图，对本发明的性质和优点的进一步理解将更加清楚。
附图说明
图1示出本发明的网状弹性体泡沫塑料基体和金属化的网状弹性体泡沫基体；
图2是具有40PPI孔率的金属化网状泡沫(左)和具有10PPI孔率的金属化网状泡沫(右)的透视图；
图3示出一个应用例子，其中金属化过滤器被用于覆盖外壳门的通风孔；
图4示出一个应用例子，其中金属化过滤器被用于桥接外壳门和外壳机壳的配合表面之间的间隙；
图5A和5B分别是测试本发明示例性的EMI/RFI空气过滤器和EMI/RFI衬垫的数据的屏蔽效果曲线图；
图6是本发明的气流性质的曲线图。
具体实施方式
图1示出泡沫基体10(金属化之前)和金属化泡沫基体20。本发明的泡沫基体10可以是网状泡沫塑料或其他具有开孔骨架结构的类似材料。能够用作基体的一些示例性材料包括但不限于网状的聚亚胺酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、醚型聚亚胺酯、聚酰胺、聚丁二烯或硅树脂。
泡沫基体可以按配方制造成具有很宽范围的孔隙率(用每英寸的孔数表示(PPI))。在本发明中，泡沫基体的孔隙率通常在10PPI和60PPI之间变化，并且优选大约在10PPI和40PPI之间。然而，应当明白，本发明不限于这种孔隙率范围，并且本发明可以利用具有低孔隙率或高孔隙率的泡沫。图2是具有孔隙率为40PPI的金属化网状泡沫基体30的可视图像和具有孔隙率为10PPI的网状泡沫基体40的视图。
泡沫基体10材料的金属化方法可以通过不同技术进行，包括但不限于真空沉积、热蒸汽沉积、电镀、溅射等。金属涂层一般由铝、镍-铬和/或其他类似合金构成。然而，应当理解，如果希望的话其他导电金属，例如铜、镍、锡、金、银、钴和其他金属也可以被沉积在基体上。
在一个示例型实施例中，金属涂层被沉积在基体的整个三维厚度或XYZ厚度上以便基本上涂覆泡沫基体10的开孔结构的整个点阵。优选金属涂层以薄层形式沉积在基体的整个点阵上，其厚度为大约1微米到50微米。
但是，在另一个实施例中，不是在基体的整个XYZ厚度进行金属化，可以仅仅在基体的外表面进行金属化或仅仅在基体的内部和外部进行金属化。
应当注意，用于本发明的一些弹性体基体，在真空中可能充分地排气而足以干涉金属化过程。对于这种情况，在沉积金属层之前，基体片可以用固有导电的聚合物(ICP)涂覆，以减少排气以便产生足够的金属化。
图2示出了具有孔隙在10PPI和40PPI的样品之间的孔大小的变化。能够完全金属化的泡沫塑料的厚度主要取决于泡沫基体的孔隙率。每英寸具有较少孔的基体一般包含较大的孔。大孔形成金属颗粒进入的大开口并允许对泡沫塑料涂覆较大的厚度。较大的厚度提供坚固的空气过滤器，因而提供较好的EMI/RFI屏蔽。
具有大约10PPI和40PPI之间的孔隙率的基体通常具有大约0.500英寸和0.125英寸之间的厚度。相反，每英寸具有更多数目的孔(大于40PPI)的样品包含较小的孔，因此限制了金属颗粒进入泡沫塑料的能力，减少成功地全部涂覆上的金属厚度。
为了改善基体中心的金属化，基体可以在金属化时机械地拉伸以便孔被拉长，使金属材料能够更容易沉积在全部泡沫塑料上。此外，为了改善较大孔隙率材料的XYZ导电性，可以用导电的基础泡沫塑料(利用对诸如石墨粉、镍薄片或镍颗粒的微粒加载的早期处理)。
本发明的过滤器通过在金属化前或金属化后进行冲切、剪切或其他类似的方法很容易制造成所希望的形状。这种柔性使本发明能够适合于覆盖外壳上的开口并沿电器外壳的配合表面密封间隙。
图3示出一个例子，其中，本发明的过滤器能够覆盖通常形成在电器外壳门60上的必须的通风口50。通风扇70或其他通风装置然后可以安放在该过滤器之上以将空气经过该过滤器排出或吸进电器外壳。具有导电涂层的泡沫基体特别适合EMI/RFI过滤和外壳密封的目的，以及从进入外壳中的空气或存在于外壳中的空气中过滤出潜在的有害碎屑。在这种应用中，如果空气过滤器20太薄，通过该过滤器的连续空气流可能不利地影响空气过滤器的整体性并产生间隙，该间隙可能起到EMI/RFI的缝隙天线的作用。
除了用金属化泡沫基体作为EMI/RFI空气过滤器20之外，本发明可以被用作EMI衬垫80。图4示出一个例子，关于本发明的装置如何能够用于密封外壳配合部件之间的间隙。金属化的衬垫可以被切割成(金属化之前或之后)适合于外壳门60的内边缘。在门60关闭时外壳体90然后被压贴在该过滤器80上。闭合力将压紧过滤器80，使它与可能出现在任一个配合表面的任何不平整表面相符，并在两个表面之间提供可靠且导电的EMI密封。网状泡沫在低压力下具有良好的可压缩性，同时从压缩载荷下很容易回复而不会留下明显的压缩形变(永久变形)或使过滤器层分离。通常希望过滤器或衬垫被压缩的厚度在原泡沫厚度的20％和50％之间，同时在使用中确保配合表面之间良好的电接地接触。用于压缩该泡沫塑料所需的载荷应当小于每平方英寸50磅(psi.)。
在一个示例性实施例中，本发明的EMI/RFI空气过滤器和EMI/RFI衬垫由真空金属化方法金属化的网状聚亚胺酯泡沫塑料组成。申请人业已发现，这种组合不需要将金属涂层粘接到网状泡沫点阵的任何中间步骤。最终的EMI/RFI空气过滤器20和衬垫80因此能够更快更经济地制造，同时仍然在基体和金属涂层之间提供良好的粘结。优选真空金属化方法在Gabower等人的美国专利第5,811,050号中有更详细描述。
图5A和5B是对本发明的EMI空气过滤器和EMI衬垫进行测试的EMI测试曲线图。所有测试都是按照MIL-STD-285屏蔽效果测试在认可的EMC测试设备上进行的。Y轴示出屏蔽效果，用衰减量的分贝数(dB)，在变化频率范围内(X轴)测量各种样品的兆赫(1×106Hz)水平。此外，由于网状泡沫塑料的开孔和点阵的很小且随机化的间隔，为了通风的目的气流能够对流通过这些材料，并且同时防止EMI、灰尘、碎屑颗粒等通过。如图5A所示，在100MHz和1G和1GHz之间测试样品，并且样品在大约50dB和90dB之间提供EMI衰减。图5B示出对于不同PPI和不同厚度的被压缩EMI衬垫的EMI屏蔽效果。
图6是图示出各种孔隙率范围的EMI空气过滤器的通风性能的曲线图。Y轴表示当不同流速的空气(用每分钟英尺表示)通过各种尺寸孔的样品时的气流减小(用水的英寸表示)。孔尺寸的变化(用PPI表示)可以在X轴上看到。如图6所示，金属化过滤器20气流性质随着每英寸孔的变化而线性地变化。当基体上每英寸孔增加时较大的空气流能够通过该空气过滤器，这改善过滤器的冷却效果。泡沫基体的通风性质的更全面的描述可以在 http：//www.foamex.com/foamex.htm找到。
虽然本发明通过几个优选实施例进行了描述，但本领域的技术人员通过阅读说明并研究附图之后想到本发明的变化、置换和等同物时是显而易见的。

Claims (25)

1.一种EMI/RFI空气过滤器，包括：
具有开孔骨架结构的基体，其孔隙率大约在每英寸10孔和每英寸40孔之间；以及
贯穿基体开孔骨架结构沉积在基体上的导电金属涂层，以便保持整个基体的电连续性。
2.如权利要求1的EMI/RFI空气过滤器，其特征在于，在该基体的骨架结构上，金属涂层的厚度大约在1微米和50微米之间。
3.如权利要求1的EMI/RFI空气过滤器，其特征在于，该基体包括网状泡沫塑料。
4.如权利要求1的EMI/RFI空气过滤器，其特征在于，该基体包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、醚型聚亚胺酯、聚酰胺、聚丁二烯、或硅树脂。
5.如权利要求1的EMI/RFI空气过滤器，其特征在于，该金属涂层包括铝、镍-铬以及它们的合金。
6.如权利要求1的EMI/RFI空气过滤器，其特征在于，该基体能够被压缩到原过滤器厚度的20％到50％，同时不丧失金属涂层的电连续性。
7.如权利要求1的EMI/RFI空气过滤器，其特征在于，该基体的厚度大约在0.125英寸和0.500英寸之间。
8.如权利要求1的EMI/RFI空气过滤器，其特征在于，在该基体和金属涂层之间包括固有导电的聚合物涂层，其中聚合物涂层减少在金属化过程中基体的排气。
9.如权利要求1的EMI/RFI空气过滤器，其特征在于，该EMI/RFI空气过滤器提供至少50dB的屏蔽效果。
10.一种过滤空气和EMI/RFI的方法，该方法包括：
提供包含骨架结构的开孔基体，该基体具有大约每英寸10孔和每英寸40孔之间的孔密度；
贯穿开孔骨架结构沉积导电金属涂层；以及
将金属化的基体设置在通风口附近，以从气流中过滤碎屑并过滤EMI/RFI。
11.如权利要求10的方法，其特征在于，包括在该基体上沉积金属涂层之前拉伸该基体。
12.如权利要求10的方法，其特征在于，包括将金属化的基体与通风口的壳体接地。
13.如权利要求10的方法，其特征在于，沉积金属涂层采用真空金属化方法进行。
14.如权利要求10的方法，其特征在于，该金属化的基体具有至少50dB的屏蔽效果。
15.如权利要求10的方法，其特征在于，包括通过在沉积金属涂层之前，在基体上沉积固有导电的聚合物涂层来减少基体的排气。
16.一种导电的EMI/RFI衬垫，包括：
具有开孔骨架结构的可压缩的基体，和该基体的孔密度在大约每英寸10孔到每英寸40孔之间；
沉积在该基体的整个开孔骨架结构上的导电金属涂层，其中导电金属涂层在压力作用下时保持整个基体的电连续性。
17.如权利要求16的EMI/RFI衬垫，其特征在于，该金属涂层包括铝、镍-铬或它们的合金，并且该金属涂层的厚度大约在1微米和50微米之间。
18.如权利要求16的EMI/RFI衬垫，其特征在于，该可压缩的基体包括网状泡沫塑料。
19.如权利要求16的EMI/RFI衬垫，其特征在于，该基体包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、醚型聚亚胺酯、聚酰胺、聚丁二烯、或硅树脂。
20.如权利要求16的EMI/RFI衬垫，其特征在于，该基体能够被压缩到原过滤器厚度的20％到50％，同时不丧失金属涂层的电连续性。
21.如权利要求16的EMI/RFI衬垫，其特征在于，该衬垫提供至少50dB的屏蔽效果。
22.一种EMI/RFI屏蔽方法，包括：
提供包含骨架结构的可压缩开孔基体，该基体具有大约每英寸10孔和每英寸40孔之间的孔密度；
贯穿开孔骨架结构沉积导电金属涂层，以便在整个基体上提供连续的导电性；以及
将金属化的基体设置在两个本体之间，以密封该两个本体的配合部件之间的间隙。
23.如权利要求22的方法，其特征在于，包括压缩两个本体之间的金属化基体，其中被压缩的金属化基体在压缩状态下保持整个基体截面的导电性。
24.如权利要求23的方法，其特征在于，压缩该金属化基体包括使该金属化基体与该两个本体的表面相一致。
25.如权利要求22的方法，其特征在于，该衬垫提供至少50dB的屏蔽效果。
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