DE102019102657A1

DE102019102657A1 - Hochfrequenzdurchlässiges Bauteil und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102019102657A1
Application number: DE102019102657.1A
Authority: DE
Inventors: Jonathan Fischer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2020-08-06
Also published as: WO2020160815A1; US20220049344A1; US11821074B2; CN112955578A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hochfrequenzdurchlässiges Bauteil mit:einem Grundkörper (2) und einer darauf gesputterten Schicht (3) aus Al2O3 mit einer Metalldotierung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein hochfrequenzdurchlässiges Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung desselben und insbesondere ein radardurchlässiges Fahrzeugbauteil.
In Kraftfahrzeugen werden eine Vielzahl von Sensoren und mobilen Geräten mit drahtlosen Kommunikationsfunktionen verbaut. Damit diese für den Kunden unsichtbar sind, werden sie z.B. hinter Außenhautbauteilen verborgen. So ist beispielsweise eine Radarvorrichtung zur Abstandsmessung häufig hinter einem Frontgrill oder einer Stoßstangenverkleidung eines Kraftfahrzeugs verborgen. Sensoren zur Schlüsselerkennung werden beispielsweise in Fahrzeuggriffen verborgen. GPS-Sender und Empfänger sind z.B. in Dachfinnen integriert.
Das verkleidende Bauteil soll einerseits für die Hochfrequenzwellen durchlässig sein, d.h. die Wellen sollen beim Durchtritt durch das Bauteil nicht übermäßig gedämpft, absorbiert oder reflektiert werden. Andererseits sollen die Bauteile ein optisch ansprechendes Erscheinungsbild bieten. Hierbei besteht insbesondere der Wunsch nach metallisch anmutenden Oberflächen.
Die Herstellung von funkwellendurchlässigen Schichten mit Chromoptik ist bereits bekannt. Gemäß Druckschrift US 2016237549 A1 ist eine mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) ausgebildete dünne Chromschicht radardurchlässig. Aus der Druckschrift EP 2484850 B1 ist es bekannt, Zinn oder Indium als dünne Schichten ebenfalls mittels PVD abzuscheiden. Derart abgeschieden bilden die Materialien inselförmige Bereiche aus, die voneinander elektrisch getrennt sind. An den Inselgrenzen ist eine Durchdringung mit den Funkwellen gegeben. Jedoch ist das farbliche Erscheinungsbild derartiger PVD -Schichten auf eine Chromoptik beschränkt.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, wie die farbliche Varianz von hochfrequenzwellendurchlässigen Bauteilen gesteigert werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Bauteil nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein hochfrequenzdurchlässiges Bauteil angegeben mit einem Grundkörper und einer darauf gesputterten Schicht aus Al2O3 mit einer Metalldotierung.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines hochfrequenzdurchlässigen Bauteils angegeben. Das Verfahren beinhaltet die Schritte Bereitstellen eines Grundkörpers und Sputtern einer mit Metalldotierung versehenen Al2O3-Schicht auf dem Grundkörper. Das Verfahren ist insbesondere geeignet und kann verwendet werden, um das erfindungsgemäße Bauteil herzustellen. Insofern gelten die zum Bauteil beschriebenen technischen Wirkungen und Vorteile ebenso für das Verfahren.
Erfindungsgemäß wird Saphir (Al2O3) als Trägermaterial genutzt und mit einer Metalldotierung versehen. Die Erfindung macht sich zunutze, dass eine derartige Schicht problemlos mittels Sputtern ausgebildet werden kann und dem Bauteil ein metallisches Aussehen verleiht, ohne dass dessen Durchlässigkeit für hochfrequente Strahlung verloren geht.
Hierbei macht sich die Erfindung zunutze, dass Saphir im undotierten Zustand ein Isolator ist. Die entsprechend große Bandlücke ermöglicht einen größeren Spielraum bei der Dotierung als dies z.B. der Fall ist, wenn anstelle des Saphirs ein Halbleiter als Trägermaterial verwendet wird. Hierdurch ergeben sich neue Möglichkeiten, einen metallisch anmutenden optischen Effekt zu erzielen, ohne dass die Durchlässigkeit des Bauteils für hochfrequente Strahlung und insbesondere für Radarstrahlung nennenswert getrübt wird. Das hochfrequenzdurchlässige Bauteil ist in einem Frequenzbereich von 400 MHz bis 90 GHz für elektromagnetische Strahlung durchlässig und insbesondere in dem radarrelevanten Bereich von 30 GHz bis 90 GHz bzw. 70 GHz bis 90GHz. In diesem Zusammenhang soll ein Bauteil dann als hochfrequenzdurchlässig gelten, wenn mindestens 50 % der eingestrahlten Strahlung durch das Bauteil hindurchtreten kann. Umgekehrt entspricht dies einer maximalen Ein-Wege Signaldämpfung von 3 dB.
Die Saphir-Schicht mit der Metalldotierung wird durch Sputtern ausgebildet. Das Sputtern (auch Kathodenzerstäubung genannt) ist ein Vakuumbeschichtungsverfahren. Beim Sputtern werden in einer Vakuumkammer Atome eines Festkörpers (Target) durch Ionenbeschuss herausgelöst und gehen in die Gasphase über. In der Nähe des Targets befindet sich das zu beschichtenden Substrat, hier der Grundkörper, auf dem sich die herausgelösten Atome des Targets niederschlagen und eine feste, dünne Schicht bilden. Bei dem vorliegenden Verfahren werden also Aluminium- und Sauerstoffatome sowie Atome des metallischen Dotierstoffes aus einem oder mehreren Targets herausgelöst und scheiden sich als metalldotierte Al2O3 Schicht auf dem Grundkörper ab.
Vorzugsweise wird die Saphir-Schicht bzw. Al2O3-Schicht derart dotiert und ausgebildet, dass die Transmissionsdämpfung des Bauteils in einem Frequenzbereich von 60 GHz bis 90 GHz durch diese Schicht um weniger als 0,1 dB verändert wird. Mit anderen Worten gesagt, weicht die Transmissionsdämpfung des Bauteils mit dotierter Saphir-Schicht in dem genannten Frequenzbereich um weniger als 0,1 dB von der Transmissionsdämpfung des Bauteils ohne diese Schicht ab.
Die Saphir-Schicht wird mit wenigstens einem Metall dotiert. Hierbei wird die Dotierkonzentration so gering gewählt, dass sich die elektrischen Eigenschaften der Saphir-Schicht noch nicht nennenswert ändern. Gleichzeitig besteht ein Bestreben, die Dotierkonzentration möglichst hoch zu setzen, um den metallischen Eindruck und die Farbtiefe zu verstärken. Gute metallische Farbwirkung ist beispielsweise gegeben, wenn die Dotierung mit einer Konzentration in einem Bereich von 10¹⁶ cm^-3 bis zu einer maximalen oberen Dotierkonzentration erfolgt. Die maximale obere Dotierkonzentration wird z.B. so gewählt, dass der Oberflächenwiderstand der dotierten Schicht mindestens 10 MOhm (10⁶ OHM) beträgt, wodurch noch eine gute Durchlässigkeit für hochfrequente Strahlung gegeben ist.
Als Metalle für die Dotierung der Saphir-Schicht eignen sich beispielsweise die Elemente Au, Ag, Cu, Ni, Pt oder Ti. Mit diesen Elementen lassen sich verschiedene Farbtöne, wie z.B. Rot-, Gelb-, Blau- oder Brauntöne darstellen. Diese Elemente eignen sich besonders aufgrund ihrer Atomgröße, die ähnlich der Atomgröße des Aluminiums in der Saphir-Schicht ist. Grundsätzlich können jedoch auch andere sputterfähige Metalle als Dotiermittel in die Saphir-Schicht eingebracht werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Saphir-Schicht mit nur einem der Elemente Au, Ag, Cu, Ni, Pt oder Ti dotiert. Zur Erzielung weiterer Farbeffekte ist es jedoch auch möglich, dass die Saphir-Schicht mit zwei oder mehr dieser Elemente dotiert wird, wobei die Summe der Dotierkonzentration aller Elemente dann vorzugsweise so gewählt wird, dass der Oberflächenwiderstand der dotierten Schicht mindestens 10 MOhm beträgt.
Um eine schöne metallische Optik bei gleichzeitig guter Durchlässigkeit für hochfrequente Strahlung auszubilden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in einer Ausgestaltung die Dicke der gesputterten Schicht in einem Bereich von 25 nm bis 100 nm liegt.
Der Grundkörper ist aus einem Material ausgebildet, das für die hochfrequente Strahlung durchlässig ist. Vorzugsweise ist der Grundkörper aus einem Kunststoff ausgebildet. Der Grundkörper kann weiterhin beschichtet sein, z.B. mit einem Haftvermittler oder Basecoat. Durch die Wahl dieser Schicht kann z.B. die optische Erscheinung des Bauteils weiter beeinflusst werden. Beispielsweise kann über einen rauen oder glatten Basecoat definiert werden, ob die Saphir-Schicht einen matten oder glänzenden metallischen Eindruck erweckt.
Weiterhin können auf der dotierten Saphir-Schicht zusätzliche Schichten angeordnet werden. Beispielweise kann eine sehr dünne Lackschicht über der Saphir-Schicht angeordnet werden, um den Farbeffekt weiter zu verändern und zu beeinflussen. Ergänzend oder alternativ kann eine transparente Kunststoffschicht als mechanischer Schutz vorgesehen sein.
Bei dem Fahrzeug handelt es sich bevorzugt um ein Fahrzeugbauteil. Dies kann z.B. eine Frontschürze, eine Zierleiste oder eine Abdeckung sein. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Bauteil um eine Radarabdeckung einer Radarvorrichtung eines Fahrzeugs.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht eines ersten beispielhaften Bauteils und
2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten beispielhaften Bauteils.

1 zeigt ein beispielhaftes hochfrequenzdurchlässiges Bauteil 1, das z.B. eine Radarabdeckung bildet. Das Bauteil 1 weist einen Grundkörper 2 auf, der aus Kunststoff ausgebildet ist. Auf dem Grundkörper ist eine Saphir-Schicht ausgebildet, die mit Titan dotiert ist (Ti: Al2O3). Diese Beschichtung ist mittels Sputtern aufgebracht und kann vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 25 nm bis 100 nm aufweisen. Die Dotierstoffkonzentration des Titans in der Saphir-Schicht kann vorzugsweise in einem Bereich liegen von 10 ¹⁶ cm^-3 bis zu einer maximalen oberen Dotierstoffkonzentration, die so gewählt ist, dass der Oberflächenwiderstand der Saphir-Schicht noch mindestens 10 MOhm beträgt.
Alternativ zu einer Dotierung mit Titan kann die Saphir-Schicht auch mit einem anderen Element oder mehr als einem Element aus der Gruppe bestehend aus Au, Ag, Cu, Ni, Pt oder Ti dotiert sein.
2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung, in der gleiche Schichten und Bauteile wie in 1 mit demselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind und zur Vermeidung von Wiederholungen nicht erneut beschrieben werden.
Bei dem Beispiel gemäß 2 beinhaltet das Bauteil 10 neben dem Grundkörper 2 und der Saphir-Schicht 3 noch weitere Schichten 4, 5 und 6. Unmittelbar auf dem Grundkörper 2 ist beispielsweise ein Base-Coat aufgebracht, der haftverbessernd für die darauf abgeschiedene Saphir-Schicht wirkt. Auf der Saphir-Schicht wiederum kann eine zusätzliche Farbschicht 5 zur Variation der Farbwirkung des Bauteils und eine Kunststoffschicht 6 als mechanischer Schutz angeordnet sein. Es versteht sich, dass diese Schichten in Kombination miteinander oder auch nur einzelne oder mehrere dieser Schichten vorgesehen sein können.
Bezugszeichenliste

1, 10: Bauteil
2: Grundkörper
3: Metall-dotierte Saphir-Schicht
4: Base-Coat
5: Farbschicht
6: Kunststoff-Schicht

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

US 2016237549 A1 [0004]
EP 2484850 B1 [0004]

Claims

Hochfrequenzdurchlässiges Bauteil mit: einem Grundkörper (2) und einer darauf gesputterten Schicht (3) aus Al2O3 mit einer Metalldotierung.
Bauteil nach Patentanspruch 1, bei dem die Al2O3-Schicht (3) derart dotiert und ausgebildet ist, dass die Transmissionsdämpfung des Bauteils (1, 10) in einem Frequenzbereich von 60 GHz bis 90 GHz durch diese Schicht (3) um weniger als 0,1 dB verändert wird.
Bauteil nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem die Dotierung mit einer Konzentration in einem Bereich von 10¹⁶ cm^-3 bis zu einer oberen Dotierkonzentration erfolgt, bei der der Oberflächenwiderstand der dotierten Schicht mindestens 10 MOhm beträgt.
Bauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Metalldotierung eine Dotierung mit wenigstens einem der Elemente Au, Ag, Cu, Ni, Pt oder Ti ist.
Bauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Dicke der gesputterten Schicht (3) in einem Bereich von 25 nm bis 100 nm liegt.
Bauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Grundkörper (2) aus einem Kunststoff ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem es sich um ein Fahrzeugbauteil handelt.
Bauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem es sich um eine Radarabdeckung handelt.
Verfahren zur Herstellung eines hochfrequenzdurchlässigen Bauteils , mit den Schritten: Bereitstellen eines Grundkörpers (2), Sputtern einer mit Metalldotierung versehenen Al2O3 Schicht (3) auf den Grundkörper.
Verfahren nach Patentanspruch 9, wobei das Bauteil ein Bauteil (1, 10) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 ist.