DE202006014614U1 - Schaltbare Abschirmvorrichtung zur Abschirmung von elektromagnetischen Feldern - Google Patents

Abstract

Schaltbare Abschirmvorrichtung (10, 20, 30, 40, 50, 60) zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung, gekennzeichnet durch
ein Trägermaterial (41);
einer Polymer-Halbleiterschicht (411, 53, 63) auf dem Trägermaterial (41);
einer Mehrzahl von Leiterbahnen (11, 21, 42, 51, 52, 61, 62) und einer Mehrzahl von Polymer-Halbleiter-Schaltelementen (12a–d, 22a–d), die in der Polymer-Halbleiterschicht (411, 53, 63) gebildet sind und für eine schaltbare Verbindung der Mehrzahl von Leiterbahnen (11, 21, 42, 51, 52, 61, 62) mit denselben verbunden sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abschirmvorrichtung, die schaltbar ist, und somit eine Steuerung von elektromagnetischen Feldern erlaubt, wie es beispielsweise in Konferenzsälen, Operationssälen oder in Fertigungsstätten vorkommt.
• Die breit eingesetzte funktechnische Kommunikation bringt es mit sich, dass in vielen Bereichen hochfrequente elektromagnetische Felder auftreten, die in manchen Fällen unerwünscht sind und daher durch geeignete Maßnahmen abgeschirmt werden sollen. Beispiele dafür sind etwa das unerwünschte Abhören von Mobiltelefonen, aber auch die Störung von hochempfindlichen elektronischen Geräten, etwa in Laboren, in der Medizin, wie etwa EEG (EEG = Elektroenzephalografie), in der Fertigungstechnik und dergleichen mehr. Eine speziell in der jüngsten Zeit wichtiger werdende Anwendung hochfrequenter Felder ist durch die RFID-Technik (RFID = Radio Frequency Identification) entstanden, die eine hochfrequenz-basierte Fernabfrage von Identifizierungs-Etiketten einsetzt.
• Andererseits ist eine permanente Anschirmung nicht immer erwünscht. Ein Beispiel ist etwa ein Labor, Krankenstation, Konferenzraum: Manchmal ist es erwünscht, aus diesem Raum mittels Mobiltelefon, WLAN oder ähnlichem zu kommunizieren, ohne den Raum verlassen zu müssen, manchmal wiederum soll eine elektronische Kommunikation, aus demselben Raum, zuverlässig verhindert werden.
• Die Abschirmung elektromagnetischer Felder und die dafür verwendbaren Methoden sind wohlbekannt. Sie beruhen letztendlich auf der Induktion von Strömen; diese sind entspre chend der Lenz'schen Regel dem induzierenden Feld entgegengerichtet, und führen daher bei geeigneter Stärke zu einer weitgehenden Aufhebung des Feldes in entsprechender Entfernung. Dies kann mikroskopisch durch den Skineffekt, makroskopisch durch Wirbelströme in ausgedehnten Leitern beschrieben werden. Demzufolge gelingt die Abschirmung durch leitende, flächenhomogene Materialien, deren Dicke umgekehrt proportional der Wurzel aus dem Produkt spezifische Leitfähigkeit mal Frequenz mal Permeabilität ist. Da in die Gesetzmäßigkeit des Skin-Effekts die Wellenlänge eingeht, sind Abschirmschichten umso dünner, je höher die Frequenz ist; insbesondere sind sie für optische Frequenzen intransparent. Deshalb sind Gitterstrukturen zweckmäßiger, wenn optische Transparenz gewünscht wird.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abschirmvorrichtung zu schaffen, die schaltbar ist, und es somit erlaubt eine Steuerung von elektromagnetischen Feldern vorzunehmen.
• Diese Aufgabe wird durch eine schaltbare Abschirmvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
• Die vorliegende Erfindung schafft eine schaltbare Abschirmvorrichtung zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung mit einem Trägermaterial und einer Polymer-Halbleiterschicht auf dem Trägermaterial. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Mehrzahl von Leiterbahnen und eine Mehrzahl von Polymer-Halbleiter-Schaltelementen, die in der Polymer-Halbleiterschicht gebildet sind und für eine schaltbare Verbindung der Mehrzahl von Leiterbahnen mit denselben verbunden sind.
• Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung einer Maschen- oder Gitterstruktur, die unter Verwendung von Halbleiterstrukturen schaltbar ist.
• Entsprechend der Wellenlänge reichen Maschen- oder Gitterstrukturen aus, wenn die Maschenweite deutlich kleiner als die Wellenlänge ist. Eine schaltbare Abschirmung ist somit durch eine Gitterstruktur realisierbar, die an den Verbindungs-Punkten elektrische Schalter trägt, die im Falle der erwünschten Abschirmung geschlossen werden können. Derartige Schalter können mittels Relais, aber auch mit Halbleitern realisiert werden. Dabei ist eine Vielzahl derartiger Schalter erforderlich: eine Fläche, deren Kantenlänge der Wellenlänge entspricht, sollte mindestens etwa 100 schaltbare Knotenpunkte aufweisen (Gitterweite kleiner als etwa 1/10 Wellenlänge).
• Die in den letzten Jahren intensiv untersuchte „Polymer-Elektronik" hat sich zum Ziel gesetzt, schaltbare Halbleiterstrukturen zu drucken, oder mittels ähnlichen, im wesentlichen aus der graphischen Drucktechnik oder Beschichtungstechnik bekannten Verfahren auf Substrate aufzubringen. Im Gegensatz zur klassischen Halbleitertechnik, die im wesentlichen auf kristallinen Materialien beruht, sind damit auch große, und vor allem auch flexible Strukturen realisierbar. Aufgrund des nichtkristallinen Materialaufbaus, und auch der vergleichsweise sehr geringen Anzahl beweglicher Ladungsträger bleibt die Stromtragefähigkeit und auch die erzielbare Schaltgeschwindigkeit um Größenordnungen hinter jener konventioneller Halbleiter-Elemente zurück.
• Für die hier interessierende Anwendung als langsamer, großflächiger Schalter ist dies jedoch weniger wichtig. Wichtig ist vielmehr, dass solche Schaltelemente preiswert und auch sehr großflächig hergestellt werden können. Ein seit längerem bekanntes Material ist beispielsweise 3PHT (poly(3-hexylthiophene), das für Dioden und auch Transistoren eingesetzt werden kann. Die Ladungsträger-Beweglichkeit und -Anzahl ist leider im Vergleich zu Metallen und zu dotierten Halbleitern relativ gering, aber für die vorliegende Anwendung durchaus ausreichend. Neuere Entwicklungen haben zu deutlich besseren elektrischen Daten von halbleitenden Polymeren geführt, die an die elektrischen Eigenschaften von amorphen Silizium heranreichen, vgl. WO2005/055248A2.
• Die Ladungsträger-Beweglichkeit beeinflusst die Schaltgeschwindigkeit solcher Elemente; sie ist grob gegeben durch den Quotienten Beweglichkeit/(Länge des Schaltgebietes). Ansteuerung mit Frequenzen deutlich höher als die Transitfrequenz des Bauelements werden durch Geometrieeffekte wie den „Gartenschlaucheffekt" verhindert. Andererseits sind Dioden durch ihren Zweischicht-Aufbau durchaus auch heute schon für Frequenzen bis in den mittleren MHz-Bereich realisiert; hier nutzt man die geometrischen Eigenschaften eines abrupten Metall-3PHT-Übergangs aus. Näheres ist dem Fachmann bekannt und aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen zu entnehmen.
• Nach der Lehre der Erfindung kann nun eine Abschirmschicht beispielsweise wie folgt hergestellt werden: Auf einem Substrat, vorzugsweise einer PET-Folie werden metallische Leiterbahnen aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch Sputtern, Galvanische Abscheidung, eine stromlose Abscheidung vergleichbar der Tollens-Reaktion oder ähnliches, insbesondere auch einer Überlagerung derartiger Prozesse erreicht werden. Dabei sollen Bahnen entstehen die gegeneinander isoliert sind. Der Abstand der leitenden Streifen soll typisch etwa 1/10 der kürzesten, abzuschirmenden Wellenlänge betragen; beispielsweise typisch 2 ... 3 cm für das im Mobilfunk und auch für long-range RFID verwendete UHF-Spektrum (UHF = Ultra-Hoch-Frequenz, 0,3 GHz bis 3 GHz).
• Jeweils zwei benachbarte Bahnen werden mittels eines oder mehrerer Schaltelemente elektrisch verbunden. Ein externes Signal erlaubt es, diese Schalter zu öffnen oder zu schließen.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 ein Ausführungsbeispiel einer schematischen Gitterstruktur, bei der die einzelnen Leiterbahnen über Halbleiterdioden miteinander verbunden sind;
• 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Gitterstruktur, bei der die einzelnen Leiterbahnen mit Halbleiterdioden verbunden sind;
• 3 ein Ausführungsbeispiel einer Kombination zweier orthogonaler Gitterstrukturen;
• 4 ein Ausführungsbeispiel einer Implementierung einer erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung;
• 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Implementierung einer erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung; und
• 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Implementierung einer erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung.
• Der einfachste Fall ist die Herstellung von Diodenstrecken zwischen jeweils zwei Bahnen. Diese leiten im spannungslosen Fall nicht beziehungsweise schlecht. Durch eine auf die Bahnen auftreffende Hochfrequenz bildet sich zwischen zwei Bahnen gegebenenfalls zwar eine Spannungsdifferenz aus, die aber im realistischen Fall lediglich einige mV beträgt und somit weit unterhalb der Schaltspannung liegt. Durch Anlegen einer Vorspannung von einigen Volt werden die halbleitenden Bereiche dieser Dioden mit Ladungsträgern besetzt, so dass dann eine Leitung einsetzt.
• Dieses Ausführungsbeispiel ist schematisch in 1 dargestellt. 1 zeigt Ausführungsbeispiel einer schaltbaren Abschirmvorrichtung 10 mit Leiterbahnen 11, die auf einem geeigneten Substrat aufgebracht sind. Ferner zeigt 1 Dioden 12a–d aus halbleitendem Material, sowie die Verschaltung der einzelnen Leiterbahnen 11 mit den zugehörigen Anschlussklemmen 13. Die Anordnung in 1 wird über die Anschlussklemmen 13 mit einer Steuerspannung U von typischerweise einigen Volt gespeist.
• Derzeitige Polymerhalbleiter degradieren unter lang einwirkenden Gleichfeldern. Dies kann vermieden werden durch Umpolen der Vorspannung. Ein Ausführungsbeispiel einer Implementierung der erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung, um diesen Ermüdungseffekt zu vermeiden, ist in 2 dargestellt.
• 2 zeigt wiederum Ausführungsbeispiel einer schaltbaren Abschirmvorrichtung 20 mit Leiterbahnen 21, die auf einem geeigneten Substrat in einer Gitterstruktur angebracht sind. Ferner zeigt die 2 Dioden 22a–d aus halbleitendem Material, die antiparallel mit den Leiterbahnen 21 verbunden sind. Ferner zeigt die 2 die Verschaltung der einzelnen Leiterbahnen miteinander, sowie die Anschlussklemmen 23 für eine Versorgungsspannung U. Die Anordnung in 2 erlaubt nun eine Versorgungsspannung im Bereich von typischerweise 10 V bei einer Frequenz von 1 kHz.
• Aufgrund der antiparallelen Ausrichtung ist der Strukturierungs-Aufwand in dem Ausführungsbeispiel in 2 höher als bei dem im Ausführungsbeispiel in 1 gezeigten Fall.
• Eine Konfiguration mit länglichen, konkret über die gesamte Kantenlänge des Abschirmvolumens reichenden Leiterbahnen ist zwar einfach herzustellen, beispielsweise auf Anlagen zur „Rolle-zu-Rolle"-Fertigung von Polymer-Halbleiter- Strukturen, die im Endlos-Verfahren, allerdings mit beschränkter Substrat-Breite arbeiten. In aller Regel weisen Hochfrequenz-Abstrahlungen jedoch eine lineare Polarisation auf, die bei Parallelität E-Feld-Leiterstreifen durch derartige Streifen durchdringen. Dies kann bekanntlich durch eine Gitter-Anordnung verhindert werden. Das Gitter ist zweckmäßigerweise orthogonal angeordnet.
• Eine solche Gitterstruktur mit zwei senkrecht zueinander wirkenden Leiterbahnstrukturen ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel in der 3 dargestellt. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer schaltbaren Abschirmvorrichtung 30 mit einer ersten Leiterbahnstruktur 31 und einer zweiten Leiterbahnstruktur 32, bei der die Leiterbahnen orthogonal zu den Leiterbahnen der ersten Struktur 31 angeordnet sind. In der in 3 gezeigten Gitterstruktur weist die erste Gitterstruktur 31 ein senkrechtes Raster auf und die zweite Leiterbahnstruktur 32 weist ein horizontales Raster auf. Beide Strukturen können beispielsweise durch Aufeinanderkleben oder zweckmäßigerweise auch durch Herstellung auf Vorder- und Rückseite eines Substrats realisiert werden.
• Derzeit erreichen Polymer-Feldeffekt-Transistoren Leitwerte, die bei den mittels der relativ groben, drucktechnischen Strukturierung (50 μm Auflösung, entsprechend ca. 50 μm Gatelänge) etwa 1 ... 3 μA/cm Gateweite betragen. Dies würde für die vorliegende Anwendung bereits ausreichen. Die Weiterentwicklung der Polymerelektronik wird zu leistungsstärkeren Transistoren führen, wobei sich vor allem die Steuerspannung reduzieren und die Stromtragefähigkeit weiter erhöhen wird. Damit ist es zweckmäßig, Transistoren als Schaltelemente zwischen den Leiterbahnen anzubringen. Damit ist leider auch ein geringfügig höherer Fertigungsaufwand, vor allem durch die Herstellung des Gate-Gebietes und der damit einhergehenden Strukturierung nötig. Außerdem ist in diesem Fall eine Steuerleitung nötig oder zumindest wünschenswert.
• 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Implementierung der erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung nach dem Prinzip eines Polymer-Feldeffekttransistors. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer schaltbaren Abschirmvorrichtung 40 mit einem Substrat 41, auf das eine Polymer-Halbleiterschicht 411 aufgebracht ist. Auf die Polymerschicht 411 sind Leiterbahnen 42 aufgebracht, über denen sich eine Steuerleitung 43 befindet, die über einen Gate-Isolator 44 bzw. ein Dielektrikum 44 von den Leiterbahnen 42 isoliert ist. Durch Anlegen einer Spannung zwischen der Steuerleitung 43 und dem Substrat 411 kann nun eine elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen 42 hergestellt werden, gemäß dem Prinzip eines Feldeffekttransistors. Dabei werden unter der Steuerleitung 43, die wie ein Gate eines Feldeffekttransistors zu sehen ist, Ladungsträger angesammelt, die dann einen Ladungstransport zwischen den Leiterbahnen 42 ermöglichen.
• Um die Stromtragefähigkeit bzw. die Leitfähigkeit solcher Transistoren zu erhöhen, ist es zweckmäßig und bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung auch möglich, da genügend Platz vorhanden ist, die schaltenden Gategebiete sehr groß zu implementieren. Dies gelingt durch Vergrößern der Randgebiete, wie es anhand der 5 dargestellt ist. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer schaltbaren Abschirmvorrichtung 50 mit zwei Leiterbahnen 51 und 52, die im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Polymer-Halbleiterschicht 53 voneinander isoliert sind. Oberhalb der Isolationsschicht 53 befindet sich ein Gate-Dielektrikum mit darüber angeordneter Steuerleitung 54, so dass die Anordnung der in der 4 gezeigten Anordnung entspricht. Durch Anlegen einer Spannung an das Gate 54 können die beiden Leiterbahnen 51 und 52 elektrisch miteinander verbunden werden.
• Eine besonders zweckmäßige Anordnung ist in 6 gezeigt. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer schalt baren Abschirmvorrichtung 60, wobei wiederum zwei Leiterbahnen 61 und 62 gezeigt sind, die über Öffnungen 64 verfügen, um eine Lichtdurchlässigkeit zu gewährleisten. Längs den Rändern der Leiterbahnen 61 und 62 sind wiederum Transistorgebiete 63 mit großer Wirkfläche angeordnet, die gemäß der anhand der 4 und 5 erläuterten Anordnungen fungieren.
• Der Vorteil der hier vorgeschlagenen Lösungen beruht darauf, dass die Abschirmstrukturen mittels der im wesentlichen aus der Drucktechnik bekannten Verfahren hergestellt werden können. Sie sind damit extrem preiswert, und außerdem streng planar ohne jeden störenden Topographie-Auftrag. Derartige Abschirm-Bahnen können beispielsweise nach Art von Tapeten auf beliebige Oberflächen aufgebracht werden.
• Durch die Möglichkeit, die Abschirmwirkung schaltbar zu gestalten, ergeben sich weitere Vorteile. So ist es möglich, die Abschirmung beim Auftreffen eines Hochfrequenz-Signals, beispielsweise eines unbefugten RFID-Lese-Angriffs, selbsttätig einzuschalten. Dazu stellt ein Empfänger fest, ob ein Leseversuch erfolgt, und schaltet dann die Abschirmung ein.

Claims (15)

1. Schaltbare Abschirmvorrichtung (10, 20, 30, 40, 50, 60) zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung, gekennzeichnet durch ein Trägermaterial (41); einer Polymer-Halbleiterschicht (411, 53, 63) auf dem Trägermaterial (41); einer Mehrzahl von Leiterbahnen (11, 21, 42, 51, 52, 61, 62) und einer Mehrzahl von Polymer-Halbleiter-Schaltelementen (12a–d, 22a–d), die in der Polymer-Halbleiterschicht (411, 53, 63) gebildet sind und für eine schaltbare Verbindung der Mehrzahl von Leiterbahnen (11, 21, 42, 51, 52, 61, 62) mit denselben verbunden sind.
2. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymer-Halbleiter-Schaltelemente Polymer-Halbleiter-Dioden (12a–d, 22a–d) umfassen.
3. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dioden (12a–d, 22a–d) gegenpolig mit je zwei Leiterbahnen verbunden sind.
4. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen (21) mindestens zwei, antiparallel geschaltete Dioden (22a–d) angeordnet sind.
5. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch eine in Flussrichtung der Dioden (12a–d, 22a–d) gepolte Gleichspannung an zwei benachbarten Leiterbahnen (11, 21) schaltbar ist.
6. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer Frequenz im Hz- bis kHz-Bereich zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen (11, 21) schaltbar ist.
7. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente mittels Polymer-Materialien realisierte Transistoren aufweisen.
8. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung von Gategebieten der Transistoren über diesen eine Steuerelektrode angeordnet ist.
9. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Steuerelektrode extern ansteuerbar ist.
10. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrode mit einer der Leiterbahnen (Source oder Drain) verbunden ist.
11. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen zur Aufrechterhaltung der Lichtdurchlässigkeit partiell durchbrochen sind, wobei die Abmessungen der Fensteröffnungen sehr viel kleiner als die kürzeste abzuschirmende Wellenlänge ist.
12. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die auf oder in einer Glasplatte integriert ist.
13. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die auf oder in einer Tapete integriert ist.
14. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei derartige Abschirmschichten im wesentlichen orthogonal übereinandergelegt werden, um hochfrequente Strahlung unabhängig von ihrer Polarisation abzuschirmen.
15. Abschirmstruktur (10, 20, 30, 40, 50, 60) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese beiden Strukturen auf je eine Hauptebene eines Substrates, also die Vorder- und Rückseite dieses Substrates, aufgebracht sind.