WO2020160815A1 - Hochfrequenzdurchlässiges bauteil und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/42—Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome

Definitions

  • the invention relates to a high-frequency permeable component and a method for producing the same and in particular a radar-permeable vehicle component.
  • a large number of sensors and mobile devices with wireless communication functions are installed in motor vehicles. So that these are invisible to the customer, they are e.g. hidden behind outer skin components.
  • a radar device for distance measurement is often hidden behind a front grill or a bumper covering of a motor vehicle.
  • Sensors for key recognition are hidden in vehicle handles, for example.
  • GPS transmitters and receivers are e.g. integrated in roof fins.
  • the cladding component should be permeable to the high-frequency waves, i.e. the waves should not be excessively attenuated, absorbed or reflected when passing through the component.
  • the components should offer a visually appealing appearance. In particular, there is a desire for surfaces with a metallic appearance.
  • the object of the present invention is to provide a way of increasing the color variance of components permeable to high frequency waves.
  • a high-frequency permeable component is specified with a base body and a layer of Al203 sputtered thereon with a metal doping.
  • a method for producing a high frequency permeable component includes the steps of providing a base body and sputtering an Al 2 O 3 layer provided with metal doping on the base body.
  • the method is particularly suitable and can be used to produce the component according to the invention. In this respect, the technical effects and advantages described for the component also apply to the process.
  • sapphire (AI203) is used as a carrier material and provided with a metal doping.
  • the invention makes use of the fact that such a layer can be formed without problems by means of sputtering and gives the component a metallic appearance without its transparency for high-frequency radiation being lost.
  • the invention makes use of the fact that sapphire is an insulator in the undoped state.
  • the correspondingly large band gap allows greater leeway in doping than is the case, for example, if a semiconductor is used as the carrier material instead of the sapphire. This results in new possibilities for achieving a metallic-looking optical effect without the permeability of the component for high-frequency radiation and in particular for radar radiation being significantly impaired.
  • the high-frequency permeable component is permeable to electromagnetic radiation in a frequency range from 400 MHz to 90 GHz and in particular in the radar-relevant range from 30 GHz to 90 GHz or 70 GHz to 90 GHz.
  • a component should be considered high-frequency permeable if at least 50% of the radiated radiation can pass through the component. Conversely, this corresponds to a maximum one-way signal attenuation of 3 dB.
  • the sapphire layer with the metal doping is formed by sputtering.
  • Sputtering also called cathode atomization
  • the substrate to be coated is located near the target, in this case the base body on which the detached atoms of the target are deposited and form a solid, thin layer.
  • aluminum and oxygen atoms and atoms of the metallic dopant are released from one or more targets and are deposited as a metal-doped Al 2 O 3 layer on the base body.
  • the sapphire layer or Al 2 O 3 layer is preferably doped and formed in such a way that the transmission attenuation of the component in a frequency range of 60 GHz to 90 GHz through this layer is less than 0.1 dB is changed.
  • the transmission attenuation of the component with a doped sapphire layer in the mentioned frequency range deviates by less than 0.1 dB from the transmission attenuation of the component without this layer.
  • the sapphire layer is doped with at least one metal.
  • the doping concentration is chosen so low that the electrical properties of the sapphire layer do not change significantly.
  • a good metallic color effect is given, for example, if the doping is carried out with a concentration in a range of 10 16 cm -3 up to a maximum upper concentration of do.
  • the maximum upper doping concentration is selected, for example, so that the surface resistance of the doped layer is at least 10 MOhm (10 6 OHM), which still provides good permeability for high-frequency radiation.
  • Suitable metals for doping the sapphire layer are, for example, the elements Au, Ag, Cu, Ni, Pt or Ti. With these elements, different color tones, such as red, yellow, blue or brown tones, can be represented. These elements are particularly suitable because of their atomic size, which is similar to the atomic size of the aluminum in the sapphire layer. In principle, however, other sputterable metals can also be introduced into the sapphire layer as dopants.
  • the sapphire layer is doped with only one of the elements Au, Ag, Cu, Ni, Pt or Ti.
  • the sapphire layer is also possible for the sapphire layer to be doped with two or more of these elements, the sum of the doping concentration of all elements then preferably being selected so that the surface resistance of the doped layer is at least 10 MOhm.
  • the thickness of the sputtered layer is in a range from 25 nm to 100 nm.
  • the main body is made of a material that is transparent to the high frequency radiation.
  • the base body is preferably formed from a plastic.
  • the base body can furthermore be coated, e.g. with an adhesion promoter or basecoat.
  • an adhesion promoter or basecoat By choosing this layer, e.g. the visual appearance of the component can be further influenced. For example, a rough or smooth basecoat can be used to define whether the sapphire layer creates a matt or shiny metallic impression.
  • additional layers can be arranged on the doped sapphire layer.
  • a very thin layer of lacquer can be placed over the sapphire layer in order to further change and influence the color effect.
  • a transparent plastic layer can be provided as mechanical protection.
  • the vehicle is preferably a vehicle component.
  • This can e.g. be a front apron, a molding or a cover.
  • the component is particularly preferably a radar cover of a radar device of a vehicle.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a first exemplary component
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a second exemplary component.
  • FIG. 1 shows an exemplary high-frequency permeable component 1 which, for example, forms a radar cover.
  • the component 1 has a base body 2 which is made of plastic.
  • a sapphire layer that is doped with titanium (Ti: Al 2 O 3) is formed on the base body. This coating is applied by means of sputtering and can preferably have a thickness in the range from 25 nm to 100 nm.
  • the dopant concentration of the titanium in the sapphire layer can preferably be in a range from 10 16 cm 3 up to a maximum upper dopant concentration that is selected so that the surface resistance of the sapphire layer is at least 10 MOhm.
  • the sapphire layer can also be doped with another element or more than one element from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni, Pt or Ti.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment in which the same layers and components as in FIG. 1 are marked with the same reference numerals and are not described again to avoid repetition.
  • the component 10 includes, in addition to the base body 2 and the sapphire layer 3, further layers 4, 5 and 6 Sapphire layer works.
  • an additional color layer 5 can be arranged to vary the color effect of the component and a plastic layer 6 as mechanical protection. It goes without saying that these layers can be provided in combination with one another or also just one or more of these layers.

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Abstract

Hochfrequenzdurchlässiges Bauteil und Verfahren zur Herstellung desselben 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

Beschreibung
Hochfrequenzdurchlässiges Bauteil und Verfahren zur Herstellung desselben
Die Erfindung betrifft ein hochfrequenzdurchlässiges Bauteil und ein Verfah ren 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 Kun den unsichtbar sind, werden sie z.B. hinter Außenhautbauteilen verborgen.
So ist beispielsweise eine Radarvorrichtung zur Abstandsmessung häufig hinter einem Frontgrill oder einer Stoßstangenverkleidung eines Kraftfahr zeugs 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 durchläs sig sein, d.h. die Wellen sollen beim Durchtritt durch das Bauteil nicht über mäßig 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 phy sikalischer 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 vonei nander elektrisch getrennt sind. An den Inselgrenzen ist eine Durchdringung mit den Funkwellen gegeben. Jedoch ist das farbliche Erscheinungsbild der artiger PVD -Schichten auf eine Chromoptik beschränkt.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit anzugeben, wie die farbliche Varianz von hochfrequenzwellen durchlässigen Bauteilen gesteigert werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Bauteil nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen er geben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein hochfrequenzdurchlässiges Bauteil angegeben mit einem Grund körper und einer darauf gesputterten Schicht aus AI203 mit einer Metalldo tierung.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines hochfrequenzdurchlässi gen Bauteils angegeben. Das Verfahren beinhaltet die Schritte Bereitstellen eines Grundkörpers und Sputtern einer mit Metalldotierung versehenen AI203-Schicht auf dem Grundkörper. Das Verfahren ist insbesondere geeig net und kann verwendet werden, um das erfindungsgemäße Bauteil herzu stellen. Insofern gelten die zum Bauteil beschriebenen technischen Wirkun gen und Vorteile ebenso für das Verfahren.
Erfindungsgemäß wird Saphir (AI203) als Trägermaterial genutzt und mit ei ner 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 Durchläs sigkeit für hochfrequente Strahlung verloren geht. Hierbei macht sich die Erfindung zunutze, dass Saphir im undotierten Zu stand 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 erge ben 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 insbeson dere in dem radarrelevanten Bereich von 30 GHz bis 90 GHz bzw. 70 GHz bis 90GHz. In diesem Zusammenhang soll ein Bauteil dann als hochfre quenzdurchlässig gelten, wenn mindestens 50 % der eingestrahlten Strah lung 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 Vakuumbeschich tungsverfahren. Beim Sputtern werden in einer Vakuumkammer Atome eines Festkörpers (Target) durch lonenbeschuss herausgelöst und gehen in die Gasphase über. In der Nähe des Targets befindet sich das zu beschichten den 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 her ausgelöst und scheiden sich als metalldotierte AI203 Schicht auf dem Grundkörper ab.
Vorzugsweise wird die Saphir-Schicht bzw. AI203-Schicht derart dotiert und ausgebildet, dass die Transmissionsdämpfung des Bauteils in einem Fre quenzbereich von 60 GHz bis 90 GHz durch diese Schicht um weniger als 0,1 dB verändert wird. Mit anderen Worten gesagt, weicht die Transmissions dämpfung des Bauteils mit dotierter Saphir-Schicht in dem genannten Fre quenzbereich 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 Eigen schaften der Saphir-Schicht noch nicht nennenswert ändern. Gleichzeitig be steht 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 Kon zentration in einem Bereich von 1016 cm-3 bis zu einer maximalen oberen Do tierkonzentration erfolgt. Die maximale obere Dotierkonzentration wird z.B. so gewählt, dass der Oberflächenwiderstand der dotierten Schicht mindes tens 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 darstel len. Diese Elemente eignen sich besonders aufgrund ihrer Atomgröße, die ähnlich der Atomgröße des Aluminiums in der Saphir-Schicht ist. Grundsätz lich 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 do tiert. 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 ge wählt 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 Be reich von 25 nm bis 100 nm liegt.
Der Grundkörper ist aus einem Material ausgebildet, das für die hochfre quente Strahlung durchlässig ist. Vorzugsweise ist der Grundkörper aus ei nem 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 defi niert werden, ob die Saphir-Schicht einen matten oder glänzenden metalli schen Eindruck erweckt.
Weiterhin können auf der dotierten Saphir-Schicht zusätzliche Schichten an geordnet 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. Be sonders 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 Zeich nungen 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 erfindungs wesentlich 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:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines ersten beispielhaf ten Bauteils und
Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines zweiten beispielhaf ten Bauteils.
Figur 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: AI203). Diese Beschichtung ist mittels Sputtern aufgebracht und kann vorzugsweise eine Dicke im Be reich von 25 nm bis 100 nm aufweisen. Die Dotierstoffkonzentration des Ti tans in der Saphir-Schicht kann vorzugsweise in einem Bereich liegen von 10 16 cm 3 bis zu einer maximalen oberen Dotierstoffkonzentration, die so ge wählt ist, dass der Oberflächenwiderstand der Saphir-Schicht noch mindes tens 10 MOhm beträgt.
Alternativ zu einer Dotierung mit Titan kann die Saphir-Schicht auch mit ei nem anderen Element oder mehr als einem Element aus der Gruppe beste hend aus Au, Ag, Cu, Ni, Pt oder Ti dotiert sein. Figur 2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung, in der gleiche Schich ten und Bauteile wie in Figur 1 mit demselben Bezugszeichen gekennzeich net sind und zur Vermeidung von Wiederholungen nicht erneut beschrieben werden.
Bei dem Beispiel gemäß Figur 2 beinhaltet das Bauteil 10 neben dem Grund körper 2 und der Saphir-Schicht 3 noch weitere Schichten 4, 5 und 6. Unmit telbar 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 Varia tion der Farbwirkung des Bauteils und eine Kunststoffschicht 6 als mechani scher 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

Claims

Patentansprüche
1. Hochfrequenzdurchlässiges Bauteil mit:
einem Grundkörper (2) und
einer darauf gesputterten Schicht (3) aus AI203 mit einer Metalldotierung.
2. Bauteil nach Patentanspruch 1 , bei dem
die AI203-Schicht (3) derart dotiert und ausgebildet ist, dass die Transmissi onsdämpfung 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.
3. 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.
4. 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.
5. Bauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Dicke der gesputterten Schicht (3) in einem Bereich von 25 nm bis 100 nm liegt.
6. Bauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Grundkörper (2) aus einem Kunststoff ausgebildet ist.
7. Bauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem es sich um ein Fahrzeugbauteil handelt.
8. Bauteil nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem es sich um eine Radarabdeckung handelt.
9. Verfahren zur Herstellung eines hochfrequenzdurchlässigen Bauteils , mit den Schritten:
Bereitstellen eines Grundkörpers (2),
Sputtern einer mit Metalldotierung versehenen AI203 Schicht (3) auf den Grundkörper.
10. Verfahren nach Patentanspruch 9,
wobei das Bauteil ein Bauteil (1 , 10) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 ist.
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