本公开大体涉及磁隔离器、该磁隔离器制造方法、以及包含该磁隔离器的装置。
背景技术：
在射频识别(RFID)市场的快速增长背景下，近场通信(即NFC)技术近来在蜂窝电话中的使用越来越流行。这项技术为蜂窝电话开辟了许多新的可能性，例如，使蜂窝电话具有电子密钥、身份证和电子钱包的功能，并且还使得能够经由无线信道与其他人快速交换电话号码。
NFC基于使用磁场作为载波的13.56兆赫兹(MHz)RFID系统。但是，当环形天线靠近金属外壳、屏蔽外壳、电路板的接地表面或薄片表面诸如电池外壳时，可能无法达到设计的通信范围。载波的这种衰减是由于在金属表面上感应的涡流在与载波相反的方向上产生磁场而引起的。因此，期望具有能够将载波与金属表面屏蔽的高磁导率材料诸如Ni-Zn铁氧体(分子式：NiaZn(1-a)Fe2O4)。
在典型的NFC应用中，电子装置收集在环路读取器天线周围循环的磁通量。通过装置的线圈的磁通激发线圈路径周围的电压。当天线放置在导体上方时，接近表面的磁场幅度将显著降低。对于完美导体，电场的切向分量在表面的任何点都是零。因此，金属的存在通常不利于RFID标签耦合，因为在导体表面处不存在对通过线圈的总磁通产生贡献的磁场法向分量。根据法拉第定律，线圈周围不会有电压激励。只有天线的电介质基板的边缘厚度允许较小磁通通过标签。
通过在金属表面和标签之间放置磁通定向材料(即磁隔离器)，可以减轻天线附近的金属表面的不利影响。一个理想的高磁导率磁隔离器将使磁场集中在其厚度中，而不在其表面的正交磁场中产生任何差异。铁氧体或其他磁性陶瓷传统上用于此目的，因为其体电导率非常低。其表现出非常小的涡流损耗，并且因此通过天线回路的较高比例的磁场保持正交。然而，其相对较低的磁导率需要较高的隔离层厚度以进行有效的隔离，这增加了成本并且可能在微型化装置中存在问题。
纳米晶软磁材料可取代粉末状铁氧体和无定形材料，用于电子技术的高频应用。在过去二十年中，已经深入研究了通过不同铸造技术制备的新型块体金属玻璃，其具有前景喜人的软磁性能。在几种已开发的金属玻璃系统中，铁基合金由于具有近零磁致伸缩、高饱和磁化和高磁导率的良好软磁性能而引起了相当大的关注。
在不同铁基合金中，无定形FeCuNbSiB合金(例如，由德国哈瑙的真空冶炼技术公司(VACUUMSCHMELZE GmbH&Co.KG，Hanau，Germany)以商品名VITROPERM出售的那些)被设计成当在550℃以上退火时转化为纳米晶材料。所得材料显示出比初纺非晶条带高得多的磁导率。由于金属带的固有的导电性，来自隔离器的涡流损耗可能是个问题。在减少涡流损耗的一种方法中，退火的纳米晶条带已被放置在承载膜上并裂成小片。
欧洲专利申请公布2 797 092 A1(Lee等人)中描述了一种用于无线充电器的磁场屏蔽片及其制造方法，其通过非晶条带的薄片处理工艺填充非晶条带的细块之间的间隙，然后用粘结剂进行压缩层压处理以防止水渗透，并且用粘结剂(或电介质)同时包围细块的所有表面以相互隔离细块，从而促进涡流的减少并防止屏蔽性能下降。
技术实现要素：
然而，薄片条带或断裂的条带可能具有重叠或接触的薄片，导致沿XY方向的连续导电路径。此外，可延展的粘结剂诸如压敏粘结剂可随时间变形，导致在薄片之间形成接触点，从而增加涡流损耗。期望具有这样的材料，通过该材料可以减少或消除这种接触点的形成(例如，在处理期间)。
在一个方面，本公开提供了一种磁隔离器，该磁隔离器包括电介质膜，该电解质膜具有粘结到其的导电软磁材料层(即ESMM)，其中该ESMM层包括通过互连间隙网络彼此隔开的基本上共面的导电软磁岛状物，其中互连间隙至少部分地填充有热固性电介质材料，其中当存在施加的外部磁场时，互连间隙网络至少部分地抑制软磁材料层内感应的涡电流。
在另一方面，本公开提供了一种适于与远程收发器无线通信的射频识别标签，该射频识别标签包括：
导电基板；
天线，该天线粘结到该基板；
集成电路，该集成电路设置在基板上并电耦合到该天线；和
根据本公开的磁隔离器，该磁隔离器设置在天线和基板之间。
在另一方面，本公开提供了一种制造磁隔离器的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供基板，该基板具有粘结到其的连续ESMM层；
b)在限定多个导电软磁岛状物的ESMM层中形成互连间隙网络；
c)用热固性电介质材料至少部分地填充互连间隙网络；以及
d)至少部分地固化热固性电介质材料，其中互连间隙网络至少部分地抑制由外部磁场在软磁膜的层内感应的涡电流。
如本文所用，除非另有说明，否则术语“磁导率”是指磁导系数。
如本文所用，术语“热固性”是指已永久硬化或固化的材料(例如，通过其中发生共价化学交联的固化工艺)；
在考虑具体实施方式以及所附权利要求书时，将进一步理解本公开的特征和优点。
附图说明
图1为根据本公开的示例性磁隔离器100的示意性侧视图。
图2为根据本公开的示例性电子制品200的示意性侧视图。
图3是该示例中使用的EM07HM的显微照片。
图4是该示例中使用的EM05KM的显微照片。
图5是根据实施例1弯曲并填充环氧树脂并固化后的EM05KM的显微照片。
图6是拉伸后的EM05KM的显微照片。
图7是报告包括实施例1的磁隔离器的各种样品的读取距离的条形图。
在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开的相同或类似的特征结构或元件。应当理解，本领域的技术人员可以设计出许多落入本公开原理的范围内及符合本公开原理的实质的其它修改形式和实施方案。附图可不按比例绘制。
具体实施方式
现在参照图1，根据本公开的磁隔离器100包括具有相对的主表面112、114的电介质膜110。导电软磁材料(ESMM)层120被粘结到主表面112。层120包括彼此通过互连间隙140的网络130隔开的多个基本上共面的导电软磁岛状物122。间隙140至少部分地填充有热固性电介质材料150。当存在施加的外部磁场(未示出)时，互连间隙140的网络130至少部分地抑制在软磁材料层内感应的涡电流(未示出)。
可以使用任何电介质膜。可用的膜包括电介质热塑性膜，该电介质热塑性膜包含例如聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚己内酯)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚烯烃、聚碳酸酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚醚酰亚胺、聚醚酰亚胺(PEI)、纤维素(例如，乙酸纤维素)及它们的组合。该电介质膜可包括一个或多个层。例如，其可包括由两个或更多个电介质聚合物层构成的复合膜。在一些实施方案中，电介质膜包括具有将ESMM层粘结到聚合物膜上的压敏粘结剂层的聚合物膜。
电介质膜可包含高电介质常数填料。示例包括钛酸钡、钛酸锶、二氧化钛、炭黑和其他已知的高电介质常数材料。也可使用纳米尺寸高电介质常数粒子和/或高电介质常数共轭聚合物。可使用两种或更多种不同的高电介质常数材料的共混物或者高电介质常数材料与软磁材料如羰基铁的共混物。
电介质膜可具有约0.01毫米(mm)至约0.5mm，优选0.01mm至0.3mm，并且更优选0.1至0.2mm的厚度，尽管也可以使用更小和更大的厚度。
可用的导电软磁材料包括：无定形合金或无定形合金如FeCuNbSiB(例如，由德国哈瑙的真空冶炼技术公司(VACUUMSCHMELZE GmbH&Co.KG，Hanau，Germany)以商品名VITROPERM出售的那些)，当在550℃以上退火时其转化为纳米晶材料；以商品名PERMALLOY出售的铁/镍材料，或者来自美国宾夕法尼亚州Carpenter Technologies Corporation，Reading的以商品名MOLYPERMALLOY出售的同类铁/镍/钼；以及无定形金属条带诸如Hitachi Metals Inc.的Metglass 2605SA1。
优选地，ESMM包括纳米晶含铁材料。在一些实施方案中，ESMM可包含铁(Fe)的氧化物，其掺杂了选自包括但不限于Ni、Zn、Cu、Co、Ni、Nb、B、Si、Li、Mg和Mn的组中的至少一种金属元素。一种优选的软磁材料是通过在至少550℃的温度下退火可以商品名VITROPERM VT-800从真空冶炼技术公司(Vacuumschmelze GmbH&Co.KG)获得的无定形软磁条带前体材料以形成具有纳米级晶体区域的结构而形成的。
ESMM层包含ESMM岛状物，这些岛状物彼此通过互连间隙网络隔开。
ESMM岛状物可以具有各种规则或不规则的几何形状，诸如可以是微米或纳米尺寸的板和/或薄片，但是也可以使用更大的尺寸。ESMM可以具有约0.005毫米(mm)至约0.5mm的厚度，但也可以使用更小和更大的厚度。
导电软磁材料层的磁导率很大程度上取决于层的材料和间隙的面密度及其深度。当用于制造能够在NFC中使用的磁隔离器(例如，天线隔离器)时，优选具有大于约80的磁导率的导电软磁材料层。
实部磁导率表示磁场行进的程度如何，并且虚部磁导率表示磁场损失的程度。理想的材料是展现出高磁导率和低磁导率损失的材料。在一些实施方案中，与具有相同构造(除了其不具有互连间隙网络)的类似磁隔离器相比，磁隔离器的磁导率的实部不小于约10％。类似地，在一些实施方案中，磁隔离器的磁导率的虚部不大于具有相同构造(除了其不具有互连间隙网络)的磁隔离器的磁导率的虚部的约90％。
通常，间隙是在随机或伪随机网络中形成的；然而，网络也可能是规则的(例如，阵列)。例如，阵列可以是矩形阵列或菱形阵列。优选地，互连间隙网络相对于其长度和宽度至少基本上与ESMM层共延。
在一些实施方案中，间隙的面密度为约0.001至约60％，优选约0.01至约15％，并且更优选约0.01至约6％。如在说明书中所使用的，间隙的面密度是指导电软磁材料层中所有间隙的面积与导电软磁材料层的总面积的比率；术语“面积”是指在与电介质膜的顶面平行的方向上的横截面积。
优选地，导电软磁层中的每个间隙的深度等于层本身的厚度(即它们穿过层延伸到电介质膜)，但是在一些实施方案中，间隙的一些或全部可比导电软磁层的整个厚度更浅。因此，在一些实施方案中，互连间隙的平均深度与导电软磁岛状物的平均厚度的比率为至少0.5、0.6、0.7、0.8或甚至至少0.9。
互连间隙网络至少部分地抑制由外部磁场在ESMM层内感应的涡电流。效应的幅度取决于导电软磁材料层的组成和厚度以及间隙网络。
电介质热固性材料首先是电介质。其可以包含任何合适的固化树脂系统，任选地含有添加剂诸如软磁性和非磁性电介质填料(例如，如上所述)、固化剂、着色剂、抗氧化剂等。适当热固性材料的示例包括固化的：乙烯基酯树脂、乙烯基醚树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂(单组分或双组分)、聚脲树脂、氰酸酯树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂、氨基塑料树脂、脲醛树脂及其组合。材料、添加剂和固化剂的选择通常取决于诸如成本和处理参数等因素，并且是本领域技术人员已知的。
根据本公开的磁隔离器可以通过将ESMM层层压或以其他方式粘结到电介质膜来制造；例如，使用压敏粘结剂、热熔性粘结剂或热固性粘结剂(例如，未固化的环氧树脂)，然后进行固化。
根据本公开的磁隔离器通常用作最终用途电子制品中的片材，但可以理想地以卷材或片材的形式供应；例如，用于制造设备。
一旦层压，即在导电软磁岛状物的ESMM层中形成了限定互连间隙网络。用于形成间隙网络的合适技术的示例包括机械间隙形成技术(例如，通过弯曲、拉伸、搅打和/或压印ESMM层)、消融(激光消融、超声消融、电消融和热消融)和化学蚀刻。
优选地，ESMM层和磁隔离器在长度和/或宽度的间隙形成期间被拉伸。这有助于减少ESMM的相邻岛状物之间的意外电接触。优选地，该拉伸在磁隔离器的长度或宽度的至少一者中为至少10％、至少20％或甚至至少30％。
一旦形成了间隙，这些间隙即被热固性材料(至少部分地)填充，然后固化形成热固物。例如，固化可以通过加热和/或电磁辐射来实现，并且在本领域普通技术人员的能力范围内。
根据本公开的磁隔离器可用于扩展NFC电子装置的读取范围。
现在参照图2，能够与远程收发器进行近场通信的示例性电子制品200包括基板210和天线220。根据本公开的磁隔离器100(参见图1)设置在天线220和基板210之间。为了获得最大益处，基板210是导电的(例如，包含金属和/或其他导电材料)。
天线220(例如，导电环形天线)例如可以是铜或铝蚀刻天线，并且可以设置在电介质聚合物(例如，PET聚酯)膜基板上。其形状可以是例如具有13.56MHz谐振频率的环形、矩形或正方形。例如，其尺寸可以从约80cm2至约0.1cm2，其中厚度约35微米至约10微米。优选地，导电环形天线的阻抗的实部分量低于约5Ω。
集成电路240设置在基板210上并电耦合到环形天线220。
示例性电子装置包括手机、平板电脑和配备近场通信的其他装置、配备无线充电的装置、配备磁屏蔽材料以防止装置内或周围环境中的导电金属物体干扰的装置。
本公开的选择实施方案
在第一实施方案中，本公开提供了一种磁隔离器，该磁隔离器包括具有粘结到其上的导电软磁材料层的电介质膜，其中该导电软磁材料层包括通过互连间隙网络彼此隔开的基本上共面的导电软磁岛状物，其中互连间隙至少部分地填充有热固性电介质材料，其中当存在施加的外部磁场时，互连间隙网络至少部分地抑制软磁材料层内感应的涡电流。
在第二实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案的磁隔离器，其中该热固性电介质材料包括固化的环氧树脂。
在第三实施方案中，本公开提供了根据第一或第二实施方案的磁隔离器，其中导电软磁岛状物中的大部分导电软磁岛状物独立地与导电软磁岛状物中的所有相邻导电软磁岛状物电隔离。
在第四实施方案中，本公开提供了根据第一至第三实施方案中任一实施方案的磁隔离器，其中互连间隙网络沿着其长度和宽度与导电软磁材料层共延。
在第五实施方案中，本公开提供了根据第一至第四实施方案中任一实施方案的磁隔离器，其中与具有相同构造(除了其不具有互连间隙网络)的磁隔离器相比，该磁隔离器磁导率的实部不小于约10％。
在第六实施方案中，本公开提供了根据第一至第五实施方案中任一实施方案的磁隔离器，其中该磁隔离器磁导率的虚部不大于具有相同构造(除了其不具有互连间隙网络)的磁隔离器的磁导率的虚部的约90％。
在第七实施方案中，本公开提供了一种适于与远程生成的磁场感应耦合的电子装置，该电子装置包括：
基板；
粘结到该基板的天线；
集成电路，该集成电路设置在基板上并电耦合到天线；以及
根据第一至第六实施方案中任一实施方案的磁隔离器，设置在天线和基板之间。
在第八实施方案中，本发明提供了一种根据第七实施方案的电子装置，其中天线包括环形天线。
在第九实施方案，本公开提供了一种制造磁隔离器的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供基板，该基板具有粘结到其的连续的导电软磁材料层；
b)在限定多个导电软磁岛状物的导电软磁材料层中形成互连间隙网络：
c)用电介质热固性材料至少部分地填充互连间隙网络；以及
d)至少部分地固化可固化电介质材料，其中互连间隙网络至少部分地抑制由外部磁场在软磁膜的层内感应的涡电流。
在第十实施方案中，本发明提供了一种根据第九实施方案的方法，其中导电软磁岛状物包括纳米晶含铁材料。
在第十一实施方案中，本发明提供了根据第九或第十实施方案的方法，其中可固化树脂选自包括环氧树脂、聚氨酯树脂、聚脲树脂、氰酸酯树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂、氨基塑料树脂、酚醛树脂、脲醛树脂的组。
在第十二实施方案中，本公开提供了根据第九至第十一实施方案中任一实施方案的方法，其中互连间隙网络沿着其长度和宽度与导电软磁材料层共延。
在第十三实施方案中，本公开提供了根据第九至第十二实施方案中任一实施方案啊的方法，其中在步骤b)中，至少部分地通过有意地机械破碎连续的导电软磁材料层来提供互连间隙网络。
在第十四实施方案中，本公开提供了根据第九至第十三实施方案中任一实施方案的方法，其中至少部分地通过消融连续的导电软磁材料层来提供互连间隙网络。
在第十五实施方案中，本公开提供了根据第九至第十四实施方案中任一实施方案的方法，其中消融包括激光消融、超声消融、电消融和热消融中的一种或多种。
在第十六实施方案中，本公开提供了根据第九至第十五实施方案中任一实施方案的方法，其中步骤和b)包括在至少一个维度上将所述基板拉伸至少5％。
在第十七实施方案中，本公开提供了根据第九至第十六实施方案中任一实施方案的方法，其中步骤和b)包括在至少一个维度上将所述基板拉伸至少10％。
通过以下非限制性实施例，进一步示出了本公开的目的和优点，但在这些实施例中引用的具体材料及其量以及其它条件和细节不应视为对本公开的不当限制。
实施例
除非另有说明，否则实施例及本说明书的其余部分中的所有份数、百分比、比等均以重量计。
材料表
实施例1
在MEM07HM导电软磁纳米晶条带的一侧轻轻地粘附橡胶片。
在这种形式中，条带轻轻地粘附在橡胶片上，作为柔性支撑。将两部分环氧树脂混合并施加到条带表面上。将附接有特定纳米晶条带材料的橡胶片在纵向和横向上弯曲以分离断裂的片段，并且允许液态树脂润湿并填充其间的间隙，以在片段之间提供薄层电绝缘。在该处理结束时，纳米晶条带形成一层基本上共面的导电软磁岛状物，该软磁岛状物设置在橡胶片上并通过互连间隙网络彼此分开。
从暴露的平坦表面去除过量的环氧树脂，并根据制造商的指示使其固化。图5示出了在填充环氧树脂时弯曲后的EM07HM条带的样品，然后如上所述进行固化(实施例1)。所得到的磁隔离器的特征在于导电软磁材料层，其具有微细互连间隙的互连网络，所述间隙填充有固化的环氧树脂并粘附到橡胶片上。
为了比较，图6中示出了已经被拉伸但未填充环氧树脂的EM07HM条带。
环氧填充间隙对NFC读取距离的影响
近场通信(NFC)中的关键性能特性是图7所示利用隔离器与金属板屏蔽的供电天线与无源应答器天线之间的最大读取距离。在以下步骤中，使用从3A Logics NFC获得的NFC读取器套件读取距离测量值，该套件被配置为能够符合ISO/IEC 14443A和ISO 15693数字信号处理协议两者。
ISO/IEC 14443A数字信号处理协议在较短的读取距离内具有较高的数据传输速率。该协议显示了第一阶段破碎最明显的好处。另一方面，ISO15693协议特征为在较长的读取距离内具有较低的数据传输速率。该协议显示了用固化环氧树脂填充互连间隙网络的更多益处。
根据ISO/IEC 14443A和ISO 15693数字信号处理协议来评估材料样品。图7中所报告的结果表示根据每个方法评估的利用隔离器与金属板屏蔽的供电天线与无源读取器天线之间的最大读取距离。
以上获得专利证书的申请中所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式全文以引用方式并入本文中。在并入的参考文献部分与本申请之间存在不一致或矛盾的情况下，应以前述说明中的信息为准。为了使本领域的普通技术人员能够实践受权利要求书保护的本公开而给出的前述说明不应理解为是对本公开范围的限制，本公开的范围由权利要求书及其所有等同形式限定。