專利名稱：基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種負(fù)折射率器件，特別是基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件， 還涉及這種電場可調(diào)負(fù)折射率器件的制作方法。
背景技術(shù)：
負(fù)折射率材料表現(xiàn)出自然界現(xiàn)存材料不具備的負(fù)折射效應(yīng)，可應(yīng)用于新型電子信 息元器件的設(shè)計(jì)和制備。然而，普通負(fù)折射率材料僅能在某一頻段內(nèi)有效工作，極大的限制 了負(fù)折射率材料的應(yīng)用。參照圖 9，JC "Tunable fishnet metamaterials infiltrated by liquid crystals, "Applied Physics Letters, 2010, vol. 96, p. 193103-1-193103-3，”公開了一種 基于液晶的金屬漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的負(fù)折射率材料。這項(xiàng)工作在半導(dǎo)體基板氧化鋅(&ι0)92正反兩 面加工漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的金(Au)薄膜91形成負(fù)折射率材料，然后在漁網(wǎng)網(wǎng)孔93中加入液晶。利 用液晶改變漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)金屬薄膜的邊緣電場，通過影響負(fù)折射率材料的電容賦予負(fù)折射率材 料工作頻率的可調(diào)諧性。然而，理論研究表明當(dāng)液晶介電性能變化時(shí)負(fù)折射率材料的工作 頻率調(diào)幅(頻率移動(dòng)幅度/中心工作頻率)僅為3%，顯然無法滿足負(fù)折射率材料的應(yīng)用要 求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服普通負(fù)折射率材料工作頻段窄的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種基于液晶的寬頻 電場可調(diào)負(fù)折射率的器件。通過設(shè)計(jì)液晶注射腔將液晶注入漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)金屬片的中間使其成 為負(fù)折射率器件的基板，從而最大程度調(diào)節(jié)負(fù)折射率器件的電容和工作頻段，此外利用液 晶有效介電常數(shù)受外加偏置電場影響的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率器件的工作頻率隨外加偏置電 場的動(dòng)態(tài)變化。本發(fā)明還提供這種寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件的制作方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案一種基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射 率器件，包括覆銅板1，其特點(diǎn)是還包括U型壓條2，所述覆銅板1是長方形、單面，有兩個(gè)， 每個(gè)覆銅板1四個(gè)角有定位孔4，每個(gè)覆銅板1 一面刻蝕有金屬片陣列，金屬片陣列由多個(gè)、 多排漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)金屬片排列而成，金屬片陣列和引線6相連；所述U型壓條2外徑與長方形的 覆銅板1長和寬等大，U型壓條2的口部和底部與覆銅板1四個(gè)角配合部位有定位孔4，兩 個(gè)覆銅板1相對(duì)放置并將U型壓條2夾住，形成液晶注射腔3，液晶充滿液晶注射腔3，一個(gè) 覆銅板1上的引線6接直流電源的正極，另一個(gè)覆銅板1上的引線6接直流電源的負(fù)極。所述金屬片5是漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)。所述覆銅板1是聚四氟乙烯纖維板。所述U型壓條2的厚度是0.30 0.60mm。所述液晶為向列型液晶，其雙折射率為Δη = 0. 15 0. 18。所述金屬片陣列中的漁網(wǎng)尺寸W = 6. 00 10. 00mm, L = 10. 00 14. 00mm, Px=13. 00 16. 00mm, Py = 8. 00 12. 00mm。一種上述寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件的制作方法，其特點(diǎn)是包括下述步驟(a)采用印刷電路板技術(shù)在覆銅板1的一面制備出金屬片5陣列、引線6，同時(shí)在 覆銅板1四角機(jī)加工出定位孔；(b)利用旋轉(zhuǎn)涂覆法將聚酰亞胺液晶定向劑涂覆于覆銅板1有金屬片5陣列的一 面，采用階梯升溫法熱固化形成薄膜，然后使用無塵布沿電極方向定向摩擦，得到液晶分子 沿覆銅板1表面平行排列的聚酰亞胺液晶定向?qū)樱?c)選用外徑尺寸與覆銅板1等大的環(huán)氧玻璃板機(jī)加工出U型壓條2，并在U型壓 條2的口部和底部與覆銅板1四個(gè)角配合部位加工出定位孔4 ；(d)將兩塊帶有金屬片5陣列的覆銅板1以金屬片一面相對(duì)的方式平行放置，將U 型壓條2置于覆銅板1中間，通過定位孔將兩塊覆銅板1與U型壓條2的位置對(duì)正后固化， 形成亞毫米厚度的液晶注射腔3，利用注射針管將向列型液晶注入液晶注射腔3內(nèi)，得到含 有液晶的負(fù)折射率器件。所述聚酰亞胺液晶定向?qū)右?guī)格為沿面平行排列的液晶定向?qū)?，預(yù)傾角為1 4°。本發(fā)明的有益效果是由于在覆銅板與U型壓條形成的液晶注射腔位于金屬片陣 列的中間使液晶成為負(fù)折射率器件的基板，從而最大程度改善負(fù)折射率器件的工作頻率; 一個(gè)覆銅板上的引線接直流電源的正極，另一個(gè)覆銅板上的引線接直流電源的負(fù)極，利用 液晶介電性能易受電場調(diào)控的特性，通過施加電場改變液晶的等效介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)折射 率器件工作頻率的動(dòng)態(tài)可調(diào)，最大調(diào)節(jié)幅度可達(dá)1. 02GHz，調(diào)幅可達(dá)10. 4% .下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1是本發(fā)明基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件立體示意圖。圖2是圖1中覆銅板上有金屬片一面的示意圖。圖3是圖1中U型壓條示意圖。圖4是圖2中漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)金屬片陣列局部放大示意圖。圖5是實(shí)施例1所制作的基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件的微波透射譜隨 電場變化的圖譜。圖6是實(shí)施例1所制作的基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件的折射率隨電場 變化圖譜。圖7是實(shí)施例2所制作的基于液晶的寬頻電場可調(diào)折射率器件的微波透射譜隨電 場變化圖譜。圖8是實(shí)施例2所制作的基于液晶的寬頻電場可調(diào)折射率器件的折射率隨電場變 化圖譜。圖9是背景技術(shù)基于液晶的可調(diào)漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)負(fù)折射率材料示意圖。圖中，1-覆銅板；2-U型壓條；3-液晶注射腔；4-定位孔；5-金屬片；6_引線； 91-金薄膜，92-氧化鋅(ZnO) ；93-網(wǎng)孔；
具體實(shí)施例方式本發(fā)明基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件包括覆銅板1、U型壓條2，覆銅板 1是長方形單面，有兩個(gè)，每個(gè)覆銅板1四個(gè)角有定位孔4，每個(gè)覆銅板1 一面刻蝕有金屬片 陣列，金屬片陣列由漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)金屬片5多個(gè)、多排排列而成，金屬片陣列與引線6相連；U型 壓條2外徑與覆銅板1的長和寬等大，U型壓條2的口部和底部與覆銅板1四個(gè)角配合部 位有定位孔4，兩個(gè)覆銅板1相對(duì)放置，將U型壓條2夾住，形成液晶注射腔3，液晶充滿液 晶注射腔3，一個(gè)覆銅板1上引線6接直流電源的正極，另一個(gè)覆銅板1上的引線6接直流 電源的負(fù)極。覆銅板1是聚四氟乙烯纖維板。本發(fā)明基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件制作過程如下，首先利用印刷電路 板技術(shù)在覆銅板1的一面上制備出金屬片5陣列和引線6，且在覆銅板1四個(gè)角機(jī)加工直 徑為1. Omm的定位孔4。然后在覆銅板1有金屬片5陣列的一面旋轉(zhuǎn)涂覆沿面排列的聚酰 亞胺液晶定向劑，采用階梯升溫法熱固化形成薄膜，S卩1小時(shí)由60°C加熱到120°C，恒溫1 小時(shí)，1小時(shí)由120°C升溫至180°C，恒溫1小時(shí)，半小時(shí)由180°C加熱至200°C并保持恒溫 0. 5小時(shí)，使用無塵布在聚酰亞胺薄膜上沿電極方向定向摩擦，得到可使液晶分子沿面排列 的聚酰亞胺液晶定向?qū)?。選用尺寸與覆銅板1相同厚度為0. 30 0. 60mm的環(huán)氧玻璃板， 機(jī)加工邊寬為5. Omm的U型壓條2且在四個(gè)角加工直徑為1. Omm的定位孔4。將制備的兩 塊覆銅板1以含金屬片5的一面相對(duì)的方式平行放置，將U型壓條2置于兩塊覆銅板1中 間，利用定位孔4將兩塊覆銅板1與U型壓條2的位置對(duì)正并進(jìn)行粘接，從而形成亞毫米厚 度的液晶注射腔3。利用注射針管將向列型液晶注入液晶注射腔3內(nèi)，得到含液晶的負(fù)折射 率器件；一個(gè)覆銅板1上的引線6接直流電源的正極，另一個(gè)覆銅板1上的引線6接直流電 源的負(fù)極，通過調(diào)節(jié)直流電源輸出電壓改變液晶的介電常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率器件工作 頻率的電場可調(diào)。寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件工作機(jī)理如下設(shè)計(jì)由覆銅板1和U型壓條2組成的 亞毫米尺度液晶注射腔3填充液晶，從而使液晶成為負(fù)折射率器件的基板，利用液晶介電 常數(shù)隨外加電場變化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率器件工作頻率的大幅調(diào)諧。漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的金屬片5是位于中間部位的短金屬片和兩側(cè)長金屬片的復(fù)合體。在入 射波電磁場分量的激勵(lì)下，短金屬片發(fā)生磁諧振產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率而長金屬片提供負(fù)的介電 常數(shù)，二者共同的作用結(jié)果使得漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的金屬片表現(xiàn)出負(fù)的折射率。漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)金屬片的 諧振頻率可由等效電感電容電路分析rnm = M^LC(1)式中，L是金屬片的電感；C是金屬片的電容，由平板模型等效分析C = Sr-(2)d式中，、是負(fù)折射率器件基板的介電常數(shù)，本發(fā)明中器件的基板為液晶。顯然，液 晶的介電常數(shù)變化必然引起負(fù)折射率器件電容的改變、諧振頻率的漂移和有效折射率幅值 的變化。本發(fā)明所述的液晶為向列型液晶，其等效介電常數(shù)隨其指向矢η偏轉(zhuǎn)角度θ變化 的關(guān)系式如下
權(quán)利要求
1.一種基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件，包括覆銅板(1)，其特征在于還包 括U型壓條O)，所述覆銅板(1)是長方形、單面，有兩個(gè)，每個(gè)覆銅板(1)四個(gè)角有定位孔 G)，每個(gè)覆銅板⑴一面刻蝕有金屬片陣列，金屬片陣列由多個(gè)、多排金屬片(5)排列而 成，金屬片陣列與引線(6)相連；所述U型壓條(2)外徑與長方形的長和寬等大，U型壓條 ⑵的口部和底部與覆銅板⑴四個(gè)角配合部位有定位孔G)，兩個(gè)覆銅板⑴相對(duì)放置， 將U型壓條⑵夾住，形成液晶注射腔(3)，液晶充滿液晶注射腔(3)，一個(gè)覆銅板⑴上的 引線(6)接直流電源的正極，另一個(gè)覆銅板(1)上的引線(6)接直流電源的負(fù)極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件，其特征在于所述 金屬片(5)是漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件，其特征在于所述 覆銅板(1)是聚四氟乙烯纖維板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件，其特征在于所述U 型壓條O)的厚度是0. 30 0. 60mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件，其特征在于所述 液晶為向列型液晶，其雙折射率為Δη = 0. 15 0. 18。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件，其特征在于所述 金屬片陣列中的金屬片尺寸，W = 6. 00 10. 00mm, L = 10. 00 14. 00mm, Px = 13. 00 16. 00mm, Py = 8. 00 12. 00mm。
7.—種權(quán)利要求1所述基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件的制作方法，其特征在 于包括下述步驟(a)采用印刷電路板技術(shù)在覆銅板⑴的一面制備出金屬片(5)陣列、引線(6)，同時(shí) 在覆銅板(1)四角機(jī)加工出定位孔；(b)利用旋轉(zhuǎn)涂覆法將聚酰亞胺液晶定向劑涂覆于覆銅板(1)有金屬片( 陣列的一 面，采用階梯升溫法熱固化形成薄膜，然后使用無塵布沿電極方向定向摩擦，得到液晶分子 沿覆銅板(1)表面平行排列的聚酰亞胺液晶定向?qū)樱?c)選用外徑尺寸與覆銅板(1)等大的環(huán)氧玻璃板機(jī)加工出U型壓條O)，并在U型壓 條O)的口部和底部與覆銅板(1)四個(gè)角配合部位加工出定位孔；(d)將兩塊帶有金屬片(5)陣列的覆銅板(1)以金屬片一面相對(duì)的方式平行放置，將U 型壓條( 置于覆銅板(1)中間，通過定位孔將兩塊覆銅板(1)與U型壓條O)的位置對(duì) 正后固化，形成亞毫米厚度的液晶注射腔(3)，利用注射針管將向列型液晶注入液晶注射腔 (3)內(nèi)，得到含有液晶的負(fù)磁導(dǎo)率器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)磁導(dǎo)率器件的制作方法，其特征在 于所述聚酰亞胺液晶定向?qū)右?guī)格為沿面平行排列的液晶定向?qū)樱A(yù)傾角為1 4°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件，還公開了這種基于液晶的寬頻電場可調(diào)負(fù)折射率器件的制作方法，用于解決現(xiàn)有的負(fù)折射率器件工作頻段窄的技術(shù)問題。技術(shù)方案是在覆銅板與U型壓條形成的液晶注射腔使液晶成為負(fù)折射率器件的基板，從而最大限度改變負(fù)折射率器件的工作頻率。利用液晶介電性能易受外場調(diào)控的特性，通過施加電場改變液晶的等效介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率器件工作頻率的動(dòng)態(tài)可調(diào)，最大調(diào)節(jié)幅度可達(dá)10.4％。
文檔編號(hào)G02B5/30GK102053405SQ20101058858
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者張衛(wèi)紅, 張富利, 王旭辰 申請人:西北工業(yè)大學(xué)