專利名稱：基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種負(fù)折射率器件，特別是基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件。
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，極大地限制了負(fù)折射率材料的應(yīng)用。參照圖 9，JC K"Tunable fishnet metamaterials infiltrated by liquid crystals, ” AppliedPhysics 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。這項工作在半導(dǎo)體基板氧化鋅(Zn0)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分布，通過影響負(fù)折射率材料的電容賦予負(fù)折射率材料可調(diào)諧性。然而，理論研究表明當(dāng)液晶介電性能變化時負(fù)折射率材料的工作頻率調(diào)幅(頻率移動幅度/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，本實用新型提供一種基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率的器件。通過設(shè)計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)折射率器件的基板保證了液晶與漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)金屬片全面接觸，利用液晶有效介電常數(shù)受環(huán)境溫度影響的特點，通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫度可以最大程度地調(diào)節(jié)負(fù)折射率器件的電容和工作頻段，實現(xiàn)負(fù)折射率器件的工作頻率隨溫度的大幅動態(tài)變化。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案一種基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件，包括覆銅板1，其特點是還包括U型壓條2和溫控裝置6，所述覆銅板1是長方形、單面，有兩個，每個覆銅板1四個角有定位孔4，每個覆銅板1 一面刻蝕有金屬片陣列， 金屬片陣列由多個、多排漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)金屬片排列而成，覆銅板1的金屬面涂覆有聚酰亞胺液晶定向?qū)?，所述U型壓條2外徑與覆銅板1長和寬等大，U型壓條2的口部和底部與覆銅板 1四個角配合部位有定位孔4，兩個覆銅板1相對放置并將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。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Δ η = 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。所述聚酰亞胺液晶定向?qū)右?guī)格為可使液晶分子垂直排列的液晶定向?qū)?，預(yù)傾角為90°。本實用新型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注入液晶，從而使液晶成為負(fù)折射率器件的基板；利用液晶介電性能在低于清亮點溫度區(qū)間內(nèi)易受溫度調(diào)控的特性，通過調(diào)節(jié)溫度改變液晶的等效介電常數(shù)，實現(xiàn)負(fù)折射率器件工作頻率的大幅動態(tài)可調(diào)，最大調(diào)節(jié)幅度可達6. 8%。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作詳細(xì)說明。

圖1是本實用新型基于液晶的寬頻溫度可調(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是實施例1所制作的基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件的微波透射譜隨溫度變化的圖譜。圖6是實施例1所制作的基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件的折射率隨溫度變化圖譜。圖7是實施例2所制作的基于液晶的寬頻溫度可調(diào)折射率器件的微波透射譜隨溫度變化圖譜。圖8是實施例2所制作的基于液晶的寬頻溫度可調(diào)折射率器件的折射率隨溫度變化圖譜。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；
具體實施方式
本實用新型基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件包括覆銅板1、U型壓條2和溫控裝置6，覆銅板1是長方形單面，有兩個，每個覆銅板1四個角有定位孔4，每個覆銅板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、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1四個角配合部位有定位孔4，兩個覆銅板1相對放置，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，通過溫控裝置6調(diào)節(jié)環(huán)境溫度得到含液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件。本實用新型基于液晶的寬頻溫度可調(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的一面上制備出漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的金屬片5陣列，且在覆銅板1四個角機加工直徑為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)涂覆聚酰亞胺液晶定向劑，采用階梯升溫法熱固化形成薄膜，即1小時由60°C加熱到120°C，恒溫15分鐘，1小時由120°C升溫至180°C，然后保持恒溫1小時，使用無塵布在聚酰亞胺薄膜上定向摩擦，得到可使液晶分子垂直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，機加工邊寬為5. Omm的U型壓條2且在四個角加工直徑為1.0mm的定位孔4。將制備的兩塊覆銅板1以金屬片5面相對的方式平行放置，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的位置對正并進行粘接，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)，得到含有液晶的負(fù)折射率器件；將負(fù)折射率器件置入溫控裝置6內(nèi)，調(diào)節(jié)溫度實現(xiàn)負(fù)折射率器件工作頻率的寬頻可調(diào)。寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件工作機理如下設(shè)計由覆銅板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)隨外加溫度變化的特點，實現(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可視為由中間部位的短金屬片和兩側(cè)長金屬片構(gòu)成的復(fù)合體。在入射波電磁場分量的激勵下，短金屬片發(fā)生磁諧振產(chǎn)生負(fù)的折射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Om = H^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)，本實用新型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、透射峰頻率的漂移和有效折射率幅值的變化。本實用新型所述的液晶為向列型液晶，其介電特性可通過沿長軸、短軸分布的介電常數(shù)ε 〃和ε ±來表征。當(dāng)溫度上升到液晶清亮點溫度Tc，向列型液晶將不再具有各向異性而成為各向同性，此時其介電常數(shù)為定值ε”本實用新型中漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的金屬片5在工作頻率處內(nèi)部局域電場沿垂直于金屬片面方向分布。在基板和金屬片表面涂覆預(yù)傾角為90°的聚酰亞胺液晶定向?qū)幽康脑谟谑挂壕б壕Х肿又赶蚴复怪庇诮饘倨砻?，相?yīng)地局域電場感受到液晶分子的等效介電常數(shù)為 ε 〃，所以金屬片對內(nèi)部的電容可由上述等式2近似為，C 二 εΗ—(3)
d其中，向列型液晶的ε,/可表示為，
2S11 = S1 +-Αε(4)這里Δ ε為液晶的長軸和短軸介電常數(shù)的差值，是一個溫度的函數(shù)，Νε 、\ 丄 γ(5)
Tc其中，β為常數(shù)，T為環(huán)境溫度(Τ < Tc)。顯然，當(dāng)環(huán)境溫度上升并逐漸逼近清亮點溫度Tc時，液晶介電常數(shù)ε 〃逐漸減小為ε 導(dǎo)致負(fù)折射率材料等效電容的減小和工作頻率的上升。實施例1 利用電路板印刷技術(shù)在厚度為1. OOmm的覆銅板1的單面上刻蝕漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的金屬片5陣列，金屬片5尺寸為W = 8. 00讓，L = 12. 00讓，Px = 15. 00讓，Py =10. 00mm。在覆銅板1的四角機加工直徑為1. OOmm的定位孔4。選用厚度為0. 50mm尺寸與覆銅板1相同的環(huán)氧玻璃板，利用數(shù)控機床加工制備出邊寬為5. OOmm的帶有定位孔4的 U型壓條2。采用旋轉(zhuǎn)涂覆法在覆銅板1有金屬片陣列的一面上涂覆聚酰亞胺液晶定向劑， 采用階梯升溫法熱固化形成薄膜，使用無塵布在聚酰亞胺薄膜上定向摩擦，得到使液晶分子垂直排列的聚酰亞胺液晶定向?qū)?。將制作的兩塊覆銅板1以含金屬片一面相對的方式平行放置，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和U型壓條2的位置對正并進行粘接，從而形成亞毫米厚度的液晶注射腔3。利用注射針管將雙折射率Δη = 0. 18向列型液晶(清亮點溫度Tc = 35. 0°C, ε “ = 2. 25，ε丄=2. 8224，ε 1 = 2. 44)注入液晶注射腔3內(nèi)，得到以液晶為基板的負(fù)折射率器件。最后將負(fù)折射率器件放入溫控裝置6內(nèi)，通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫度改變液晶的介電常數(shù)，從而實現(xiàn)負(fù)折射率器件工作頻率的寬頻可調(diào)。從圖5中可以看到，當(dāng)溫度由25. 0°C逐漸上升到35. 0°C時，所述器件的透射峰由 8. 86GHz向高頻逐漸移至9. 46GHz，移動范圍為600MHz，移動幅度為6. 8%。從圖6中可以看到，當(dāng)溫度由25. 0°C逐漸上升到35. 0°C時，所述器件的負(fù)折射率頻段由9. 00 9. 67GHz逐漸移至9. 72 10. 41GHz，表明所述器件折射率的溫度可調(diào)諧。實施例2 利用電路板印刷技術(shù)在厚度為1. OOmm的覆銅板1上制備出漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的金屬片 5 陣列，金屬片尺寸為W = 6. 00mm, L = 10. 00mm, Px = 15. 00mm, Py = 8. 00mm。同時在覆銅板1的四角機加工直徑為1.00mm的定位孔4。選用厚度為0. 40mm尺寸與覆銅板 1等同的環(huán)氧玻璃板，利用數(shù)控機床加工制備出邊寬為5. OOmm的U型壓條2，且U型壓條2 的四角機加工出直徑為1. OOmm的定位孔。采用旋轉(zhuǎn)涂覆法在覆銅板1有金屬片陣列的一面上涂覆聚酰亞胺液晶定向劑，采用階梯升溫法熱固化形成薄膜，使用無塵布在聚酰亞胺薄膜上定向摩擦，得到使液晶分子垂直排列的聚酰亞胺液晶定向?qū)印⒅苽涞膬蓧K覆銅板1以金屬片5 —面相對方式平行放置，U型壓條2置于兩塊覆銅板1中間，定位孔4將兩塊覆銅板1與U型壓條2的位置對正并進行粘接，從而形成亞毫米厚度的液晶注射腔3。利用注射針管將雙折射率Δη = 0. 17的向列型液晶(清亮點溫度Tc = 61. 2°C，ε “ = 2. 86，ε丄=2. 31，εχ = 2. 49)注入液晶注射腔3內(nèi)，得到含液晶的負(fù)折射率器件，最后將負(fù)折射率器件放入溫控裝置內(nèi)，通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫度改變液晶的介電常數(shù)，從而實現(xiàn)負(fù)折射率器件的工作頻率的寬頻溫度可調(diào)。從圖7中可以看到，當(dāng)溫度由25. 0°C逐漸上升到61. 2°C時，所述器件的透射峰頻率由9. 84GHz向高頻頻逐漸移至10. 50GHz，移動了 660MHz，調(diào)諧幅度為6. 7%。從圖8中可以看到，當(dāng)溫度由25. 0°C逐漸上升到61. 2°C時，所述器件的負(fù)折射率頻段由8. 92 10. 46GHz逐漸移至9. 58 11. 12GHz，表明所述器件的折射率的溫度調(diào)諧是非常有效的。上述實施例中，U型壓條2的厚度為0.30 0.60mm;所述的液晶為雙折射率為0. 15 0. 18的向列型液晶；所述的金屬片陣列中的金屬片是漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)，尺寸為W = 6. 00 10. 00mm, L = 10. 00 14. 00mm, Px = 13. 00 16. 00mm, Py = 8. 00 12. 00mm。
所述聚酰亞胺液晶定向?qū)右?guī)格為可使液晶分子垂直排列的液晶定向?qū)?，預(yù)傾角為90°。
權(quán)利要求1.一種基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件，包括覆銅板(l)、u型壓條(2)和溫控裝置(6)，其特征在于所述覆銅板(1)是長方形、單面，有兩個，每個覆銅板(1)四個角有定位孔(4)，每個覆銅板⑴一面刻蝕有金屬片陣列，金屬片陣列由多個、多排金屬片(5)周期排列而成；所述覆銅板(1)的金屬面涂覆有聚酰亞胺液晶定向?qū)?；所述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)四個角配合部位有定位孔(4)，兩個覆銅板(1)相對放置將U型壓條(2)夾住，形成液晶注射腔(3)，液晶充滿液晶注射腔⑶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶的寬頻溫度可調(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溫度可調(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溫度可調(diào)負(fù)折射率器件，其特征在于所述U 型壓條(2)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溫度可調(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溫度可調(diào)負(fù)折射率器件，其特征在于所述聚酰亞胺液晶定向?qū)右?guī)格為使液晶分子沿面垂直排列的液晶定向?qū)樱A(yù)傾角為90°。
專利摘要本實用新型公開了一種基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件，用于解決現(xiàn)有負(fù)折射率器件工作頻段窄的技術(shù)問題。技術(shù)方案是通過在覆銅板與U型壓條形成液晶注射腔內(nèi)注入液晶，保證液晶與金屬片的全面接觸，利用液晶有效介電常數(shù)受環(huán)境溫度影響的特點，通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫度最大程度地調(diào)節(jié)負(fù)折射率器件的電容和工作頻段，實現(xiàn)負(fù)折射率器件的工作頻率隨溫度的大幅動態(tài)變化。最大調(diào)節(jié)幅度可達6.8％。本實用新型可用于平板透鏡、隱身斗篷等新型的電子器件中。
文檔編號G02B5/30GK202075528SQ20102066257
公開日2011年12月14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)