专利名称：基于液晶的宽频温度可调负折射率器件及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种负折射率器件，特别是基于液晶的宽频温度可调负折射率器件， 还涉及这种宽频温度可调负折射率器件的制作方法。
背景技术：
负折射率材料表现出自然界现存材料不具备的负折射效应，可应用于新型电子信 息元器件的设计和制备。然而，普通负折射率材料仅能在某一频段内有效工作，极大地限制 了负折射率材料的应用。
参照图 9，JC "Tunable fishnet metamaterials infiltrated by liquid crystals, ” AppliedPhysics Letters, 2010, vol. 96，p. 193103-1-193103—3，”公开了一种 基于液晶的金属渔网结构的负折射率材料。这项工作在半导体基板氧化锌(&ι0)92正反两 面加工渔网结构的金(Au)薄膜91形成负折射率材料，然后在渔网网孔93中加入液晶。利 用液晶改变渔网结构金属薄膜的边缘电场分布，通过影响负折射率材料的电容赋予负折射 率材料可调谐性。然而，理论研究表明当液晶介电性能变化时负折射率材料的工作频率调 幅(频率移动幅度/中心工作频率)仅为3%，显然无法满足负折射率材料的应用要求。发明内容
为了克服现有的负折射率材料工作频段窄的不足，本发明提供一种基于液晶的宽 频温度可调负折射率的器件。通过设计液晶注射腔将液晶注入渔网结构金属片的中间使其 成为负折射率器件的基板，保证液晶与渔网结构金属片全面接触，利用液晶有效介电常数 受环境温度影响的特点，通过调节环境温度可以最大程度地调节负折射率器件的电容和工 作频段，实现负折射率器件的工作频率随温度的大幅动态变化。
本发明还提供这种宽频温度可调负折射率器件的制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案一种基于液晶的宽频温度可调负折射 率器件，包括覆铜板1，其特点是还包括U型压条2和温控装置6，所述覆铜板1是长方形、单 面，有两个，每个覆铜板1四个角有定位孔4，每个覆铜板1 一面刻蚀有金属片阵列，金属片 阵列由多个、多排渔网结构金属片排列而成，所述U型压条2外径与覆铜板1长和宽等大， U型压条2的口部和底部与覆铜板1四个角配合部位有定位孔4，两个覆铜板1相对放置并 将U型压条2夹住形成液晶注射腔3，液晶充满液晶注射腔3。
所述金属片5是渔网结构。
所述覆铜板1是聚四氟乙烯纤维板。
所述U型压条2的厚度是0.30 0.60mm。
所述液晶为向列型液晶，其双折射率为Δη = 0. 15 0. 18。
所述金属片阵列中的渔网尺寸W = 6. 00 10. 00mm, L = 10. 00 14. 00mm, Px =13. 00 16. 00mm, Py = 8. 00 12. 00mm。
一种上述宽频温度可调负折射率器件的制作方法，其特点是包括下述步骤
(a)采用印刷电路板技术在覆铜板1的一面制备出金属片5阵列，同时在覆铜板1 四角机加工出定位孔4;
(b)利用旋转涂覆法将聚酰亚胺液晶定向剂涂覆于覆铜板1有金属片5阵列的一 面，采用阶梯升温法热固化形成薄膜，然后使用无尘布定向摩擦，得到液晶分子沿覆铜板1 表面垂直排列的聚酰亚胺液晶定向层；
(c)选用外径尺寸与覆铜板1等大的环氧玻璃板机加工出U型压条2，并在U型压 条2的口部和底部与覆铜板1四个角配合部位加工出定位孔4 ；
(d)将两块带有金属片5阵列的覆铜板1以金属片一面相对的方式平行放置，将U 型压条2置于覆铜板1中间，通过定位孔将两块覆铜板1与U型压条2的位置对正后固化， 形成亚毫米厚度的液晶注射腔3，利用注射针管将向列型液晶注入液晶注射腔3内，得到含 有液晶的负折射率器件。
(f)将含有液晶的负折射率器件放入温控装置6内，调节环境温度，得到宽频温度 可调的负折射率器件。
所述聚酰亚胺液晶定向层规格为可使液晶分子垂直排列的液晶定向层，预倾角为 90°。
本发明的有益效果是由于在覆铜板与U型压条形成的液晶注射腔注入液晶，从 而使液晶成为负折射率器件的基板；利用液晶介电性能在低于清亮点温度区间内易受温度 调控的特性，通过调节温度改变液晶的等效介电常数，实现负折射率器件工作频率的大幅 动态可调，最大调节幅度可达6. 8 %。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作详细说明。
图1是本发明基于液晶的宽频温度可调负折射率器件立体示意图。
图2是图1中覆铜板上有金属片一面的示意图。
图3是图1中U型压条示意图。
图4是图2中渔网结构金属片阵列局部放大示意图。
图5是实施例1所制作的基于液晶的宽频温度可调负折射率器件的微波透射谱随 温度变化的图谱。
图6是实施例1所制作的基于液晶的宽频温度可调负折射率器件的折射率随温度 变化图谱。
图7是实施例2所制作的基于液晶的宽频温度可调折射率器件的微波透射谱随温 度变化图谱。
图8是实施例2所制作的基于液晶的宽频温度可调折射率器件的折射率随温度变 化图谱。
图9是背景技术基于液晶的可调渔网结构负折射率材料示意图。
图中，1-覆铜板；2-U型压条；3-液晶注射腔；4-定位孔；5-金属片；6_温控装置； 91-金薄膜；92-氧化锌(ZnO) ；93-网孔。
具体实施方式
本发明基于液晶的宽频温度可调负折射率器件包括覆铜板1、U型压条2和温控装 置6，覆铜板1是长方形单面，有两个，每个覆铜板1四个角有定位孔4，每个覆铜板1 一面 刻蚀有金属片阵列，金属片阵列由渔网结构金属片5多个、多排排列而成；U型压条2外径 与覆铜板1的长和宽等大，U型压条2的口部和底部与覆铜板1四个角配合部位有定位孔 4，两个覆铜板1相对放置，将U型压条2夹住，形成液晶注射腔3，液晶充满液晶注射腔3， 通过温控装置6调节环境温度得到含液晶的宽频温度可调负折射率器件。
本发明基于液晶的宽频温度可调负折射率器件制作过程如下，首先利用印刷电路板 技术在覆铜板1的一面上制备出渔网结构的金属片5阵列，且在覆铜板1四个角机加工直径为 1. Omm的定位孔4。然后在覆铜板1有金属片5阵列的一面旋转涂覆聚酰亚胺液晶定向剂，采 用阶梯升温法热固化形成薄膜，即1小时由60°C加热到120°C，恒温15分钟，1小时由120°C升 温至180°C，然后保持恒温1小时，使用无尘布在聚酰亚胺薄膜上定向摩擦，得到可使液晶分子 垂直排列的聚酰亚胺液晶定向层。选用尺寸与覆铜板1相同厚度为0. 30 0. 60mm的环氧玻璃 板，机加工边宽为5. Omm的U型压条2且在四个角加工直径为1. Omm的定位孔4。将制备的两 块覆铜板1以金属片5面相对的方式平行放置，将U型压条2置于两块覆铜板1中间，利用定 位孔4将两块覆铜板1与U型压条2的位置对正并进行粘接，从而形成亚毫米厚度的液晶注射 腔3。利用注射针管将向列型液晶注入液晶注射腔3内，得到含有液晶的负折射率器件；将负折 射率器件置入温控装置6内，调节温度实现负折射率器件工作频率的宽频可调。
宽频温度可调负折射率器件工作机理如下设计由覆铜板1和U型压条2组成的 亚毫米尺度液晶注射腔3填充液晶使液晶成为负折射率器件的基板，利用液晶介电常数随 外加温度变化的特点，实现负折射率器件工作频率的大幅调谐。
渔网结构的金属片5可视为由中间部位的短金属片和两侧长金属片构成的复合 体。在入射波电磁场分量的激励下，短金属片发生磁谐振产生负的折射率而长金属片提供 负的介电常数，二者共同的作用结果使得渔网结构的金属片表现出负的折射率。渔网结构 金属片的谐振频率可由等效电感电容电路分析
权利要求
1.一种基于液晶的宽频温度可调负折射率器件，包括覆铜板(l)、u型压条( 和温控 装置(6)，其特征在于所述覆铜板(1)是长方形、单面，有两个，每个覆铜板(1)四个角有 定位孔G)，每个覆铜板⑴一面刻蚀有金属片阵列，金属片阵列由多个、多排金属片(5)周 期排列而成；所述U型压条( 外径与覆铜板(1)的长和宽等大，U型压条O)的口部和底 部与覆铜板(1)四个角配合部位有定位孔G)，两个覆铜板(1)相对放置将U型压条(2)夹 住，形成液晶注射腔(3)，液晶充满液晶注射腔(3)。
2.根据权利要求1所述的基于液晶的宽频温度可调负折射率器件，其特征在于所述 金属片(5)是渔网结构。
3.根据权利要求1所述的基于液晶的宽频温度可调负折射率器件，其特征在于所述 覆铜板(1)是聚四氟乙烯纤维板。
4.根据权利要求1所述的基于液晶的宽频温度可调负折射率器件，其特征在于所述U 型压条O)的厚度是0. 30 0. 60mm。
5.根据权利要求1所述的基于液晶的宽频温度可调负折射率器件，其特征在于所述 液晶为向列型液晶，其双折射率为Δη = 0. 15 0. 18。
6.根据权利要求1所述的基于液晶的宽频温度可调负折射率器件，其特征在于所述 金属片阵列中的渔网结构尺寸范围是，W = 6. 00 10. 00mm, L = 10. 00 14. 00mm, Px = 13. 00 16. 00mm, Py = 8. 00 12. 00mm。
7.—种权利要求1所述基于液晶的宽频温度可调负折射率器件的制作方法，其特征在 于包括下述步骤(a)采用印刷电路板技术在覆铜板(1)的一面制备出金属片(5)阵列，同时在覆铜板 (1)四角机加工出定位孔⑷；(b)利用旋转涂覆法将聚酰亚胺液晶定向剂涂覆于覆铜板(1)有金属片( 阵列的一 面，采用阶梯升温法热固化形成薄膜，然后使用无尘布定向摩擦，得到使液晶分子沿覆铜板 (1)表面垂直排列的聚酰亚胺液晶定向层；(c)选用外径尺寸与覆铜板(1)等大的环氧玻璃板机加工出U型压条O)，并在U型压 条O)的口部和底部与覆铜板(1)四个角配合部位加工出定位孔；(d)将两块带有金属片(5)阵列的覆铜板(1)以金属片一面相对的方式平行放置，将U 型压条( 置于覆铜板(1)中间，通过定位孔将两块覆铜板(1)与U型压条O)的位置对 正后固化，形成亚毫米厚度的液晶注射腔(3)，利用注射针管将向列型液晶注入液晶注射腔 (3)内，得到含有液晶的负折射率器件；(f)将含有液晶的负折射率器件放入温控装置(6)内，得到基于液晶的宽频温度可调 负折射率器件。
8.根据权利要求7所述基于液晶的宽频温度可调负折射率器件的制作方法，其特征 在于所述聚酰亚胺液晶定向层规格为使液晶分子沿面垂直排列的液晶定向层，预倾角为 90° 。
全文摘要
本发明公开了一种基于液晶的宽频温度可调负折射率器件，还公开了这种基于液晶的宽频温度可调负折射率器件的制作方法，用于解决现有负折射率器件工作频段窄的技术问题。技术方案是通过在覆铜板与U型压条形成液晶注射腔内注入液晶，保证液晶与金属片的全面接触，利用液晶有效介电常数受环境温度影响的特点，通过调节环境温度最大程度地调节负折射率器件的电容和工作频段，实现负折射率器件的工作频率随温度的大幅动态变化。最大调节幅度可达6.8％。该器件可用于平板透镜、隐身斗篷等新型的电子器件中。
文档编号G02B5/30GK102033342SQ20101059059
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者张卫红, 张富利, 王旭辰 申请人:西北工业大学