专利名称：基于液晶的宽频温度可调负折射率器件的制作方法
技术领域：
本实用新型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。
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 K"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(Zn0)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。
发明内容为了克服普通负折射率材料工作频段窄的缺点，本实用新型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了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。本实用新型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，覆铜板1的金属面涂覆有聚酰亚胺液晶定向层，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Δ η = 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。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°。本实用新型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%。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作详细说明。
图1是本实用新型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_引线； 91-金薄膜，92-氧化锌(ZnO) ；93-网孔；
具体实施方式
本实用新型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，金属片阵列与引线6相连；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。本实用新型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1.0mm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Om = H^LC(1)式中，L是金属片的电感；C是金属片的电容，由平板模型等效分析C = Sr-(2)
d式中，、是负折射率器件基板的介电常数，本实用新型中器件的基板为液晶。显然，液晶的介电常数变化必然引起负折射率器件电容的改变、透射峰频率的漂移和有效折射率幅值的变化。本实用新型所述的液晶为向列型液晶，其介电特性可通过沿长轴、短轴分布的介电常数ε 〃和ε ±来表征。当温度上升到液晶清亮点温度Tc，向列型液晶将不再具有各向异性而成为各向同性，此时其介电常数为定值ε”本实用新型中渔网结构的金属片5在工作频率处内部局域电场沿垂直于金属片面方向分布。在基板和金属片表面涂覆预倾角为90°的聚酰亚胺液晶定向层目的在于使液晶液晶分子指向矢垂直于金属片表面，相应地局域电场感受到液晶分子的等效介电常数为 ε 〃，所以金属片对内部的电容可由上述等式2近似为，C 二 εΗ—(3)
d其中，向列型液晶的ε,/可表示为，
2S11 = S1 +-Αε(4)这里Δ ε为液晶的长轴和短轴介电常数的差值，是一个温度的函数，Νε 、\ 丄 γ(5)
Tc其中，β为常数，T为环境温度(Τ < Tc)。显然，当环境温度上升并逐渐逼近清亮点温度Tc时，液晶介电常数ε 〃逐渐减小为ε 导致负折射率材料等效电容的减小和工作频率的上升。实施例1 利用电路板印刷技术在厚度为1. OOmm的覆铜板1的单面上刻蚀渔网结构的金属片5阵列，金属片5尺寸为W = 8. 00讓，L = 12. 00讓，Px = 15. 00讓，Py =10. 00mm。在覆铜板1的四角机加工直径为1. OOmm的定位孔4。选用厚度为0. 50mm尺寸与覆铜板1相同的环氧玻璃板，利用数控机床加工制备出边宽为5. OOmm的带有定位孔4的 U型压条2。采用旋转涂覆法在覆铜板1有金属片阵列的一面上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，使用无尘布在聚酰亚胺薄膜上定向摩擦，得到使液晶分子垂直排列的聚酰亚胺液晶定向层。将制作的两块覆铜板1以含金属片一面相对的方式平行放置，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和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。利用注射针管将双折射率Δη = 0. 18向列型液晶(清亮点温度Tc = 35. 0°C, ε “ = 2. 25，ε丄=2. 8224，ε 1 = 2. 44)注入液晶注射腔3内，得到以液晶为基板的负折射率器件。最后将负折射率器件放入温控装置6内，通过调节环境温度改变液晶的介电常数，从而实现负折射率器件工作频率的宽频可调。从图5中可以看到，当温度由25. 0°C逐渐上升到35. 0°C时，所述器件的透射峰由 8. 86GHz向高频逐渐移至9. 46GHz，移动范围为600MHz，移动幅度为6. 8%。从图6中可以看到，当温度由25. 0°C逐渐上升到35. 0°C时，所述器件的负折射率频段由9. 00 9. 67GHz逐渐移至9. 72 10. 41GHz，表明所述器件折射率的温度可调谐。实施例2 利用电路板印刷技术在厚度为1. OOmm的覆铜板1上制备出渔网结构的金属片 5 阵列，金属片尺寸为W = 6. 00mm, L = 10. 00mm, Px = 15. 00mm, Py = 8. 00mm。同时在覆铜板1的四角机加工直径为1.00mm的定位孔4。选用厚度为0. 40mm尺寸与覆铜板 1等同的环氧玻璃板，利用数控机床加工制备出边宽为5. OOmm的U型压条2，且U型压条2 的四角机加工出直径为1. OOmm的定位孔。采用旋转涂覆法在覆铜板1有金属片阵列的一面上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，使用无尘布在聚酰亚胺薄膜上定向摩擦，得到使液晶分子垂直排列的聚酰亚胺液晶定向层。将制备的两块覆铜板1以金属片5 —面相对方式平行放置，U型压条2置于两块覆铜板1中间，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。利用注射针管将双折射率Δη = 0. 17的向列型液晶(清亮点温度Tc = 61. 2°C，ε “ = 2. 86，ε丄=2. 31，εχ = 2. 49)注入液晶注射腔3内，得到含液晶的负折射率器件，最后将负折射率器件放入温控装置内，通过调节环境温度改变液晶的介电常数，从而实现负折射率器件的工作频率的宽频温度可调。从图7中可以看到，当温度由25. 0°C逐渐上升到61. 2°C时，所述器件的透射峰频率由9. 84GHz向高频频逐渐移至10. 50GHz，移动了 660MHz，调谐幅度为6. 7%。从图8中可以看到，当温度由25. 0°C逐渐上升到61. 2°C时，所述器件的负折射率频段由8. 92 10. 46GHz逐渐移至9. 58 11. 12GHz，表明所述器件的折射率的温度调谐是非常有效的。上述实施例中，U型压条2的厚度为0.30 0.60mm;所述的液晶为双折射率为0. 15 0. 18的向列型液晶；所述的金属片阵列中的金属片是渔网结构，尺寸为W = 6. 00 10. 00mm, L = 10. 00 14. 00mm, Px = 13. 00 16. 00mm, Py = 8. 00 12. 00mm。
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°。
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(2)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(4)，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；所述覆铜板(1)的金属面涂覆有聚酰亚胺液晶定向层；所述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⑶。
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(2)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°。
专利摘要本实用新型公开了一种基于液晶的宽频温度可调负折射率器件，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％。本实用新型可用于平板透镜、隐身斗篷等新型的电子器件中。
文档编号G02B5/30GK202075528SQ20102066257
公开日2011年12月14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