专利名称：基于液晶的宽频电场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电场可调负折射率器件， 还涉及这种电场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，极大的限制 了负折射率材料的应用。参照图 9，JC "Tunable fishnet metamaterials infiltrated by liquid crystals, "Applied Physics 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，通过影响负折射率材料的电容赋予负折射率材 料工作频率的可调谐性。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，本发明提供一种基于液晶的宽频 电场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，从而最大程度调节负折射率器件的电容和工作频段，此外利用液 晶有效介电常数受外加偏置电场影响的特点，实现负折射率器件的工作频率随外加偏置电 场的动态变化。本发明还提供这种宽频电场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电场可调负折射 率器件，包括覆铜板1，其特点是还包括U型压条2，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，金属片阵列和引线6相连；所述U型压条2外径与长方形的 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3，一个 覆铜板1上的引线6接直流电源的正极，另一个覆铜板1上的引线6接直流电源的负极。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。一种上述宽频电场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、引线6，同时在 覆铜板1四角机加工出定位孔；(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，然后使用无尘布沿电极方向定向摩擦，得到液晶分子 沿覆铜板1表面平行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。所述聚酰亚胺液晶定向层规格为沿面平行排列的液晶定向层，预倾角为1 4°。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位于金属片阵 列的中间使液晶成为负折射率器件的基板，从而最大程度改善负折射率器件的工作频率; 一个覆铜板上的引线接直流电源的正极，另一个覆铜板上的引线接直流电源的负极，利用 液晶介电性能易受电场调控的特性，通过施加电场改变液晶的等效介电常数，实现负折射 率器件工作频率的动态可调，最大调节幅度可达1. 02GHz，调幅可达10. 4% .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电场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电场可调负折射率器件的微波透射谱随 电场变化的图谱。图6是实施例1所制作的基于液晶的宽频电场可调负折射率器件的折射率随电场 变化图谱。图7是实施例2所制作的基于液晶的宽频电场可调折射率器件的微波透射谱随电 场变化图谱。图8是实施例2所制作的基于液晶的宽频电场可调折射率器件的折射率随电场变 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；
具体实施例方式本发明基于液晶的宽频电场可调负折射率器件包括覆铜板1、U型压条2，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3，一个覆铜板1上引线6接直流电源的正极，另一个覆铜板1上的引线6接直流 电源的负极。覆铜板1是聚四氟乙烯纤维板。本发明基于液晶的宽频电场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的一面上制备出金属片5阵列和引线6，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沿面排列的聚酰 亚胺液晶定向剂，采用阶梯升温法热固化形成薄膜，S卩1小时由60°C加热到120°C，恒温1 小时，1小时由120°C升温至180°C，恒温1小时，半小时由180°C加热至200°C并保持恒温 0. 5小时，使用无尘布在聚酰亚胺薄膜上沿电极方向定向摩擦，得到可使液晶分子沿面排列 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以含金属片5的一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，得到含液晶的负折射 率器件；一个覆铜板1上的引线6接直流电源的正极，另一个覆铜板1上的引线6接直流电 源的负极，通过调节直流电源输出电压改变液晶的介电常数，从而实现负折射率器件工作 频率的电场可调。宽频电场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，从而使液晶成为负折射率器件的基板，利用液晶介电 常数随外加电场变化的特点，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是位于中间部位的短金属片和两侧长金属片的复合体。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磁导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rnm = M^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，本发明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、谐振频率的漂移和有效折射率幅值 的变化。本发明所述的液晶为向列型液晶，其等效介电常数随其指向矢η偏转角度θ变化 的关系式如下
权利要求
1.一种基于液晶的宽频电场可调负折射率器件，包括覆铜板(1)，其特征在于还包 括U型压条O)，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)排列而 成，金属片阵列与引线(6)相连；所述U型压条(2)外径与长方形的长和宽等大，U型压条 ⑵的口部和底部与覆铜板⑴四个角配合部位有定位孔G)，两个覆铜板⑴相对放置， 将U型压条⑵夹住，形成液晶注射腔(3)，液晶充满液晶注射腔(3)，一个覆铜板⑴上的 引线(6)接直流电源的正极，另一个覆铜板(1)上的引线(6)接直流电源的负极。
2.根据权利要求1所述的基于液晶的宽频电场可调负折射率器件，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电场可调负折射率器件，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电场可调负折射率器件，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电场可调负折射率器件，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电场可调负折射率器件，其特征在于所述 金属片阵列中的金属片尺寸，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电场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⑴的一面制备出金属片(5)阵列、引线(6)，同时 在覆铜板(1)四角机加工出定位孔；(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，然后使用无尘布沿电极方向定向摩擦，得到液晶分子 沿覆铜板(1)表面平行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，得到含有液晶的负磁导率器件。
8.根据权利要求7所述基于液晶的宽频电场可调负磁导率器件的制作方法，其特征在 于所述聚酰亚胺液晶定向层规格为沿面平行排列的液晶定向层，预倾角为1 4°。
全文摘要
本发明公开了一种基于液晶的宽频电场可调负折射率器件，还公开了这种基于液晶的宽频电场可调负折射率器件的制作方法，用于解决现有的负折射率器件工作频段窄的技术问题。技术方案是在覆铜板与U型压条形成的液晶注射腔使液晶成为负折射率器件的基板，从而最大限度改变负折射率器件的工作频率。利用液晶介电性能易受外场调控的特性，通过施加电场改变液晶的等效介电常数，实现负折射率器件工作频率的动态可调，最大调节幅度可达10.4％。
文档编号G02B5/30GK102053405SQ20101058858
公开日2011年5月11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