專利名稱：基于液晶的寬頻溫度可調(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溫度可調(diào)負(fù)折射率器件， 還涉及這種寬頻溫度可調(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，極大地限制 了負(fù)折射率材料的應(yīng)用。
參照?qǐng)D 9，JC "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(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(chǎng)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(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
為了克服現(xiàn)有的負(fù)折射率材料工作頻段窄的不足，本發(fā)明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(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，保證液晶與漁網(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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)負(fù)折射率器件的工作頻率隨溫度的大幅動(dòng)態(tài)變化。
本發(fā)明還提供這種寬頻溫度可調(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溫度可調(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和溫控裝置6，所述覆銅板1是長(zhǎng)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，所述U型壓條2外徑與覆銅板1長(zhǎng)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。
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。
一種上述寬頻溫度可調(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，同時(shí)在覆銅板1 四角機(jī)加工出定位孔4;
(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，然后使用無塵布定向摩擦，得到液晶分子沿覆銅板1 表面垂直排列的聚酰亞胺液晶定向?qū)樱?br>
(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。
(f)將含有液晶的負(fù)折射率器件放入溫控裝置6內(nèi)，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，得到寬頻溫度 可調(diào)的負(fù)折射率器件。
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)樱A(yù)傾角為 90°。
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(diǎn)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(shí)現(xiàn)負(fù)折射率器件工作頻率的大幅 動(dòng)態(tài)可調(diào)，最大調(diào)節(jié)幅度可達(dá)6. 8 %。
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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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_溫控裝置； 91-金薄膜；92-氧化鋅(ZnO) ；93-網(wǎng)孔。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明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(zhǎng)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；U型壓條2外徑 與覆銅板1的長(zhǎng)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， 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。
本發(fā)明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(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(shí)由60°C加熱到120°C，恒溫15分鐘，1小時(shí)由120°C升 溫至180°C，然后保持恒溫1小時(shí)，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(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以金屬片5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(shí)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(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(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可視為由中間部位的短金屬片和兩側(cè)長(zhǎng)金屬片構(gòu)成的復(fù)合 體。在入射波電磁場(chǎng)分量的激勵(lì)下，短金屬片發(fā)生磁諧振產(chǎn)生負(fù)的折射率而長(zhǎng)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
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( 和溫控 裝置(6)，其特征在于所述覆銅板(1)是長(zhǎng)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)周 期排列而成；所述U型壓條( 外徑與覆銅板(1)的長(zhǎng)和寬等大，U型壓條O)的口部和底 部與覆銅板(1)四個(gè)角配合部位有定位孔G)，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)。
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 金屬片陣列中的漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸范圍是，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溫度可調(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(1)的一面制備出金屬片(5)陣列，同時(shí)在覆銅板 (1)四角機(jī)加工出定位孔⑷；(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，然后使用無塵布定向摩擦，得到使液晶分子沿覆銅板 (1)表面垂直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)折射率器件；(f)將含有液晶的負(fù)折射率器件放入溫控裝置(6)內(nèi)，得到基于液晶的寬頻溫度可調(diào) 負(fù)折射率器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件的制作方法，其特征 在于所述聚酰亞胺液晶定向?qū)右?guī)格為使液晶分子沿面垂直排列的液晶定向?qū)?，預(yù)傾角為 90° 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件，還公開了這種基于液晶的寬頻溫度可調(diào)負(fù)折射率器件的制作方法，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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)負(fù)折射率器件的工作頻率隨溫度的大幅動(dòng)態(tài)變化。最大調(diào)節(jié)幅度可達(dá)6.8％。該器件可用于平板透鏡、隱身斗篷等新型的電子器件中。
文檔編號(hào)G02B5/30GK102033342SQ20101059059
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)