CN102064373A - 基于液晶的温度可调负磁导率器件及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶的温度可调负磁导率器件，还公开了这种基于液晶的温度可调负磁导率器件的制作方法，用于解决现有的负磁导率材料工作频率固定、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注入液晶，从而使液晶成为负磁导率器件的基板；利用液晶介电性能易受环境温度调控的特性，通过温控装置调节温度改变液晶的等效介电常数，实现了负磁导率器件工作频率的动态可调，最大调节幅度可达800MHz。

Description

基于液晶的温度可调负磁导率器件及制作方法

技术领域

本发明涉及一种负磁导率器件，特别是基于液晶的温度可调负磁导率器件，还涉及这种温度可调负磁导率器件的制作方法。

背景技术

参照图9，文献“Dependence of the distance between cut-wire-pair layers on resonancefrequencies”，Optics Express，2008，vol.18，no.8，p.5934-5941”公开了一种基于金属片对的负磁导率材料，这种负磁导率材料在覆铜板1的正反两面分别刻蚀周期排列的金属片5，金属片5在覆铜板1正反两面成对排列。在垂直入射电磁波激励下，覆铜板1正反两面的金属片产生方向相反的感应电流并在金属片对内形成环形电流，这种环形电流产生与入射波磁场方向相反的磁偶极矩，从而产生负磁导率。虽然这种基于金属片对的负磁导率材料结构简单，但其工作频率不可变，只能在300MHz频段内有效工作，这极大限制了负磁导率材料的应用。

负磁导率材料的工作频率主要是由等效电感和等效电容决定的，即受金属片尺寸、环境介电常数和磁导率等因素的影响。如希望在其他频段进行工作，目前采用的方法是重新设计金属片尺寸或选用不同材料的覆铜板满足工作频段变化的需求。显然，这种解决方法是被动的，耗时耗力。

发明内容

为了克服现有的负磁导率材料工作频率固定、频段窄的不足，本发明提供一种基于液晶的温度可调负磁导率器件，利用液晶有效介电常数受环境温度影响的特点，将液晶注入负磁导率器件中，可以使负磁导率器件的工作频率随环境温度动态变化。

本发明还提供这种温度可调负磁导率器件的制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于液晶的温度可调负磁导率器件，包括覆铜板1、U型压条2，其特点是还包括温控装置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、多排金属片5周期排列而成；所述U型压条2外径与长方形覆铜板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有金属片一面相对放置，将U型压条2夹住，固化形成液晶注射腔3，液晶充满液晶注射腔3，两个覆铜板1固化并充满液晶后放入温控装置6。

所述金属片5是长方形或者圆形任一种。

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Δn＝0.05～0.18。

所述金属片阵列中的金属片是矩形时的尺寸，W＝3.00～6.00mm，L＝7.00～11.00mm，Px＝8.00～13.00mm，Py＝4.50～8.00mm。

所述金属片阵列中的金属片是圆形时的尺寸，R＝4.00～5.50mm，Px＝10.00～13.00mm，Py＝10.00～13.00mm。

一种上述温度可调负磁导率器件的制作方法，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，得到含有液晶的负磁导率器件。

(f)将含有液晶的负磁导率器件放入温控装置6内，调节环境温度，得到温度可调的负磁导率器件。

所述聚酰亚胺液晶定向层预倾角是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，从而使液晶成为负磁导率器件的基板；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，实现负磁导率器件工作频率的动态可调，最大调节幅度可达800MHz。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于液晶的温度可调负磁导率器件立体示意图。

图2是图1中覆铜板上有金属片一面的示意图。

图3是图2中矩形金属片阵列局部放大图。

图4是实施例3中圆形金属片阵列的放大图。

图5是实施例1所制作的基于液晶的温度可调负磁导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温度可调负磁导率器件的磁导率随温度变化图谱。

图7是实施例2所制作的基于液晶的温度可调负磁导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温度可调负磁导率器件的磁导率随温度变化图谱。

图9是背景技术基于金属片对的负磁导率材料示意图。

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。

具体实施方式

本发明基于液晶的温度可调负磁导率器件包括覆铜板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，金属片阵列由长方形金属片5，或者圆形金属片5多个、多排周期排列而成；U型压条2外径与长方形的长和宽等大，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，得到含液晶的负磁导率器件；将负磁导率器件放入温控装置6内，得到含液晶的温度可调负磁导率器件。覆铜板1是聚四氟乙烯纤维板。

本发明基于液晶的温度可调负磁导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，且在覆铜板1四个角机加工直径为1.0mm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℃加热到120℃，恒温15分钟，1小时由120℃升温至180℃，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5.0mm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，得到含有液晶的负磁导率器件；将负磁导率器件置入温控装置内，调节温度，从而实现负磁导率器件工作频率的温度可调。

温度可调负磁导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，从而使液晶成为负磁导率器件的基板，利用液晶介电常数在低于清亮点温度区域内随温度变化而变化的特点，实现器件工作频率的调谐。

两块覆铜板1上金属片5组成金属片对。在入射波磁场分量的激励下，金属片对发生强磁谐振。在谐振频率附近，两个金属片5产生方向相反的表面感应电流形成环形回路，产生与入射波磁场方向相反的磁偶极矩，从而导致负的有效磁导率，其谐振频率可由等效电感电容电路分析

${\mathrm{\ω}}_m=1/\sqrt{\mathrm{LC}}---\left(1\right)$

式中，L是金属片对的电感；C是金属片对的电容，由平板模型等效分析

$C={\mathrm{\ϵ}}_r\frac{S}{d}---\left(2\right)$

式中，ε_r是负磁导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磁导率器件电容的改变、谐振频率漂移和有效磁导率幅值的变化。

本发明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_l。

本发明中金属片对在工作频率处内部局域电场在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

$C={\mathrm{\ϵ}}_{//}\frac{S}{d}---\left(3\right)$

其中，向列型液晶的ε_//可表示为

${\mathrm{\ϵ}}_{//}={\mathrm{\ϵ}}_l+\frac{2}{3}\mathrm{\Δ\ϵ}---\left(4\right)$

这里Δε为液晶的长轴和短轴介电常数的差值，是一个温度的函数，

$\mathrm{\Δ\ϵ}~{(1-\frac{T}{T_c})}^{\mathrm{\β}}---\left(5\right)$

其中，β为常数，T为环境温度(T＜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_l，导致负磁导率材料等效电容的减小和谐振频率的上升。

实施例1：利用电路板印刷技术在厚度为1.00mm的覆铜板1的单面上刻蚀矩形金属片5阵列，金属片5尺寸为：W＝4.00mm，L＝9.00mm，Px＝11.00mm，Py＝6.00mm。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0.50mm与覆铜板1尺寸相同的环氧玻璃板，利用数控机床加工制备出边宽为5.00mm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以金属片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Δn＝0.18向列型液晶(清亮点温度Tc＝35.0℃，ε_//＝2.25，ε_⊥＝2.8224，ε_l＝2.44)注入液晶注射腔3内，得到以液晶为基板的负磁导率器件。最后将负磁导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，从而实现负磁导率器件工作频率的温度可调谐。

从图5中可以看到，当温度由25.0℃逐渐上升到35.0℃时，本实施例制备的基于液晶的温度可调负磁导率器件工作频率由9.48GHz向高频逐渐移至10.28GHz，移动幅度为800MHz。

从图6中可以看到，当温度由25.0℃逐渐上升到35.0℃时，本实施例制备的基于液晶的温度可调负磁导率器件频段由9.00～9.67GHz逐渐移至9.72～10.41GHz，表明所制备器件磁导率的温度可调谐。

实施例2：利用电路板印刷技术在厚度为1.00mm的覆铜板1上制备出矩形金属片5阵列，金属片尺寸为：W＝3.00mm，L＝8.00mm，Px＝12.00mm，Py＝5.00mm，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5.00mm的U型压条2，且U型压条2的四角机加工出直径为1.00mm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5一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Δn＝0.17的向列型液晶(清亮点温度Tc＝61.2℃，ε_//＝2.86，ε_⊥＝2.31，ε_l＝2.49)注入液晶注射腔3内，最后将负磁导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，从而实现负磁导率器件工作频率的温度可调谐。

从图7中可以看到，当温度由25.0℃逐渐上升到61.2℃时，本实施例制备的基于液晶的温度可调负磁导率器件工作频率由10.61GHz向高频频逐渐移至11.23GHz，移动幅度为620MHz。

从图8中可以看到，当温度由25.0℃逐渐上升到61.2℃时，本实施例制备的基于液晶的温度可调负磁导率器件频段由10.20～10.86GHz逐渐移至10.75～11.42GHz，表明所制备器件的磁导率是温度可调谐的。

实施例3：利用电路板印刷技术在厚度为1.00mm的覆铜板1制备出圆形金属片5阵列，同时在覆铜板1的四角机加工直径为1.00mm的定位孔4。圆形金属片5尺寸为：R＝3.50mm，Px＝11.00mm，Py＝11.00mm。选用厚度为0.60mm与覆铜板1尺寸等同的环氧玻璃板，利用数控机床加工制备出边宽为5.00mm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。

将制备的两块覆铜板1以金属片5一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Δn＝0.08的向列型液晶(清亮点温度Tc＝61.2℃，ε_//＝2.9925，ε_⊥＝2.7225，ε_l＝2.81)注入液晶注射腔3内，最后将负磁导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，从而实现负磁导率器件工作频率的温度可调谐。

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0.08～0.18的向列型液晶；所述的金属片阵列中的金属片是矩形时的尺寸，W＝3.00～6.00mm，L＝7.00～11.00mm，Px＝8.00～13.00mm，Py＝4.50～8.00mm；所述的金属片阵列中的金属片是圆形时的尺寸，R＝4.00～5.50mm，Px＝10.00～13.00mm，Py＝10.00～13.00mm；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°。

Claims (9)

1.一种基于液晶的温度可调负磁导率器件，包括覆铜板(1)、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)，所述U型压条(2)外径与长方形覆铜板(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)，其特征在于：还包括温控装置(6)，所述覆铜板(1)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，两个覆铜板(1)固化并充满液晶后放入温控装置(6)。

2.根据权利要求1所述的基于液晶的温度可调负磁导率器件，其特征在于：所述金属片(5)是长方形或者圆形任一种。

3.根据权利要求1所述的基于液晶的温度可调负磁导率器件，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所述的基于液晶的温度可调负磁导率器件，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所述的基于液晶的温度可调负磁导率器件，其特征在于：所述液晶为向列型液晶，其双折射率为Δn＝0.05～0.18。

6.根据权利要求1所述的基于液晶的温度可调负磁导率器件，其特征在于：所述金属片阵列中的金属片是矩形时的尺寸，W＝3.00～6.00mm，L＝7.00～11.00mm，Px＝8.00～13.00mm，Py＝4.50～8.00mm。

7.根据权利要求1所述的基于液晶的温度可调负磁导率器件，其特征在于：所述所述的金属片阵列中的金属片是圆形时的尺寸，R＝4.00～5.50mm，Px＝10.00～13.00mm，Py＝10.00～13.00mm。

8.一种权利要求1所述基于液晶的温度可调负磁导率器件的制作方法，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(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(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，得到含有液晶的负磁导率器件；

(f)将含有液晶的负磁导率器件放入控温装置(6)内，得到基于液晶的温度可调负磁导率器件。

9.根据权利要求8所述基于液晶的温度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预倾角是90°。

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