CN106773341A - 一种移相器及其制作方法、工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移相器及其制作方法、工作方法，属于移相器技术领域。移相器包括多个层叠设置的液晶单元，每一液晶单元包括：相对设置的第一基板和第二基板；位于第一基板朝向第二基板一侧的第一电极；位于第二基板朝向第一基板一侧的第二电极；位于第一电极上的第一取向层；位于第二电极上的第二取向层；位于第一取向层和第二取向层之间的液晶盒，液晶盒的厚度不大于阈值；在未对第一电极和第二电极施加电信号时，液晶盒中液晶分子的初始取向与第一基板所在平面平行；在对第一电极和第二电极施加电信号后，液晶盒中液晶分子的长轴与第一电极和第二电极之间的电场方向平行。本发明能够克服液晶盒移相器响应时间长的缺点。

Description

一种移相器及其制作方法、工作方法

技术领域

本发明涉及移相器技术领域，特别是指一种移相器及其制作方法、工作方法。

背景技术

移相器是相控阵雷达系统的核心部件。目前市场上绝大多数的相控阵雷达系统的移相器为铁氧体移相器和PIN二极管移相器。但是，铁氧体移相器具有体积庞大、响应速度慢的缺点，不适合用于高速波束扫描；二极管移相器的缺点是功耗大(需要专门的散热系统)、功率容量小且插入损耗大，也不利于用作轻便低功耗的相控阵系统。

最近科研人员发现利用液晶分子介电常数的各向异性，可以将其应用于高频微波器件中作为移相器以使微波产生相移。但是常用的微波频率为8-60GHz，对应的微波波长是5-37.5mm，如此长的波长要产生较大的相移，液晶盒厚度要达到几百微米，而随着液晶层厚度的增加，液晶盒两侧配向膜对液晶的作用变弱，使得液晶响应时间变慢(几百毫秒甚至几秒量级)，大大降低了移相器的响应速度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种移相器及其制作方法、工作方法，能够克服液晶盒移相器响应时间长的缺点。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

一方面，提供一种移相器，包括多个层叠设置的液晶单元，每一液晶单元包括：

相对设置的第一基板和第二基板；

位于所述第一基板朝向所述第二基板一侧的第一电极；

位于所述第二基板朝向所述第一基板一侧的第二电极；

位于所述第一电极上的第一取向层；

位于所述第二电极上的第二取向层；

位于所述第一取向层和所述第二取向层之间的液晶盒，所述液晶盒的厚度不大于阈值；

在未对所述第一电极和所述第二电极施加电信号时，所述液晶盒中液晶分子的初始取向与所述第一基板所在平面平行；在对所述第一电极和所述第二电极施加电信号后，所述液晶盒中液晶分子的长轴与第一电极和第二电极之间的电场方向平行。

进一步地，每一所述液晶盒的厚度为5-10微米。

进一步地，所述移相器包括依次层叠设置的第1液晶单元、第2液晶单元、…、第n液晶单元，其中，第k-1液晶单元的第二基板复用为第k液晶单元的第一基板，n为大于1的整数，k为大于1且小于等于n的整数。

进一步地，所述第一基板和所述第二基板采用石英玻璃制成。

进一步地，所述第一电极和第二电极采用金属或导电氧化物制成。

进一步地，所述第一取向层和所述第二取向层采用聚酰亚胺、环氧树脂或含氟聚合物中的任意一种或两种制成。

进一步地，所述液晶盒采用向列型液晶分子制成。

进一步地，所述移相器还包括：

驱动电路，所述驱动电路包括输出第一电压信号的第一电压信号输出端和输出第二电压信号的第二电压信号输出端；

与所有液晶单元的第一电极分别连接的第一信号传输线，所述第一信号传输线与所述驱动电路的第一电压信号输出端连接；

与所有液晶单元的第二电极分别连接的第二信号传输线，所述第二信号传输线与所述驱动电路的第二电压信号输出端连接。

本发明实施例还提供了一种移相器的制作方法，用于制作如上所述的移相器，所述制作方法包括分别制作多个液晶单元的步骤以及将所述多个液晶单元层叠设置的步骤，制作所述液晶单元的步骤包括：

提供一第一基板；

在所述第一基板上形成第一电极；

在形成有所述第一电极的第一基板上形成第一取向层；

提供一第二基板；

在所述第二基板上形成第二电极；

在形成有所述第二电极的第二基板上形成第二取向层；

在形成有所述第二取向层的第二基板上形成隔垫物，并在所述第二基板边缘涂布封框胶；

在所述第二基板上滴注液晶；

将所述第一基板和所述第二基板进行真空对盒，并固化所述封框胶。

本发明实施例还提供了一种移相器的工作方法，应用于如上所述的移相器，所述工作方法包括：

同时向所有液晶单元的第一电极和第二电极施加电信号，使所有液晶单元的液晶盒中液晶分子的长轴与第一电极和第二电极之间的电场方向平行。本发明的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，移相器由多个层叠设置的液晶单元组成，每个液晶单元的液晶盒由液晶盒两侧的电极进行驱动，在对液晶盒两侧的电极施加电信号后，液晶盒中液晶分子的长轴与电极之间的电场方向平行，能够使微波产生相移。由于单个液晶单元的液晶盒的厚度不大于阈值，因此，在同时对各个液晶盒两侧的电极施加电信号后，各个液晶盒内的液晶分子能够同时进行快速转向，使得移相器整体的移相响应时间不会因为液晶盒总厚度的增加而增加，克服了单个液晶盒移相器响应时间长的缺点。

附图说明

图1为本发明实施例液晶单元的结构示意图；

图2为本发明实施例液晶单元加电后的示意图；

图3为本发明实施例移相器的结构示意图；

图4为本发明实施例移相器加电后的示意图。

附图标记

1第一基板 2第一取向层 3第一电极 4隔垫物

5封框胶 6第二取向层 7第二基板 8第二电极

具体实施方式

为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

利用液晶分子介电常数的各向异性，可以将其应用于高频微波器件中作为移相器以使微波产生相移。如图1所示的液晶单元，包括相对设置的第一基板1和第二基板7，在第一基板1朝向第二基板7的一侧设置有第一电极3，在第二基板7朝向第一基板1的一侧设置有第二电极8，在形成有第一电极3的第一基板1上形成有第一取向层2，在形成有第二电极8的第二基板7上形成有第二取向层6，在第一取向层2和第二取向层6之间设置液晶盒，液晶盒盒厚通过隔垫物4来支撑，在液晶盒周围还形成有用于封闭液晶单元的封框胶5。如图1所示，当在第一电极3和第二电极8之间不施加电场时，液晶分子平行于第一取向层2和第二取向层6的取向排列，液晶分子的介电常数为ε⊥；如图2所示，当在第一电极3和第二电极8之间施加电场E时，液晶分子作为偶极子会进行90°旋转，液晶分子的长轴会和电场平行，此时液晶分子的介电常数为ε||。在液晶盒移相器工作时，微波信号和电压信号同时加到第一电极3和第二电极8上，引起的相移量如公式(1)。

其中，为相移量，f为微波的频率，l为移相器的厚度(即液晶盒的厚度)，c为光速，r为相对介电常数。

但是常用的微波频率为8-60GHz，对应的微波波长是5-37.5mm，如此长的波长要产生较大的相移，液晶盒厚度要达到几百微米，而随着液晶层厚度的增加，液晶盒两侧配向膜对液晶的作用变弱，使得液晶响应时间变慢，大大降低了移相器的响应速度。

本发明的实施例针对上述问题，提供一种移相器及其制作方法、工作方法，能够克服液晶盒移相器响应时间长的缺点。

实施例一

本实施例提供一种移相器，如图3和图4所示，包括多个层叠设置的液晶单元，每一液晶单元包括：

相对设置的第一基板1和第二基板7；

位于第一基板1朝向第二基板7一侧的第一电极3；

位于第二基板7朝向第一基板1一侧的第二电极8；

位于第一电极3上的第一取向层2；

位于第二电极8上的第二取向层6；

位于第一取向层2和第二取向层6之间的液晶盒，液晶盒的厚度不大于阈值；

如图3所示，在未对第一电极3和第二电极8施加电信号时，液晶盒中液晶分子的初始取向与第一基板1所在平面平行；如图4所示，在对第一电极3和第二电极8施加电信号后，液晶盒中液晶分子的长轴与第一电极3和第二电极8之间的电场方向平行。

其中，第一取向层2和第二取向层6的取向能够使得液晶盒中液晶分子的初始取向与第一基板所在平面平行。

本实施例中，移相器由多个层叠设置的液晶单元组成，每个液晶单元的液晶盒由液晶盒两侧的电极进行驱动，在对液晶盒两侧的电极施加电信号后，液晶盒中液晶分子的长轴与电极之间的电场方向平行，能够使微波产生相移。由于单个液晶单元的液晶盒的厚度不大于阈值，因此，在同时对各个液晶盒两侧的电极施加电信号后，各个液晶盒内的液晶分子能够同时进行快速转向，使得移相器整体的移相响应时间不会因为液晶盒总厚度的增加而增加，克服了单个液晶盒移相器响应时间长的缺点。

为了保证每一液晶盒中的液晶分子都能够快速转向，优选地，将每一液晶盒的厚度设计为5-10微米。

在确定需要的相移量后，根据公式(1)可以计算出液晶盒的总厚度l，将液晶盒的总厚度l除以每一液晶单元中液晶盒的厚度，就可以得到所需要的液晶单元的数量，制作出所需要数量个液晶单元，然后将多个液晶单元叠加在一起即可得到本实施例的移相器。在工作时，所有液晶单元的第一电极接收相同的电压信号，所有液晶单元的第二电极接收相同的电压信号，这样能够保证各个液晶盒内的液晶分子同时进行快速转向。

具体地，移相器包括依次层叠设置的第1液晶单元、第2液晶单元、…、第n液晶单元，其中，第k-1液晶单元的第二基板复用为第k液晶单元的第一基板，n为大于1的整数，k为大于1且小于等于n的整数。这样能够减少基板的数量，进而能够减少移相器的厚度和降低移相器的成本。

其中，第一基板1和第二基板7可以采用厚度为100微米至1000微米的玻璃基板，也可以采用蓝宝石衬底，还可以采用厚度为10微米至500微米的PET(聚对苯二甲酸乙二酯)基板、TAC(三聚氰酸三烯丙酯)基板和PI(聚酰亚胺)透明柔性衬底，优选地，第一基板1和第二基板7采用介电损耗极低的高纯度石英玻璃，相比于采用普通玻璃基板，第一基板1和第二基板7采用石英玻璃可以有效减小对微波的损耗，使移相器具有低的功耗和高的信噪比。

第一电极3和第二电极8可以采用铝、铜、银、金、镉、铬、钼、铌、镍、铁等金属制成，也可以采用ITO、IZO、IGZO、AZO、ZnO等透明导电氧化物制成，第一电极3和第二电极8的厚度为0.1纳米至100微米，具体地，可以采用磁控溅射、热蒸发、激光溅射、电子束蒸发、电镀、分子束外延、金属有机化学气相淀积、等离子体化学气相淀积等方法形成导电层，再对导电层图案化形成第一电极3和第二电极8，图案化方法可以采用光刻、纳米压印、激光转印、喷墨打印+烧结(激光烧结、热固化或红外固化)、气溶胶打印+烧结(激光烧结、热固化或红外固化)、丝网印刷+烧结(激光烧结、热固化或红外固化)等。

第一取向层2和第二取向层6的材料可以选用聚酰亚胺，也可以选用环氧树脂、含氟聚合物等。在制备第一取向层2和第二取向层6时，将配向液通过散步器喷嘴滴注到网纹滚轮上，再转移到圆筒型棍轮上的配向板上，之后将配向板上的配向液转写到第一基板1和第二基板3上，加热干燥，固化成膜，最后再通过摩擦取向处理使第一取向层2和第二取向层6具备配向液晶的能力。第一取向层2和第二取向层6的厚度为1纳米至10微米，具体可以为80纳米。

液晶盒中的液晶分子一般采用向列型液晶材料，向列型液晶材料具有较大的介电常数各向异性，同时对于微波的吸收损耗要小，还具有电场下转向速度快的优点。在制备液晶单元时，可以先在一个基板上形成隔垫物和封框胶，在形成有隔垫物和封框胶的基板上滴下液晶，再将另一个基板与该基板进行真空对盒，最后再硬化封框胶来得到液晶单元。进一步地，还可以采用VIF(真空灌晶)的方法形成液晶盒。

进一步地，如图3和图4所示，每一液晶单元还包括支撑液晶盒厚的隔垫物4和封闭液晶单元的封框胶5，隔垫物4可以采用二氧化硅、氮化硅、有机高聚物、碳化硅等制成，形状可以为球状或柱状。封框胶5可以采用环氧树脂等胶水，固化方式可以为热固化、紫外光诱导固化或紫外光+热固化的方式。

其中，第一电极3和第二电极8可以为面状电极，也可以为条状电极，或者其中一者为面状电极，另一者为条状电极，只要能够驱动液晶盒中的液晶分子进行转向即可。

进一步地，移相器还包括：

驱动电路，驱动电路包括输出第一电压信号的第一电压信号输出端和输出第二电压信号的第二电压信号输出端；

与所有液晶单元的第一电极分别连接的第一信号传输线，第一信号传输线与驱动电路的第一电压信号输出端连接；

与所有液晶单元的第二电极分别连接的第二信号传输线，第二信号传输线与驱动电路的第二电压信号输出端连接。

在移相器工作时，驱动电路向第一信号传输线输出第一电压信号，向第二信号传输线输出第二电压信号，第一信号传输线将第一电压信号传递至第一电极3，第二信号传输线将第二电压信号传递至第二电极8，第一电极3和第二电极8之间产生电场，驱动液晶盒内的液晶分子进行转动。

实施例二

本实施例提供了一种移相器的制作方法，用于制作上述的移相器，制作方法包括分别制作多个液晶单元的步骤以及将多个液晶单元层叠设置的步骤，其中，制作每一液晶单元的步骤包括：

步骤1、提供一第一基板；

其中，第一基板可为玻璃基板或石英基板。对第一基板进行清洗并干燥。

步骤2、在第一基板上形成第一电极；

具体地，可以在第一基板上通过溅射或热蒸发的方法沉积导电层，导电层可以采用铝、铜、银、金、镉、铬、钼、铌、镍、铁等金属，也可以采用ITO、IZO、IGZO、AZO、ZnO等透明导电氧化物。在导电层上涂覆一层光刻胶，采用掩膜板对光刻胶进行曝光，使光刻胶形成光刻胶未保留区域和光刻胶保留区域，其中，光刻胶保留区域对应于第一电极的图形所在区域，光刻胶未保留区域对应于上述图形以外的区域；进行显影处理，光刻胶未保留区域的光刻胶被完全去除，光刻胶保留区域的光刻胶厚度保持不变；通过刻蚀工艺完全刻蚀掉光刻胶未保留区域的导电层，剥离剩余的光刻胶，形成第一电极的图形。

如果形成的第一电极为面状电极，则可以省去对第一电极进行图案化的步骤，仅在第一基板上沉积导电材料即可形成第一电极。

步骤3、在形成有第一电极的第一基板上形成第一取向层；

具体地，将配向液通过散步器喷嘴滴注到网纹滚轮上，再转移到圆筒型棍轮上的配向板上，之后将配向板上的配向液转写到第一基板上，加热干燥，固化成膜，最后再进行摩擦取向处理形成第一取向层。第一取向层的材料可以选用聚酰亚胺，也可以选用环氧树脂、含氟聚合物等。

步骤4、提供一第二基板；

其中，第二基板可为玻璃基板或石英基板。对第二基板进行清洗并干燥。

步骤5、在第二基板上形成第二电极；

具体地，可以在第二基板上通过溅射或热蒸发的方法沉积导电层，导电层可以采用铝、铜、银、金、镉、铬、钼、铌、镍、铁等金属，也可以采用ITO、IZO、IGZO、AZO、ZnO等透明导电氧化物。在导电层上涂覆一层光刻胶，采用掩膜板对光刻胶进行曝光，使光刻胶形成光刻胶未保留区域和光刻胶保留区域，其中，光刻胶保留区域对应于第二电极的图形所在区域，光刻胶未保留区域对应于上述图形以外的区域；进行显影处理，光刻胶未保留区域的光刻胶被完全去除，光刻胶保留区域的光刻胶厚度保持不变；通过刻蚀工艺完全刻蚀掉光刻胶未保留区域的导电层，剥离剩余的光刻胶，形成第二电极的图形。

如果形成的第二电极为面状电极，则可以省去对第二电极进行图案化的步骤，仅在第二基板上沉积导电材料即可形成第二电极。

步骤6、在形成有第二电极的第二基板上形成第二取向层；

具体地，将配向液通过散步器喷嘴滴注到网纹滚轮上，再转移到圆筒型棍轮上的配向板上，之后将配向板上的配向液转写到第二基板上，加热干燥，固化成膜，最后再进行摩擦取向处理形成第二取向层。第二取向层的材料可以选用聚酰亚胺，也可以选用环氧树脂、含氟聚合物等。

步骤7、在形成有第二取向层的第二基板上形成隔垫物，并在第二基板边缘涂布封框胶；

其中，隔垫物可以采用二氧化硅、氮化硅、有机高聚物、碳化硅等制成，形状可以为球状或柱状，封框胶可以采用环氧树脂等胶水。

步骤8、在第二基板上滴注液晶；

步骤9、将第一基板和第二基板进行真空对盒，并固化封框胶。

经过上述步骤即可得到液晶单元，重复上述步骤1-9即可得到多个液晶单元，将多个液晶单元叠加设置即可得到本实施例的移相器。

实施例三

本实施例提供了一种移相器的工作方法，应用于如上所述的移相器，所述工作方法包括：

同时向移相器的所有液晶单元的第一电极和第二电极施加电信号，使所有液晶单元的液晶盒中液晶分子的长轴与第一电极和第二电极之间的电场方向平行。

在移相器工作时，驱动电路向第一信号传输线输出第一电压信号，向第二信号传输线输出第二电压信号，第一信号传输线将第一电压信号传递至所有液晶单元的第一电极，第二信号传输线将第二电压信号传递至所有液晶单元的第二电极，从而同时向所有液晶单元的第一电极施加第一电压信号，向所有液晶单元的第二电极施加第二电压信号，每一液晶单元中的第一电极和第二电极之间产生电场，驱动液晶盒内的液晶分子进行转动，液晶盒中液晶分子的长轴与电极之间的电场方向平行，能够使微波产生相移。由于单个液晶单元的液晶盒的厚度不大于阈值，因此，在同时对各个液晶盒两侧的电极施加电信号后，各个液晶盒内的液晶分子能够同时进行快速转向，使得移相器整体的移相响应时间不会因为液晶盒总厚度的增加而增加，克服了单个液晶盒移相器响应时间长的缺点。

在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件″上″或″下″时，该元件可以″直接″位于另一元件″上″或″下″，或者可以存在中间元件。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种移相器，其特征在于，包括多个层叠设置的液晶单元，每一液晶单元包括：

相对设置的第一基板和第二基板；

位于所述第一基板朝向所述第二基板一侧的第一电极；

位于所述第二基板朝向所述第一基板一侧的第二电极；

位于所述第一电极上的第一取向层；

位于所述第二电极上的第二取向层；

位于所述第一取向层和所述第二取向层之间的液晶盒，所述液晶盒的厚度不大于阈值；

在未对所述第一电极和所述第二电极施加电信号时，所述液晶盒中液晶分子的初始取向与所述第一基板所在平面平行；在对所述第一电极和所述第二电极施加电信号后，所述液晶盒中液晶分子的长轴与第一电极和第二电极之间的电场方向平行。

2.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，每一所述液晶盒的厚度为5-10微米。

3.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述移相器包括依次层叠设置的第1液晶单元、第2液晶单元、…、第n液晶单元，其中，第k-1液晶单元的第二基板复用为第k液晶单元的第一基板，n为大于1的整数，k为大于1且小于等于n的整数。

4.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板采用石英玻璃制成。

5.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述第一电极和第二电极采用金属或导电氧化物制成。

6.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述第一取向层和所述第二取向层采用聚酰亚胺、环氧树脂或含氟聚合物中的任意一种或两种制成。

7.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述液晶盒采用向列型液晶分子制成。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的移相器，其特征在于，所述移相器还包括：

驱动电路，所述驱动电路包括输出第一电压信号的第一电压信号输出端和输出第二电压信号的第二电压信号输出端；

与所有液晶单元的第一电极分别连接的第一信号传输线，所述第一信号传输线与所述驱动电路的第一电压信号输出端连接；

与所有液晶单元的第二电极分别连接的第二信号传输线，所述第二信号传输线与所述驱动电路的第二电压信号输出端连接。

9.一种移相器的制作方法，其特征在于，用于制作如权利要求1-8中任一项所述的移相器，所述制作方法包括分别制作多个液晶单元的步骤以及将所述多个液晶单元层叠设置的步骤，制作所述液晶单元的步骤包括：

提供一第一基板；

在所述第一基板上形成第一电极；

在形成有所述第一电极的第一基板上形成第一取向层；

提供一第二基板；

在所述第二基板上形成第二电极；

在形成有所述第二电极的第二基板上形成第二取向层；

在形成有所述第二取向层的第二基板上形成隔垫物，并在所述第二基板边缘涂布封框胶；

在所述第二基板上滴注液晶；

将所述第一基板和所述第二基板进行真空对盒，并固化所述封框胶。

10.一种移相器的工作方法，其特征在于，应用于如权利要求1-8中任一项所述的移相器，所述工作方法包括：

同时向所有液晶单元的第一电极和第二电极施加电信号，使所有液晶单元的液晶盒中液晶分子的长轴与第一电极和第二电极之间的电场方向平行。