CN107885009B - 一种大口径液晶光学相控阵器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大口径液晶光学相控阵器件，包括从上到下依次层叠设置的第一基板、液晶分子层和第二基板；第一基板从上到下依次包括第一基板玻璃和第一ITO电极层，第二基板从上到下依次包括第二ITO电极层和第二基板玻璃；液晶分子层位于第一ITO电极层和第二ITO电极层之间；第二ITO电极层与第二金属导电层之间有多个TFT阵列。本发明在液晶工作区域选择ITO膜层，在非液晶工作区域的布线层，采用了一层ITO导电层，2层金属导电层，导电层之间镀有一层绝缘层做电气隔离，2层金属导电层的部分电极之间采用了过孔连同工艺设计，这种设计使得液晶周围的布线面积大大减小，增加了集成度和面积利用率，提高了偏转精度，解决了液晶光学相控阵口径小的问题。

Description

一种大口径液晶光学相控阵器件
技术领域
本发明涉及一种大口径液晶光学相控阵器件属液晶光电子器件技术，该液晶光电子器件可以用与基于液晶光学相控阵的激光通信、激光武器和激光雷达等领域。
背景技术
随着科技的进步，液晶光学相控阵已经被证实是一种能够实现非机械式光束偏转和空间光调制的新方法。相对于传统的光束偏转方式，液晶光学相控阵具有体积小、功耗低、精度高、捷变等优势。随着激光雷达、大功率激光合束、空间信息中继转发、构建空间激光通信网络方向快速发展，液晶光学相控阵的口径要求也越来越高。液晶光学相控阵制备主要以透射式为主，由两块平行放置的玻璃基板，下层玻璃基板附有取向层、透明导电的ITO阵列。下层玻璃基板的ITO阵列作为电极层被加载不同电压形成光栅电极。上层玻璃基板附有取向层和透明导电的ITO膜层，上层基板的导电层作为公共电极，与下层玻璃基板之间形成电压。两层玻璃基板之间填充向液晶材料。液晶分子在上下基板之间的电场作用下发生偏转，从而实现对光束的相位控制。然而，目前传统的液晶光学相控阵的光学口径并不能满足日益增加的实际需求。在卫星激光组网通信的情况下，当前的液晶相控阵器件的口径小导致其通信机的接收视场小，无法满足多波束通信和中继需求；而在激光雷达和激光合束运用中，为了减少光束发散角，提高衍射效率，就要求更大口径的就、液晶光学相控阵器件。因此，我们必须通过改变器件的结构设计，以获得一种大口径的液晶光学相控阵器件，满足日益增加的实际需求。
制备大口径液晶光学相控阵的方法主要可以分为三类：几个小口径液晶相控阵空间拼接；不改变器件设计模式，增加电极个数；改变器件设计模式，采用多层镀膜和过孔设计。几个小口径液晶相控阵空间拼接，结构和驱动复杂，且受空间相干长度影响明显。不改变器件设计模式情况下，单纯的增加电极个数，需要额外的大面积布线空间，造成器件体积过于庞大和累赘，面积利用率低。采用多层镀膜和过孔设计，是一种新的设计思路，其收益与目前较为成熟的镀膜和光刻加工工艺。这种设计可以以小的布线面积，实现大规模电极阵列集成的大口径液晶相控阵器件。目前采用多层镀膜和光刻工艺设计的大口径透射式液晶光学相控阵器件还没有相关报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在液晶工作区域选择ITO膜层，在非液晶工作区域的布线层，采用了一层ITO电极层，2层金属导电层，导电层之间镀有一层绝缘层做电气隔离，2层金属导电层的部分电极之间采用了过孔连同工艺设计，使得液晶周围的布线面积大大减小，增加了集成度和面积利用率，提高了偏转精度的大口径液晶光学相控阵器件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种大口径液晶光学相控阵器件，包括从上到下依次层叠设置的第一基板、液晶分子层和第二基板；所述第一基板从上到下依次包括第一基板玻璃和第一ITO电极层，第二基板从上到下依次包括第二ITO电极层和第二基板玻璃；液晶分子层位于第一ITO电极层和第二ITO电极层之间；液晶分子层的宽度与第一ITO电极层相同，长度小于ITO电极层；
第一ITO电极层的长度与第一基板玻璃相同，第一ITO电极层的宽度小于第一基板玻璃；第一ITO电极层下方的非液晶分子投影区域设有第一金属导电层，第一金属导电层下平面的一侧设有参考电极信号焊接焊盘；第一ITO电极层被分割成独立不相连的ITO电极阵列，每个ITO电极分别通过第一金属导电层上设置的ITO信号导线连接到参考电极信号焊接焊盘；
第二ITO电极层和第二基板玻璃的尺寸相同，第二ITO电极层和第二基板玻璃的长度大于第一基板玻璃，宽度与第一基板玻璃相同；第二ITO电极层上方的非液晶分子投影区域从上到下依次层叠第二金属导电层、第一绝缘层和第三金属导电层，第二金属导电层上设有参考电极驱动IC、TFT阵列驱动IC和光栅驱动IC，第一绝缘层上设有多个导电孔；第二ITO电极层被分割成独立不相连的ITO电极阵列，每个ITO电极分别与第三金属导电层上设置的ITO信号导线相连，ITO信号导线穿过导电孔连接参考电极驱动IC的输出引脚；
第三金属导电层与第二金属导电层之间有多个TFT阵列，TFT阵列设置在液晶分子层的相对两侧；TFT阵列的源极和漏极设置在第三金属导电层上，TFT阵列的漏极与第三金属导电层上的设置的TFT信号导线相连，TFT信号导线通过导电孔连接TFT阵列驱动IC的输出引脚；TFT阵列的栅极设置在第二金属导电层上，并分别通过第二金属导电层上的TFT信号导线与栅极驱动IC的输出引脚相连；
所述参考电极信号焊接焊盘通过金属胶与第二金属导电层上的参考电极驱动IC的输出引脚相连。
进一步地，所述TFT阵列从下到上依次包括掺杂半导体层A、掺杂半导体层B和第二绝缘层，掺杂半导体层A的下方为第三金属导电层，第二绝缘层的上方为第二金属导电层；TFT阵列中设有一贯穿掺杂半导体层A、第三金属导电层和第二ITO电极层的竖直方向的第三绝缘层。
进一步地，所述第三金属导电层的厚度小于第二金属导电层。
进一步地，所述第一金属导电层设置在第一ITO电极层的一侧下方，液晶分子层上方无第一金属导电层的一侧与第一ITO电极层边界的距离为5mm。
本发明的有益效果是：选择多层镀膜和过孔设计，在液晶工作区域选择ITO膜层，在非液晶工作区域的布线层，采用了一层ITO电极层，2层金属导电层，导电层之间镀有一层绝缘层做电气隔离，2层金属导电层的部分电极之间采用了过孔连同工艺设计，这种设计使得液晶周围的布线面积大大减小，增加了集成度和面积利用率；同时，为了方便超大规模的电极阵列驱动控制，本发明在电极的两边镀有多个同步TFT阵列，每一个阵列共用一个门控制信号，增加了的大口径液晶相控阵衍射效率，提高了偏转精度，解决了液晶光学相控阵口径小的问题，实现了对多波束捷变控制，多波束相干合成，体积小，重量轻，集成度高。从而解决卫星激光通信领域接收孔径小的问题，可以解决激光武器光束定向控制时，衍射角角过大的问题，同时可以解决提升激光雷达的分辨率。
附图说明
图1为本发明的大口径液晶光学相控阵器件的横切平面示意图；
图2为本发明的大口径液晶光学相控阵器件的纵切平面示意图；
图3为本发明的大口径液晶光学相控阵器件第二基板俯视图；
图4为本发明的大口径液晶光学相控阵器件第一基板俯视图；
附图标记说明：1-第一基板玻璃，2-第一ITO电极层，3-第一金属导电层，4-液晶分子层，5-第二金属导电层，6-第一绝缘层，7-第三金属导电层，8-第二ITO电极层，9-第二基板玻璃，10-导电孔，11-TFT阵列，11-01-掺杂半导体层A，11-02-掺杂半导体层B，11-03-第二绝缘层，12-金属胶。
具体实施方式
本发明提供一种大口径液晶光学相控阵器件，主要包括过膜层过孔设计，液晶外围导线布局设计，液晶驱动电极设计，上基板膜层设计，下基板膜层和大小设计，TFT阵列和驱动方案设计。所述的膜层过孔工艺设计指的是，上基板的两个金属导电层之间夹着一层绝缘层，其中一层的金属导线和另外一层的金属导线通过导电孔实现电气连接。该导电孔孔大小一般为0.1um左右。
所述的外围导线布局设计中，在给液晶电极划定一定的区域后，两两区域相间的电极之间通过过孔布线无交叉的连接。从液晶工作区域往外围边界方向看，其连接导线呈倒金字套对称分布。剩余区域电极，根据相邻两两区域位置关系，不经过过孔，在同一层对应连接。从液晶工作区域往外围边界方向看，其连接导线呈正金字塔对称分布。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1和图2所示，一种大口径液晶光学相控阵器件，包括从上到下依次层叠设置的第一基板、液晶分子层和第二基板；所述第一基板从上到下依次包括第一基板玻璃1和第一ITO电极层2，第二基板从上到下依次包括第二ITO电极层8和第二基板玻璃9；液晶分子层4位于第一ITO电极层2和第二ITO电极层8之间；液晶分子层4的宽度与第一ITO电极层2相同，长度小于ITO电极层2；液晶分子在两个ITO电极层之间的电压形成的电场的作用下发生偏转；
第一ITO电极层2的长度与第一基板玻璃1相同，第一ITO电极层2的宽度小于第一基板玻璃1；第一ITO电极层2下方的非液晶分子投影区域设有第一金属导电层3，第一金属导电层3下平面的一侧设有参考电极信号焊接焊盘；第一ITO电极层2被分割成独立不相连的ITO电极阵列，每个ITO电极分别通过第一金属导电层3上设置的ITO信号导线连接到参考电极信号焊接焊盘；
第二ITO电极层8和第二基板玻璃9的尺寸相同，第二ITO电极层8和第二基板玻璃9的长度大于第一基板玻璃1，宽度与第一基板玻璃1相同；第二ITO电极层8上方的非液晶分子投影区域从上到下依次层叠第二金属导电层5、第一绝缘层6和第三金属导电层7，第二金属导电层5上设有参考电极驱动IC、TFT阵列驱动IC和光栅驱动IC，第一绝缘层6上设有多个导电孔10；第二ITO电极层8被分割成独立不相连的ITO电极阵列，每个ITO电极分别与第三金属导电层7上设置的ITO信号导线相连，ITO信号导线穿过导电孔10连接参考电极驱动IC的输出引脚；
第三金属导电层7与第二金属导电层5之间有多个TFT阵列11，TFT阵列11设置在液晶分子层4的相对两侧；TFT阵列11的源极和漏极设置在第三金属导电层7上，TFT阵列11的漏极与第三金属导电层7上的设置的TFT信号导线相连，TFT信号导线通过导电孔10连接TFT阵列驱动IC的输出引脚；TFT阵列11的栅极设置在第二金属导电层5上，并分别通过第二金属导电层5上的TFT信号导线与栅极驱动IC的输出引脚相连；
所述参考电极信号焊接焊盘通过金属胶12与第二金属导电层5上的参考电极驱动IC的输出引脚相连。
进一步地，所述TFT阵列11从下到上依次包括掺杂半导体层A11-01、掺杂半导体层B11-02和第二绝缘层11-03，掺杂半导体层A11-01的下方为第三金属导电层7，第二绝缘层11-03的上方为第二金属导电层5；TFT阵列11中设有掺杂半导体层A11-01、第三金属导电层7和第二ITO电极层8的竖直方向的第三绝缘层11-04。
进一步地，所述第三金属导电层7的厚度小于第二金属导电层5。
本发明在第一基板的公共参考电极上，也做了分区域切割处理：所述第一金属导电层3设置在第一ITO电极层2的一侧下方，液晶分子层4上方无第一金属导电层3的一侧与第一ITO电极层边界的距离为5mm。采用这种不对称设计，能够增加大口径液晶相控阵衍射效率，提高偏转精度。
图3为本实施例中液晶光学相控阵俯视平面示意图，该示意图只是本申请的一个普通案例，本申请不局限于该实施例中的TFT阵列个数大小、驱动IC个数大小、布线条数、电极个数和器件大小以及以上变量的命名编号。401和601框选区域为TFT阵列，101(驱动ICD)和104(驱动IC B)为TFT阵列驱动IC，102(驱动IC C)和103(驱动IC A)为TFT阵列的栅极驱动IC，TFT阵列驱动IC的输出引脚数(Ng)大于等于栅极驱动IC的输出引脚数(Ns)，在驱动控制过程中，为使得TFT阵列驱动IC的输出引脚数和TFT栅极驱动IC的输出引脚数之和最小，可将二者设置成相同的参数，即Ng＝Ns；若液晶投影区域501中的电极总数为N，则Ng和Ns取值方法为：
201和202框选区域的电极为驱动IC D和驱动IC B的输出引脚，其分布在第二金属导电层5上，分别连接到；211框选区域的电极为TFT阵列五、TFT阵列六、TFT阵列七、TFT阵列八的栅极信号输入电极，该栅极信号输入电极分别连接到驱动IC C的输出引脚；212框选区域的电极为TFT阵列一、TFT阵列二、TFT阵列三、TFT阵列四的栅极信号输入电极，该栅极信号输入电极分别连接到驱动IC A的输出引脚。
301和302框选区域的电极设置在第三金属导电层7上，301框选区域的电极为阵列八的驱动信号输入电极，该驱动信号输入电极分别连接到驱动IC D(201框选区域的电极)的输出引脚，阵列五、阵列六和阵列七的输入电极通过过孔实现与阵列八的输入电极互连；302框选区域的电极为阵列四的驱动信号输入电极，该驱动信号输入电极分别连接到驱动IC B的输出引脚(202框选区域的电极)，阵列一、阵列二和阵列三的输入电极通过过孔实现与阵列四的输入电极互连。
701为导电孔，其连接202和302、201和301所在层的导线。参考电极驱动IC E在第二金属导电层5上，驱动IC E的驱动信号电极221末端通过金属胶12连接参考电极信号焊接焊盘(231)，电极221、201、211、212和202都在第二金属导电层5上。
如图4所示，第一基板玻璃1比第二基板玻璃9尺寸小，在第一基板玻璃1的纵向下边缘附近的电极701、702、703、704为第二ITO电极层8的ITO电极。701为图3中TFT阵列一和TFT阵列八所驱动的ITO电极；702电极为TFT阵列二和TFT阵列七所驱动的ITO电极；703电极为TFT阵列三和TFT阵列六所驱动的ITO电极；704电极为TFT阵列四和TFT阵列五所驱动的ITO电极；框801所指区域是液晶工作区域的在上基板的投影区域，该区域的面积小于所有电极701、702、703和704电极面积之和。框901所指的是ITO电极701、702、703和704的金属电气导线，其另一端连接到参考电极信号焊接焊盘(231)，参考电极信号焊接焊盘(231)通过金属胶12连接参考电极驱动IC。框901所指示的金属电气导线要比图3下基板所示的金属电气导线201和202粗。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种大口径液晶光学相控阵器件，包括从上到下依次层叠设置的第一基板、液晶分子层和第二基板；其特征在于，所述第一基板从上到下依次包括第一基板玻璃(1)和第一ITO电极层(2)，第二基板从上到下依次包括第二ITO电极层(8)和第二基板玻璃(9)；液晶分子层(4)位于第一ITO电极层(2)和第二ITO电极层(8)之间；液晶分子层(4)的宽度与第一ITO电极层(2)相同，长度小于ITO电极层(2)；
第一ITO电极层(2)的长度与第一基板玻璃(1)相同，第一ITO电极层(2)的宽度小于第一基板玻璃(1)；第一ITO电极层(2)下方的非液晶分子投影区域设有第一金属导电层(3)，第一金属导电层(3)下平面的一侧设有参考电极信号焊接焊盘；第一ITO电极层(2)被分割成独立不相连的ITO电极阵列，每个ITO电极分别通过第一金属导电层(3)上设置的ITO信号导线连接到参考电极信号焊接焊盘；
第二ITO电极层(8)和第二基板玻璃(9)的尺寸相同，第二ITO电极层(8)和第二基板玻璃(9)的长度大于第一基板玻璃(1)，宽度与第一基板玻璃(1)相同；第二ITO电极层(8)上方的非液晶分子投影区域从上到下依次层叠第二金属导电层(5)、第一绝缘层(6)和第三金属导电层(7)，第二金属导电层(5)上设有参考电极驱动IC、TFT阵列驱动IC和光栅驱动IC，第一绝缘层(6)上设有多个导电孔(10)；第二ITO电极层(8)被分割成独立不相连的ITO电极阵列，每个ITO电极分别与第三金属导电层(7)上设置的ITO信号导线相连，ITO信号导线穿过导电孔(10)连接参考电极驱动IC的输出引脚；
第三金属导电层(7)与第二金属导电层(5)之间有多个TFT阵列(11)，TFT阵列(11)设置在液晶分子层(4)的相对两侧；TFT阵列(11)的源极和漏极设置在第三金属导电层(7)上，TFT阵列(11)的漏极与第三金属导电层(7)上的设置的TFT信号导线相连，TFT信号导线通过导电孔(10)连接TFT阵列驱动IC的输出引脚；TFT阵列(11)的栅极设置在第二金属导电层(5)上，并分别通过第二金属导电层(5)上的TFT信号导线与栅极驱动IC的输出引脚相连；
所述参考电极信号焊接焊盘通过金属胶(12)与第二金属导电层(5)上的参考电极驱动IC的输出引脚相连；
所述第一金属导电层(3)设置在第一ITO电极层(2)的一侧下方，液晶分子层(4)上方无第一金属导电层(3)的一侧与第一ITO电极层(2)边界的距离为5mm。
2.根据权利要求1所述的一种大口径液晶光学相控阵器件，其特征在于，所述TFT阵列(11)从下到上依次包括掺杂半导体层A(11-01)、掺杂半导体层B(11-02)和第二绝缘层(11-03)，掺杂半导体层A(11-01)的下方为第三金属导电层(7)，第二绝缘层(11-03)的上方为第二金属导电层(5)；TFT阵列(11)中设有一贯穿掺杂半导体层A(11-01)、第三金属导电层(7)和第二ITO电极层(8)的竖直方向的第三绝缘层(11-04)。
3.根据权利要求1所述的一种大口径液晶光学相控阵器件，其特征在于，所述第三金属导电层(7)的厚度小于第二金属导电层(5)。
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