CN108490270B - 液晶介电常数的测量装置、测量系统、测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种液晶介电常数的测量装置、测量系统、测量方法，以简化测量液晶在微波频段的介电常数的测量装置的结构，降低成本，并且提高测量装置的敏感度和精确度。其中所述测量装置包括：相对设置的第一基板和第二基板；依次设置于第一基板朝向第二基板一面上的导电层和第一配向膜，导电层配置为接收第一电压信号；依次设置于第二基板朝向第一基板一面上的谐振结构层和第二配向膜，谐振结构层配置为接收第二电压信号，且配置为传输微波信号；设置于第一基板和第二基板之间的边框，边框配合第一基板和第二基板形成用于容纳待测量的液晶的空腔。上述测量装置应用于对液晶在微波频段的介电常数的测量中。

Description

液晶介电常数的测量装置、测量系统、测量方法

技术领域

本公开涉及液晶器件技术领域，尤其涉及一种液晶介电常数的测量装置、测量系统、测量方法。

背景技术

对液晶材料在微波频段的介电常数进行精确测量是进行液晶微波器件设计与分析的关键。现有的对液晶材料在微波频段的介电常数的测量方法主要有三类：第一是微扰法，第二是谐振法，第三是移相器法。其中，微扰法的测量精度比较高，但测量装置结构复杂、造价高；移相器法的测量装置的结构比微扰法的测量装置的结构简单，但移相器法对结构件加工的精密度要求很高，同时需要配合强静磁场对液晶材料施加偏置磁场，因此结构仍然较为复杂，而且存在造价高的问题；谐振法的测量装置加工容易、造价低，但现有谐振法测量装置的灵敏度较低，无法实现精确测量。

发明内容

针对上述现有技术中所存在的问题，本公开的实施例提供一种液晶介电常数的测量装置、测量系统、测量方法，以简化测量液晶在微波频段的介电常数的测量装置的结构，降低成本，并且提高测量装置的敏感度和精确度。

为达到上述目的，本公开的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本公开的实施例提供了一种液晶介电常数的测量装置，所述测量装置包括：相对设置的第一基板和第二基板；依次设置于所述第一基板朝向所述第二基板一面上的导电层和第一配向膜，所述导电层配置为接收第一电压信号；依次设置于所述第二基板朝向所述第一基板一面上的谐振结构层和第二配向膜，所述谐振结构层配置为接收第二电压信号，且配置为传输微波信号；设置于所述第一基板和所述第二基板之间的边框，所述边框配合所述第一基板和所述第二基板形成用于容纳待测量的液晶的空腔。

上述液晶介电常数的测量装置中，在第一基板上设有导电层，在第二基板上设有谐振结构层，导电层与谐振结构层之间的压差可调。采用该测量装置对液晶在微波频段的介电常数进行测量时，将微波输入该测量装置，微波能够与测量装置中谐振结构层的谐振结构发生耦合，产生谐振；同时调整导电层与谐振结构层之间的压差，使液晶层的等效介电常数发生变化，液晶层不同的等效介电常数会对谐振结构层中的谐振产生不同的影响，这种影响能够通过测量装置输出的微波的传输系数曲线反映出来。从而，通过获取液晶两个极限状态：水平取向和垂直取向下的传输系数曲线，能够根据传输系数曲线推演出液晶短轴方向的介电常数和长轴方向的介电常数，实现了对液晶在微波频段的介电常数的测量。

通过仿真模拟发现，利用上述测量装置对液晶的介电常数进行测量时，即便液晶层的等效介电常数只有非常微小的变化，传输系数曲线的最小值点就会发生明显的偏移，这意味着该测试装置具有极高的敏感度，可实现精确测量。并且，相比现有的测量装置，本方案中的测量装置不需要磁场偏置机构，因此体积小巧；结构简单，使用标准化半导体工艺就可以制造，不需要后期对各个零部件进行精密组装，因此造价低廉。

基于上述技术方案，可选的，所述谐振结构层包括：复合谐振结构，包括间隔设置的主谐振结构和从谐振结构，所述主谐振结构的品质因数小于所述从谐振结构的品质因数；分别设置于所述主谐振结构两端的第一信号线和第二信号线，所述第一信号线用于接收微波信号，所述第二信号线用于输出微波信号；连接于所述第一信号线与所述主谐振结构之间的第一耦合电容，及连接于所述第二信号线与所述主谐振结构之间的第二耦合电容。

可选的，所述主谐振结构包括直线状金属带条，所述直线状金属带条的一端与所述第一耦合电容电连接，另一端与所述第二耦合电容电连接。

可选的，所述从谐振结构包括螺旋状金属带条。

可选的，所述主谐振结构的垂直平分线过所述从谐振结构的中心。

可选的，所述主谐振结构与所述从谐振结构之间的最小间距为小于或等于0.3λ；其中，λ为向所述测量装置所输入的微波的工作波长。

可选的，所述第一耦合电容包括两个相对且间隔设置的第一金属电极，其中一个第一金属电极与所述主谐振结构的一端电连接，另一个第一金属电极与所述第一信号线电连接；所述第二耦合电容包括两个相对且间隔设置的第二金属电极，其中一个第二金属电极与所述主谐振结构的另一端电连接，另一个第二金属电极与所述第二信号线电连接。

可选的，所述第一金属电极和所述第二金属电极均为直线状金属带条；或者，所述第一金属电极和所述第二金属电极均为叉指状金属电极。

可选的，所述空腔所占据的第一基板的区域至少覆盖所述从谐振结构在所述第一基板上的正投影。

可选的，所述第一配向膜和所述第二配向膜的配向方向一致。

可选的，所述导电层接地。

第二方面，本公开的实施例提供了一种液晶介电常数的测量方法，所述测量方法包括：准备包含待测量液晶的测量装置，将第一电压信号接入所述测量装置的导电层，并将第二电压信号接入所述测量装置的谐振结构层；其中，所述测量装置为如第一方面所述的液晶介电常数的测量装置。将微波输入所述测量装置的谐振结构层。使所述第一电压信号和所述第二电压信号之间的压差为零，接收所述谐振结构层输出的微波，得到第一传输系数曲线。使所述第一电压信号和所述第二电压信号之间的压差大于或等于所述待测量液晶的饱和电压值，接收所述谐振结构层输出的微波，得到第二传输系数曲线。采用模拟仿真方法找出所述第一传输系数曲线所对应的液晶介电常数，将该介电常数作为液晶短轴方向的介电常数；并找出所述第二传输系数曲线所对应的液晶介电常数，将该介电常数作为液晶长轴方向的介电常数。

上述液晶介电常数的测量方法所能产生的有益效果与第一方面所提供的液晶介电常数的测量装置的有益效果相同，此处不再赘述。

基于上述技术方案，可选的，采用模拟仿真方法找出所述液晶短轴方向的介电常数和所述液晶长轴方向的介电常数的步骤包括：根据获取所述第一传输系数曲线和所述第二传输系数曲线的步骤对应的测量实验模型，建立仿真模型；使所述仿真模型中的第一电压信号和所述第二电压信号之间的压差为零，调整所述仿真模型中的液晶短轴方向的介电常数，使得到的仿真结果与所述第一传输系数曲线相吻合，此时对应的液晶短轴方向的介电常数即为待测量液晶短轴方向的介电常数；使所述仿真模型中的第一电压信号和第二电压信号之间的压差大于或等于所述待测量液晶的饱和电压值，调整所述仿真模型中的液晶长轴方向的介电常数，使得到的仿真结果与所述第二传输系数曲线相吻合，此时对应的液晶长轴方向的介电常数即为待测量液晶长轴方向的介电常数。

第三方面，本公开的实施例提供了一种液晶介电常数的测量系统，所述测量系统包括：如第一方面所述的液晶介电常数的测量装置；供电装置，包括第一电压供应端口和第二电压供应端口，所述第一电压供应端口与所述测量装置的导电层电连接，所述第二电压供应端口与所述测量装置的谐振结构层电连接，所述第一电压端口所提供的第一电压信号和/或所述第二电压端口所提供的第二电压信号；与所述谐振结构层的微波信号输入端相连的微波源；矢量网络分析仪，包括输入端口和输出端口，所述输入端口与所述谐振结构层的微波信号输入端相连，所述输出端口与所述谐振结构层的微波信号输出端相连，所述矢量网络分析仪用于在所述第一电压信号与所述第二电压信号的压差为零的情况下生成第一传输系数曲线，在所述第一电压信号与所述第二电压信号的压差大于或等于待测量液晶的饱和电压值的情况下生成第二传输系数曲线。

上述液晶介电常数的测量系统所能产生的有益效果与第一方面所提供的液晶介电常数的测量装置的有益效果相同，此处不再赘述。

基于上述技术方案，可选的，所述测量系统还包括：与所述矢量网络分析仪相连的处理器，用于进行仿真推演，获得所述第一传输系数曲线所对应的液晶短轴方向的介电常数和所述第二传输系数曲线所对应的液晶长轴方向的介电常数。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本公开实施例所提供的测量装置的平面结构图；

图2为图1所示出的测量装置沿虚线aa＇的截面结构图；

图3为图1所示出的谐振结构层的各部件尺寸设计图；

图4为本公开实施例所提供的测量装置中谐振结构层的另一种平面结构图；

图5为本公开实施例所提供的测量方法的基本流程图；

图6为本公开实施例所提供的测量方法中某一步骤的具体流程图；

图7为本公开实施例所提供的测量方法的一种示意图；

图8为本公开实施例所提供的测量方法的另一种示意图；

图9为本公开实施例所提供的测量方法中得到的传输系数曲线图；

图10为线型电极上施加驱动电压后液晶分子指向的分布情况图；

图11为本公开实施例所提供的测量系统的结构示意图。

附图标记说明：

100-测量装置； 200-液晶；

1-第一基板； 2-第二基板；

3-导电层； 4-谐振结构层；

41-第一信号线； 42-第二信号线；

43-复合谐振结构； 431-主谐振结构；

432-从谐振结构； C1-第一耦合电容；

C2-第二耦合电容； e-第一金属电极；

f-第二金属电极； 5-第一配向膜；

6-第一配向膜； 7-边框；

8-液晶层； 9-液晶注入口；

10-空腔； 300-供电装置；

400-微波源； 500-矢量网络分析仪；

600-处理器。

具体实施方式

为使本公开的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本公开保护的范围。

需要说明的是，本公开实施例中，以液晶介电常数的测量装置100所在的平面(也可视为第一基板1或第二基板2所在的平面)为XOY平面，在XOY平面中，X方向和Y方向为相互垂直的两个方向；垂直于XOY平面且由第一基板1指向第二基板2的方向为Z方向。

本公开的实施例提出了一种液晶介电常数的测量装置，如图1和图2所示，测量装置100包括：相对设置的第一基板1和第二基板2；依次设置于第一基板1朝向第二基板2一面上的导电层3及第一配向膜5；依次设置于第二基板2朝向第一基板1一面上的谐振结构层4及第二配向膜6；设置于第一基板1和第二基板2之间的边框7，边框7配合第一基板1和第二基板2形成用于容纳待测量的液晶200的空腔10，边框7的作用为防止液晶200泄露，且维持第一基板1和第二基板2之间的间隙，为夹设于第一基板1和第二基板2之间的液晶200提供支撑空间。

上述测量装置100中，导电层3配置为接收第一电压信号，谐振结构层4配置为接收第二电压信号，第一电压信号和/或第二电压信号可调，从而使得第一电压信号与第二电压信号之间的压差可调。

谐振结构层4配置为传输微波信号。示例性的，谐振结构层4具有微波信号输入端和微波信号输出端，微波信号输入端用于接收微波信号，微波信号输出端用于输出微波信号。

当使用上述测量装置100对液晶在微波频段的介电常数进行测量时，将待测量的液晶200注入测量装置100的第一基板1与第二基板2之间的空腔10内，形成液晶层8。液晶200注入后，第一基板1上的第一配向膜5和第二基板2上的第二配向膜6与液晶200直接接触，对液晶200的指向进行配向。示例性的，第一配向膜5和第二配向膜6使液晶200的初始取向(即未加电压时液晶200的取向)平行于XOY平面，比如平行于X轴正负方向，或平行于Y轴正负方向，或平行于XOY平面中除X轴正负方向和Y轴正负方向以外的方向。液晶200注入后即可开始进行测量。

测量时，将微波信号由谐振结构层4的微波信号输入端输入测量装置100中，微波信号能够与谐振结构层4中的谐振结构发生耦合，产生谐振。同时，调整导电层3与谐振结构层4之间的压差，即调整第一电压信号和第二电压信号之间的压差，使液晶层8的等效介电常数发生变化，液晶层8不同的等效介电常数会对谐振结构层4中的谐振产生不同的影响，这种影响能够通过谐振结构层4的微波信号输出端所输出的微波的传输系数曲线反映出来。

因而，当第一电压信号和第二电压信号之间的压差为零时，液晶200沿XOY平面取向，其不发生任何偏转，入射微波信号的极化方向与液晶200的短轴相平行，可相应获得传输系数曲线；根据该传输系数曲线进行推演，可得到液晶200短轴方向的介电常数。同样的道理，当第一电压信号和第二电压信号之间的压差大于或等于液晶200的饱和电压值时，液晶200沿Z轴正或负方向取向，入射微波信号的极化方向与液晶200的长轴相平行，可相应获得传输系数曲线；根据该传输系数曲线进行推演，可得到液晶200长轴方向的介电常数。从而实现了对液晶在微波频段的介电常数的测量。

通过仿真模拟发现，利用上述测量装置100对液晶200的介电常数进行测量时，即便液晶层8的等效介电常数只有非常微小的变化，传输系数曲线的最小值点就会发生明显的偏移，这意味着该测试装置100具有极高的敏感度，可实现精确测量。并且，相比现有的测量装置，本方案中的测量装置100不需要磁场偏置机构，因此体积小巧；结构简单，使用标准化半导体工艺就可以制造，不需要后期对各个零部件进行精密组装，因此造价低廉。

在上述测量装置100中，谐振结构层4的结构设计对于测量的敏感度和精度的影响十分重要，下面示例性的给出一些可能的设计。

请参见图1，谐振结构层4包括：复合谐振结构43、第一信号线41、第二信号线、第一耦合电容C1和第二耦合电容C2。其中：

复合谐振结构43包括间隔设置的主谐振结构431和从谐振结构432，主谐振结构431的品质因数小于从谐振结构432的品质因数，以使得最终所获得的传输系数曲线更加陡峭，有利于增强测量的敏感度和精确度。

第一信号线41和第二信号线42分别设置于主谐振结构431的两端。第一信号线41作为谐振结构层4的微波信号输入端，也即整个测量装置100的微波信号输入端，用于接收微波信号。第一信号线42作为谐振结构层4的微波信号输出端，也即整个测量装置100的微波信号输出端，用于输出微波信号。

第一耦合电容C1连接于第一信号线41与主谐振结构431之间，第二耦合电容C2连接于第二信号线42与主谐振结构431之间，当有微波信号输入时，微波信号会在第一耦合电容C1和第二耦合电容C2处发生耦合，第一耦合电容C1和第二耦合电容C2上的耦合作用对主谐振结构431产生激励，形成谐振，进而感应从谐振结构432，从谐振结构432又会反过来影响主谐振结构431，从而产生强品质因数极高的谐振作用，提高测量装置100的准确度和灵敏度。

作为一种可能的设计，主谐振结构431包括直线状金属带条，该直线状金属带条的一端与第一耦合电容C1电连接，另一端与第二耦合电容C2电连接。从谐振结构432包括螺旋状金属带条，以使得从谐振结构432的品质因数高于主谐振结构431的品质因数。

进一步的，主谐振结构431的垂直平分线过从谐振结构432的中心，以使得主谐振结构431和从谐振结构432所构成的复合谐振结构43具有轴对称结构，有利于增强谐振，提高品质因数。

可选的，第一耦合电容C1包括两个相对且间隔设置的第一金属电极c，其中一个第一金属电极e与主谐振结构431的一端(左侧端)电连接，另一个第一金属电极e与第一信号线41电连接。第二耦合电容C2包括两个相对且间隔设置的第二金属电极f，其中一个第二金属电极f与主谐振结构431的另一端(右侧端)电连接，另一个第二金属电极f与第二信号线42电连接。

作为一种可能的设计，第一金属电极e和第二金属电极f可均为直线状金属带条，如图1中所示。或者，第一金属电极e和第二金属电极f可均为叉指状金属电极，如图4中所示。

对于谐振结构层4的各项尺寸设计，不同尺寸规格、工作频率要求等的测量装置100应有不同的尺寸设计方案。

示例性的，以图1中所示出的谐振结构层4的结构为例，假设测量装置100中液晶层8的一组边平行于X方向，另一组边平行于Y方向。谐振结构层4中复合谐振结构43的主谐振结构431平行于X方向，第一耦合电容C1的第一金属电极e和第二耦合电容C2的第二金属电极f均垂直于主谐振结构431，即平行于Y轴。请参见图3，各项尺寸参数可采取如下设计(以下描述中假设向测量装置100所输入的微波的工作波长为λ)：

主谐振结构431的长度L1≤0.7λ，可选为0.5λ左右，宽度d1≤0.5λ；

从谐振结构432的长度L2≤5λ，宽度d2≤0.5λ，螺旋的间隙d3≤0.5λ；

主谐振结构431与从谐振结构432之间的最小间距d4≤0.3λ；

第一耦合电容C1和第二耦合电容C2中，金属电极的长度L3≤0.5λ，宽度d5≤0.5λ，每个耦合电容中，两金属电极之间的间距d6≤0.5λ；

第一金属信号线41和第二金属信号线42的长度L4≤0.7λ，宽度d7≤0.5λ。

在本实施例中，导电层3和谐振结构层4的材料为导电材料；进一步的，二者的材料为金属，例如：金、银、铜、铝等金属。用于供应第一电压信号的导线可连接于导电层3上的任意位置，用于供应第二电压信号的导线可连接于谐振结构层4上的任意位置。

导电层3和谐振结构层4的厚度的取值范围可为0.01μm～5μm，可选为1μm。

导电层3的制备过程可为：采用导电层材料，进行蒸镀、涂覆、印刷或淀积等工艺，形成一整层的导电薄膜。谐振结构层4的制备过程可为：首先采用谐振结构材料形成具有设计厚度的一整层的薄膜，然后采用光刻工艺去除所形成的薄膜中的特定部分，保留部分形成所需要的谐振结构层图案。

第一基板1与第二基本2之间所形成的空腔10的厚度，也可视为所注入的液晶层8的厚度，的取值范围可为0.1mm～50mm，可选为1mm。

在本实施例中，空腔10所占据的第一基板1的区域(也可视为液晶层8在第一基板1上的正投影)至少覆盖从谐振结构432在第一基板1上的正投影，以使得液晶层8的等效介电常数能够对复合谐振结构43上的谐振效应产生比较充分的影响，从而充分影响复合谐振结构43中所传输的微波。为了提高测量的敏感度和精准度，可适当扩大空腔10所占据的第一基板1的区域，使其覆盖从谐振结构432、主谐振结构431、第一耦合电容C1和第二耦合电容C2在第一基板1上的正投影，甚至还可覆盖第一信号线41和第二信号线42在第一基板1上的正投影的一部分。

在一些实施例中，可将导电层3接地，即导电层3所接入的第一电压信号为接地电压，这样可以使得导电层3的电位固定，在调节导电层3与谐振结构层4之间的压差时，可以仅对谐振结构层4所接入的第二电压信号进行调节，简化操作。

第一基板1和第二基板2的厚度的取值范围可为100μm～1000μm，可选为160μm。第一基板1和第二基板2的介电常数的取值范围可为1.1～20，可选为4。

第一配向膜5和第二配向膜6的配向方向一致，以使得待测量液晶200在注入测量装置100的空腔10中后具有均匀一致的取向。第一配向膜5和第二配向膜6的配向方向，也即待测量液晶200的取向(此处所述的取向特指液晶分子长轴的指向)，可沿X轴正负方向，或沿Y轴正负方向，或沿XOY平面上的其它任一方向。

边框7的材料可以选用封框胶。请再次参见图1和图2，在一些实施例中，可在边框7上设置一液晶注入口9，当使用上述测量装置100对液晶的介电常数进行测量时，首先将待测量的液晶200通过该液晶注入口9注入上述空腔8中，继而可开始介电常数的测量工作。需要说明的是，在注入液晶200后，可采用边框材料(诸如封框胶)将液晶注入口9进行封堵，以防止所注入的液晶200在测量过程中泄露。在一些实施例中，液晶注入口9可以设计的很小，这样在注入液晶200后可以不对液晶注入口9封堵，也不会引起液晶的泄露。

以上是对本公开所提出的液晶介电常数的测量装置100的结构的介绍，下面对采用上述液晶介电常数的测量装置100对液晶在微波频段的介电常数的测量方法进行介绍。

如图5所示，本公开的实施例所提供的液晶介电常数的测量方法包括如下步骤：

S1：准备包含待测量液晶的测量装置，该测量装置为如本公开实施例所述的液晶介电常数的测量装置。将第一电压信号接入测量装置的导电层，并将第二电压信号接入测量装置的谐振结构层。

在上述步骤中，可将待测量的液晶注入测量装置的空腔中，然后将用于提供第一电压信号的导线与导电层连接，将用于提供第二电压信号的第二电压信号的导线与谐振结构层连接，完成准备工作。

S2：将微波输入测量装置的谐振结构层。

在上述步骤中，具体是将用于提供微波的微波源与谐振结构层中用于接收微波信号的微波信号输入端相连。

S31：使第一电压信号和第二电压信号之间的压差为零，接收谐振结构层输出的微波，得到第一传输系数曲线。

在上述步骤中，要使第一电压信号和第二电压信号之间的压差为零，可以使第一电压信号和第二电压信号的电压相同，也可以不输入第一电压信号和第二电压信号。通过使第一电压信号和第二电压信号之间的压差为零，使得液晶处于第一种极限状态：偏转角度为零，保持初始取向。如图7所示，假设测量装置100中液晶200的初始取向方向(特指未加电压或压差为零时长轴的取向方向)平行于Y方向，则此时液晶200的取向方向与Y方向相平行。

并且，在本步骤中，应使所输入的微波信号的极化方向与液晶200的短轴方向相平行。

当入射微波与测量装置100中的谐振结构发生耦合，产生谐振时，由于液晶100的短轴与微波的极化方向相一致，因此液晶100短轴方向的介电常数会对谐振产生影响。请参见图9，假设此时液晶层8的等效介电常数ε＝2.4，则在谐振结构层的微波信号输出端接收到微波的透射波，可得到第一传输系数曲线S1(即S21曲线)。从第一传输系数曲线S1中可以看出，其具有非常明显的最小值点，这说明谐振很强，品质因数极高，该测试装置100具有极高的精准性。

S32：使第一电压信号和第二电压信号之间的压差大于或等于待测量液晶的饱和电压值，接收谐振结构层输出的微波，得到第二传输系数曲线。

在上述步骤中，要使第一电压信号和第二电压信号之间的压差为待测量液晶的饱和电压值，可以同时调节第一电压信号和第二电压信号的电压，以达到前述目标；或者，固定某一电压信号，调节另外的电压信号，以达到前述目标；例如，将第一电压信号固定为接地电压，调节第二电压信号。通过使第一电压信号和第二电压信号之间的压差为待测量液晶的饱和电压值，使得液晶处于第二种极限状态：偏转角度为90度，当前取向垂直于初始取向。如图8所示，假设测量装置100中液晶200的初始取向方向平行于Y方向，则此时液晶200的取向方向垂直于Y方向，及与Z方向相平行。

并且，在本步骤中，应使所输入的微波信号的极化方向与液晶200的长轴方向相平行。

当入射微波与测量装置100中的谐振结构发生耦合，产生谐振时，由于液晶100的长轴与微波的极化方向相一致，因此液晶100长轴方向的介电常数会对谐振产生影响。请参见图9，假设此时液晶层8的等效介电常数ε＝2.5，则在谐振结构层的微波信号输出端接收到微波的透射波，可得到第二传输系数曲线S2(即S21曲线)。从第二传输系数曲线S2中可以看出，其具有非常明显的最小值点，这说明谐振很强，品质因数极高，该测试装置100具有极高的精准性。

需要说明的是，上述步骤S31与S32在实际执行时并不限定先后次序，可以先执行步骤S31，再执行步骤S32；或者，可以先执行步骤S32，再执行步骤S31。

S41：采用模拟仿真方法找出第一传输系数曲线S1所对应的液晶介电常数，将该介电常数作为液晶短轴方向的介电常数ε_⊥。

请参见图6，在上述步骤S41中，采用模拟仿真方法获取液晶短轴方向的介电常数ε_⊥，具体可包括如下过程：

首先，根据获取所述第一传输系数曲线S1和所述第二传输系数曲线S2的步骤对应的测量实验模型，建立仿真模型。所谓的“获取所述第一传输系数曲线S1和所述第二传输系数曲线S2的步骤对应的测量实验模型”包括获取采用测量装置100进行测量时所涉及的各种参数，包括测量装置100中各部件和结构的尺寸等。示例性的，“获取所述第一曲线和所述第二曲线的步骤对应的测量实验模型”中，测量装置100中液晶层厚度为1mm；第一基板1和第二基板2的厚度为160μm，二者的介电常数为4；导电层3和谐振结构层4的厚度为1μm；谐振结构层4中的谐振结构采用如图1和图3所示的结构，各项尺寸参数如下表1所示：

表1(单位：mm)

L1	L2	L3	L4	d1	d2	d3	d4	d5	d6
										10	50	5	11.8	1	0.6	0.6	0.5	0.6	1

建立仿真模型时，参照上述参数进行建立。

然后，使仿真模型中的第一电压信号和第二电压信号之间的压差为零，调整仿真模型中的液晶短轴方向的介电常数ε_⊥，使得到的仿真结果与第一传输系数曲线S1相吻合，此时对应的液晶短轴方向的介电常数ε_⊥即为待测量液晶短轴方向的介电常数ε_⊥。请继续参见图6，在此过程中，需要首先设定初始的液晶长轴方向和短轴方向介电常数，输入仿真模型中进行模拟仿真。

初始的液晶介电常数输入后，经过仿真模拟，可得到对应的传输系数曲线，将此曲线与先前在步骤S31中测量得到的第一传输系数曲线S1进行比对，判断二者是否吻合：若不吻合，则说明所设定的液晶短轴方向的介电常数ε_⊥不合适，则调整液晶短轴方向的介电常数ε_⊥，将调整后的液晶短轴方向的介电常数ε_⊥输入仿真模型中，再次进行仿真模拟，重复上述判断及调整的动作，直至找到与第一传输系数曲线S1吻合的仿真曲线，则该次仿真对应的液晶短轴方向的介电常数ε_⊥即为步骤S31中所测量的液晶短轴方向的介电常数ε_⊥。若吻合，则说明本次仿真对应的液晶短轴方向的介电常数即为步骤S31中所测量的液晶短轴方向的介电常数ε_⊥。

S42：采用模拟仿真方法找出第二传输系数曲线S2所对应的液晶介电常数，将该介电常数作为液晶短轴方向的介电常数ε_∥。

请参见图6，参考上述步骤S41的具体介绍，上述步骤S42中，采用模拟仿真方法获取液晶长轴方向的介电常数ε_∥，具体可包括如下过程：基于先前所建立的仿真模型，使仿真模型中的第一电压信号和第二电压信号之间的压差大于或等于待测量液晶的饱和电压值，调整仿真模型中的液晶长轴方向的介电常数ε_∥，使得到的仿真结果与第二传输系数曲线S2相吻合，此时对应的液晶长轴方向的介电常数ε_∥即为待测量液晶长轴方向的介电常数ε_∥。请继续参见图6，在此过程中，首先向仿真模型中输入初始设定的液晶长轴方向和短轴方向的介电常数，开始模拟仿真可得到对应的传输系数曲线，将此曲线与先前在步骤S32中测量得到的第二传输系数曲线S2进行比对，判断二者是否吻合：若不吻合，则说明所设定的液晶长轴方向的介电常数ε_∥不合适，则调整液晶长轴方向的介电常数ε_∥，将调整后的液晶长轴方向的介电常数ε_∥输入仿真模型中，再次进行仿真模拟，重复上述判断及调整的动作，直至找到与第二传输系数曲线S2吻合的仿真曲线，则该次仿真对应的液晶长轴方向的介电常数ε_∥即为步骤S32中所测量的液晶长轴方向的介电常数ε_∥。若吻合，则说明本次仿真对应的液晶长轴方向的介电常数即为步骤S32中所测量的液晶长轴方向的介电常数ε_∥。

需要说明的是，上述步骤S41和S42在实际执行时并不限定先后次序，可以先执行步骤S41，再执行步骤S42，或者，先执行步骤S42，再执行步骤S41。

上面已经提到，本公开实施例所提供的测量装置100用于测量液晶在微波频段的介电常数具有极高的敏感度。这一结论可通过模拟仿真进行验证。

示例性的，基于图9中所示出的曲线对应的仿真模型，即上述步骤S41中所建立的仿真模型，当液晶层的等效介电常数常数ε＝2.4时，可得到第一传输系数曲线S1；当液晶层的等效介电常数常数ε＝2.45时，可得到第三传输系数曲线S3；当液晶层的等效介电常数常数ε＝2.5时，可得到第二传输系数曲线S2。从曲线图中能够明显看出，即便液晶层的等效介电常数只有非常微小的变化(仅有0.05的变化量)，传输系数曲线的零值点就会发生明显的偏移，这意味着本公开实施例中的测量装置100具有极高的敏感度。

需要说明的是，本公开实施例中，对液晶进行驱动所采用的电极虽然为线型电极(即谐振结构层中的电极)，但是仍然能够保证对液晶的有效驱动。请参见图10，在线型电极及其周围一定范围内的液晶分子均能够被有效驱动；基于本公开实施例的应用场景，采用测量装置对液晶介电常数进行测量，本身不需要在大的空间范围内驱动液晶。并且，图9中的传输系数曲线均为只变化了线型电极正下方的液晶层等效介电常数所得到的，可以观察到测试装置的谐振频率(即最小值点)的明显变化，可见线型电极的驱动变化能够有效改变液晶层等效介电常数，并且测量装置也能够非常敏感的感应到其变化。综上所述，采用线型电极驱动液晶，对于改变液晶层等效介电常数足以。

此外，本公开所提供的测量方法可适用于向列相液晶在太赫兹波频段的介电常数的测量。

基于上述液晶介电常数的测量装置及测量方法，本公开的实施例提供了一种液晶介电常数的测量系统，如图11所示，该测量系统包括：液晶介电常数的测量装置100、供电装置300、微波源400、及矢量网络分析仪500。

其中，液晶介电常数的测量装置100为如本公开所提供的液晶介电常数的测量装置100，具有测量敏感度和精确度高、结构简单、成本低的优点。

供电装置300包括第一电压供应端口和第二电压供应端口，所述第一电压供应端口与测量装置的导电层3电连接，第二电压供应端口与测量装置的谐振结构层4电连接，第一电压端口所提供的第一电压信号和/或第二电压端口所提供的第二电压信号可调，以使得导电层3和谐振结构层4之间的压差可调，驱动液晶层8中的液晶分子发生不同程度的偏转，从而改变液晶层8的等效介电常数。作为一种可能的设计，第一电压信号可为接地信号。

微波源400与谐振结构层4的微波信号输入端(即第一信号线41)相连，用于向谐振结构层4输入测量所需要的微波信号。

矢量网络分析仪500包括输入端口和输出端口，其中输入端口与谐振结构层4的微波信号输入端(即第一信号线41)相连，输出端口与谐振结构层4的微波信号输出端(即第二信号线42)相连。矢量网络分析仪500用于在第一电压信号与第二电压信号的压差为零的情况下生成第一传输系数曲线，在第一电压信号与第二电压信号的压差大于或等于待测量液晶的饱和电压值的情况下生成第二传输系数曲线。

基于上述测量系统，进一步的，请继续参见图11，该测量系统还可包括处理器600，该处理器600与矢量网络分析仪500相连，其配置为执行如本公开所提供的液晶介电常数的测量方法中的步骤S41和S42，即其能够进行仿真推演，获得第一传输系数曲线所对应的液晶短轴方向的介电常数ε_⊥和第二传输系数曲线所对应的液晶长轴方向的介电常数ε_∥。

以上所述仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种液晶介电常数的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：

相对设置的第一基板和第二基板；

依次设置于所述第一基板朝向所述第二基板一面上的导电层和第一配向膜，所述导电层配置为接收第一电压信号；

依次设置于所述第二基板朝向所述第一基板一面上的谐振结构层和第二配向膜，所述谐振结构层配置为接收第二电压信号，且配置为传输微波信号；

设置于所述第一基板和所述第二基板之间的边框，所述边框配合所述第一基板和所述第二基板形成用于容纳待测量的液晶的空腔；

其中，所述谐振结构层包括：

复合谐振结构，包括间隔设置的主谐振结构和从谐振结构，所述主谐振结构的品质因数小于所述从谐振结构的品质因数；

分别设置于所述主谐振结构两端的第一信号线和第二信号线，所述第一信号线用于接收微波信号，所述第二信号线用于输出微波信号；

连接于所述第一信号线与所述主谐振结构之间的第一耦合电容，及连接于所述第二信号线与所述主谐振结构之间的第二耦合电容。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述主谐振结构包括直线状金属带条，所述直线状金属带条的一端与所述第一耦合电容电连接，另一端与所述第二耦合电容电连接。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述从谐振结构包括螺旋状金属带条。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述主谐振结构的垂直平分线过所述从谐振结构的中心。

5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述主谐振结构与所述从谐振结构之间的最小间距为小于或等于0.3λ；其中，λ为向所述测量装置所输入的微波的工作波长。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一耦合电容包括两个相对且间隔设置的第一金属电极，其中一个第一金属电极与所述主谐振结构的一端电连接，另一个第一金属电极与所述第一信号线电连接；

所述第二耦合电容包括两个相对且间隔设置的第二金属电极，其中一个第二金属电极与所述主谐振结构的另一端电连接，另一个第二金属电极与所述第二信号线电连接。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述第一金属电极和所述第二金属电极均为直线状金属带条；或者，

所述第一金属电极和所述第二金属电极均为叉指状金属电极。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述空腔所占据的第一基板的区域至少覆盖所述从谐振结构在所述第一基板上的正投影。

9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一配向膜和所述第二配向膜的配向方向一致。

10.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述导电层接地。

11.一种液晶介电常数的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

准备包含待测量液晶的测量装置，将第一电压信号接入所述测量装置的导电层，并将第二电压信号接入所述测量装置的谐振结构层；其中，所述测量装置为如权利要求1～10任一项所述的液晶介电常数的测量装置；

将微波输入所述测量装置的谐振结构层；

使所述第一电压信号和所述第二电压信号之间的压差为零，接收所述谐振结构层输出的微波，得到第一传输系数曲线；

使所述第一电压信号和所述第二电压信号之间的压差大于或等于所述待测量液晶的饱和电压值，接收所述谐振结构层输出的微波，得到第二传输系数曲线；

采用模拟仿真方法找出所述第一传输系数曲线所对应的液晶介电常数，将该介电常数作为液晶短轴方向的介电常数；并找出所述第二传输系数曲线所对应的液晶介电常数，将该介电常数作为液晶长轴方向的介电常数。

12.根据权利要求11所述的测量方法，其特征在于，采用模拟仿真方法找出所述液晶短轴方向的介电常数和所述液晶长轴方向的介电常数的步骤包括：

根据获取所述第一传输系数曲线和所述第二传输系数曲线的步骤对应的测量实验模型，建立仿真模型；

使所述仿真模型中的第一电压信号和所述第二电压信号之间的压差为零，调整所述仿真模型中的液晶短轴方向的介电常数，使得到的仿真结果与所述第一传输系数曲线相吻合，此时对应的液晶短轴方向的介电常数即为待测量液晶短轴方向的介电常数；

使所述仿真模型中的第一电压信号和第二电压信号之间的压差大于或等于所述待测量液晶的饱和电压值，调整所述仿真模型中的液晶长轴方向的介电常数，使得到的仿真结果与所述第二传输系数曲线相吻合，此时对应的液晶长轴方向的介电常数即为待测量液晶长轴方向的介电常数。

13.一种液晶介电常数的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：

如权利要求1～10任一项所述的液晶介电常数的测量装置；

供电装置，包括第一电压供应端口和第二电压供应端口，所述第一电压供应端口与所述测量装置的导电层电连接，所述第二电压供应端口与所述测量装置的谐振结构层电连接，所述第一电压端口所提供的第一电压信号和/或所述第二电压端口所提供的第二电压信号可调；

与所述谐振结构层的微波信号输入端相连的微波源；

矢量网络分析仪，包括输入端口和输出端口，所述输入端口与所述谐振结构层的微波信号输入端相连，所述输出端口与所述谐振结构层的微波信号输出端相连，所述矢量网络分析仪用于在所述第一电压信号与所述第二电压信号的压差为零的情况下生成第一传输系数曲线，在所述第一电压信号与所述第二电压信号的压差大于或等于待测量液晶的饱和电压值的情况下生成第二传输系数曲线。

14.根据权利要求13所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括：与所述矢量网络分析仪相连的处理器，用于进行仿真推演，获得所述第一传输系数曲线所对应的液晶短轴方向的介电常数和所述第二传输系数曲线所对应的液晶长轴方向的介电常数。

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