專利名稱：液晶器件的制作方法
液晶器件
本申請涉及電組件、平面波導(dǎo)、天線、波束成形器(beamshaper)以及 電可調(diào)諧電介質(zhì)。
實施例適用于太赫(terahertz)頻率或毫米波長的區(qū)域；其他實施例用 于特高頻(VHF)、超高頻(UHF)以及微波的區(qū)域。
一方面，本發(fā)明提供一種電組件，包括載有液晶(LC)單元的基板，其 中LC單元包括含有各向異性粒子的液晶材料；還包括至少一個置于基板上 的導(dǎo)電元件(conductive member)和至少一個置于LC單元上方的導(dǎo)電元件； 以及用于影響各向異性粒子排列(alignment)的裝置(means)，用以改變 在導(dǎo)電元件之間的電容率(permittivity)。
可以將上述組件用于頻率靈敏天線(frequency agile antenna)、可控天 線(steemble antenna)、可調(diào)諧濾波器(tuneable filter)、極化可變天線 (polarisation variable antennas)、 電壓控制振蕩器 (voltage controlled oscillator)、可變延遲線(variable delay line)、自動阻抗匹配電路(automatic impedance matching circuit)、用于微波電路的有源溫度補償(active temperature compensation for microwave circuits)。
另一方面，本發(fā)明提供一種平面波導(dǎo)，包括載有LC單元的基板，其中 LC單元包括含有各向異性粒子的液晶材料；還包括至少一個置于基板上的 導(dǎo)電元件和至少一個置于LC單元上方的導(dǎo)電元件；以及用于影響各向異性 粒子的排列的裝置，以改變在導(dǎo)電元件之間的電容率。
又一方面，本發(fā)明提供一種天線，包括載有LC單元的基板，其中LC 單元包括含有各向異性粒子的液晶材料；還包括至少一個置于基板上的導(dǎo)電 元件和至少一個置于LC單元上方的導(dǎo)電元件；以及用于影響各向異性粒子 的排列的裝置，以改變在導(dǎo)電元件之間的電容率。
再一方面，本發(fā)明提供一種用于太赫頻率波的自由空間傳播的波束成形 器，包括載有LC單元的基板，其中LC單元包括含有各向異性粒子的液晶 材料；還包括至少一個置于基板上的導(dǎo)電元件和至少一個置于LC單元上方的導(dǎo)電元件；以及用于影響各向異性粒子的排列的裝置，以改變在導(dǎo)電元件 之間的電容率。
用于影響排列的裝置可以包括導(dǎo)電元件。
再一方面，本發(fā)明提供一種電可調(diào)諧電介質(zhì)，包括LC單元，其中LC 單元包括含有各向異性粒子的液晶材料；以及用于影響各向異性粒子的排列 的控制電極。
LC單元可以包括聚合物散布式液晶(PDLC，即Polymer Dispersed Liquid Crystal)材料。
各向異性粒子可以包括碳納米管(CNT)。 參照下文描述并結(jié)合隨附附圖將會更清楚地理解本發(fā)明，其中 圖la為液晶單元的示意圖，示出在"無場"條件下的各向異性粒子； 圖lb為液晶單元的示意圖，示出在"有場"條件下的各向異性粒子； 圖2為測試單元的截面圖3為本發(fā)明實施例中的貼片天線(patch antenna)的透視圖4為圖2中沿線nwn'的截面圖5為本發(fā)明實施例中的穿過帶狀線(stripline)波導(dǎo)的截面圖； 圖6為本發(fā)明實施例中的波束成形器的示意圖。
參見圖la和圖lb，液晶單元10具有液晶材料層20，所述液晶材料層 20中具有散布的(dispersed)各向異性粒子25。在所述實施例中，這些粒子 為CNT。在另一實施例中，所述液晶材料層20中采用染色(dye)雜質(zhì)。在 又一實施例中，液晶材料為不含CNT的PDLC材料。通過相對的、通常為 扁平的并且相互平行的玻璃基板30、 32來限制液晶材料20的范圍，其中玻 璃基板30、 32載有銦錫氧化物(ITO)電極34、 36，并且通過間隔件(spacer) 33、 35將基板分隔開。通過導(dǎo)體37、 38來連接電極。
基板之間的間距s實質(zhì)上小于基板的長度e。
在圖la中， 一般液晶材料20使各向異性粒子25平行于基板排列。 在圖lb中，在ITO電極34、 36之間施加場，以造成液晶材料20的分 子傾斜，并因此引導(dǎo)粒子25進入旋轉(zhuǎn)位置，在此，所述旋轉(zhuǎn)位置相對于基 板的平面大約平均為35度。所述35度角并非所述裝置的必要特征。各向異 性粒子排列的改變導(dǎo)致ITO電極34、 36之間電容率的變化。由KCLim等人的"液晶14 (1993)第327-337頁"可知，商用液晶在 毫米波區(qū)域中的雙折射范圍為可視區(qū)域值的46%-67%。此外，由Weil等人 的"電子信函39 (24) 1732-4 (2003)"可知，已經(jīng)通過增強的電介質(zhì)各向 異性(enhanced dielectric anisotropy ) ( As= 1)合成常規(guī)液晶，并且在mm波 區(qū)域中的正切S的損失類似于FR4。
在根據(jù)本發(fā)明制造試驗器件時，基于向列晶核(nematichost)和碳納米 管材料，采用多種材料系統(tǒng)制造液晶層。通過混合碳納米管和液晶制造合適 的材料。將注入后的混合物通過超聲處理(sonication)，以使碳納米管在液 晶中散布。
參見圖2，比現(xiàn)有測試單元厚(可厚達(dá)lmm)的測試單元400具有支撐 基板401，所述支撐基板401用于支撐延伸至其上表面的銅地線層(ground plane) 410。將液晶材料層420置于地線層上，并且通過間隔件435支持覆 蓋層430以定義液晶單元。在其他單元中，采用聚合物代替玻璃。上電極440 由銅構(gòu)成，例如由微帶銅軌線(microstrip copper track)構(gòu)成。上電極440 的寬度為w并且LC單元的厚度為h，以通過Z。 ~ h / [(w + 2h) s。 c。 &1/2]和電長 度I3L 2pIAg (其中^-c。確定微帶傳輸線的特征阻抗Z。，其中上 電極為微帶傳輸線的一部分。
為了電轉(zhuǎn)換液晶和調(diào)節(jié)所述器件，建議采用具有如下特征的液晶 經(jīng)電控制的雙折射；以及 雙頻率向列。
在一實施例中，由于使各向異性金屬微管散布在液晶晶核中的先前工作 己經(jīng)表明，通過0.2%的散布，可將處于30GHz的液晶的雙折射增加50。/。以 上(參見AM Lackner等人的"液晶14 (1993)，第351-359頁")，因此 可以采用液晶晶核摻雜碳納米管(CNT)，以擴大調(diào)諧范圍。
在有機介質(zhì)中有序的CNT對于具有液晶或聚合物或活性單體(reactive monomer)的CNT聚合物的其他應(yīng)用而言也很重要，這些其他應(yīng)用例如可以 作為用于全息照相的導(dǎo)電聚合物或光學(xué)非線性材料等。
為了最大化電介質(zhì)各向異性，必需獲得較好的且穩(wěn)定的CNT排列。在 有機介質(zhì)(例如包括液晶和活性單體)中的CNT功能化技術(shù)(Functionalisation techniques)，被用于化學(xué)改變(共價鍵的功能化(covalent ftmctionalisation))、聚合物封裝(非共價鍵的功能化(noncovalentfUnctionalisation))，并采用 用于有機介質(zhì)的表面活性劑。其他問題包括對于吸收特性和電介質(zhì)特性具體 的光譜性能的了解。
可以預(yù)見的是，由這些材料制造的電-光器件可用于控制輻射(例如在醫(yī) 療成像中)、在微波中適用的天線、無線電和雷達(dá)應(yīng)用(例如人造衛(wèi)星和移 動電話)等范疇中。
通過實施例預(yù)見了有聚合物散布的LCs(摻有或未摻有CNT)在實現(xiàn)"固 態(tài)(solid)"基板(在該基板上能夠制造微波電路)上的應(yīng)用，該"固態(tài)" 基板類似于現(xiàn)有的PTFE和玻璃纖維基板，這種應(yīng)用適用于微帶(microstrip)、 帶狀線(stripline)、槽線(slotline)以及其他平面波導(dǎo)技術(shù)。與所提出的采 用LC "單元"類型的結(jié)構(gòu)相比，這種方式可以簡化微波電路的制造，其代 價是縮小了調(diào)諧范圍。在一些情形中，優(yōu)選的是有限調(diào)諧范圍，例如用于振 蕩器的精細(xì)調(diào)諧。
可控天線(steerable antenna)是用于無線電LAN和/或移動電話的實施 例，例如用以在給定區(qū)域中獲得較高的用戶密度。對電話而言，可控天線允 許用戶減小輻射照射(radiation exposure)。本發(fā)明的應(yīng)用的其他非有限性 實例為微帶和帶狀線電路(microstrip & stripline circuits)、相移器(phase shifters)、匹配電路(matching circuits)、可調(diào)諧和可控貼片天線(tuneable and steerable patch antennas)、濾波器以及循環(huán)器(circulators)等。
參見圖3和圖4，貼片天線IOO具有電介質(zhì)基板110，所述電介質(zhì)基板 110的上端(upperside)具有銅電極114。將液晶單元120置于基板110的 上端之上并置于銅電極114上方。由間隔件124限定所述液晶單元120的邊 界四周，所述間隔件124由載有鐵粒子的膠封(glue seal)構(gòu)成。在此實施 例中，液晶材料128形成活性材料，并且包括采用Merck BL037而散布的 CNT。
液晶單元的頂端(top)之上是形成貼片的銅電極122。所述電極122具 有合適的厚度，以在操作頻率上使導(dǎo)電損耗(conduction losses)最小化，從 而得到可接受的Q因數(shù)。
連接導(dǎo)體140可將能量輸入至貼片122或從貼片122提取能量。 采用鐵粒子形成磁場邊界，從而有助于減小串?dāng)_(crosstalk)。將高頻(例如千兆赫)信號施加至貼片122，并且施加較低頻率的(例如直流)偏 壓，以控制CNT摻雜的LC 128的電容率。偏壓可以是實際的直流或低頻變 壓，需要謹(jǐn)記的是LC材料的反應(yīng)時間為毫秒級。
參見圖5，在電介質(zhì)基板210上形成第一波導(dǎo)或傳輸線220，所述電介 質(zhì)基板210上端具有接地面(earth plane) 214，并且由銅導(dǎo)體226形成接地 面。CNT摻雜的LC材料228形成單元，該單元的側(cè)邊由間隔件224限定其 邊界，而其上則由上部基板218限定，CNT摻雜LC材料228所形成的單元 的上部，其中所述基板218支撐位于其內(nèi)部之上的銅線電極222。
所述操作基本類似于第一實施例中的操作。
圖6示出第二傳輸線的實施例。在此實施例中，線電極222的上表面和 下表面由液晶材料限定，并且該線電極222位于兩個接地面220、 224之間。 可以預(yù)見有其他波導(dǎo)和類似結(jié)構(gòu)。
參見圖7，波束成形器300由常規(guī)的貼片天線電極310正方形矩陣組成， 這些貼片天線電極310在一個平面內(nèi)相互間隔開，并且位于底板301的上方。 在一些實施例中，只需要少數(shù)的天線元件，例如4或5個元件。
圖8示出了對

圖1的替代性設(shè)置，這種設(shè)置在采用雙頻率材料時會用到。 所述圖示出了僅施加低頻率場和僅施加高頻率場(比液晶材料的反應(yīng)時間快 很多)時的情況。
在圖8a中，各向異性粒子25以基本垂直于玻璃基板30、 32的方式排 列，其中玻璃基板30、 32相互平行。這種排列方式是通過在ITO電極34、 36之間施加低頻電場造成的。這種近似垂直的排列方式是純說明性的。
在圖8b中，各向異性粒子25以基本平行于玻璃基板30、 32的方式排 列，其中玻璃基板30、 32相互平行。這種排列方式是通過在ITO電極34、 36之間施加高頻電場造成的。
在一實施例中，每個貼片電極310之下都有自己的液晶單元；在另一個 略遜一籌的優(yōu)選方式中，提供單個液晶單元。通過導(dǎo)體304a-304d將信號和 偏壓反饋至每個貼片電極。通過偏壓設(shè)置每個貼片的電容率值，以便在已知 模式中改變信號分布(signal distribution)和引導(dǎo)輻射光束。
上文描述了本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明并不局限于上述實施例的細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1. 一種電組件，包括載有LC單元的基板，其中所述LC單元包括含有各向異性粒子的液晶材料；還包括至少一個置于所述基板上的導(dǎo)電元件和至少一個置于所述LC單元上方的導(dǎo)電元件；以及用于影響各向異性粒子的排列的裝置，以改變在所述導(dǎo)電元件之間的電容率。
2. —種平面波導(dǎo)，包括載有LC單元的基板，其中所述LC單元包括含 有各向異性粒子的液晶材料；還包括至少一個置于所述基板上的導(dǎo)電元件和 至少一個置于所述LC單元上方的導(dǎo)電元件；以及用于影響所述各向異性粒 子的排列的裝置，以改變在所述導(dǎo)電元件之間的電容率。
3. —種天線，包括載有LC單元的基板，其中所述LC單元包括含有各 向異性粒子的液晶材料；還包括至少一個置于所述基板上的導(dǎo)電元件和至少 一個置于所述LC單元上方的導(dǎo)電元件；以及用于影響所述各向異性粒子的 排列的裝置，以改變在所述導(dǎo)電元件之間的電容率。
4. 一種波束成形器，用于太赫頻率波的自由空間傳播，該波束成形器包 括載有LC單元的基板，其中所述LC單元包括含有各向異性粒子的液晶材 料；還包括至少一個置于所述基板上的導(dǎo)電元件和至少一個置于所述LC單 元上方的導(dǎo)電元件；以及用于影響所述各向異性粒子的排列的裝置，以改變 在所述導(dǎo)電元件之間的電容率。
5. —種電可調(diào)諧電介質(zhì)，包括LC單元，其中所述LC單元包括含有各 向異性粒子的液晶材料；還包括用于影響所述各向異性粒子的排列的控制電 極。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電組件、根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面波導(dǎo)、根 據(jù)權(quán)利要求3所述的天線或者根據(jù)權(quán)利要求4所述的波束成形器，其中用于 影響所述各向異性粒子的排列的所述裝置包括所述導(dǎo)電元件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電組件、根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面波導(dǎo)、根 據(jù)權(quán)利要求3所述的天線、根據(jù)權(quán)利要求4所述的波束成形器或者根據(jù)權(quán)利 要求5所述的電可調(diào)諧電介質(zhì)，其中所述LC單元包括PDLC材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電組件、根據(jù)權(quán)利要求2所述的平面波導(dǎo)、根 據(jù)權(quán)利要求3所述的天線、根據(jù)權(quán)利要求4所述的波束成形器或者根據(jù)權(quán)利 要求5所述的電可調(diào)諧電介質(zhì)，其中所述各向異性粒子包括CNT。
全文摘要
一種電組件，包括載有LC單元(10)的基板(30)，其中所述LC單元(10)包括含有各向異性粒子(25)的液晶材料(20)，至少一個置于所述基板(30)上的導(dǎo)電元件(36)和至少一個置于所述液晶單元(10)上方的導(dǎo)電元件(34)，以及用于影響各向異性粒子(25)排列的裝置，用以改變在所述多個導(dǎo)電元件(34、36)之間的電容率。
文檔編號G02F1/137GK101449203SQ200780018116
公開日2009年6月3日 申請日期2007年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者保爾·安德魯·羅伯遜, 威廉·奧爾登·克羅斯蘭, 尼爾·科林斯 申請人:劍橋?qū)崢I(yè)有限公司