1 引言

液晶顯示器具有功耗低、清晰度高、壽命長、體積小、重量輕、光學(xué)特性好等特點，是理想的顯示器件，廣泛應(yīng)用在各種儀器儀表上。

液晶顯示是一種被動的顯示，它本身不能發(fā)光，只能依靠周圍環(huán)境的光來顯示。它只需很小的能量就能顯示圖案或字符。正因為低功耗和小型化使 LCD成為較佳的顯示方式。液晶顯示所用的液晶材料是一種兼有液態(tài)和固體雙重性質(zhì)的有機物，它的棒狀結(jié)構(gòu)在液晶盒內(nèi)一般平行排列，但在電場作用下能改變其排列方向。

對于正性TN-LCD，當(dāng)未加電壓到電極時，LCD處于OFF態(tài)，光能透過LCD呈白態(tài)；當(dāng)在電極上加上電壓時LCD處于ON態(tài)，液晶分子長軸方向沿電場方向排列，光不能透過LCD，呈黑態(tài)。有選擇性地在電極上施加電壓，就可以顯示出不同的圖案。

TN模式可用來制作具有低電壓、低功耗、長壽名等特點的液晶顯示器，在各種工作模式中是應(yīng)用最廣泛的一種模式。

液晶顯示器是一個由上下兩片導(dǎo)電玻璃制成的液晶盒，盒內(nèi)充有液晶，四周用密封材料-膠框（一般為環(huán)氧樹脂）密封，盒的兩個外側(cè)貼有偏光片。液晶盒中上下玻璃片之間的間隔，即通常所說的盒厚，一般為幾個微米（人的準(zhǔn)確性直徑為幾十微米）。上下玻璃片內(nèi)側(cè)，對應(yīng)顯示圖形的部分，鍍有透明的氧化甸-氧化錫（簡稱ITO）導(dǎo)電薄膜，即顯示電極。電極的作用主要是使外部電信號通過其加到液晶上去。

液晶盒中玻璃片內(nèi)側(cè)的整個顯示區(qū)覆蓋著一層定向?qū)?。定向?qū)拥淖饔檬鞘挂壕Х肿影刺囟ǖ姆较蚺帕?，這個定向?qū)油ǔＪ且槐痈叻肿佑袡C物，并經(jīng)摩擦處理，也可以通過在玻璃表面以一定角度用真空蒸鍍氧化硅薄膜來制備。

在TN型液晶顯示器中充有正性向列型液晶。液晶分子的定向就是使長棒型的液晶分子平行于玻璃表面沿一個固定方向排列，分子長軸的方向沿著定向處理的方向。上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，這樣，在垂直于玻璃片表面的方向，盒內(nèi)液晶分子的取向逐漸扭曲，從上玻璃片到下玻璃片扭曲了90°，這就是扭曲向列型液晶顯示器名稱的由來。

評價液晶顯示器的指標(biāo)主要有閾值電壓、對比度與視角等，其中最重要的是響應(yīng)特性。液晶顯示是基于液晶分子狀態(tài)的改變，因而是一種分子過程，其響應(yīng)速度自然比原子過程或電子過程慢的多。但是無論是上升過程還是下降過程，都是一個由動力克服阻力而使液晶分子狀態(tài)發(fā)生改變的過程。因此，不論何種液晶電光效應(yīng)制成的器件，其響應(yīng)時間T如下式表示：

圖1 響應(yīng)時間和溫度關(guān)系圖

其中 是液晶顯示器的上升時間； 為液晶顯示器的下降時間； 是液晶顯示材料的各向異性粘滯系數(shù)； 是液晶材料的三種形變彈性常數(shù)； 是液晶材料的介電各向異性；d是顯示器中液晶層的厚度；V為外加驅(qū)動電壓。E=V/d為電場強度；q稱為波數(shù)，在向列形液晶顯示器的場合q＝π/d； 為真空介電常數(shù)；式中 受溫度影響較小，而 于1/T成指數(shù)關(guān)系，所以受溫度影響相當(dāng)大，K雖隨溫度變化較大，隨溫度T的升高K的數(shù)值迅速減少，但近似與有序參數(shù)S的平方成正比，當(dāng)液晶溫度由晶體到向列相轉(zhuǎn)變溫度 升高到向列相到各向同性相變溫度 以下時S由約0.8降到0.3?？梢奒隨溫度變化較 隨溫度變化小，隨兩者作用效果相加，仍可認為 與1/T成指數(shù)關(guān)系。圖1顯示液晶盒的響應(yīng)時間與溫度的關(guān)系。

液晶顯示器的閾值電壓Vth，按定義是指液晶顯示器件顯示部分的電光變化達到最大變化量的10%時，驅(qū)動電壓的有效值，隨著溫度的降低，閾值電壓會升高。當(dāng)溫度降至低于0℃時，液晶材料將變得粘滯，響應(yīng)速度變慢，動態(tài)圖像出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象甚至不能顯示；如果溫度過低，液晶態(tài)就會消失，變成晶體。當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時，背光源的熒光燈管壽命會降低，而且低溫會降低背光源的亮度，根據(jù)試驗顯示，背光源的亮度在50℃時是最高的，為使顯示器工作性能最佳，應(yīng)使其工作在一定的溫度范圍之內(nèi)。

2 常用的低溫顯示方法

2.1 提高液晶顯示器的驅(qū)動電壓

當(dāng)溫度下降時，液晶顯示器的閾值電壓會升高，提高液晶顯示器的驅(qū)動電壓，可以實現(xiàn)液晶顯示器在低溫下的顯示。此方法的主要器件是溫度傳感器與可調(diào)輸出電壓，根據(jù)外界環(huán)境的溫度改變液晶顯示器的驅(qū)動電壓以使顯示器實現(xiàn)在低溫下的顯示，此種方法可以使液晶顯示器的工作溫度范圍為-20℃～+50℃。但是驅(qū)動電壓不可能無限止的提高，當(dāng)驅(qū)動電壓提高到一定程度后，顯示器的對比度會明顯下降，甚至黑屏而導(dǎo)致顯示器無法使用。

2.2 利用ITO導(dǎo)電膜進行加熱

將ITO加熱器置于液晶基板與背光源反射腔之間直接對LCD基板進行加熱、這種方法加熱集中、時間短、加熱功率小。但需要對LCD顯示器件拆裝改造，操作工藝復(fù)雜?；蛘呃蔑@示窗口的屏蔽玻璃鍍ITO加熱膜，低溫條件下接通加熱膜電源通過熱輻射對顯示器件進行加熱，這種方法相對來說簡單易行，加熱時間也比較短。

液晶顯示器模塊內(nèi)部具有一定的復(fù)雜性，它是由多個基本部分組成的，是一種非常精密緊湊的結(jié)構(gòu)，其中LCD屏組件、背光源、驅(qū)動及控制電路這三部分的集合稱為LCD模塊組件。對LCD模塊組件來說，其內(nèi)部是由LCD顯示屏、透射式偏振器、柔性導(dǎo)電引出帶、背光源、高密度多路驅(qū)動集成電路等精密部件組成，再次拆卸及組裝極易損壞這些精密部件及光電原件。目前，常用的對LCD進行加熱的方法，是在一片厚度為0.5-0.3毫米的高強度特種玻璃基片上，用真空蒸發(fā)或者是磁控濺射的方法，生長一種半導(dǎo)體薄膜－ITO膜，經(jīng)專門工藝處理后，該層膜就變得清澈透明并具有一定的導(dǎo)電性，利用其導(dǎo)電性，就可以做成LCD內(nèi)部加熱器。但是，若要在LCD內(nèi)部裝入這種厚度超過0.5mm的玻璃基板ITO加熱器，就必須解決許多結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜問題，并且有可能破壞原有的光學(xué)通路，損失亮度及器件的密封性，甚至稍強一些的振動和沖擊都會造成ITO玻璃加熱基片的破碎，所以，必須重新進行模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和新的零件制造才能裝入ITO膜加熱器。這是一項細致、復(fù)雜及工藝要求很高的工作，費用高、成品率低，而且產(chǎn)品的可靠性也不高，所以，原有的這種LCD加熱技術(shù)，在實際應(yīng)用中就受到很大限制。針對這一問題，新型低溫加固型LCD顯示器在技術(shù)上實現(xiàn)了突破，他的顯著特點之一，是在可以不用打開LCD模塊組件內(nèi)部并進行加熱器安裝的前提下，就解決LCD顯示器的微功耗加熱問題。加熱器、真空保溫屏和電磁屏蔽層三者為一體化結(jié)構(gòu)，可將這套裝置嵌裝在LCD顯示窗口前端，故可不影響原LCD顯示模塊內(nèi)部的光路系統(tǒng)，并能達到與內(nèi)置式加熱器相同的加熱效果，使整個低溫顯示器的結(jié)構(gòu)變得簡單，組裝相對比較容易，而且不會破壞LCD模塊組件的原結(jié)構(gòu)及光學(xué)通路。

此種方法可以實現(xiàn)液晶顯示器的低溫顯示，但是工藝都比較復(fù)雜，需要對液晶顯示器進行不同程度的拆裝，影響其可靠性，重要的是當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生改變時液晶顯示器內(nèi)部溫度無法控制，需要根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整加熱膜的加熱功率。有可能造成顯示器內(nèi)部溫度過高而燒壞液晶顯示器，其使用范圍受到一定的限制。下面介紹一種外置加熱法實現(xiàn)液晶顯示器在低溫下的顯示。

3 外置加熱法

3.1 加熱原理

圖2 液晶顯示盒

該系統(tǒng)由液晶顯示器、溫度傳感器及加熱電阻等組成，加熱器采用的是加熱電阻，固定在液晶顯示器背部的板上，整個系統(tǒng)密封在盒子內(nèi)，通過接口和外部控制電路相連。液晶顯示器采用的是字符點陣液晶顯示模塊MTC-C162，MTC-C162液晶顯示器是為我們研制的測角傳感器所新配備的，該傳感器的工作溫度范圍為-40℃～+55℃，因此要求顯示器也必須工作在這一溫度范圍內(nèi)。MTC-C162是寬溫型液晶顯示器，它具有尺寸小、顯示穩(wěn)定、操作簡單等特點，唯一不足之處是工作溫度范圍不能滿足要求。

AD7416是裝在一個芯片中的完整的溫度監(jiān)視系統(tǒng)。它與其它數(shù)字溫度傳感器相比具有體積小、編程簡單等優(yōu)點。它包括一個帶隙溫度傳感器和一個用來監(jiān)視并將溫度的高低數(shù)字化的10位AD傳感器，精度可達0.25℃，還有一個可編程的門限用來比較測量溫度的比較器。片內(nèi)寄存器可以用來設(shè)定高、低溫度門限，并提供一個漏極開路的“超溫指示器”（OTI）輸出，當(dāng)超過設(shè)定的門限時OTI輸出即有效。

3.2 溫度控制

該系統(tǒng)的主控制器是單片機，單片機根據(jù)兩個溫度傳感器的值判斷環(huán)境溫度和液晶顯示盒內(nèi)的溫度，控制加熱器加熱，使液晶顯示器始終出在可工作的溫度范圍內(nèi)。試驗證明，當(dāng)環(huán)境溫度低于-10℃時，維持液晶顯示盒內(nèi)的溫度在20℃以上時，液晶顯示器可以正常工作。單片機首先根據(jù)溫度傳感器判斷環(huán)境溫度是否低于-10℃，如果環(huán)境溫度高于-10℃，則斷開繼電器不加熱，如果環(huán)境溫度低于-10℃，則根據(jù)液晶顯示盒內(nèi)的溫度傳感器判斷液晶顯示盒的溫度，如果溫度在20～30℃以內(nèi)則維持原狀，超過30℃則斷開繼電器停止加熱，低于20℃則閉合繼電器開始加熱。用此方法當(dāng)環(huán)境溫度變化時液晶顯示器始終能夠正常顯示。

4結(jié)論

使用外置加熱器實現(xiàn)液晶顯示器在低溫下的工作，與內(nèi)置加熱法和提高驅(qū)動電壓方法相比，此方法簡單易行，不用對液晶顯示器進行拆卸，提高了顯示器的可靠性，可以實現(xiàn)液晶顯示器在極低的溫度范圍內(nèi)工作。當(dāng)外界環(huán)境變換時可以自動控制顯示盒內(nèi)的溫度，不需要人工控制，環(huán)境適應(yīng)能力強。在-40℃的情況下，當(dāng)加熱器的加熱電壓為+20V時，只需加熱6～8分鐘液晶顯示器即可正常工作。如果采用+12V加熱，則加熱15分鐘后顯示器可以正常工作，加熱器的平均功率受外界環(huán)境溫度的影響，溫度越低，則平均加熱功能功率越大。此方法使用于小型的液晶顯示器在低溫惡劣環(huán)境下的使用，對于大型的液晶顯示器用此方法則不佳。液晶顯示器可以在-40℃～+55℃的溫度下正常顯示。