1 引言
液晶顯示器具有功耗低、清晰度高、壽命長(cháng)、體積小、重量輕、光學(xué)特性好等特點(diǎn),是理想的顯示器件,廣泛應用在各種儀器儀表上。
液晶顯示是一種被動(dòng)的顯示,它本身不能發(fā)光,只能依靠周?chē)h(huán)境的光來(lái)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,它的棒狀結構在液晶盒內一般平行排列,但在電場(chǎng)作用下能改變其排列方向。
對于正性TN-LCD,當未加電壓到電極時(shí),LCD處于"OFF"態(tài),光能透過(guò)LCD呈白態(tài);當在電極上加上電壓時(shí)LCD處于"ON"態(tài),液晶分子長(cháng)軸方向沿電場(chǎng)方向排列,光不能透過(guò)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(lái)制作具有低電壓、低功耗、長(cháng)壽名等特點(diǎn)的液晶顯示器,在各種工作模式中是應用最廣泛的一種模式。
液晶顯示器是一個(gè)由上下兩片導電玻璃制成的液晶盒,盒內充有液晶,四周用密封材料-膠框(一般為環(huán)氧樹(shù)脂)密封,盒的兩個(gè)外側貼有偏光片。液晶盒中上下玻璃片之間的間隔,即通常所說(shuō)的盒厚,一般為幾個(gè)微米(人的準確性直徑為幾十微米)。上下玻璃片內側,對應顯示圖形的部分,鍍有透明的氧化甸-氧化錫(簡(jiǎn)稱(chēng)ITO)導電薄膜,即顯示電極。電極的作用主要是使外部電信號通過(guò)其加到液晶上去。
液晶盒中玻璃片內側的整個(gè)顯示區覆蓋著(zhù)一層定向層。定向層的作用是使液晶分子按特定的方向排列,這個(gè)定向層通常是一薄層高分子有機物,并經(jīng)摩擦處理,也可以通過(guò)在玻璃表面以一定角度用真空蒸鍍氧化硅薄膜來(lái)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(cháng)棒型的液晶分子平行于玻璃表面沿一個(gè)固定方向排列,分子長(cháng)軸的方向沿著(zhù)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(chēng)的由來(lái)。
評價(jià)液晶顯示器的指標主要有閾值電壓、對比度與視角等,其中最重要的是響應特性。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(guò)程,其響應速度自然比原子過(guò)程或電子過(guò)程慢的多。但是無(wú)論是上升過(guò)程還是下降過(guò)程,都是一個(gè)由動(dòng)力克服阻力而使液晶分子狀態(tài)發(fā)生改變的過(guò)程。因此,不論何種液晶電光效應制成的器件,其響應時(shí)間T如下式表示:
圖1 響應時(shí)間和溫度關(guān)系圖
其中 是液晶顯示器的上升時(shí)間; 為液晶顯示器的下降時(shí)間; 是液晶顯示材料的各向異性粘滯系數; 是液晶材料的三種形變彈性常數; 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為外加驅動(dòng)電壓。E=V/d為電場(chǎng)強度;q稱(chēng)為波數,在向列形液晶顯示器的場(chǎng)合q=π/d; 為真空介電常數;式中 受溫度影響較小,而 于1/T成指數關(guān)系,所以受溫度影響相當大,K雖隨溫度變化較大,隨溫度T的升高K的數值迅速減少,但近似與有序參數S的平方成正比,當液晶溫度由晶體到向列相轉變溫度 升高到向列相到各向同性相變溫度 以下時(shí)S由約0.8降到0.3??梢?jiàn)K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成指數關(guān)系。圖1顯示液晶盒的響應時(shí)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(shí),驅動(dòng)電壓的有效值,隨著(zhù)溫度的降低,閾值電壓會(huì )升高。當溫度降至低于0℃時(shí),液晶材料將變得粘滯,響應速度變慢,動(dòng)態(tài)圖像出現拖尾現象甚至不能顯示;如果溫度過(guò)低,液晶態(tài)就會(huì )消失,變成晶體。當環(huán)境溫度低于0℃時(shí),背光源的熒光燈管壽命會(huì )降低,而且低溫會(huì )降低背光源的亮度,根據試驗顯示,背光源的亮度在50℃時(shí)是最高的,為使顯示器工作性能最佳,應使其工作在一定的溫度范圍之內。
2 常用的低溫顯示方法
2.1 提高液晶顯示器的驅動(dòng)電壓
當溫度下降時(shí),液晶顯示器的閾值電壓會(huì )升高,提高液晶顯示器的驅動(dòng)電壓,可以實(shí)現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輸出電壓,根據外界環(huán)境的溫度改變液晶顯示器的驅動(dòng)電壓以使顯示器實(shí)現在低溫下的顯示,此種方法可以使液晶顯示器的工作溫度范圍為-20℃~+50℃。但是驅動(dòng)電壓不可能無(wú)限止的提高,當驅動(dòng)電壓提高到一定程度后,顯示器的對比度會(huì )明顯下降,甚至黑屏而導致顯示器無(wú)法使用。
2.2 利用ITO導電膜進(jìn)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(jìn)行加熱、這種方法加熱集中、時(shí)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(guò)熱輻射對顯示器件進(jìn)行加熱,這種方法相對來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單易行,加熱時(shí)間也比較短。
液晶顯示器模塊內部具有一定的復雜性,它是由多個(gè)基本部分組成的,是一種非常精密緊湊的結構,其中LCD屏組件、背光源、驅動(dòng)及控制電路這三部分的集合稱(chēng)為L(cháng)CD模塊組件。對LCD模塊組件來(lái)說(shuō),其內部是由LCD顯示屏、透射式偏振器、柔性導電引出帶、背光源、高密度多路驅動(dòng)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(jìn)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(cháng)一種半導體薄膜-ITO膜,經(jīng)專(zhuān)門(mén)工藝處理后,該層膜就變得清澈透明并具有一定的導電性,利用其導電性,就可以做成LCD內部加熱器。但是,若要在LCD內部裝入這種厚度超過(guò)0.5mm的玻璃基板ITO加熱器,就必須解決許多結構上的復雜問(wèn)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(dòng)和沖擊都會(huì )造成ITO玻璃加熱基片的破碎,所以,必須重新進(jìn)行模塊的結構設計和新的零件制造才能裝入ITO膜加熱器。這是一項細致、復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(shí)際應用中就受到很大限制。針對這一問(wèn)題,新型低溫加固型LCD顯示器在技術(shù)上實(shí)現了突破,他的顯著(zhù)特點(diǎn)之一,是在可以不用打開(kāi)LCD模塊組件內部并進(jìn)行加熱器安裝的前提下,就解決LCD顯示器的微功耗加熱問(wèn)題。加熱器、真空保溫屏和電磁屏蔽層三者為一體化結構,可將這套裝置嵌裝在LCD顯示窗口前端,故可不影響原LCD顯示模塊內部的光路系統,并能達到與內置式加熱器相同的加熱效果,使整個(gè)低溫顯示器的結構變得簡(jiǎn)單,組裝相對比較容易,而且不會(huì )破壞LCD模塊組件的原結構及光學(xué)通路。
此種方法可以實(shí)現液晶顯示器的低溫顯示,但是工藝都比較復雜,需要對液晶顯示器進(jìn)行不同程度的拆裝,影響其可靠性,重要的是當環(huán)境溫度發(fā)生改變時(shí)液晶顯示器內部溫度無(wú)法控制,需要根據環(huán)境溫度調整加熱膜的加熱功率。有可能造成顯示器內部溫度過(guò)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(shí)現液晶顯示器在低溫下的顯示。
3 外置加熱法
3.1 加熱原理
該系統由液晶顯示器、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(gè)系統密封在盒子內,通過(guò)接口和外部控制電路相連。液晶顯示器采用的是字符點(diǎn)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。MTC-C162是寬溫型液晶顯示器,它具有尺寸小、顯示穩定、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),唯一不足之處是工作溫度范圍不能滿(mǎn)足要求。
AD7416是裝在一個(gè)芯片中的完整的溫度監視系統。它與其它數字溫度傳感器相比具有體積小、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它包括一個(gè)帶隙溫度傳感器和一個(gè)用來(lái)監視并將溫度的高低數字化的10位AD傳感器,精度可達0.25℃,還有一個(gè)可編程的門(mén)限用來(lái)比較測量溫度的比較器。片內寄存器可以用來(lái)設定高、低溫度門(mén)限,并提供一個(gè)漏極開(kāi)路的“超溫指示器”(OTI)輸出,當超過(guò)設定的門(mén)限時(shí)OTI輸出即有效。
3.2 溫度控制
該系統的主控制器是單片機,單片機根據兩個(gè)溫度傳感器的值判斷環(huán)境溫度和液晶顯示盒內的溫度,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。試驗證明,當環(huán)境溫度低于-10℃時(shí),維持液<