工程师课堂：基于实现液晶显示器低温显示的方法介绍

1 引言

液晶显示器具有功耗低、清晰度高、寿命长、体积小、重量轻、光学特性好等特点，是理想的显示器件，广泛应用在各种仪器仪表上。

液晶显示是一种被动的显示，它本身不能发光，只能依靠周围环境的光来显示。它只需很小的能量就能显示图案或字符。正因为低功耗和小型化使 LCD成为较佳的显示方式。液晶显示所用的液晶材料是一种兼有液态和固体双重性质的有机物，它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列，但在电场作用下能改变其排列方向。

对于正性TN-LCD，当未加电压到电极时，LCD处于"OFF"态，光能透过LCD呈白态;当在电极上加上电压时LCD处于"ON"态，液晶分子长轴方向沿电场方向排列，光不能透过LCD，呈黑态。有选择性地在电极上施加电压，就可以显示出不同的图案。

TN模式可用来制作具有低电压、低功耗、长寿名等特点的液晶显示器，在各种工作模式中是应用最广泛的一种模式。

液晶显示器是一个由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料-胶框(一般为环氧树脂)密封，盒的两个外侧贴有偏光片。液晶盒中上下玻璃片之间的间隔，即通常所说的盒厚，一般为几个微米(人的准确性直径为几十微米)。上下玻璃片内侧，对应显示图形的部分，镀有透明的氧化甸-氧化锡(简称ITO)导电薄膜，即显示电极。电极的作用主要是使外部电信号通过其加到液晶上去。

液晶盒中玻璃片内侧的整个显示区覆盖着一层定向层。定向层的作用是使液晶分子按特定的方向排列，这个定向层通常是一薄层高分子有机物，并经摩擦处理，也可以通过在玻璃表面以一定角度用真空蒸镀氧化硅薄膜来制备。

在TN型液晶显示器中充有正性向列型液晶。液晶分子的定向就是使长棒型的液晶分子平行于玻璃表面沿一个固定方向排列，分子长轴的方向沿着定向处理的方向。上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，在垂直于玻璃片表面的方向，盒内液晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90°，这就是扭曲向列型液晶显示器名称的由来。

评价液晶显示器的指标主要有阈值电压、对比度与视角等，其中最重要的是响应特性。液晶显示是基于液晶分子状态的改变，因而是一种分子过程，其响应速度自然比原子过程或电子过程慢的多。但是无论是上升过程还是下降过程，都是一个由动力克服阻力而使液晶分子状态发生改变的过程。因此，不论何种液晶电光效应制成的器件，其响应时间T如下式表示：

图1 响应时间和温度关系图

其中液晶显示器的上升时间为液晶显示器的下降时间，液晶显示材料的各向异性粘滞系数是液晶材料的三种形变弹性常数，液晶材料的介电各向异性，d是显示器中液晶层的厚度；V为外加驱动电压。E=V/d为电场强度；q称为波数，在向列形液晶显示器的场合q=π/d；为真空介电常数：受温度影响较小，于1/T成指数关系，所以受温度影响相当大，K虽随温度变化较大，随温度T的升高K的数值迅速减少，但近似与有序参数S的平方成正比，当液晶温度由晶体到向列相转变温度 升高到向列相到各向同性相变温度以下时S由约0.8降到0.3。可见K随温度变化较 随温度变化小，随两者作用效果相加，仍可认为与1/T成指数关系。图1显示液晶盒的响应时间与温度的关系。液晶显示器的阈值电压Vth，按定义是指液晶显示器件显示部分的电光变化达到最大变化量的10%时，驱动电压的有效值，随着温度的降低，阈值电压会升高。当温度降至低于0℃时，液晶材料将变得粘滞，响应速度变慢，动态图像出现拖尾现象甚至不能显示;如果温度过低，液晶态就会消失，变成晶体。当环境温度低于0℃时，背光源的荧光灯管寿命会降低，而且低温会降低背光源的亮度，根据试验显示，背光源的亮度在50℃时是最高的，为使显示器工作性能最佳，应使其工作在一定的温度范围之内。

2 常用的低温显示方法

2.1 提高液晶显示器的驱动电压

当温度下降时，液晶显示器的阈值电压会升高，提高液晶显示器的驱动电压，可以实现液晶显示器在低温下的显示。此方法的主要器件是温度传感器与可调输出电压，根据外界环境的温度改变液晶显示器的驱动电压以使显示器实现在低温下的显示，此种方法可以使液晶显示器的工作温度范围为-20℃～+50℃。但是驱动电压不可能无限止的提高，当驱动电压提高到一定程度后，显示器的对比度会明显下降，甚至黑屏而导致显示器无法使用。

2.2 利用ITO导电膜进行加热

将ITO加热器置于液晶基板与背光源反射腔之间直接对LCD基板进行加热、这种方法加热集中、时间短、加热功率小[p] 但需要对LCD显示器件拆装改造，操作工艺复杂。或者利用显示窗口的屏蔽玻璃镀ITO加热膜，低温条件下接通加热膜电源通过热辐射对显示器件进行加热，这种方法相对来说简单易行，加热时间也比较短。

液晶显示器模块内部具有一定的复杂性，它是由多个基本部分组成的，是一种非常精密紧凑的结构，其中LCD屏组件、背光源、驱动及控制电路这三部分的集合称为LCD模块组件。对LCD模块组件来说，其内部是由LCD显示屏、透射式偏振器、柔性导电引出带、背光源、高密度多路驱动集成电路等精密部件组成，再次拆卸及组装极易损坏这些精密部件及光电原件。目前，常用的对LCD进行加热的方法，是在一片厚度为0.5-0.3毫米的高强度特种玻璃基片上，用真空蒸发或者是磁控溅射的方法，生长一种半导体薄膜-ITO膜，经专门工艺处理后，该层膜就变得清澈透明并具有一定的导电性，利用其导电性，就可以做成LCD内部加热器。但是，若要在LCD内部装入这种厚度超过0.5mm的玻璃基板ITO加热器，就必须解决许多结构上的复杂问题，并且有可能破坏原有的光学通路，损失亮度及器件的密封性，甚至稍强一些的振动和冲击都会造成ITO玻璃加热基片的破碎，所以，必须重新进行模块的结构设计和新的零件制造才能装入ITO膜加热器。这是一项细致、复杂及工艺要求很高的工作，费用高、成品率低，而且产品的可靠性也不高，所以，原有的这种LCD加热技术，在实际应用中就受到很大限制。针对这一问题，新型低温加固型LCD显示器在技术上实现了突破，他的显著特点之一，是在可以不用打开LCD模块组件内部并进行加热器安装的前提下，就解决LCD显示器的微功耗加热问题。加热器、真空保温屏和电磁屏蔽层三者为一体化结构，可将这套装置嵌装在LCD显示窗口前端，故可不影响原LCD显示模块内部的光路系统，并能达到与内置式加热器相同的加热效果，使整个低温显示器的结构变得简单，组装相对比较容易，而且不会破坏LCD模块组件的原结构及光学通路。

此种方法可以实现液晶显示器的低温显示，但是工艺都比较复杂，需要对液晶显示器进行不同程度的拆装，影响其可靠性，重要的是当环境温度发生改变时液晶显示器内部温度无法控制，需要根据环境温度调整加热膜的加热功率。有可能造成显示器内部温度过高而烧坏液晶显示器，其使用范围受到一定的限制。下面介绍一种外置加热法实现液晶显示器在低温下的显示。3 外置加热法

3.1 加热原理

图2 液晶显示盒

该系统由液晶显示器、温度传感器及加热电阻等组成，加热器采用的是加热电阻，固定在液晶显示器背部的板上，整个系统密封在盒子内，通过接口和外部控制电路相连。液晶显示器采用的是字符点阵液晶显示模块MTC-C162，MTC-C162液晶显示器是为我们研制的测角传感器所新配备的，该传感器的工作温度范围为-40℃～+55℃，因此要求显示器也必须工作在这一温度范围内。MTC-C162是宽温型液晶显示器，它具有尺寸小、显示稳定、操作简单等特点，唯一不足之处是工作温度范围不能满足要求。

AD7416是装在一个芯片中的完整的温度监视系统。它与其它数字温度传感器相比具有体积小、编程简单等优点。它包括一个带隙温度传感器和一个用来监视并将温度的高低数字化的10位AD传感器，精度可达0.25℃，还有一个可编程的门限用来比较测量温度的比较器。片内寄存器可以用来设定高、低温度门限，并提供一个漏极开路的“超温指示器”(OTI)输出，当超过设定的门限时OTI输出即有效。

3.2 温度控制

该系统的主控制器是单片机，单片机根据两个温度传感器的值判断环境温度和液晶显示盒内的温度，控制加热器加热，使液晶显示器始终出在可工作的温度范围内。试验证明，当环境温度低于-10℃时，维持液晶显示盒内的温度在20℃以上时，液晶显示器可以正常工作。单片机首先根据温度传感器判断环境温度是否低于-10℃，如果环境温度高于-10℃，则断开继电器不加热，如果环境温度低于-10℃，则根据液晶显示盒内的温度传感器判断液晶显示盒的温度，如果温度在20～30℃以内则维持原状，超过30℃则断开继电器停止加热，低于20℃则闭合继电器开始加热。用此方法当环境温度变化时液晶显示器始终能够正常显示。

4结论

使用外置加热器实现液晶显示器在低温下的工作，与内置加热法和提高驱动电压方法相比，此方法简单易行，不用对液晶显示器进行拆卸，提高了显示器的可靠性，可以实现液晶显示器在极低的温度范围内工作。当外界环境变换时可以自动控制显示盒内的温度，不需要人工控制，环境适应能力强。在-40℃的情况下，当加热器的加热电压为+20V时，只需加热6～8分钟液晶显示器即可正常工作。如果采用+12V加热，则加热15分钟后显示器可以正常工作，加热器的平均功率受外界环境温度的影响，温度越低，则平均加热功能功率越大。此方法使用于小型的液晶显示器在低温恶劣环境下的使用，对于大型的液晶显示器用此方法则不佳。液晶显示器可以在-40℃～+55℃的温度下正常显示。