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、光學特性好等特點，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的顯示，它本身不能發光，只能依靠周圍環境的光來顯示。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和固體雙重性質的有機物，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，LCD處于"OFF"態，光能透過LCD呈白態；當在電極上加上電壓時LCD處于"ON"態，液晶分子長軸方向沿電場方向排列，光不能透過LCD，呈黑態。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用最廣泛的一種模式。
液晶顯示器是一個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（一般為環氧樹脂）密封，盒的兩個外側貼有偏光片。液晶盒中上下玻璃片之間的間隔，即通常所說的盒厚，一般為幾個微米（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（簡稱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其加到液晶上去。
液晶盒中玻璃片內側的整個顯示區覆蓋著一層定向層。定向層的作用是使液晶分子按特定的方向排列，這個定向層通常是一薄層高分子有機物，并經摩擦處理，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的改變，因而是一種分子過程，其響應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發生改變的過程。因此，不論何種液晶電光效應制成的器件，其響應時間T如下式表示：
圖1 響應時間和溫度關系圖
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； 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為外加驅動電壓。E=V/d為電場強度；q稱為波數，在向列形液晶顯示器的場合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成指數關系。圖1顯示液晶盒的響應時間與溫度的關系。
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，驅動電壓的有效值，隨著溫度的降低，閾值電壓會升高。當溫度降至低于0℃時，液晶材料將變得粘滯，響應速度變慢，動態圖像出現拖尾現象甚至不能顯示；如果溫度過低，液晶態就會消失，變成晶體。當環境溫度低于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電壓
當溫度下降時，液晶顯示器的閾值電壓會升高，提高液晶顯示器的驅動電壓，可以實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，根據外界環境的溫度改變液晶顯示器的驅動電壓以使顯示器實現在低溫下的顯示，此種方法可以使液晶顯示器的工作溫度范圍為-20℃～+50℃。但是驅動電壓不可能無限止的提高，當驅動電壓提高到一定程度后，顯示器的對比度會明顯下降，甚至黑屏而導致顯示器無法使用。
2.2 利用ITO導電膜進行加熱
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。
液晶顯示器模塊內部具有一定的復雜性，它是由多個基本部分組成的，是一種非常精密緊湊的結構，其中LCD屏組件、背光源、驅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，用真空蒸發或者是磁控濺射的方法，生長一種半導體薄膜－ITO膜，經專門工藝處理后，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題，并且有可能破壞原有的光學通路，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，而且產品的可靠性也不高，所以，原有的這種LCD加熱技術，在實際應用中就受到很大限制。針對這一問題，新型低溫加固型LCD顯示器在技術上實現了突破，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，使整個低溫顯示器的結構變得簡單，組裝相對比較容易，而且不會破壞LCD模塊組件的原結構及光學通路。
此種方法可以實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行不同程度的拆裝，影響其可靠性，重要的是當環境溫度發生改變時液晶顯示器內部溫度無法控制，需要根據環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，整個系統密封在盒子內，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。MTC-C162是寬溫型液晶顯示器，它具有尺寸小、顯示穩定、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視系統。它與其它數字溫度傳感器相比具有體積小、編程簡單等優點。它包括一個帶隙溫度傳感器和一個用來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℃，還有一個可編程的門限用來比較測量溫度的比較器。片內寄存器可以用來設定高、低溫度門限，并提供一個漏極開路的“超溫指示器”（OTI）輸出，當超過設定的門限時OTI輸出即有效。
3.2 溫度控制
該系統的主控制器是單片機，單片機根據兩個溫度傳感器的值判斷環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，當環境溫度低于-10℃時，維持液<
