CN102334018B - 传感器 - Google Patents

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Abstract

一种电温度传感器(10)，其包含液晶材料(12)。彼此之间具有间隔关系的第一导电接触部和第二导电接触部(14)、(16)接触所述液晶材料(12)。电性能测量装置电连接至所述第一接触部和第二接触部(14)、(16)，并且进行设置以测量液晶材料(12)的电性能。液晶材料(12)具有转变温度T，在该温度下其经历极性相和非极性相之间的相变。极性相和非极性相之间的相变导致液晶材料(12)的所述电性能的改变。

Description

传感器
本发明涉及温度传感器以及涉及温度感测方法，
温度传感器在常见使用中具有许多不同的应用。已知的是使用液晶作为能够被光学读取的温度传感器的一部分。一种此类实例为通常可购得的数字型带状温度计。使用液晶作为温度传感器(例如，温度计)的优点可在于制造上比其它类型(例如基于水银的类型)更便宜。利用液晶的大多数应用要求液晶进行排列(align)以便它们发挥所需作用。
光学液晶温度计集成在电子系统内将是复杂的且相对昂贵。一个原因是必须同时提供光源和光学传感器装置，以便检测液晶响应温度的任何状态变化。因此，光学传感器会产生能够形成电系统(electrical system)的一部分的输出。
本发明的目的是克服或减轻上述缺点中的至少一种。
根据本发明第一方面，提供了一种电温度传感器，其包括：液晶材料；第一导电接触部和第二导电接触部，它们之间具有分隔关系并且接触所述液晶材料；以及电性能测量装置，其被电连接至所述第一接触部和第二接触部并且进行设置以测量该液晶材料的电性能；其中该液晶材料具有转变温度T，在该温度下其经历极性状态和非极性状态之间的相变，极性状态和非极性状态之间的相变导致液晶材料的所述电性能的改变。
因此，该设备可以用作具有输出的廉价温度传感器，其能够容易地被集成到电系统内。
优选地，极性状态为铁电相而非极性状态为非铁电相。或者，极性状态可以为亚铁电相而非极性状态可以为非亚铁电相。或者，极性状态可以为铁电或亚铁电相而非极性状态可以为反铁电相。
期望地，所述电性能变化为阶跃变化。该电性能的阶跃变化使其根据测得的电性以更直接的方式指示液晶材料处于何种状态。
期望地，所述电性能为下列之一：阻抗、电感、电阻、电导或电容。
有利地，使液晶材料内的液晶进行排列。
优选地，所述第一接触部和第二接触部为平行板，液晶材料容纳于两者之间。
期望地，该铁电相为手性近晶C相。
期望地，非铁电相为下面中的一种：近晶A相、向列相、各向同性相或反铁电相。反铁电相的实例为反铁电近晶相。
优选地，通过所述第一接触部与第二接触部由跨所述第一接触部和第二接触部提供的电信号来测量液晶材料的所述电性能的所述变化。
期望地，所述电信号包括至少一个脉冲。
有利地，所述电信号呈周期性。
优选地，所述电信号振荡。
有利地，所述振荡的频率小于15kHz。在某些实施方案中，电信号的振荡频率可小于10kHz，
期望地，所述振荡的频率小于1kHz并且所述可测量的电性能变化是电容的变化，
或者，所述振荡的频率大于1kHz并且所述可测量的电性能变化是电导的变化。
优选地，T具有小于150℃的值。
期望地，该电温度传感器包括多个温度传感器单元(cell)，每个都是依照上文所讨论的温度传感器，其中至少两个所述温度传感器单元中的液晶材料的转变温度T不同。
有利地，对每个温度传感器单元中的液晶材料的转变温度T进行选择使得它们在所需范围内形成等间隔系列。
根据本发明的第二方面，提供了使用液晶材料进行温度感测的方法，所述液晶材料具有转变温度T，在该温度下其经历极性状态和非极性状态之间的相变，极性状态和非极性状态之间的相变导致液晶材料电性能的改变；该方法包括：测量液晶材料的所述电性能；以及基于测得的电性能和阈值之间的比较来确定温度是大于T还是小于T。
电性能可以是通过跨所述第一接触部和第二接触部提供的第一频率的周期性电信号所测得的第一电性能，该方法另外包括使用第二频率的周期性电信号通过所述第一接触部和第二接触部测量液晶材料的第二电性能。
可以通过包括两个或更多个具有不同频率的分量的周期性电信号来测量电性能，该方法另外包括分辨液晶材料对所述两个或更多个具有不同频率的分量的响应，通过该液晶材料对于电信号分量之一的响应来测量液晶材料的第一电性能，而通过该液晶材料对于该电信号的另一分量的响应来测量液晶材料的第二电性能。
第一测得电性能和第二测得电性能可以是在不同频率下测得的相同电性能。
第一测得电性能和第二测得电性能可以是不同的电性能。
可以分别在两个或更多个不同频率下测量两种或更多种电性能。
第一测得电性能可以是电容而第二测得电性能可以是电导；使用比用以测量所述电导的频率小的频率来测量电容。
该方法可另外包括比较所述第一测得电性能和所述第二测得电性能，以便确定传感器的校正输出。
优选地，该方法另外包括：通过所述第一接触部和第二接触部来测量每个单元中的液晶材料的所述电性能；以及确定该温度所处的范围，该范围由具有相继转变温度T的两个温度传感器单元中液晶材料的测得电性能来限定。
在本发明上述方面的一些实施方案中，极性状态为铁电相而非极性状态为非铁电相。然而，在本发明的其它实施方案中，极性状态为亚铁电相而非极性状态为非亚铁电相可以是有利的。
从下面的描述将清楚本发明各个方面的其它优选且有利的特征。
现将参考附图仅以举例方式描述本发明的具体实施方案，其中：
图1是根据本发明实施方案的温度传感器的透视图，为清楚起见一部分为透明；
图2是图1中所示温度传感器的侧视图；
图3是液晶材料AS 661的化学结构的图示；
图4是液晶材料AS 620的化学结构的图示；
图5是显示在3种不同频率下液晶材料KC FLC 10的电容作为温度的函数的坐标图；
图6是显示在3种不同频率下KC FLC 10的电导作为温度的函数的坐标图；
图7是显示混有3重量％手性掺杂剂R1011的AIS179的电容作为温度的函数的坐标图；
图8是显示对于其中液晶材料AS 661进行排列的样品和其中液晶材料AS 661没有进行排列的样品，液晶材料AS 661的电容变化作为频率的函数的坐标图；
图9是根据本发明其它方面的温度传感器的透视图；
图10是KC FLC 10的电容变化作为频率的函数的坐标图；以及
图11是KC FLC 10的电导变化作为频率的函数的坐标图。
参考图1，温度传感器10包括被夹设在第一基板13a和第二基板13b之间的一定量液晶材料12。每个基板13a、13b分别具有电接触板14与16，它们接触该液晶材料。附接至每块板14、16的是导电部件18、20，该部件能够将温度传感器10电连接至任何电子电路，所述传感器可构成所述电子电路的一部分。如图1中所示，接触板14、16和导电部件18、20(两者均以虚线显示)的性质可以是相同的。在该实施方案中，所述基板13a、13b为具有导电ITO(氧化铟锡)涂层的玻璃载片，该涂层会构成所述接触板和导电部件。应理解，在某些实施方案中将不需要基板并且所述接触板和导电部件则可以是由任何适宜的导电材料制成。
为了在所述基板13a、13b之间维持恒定间隔并由此维持液晶材料的恒定厚度，使用隔离物21。在本文所述的实施方案中，隔离物是厚度为约5至10μm的材料。在其它实施方案中，隔离物可以由其它材料制成，并且可以具有其它适宜的厚度。
经显示起作用的传感器配置的实例是使用表面积为25mm2且间隔为5μm的平行接触板14、16。
传感器10是通过将基板13a、13b固定在一起且使中间隔离物21处在适当位置而制成。可以通过使用沿着基板13a、13b的延伸边缘涂覆的适宜胶粘剂或者通过任何其它适宜的固定方法来进行该固定。如图1中清楚地显示，接触板14、16使得它们偏离基板13a、13b的纵向中心。基板13a、13b被固定在一起，使得接触板14、16彼此面对并且沿着所述基板表面的法线进行排列。以此方式排列接触板14、16导致每个基板的一部分与另一基板重叠而每个基板的一部分则不与另一基板重叠。基板13b中不重叠的一个这种部分是以A来表示。
为将液晶材料12设置在接触板14、16之间，将一滴液晶材料12置于基板13b的A部分上，使得其接邻基板13a、13b之间的间隙。然后液晶会因毛细作用而被吸至所述基板13a、13b之间。优选在液晶材料12处于手性向列相(N*)或各向同性相(Iso.)时，使用该液晶材料来填充传感器10。液晶材料可以是KC FLC 10，其可商购自英国Hull的Kingston Chemicals。使用KC FLC 10时，在约100℃下填充传感器。
在本发明的一些实施方案中，可以将液晶材料分散在聚合物中。例如，可以将液晶材料微包封。这会使液晶能够直接被印刷到基板上。
一旦液晶材料12已经被嵌入传感器10中，则可以用适当的密封剂来密封该传感器，使得液晶材料12与大气隔绝。这防止该液晶材料12受到任何污染，污染可导致传感器10产生不精确的结果。
在特定温度下的液晶材料以极性状态或非极性状态存在。以极性状态存在的材料的实例包括铁电材料和亚铁电材料。铁电材料和亚铁电材料具有能够通过施加外部电场而反转的自发性电极化。在铁电相中，液晶材料内的偶极子进行排列；然而，在亚铁电相中，偶极子结构中的相邻部分例如多个层则可以按相同或相反方向进行排列。这导致亚铁电液晶材料在宏观水平上的净极化小于同等的铁电相。应注意，单一液晶材料视其温度而可能兼具有铁电相和亚铁电相。
铁电材料和亚铁电材料可因为温度变化而在极性状态和非极性状态之间发生相变。非极性状态可以是非铁电相或非亚铁电相。非铁电相的实例包括：近晶A相、向列相、各向同性相和反铁电相。反铁电相(例如反铁电手性近晶C(SmC*A)相)在薄膜几何形状(其可被本发明的实施方案使用)中被视为非极性状态。这是因为虽然该液晶的各层均被极化，但是薄膜几何形状意味着在该液晶材料内将有许多交替相邻层，它们不导致净极化作用。以类似方式，某些相(例如，铁电手性近晶C(SmC*)相)可以在薄膜几何形状中被视为极性状态。这是因为虽然该液晶材料在宏观水平上的净极化作用可能会因为各层之间极化作用的螺旋变化而被视为是零，但是薄膜几何形状意味着在该液晶材料内的层数小于完整螺旋循环所需要的层数。
例如，如果液晶材料的厚度为约1-50μm，则其可被称为具有薄膜几何形状。温度传感器10可以具有呈薄膜几何形状的液晶材料12。
可以用于温度传感器并且在铁电相和非铁电相之间具有相变的液晶材料的实例包括：KC FLC 10和AS 661，两者均可商购自如上所述的Kingston Chemicals；以及Felix M4851/050，其可商购自德国Hoechs t的Clariant。AS 661的化学结构显示于图3中。
可以使用并且在亚铁电相和非亚铁电相之间具有相变的液晶材料的实例包括AIS 179和AS 620。这些液晶材料同样可得自KingstonChemicals。AS 620的结构显示于图4中。
在使用中，传感器10通过导电部件18、20被连接至电性能测量装置(未显示)，例如介电桥。使用电性能测量装置来测量液晶材料的至少一项电性能。可以测量的电性能的实例包括阻抗、电感、电阻、电导和电容。可测量液晶材料的任何适当的电性能。传感器的几何形状可以取决于进行测量的液晶材料的电性能。例如，为测量液晶材料的电感，传感器必须显著大于用来测量电容或电导的传感器。
在传感器的温度改变时，液晶材料的状态可发生改变。因此，液晶跨越相转变温度的温度变化引起该液晶材料在第一状态与第二状态之间转换。发生相变的温度也会受环境压力的支配。进入该液晶材料中的污染物(包括气体、液体和固体)也可影响相转变温度。所关注的相改变是极性状态和非极性状态之间的相改变，例如铁电相和非铁电相之间的相改变、或者亚铁电相和非亚铁电相之间的相改变。这种相改变在相转变温度T下发生。
下面给出了上述液晶材料在大气压力下的相转变系列：
KC FLC 10：Sm C* 63℃ Sm A 98℃ N 108℃ Iso.
Felix M4851/050：Cryst.-20℃ Sm C* 64.4℃ Sm A 68.9℃ N 73.9℃ Iso.
AIS 179：Cryst.33℃ Sm CA* 61℃ Sm CFI1* 66℃ Sm CFI2* 71℃ Sm C*77℃ Sm A 89℃ Iso.
AS 620：Cryst.67.7℃ Sm CA* 97.8℃ Sm Cγ* 99.0℃ Sm C* 109.4℃Sm A 116.6℃ Iso.
AS 661：Cryst.53.3℃ Sm CA* 78.3℃ Sm Cγ* 82.0℃ Sm C* 90.7℃Sm A 105.7℃ Iso.
最常见的铁电液晶相为手性近晶C(Sm C*)相，其中液晶分子存在于多个层中。每个分子相对于层法线以固定倾角发生偏向(angle)。连续层显示倾斜方向的逐渐变化(然而倾角仍保持恒定)，使得分子在假想锥体的表面上围绕层法线逐层进动。呈现铁电性的其它已知液晶相包括手性近晶I(Sm I*)和手性近晶F(Sm F*)。
已知的亚铁电液晶相为近晶C*FI1，其也被称为中间三层相。
极性状态和非极性状态(例如，铁电相和非铁电相，或亚铁电相和非亚铁电相)之间的相改变导致液晶材料的电性能(包含电容和电导)改变程度明显大于任何其它状态之间的相改变的电性能改变程度。这可在下表1与2中看出。
表1
Figure BDA0000086158380000081
表1显示，相比于非铁电相(向列(N)、各向同性(Iso.)、近晶A(Sm A)和手性向列(N*))之间相转变的非常小的电容变化，铁电相(手性近晶C(Sm C*))和非铁电相(近晶A(Sm A))之间的电容变化为约一个数量级。还应注意，对于铁电相和非铁电相之间的相转变，相比于相1与相2中电容值的电容变化的相对大小远大于任何其它相转变中的情形。表1中的结果全部是使用表面积为25mm2且间隔为约5μm的平行接触板14、16以及均匀的液晶排列所得到。
表2
Figure BDA0000086158380000082
类似地，表2显示铁电相和非铁电相之间的电导变化可以为约一个或两个数量级，这取决于用于测量该变化的信号频率。这明显大于非铁电相之间的相转变的电导变化。还应注意，对于铁电相和非铁电相之间的相转变中的情形，相比于相1和相2中电导值的电导变化的相对大小远大于任何其它相转变。表2中的结果全部是使用表面积为25mm2且间隔约为5μm的平行接触板14、16以及均匀的液晶排列所得到。
表1和表2还显示出使用液晶材料SCE 13和AS 661时，当液晶材料在铁电相和非铁电相之间改变时所得到的结果。除了已经提及的材料外，在本发明的范围内也可使用如前所述可商购的这些材料。
因为亚铁电相和非亚铁电相之间的变化，对所测液晶材料电性能的影响将小于含有在铁电相和非铁电相之间经历相变的液晶材料的类似传感器。然而，仍可以测得由亚铁电状态有关的相改变所引起的液晶材料的电性能变化，且因此具有亚铁电相的液晶材料同样能够运用于本发明。
电容和电导测量结果的定量值将不仅受到测量温度和频率的影响，也会受到传感器的几何形状的影响，例如接触板的面积和介于它们之间的液晶材料的厚度。然而，所述极性相和非极性相的电导及电容的定性关系仍保持相同。
为进行分别如表1和2中所示的电容变化和电导变化的测量，通过导电部件18、20将具有大约50mV的AC电信号提供给液晶材料12。所使用的电信号的频率显示在表的第五列中。
虽然使用了振荡AC电信号，然而也可以使用任何适宜的周期性信号，例如脉冲或偏移DC振荡信号。还可以使用单脉冲。这种单脉冲可通过适当的频率来进行调制或者可不调制。
液晶材料12的电容和电导可通过介电桥来测量，所述介电桥通过导电部件18、20跨接液晶材料12。在该情形中，介电桥是可商购自Wayne Kerr(Chichester，英国)的精密器件分析器6430A。然而，应理解可使用用于测量电容或电导变化的任何合适的装置。出于实验目的，传感器10的温度可受控于任何适当的温度控制器，例如可商购的具有THMS 600热台的Linkam(Tadworth，英国)TMS 93温度控制器。
为测量电容或电导变化，对处于所述相转变任一侧的每个相中的液晶材料进行测量。这通过下面步骤来完成：当该液晶处于第一相时在低于相转变温度(相转变温度显示于每个表格的第四列中)的温度下进行第一测量；以及当液晶处于第二相时在高于相转变温度的温度下进行第二测量。
因为当在极性状态和非极性状态之间(例如，铁电相和非铁电相之间，或者亚铁电相和非亚铁电相之间)具有相改变时液晶材料12的电容和电导经历明显变化，可通过测量其电容和/或电导来检测液晶材料12处于何种相态。因为电性能(例如，电容或电导)取决于液晶材料的相，因此可选择该电性能的阈值，使得在高于该阈值时液晶材料是处于一个相，而在低于阈值时液晶材料便处于另一个相。该阈值可以是一临界数值。由于知晓该液晶材料处于何种相，以这种方式可以确定温度是高于相转变温度还是低于相转变温度。因此，可选择或设计具有期望的铁电向非铁电(或是亚铁电向非亚铁电)相转变温度的液晶，使得该传感器10能被用来确定温度是高于期望温度还是低于期望温度。以这种方式，在某些实施方案中，温度感测器10能够被看作是因温度变化而在极性状态和非极性状态之间进行转换的温度开关。
图5显示了KC FLC 10的电容相对于温度的坐标图。用三个不同频率的电信号进行测量。铁电向非铁电(Sm C*向Sm A)的相转变温度为63℃。该坐标图显示了在20Hz下和在1kHz下，液晶材料12的电容在其经历铁电相和非铁电相之间的相变时经历明显改变。此变化可被描述为阶跃变化。阶跃变化是由转变点所定义，在该情形中，转变点为转变温度即63℃。在低于该转变点的温度下，电容相当恒定且具有相对高的值。在高于该转变点的温度下，电容相当恒定且具有相对低的值。在该转变点附近(即约62℃至64℃)，在低于该转变点的相对高的值和高于该转变点的相对低的值之间存在相对突然的变化。这种突然的变化是阶跃变化。
该坐标图还显示在10kHz的频率下，转变点任一侧的电容具非常小的变化，这不同于在20Hz或1kHz下的情形。下面将详细讨论测量电信号的频率对所得到的测量结果的影响。
图6显示了KC FLC 10的电导(以对数标度)相对于温度的坐标图。同样地，用三个不同频率的电信号进行测量。该坐标图显示出在全部三个频率20Hz、1kHz和10kHz下，该液晶材料12的电导同样在其经历铁电相和非铁电相之间的相变时经历阶跃变化。在所有频率下，液晶材料12的电导在低于该转变点(转变温度63℃)的温度下相当恒定并且具有相对高的值，其是频率相关的。液晶材料12的电导在高于该转变点的温度下同样相当恒定并且相比于低于该转变点时的相同频率的值具有相对低的值。每个曲线的阶跃底部至右侧较不显著，尤其是在10kHz下，然而因为运用对数标度的关系，这种效果被放大。同样地，下面将详细讨论测量电信号的频率对所得测量结果的影响。
图7显示了混有3重量％手性掺杂剂R1011的液晶材料AIS179的电容相对于温度的坐标图。坐标图中所示的电容测量值是在200Hz的频率下所得到的。在液晶材料的温度提高时，液晶材料的相从反铁电(SmC*A)相改变成铁电SmC*相(即，从非极性状态变为极性状态)。该液晶材料电容的明显变化发生在相改变时。此外，在该液晶材料中的SmC*A相和SmC*相之间存在许多次相。例如，相比于在图5和6中所看到的，这产生电容随着外加电压的更平滑的变化。在一些情形中，电容随着温度较平滑的变化可以降低可被确定的温度变化的精确度。除混有3重量％手性掺杂剂R1011的液晶材料AIS179以外的材料可在反铁电相和铁电相之间具有直接的转变。这可在转变温度下提供更急骤的电容变化，从而提高可被确定的温度变化的精确度。
除其它因素(例如，传感器几何形状)外，虽然所测电性能的变化会伴随极性状态和非极性状态之间的任何状态变化而发生，但是该变化的幅度还取决于所使用的液晶材料。此外，所测电性能的变化幅度还取决于该液晶材料的相转变的性质。例如，使用相同材料或基本上类似的材料时，相比于铁电状态和非铁电状态之间的转变，就亚铁电状态和非亚铁电状态之间的转变所测电性能的变化幅度可更小。所测电性能的变化幅度还可取决于有关相转变中所涉及的非亚铁电相或非铁电相为何种。例如，使用AIS 179时，当该液晶材料经历亚铁电Sm CFI1*相和非亚铁电Sm CFI2*之间的相转变时所测电性能的变化可能小于当该液晶材料经历亚铁电Sm CFI1*相和作为Sm A、向列相或各向同性相中的一种的非亚铁电相之间的相转变时所测电性能的变化。在AIS 179中，例如在亚铁电Sm CFI1*相与非亚铁电Sm A相、各向同性相或向列相之间没有直接相转变，然而在其它材料中则可能有。
不同于大多数液晶应用(例如显示器应用)，液晶材料12并非必须相对于基板13a、13b均匀地进行排列(参见图1与2)。可能需要一定程度的排列，但这种排列并不需要是均匀的。应该使液晶材料12中的显著比例进行排列，使得其长轴不平行于由所述接触板14、16所施加的电场的方向。在本文中，术语“显著比例”意指足够大的比例使得在该液晶材料从极性状态变成非极性状态时可以看到该液晶材料的电性能改变。可以使液晶材料12的显著比例进行排列，使得平均分子长轴落在垂直于该电场的平面内。落在该平面内的分子长轴的取向可能不均匀。
不使液晶材料12相对于基板13a、13b均匀排列提供了如下优点：使温度传感器10的构建较容易且较便宜，且避免须将该温度传感器加热至高温并然后慢慢冷却以促进均匀排列。其它优点是可使用不能够进行均匀排列的液晶材料。
如果液晶材料均匀地进行排列，使平均分子长轴处在垂直于电场的平面中，则传感器10的响应将较大。为此目的，基板13a、13b中的至少一个可提供有排列层，例如经摩擦的聚合物层(排列层在本领域中是已知的)。
图8显示了液晶材料AS 661的电容作为频率的函数的坐标图，AS661的铁电相和非铁电相之间的相转变温度为约91℃。在转变温度任一侧的100℃和90℃下进行测量。所述测量是针对液晶材料均匀排列的样品以及针对液晶材料不良排列的样品来进行。由图8可清楚的是，均匀排列样品中由相变引起的电容变化大于不良排列的样品。然而，均匀排列的样品和不良排列的样品之间的电容变化差异仅约为10％。如果不良排列的样品的排列进一步变差，均匀排列的样品和不良排列的样品之间的电容变化差异则会更大。然而，仍会看到电容变化。因此，液晶材料12的排列质量并不影响传感器10的操作原理，但是可影响通过传感器所看到的电容变化的大小。
应注意，如果液晶材料12进行均匀排列使得分子长轴平行于外加电场，则在极性相向非极性相转变时将仅观测到极小变化或甚至没有变化。这是因为在这种取向中，极性相的自发性极化作用是垂直于电场，因此该极化作用和该电场之间没有任何耦合(coupling)。
在本发明的第二实施方案中，如图9中所示，在单一传感器组件22中提供与前文已述类似的一系列温度传感器10a、10b、10c、10d、10e。该系列中每个传感器或传感器单元10a、10b、10c、10d、10e的操作均与前面已讨论的相同，且因此省略关于它们操作的进一步详细描述。
对该传感器组件中的每个传感器10a、10b、10c、10d、10e的极性状态和非极性状态(包括铁电相和非铁电状态或者亚铁电相和非亚铁电相)之间的相转变温度进行选择，使得存在至少两个不同的相转变温度。在一个实施方案中，每个传感器10a、10b、10c、10d、10e的相转变温度不同。通过测量传感器组件22中每个传感器10a、10b、10c、10d、10e的电性能(例如，电容和/或电导)，可确定温度是高于还是低于每个传感器10a、10b、10c、10d、10e的相转变温度。如果知道每个传感器10的相转变温度，则通过测量具有相邻相转变温度的传感器10a、10b、10c、10d、10e的电导和/或电容并因而测量所述相，则可以确定温度所处的范围。
例如，可以使用铁电向非铁电的转变温度分别为0℃、5℃、10℃、15℃和20℃的一系列5个传感器10a、10b、10c、10d、10e来构建传感器组件22。如果电容和/或电导测量结果显示传感器10a和10b处于非铁电相而传感器10c、10d和10e处于铁电相，则温度是在5℃-10℃的范围中。
这种类型的温度传感器组件22的范围和分辨能力取决于构成它的传感器10的数量以及每个传感器10的液晶材料12的选择，且因此取决于每个传感器10的相转变温度。每个传感器10的相邻相转变温度越接近，则传感器组件22的分辨能力越大。
作为传感器组件22组成部分的传感器10的相对排布可采用任何所需形式。例如，传感器10可无规地排布；可排布成使得具有相邻相转变温度的传感器彼此相邻；可排列成使得它们构成特殊形状；或者可三维排布。可以使用任何其它适宜的相对传感器排布。
已经发现由于极性状态和非极性状态(例如，铁电相和非铁电状态或者亚铁电相和非亚铁电相)之间的相转变而引起的电导和/或电容变化的大小取决于用来测量该变化的电信号的频率。这清楚显示于图9和10中，所述图9和10分别显示了在KC FLC 10的样品在铁电相和非铁电相之间改变相时作为电信号频率的函数的电容变化和电导变化。为获得图9和10中所示的数据，测量每个状态中液晶的电容或电导之间的差异。假定KC FLC 10的相转变温度为63℃，在液晶材料处于铁电相时于60℃进行一次测量；并且在液晶材料处于非铁电相时于64℃进行另一次测量。
在本发明的又一方面中，利用因本文前述的相变所引起的电性能变化的频率相依性，使用不同频率的电信号来测量两种不同的电性能。
在图10和11中可以看到，发现在低频率(例如小于500Hz)下，因本文前述的相变所引起的液晶材料的电容变化明显大于电导变化。在中段范围频率(500Hz-3000Hz)下，因相变所引起的液晶材料的电容变化和电导变化均很大。在高频率(3000-100000Hz)下，因相变所引起的液晶材料的电导变化明显大于电容变化。在更高的频率(高于100000Hz)下，因相变所引起的液晶材料的电容变化和电导变化均明显地变小。对于所有适当的液晶材料，上述频率机制(regime)的顺序将是相同的；然而，从一个机制变至另一个机制的频率则将取决于材料。上面情形中所涉及的材料为KC FLC 10。
由相关相转变所引起的电容变化和电导变化随频率而改变，因此可以用两个不同频率的电信号来检测液晶材料12。或者，可用包括具有不同频率的两个或更多个分量的电信号(例如，在单一电信号中)来检测液晶材料12。在这样做时，可分析传感器10的响应以便确定该传感器如何响应所述不同的频率分量。例如，可以用方波电信号、锯齿形电信号或具有一些其它形式的电信号来检测液晶材料12。
每个频率均可以是在不同的频率机制中。例如，使用频率为50Hz的电信号来测量KC FLC 10液晶材料的电容和使用频率为5000Hz的电信号来测量电导率。测量结果不仅可以用来确定液晶材料12处于何种相，而且通过比较所述测量结果还可用来提供来自该感测器10的校正输出。例如，在给定频率下，电容测量结果可能受到传感器几何形状中微小变动的影响，所述变动例如接触板14，16之间的液晶材料12的厚度变化。下面的实施例显示了如何在多于一个频率下对液晶材料的至少一种电性能进行多次测量，以便获得该传感器的与其几何形状无关的校正输出。
第一实施例如下。液晶材料12的介电常数ε′可如下给出：
ε′＝C/Co(1)
其中C为液晶材料12的电容，C0为在板之间没有液晶材料的情况下传感器的电容。
该液晶材料的介电常数的虚部分量ε″(其与该液晶材料的能量损失有关)可由如下给出：
ε″＝G/ωCo  (2)
其中G为该液晶材料的电导，ω为进行测量时的频率。
介电常数的虚部分量ε″还可由如下给出：
ε″＝ε′tanδ(3)
其中δ为外加电场和该液晶材料中的电场之间的相位差。
因此，其符合如下：
C＝(G/ω).(1/tan δ)(4)
在频率ωA下，电容可由如下给出：
CA＝(GA/ωA).(1/tan δA)(5)
其中CA为该传感器在频率ωA下的电容，GA为该液晶材料在频率ωA下的电导，δA为在频率ωA下外加电场与该液晶材料中的电场之间的相位差。
在频率ωB下，电容可由如下给出：
CB＝(GB/ωB).(1/tanδB)(6)
其中CB为该传感器在频率ωB下的电容，GB为该液晶材料在频率ωB下的电导，δB为在频率ωB下外加电场与该液晶材料中的电场之间的相位差。
所以，其符合如下：
或
Figure BDA0000086158380000162
因为ωA和ωB是选定的数值，并且δA和δB为仅取决于液晶材料的材料特性的值，因此CA·GB和CB·GA之间的比例不依赖于该传感器的几何形状。因此，CA·GB和CB·GA之间的比例不会受到液晶材料厚度变化的影响。
这种类型的测量是特别有利的，因为可以选择ωA和ωB使得它们处在如上文所讨论的不同的频率机制中。例如，如果选择ωA使得在该频率下的CA大且GA小；以及选择ωB使得在该频率下GB大且CB小，则CA·GB/CB·GA的值将会明显大于CA、GB、CB或GA的任何单独值。因为CA·GB/CB·GA的校正传感器输出明显大于CA、GB、CB或GA，这意味着可更直接地量由液晶材料的状态改变所引起的校正传感器输出的任何突然变化。
还可以通过在不同的频率下测量液晶材料的相同电性能来提供校正的传感器输出，其实施例由如下给出：
如果液晶材料12被夹设在类似的平行板之间，则所述板和液晶材料的电容C可以由如下给出：
C＝εεoA/d(8)
其中ε为液晶材料的介电常数，ε0为自由空间的介电常数(8.854x10-12F/m)，A为导电板14、16的面积；以及d为板间隔。
在特定频率fA下，其中间隔为d1，则电容C1 fA定义为：
C1 fA＝εAεoA/d1(9)
其中εA为液晶材料在频率fA下的介电常数。
在另一频率fB下，电容定义为：
C1 fB＝εBεoA/d1(10)
其中εB为该液晶材料在频率fB时的介电常数。
如果板14、16的间隔改变为d2，则在频率fA下的电容可以由如下给出：
C2 fA＝εAεoA/d2(11)
同样地，在频率fB下的电容为：
C2 fB＝εBεoA/d2(12)
因此，
C1 fA/C1 fB＝εA/εB  (13)
和
C2 fA/C2 fB＝εA/εB  (14)
由于εA和εB与传感器几何形状无关的液晶材料特性，因此液晶材料12在两个不同频率下的电容之间的比率同样与传感器几何形状(例如，板14、16的间隔)无关。因此，此测量结果将不受液晶材料12的厚度变化的影响且因此可用作校正输出。
使用在不同频率下的电性能测量结果的另一实施例是使用电导。
液晶材料的电导G可由如下给出：
G＝ωCoε″(15)
其中ω为电子测量信号的角频率；C0为空单元电容，即没有液晶材料时该传感器在空气中的电容；以及ε″为与该液晶材料中的能量损失有关的介电常数的虚部。
在频率ωA下电导GA定义为：
GA＝ωACoε″A  (16)
其中ε″A为在频率ωA时的液晶的介电常数的虚部。
类似地，在另一频率ωB下的电导GB定义为：
GB＝ωBCoε″B  (17)
其中ε″B为在频率ωB下的液晶的介电常数的虚部
因此，
GA/GB＝ωAε″A/ωBε″B.  (18)
因而，GA和GB之间的比率是仅取决于液晶材料的性能和测量频率的量；并且不取决于电接触部14、16的几何形状。因此，该比率也可以用作校正的传感器输出。
这些校正的传感器输出是可能的，因为与用于进行测量所用的频率无关，极性状态和非极性状态之间的相转变发生在相同温度下，且因此测得的电性能(例如电容或电导)的阶跃变化也将发生在相同温度下。
虽然本文所述实施方案包括为平行板的电接触部，但是可使用任何形式的电接触部。所述接触部可以是接触液晶材料的任何分隔开的构成物对。例如，所述接触部可以是任何形状或取向的一对针、针和板、或者多个板。此外，虽然本文所述实施方案包括被夹设在一对板之间的一定厚度的液晶材料，然而应理解，可使用平面传感器几何形状，即两个接触部均基本上位于同一平面中。一种这样的布置可以包含交叉指形板接触部。

Claims (27)

1.一种电温度传感器，其包含：
液晶材料，
彼此之间具有间隔关系的第一导电接触部和第二导电接触部，它们接触所述液晶材料；以及
电性能测量装置，其电连接至所述第一导电接触部和第二导电接触部，并且被设置用以测量所述液晶材料的电性能；
其中该液晶材料具有转变温度T，在该温度下其经历极性状态和非极性状态之间的相变，极性状态和非极性状态之间的相变引起该液晶材料的所述电性能的变化。
2.如权利要求1所要求的电温度传感器，其中所述极性状态为铁电相，所述非极性状态为非铁电相。
3.如权利要求1所要求的电温度传感器，其中所述极性状态为亚铁电相，所述非极性状态为非亚铁电相。
4.如权利要求1-3中任一项所要求的电温度传感器，其中所述电性能变化为阶跃变化。
5.如权利要求1-3中任一项所要求的电温度传感器，其中所述电性能为下面中的一种：阻抗、电感、电阻、电导或电容。
6.如权利要求1-3中任一项所要求的电温度传感器，其中使所述液晶材料内的液晶进行排列。
7.如权利要求1-3中任一项所要求的电温度传感器，其中所述第一导电接触部和第二导电接触部为平行板，所述液晶材料容纳于它们之间。
8.如权利要求2所要求的电温度传感器，其中所述铁电相为手性近晶C相。
9.如权利要求2所要求的电温度传感器，其中所述非铁电相为下面中的一种：近晶A相、向列相、各向同性相或反铁电相。
10.如权利要求1-3中任一项所要求的电温度传感器，其中通过跨所述第一导电接触部和第二导电接触部提供的电信号由所述第一导电接触部和第二导电接触部来测量所述液晶材料的所述电性能的所述变化。
11.如权利要求10所要求的电温度传感器，其中所述电信号包括至少一个脉冲。
12.如权利要求10所要求的电温度传感器，其中所述电信号是周期性的。
13.如权利要求12所要求的电温度传感器，其中所述电信号振荡。
14.如权利要求13所要求的电温度传感器，其中所述振荡的频率小于15kHz。
15.如权利要求13所要求的电温度传感器，其中所述振荡的频率小于1kHz，并且所述可测量的电性能变化为电容变化。
16.如权利要求13或14所要求的电温度传感器，其中所述振荡的频率大于1kHz，并且所述可测量的电性能变化为电导变化。
17.如权利要求1-3中任一项所要求的电温度传感器，其中T具有小于150℃的值。
18.一种包括多个温度传感器单元的电温度传感器，每个单元是依照前述权利要求中任一项的温度传感器，其中至少两个所述温度传感器单元中的液晶材料的转变温度T不同。
19.如权利要求18所要求的电温度传感器，其中对每个温度传感器单元中的液晶材料的转变温度T进行选择使得它们在所需范围内形成等间隔系列。
20.一种使用液晶材料进行温度感测的方法，所述液晶材料具有转变温度T，在该温度下其经历极性状态和非极性状态之间的相变，极性状态和非极性状态之间的相变引起液晶材料的电性能的变化；
该方法包括：
测量液晶材料的所述电性能；以及
基于测得的电性能和阈值之间的比较来确定温度是大于T还是小于T。
21.如权利要求20所要求的温度感测方法，其中所述电性能是通过跨第一导电接触部和第二导电接触部提供的第一频率的周期性电信号测量的第一电性能；
该方法另外包括：
使用第二频率的周期性电信号，通过所述第一导电接触部和第二导电接触部，测量液晶材料的第二电性能。
22.如权利要求20所要求的温度感测方法，其中通过包括两个或更多个具有不同频率的分量的周期性电信号来测量所述电性能，该方法另外包括分辨液晶材料对所述两个或更多个具有不同频率的分量的响应，通过该液晶材料对于电信号分量之一的响应来测量液晶材料的第一电性能，并且通过液晶材料对于该电信号的另一分量的响应来测量液晶材料的第二电性能。
23.如权利要求21或22所要求的温度感测方法，其中第一测得电性能和第二测得电性能是在不同频率下测得的相同电性能。
24.如权利要求21或22所要求的温度感测方法，其中第一测得电性能和第二测得电性能是不同的电性能。
25.如权利要求24所要求的温度感测方法，其中所述第一测得电性能是电容，第二测得电性能是电导；并且使用比用以测量所述电导的频率更小的频率来测量所述电容。
26.如权利要求21或22所要求的温度感测方法，其中该方法另外包括比较所述第一测得电性能和所述第二测得电性能，以便确定传感器的校正输出。
27.使用权利要求18或19所要求的温度传感器进行温度感测的方法，该方法包括：通过所述第一导电接触部和第二导电接触部来测量每个单元中的液晶材料的所述电性能；以及确定该温度所处的范围，该范围由具有相继转变温度T的两个温度传感器单元中液晶材料的测得电性能来限定。
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