TWI565934B - 感測器 - Google Patents

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伊高 戴爾金
薩拉巴特 考爾
布魯斯 當爾德森 葛利弗
納威爾 克里斯多夫 保羅 伍德亞特
保羅 道格拉斯 布利密康比
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Description

感測器
本發明係關於一種溫度感測器及關於一種溫度感測的方法。
溫度感測器在常見用法中有許多各式各樣的應用。已知的係，使用液晶作為能夠被光學讀取的溫度感測器的一部分。其中一種此類範例為平常可購得的「數字型」帶狀溫度計。使用液晶作為溫度感測器(舉例來說，溫度計)的優點可能在於製造上比其它類型(例如以水銀為基礎的類型)更便宜。運用液晶的大部分應用皆要求液晶要被準直排列，以便它們以所希方式來運作。
光學液晶溫度計要整合在電子系統裡很複雜且相對昂貴。一個理由係必須同時提供一光源及光學感測器構件，以便響應溫度來偵測液晶之狀態的任何變化。因此，該光學感測器會產生一能夠形成一電氣系統的一部分的輸出。
本明目的係克服或減輕上面缺點中至少一者。
根據本發明第一項觀點，提供一種電氣溫度感測器，其包括：一液晶材料；第一導電接點與第二導電接點，彼此之間具有一分隔關係且會接觸該液晶材料；及一電氣特性測量裝置，其會被電氣連接至該等 第一接點與第二接點，且會被排列成用以測量該液晶材料的電氣特性；其中該液晶材料具有轉換溫度T，其會在該溫度處於極性狀態和非極性狀態之間進行相態變化，極性狀態和非極性狀態之間的相態變化會造成該液晶材料的電氣特性的改變。
因此，該設備可以作為一種具有一輸出的廉價溫度感測器，其能夠輕易地被整合至一電氣系統之中。
較佳的係，該極性狀態為鐵電相態(ferroelectric phase)而該非極性狀態為非鐵電相態(non-ferroelectric phase)。另或者，該極性狀態可能為亞鐵電相態(ferrielectric phase)而該非極性狀態可能為非亞鐵電相態(non-ferrielectric phase)。或者，該極性狀態可能為鐵電或亞鐵電相態而該非極性狀態可能為反鐵電相態(anti-ferroelectric phase)。
所希係該電氣特性變化為步階變化。該電氣特性中的步階變化會使其以更明確的方式來告知該液晶材料相依所測量電氣特性的狀態。
所希係該電氣特性為下面其中一者：阻抗、電感、電阻、導電性、或是電容。
優點係該液晶材料內的液晶會被準直排列。
較佳係該等第一接點與第二接點為平行平板，該液晶材料則會被收容於兩者之間。
所希係該鐵電相態為旋光(chiral)層列式C型相態。
所希係該非鐵電相態為下面其中一者：層列式A型相態、向列式相態、等向性相態、或是反鐵電相態。反鐵電相態的一範例為反鐵 電層列式(Semctic)相態。
較佳係該液晶材料的電氣特性變化係藉由一跨越該等第一接點與第二接點被供應的電氣訊號透過該等第一接點與第二接點來測量。
所希係該電氣訊號包括至少一脈衝。
優點係該電氣訊號為週期性。
較佳係該電氣訊號會振盪。
優點係該振盪的頻率小於15kHz。於某些實施例中，該電氣訊號的振盪頻率可能會小於10kHz。
所希係該振盪的頻率小於1kHz而且該可測量的電氣特性變化為電容的變化。
另或者，該振盪的頻率大於1kHz而且該可測量的電氣特性變化為導電性的變化。
較佳係T的數值小於150℃。
所希係該電氣溫度感測器包括複數個溫度感測器胞體，其各者依上面討論的溫度感測器，其中該等溫度感測器胞體裡至少兩者中的液晶材料的轉換溫度T並不相同。
優點係各溫度感測器胞體中的液晶材料的轉換溫度T皆經過選擇，俾讓它們會在所希範圍中構成一等間隔序列。
根據本發明第二觀點，提供一種利用液晶材料來進行溫度感測的方法，該液晶材料具有轉換溫度T，其會在該溫度處於極性狀態和非極性狀態之間進行相態變化，極性狀態和非極性狀態之間的相態變化會造成 該液晶材料的電氣特性的改變；該方法包括：測量一液晶材料的該電氣特性；及以被測量的電氣特性和一臨界值之間的比較結果為基礎來判斷溫度究竟係大於或小於T。
該電氣特性可能係藉由一跨越該等第一接點與第二接點被供應之第一頻率的週期性電氣訊號來測量的一第一電氣特性，該方法額外包括利用第二頻率的週期性電氣訊號透過該等第一接點與第二接點來測量該液晶材料的一第二電氣特性。
該電氣特性可藉由一包含具有不同頻率之二或多個分量的週期性電氣訊號來測量，該方法額外包括分辨該液晶材料對於具有不同頻率之二或多個分量的響應，該液晶材料的第一電氣特性藉由該液晶材料對於該電氣訊號的分量中一者的響應所測得而該液晶材料的第二電氣特性則藉由該液晶材料對於該電氣訊號的另一分量的響應所測得。
該第一被測量電氣特性和該第二被測量電氣特性可能係在不同頻率處被測量的相同電氣特性。
該第一被測量的電氣特性和該第二被測量電氣特性可能係不同的電氣特性。
二或多個電氣特性可個別在二或多個不同的頻率處被測量。
該第一被測量電氣特性可能係電容而該第二被測量電氣特性可能係導電性；該電容利用小於用以測量該導電性之頻率的頻率來測量。
該方法可能額外包括比較該第一被測量電氣特性和該第二被測量電氣特性，以便決定該感測器的經修正輸出。
較佳係該方法額外包括：透過該等第一接點與第二接點來測量每一個胞體中的液晶材料的該電氣特性；以及決定該溫度所在的範圍，其如該液晶材料在具有連續轉換溫度T的兩個溫度感測器胞體中之被測量電氣特性所定義。
於本發明上面觀點的某些實施例中，雖然該極性狀態為鐵電相態而該非極性狀態為非鐵電相態；不過，於本發明的其它實施例中，有利作法可能係，該極性狀態為亞鐵電相態而該非極性狀態為非亞鐵電相態。
從下面的說明中便會明白本發明之各項觀點的其它較佳及有利特點。。
10‧‧‧溫度感測器
10a-10e‧‧‧感測器/感測器胞體
12‧‧‧液晶材料
13a‧‧‧第一基板
13b‧‧‧第二基板
14、16‧‧‧電氣接觸平板
18、20‧‧‧導電部件
21‧‧‧中間分隔體
22‧‧‧感測器組件
A‧‧‧部分
上面已經透過範例且參考隨附圖式來說明過本發明的特定實施例，其中：圖1係根據本發明一實施例的溫度感測器的透視圖，為清楚起見而其中一部分為透明；圖2係圖1中所示溫度感測器的側視圖；圖3係液晶材料AS 661的化學結構的代表圖；圖4係液晶材料AS 620的化學結構的代表圖；圖5係在3個不同頻率處一液晶材料KC FLC 10的電容和一溫度函數的關係圖；圖6係在3個不同頻率處該KC FLC 10的導電性和溫度函數的關係圖；圖7係混合重量百分比3%之旋光摻雜物R1011的AIS179之電容和一 溫度函數的關係圖；圖8係在其中液晶材料AS 661具準直排列的樣本以及其中液晶材料AS 661沒有準直排列的樣本兩種情況中，該液晶材料AS 661的電容變化和一頻率函數的關係圖；圖9係根據本發明進一步觀點的溫度感測器的透視圖；圖10係KC FLC 10的電容變化和一頻率函數的關係圖；以及圖11係KC FLC 10的導電性變化和一頻率函數的關係圖。
參考圖1，一溫度感測器10包括被夾設在一第一基板13a和一第二基板13b之間的許多液晶材料12。每一個基板13a、13b分別有一電氣接觸平板14與16，它們會接觸該液晶材料。被附接至每一塊平板14與16的係一導電部件18、20，其會達成該溫度感測器10電氣連接至該感測器可構成其一部分的任何電子電路的目的。如圖1中所示，接觸平板14、16以及導電部件18、20(兩者皆以虛線顯示)的本質可能係相同的。於此實施例中，該等基板13a、13b為具有導電性ITO(氧化銦錫)塗層的玻璃滑板，該塗層會構成該等接觸平板以及導電部件。要明白的係，於某些實施例中並不需要用到任何基板而該等接觸平板及導電部件則可能係由任何合宜的導電材料所製成。
為在該等基板13a、13b之間保持恆定的分隔距離並從而保持該液晶材料的恆定厚度，會使用到分隔體21。在本文所述的實施例中，該等分隔體為厚度約5至10μm的Kapton®材料。於其它實施例中，該等分 隔體可能係由其它材料製成，並且可能會有其它合宜的厚度。
經證明可以運作的感測器配置的一範例係使用表面積為25mm2而分隔距離為5μm的平行接觸平板14、16。
感測器10係藉由將該等基板13a、13b固定在一起而讓中間分隔體21位在正確位置處所製成。該固定作用可能係藉由使用被塗敷在基板13a、13b之狹長邊緣中的合宜黏著劑或是藉由任何其它合宜的固定方法來進行。該等接觸平板14、16會讓它們偏離該等基板13a、13b的縱向中心，如圖1中清楚顯示。該等基板13a、13b會被固定在一起，俾讓該等接觸平板14、16會彼此相向並且沿著該等基板表面的法線被準直排列。依此方式來準直排列該等接觸平板14、16會導致每一塊基板的一部分會重疊另一塊基板而每一塊基板的一部分則不會重疊另一塊基板。基板13b中不會重疊的部分係以A來表示。
為將液晶材料12設置在該等接觸平板14、16之間，一滴液晶材料12會被放置在基板13b的部分A上，俾讓其相鄰於該等基板13a、13b之間的間隙。接著，液晶便會因毛細作用而被吸汲至該等基板13a、13b之間。較佳係，當液晶材料12處於旋光向列式(N*)或等向性(Iso.)相態時，利用該液晶材料來填充該感測器10。該液晶材料可能係KC FLC 10，其可向位於英國赫爾市的Kingston Chemicals購得。利用KC FLC 10，該感測器會在約100℃處被填充。
於本發明的某些實施例中，該液晶材料可能會被散佈於一聚合物裡面。舉例來說，該液晶材料可能會被微囊封。這會達到讓液晶直接 被印刷在一基板上的目的。
一旦液晶材料12已經被置入該感測器10中之後，便可以適當的密封劑來密封該感測器，俾讓該液晶材料12與大氣隔絕。這會防止該液晶材料12受到任何汙染，其可能會導致該感測器10產生不精確的結果。
位在特殊溫度處的液晶材料會呈現極性狀態或非極性狀態。呈現極性狀態的材料的範例包含鐵電材料和亞鐵電材料。鐵電材料和亞鐵電材料所擁有之自發性電氣極化能夠藉由施加一外部電場而反轉。在鐵電相態中，該液晶材料內的偶極被準直排列；反之，在亞鐵電相態中，該偶極結構中舉例來說層的相鄰部分則可被準直排列在相同或相反方向中。這會造成亞鐵電液晶材料在宏觀層級的淨極化的大小會小於一等效鐵電相態。應該注意，單一液晶材料端視其溫度而可能同時兼具鐵電相態及亞鐵電相態。
鐵電材料和亞鐵電材料可能會因溫度變化而在極性狀態及非極性狀態之間進行相態改變。該非極性狀態可能係非鐵電相態或非亞鐵電相態。非鐵電相態的範例包含：層列式A型、向列式、等向性、及反鐵電。反鐵電相態(舉例來說，反鐵電旋光層列式C(SmC*A)相態)在薄膜幾何形狀(其可能被本發明的實施例使用到)中被視為非極性狀態。這係因為雖然該液晶的各層皆被極化，但是薄膜幾何形狀的意義係在該液晶材料裡面會有許多交替相鄰層而導致沒有任何淨極化作用。依照雷同方式，特定的相態(舉例來說，鐵電旋光層列式C(SmC*)相態)亦可以在薄膜幾何形狀中被視為極性狀態。這係因為雖然該液晶材料在宏觀層級的淨極化作用可能會因為各層之間的螺旋狀極化作用變化的關係而被視為零，但是薄膜幾何形狀 的意義係在該液晶材料裡面的層數會小於一完整螺旋循環所需要的層數。
舉例來說，倘若一液晶材料的厚度介於約1和50μm之間，其便可被稱為具有薄膜幾何形狀。溫度感測器10可能具有有薄膜幾何形狀的液晶材料12。
可以用在該溫度感測器中並且在鐵電相態和非鐵電相態之間具有相態變化的液晶材料的範例包含：KC FLC 10及AS 661，兩者皆可向上面提及的Kingston Chemicals購得；以及Felix M4851/050，其可向位於德國的Clariant-Hoechst購得。AS 661的化學結構顯示在圖3中。
可以使用並且在亞鐵電相態和非亞鐵電相態之間具有相態變化的液晶材料的範例包含AIS 179以及AS 620。這些液晶材料同樣可向Kingston Chemicals取得。AS 620的結構顯示在圖4中。
在使用中，感測器10透過導電部件18、20被連接至一電氣特性測量裝置(圖中未顯示)，例如介電係數電橋。該電氣特性測量裝置係用來測量該液晶材料中至少一項電氣特性。可以被測量的電氣特性的範例包含阻抗、電感、電阻、導電性、及電容。液晶材料之任何適當的電氣特性皆可被測量。該感測器的幾何形狀可能相依於要被測量的液晶材料的電氣特性。舉例來說，為測量液晶材料的電感，該感測器必須明顯大於用來測量電容或導電性的感測器。
當感測器的溫度改變時，液晶材料的狀態可能會改變。因此，液晶橫跨相態轉換溫度的溫度變化會讓該液晶材料夾設在一第一狀態與一第二狀態之間。發生相態改變的溫度也會受到環境壓力的控制。進入 該液晶材料之中的污染物(其包含氣體、液體、以及固體)可能也會影響相態轉換溫度。重要的相態改變為極性狀態和非極性狀態之間的相態改變，舉例來說，鐵電相態和非鐵電相態之間的相態改變、或亞鐵電相態和非亞鐵電相態之間的相態改變。此相態改變發生在相態轉換溫度T處。
上述液晶材料在大氣壓力的相態轉換序列提出如下：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 CF11* 66℃ Sm CF12* 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.
最常見的鐵電液晶相態為旋光層列式C(SmC*)相態，其中液晶分子存在於多層中。各分子相對於層法線而以固定傾角彎曲。多個連續層顯示傾斜方向的漸次變化(僅管傾角仍保持恆定)，俾讓分子會在一假想錐體的表面上以層法線為中心逐層依次前進。呈現鐵電特性的其它已知液晶相態包含旋光層列式I(SmI*)以及旋光層列式F(SmF*)。
一種已知的亞鐵電液晶相態為層列式C*F11，其亦被稱為中間三層相態。
極性狀態和非極性狀態之間(舉例來說，鐵電相態和非鐵電 相態，或是亞鐵電相態和非亞鐵電相態)的相態改變會導致液晶材料的電氣特性(其包含電容和導電性)改變程度明顯大於任何其它狀態之間的相態改變所導致的電氣特性改變程度。從下面的表1與2之中可以看出。
表1顯示出，相較於非鐵電相態(向列式(N)、等向性(Iso.)、層列式A(Sm A)、以及旋光向列式(N*))之間的相態轉換中非常小的電容變化，鐵電相態(旋光層列式C(Sm C*))和非鐵電相態(層列式A(Sm A)相態)之間的電容變化大小相差約一個級數。還應該注意的係，對鐵電相態和非鐵電相態之間的相態轉換來說對照於相態1與相態2中電容數值的電容變化的相對大小會遠大於任何其它相態轉換。表1中的結果全部係利用表面積為25mm2而分隔距離約為5μm的平行接觸平板14、16以及均勻的液晶排列所取得。
同樣，表2顯示出鐵電相態和非鐵電相態之間的導電性變化大小可能相差約一或兩個級數，其會相依於被用來測量該變化的訊號頻率。這明顯大於非鐵電相態之間的相態轉換的導電性變化。還應該注意：對鐵電相態和非鐵電相態之間的相態轉換來說對照於相態1與相態2中導電性數值的導電性變化的相對大小會遠大於任何其它相態轉換。表2中的結果全部係利用表面積為25mm2而分隔距離約為5μm的平行接觸平板14、16及均質液晶排列所取得。
表1和表2還顯示出利用液晶材料SCE 13及AS 661，當該液晶材料在鐵電相態和非鐵電相態之間改變時所取得的結果。除了已經提及材料之外，亦可以在本發明的範圍內使用該些材料，該些材料可如前述般購得。
因亞鐵電相態及非亞鐵電相態之間的變化關係對液晶材料 之被測量的電氣特性所造成的效應會小於含有會在鐵電相態及非鐵電相態之間產生相態變化之液晶材料的雷同感測器。然而，仍可以測量因和亞鐵電狀態有關的相態變化的關係所造成的液晶材料的電氣特性的變化，且因此具有亞鐵電相態的液晶材料同樣能夠運用於本發明。
電容及導電性的定量測量數值不僅會受到測量溫度和頻率的影響；也會受到感測器的幾何形狀的影響，舉例來說，接觸平板的面積以及介於它們之間的液晶材料的厚度。然而，該等極性相態和非極性相態的導電性及電容的定性關係則仍會保持相同。
為達成分別如表1和2中所示之電容變化及導電性變化的測量，具有大小約50mV的一AC電氣訊號會透過導電部件18、20被供應至液晶材料12。所使用的電氣訊號的頻率顯示在表中第五行。
雖然本發明使用的係一振盪AC電氣訊號；不過，亦可以使用任何合宜的週期性訊號，舉例來說，多個脈衝或是一偏移DC振盪訊號。亦可以使用訊號脈衝。此訊號脈衝可藉由適當的頻率來進行調變或者亦可不調變。
液晶材料12的電容及導電性可藉由一介電係數電橋來測量，其透過導電部件18、20被連接跨越該液晶材料12。於此情況中，該介電係數電橋係可在市面上購得的Wayne Kerr(位於英國的契切斯特市)之精密器件分析器6430A。然而應明白用於測量電容或導電性變化的任何合宜裝置皆可使用。為達實驗目的，感測器10的溫度可受控於任何適當的溫度控制器，例如可在市面上購得之具有THMS 600熱級的Linkam(位於英國的 泰德沃斯市)TMS 93溫度控制器。
為測量電容或導電性變化，會在每一個相態中(所探討的相態轉換的任一側)來測量該液晶材料。這會藉由下面步驟來完成：當該液晶處於第一相態時在相態轉換溫度(該相態轉換溫度顯示在每一個表格中的第四行)以下的溫度處進行第一次測量；以及當該液晶處於第二相態時在相態轉換溫度以上的溫度處進行第二次測量。
因為當在極性狀態和非極性狀態之間(舉例來說，鐵電相態和非鐵電相態之間，或是亞鐵電相態和非亞鐵電相態之間)有相態改變時液晶材料12的電容和導電性會產生明顯變化，所以可藉由測量其電容及/或導電性來偵測該液晶材料12處於何種相態。因為電氣特性(舉例來說，電容或導電性)相依於液晶材料之相態的關係，其可能會選擇該電氣特性的一臨界值，俾讓在該臨界值之上，該液晶材料係處於其中一個相態，而在該臨界值之下，該液晶材料便處於另一個相態。該臨界值可能係一臨界數值。依此方式，其可因為知道該液晶材料處於何種相態而判定溫度究竟係在相態轉換溫度之上或之下。因此，其可能會選擇或設計具有所希鐵電至非鐵電(或是亞鐵電至非亞鐵電)相態轉換溫度的液晶，俾讓該感測器10能被用來判定溫度究竟在所希溫度之上或之下。依此方式，在特定的實施例中，溫度感測器10能夠被當作一會因溫度變化而在極性狀態和非極性狀態之間進行切換的溫度切換器。
圖5係KC FLC 10的電容相對於溫度的關係圖。圖中已經利用三個不同頻率的電氣訊號取得測量結果。鐵電至非鐵電(SmC*至SmA)相態轉換溫度為63℃。該關係圖顯示在20Hz處和在1kHz處，該液晶材料 12的電容會在其於鐵電相態及非鐵電相態之間產生相態變化時產生明顯改變。此變化可被描述為步階變化。步階變化係由一轉換點來定義，於此情況中，該轉換點為轉換溫度63℃。在該轉換點以下的溫度處，電容相當恆定且具有相對高數值。在該轉換點以上的溫度處，電容相當恆定且具有相對低數值。在該轉換點附近(也就是介於約62℃和64℃之間)，在該轉換點以下的相對高數值及該轉換點以上的相對低數值之間則會有相對陡峭變化。此陡峭變化便係步階變化。
該關係圖還顯示不同於在20Hz或1kHz之10kHz的頻率處，轉換點任一側的電容皆有非常小的變化。下面將詳細討論測量電氣訊號的頻率對所取得測量值的效應。
圖6係KC FLC 10的導電性(以一對數刻度)相對於溫度的關係圖。同樣地，圖中已經利用三個不同頻率的電氣訊號取得測量結果。該關係圖顯示出在全部三個頻率20Hz、1kHz、以及10kHz處，該液晶材料12的導電性同樣會在其於鐵電相態及非鐵電相態之間產生相態變化時產生步階變化。在所有頻率處，該液晶材料12在該轉換點(轉換溫度63℃)以下的溫度處之導電性相當恆定、並且具有相對高的數值，其和頻率相依。該液晶材料12在該轉換點以上的溫度處之導電性同樣相當恆定、並且相較低於該轉換點以下之相同頻率係具有相對低的數值。每個關係圖的步階底部至右邊較不顯著，尤其是在10kHz處；不過因為運用對數刻度的關係，此效應會被放大。同樣地，下面將詳細討論測量電氣訊號的頻率對所取得測量值的效應。
圖7係混合重量百分比3%之旋光摻雜物R1011的液晶材料 AIS179的電容相對於溫度的關係圖。關係圖中電容測量值係在200Hz的頻率所取得的。當液晶材料的溫度提高時，液晶材料的相態會從反鐵電(SmC*A)相態改變成鐵電(SmC*)相態(也就是，從非極性狀態變成極性狀態)。該液晶材料的明顯電容變化發生在相態改變時。此外，在該液晶材料中的SmC*A相態和SmC*相態之間存在許多次相態。舉例來說，相較於在圖5與6中所見者，這會讓電容隨著外加電壓有更平滑的變化。於某些實例中，電容隨著溫度有更平滑的變化係可能降低可被判定之溫度變化的精確性。混合重量百分比3%之旋光摻雜物R1011的液晶材料AIS179以外的材料可能會在反鐵電相態及鐵電相態之間有直接的轉換。這會在轉換溫度處提供更急驟的電容變化，從而提高可被判定之溫度變化的精確性。
除了其它因素(例如，感測器幾何形狀)，雖然所測量電氣特性的變化會伴隨極性狀態和非極性狀態之間的任何狀態變化而發生，該變化的大小還會相依於所使用的液晶材料。此外，所測量電氣特性的變化大小還會相依該液晶材料的相態轉換的性質。舉例來說，使用相同材料或使用實質上雷同的材料，相較於鐵電狀態和非鐵電狀態之間的轉換，亞鐵電狀態和非亞鐵電狀態之間的轉換的所測量電氣特性的變化大小可能較小。所測量電氣特性的變化大小可能還相依所關心的相態轉換中所涉及的非亞鐵電相態或非鐵電相態為何。舉例來說，利用AIS 179，當該液晶材料在亞鐵電Sm CF11*相態及非亞鐵電Sm CF12*之間進行相態轉換時所測量電氣特性的變化可能小於當該液晶材料在亞鐵電Sm CF11*相態以及Sm A、向列式、或等向性相態中一者的非亞鐵電相態之間進行相態轉換時所測量電氣特性的變化。在AIS 179中，舉例來說，在亞鐵電Sm CF11*相態及非亞鐵電 Sm A相態、等向性相態、或向列式相態之間雖然沒有直接相態轉換；然而，在其它的材料中卻可能會有。
和大多數的液晶應用(例如顯示器應用)不同，液晶材料12並不需要配合基板13a、13b被均勻地準直排列(參見圖1與2)。可能需要某種程度的準直排列；但此準直排列並不需要均勻。該液晶材料12中的顯著比例應該被準直排列，俾使其長軸不會平行由該等接觸平板14、16所施加的電場的方向。在本文中，「顯著比例」一詞意指足夠大的比例而在該液晶材料從極性狀態變成非極性狀態時可以看見該液晶材料的電氣特性改變。該液晶材料12的顯著比例可被準直排列，俾使平均分子長軸會落在垂直於該電場的的平面之。落在此平面裡面的分子長軸的配向可能不均勻。
不配合基板13a、13b來準直排列液晶材料12所提供的優點係使建構溫度感測器10更容易和便宜，且避免須將該溫度感測器加熱至高溫並接著慢慢冷卻以達均勻準直排列。進一步優點係可使用無法被均勻準直排列的液晶材料。
倘若液晶材料被均勻地準直排列，平均分子長軸會在垂直於該電場的的平面中，則感測器10的反應會較大。為達此目的，基板13a、13b中至少一者可能會具備一準直排列層，例如經摩擦聚合物層(準直排列層係本技術中已知)。
圖8係液晶材料AS 661的電容和頻率函數的關係圖。AS 661的鐵電相態及非鐵電相態之間的相態轉換溫度約為91℃。測量係在轉換溫度任一側的100℃及90℃處進行。該等測量係針對該液晶材料被均勻 準直排列的樣本以及針對該液晶材料沒有被準直排列的樣本來進行。從圖8中可以明顯看出，均勻準直排列樣本中因相態變化的關係所造成的電容變化大於沒有準直排列的樣本。不過，均勻準直排列樣本和沒有準直排列樣本之間的電容變化差異僅約為10%。倘若沒有準直排列樣本的準直排列進一步變差，均勻準直排列樣本和沒有準直排列樣本之間的電容變化差異則會更大。不過，仍會看見電容變化。因此，液晶材料12的準直排列品質並不會影響感測器10的操作原理，但是可能會影響感測器所看見的電容變化的大小。
應該注意的係，倘若液晶材料12被均勻準直排列而讓分子長軸平行於外加電場，那麼在極性至非極性相態轉換中將僅看見極小甚至沒有任何變化。這係因為在此配向中，極性相態的自發性極化作用係垂直於該電場，所以，該極化作用和該電場之間沒有任何耦合作用。
在本文提出的發明的第二實施例中，如圖9中所示，會在一感測器組件22中提供和前面已述雷同的一系列溫度感測器10a、10b、10c、10d、10e。該系列中每一個感測器或感測器胞體10a、10b、10c、10d、10e的操作皆與前面已討論者完全相同，且因此會省略其等操作的進一步細節。
該感測器組件裡的每一個感測器10a、10b、10c、10d、10e的極性狀態和非極性狀態(其包含鐵電相態與非極性狀態或亞鐵電相態與非亞鐵電相態)之間的相態轉換溫度經過選擇，俾使存有至少兩個不同的相態轉換溫度。於一實施例中，每一個感測器10a、10b、10c、10d、10e的相態轉換溫度皆不相同。藉由測量感測器組件22裡每一個感測器10a、10b、10c、10d、10e的電氣特性(舉例來說，電容及/或導電性)，便可判定溫度究竟係 在每一個感測器10a、10b、10c、10d、10e的相態轉換溫度之上或之下。倘若知道每一個感測器10的相態轉換溫度，那麼藉由測量具有相鄰相態轉換溫度的感測器10a、10b、10c、10d、10e的導電性及/或電容並因而測量相態，便可以判定溫度所在的範圍。
舉例來說，可以利用鐵電至非鐵電轉換溫度分別為0℃、5℃、10℃、15℃、以及20℃的一系列五個感測器10a、10b、10c、10d、10e來建構感測器組件22。倘若電容及/或導電性測量顯示出感測器10a與10b在非鐵電相態之中而感測器10c、10d、以及10e在鐵電相態之中，那麼溫度便係在5℃至10℃的範圍之中。
此類型溫度感測器組件22的範圍和解析度相依於構成它的感測器10的數量以及每一個感測器10的液晶材料12(以及相態轉換溫度)的選擇。每一個感測器10的相鄰相態轉換溫度越靠近，感測器組件22的解析度便越好。
作為感測器組件22之一部分的感測器10的相對排列可採用任何所希形式。舉例來說，感測器10可隨機排列；可被排列成讓具有相鄰相態轉換溫度的感測器彼此相鄰；可被排列成讓其等構成一特殊形狀；或者可被排列在三個維度中。亦可以使用任何其它合宜的相對感測器排列。
本發明已經發現因極性狀態及非極性狀態(舉例來說，鐵電相態與非極性狀態或亞鐵電相態與非亞鐵電相態)之間的相態轉換的關係而發生的導電性及/或電容變化的大小會相依於用來測量該變化的電氣訊號的頻率。這清楚顯示在圖9與10中，圖9與10分別顯示當KC FLC 10的樣 本在鐵電相態及非鐵電相態之間改變相態時電容變化及導電性變化和電氣訊號頻率函數。為取得圖9與10中資料，每一個狀態中的液晶的電容或導電性之間的差異皆會被測量。假定KC FLC 10的相態轉換溫度為63℃，當該液晶材料在鐵電相態中時會於60℃處進行一次測量；並且當該液晶材料在非鐵電相態中時會於64℃處進行另一次測量。
在本發明的進一步觀點中，會利用不同頻率的電氣訊號來測量兩個不同的電氣特性，其係運用因本文前述之相態變化的關係所造成的電氣特性變化的頻率相依性。
在圖10與11中可以看見，本發明已經發現在低頻(舉例來說，小於500Hz)處，因本文前面所述之相態變化的關係所造成的液晶材料的電容變化會明顯大於導電性變化。在中段範圍頻率(500Hz至3000Hz)處，因相態變化的關係所造成的液晶材料的電容變化及導電性變化兩者皆很大。在高頻(3000至100000Hz)處，因相態變化的關係所造成的液晶材料的導電性變化則會明顯大於電容變化。在更高的頻率(100000Hz以上)處，因相態變化的關係所造成的液晶材料的電容變化及導電性變化兩者皆明顯地變小。對所有適當的液晶材料來說，上述頻率定制的順序雖然都相同；然而，從一個定制變成另一個定制的頻率則係材料相依的。上面案例中所關心的材料為KC FLC 10。
因為相關相態轉換所造成的電容變化及導電性變化會隨著頻率函數而改變，所以可利用兩個不同頻率的電氣訊號來探測該液晶材料12。另或者，可利用一包含(舉例來說，在單一電氣訊號中)具有不同頻率之二或多個分量的電氣訊號來探測該液晶材料12。如此作法，感測器10的響 應可能被分析以便判定該感測器如何響應於該等不同的頻率分量。舉例來說，可利用方波電氣訊號、鋸齒形電氣訊號、或具有特定其它形式的電氣訊號來探測該液晶材料12。
每一個頻率皆可能係在不同的頻率定制中。舉例來說，頻率為50Hz的電氣訊號會被用來測量KC FLC 10液晶材料的電容而頻率為5000Hz的電氣訊號則被用來測量導電係數。該等測量結果不僅可以用來判定該液晶材料12在何種相態中；藉由比較該等測量結果還可用以提供來自該感測器10處之經修正輸出。舉例來說，在一假定頻率處，電容測量結果可能會受到感測器幾何形狀中非主要變化的影響，例如接觸平板14、16之間的液晶材料12的厚度變化。下面的範例便顯示如何在超過一個以上的頻率處對液晶材料的至少一電氣特性進行多次測量，以便取得該感測器不相依於其幾何形狀之經修正輸出。
第一範例如下。液晶材料12的介電常數(dielectric permittivity)ε’可由下面來假定：ε’=C/C0 (1)
其中C為液晶材料12的電容，而C0為在平板之間沒有液晶材料時該感測器的電容。
該液晶材料的介電常數的虛數分量ε”(其和該液晶材料中的能量損失有關)可由下面來假定：ε“=G/ωC0 (2)
其中G為該液晶材料的導電性，而ω為進行測量的頻率。
介電常數的虛數分量ε”還可由下面來假定：ε“=ε’tanδ (3)
其中δ為外加電場及該液晶材料裡的電場之間的相位差。
因此，其符合下面公式：C=(G/ω).(1/tanδ) (4)
在頻率ωA處，電容可由下面來假定：CA=(GA/ωA).(1/tanδA) (5)
其中CA為該感測器在頻率ωA處的電容，GA為該液晶材料在頻率ωA處的導電性，而δA為在頻率ωA處外加電場及該液晶材料裡的電場之間的相位差。
在頻率ωB處，電容可由下面來假定：CB=(GB/ωB).(1/tanδB) (6)
其中CB為該感測器在頻率ωB處的電容，GB為該液晶材料在頻率ωB處的導電性，而δB為在頻率ωB處外加電場及該液晶材料裡面的電場之間的相位差。
所以，其符合下面公式：
因為ωA與ωB係選定的數值，而δA與δB為僅相依於液晶材料之材料特性的數值，所以CA.GB和CB.GA之間的比例會與該感測器的幾何形狀無關。因此，CA.GB和CB.GA之間的比例不會受到該液晶材料之厚度變 化的影響。
此類型的測量因為可以選擇ωA與ωB而特別有利，俾讓它們如上面的討論位在不同的頻率定制中。舉例來說，倘若ωA被選擇成使得在該頻率處的CA很大而GA很小且ωB被選擇成使得在該頻率處的GB很大而CB很小，那麼CA.GB/CB.GA的數值將會明顯大於CA、GB、CB、或是GA的任何個別數值。因為CA.GB/CB.GA的經修正感測器輸出明顯大於CA、GB、CB、或GA，這意謂更容易測量因該液晶材料之狀態改變所造成的經修正感測器輸出的任何陡峭變化。
還可以藉由在不同的頻率處測量該液晶材料的相同電氣特性以提供一經修正感測器輸出，其範例假定如下。
倘若液晶材料12被夾設在雷同的平行平板之間，那麼該等平板和液晶材料的電容C可以假定如下：C=εε0A/d (8)
其中ε為液晶材料的介電常數，ε0為自由空間的介電常數(8.854x10-12F/m)，A為導電平板14、16的面積，而d為平板分隔距離。
在一特定頻率fA處，其中分隔距離為d1，則電容C1 fA的定義為：C1 fA=εAε0A/d1 (9)
其中εA為該液晶材料在頻率fA處的介電常數。
在另一頻率fB處，電容的定義為：C1 fB=εBε0A/d1 (10)
其中εB為該液晶材料在頻率fB處的介電常數。
倘若平板14、16的分隔距離為d2，那麼在頻率fA處的電容可以假定如下：C2 fA=εAε0A/d2 (11)
同樣地，在頻率fB處的電容可以假定如下：C2 fB=εBε0A/d2 (12)
因此，C1 fA/C1 fB=εA/εB (13)
以及C2 fA/C2 fB=εA/εB (14)
由於εA與εB為不相依於感測器幾何形狀的液晶材料特性，所以該液晶材料12在兩個不同頻率處的電容之間的比例同樣不相依於感測器幾何形狀(舉例來說，平板14、16的分隔距離)。因此，此測量結果不會受到該液晶材料12之厚度變化的影響且因而可作為經修正的輸出。
利用一電氣特性在不同頻率處的測量結果的另一範例係利用導電性。
液晶材料的導電性G可由下面來假定：G=ωC0ε“ (15)
其中ω為電子測量訊號的角頻率；C0為空包體電容，也就是，沒有液晶材料時該感測器在空氣中的電容；而ε“為和該液晶材料中的能量損失有關的介電常數的虛數部。
在頻率ωA處的導電性GA的定義為：GA=ωAC0ε“A (16)
其中ε“A為在頻率ωA處液晶的介電常數的虛數部。
同樣地，在另一頻率ωB處的導電性GB的定義為：GB=ωBC0ε“B (17)
其中ε“B為在頻率ωB處液晶的介電常數的虛數部。
因此，GA/GB=ωAε“A/ωBε“B (18)
所以，GA和GB之間的比例係一僅會相依液晶材料之特性及測量頻率的量；且不相依於該等平板14、16的幾何形狀。因此，該比例也可以作為經修正的感測器輸出。
可以使用該些經修正的感測器輸出係因為，不論用於進行測量的頻率為何，極性狀態和非極性狀態之間的相態變化皆出現在相同溫度處，且因此被測量的電氣特性(舉例來說，電容或導電性)的步階變化同樣會出現在相同溫度處。
雖然本文所述實施例包括為平行平板的電氣接點；不過亦可使用任何形式的電氣接點。該等接點可能係接觸該液晶材料的任何分隔構成物對。舉例來說，該等接點可能係任何形狀或配向的一對接針、一接針與一平板、或多個平板。再者，雖然本文所述實施例包括被夾設在一對平板之間的液晶材料的厚度；不過應該明白，亦可使用平面的感測器幾何形狀，也就是，兩個接點皆位於實質上相同的平面中。其中一種此類型排列可能包含叉合型的平板接點。
10‧‧‧溫度感測器
12‧‧‧液晶材料
13a‧‧‧第一基板
13b‧‧‧第二基板
14、16‧‧‧電氣接觸平板
18、20‧‧‧導電部件
21‧‧‧中間分隔體
A‧‧‧部分

Claims (18)

  1. 一種能夠感測跨於一所希溫度範圍(R)中的溫度的電氣溫度感測器裝置，該電氣溫度感測器裝置包括複數(X)個溫度感測器胞體，每一個溫度感測器胞體包括一電氣溫度感測器，該電氣溫度感測器包括：一液晶材料，其能夠以晶體、液晶或液體的狀態存在；第一導電接點與第二導電接點，彼此之間具有一分隔關係，該第一導電接點與該第二導電接點會接觸該液晶材料；以及一電氣特性測量裝置，其會被電氣連接至該第一導電接點與該第二導電接點，並且會被排列成用以測量該液晶材料的一電氣特性；其中該液晶材料具有一轉換溫度T，在該轉換溫度T處，該液晶材料會在極性狀態和非極性狀態之間進行一相態變化，在該極性狀態和該非極性狀態之間的該相態變化會發生在處於該液晶狀態下，並且造成該液晶材料的該電氣特性的一改變，其中在該等溫度感測器胞體的至少兩者中的該液晶材料的該轉換溫度T是不同的，其中該複數個溫度感測器胞體的轉換溫度一起涵蓋該 所希溫度範圍，並且每一個溫度感測器胞體的轉換溫度彼此之間相差R/(X-1)或其之Y倍，其中Y是從0到X-1的整數。
  2. 如申請專利範圍第1項之電氣溫度感測器裝置，其中該極性狀態為鐵電相態，而該非極性狀態為非鐵電相態。
  3. 如申請專利範圍第1項之電氣溫度感測器裝置，其中該極性狀態為亞鐵電相態，而該非極性狀態為非亞鐵電相態。
  4. 如申請專利範圍第1項之電氣溫度感測器裝置，其中該電氣特性變化為一步階變化。
  5. 如申請專利範圍第1項之電氣溫度感測器裝置，其中該電氣特性為下面其中一者：阻抗、電感、電阻、導電性、或是電容。
  6. 如申請專利範圍第1項之電氣溫度感測器裝置，其中該液晶材料內的液晶會被準直排列。
  7. 如申請專利範圍第1項之電氣溫度感測器裝置，其中該第一導電接點與該第二導電接點為平行平板，該液晶材料會被收容於兩者之間。
  8. 如申請專利範圍第2項之電氣溫度感測器裝置，其中該鐵電相態為旋光層列式C型相態。
  9. 如申請專利範圍第2項之電氣溫度感測器裝置，其中該非鐵電相態為下面其中一者：層列式A型相態、向列式 相態、等向性相態、或是反鐵電相態。
  10. 如申請專利範圍第1項之電氣溫度感測器裝置，其中該液晶材料的該電氣特性變化係藉由跨越該第一導電接點與該第二導電接點被供應的一電氣訊號透過該第一導電接點與該第二導電接點來測量。
  11. 如申請專利範圍第10項之電氣溫度感測器裝置，其中該電氣訊號包括至少一脈衝。
  12. 如申請專利範圍第10項之電氣溫度感測器裝置，其中該電氣訊號為週期性。
  13. 如申請專利範圍第12項之電氣溫度感測器裝置，其中該電氣訊號會振盪。
  14. 如申請專利範圍第13項之電氣溫度感測器裝置，其中該振盪的頻率小於15kHz。
  15. 如申請專利範圍第13項之電氣溫度感測器裝置，其中該振盪的頻率小於1kHz，而且在該電氣特性上的可測量變化為電容上的變化。
  16. 如申請專利範圍第13項之電氣溫度感測器裝置，其中該振盪的頻率大於1kHz，而且在該電氣特性上的可測量變化為導電性上的變化。
  17. 如申請專利範圍第1項之電氣溫度感測器裝置，其中T的數值小於150℃。
  18. 一種使用一溫度感測器裝置進行溫度感測的方法， 該溫度感測器裝置包括複數個溫度感測器胞體，每一個溫度感測器胞體包括一電氣溫度感測器，該電氣溫度感測器包括：一液晶材料，其能夠以晶體、液晶或液體的狀態存在；第一導電接點與第二導電接點，彼此之間具有一分隔關係，該第一導電接點與該第二導電接點會接觸該液晶材料；以及一電氣特性測量裝置，其會被電氣連接至該第一導電接點與該第二導電接點，並且會被排列成用以測量該液晶材料的一電氣特性；其中該液晶材料具有一轉換溫度T，在該轉換溫度T處，該液晶材料會在極性狀態和非極性狀態之間進行一相態變化，在該極性狀態和該非極性狀態之間的該相態變化會發生在處於該液晶狀態下，及造成該液晶材料的該電氣特性的一改變，並且其中在該等溫度感測器胞體的至少兩者中的該液晶材料的該轉換溫度T是不同的，該方法係包括：經由該第一導電接點和該二導電接點測量在每一個溫度感測器胞體的該液晶材料的該電氣特性；決定每一個溫度感測器胞體的該轉換溫度是否已經隨著所測量的該電氣特性而到達；以及偵測位在一第一溫度感測器胞體和一第二溫度感測器胞體的轉換溫度之間的經感測溫度，該第一溫度感測器胞體和該第二溫度感測器胞體的轉換溫度在一溫度範圍內是相鄰的， 其中該第一溫度感測器胞體的經測量電氣特性指示已經到達該轉換溫度，並且該第二溫度感測器胞體的經測量電氣特性指示還未到達該轉換溫度。
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