专利名称：传感器的制作方法
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 IOkHz，期望地，所述振荡的频率小于IkHz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IkHz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°C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RlOll的AIS179的电容作为温度的函数的
5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1 之间的一定量液晶材料12。每个基板13a、i;3b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、1 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10 μ m的Kapton 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5μπι的平行接触板14、16。传感器10是通过将基板13a、i;3b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、i;3b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、1 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来表不。 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、i;3b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°C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1-50 μ m,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!^elix 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Kingston Chemicals。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 °C Sm A 98 °C N 108 °C I so.Felix M4851/050 =Cryst. ~20°C Sm C* 64. 4°C Sm A 68. 9°C N 73. 9°C Iso.AIS 179 =Cryst. 33°C Sm CA* 61°C Sm CFI1* 66°C Sm CFI2* 71°C Sm C*77°C Sm A 89°C Iso.AS 620 =Cryst. 67. 7V Sm CA* 97. 8°C Sm CY* 99. 0°C Sm C* 109. 4°C Sm A 116. 6°C Iso.AS 661 =Cryst. 53. 3 °C Sm CA* 78. 3 °C Sm CY* 82. 0 °C Sm C* 90. 7 °C Sm A 105. 7°C 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Ofii，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 权利要求
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接触部和第二接触部，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.如前述权利要求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.如前述权利要求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.如前述权利要求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.如前述权利要求中任一项所要求的电温度传感器，其中所述第一接触部和第二接触部为平行板，所述液晶材料容纳于它们之间。
8.如前述权利要求中任一项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.如前述权利要求中任一项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.如前述权利要求中任一项所要求的电温度传感器，其中通过跨所述第一接触部和第二接触部提供的电信号由所述第一接触部和第二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或11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.如前述权利要求中任一项所要求的电温度传感器，其中T具有小于150°C的值。
18.—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接触部和第二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M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至25中任一项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，以便确定该传感器的校正输出。
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。
全文摘要
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。
文档编号G01K7/00GK102334018SQ201080009355
公开日2012年1月25日 申请日期2010年2月8日 优先权日2009年2月27日
发明者B·D·格里夫, H·F·格里森, I·迪尔金, N·C·P·伍德亚特, P·D·布瑞米库博, S·考尔 申请人:辛根塔有限公司