电热水器LCD显示屏设计毕业设计说明书
电热水器LCD显示屏设计
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5.装订顺序
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指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：（签名）单位：（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
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2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
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二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
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2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
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3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
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年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
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3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：（签名）
年月日
摘要
人类社会离不开信息，而显示器作为人机交互界面，可以方便人们对信息的获取。液晶显示技术发展很快，其产品更是有广泛的应用。
设计说明书主要关于如何设计和生产一款电热水器TN型液晶显示面板。简述了LCD工作原理与发展状况，使用AutoCAD软件设计电热水器屏的相关图版，包括绘制液晶盒外观图、真值表、逻辑走线图、Com层和Seg层电极图案、单粒图、边框图、银点以及对应的5张菲林版等。根据相关原理与要求确定所用偏振片、ITO玻璃、衬垫料、取向材料、封框胶等相关材料的参数，以及液晶显示面板的工艺流程。
关键词：TN-LCD，外观图，菲林版，制程，AutoCAD
The LCD Display Design of Electric Water Heater
ABSTRACT
Human society can not do without information. The displays as the man-machine interface, which is convenient for people to obtain information. LCD technology has developed rapidly, and its products are more widely used.
The design instruction is mainly about how to design and produce a twisted nematic liquid crystal display of electric water heater. Describeing briefly working principle and development status of LCD, and using AutoCAD software to design electric water heater screen related chart. Including drawing appearance chart of liquid crystal cell, true value table, logic diagram, Com layer and Seg layer electrode pattern,single grain figure, sealing frame, silver point and corresponding to the five film version. Finally, according to the related principle and requirements to determine the related material parameters of the polarizer, ITO glass, spacer, alignment material, sealing frame glue material and other related material parameters. Provided technological process of electric water heater liquid crystal display panels.
Key words: Twisted nematic phase liquid crystal displays, appearance figure, the film version, technological process, AutoCAD
目录
摘要 (2)
1 概述 (1)
1.1 液晶显示器 (1)
1.1.1 LCD国内外发展状况 (2)
1.1.2 TN显示技术 (2)
1.2 液晶介绍 (4)
1.3 液晶显示器驱动 (5)
1.4 电热水器加热控制方式 (6)
1.5 课题意义 (7)
2 电热水器显示屏设计 (8)
2.1 外观图的设计 (8)
2.2 ITO电极图案设计 (9)
2.2.1 逻辑控制关系 (9)
2.2.2 Com层和Seg层电极走线 (10)
2.2.3 Com层和Seg层电极图案 (11)
2.3 单粒显示器版图的设计 (13)
2.4 加工标记设计 (14)
2.5 菲林版的设计 (15)
2.6 设计思考 (23)
3 液晶显示器生产材料和工艺 (24)
3.1 材料参数确定 (24)
3.1.1 ITO玻璃 (24)
3.1.2 液晶材料 (24)
3.1.3 摩擦取向材料 (25)
3.1.4 偏光片 (25)
3.1.5 封框胶 (26)
3.1.6 其他材料 (26)
3.2 生产流程 (27)
3.2.1 ITO图形刻蚀（光刻） (27)
3.2.2 取向排列 (29)
3.2.3 空盒制作 (30)
3.2.4 液晶灌注 (30)
3.2.5 成品检测及包装 (31)
4 总结 (33)
致谢 (34)
附录 .......................................................................................................... 错误！未定义书签。
1 概述
1.1 液晶显示器
利用液晶的电光效应调制外界光线进行显示的器件称为液晶显示器。其由两个相互垂直的极化滤光器构成，在它们之间是液晶。LCD结构如同三明治，一个液晶盒（包括玻璃基板、滤光片、偏光板、配向膜等材料），当灌入液晶材料后，一个液晶显示器件就形成了[1]。
液晶显示器，英文通称为LCD（Liquid Crystal Display），是属于平面显示器的一种，依驱动方式来分类可分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）以及主动矩阵驱动（Active Matrix）三种[2-3]。其中，被动矩阵型又可分为扭转式向列型（Twisted Nematic；TN）、超扭转式向列型（Super Twisted Nematic；STN）及其它被动矩阵驱动液晶显示器；而主动矩阵型大致可区分为薄膜式晶体管型（Thin Film Transistor；TFT）及二端子二极管型（Metal/Insulator/Metal；MIM）。TN、STN及TFT型液晶显示器因其利用液晶分子扭转原理之不同，在视角、彩色、对比及动画显示品质上有高低程次之差别，使其在产品的应用范围分类亦有明显区隔。以目前液晶显示技术所应用的范围以及层次而言，主动式矩阵驱动技术是以薄膜式晶体管型（TFT）为主流，多应用于笔记型计算机及动画、影像处理产品。而单纯矩阵驱动技术目前则以扭转向列（TN）、以及超扭转向列（STN）为主，目前的应用多以文书处理器以及消费性产品为主。在这之中，TFT 液晶显示器所需的资金投入以及技术需求较高，而TN及STN所需的技术及资金需求则相对较低。
液晶显示器具有很多优点[4-5]：机身薄，节省空间。与比较笨重的CRT显示器相比，液晶显示器只要前者三分之一的空间。省电，不产生高温。它属于低耗电产品，可以做到完全不发热（主要耗电和发热部分存在于背光灯管或LED）。低辐射，益健康。液晶显示器的辐射远低于CRT显示器（仅仅是低，并不是完全没有辐射，电子产品多多少少都有辐射）。画面柔和不伤眼。液晶显示器画面不会闪烁，可以减少显示器对眼睛的伤害，眼睛不容易疲劳。
液晶显示器绿色环保，它的能源消耗相对于传统的CRT来说，简直是太小了；对于逐渐引起国人重视的噪音污染也与它无缘，因为它的自身的工作特点决定了它不会产生噪音；液晶显示器还有一个好处就是发热量比较低，长时间使用不会有烤热的感觉。使用液晶显示器无形中为大气降了温，也为阻止日益升温的大气作贡献。同时减少辐射，降低环境污染。当然了，环保也不会少了辐射这个指数的，虽然我们不能说液晶显示器就完全没有辐射，但是相对于辐射大户CRT，
以及日常家电的辐射来说，液晶显示器那一点点辐射简直可以忽略不计。
正是因为LCD具有众多优点，其已成为各类电子设备的首选显示器件，是当前应用最为广泛的显示器件之一[5-7]。
1.1.1 LCD国内外发展状况
LCD显示屏经过一段长期的飞速发展之后，现如今已经广泛地应用于各个领域。目前，日本、韩国及台湾地区虽然纷纷把目光聚焦在TFT-LCD产业，逐渐放弃中低档TN/STN-LCD市场。对于资金短缺、技术匮乏的中国大陆，目前仍然以中低档的TN/STN产业为主，形成了以TN/STN产品为主的产业大环境，吸引了全球各地以TN/STN产品为主的厂商在此设立生产基地，并逐步把中国大陆TN/STN产业推向发展的顶峰[8]。因而促使中国大陆形成了较为完整的TN和STN产业链，上中下游产品基本都已实现本土化。例如，在TN/STN面板和模块制造设备方面，中国大陆厂商已经有能力自主设计和组装，上游原材料除了驱动IC需要外购之外，其它关键原材料如ITO玻璃、背光模组、偏光片等，中国大陆本土都有能力生产[9]。历经近30年的发展，中国LCD产业从无到有，从无源跨入有源，已成为全球最大的TN/STN生产大国和产值排名世界第四的LCD 产业区域[8,10]。
TN/STN企业一直赖以生存的消费类电子、固定电话、车载等产品已经接近颠峰，市场成长空间不大。而对于充满诱惑的手机应用市场，未来TN/STN的各项性能很难与OLED、TFT-LCD等技术显示面板比拼，毫无优势可言，并且消费者对产品的要求越来越高。同时，由于受到来自TFT、OLED等彩色显示面板的挤压，CSTN也开始寻找新的增长点，把触角伸向了TN/STN市场，更加快了TN及单色STN市场空间的缩小步伐[11-12]。
虽然TN-LCD的利润正在逐步萎缩，但由于其技术已经成熟且具有省电和价格低廉的优势仍然被众多领域广泛应用，在未来若干年内，仍能在中低价市场中具有一定的市场占有率[8]。而TN、STN、TFT各自的市场既有区分又有一定的相互交叠，只要关注市场的发展趋势，发挥自身的特长，不断降低成本，就能在激烈的竞争中占有一席之地。
1.1.2 TN显示技术
TN型的液晶显示技术可以说是液晶显示技术中最基本的，而之后其它种类的液晶显示器也可说是以TN型为基础加以改良。同样的，它的运作原理也较其它技术来的简单，TN型液晶显示器的简易构造图[4]，包括了垂直方向与水平方向的偏光板，具有细纹沟槽的配向膜，液晶材料以及导电的玻璃基板。其显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，液晶分子会依
配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，如果电场未形成，光线会顺利的从偏光板射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后，两片玻璃间会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使其分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样所得到光暗对比的现象，叫做扭转式向列场效应，简称TNFE （twisted nematic field effect ）。在电子产品中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成。一般TN 型液晶显示器结构如图1-1所示。 液晶层过渡电极
电极偏光片
玻璃
封接框电极
玻璃基板
偏光片
取向层
图1-1 TN 型液晶显示器结构[4]
扭曲向列相液晶显示的工作原理如下图1-2。该图表示了在正交偏光片之间设置TN 排列液晶盒时的电光效应，在这种情况下，自然光经过偏光片（检偏）后出射垂直振动方向的偏振光，经过90度扭曲时，偏振方向亦顺着液晶旋转了90度。故无外加电压时光能透过，图1-2（a ）。而在施加一定电压时，由于液晶分子发生了偏转，分子长轴方向与电场方向一致，光的旋光性消失，光被遮断，图1-2（b ）。如果把电极制作成图形，即实现了显示。但如果在平行偏光片之间设置TN 排列液晶盒，则光的透过与遮断关系就恰好与上述情形相反。这种TN 效应已成为目前正在广泛普及的TN 型液晶显示元件的工作原理并获得实际应用，可以用于实现白色背景上黑色图案（常白态）或者黑色背景上白色图案（常黑态）的显示[13-16]。
（a ）无外加电压U=0 （b ）有外加电压U>U th
图1-2 TN-LCD 显示原理
1.2 液晶介绍
液晶是介于液态与结晶态之间的一种物质状态。它除了兼有液体和晶体的某些性质（如流动性、各向异性等）外，还有其独特的性质。
液晶有电光效应。液晶的电光效应，是指液晶在外电场下的分子的排列状态发生变化，从而引起液晶盒的光学性质也随之变化的一种电的光调制现象。因为液晶具有介电各向异性和电导各向异性，因此外加电场能使液晶分子排列发生变化、进行光调制，同时由于双折射性，可以显示出旋光性、光干涉和光散射等特殊的光学性质。
液晶的热光学效应：是指因温度的变化而导致液晶分子排列改变的一种光学效应，加热到清亮点以上呈各向同性液体，在急冷后液晶盒呈白浊态，渐冷后，液晶盒呈透明态。
液晶的扭曲效应：液晶在液晶盒内平行排列，在排列方向上下玻璃之间成90度扭转，液晶也会相应发生90度旋转，当入射光进入时，光线也会随之发生90度旋转，这就是它的扭曲效应。
根据液晶形成的条件可分为热致液晶和溶致液晶。
溶致液晶，将某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶，被称为溶致液晶。比如：简单的脂肪酸盐、离子型和非离子型表面活性剂等。溶致液晶广泛存在于自然界、生物体中，和生命息息相关，但在显示中尚无应用。
热致液晶，热致液晶是由于温度变化而出现的液晶相。低温下它是晶体结构高温时则变为液体，这里的温度用熔点（TM）和清亮点（TC）来标示。液晶单分子都有各自的熔点和清亮点，在中间温度则以液晶形态存在。目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液晶。在热致液晶中，又根据液晶分子排列结构分为三大类:近晶相（SMECTIC）、向列相（NEMATIC）和胆甾相（CHOLESTERIC）。（1）近晶相液晶
近晶相液晶分子分层排列，根据层内分子排列的不同，又可细分为近晶相A 近晶相B等多种。层内分子长轴互相平行，而且垂直于层面。分子质心在层内的位置无一定规律。这种排列称为取向有序，位置无序。近晶相液晶分子间的侧向相互作用强于层间相互作用，所以分子只能在本层内活动，而各层之间可以相互滑动。
（2）胆甾相液晶
胆甾相液晶是一种乳白色粘稠状液体，是最早发现的一种液晶，其分子也是分层排列，逐层叠合。每层中分子长轴彼此平行，而且与层面平行。不同层中分子长轴方向不同，分子的长轴方向逐层依次向右或向左旋转过一个角度。从整体
看，分子取向形成螺旋状，其螺距用p表示，约为0.3mm。
（3）向列相液晶
向列相液晶中，分子长轴互相平行，但不分层，而且分子质心位置是无规则的。图1-3是简单的向列相液晶分子排列模型。
向列相是最简单的液晶相，此类液晶的棒状
分子之间只是互相平等排列。但它们的重心排列
是无序的，在外力作用下发生流动，很容易沿流
动方向取向，并且互相穿越。因此，此类型液晶
具有相当大的流动性。
液晶显示材料具有明显的优点：驱动电压低、
功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、
图1-3 向列相液晶分子排列模型无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本
低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器，便于携带等。液晶显示技术对显
示显像产品结构产生了深刻影响，促进了微电子技术和光电信息技术的发展。1.3 液晶显示器驱动
为了驱动LCD，通常采用无源矩阵（PM）和有源矩阵（AM）驱动技术[17]。
液晶显示是由于在显示像素上施加了电场的缘故，而这个电场则由显示像素
前后两个电极上的电位信号合成产生，在显示像素上建立直流电场是非常容易的事，但直流电场将导致液晶材料的化学反应和电极老化，从而迅速降低液晶的显
示寿命，因此必须建立交流驱动电场，并且要求这个交流电场中的直流分量越小
越好，通常要求直流分量小于50mV。在实际应用中，由于采用了数字电路驱动，所以这种交流电场是通过脉冲电压信号来建立的。
显示像素上交流电场的强弱用交流电压的有效值表示，当有效值大于液晶的
阈值电压时，像素呈显示态；当有效值小于阈值电压时，像素不产生电光效应；当有效值在阈值电压附近时，液晶将呈现较弱的电光效应，此时将会影响液晶显
示器件的对比度。
液晶显示的驱动就是用来调整施加在液晶器件电极上的电位信号的相位、峰值、频率等，建立驱动电场，以实现液晶显示器件的显示效果。液晶显示的驱动
方式有许多种，常用的驱动方法有静态驱动法和动态驱动法。
（1）静态驱动法
静态驱动法是获得最佳显示质量的最基本方法，它适用于数量较少的笔段型
液晶显示器件的驱动。当多位数字组合时，各位的背电极BP是连在一起的。静
态驱动法的电路中，振荡器的脉冲信号经分频后直接施加在液晶显示器件的背电
极BP上；而段电极的脉冲信号是由显示选择信号与时序脉冲通过合成产生。
当某位显示像素被显示选择时，该显示像素上两电极的脉冲电压相位差180°，在显示像素上产生2V的电压脉冲序列，使该显示像素呈现显示特性；
当某位显示像素为非显示选择时，该显示像素上两电极的脉冲电压相位相等，在
显示像素上合成电压脉冲为0V，从而实现显示的效果，这就是静态驱动法。为
了提高对比度，适当地调整脉冲的电压即可。
（2）动态驱动法
当液晶显示器件上显示像素众多时（如点阵型液晶显示器件），为了节省庞大的硬件驱动电路，在液晶显示器件电极的制作与排列上作了加工，实施了矩阵型的结构，即把水平一组显示像素的背电极都连在一起引出，称之为行电极；把纵向一组显示像素的段电极都连起来一起引出，称之为列电极。行、列交叉点为像素。在液晶显示器件上每一个显示像素都由其所在的列与行的位置唯一确定。在驱动方式上相应地采用了类同于CRT的光栅扫描方法。液晶显示的动态驱动法是循环地给行电极施加选择脉冲，同时所有显示数据的列电极给出相应的选择或非选择的驱动脉冲，从而实现某行所有显示像素的显示功能，这种行扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得液晶显示屏上呈现出稳定的显示，人们把液晶显示扫描驱动方式称之为动态驱动方式。
在一帧中每一行的选择时间是均等的。假设一帧的扫描行数为N，扫描时间为1，那么一行所占有的选择时间为一帧时间的1/N。在液晶显示的驱动方法中把这个值，即一帧行扫描数的倒数称为液晶显示驱动的占空比（duty）。在同等电压下，扫描行数的增多将使液晶显示的占空比下降，从而导致了变电场电压有效值的下降，降低了显示质量。因此随着显示屏的增大，显示行的增多，为了保证显示的质量，就需适度地提高驱动电压或采用双屏电极排布结构以提高电场的电压有效值或提高占空比。
在动态驱动方式下，液晶显示器件某一位置上的显示像素的显示机理是由行选择电压与列显示数据电压合成实现的即要使一位置如（I ，J）点显示，就需要在第I列和第J行上同时施加选择电压，以使该点变电场达到最大。但是此时除（I ，J）点外第I列和第J行上的其余各点也都承受了一定的电压，把这些点称为半选择点，若半选择点上的有效电压大于阈值电压时在屏上出现不应有的显示，使对比度下降，这种现象叫“交叉效应”。
在动态驱动法中解决“交叉效应”的方法是平均电压法，即把半选择点和非选择点的电压平均化，适度提高非选择点电压来抵消半选择点上的一部分电压，使得半选择点上电压下降，提高显示的对比度。
1.4 电热水器加热控制方式
电热水器按其对水加热温度控制方式不同分为：机械、数显和数控三种型式。（1）机械式控制电热水器
机械式电热水器温度控制的主要元件为一机械式旋钮调节的温度控制器，该温控器通常由测温探头、可调式驱动机构和一对电触点组成。当探头处温度上升时，探头内的介质（液体或气体）膨胀，并通过毛细管推动驱动机构，使电触点动作。电触点的动作温度可通过可调式驱动机构进行调节或使电触点处常开状
态。机械式热水器用温控器主要特点是：动作温度可在一定范围内连续调节，操作简单方便，价格低廉。
（2）数显型控制电热水器
数显型电热水器控制系统通常由显示板、主控制板、强电板和温度传感器组成。温度、设置温度、故障代码和定时数的信息，还可以利用控制面板上的按键和旋钮来进行设置操作。主控制板是控制系统的核心，用于对温度信息的处理和对热水器的运行过程实施控制。强电板用于提供系统所需电源、实施强电驱动及漏电检测。温度传感器用于采集温度信息。
（3）数控型电热水器
数控型电热水器由显示板、主控制板、强电板和温度传感器组成。显示板上的LCD显示屏用于显示工作模式、加热状态、当前温度、设置温度、设置菜单、时钟、定时时段、故障代码等信息，还可以利用板上按键进行设置操作。主控制板是控制系统核心，过温检测和常温检测温度传感器用于采集温度信息。
1.5 课题意义
时代其实还是模拟时代，而未来的时代从发展趋势来看是数字时代[18]。显示器智能化操作，数字控制、数码显示是未来显示器的必要条件。随着数字时代的来临，数字技术必将全面取代模拟技术。
我们的世界随处都和显示息息相关，正如控制论创始人N·维纳所说：“要有效的生活，就要有足够的信息”。人们一直致力于将各种信息转变为视觉信息再传递给人们。这种将各种信息转化为视觉信息的过程就是显示，这种转化技术就称之为显示技术。
在信息社会快速发达的今天，显示器行业充满活力，并已成为世界电子信息工业的一大支柱产业。从世界范围来看，目前显示器产业布局稳定、产能集中、技术垄断、市场竞争激烈，价格不断下降。
通过作为人机交互界面的显示器，人们可以获得信息。因此给热水器添加上显示屏，特别是在浴室这种特定环境下，更有利于我们对水温，水量等的信息获取。
本说明书的主要内容在于如何设计和生产一款切近生活的显示产品——电热水器LCD显示器。作者力求以图文并茂、通俗易懂的方式说明其工作原理，讨论其材料参数，并在AutoCAD软件绘出其相关版图，最后给出其生产的工艺流程。
2 电热水器显示屏设计
2.1 外观图的设计
在显示屏的设计中，首先要确定显示的图案和一些数据，比如外形的长宽，LCD大片的长宽，小片的长宽等等。然后根据结构图再做出光刻掩摸版、取向涂覆版和丝网印刷版[19]。屏的基本设计过程为：外观图的设计（液晶盒的设计→8个“8”字笔段和其它显示单元→真值表→Com层电极走线→Seg层电极走线→Com层的电极图案→Seg层的电极图案）→总体设计外观图→单粒图设计→菲林版的设计（Masku版的设计→Maskd版的设计→封框版的设计→PI涂覆版的设计→银点版的设计）。
设计屏的外观图，首先得定义尺寸规格。该显示屏所必须的数据[19]，如下所列：
（a）LCD外形的长129mm，宽为73mm；
（b）LCD大片长为129mm，宽为73mm；
（c）LCD小片长为129mm，宽为69mm；
（d）LCD大片在下，小片在上；
（e）LCD可视区长为120mm，宽为60mm；
图2-1液晶盒尺寸及外观
（f）可视区距小片玻璃左边缘距离4.5 mm；可视区距小片玻璃下边缘距离