CN109669568B - 带窄边框的有源矩阵触摸面板 - Google Patents

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Abstract

一种电容感测阵列包括：电极阵列；在第一方向上布置的第一导电数据线和在不同于第一方向的第二方向上布置的第二导电数据线；第一开关元件，其配置为将每个电极连接到在第一方向上的第一导线；以及第二开关元件，其配置为将每个电极连接到在第二方向上的第二导线；和控制线，其连接到第一和第二开关元件。在第一方向上的每个第一导电数据线和第二方向上的第二导电数据线之间存在电连接，使得第一方向上的每个第一导线连接到第二方向上的至少一个第二导线。一种触摸面板显示设备包括：电容感测阵列，该电容感测阵列被实现为与显示器集成的有源矩阵触摸传感器面板；以及控制器，所述控制器在不同时间段期间施加驱动信号和测量电容。

Description

带窄边框的有源矩阵触摸面板
技术领域
本发明涉及电容感测阵列。特别地，本发明涉及电容型触摸面板。这种电容型触摸面板设备可以应用于一系列消费电子产品中，包括例如移动电话、平板电脑和台式PC、电子书阅读器和数字标牌产品。
背景技术
触摸面板已被广泛用作诸如智能手机和平板设备的一系列电子产品的输入设备。
大多数高端便携式和手持式电子设备现在都包括触摸面板。这些触摸面板通常用作触摸屏，即显示器和触摸面板，的一部分，显示器和触摸面板被对准使得触摸面板的触摸区与显示器的显示区对应。
具有触摸屏的电子设备的最常见用户界面是显示器上的图像，该图像具有显现交互的点。更具体地，该设备可以显示按钮的图片，然后用户可以通过用他们的手指或触笔触摸、按压或划过该按钮来与该设备交互。例如，用户可以“按下”该按钮并且触摸面板检测到触摸(或多个触摸)。响应于检测到的触摸或多个触摸，该电子设备执行一些适当的功能。例如，该电子设备可以执行自我关闭，执行应用程序等。
尽管可以使用许多不同的技术来创建触摸面板，但是电容系统已经由于它们的准确性、耐用性以及在很少或没有激活力(activation force)的情况下检测触摸输入事件的能力而证明是最受欢迎的。
应用于触摸面板的电容感测的众所周知的方法是投射电容方法。该方法包括互电容方法和自电容方法。
在互电容方法中，如图1中所示，在透明基板(未示出)上形成有驱动电极100和感测电极101。从电压源102向驱动电极100施加变化的电压或激励信号。然后通过在驱动电极100和感测电极101之间形成的互耦合电容器103的电容耦合在相邻的感测电极101上产生信号。电流测量单元或装置104连接到感测电极101并提供互耦合电容器103的大小的测量。当输入物体105(如手指或触笔)接近这两个电极时，它形成对驱动电极106的第一动态电容器和对感测电极107的第二动态电容器。如果输入物体接地，例如连接到人体的人手指的情况，这些动态地形成的电容的效果表现为驱动电极和感测电极之间的电容耦合量减少，以及因此由连接到感测电极101的该电流测量单元或装置104测得的信号幅度的减小。
在自电容方法中，如图2中所示，在透明基板(未示出)上形成有驱动电极200。从电压源201向驱动电极200施加变化的电压或激励信号。电流测量装置202连接到电极200，并提供该电极对地的自电容203的大小的测量。当输入物体105靠近该电极时，它改变自电容203的值。如果输入物体接地，例如连接到人体的人手指的情况，效果是增加该电极对地203的自电容，并因此增加由连接到感测电极200的电流测量装置202测得的信号幅度。
众所周知并且例如在US5,841,078(Bisset等人，1996年10月30日发布)中公开了通过以网格图案布置多个驱动电极和感测电极以形成电极阵列，互电容感测方法可用于形成触摸面板设备。图3示出可被配置为驱动电极的水平电极300和可被配置为感测电极的垂直电极301的合适图案。互电容感测方法的优点是可以检测多个同时触摸输入事件。
另外，众所周知并且例如在US9,250,735(Kim等人，2016年2月2日发布)中公开了通过以二维阵列布置多个电极，并且通过提供从每个电极到控制器的电连接，自电容感测方法可被用于形成能够可靠地检测来自多个物体的同时触摸的触摸面板设备。
图4示出形成触摸传感器面板的这种二维电极阵列的一个示例。该阵列包括形成在第一层上的十二个方块电极400，其中四个电极沿第一方向布置，三个电极沿第二方向布置。通孔401将第一层上的每个电极400连接到第二层上的连接线402。通过这种方式，每个电极400通过连接线402分别连接到控制器。第一列电极通过连接线404连接，第二列通过连接线405连接，并且第三列通过连接线406连接。
在许多触摸屏中，触摸面板是独立于显示器的设备，称为“单元外(out-cell)”触摸面板。触摸面板位于显示器的顶部，并且显示器产生的光穿过触摸面板，一定量的光被触摸面板吸收。在更近的实施方式中，触摸面板的一部分集成在显示器叠层内，并且触摸面板和显示器可以共用某些结构，如透明电极。这被称为“单元内(in-cell)”触摸面板。将触摸面板集成到显示器结构中旨在通过简化制造来降低成本，以及减少触摸面板独立于显示器并位于显示器叠层顶部时发生的光通量损失。
这两种方法在图5A和图5B中示出。图5A示出示例性单元外触摸屏，即显示器和触摸面板的组合，的横截面500的示意图。触摸面板501和显示器502在物理上是分开的，并且通常触摸面板可以位于盖板玻璃下方，但是各层的顺序和布置可以是不同的。触摸面板控制器503和显示驱动器504分别控制触摸面板和显示器功能，并且它们都由面板处理器505控制。作为选择，如图5B的横截面506所示，显示器和触摸传感器可以集成在同一层507中，该层夹在其他显示器层之间。这是单元内触摸面板。
GB2542854A(Brown等人，2017年4月5日出版)公开一种单元内触摸面板，其使用显示器的VCOM层来形成触摸面板电极，此触摸面板电极通过TFT的有源矩阵连接到驱动电路和感测电路。该结构实现了单元内触摸面板的优点，特别是更低的成本和厚度。与传统的单元内触摸面板相比，它通常需要面板和控制器之间较少的连接。电极尺寸和形状也是可重新配置的，并且它可以与互电容和自电容感测一起使用。
图6示出GB2542854A中描述的实施例。两个触摸单位单元600和601通过它们的互电容605相互影响。这些触摸单位单元还分别通过电容603和604而受到物体存在的影响，在该情况下物体是人手指606。
在触摸单位单元600上，电容603和605在公共节点650处相连，公共节点650是将电容603和605的导电板连接到有源矩阵电路的导电元件。电子开关(例如，晶体管，如图6中的TFT)620和621用于选择数据线640和641中的哪一个连接到公共节点650。该选择取决于由相应的控制线610、611控制的栅极节点630和631处存在的电压。当栅极630处于高状态时，晶体管620将数据线641与公共节点650相连。当栅极631处于高状态时，晶体管621将数据线640与公共节点650相连。
在触摸单位单元601上，电容604和605在公共节点651处相连，公共节点651是将电容605和604的导电板连接到有源矩阵电路的导电元件。晶体管622和623用于选择数据线642和643中的哪一个连接到公共节点651。该选择取决于由相应的控制线612、613控制的栅极节点632和633处存在的电压。当栅极632处于高状态时，晶体管622将数据线643与公共节点651相连。当栅极633处于高状态时，晶体管623将数据线642与公共节点651相连。晶体管栅极630、631、632和633分别由控制线610、611、612和613驱动。
如将理解的，每个触摸单位单元具有两条控制线和两条数据线。触摸单位单元600具有两条控制线610、611和两条数据线640、641，而触摸单位单元601具有两条控制线612、613和两条数据线642、643。在该实施例中，两条控制线和一条数据线640(或642)通常沿着行方向延伸，而另一数据线641(或643)通常沿着列方向延伸，但是GB2542854A的发明不限于控制线和数据线的这种配置。
图6的控制线610、611(612、613)和图6的数据线640、641(642、643)实现触摸功能，因此可以被认为分别是“触摸控制线”和“触摸数据线”。然而，应该理解的是，例如将数据线称为“触摸数据线”并不一定意味着该数据线仅实现触摸功能，在GB2542854A的一些实施例中，数据线可用于实现触摸功能和显示功能二者，并且原则上控制线可用于实现触摸功能和显示功能二者。
数据线640、641(642、643)连接到用于向数据线提供驱动信号的各驱动电路(未示出)或感测电路(未示出)。在GB2542854A的典型实施例中，通常沿着列方向延伸的数据线641(643)连接到感测电路，但是其他实施例也是可以的。因此，数据线641也可以被认为是“感测数据线”(或“感测/驱动数据线”)，并且数据线640可以被认为是“驱动数据线”。驱动电路和驱动/感测电路可以方便地构成在触摸面板控制器中。
在一些实施例中，有源矩阵触摸面板的基本单位单元结构可以包括超过两个TFT。例如，第三TFT可被用于放大感测信号。
图7示出GB2542854A中描述的单元内有源矩阵触摸传感器面板的一个实施例。在该实施例中，有九个触摸敏感电极700。其他实施例可以有不同数量的电极。每个电极700连接到两个TFT701。每个电极和一对TFT可包含并联连接的若干个单位单元(如图6中所示的那些)。“SEL1”栅极控制线702控制将第一行中的电极连接到垂直“SEN”触摸数据线711-713的TFT的状态。“SEL2”栅极控制线705控制将第二行中的电极连接到垂直“SEN”触摸数据线711-713的TFT的状态。“SEL3”栅极控制线708控制将第三行中的电极连接到垂直“SEN”触摸数据线711-713的TFT的状态。“SELB 1”栅极控制线703控制将第一行中的电极连接到水平“FNC1”触摸数据线704的TFT的状态。“SELB2”栅极控制线706控制将第二行中的电极连接到水平“FNC2”触摸数据线707的TFT的状态。“SELB3”栅极控制线709控制将第三行中的电极连接到水平“FNC3”触摸数据线710的TFT的状态。
控制信号可施加于控制线702、703、705、706、708和709，以配置电极700和触摸数据线704、707、710、711、712和713之间的连接。在该实施例中，触摸数据线704、707、710、711、712和713可以连接到触摸面板控制器。例如，水平触摸数据线704、707和710可用于将驱动信号施加到一行或多行的电极，并且垂直触摸数据线711、712和713可用于感测一列或多列中的一个或多个电极上的电荷。
然而，在GB2542854A中公开的结构的局限是需要若干个连接线，包括控制线和触摸数据线。不能容易地与显示器共享控制线。这些额外的线可以被铺设在面板边框中，但是在边框中铺设大量的线是不可取的，因为这会增加边框区域的宽度。作为选择，可以将控制线铺设在显示器有源区域内。然而，这是不可取的，因为这减小了像素孔径，从而降低了显示器的效率和亮度。
触摸数据线也可以与显示器分离，在这种情况下，在边框或有源区域中铺设它们时会遇到相同的问题。作为选择，可以与显示数据线共享触摸数据线。然而，由于显示器和显示驱动电子设备的要求，这也许是不可能的。
WO2017056900A1(Hamaguchi等人，2017年4月6日出版)公开一种驱动如GB2542854A中公开的有源矩阵触摸面板结构的方法，其采用正交驱动代码，以使自电容测量具有高信噪比。例如，与不同的正交驱动代码相对应的驱动信号可以通过水平触摸数据线施加于每行中的电极，并且每列中的电极上的总电荷可以通过垂直触摸数据线被电荷放大器感测到。通过对来自每个正交驱动代码的信号进行一系列的测量和解码，可以测量每个电极的自电容。然而，这需要与GB2542854A相同的控制线和数据线。
传统上应用于触摸面板的常用电容测量技术的局限在于它们不能检测来自例如由木头、塑料等制成的非导电或绝缘物体的输入。
US9,105,255(Brown等人，2015年8月11日发布)公开一种互电容触摸面板，其能够检测非导电物体，并且能够区分物体是导电的还是非导电的。这是通过测量在不同的耦合距离上形成的多个互电容来实现的。可以根据多个互电容的变化来确定物体的类型(导电或非导电)。所述多个互电容形成在行列电极阵列之间。
发明内容
本发明涉及有源矩阵电容感测阵列以及驱动该阵列的控制器和方法。该有源矩阵电容感测阵列可以是例如可在触摸面板显示系统等中使用的有源矩阵触摸传感器面板。该有源矩阵触摸传感器面板可以与显示器集成。
有源矩阵电容感测阵列或触摸传感器面板包括电极阵列、水平数据线和垂直数据线、矩阵区域内的可以将每个电极连接到水平数据线或垂直数据线的开关元件(如TFT)、以及可以控制开关元件的状态的控制线。水平数据线可例如用于驱动电极，垂直数据线可例如用于感测电极。
本发明提供一种新的电容感测阵列结构以及驱动该阵列的方法，以减少对该阵列进行的连接的数量。例如，这可以减少在有源矩阵触摸传感器面板的边框区域中铺设的这种连接的数量。
在第一方向上的每个数据线和第二方向上的至少一个数据线之间进行连接。例如，每个水平数据线可以连接到一个垂直数据线，使得每个水平数据线连接到不同的垂直数据线。然后被连接的水平数据线和垂直数据线的功能可以在例如驱动和感测的不同功能之间时间复用。这种时间复用可以通过使用一组复用开关，如TFT或CMOS晶体管，对数据线进行不同的连接来实现。通过这种方式，每个电极都可以连接到驱动信号源，并且可以随后连接到感测放大器。
此外，该电容传感器阵列的控制线可以组合成数量少的公共控制线，以进一步减少连接的数量。
控制信号发生器向控制线和复用开关提供控制信号，以配置该系统并执行诸如驱动和感测的功能。
通过将驱动电压施加到电极，然后测量每个电极上存储的电荷，就可以确定每个电极的电容。这些电容测量可被例如用来确定接触有源矩阵触摸传感器面板的物体的位置。
可以将同一驱动信号施加到若干个电极，例如连接到同一水平数据线的一行电极，然后可以通过同一感测放大器来测量若干个电极，例如连接到同一垂直数据线的一列电极。通过使用一组正交驱动信号，仍然可以确定每个电极的电容。
附图说明
图1示出互电容触摸面板的常用实施方式。
图2示出自电容触摸面板的常用实施方式。
图3示出可用于互电容感测或自电容感测的垂直电极和水平电极的常用图案。
图4示出第一层上的二维电极阵列，在第二层上与控制器相连。
图5A示出触摸屏的示意性截面图。
图5B示出具有集成的触摸和显示层的触摸屏的示意性截面图。
图6示出有源矩阵触摸传感器面板的示例性实施例的两个触摸单位单元的等效电路图。
图7示出有源矩阵触摸传感器面板的示例性实施例。
图8示出包括与显示器集成的有源矩阵触摸传感器面板的触摸面板显示系统。
图9示出有源矩阵触摸传感器面板的实施例，其中每个水平触摸数据线连接到不同的垂直触摸数据线。
图10示出有源矩阵触摸传感器面板的实施例，其中每个水平触摸数据线连接到不同的垂直触摸数据线，并且栅极控制线每个都连接到两个公共栅极控制线之一。
图11示出可连接到垂直触摸数据线的一组复用开关的实施例。
图12示出可连接到垂直触摸数据线的使用TFT实现的一组复用开关的实施例。
图13示出可施加到有源矩阵触摸传感器面板的控制线和触摸数据线的控制信号和驱动信号的示例。
图14示出可连接到垂直触摸数据线的一组复用开关的实施例。
图15示出可连接到垂直触摸数据线的使用TFT实现的一组复用开关的实施例。
图16示出可施加到有源矩阵触摸传感器面板的控制线和触摸数据线的控制信号和驱动信号的示例。
图17示出可用于测量有源矩阵触摸传感器面板中的电极电容的驱动信号发生器、电荷放大器和开关的实施例。
图18示出可以与图17的电路一起使用的控制信号和驱动信号的示例以及该电路所产生的输出电压。
图19示出包括触摸数据线以及它们之间的连接的有源矩阵触摸传感器面板的实施例。
具体实施方式
本发明提供一种电容感测阵列，以及驱动该阵列的控制器和方法。该电容感测阵列可以是一种电容式触摸传感器，可例如在触摸面板显示系统等中使用。图8示出这种触摸面板显示系统800的一个实施例。该系统包括集成显示和有源矩阵触摸传感器面板801。
集成显示和有源矩阵触摸传感器面板801包括有源区域802，也可以包括边框区域803。该触摸面板和/或显示器可能无法在边框区域中发挥功能，或者可能会功能降低。部分或全部边框区域可用于铺设连接线，如金属痕迹，以容纳有用的结构，如TFT或为其他目的。边框区域可以包括左边框803a、顶边框803b、右边框803c和底边框803d中的一个或多个。
触摸传感器面板801连接到触摸面板控制器和控制信号发生器804。触摸面板控制器804a和控制信号发生器804b可以是单个子系统804的一部分，如图8所示，或者可以是单独的子系统。触摸面板控制器804a和/或控制信号发生器804b可与显示驱动器和/或其他子系统集成。控制信号发生器804b通过向如图6描述的控制线610、611、(612、613)施加电压来配置触摸面板。触摸面板控制器804a检测触摸传感器面板上的触摸，并确定触摸的属性。该信息被提供给系统控制单元805，系统控制单元805可以例如包括处理器、存储器和显示驱动器。系统控制单元805将视觉信息输出到带有集成触摸面板801的显示器。该显示器可以是例如LCD或OLED显示器或其他类型的显示器。系统控制单元805可以执行操作，并且可响应于触摸面板控制器804a检测到的触摸来修改视觉信息。
图9示出单元内有源矩阵触摸传感器面板的实施例。在这个实施例中有九个触摸敏感电极900。其他实施例可以有不同数量的电极。每个电极900连接到两个TFT 901a和901b。每个电极和一对TFT可以包括并联连接的几个单位单元(如图6中所示)。在某些实施例中，有源矩阵触摸面板的基本单位单元结构可以包括多于两个的TFT。例如，如GB2542854A中所述，第三TFT可以用来放大感测信号。
“SEL1”栅极控制线902控制将第一行中的电极连接到垂直触摸数据线911-913的TFT的状态。“SEL2”栅极控制线905控制将第二行中的电极连接到垂直触摸数据线911-913的TFT的状态。“SEL3”栅极控制线908控制将第三行中的电极连接到垂直触摸数据线911-913的TFT的状态。“SELB1”栅极控制线903控制将第一行中的电极连接到第一水平触摸数据线904的TFT的状态。“SELB2”栅极控制线906控制将第二行中的电极连接到第二水平触摸数据线907的TFT的状态。“SELB3”栅极控制线909控制将第三行中的电极连接到第三水平触摸数据线910的TFT的状态。
图9的结构可以如GB2542854A中公开的那样来实施。电极900可以制造在第一层中，水平连接线902、903、905、906、908和909可以制造在第二层中，并且垂直连接线911、912和913可以制造在第三层中。
第一水平触摸数据线904在点914连接到第一垂直触摸数据线911。第二水平触摸数据线907在点915连接到第二垂直触摸数据线912。第三水平触摸数据线910在点916连接到第一垂直触摸数据线913。连接点914、915和916可作为孔实现，在第一层中的某些水平连接线与第二层中的某些垂直连接线之间进行电连接。
控制信号可应用于控制线902、903、905、906、908和909，以配置电极900和触摸数据线904、907、910、911、912和913之间的连接。在这个实施例中，触摸数据线911、912和913可以连接到触摸面板控制器。触摸数据线的功能可以在触摸面板控制器施加一个或多个驱动电压的驱动时间段和触摸面板控制器进行一或多个测量，例如测量电荷，的感测时间段之间进行时间复用。
图10示出单元内有源矩阵触摸传感器面板的实施例。在这个实施例中有九个触摸敏感电极1000。其他实施例可以有不同数量的电极。每个电极1000连接到两个TFT 1001a和1001b。每个电极和一对TFT可以包括并联连接的几个单位单元(如图6中所示)。在某些实施例中，有源矩阵触摸面板的基本单位单元结构可以包括多于两个的TFT。例如，如GB2542854A中所述，第三TFT可以用来放大感测信号。
“SEL1”栅极控制线1002控制将第一行中的电极连接到垂直触摸数据线1011-1013的TFT的状态。“SEL2”栅极控制线1005控制将第二行中的电极连接到垂直触摸数据线1011-1013的TFT的状态。“SEL3”栅极控制线1008控制将第三行中的电极连接到垂直触摸数据线1011-1013的TFT的状态。“SELB1”栅极控制线1003控制将第一行中的电极连接到第一水平触摸数据线1004的TFT的状态。“SELB2”栅极控制线1006控制将第二行中的电极连接到第二水平触摸数据线1007的TFT的状态。“SELB3”栅极控制线1009控制将第三行中的电极连接到第三水平触摸数据线1010的TFT的状态。
图10的结构可以如GB2542854A中公开的那样来实施。电极1000可以制造在第一层中，水平连接线1002、1003、1005、1006、1008和1009可以制造在第二层中，并且垂直连接线1011、1012和1013可以制造在第三层中。
第一水平触摸数据线1004在点1014连接到第一垂直触摸数据线1011。第二水平触摸数据线1007在点1015连接到第二垂直触摸数据线1012。第三水平触摸数据线1010在点1016连接到第一垂直触摸数据线1013。连接点1014、1015和1016可作为孔实现，在第一层中的某些水平连接线与第二层中的某些垂直连接线之间进行电连接。
“SEL1”、“SEL2”和“SEL3”栅极控制线1002、1005和1008由“SEL”公共栅极控制线1017连接在一起。“SELB1”、“SELB2”和“SELB3”栅极控制线1003、1006和1009由“SELB”公共栅极控制线1018连接在一起。因此在这个实施例中，只有两个栅极控制线连接到控制信号发生器。公共栅极控制线1017和1018可以铺设在触摸面板的边框区域中。在这个实施例中，边框区域可以非常窄，因为只有两条触摸面板连接线铺设在边框中。作为选择，在另一个实施例中，它们可以铺设在有源区域中。
在这个实施例中，水平栅极控制线通过公共栅极控制线1017和1018以两个组连接。本领域技术人员很清楚，水平栅极控制线可以按不同的方式分组。例如，可以使用多于两个的公共栅极控制线，以能够实现不同的配置。
控制信号可应用于公共栅极控制线1017和1018，以配置电极1000和触摸数据线1004、1007、1010、1011、1012和1013之间的连接。在这个实施例中，触摸数据线1011、1012和1013可以连接到触摸面板控制器。触摸数据线的功能可以在触摸面板控制器施加一个或多个驱动电压的驱动时间段和触摸面板控制器进行一或多个测量，例如测量电荷，的感测时间段之间进行时间复用。
图11示出可用于将触摸面板控制器1100连接到图9的垂直触摸数据线911、912和913或者图10的1011、1012和1013的复用器的实施例。连接线1101可以连接到触摸数据线911(或1011)，连接线1102可以连接到触摸数据线912(或1012)，并且连接线1103可以连接到触摸数据线913(或1013)。由第一控制信号C1控制的第一开关1104将第一连接线1101连接到触摸面板控制器1100的第一驱动线D1或第一感测线S1。由第二控制信号C2控制的第二开关1105将第二连接线1102连接到触摸面板控制器1100的第二驱动线D2或第二感测线S2。由第三控制信号C3控制的第三开关1106将第三连接线1103连接到触摸面板控制器1100的第三驱动线D3或第三感测线S3。开关1104、1105和1106可以使用TFT或CMOS晶体管或其他部件实现。它们可以位于有源区域或边框区域内的触摸传感器面板上，或者它们可以位于触摸面板控制器或定时信号发生器中，或者它们可以位于另一个子系统如复用器中。
图12示出图11的复用器的实施例，其中开关被实现为TFT对。使用不同实施方式的许多其他实施例也都可以。连接线1201可以连接到触摸数据线911(或1011)，连接线1202可以连接到触摸数据线912(或1012)，并且连接线1203可以连接到触摸数据线913(或1013)。由控制信号C1A控制的第一TFT 1204可以将第一连接线1201连接到触摸面板控制器1200的第一驱动线D1。由控制信号C1B控制的第二TFT 1205可以将第一连接线1201连接到触摸面板控制器1200的第一感测线S1。由控制信号C2A控制的第三TFT 1206可以将第二连接线1202连接到触摸面板控制器1200的第二驱动线D2。由控制信号C2B控制的第四TFT 1207可以将第二连接线1202连接到触摸面板控制器1200的第二感测线S2。由控制信号C3A控制的第五TFT 1208可以将第三连接线1203连接到触摸面板控制器1200的第三驱动线D3。由控制信号C3B控制的第六TFT 1209可以将第三连接线1203连接到触摸面板控制器1200的第三感测线S3。
图13示出时序图，包括控制信号C1A、C2A和C3A(1300)和C1B、C2B和C3B(1301)，它们可应用于图12的复用器。图13还示出控制信号SELB(1302)，其可应用于图10的公共栅极控制线1018。图13还示出控制信号SEL(1303)，其可应用于图10的公共栅极控制线1017。作为选择，控制信号SELB(1302)可应用于图9的栅极控制线903、906和909，并且控制信号SEL(1303)可应用于图9的栅极控制线902、905和908。控制信号1300、1301、1302和1303在给定时间可以是高或低。高控制信号对应于高电压，例如3V或5V或10V或20V或30V或另一个高电压。低控制信号对应于低电压，例如0V或-5V或另一个低电压。
在第一时间段1307和第三时间段1309期间，控制信号C1A、C2A和C3A(1300)是高，导通TFT 1204、1206和1208；控制信号C1B、C2B和C3B(1301)是低，断开TFT 1205、1207和1209；控制信号SELB(1302)是高，导通TFT 1001b；并且控制信号SEL(1303)是低，断开TFT1001a。电极A、B和C因此通过TFT 1001b连接到触摸数据线1004和1011，并因此通过TFT1204连接到驱动线D1。电极D、E和F通过TFT 1001b连接到触摸数据线1007和1012，并因此通过TFT 1206连接到驱动线D2。电极G、H和I通过TFT 1001b连接到触摸数据线1010和1013，并因此通过TFT 1208连接到驱动线D3。
在第二时间段1308和第四时间段1310期间，控制信号C1A、C2A和C3A(1300)是低，断开TFT 1204、1206和1208；控制信号C1B、C2B和C3B(1301)是高，导通TFT 1205、1207和1209；控制信号SELB(1302)是低，断开TFT 1001b；并且控制信号SEL(1303)是高，导通TFT1001a。因此电极A、D和G通过TFT 1001a连接到触摸数据线1011，并因此通过TFT 1205连接到感测线S1。电极B、E和H通过TFT 1001a连接到触摸数据线1012，并因此通过TFT 1207连接到感测线S2。电极C、F和I通过TFT 1001a连接到触摸数据线1013，并因此通过TFT 1209连接到感测线S3。
在第一时间段1307和第三时间段1309期间，触摸面板控制器可以在驱动线D1、D2和D3上产生驱动信号。连接(通过TFT)到每个驱动线的电极因此被充电到相应的电压。在第二时间段1308和第四时间段1310期间，触摸面板控制器可以测量对感测线S1、S2和S3的输入。这可以包括测量在(通过TFT)连接到每个感测线的电极上存储的电荷。触摸面板控制器可以执行几个这样的驱动和感测操作的序列。在图13中产生的控制信号可以被重复，以使得能够进行大量的类似测量。如果驱动信号D1、D2和D3被选择形成正交代码，则可以由触摸面板控制器解码该测量序列，以使用WO2017056900A1中所公开的方法确定在九个电极1000中的每个上存储的电荷。这些电荷测量对应于每个电极的自电容，并且这些电容测量允许确定诸如手指或无源触笔等导电物体的一个或多个触摸的位置。
图13示出驱动信号D1(1304)、D2(1305)和D3(1306)，它们分别由代码M1(k)、M2(k)和M3(k)描述，其中k可以是1和n之间的正整数，其中n是驱动代码的总长度。这些代码可以被选择为使得它们完全或部分正交。
驱动信号D1、D2和D3可以取两个电压之一，并且在由驱动代码确定的这些电压之间切换。例如，它们可以在-1V和+1V之间切换，或者在0V和3V之间切换。可以使用许多其他电压。
图14示出可用于将触摸面板控制器1400连接到图9的垂直触摸数据线911、912和913或者图10的1011、1012和1013的复用器的实施例。连接线1401可以连接到触摸数据线911(或1011)，连接线1402可以连接到触摸数据线912(或1012)，并且连接线1403可以连接到触摸数据线913(或1013)。由第一个控制信号C1控制的第一开关1404将第一连接线1401连接到触摸面板控制器1400的第一驱动线D1或第一感测线S1，或者连接到地1407或另一个DC电压。由第二控制信号C2控制的第二开关1405将第二连接线1402连接到触摸面板控制器1400的第二驱动线D2或第二感测线S2，或者连接到地1407或另一个DC电压。由第三控制信号C3控制的第三开关1406将第三连接线1403连接到触摸面板控制器1400的第三驱动线D3或第三感测线S3，或者连接到地1407或另一个DC电压。开关1404、1405和1406可以使用TFT或CMOS晶体管或其他部件来实现。它们可以位于有源区域或边框区域内的触摸传感器面板上，或者它们可以位于触摸面板控制器或定时信号发生器中，或者它们可以位于另一个子系统如复用器中。
图15示出图14的复用器的实施例，其中使用TFT实现开关。使用不同实施方式的许多其他实施例也都可以。连接线1501可以连接到触摸数据线911(或1011)，连接线1502可以连接到触摸数据线912(或1012)，并且连接线1503可以连接到触摸数据线913(或1013)。由控制信号C1A控制的第一TFT 1504可以将第一连接线1501连接到触摸面板控制器1500的第一驱动线D1。由控制信号C1B控制的第二TFT 1505可以将第一连接线1501连接到触摸面板控制器1500的第一感测线S1。由控制信号C1C控制的第三TFT 1506可以将第一连接线1501连接到地1512或另一个DC电压。由控制信号C2A控制的第四TFT 1507可以将第二连接线1502连接到触摸面板控制器1500的第二驱动线D2。由控制信号C2B控制的第五TFT 1508可以将第二连接线1502连接到触摸面板控制器1500的第二感测线S2。由控制信号C3A控制的第六TFT 1509可以将第三连接线1503连接到触摸面板控制器1500的第三驱动线D3。由控制信号C3B控制的第七TFT 1510可以将第三连接线1503连接到触摸面板控制器1500的第三感测线S3。由控制信号C3C控制的第八TFT 1511可以将第三连接线1503连接到地1512或者另一个DC电压。
图16示出时序图，包括控制信号C1A和C3A(1600)、C1B和C3B(1601)、C1C和C3C(1602)、C2A(1603)和C2B(1604)，它们可以应用于图15的复用器。图16还示出控制信号SELB(1605)，其可应用于图10的公共栅极控制线1018。图16还示出控制信号SEL(1606)，其可以应用于图10的公共栅极控制线1017。作为选择，控制信号SELB(1605)可应用于图9的栅极控制线903、906和909，控制信号SEL(1606)可应用于图9的栅极控制线902、905和908。控制信号1600、1601、1602、1603、1604、1605和1606在给定时间可以是高或低。高控制信号对应于高电压，例如3V或5V或10V或20V或30V或另一个高电压。低控制信号对应于低电压，例如0V或-5V或另一个低电压。
在第一时间段1610期间，控制信号C1A和C3A(1600)是低，断开TFT 1504和1509；控制信号C1B和C3B(1601)是低，断开TFT 1505和1510；控制信号C1C和C3C(1602)是高，导通TFT 1506和1511；控制信号C2A(1603)是高，导通TFT 1507；控制信号C2B(1604)是低，断开TFT 1508；控制信号SELB(1605)是高，导通TFT 1001b；并且控制信号SEL(1606)是低，断开TFT 1001a。电极A、B和C因此通过TFT 1001b连接到触摸数据线1004和1011，并且因此通过TFT 1506连接到地1512。电极D、E和F通过TFT 1001b连接到触摸数据线1007和1012，并且因此通过TFT 1507连接到驱动线D2。电极G、H和I通过TFT 1001b连接到触摸数据线1010和1013，并且因此通过TFT 1511连接到地1512。
在第二时间段1611期间，控制信号C1A和C3A(1600)是低，断开TFT 1504和1509；控制信号C1B和C3B(1601)是低，断开TFT 1505和1510；控制信号C1C和C3C(1602)是高，导通TFT 1506和1511；控制信号C2A(1603)是低，断开TFT 1507；控制信号C2B(1604)是高，导通TFT 1508；控制信号SELB(1605)是低，断开TFT 1001b；并且控制信号SEL(1606)是高，导通TFT 1001a。因此电极A、D和G通过TFT 1001a连接到触摸数据线1011，并且因此通过TFT1506连接到地1512。电极B、E和H通过TFT 1001a连接到触摸数据线1012，并且因此通过TFT1508连接到感测线S2。电极C、F和I通过TFT 1001a连接到触摸数据线1013，并且因此通过TFT 1511连接到地1512。
在第三时间段1612期间，控制信号C1A和C3A(1600)是高，导通TFT1504和1509；控制信号C1B和C3B(1601)是低，断开TFT 1505和1510；控制信号C1C和C3C(1602)是低，断开TFT 1506和1511；控制信号C2A(1603)是高，导通TFT 1507；控制信号C2B(1604)是低，断开TFT 1508；控制信号SELB(1605)是高，导通TFT 1001b；并且控制信号SEL(1606)是低，断开TFT 1001a。电极A、B和C因此通过TFT 1001b连接到触摸数据线1004和1011，并且因此通过TFT 1504连接到驱动线D1。电极D、E和F通过TFT 1001b连接到触摸数据线1007和1012，并且因此通过TFT 1507连接到驱动线D2。电极G、H和I通过TFT 1001b连接到触摸数据线1010和1013，并且因此通过TFT 1509连接到驱动线D3。
在第四时间段1613期间，控制信号C1A和C3A(1600)是低，断开TFT 1504和1509；控制信号C1B和C3B(1601)是高，导通TFT 1505和1510；控制信号C1C和C3C(1602)是低，断开TFT 1506和1511；控制信号C2A(1603)是低，断开TFT 1507；控制信号C2B(1604)是高，导通TFT 1508；控制信号SELB(1605)是低，断开TFT 1001b；并且控制信号SEL(1606)是高，导通TFT 1001a。因此电极A、D和G通过TFT 1001a连接到触摸数据线1011，并且因此通过TFT1505连接到感测线S1。电极B、E和H通过TFT 1001a连接到触摸数据线1012，并且因此通过TFT 1508连接到感测线S2。电极C、F和I通过TFT 1001a连接到触摸数据线1013，并且因此通过TFT 1510连接到感测线S3。
在第一时间段1610和第三时间段1612期间，触摸面板控制器可以在驱动线D1、D2和D3上产生驱动信号。因此(通过TFT)连接到每个驱动线的电极被充电到相应的电压。在第二时间段1611和第四时间段1613期间，触摸面板控制器可以测量对感测线S1、S2和S3的输入。这可以包括测量在(通过TFT)连接到每个感测线的电极上存储的电荷。在第一时间段1610和第二时间段1611期间，被驱动电极(D、E和F)与接地电极(A、B、C、G、H和I)相邻。因此存储在每个被驱动电极上的电荷是由电极的与相邻的接地电极的“互电容”和电极的与可能存在于附近的诸如手指或触笔的导电输入物体的“自电容”来确定。在第三时间段1612和第四时间段1613期间，被驱动电极(A、B、C、D、E、F、G、H和I)不与接地电极相邻。因此存储在每个被驱动电极上的电荷主要由电极的与可能存在于附近的诸如手指或触笔的导电输入物体的“自电容”来确定。这样，就可以测量每个电极的自电容以及互电容与自电容之和。这些值之间的差异可用来计算互电容，并因此可用来确定物体是导电的还是不导电的，并且可用来启用其他特性，如题为“Capacitive Touch Sensing With Conductivity TypeDetermination”的本申请人的共同拥有的发明中所述，其具有与本申请相应的提交日期，并且其全部内容通过引用并入本文。
触摸面板控制器可以执行用于测量每个电极的自电容的几个驱动和感测操作的序列，以及用于测量每个电极的互电容和自电容之和的几个驱动和感测操作的序列。在图13中产生的控制信号可以被重复，以使得能够进行大量的类似测量。如果用于每种类型的测量的驱动信号D1、D2和D3被选择形成正交代码，则可以由触摸面板控制器解码该测量序列，以使用WO2017056900A1中所公开的方法确定在九个电极1000中的每个上存储的电荷。这些电荷测量对应于每个电极的自电容，或者对应于自电容和互电容之和，并且这些电容测量允许确定诸如手指或无源触笔等导电物体和/或非导电物体的一个或多个触摸的位置。
图16示出驱动信号D1(1607)、D2(1608)和D3(1609)，它们分别由代码M1(k)、M2(k)和M3(k)描述，其中k可以是1和n之间的正整数，其中n是驱动代码的总长度。这些代码可以被选择为使得它们完全或部分正交。相同的驱动代码值可用于如图16中所示的时间段1610和1611中进行的测量以及时间段1612和1613中进行的测量。作为选择，不同的驱动代码可以用于不同类型的测量。
驱动信号D1、D2和D3可以取两个电压之一，并且在由驱动代码确定的那些电压之间切换。例如，它们可以在-1V和+1V之间切换，或者在0V和3V之间切换。可以使用许多其他电压。
本发明还有使用触摸数据信号和控制信号的不同复用和/或定时的许多其他可行的实施例。
图12的TFT 1204、1205、1206、1207、1208、1209和图15的1504、1505、1506、1507、1508、1509、1510和1511可以在具有集成触摸面板的显示器的下边框区域中实现。TFT 901和1001可以作为分布式TFT在显示器有源区域内实现，如GB2542854A中所述。这些TFT可以使用标准的制造工艺来实现，这些工艺也可以用来制造形成显示电路的一部分的TFT。
图17示出驱动信号发生器、电荷放大器和开关，它们可由触摸面板控制器用来测量一个或多个触摸面板电极上的电荷。本文所描述的放大器电路被提供为使用本领域公知的电荷转移技术的电容测量电路的例子。作为选择，还可以使用其他已知的电容测量电路和技术。驱动信号发生器1700在驱动阶段期间向一个或多个有源电极提供驱动电压脉冲。这导致电荷存储在作为有源电极和地之间的电容的电容器1701上。电荷放大器电路1702随后在感测阶段期间测量存储在电容器1701上的电荷。这种电荷放大器电路1702是本领域技术人员熟知的，并且通常包括运算放大器1703、集成电容器1704和复位开关1705。
该系统还具有第一输入开关1706和第二输入开关1707，它们允许有源电极连接到驱动信号发生器1700或电荷放大器1702。这些开关可以是复用器电路的一部分，如图11、图12、图14和图15所示的实施例。输出电压VOUT与电容器1701的电容成正比，该电容是有源电极与地的电容。
现在参照图18的波形图来描述图17所示的电容测量电路的操作。复位开关1705首先在复位开关控制信号RST的控制下闭合，使得输出电压VOUT在已知电压开始，如系统接地电位。第一输入开关1706也在第一输入开关控制信号SW1的控制下闭合。电压脉冲发生器1700然后将有源电极的电压提高到高电压电平，导致电荷存储在电容器1701上。接着，在第二输入开关控制信号SW2的控制下第一输入开关1706断开，第二输入开关1707闭合。然后电容器1701上的电荷放电到电荷放大器1702中，导致输出电压VOUT上升。可以使用模拟数字转换器来测量电荷放大器1702的最终输出电压，以产生与所测电容相对应的数字表示。
图19示出有源矩阵触摸传感器面板1900的实施例，其长度L大于其宽度W。图19示出多个水平触摸数据线1901、1902、1903、1904、1905、1906、1907、1908和垂直触摸数据线1909、1910、1911、1912、1913、1914、1915、1916、1917、1918、1919和1920，以及将某些水平触摸数据线连接到某些垂直触摸数据线的通孔。水平触摸数据线1901连接到垂直触摸数据线1915。水平触摸数据线1902连接到垂直触摸数据线1914。水平触摸数据线1903连接到垂直触摸数据线1916，等等。触摸数据线通过面板的下边缘铺设到复用器和/或触摸面板控制器。TFT可以形成在下边框区域中以执行复用功能。相对于许多其他可行的配置，这种连接模式减少了在有源区域中在任何电极和触摸面板控制器之间铺设的水平和垂直触摸面板数据线的最大总长度。因此，这降低了触摸面板电极的最大RC时间常数。
本发明的一个方面是一种电容感测阵列，其包括：电极阵列；在第一方向上布置的第一导电数据线和在不同于第一方向的第二方向上布置的第二导电数据线；第一开关元件，其配置为将每个电极连接到在第一方向上的第一导线；以及第二开关元件，其配置为将每个电极连接到在第二方向上的第二导线；和控制线，其连接到第一和第二开关元件。在第一方向上的每个第一导电数据线和第二方向上的第二导电数据线之间存在电连接，使得第一方向上的每个第一导线连接到第二方向上的至少一个第二导线。该电容感测阵列可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。
在该电容感测阵列的示例性实施例中，连接到开关元件的控制线的子集通过公共控制线连接在一起。
在该电容感测阵列的示例性实施例中，存在两个公共控制线。
在该电容感测阵列的示例性实施例中，设置有复用开关，所述复用开关将布置在第二方向上的第二导电数据线连接到触摸面板控制器的驱动和感测连接处。
在该电容感测阵列的示例性实施例中，复用开关还将布置在第二方向上的第二导电数据线连接到另一个电压。
在该电容感测阵列的示例性实施例中，所述另一个电压包括地电压或另一固定DC电压。
在该电容感测阵列的示例性实施例中，复用开关包括薄膜晶体管(TFT)。
在该电容感测阵列的示例性实施例中，所述TFT位于有源矩阵触摸传感器面板的下边框区域中。
在该电容感测阵列的示例性实施例中，复用开关包括CMOS晶体管。
在该电容感测阵列的示例性实施例中，所述CMOS晶体管位于触摸面板控制器内。
本发明的另一方面是一种触摸面板显示设备，其包括：电容感测阵列，该电容感测阵列被实现为与显示器集成的有源矩阵触摸传感器面板；并且其中电极阵列由显示器的VCOM电极形成，并且第一和第二开关元件中的每一个包括一个或多个TFT。该触摸面板显示设备可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。
在该触摸面板显示设备的示例性实施例中，所述一个或多个TFT分布在显示器的有源区域内。
在该触摸面板显示设备的示例性实施例中，所述设备还包括触摸面板控制器，所述触摸面板控制器配置为在第一时间段期间将驱动信号施加到在第二方向上布置的第二导电数据线中的一个或多个，并且在第二时间段期间测量在所述一个或多个第二导电数据线上的信号。
在该触摸面板显示设备的示例性实施例中，控制器配置为测量包括电荷或电流测量的信号。
在该触摸面板显示设备的示例性实施例中，该设备还包括控制信号发生器，该控制信号发生器配置为将控制信号施加到控制线，使得电极要在第一时间段期间连接到在第一方向上的第一导电数据线，并且要在第二时间段期间连接到在第二方向上的第二导电数据线。
在该触摸面板显示设备的示例性实施例中，驱动信号形成完全或部分正交代码。
在该触摸面板显示设备的示例性实施例中，该触摸面板控制器配置为测量电极阵列中的每个电极的自电容。
在该触摸面板显示设备的示例性实施例中，电极阵列的一部分电极连接到地或固定电位，而电极阵列的其他电极是有源电极，所述有源电极被驱动和感测以测量有源电极的组合的互电容和自电容。
在该触摸面板显示设备的示例性实施例中，第一方向上的第一导电数据线被操作以驱动电极阵列，并且第二方向上的第二导电数据线被操作以感测电极阵列。
尽管已经关于某个或某些实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员在阅读并理解了本说明书和附图时可以想到等同的替换和修改。特别是关于由上述元件(部件、组件、设备、组合物等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行所描述的元件的指定功能的任何元件(即，功能上等同)，尽管在结构上不等同于在本发明的示例性的一个或多个实施例中执行功能的所公开的结构。另外，虽然上面仅针对若干实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但是如果对于任何给定的或特定的实施例可以是期望的和有利的，这样的特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合。
工业实用性
本发明涉及电容感测阵列。特别地，本发明涉及电容型触摸面板。这种电容型触摸面板设备可以应用于一系列消费电子产品中，例如包括移动电话、平板电脑和台式电脑、电子书阅读器和数字标牌产品。

Claims (19)

1.一种电容感测阵列，包括：
电极阵列；
在第一方向上布置的第一导电数据线和在不同于所述第一方向的第二方向上布置的第二导电数据线；
第一开关元件，其配置为将每个电极连接到在所述第一方向上的第一导电数据线；以及第二开关元件，其配置为将每个电极连接到在所述第二方向上的第二导电数据线；和
控制线，其连接到所述第一开关元件和所述第二开关元件；
其中在所述第一方向上的每个第一导电数据线和所述第二方向上的第二导电数据线之间存在电连接，使得第一方向上的每个第一导电数据线连接到第二方向上的至少一个第二导电数据线。
2.根据权利要求1所述的电容感测阵列，其中连接到所述开关元件的所述控制线的子集通过公共控制线连接在一起。
3.根据权利要求2所述的电容感测阵列，其中存在两条公共控制线。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电容感测阵列，其中设置有复用开关，所述复用开关将布置在所述第二方向上的所述第二导电数据线连接到触摸面板控制器的驱动和感测连接处。
5.根据权利要求4所述的电容感测阵列，其中所述复用开关还将布置在所述第二方向上的所述第二导电数据线连接到另一个电压。
6.根据权利要求5所述的电容感测阵列，其中所述另一个电压包括地电压或另一个固定DC电压。
7.根据权利要求4所述的电容感测阵列，其中所述复用开关包括薄膜晶体管TFT。
8.根据权利要求7所述的电容感测阵列，其中所述TFT位于有源矩阵触摸传感器面板的下边框区域中。
9.根据权利要求4所述的电容感测阵列，其中所述复用开关包括CMOS晶体管。
10.根据权利要求9所述的电容感测阵列，其中所述CMOS晶体管位于触摸面板控制器内。
11.一种触摸面板显示设备，包括：
根据权利要求1-10中任一项所述的电容感测阵列，其中所述电容感测阵列被实现为与显示器集成的有源矩阵触摸传感器面板；并且
其中所述电极阵列由所述显示器的VCOM电极形成，并且所述第一开关元件和所述第二开关元件中的每一个包括一个或多个TFT。
12.根据权利要求11所述的触摸面板显示设备，其中所述一个或多个TFT分布在所述显示器的有源区域内。
13.根据权利要求11-12中任一项所述的触摸面板显示设备，还包括：触摸面板控制器，所述触摸面板控制器配置为在第一时间段期间将驱动信号施加到在所述第二方向上布置的所述第二导电数据线中的一个或多个，并且在第二时间段期间测量在所述一个或多个第二导电数据线上的信号。
14.根据权利要求13所述的触摸面板显示设备，其中所述控制器配置为测量包括电荷或电流测量的信号。
15.根据权利要求13所述的触摸面板显示设备，还包括控制信号发生器，所述控制信号发生器配置为将控制信号施加到控制线，使得所述电极在所述第一时间段期间连接到在所述第一方向上的所述第一导电数据线，并且在所述第二时间段期间连接到在所述第二方向上的所述第二导电数据线。
16.根据权利要求13所述的触摸面板显示设备，其中所述驱动信号形成完全或部分正交代码。
17.根据权利要求13所述的触摸面板显示设备，其中所述触摸面板控制器配置为测量所述电极阵列中的每个电极的自电容。
18.根据权利要求11所述的触摸面板显示设备，其中所述电极阵列的一部分电极连接到地或固定电位，而所述电极阵列的其他电极是有源电极，所述有源电极被驱动和感测以测量所述有源电极的组合的互电容和自电容。
19.根据权利要求11所述的触摸面板显示设备，其中所述第一方向上的所述第一导电数据线被操作以驱动所述电极阵列，并且所述第二方向上的所述第二导电数据线被操作以感测所述电极阵列。
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