CN101644587B - 传感器元件、感光矩阵、触控面板及触控感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一态样是在提供一种触控面板，包含多个主动式像素传感器，其排列方式为距阵，以感测触碰事件。每一个传感器元件包含感光元件，与单一放大器耦接。传感器元件是配置用以提供感测电压，用来表示在感光周期由光传感器所接收到的亮度级。放大器将感测电压在感光周期中放大为输出电压。在感光周期之后，输出电压与感测电压被重置为预定电压电位。在重置周期之后，使光传感器及放大器失能而让感测电位降至预定电压电位之下。

Description

传感器元件、感光矩阵、触控面板及触控感测方法
技术领域
本发明是有关于一种触控传感器距阵，且特别是有关于一种主动式像素传感器元件及应用其的感光矩阵、触控面板及触控感测方法。
背景技术
随着低温多晶硅(low temperature poly-silicon，LTPS)技术渐趋成熟，其对于使用低温多晶硅技术将触控传感器与驱动电路一起制作于玻璃基板上有所裨益。主动式像素传感器(active pixel sensor，APS)顾名思义不同于被动式像素传感器(passive pixel sensor，PPS)，其原因在于主动式像素传感器中的传感器元件具有主动式放大器，像是薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)，其用以放大光传感器所侦测到的感测信号。如此一来，主动式像素传感器的信杂比(SNR)便可大大地提升。主动式像素传感器相较于被动式像素传感器最大的缺点在于，主动式像素传感器的每一个感测元件含有较多的电子元件，使得感测元件的尺寸难以再被缩小。
由此可知，需要一种制造主动式像素传感器的方法，其中的传感器元件含有较少的电子元件数目。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种触控面板，其包含以距阵形式配置的多个主动式像素传感器，用以感测触碰事件。每一个传感器元件包含与单一放大器耦接的感光元件。传感器元件是配置用以提供感测电压，用来表示在感光周期时光传感器所接收到的亮度级。放大器在感光周期中将感测电压放大为输出电压。在感光周期之后，输出电压与感测电压被重置为预定电压电位。在重置周期之后，使光传感器及放大器失能而让感测电位降至预定电压电位之下。
因此，本发明第一态样便是在触控面板中使用的传感器元件。传感器元件包含放大器以及感光元件。放大器具有第一放大器端、第二放大器端和控制端。第一放大器端连接至第一电压源，第二放大器端操作性地连接至电压输出，其中第二放大器端是设定用以连接至电流源。感光元件具有第一元件端以及第二元件端。第一元件端操作性地连接至第一电压源，而第二元件端操作性地连接至放大器的控制端，其中电压输出操作性地连接至重置元件，以将电压输出重置到预定的重置电压。传感器元件还包含第一切换元件，连接于第二元件端与第二放大器端之间，第一切换元件能够在导通状态和非导通状态运作，以达到切换功能。重置元件包含第二切换元件，能够在导通状态和非导通状态运作，使得当第一切换元件在导通状态运作时，第二切换元件亦在导通状态运作。举例来说，放大器可以为晶体管。
依据本发明的多个实施例，传感器元件还包含电容，连接于感光元件的第一元件端和第二元件端之间。其中感光元件包含光二极管以及电容，光二极管连接于第一元件端和第二元件端之间，电容与光二极管并联相接。
本发明第二态样是触控面板，其具有多个如上所述的传感器元件。触控面板具有多个来自传感器元件的电压输出。电压输出被传送至感测电路量测，以判断触碰事件所发生的位置。
依据本发明的技术手段，感测电路具有量测装置以量测每一传感器元件的电压输出。
本发明第三态样是触控感测的方法，包含：
配置多个传感器元件于触控面板中；
提供光传感器于每一传感器元件中，光传感器是配置用以提供感测电压，用来表示在感光周期由光传感器所接收到的亮度级；
放大传感器元件的感测电压以提供输出电压，用以表示感光周期中的感测电压；以及
在感光周期后的重置周期中，重置输出电压至预定电压电位。
依据本发明的多个实施例，此触控感测方法更包含在重置周期间重置感测电压至预定电压电位。
依据本发明的多个实施例，此触控感测方法更包含在重置周期后的断开周期中，使光传感器失能而让感测电压降至预定电压电位之下。
本发明第四态样是整合式触控面板，其中触控感测元件提供在显示面板上。在显示面板(包含由像素行与像素列所构成的像素距阵并使用多个栅极线信号以控制像素列)中，将一些栅极线信号做为触控面板中不同列的感测元件的电压供应信号是可行的。
配合叙述以及图1至图6b，能使本发明的目的与优点更为明显易懂。
附图说明
图1绘示依照本发明的一种主动式像素传感器的整体配置图；
图2a绘示依照本发明一实施方式的一种主动式像素传感器中传感器元件的电子元件图；
图2b绘示依照本发明另一实施方式的一种主动式像素传感器中传感器元件的电子元件图，其连接至一不同的电流源；
图3绘示依照本发明一实施方式的一种传感器分区图，具有一距阵的传感器元件；
图4绘示传感器元件中不同信号电位的时序图；
图5依照本发明一实施方式，绘示触控面板中不同信号的时序；
图6a绘示依照本发明一实施方式的一整合式触控屏幕，具有多个主动式像素传感器；
图6b绘示依照本发明另一实施方式的一整合式触控屏幕，具有多个主动式像素传感器。
其中，附图标记为：
10：传感器区域
20：传感器元件
22：光传感器
24：电容
26：放大器
28：切换元件
40：外部电流源
42：电容
100：触控屏幕
110：像素
200：感测电路
D：漏极
G：栅极
S：源极
具体实施方式
根据本发明一实施方式，主动式像素传感器如图1所示，可分成三个区域：传感器区域、感测电路区域以及控制区域。传感器区域包含传感器元件距阵(如图3所示)以侦测传感器区域上的光分布。来自传感器距阵的感测信号被传送至感测电路区域以进行处理。控制区域例如可用以控制将感测信号由传感器距阵传送至感测电路区域、重置感测元件以及控制感测元件的供应电压。传感器区域、感测电路区域以及控制区域可在单一基板上制造成集成电路。例如，部份或全部的集成电路可使用低温多晶硅(low temperature poly-silicon，LTPS)而制造在玻璃基板上。然而，主动式像素传感器可以使用不同的材料并在不同基板上制造。
在显示面板中，例如液晶显示器(liquid crystal display，LCD)或发光二极管(light-emitting diode，LED)显示器，将传感器区域整合至显示面板上是可行的一种态样。
本发明主要是有关于传感器区域，且特别是有关于传感器元件中的电子元件和电子电路。
请参照图3，传感器区域10包含一传感器元件20距阵，连接至控制区域不同的电压供应线和重置信号线(如图1所示)。如图3所示，每一列传感器元件20是由分开的电压供应信号VDDn和重置信号RSTn所驱动，且每一行传感器元件20连接至一条输出线VOUTm，以由传感器元件20提供输出电压至感测电路200。
根据本发明一实施方式，如图2a和图2b所示，传感器元件20包含光传感器22、电容24、放大器26以及切换元件28。放大器26例如可为单一晶体管Msf。光传感器22例如可为光电二极管，与电容24电性并联相接。光传感器22的一端电性连接至电压电位VDD1的供应电压，此电压电位较佳地为可变。当传感器元件20被选择用以感测时，则VDD1处于高电压，当传感器元件20不被选择用以感测时，则VDD1处于低电压(请参考图4)。光传感器22的另一端连接至晶体管Msf的栅极，其中此晶体管Msf被用做主动式放大器，以放大在感测点Vps的感光信号。放大器26例如可为源极随耦器或共漏极放大器，但若是使用电压双极接面晶体管(bipolar-junction transistor，BJT)作为放大器的话，则放大器可处于共集极组态。在Vps的光漏电压信号经由放大器26放大之后，此放大信号输出作为Vout。如图2a所示，Vout连接至外部电流源40，外部电流源40连接至电压电位VSS1。输出电压Vout可利用重置信号RSTA，经由外部切换元件SA重置至电压电位VRST。Vps的电压电位亦可利用重置信号RST1，经由切换元件28重置至电压电位VRST，其中重置信号RST在一较佳实施例中与重置信号RSTA同步。
图2b绘示本发明另一实施方式，其中电流源包含电容42，与切换元件SA并联相接，使得输出电压Vout以及Vps的电压电位被重置至同样的重置电位VRST。
图4绘示感测元件(请参阅图2a和图2b)的运作原理。如图4所示，VDD1具有两个电压电位，分别为高电压电位Vgh和低电压电位Vgl。当VDD1位于低电压电位Vgl时，放大器26关闭。当VDD1位于高电压电位Vgh时，放大器26在感测周期(图4中的周期1～2)间放大感测信号Vps。在周期I～II时，输出电压Vout大致上随Vps增加。感测信号Vps的振幅代表光传感器22所收到的光强度。当传感器元件20被触碰时，感测信号Vps和输出电压Vout会减少或改变。因此，透过输出电压Vout便能够感测到触碰事件。
在周期II～III时，重置电压RST1和RSTA处于高电位，使得切换元件28和SA关闭(处于导通状态)，输出电压Vout以及信号Vps皆等于VRST。在周期III～IV时，信号RSTA和RST1被关闭，输出电压Vout和信号Vps可能会轻微地改变。在时间点IV时，VDD1被切换至低电压电位Vgl，信号Vps的电位降至VRST-(Vgh-Vgl)。从时间点IV开始到VDD1再度处于高电位之前，信号Vps随之缓慢地增加但其电位不会超过Vgl。
如图2a和图2b所示，输出电压Vout在感测电路区域中(如图1所示)，被特殊应用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)读为信号VOUT1。
根据本发明多个实施方式，VDD1是周期性地运作为高电位Vgh和低电位Vgl。当电压电位VDD1为低电位时，放大器26是处在未导通状态。同时，切换元件28亦处于未导通状态，使得感测点Vps与输出Vout电性隔绝开来。如此一来，传感器元件的输出不太可能干扰到距阵中的其它传感器元件。
供应电压VDD1和重置信号RST1的时序与其它相关的供应电压和重置信号的关系如图5所示。图5绘示用于具有n列传感器元件的触控面板的电压供应信号与重置信号的时序图。为了透过扫描传感器元件中任一行的n个传感器元件的输出信号，以监控触控面板上的触碰事件，因此需要分别提供n个电压供应信号VDD1、VDD2、VDD3、...、VDDn至每一列传感器元件。两个相邻VDD1信号的时间间隔必须够长，使得在提供下一个VDD1信号之前，可先安排好所有的VDD2、VDD3、...、VDDn信号。如图5所示，两个相邻的电压供应信号(VDD1、VDD2)、(VDD2、VDD3)、...、(VDDn、VDD1)之间没有时间的重叠。如此一来，传感器元件任一行的读出电压输出VOUTm便可以清楚地显示传感器元件每一列电压输出的电位。
总而言之，本发明一实施例提供触控屏幕，其具有包含多个传感器元件20的传感器区域。每一个传感器元件20包含放大器26(Msf)和感光元件22。放大器26具有第一放大器端(S)、第二放大器端(D)和控制端(G)，第一放大器端连接至第一电压源(VDD1)，第二放大器端操作性地连接至电压输出(Vout)，其中第二放大器端是设定用以连接至电流源40。感光元件22具有第一元件端操作性地连接至第一电压源(VDD1)，以及第二元件端(Vps)操作性地连接至放大器的控制端，其中电压输出操作性地连接至重置元件(SA)，以将电压输出重置到预定的重置电压(VRST)。传感器元件还包含第一切换元件28，连接在第二元件端(Vout)以及第二放大器端(Vps)之间，且此切换元件能够在导通状态和非导通状态运作。
根据本发明不同实施方式，重置元件(SA)包含第二切换元件，能够在导通状态和非导通状态运作，当第一切换元件28在导通状态操作时，第二切换元件亦在导通状态时操作。
根据本发明不同实施方式，放大器26包含晶体管，此晶体管包含源极端、漏极端和栅极端，其中第一放大器端操作性地连接至源极端，第二放大器端操作性地连接至漏极端，而控制端操作性地连接至栅极端。
根据本发明不同实施方式，传感器元件还包含电容，连接在感光元件的第一元件端与第二元件端之间，其中感光元件包含光电二极管，连接在第一元件端与第二元件端之间，且电容与光电二极管并联相接。
值得注意的是，传感器区域(如图1所示)可被使用在触控面板的触控屏幕中，或是使用在整合至显示面板的触控屏幕中。如同图6a所示，触控屏幕100与显示面板整合。显示面板含有一像素110距阵，由多条栅极线G_1、G_2、....及多条数据线D_1、D_3、...所驱动。触控屏幕的输出电压Vout1、Vout2、...被传送至感测电路200。
值得注意的是，触控面板的电压供应信号VDD1、VDD2、...亦是非重叠的(请见图5)，且显示面板的栅极线信号G_1、G_2、...亦是非重叠的。因此，如图6b所示，可使用显示面板的栅极线信号做为触控面板的供应电压信号。举例来说，栅极线信号G_1可做为VDD1，栅极线G_N+1做为VDD2，G_2N+1可做为VDD3...等等。使用哪一级的栅极信号来做为触控面板的供应电压信号取决于显示面板的像素分辨率相对于触控面板上传感器元件的配置，例如N可以小到1。
本发明亦提供触控感测的方法，包含
配置多个传感器元件于触控面板中；
提供光传感器于每一传感器元件中，光传感器是配置用以提供感测电压，用来表示在感光周期由光传感器所接收到的亮度级；
放大传感器元件的感测电压以提供输出电压，用以表示感光周期中的感测电压；以及
在感光周期后的重置周期间，重置输出电压至预定电压电位。
根据本发明多个实施方式，此方法更包含在重置周期中，重置感测电压至预定电压电位。
根据本发明多个实施方式，此方法更包含在重置周期后的断开周期中，使光传感器失能而让感测电压降至预定电压电位之下。
根据本发明多个实施方式，其中传感器元件是以一距阵形式配置于触控面板的多个位置，触控感测方法更包含：
量测每一传感器元件的输出电压，以提供多个量测电压；以及
比较量测电压，以判断触控面板的触控位置。
虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (18)

1.一种传感器元件，其特征在于，包含：
一放大器，具有一第一放大器端、一第二放大器端和一控制端，该第一放大器端连接至一第一电压源，该第二放大器端操作性地连接至一电压输出，其中该第二放大器端是设定用以连接至一电流源；以及
一感光元件，具有一第一元件端以及一第二元件端，该第一元件端操作性地连接至该第一电压源，该第二元件端操作性地连接至该放大器的该控制端，其中该电压输出操作性地连接至一重置元件以将该电压输出重置到一预定的重置电压。
2.如权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，还包含：
一第一切换元件，连接于该第二元件端与该第二放大器端之间，该第一切换元件能够在一导通状态和一非导通状态运作。
3.如权利要求2所述的传感器元件，其特征在于，该重置元件包含一第二切换元件，能够在另一导通状态和另一非导通状态运作，使得当该第一切换元件在该导通状态运作时，该第二切换元件亦在该另一导通状态运作。
4.如权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，该放大器包含一晶体管，该晶体管包含一源极、一漏极以及一栅极，其中该第一放大器端操作性地连接至该源极，该第二放大器端操作性地连接至该漏极，而该控制端操作性地连接至该栅极。
5.如权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，该感光元件包含：
一电容，连接于该感光元件的该第一元件端和该第二元件端之间。
6.如权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，该感光元件包含一光电二极管以及一电容，该光电二极管连接于该第一元件端和该第二元件端之间，该电容与该光电二极管并联相接。
7.一感光矩阵，包含多个如权利要求2所述的传感器元件，其特征在于，该多个传感器元件配置于多个列上，每一列是设定用以接收一列选择信号以使该切换元件在一导通状态下运作。
8.一触控面板，其特征在于，包含：
一传感器区域，包含多个传感器元件；
一控制区域；以及
一感测电路区域，其中该多个传感器元件中的每一个包含：
一放大器，具有一第一放大器端、一第二放大器端和一控制端，该第一放大器端连接至由该控制区域而来的一第一电压源，该第二放大器端操作性地连接至一电压输出，其中该第二放大器端是设定用以连接至该感测电路区域中的一电流源；以及
一感光元件，具有一第一元件端以及一第二元件端，该第一元件端操作性地连接至该第一电压源，该第二元件端操作性地连接至该放大器的该控制端，其中该电压输出操作性地连接至一重置元件以将该电压输出重置到一预定的重置电压。
9.如权利要求8所述的触控面板，其特征在于，该多个传感器元件中的每一个还包含：
一第一切换元件，连接于该第二元件端与该第二放大器端之间，该第一切换元件能够在一导通状态和一非导通状态运作。
10.如权利要求9所述的触控面板，其特征在于，该重置元件包含一第二切换元件，能够在另一导通状态和另一非导通状态运作，使得当该第一切换元件在该导通状态运作时，该第二切换元件亦在该另一导通状态运作。
11.如权利要求8所述的触控面板，其特征在于，该感测电路区域包含一量测装置，用以量测该多个传感器元件中的每一个的该电压输出。
12.如权利要求8所述的触控面板，其特征在于，该多个传感器元件配置于多个列上，且该控制区域是设定用以提供多条电压供应线予该多个列上的该多个传感器元件，该多条电压供应线中的每一条具有一不同的电压供应信号，以提供该第一电压源予该多个列中一不同列上的该多个传感器元件。
13.如权利要求12所述的触控面板，其特征在于，该多条电压供应线中的一条的该电压供应信号不与该多条电压供应线中的另一条的该电压供应信号重叠。
14.如权利要求8所述的触控面板，其特征在于，该多个传感器元件配置于多个列上，该触控面板更包含多个显示像素以及多条栅极线，该多个显示像素配置于多个像素列上，该多条栅极线用以分别提供控制信号至该多个像素列，其中该多条栅极线中的一或多条用以提供该第一电压源予该多个列中的一或多条上的该多个传感器元件。
15.一种触控感测的方法，其特征在于，包含：
配置多个传感器元件于一触控面板中；
提供一光传感器于该多个传感器元件中的每一个，该光传感器是配置用以提供一感测电压，用来表示在一感光周期由该光传感器所接收到的一亮度级；
放大该传感器元件的该感测电压以提供一输出电压，用以表示该感光周期中的该感测电压；以及
在感光周期后的一重置周期间，重置该输出电压至一预定电压电位。
16.如权利要求15所述的触控感测的方法，其特征在于，还包含：
在该重置周期间重置该感测电压至该预定电压电位。
17.如权利要求16所述的触控感测的方法，其特征在于，还包含：
在该重置周期后的一断开周期间，使该光传感器失能而让该感测电压降至该预定电压电位之下。
18.如权利要求15所述的触控感测的方法，其特征在于，该多个传感器元件以一矩阵形式配置于该触控面板的多个位置，该触控感测的方法还包含：
量测该多个传感器元件中的每一个的该输出电压，以提供多个量测电压；以及
比较该多个量测电压，以判断该触控面板的一触控位置。
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