CN101726890A - 内嵌电容式感应输入显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内嵌电容式感应输入显示装置，其利用由三个晶体管及传感液晶电容所组成的传感单元来检测触控事件；其中，第一晶体管连接到第一栅极线以及传感液晶电容，并且在第一栅极线的控制之下对传感液晶电容进行充电；以及作为电容电流转换器的第二晶体管和第三晶体管，第二晶体管根据传感液晶电容的第一电极的电压产生输出电流，并且第三晶体管在第二栅极线的控制之下将输出电流经由读出线传送到读出单元，以确定触控事件与位置。这样，即可利用结构简单的读出电路，达到优良的读出准确性，还可广泛应用于各种尺寸的触控面板。

Description

内嵌电容式感应输入显示装置

技术领域

本发明涉及一种触控显示装置，特别涉及一种内嵌(In-Cell)电容式(capacitive type)感应输入显示装置。

背景技术

近年来，触控面板的应用可说是越来越广泛，其工作原理是当手指或触控笔触碰传感器时，会有类比信号输出，由控制器将类比信号转换为电脑可以接受的数字信号后，再经由电脑里的触控驱动程序整合各元件编译，最后由显示卡输出屏幕信号，在屏幕上显示出所触碰的位置。

目前开发的触控面板种类很多，常见者包括电阻式、电容式、音波式、红外线式、内嵌式(In-Cell)等触控面板，其中以内嵌式触控的发展最受瞩目，传统的电阻式或电容式等触控面板都需要额外的面板电路安装在显示面板上；而内嵌式触控面板直接将触控功能集成到显示面板内，而不再需要额外的面板，故具有重量轻、体积小以及高光学性能等优点，因此受到相当的重视。

目前，大部分的内嵌式触控面板都为光学式传感，其经由内嵌在显示面板内的光传感器(photo sensor)去检测在面板上的光强度分布来决定触控位置事件。光传感器可以为薄膜晶体管(TFT)传感器10(例如由Photo TFT和Readout TFT所组成)或是p-i-n二极管12，分别如第1图及第2图所示的电路示意图。然而，此类传感影像的背景会随着使用者使用触控面板的所在位置而改变，使环境光强度影响到光传感器的检测；为克服此问题，读出系统需要会动态自动进行回馈与自我校准的能力，以准确检测触控位置事件，如此来，系统将变得更加复杂化，且到目前为止，仍无有效的解决方案。

再者，另一种内嵌式触控面板为电容式传感，如第3a图所示，其在液晶显示面板上设置有多个传感液晶电容(Cslc)14，每个传感液晶电容14串联参考电容(C_Ref)16，以利用液晶的电容变化来检测触控事件并找出触控位置；其中，此传感液晶电容14的结构请参阅第3b图所示，由上而下依次为上透明衬底141、上金属层142、液晶层143、下金属层144及下透明衬底145等，且上金属层142即为电极层，提供共用电压源(Vcom)。由于这种电容式传感方式与周围环境光无关，所以其读出系统较上述的光学式传感更为简单。然而，此种电容式传感方式却仍然存在些问题，例如，对大尺寸屏幕而言难以制造，这是因为大尺寸屏幕的电容式传感器具有相当大的寄生电容；且因大寄生电容的关系，该电容式传感器仅有一般的准确度，故难以制造高解析度的传感器。

有鉴于此，本发明提出一种新的内嵌电容式感应输入显示装置，以克服上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种内嵌电容式感应输入显示装置，其利用三个晶体管配合传感液晶电容作为高解析度检测单元，除了可内嵌在显示面板内以及具有重量轻、体积小以及高光学性能等优点之外，还可应用于大尺寸触控面板，并具有优良的读出准确性以及电路结构更为简单的读出单元，以有效解决存在于现有技术中的缺点。

为达到上述目的，本发明的内嵌电容式感应输入显示装置包括有多个栅极线，并有多个传感单元分别连接到栅极线，其中，每个传感单元包括传感液晶电容和三个晶体管，第一晶体管连接到第一栅极线及传感液晶电容，并在第一栅极线的控制之下对传感液晶电容进行充电以产生参考电压；第二晶体管连接到传感液晶电容的第一电极，且第三晶体管则连接到第二栅极线与读出线，使第二晶体管可根据传感液晶电容的第一电极的电压产生输出电流到第三晶体管，并且第三晶体管在第二栅极线控制之下将此输出电流传送到读出线，以供读出单元接收，进而据此检测触控事件并找出触控位置。

以下结合附图来详细说明具体实施例，以更容易地了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的效果。

附图说明

图1为公知的薄膜晶体管(TFT)传感器电路示意图；

图2为公知的p-i-n二极管传感器电路示意图；

图3a为公知的内嵌式触控面板的电容式传感电路示意图；

图3b为公知的传感液晶电容的结构示意图；

图4为本发明的单传感电路的电路示意图；

图5为本发明的传感单元的操作时序图；

图6a及第6b图分别为本发明在t1期间的传感电路的电路示意图及栅极信号波形图；

图7a及第7b图分别为本发明在t2期间的传感电路的电路示意图及栅极信号波形图；

图8a及第8b图分别为本发明在t3期间的传感电路的电路示意图及栅极信号波形图；

图9a及第9b图分别为本发明在t4期间的传感电路的电路示意图及栅极信号波形图；

图10为本发明在对应每个传感液晶电容位置的透明衬底上设有突起部的传感液晶电容结构示意图；

图11为本发明在对应每个传感液晶电容位置的彩色滤光片上设有堆叠色阻的液晶电容结构示意图。

具体实施方式

本发明的内嵌电容式感应输入显示装置包括显示单元，显示单元包括由多条数据线和栅极线交叉构成并呈阵列排列的多个像素，以及设置于该显示单元中的多个传感单元；其中，每个显示单元的像素包括像素薄膜晶体管、像素电极、像素电容和储存电容，而每个传感单元则分别电性耦合到读出线以及至少一个显示单元的栅极线，以及包括有传感液晶电容和三个薄膜晶体管，用于传感触控事件。其中，传感单元的个数的多寡则视显示装置所要求的传感解析度而定，总个数可等于或不等于显示单元的像素的总个数，当传感单元的总个数设计等于显示单元的像素的总个数时，优选地，可对应于像素来配置每个传感单元，以下为便于说明，仅以单传感单元的实施例来详细说明本发明的技术特征，并省略显示区的像素结构部分。

如图4所示，每个传感单元20设置在显示单元的相邻两个栅极线(第n-1条及第n条)之间，如图中所示的第一栅极线22及第二栅极线24，使每个传感单元20分别连接第一栅极线22与第二栅极线24；其中，每个传感单元20包括传感液晶电容(Cslc)28及三个薄膜晶体管(TFT)，即第一晶体管(T1)30、第二晶体管(T2)32、第三晶体管(T3)33，第一晶体管30的栅极和漏极连接到第一栅极线22，且源极连接到传感液晶电容28的第一电极，并在第一栅极线22的控制下对该传感液晶电容28进行充电，以在节点P产生一个参考电压(Vp)，节点P的电压基准即等于传感液晶电容28的第一电极的电压基准，而传感液晶电容28的第二电极则连接到第一偏压源Vbias 1；第二晶体管32的栅极分别连接到传感液晶电容28的第一电极与第一晶体管30的源极，第二晶体管32的漏极与源极则分别连接到第三晶体管33的漏极及第二偏压源Vbias 2；且第三晶体管33的栅极和源极分别连接到第二栅极线24及读出线26，使第二晶体管32与第三晶体管33根据该参考电压Vp的电压变化(即该传感液晶电容28的第一电极的电压变化)来控制第二晶体管32的开关程度，并经由第二偏压源Vbias 2产生输出电流到第三晶体管33，最后传输到读出线26；也就是说，该感光单元20的操作原理利用当操作者触压面板时使得传感液晶电容28的电容值产生变化，使得参考电压Vp产生变化，进而将输出电流21通过第二晶体管32对应转换出到第三晶体管33，此第三晶体管33在第二栅极线22的控制下将该输出电流21传输到读出线26，进而将输出电流21传送到读出单元(图中未示)，读出单元则根据该输出电流21的变化，检测及判断出触控位置。第一偏压源Vbias 1与第二偏压源Vbias 2可以耦合到相同电压源或不同电压源，优选地，第一偏压源Vbias 1与第二偏压源Vbias 2可以耦合到显示单元的共用电压源Vcom。

请同时参考图5，其为整个传感单元的操作时序图，由图中可知，整个周期包括有4个期间，t1、t2、t3及t4，在每一个期间，配合栅极线22、24的信号可驱动传感单元20的三个晶体管30、32、33的状态，如下列所示：

在t1期间，第一晶体管为打开，第三晶体管为关闭；

在t2期间，第一晶体管为关闭，第三晶体管为关闭；

在t3期间，第一晶体管为关闭，第三晶体管为打开；以及

在t4期间，第一晶体管为关闭，第三晶体管为关闭。

为了更了解本发明的详细操作过程，以下根据每个期间来进行说明。

如图6a及图6b所示，在t1期间，第一栅极线(N-1)22及第二栅极线(N)24分别变成高电压Vgh及低电压Vgl，使第一晶体管30打开，第三晶体管33关闭，此时，第一栅极线(N-1)22的高电压Vgh通过第一晶体管30对传感液晶电容28进行充电，以在节点P产生一个参考电压Vp。

如图7a及图7b所示，在t2期间，第一栅极线(N-1)22的电压快速由高电压变成低电压Vgl，且第二栅极线(N)24的电压仍保持低电压Vgl，此时，第一栅极线(N-1)22的电压快速由高电压Vgh变为低电压Vgl(如图7b所示)，由于耦合效应，使传感液晶电容28的第一电极端产生电压变化量来控制第二晶体管32的开关而产生输出电流到第三晶体管33；也就是参考电压Vp会下降而产生一个电压变化量ΔVp，其可表示为式(1)所示：

$\mathrm{\Δ}{V}_p=\frac{C_{\mathrm{gs}}}{C_{\mathrm{gs}}+C_{\mathrm{slc}}}\·\mathrm{\Δ}{V}_g---\left(1\right)$

其中，Cslc为传感液晶电容28，Cgs为第一晶体管30的栅极源极电容；另外，当触碰面板产生触控事件时，例如当使用者在面板上按压到对应的传感单元时，该传感液晶电容28将产生变化，也就是Cslc的值将改变，此时根据式(1)可知，ΔVp的值将随之改变；换而言之，当传感液晶电容的电容值改变时，电压变化量ΔVp也会改变，并因此改变第二晶体管32的开启程度，进而改变流向第三晶体管的输出电流21的大小。

如图8a及图8b所示，在t2期间之后，在t3期间，第二栅极线(N)24的电压转换为高电压Vgh，使第三晶体管33打开，此时第二晶体管32及第三晶体管33均打开，输出电流21经由第三晶体管33的控制传输到读出线26，并通过读出单元检测决定出该触控事件。由上述可知，第二晶体管32和第三晶体管33的组合设计，可视为电容电流转换器，将参考电压Vp的变化转换为输出电流变化，以经由第三晶体管33向读出线26输出该输出电流。

最后，如图9a及图9b所示，在t4期间，第一栅极线(N-1)22及第二栅极线(N)24的电压均变成低电压Vgl，此时第一晶体管30及第三晶体管33关闭，直到下一个读出操作开始。

为了使本发明更加最佳化，感应更加精确，在阵列(array)设计时，参考式(1)所示，可将第一晶体管(T1)的栅极源极电容(Cgs)的值设计成略大于或等于该传感液晶电容(Cslc)的值。除此之外，也可在晶元(Cell)设计阶段，传感液晶电容的液晶间隙因触碰造成的变化量与液晶间隙的比值，以形成较小的感应液晶电容的液晶间隙；如图10所示为本发明的传感液晶电容28结构的实施方式，其包括第一透明衬底34与其上的彩色滤光片36及导电电极层38，以及第二透明衬底40与其上的导电电极层42，且第二衬底40由TFT衬底组成，在对应于每个传感液晶电容位置的第一透明衬底34上并且在彩色滤光片36和导电电极层38之间还设有突起部44，使传感液晶电容(Cslc)28的液晶间隙由原本的d变小为S。除了直接设计为上述的突起部44的设计外，也可在对应于每个传感液晶电容位置的彩色滤光片32上直接设有堆叠色阻，如图11所示的第一色阻46及第二色阻48，经由此堆叠的第一色阻46及第二色阻48的作用，使此传感液晶电容(Cslc)的液晶间隙由原来的d减小为S，例如S≤1.5微米。如此，在每个传感液晶电容处就可以形成较小的液晶间隙，并通过此小液晶间隙来控制传感液晶电容的电容改变，使前述的传感单元易于检测到它的触控事件发生与否。

本发明所提出的内嵌电容式感应输入显示装置除了可内嵌在显示面板内以及具有重量轻、体积小以及高光学性能等优点之外，还可应用于大尺寸触控面板，并具有优良的读出准确性以及更为简单的读出单元电路结构，故可以有效解决存在于现有技术中的那些缺点。此外，再配合突起部的设计，更可准确地检测触控事件的发生。

以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的技术人员能够了解本发明的内容并进行实施，其并非旨在限制权利要求书，并且根据本发明所公开的精神所作的等效变化与修改都应该包括在本发明的权利要求书中。

Claims (10)

1.一种内嵌电容式感应输入显示装置，包括：

第一栅极线和第二栅极线；以及

传感单元，其包括：

至少一个传感液晶电容；

第一晶体管，分别连接到所述第一栅极线以及所述传感液晶电容，其中所述第一晶体管在所述第一栅极线的控制之下对所述传感液晶电容进行充电；以及

至少两个耦合的第二晶体管及第三晶体管，所述第二晶体管连接到所述传感液晶电容的第一电极，并且所述第三晶体管连接到所述第二栅极线和读出线，所述第二晶体管根据所述传感液晶电容的所述第一电极的电压来产生流向所述第三晶体管的输出电流，并且所述第三晶体管在所述第二栅极线的控制之下将所述输出电流传输到所述读出线。

2.如权利要求1所述的内嵌电容式感应输入显示装置，还包括读出单元，其连接到所述读出线，以便接收所述输出电流，并且根据所述输出电流来检测触控事件并且找出触控位置。

3.如权利要求1所述的内嵌电容式感应输入显示装置，其中所述第一晶体管的栅极及漏极连接到所述第一栅极线，并且所述第一晶体管的源极连接到所述传感液晶电容的所述第一电极和第二晶体管的栅极。

4.如权利要求3所述的内嵌电容式感应输入显示装置，其中所述传感液晶电容的第二电极连接到第一偏压源，并且所述第二晶体管的源极连接到第二偏压源。

5.如权利要求4所述的内嵌电容式感应输入显示装置，其中所述第一偏压源与所述第二偏压源一起连接到共用电压源。

6.如权利要求1所述的内嵌电容式感应输入显示装置，其中所述第二晶体管的栅极连接到所述传感液晶电容的所述第一电极和所述第一晶体管的源极，并且所述第二晶体管的漏极连接到所述第三晶体管的漏极。

7.如权利要求1所述的内嵌电容式感应输入显示装置，其中所述第三晶体管的栅极连接到所述第二栅极线，并且所述第三晶体管的漏极连接到所述第二晶体管的漏极，并且所述第三晶体管的源极连接到所述读出线。

8.如权利要求1所述的内嵌电容式感应输入显示装置，其中所述传感单元的驱动方式包括：

在第一期间，所述第一栅极线及所述第二栅极线分别变成高电压及低电压，使所述第一晶体管打开，所述第三晶体管关闭，以便通过所述第一晶体管对所述传感液晶电容进行充电；

在第二期间，所述第一栅极线快速地从高电压变成低电压，并且所述第二栅极线的电压仍保持低电压，使所述传感液晶电容的所述第一电极端产生电压变化量，以控制所述第二晶体管的开关，以便产生所述输出电流到所述第三晶体管；

在第三期间，所述第二栅极线转为高电压，使所述第三晶体管打开，所述输出电流经由所述第三晶体管输出到所述读出线；以及

在第四期间，所述第一栅极线以及所述第二栅极线均变成低电压，此时所述第一晶体管以及所述第三晶体管关闭。

9.如权利要求1所述的内嵌电容式感应输入显示装置，其中在对应于所述传感液晶电容位置的彩色滤光片上还设有突起部，使所述传感液晶电容的液晶间隙小于所述突起部以外的两个电极层的液晶间隙。

10.如权利要求9所述的内嵌电容式感应输入显示装置，其中所述突起部是由至少两个色阻堆叠而成的。

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