CN104834423A - 一种触摸面板阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种触摸面板阵列，指纹识别区内的每个阵元均对应有时序在先的第一扫描线以及时序在后的第二扫描线，每个阵元包括：电容电极，用于在指纹接触处形成感应电容；充电开关，一端与电容电极连接，另一端与该阵元对应的第一扫描线相连，第一扫描线上施加高电平时充电开关导通；转换模块，输入端连接该阵元对应的第二扫描线用以电压采样，输出端连接该阵元对应的感应线用以输出经转换放大的感应电流，控制端连接电容电极用以获取控制电压信号。本发明的触控面板阵列的每个阵元中通过设置转换模块实现对感应电流的放大作用，大大提高了触控面板的精度，且成本低廉，易于实现。

Description

一种触摸面板阵列

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种触摸面板阵列。

背景技术

指纹识别技术把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份。每个人(包括指纹在内)皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说，是唯一的，并且终生不变。依据人类指纹的唯一性与稳定性特征，通过对待测人员指纹图案的采集,特征信息的提取，以及与预先存储的指纹样本数据进行比对，来实现身份鉴别。数字化的指纹识别是集生物技术、传感器技术、数字图像处理、模式匹配，以及其他电子技术于一身的高新技术。随着社会的发展，指纹识别的应用已经从传统的门禁，刑事侦查，个人信息备案等扩展到了更加宽泛的领域。

目前主流市场上流行的为电容感应型传感器，指纹识别传感器根据信号采集方式可分为划擦式(Swipe)和按压式(Area)。在iPhoen5S推出之前，之前应用在笔记本电脑、手机上的指纹识别基本上采用划擦式采集方式。

划擦式指纹识别，需要手指从传感器上方划过，系统对手指划过时采集到的每一块指纹进行检测，再进行拼接，才能形成完整的指纹。划擦式采集方式的优点是传感器可以做的小，降低成本，但是缺点也非常明显，在识别过程中手指滑动的速度、力度都会影响指纹的采集，甚至手指的偏左或偏右都会对识别造成困难。所以划擦式指纹识别传感器的用户体验性一般。

按压式指纹识别，只需轻轻放置一次手指，传感器会采集多次图像，与HOME按键的整合更显自然。iPhone5S以及新推出的6、6plus、iPadair2/mini3等苹果产品应用的都是按压式指纹识别传感器，并通过其增强算法，达到360度的效果，不需要用户把手指摆正，只需把手指随意放上去，几乎都可以被识别。按压式指纹识别非常符合人的行为习惯，有很好的用户体验，且通常识别率也较高，非常适合在手机、平板等对指纹识别使用频繁的终端应用。将指纹传感器集成到智能手机中，用于屏幕解锁以及替代传统的密码输入来进行无线支付等功能。由此可见，按压式指纹识别方案会是智能移动终端应用主流。

目前，带指纹识别的手机中，有置于正面与HOME键结合的，也有置于背面的。比如苹果移动市场的产品是将指纹识别模块与HOME键结合，而很多Android系统手机并没有HOME实体键，所以对于Android手机来说，指纹识别传感器置于正面是有难度的。一是为了搭配正面指纹识别，即使会破坏手机美观，但是不得不要在正面开孔做实体HOME键，这使得手机ID设计面临难题；二是使用类似汇顶新推出的IFS方案，将指纹识别传感器做在手机盖板玻璃下面，其实这样做来说跟开孔的区别不大，只不过能跟玻璃屏连在一起，无法起到实质的改进。不论是IFS还是实体HOME键，不透明的实体按键就只能占据整个手机面板的额外区域，限制手机的有效显示面积。这样的缺陷显然与当今智能手机大屏化的趋势格格不入。特别是对于即将普及的可穿戴式设备，如智能手表，由于无法放置非透明的指纹识别模块，将影响在智能手表上进行移动支付的体验性和安全性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种触摸面板阵列。

一种触摸面板阵列，包括支持指纹识别模式和触控模式的指纹识别区；所述指纹识别区内的每个阵元均对应有时序在先的第一扫描线以及时序在后的第二扫描线，每个阵元包括：

电容电极，用于在指纹接触处形成感应电容；

充电开关，一端与电容电极连接，另一端与该阵元对应的第一扫描线相连，第一扫描线上施加高电平时充电开关导通；

转换模块，输入端连接该阵元对应的第二扫描线用以电压采样，输出端连接该阵元对应的感应线用以输出经转换放大的感应电流，控制端连接电容电极用以获取控制电压信号。

本发明的触控面板阵列(即触摸面板阵列)除指纹识别区外，还可以设有仅支持触控的触控区。

在实际使用时，触控面板阵列需要外加扫描电路和电容侦测电路，通过扫描电路为扫描线施加时序脉冲，通过电容侦测电路侦测电容变化以用于指纹识别。

对于某一扫描线而言，对于一个阵元而言其为第一扫描线，对于另一阵元而言其可能为第二扫描线。针对所有阵元呈行、列规则的矩阵排列触控面板阵列，按行进行扫描时，对于任意相邻的两行阵元，上一行阵元的第二扫描线同时作为下一行阵元的第二扫描线。

本发明的触控面板阵列在工作时以阵元作为最小功能单元，各个阵元的工作原理如下：

对于指纹接触处，电容电极与手指之间形成感应电容。当第一扫描线上施加的电压为高电平时，充电开关导通，通过第一扫描线对形成的感应电容进行充电。

此后，第一扫描线上施加的电压转为低电平，第二扫描线施加的电压为高电平，此时感应电容经过充电后，电容电极上有电荷存储，输出高电平，通过转移模块对第二扫描线和电容电极之间的压差进行转移放大，通过输出端输出转移放大后的感应电流，以供外围电容侦测电路进行侦测。

通过转移放大输出的感应电流与现有技术中直接通过侦测电容放电电流的方式进行比较，能够大大提高指纹识别的精度。

该触摸屏阵列中的阵元排列形成一个二维阵元阵列，每个阵元实际上为相邻两条感应线和扫描线所围成的封闭区域。感应线和扫描线均为透明导线，在触控面板阵列中可通过光刻转移图案工艺得到。通常分为两组，一组横向分布，一组纵向分布，选定一组为感应线，另一组则为扫描线。

作为优选，所述的阵元的大小为0.05×0.05～0.1×0.1mm²。

阵元的尺寸直接影响到识别精度，尺寸越小识别精度越高。本发明通过设定该指纹识别区相邻两条感应线、相邻两条扫描线之间的间距均小于或等于0.1mm，使指纹识别区的识别精度达到0.1mm(或小于0.1mm)。

所述的充电开关包括第一薄膜晶体管，所述第一薄膜晶体管的栅极和源极串联后与第一扫描线相连，漏极与电容电极相连。所述的转换模块包括第二薄膜晶体管，所述转换模块以第二薄膜晶体管的栅极作为控制端，源极作为输入端，漏极作为输出端。

在第二薄膜晶体管栅极和源极间的电压很小的情况下，即可得到较大的感应电流，大大提高了指纹识别精度。

为进一步提高的指纹识别精度，转换模块可以为具有多级放大的功能。由于本实施例中转换模块基于晶体管实现，通常放大的级数越高，转换模块实现该放大功能所需要的晶体管的数量越多。

考虑到阵元的尺寸有限和现有的薄膜晶体管制备工艺，作为优选，所述的转换模块包括第三薄膜晶体管和第四薄膜晶体管；所述转换模块以第三薄膜晶体管的栅极作为控制端，以第四薄膜晶体管的源极作为输入端，漏极作为输出端；

其中，第三薄膜晶体管的漏极接地，源极与第四薄膜晶体管的栅极连接，且第三薄膜晶体管的源极通过一电阻与第四薄膜晶体管的源极连接。

由于第四薄膜晶体管的源极与第二扫描线连接，因此，具体实现时，可使第三薄膜晶体管的源极通过一电阻同时与第四薄膜晶体管的源极和第二扫描线连接。

使第三薄膜晶体管的源极通过一电阻与第四薄膜晶体管的源极，主要是利用过该电阻将第三薄膜晶体管的源漏电流转换为第四薄膜晶体管的栅极电压。此电压的最佳值在扫描电压的中间值附近，这样第三薄膜晶体管栅极电压变化引起的源漏电流浮动就会很好地体现出来，有利于提高触控面板阵列的识别精度。

作为优选，所述电阻的阻值为0.1～5MΩ。进一步优选，所述电阻的阻值为1MΩ～5MΩ。

所述阵元对应设有地线，所述第三薄膜晶体管的漏极接地线进行接地，以沿感应线方向相邻的两个阵元作为一组，一组阵元共用同一根地线。

触控面板阵列中的阵元呈行列排布，如此设计可以使将两列阵元分为一组，同一组的阵元共用一条地线。对于集成度高的指纹识别，能够大大提高电容电极的有效面积，提高识别精度，具有重要意义。

本发明的触摸面板阵列中指纹识别区的每个阵元中均设有转换模块可以得到较大的感应电流，大大提高了指纹识别区的识别精度，有利于实现指纹识别区的小型化。

本发明中未作特殊说明，所有的薄膜晶体管均为N沟道的薄膜晶体管。若采用P沟道的薄膜晶体管时，只需对晶体管的连接方式进行适应性改动即可实现本发明。

与现有技术相比，本发明的触控面板阵列的每个阵元中通过设置转换模块实现对感应电流的放大作用，大大提高了触控面板的精度，且成本低廉，易于实现。

附图说明

图1为本实施例的阵元的结构示意图；

图2为实施例1的触摸面板阵列的电路原理示意图；

图3为实施例1的触摸面板阵列结构的横截面示意图；

图4a为手指轻触指纹识别屏检测到的指纹形状示意图；

图4b为手指重压指纹识别屏检测到的指纹形状示意图；

图5为实施例2的触摸面板阵列的电路原理示意图；

图6a为实施例1和实施例2中的触控面板阵列进行指纹识别时输出的感应电流的仿真图；

图6b为实施例1和实施例2中的触控面板阵列进行指纹识别时输出的感应电流的积分电荷仿真图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

一种触摸面板阵列，包括支持指纹识别模式和触控模式的指纹识别区。触摸面板阵列由若干个呈二维矩阵排列的阵元组成，本实施例中的阵元为任意相邻的两条扫描线和任意相邻的两条感应线围成的封闭区域。

本实施例中指纹识别区内的每个阵元均对应有时序在先的第一扫描线以及时序在后的第二扫描线，如图1所示，每个阵元包括：

电容电极(本实施例中为自电容电极)，用于在指纹接触处形成感应电容；

充电开关，一端与电容电极连接，另一端与该阵元对应的第一扫描线相连，第一扫描线上施加高电平时充电开关导通；

转换模块，输入端连接该阵元对应的第二扫描线用以电压采样，输出端连接该阵元对应的感应线用以输出经转换放大的感应电流，控制端连接电容电极用以获取控制电压信号。

本实施例中每个阵元的大小为0.1×0.1mm²，每个阵元内的充电开关和转换模块均通过薄膜晶体管实现。

图2为本实施例的触摸面板阵列的电路原理示意图，其中，充电开关包括第一薄膜晶体管Q1，且第一薄膜晶体管Q1的栅极和源极串联后与第一扫描线L1相连，漏极与电容电极C相连。

为提高指纹识别精度，转换模块可以为具有单级放大功能，能够在较小的电压作用下输出较大的感应电流。转化模块包括第二薄膜晶体管Q2，转换模块以第二薄膜晶体管Q2的栅极作为控制端连接电容电极C用以获取控制电压信号，源极作为输入端连接对应的第二扫描线L2用以电压采样，漏极作为输出端与感应线L3连接以输出感应电流。

触控面板阵列在使用时需要外加扫描电路和电容侦测电路，通过扫描电路为扫描线施加时序脉冲，通过电容侦测电路侦测电容变化以用于指纹识别。其中每个阵元对应的时序在先的第一扫描线以及时序在后的第二扫描线根据扫描时向各个扫描线施加时序脉冲顺序确定。

本实施例的触摸面板阵列工作时以阵元作为最小功能单元，各个阵元的工作过程如下：

对于指纹接触处，以电容电极作为一个正极板、手指作为虚地形成感应电容；

当第一扫描线上施加的时序脉冲为高电平，第二扫描线上施加的时序脉冲为低电平时，此时，作为充电开关的第一薄膜晶体管Q1导通，且由于第一扫描线的电压为高电平，对形成的感应电容充电；

此后，扫描电路施加给第一扫描线的时序脉冲的电压转为低电平，第二扫描线施加的时序脉冲的电压转为高电平，此时，感应电容充电后，作为正极板的电容电极上有电荷存储，输出高电平，第二薄膜晶体管Q2工作于放大区，最终输出较大的感应电流；

外围电容侦测电路根据第二薄膜晶体管Q2输出的感应电流完成电容侦测，进而确定该阵元是否存在指纹接触。

对于触控面板阵列，根据所有阵元的侦测结果，即可完成指纹识别。

图3为本实施例的触摸面板阵列结构的横截面示意图，由下至上依次包括透明绝缘衬底1、下透明导电层2、透明半导体层3、栅绝缘层4、上透明导电层5和钝化绝缘层6，下透明导电层包括电容电极202和若干条相互平行的感应线201；上透明导电层包括若干条相互平行且与感应线垂直绝缘相交的第一扫描线501和第二扫描线502，第一扫描线501上设有第一栅极503，且第一栅极503与第一行扫描线电连接。第二栅极504与自电容电极202电连接。

透明半导体层设有第一沟道区301，以及位于第一沟道区两侧且与第一沟道接触的第一源极302和第一漏极303；

透明半导体层与栅绝缘层和上透明导体层构成第一薄膜晶体管Q1，分别以第一源极302为源极，第一漏极303为漏极，第一栅极503为栅极，源极302与扫描线501电连接，漏极303与自电容电极202电连接。

透明半导体层设有第二沟道区304，以及位于第二沟道区两侧且与第二沟道接触的第二源极305和第二漏极306；

透明半导体层与栅绝缘层和上透明导体层构成第二薄膜晶体管Q2，分别以第二源极305为源极，第二漏极306为漏极，第二栅极502为栅极，源极305与扫描线502电连接，漏极306与感应线201电连接。

感应线1和扫描线2的条数取决于相邻感应线之间，以及相邻扫描线之间的间距，以及触摸面板阵列的尺寸，本实施例中任意相邻两条感应线(扫描线)的间距为0.1mm，以感应线7和扫描线8交叉产生的一个个封闭区域就是一个阵元，对应形成的阵元大小为0.1×0.1mm²。

本实施例的触摸面板阵列根据图3所示的机械结构示意图，采用现有的半导体工艺(主要涉及薄膜沉积技术、光刻技术和离子注入技术等)制备得到。

该触控面板阵列应用于指纹识别屏时，在手指轻触指纹识别屏和按压指纹识别屏时的检测到的指纹形状示意图分别如图4a和图4b所示。可见，当手指轻接触和按压在指纹识别屏上时，实际感应出的接触面积有很大的区别。例如在同一面积的有源矩阵上，手指轻接触和按压屏幕产生的图形在显示器上感应出的点区域面积差别很大。利用面积大小与压力的关系可以做一个触摸屏上的压力传感器，运用到移动智能终端的应用、控制等领域。

本实施例的触摸面板阵列应用于触摸屏时，既可以作为普通的触摸屏，又能在触摸时进行指纹识别。根据指纹识别区的面积大小，可同时进行多个手指的指纹识别。根据识别的手指的个数，又可以形成组合密码，在原有指纹识别的基础上再增加一层安全性。

当本实施例的触摸面板阵列中可应用于大屏智能移动终端时，且整个屏幕都对应于触摸面板阵列的指纹识别区，由于屏幕大，相应的指纹识别区也大，因此能进行掌纹识别。

实施例2

与实施例1相同，所不同的是转换模块具有两级放大功能。

如图5所示，本实施例的转换模块包括第三薄膜晶体管Q3和第四薄膜晶体管Q4；转换模块以第三薄膜晶体管Q3的栅极作为控制端连接电容电极C用以获取控制电压信号，以第四薄膜晶体管Q4的源极作为输入端连接对应的第二扫描线L2用以电压采样，漏极作为输出端与对应的感应线L3连接以输出感应电流；

本实施例中每个阵元对应设有地线L4，其中，第三薄膜晶体管Q3的漏极接地线L4，源极与第四薄膜晶体管Q4的栅极连接，且第三薄膜晶体管Q3的源极通过一电阻R与第四薄膜晶体管Q4的源极连接(即第三薄膜晶体管Q3的源极串联一电阻后与第二扫描线连接)。

通过电阻R将第三薄膜晶体管的源漏电流转换为第四薄膜晶体管的栅极电压，阻值为100KΩ～5MΩ((本实施例中为2MΩ))，且为薄膜电阻，通过对半导体的掺杂浓度的调节以进行阻值调节，掺杂浓度越高，阻值越小。

考虑到识别精度和制备工艺的可实现性，本实施例中地线与感应线平行，且沿感应线方向相邻的两个阵元作为一组，同一组阵元共用同一根地线。

对应地，本实施例中感应线、扫描线以及地线的排布方式如图5所示，各扫描线按行均匀排布，相邻扫描线之间的距离为0.1mm。感应线两两一组排列，每一组中的两条感应线的距离为0.2mm，任意相邻两组之间感应线的距离(即相邻两组感应线间距离最近的感应线的距离)为0.01mm。地线位于任意相邻两组感应线的中间位置处。

基于上述排列，本实施例中指纹识别区内的阵元应理解为任意相邻两条扫描线、一条感应线和与该感应线距离最邻近的地线组成的封闭区域。

本实施例的触摸面板阵列工作时以阵元作为最小功能单元，各个阵元的工作过程如下：

对于指纹接触处，以电容电极作为一个正极板、手指作为虚地形成感应电容；

当第一扫描线上施加的时序脉冲为高电平，第二扫描线上施加的时序脉冲为低电平时，此时，作为充电开关的第一薄膜晶体管Q1导通，且由于第一扫描线的电压为高电平，对形成的感应电容充电；

此后，扫描电路施加给第一扫描线的时序脉冲的电压转为低电平，第二扫描线施加的时序脉冲的电压转为高电平，此时，感应电容充电后，作为正极板的电容电极上有电荷存储，输出高电平，第三薄膜晶体管Q3工作于放大区，输出源漏电流；

此源漏电流通过电阻R转换为第三薄膜晶体管Q3的源极电压，连接到第四薄膜晶体管Q4的栅极。由于感应电容充电后会迅速衰减，相应第三薄膜晶体管Q3的源漏电流也随即变小，检测难度加大。加入电阻R后，源漏电流越小，对应的第四薄膜晶体管Q4栅极电压越大，输出的感应电流也越大，越容易检测。

外围电容侦测电路根据第四薄膜晶体管Q4输出的感应电流完成电容侦测，进而确定该阵元是否存在指纹接触。

对于触控面板阵列，根据所有阵元的侦测结果，即可完成指纹识别。

触控面板阵列进行指纹识别时，需要用指纹部分与触控面板阵列接触。由于指纹存在嵴(指纹凸起部分)和峪(指纹凹下部分)，接触时，实际上是仅有嵴与触控面板阵列接触，峪与触控面板阵列不接触。基于该原理，实施例1和实施例2中的触控面板阵列，在进行指纹识别时，指纹的嵴和峪对应位置处的阵元产生的感应电容的大小分别为14fF和0.3fF。

图6a和图6b分别为实施例1和实施例2中的触控面板阵列在进行指纹识别时，指纹的嵴和峪对应位置处的阵元输出的感应电流的仿真图和积分电荷仿真图。其中，图6a为感应电容为0.3fF和14fF时，用单级放大结构(实施例1中的触控面板阵列)和两级放大结构(实施例2中的触控面板阵列)电路仿真出来的电流量的时域图。可见，对于单级放大结构，电流量随感应电容的衰减而迅速减少，直至到零电流；而对于两级放大结构，电流量却随感应电容的衰减而增加，直至最后达到电流饱和值。相比较而言，大电流在传输过程中受寄生电容影响较小，因此两级结构抗干扰能力更强。

图6b为感应电容为0.3fF和14fF时，用单级放大结构(实施例1中的触控面板阵列)和两级放大结构电路(实施例2中的触控面板阵列)仿真出来的电荷累积量的时域图。此电荷量最终转换为电压信号来体现电容的变化，因此不同感应电容所形成的电荷量差值越大，检测灵敏度越高。对于单级放大结构，两感应电容形成的电荷量的差值为7×10^-11C；对于两级放大结构，两感应电容形成的电荷量的差值为3×10^-9C；两者相差近40倍，可见两级放大结构能够大幅提升微小电容检测的灵敏度。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种触摸面板阵列，包括支持指纹识别模式和触控模式的指纹识别区；所述指纹识别区内的每个阵元均对应有时序在先的第一扫描线以及时序在后的第二扫描线，其特征在于，每个阵元包括：

电容电极，用于在指纹接触处形成感应电容；

充电开关，一端与电容电极连接，另一端与该阵元对应的第一扫描线相连，第一扫描线上施加高电平时充电开关导通；

转换模块，输入端连接该阵元对应的第二扫描线用以电压采样，输出端连接该阵元对应的感应线用以输出经转换放大的感应电流，控制端连接电容电极用以获取控制电压信号。

2.如权利要求1所述的触摸面板阵列，其特征在于，所述的阵元的大小为0.05×0.05～0.1×0.1mm²。

3.如权利要求2求所述的触摸面板阵列，其特征在于，所述的充电开关包括第一薄膜晶体管，所述第一薄膜晶体管的栅极和源极串联后与第一扫描线相连，漏极与电容电极相连。

4.如权利要求2或3所述的触摸面板阵列，其特征在于，所述的转换模块包括第二薄膜晶体管，所述转换模块以第二薄膜晶体管的栅极作为控制端，源极作为输入端，漏极作为输出端。

5.如权利要求2或3所述的触摸面板阵列，其特征在于，所述的转换模块包括第三薄膜晶体管和第四薄膜晶体管；所述转换模块以第三薄膜晶体管的栅极作为控制端，以第四薄膜晶体管的源极作为输入端，漏极作为输出端；

其中，第三薄膜晶体管的漏极接地，源极与第四薄膜晶体管的栅极连接，且第三薄膜晶体管的源极通过一电阻与第四薄膜晶体管的源极连接。

6.如权利要求5所述的触摸面板阵列，其特征在于，所述电阻的阻值为0.1～5MΩ。

7.如权利要求6所述的触摸面板阵列，其特征在于，所述电阻的阻值为1MΩ～3MΩ。

8.如权利要求6所述的触摸面板阵列，其特征在于，所述阵元对应设有地线，所述第三薄膜晶体管的漏极接地线进行接地，以沿感应线方向相邻的两个阵元作为一组，一组阵元共用同一根地线。