CN104919407A - 用于显示应用的像素内超声触摸传感器 - Google Patents

用于显示应用的像素内超声触摸传感器 Download PDF

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Abstract

一种视频显示器，具有发射超声信号的平面压电发射器和包括多个像素的显示面板。每个像素具有数据接口以接受具有与一系列光强度值相关联的可变电压的视频信号，并提供具有可变电压的触摸信号，该可变电压来源于一系列反射的超声信号能量。每个像素由提供具有响应于视频信号电压的强度的光的光器件和在刷新周期之间维持视频信号电压的存储电容器组成。压电换能器接受反射的超声信号能量并在刷新周期之间维持触摸信号电压。另一方面，存储电容器和压电换能器是相同的器件。光器件可以是液晶(LC)层或发光二极管。

Description

用于显示应用的像素内超声触摸传感器
技术领域
本发明涉及图像显示技术，并且更具体地，涉及被制造为显示像素的组成部分的超声波长触摸传感器。
背景技术
虽然有许多可利用的触摸传感器技术，但是目前市场由两种技术占主导地位。不需要多点触摸能力的低成本系统常常使用电阻触摸式，其测量由于在X和Y总线线路之间产生连接的触摸而导致变形的导电网络的电阻。最常用的多点触摸感测技术，其被称为投射电容式，测量在交叉点阵列中每对电极之间的电容。手指靠近传感器的电容改变在阵列中该点处的互电容。这两种技术都独立于显示器而制造并且附接到显示器的前面，从而造成额外的成本、复杂性，以及由于吸收而造成一些光损失。
图21是具有投射电容式触摸传感器的液晶显示器(LCD)面板的局部剖视图(现有技术)。具有诸如用于移动电话的触摸面板的液晶显示器，通常由如附图示意性所示的多个模块组成。从后往前，模块是背光源、薄膜晶体管(TFT)底板、滤色镜和触摸面板。实际上，TFT底板和滤色镜玻璃被组装起来并且用液晶材料填充其间的空腔。然后，分别将触摸面板和背光源附接到前表面和后表面。显然，如果触摸屏技术可被集成到TFT层，那么通过从组件中去除触摸面板模块，可实现显示器组的成本降低、厚度减小和重量减轻。
图22A和图22B分别是LCD显示器TFT底板的示意图和时序图(现有技术)。如图22A所示，显示器底板由用于控制对每个单独像素的访问的薄膜晶体管的阵列组成。在每个像素处，透明电极控制施加在液晶材料(LC)的电压，其改变了LC性质，而LC性质的改变继而又影响了通过LC元件传输的光的偏振。因此，被显示给观察者的光的强度取决于由LC元件所建立的极化和上偏振片之间的角度。因为LC元件的电容低，所以另外有用两个电极制成的存储电容器(Cs)，其中这两个电极通过电介质被分开以维持在连续的刷新周期之间的电压。时序图示出一个刷新周期，包括通过下面的步骤进行的每个像素的LC电压的设置：
1)接通(启动)第一行(信号R1)的晶体管栅极；
2)相对于参考电压Vcon设置每个数据线路上(D1到Dn)的视频电压；
3)等待在节点V11到V1n处的电压达到设置电压；
4)关断第一行像素的晶体管栅极以隔离存储节点；以及
5)针对每一行按顺序重复步骤1到4。
图23A是示意图并且图23B描述与示意图相关联的两种可能的电路布局(现有技术)。已经被用于制造LCD像素的许多替代TFT技术包括非晶硅(a-Si)、多晶硅和铟镓锌氧化物(IGZO)。存储电容器Cs可用单独的导电总线线路(左边布局)或使用邻近的栅极(启动)线路(R1)实现。在这两种情况下，均通过在下电极(栅极或Vcon总线线路)和通常由ITO形成的LC像素电极之间沉积电介质层诸如SiO2或聚酰亚胺，形成存储电容器。
如果可以制造出对触摸敏感、而没有额外的、增加复杂性且减少显示器发光的电路系统层的显示器，那么这将是有利的。
发明内容
根据本发明，提供了一种具有超声触摸传感器的视频显示像素，该像素包括：数据接口，其被周期性地启动(enable)以接受具有可变电压的视频信号并且被周期性地启动以提供触摸信号；光器件，其提供具有响应于视频信号电压的强度的光；存储电容器，其被连接到数据接口和光器件以维持第一时段的视频信号电压；以及压电换能器，其接受具有可变能量的反射的超声信号并提供具有可变电压的触摸信号，该可变电压来源于超声信号能量。
根据本发明，提供了视频显示器，其包括：发射超声信号的平面压电发射器；和包括多个像素的显示面板，每个像素具有数据接口以接受具有可变电压的视频信号，该可变电压与一系列光强度值相关联，并提供具有可变电压的触摸信号，该可变电压来源于一系列反射的超声信号能量。
根据本发明，提供了用于操作触敏视频显示像素的方法，所述方法包括：视频显示像素以周期性的刷新周期速率接受视频信号电压；在刷新周期之间维持视频信号电压；视频显示像素提供具有响应于视频信号电压的强度的光；接受反射的超声信号；维持来源于反射的超声信号能量的触摸信号电压；以及视频显示像素以刷新周期速率提供触摸信号电压。
根据本发明，提供了用于操作触敏视频显示器的方法，所述方法包括：平面压电发射器向显示器前表面发射超声信号；在前表面下面且包括多个像素的视频显示面板中的每个像素，以周期性的刷新周期速率被选择性地启动以接收视频信号电压；每个像素维持在刷新周期之间的视频信号电压；每个像素提供具有响应于视频信号电压的强度的光；每个像素接受反射的超声信号；每个像素维持来源于反射的超声信号能量的触摸信号电压；以及每个像素以刷新周期的速率被选择性地启动以提供触摸信号电压。
附图说明
[图1]图1是描述通过示例性液晶显示器(LCD)显示来发射超声脉冲的平面压电换能器的示意图；
[图2]图2是描述具有多个像素的显示面板的一部分的示意性框图；
[图3]图3是显示面板像素的第一方面的示意图；
[图4]图4是图3的显示面板像素的第一变化的局部剖视图；
[图5]图5是更详细地描述图4的像素的示意图；
[图6]图6是描述图3的显示面板像素的第二变化的示意图；
[图7]图7是描述图2的显示面板的变化的示意图；
[图8]图8是描述显示器的另一方面的示意性框图；
[图9A]图9A是在总线线路上制造的存储电容器/压电换能器的平面图；
[图9B]图9B是在总线线路上制造的存储电容器/压电换能器的局部剖视图；
[图10]图10是描述具有集成超声触摸传感器和压电发射器的LCD显示器的装配顺序的局部剖视图；
[图11]图11是描述用于包括压电换能器的OLED显示器的单个像素电路的示意图；
[图12A]图12A是具有集成于存储电容器中的压电换能器的LCD显示像素的示意图；
[图12B]图12B表示用于存储电容器/压电换能器的等效电路；
[图13]图13是具有集成超声触摸感测的LCD显示器阵列的示意性框图；
[图14]图14是用于图13的集成超声触摸传感器的操作流程图；
[图15]图15是用于图13的集成超声触摸传感器的示例性时序图，示出在第1行第1列的单个像素的操作，包括在读和写功能之间的切换；
[图16]图16是图13中呈现的像素设计的变化的示意图；
[图17]图17是与图16的电路相关联的时序图；
[图18]图18是描述图17的电路示例性地集成到LCD显示器的图；
[图19]图19是示出用于操作触敏视频显示像素的方法的流程图；
[图20]图20是示出用于操作触敏视频显示器的方法的流程图；
[图21]图21是具有投射电容式触摸传感器的LCD面板的局部剖视图(现有技术)；
[图22A]图22A是LCD显示器TFT底板的示意图(现有技术)；
[图22B]图22B是LCD显示器TFT底板的时序图(现有技术)；
[图23A]图23A是示意图；
[图23B]图23B描述与示意图相关联的两种可能的电路布局(现有技术)。
具体实施方式
图1是描述通过示例性液晶显示器(LCD)显示来发射超声脉冲的平面压电换能器的示意图。显示器100包括超声发射器102和显示面板104。在该示例中，显示器100包括背光源106，且显示面板104包括LCD底板108，该LCD地板108也包含压电接收器110的阵列和滤色镜层112。如下面更详细的说明，每个接收器阵列元件被并入相应的像素中。由于空气和滤色镜玻璃之间的巨大密度差异，所以超声脉冲从显示器的前表面反射。然而，如果具有比空气大的密度的物体，诸如指尖、手写笔或毛笔，触摸了显示器前表面，那么更多的超声能量被物体吸收，并且反射的超声能量更弱。因此，在每个显示像素处的压电响应与在每个点处触摸滤色镜玻璃的材料的密度有关，且信号可用于映射触摸显示器的物体的位置。如下面更详细的说明，本文呈现的系统不限于LCD或背光类型的显示器。
图2是描述具有多个像素的显示面板的一部分的示意性框图。每个像素200(示出200-0至200-n)具有在线路204上的数据接口，该数据接口被周期性地启动以接受具有可变电压的视频信号，该可变电压与一系列光强度值相关联，并被周期性地启动以提供具有可变电压的触摸信号，该可变电压来源于一系列反射的超声信号能量。每个像素，如由像素200-0所表示的，包括在线路204上提供具有响应于视频信号电压的强度的光的光器件208，和在刷新周期之间的第一时段维持视频信号电压的存储电容器210。压电换能器212接受反射的具有可变能量的超声信号并在刷新周期之间维持触摸信号电压。
图3是显示面板像素的第一方面的示意图。在这方面，存储电容器和压电换能器210/212是相同的器件。压电换能器/存储电容器210/212包括导电下电极304，覆于导电下电极304上的压电层302，和覆于压电层302上的透明导电上电极300。压电层302可以是聚偏二氟乙烯或三氟乙烯的共聚物(PVDF-TrFE)和PVDF。然而，也可使用其它材料。
图4是图3的显示面板像素的第一变化的局部剖视图。在这方面，光器件208是在电极402和300之间插入的液晶(LC)层400。即，压电换能器/存储电容器上电极300和光器件208(LC层)的控制电极是相同的电极。在本领域中使用电极来控制LC层已为我们所熟知。
图5是更详细地描述图4的像素的示意图。像素200还包括在线路500上的启动接口(enable interface)。第一开关502具有连接到线路204上的数据接口的端子、连接到压电换能器/存储电容器透明上电极300的端子，和连接到线路500上的启动接口以选择性地启动第一开关的控制端口。仅举几个本领域技术人员已知的选项为例，第一开关502可作为单个薄膜晶体管(TFT)、多晶体管、双极性器件、微机电系统(MEMS)交叉开关或具有铁电栅极的TFT来启动。光器件被示出为电容器(CLC)，示意性地表示LC层光器件，其中LC层的控制电极和存储电容器/压电换能器的透明上电极300是相同的电极。
图6是描述图3的显示面板像素的第二变化的示意图。在这方面，光器件208是发光二极管(LED)。像素200还包括在线路500上的启动接口。第一开关502具有连接到线路204上的数据接口的端子、连接到存储电容器/压电换能器透明上电极300的端子，和连接到线路500上的启动接口以选择性地启动第一开关的控制端口。第一TFT600，或类似的器件，具有栅极、源极和漏极，该栅极连接到线路604上的第一开关502的端子。如下面附图更详细所示，TFT漏极可连接到LED驱动电压。LED 208具有连接到第一TFT600的源极的阴极。存储电容器/压电换能器210/212的上电极300连接到线路604。
图7是描述图2的显示面板的变化的示意图。不同于图3至图6所示的示例，存储电容器和压电换能器不一定需要是相同的器件。在这方面，压电换能器212包括在下电极304和透明上电极300之间插入的压电层302。存储电容器210包括在下电极702和透明上电极704之间插入的电介质层700。存储电容器可以是常规的电容器设计。像素200还包括在线路500上的启动接口。第一开关502具有连接到线路204上的数据接口和压电换能器透明上电极300的端子、连接到线路500上的启动接口以选择性地启动第一开关的控制端口，和连接到存储电容器透明上电极704和光器件208的端子。如图所示，光器件被示出为电容器，示意性表示LC层光器件，其中LC层的控制电极和存储电容器的透明上电极是相同的电极。可选地但未示出，TFT可被加入到像素，如图6所示，并且光器件可以是LED。
图8是描述显示器另一方面的示意性框图。显示器100还可包括控制器800，该控制器800具有在线路802上的视频数据总线输出以提供视频信号。触摸信号数据总线输入在线路804上接受触摸信号，且控制信号总线输出在线路806上提供开关控制信号。另外示出了多个开关。每个开关808具有连接到相应像素200的数据端口204的第一端子。响应于开关控制信号，第二端子选择性地可接合到在线路802上的视频数据总线输出或在线路804上的触摸信号数据总线输入。每个开关808具有连接到在线路806上的开关控制信号总线的控制信号接口。
控制器800还可包括在线路810上的连接到多个像素以提供启动信号的启动总线输出。响应于在线路810-0至810-n上的启动信号，像素的数据接口被按行顺序启动。
简略地参考图1，超声发射器102可以是由夹置于两个电极之间的聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)层组成的压电换能器。通过显示器组传输的超声脉冲是处于相对高频(例如1MHz-30MHz)的短线性调频脉冲，该线性调频脉冲是通过在换能器的电极之间施加高电压信号(例如，正弦波)制成的。如图所示，发射器可定位在显示器的背面，或可选地位于背光源与LCD底板的背面之间。
每个显示像素具有用于设置液晶显示器元件的电压的存储电容器，继而控制所显示的光的强度。通过使用例如极化共聚物聚[偏二氟乙烯-三氟乙烯](PVDF-TrFE)层作为电介质放置在存储电容器的两个透明导电电极之间，触摸传感器接受器示意性被集成到每个像素中。导电电极可由铟锡氧化物(ITO)等制成。为了用于电路中的两种目的，存储电容器(视频)电压首先被设置为待显示图像所需要的电压。然后，反射的超声脉冲在压电传感器中生成电压，该电压被加到视频电压上。在下一个刷新周期中重置图像电压之前，测量存储电容器电压以确定反射的超声脉冲的影响。大的生成的触摸信号电压对应于高的反射超声能量(无触摸)。较低的生成的触摸信号电压对应于由于触摸显示器的前表面的物体的吸收而被降低的反射的超声能量。
这样，通过将压电聚合物添加到每个显示像素的存储电容器，并且添加在感测来自显示器表面的超声反射之后测量每个像素上的电压的电路，触摸传感器被简单地并入到LCD或OLED显示面板的现有电路结构中。
图9A和图9B分别是在总线线路上制造的存储电容器/压电换能器的平面图和局部剖视图。通过简单地修改常规工艺流程，可以用压电材料代替常规存储电容器电介质层。例如，与相对介电常数为3.9的SiO2相比，PVDF-TrFE的相对介电常数为7.5，且与介电强度为10MV/cm的SiO2相比，PVDF-TrFE的介电强度为0.3MV/cm。制作PVDF-TrFE超声传感器的新沉积工艺如下：
1)通过适当的蚀刻和清洗工艺制备下电极；
2)用溶解在溶剂诸如四氢呋喃(THF)或N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中的PVDF-TrFE聚合物的油墨来涂覆表面；
3)以低温诸如90摄氏度烘烤以使溶剂蒸发；
4)将所得的PVDF-TrFE膜退火至结晶。通常以130摄氏度进行一个小时；
5)在真空室内施加垂直于PVDF-TrFE膜表面的强场以使铁电畴定向。该工艺被称为极化(poling)；
6)沉积并图案化用于LC像素的透明导电电极。
虽然没有明确示出，但是显然除压电电容器(存储电容器/压电换能器)以外，可以使用标准的存储电容器，以便改变视频电压与超声响应的幅度之间的比例。
图10是描述具有集成的超声触摸传感器和压电发射器的LCD显示器装配顺序的局部剖视图。一旦超声传感器制造完成，便可以正常的方式继续装配LCD显示面板。如图所示，TFT底板被结合到滤色镜模块以密封在两个模块之间的LC材料，并且偏振片附接到底板玻璃的背面。在显示器完成后，由两个透明导电电极和PVDF层形成平面超声换能器，其附接到显示器模块的后表面以传输用于检测前表面上的触摸的超声脉冲。最后，通过附接背光源模块完成显示器。应当注意，超声发射器可被并入到显示器组中的其它位置处，例如，在背光源的后面，或在附接下偏振片之前，或作为滤色镜模块的一部分。在每种情况下，存在有成本和性能之间的权衡，且在传输脉冲和感测之间的定时必须适应于超声脉冲传输时间。例如，因为发射器在背光组件上定位的位置处不需要透明，所以在该位置允许使用用于换能器的标准金属。然而，因为背光组件通常具有反射显著量的超声能量的气隙，所以发射器在较低频率处将需要更多的超声能量，这将限制分辨率并缩短电池寿命。
图11是描述用于包括压电换能器的OLED显示器的单个像素电路的示意图。显然，使用存储电容器来设置电压继而控制在像素处的光强度的其它显示技术，也可通过用压电PVDF-TrFE材料代替存储电容器中的标准电介质层的简单方式来使用该超声技术。在存储电容器上的相对于VLED的电压是对前表面触摸的压电响应，加上在超声脉冲之前设置的显示器控制电压。
图12A是具有集成于存储电容器中的压电换能器的LCD显示像素的示意图，并且图12B表示用于存储电容器/压电换能器的等效电路。相比于图23A的电路，在存储电容器中包括压电层改变了电路，使得存储电容器/压电换能器210/212可由串联连接的电压源和电容器的等效电路表示。必须设置电容器的面积和PVDF-TrFE膜的厚度以产生用于LC功能的正确的存储电容Co。这里，LC层光器件被表示为电容器。但是应理解，LC层的控制电极和存储电容器/压电换能器的上电极是相同的。在该电路中，如果超声能量被存储电容器/压电换能器吸收，那么压电层的电压源(VS)改变在节点V11处的电压。因此，通过将电压读取功能添加到附接于数据线路的外部电路系统，可以确定物体是否在特定像素处接触显示器表面。显然，通过在每个显示节点处将压电感测功能添加到存储电容器，其它显示技术可包含相同的用于触摸感测的策略。
图13是具有集成的超声触摸感测的LCD显示器阵列的示意性框图。该图将用于集成的超声触摸传感器的部件添加到图1中所介绍的全阵列示意图。显示面板外部的添加的部件是：
1)超声发射器，其由信号源(例如1MHz到50MHz)和驱动附接到显示面板的超声平面波换能器102的门控功率放大器1300组成。该部件通过显示器传输超声的短线性调频脉冲。
2)列多路复用器(控制器)800，其在视频信号输入(写)和用于测量超声响应的电压输出(读)之间选择。
3)模拟-数字(A/D)转换器1302，其也可具有测量放大器、滤波器等(没有示出)，其将每个像素存储节点上的模拟电压转换为数字值，该数字值可以通过微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)或计算机评估以确定触摸的存在或不存在。
这里，视频控制电路系统(控制器)800生成定时和视频数据信号以操作阵列。除现有技术的视频信号(D1到Dn)、栅极控制(启动)信号(R1到Rn)和Vcon以外，还存在可用于超声触摸面板的新的控制信号，如下：
1)在读取像素上的电压和对该像素写入新视频设置之间选择的信号(读/写)；
2)控制启动和由发射器发送的超声脉冲的宽度的信号(超声脉冲)；以及，
3)在超声数据线路上开始电压的A/D转换的信号(数据有效)。
图14是图13的集成的超声触摸传感器的操作流程图。使用图13的配置，显示器和触摸传感器的操作将如流程图所示。在步骤1400中，物体触摸显示面板前表面。在步骤1402中，传输超声信号。步骤1404表示延迟。在步骤1406中，视频信号被写入到像素中。在步骤1408中，反射的超声波生成触摸信号电压。在步骤1410中，触摸信号被读取。在步骤1412中，比较触摸信号电压与视频信号电压。在步骤1414中，触摸被确定，且步骤1416表示过程的重复。
图15是图13的集成的超声触摸传感器的示例性时序图，示出在第1行第1列单个像素的操作，包括在读和写功能之间的转换。总之，读/写信号选择用于读取在LCD像素上的电压的数据路径，并且数据有效信号对第1行的每个像素启动在数据线路上的电压的模数转换。在读/写信号将视频控制器连接到数据线路后，在每个像素处的电压被设置以产生期望的视频图像。显然，对本领域技术人员，简单的时序图可以被扩展为更复杂的多路方案以减少所需要的A/D转换器和数据驱动器的数量。重要的是应注意，传输的脉冲也在存储电容器中造成响应。在采样时序图的情况下，在被传输的脉冲经过压电传感器层之后设置显示器电压，并且在反射的脉冲返回到传感器之前关闭像素TFT。因此，虽然避免了测量传输的脉冲，但是通过压电传感器测量了反射的脉冲。在定时上的该限制不是严格必需的，且只要反射的脉冲在读取之前到达传感器，则传输脉冲可以在任何时间发送。然而，在那种情况下，由超声响应导致的视频信号干扰增加。如图23B和图15所示，在连续的刷新周期使用相对于Vcon相反的偏压的标准实践，导致由传感器的压电响应而造成的视频干扰被平均掉。
可选地，可以仅在每X个视频刷新周期中施加超声脉冲的情况下，使用降低的占空比。因此对于每秒240帧(fps)的刷新，触摸周期可以是每60周期一次或每0.25秒一次。然后，压电响应对于视频的影响将仅在占空比所设置的降低速率下被注意。另外，屏幕在超声脉冲周期期间可设置为暗淡的，因此如果没有触摸，那么均匀的回波使得所有像素的亮度均匀地增加。如果有触摸，那么在触摸物体下不同。
图16是对图13中呈现的像素设计的变化的示意图。该设计将压电响应对电压造成的干扰减到最小，该电压控制通过像素显示的视频强度。在这种情况下，触摸传感器被集成到常规的非晶Si或多晶Si有源矩阵TFT LCD阵列中。电路包括TFT T1502、存储电容器CS210、液晶等效电容器CLC 208和压电换能器(电容传感器)CP 212。压电换能器CP 212的一个电极连接到T1的漏极。CP 212的另一个电极连接到公用线路。后者附接到公用电压或保留高阻抗状态，这取决于开关SW21602的操作。当SW21602在点b时，公用线路处于高阻抗状态。当SW21602在点a时，公用线路处于电势VCOM状态。开关SW21602可以用TFT开关实现，且它的设计是本领域技术人员已知的。
T1502的漏极也连接到SW11604。该开关可连接到源极VDATA(视频信号)，等同于常规LCD阵列的数据驱动器电路系统，或等同于电荷积分器1606之内的读出线路，或对存储在CP 212中的电荷(触摸信号)和/或在T1502漏极处的电压进行采用的类似电路。开关SW11604也可用TFT开关实现。
图17是与图16的电路相关联的时序图。一旦数据的新值可用(VDATA)，便在时间t1激活栅极(启动)信号VGATE，接通晶体管T1。在此期间，公用线路的开关SW2保持线路处于高阻抗状态，因此压电换能器CP不干扰数据写入阵列。响应于栅极信号VGATE在时间t1接通，新数据被写入到像素中，且电容器CLC的电压VCLC被设定为它的新值。在时间t2，开关SW1将T1的漏极从数据线路断开，并且要么设置成高阻抗状态，要么如图16所示连接到读出电路。
在此之后，在时间t3发射超声脉冲。响应于脉冲的发射，压电换能器CP的电压VCP在t4调整为新值，来响应反射的超声能量。由于开关SW2保持公用线路在高阻抗状态并且晶体管关断，所以CP不能放电。
在时间t4，开关SW2关闭，且将公用线路连接到恒定电压。这闭合了由公用线路、读出电路系统和压电换能器CP组成的电路，从而使得后者能够放电并且读出电路系统读取值VOUT，该VOUT与CP的电压或电荷成比例。
图18是描述图17的电路示例性地集成到LCD中显示器的图。开关SW1A 1604a、SW1B 1604b等，要么集成在显示器的玻璃面板上，要么作为单独的芯片实现。对于公用线路开关SW2A 1602a、SW2B 1602b等同样如此。
图19是示出用于操作触敏视频显示像素的方法的流程图。虽然为了清楚起见该方法被描述为编号步骤的序列，但是编号不一定指定步骤的顺序。应理解，这些步骤中的一些可以跳过、并行执行或无需维持严格的次序要求执行。然而通常，该方法遵循所描述步骤的数字顺序。该方法在步骤1900处开始。
在步骤1902中，视频显示像素以周期性的刷新周期速率接受视频信号电压。步骤1904维持在刷新周期之间的视频信号电压。在步骤1906中，视频显示像素提供具有响应于视频信号电压的强度的光。步骤1908接受反射的超声信号。步骤1910维持来源于反射的超声信号能量的触摸信号电压。在步骤1912中，视频显示像素以刷新周期的速率提供触摸信号电压。步骤1914响应于触摸信号电压与视频信号电压的比较，确定位于附近的物体(即触摸像素)。
一方面，在步骤1904中维持视频信号电压和在步骤1910中维持触摸信号电压包括使用公用的压电换能器/存储电容器来维持视频信号电压和触摸信号电压两者。另一方面，在步骤1902中接受视频信号电压和在步骤1912中提供触摸信号电压包括经由公用接口接受视频信号电压和提供触摸信号电压。
图20是示出用于操作触敏视频显示器的方法的流程图。该方法在步骤2000处开始。在步骤2002中，平面压电发射器向显示器前表面传输超声信号。在步骤2004中，在前表面下面且包括多个像素的视频显示面板中的每个像素，以周期性的刷新周期速率被选择性地启动以接收视频信号电压。在步骤2006中，每个像素维持在刷新周期之间的视频信号电压。在步骤2008中，每个像素提供具有响应于视频信号电压的强度的光。在步骤2010中，每个像素接受反射的超声信号。在步骤2012中，每个像素维持来源于反射的超声信号能量的触摸信号电压。在步骤2014中，每个像素以刷新周期的速率被选择性地启动以提供触摸信号电压。在步骤2016中，响应于比较每个像素的触摸信号电压与视频信号电压，确定位于显示器前表面附近的物体。
一方面，在步骤2006中维持视频信号电压和在步骤2012中维持触摸信号电压包括使用公用的压电换能器/存储电容器维持视频信号电压和触摸信号电压两者。另一方面，在步骤2004中接受视频信号电压和在步骤2012中提供触摸信号电压包括经由公用接口每个像素接受视频信号电压和提供触摸信号电压。
本发明提供了用于将触摸传感器直接集成到显示器的像素中的系统和方法。具体的显示器类型、电路设计和定时方案的示例已经被呈现以说明本发明。然而，本发明并不仅仅局限于这些示例。虽然主要在背光LCD面板背景下描述，但是超声传感器器件也可在反射显示面板中制造。进一步地，触摸传感器可被并入到等离子显示器中以传输背光或反射光，或被并入到使用像素快门来控制光透射的MEMS显示器中。本领域技术人员将想到本发明的其它变型或实施例。
本文所公开的超声传感器结构可被集成到显示器诸如液晶显示器(LCD)或有机发光器件(OLED)面板中，以制作触摸传感器。通过测量在每个像素处吸收的超声能量的量，传感器检测触摸显示器的表面的任何物体。一方面，薄膜压电传感器被嵌入到每个显示像素存储电容器中，以便通过测量物体所吸收的超声能量的量，来感测触摸显示面板的前表面的物体(诸如手指或写入笔)的存在。
对于触摸屏应用，超声传感器技术具有现有技术所没有的若干优点。用于与触摸传感器交互的物体基本上可以是吸收超声能量的任何物体。与当前使用电容感测的触摸屏技术不同，超声传感器可探测金属写入笔、毛笔、铅笔尖或戴手套的手指。触摸传感器被集成到显示器中，使得触摸传感器基板和传感器附接到显示器所增加的成本被去除。使用现有的显示底板电路来启动感测，以便使所需要的唯一额外的处理是在像素存储电容器中加入压电材料。由于传感器被集成到每个显示像素中，因此触摸分辨率是显示器固有的，并且触摸位置直接映射到像素位置。
因此，视频显示器具有传输超声信号的平面压电发射器和包括多个像素的显示面板。每个像素具有数据接口以接受具有可变电压的视频信号，该可变电压与一系列光强度值相关联，并且该数据接口提供具有可变电源的触摸信号，该可变电压来源于一系列反射的超声信号能量。每个像素由提供具有响应于视频信号电压的强度的光的光器件和维持在刷新周期之间视频信号电压的存储电容器组成。压电换能器接受反射的超声信号能量并在刷新周期之间维持触摸信号电压。
一方面，存储电容器和压电换能器是相同的器件。因此，压电换能器/存储电容器由导电下电极、覆于导电下电极上的压电层和覆于压电层上的透明导电上电极组成。例如，光器件可以是在电极之间插入以控制来自底层背光源的光的透射的液晶(LC)层。在那种情况下，压电换能器/存储电容器的上电极和光器件的控制电极是相同的电极。可选地，光器件可以是LED。
下面提供显示器的更多细节和用于操作触敏视频显示像素的方法。
根据本发明，提供了视频显示器，其中存储电容器和压电换能器是相同的器件，压电换能器/存储电容器包括：导电下电极；覆于导电下电极上的压电层；以及覆于压电层上的透明导电上电极。
根据本发明，提供了视频显示器，其中压电层选自聚偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物(PVDF-TrFE)和PVDF。
根据本发明，提供了视频显示器，其中光器件是在电极之间插入的液晶(LC)层；并且其中压电换能器/存储电容器的上电极和光器件的控制电极是相同的电极。
根据本发明，提供了视频显示器，其中每个像素还包括：启动接口；和第一开关，其具有连接到数据接口的端子、连接到压电换能器/存储电容器的透明上电极的端子和连接到启动接口以选择性地启动第一开关的控制端口。
根据本发明，提供了视频显示器，其中光器件是发光二极管(LED)。
根据本发明，提供了视频显示器，其中每个像素包括：启动接口；和第一开关，其具有连接到数据接口的第一端子、连接到存储电容器/压电换能器的透明上电极的第二端子，和连接到启动接口以选择性地启动第一开关的控制端口；第一薄膜晶体管(TFT)，其具有栅极、源极和漏极，所述栅极连接到第一开关的第二端子；并且其中LED具有连接到第一TFT的源极的阴极。
根据本发明，提供了用于操作触敏视频显示器的方法，其中维持视频信号电压和维持触摸信号电压包括使用公用压电换能器/存储电容器来维持视频信号电压和触摸信号电压两者。
根据本发明，提供了用于操作触敏视频显示器的方法，其中接受视频信号电压和提供触摸信号电压包括经由公用接口来接受视频信号电压和提供触摸信号电压。
根据本发明，提供了用于操作触敏视频显示器的方法，该方法还包括：响应于比较每个像素的触摸信号电压和视频信号电压，确定位于显示器前表面附近的物体。

Claims (18)

1.一种具有超声触摸传感器的视频显示像素，所述像素包括：
数据接口，其被周期性地启动以接受具有可变电压的视频信号并且被周期性地启动以提供触摸信号；
光器件，其提供具有响应于所述视频信号电压的强度的光；
存储电容器，其被连接到所述数据接口和所述光器件以在第一时段维持所述视频信号电压；以及
压电换能器，其接受具有可变能量的反射的超声信号并提供具有可变电压的所述触摸信号，所述可变电压来源于所述超声信号的所述能量。
2.根据权利要求1所述的像素，其中所述存储电容器和所述压电换能器是相同的器件，所述压电换能器/存储电容器包括：
导电下电极；
覆于所述导电下电极上的压电层；以及
覆于所述压电层上的透明导电上电极。
3.根据权利要求2所述的像素，其中所述压电层选自聚偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物(PVDF-TrFE)和PVDF。
4.根据权利要求2所述的像素，其中所述光器件包括在透明导电上电极之间插入的液晶(LC)层；并且
其中所述透明导电上电极和所述光器件的控制电极是相同的电极。
5.根据权利要求2所述的像素，还包括：
启动接口；和
第一开关，其具有连接到所述数据接口的端子、连接到所述压电换能器/存储电容器的端子和连接到所述启动接口以选择性地启动所述第一开关的控制端口。
6.根据权利要求2所述的像素，其中所述光器件是发光二极管(LED)。
7.根据权利要求6所述的像素，还包括：
启动接口；
第一开关，其具有连接到所述数据接口的第一端子、连接到所述压电换能器的第二端子和连接到所述启动接口以选择性地启动所述第一开关的控制端口；和
第一薄膜晶体管(TFT)，其具有栅极、源极和漏极，所述栅极连接到所述第一开关的所述第二端子；并且
其中所述LED具有连接到所述第一TFT的所述源极的阴极。
8.根据权利要求1所述的像素，还包括：
启动接口；和
第一开关，其具有连接到所述数据接口和所述压电换能器的端子、连接到所述启动接口以选择性地启动所述第一开关的控制端口和连接到所述存储电容器和光器件的端子。
9.一种视频显示器，其包括：
发射超声信号的平面压电发射器；和
包括多个像素的显示面板，每个像素具有数据接口以接受具有与一系列光强度值相关联的可变电压的视频信号，并提供具有来源于一系列反射的超声信号能量的可变电压的触摸信号。
10.根据权利要求9所述的显示器，其中每个像素包括：
光器件，其提供具有响应于所述视频信号电压的强度的光；
存储电容器，其在刷新周期之间维持视频信号电压；以及
压电换能器，其接受反射的超声信号能量并在刷新周期之间维持触摸信号电压。
11.根据权利要求10所述的显示器，其中所述存储电容器包括在下电极和透明上电极之间插入的电介质层；
其中所述压电换能器包括在下电极和透明上电极之间插入的压电层；
其中每个像素还包括：
启动接口；以及
第一开关，其具有连接到所述数据接口和所述压电换能器的上电极的端子、连接到所述启动接口以选择性地启动所述第一开关的控制端口和连接到所述存储电容器的上电极和光器件的端子。
12.根据权利要求9所述的显示器，还包括：
控制器，其包括：
提供视频信号的视频数据总线输出；
接受触摸信号的触摸信号数据总线输入；
提供开关控制信号的控制信号总线输出；以及
多个开关，每个开关具有连接到相应像素的所述数据接口的第一端子、响应于开关控制信号而选择性地能够接合到选自所述视频数据总线输出和所述触摸信号数据总线输入的总线的第二端子、和连接到所述开关控制信号总线的控制信号接口。
13.根据权利要求12所述的显示器，其中所述控制器还包括连接到所述多个像素以提供启动信号的启动总线输出；并且
其中响应于所述启动信号启动多个像素的所述数据接口。
14.一种用于操作触敏视频显示像素的方法，所述方法包括：
视频显示像素以周期性的刷新周期速率接受视频信号电压；
在刷新周期之间维持所述视频信号电压；
所述视频显示像素提供具有响应于所述视频信号电压的强度的光；
接受反射的超声信号；
维持来源于反射的超声信号能量的触摸信号电压；以及
所述视频显示像素以刷新周期速率提供所述触摸信号电压。
15.根据权利要求14所述的方法，其中维持所述视频信号电压和维持所述触摸信号电压包括，使用公用压电换能器/存储电容器维持所述视频信号电压和触摸信号电压两者。
16.根据权利要求14所述的方法，其中接受所述视频信号电压和提供所述触摸信号电压包括，经由公用接口接受所述视频信号电压和提供所述触摸信号电压。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括：
响应于比较所述触摸信号电压和所述视频信号电压，确定位于附近的物体。
18.一种用于操作触敏视频显示器的方法，所述方法包括：
平面压电发射器向显示器前表面发射超声信号；
在所述前表面下面且包括多个像素的视频显示面板中的每个像素，以周期性的刷新周期速率被选择性地启动以接受视频信号电压；
每个像素在刷新周期之间维持所述视频信号电压；
每个像素提供具有响应于所述视频信号电压的强度的光；
每个像素接受反射的超声信号；
每个像素维持来源于反射的超声信号能量的触摸信号电压；以及
每个像素以所述刷新周期速率被选择性地启动以提供所述触摸信号电压。
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