CN109753867A - 指纹传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种指纹传感器。该指纹传感器包括第一线、第二线和第三线以及联接到第一线、第二线和第三线的单元传感器。单元传感器包括：像素电极，联接在第一线与第二线之间；第一电容元件，联接在第一线与像素电极之间；第二电容元件，联接在第二线与像素电极之间；开关元件，联接在所述第一线、所述第二线、相邻的单元传感器的第一线和所述相邻的单元传感器的第二线中的一个与像素电极之间，并包括联接到第三线的控制电极；以及第三电容元件，联接在第三线与像素电极之间，其中第一电容元件和第二电容元件中的至少一个包括可变电容元件。

Description

指纹传感器
技术领域
本发明的示范性实施方式总地涉及一种指纹传感器，更具体地，涉及包括该指纹传感器的显示装置。
背景技术
近来，诸如智能手机和平板PC的显示装置用于各种目的。例如，电子金融交易中的显示装置被广泛用于实现使用用户的生物计量信息的认证方法。使用用户的指纹的认证方法可以是各种生物计量认证方法当中的最常见的方法。因而，对于指纹传感器和包括该指纹传感器的显示装置的需求正在快速增长。
在本背景部分中公开的以上信息仅用于理解本发明构思的背景，因此，它可以包含不构成现有技术的信息。
发明内容
本发明的示范性实施方式提供一种具有高灵敏度的指纹传感器以及包括该指纹传感器的显示装置。
本发明构思的另外的特征将在下面的描述中阐述，并将部分地从该描述变得明显，或者可以通过本发明构思的实践而知晓。
将理解，以上的一般性描述和下面的详细描述都是示范性和解释性的，并旨在提供对要求保护的本发明的进一步说明。
根据一示范性实施方式的指纹传感器包括第一线、第二线和第三线以及联接到第一线、第二线和第三线的单元传感器。单元传感器包括：像素电极，联接在第一线与第二线之间；第一电容元件，联接在第一线与像素电极之间；第二电容元件，联接在第二线与像素电极之间；开关元件，联接在所述第一线、所述第二线、相邻的单元传感器的第一线和所述相邻的单元传感器的第二线中的一个与像素电极之间，并包括联接到第三线的控制电极；以及第三电容元件，联接在第三线与像素电极之间，其中第一电容元件和第二电容元件中的至少一个包括可变电容元件。
指纹传感器还可以包括第四线，该第四线设置在单元传感器周围并配置为在第四线与像素电极之间形成寄生电容。
第四线可以围绕像素电极。
第一线和第二线可以在不同的方向上延伸以彼此交叉，并且像素电极可以设置在由第一线和第二线限定的单元区域中。
像素电极可以具有圆形形状。
第一电容元件和第二电容元件中的至少一个可以包括金属绝缘体半导体(MIS)或金属绝缘体半导体金属(MISM)电容元件。
第一线可以提供为多个，第二线可以提供为多个，单元传感器可以提供为多个，并且该多个单元传感器可以设置在与第一线和第二线之间的交叉点对应的相应单元区域中。
指纹传感器还可以包括第四线，该第四线设置在该多个单元传感器之间并配置为在第四线与每个单元传感器的像素电极之间形成寄生电容。
在初始化时段期间，该多个单元传感器可以通过第三线被同时提供有初始化信号，并且在初始化信号被提供的时段期间，第一线和第二线中的联接到开关元件的线可以被同时提供有复位电压。
在初始化信号被提供的时段期间，第四线可以被提供有复位电压。
在初始化时段之后的感测时段期间，第一线可以被相继地提供有驱动信号，并且在感测时段期间，感测信号可以通过第二线输出。
每个单元传感器的像素电极可以设置在第一线与第二线之间的区域中。
每个单元传感器的像素电极可以设置在第一线与第二线之间的交叉点之上，使得像素电极与第一线和第二线中的任何一个重叠。
根据一示范性实施方式的显示装置包括显示面板和指纹传感器，该显示面板包括设置在显示区域中的显示像素。该指纹传感器包括设置在与显示区域重叠的指纹感测区域中的多个第一线和多个第二线以及至少一个第三线、以及联接到第一线和第二线及第三线的多个单元传感器。该多个单元传感器中的至少一个包括：像素电极，联接在所述多个第一线和所述多个第二线中的预定的第一线与第二线之间；第一电容元件，联接在所述预定的第一线与像素电极之间；第二电容元件，联接在所述预定的第二线与像素电极之间；开关元件，联接在所述预定的第一线、所述预定的第二线、相邻的单元传感器的第一线和所述相邻的单元传感器的第二线中的一个与像素电极之间，并包括联接到第三线的控制电极；以及第三电容元件，联接在第三线与像素电极之间，其中第一电容元件和第二电容元件中的至少一个包括可变电容元件。
整个显示区域可以被设定为对应于指纹感测区域。
显示区域的一部分可以被设定为对应于指纹感测区域，并且显示区域的另一部分可以被设定为对应于触摸感测区域。
指纹感测区域和触摸感测区域可以包括设置在相同的传感器基板上的像素电极和触摸电极。
显示装置还可以包括：触摸传感器，提供在指纹传感器周围并配置为与显示区域重叠；传感器驱动电路，配置为驱动触摸传感器和指纹传感器；以及选择电路，配置为将触摸传感器或指纹传感器选择性地联接到传感器驱动电路。
选择电路可以配置为响应于第一模式将触摸传感器的输入/输出线同时联接到传感器驱动电路，并响应于第二模式将第一线和第二线分成多个组并且将每个组中的第一线和第二线交替地联接到传感器驱动电路。
显示装置还可以包括第四线，该第四线设置在该多个单元传感器之间并配置为在第四线与每个单元传感器的像素电极之间形成寄生电容。
在初始化时段期间，该多个单元传感器可以通过第三线被同时提供有初始化信号，并且在初始化信号被提供的时段期间，第一线和第二线中的联接到开关元件的线可以被同时提供有复位电压。
在初始化信号被提供的时段期间，第四线可以被提供有复位电压。
在初始化时段之后的感测时段期间，第一线可以被相继地提供有驱动信号，并且在感测时段期间，感测信号可以通过第二线输出。
每个单元传感器的像素电极可以具有圆形形状，并且第四线可以与每个单元传感器的像素电极间隔开预定距离并在该多个单元传感器之间的区域中具有网格形状。
每个单元传感器的像素电极可以设置在第一线与第二线之间的区域中。
每个单元传感器的像素电极可以设置在第一线与第二线之间的交叉点之上，使得像素电极与第一线和第二线中的任何一个重叠。
附图说明
附图示出本发明的示范性实施方式，并与说明书一起用于解释本发明构思，附图被包括以提供本发明的进一步理解并被并入且构成本说明书的一部分。
图1是根据本发明的一示范性实施方式的显示装置的分解图。
图2是根据本发明的一示范性实施方式的显示装置的分解图。
图3是根据本发明的一示范性实施方式的显示装置的分解图。
图4是示出根据本发明的一示范性实施方式的指纹传感器的原理的示意图。
图5是示出根据本发明的一示范性实施方式的传感器单元的指纹感测区域的图。
图6是示出根据本发明的一示范性实施方式的传感器单元和传感器电路单元的图。
图7A和图7B是示出根据本发明的示范性实施方式的单元传感器的图。
图8是示出根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器的图。
图9是示出根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器的图。
图10是示出根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器的图。
图11A和图11B是示出根据本发明的示范性实施方式的单元传感器的图。
图12是示出根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器的图。
图13是示出根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器的图。
图14是示出根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器的驱动时序的图。
图15A、图15B和图15C是示出根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器的操作过程的图。
图16A、图16B和图16C是示出根据本发明的一示范性实施方式的指纹传感器的操作过程的图。
图17是示出耦合方法之间的模糊发生的差异的图。
图18A和图18B分别示出在单元传感器的单独耦合操作和同时耦合操作期间形成在指纹传感器与用户的手指之间的电场。
图19A和图19B分别示出根据本发明的一示范性实施方式和比较实施方式的从单元传感器检测的电荷量。
图20是示出根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器的布局的图。
图21是根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器的剖视图。
图22是示出根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器的布局的图。
图23是示出根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器的布局的图。
图24A、图24B、图24C和图24D是根据本发明的示范性实施方式的可变电容元件的示意性剖视图。
具体实施方式
在以下的描述中，为了解释的目的，许多具体细节被阐述以提供对本发明的各种示范性实施方式或实施方案的全面理解。当在这里使用时，“实施方式”和“实施方案”是可互换的词语，其是采用这里公开的一个或更多个发明构思的装置或方法的非限制性示例。然而，显然地，各种示范性实施方式可以被实践而没有这些具体细节或者通过一个或更多个等同布置。在其它情况下，公知的结构和装置以方框图形式示出以避免不必要地模糊各种示范性实施方式。此外，各种示范性实施方式可以是不同的，但不必是排他的。例如，示范性实施方式的特定形状、配置和特性可以在另一示范性实施方式中使用或实施而没有背离本发明构思。
除非另外地说明，否则示出的示范性实施方式将被理解为提供可在实践中实现本发明构思的一些方式的不同细节的示范性特征。因此，除非另外地说明，否则各种实施方式的特征、部件、模块、层、膜、面板、区域和/或方面等(在下文，单独地或统称为“元件”)可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置，而没有背离本发明构思。
附图中交叉影线和/或阴影的使用通常被提供来阐明相邻的元件之间的边界。因此，交叉影线或阴影的存在与否都不传达或表明对示出的元件之间的特定材料、材料性质、尺寸、比例、共性和/或元件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或要求，除非说明。此外，在附图中，为了清楚和/或描述的目的，元件的尺寸和相对尺寸可以被夸大。当一示范性实施方式可以被不同地实现时，特定的工艺次序可以与所描述的次序不同地执行。例如，两个连续描述的工艺可以基本上同时执行或者以与所描述的次序相反的次序执行。此外，相同的附图标记表示相同的元件。
当一元件诸如一层被称为在另一元件或层“上”、或者“连接到”或“联接到”另一元件或层时，它可以直接在所述另一元件或层上，或者直接连接或联接到所述另一元件或层，或者可以存在居间的元件或层。然而，当一元件或层被称为“直接在”另一元件或层“上”、或者“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，没有居间的元件或层存在。为此，术语“连接”可以指物理连接、电连接和/或流体连接，具有或不具有居间的元件。此外，D1轴、D2轴和D3轴不限于直角坐标系的三个轴，诸如x轴、y轴和z轴，并可以在更广泛的意义上解释。例如，D1轴、D2轴和D3轴可以彼此垂直，或者可以表示彼此不垂直的不同方向。为了本公开的目的，“X、Y和Z中的至少一个”和“从由X、Y和Z组成的组中选择的至少一个”可以被解释为仅X、仅Y、仅Z、或者X、Y和Z中的两个或更多个的任何组合，诸如例如XYZ、XYY、YZ和ZZ。当在这里使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的一个或更多个的任何和所有组合。
尽管这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种类型的元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语用于将一个元件与另一元件区别开。因此，下面讨论的第一元件可以被称为第二元件，而没有背离本公开的教导。
为了描述的目的，这里可以使用空间关系术语诸如“在……之下”、“在……下面”、“在……下方”、“下”、“在……之上”、“上”、“在……上面”、“更高”、“侧”(例如，如在“侧壁”中)等，从而用来描述如附图所示的一个元件与另一个(些)元件的关系。除了附图中绘出的取向之外，空间关系术语还旨在涵盖装置在使用、操作和/或制造中的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为“在”另外的元件或特征“下面”或“之下”的元件将会取向“在”所述另外的元件或特征“之上”。因此，示范性术语“在……下面”能够涵盖之上和之下两种取向。此外，装置可以另外地取向(例如旋转90度或处于另外的取向)，因而，这里使用的空间关系描述语被相应地解释。
这里使用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的，不旨在进行限制。当在这里使用时，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外表示。此外，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在，但是不排除一个或更多其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。还应注意，当在这里使用时，术语“基本上”、“约”和类似术语用作近似的术语而不用作程度的术语，因而，用于说明测量值、计算值和/或提供的值上的固有偏差，如本领域普通技术人员将认识到的。
这里参照截面图和/或分解图描述了各种示范性实施方式，所述截面图和/或分解图是理想化的示范性实施方式和/或中间结构的示意图。因而，由于例如制造技术和/或公差引起的图示形状的变化将是可预期的。因此，这里公开的示范性实施方式不应被必然地解释为限于区域的具体示出的形状，而是将包括例如由制造引起的形状偏差。以这种方式，附图中示出的区域可以在本质上是示意性的，这些区域的形状可以不反映装置的区域的实际形状，因而不必旨在进行限制。
除非另外地限定，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本公开是其一部分的领域内的普通技术人员通常理解的相同的含义。术语诸如通用词典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关领域的背景下的含义一致的含义，而不应被解释为理想化或过度形式化的意义，除非这里明确地如此限定。
图1是根据本发明的一示范性实施方式的显示装置100的分解图。
参照图1，显示装置100包括显示面板110和设置在显示面板110的一个表面上的传感器单元140。尽管图1示出显示面板110和传感器单元140被分开地提供，但是本发明构思不限于此。例如，根据一示范性实施方式，传感器单元140可以与显示面板110一体地形成。此外，尽管图1示出传感器单元140设置在显示面板110上面(例如在显示面板110与窗口160之间)，但是本发明构思不限于此，传感器单元140的位置可以改变，诸如在显示面板110下面。
显示装置100还可以包括设置在显示面板110的图像显示表面(例如前表面)侧上的偏振层120和窗口160。例如，偏振层120可以设置在显示面板110与传感器单元140之间，窗口160可以是显示装置100的最上面的层。在一示范性实施方式中，偏振层120和窗口160中的至少一个可以被省略，或者与显示面板110和/或传感器单元140一体地形成。
显示装置100还可以包括设置在显示面板110与传感器单元140之间的第一粘合层130以及设置在传感器单元140与窗口160之间的第二粘合层150。第一粘合层130和第二粘合层150可以是基本上透明的以使光从其穿过，并且其材料不被特别地限制。在一示范性实施方式中，第一粘合层130和第二粘合层150中的至少一个可以被省略。例如，当传感器单元140与显示面板110、偏振层120和/或窗口160一体地形成时，第一粘合层130和第二粘合层150中的至少一个可以被省略。
显示面板110包括设置在显示区域DA中的多个显示像素112。显示面板110可以联接到显示驱动器并由显示驱动器驱动。显示面板110可以具有各种结构并可以以本领域公知的各种方法驱动。
传感器单元140可以包括指纹感测区域FSA。在一示范性实施方式中，指纹感测区域FSA可以与显示区域DA重叠。例如，显示区域DA的一部分可以被设定为对应于指纹感测区域FSA。
传感器单元140还可以包括设置在指纹感测区域FSA中的多个单元传感器142。一组单元传感器142形成指纹传感器(例如指纹传感器的传感器单元)。单元传感器142可以是指纹传感器的用于读取图像的图像像素。
提供在指纹感测区域FSA中的单元传感器142的形状、尺寸、数量、分辨率和/或布置结构不被限制。然而，单元传感器142可以分布在指纹感测区域FSA中并具有精细尺寸和高分辨率以感测用户的指纹。此外，单元传感器142可以规则地布置在指纹感测区域FSA中，但是本发明构思不限于此。在一实施方式中，单元传感器142可以不规则地布置在指纹感测区域FSA上。或者，指纹感测区域FSA可以被划分为多个区域，并且单元传感器142可以以不同的密度设置在所划分的区域上。
根据一示范性实施方式的显示装置100可以使用由单元传感器142形成的指纹传感器来感测指纹感测区域FSA中的用户的指纹。例如，每个单元传感器142可以包括像素电极，该像素电极配置为响应于触摸事件而与接触手段(诸如用户的手指)形成接触电容。使用单元传感器142，显示装置100可以通过感测像素电极与手指之间的电容来感测指纹的形状，该电容可以取决于指纹的形状(例如由指纹的脊和谷形成的图案)而变化。
图2和图3是根据示范性实施方式的显示装置的分解图。在图2和图3中，相同的附图标记用于表示与图1中的元件相同或相似的元件，因此，将省略对其的重复描述以避免冗余。
参照图2，整个显示区域DA可以被设定为对应于指纹感测区域FSA。例如，显示区域DA和指纹感测区域FSA可以基本上具有相同的尺寸(或面积)并彼此完全重叠。在这种情况下，单元传感器142可以分布在显示区域DA的整个表面上。
参照图3，显示区域DA的一部分可以被设定为对应于指纹感测区域FSA，并且显示区域DA的另一部分可以被设定为对应于触摸感测区域TSA。例如，除了对应于指纹感测区域FSA的部分之外的整个显示区域DA可以被设定为对应于触摸感测区域TSA。或者，触摸感测区域TSA和指纹感测区域FSA可以彼此重叠。在这种情况下，传感器单元140可以由能够感测指纹和触摸两者的指纹和触摸传感器单元形成。传感器单元140的感测区域SA可以包括指纹感测区域FSA和触摸感测区域TSA。
在一示范性实施方式中，多个触摸电极144可以设置在触摸感测区域TSA中。一组触摸电极144可以形成触摸传感器(例如触摸传感器的传感器单元)。触摸传感器可以具有各种结构并可以以本领域公知的各种方法来驱动。例如，触摸传感器可以是自电容传感器或互电容传感器。更具体地，触摸电极144可以由自电容电极(其响应于触摸事件而与接触手段(诸如用户的手指)形成电容)形成，或者由在不同的方向上延伸和/或彼此连接以形成互电容的驱动电极和感测电极形成。
提供在触摸感测区域TSA中的触摸电极144的形状、尺寸、数量、分辨率和/或布置结构不被特别地限制。然而，分布在触摸感测区域TSA中的触摸电极144可以具有能够感测触摸输入的尺寸和分辨率。例如，分布在触摸感测区域TSA中的触摸电极144可以每个具有比指纹传感器的单个单元传感器142的尺寸大的尺寸，并可以具有比单元传感器142的分辨率低的分辨率。
图4是示出根据本发明的一示范性实施方式的指纹传感器的原理的示意图。
参照图4，传感器单元140可以包括传感器基板141和提供在传感器基板141上的多个像素电极PX。每个像素电极PX可以设置在对应的单元传感器区域142中。
在一示范性实施方式中，传感器基板141可以是基本上透明的。例如，当传感器单元140设置在显示面板110的前表面之上(在图像显示表面侧)时，传感器基板141可以包括具有预定透光率范围的透明或半透明材料。在一示范性实施方式中，传感器基板141可以是包括诸如玻璃或塑料的材料的薄膜基板，然而，其材料或厚度范围不被限制。例如，传感器基板141可以包括各种材料，例如由塑料(诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))制成的透明薄膜基板、透明或有色的聚酰亚胺(PI)基板、以及玻璃基板。
在一示范性实施方式中，传感器基板141可以与显示面板110分开地提供，或者是显示面板110的至少一个基板和/或绝缘层。例如，传感器基板141可以是与显示面板110分开且设置有传感器的基板，或者是显示面板110的上基板或薄膜封装层。
在一示范性实施方式中，像素电极PX可以是基本上透明的。例如，像素电极PX可以包括具有预定透光率范围的透明或半透明材料，或者具有能够拥有透光率条件的结构。
例如，像素电极PX可以包括金属、透明的导电材料和其它各种导电材料中的至少一种，因此具有预定的导电性。当像素电极PX包括不透明材料时，像素电极PX的厚度可以被限制，或者像素电极PX可以形成为网格形状以确保其透光率。此外，每个像素电极PX可以具有单层结构或多层结构。例如，每个像素电极PX可以具有双层结构，该双层结构包括由透明材料形成的平面电极以及与平面电极重叠的网格形状的金属电极。如上所述，像素电极PX的材料、厚度、结构等可以被不同地修改。
像素电极PX可以包括各种金属(包括金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、钼(Mo)、铬(Cr)、钛(Ti)、镍(Ni)、钕(Nd)、铜(Cu)、铂(Pt)等)中的至少一种、或其合金。或者，像素电极PX可以包括透明的导电材料，诸如银纳米线(AgNW)、铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)、锑锌氧化物(AZO)、铟锡锌氧化物(ITZO)、锌氧化物(ZnO)、锡氧化物(SnO2)、碳纳米管和石墨烯等。此外，像素电极PX可以包括各种导电材料中的至少一种。
当用户的手指(特别地，指纹区域)接触传感器单元140的指纹感测区域FSA时，对应区域中的每个像素电极PX与手指形成电容Cr1、Cv、Cr2。电容Cr1、Cv和Cr2可以形成在像素电极PX与手指之间，并且电容Cr1、Cv和Cr2的大小可以取决于用户的指纹的形状(或图案)而彼此不同。
具体地，当指纹的脊接触指纹感测区域FSA时，与当指纹的谷接触指纹感测区域FSA时相比，像素电极PX与手指之间的距离相对小。因此，在与指纹的谷和脊对应的区域中，在像素电极PX与手指之间形成具有不同大小的电容Cr1、Cv和Cr2。例如，形成在像素电极PX与指纹的脊之间的电容Cr1或Cr2的大小可以大于形成在像素电极PX与指纹的谷之间的电容Cv的大小。因而，指纹的形状可以通过确定电容Cr1、Cv和Cr2之间的偏差来感测。
为了检测电容Cr1、Cv和Cr2之间的偏差，通常可以使用电流感测型指纹传感器，其包括联接到每个像素电极PX并配置为发送与施加到像素电极PX的电压的电平对应的电流的晶体管，因此使用晶体管的I-V(电流-电压)特性。例如，形成在相应的单元传感器142上的电容Cr1、Cv和Cr2之间的偏差可以通过感测流过晶体管的驱动电流并计算与驱动电流对应的电压来确定。
然而，在传统的电流感测方案中，电流偏差会取决于晶体管的特性偏差而产生。晶体管的特性可以取决于温度、外部光和/或劣化而变化，这会降低指纹传感器的可靠性。
根据本发明的一示范性实施方式的指纹传感器可以具有改善的结构并使用能够基于像素电极PX与手指之间形成的电容Cr1、Cv和Cr2之间的偏差利用C-V(电容-电压)特性感测指纹的形状的方案。通过使用C-V特性，可以显著减小晶体管特性的取决于特性偏差、温度和/或外部光的变化。例如，即使当环境条件诸如温度或外部光改变时，最小电容Cmin和最大电容Cmax的值也可以保持恒定，并且仅过渡部分中的曲线的倾斜度和/或形状可以改变。因而，可以提高指纹传感器的可靠性。将详细描述根据示范性实施方式的指纹传感器的结构和驱动该指纹传感器的方法。
图5是示出根据本发明的一示范性实施方式的传感器单元140的指纹感测区域FSA的图。
参照图5，多个驱动线(第一线)Tx1至TxN(N是2或更大的自然数)、感测线(第二线)Rx1至RxM(M是2或更大的自然数)、以及至少一个初始化信号线(第三线)VINIT可以设置在指纹感测区域FSA中。单元传感器142可以设置在与驱动线Tx1至TxN和感测线Rx1至RxM之间的交叉点对应的相应单元区域中。例如，联接到驱动线Tx1至TxN、感测线Rx1至RxM以及初始化信号线VINIT的单元传感器142可以提供在由驱动线Tx1至TxN和感测线Rx1至RxM限定的相应单元区域中。驱动线Tx1至TxN、感测线Rx1至RxM、初始化信号线VINIT和单元传感器142可以形成指纹传感器的传感器单元(例如指纹感测区域FSA)。
驱动线Tx1至TxN可以设置在指纹感测区域FSA上并在第一方向上延伸。例如，驱动线Tx1至TxN可以设置在相应的行上并在X轴方向上延伸。在预定的感测时段期间，驱动线Tx1至TxN可以相继地从传感器驱动电路接收驱动信号，并将驱动信号相继地传输到提供在相应行上的单元传感器142。
感测线Rx1至RxM可以设置在指纹感测区域FSA上并分别与驱动线Tx1至TxN交叉。例如，感测线Rx1至RxM可以设置在相应的列上并在与第一方向交叉的第二方向(例如Y轴方向)上延伸。在预定的感测时段期间，感测线Rx1至RxM可以从单元传感器142接收与驱动信号对应的感测信号，并将感测信号传输到传感器驱动电路。响应于接收到感测信号，传感器驱动电路可以基于感测信号感测指纹的形状。
在一示范性实施方式中，在预定的初始化时段期间，驱动线Tx1至TxN或感测线Rx1至RxM可以同时接收复位电压并将复位电压传输到单元传感器142。例如，驱动线Tx1至TxN或感测线Rx1至RxM可以联接到单元传感器142的开关元件，以在初始化时段期间将复位电压传输到开关元件，其中开关元件被导通。
初始化信号线VINIT可以在预定的初始化时段期间向单元传感器142提供初始化信号。图5示出设置在指纹感测区域FSA上的多个初始化信号线VINIT(其对应于指纹传感器的每个水平行)，但是本发明构思不限于此。例如，初始化信号线VINIT可以在预定的初始化时段期间向单元传感器142同时提供初始化信号，并可以集成到指纹感测区域FSA内部和/或外部的单个线中。在这种情况下，初始信号线VINIT可以形成为单个网格线。
驱动线Tx1至TxN、感测线Rx1至RxM、初始化信号线VINIT和单元传感器142可以形成指纹传感器的传感器单元140。在一示范性实施方式中，传感器单元140可以设置在显示区域DA的整个表面上，因此形成整个表面指纹传感器。在这种情况下，可以在显示区域DA的整个区域上感测指纹。此外，根据一示范性实施方式的指纹传感器可以配置为响应于触摸输入来检测电容的差异。因此，指纹传感器可以用作触摸传感器。具体地，可以在显示区域DA的整个区域上检测触摸输入和/或指纹。
图6是示出根据本发明的一示范性实施方式的传感器单元140和传感器电路单元的图。在一示范性实施方式中，图6的传感器单元140和传感器电路单元可以提供在显示装置100中。
参照图6，根据一示范性实施方式的传感器单元140可以包括感测区域SA，感测区域SA包括指纹感测区域FSA和触摸感测区域TSA。在一示范性实施方式中，触摸感测区域TSA可以设置在指纹感测区域FSA周围，使得触摸感测区域TSA不与指纹感测区域FSA重叠。具体地，传感器单元140可以包括提供在指纹感测区域FSA中的指纹传感器以及提供在指纹传感器周围并配置为与显示区域DA重叠的触摸传感器。然而，本发明构思不限于此，触摸感测区域TSA和指纹感测区域FSA可以至少部分地彼此重叠或者设定为相同的区域。
指纹感测区域FSA可以包括多个单元传感器142，每个单元传感器142联接到对应的驱动线TxI(I是N或更小的自然数)、对应的感测线RxJ(J是M或更小的自然数)和初始化信号线VINIT。例如，设置在指纹感测区域FSA中的第I行和第J列上的单元传感器142可以至少联接到第I驱动线TxI、第J感测线RxJ和初始化信号线VINIT。
触摸感测区域TSA可以包括多个触摸电极144。例如，触摸感测区域TSA可以包括在第一方向上延伸的多个第一触摸电极144a以及在第二方向上延伸的多个第二触摸电极144b。在一示范性实施方式中，第一触摸电极144a和第二触摸电极144b可以分别是互电容驱动电极和互电容感测电极。例如，第一触摸电极144a可以联接到驱动线T_Tx用于触摸感测，第二触摸电极144b可以联接到感测线T_Rx用于触摸感测。然而，本发明构思不限于此，并且触摸感测区域TSA的结构可以以各种方式改变。
在一示范性实施方式中，用于检测指纹的单元传感器142和用于检测触摸输入的触摸电极144可以形成在相同的传感器基板141上。例如，触摸电极144和单元传感器142的像素电极PX可以形成在传感器基板141的相同表面上并通过相同的工艺彼此间隔开。
传感器单元140可以通过驱动线T_Tx、Txo和Txe以及感测线T_Rx、Rxo和Rxe联接到传感器电路单元170。传感器电路单元170可以包括至少传感器驱动电路172并使用传感器驱动电路172驱动传感器单元140。初始化信号线VINIT可以直接或间接地联接到传感器驱动电路172，或者联接到另一电源电路等。
在一示范性实施方式中，触摸传感器和指纹传感器可以由以相同的方案和/或原理操作的传感器实现。例如，触摸传感器和指纹传感器两者可以使用配置为在至少感测时段期间以互电容方案检测触摸输入或指纹的传感器。
在这种情况下，单个传感器驱动电路172可以用于驱动触摸传感器和指纹传感器两者。例如，传感器驱动电路172可以包括感测电路，该感测电路可以使用要输入到每个Rx通道的电压来感测电容的变化。作为另一示例，传感器驱动电路172可以包括多个感测通道(Rx通道)，每个感测通道包括由积分器配置的模拟前端(AFE)。
在一示范性实施方式中，传感器电路单元170还可以包括联接在传感器单元140与传感器驱动电路172之间的选择电路174。选择电路174可以响应于控制信号CS将触摸传感器或指纹传感器(例如触摸传感器或指纹传感器的传感器单元)选择性地联接到传感器驱动电路172。例如，选择电路174可以响应于接收到与触摸感测模式(第一模式)对应的控制信号CS而将触摸传感器的触摸电极144联接到传感器驱动电路172，并响应于与指纹感测模式(第二模式)对应的控制信号CS而将指纹传感器的单元传感器142联接到传感器驱动电路172。
在一示范性实施方式中，在选择电路174与传感器驱动电路172之间，传感器单元140还可以包括与触摸传感器和指纹传感器中的任何一个的输入/输出线的数量对应的输入/输出通道，触摸传感器和指纹传感器中的所述任何一个具有较少数量的输入/输出线(例如驱动线T_Tx、Txo和Txe以及感测线T_Rx、Rxo和Rxe)。
例如，当触摸传感器具有P(P是自然数)个驱动线(输入线)T_Tx和Q(Q是自然数)个感测线(输出线)T_Rx，并且感测传感器具有N个驱动线Tx1至TxN(N为2P)和M个感测线Rx1至RxM(M为2Q)(其数量分别对应于2P和2Q)时，并且当与触摸感测模式对应的控制信号CS被提供时，选择电路174可以将触摸传感器的驱动线T_Tx和感测线T_Rx同时联接到传感器驱动电路172。此外，当与指纹感测模式对应的感测信号CS被提供时，选择电路174可以将指纹传感器的驱动线Txo和Txe以及感测线Rxo和Rxe分成多个组，并将每组的驱动线Txo和Txe以及感测线Rxo和Rxe交替地联接到传感器驱动电路172。
例如，当与指纹感测模式对应的感测信号CS被提供时，指纹传感器可以以分时方案驱动，其中选择电路174将指纹传感器的驱动线Txo和Txe以及感测线Rxo和Rxe分为多个组，并将每组的驱动线Txo和Txe以及感测线Rxo和Rxe交替地联接到传感器驱动电路172。例如，选择电路174可以将驱动线Txo和Txe以及感测线Rxo和Rxe分为奇数线和偶数线的组，并将它们的组合(例如奇数驱动线Txo和奇数感测线Rxo、奇数驱动线Txo和偶数感测线Rxe、偶数驱动线Txe和奇数感测线Rxo、偶数驱动线Txe和偶数感测线Rxe)交替地联接到传感器驱动电路172。在这种情况下，选择电路174可以实现为1:5多路分配器。
如上所述，根据一示范性实施方式的用于分别驱动触摸传感器和指纹传感器的触摸驱动电路和指纹驱动电路可以形成为单个集成的传感器驱动电路172。此外，由于选择电路174的操作模式使用控制信号CS来控制(或切换)，所以可以减少传感器驱动电路172的输入/输出通道的数量，并且触摸驱动电路也可以用作指纹驱动电路。此外，即使在触摸感测模式下也可以操作指纹感测区域FSA的单元传感器142中的至少一些，因此，也可以在指纹感测区域FSA上感测触摸输入。因此，现有的触摸驱动电路也可以用作指纹驱动电路，从而可以简化传感器电路单元170的结构，并可以降低制造成本。
图7A、图7B、图8和图9是示出根据本发明的示范性实施方式的单元传感器142的图。根据一示范性实施方式，图7A至图9所示的每个单元传感器142的结构可以被应用于形成指纹传感器的单元传感器142中的至少一个。例如，单元传感器142可以具有基本上相同的结构。
参照图7A至图9，至少一个驱动线TxI、至少一个感测线RxJ和初始化信号线VINIT可以设置在每个单元传感器142周围。每个单元传感器142可以联接到对应的驱动线TxI、对应的感测线RxJ和初始化信号线VINIT。在一示范性实施方式中，如图7B至图9所示，公共电源线(第四线)VCOM可以进一步设置在单元传感器142周围。公共电源线VCOM可以是可选的部件。例如，如图7A所示，公共电源线VCOM可以被省略。
每个单元传感器142可以包括像素电极PX、开关元件T1、第一电容元件C1、第二电容元件C2和第三电容元件C3。
像素电极PX可以联接在对应的驱动线TxI与对应的感测线RxJ之间。响应于接触手段(诸如用户的手指)的接触，像素电极PX可以与接触手段形成接触电容Cf。接触电容Cf的大小可以取决于像素电极PX与接触手段之间的距离而变化。
开关元件T1可以联接在驱动线TxI与像素电极PX之间。开关元件T1的控制电极可以联接到初始化信号线VINIT。例如，开关元件T1可以联接在驱动线TxI与像素电极PX之间，并由具有联接到初始化信号线VINIT的栅电极的晶体管元件实现。开关元件T1可以在预定的初始化时段期间响应于从初始化信号线VINIT提供的栅极导通电压而导通，并在初始化时段期间将提供给驱动线TxI的复位电压传输到像素电极PX。在除了初始化时段之外的剩余时段期间(例如，在除了执行触摸感测模式的时段的初始化时段之外的剩余时段期间)，开关元件T1可以响应于从初始化信号线VINIT提供的栅极截止电压而关断。因而，像素电极PX可以在除了初始化时段之外的剩余时段期间被浮置。
第一电容元件C1可以联接在驱动线TxI与像素电极PX之间。第二电容元件C2可以联接在感测线RxJ与像素电极PX之间。更具体地，第一电容元件C1和第二电容元件C2可以提供有插设在其间的像素电极PX，并且联接在对应的驱动线TxI与对应的感测线RxJ之间。
在一示范性实施方式中，第一电容元件C1和第二电容元件C2中的至少一个可以包括可变电容元件，其电容取决于施加到其的电压而变化。例如，第一电容元件C1和第二电容元件C2中的至少一个可以是金属绝缘体半导体(MIS)或金属绝缘体半导体金属(MISM)电容元件。例如，如图7A和图7B所示，第一电容元件C1和第二电容元件C2两者可以由可变电容元件形成。或者，如图8所示，仅第一电容元件C1可以由可变电容元件形成。作为另一替代方案，仅第二电容元件C2可以由可变电容元件形成，如图9所示。
第三电容元件C3可以联接在初始化信号线VINIT与像素电极PX之间。在一示范性实施方式中，第三电容元件C3可以由固定电容元件形成，该固定电容元件具有恒定的电容而与施加到其的电压无关。在这种情况下，由于第三电容元件C3，可以确保在耦合操作期间像素电极PX中的足够量的电压变化。
公共电源线VCOM可以在第一方向和/或第二方向上设置在指纹感测区域FSA的单元传感器142之间。因而，寄生电容Cp可以形成在每个单元传感器142的像素电极PX与公共电源线VCOM之间。具有预定电平的公共电压(例如复位电压)可以在预定的初始化时段期间与要提供给初始化信号线VINIT的初始化信号同步地提供到公共电源线VCOM。
图10是示出根据本发明的一示范性实施方式的单元传感器142的图，其具有从图7的结构修改的结构。在图10中，相同的附图标记用于表示与图7中的元件相同或相似的元件，因此，对其的重复描述将被省略以避免冗余。
参照图10，与图7中的相比，驱动线TxI和感测线RxJ的取向可以被改变。例如，驱动线TxI可以在列方向上设置，并且感测线RxJ可以在行方向上设置。
在一示范性实施方式中，开关元件T1可以联接在对应的感测线RxJ与像素电极PX之间。在这种情况下，在预定的初始化时段期间可以通过感测线RxJ提供复位电压。
图11A至图13是示出根据本发明的示范性实施方式的单元传感器142的图。在图11A至图13的描述中，相同的附图标记用于表示与前述实施方式的元件相同或相似的元件，因此，对其的重复描述将被省略以避免冗余。
参照图11A至图13，第一电容元件C1和第二电容元件C2可以提供为以与前述示范性实施方式相同的方式使像素电极PX插设在其间，并且联接在对应的驱动线TxI与对应的感测线RxJ之间。第一电容元件C1和第二电容元件C2中的至少一个可以是可变电容元件。
开关元件T1可以联接在对应的像素电极PX与相邻的单元传感器的驱动线(例如TxI+1)或感测线(例如RxJ-1)之间。例如，开关元件T1可以联接在对应的单元传感器142的像素电极PX与设置在相邻的列上的感测线RxJ-1之间。
在一示范性实施方式中，开关元件T1的控制电极可以联接到设置在开关元件T1周围的初始化信号线VINIT中的任何一个。在这种情况下，初始化信号线VINIT可以在一个方向上或以网格形状设置在指纹感测区域FSA上，并被同时提供有相同的信号。初始化信号线VINIT可以彼此独立地分开。或者，所有的初始化信号线VINIT可以彼此电联接并形成为单个信号线或实质上单个信号线。因此，尽管图11A至图13示出多个初始化信号线VINIT，但是本发明构思不限于此，初始化信号线VINIT可以被实现为相同的初始化信号线VINIT或基本上相同的初始化信号线VINIT。
此外，公共电源线VCOM可以可选地设置在每个单元传感器142周围。
在示范性实施方式中，开关元件T1可以在预定的初始化时段期间响应于从初始化信号线VINIT提供的栅极导通电压而导通，并在初始化时段期间将提供给设置在相邻的列上的感测线RxJ-1的复位电压传输到像素电极PX。在一示范性实施方式中，单元传感器142可以在至少初始化时段期间被同时操作。因此，在初始化时段期间，相同的复位电压可以被同时提供给感测线RxJ-1和RxJ。因此，图11A至图13所示的单元传感器142可以以与图7A至图10所示的单元传感器142基本上相同的方式来操作。
图14是示出根据一示范性实施方式的单元传感器142的驱动时序的图。图15A至图15C是示出根据一示范性实施方式的单元传感器142的操作过程的图。在图14至图15C中，单元传感器142及其驱动方法将被描述为具有图11的单元传感器142的结构。然而，根据以上描述的其它示范性实施方式的单元传感器142可以以基本上相同的方案和/或原理操作。此外，在图14至图15C中，假设手指的指纹区域接触对应的单元传感器142及其周边区域。
参照图14和图15A，在第一时段P1期间，具有能够使开关元件T1导通的栅极导通电压的初始化信号可以被提供给初始化信号线VINIT，并且复位电压Vrst可以被同时提供给联接到单元传感器142的相应开关元件T1的感测线Rx1至RxM。感测线Rx1至RxM可以联接到预定驱动电路或复位电压源(例如提供在传感器电路单元170中的预定驱动电路或复位电压源)用于在第一时段P1期间提供复位电压Vrst。因此，感测线Rx1至RxM可以从驱动电路、复位电压源等提供有预定的复位电压Vrst。当每个单元传感器142的开关元件T1以与图7至图9中的方式相同的方式联接到驱动线Tx1至TxN中的任何一个时，复位电压Vrst可以在第一时段P1期间被同时提供给驱动线Tx1至TxN。
当具有栅极导通电压的初始化信号被提供给初始化信号线VINIT时，开关元件T1可以导通，使得复位电压Vrst从感测线Rx1至RxM传输到像素电极PX。以这种方式，每个像素电极PX可以被初始化为复位电压Vrst。
此外，当公共电源线VCOM设置在单元传感器142周围时，复位电压Vrst可以在第一时段P1期间被提供给公共电源线VCOM用于随后的耦合操作。在一示范性实施方式中，初始化信号线VINIT、公共电源线VCOM、驱动线Tx1至TxN和/或感测线Rx1至RxM可以由传感器电路单元170操作。
在初始化信号和复位电压Vrst已经在第一时段P1期间被提供达预定的时间之后，初始化信号的电压可以改变为栅极截止电压。公共电源线VCOM的电压也可以与初始化信号的电压变化同时地改变。
因此，如图15B所示，开关元件T1可以被关断，使得在像素电极PX浮置时，可以产生第三电容元件C3的耦合操作，这可以引起像素电极PX中的电压的变化。由于耦合操作导致的耦合效应，关于指纹的图案(谷或脊)的信息可以被提供给对应的单元传感器142。因而，当像素电极PX浮置并且初始化信号线VINIT的电压也改变时，像素电极PX的电压变化可以由第三电容元件C3引起。第一电容元件C1和第二电容元件C2和/或寄生电容Cp以及第三电容元件C3的耦合操作也可能影响像素电极PX的电压变化。在这种情况下，每个电容元件(特别是第三电容元件C3)的电容可以被设定为使得像素电极PX中的电压变化量可以被保证为足以识别指纹的图案的程度。
具体地，当初始化信号的电压改变为栅极截止电压时，开关元件T1被关断，这可以使像素电极PX浮置。换言之，开关元件T1被提供为使得像素电极PX在像素电极PX被初始化时以及在像素电极PX的初始化已经完成之后保持在浮置状态。开关元件T1可以通过考虑泄漏电流特性(例如最小化泄漏电流)来设计。
因而，当像素电极PX浮置并且初始化信号的电压电平和公共电压改变时，产生耦合操作。由于由该耦合操作导致的耦合效应，与指纹的脊或谷对应的电压(Vr或Vv)可以被施加到对应的像素电极PX。例如，当指纹的脊设置在像素电极PX之上时，产生与形成在像素电极PX和手指之间的接触电容Cf的大小对应的电压分布，并且与该指纹的脊对应的电压Vr被施加到像素电极PX。另一方面，当指纹的谷设置在像素电极PX之上时，与指纹的谷对应的电压Vv被施加到像素电极PX。在这种情况下，如果指纹感测区域FSA的单元传感器142被初始化并且然后同时对单元传感器142执行耦合操作，则可以增大单元传感器142与手指之间的垂直电场，从而可以提高信噪比(SNR)。
在初始化信号的电压改变为栅极截止电压的同时，感测线Rx1至RxM中的每个的电压被改变为用于感测操作的初始化电平电压。
在初始化信号线VINIT、公共电源线VCOM和感测线Rx1至RxM的电压已经改变之后，在预定的时段(例如第二时段(确定时段)P2)期间保持所改变的电压。在一示范性实施方式中，可以在第二时段P2期间确定是否执行大体上检测指纹和/或触摸输入的感测操作。例如，在第二时段P2期间，流过整个传感器单元140的耦合电流被检测，因此，是否已经发生手指的触摸可以取决于是否已经检测到耦合电流或者耦合电流的大小来确定。
当确定手指的触摸已经发生时，在第三时段(感测时段)P3期间，驱动信号被相继地提供给驱动线Tx1至TxN，并且与驱动信号对应的感测信号从感测线Rx1至RxM检测，然后被提供给传感器电路单元170。具体地，在第三时段P3期间，如图15C所示，存储在单元传感器142中的指纹信息利用形成在每个单元传感器142的驱动线TxI与感测线RxJ之间的互电容而读出。
更具体地，在每个驱动线(Tx1至TxN中的任何一个)与每个感测线(Rx1至RxM中的任何一个)之间，对应的单元传感器142的第一电容元件C1和第二电容元件C2经由像素电极PX彼此耦合。因而，如果驱动信号被相继地提供给驱动线Tx1至TxN，则以对应于驱动信号的形式变化的感测信号从相应的感测线Rx1至RxM输出。此外，每个感测线(Rx1至RxM中的任何一个)与多个驱动线Tx1至TxN交叉。因此，在驱动信号被相继地提供给驱动线Tx1至TxN的时段期间，与驱动信号对应的感测信号可以从每个感测线(Rx1至RxM中的任何一个)连续地输出。在第三时段P3期间，第三电容元件C3与寄生电容Cp一起可以用作负载。因此，指纹传感器的灵敏度可以例如通过调节第一至第三电容元件C1、C2和C3的电容比来调节。
指纹传感器可以响应于指纹感测模式重复地执行上述操作，并输出与指纹的形状对应的感测信号。在这种情况下，在第三时段P3期间，传感器电路单元170可以实时检测通过每个感测通道输入的电压，并累积(积分)该电压，因此检测对应于每个单元传感器142的电荷量。
更具体地，根据一示范性实施方式，由于第一电容元件C1和第二电容元件C2中的至少一个由可变电容元件形成，所以从单元传感器142检测的电荷量可以取决于单元传感器142接触指纹的脊还是指纹的谷而不同。因此，通过合成(例如比较和分析)从相应的单元传感器142检测到的电荷量，可以检测指纹的形状。
图16A至图16C是示出根据一示范性实施方式的指纹传感器的操作过程的图。具体地，图16A至图16C示意性地示出指纹传感器的整个操作过程。此外，参照图15A至图15C描述的单元传感器的操作过程的详细描述将被省略以避免冗余。
如图16A所示，在预定的初始化时段期间，具有栅极导通电压的初始化信号以及复位电压Vrst被提供给单元传感器142。因而，单元传感器142被同时初始化。
此后，如图16B所示，在预定的耦合时段期间，同时对单元传感器142执行耦合操作。在耦合操作期间，指纹信息(例如基于指纹的形状的预定电压Vr或Vv)被存储到每个单元传感器142。
随后，如图16C所示，驱动线Tx1、Tx2、...和TxN被相继操作，并且指纹信息Vr和/或Vv使用从感测线Rx1、Rx2、...和RxM输出的感测信号来检测。
如上所述，当根据一示范性实施方式的单元传感器142在感测信号被检测之前在初始化时段和耦合时段期间被同时操作时，可以减少模糊并可以提高信噪比。
图17是示出耦合方法之间的模糊发生的差异的图。图18A和图18B分别示出在单元传感器143的单独耦合操作和同时耦合操作期间形成在指纹传感器与用户的手指之间的电场。
参照图17，当以点方案(或基于点)(在该点方案中仅在单元传感器142中的特定单元传感器142a上产生耦合效应并且特定单元传感器142a的周边单元传感器142b不操作)执行耦合操作时，形成在特定单元传感器142a与手指之间的电场展开，如图18A所示，这会导致相对较大的模糊的发生。
另一方面，当以面方案(或基于面)(在该面方案中在所有的单元传感器142上产生耦合效应)同时对所有的单元传感器142执行耦合操作时，形成在单元传感器142a与手指之间的垂直电场被增强，并且展开的电场被减弱，如图18B所示，这可以导致相对较小的模糊的发生。
当以线方案(或基于线)(在该线方案中基于行或列在单元传感器142上产生耦合效应)执行耦合操作时，可以产生中度的模糊，其小于由点方案耦合操作产生的模糊并大于由面方案耦合操作产生的模糊。
由于根据一示范性实施方式的单元传感器142在预定的初始化时段和耦合时段期间被同时操作，所以可以增强手指与单元传感器142之间的垂直电场，这可以减少模糊并提高信噪比。
图19A和图19B分别示出根据一示范性实施方式和比较实施方式的从单元传感器检测的电荷量。具体地，图19A和图19B示出根据一示范性实施方式的单元传感器与根据比较实施方式的单元传感器之间在感测时段期间检测的电荷量的差异，并且每个单元传感器的结构基于感测时段被同等地示出。
参照图19A，根据一示范性实施方式，在感测时段期间，第一单元传感器1421的电荷量Q1和第二单元传感器1422的电荷量Q2之间的偏差使用驱动线TxI与感测线RxJ之间的互电容来检测。例如，在感测时段之前的耦合时段期间，由于指纹图案的差异，假设第一电压V1被施加到第一单元传感器1421的像素电极PX1，并且不同于第一电压V1的第二电压V2被施加到第二单元传感器1422的像素电极PX2。在这种情况下，第一单元传感器1421和第二单元传感器1422的C-V特性曲线通过第一电压V1和第二电压V2偏移不同的程度。
更具体地，由于联接到驱动线TxI和感测线RxJ的第一电容元件C1和/或第二电容元件C2由可变电容元件形成，所以驱动线TxI与感测线RxJ之间的互电容具有取决于电压而变化的C-V特性。此外，根据一示范性实施方式，可变电容元件的操作电压范围可以被设定为包括C-V特性曲线的Cmin/Cmax过渡期。
因此，当第一单元传感器1421和第二单元传感器1422的C-V特性曲线通过第一电压V1和第二电压V2的偏差而偏移不同的程度时，在感测时段期间分别从第一单元传感器1421和第二单元传感器1422检测的电荷量Q1和Q2可以彼此不同。因此，第一电压V1与第二电压V2之间的偏差可以通过检测电荷量Q1与Q2之间的偏差来检测。以这种方式，可以检测指纹的形状。
另一方面，根据图19B的比较实施方式，单元传感器1421'和1422'由固定电容元件形成，其中第一电容元件C1和第二电容元件C2具有恒定的电容而与分别施加到像素电极PX1和PX2的第一电压V1和第二电压V2无关。因此，在根据比较实施方式的单元传感器1421'和1422'中，在感测时段期间检测的电荷量Q1'和Q2'基本上彼此相同而与分别施加到像素电极PX1和PX2的第一电压V1和第二电压V2无关。因而，根据比较实施方式的单元传感器1421'和1422'不能检测指纹的形状。
图20是示出根据一示范性实施方式的单元传感器的布局的图。图20的单元传感器的布局将被描述为具有图11B所示的单元传感器的布局。图21示出根据一示范性实施方式的单元传感器的剖视图，其示出单元传感器的电路元件的剖面结构。
参照图20和图21，驱动线TxI和TxI+1以及感测线RxJ-1和RxJ分别在彼此交叉的第一方向和第二方向上延伸。像素电极PX设置在驱动线TxI和TxI+1与感测线RxJ-1和RxJ之间限定的相应区域中。此外，初始化信号线VINIT和公共电源线VCOM进一步设置在单元传感器142周围。如上所述，在一些示范性实施方式中可以省略公共电源线VCOM。例如，当根据一示范性实施方式的单元传感器的布局不包括如图11A所示的公共电源线VCOM时，公共电源线VCOM也可以在图20和图21中被省略。
根据一示范性实施方式，多个初始化信号线VINIT可以在第一方向上延伸并与相应的驱动线TxI和TxI+1相邻地设置，但是本发明构思不限于此。具体地，初始化信号线VINIT可以在第一方向或第二方向上延伸或者形成为网格形状并设置在单元传感器142周围。
根据一示范性实施方式，公共电源线VCOM可以形成为具有在与相应的像素电极PX间隔开的位置围绕像素电极PX的网格形状。例如，公共电源线VCOM可以具有与相应的像素电极PX对应的开口，并设置为与驱动线TxI和TxI+1、感测线RxJ-1和RxJ以及初始化信号线VINIT重叠。此外，公共电源线VCOM可以设置在与驱动线TxI和TxI+1、感测线RxJ-1和RxJ以及初始化信号线VINIT不同的层上，并与其间隔开。例如，公共电源线VCOM可以设置在与像素电极PX相同的层上并与像素电极PX间隔开预定距离。
根据一示范性实施方式，每个开关元件T1的漏电极DE和栅电极GE可以分别由感测线RxJ-1的从设置在前一列上的相邻的单元传感器突出的部分和初始化信号线VINIT的从其突出并交叉感测线RxJ-1的部分形成。有源层ACT可以设置为与漏电极DE和栅电极GE重叠。有源层ACT的一部分可以联接到漏电极DE，并且有源层ACT的另一部分可以经由源电极SE联接到对应的单元传感器142的像素电极PX。
根据一示范性实施方式，开关元件T1可以具有底栅极结构。例如，开关元件T1可以包括设置在传感器基板141上的栅电极GE、设置在栅电极GE上的有源层ACT(使第一绝缘层INS1插设在栅电极GE与有源层ACT之间)、以及设置在有源层ACT的相应相反两端上的漏电极DE和源电极SE。在这种情况下，初始化信号线VINIT可以与开关元件T1的栅电极GE一体地提供并设置在传感器基板141上的栅极层中。
开关元件T1的有源层ACT可以设置在第一绝缘层INS1上作为半导体层。在一示范性实施方式中，有源层ACT可以由例如氧化物半导体形成。有源层ACT的材料不限于此，并且有源层ACT可以由各种已知的半导体材料形成。
开关元件T1的漏电极DE和源电极SE可以设置在半导体层之上的源极漏极层中并电联接到有源层ACT的相应的不同端。在这种情况下，感测线RxJ-1和RxJ可以与开关元件T1的漏电极DE一体地提供并设置在源极漏极层中。
开关元件T1的结构不限于图20和图21所示的那些。例如，开关元件T1可以具有各种已知的晶体管结构。
第二绝缘层INS2和第三绝缘层INS3可以设置在开关元件T1之上。像素电极PX可以设置在第二绝缘层INS2和第三绝缘层INS3之上。像素电极PX可以通过穿过第二绝缘层INS2和第三绝缘层INS3的第一通路孔VH1电联接到开关元件T1。图21示出第二绝缘层INS2和第三绝缘层INS3两者提供在开关元件T1与像素电极PX之间，但是本发明构思不限于此。例如，第二绝缘层INS2和第三绝缘层INS3中的至少一个可以提供在开关元件T1与像素电极PX之间。作为另一示例，第二绝缘层INS2和第三绝缘层INS3中的任何一个可以被省略，或者第二绝缘层INS2和第三绝缘层INS3可以被集成为单个绝缘层。根据一示范性实施方式，仅第三绝缘层INS3可以提供在开关元件T1与像素电极PX之间。
在一示范性实施方式中，第一电容元件C1可以包括具有第一导电图案的第一电极CET11以及具有包括半导体图案SEM和第二导电图案CON的堆叠结构的第二电极CET12。换言之，第一电容元件C1可以由可变电容元件形成，诸如金属绝缘体半导体(MIS)或金属绝缘体半导体金属(MISM)电容器。在一示范性实施方式中，半导体图案SEM可以由例如氧化物半导体形成，但是本发明构思不限于此。第一电极CET11和第二导电图案CON可以由本领域中已知的各种导电材料形成，诸如金属。
在一示范性实施方式中，第一电容元件C1的第一电极CET11可以由对应的驱动线TxI的从其突出的部分形成，并与驱动线TxI一起设置在栅极层中。在一示范性实施方式中，第一电容元件C1的半导体图案SEM和第二导电图案CON可以与第一电极CET11和像素电极PX重叠。例如，半导体图案SEM可以设置在与开关元件T1的有源层ACT相同的层上，并与第一电极CET11和像素电极PX重叠。第二导电图案CON可以设置在与开关元件T1的漏电极DE和源电极SE相同的层上并与半导体图案SEM重叠。第一电容元件C1的第二电极CET12可以通过经由直接/间接的接触连接将半导体图案SEM和第二导电图案CON彼此电连接而形成。第二电极CET12可以通过穿过第二绝缘层INS2和第三绝缘层INS3的第二通路孔VH2而电联接到像素电极PX。
在一示范性实施方式中，第二电容元件C2可以包括第一电极CET21和第二电极CET22，其每个由导体形成。在一示范性实施方式中，第二电容元件C2的第一电极CET21可以从对应的感测线RxJ的一部分突出，并与感测线RxJ一体地设置在源极/漏极层中。第一电极CET21可以从感测线RxJ突出并与对应的像素电极PX重叠，从而第二电容元件C2形成在第一电极CET21与像素电极PX之间。更具体地，根据一示范性实施方式，第二电容元件C2的第二电极CET22可以与像素电极PX一体地形成。
在一示范性实施方式中，第三电容元件C3可以包括第一电极CET31和第二电极CET32，其每个由导体形成。在一示范性实施方式中，第三电容元件C3的第一电极CET31可以从初始化信号线VINIT的一部分突出，并与初始化信号线VINIT一体地设置在栅极层中。第三电容元件C3的第一电极CET31可以从初始化信号线VINIT突出并与对应的像素电极PX重叠，从而第三电容元件C3形成在第一电极CET31与像素电极PX之间。更具体地，根据一示范性实施方式，第三电容元件C3的第二电极CET32可以与像素电极PX一体地形成。
在一示范性实施方式中，用于防止外部光反射的黑矩阵180可以进一步设置在像素电极PX的一部分上。例如，黑矩阵180可以设置为与第二电容元件C2和第三电容元件C3重叠。
单元传感器142可以通过多个掩模工艺形成。例如，单元传感器142可以通过以下掩模工艺形成：用于图案化栅极层的线和/或电路元件的第一掩模工艺、用于图案化半导体层的半导体元件的第二掩模工艺、用于图案化源极漏极层的线和/或电路元件的第三掩模工艺、用于形成第一通路孔VH1和第二通路孔VH2的第四掩模工艺、用于图案化像素电极PX的第五掩模工艺、以及用于图案化黑矩阵180的第六掩模工艺。在一示范性实施方式中，一些掩模工艺可以被集成以减少掩模工艺的数量。例如，设置在两个连续的层上的线和/或电路元件可以使用半色调掩模等被同时图案化。此外，通过集成第二掩模工艺和第三掩模工艺或者第五掩模工艺和第六掩模工艺，可以简化制造单元传感器142的工艺。
图22和图23示出根据示范性实施方式的单元传感器的布局，更具体地，示出对图20所示的布局的相应的不同修改。在图22和图23中，相同的附图标记用于表示与图20中的元件相同或相似的元件，因此，对其的重复描述将被省略以避免冗余。
参照图22，每个单元传感器142的像素电极PX可以设置在对应的驱动线TxI与对应的感测线RxJ之间的交叉点之上，使得像素电极PX与驱动线TxI和感测线RxJ重叠。在这种情况下，开关元件T1可以联接在对应的感测线RxJ和像素电极PX之间。每个单元传感器142的电路元件(例如开关元件T1以及第一至第三电容元件C1、C2和C3)可以在对应的像素电极PX下面彼此密集地设置。
以这种方式，每个像素电极PX可以被设计为具有减小的尺寸(表面面积)，这可以减小模糊效果。此外，每个单元传感器142的电容元件(例如第一至第三电容元件C1、C2和C3)可以使用形成在对应的像素电极PX与线(例如对应的驱动线TxI、对应的感测线RxJ以及初始化信号线VINIT)之间的寄生电容来配置。因而，可以改善指纹感测区域FSA的透光率，并防止图像质量由于摩尔纹现象(moire phenomenon)而劣化。
参照图23，每个单元传感器142的像素电极PX可以被图案化为圆形形状。在一示范性实施方式中，公共电源线VCOM可以具有网格形状并设置在单元传感器142之间限定的区域中，使得公共电源线VCOM与每个像素电极PX间隔开预定距离。在这种情况下，公共电源线VCOM可以提供在面对每个像素电极PX的区域中并具有与像素电极PX对应的形状。
以这种方式，由于像素电极PX具有圆形形状，所以可以最小化边缘场。因而，可以最小化单元传感器142之间的串扰，并提高指纹传感器的可靠性。
图24A至图24D是根据示范性实施方式的可变电容元件200的剖视图。
参照图24A，可变电容元件200可以包括依次堆叠在传感器基板141上的第一导电图案210、半导体图案220、绝缘层230和第二导电图案240。在一示范性实施方式中，第一导电图案210和半导体图案220可以彼此电联接以形成可变电容元件200的第一电极。第二导电图案240可以与第一导电图案210和半导体图案220间隔开而使绝缘层230插设在其间，并可以形成可变电容元件200的第二电极。
第一导电图案210和第二导电图案240可以由各种导电材料形成，诸如金属、其合金、导电的聚合物和导电的金属氧化物。此外，第一导电图案210和第二导电图案240可以每个具有单层结构或多层结构，并可以包括相同的导电材料或不同的导电材料。
半导体图案220可以由氧化物半导体形成，诸如ZnO、ZTO、ZIO、IZO、InO、TiO、IGZO或IZTO，但是不限于此。例如，半导体图案220可以由能够形成已知薄膜晶体管的有源层的各种材料中的至少一种形成。在一示范性实施方式中，杂质可以被掺杂到半导体图案220的一部分以形成接触或者控制载流子浓度。
绝缘层230可以包括至少一个有机层和/或无机层，并具有单层结构或多层结构。换言之，绝缘层230的材料和结构不被特别限制。
参照图24B，半导体图案220和绝缘层230的位置可以彼此交换。例如，可变电容元件200可以包括依次堆叠在传感器基板141上的第一导电图案210、绝缘层230、半导体图案220和第二导电图案240。在这种情况下，可变电容元件200的第一电极可以由第一导电图案210形成，并且可变电容元件200的第二电极可以由半导体图案220和第二导电图案240形成。
参照图24C和图24D，可变电容元件200可以具有共平面或反向共平面的结构。例如，第一导电图案210和第二导电图案240可以设置在基本上相同的层上并通过相同的掩模工艺形成。此外，第一导电图案210和半导体图案220可以通过预定区域而彼此电联接，因此形成可变电容元件200的一个电极。
根据一示范性实施方式的单元传感器142的第一电容元件C1和第二电容元件C2中的至少一个可以包括具有图24A至图24D中的任何一个所示的结构的可变电容元件200。例如，在图21中，第一电容元件C1具有图24B所示的结构，但是第一电容元件C1可以具有图24A、图24C或图24D所示的结构。此外，如上所述，第二电容元件C2可以具有可变电容。例如，第二电容元件C2可以由具有图24A至图24D中的任何一个所示的结构的可变电容元件200形成。然而，第一电容元件C1和/或第二电容元件C2的结构不限于图24A至图24D所示的那些，并且第一电容元件C1和/或第二电容元件C2的结构可以以各种方式改变。
本发明的各种示范性实施方式可以提供具有高的灵敏度和高的可靠性的指纹传感器以及具有该指纹传感器的显示装置。
具体地，根据示范性实施方式，可以在每个单元传感器142中形成自电容像素电极PX，自电容像素电极PX通过与接触手段接触而形成接触电容。指纹的图案(脊或谷)信息可以通过耦合操作被转换为要施加到每个对应的像素电极PX的电压。根据示范性实施方式，至少一个可变电容元件200(例如第一电容元件C1和/或第二电容元件C2)可以联接在驱动线Tx1至TxN与感测线Rx1至RxM之间。在预定的感测时段期间，两个相邻的单元传感器142(见图19A的1421和1422)的电荷量Q1和Q2之间的差异可以使用可变电容元件200的C-V特性偏差以互电容方案检测，从而检测指纹的形状。
根据示范性实施方式，指纹传感器的灵敏度可以被提高到与自电容型触摸或指纹传感器的灵敏度类似的程度。此外，指纹传感器的可靠性可以通过使用C-V特性而提高，该C-V特性不取决于晶体管的特性偏差、温度和/或外部光而显著变化。此外，可变电容元件200的电容可以通过调节可变电容元件200的设计值而增大。因此，与典型的互电容型触摸/指纹传感器相比，可以提高信噪比。
此外，在感测时段期间以互电容方案来检测两个相邻的单元传感器142的电荷量Q1和Q2之间的差异。因此，例如，当指纹传感器与互电容型触摸传感器一起被提供在显示装置中时，触摸传感器和指纹传感器两者可以使用单个传感器驱动电路172来驱动。以这种方式，可以简化传感器电路单元170的配置，并可以降低其制造成本。此外，在感测时段期间，由于两个相邻的单元传感器142的电荷量Q1和Q2之间的差异以互电容方案来检测，所以可以感测多点触摸和多通道。
此外，根据示范性实施方式，开关元件T1可以用于初始化像素电极PX或使像素电极PX浮置。开关元件T1可以是晶体管等。开关元件T1可以被提供为执行简单的开关操作，但是与使用电流感测方案的传感器不同，开关元件T1不用于产生驱动电流。因此，与电流感测方案中使用的晶体管相比，开关元件T1所需的特性条件可以相对容易被满足。因此，开关元件T1可以通过高温工艺或低温工艺形成。结果，可以进一步有助于形成指纹传感器的工艺，并可以降低其制造成本。
尽管这里已经描述了某些示范性实施方式和实施方案，但是其它的实施方式和修改将从此描述而变得明显。因此，本发明构思不限于这样的实施方式，而是限于权利要求书的更宽的范围以及各种明显的修改和等同布置(如对于本领域普通技术人员将是明显的)。
本申请要求于2017年11月8日提交的韩国专利申请第10-2017-0147916号的优先权及权益，其通过引用结合于此用于所有的目的，如同在这里被完全阐述一样。

Claims (13)

1.一种指纹传感器，包括：
第一线、第二线和第三线；以及
单元传感器，联接到所述第一线、所述第二线和所述第三线，
其中所述单元传感器包括：
像素电极，联接在所述第一线与所述第二线之间；
第一电容元件，联接在所述第一线与所述像素电极之间；
第二电容元件，联接在所述第二线与所述像素电极之间；
开关元件，联接在所述第一线、所述第二线、相邻的单元传感器的第一线和所述相邻的单元传感器的第二线中的一个与所述像素电极之间，并包括联接到所述第三线的控制电极；以及
第三电容元件，联接在所述第三线与所述像素电极之间，并且
其中所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个包括可变电容元件。
2.根据权利要求1所述的指纹传感器，还包括第四线，所述第四线设置在所述单元传感器周围并配置为在所述第四线与所述像素电极之间形成寄生电容。
3.根据权利要求2所述的指纹传感器，其中所述第四线围绕所述像素电极。
4.根据权利要求1所述的指纹传感器，其中：
所述第一线和所述第二线在不同的方向上延伸以彼此交叉；并且
所述像素电极设置在由所述第一线和所述第二线限定的单元区域中。
5.根据权利要求1所述的指纹传感器，其中所述像素电极具有圆形形状。
6.根据权利要求1所述的指纹传感器，其中所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个包括金属绝缘体半导体(MIS)或金属绝缘体半导体金属(MISM)电容元件。
7.根据权利要求1所述的指纹传感器，其中：
所述第一线被提供为多个；
所述第二线被提供为多个；并且
所述单元传感器被提供为多个，所述多个单元传感器设置在与所述第一线和所述第二线之间的交叉点对应的相应单元区域中。
8.根据权利要求7所述的指纹传感器，还包括第四线，所述第四线设置在所述多个单元传感器之间并配置为在所述第四线与每个所述单元传感器的所述像素电极之间形成寄生电容。
9.根据权利要求8所述的指纹传感器，其中：
在初始化时段期间，所述多个单元传感器通过所述第三线被同时提供有初始化信号；并且
在所述初始化信号被提供的时段期间，所述第一线和所述第二线中的联接到所述开关元件的线被同时提供有复位电压。
10.根据权利要求9所述的指纹传感器，其中在所述初始化信号被提供的所述时段期间，所述第四线被提供有所述复位电压。
11.根据权利要求9所述的指纹传感器，其中：
在所述初始化时段之后的感测时段期间，所述第一线被相继地提供有驱动信号；并且
在所述感测时段期间，感测信号通过所述第二线输出。
12.根据权利要求7所述的指纹传感器，其中每个所述单元传感器的所述像素电极设置在所述第一线与所述第二线之间的区域中。
13.根据权利要求7所述的指纹传感器，其中每个所述单元传感器的所述像素电极设置在所述第一线和所述第二线之间的交叉点之上，使得所述像素电极与所述第一线和所述第二线中的任何一个重叠。
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