CN110392220B - 传感器像素和包括传感器像素的图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了传感器像素和包括传感器像素的图像传感器，该传感器像素包括：第一晶体管，该第一晶体管根据向第一晶体管的一端提供的模式选择电压来控制；第二晶体管，该第二晶体管包括被连接至第一晶体管的另一端的栅极；以及光电导体，该光电导体被连接至第二晶体管的一端，其中，当第一晶体管被导通时传感器像素以光学模式操作，而当第一晶体管被关断时传感器像素以电容模式操作。

Description

传感器像素和包括传感器像素的图像传感器
技术领域
本公开涉及一种能够以光学模式和电容模式识别指纹和文档的传感器像素，以及一种包括该传感器像素的图像传感器。
背景技术
传统的图像传感器使用光学方式、电容方式、电阻方式、热感测方式、超声方式等中的一种特定方式。
由于图像传感器的优点和缺点根据图像传感器的方式而不同，因此使用特定方式的图像传感器难以具有其他方式的优点。
在背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景技术的理解，因此它可能包括不构成在本国对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开旨在提供一种图像传感器，该图像传感器具有通过选择光学模式和电容模式中的一种来识别指纹和文档的优点。
本发明的示例性实施例提供了一种传感器像素，该传感器像素包括：第一晶体管，该第一晶体管根据向第一晶体管的一端提供的模式选择电压来控制；第二晶体管，该第二晶体管包括被连接至第一晶体管的另一端的栅极；以及光电导体，该光电导体被连接至第二晶体管的一端，其中，当第一晶体管被导通时传感器像素以光学模式操作，而当第一晶体管被关断时传感器像素以电容模式操作。
当模式选择电压是第一电平的正电压时，第一晶体管可以被关断而光电导体可以被导通。当模式选择电压是第二电平的负电压时，第一晶体管可以被导通而光电导体可以被关断。
光电导体的截止电流可以根据要照射到光电导体的光来改变，以及流过第二晶体管的电流可以根据截止电流来改变。
传感器像素可以进一步包括耦合电容器，该耦合电容器包括被连接至第二晶体管的栅极的一个电极以及被施加耦合脉冲的另一个电极。耦合脉冲的负电压可以高于第二电平。
传感器像素可以进一步包括：第三晶体管，该第三晶体管包括被连接至第二晶体管的另一端的栅极；第四晶体管，该第四晶体管包括与第三晶体管的一端连接的一端以及被连接至数据线的另一端；第五晶体管，该第五晶体管包括被连接至第一晶体管的另一端的一端以及被施加耦合脉冲的另一端；第六晶体管，该第六晶体管包括被连接至第二晶体管的另一端的一端以及被施加耦合脉冲的另一端；耦合电容器，该耦合电容器包括被连接至第二晶体管的栅极的一个电极以及被施加耦合脉冲的另一个电极；感测电极，该感测电极被连接至第二晶体管的栅极；以及存储电容器，该存储电容器包括被连接至第三晶体管的栅极的一个电极以及被施加驱动电压的另一个电极。第四晶体管可以通过电流栅极信号执行切换操作，以及第五晶体管可以通过在前的栅极信号执行切换操作。
感测电极可以在第一晶体管被关断时与作为识别目标的指纹一起形成电容器。
本发明的另一示例性实施例提供了一种图像传感器，该图像传感器包括：传感器面板，该传感器面板包括多个像素、被连接至多个像素的多条栅极线、多条数据线以及多条模式选择线；栅极驱动电路，该栅极驱动电路提供对应于多条栅极线的多个栅极信号；传感器信号读出电路，该传感器信号读出电路通过多条数据线从多个像素接收多个数据信号；以及模式选择单元，该模式选择单元向多条模式选择线提供模式选择电压，其中，取决于模式选择电压，多个像素中的每一个以电容模式和光学模式中的一个操作。
多个传感器像素中的每一个可以包括：第一晶体管，该第一晶体管根据向第一晶体管的一端提供的模式选择电压来控制；第二晶体管，该第二晶体管包括被连接至第一晶体管的另一端的栅极；以及光电导体，该光电导体被连接至第二晶体管的一端，并且当第一晶体管被导通时多个像素中的每一个以光学模式操作，而当第一晶体管被关断时多个像素中的每一个以电容模式操作。
当模式选择电压是第一电平的正电压时，第一晶体管可以被关断而光电导体可以被导通。当模式选择电压是第二电平的负电压时，第一晶体管可以被导通而光电导体可以被关断。
光电导体的截止电流可以根据要照射到光电导体的光来改变，以及流过第二晶体管的电流可以根据截止电流来改变。
多个像素中的每一个可以进一步包括耦合电容器，该耦合电容器包括被连接至第二晶体管的栅极的一个电极以及被连接至相应的耦合脉冲线的另一个电极，以及第二晶体管的另一端可以被连接至相应的耦合脉冲线，并且当模式选择电压是第二电平的负电压时，被提供给相应的耦合脉冲线的耦合脉冲的负电压可以高于第二电平。
多个像素中的每一个可以进一步包括：第三晶体管，该第三晶体管包括被连接至第二晶体管的另一端的栅极；第四晶体管，该第四晶体管包括与第三晶体管的一端连接的一端、被连接至相应的数据线的另一端以及被连接至相应的栅极线的栅极；第五晶体管，该第五晶体管包括被连接至第一晶体管的另一端的一端、被连接至相应的耦合脉冲线的另一端以及被连接至相应的栅极线中的在前的栅极线的栅极；第六晶体管，该第六晶体管包括被连接至第二晶体管的另一端的一端、被连接至相应的耦合脉冲线的另一端以及被连接至在前的栅极线的栅极；耦合电容器，该耦合电容器被连接在第二晶体管的栅极和相应的耦合脉冲线之间；感测电极，该感测电极被连接至第二晶体管的栅极；以及存储电容器，该存储电容器包括被连接至第三晶体管的栅极的一个电极以及被施加驱动电压的另一个电极。
在多个像素中的每一个中，感测电极可以在第一晶体管被关断时与作为识别目标的指纹一起形成电容器。
根据示例性实施例，可以提供一种能够通过选择光学模式和电容模式中的一种来识别指纹和文档的传感器像素，以及提供一种包括该传感器像素的图像传感器。
附图说明
图1示出了根据示例性实施例的图像传感器的图。
图2示出了根据示例性实施例的传感器像素的图。
图3示出了根据示例性实施例的栅极信号和耦合脉冲的波形图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例，以使本发明所属领域的技术人员可以容易地实现本发明。然而，本发明可以以各种不同的形式来实现，并且不限于本文所描述的示例性实施例。另外，为了清楚地解释本发明，在附图中省略了与说明书无关的部分。在整个说明书中，相同的元件由相同的附图标记表示。
根据示例性实施例的传感器像素和图像传感器可以根据模式选择电压以光学模式和电容模式中的任一种进行操作。
图1示出了根据示例性实施例的图像传感器的图。
如图1所示，图像传感器1包括传感器面板10、栅极驱动电路20、定时控制电路30、传感器信号读出电路40、模式选择单元50和光源60。
光源60提供感测光学指纹和字符所需的光。光源60可以位于传感器面板10的后表面上，并且可以向传感器面板10的前表面提供光。
模式选择单元50向传感器面板10提供模式选择电压VMS。
传感器面板10包括：多条栅极线S0至Sn、多条数据线D1至Dm、多条耦合脉冲线CL1至CLn、多条模式选择线MS1至MSm以及多个传感器像素TPX。
多条栅极线S0至Sn在第一方向(图1中的X方向)上延伸，并且沿与第一方向交叉的第二方向(图1中的Y方向)布置。对应于多个传感器像素行中的每一行的栅极信号通过多条栅极线S0至Sn中的每一条被传输到多个传感器像素行中的每一行。
如图1所示，两条栅极线对应于传感器像素行中的每一行。这是因为每个传感器像素根据相应的两个栅极信号进行操作。然而，本发明不限于此，并且被连接到一个传感器像素的栅极线的数量可以根据传感器像素的操作所需的栅极信号而变化。
多条耦合脉冲线CL1至CLn在第一方向上延伸并且在沿与第一方向交叉的第二方向布置。对应于多个传感器像素行中的每一行的耦合脉冲通过多条耦合脉冲线CL1至CLn中的每一条被传输到多个传感器像素行中的每一行。耦合脉冲是用于以电容方式在传感器像素中连续执行耦合的脉冲信号。
多条数据线D1至Dm在第二方向上延伸并且沿第一方向布置。多个传感器像素中的每一个的数据信号通过多条数据线D1至Dm中的每一条被传输到传感器信号读出电路40。
多条模式选择线MS1至MSm在第二方向上延伸并且沿第一方向布置。通过多条模式选择线MS1至MSm中的每一条将模式选择电压施加到多个传感器像素TPX。
多个传感器像素TPX中的每一个被连接到相应的数据线、耦合脉冲线、模式选择线和两条栅极线。通过相应的两条栅极线中的一个将多个传感器像素TPX中的每一个与传输的栅极信号同步地复位。在多个传感器像素TPX中的每一个中，根据通过相应的耦合脉冲线传输的耦合脉冲来耦合电容，并且数据信号可以与通过相应的两条栅极线中的另一个传输的栅极信号同步地传输到相应的数据线。取决于通过模式选择线传输的模式选择电压，多个传感器像素TPX中的每一个以光学方式和电容方式中的一种方式进行操作。
栅极驱动电路20产生多个栅极信号和多个耦合脉冲，并将多个栅极信号和多个耦合脉冲传输到多条栅极线S0至Sn和多条耦合脉冲线CL1至CLn。栅极驱动电路20分别产生与多个栅极信号同步的多个耦合脉冲，并且可以将多个耦合脉冲传输到多条耦合脉冲线CL1至CLn。
传感器信号读出电路40接收通过多条数据线D1至Dm传输的多个数据信号，并且可以根据多个数据信号创建关于指纹或字符的信息。
定时控制电路30可以产生用于控制栅极驱动电路20和传感器信号读出电路40的操作所需的控制信号CONT1和CONT2。
栅极驱动电路20根据控制信号CONT1可以产生多个栅极信号和分别与多个栅极信号同步的多个耦合脉冲。传感器信号读出电路40根据控制信号CONT2在通过多条数据线D1至Dm传输多个数据信号的时间点接收多个数据信号，并且可以执行用于创建关于识别的指纹或字符的信息所需的信号处理。
图2示出了根据示例性实施例的传感器像素的图。
图2示出了位于第i行和第j列的传感器像素TPX。位于另一位置的传感器像素TPX包括与如图2所示的相同的组件，并且如图2所示，各个组件可以彼此连接。
传感器像素TPX包括：六个晶体管P1至P6；耦合电容器Ccp；存储电容器Cst；光电导体S1和指纹感测电极51。
指纹感测电极51是用于感测作为识别目标的指纹或字符中的相应位置的电极。指纹电容器Cfp在指纹接触时形成在指纹感测电极51上。
晶体管P1的栅极被连接到节点N1，晶体管P1的一端被连接到光电导体S1的一端，晶体管P1的另一端被连接到节点N3。向光电导体S1的另一端提供驱动电压VSS，并且光电导体S1的栅极被连接到节点N4。向节点N4提供模式选择电压VMS。
晶体管P2的栅极被连接到节点N3，向晶体管P2的一端提供驱动电压VSS，将晶体管P2的另一端连接到晶体管P4的一端。晶体管P3的栅极被连接到栅极线Si-1，并且该晶体管P3的两端被连接在节点N3和节点N2之间。晶体管P4的栅极被连接到栅极线Si，晶体管P4的另一端被连接到数据线Dj。晶体管P5的栅极被连接到栅极线Si-1，并且该晶体管P5的两端被连接在节点N1和节点N2之间。指纹感测电极51被连接到节点N1，耦合电容器Ccp被连接在节点N1和节点N2之间，存储电容器Cst的一个电极被连接到节点N3，以及向存储电容器Cst的另一个电极提供驱动电压VSS。
晶体管P6可以是二极管连接的，向晶体管P6的一端(阴极)提供模式选择电压VMS，并且将晶体管P6的另一端(阳极)连接到节点N1。当晶体管P6通过第一电平的模式选择电压VMS关断时，传感器像素TPX以电容模式操作。当晶体管P6通过第二电平的模式选择电压VMS导通时，传感器像素TPX以光学模式操作。第一电平是可以用正电压关断晶体管P6的电平，第二电平是可以用负电压导通晶体管P6的电平。
在下文中，将参考图3描述根据示例性实施例的图像传感器的操作。
图3示出了根据示例性实施例的栅极信号和耦合脉冲的波形图。图3所示的波形是用于描述示例性实施例的示例，但是本发明不限于此。
首先，将描述光电导体S1被导通以及晶体管P6通过第一电平的模式选择电压VMS被关断以使得传感器像素TPX以电容模式操作的情况。
晶体管P5和晶体管P3在在前栅极信号S[i-1]处于导通电平的时段T1期间被导通，使得晶体管P1的栅极和晶体管P2的栅极通过高电平的耦合脉冲Vcpi被复位。根据示例性实施例的耦合脉冲Vcpi在预定时段T3期间与在一个帧的时段期间的相应的栅极信号(例如，通过栅极线Sn传输的栅极信号)的导通时段(例如，T2)同步地变为导通电平(例如，低电平)。耦合脉冲处于导通电平的时段T3可以短于相应的栅极信号处于导通电平的时段T2。
节点N1通过耦合电容器Ccp与耦合脉冲线CLi耦合。当耦合脉冲在时段T3下降到导通电平时，耦合脉冲的电压降低由两个电容器Cfp和Ccp分配，以使得节点N1的电压降低。
由于模式选择电压VMS是第一电平，因此光电导体S1被导通，并且根据电压控制晶体管P1的电流。也就是说，根据指纹控制节点N1的电压，根据节点N1的电压控制晶体管P1的电流，以使得可以识别指纹。
存储电容器Cst可以保持晶体管P2的栅极电压，该栅极电压根据流过晶体管P1的电流或通过晶体管P1输出的电压来确定。
晶体管P4通过相应的栅极信号(例如，通过栅极线Si、S[i]传输的栅极信号)被导通。然后，流过晶体管P2的电流通过数据线Dj作为数据信号被传输到传感器信号读出电路40。
除如图2所示的传感器像素之外的具有其他结构的传感器像素可以被应用于示例性实施例。传感器像素被实现为p沟道型晶体管的情况下导通电平是低电平，但是本发明不限于此。传感器像素可以被实现为n沟道型晶体管，在这种情况下，导通电平是高电平，并且栅极信号和耦合信号的相位可以与上述描述的相位相反。
接下来，将描述光电导体S1被关断而晶体管P6通过第二电平的模式选择电压VMS被导通以使得传感器像素TPX以光学模式操作的情况。将省略与上述电容模式中的描述重复的描述。
由于电流通过第二电平的模式选择电压VMS流过晶体管P6，因此将第二电平的模式选择电压VMS施加到节点N1并且晶体管P1被导通。通过第二电平的模式选择电压VMS关断光电导体S1。此时，为了使电流流过晶体管P6，需要耦合脉冲的负电压电平高于第二电平。
在示例性实施例中，在截止区域中流过光电导体S1的电流根据要照射到光电导体S1的光而改变。也就是说，流过光电导体S1的截止电流根据要照射到光电导体S1的光而改变，并且流过晶体管P1的电流改变。然后，流过光电导体S1的电流根据通过将由光源60提供的光反射到识别目标而照射到传感器像素TPX的光而改变，并且流过晶体管P1的电流根据流过光电导体S1的电流而改变。
作为示例，当识别指纹时，在指纹的脊部的情况下，由于指纹的脊部与传感器面板10紧密接触，因此从光源60反射到传感器像素TPX的光量很大，而在指纹的谷部的情况下，由于指纹的谷部和传感器面板10之间的空间，因此从光源60反射到传感器像素TPX的光量相对较小。因此，在指纹的脊部的情况下流过的光电导体S1的截止电流大于在指纹的谷部的情况下流过光电导体S1的截止电流。当流过光电导体S1的电流较大时，节点N3的电压会降低而流过晶体管P2的电流会增加。
虽然已经结合目前被认为是实用的示例性实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不限于所公开的实施例。相反，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。
<符号说明>
1：图像传感器
10：传感器面板
20：栅极驱动电路
30：定时控制电路
40：传感器信号读出电路
50：模式选择单元
60：光源

Claims (14)

1.一种传感器像素，包括：
第一晶体管，所述第一晶体管根据向所述第一晶体管的一端提供的模式选择电压来控制；
第二晶体管，所述第二晶体管包括被连接至所述第一晶体管的另一端的栅极；以及
光电导体，所述光电导体被直接连接至所述第二晶体管的一端，
其中，当所述第一晶体管被导通时所述传感器像素以光学模式操作，以及当所述第一晶体管被关断时所述传感器像素以电容模式操作。
2.根据权利要求1所述的传感器像素，其中：
当所述模式选择电压是第一电平的正电压时，所述第一晶体管被关断而所述光电导体被导通。
3.根据权利要求1所述的传感器像素，其中：
当所述模式选择电压是第二电平的负电压时，所述第一晶体管被导通而所述光电导体被关断。
4.根据权利要求3所述的传感器像素，其中：
所述光电导体的截止电流根据要照射到所述光电导体的光而改变，以及流过所述第二晶体管的电流根据所述截止电流而改变。
5.根据权利要求3所述的传感器像素，还包括：
耦合电容器，所述耦合电容器包括被连接至所述第二晶体管的栅极的一个电极以及被施加耦合脉冲的另一个电极；
其中，所述耦合脉冲的负电压高于所述第二电平。
6.根据权利要求1所述的传感器像素，还包括：
第三晶体管，所述第三晶体管包括被连接至所述第二晶体管的另一端的栅极；
第四晶体管，所述第四晶体管包括与所述第三晶体管的一端连接的一端以及被连接至数据线的另一端；
第五晶体管，所述第五晶体管包括被连接至所述第一晶体管的另一端的一端以及被施加耦合脉冲的另一端；
第六晶体管，所述第六晶体管包括被连接至所述第二晶体管的另一端的一端以及被施加所述耦合脉冲的另一端；
耦合电容器，所述耦合电容器包括被连接至所述第二晶体管的栅极的一个电极以及被施加所述耦合脉冲的另一个电极；
感测电极，所述感测电极被连接至所述第二晶体管的栅极；以及
存储电容器，所述存储电容器包括被连接至所述第三晶体管的栅极的一个电极以及被施加驱动电压的另一个电极，
其中，所述第四晶体管通过电流栅极信号执行切换操作，以及所述第五晶体管通过在前的栅极信号执行切换操作。
7.根据权利要求6所述的传感器像素，其中：
所述感测电极在所述第一晶体管被关断时与作为识别目标的指纹一起形成电容器。
8.一种图像传感器，包括：
传感器面板，所述传感器面板包括多个像素、被连接至所述多个像素的多条栅极线、多条数据线以及多条模式选择线；
栅极驱动电路，所述栅极驱动电路提供对应于所述多条栅极线的多个栅极信号；
传感器信号读出电路，所述传感器信号读出电路通过所述多条数据线从所述多个像素接收多个数据信号；以及
模式选择单元，所述模式选择单元向所述多条模式选择线提供模式选择电压，
其中，取决于所述模式选择电压，所述多个像素中的每一个以电容模式和光学模式中的一个操作；
其中，所述多个像素中的每一个包括：
第一晶体管，所述第一晶体管根据向所述第一晶体管的一端提供的所述模式选择电压来控制；
第二晶体管，所述第二晶体管包括被连接至所述第一晶体管的另一端的栅极；以及
光电导体，所述光电导体被直接连接至所述第二晶体管的一端，以及
当所述第一晶体管被导通时所述多个像素中的每一个以所述光学模式操作，而当所述第一晶体管被关断时所述多个像素中的每一个以所述电容模式操作。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中：
当所述模式选择电压是第一电平的正电压时，所述第一晶体管被关断而所述光电导体被导通。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中：
当所述模式选择电压是第二电平的负电压时，所述第一晶体管被导通而所述光电导体被关断。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中：
所述光电导体的截止电流根据要照射到所述光电导体的光而改变，以及流过所述第二晶体管的电流根据所述截止电流而改变。
12.根据权利要求8所述的图像传感器，其中：
所述多个像素中的每一个还包括耦合电容器，所述耦合电容器包括被连接至所述第二晶体管的栅极的一个电极以及被连接至相应的耦合脉冲线的另一个电极；以及
所述第二晶体管的另一端被连接至所述相应的耦合脉冲线，并且当所述模式选择电压是第二电平的负电压时，被提供给所述相应的耦合脉冲线的耦合脉冲的负电压高于所述第二电平。
13.根据权利要求8所述的图像传感器，其中：
所述多个像素中的每一个还包括：
第三晶体管，所述第三晶体管包括被连接至所述第二晶体管的另一端的栅极；
第四晶体管，所述第四晶体管包括：与所述第三晶体管的一端连接的一端、被连接至相应的数据线的另一端以及被连接至相应的栅极线的栅极；
第五晶体管，所述第五晶体管包括：被连接至所述第一晶体管的另一端的一端、被连接至相应的耦合脉冲线的另一端以及被连接至所述相应的栅极线中的在前的栅极线的栅极；
第六晶体管，所述第六晶体管包括：被连接至所述第二晶体管的另一端的一端、被连接至所述相应的耦合脉冲线的另一端以及被连接至所述在前的栅极线的栅极；
耦合电容器，所述耦合电容器被连接在所述第二晶体管的栅极和所述相应的耦合脉冲线之间；
感测电极，所述感测电极被连接至所述第二晶体管的栅极；以及
存储电容器，所述存储电容器包括被连接至所述第三晶体管的栅极的一个电极以及被施加驱动电压的另一个电极。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中：
在所述多个像素中的每一个中，所述感测电极在所述第一晶体管被关断时与作为识别目标的指纹一起形成电容器。
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