CN111126352A - 超声波像素电路与相关的显示装置 - Google Patents

Abstract

一种超声波像素电路，其包含峰值检测元件、输出电路、以及复位电路。峰值检测元件耦接于第一节点和第二节点之间，并通过第二节点耦接于超声波传感器。输出电路耦接于第一节点，用于依据第一节点的电压提供感测电流，且用于选择性地将感测电流输出至控制系统。复位电路耦接于第一节点和第二节点。当复位电路设置第一节点的电压时，复位电路也设置第二节点的电压。

Description

超声波像素电路与相关的显示装置

技术领域

本发明有关一种显示装置，尤指显示装置中的一种超声波像素电路。

背景技术

指纹识别能加强移动设备的安全性，与指纹识别相关的解决方案包含了电容式感测技术、超声波式感测技术、以及光学式感测技术，其中电容式感测技术在以往的消费市场中受到广泛应用。然而，当移动设备位于水面下或配备有保护贴时，电容式感测技术的灵敏度会受到影响，并且电容式感测技术较难以设置在屏幕下方，因而不利于应用在全面屏的移动设备。相较之下，超声波式感测技术能克服上述的多种问题，因而有望成为未来应用于移动设备中的主流技术。

发明内容

本发明提供一种显示装置，其包含显示模块、控制系统、以及超声波感测阵列。超声波感测阵列耦接于控制系统，并设置于显示模块的一侧，且包含多个超声波传感器和多个超声波像素电路。多个超声波像素电路的每一者包含峰值检测元件、输出电路、以及复位电路。峰值检测元件耦接于第一节点和第二节点之间，并通过第二节点耦接于多个超声波传感器中一对应的超声波传感器。输出电路耦接于第一节点，用于依据第一节点的电压提供感测电流，且用于选择性地将感测电流输出至控制系统。复位电路耦接于第一节点和第二节点。当复位电路设置第一节点的电压时，复位电路也设置第二节点的电压。

本发明提供一种超声波像素电路，其包含峰值检测元件、输出电路、以及复位电路。峰值检测元件耦接于第一节点和第二节点之间，并通过第二节点耦接于超声波传感器。输出电路耦接于第一节点，用于依据第一节点的电压提供感测电流，且用于选择性地将感测电流输出至控制系统。复位电路耦接于第一节点和第二节点。当复位电路设置第一节点的电压时，复位电路也设置第二节点的电压。

本发明的有益功效在于：上述的显示装置和超声波像素电路具有精简的电路架构。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的显示装置简化后的功能方框图。

图2为依据本发明另一实施例的显示装置简化后的功能方框图。

图3为依据本发明一实施例的超声波感测阵列与相关的控制系统简化后的功能方框图。

图4为依据本发明一实施例的超声波像素电路的功能方框图。

图5为图4的超声波像素电路的多个控制信号与节点电压的波形示意图。

图6A至6C为图4的超声波像素电路在不同运作阶段中的等效电路操作示意图。

图7为依据本发明另一实施例的超声波像素电路的功能方框图。

图8为依据本发明又一实施例的超声波像素电路的功能方框图。

图9为依据本发明又一实施例的超声波像素电路的功能方框图。

图10为依据本发明又一实施例的超声波像素电路的功能方框图。

图11为图4的超声波像素电路在一实施例中的模拟示意图。

图12为图4的超声波像素电路在另一实施例中的模拟示意图。

其中，附图标记：

100、200：显示装置

101：物体

103：超声波

110：保护面板

120：OLED显示模块

122：OLED材料层

124：TFT电路层

126：基板

130：超声波感测模块

132：TFT电路层

134：基板

W1：宽度

W2：宽度

310：超声波感测阵列

312：超声波像素电路

320：控制系统

322：移位寄存器

324：电流检测电路

326：模数转换电路

Swo：输出开关

PM：超声波传感器

DI：峰值检测元件

400、700、800、900、1000：超声波像素电路410：复位电路

420：输出电路

T1：第一开关

T2：第二开关

Tr：驱动晶体管

To：输出开关

Cst：储存电容

Sint：复位控制信号

Sread：输出控制信号

Ise：感测电流

Lse：感测数据线

N1：第一节点

N2：第二节点

Vint1：第一参考电压

Vbias：驱动电压

VDD：系统电压

P1：复位阶段

P2：感测阶段

P3：输出阶段

Vp：预设电位

具体实施方式

以下将配合相关图式来说明本发明的实施例。在图式中，相同的标号表示相同或类似的元件或方法流程。

图1为根据本发明一实施例的显示装置100简化后的功能方框图。显示装置100包含保护面板110、有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示模块120、以及超声波感测模块130，其中OLED显示模块120夹设于保护盖板(Cover Lens)110和超声波感测模块130之间。为使图面简洁而易于说明，显示装置100中的其他元件与连接关系并未绘示于图1中。

OLED显示模块120包含OLED材料层122、薄膜晶体管(Thin Film-Transistor，TFT)电路层124、以及基板126。TFT电路层124包含多个显示像素电路(未绘示于图1)，其中显示像素电路用于点亮OLED材料层122中的OLED颗粒。

在另一实施例中，显示装置100的OLED显示模块120被微发光二极管(Micro LED)显示模块所取代。在又一实施例中，显示装置100的OLED显示模块120被LCD显示模块所取代，且LCD显示模块包含偏光片层、滤光片层、液晶层、TFT电路层、以及背光模块等等。

超声波感测模块130包含TFT电路层132和基板134，TFT电路层132包含由多个超声波像素电路排列成的超声波感测阵列(未绘示于图1)。超声波感测模块用于产生超声波103，且用于感测物体101(例如，使用者的手指)所反射的超声波103。在某一实施例中，当物体101位于保护面板110上方且未接触于保护面板110时，超声波感测模块130会对物体101进行手势(gesture)感测。在另一实施例中，当物体101接触于保护面板110时，超声波感测模块130会对物体101进行指纹感测，或是进行触控操作感测。在又一实施例中，超声波感测模块130可以同时对物体101进行手势感测、指纹感测、及/或触控操作感测。

图2为依据本发明一实施例的显示装置200简化后的功能方框图。显示装置200类似于图1的显示装置100，差异在于显示装置200的超声波感测模块130的宽度W1，小于OLED显示模块120的宽度W2。因此，相较于显示装置100，显示装置200具有额外的内部空间，得以增加硬件架构设计上的弹性。

图3为依据本发明一实施例的超声波感测阵列310与相关的控制系统320简化后的功能方框图。超声波感测阵列310包含多个超声波像素电路312和多个超声波传感器PM。超声波像素电路312包含峰值检测元件DI和输出开关SWo。当超声波传感器PM接收到反射的超声波时，峰值检测元件DI会将超声波传感器PM产生的电压信号转换为电荷并累积于输出开关SWo的一端。输出开关SWo则会将累积的电荷作为感测结果，并将感测结果以电流的形式选择性地输出至控制系统320。

控制系统320包含移位寄存器322、多个电流检测电路324、以及模数转换电路326。移位寄存器322用于依序驱动(例如，由上至下逐列驱动)超声波像素电路312和超声波传感器PM，以发射超声波、感测超声波、以及输出感测结果。每个电流检测电路324耦接于部分的超声波像素电路312(例如，耦接于一行的超声波像素电路312)，以接收对应的感测结果。如图3所示，电流检测电路324包含放大器，还包含并联于该放大器的输出端和其中一输入端之间的电容与开关。电流检测电路324会将接收到的电流形式的感测结果转换为对应的电压，并将该对应的电压输出至模数转换电路326。

在某一实施例中，电流检测电路324是用一电流源来实现。该电流源的一端用于接收前述的感测结果，并用于将电流形式的感测结果转换为对应的分压，且用于将该对应的分压输出至模数转换电路326。

在某些实施例中，图1和图2的显示装置100和200包含图3的超声波感测阵列310与控制系统320，以实现前述的各种超声波感测功能。超声波感测阵列310可以设置于TFT电路层132之中。控制系统320可以全部设置于TFT电路层132之中，或是部分设置于TFT电路层132中而另一部分设置于额外的基板(例如，柔性印刷电路板)上。

图4为依据本发明一实施例的超声波像素电路400的功能方框图。超声波像素电路400包含峰值检测元件DI、复位电路410、以及输出电路420。峰值检测元件DI耦接于第一节点N1和第二节点N2之间，且通过第二节点N2耦接于超声波传感器PM的一端。超声波传感器PM的另一端用于接收驱动电压Vbias，驱动电压Vbias用于利用振荡(oscillation)波形来驱动超声波传感器PM发射超声波。

峰值检测元件DI用于将超声波传感器PM于第二节点N2产生的电压振荡转换为对应的电荷并储存于第一节点N1。实际上，峰值检测元件DI可以用PN二极管元件或是PIN二极管元件来实现，其中二极管元件的阳极端和阴极端分别耦接于第二节点N2和第一节点N1。

复位电路410耦接于第一节点N1和第二节点N2，用于设置第一节点N1和第二节点N2的电压，且包含第一开关T1和第二开关T2。第一开关T1的第一端耦接于第一节点N1。第二开关T2的第一端耦接于第二节点N2。第一开关T1的第二端和第二开关T2的第二端用于接收第一参考电压Vint1。第一开关T1的控制端和第二开关T2的控制端用于接收复位控制信号Sint，亦即当复位电路410设置第一节点N1的电压时，复位电路410也会设置第二节点N2的电压。

输出电路420耦接于第一节点N1，用于依据第一节点N1的电压提供感测电流Ise，且包含驱动晶体管Tr、输出开关To、以及储存电容Cst。驱动晶体管Tr的第一端用于接收系统电压VDD，驱动晶体管Tr的控制端则耦接于第一节点N1。输出开关To的第一端耦接于驱动晶体管Tr的第二端，输出开关To的第二端耦接于感测数据线Lse，输出开关To的控制端用于接收输出控制信号Sread。储存电容Cst的第一端耦接于第一节点N1，储存电容Cst的第二端则用于接收系统电压VDD。

在本实施例中，储存电容Cst为驱动晶体管Tr的第一端(例如，源极)和控制端(例如，栅极)之间的寄生电容元件，但本发明并不以此为限。在一实施例中，储存电容Cst和驱动晶体管Tr为不同的元件。例如，储存电容Cst可以是利用不同金属层重叠而形成的电容元件。

实际上，图4的第一开关T1、第二开关T2、驱动晶体管Tr、以及输出开关To可以用各种合适种类的P型晶体管来实现。例如，P型薄膜晶体管或P型金氧半场效晶体管。

在一实施例中，图4的超声波像素电路400和超声波传感器PM，分别可用于实现图3的超声波像素电路312和超声波传感器PM。在此情况下，感测数据线Lse是耦接于图3中的一行超声波像素电路312和对应的一个电流检测电路324。超声波像素电路400(亦即，超声波像素电路312)可将感测电流Ise作为感测结果，通过感测数据线Lse输出至电流检测电路324。

图5为图4的超声波像素电路400的多个控制信号与节点电压的波形示意图。图6A至6C为图4的超声波像素电路400在不同运作阶段中的等效电路操作示意图。

请参照图5和图6A，在复位阶段P1中，复位控制信号Sint具有逻辑高电位(例如，低电压电位)，输出控制信号Sread具有逻辑低电位(例如，高电压电位)，且驱动电压Vbias具有振荡波形。因此，第一开关T1和第二开关T2会导通，以将第一节点N1和第二节点N2的电压维持于第一参考电压Vint1，进而关断峰值检测元件DI。输出开关To会关断，且超声波传感器PM会产生超声波。

请参照图5和图6B，在感测阶段P2中，复位控制信号Sint和输出控制信号Sread都具有逻辑低电位，且驱动电压Vbias维持于固定电位。因此，第一开关T1、第二开关T2、以及输出开关To会关断。当超声波传感器PM接收到反射的超声波而震动时，第二节点N2的电压会具有对应的振荡波形。若第二节点N2的电压高于一预设电位Vp，峰值检测元件DI会导通而将第二节点N2的电荷传递至第一节点N1。

换言之，第一节点N1在感测阶段P2中所获得的电荷量，会对应于超声波传感器PM的震动强度和频率等等因素。

请参照图5和图6C，在输出阶段P3中，复位控制信号Sint具有逻辑低电位，输出控制信号Sread具有逻辑高电位，且驱动电压Vbias维持于固定电位。因此，第一开关T1和第二开关T2会关断，而输出开关To会导通。由于驱动晶体管Tr工作于饱和区，驱动晶体管Tr会提供感测电流Ise，且感测电流Ise的大小会对应于第一节点N1的电压。感测电流Ise会经由输出开关To输出至感测数据线Lse。

图7为依据本发明一实施例的超声波像素电路700的功能方框图。图7的超声波像素电路700类似于图4的超声波像素电路400，差异在于，超声波像素电路700的峰值检测元件DI的耦接方向相反于超声波像素电路400的峰值检测元件DI。例如，在超声波像素电路700的峰值检测元件DI是以二极管来实现的一实施例中，超声波像素电路700的峰值检测元件DI是以阳极端耦接于第一节点N1，并以阴极端耦接于第二节点N2。

于感测阶段P2中，若第二节点N2的电压低于另一预设电位，超声波像素电路700的峰值检测元件DI会导通，进而将第一节点N1的电荷传递至第二节点N2。

图8为依据本发明一实施例的超声波像素电路800的功能方框图。图8的超声波像素电路800类似于图4的超声波像素电路400，差异在于，超声波像素电路800的第一开关T1的第二端耦接于第二节点N2(亦即，第二开关T2的第一端)。

图9为依据本发明一实施例的超声波像素电路900的功能方框图。图9的超声波像素电路900类似于图4的超声波像素电路400，差异在于，超声波像素电路900的第二开关T2的第二端耦接于第一节点N1(亦即，第一开关T1的第一端)。

图10为依据本发明一实施例的超声波像素电路1000的功能方框图。图10的超声波像素电路1000类似于图4的超声波像素电路400，差异在于，超声波像素电路1000的第一开关T1的第二端用于接收第一参考电压Vint1，超声波像素电路1000的第二开关T2的第二端用于接收第二参考电压Vint2，且第一参考电压Vint1不同于第二参考电压Vint2。在一实施例中，第一参考电压Vint1低于第二参考电压Vint2。

由上述可知，上述的多个实施例中的显示装置和超声波像素电路具有精简的电路架构，因而能达成高解析度的指纹、手势、或触控侦测，并降低制造复杂度。

图11为图4的超声波像素电路400在一实施例中的模拟示意图。图12为图4的超声波像素电路400在另一实施例中的模拟示意图。由图11可知，在感测阶段P2中，当第二节点N2的电压具有峰值约为2.5V的振荡波形时，第一节点N1的电压会由0V上升至约1.7V。由图12可知，在感测阶段P2中，当第二节点N2的电压具有峰值约为3.0V的振荡波形时，第一节点N1的电压会由0V上升至约2.2V。

因此，在系统电压VDD被设置为约4～6V且感测数据线Lse的电压被合理地设置为约1.4V的情况下，驱动晶体管Tr便可以工作于饱和区，进而输出对应于第一节点N1的电压的驱动电流Ise。

在上述的多个实施例中，系统电压VDD高于感测数据线Lse的电压，但本发明不以此为限。在某些实施例中，图4、7～10的系统电压VDD低于感测数据线Lse的电压，使得驱动晶体管Tr在输出阶段P3中会自感测数据线Lse抽取感测电流Ise。

在另外一些实施例中，图4、7～10的第一开关T1和第二开关T2可以用N型晶体管来实现，且复位控制信号Sint会对应地具有与图5反相的波形。另外，输出开关To也可以用N型晶体管来实现，且输出控制信号Sread会对应地具有与图5反相的波形。

在说明书及权利要求书中使用了某些词汇来指称特定的元件。然而，所属技术领域中具有通常知识者应可理解，同样的元件可能会用不同的名词来称呼。说明书及权利要求书并不以名称的差异做为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来做为区分的基准。在说明书及权利要求书所提及的「包含」为开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」在此包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述第一元件耦接于第二元件，则代表第一元件可通过电性连接或无线传输、光学传输等信号连接方式而直接地连接于第二元件，或者通过其他元件或连接手段间接地电性或信号连接至该第二元件。

在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列举的其中之一或多个项目的任意组合。另外，除非说明书中特别指明，否则任何单数的用语都同时包含复数的涵义。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种显示装置，其特征在于，包含：

一显示模块；

一控制系统；以及

一超声波感测阵列，耦接于该控制系统，并设置于该显示模块的一侧，且包含多个超声波传感器和多个超声波像素电路，其中该多个超声波像素电路的每一者包含：

一峰值检测元件，耦接于一第一节点和一第二节点之间，并通过该第二节点耦接于该多个超声波传感器中一对应的超声波传感器；

一输出电路，耦接于该第一节点，用于依据该第一节点的电压提供一感测电流，且用于选择性地将该感测电流输出至该控制系统；以及

一复位电路，耦接于该第一节点和该第二节点，其中当该复位电路设置该第一节点的电压时，该复位电路也设置该第二节点的电压。

2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该复位电路包含：

一第一开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第一开关的该第一端耦接于该第一节点；以及

一第二开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第二开关的该第一端耦接于该第二节点；

其中该第一开关的该第二端和该第二开关的该第二端用于接收一第一参考电压，

该第一开关的该控制端和该第二开关的该控制端用于接收一复位控制信号。

3.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该复位电路包含：

一第一开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第一开关的该第一端耦接于该第一节点；以及

一第二开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第二开关的该第一端耦接于该第二节点和该第一开关的该第二端，该第二开关的该第二端用于接收一第一参考电压；

其中该第一开关的该控制端和该第二开关的该控制端用于接收一复位控制信号。

4.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该复位电路包含：

一第一开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第一开关的该第一端耦接于该第一节点，该第一开关的该第二端用于接收一第一参考电压；以及

一第二开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第二开关的该第一端耦接于该第二节点，该第二开关的该第二端耦接于该第一开关的该第一端；

其中该第一开关的该控制端和该第二开关的该控制端用于接收一复位控制信号。

5.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，该复位电路包含：

一第一开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第一开关的该第一端耦接于该第一节点，该第一开关的该第二端用于接收一第一参考电压；以及

一第二开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第二开关的该第一端耦接于该第二节点，该第二开关的该第二端用于接收一第二参考电压；

该第一开关的该控制端和该第二开关的该控制端用于接收一复位控制信号。

6.一种超声波像素电路，其特征在于，包含：

一峰值检测元件，耦接于一第一节点和一第二节点之间，并通过该第二节点耦接于一超声波传感器；

一输出电路，耦接于该第一节点，用于依据该第一节点的电压提供一感测电流，且用于选择性地将该感测电流输出至一控制系统；以及

一复位电路，耦接于该第一节点和该第二节点，其中当该复位电路设置该第一节点的电压时，该复位电路也设置该第二节点的电压。

7.根据权利要求6所述的超声波像素电路，其特征在于，该复位电路包含：

一第一开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第一开关的该第一端耦接于该第一节点；以及

一第二开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第二开关的该第一端耦接于该第二节点；

其中该第一开关的该第二端和该第二开关的该第二端用于接收一第一参考电压，

该第一开关的该控制端和该第二开关的该控制端用于接收一复位控制信号。

8.根据权利要求6所述的超声波像素电路，其特征在于，该复位电路包含：

一第一开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第一开关的该第一端耦接于该第一节点；以及

一第二开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第二开关的该第一端耦接于该第二节点和该第一开关的该第二端，该第二开关的该第二端用于接收一第一参考电压；

其中该第一开关的该控制端和该第二开关的该控制端用于接收一复位控制信号。

9.根据权利要求6所述的超声波像素电路，其特征在于，该复位电路包含：

一第一开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第一开关的该第一端耦接于该第一节点，该第一开关的该第二端用于接收一第一参考电压；以及

一第二开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第二开关的该第一端耦接于该第二节点，该第二开关的该第二端耦接于该第一开关的该第一端；

其中该第一开关的该控制端和该第二开关的该控制端用于接收一复位控制信号。

10.根据权利要求6所述的超声波像素电路，其特征在于，该复位电路包含：

一第一开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第一开关的该第一端耦接于该第一节点，该第一开关的该第二端用于接收一第一参考电压；以及

一第二开关，包含一第一端、一第二端、以及一控制端，其中该第二开关的该第一端耦接于该第二节点，该第二开关的该第二端用于接收一第二参考电压；

该第一开关的该控制端和该第二开关的该控制端用于接收一复位控制信号。

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