CN114046881B - 一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器，包括基于薄膜晶体管的前置放大电路，所述前置放大电路由第一薄膜晶体管TFT1、第二薄膜晶体管TFT2、第三薄膜晶体管TFT3和第四薄膜晶体管TFT4构成，所述第一薄膜晶体管TFT1、第二薄膜晶体管TFT2组成了电流转换电压电路，所述第三薄膜晶体管TFT3和第四薄膜晶体管TFT4组成了共源放大电路，所述电流转换电压电路将与光照强度相关的微弱电流转换为与光照强度相关的电压，并输出给所述共源放大电路，所述共源放大电路将与光照强度相关的电压放大并输出。本发明的有益效果是：采用薄膜晶体管作为光电探测器，提高了颜色传感器的灵敏度，可用于柔性面板，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及颜色传感器，尤其涉及一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器。
背景技术
传统的颜色传感器主要是基于光电二极管，是无源传感器,无内部增益，灵敏度较低。
因此，如何提高颜色传感器的灵敏度是本技术技术人员所亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器。
本发明提供了一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器，包括基于薄膜晶体管的前置放大电路，所述前置放大电路由第一薄膜晶体管TFT1、第二薄膜晶体管TFT2、第三薄膜晶体管TFT3和第四薄膜晶体管TFT4构成，所述第一薄膜晶体管TFT1、第二薄膜晶体管TFT2组成了电流转换电压电路，所述第三薄膜晶体管TFT3和第四薄膜晶体管TFT4组成了共源放大电路，所述电流转换电压电路将与光照强度相关的微弱电流转换为与光照强度相关的电压，并输出给所述共源放大电路，所述共源放大电路将与光照强度相关的电压放大并输出。
作为本发明的进一步改进，所述共源放大电路将与光照强度相关的电压放大并输出给后端的逻辑计算单元，通过后端的逻辑计算单元计算后，将电压值计算成对应的RGB值，并通过标准输出接口输出。
作为本发明的进一步改进，所述第一薄膜晶体管TFT1用于接收光照，其输入信号为光照强度。
作为本发明的进一步改进，所述第一薄膜晶体管TFT1和第四薄膜晶体管TFT4均采用双栅薄膜晶体管。
作为本发明的进一步改进，第二薄膜晶体管TFT2、第三薄膜晶体管TFT3可以采用双栅薄膜晶体管，也可以采用普通的单栅薄膜晶体管。
作为本发明的进一步改进，所述第一薄膜晶体管TFT1的顶栅极对应设置有滤光片，输入光（例如白光）经过所述滤光片的滤光后，由第一薄膜晶体管TFT1的顶栅极接收。
作为本发明的进一步改进，所述第一薄膜晶体管TFT1的漏极连接电源电压，所述第一薄膜晶体管TFT1的源极与所述第二薄膜晶体管TFT2的漏极连接于A点，所述第二薄膜晶体管TFT2的源极接地，所述第三薄膜晶体管TFT3的漏极、栅极分别连接电源电压，所述第三薄膜晶体管TFT3的源极与所述第四薄膜晶体管TFT4的漏极连接于B点，B点用于输出电压，所述第四薄膜晶体管TFT4的源极接地，所述第四薄膜晶体管TFT4的底栅极与所述第二薄膜晶体管TFT2的栅极连接于A点，电流流经第二薄膜晶体管TFT2后，在A点产生一个与光照强度正相关的电压，然后，将A点电压接入到第四薄膜晶体管TFT4的底栅极，而第三薄膜晶体管TFT3和第四薄膜晶体管TFT4组成的共源放大电路，让A点电压放大，放大后的电压信号从B点输出。
作为本发明的进一步改进，所述第一薄膜晶体管TFT1的底栅极外加偏置电压，所述第四薄膜晶体管TFT4的顶栅极外加偏置电压。
作为本发明的进一步改进，所述第四薄膜晶体管TFT4的宽长比大于所述第三薄膜晶体管TFT3的宽长比。
作为本发明的进一步改进，所述第四薄膜晶体管TFT4的宽长比与所述第三薄膜晶体管TFT3的宽长比的比例倍数介于10倍至100倍之间。
作为本发明的进一步改进，所述第一薄膜晶体管TFT1、第二薄膜晶体管TFT2、第三薄膜晶体管TFT3的宽长比相同。
作为本发明的进一步改进，输入光（例如白光）经过不同的滤光片滤光后，得到不同的颜色，而不同的颜色对应不同的前置放大电路。
本发明的有益效果是：通过上述方案，采用薄膜晶体管作为光电探测器，提高了颜色传感器的灵敏度，降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的方案。
图1是本发明一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器的前置放大电路图。
图2是本发明一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器的前置放大电路图的仿真结构。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至图2所示，一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器，包括基于薄膜晶体管的前置放大电路，所述前置放大电路由第一薄膜晶体管TFT1、第二薄膜晶体管TFT2、第三薄膜晶体管TFT3和第四薄膜晶体管TFT4构成，所述第一薄膜晶体管TFT1、第二薄膜晶体管TFT2组成了电流转换电压电路，所述第三薄膜晶体管TFT3和第四薄膜晶体管TFT4组成了共源放大电路，所述电流转换电压电路将与光照强度相关的微弱电流转换为与光照强度相关的电压，并输出给所述共源放大电路，所述共源放大电路将与光照强度相关的电压放大并输出给后端的逻辑计算单元，通过后端的逻辑计算单元计算后，将电压值计算成对应的RGB值，并通过标准输出接口输出。
所述第一薄膜晶体管TFT1用于接收光照，其输入信号为光照强度。
所述第一薄膜晶体管TFT1和第四薄膜晶体管TFT4均采用双栅薄膜晶体管。
所述第一薄膜晶体管TFT1的顶栅极对应设置有滤光片，白光经过所述滤光片的滤光后，由第一薄膜晶体管TFT1的顶栅极接收。
所述第一薄膜晶体管TFT1的漏极连接电源电压，所述第一薄膜晶体管TFT1的源极与所述第二薄膜晶体管TFT2的漏极连接于A点，所述第二薄膜晶体管TFT2的源极接地，所述第三薄膜晶体管TFT3的漏极、栅极分别连接电源电压，所述第三薄膜晶体管TFT3的源极与所述第四薄膜晶体管TFT4的漏极连接于B点，B点用于输出电压，所述第四薄膜晶体管TFT4的源极接地，所述第四薄膜晶体管TFT4的底栅极与所述第二薄膜晶体管TFT2的栅极连接于A点，电流流经第二薄膜晶体管TFT2后，在A点产生一个与光照强度正相关的电压，然后，将A点电压接入到第四薄膜晶体管TFT4的底栅极，而第三薄膜晶体管TFT3和第四薄膜晶体管TFT4组成的共源放大电路，让A点电压放大，放大后的电压信号从B点输出。
所述第一薄膜晶体管TFT1的底栅极外加偏置电压，所述第四薄膜晶体管TFT4的顶栅极外加偏置电压。
所述第四薄膜晶体管TFT4的宽长比大于所述第三薄膜晶体管TFT3的宽长比。
所述第四薄膜晶体管TFT4的宽长比与所述第三薄膜晶体管TFT3的宽长比的比例倍数介于10倍至100倍之间。
所述第一薄膜晶体管TFT1、第二薄膜晶体管TFT2、第三薄膜晶体管TFT3的宽长比相同。
白光经过不同的滤光片滤光后，得到不同的颜色，而不同的颜色对应不同的前置放大电路，滤光片包括红光滤光片、绿光滤光片和蓝光滤光片，前置放大电路有三个，分别为第一前置放大电路、第二前置放大电路和第三前置放大电路；白光经过红光滤光片后，得到红光，该红光则由对应的第一前置放大电路的第一薄膜晶体管TFT1接收；白光经过绿光滤光片后，得到绿光，该绿光则由对应的第二前置放大电路的第一薄膜晶体管TFT1接收；而白光经过蓝光滤光片后，得到蓝光，该蓝光则由对应的第三前置放大电路的第一薄膜晶体管TFT1接收。
本发明提供的一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器，其工作原理如下：
基于薄膜晶体管的前置放大电路采用的是电流转换电压电路与共源放大电路结合的结构，该前置放大电路输出与光照强度相关的电压，将与光照强度相关的微弱电流转换为电压，经过共源放大电路放大后的电压，更为方便后端的逻辑计算单元的处理，同时，提高了颜色传感器的检测极限。
如图1所示，白光经过红、绿、蓝滤光片后，由不同的前置放大电路的薄膜晶体管接收后，作用于薄膜晶体管的沟道，激发出更多的电子流过薄膜晶体管。此时，图1中的TFT1作为接收光照的薄膜晶体管，输入信号即为光照强度，不同颜色的前置放大电路是分立的。电流流经第二薄膜晶体管TFT2后会在A点产生一个与光照强度正相关的电压。然后，将A点电压接入到第四薄膜晶体TFT4的栅极，而第三薄膜晶体TFT3和第四薄膜晶体TFT4组成了共源放大电路，从而让A点电压放大并输出，放大后的电压信号输出到后端的逻辑计算单元。
在图1中，第一薄膜晶体TFT1的顶栅级因为需要透光，所以用虚线做了标识。
在共源放大电路中，第四薄膜晶体TFT4采用了双栅薄膜晶体管的结构，较普通的薄膜晶体管要多出一个顶栅极TG，即第四薄膜晶体TFT4具有源极S、漏极D、底栅极BG（Bottom gate）和顶栅级TG（Top gate），方便调节晶体管的工作状态，在这个结构中是为了调节适应的输入电压范围，从而相应地提高了传感器的探测范围和精确度。
电路中，第四薄膜晶体TFT4的宽长比要尽可能的大于第三薄膜晶体TFT3的宽长比，两个TFT的宽长比比例约为10倍至100倍，比例倍数越小第四薄膜晶体TFT4的占用面积缩小，相应的整体电路占用面积减小，但是得到的放大倍数偏小；比例倍数越大，得到的放大倍数越大，输出电压变化范围也越大，但是会导致输入电压范围减小的问题，以及第四薄膜晶体TFT4占用的面积增大，在阵列排布时会带来布局过于紧凑的问题。所以，第四薄膜晶体TFT4和第三薄膜晶体TFT3的宽长比比例约为10倍至100倍是较为优选的范围。
图2为该前置放大电路的仿真结果，此时设置电源电压为5V，第四薄膜晶体TFT4的顶栅级偏压为-1.5V，第一薄膜晶体TFT1、第二薄膜晶体TFT2、第三薄膜晶体TFT3的宽长比为10um/10um，第四薄膜晶体TFT4的宽长比为100um/10um，假设在光强照射下，流经第一薄膜晶体TFT1的光强电流为正弦波。仿真结果可以看出，经过第二薄膜晶体TFT2的作用后，光强电流转换为A点电压，此时的A点电压与光强电流是正相关的，输出电压幅度在0至3V，经过第三薄膜晶体TFT3和第四薄膜晶体TFT4组成的共源放大电路后，输出电压幅度为1.2至4.8V，差值较A点电压更大，起到了放大电压的作用。同时该前置放大电路也起到了将输入和输出隔离的作用。
本发明提供的一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器，采用薄膜晶体管作为光电探测器，提高了颜色传感器的灵敏度，可以大幅降低传感器的制备成本，提高了颜色传感器的检测极限，提高了颜色传感器的探测范围和精确度，起到了将输入和输出隔离的作用。
本发明提供的一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器，可用于柔性面板。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器，其特征在于：包括基于薄膜晶体管的前置放大电路，所述前置放大电路由第一薄膜晶体管TFT1、第二薄膜晶体管TFT2、第三薄膜晶体管TFT3和第四薄膜晶体管TFT4构成，所述第一薄膜晶体管TFT1、第二薄膜晶体管TFT2组成了电流转换电压电路，所述第三薄膜晶体管TFT3和第四薄膜晶体管TFT4组成了共源放大电路，所述电流转换电压电路将与光照强度相关的微弱电流转换为与光照强度相关的电压，并输出给所述共源放大电路，所述共源放大电路将与光照强度相关的电压放大并输出，所述共源放大电路将与光照强度相关的电压放大并输出给后端的逻辑计算单元，通过后端的逻辑计算单元计算后，将电压值计算成对应的RGB值，所述第一薄膜晶体管TFT1用于接收光照，其输入信号为光照强度，所述第一薄膜晶体管TFT1和第四薄膜晶体管TFT4均采用双栅薄膜晶体管，所述第一薄膜晶体管TFT1的顶栅极对应设置有滤光片，输入光经过所述滤光片的滤光后，由第一薄膜晶体管TFT1的顶栅极接收，所述第一薄膜晶体管TFT1的漏极连接电源电压，所述第一薄膜晶体管TFT1的源极与所述第二薄膜晶体管TFT2的漏极连接于A点，所述第二薄膜晶体管TFT2的源极接地，所述第三薄膜晶体管TFT3的漏极、栅极分别连接电源电压，所述第三薄膜晶体管TFT3的源极与所述第四薄膜晶体管TFT4的漏极连接于B点，B点用于输出电压，所述第四薄膜晶体管TFT4的源极接地，所述第四薄膜晶体管TFT4的底栅极与所述第二薄膜晶体管TFT2的栅极连接于A点，电流流经第二薄膜晶体管TFT2后，在A点产生一个与光照强度正相关的电压，然后，将A点电压接入到第四薄膜晶体管TFT4的底栅极，而第三薄膜晶体管TFT3和第四薄膜晶体管TFT4组成的共源放大电路，让A点电压放大，放大后的电压信号从B点输出。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器，其特征在于：所述第一薄膜晶体管TFT1的底栅极外加偏置电压，所述第四薄膜晶体管TFT4的顶栅极外加偏置电压。
3.根据权利要求1所述的基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器，其特征在于：所述第四薄膜晶体管TFT4的宽长比大于所述第三薄膜晶体管TFT3的宽长比。
4.根据权利要求3所述的基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器，其特征在于：所述第四薄膜晶体管TFT4的宽长比与所述第三薄膜晶体管TFT3的宽长比的比例倍数介于10倍至100倍之间。
5.根据权利要求1所述的基于薄膜晶体管的高灵敏度颜色传感器，其特征在于：输入光经过不同的滤光片滤光后，得到不同的颜色，而不同的颜色对应不同的前置放大电路。
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