CN115917485A - 用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路、超声波感测显示设备 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于产生和检测超声波感测信号的电路。具有发射电极和接收电极的压电装置耦接到偏置和采样子电路，该偏置和采样子电路配置为向接收电极设置不同的偏置电压。压电装置配置为在将激励脉冲信号施加到发射电极时发射超声波信号，并且可选地配置为在接收到基于超声波信号的超声回波信号时在接收电极处产生电压信号。信号采集子电路耦接到接收电极以在第一采样时段中基于接收电极处的电压信号确定第一采样电压，并且在第二采样时段中基于接收电极处的电压信号确定第二采样电压。输出子电路耦接到信号采集子电路，用于同时输出第一采样电压和第二采样电压。
Description
技术领域
本发明涉及显示技术，更具体地，涉及用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路、以及超声波感测显示设备。
背景技术
指纹传感器或探测器已被广泛应用，作为方便和安全的身份验证的一种方式。这种基于压电引起的超声波效应的传感器已广泛应用于移动装置上。通常，压电超声波指纹传感器通过利用压电材料的压电和逆压电效应来在玻璃表面处检测从指纹脊到指纹谷的超声回波信号的反射差异，并基于检测到的反射差异实现指纹映射而工作。为了将指纹传感器阵列实现到大尺寸平面装置，例如显示面板，每个传感器单元与相应的一个像素电路耦接，以独立地使用压电装置将超声波信号转换为进入相应像素电路的电信号，从而实现电信号的相应DC分量的采集、存储和传输。同时，需要改进以实现可以最小化或消除电路噪声的影响和参考信号的变化的传感器阵列。
发明内容
一方面，本公开提供了一种用于产生和检测超声波感测信号的电路。所述电路包括具有发射电极和接收电极的压电装置。所述电路还包括配置为向接收电极设置不同的偏置电压的偏置和采样子电路。所述压电装置配置为在将激励脉冲信号施加到发射电极时发射超声波信号，或配置为在接收到基于超声波信号的超声回波信号时在接收电极处产生电压信号。另外，所述电路包括耦接到接收电极的信号采集子电路，以在第一采样时段内基于接收电极处的电压信号确定将在第一控制信号和第二控制信号的控制下传出的第一采样电压，并且在第二采样时段中基于接收电极处的电压信号确定将在第一控制信号和第三控制信号的控制下传出的第二采样电压。此外，所述电路包括耦接到信号采集子电路的输出子电路，用于同时输出第一采样电压和第二采样电压。
可选地，所述偏置和采样子电路包括二极管，所述二极管具有耦接到接收电极的第一端子和耦接到偏置电压端子的第二端子。所述偏置和采样子电路还包括复位晶体管，所述复位晶体管具有耦接到复位端子的控制端子、耦接到接收电极的第一端子、以及耦接到偏置电压端子的第二端子。所述复位端子提供有复位信号，并且所述偏置电压端子提供有偏置电压。
可选地，所述偏置和采样子电路包括复位晶体管，所述复位晶体管具有耦接到复位端子的控制端子、耦接到接收电极的第一端子、以及耦接到偏置电压端子的第二端子。复位端子提供有复位信号，并且所述偏置电压端子提供有偏置电压。在至少第一采样时段和第二采样时段中，所述复位信号的值与所述偏置电压的值实质上相等。
可选地，所述信号采集子电路包括第一晶体管，所述第一晶体管具有耦接到用于承载电压信号的接收电极的控制端子、耦接到中间级端口的第一端子、以及耦接电源端口的第二端子。此外，所述信号采集子电路包括第二晶体管，所述第二晶体管具有配置为接收第一控制信号的控制端子、耦接到接地端口的第一端子、以及耦接到中间级端口的第二端子。此外，所述信号采集子电路包括第三晶体管，所述第三晶体管具有配置为接收第二控制信号的控制端子、包括第一寄生电容器的第一端子、以及耦接到中间级端口的第二端子。此外，所述信号采集子电路包括第四晶体管，所述第四晶体管具有配置为接收第三控制信号的控制端子、包括第二寄生电容器的第一端子、以及耦接到中间级端口的第二端子。
可选地，所述第一晶体管通过在接收电极处产生并存储在连接到接收电极的寄生电容器中的电压信号偏置。所述电压信号与超声回波信号有关，所述超声回波信号在第一采样时段中具有可检测的强度并且在第二采样时段中实质上衰减。所述第二晶体管和所述第三晶体管在第一采样时段中分别通过第一控制信号和第二控制信号一起导通，用于将与超声回波信号和电路参考信号相关的第一采样电压通过中间级端口传到第一寄生电容器。所述第二晶体管和所述第四晶体管在第二采样时段中分别通过第一控制信号和第三控制信号一起导通，用于将仅与电路参考信号相关的第二采样电压通过中间级端口传到第二寄生电容器。
可选地，所述输出子电路包括第五晶体管和第六晶体管，所述第五晶体管和所述第六晶体管具有配置为接收第四控制信号的公共控制端子。所述第五晶体管具有耦接到第一寄生电容器的漏极端子，并且所述第六晶体管具有耦接到第二寄生电容器的漏极端子。所述第五晶体管和所述第六晶体管配置为在第四控制信号的控制下将第一采样电压从第一寄生电容器输出到第五晶体管的源极端子并且同时将第二采样电压从第二寄生电容器输出到第六晶体管的源极端子。
可选地，第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管和第六晶体管中的每一个是N型晶体管。
可选地，所述压电装置包括选自以下项的压电材料：含有聚偏二氟乙烯的聚合物膜，含有铌酸锂、砷化镓、氧化锌、氮化铝和锆钛酸铅(PZT)的压电陶瓷，含有薄聚丙烯材料的机电膜。
可选地，所述接收电极包括由氧化铟锡制成的薄膜块。
可选地，所述电路还包括运算放大器，所述运算放大器配置为接收所述第一采样电压和所述第二采样电压作为差分信号，以输出与超声回波信号相关而与电路参考信号无关的感测电压信号。
另一方面，本公开提供了一种用于产生超声波感测像素图像的超声波感测信号检测电路。所述超声波感测信号检测电路包括具有发射电极和接收电极的压电装置。所述超声波感测信号检测电路还包括偏置和采样子电路，所述偏置和采样子电路配置为分别向接收电极设置不同的偏置电压，以便压电装置在将激励脉冲信号施加到发射电极时发射超声波信号并在接收到基于超声波信号的超声回波信号时在接收电极处产生电压信号。另外，所述超声波感测信号检测电路包括耦接到接收电极的信号采集子电路，以在第一采样时段内基于接收电极处的电压信号确定将在第一控制信号和第二控制信号的控制下传出的第一采样电压，并且在第二采样时段内基于接收电极处的电压信号确定将在第一控制信号和第二控制信号的控制下传出的第二采样电压。此外，所述超声波感测信号检测电路包括外围数字电路，所述外围数字电路配置为基于从第一采样电压转换的第一数字信号和从第二采样电压转换的第二数字信号之间的差分信号推导出接收的超声回波信号。
可选地，所述偏置和采样子电路包括：二极管，所述二极管具有耦接到所述接收电极的第一端子、和耦接到偏置电压端子的第二端子；和复位晶体管，所述复位晶体管具有耦接到复位端子的控制端子、耦接到接收电极的第一端子、和耦接到偏置电压端子的第二端子。所述复位端子提供有复位信号，并且所述偏置电压端子提供有偏置电压。
可选地，所述信号采集子电路包括第一晶体管，所述第一晶体管具有耦接到用于承载电压信号的接收电极的控制端子、耦接到中级端口的第一端子、以及耦接到电源端口的第二端子。此外，所述信号采集子电路包括第二晶体管，所述第二晶体管具有配置为接收第一控制信号的控制端子、耦接到接地端口的第一端子、以及耦接到中间级端口的第二端子。此外，所述信号采集子电路包括第三晶体管，所述第三晶体管具有配置为接收第二控制信号的控制端子、作为输出端口的第一端子、以及耦接到中间级端口的第二端子。
可选地，所述第一晶体管通过在接收电极处产生并存储在连接到接收电极的寄生电容器中的电压信号偏置。所述电压信号与超声回波信号有关，所述超声回波信号在第一采样时段中具有可检测的强度并且在第二采样时段中实质上衰减。所述第二晶体管和所述第三晶体管分别通过第一控制信号和第二控制信号一起导通，用于在第一采样时段中将与超声回波信号和电路参考信号相关的第一采样电压通过中间级端口传到输出端口，并且用于在第二采样时段中将仅与电路参考信号相关的第二采样电压通过中间级端口传到输出端口。
可选地，所述外围数字电路包括模数转换器，所述模数转换器配置为将第一采样电压转换为第一数字信号并将第二采样电压转换为第二数字信号。所述外围数字电路还包括非易失性存储器，用于存储第一数字信号和第二数字信号。此外，外围数字电路包括处理器，用于基于第一数字信号和第二数字信号之间的差分信号推导出与超声回波信号对应的像素数据信号。
可选地，所述外围数字电路耦接到像素电路。像素数据信号被输入以驱动像素电路来显示像素图像。
可选地，所述压电装置配置为在发射电极处接收到具有频率为5～30MHz的一个或多个电压脉冲的激励脉冲信号时发射超声波信号。
又一方面，本公开提供了一种包括显示面板的感测显示设备，该显示面板在包括像素电路阵列的玻璃基板上方具有顶部屏幕。像素电路阵列中的相应一个耦接到本文所述的超声波感测信号检测电路阵列中的相应一个。
可选地，所述超声波感测信号检测电路阵列包括由一个聚合物膜制成的压电装置阵列，所述聚合物膜包含在整个基板上延伸的聚偏二氟乙烯，其中共用发射电极由银层制成，并且由氧化铟锡制成的各个接收电极阵列通过绝缘材料隔开。
可选地，所述超声波感测信号检测电路阵列还包括控制和传送电路，所述控制和传送电路配置为提供频率为5～30MHz的一个或多个激励电压脉冲、一个或多个偏置电压、以及一个或多个控制信号。所述一个或多个激励电压脉冲被施加到公共发射电极，并且所述一个或多个偏置电压在所述一个或多个控制信号的控制下提供给所述压电装置阵列中的相应一个的各个接收电极阵列中的相应一个，以产生和发射相应的超声波信号、以及检测由触摸在顶部屏幕上的对象反射的超声回波信号。
附图说明
以下附图仅是用于根据各种公开的实施例的说明性目的的示例，并且不旨在限制本发明的范围。
图1是根据本公开的一些实施例的用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路的框图。
图2是根据本公开的实施例的用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路的电路图。
图3是根据本公开的实施例的操作图2的传感器电路以检测超声波感测信号的时序图。
图4是根据本公开的替代实施例的用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路的电路图。
图5是根据本公开的实施例的操作图4的传感器电路以检测超声波感测信号的时序图。
图6是根据本公开另一实施例的用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路的电路图。
图7是根据本公开的实施例的操作图6的传感器电路以检测超声波感测信号的时序图。
图8是根据本公开的实施例的在显示面板中实现的基于功能超声波压电的指纹传感器阵列的示意性剖视图。
图9是根据本公开的实施例的在显示面板中利用基于薄膜晶体管的像素电路实现的传感器阵列的示意性俯视图。
具体实施方式
现在将参照以下实施例更具体地描述本公开。应注意，本文仅出于说明和描述的目的呈现了一些实施例的以下描述。其并非旨在穷举或限于所公开的精确形式。
为了实现具有大形状因子的指纹成像设备的传感器阵列，每个传感器设置为与每个图像像素电路相关联，用于直接采集感测信号的DC分量、将信号存储并转换为图像像素用于显示感测指纹图像。为了寻求降低大规模集成的成本和便利性，成像装置的图像像素电路通常由薄膜晶体管(TFT)形成。然而，基于TFT的像素电路在参考信号变化、工艺变化和噪声影响方面存在问题，这会影响与其耦接的传感器稳定地采集感测信号。
因此，本公开尤其提供了用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路、用于显示感测图像的具有与各个像素电路耦接的传感器电路阵列的感测显示设备，其实质上消除由于现有技术的限制和缺点导致的问题中的一个或多个。在具体实施例中，应用基于用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路阵列的感测显示设备，以提供指纹图像。一方面，本公开提供了根据一些实施例的用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路。图1示出了根据本公开的一些实施例的用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路的框图。参照图1，传感器电路包括以下基本元件。首先，它包括压电装置PED作为传感器装置。压电装置PED包括发射电极Tx和接收电极Re。传感器电路还包括耦接到接收电极Re的偏置和采样子电路10，以设置其不同的偏置电压。
可选地，压电装置PED是根据超声波压电效应起作用的超声波收发器。PED配置为在将激励脉冲信号Vtx施加到发射电极Tx时发射超声波信号，并且可选地在接收到基于其最初发送的超声波信号的超声回波信号时在接收电极处产生电压信号。可选地，激励脉冲信号Vtx被提供为具有频率为5-30MHz的多个正弦波脉冲或方波脉冲的AC电压。如果PED在其发射电极Tx和接收电极Re两端上适当地被偏置，则AC电压使PED以相同的频率振荡并产生超声波声波或信号。当超声波信号从外部对象反射时，如果发射电极Tx和接收电极Re相应地被适当地偏置，则可以通过相同的PED检测多个衰减脉冲形式的超声回波信号。PED的偏置条件配置为由偏置和采样子电路10适当地设置，以针对传送时段和接收时段分别给接收电极Re设置不同偏置电压。在实施例中，偏置和采样子电路10由提供给复位端子的复位信号Vrst控制，以及时地将提供给偏置电压端子的适当偏置电压Vbias施加到接收电极以确定各自时间时段的电压信号。
再次参照图1，传感器电路还包括耦接到接收电极Re的信号采集子电路20，以在第一采样时段内基于接收电极Re处的电压信号确定将在第一控制信号Vb和第二控制信号S1的控制下传出的第一采样电压，并且在第二采样时段内基于接收电极Re处的电压信号确定将在第一控制信号Vb和第三控制信号S2的控制下传出的第二采样电压。可选地，如果信号采集子电路20重新配置为简化版本，则不需要第三控制信号S2。
此外，传感器电路包括耦接到信号采集子电路20的输出子电路30，用于同时输出第一采样电压和第二采样电压。可选地，输出子电路30由第四控制信号S3控制，以使得能够输出最初存储在信号采集子电路20中的第一采样电压和第二采样电压。可选地，第一采样电压输出到第一输出端口V1并且第二采样电压输出到第二输出端口V2。
图2是根据本公开的实施例的用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路的电路图。参照图2，传感器电路是图1中所示电路的示例。在该实施例中，偏置和采样子电路10包括二极管D1，其具有耦接到接收电极Re的第一端子和耦接到提供偏置电压Vbias的偏置电压端子的第二端子。可选地，视应用而定，偏置电压Vbias在不同时间时段被不同地设置。偏置和采样子电路10还包括复位晶体管M0，其具有耦接到复位端子以接收复位信号Vrst的控制端子。复位晶体管M0还具有耦接到接收电极Re的第一端子和耦接到偏置电压端子以接收由其提供的偏置电压的第二端子。可选地，与二极管D1的第一端子、复位晶体管M0的第一端子和第一晶体管M1的控制端子共用的接收电极Re由寄生电容器Cg构成，以有效地保持某个时间时段的取决于偏置电压值的直流电压分量和由外部感测信号(例如超声回波信号)引起的任何AC电压信号。
在该实施例中，图2的传感器电路的信号采集子电路20设置有第一晶体管M1，其具有耦接到承载电压信号的接收电极Re的控制端子(其被设置为如由偏置和采样子电路10确定的Vbias)。第一晶体管M1还具有耦接到中间级端口A的第一端子和耦接到提供正电压Vdd的电源端口的第二端子。信号采集子电路20包括第二晶体管M1'，其具有配置为接收第一控制信号Vb的控制端子、耦接到接地端口Gnd的第一端子和耦接到中间级端口A的第二端子。信号采集子电路20还包括第三晶体管M2，其具有配置为接收第二控制信号S1的控制端子、包括第一寄生电容器Cp1的第一端子和耦接到中间级端口A的第二端子。另外，信号采集子电路20包括：第四晶体管M3，其具有配置为接收第三控制信号S2的控制端子、包括第二寄生电容器Cp2的第一端子和耦接到中间级端口A的第二端子。可选地，所有这些晶体管M1、M1'、M2和M3都是N型晶体管，但是它们可以被提供为P型晶体管，其中设置了适当的操作条件变化而不影响本文描述的将传感器电路实现到用于显示传感器图像(例如指纹图像)的显示设备中的任何结果。
此外，在该实施例中，传感器电路包括输出子电路30，其包括第五晶体管M4和第六晶体管M5，该第五晶体管M4和第六晶体管M5具有配置为接收第四控制信号S3的公共控制端子。第五晶体管M4具有耦接到第一寄生电容器Cp1的漏极端子，并且第六晶体管M5具有耦接到第二寄生电容器Cp2的漏极端子。第五晶体管M4和第六晶体管M5二者配置为在第四控制信号S3的控制下将存储在第一寄生电容器Cp1中的第一采样电压输出到第五晶体管M4的源极端子，并且同时将存储在第二寄生电容器Cp2中的第二采样电压输出到第六晶体管M5的源极端子。第五晶体管M4的源极端子连接到第一输出端口V1，并且第六晶体管M5的源极端子连接到第二输出端口V2。第五晶体管M4和第六晶体管M6二者都是N型晶体管，以简化制造工艺。
当压电装置PED被施加AC激励信号到发射电极Tx时，可以操作本文描述的传感器电路以产生超声波信号，并且随后准备检测超声回波信号，该超声回波信号在适当地偏置接收电极Re的情况下在接收电极Re处转换为DC电压信号。在实施例中，第一晶体管M1通过在接收电极Re处产生并存储在连接到接收电极Re的寄生电容器Cg中的电压信号Vin偏置。存储在寄生电容器Cg中的电压信号Vin与超声回波信号有关，该超声回波信号在第一采样时段中具有可检测的强度并且在第二采样时段中实质上衰减。在第一采样时段中，第二晶体管M1'和第三晶体管M2分别通过第一控制信号Vb和第二控制信号S1一起导通，用于通过中间级端口A传递与超声回波信号和电路参考信号相关的第一采样电压以存储在第一寄生电容器Cp1中。在第二采样时段中，第二晶体管M1'和第四晶体管M3分别通过第一控制信号Vb和第三控制信号S2一起导通，用于通过中间级端口A传递仅与电路参考信号相关的第二采样电压以存储在第二寄生电容器Cp2中。下面基于图2中提供的传感器电路的实施例来详细描述操作方案。
图3是根据本公开的实施例的操作图2的传感器电路以检测超声波感测信号的时序图。参照图3，通过在几个时序时段中适当地设置包括复位信号Vrst、偏置电压Vbias、第一控制信号Vb、第二控制信号S1、第三控制信号S2和第四控制信号S3的若干控制信号，实现基于图2的传感器电路产生和检测感测信号的操作。
在t0和t1之间的传送时段中，复位信号Vrst设置为有效导通电压，使得复位晶体管M0导通以允许偏置电压Vbias被写入接收电极Re。在该时段中，Vbias设置为有效低电平，以使PED处于发射模式。当发射电极Tx施加5-30MHz的AC激励信号时，它实质上使PED振荡并产生通过任何物理材料(例如，具有多层和顶部平面玻璃盖的显示面板)传送的超声波信号，其中所述物理材料设置有传感器电路。可选地，AC激励信号包括几个正弦波脉冲或方波脉冲，其中脉冲数目控制为1到5。在超声波信号被发射出去之后，整个电路立即经受一定的机械振荡。一些不需要的回波信号可从显示面板的一些中间层快速反射回来以引起干扰。因此，复位信号Vrst保持在有效导通电压以关闭PED的接收模式以在改变到有效关断电压之前降低噪声电平以准备将PED转变为接收模式。
接下来，在t1和t3之间的接收时段中，真实超声回波信号可以从手指表面和显示面板的顶部玻璃盖之间的界面反射，该显示面板也用作指纹成像设备。最初设置为低电平以避免接收噪声的偏置电压Vbias现在在t1和t2之间的第一采样时段中升高到高电平。因此，二极管D1设置为将其连接到接收电极Re的第一端子锁定在偏置电压Vbias之上以产生DC电压分量，同时发射电极Tx返回到低电平(在AC激励信号被关闭之后)，使得PED以逆压电效应操作。因此，超声回波信号可以检测为接收电极Re处的AC电压信号Vecho。有效地，接收电极Re处的电压为Vin＝Vbias+Vecho，其也连接到第一晶体管M1的控制端子。Vin的DC电压分量存储在与第一晶体管M1的控制端子以及接收电极Re相关联的寄生电容器Cg中。
在第一采样时段在t2结束之后，偏置电压Vbias被调谐到较低电平，这仍然使得第一晶体管M1的控制端子被适当地偏置。然而，在t2和t3之间的时段期间，第一控制信号Vb和第二控制信号S1升高到有效导通电压。第二晶体管M1'由第一控制信号Vb导通，以在中间级端口A处建立电压电平，该电压电平由第一晶体管M1的偏置状态确定。由于通过将第二控制信号S1设置为有效高电平来导通第三晶体管M2，所以中间级端口A处的电压电平作为第一采样电压通过第三晶体管M2传递以存储在与第三晶体管M2的漏电极相关联的第一寄生电容器Cp1中。
在t3和t5之间的下一个第二采样时段中，将复位信号再次升高到高电平以导通复位晶体管M0。在t3和t4之间的时段的第一部分中，利用偏置电压Vbias的低电压设置来清除由超声回波信号引起的接收电极Re处的电压。然后，在t3和t4之间的时段的第二部分中，再次上拉偏置电压Vbias，至与第一采样时段中设置的相同的电平。
在短暂延迟之后，偏置电压Vbias在t4再次降低到使第一晶体管M1的控制端子在t2和t3之间的时段期间被适当地偏置的相同的电平。现在，在t4和t5之间的时段期间，第一控制信号Vb和第三控制信号S2升高到有效导通电压。第二晶体管M1'由第一控制信号Vb导通，以在中间级端口A处建立电压电平，该电压电平由第一晶体管M1的偏置状态确定。由于通过将第三控制信号S2设置为有效高电平来导通第四晶体管M3，所以中间级端口A处的电压电平作为第二采样电压通过第四晶体管M3传递以存储在与第四晶体管M3的漏电极相关联的第二寄生电容器Cp2中。由于超声回波信号引起的电压在该时段已被清除，因此存储在第二寄生电容器Cp2中的第二采样电压仅与电路参考电压有关，该电路参考电压依赖于电路温度漂移、时序漂移、薄膜晶体管参数和TFT工艺变化。由于工艺变化，该电路参考电压在同一薄膜晶体管基板上的不同位置处变化，尤其是对于相应大尺寸显示面板实现的相对大尺寸的传感器阵列。
在最后一个时段(t5和t6之间的传送时段)中，第四控制信号S3设置为有效高电平，以允许第五晶体管M4和第六晶体管M6二者都导通。存储在第一寄生电容器Cp1中的第一采样电压输出到第一输出端口V1，并且存储在第二寄生电容器Cp2中的第二采样电压输出到第二输出端口V2。
在实施例中，传感器电路的第一输出端口V1和第二输出端口V2(参见图2)配置为仅为运算放大器(Op Amp)的两个输入端口，该Op Amp配置为输出电压信号，该电压信号仅取决于两个输入端口处的第一采样电压和第二采样电压之间的差。差分信号有效地消除了由电路参考电压表示的那些可变或不确定因素，并且实质上产生仅依赖于超声回波信号强度的感测电压信号Vo。通过运算放大器放大感测电压信号Vo以完成感测过程。在特定实施例中，该感测电压信号被馈送到像素电路中，作为与本文描述的传感器电路相关联的该特定像素的图像信号。
在替代实施例中，如图4所示，用于产生和检测超声波感测信号的传感器电路包括仅包含一个复位晶体管M0的偏置和采样子电路，其中，该复位晶体管M0具有耦接到复位端子以接收复位控制信号Vrst的栅极或控制端子、耦接到接收电极Re的第一端子和耦接到施加有偏置电压Vbias的偏置电压端子的第二端子。与图2所示的传感器电路不同，该传感器电路在偏置电压端子和接收电极Re之间不具有二极管器件。实际上，当向栅极端子(即，复位端子)和漏极端子(即，偏置电压端子)二者施加实质上相同的电压电平时，复位晶体管M0(N型晶体管)可以与二极管相同地起作用。图5示出了根据本公开的实施例的操作图4的传感器电路以检测超声波感测信号的时序图。参照图5，在时段t1～t2，即第一采样时段中，Vrst和Vbias二者被设置为相同的电平或者至少具有小于复位晶体管M0的阈值电压Vth的差，使得复位晶体管M0以二极管模式操作以有效地支持与超声回波信号和电路参考电压相关的第一采样电压的采集，就像前面基于图2所示的传感器电路和图3所示的时序图所描述的那样。此外，在t3～t4的时段中，当偏置电压Vbias被拉高时，复位信号也被拉到相同的高电压电平，以完成仅与电路参考电压相关的第二采样电压的采集。同样，当第一采样电压和第二采样电压二者都输出到Op Amp的两个输入端口时，可以精确地确定感测电压信号Vo，从而消除来自TFT电路的噪声。
在又一个实施例中，如图6所示，通过消除图2的第四晶体管M3，可以为传感器电路提供信号采集子电路的简化，其中电路结构的其他部分保持为相同。在该实施例中，第一采样电压和第二采样电压的采集仍然在分开的时序中执行。如图7所示的时序图，在t1～t2的时段中，在与图6的传感器电路相关联的超声回波信号接收时间期间将偏置电压Vbias设置为高。随着短延迟，偏置电压Vbias然后降低来执行电压采样以采集与超声回波信号和电路参考电压相关的第一采样电压。在t2～t3的时段期间，第一控制信号Vb和第二控制信号S1二者都设置为高，以允许第一采样电压传到外围数字电路。外围数字电路配置有非易失性存储器装置以保存第一采样电压。在随后的超声回波信号实质上衰减的较晚时段中，可以执行关于设置偏置电压Vbias的类似操作。尽管图7未示出重复操作时序控制，但是可以类似地推导出第二采样电压并将其传递到外围数字电路。然后，外围数字电路能够执行数字数据减法以消除电路参考电压的影响，以获得仅与超声回波信号相关的真实感测信号。所有信号存储和数据处理都可以在外围数字电路中完全执行。
在替代方面，本公开提供了一种感测显示设备，其配置有分别与阵列像素电路相关联的压电传感器阵列。特别地，每个压电传感器在一个传感器结构中提供有超声波发射功能和超声波接收功能二者。在示例中，感测显示设备被开发为指纹图像设备。图8是根据本公开的实施例的在显示面板中实现的基于功能超声波压电的指纹传感器阵列的示意性剖视图。参照图8，阵列传感器采用与显示面板的多层结构中的基于薄膜晶体管的像素电路阵列集成的薄膜配置。
图8仅部分地示出了与传感器阵列相关联的薄膜结构。层600是主要由电绝缘材料制成的保护层，该电绝缘材料具有适合于超声波应用的适当机械性能。在保护层600的一侧上，附接公共电极层502，其配置为阵列中的所有压电传感器的发射电极Tx。可选地，公共电极层502由银制成，但是也可以使用其他导电材料。
在公共电极层502的远离保护层600的一侧上，铺设压电功能层500。可选地，压电功能层500包括含有聚偏二氟乙烯(PVDF)的聚合物膜。根据应用，可以使用其他压电材料代替PVDF。
在压电功能层500的远离公共电极层502的一侧上，接收电极501的阵列形成为薄膜贴片，其配置为每个传感器具有一个接收电极Re以匹配传感器阵列的图案。每个传感器的每个接收电极501通过绝缘隔离层509与其相邻接收电极隔离，使得每个传感器被独立地偏置控制以发射和接收超声波信号。可选地，接收电极501由光学透明的导电材料制成。可选地，使用氧化铟锡材料。
在接收电极501的阵列上，铺设基于薄膜晶体管(TFT)的像素电路层400。基于TFT的像素电路层400至少包括图2的传感器电路中所示的所有薄膜晶体管，并且包括在典型的薄膜晶体管显示设备中使用的其他晶体管或电容器、二极管等。参照图8，在基于TFT的像素电路层400上，附接TFT基底基板300。在TFT基底基板300上，可选地，可以包括其他功能层或钝化层或盖玻片200。
参照图8，感测显示设备可用作指纹成像器。图8示出了手指100接触盖玻片200，形成手指表面和盖玻片的顶表面之间的界面201。手指表面包括与盖玻片200直接接触的指纹脊101、和在手指100和盖玻片的顶表面之间具有额外的气隙的指纹谷102。因此，跨感测显示设备的界面201对于与指纹脊101相关联的位置和与指纹谷102相关联的位置具有不同的特性。当操作感测显示设备以获取指纹图像时，将一个或多个AC激励脉冲施加到公共电极层502，并且每个接收电极501被适当且独立地偏置，使得它们可以产生超声波信号。超声波信号是穿过多层结构并且从手指100和盖玻片200的顶表面之间的界面反射超声回波信号的声波。如果超声波信号直接从与指纹脊相关的位置反射，则超声波的全反射相对较强。如果超声波信号从与具有额外气隙的指纹谷相关联的位置反射，则超声波的全反射相对较弱。超声回波信号的这种空间变化在空间上与传感器阵列的空间分布相关。换句话说，阵列中的一些传感器检测到相对较弱的超声回波信号，表明相应的区域是指纹谷的一部分。然而，阵列中的其他传感器检测到相对强的超声回波信号，表明相应的区域是指纹脊的一部分。因此，通过在显示面板上以相对大的尺寸和适当的像素密度实现的传感器阵列，可以产生指纹图像的完整图像。注意，在说明书中通过图1至图7已经描述了每个传感器电路的实施例及其产生和检测超声波信号的功能，其中每个传感器电路能够获得与超声回波信号和一些电路参考信号相关的第一采样电压以及仅与电路参考信号相关的第二采样电压，并且差分放大导致精确检测仅与用于产生指纹图像的像素的超声回波信号相关的感测信号。
图9是根据本公开的实施例的在显示面板中利用基于薄膜晶体管的像素电路实现的传感器阵列的示意性俯视图。可选地，超声波感测信号检测电路的阵列包括由一个聚合物膜制成的压电装置阵列，所述聚合物膜包含延伸穿过整个基板的聚偏二氟乙烯，其中共用的发射电极由银层制成，并且由氧化铟锡制成的各个接收电极阵列通过绝缘材料隔开。可选地，控制和传送电路配置为提供频率为5～30MHz的一个或多个AC激励电压脉冲、一个或多个偏置电压、以及一个或多个控制信号(参见图2和图3)。可选地，一个或多个AC激励电压脉冲跨显示面板而被施加到公共发射电极，并且一个或多个偏置电压在一个或多个控制信号的控制下提供给压电装置阵列中的相应一个的各个接收电极阵列中的相应一个。超声波感测信号检测电路阵列中的每一个配置为独立地产生和传送相应的超声波信号，并且检测由触摸在顶部屏幕(或盖玻片)上的对象反射的超声回波信号。
已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的实施例的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式或示例性实施例。因此，前述描述应该被认为是说明性的而不是限制性的。显然，许多修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。选择和描述实施例是为了解释本发明的原理及其最佳模式的实际应用，从而使得本领域技术人员能够理解本发明的各种实施例并且具有适合于预期的特定用途或实现的各种修改。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同形式限定，其中，除非另有说明，否则所有术语均以其最宽的合理含义解释。因此，术语“发明”、“本发明”等不一定将权利要求范围限制于特定实施例，并且对本发明的示例性实施例的参照并不意味着对本发明的限制，并且不应推断出这样的限制。本发明仅受所附权利要求的精神和范围的限制。此外，这些权利要求可以指代使用名词或元素的“第一”、“第二”等术语。这些术语应理解为一种命名方式并且不应被解释为对由这种命名方式修饰的元素的数量进行限制，除非已给出具体的数字。所描述的任何优点和益处可能不适用于本发明的所有实施例。应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对所描述的实施例进行变化。此外，无论在所附权利要求中是否明确地叙述了元件或组件，本发明中的任何元件和组件都不旨在专用于公众。
Claims (20)
1.一种用于产生和检测超声波感测信号的电路，包括：
压电装置，具有发射电极和接收电极；
偏置和采样子电路，配置为向接收电极设置不同的偏置电压，其中，所述压电装置配置为在将激励脉冲信号施加到所述发射电极时发射超声波信号，或配置为在接收到基于所述超声波信号的超声回波信号时在所述接收电极处产生电压信号；
信号采集子电路，耦接到所述接收电极，以在第一采样时段内基于所述接收电极处的所述电压信号确定将在第一控制信号和第二控制信号的控制下传出的第一采样电压，并且在第二采样时段中基于所述接收电极处的所述电压信号确定将在所述第一控制信号和第三控制信号的控制下传出的第二采样电压；和
输出子电路，耦接到所述信号采集子电路，用于同时输出所述第一采样电压和所述第二采样电压。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述偏置和采样子电路包括：二极管，所述二极管具有耦接到所述接收电极的第一端子和耦接到偏置电压端子的第二端子；和
复位晶体管，具有耦接到复位端子的控制端子、耦接到所述接收电极的第一端子、以及耦接到所述偏置电压端子的第二端子，所述复位端子提供有复位信号，并且所述偏置电压端子提供有偏置电压。
3.根据权利要求1所述的电路，其中，所述偏置和采样子电路包括：复位晶体管，所述复位晶体管具有耦接到复位端子的控制端子、耦接到所述接收电极的第一端子、以及耦接到所述偏置电压端子的第二端子，其中，所述复位端子提供有复位信号，所述偏置电压端子提供有偏置电压，所述复位信号的值在至少所述第一采样时段和所述第二采样时段中与所述偏置电压的值实质上相等。
4.根据权利要求1所述的电路，其中，所述信号采集子电路包括：第一晶体管，具有耦接到用于承载所述电压信号的所述接收电极的控制端子、耦接到中间级端口的第一端子、以及耦接到电源端口的第二端子；
第二晶体管，具有配置为接收第一控制信号的控制端子、耦接到接地端口的第一端子、以及耦接到所述中间级端口的第二端子；
第三晶体管，具有配置为接收第二控制信号的控制端子、包括第一寄生电容器的第一端子、以及耦接到中间级端口的第二端子；和
第四晶体管，具有配置为接收第三控制信号的控制端子、包括第二寄生电容器的第一端子、以及耦接到中间级端口的第二端子。
5.根据权利要求4所述的电路，其中，所述第一晶体管通过在所述接收电极处产生并存储在连接到所述接收电极的寄生电容器中的电压信号偏置，其中，所述电压信号与所述超声回波信号相关，所述超声回波信号在所述第一采样时段中具有可检测的强度并且在所述第二采样时段内实质上衰减；所述第二晶体管和所述第三晶体管在所述第一采样时段中分别通过所述第一控制信号和所述第二控制信号一起导通，用于将与所述超声回波信号和电路参考信号相关的第一采样电压通过所述中间级端口传到所述第一个寄生电容器；所述第二晶体管和所述第四晶体管在所述第二采样时段中分别通过所述第一控制信号和所述第三控制信号一起导通，用于将仅与所述电路参考信号相关的所述第二采样电压通过所述中间级端口传到所述第二寄生电容器。
6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述输出子电路包括：第五晶体管和第六晶体管，所述第五晶体管和所述第六晶体管具有配置为接收第四控制信号的公共控制端子，所述第五晶体管具有耦接到所述第一寄生电容器的漏极端子并且所述第六晶体管具有耦接到第二寄生电容器的漏极端子，并且，所述第五晶体管和所述第六晶体管配置为在第四控制信号的控制下将所述第一采样电压从所述第一寄生电容器输出到所述第五晶体管的源极端子并且同时将所述第二采样电压从所述第二寄生电容器输出到所述第六晶体管的源极端子。
7.根据权利要求6所述的电路，其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管和所述第六晶体管中的每一个是N型晶体管。
8.根据权利要求1所述的电路，其中，所述压电装置包括选自以下项的压电材料：含有聚偏二氟乙烯的聚合物膜，含有铌酸锂、砷化镓、氧化锌、氮化铝和锆钛酸铅(PZT)的压电陶瓷，含有薄聚丙烯材料的机电膜。
9.根据权利要求1所述的电路，其中，所述接收电极包括由氧化铟锡制成的薄膜块。
10.根据权利要求7所述的电路，还包括：运算放大器，配置为接收所述第一采样电压和所述第二采样电压作为差分信号，以输出与所述超声回波信号相关而与所述电路参考信号无关的感测电压信号。
11.一种用于产生超声波感测像素图像的超声波感测信号检测电路，包括：
压电装置，具有发射电极和接收电极；
偏置和采样子电路，配置为分别向所述接收电极设置不同的偏置电压，以便所述压电装置在将激励脉冲信号施加到所述发射电极时发射超声波信号并在接收到基于所述超声波信号的超声回波信号时在所述接收电极处产生电压信号；
信号采集子电路，耦接到所述接收电极，以在第一采样时段内基于所述接收电极处的所述电压信号确定将在第一控制信号和第二控制信号的控制下传出的第一采样电压，并且在第二采样时段内基于所述接收电极处的所述电压信号确定将在所述第一控制信号和所述第二控制信号的控制下传出的第二采样电压；和
外围数字电路，配置为基于从所述第一采样电压转换的第一数字信号和从所述第二采样电压转换的第二数字信号之间的差分信号推导出所接收的超声回波信号。
12.根据权利要求11所述的超声波感测信号检测电路，其中，所述偏置和采样子电路包括：二极管，具有耦接到所述接收电极的第一端子和耦接到偏置电压端子的第二端子；和
复位晶体管，具有耦接到复位端子的控制端子、耦接到所述接收电极的第一端子、以及耦接到所述偏置电压端子的第二端子，所述复位端子提供有复位信号，并且所述偏置电压端子提供有偏置电压。
13.根据权利要求11所述的超声波感测信号检测电路，其中，所述信号采集子电路包括：第一晶体管，具有耦接到用于承载所述电压信号的所述接收电极的控制端子、耦接到中间级端口的第一端子、以及耦接到电源端口的第二端子；
第二晶体管，具有配置为接收所述第一控制信号的控制端子、耦接到接地端口的第一端子、以及耦接到所述中间级端口的第二端子；和
第三晶体管，具有配置为接收第二控制信号的控制端子、作为输出端口的第一端子、以及耦接到所述中间级端口的第二端子。
14.根据权利要求13所述的超声波感测信号检测电路，其中，所述第一晶体管通过在所述接收电极处产生并存储在连接到所述接收电极的寄生电容器中的所述电压信号偏置，其中，所述电压信号与所述超声回波信号有关，所述超声回波信号在所述第一采样时段中具有可检测的强度并且在所述第二采样时段中实质上衰减；所述第二晶体管和所述第三晶体管分别通过所述第一控制信号和所述第二控制信号一起导通，用于在所述第一采样时段中将与所述超声回波信号和电路参考信号相关的所述第一采样电压通过所述中间级端口传到所述输出端口，并且用于在所述第二采样时段中将仅与所述电路参考信号相关的所述第二采样电压通过所述中间级端口传到所述输出端口。
15.根据权利要求13所述的超声波感测信号检测电路，其中，所述外围数字电路包括：模数转换器，配置为将所述第一采样电压转换为所述第一数字信号并将所述第二采样电压转换为第二数字信号；非易失性存储器，用于存储所述第一数字信号和所述第二数字信号；和处理器，用于根据所述第一数字信号和所述第二数字信号之间的差分信号推导出与所述超声回波信号对应的像素数据信号。
16.根据权利要求15所述的超声波感测信号检测电路，其中，所述外围数字电路耦接到像素电路，其中，所述像素数据信号被输入以驱动所述像素电路来显示像素图像。
17.根据权利要求11所述的超声波感测信号检测电路，其中，所述压电装置配置为在所述发射电极处接收到具有频率为5～30MHz的一个或多个电压脉冲的激励脉冲信号时发射超声波信号。
18.一种感测显示设备，包括显示面板，所述显示面板在包括像素电路阵列的玻璃基板上方具有顶部屏幕，所述像素电路阵列中的相应一个耦接到权利要求11-17中任一项所述的超声波感测信号检测电路阵列中的相应一个。
19.根据权利要求18所述的感测显示设备，其中，所述超声波感测信号检测电路阵列包括由一个聚合物膜制成的压电装置阵列，所述聚合物膜包含在整个基板上延伸的聚偏二氟乙烯，其中，共用发射电极由银层制成，并且由氧化铟锡制成的各个接收电极阵列通过绝缘材料隔开。
20.根据权利要求19所述的感测显示设备，还包括：控制和传送电路，所述控制和传送电路配置为提供频率为5～30MHz的一个或多个激励电压脉冲、一个或多个偏置电压、以及一个或多个控制信号，所述一个或多个激励电压脉冲施加到所述公共发射电极，并且所述一个或多个偏置电压在所述一个或多个控制信号的控制下提供给所述压电装置阵列中的相应一个的各个接收电极阵列中的相应一个，以产生和发射相应的超声波信号、以及检测由触摸在所述顶部屏幕上的对象反射的超声回波信号。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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