CN116912892A - 一种像素电路、显示装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提出了一种像素电路、显示装置及电子设备，涉及显示技术领域。像素电路用于超声波指纹的识别，该像素电路包括：复位支路，电容积分支路和输出控制支路。复位支路用于对电容积分支路的输入端电压和输出控制支路的输入端电压进行复位。电容积分支路用于对超声波的回波信号作积分处理，电容积分支路包括第一晶体管，第二晶体管和第一电容。第二晶体管的控制极与复位支路的第一输出端耦接，用于接收复位支路输出的复位信号。输出控制支路的输入端耦接于复位支路的第二输出端，用于接收复位支路输出的复位信号。输出控制支路的输入端还与第一电容的第一极耦接，用于接收并处理电容积分支路的输出信号，并传输至像素电路的输出端。

Description

一种像素电路、显示装置及电子设备

技术领域

本申请涉及显示技术领域，尤其涉及一种像素电路、显示装置及电子设备。

背景技术

目前，屏幕指纹识别技术已经成为现在手机等终端产品最重要的关键技术之一，目前实际应用于产品的指纹识别技术主要有三种：电容式指纹识别、光学指纹识别和超声波指纹识别。

其中，超声波指纹识别技术相比于屏下光学指纹识别技术和电容式指纹识别技术具有较大的优势：该技术可以实现屏下识别，并且不再依赖于屏幕的光透过率，可以兼容现在有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)屏幕的新技术。

这主要得益于超声波具有较强的穿透能力，通过接收手指的谷和脊反射回的不同强度的超声波，压电层产生不同强度的电信号，进而成像芯片根据不同强度的电信号形成指纹图像，但是当前的超声波屏下指纹识别技术也有存在以下的问题：首先是模组的制作成本较高；其次，超声波的回波信号通过薄膜晶体管(Thin-film transistor，TFT)像素电路后部分有效信号损失，从而导致指谷和指脊的信号幅度差较小。

发明内容

本申请实施例提供一种像素电路、显示装置及电子设备，主要用于处理超声波的回波信号，尤其是改善指谷和指脊的信号幅度差较小的问题。

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

本申请实施例第一方面提供了一种像素电路，该像素电路用于超声波指纹的识别，该像素电路包括：复位支路，电容积分支路和输出控制支路。复位支路用于对电容积分支路的输入端电压和输出控制支路的输入端电压进行复位。电容积分支路用于对超声波的回波信号作积分处理，该电容积分支路包括第一晶体管，第二晶体管和第一电容。第一晶体管的控制极与积分使能端耦接，第一晶体管的第一极与第一电源电压端耦接，第一晶体管的第二极与第二晶体管的第一极耦接，第二晶体管的第二极与第一电容的第一极耦接，第二晶体管的控制极与复位支路的第一输出端耦接，用于接收复位支路输出的复位信号，第一电容的第二极与参考地电压端耦接。输出控制支路的输入端耦接于复位支路的第二输出端，用于接收复位支路输出的复位信号。输出控制支路的输入端还与第一电容的第一极耦接，用于接收并处理电容积分支路的输出信号，并传输至像素电路的输出端。电容积分支路可以将整个信号处理时间段内的输入信号引起的电荷变化量都积累起来，最终转化为电容极板间的电压，通过输出控制支路将其传输至最后的输出端，用作为像素电路的输出电压。

在一种可能的实现方式中，该复位支路包括复位开关管和复位并联管。复位开关管的控制极与复位信号端耦接，复位开关管的第一极与参考电压端耦接，复位开关管的第二极与第二晶体管的控制极耦接。复位并联管的控制极与复位信号端耦接，复位并联管的第一极与第一电容的第一极耦接，复位并联管的第二极与第一电容的第二极耦接。复位开关管和复位并联管作为初始化电路的开关晶体管，用于控制复位信号何时接入像素电路，对节点电压进行复位，避免之前电路中残留的电荷，对当前的节点电压产生影响，以免后续的电容积分过程中，受到来自于先前电路残留电荷的干扰，保证电路中电信号的接收、处理和传输的准确性。

在一种可能的实现方式中，该输出控制支路包括跟随开关管和传输开关管。跟随开关管的控制极与所述第一电容的第一极耦接，跟随开关管的第一极与第一电源电压端耦接，跟随开关管的第二极与传输开关管的第一极耦接。传输开关管的控制极与读使能端耦接，传输开关管的第二极与像素电路的输出端耦接。输出控制支路的作用在于，将电容积分支路处理后的电压有序传输至最终的输出端。

在一种可能的实现方式中，该第一电源电压端的电压为直流电源电压。主要优势在于第一电源电压端的电压值是恒定的，可以减少可变电源电压在电平跳变的过程中的能量损耗，以及减少第一电容C1两极板间的电压受其他信号(例如电源电压)的干扰。

在一种可能的实现方式中，像素电路还包括压电感应装置，该压电感应装置用于发射和接收超声波，第二晶体管的控制极、复位开关管的第二极均耦接于压电感应装置。

在一种可能的实现方式中，积分使能端的信号用于控制电容积分支路的导通与断开。

在一种可能的实现方式中，读使能端的信号用于控制输出控制支路的导通与断开。

本申请实施例的第二方面，提供一种像素电路的驱动方法包括：生成复位信号，对电路中的各个节点电压进行复位，接收压电感应装置的电信号，对电信号作积分处理，得到积分处理信号，将积分处理信号输出给图像处理芯片。

本申请实施例的第三方面，提供一种显示装置，该显示装置包括像素电路和显示屏，该像素电路和显示屏耦接。

本申请实施例的第四方面，提供一种电子设备，该电子设备包括显示装置和印刷电路板，该显示装置设置在印刷电路板上。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种超声波传感单元的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的手指反射超声波的原理示意图；

图4为本申请实施例提供的峰值检测技术的原理示意图；

图5为本申请实施例提供的一种示例性的TFT像素电路结构图；

图6为本申请实施例提供的超声波指纹的TFT像素电路的时序图；

图7为本申请实施例提供的指谷和指脊的回波信号示意图；

图8为本申请实施例提供的电容积分电路的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的TFT像素电路的功能性的模块示意图；

图10为本申请实施例提供的一种示例性的TFT像素电路结构图；

图11为本申请实施例提供的指谷和指脊的反射波流程示意图；

图12为本申请实施例提供的一种示例性的TFT像素电路时序图；

图13为本申请实施例提供的又一种示例性的TFT像素电路结构图；

图14为本申请实施例提供的另一种示例性的TFT像素电路结构图；

图15为本申请实施例提供的另一种示例性的TFT像素电路时序图。

具体实施方式

需要说明的是，本申请实施例涉及的术语“第一”、“第二”等仅用于区分同一类型特征的目的，不能理解为用于指示相对重要性、数量、顺序等。

本申请实施例涉及的术语“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本申请实施例涉及的术语“耦合”、“连接”应做广义理解，例如，可以指物理上的直接连接，也可以指通过电子器件实现的间接连接，例如通过电阻、电感、电容或其他电子器件实现的连接。

首先对本申请实施例涉及的一些基本概念进行解释说明：

超声波指纹识别技术原理：超声波接触到手指时，由于手指有谷脊之分，所以反射波的信号强度就会有差异，由此，通过检测反射波的信号强度就可以确定谷脊的位置所在，进而实现指纹的识别。

显示模组：用于进行图像显示的显示组件，通常设置在电子设备的出光侧。显示模组可被设计成为全面屏、曲面屏、异型屏、双面屏或折叠屏，还可以被设计成为全面屏与曲面屏的结合，异型屏与曲面屏的结合。

本申请实施例提供一种的电子设备。该电子设备例如为消费性电子产品、家居式电子产品、车载式电子产品、金融终端产品、通信电子产品。其中，消费性电子产品如为手机(mobile phone)、平板电脑(pad)、笔记本电脑、电子阅读器、个人计算机(personalcomputer，PC)、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、桌面显示器、智能穿戴产品(例如，智能手表、智能手环)、虚拟现实(virtual reality，VR)终端设备、增强现实(augmented reality，AR)终端设备、无人机等。家居式电子产品如为智能门锁、电视、遥控器、冰箱、充电家用小型电器(例如豆浆机、扫地机器人)等。车载式电子产品如为车载导航仪、车载高密度数字视频光盘(digital video disc，DVD)等。金融终端产品如为自动取款机(automated teller machine，ATM)机、自助办理业务的终端等。通信电子产品如为服务器、存储器、雷达、基站等通信设备。

以下为了方便说明，以电子设备为显示装置为例进行举例说明。图1为本申请实施例提供的电子设备的结构方框图。如图1所示，电子设备1可以包括一个或多个如下部件：处理器11、存储器12以及显示模组13。

处理器11可以包括一个或者多个处理核心，处理器11利用各种接口和线路连接整个电子设备1内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器12内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器12内的数据，执行电子设备1的各种功能和处理数据。示例的，处理器11可以采用数字信号处理(digital signal processing，DSP)、现场可编程门阵列(field—programmable gate array，FPGA)、可编程逻辑阵列(programmable logicarray，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器11可集成中央处理器(centralprocessing unit，CPU)、图像处理器(graphics processing unit，GPU)、神经网络处理器(neural-network processing unit，NPU)、应用处理器(application processor，AP)和调制解调器(modem)等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等。GPU用于负责显示模组13所需要显示的内容的渲染和绘制。NPU用于实现人工智能(artificial intelligence，Al)功能。调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到处理器11中，单独通过一块芯片进行实现。

存储器12可以包括随机存储器(random access memory，RAM),也可以包括只读存储器(read-only memory，ROM)。示例的，该存储器12包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storage medium)，存储器12可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器12可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于至少一个功能的指令(比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等)、用于实现本申请各个方法实施例的指令等。存储数据区可存储根据电子设备1的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本)等。

显示模组13是用于进行图像显示的显示组件，通常设置在电子设备1的出光侧。显示模组13可被设计成为全面屏、曲面屏、异型屏、双面屏或折叠屏。显示模组13还可被设计成为全面屏与曲面屏的结合，异型屏与曲面屏的结合，本实施例对此不加以限定。

在一些实施例中，继续参考图1所示的显示模组13包括显示驱动芯片(displaydriver integrated circuit,DDIC)131、显示屏132、触控芯片(touch panel integratedcircuit，TPIC)133和超声波传感单元134。

DDIC131用于驱动显示屏132进行图像显示。此外，DDIC131与处理器11之间通过移动产业处理器接口(mobile industry processor interface，MIPI)相连，用于接收处理器11下发的图像数据以及指令。

TPIC133用于驱动显示屏132接收触控操作，该触控操作由用户使用手指、触摸笔等任何适合的物体触发。本申请实施例中，TPIC133还与DDIC131电性连接，用于接收DDIC131发送的同步信号(例如帧同步信号、行同步信号等)。此外，TPIC133还与处理器11之间通过MIPI接口相连，用于向处理器1110上报触控信号。

示例的，显示屏132可以是低温多晶硅(low temperature poly-silicon，LTPS)显示屏、有源矩阵有机发光二极管(active-matrix organic light emitting diode，AMOLED)显示屏、低温多晶氧化物(low temperature polycrystalline oxide，LTPO)显示屏、液晶显示屏(liquid crystal display，LCD)、微型有机发光二极管(micro lightemitting diode，micro LED)显示屏。当然，本申请实施例对显示屏132的类型不做限定，具有触控显示功能的显示屏均适用于本申请实施例中，上述列举仅为一种示意。

超声波传感单元134用于收发超声波，并在压电感应的作用下产生电信号，传输给DDIC131，DDIC131处理接收到的电信号，进行指纹图像的获取和识别。

除此之外，本领域技术人员可以理解，上述附图所示出的电子设备1的结构并不构成对电子设备1的限定，电子设备1可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。比如，电子设备1中还包括麦克风、扬声器、射频电路、输入单元、传感器、音频电路、无线保真(wireless fidelity，WiFi)模块、电源、蓝牙模块等部件，在此不再赘述。

图2为本申请实施例提供的超声波传感单元134的工作原理，超声波传感单元134包括薄膜晶体管(Thin-film transistor，TFT)电路基板20、第一电极21、以银(Ag)为主要材料的公共电极22(以下简称“Ag公共电极”)和位于第一电极21和Ag公共电极22之间的压电层23。

其中，压电层包括压电材料，给第一电极21和Ag公共电极22输入交流电压，例如第一电极21接地，给Ag公共电极22输入交流方波，则压电材料发生形变(或者压电材料带动其上下膜层的基底一起振动)，从而产生超声波并传输出去。其中压电材料可以为聚偏佛乙烯(PVDF)膜式压电材料，也可以为AlN/PZT/ZnO等其他无机或有机的压电材料。

TFT电路基板20包括基板表面的TFT像素电路以及像素电极。TFT像素电路用于处理手指反射波的回波信号，并传输至图像处理芯片，进行指纹成像。

当发出的超声波遇到外部的遮挡物，例如手指反射超声波形成反射波，如图3所示，反射波发射到压电层23转化为交流电压，Ag公共电极22作为接收端接收到反射波转化的电压信号，由于手指的指纹存在指谷和指脊，故二者形成的反射波的能量不同、反射波信号的强度也不同。

当识别有手指覆盖在触控屏上，超声波传感单元134发射超声波到手指谷时生成的反射波的能量较强，转化成的反射波信号强度较大，超声波传感单元134发射超声波到手指脊时生成的反射波的能量较弱，转化成的反射波信号强度较小，因此，手指谷和手指脊分别通过各自生成的反射波信号的强度的不同来表征。

因此，在一些实施例中，超声波传感单元134中的TFT像素电路设计方案采用峰值检测技术实现手指谷和手指脊的回波信号检测。

峰值检测具体原理如图4所示：当输出端的电压值Vout小于输入端的电压值Vin时，二极管导通，输出端的电压值Vout增加至：输入端的电压值Vin减去二极管的开启电压值Vth。当输出端的电压值Vout大于输入端的电压值Vin时，二极管截止，输出端的电压值Vout维持先前时刻的电压值，直至下一个比当前值更高的电压信号到来。最终，输出端的电压值Vout将保持在输入端的电压值Vin的最高峰值附近。

峰值检测技术就是利用二极管的单向导通能力实现对输入信号波形的峰值进行提取。该电路的特性是：电路的输出端的电压值Vout始终保持之前时间段内的电压峰值，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。

图5为本申请实施例提供的一种示例性的TFT像素电路，该TFT像素电路用于超声波指纹的识别，所有晶体管均为N型TFT，晶体管M802为复位开关管，用于在重置信号Reset的控制下，对电路的第一电压端Vg进行复位，避免之前残留电荷对当前信号接收和处理的影响，保证每次信号处理的一致性和准确性；二极管D801用于实现峰值检测功能；晶体管M801用于接收峰值相关的信号，读取阶段开启，控制其源极的电压随栅极电压的变化而变化；晶体管M803为读取开关管，当读取信号Read有效，晶体管M803将峰值相关信号输出至图像处理芯片。

如图6所示，该超声波传感单元134的TFT像素电路的时序可分为三个阶段的模式：传输模式Transmit Mode、接收模式Receive Mode、读取模式Read Mode。

传输模式Transmit Mode下，芯片及外围电子元器件向压电材料电极侧传入高压周期输入信号Tx Drive，压电材料受到上下两侧的静电高压，转变为高频的机械振动，产生超声波。

接收模式Receive Mode下，重置信号Reset有效，晶体管M802导通，此时将电源端DBias的电压值设置为初始化的值，通过晶体管M802的传输，第一电压端Vg的电平也随之初始化，二极管D801处于截止状态。之后将重置信号Reset设置为无效电平，晶体管M802关闭。手指反射回的超声波回波信号在此穿过各层介质，到达压电材料层，已经接近静止的压电材料层被反射回来的超声波回波信号带动进行高频振动，进而将高频振动转变为高频交流脉冲电信号，超声波的回波信号越强，高频交流脉冲电信号的幅度越大，该高频交流脉冲电信号通过电容Cf作用至第一电压端Vg侧。此时，电源端DBias的电压由低电平变为高电平，当第一电压端Vg的电压值小于电源端DBias的电压值时，二极管D801导通，第一电压端Vg的电压值增加至：电源端DBias的电压值减去二极管D801的阈值电压值；当第一电压端Vg的电压值大于电源端DBias的电压值时，二极管D801截止，第一电压端Vg的电压值保持不变。由于指纹谷、脊反射回来的超声波的回波信号幅度不同，因此，由回波信号转化成的交流脉冲电信号幅度也不同，谷和脊分别对应的TFT像素电路的第一电压端Vg的峰值电压也不同。

读取模式Read Mode下，电源端DBias切换到无效电平，二极管D801截止，将读取信号Read置为有效电平，晶体管M803导通，晶体管M801设置在源极跟随模式(source-follower)，晶体管M801的源极电压跟随栅极电压，因此，输出端Vout的电压跟随第一电压端Vg的电压变化而变化，从而实现通过不同输出电压的大小来映射不同超声波回波信号的强度。

上述实施例的方案，由于只有当第一电压端Vg的电压值小于电源端DBias的电压值时，二极管D801才会导通，电源端DBias的电平通过二极管D801传输至第一电压端Vg，因此，如图7所示，第一电压端Vg只存储了超声波的回波信号中大于电源端DBias电压值DBIAS(H)的部分，对于超声波回波信号中小于电源端DBias电压值DBIAS(H)的部分，存在有效信息的损失，故只能收集和比较部分的谷脊信号差信息。

此外，由于超声波的回波信号是具有一定衰减系数的高频正弦波信号，电路中二极管的响应速率较慢，无法实时跟随超声波的回波信号的变化，难以及时做出相应的检测动作，导致第一电压端Vg最终识别到的峰值未必是整个超声波的回波信号的最大值，因此进一步损失了有效信息。最终，导致输出的谷、脊信号幅度差值较小，进一步导致后续的指纹成像有偏差。

其次，像素电路中有二极管结构，因此需要特殊工艺制备，工艺的复杂度较高。并且电源端DBias的信号需要快速翻转，从而对芯片提出更高的需求。

基于此，本申请实施例提出了一种全新的用于超声波指纹识别的TFT像素电路结构，利用电容积分的方式处理手指指纹的谷、脊反射的超声波回波信号，并提升手指指纹的谷、脊之间的信号差。其次，由于电路结构和工作原理不涉及二极管制备工艺，因此可以实现工艺流程的简化。另外，电源端的电压均采用恒定的直流电压，不再需要快速翻转的电源电压，节省了电路功耗，也减弱了电源电压对晶体管的工作状态和像素电路的节点电压、输出电压的影响。

关于电容积分的方式来处理手指谷脊反射的超声波回波信号，比起传统的峰值检测技术处理谷脊反射的超声波回波信号，具有极大的优势，其基本电路的工作原理如图8所示。

输入信号Vin作为晶体管DTFT的栅极电压，当晶体管DTFT的栅源电压差大于阈值电压时，晶体管DTFT导通，无论晶体管DTFT工作在线性区还是工作在饱和区(即无论晶体管DTFT的栅极电压和漏极电压的相对大小关系如何)，输入信号Vin均控制着晶体管DTFT的输出电流ID的大小，而电流表征单位时间内垂直通过任意横截面的电荷数量，因此，对晶体管DTFT的输出电流ID进行时间上的积分，便可得到电容C1在t时间段内接收到的电荷量

电容作为描述电容器容纳电荷本领的物理量，电容器的电容定义为电容器所带的电荷量与电容器两极板间的电势差的比值，因此，电容C1两极板间的电势差Vout为电容器所带的电荷量与电容C1本身的电容量C的比值，即Vout＝Q/C。

综上所述，电容积分的方式可以将整个信号处理时间段内的输入信号Vin引起的电荷变化量都积累起来，通过晶体管DTFT的栅极接收输入信号Vin，输入信号Vin带来的电压变化影响着晶体管DTFT的漏极输出电流ID，晶体管DTFT的漏极输出电流ID影响着电容C1的电荷量积累，进而影响电容C1两极板间的输出电压。当输入信号Vin的电压越高，晶体管DTFT的输出电流ID越大，最终，电容C1两极板间的输出电压Vout越高。

如图9所示，TFT像素电路内主要包含3个功能性的模块：初始化模块、电容积分模块和输出模块。初始化模块用于对TFT像素电路中的关键节点电压进行初始化，避免残留电荷的影响，保证信号接收和处理的准确性。电容积分模块主要用于对超声波的回波信号进行积分处理，通过电容实现对超声波回波信号的收集。输出模块主要将电容积分模块的输出电压转化成最终的读取电压，传送至芯片，用作指纹图像的成像。

图10为本申请实施例提供的一种示例性的TFT像素电路，其具体的电路结构包括：复位支路1001，电容积分支路1002和输出控制支路1003。

初始化模块对应复位支路1001，该复位支路1001用于对电容积分支路1002的输入端电压和输出控制支路1003的输入端电压进行复位。

电容积分模块对应电容积分支路1002，该电容积分支路1002用于对超声波的回波信号作积分处理。

输出模块对应输出控制支路1003，该输出控制支路1003用于接收复位支路1001输出的复位信号，以及接收并处理上述电容积分支路1002的输出信号，并传输至像素电路的输出端。

在一些实施例中，该电容积分支路1002包括但不限于第一晶体管M3，第二晶体管M4和第一电容C1。示例的，第一晶体管M3的控制极与积分使能端耦接，第一晶体管M3的第一极与第一电源电压端AP耦接，第一晶体管M3的第二极与第二晶体管M4的第一极耦接，第二晶体管M4的第二极与第一电容C1的第一极耦接，第二晶体管M4的控制极与复位支路1001的第一输出端耦接，用于接收复位支路1001输出的复位信号，第一电容C1的第二极与参考地电压端耦接。

示例的，上述电容积分支路1002还可以包括多个第一晶体管、多个第二晶体管和多个第一电容。多个晶体管和多个电容可以是串联的方式级联，也可以是并联的方式级联，但是多个第一晶体管中至少一个第一晶体管的第一极要与第一电源电压端AP耦接，且多个第二晶体管中至少一个第二晶体管的控制极与复位支路1001的第一输出端耦接，多个第一电容中至少一个第一电容的第二极与参考地电压端耦接。

积分使能端EM的信号用于控制电容积分支路1002的导通与断开，第一晶体管M3作为电容积分支路的开关晶体管，在积分使能端EM的信号有效时，第一晶体管M3导通，电容积分支路1002正式开启工作。第二晶体管M4作为驱动电容进行积分的开关晶体管，第二晶体管M4的栅极与压电感应装置Q1耦接，接收压电感应装置Q1产生的电信号，该第二晶体管M4栅极的电压影响第二晶体管M4的漏极输出电流id，对该漏极输出电流id作积分，得到特定时间段内第一电容C1存储的电荷量，再根据第一电容C1存储的电荷量得到第一电容C1两极板间的电压。

示例的，第一晶体管M3的第一极与第一电源电压端AP耦接，主要优势在于第一电源电压端的电压值是恒定的，可以减少可变电源电压在电平跳变的过程中的能量损耗，以及减少第一电容C1两极板间的电压受其他信号(例如电源电压)的干扰。

晶体管工作状态分为三种：分别是截止区、线性区和饱和区。当晶体管的栅极电压和源极电压之差小于阈值电压时，晶体管工作在截止区。当栅极电压和源极电压之差大于阈值电压时，晶体管导通。而晶体管在导通状态下，工作状态又分为线性区和饱和区。当晶体管的栅极电压大于漏极电压时，晶体管工作在线性区，此时，晶体管的栅极电压和漏极电压都会影响漏极的电流。当晶体管的栅极电压小于漏极电压时，晶体管处于饱和区，此时，漏极电流只和栅极电压有关。

因此，第一晶体管M3的第一极与第一电源电压端AP耦接，并保证第一电源电压端AP的电压为直流电压，且电压值大于第二晶体管M4的栅极电压，此时，当第一晶体管M3导通时，第一电源电压端AP的电压信号通过第一晶体管M3传输至第二晶体管M4的漏极，由于第二晶体管M4的漏极电压大于第二晶体管M4的栅极电压，故第二晶体管M4工作在饱和区，第二晶体管M4的漏极电流仅取决于第二晶体管M4的栅极电压，避免了电源电压对第二晶体管M4的漏极电流的影响。

当然，第一晶体管M3的第一极不限于只跟直流的电源端耦接，也可以与可变交流电源端耦接，但是需要注意的是，要保持可变交流电源电压的值在任意时刻都要大于第二晶体管M4的栅极电压值，从而保证第二晶体管M4工作在饱和状态，使得第二晶体管M4的漏极电流仅取决于第二晶体管M4的栅极电压，弱化了外部接入的电源电压对第二晶体管M3和第二晶体管M4漏极电流的影响，从而使得第一电容C1所存储的电荷量仅与第二晶体管M4栅极耦接的输入信号有关，以保证最终像素电路的输出信号仅与输入信号强相关，不受其他信号的干扰。

在一些实施例中，复位支路1001包括但不限于复位开关管M1和复位并联管M2。复位开关管M1的控制极与复位信号端RESET耦接，复位开关管M1的第一极与参考电压端VREF耦接，复位开关管M1的第二极与第二晶体管M4的控制极耦接。复位并联管M2的控制极与复位信号端RESET耦接，复位并联管M2的第一极与第一电容C1的第一极耦接，复位并联管M2的第二极、第一电容C1的第二极耦接均耦接于参考地电压端GND。

示例的，上述复位支路1001还可以包括多个复位开关管、多个复位并联管。多个复位开关管和多个复位并联管可以是串联的方式级联，也可以是并联的方式级联，但是多个复位开关管中至少一个复位开关管的第一极要与参考电压端VREF耦接，多个复位开关管中至少一个复位开关管的控制极要与复位信号端RESET耦接，多个复位开关管中至少一个复位开关管的第二极与电容积分支路的输入端耦接，且多个复位并联管中至少一个复位并联管的控制极与复位信号端RESET耦接，多个多个复位并联管中至少一个复位并联管的第二极与参考地电压端GND耦接，多个多个复位并联管中至少一个复位并联管的第一极与输出控制支路的输入端耦接。

复位开关管M1和复位并联管M2作为初始化模块中的开关晶体管，用于控制复位信号何时接入像素电路，对像素电路的端口A的节点电压和端口B的节点电压进行复位。当复位信号端RESET的信号有效时，复位开关管M1和复位并联管M2导通，参考电压端VREF的信号通过复位开关管M1传输至端口A，参考地电压端GND的信号通过复位并联管M2传输至端口B。对端口处的节点电压复位的原因在于，避免之前电路中残留的电荷，对当前的节点电压产生影响，以免后续的电容积分过程中，受到来自于先前电路残留电荷的干扰，保证电路中电信号的接收、处理和传输的准确性。

在一些实施例中，输出控制支路1003包括但不限于跟随开关管M6和传输开关管M5，跟随开关管M6的控制极与第一电容C1的第一极耦接，跟随开关管M6的第一极与第一电源电压端AP耦接，跟随开关管M6的第二极与传输开关管M5的第一极耦接，传输开关管M5的第二极与像素电路的输出端耦接，传输开关管M5的控制极与读使能端READ耦接。

示例的，输出控制支路1003可以包括多个跟随开关管和传输开关管，多个跟随开关管和多个传输开关管可以是串联的方式级联，也可以是并联的方式级联。多个传输开关管中至少一个传输开关管的控制极要与读使能端READ耦接，多个传输开关管中至少一个传输开关管的第二极要与输出端VOUT耦接。多个跟随开关管中至少一个跟随开关管的控制极要与第一电容C1的第一极耦接。

跟随开关管M6和传输开关管M5作为输出模块中的开关晶体管，用于将接收到的电容积分支路的输出信号，转换为最终的输出电压，并传输至像素电路的输出端VOUT，与输出端耦接的图像芯片处理该输出信号，进行指纹图像的成像。

传输开关管M5的控制极与读使能端READ耦接，读使能端READ的信号用于控制输出控制支路1003的导通与断开。当读使能端READ的信号有效时，传输开关管M5导通，将跟随开关管M6源极的信号传输至像素电路的输出端VOUT。

跟随开关管M6的栅极与复位并联管M2的第一极耦接，接收复位信号端RESET的信号，清除先前电路残留电荷对跟随开关管M6栅极的影响。跟随开关管M6的栅极还与电容积分支路1002的输出端耦接，接收电容积分支路1002的输出信号，因此，跟随开关管M6的源极电压的变化，受电容积分支路1002的输出信号的影响。

示例的，跟随开关管M6的第一极与第一电源电压端AP耦接，主要优势在于第一电源电压端AP的电压值是恒定的，减少跟随开关管M6的漏极电流受电源电压的干扰，否则，跟随开关管M6输出的含有噪声的信号，经过传输开关管M5，传送到输出端Vout，直接导致像素电路输出端Vout的信号受到干扰。

当然，跟随开关管M6的第一极不限于只跟直流的电源端耦接，也可以与可变交流电源端耦接，但是需要注意的是，要保持可变交流电源电压的值在任意时刻都要大于跟随开关管M6的栅极电压值，从而保证跟随开关管M6工作在饱和状态，使得跟随开关管M6的漏极电流仅取决于跟随开关管M6的栅极电压，弱化了外部接入的电源电压对跟随开关管M6漏极电流的影响，从而避免输出端Vout的信号受电源电压的干扰。

像素电路还包括压电感应装置Q1，压电感应装置Q1用于发射和接收超声波，第二晶体管M4的控制极、复位开关管M1的第二极均耦接于压电感应装置Q1。

所述压电感应装置Q1包括TFT像素电极、压电层、公共电极层(如Ag电极)等。在发射阶段，通过集成电路芯片及外围电子元器件输出高压脉冲信号给到公共电极层，将TFT像素电极设置为固定电平。压电层受到上下两侧电极的静电高压，转变为高频的机械振动，发射超声波，向OLED屏幕传递。在OLED屏幕盖板顶层遇到按压的手指，部分超声波被反射回来，少部分继续向前传播。在接收阶段，超声波从手指处反射回来，反射回来的超声波穿过压电感应装置的各层介质，到达压电层，已经接近静止的压电层被反射回来的超声波带动进行高频振动，进而将高频振动转变为高频脉冲电信号，此电信号通过TFT像素电路进行处理，然后传递给图像处理芯片。最后通过图像处理芯片获得最终的超声波成像的指纹图像。

如图11所示，手指的指纹存在谷和脊，二者形成的反射波的能量不同、反射波信号强度也不同，当超声波发射到手指谷时，其反射波的能量较强，反射波信号强度较大，当超声波发射到手指脊时，其反射波的能量较弱，反射波信号强度较小。手指谷和手指脊反射波信号的强度不同，二者的反射波信号驱动压电感应装置振动的幅度也不同，导致压电感应装置产生的电信号大小也不相同，经过像素电路的处理，传输至图像处理芯片，最终指纹的谷和脊的成像也有所不同。

因此手指谷和手指脊的差别，通过各自的反射波信号的强度、驱动压电感应装置产生的电信号强度，最终通过指纹成像的呈现来表征出来。

如图12所示，下面介绍本申请实施例提供的像素电路的工作原理和电路状态，其电路状态主要可以分为三个阶段：发射阶段，接收阶段和读取阶段。

在发射阶段，芯片向压电材料和电极侧输入高压周期信号TX-DRIVE，使压电材料发生形变而产生超声波，复位信号端RESET的信号有效，将复位开关管M1和复位并联M2导通，参考电压端VREF的信号通过复位开关管M1传输至端口A，对其进行初始化，参考地电压端GND的信号通过复位并联管M2传输至端口B，对其进行初始化。

在接收阶段，复位信号端RESET的信号无效，积分使能端EM的信号置为有效，第一晶体管M3导通，第一电源电压端AP的信号通过第一晶体管M3传输至第二晶体管M4的漏极，将第一电源电压端AP的电压值设置为大于手指反射波信号的峰值，以保证在同一次的手指按压中，第二晶体管M4的栅极电压小于第二晶体管M4的漏极电压，使得第二晶体管M4处于饱和区，第二晶体管M4的漏极电流只和第二晶体管M4的栅极电压有关。在同次按压中，手指谷和手指脊的反射波的信号强度不同，因而，压电感应装置Q1产生的电信号强度不同，第二晶体管M4的栅极电压则不同，其漏极电流也不同。由于电容不像二极管那样具有单向导通性，在整个手指按压的时间内，电容均处在充放电的工作状态，因此，整个反射波信号均对第二晶体管M4产生有效控制，不存在只有当反射波信号的电压大于某个值时电路才导通。此方案完整地收集了整个手指按压时间段内的整个反射波信号的信息。由于指纹谷、脊的反射波信号幅度不同，最终存储在第一电容C1极板间的电荷不同，端口B的电压也不同。

在读取阶段，读使能端READ的信号有效，传输开关管M5导通，跟随开关管M6也导通，端口B的电压从跟随开关管M6的栅极传输至源极，又经过传输开关管M5传输至输出端VOUT。故像素电路的输出端VOUT的电压随端口B的电压的变化而变化，从而实现不同反射波信号的强度到不同输出电压大小的转变。

如图13所示，在另一些实施例中，可以将参考地电压端GND换成任意电压端VSET，任意电压端VSET的电压值小于：参考电压端VREF的电压值减去阈值电压值Vth，保证在接收阶段第二晶体管M4正常开启即可。

如图14所示，在另一些实施例中，复位并联管M2的源极电压端VL，不与任意电压端VSET耦接，并且源极电压端VL的电压值设置为与任意电压端VSET的电压值不同，保证源极电压端VL的电压值至少小于：参考电压端VREF减去阈值电压值Vth，其中，任意电压端VSET的电压值为任意固定值即可。

如图15所示，在另一些实施例中，积分使能端EM的信号在读取阶段也可以设置为有效电平，由于反射波的回波信号持续时间较短，在读取阶段，反射波的回波信号已经没有有效的波形信息，所以在读取阶段积分使能端EM的信号是否有效，对电路的输出端影响不大。

本申请实施例中，晶体管以N型金属-氧化物-半导体场效应管(N-Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS)为例，实际应用中，也可以用P型金属-氧化物-半导体场效应管、互补型金属氧化物半导体场效应管等电路结构，将时序对应翻转即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种像素电路，其特征在于，所述像素电路用于超声波指纹的识别，所述像素电路包括：复位支路，电容积分支路和输出控制支路；

所述复位支路用于对所述电容积分支路的输入端电压和所述输出控制支路的输入端电压进行复位；

所述电容积分支路用于对超声波的回波信号作积分处理，所述电容积分支路包括第一晶体管，第二晶体管和第一电容；所述第一晶体管的控制极与积分使能端耦接，所述第一晶体管的第一极与第一电源电压端耦接，所述第一晶体管的第二极与所述第二晶体管的第一极耦接，所述第二晶体管的第二极与所述第一电容的第一极耦接，所述第二晶体管的控制极与所述复位支路的第一输出端耦接，用于接收所述复位支路输出的复位信号，所述第一电容的第二极与参考地电压端耦接；

所述输出控制支路的输入端耦接于所述复位支路的第二输出端，用于接收所述复位支路输出的复位信号；所述输出控制支路的输入端还与所述第一电容的第一极耦接，用于接收并处理所述电容积分支路的输出信号，并传输至所述像素电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的像素电路，其特征在于，所述复位支路包括复位开关管和复位并联管；

所述复位开关管的控制极与复位信号端耦接，所述复位开关管的第一极与参考电压端耦接，所述复位开关管的第二极与所述第二晶体管的控制极耦接；

所述复位并联管的的控制极与复位信号端耦接，所述复位并联管的第一极与所述第一电容的第一极耦接，所述复位并联管的第二极与所述第一电容的第二极耦接。

3.根据权利要求1或2所述的像素电路，其特征在于，所述输出控制支路包括跟随开关管和传输开关管；

所述跟随开关管的控制极与所述第一电容的第一极耦接，所述跟随开关管的第一极与所述第一电源电压端耦接，所述跟随开关管的第二极与所述传输开关管的第一极耦接；

所述传输开关管的控制极与读使能端耦接，所述传输开关管的第二极与所述像素电路的输出端耦接。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的像素电路，其特征在于，所述第一电源电压端的电压为直流电源电压。

5.根据权利要求1至4意一项所述的像素电路，其特征在于，所述像素电路还包括压电感应装置，所述压电感应装置用于发射和接收超声波，所述第二晶体管的控制极、所述复位开关管的第二极均耦接于所述压电感应装置。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的像素电路，其特征在于，所述积分使能端的信号用于控制所述电容积分支路的导通与断开。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的像素电路，其特征在于，所述读使能端的信号用于控制所述输出控制支路的导通与断开。

8.一种像素电路的驱动方法，其特征在于，所述像素电路的驱动方法包括：

生成复位信号，对电路中的各个节点电压进行复位；

接收压电感应装置输出的电信号，对所述电信号作电容积分处理，得到积分处理信号；

将所述积分处理信号输出给图像处理芯片。

9.一种显示装置，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的像素电路，以及显示屏；所述像素电路和显示屏耦接。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的显示装置，和印刷电路板，所述显示装置设置在印刷电路板上。