CN1726420A - 触摸敏感有源矩阵显示器及触摸感测方法 - Google Patents

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Abstract

触摸敏感有源矩阵显示器件具有电容显示元件像素(16)阵列，每个显示元件都与存储电容器(20)和像素晶体管相关。设置一个或多个公共电极接触(18a)，并与多个显示元件(16)的终端相连。每个公共电极接触都独立地与用于测量流到公共电极接触的电荷的电荷测量装置(50)相连。因而当像素晶体管关闭时可测量通过电容显示元件流动的电荷。该电荷流表示像素存储电容器(20)与显示元件(16)之间的电荷转移，导致电容的变化，由此表示触摸输入。

Description

触摸敏感有源矩阵显示器及触摸感测方法
技术领域
本发明涉及有源矩阵液晶显示器，尤其是具有触摸敏感输入功能的这种显示器。
背景技术
有源矩阵显示器典型地包括在行和列上排列的像素阵列。每行像素都共享与在该行中的薄膜晶体管的栅极相连的行导体。每列像素都共享提供有像素驱动信号的列导体。所述行导体上的信号确定晶体管是开还是关，当通过行导体上的高电压脉冲将晶体管打开时，来自列导体的信号就被传递到液晶材料(或其它电容显示单元)的区域，由此改变材料的光透射特性。
图1示出了有源矩阵液晶显示器的常规像素结构。该显示器在行和列上排列为像素阵列。每行像素都共享公用的行导体10，每列像素都共享公用的列导体12。每个像素都包括串联设置在列导体12和公共电极18之间的薄膜晶体管14和液晶单元16。晶体管14由行导体10上提供的信号打开和关闭。因而行导体10与相关行像素的每个晶体管14的栅极14a相连。每个像素附加地都包括在一端22与下一个行电极、与前面的行电极，或与独立的电容器电极相连的存储电容器20。像素的电容(电容器20或自电容)存储驱动电压，以致甚至在晶体管14已经关闭之后，跨越液晶单元16仍旧保持信号。
为了驱动液晶单元16以期望的电压，从而获得所需要的灰度级，与行导体10上的行寻址脉冲同步在列导体12上提供适当的信号。该行寻址脉冲将薄膜晶体管14打开，由此使列导体12给液晶单元16充电到期望的电压，还将存储电容器20充电到相同的电压。在行寻址脉冲的末端，晶体管14关闭，当其它行被寻址时，存储电容器20跨越单元16保持电压。存储电容器20减小了液晶泄漏的影响，并减小了由液晶单元电容的电压依赖所导致的在每个像素电容中的百分比变化。
连续寻址所述行，以致在一个帧周期中寻址所有的行，并在后来的帧周期中刷新所有的行。
如图2中所示，由行驱动器电路30给显示像素阵列34提供行寻址信号，由列寻址电路32给显示像素阵列34提供像素驱动信号。
通过使用手指(触摸输入)或触屏笔(笔输入)与显示器结合，从而输入到与显示器相连的系统的能力是非常期望的特征，并开发了许多方法来实现这一点。在多数情形中，这些方法在液晶边缘的前方、后方或周围包括额外组件的附加物。
已认识到显示器的液晶层还可以用作压力感测器。尤其，给液晶层施加压力改变了层的局部电容，这种变化可用于探测在那一点处压力输入的存在。一些方案提出了同时显示和压力感测，其它方案提出了连续显示和压力感测操作。
例如，JP2000/066837公开了一种方法，通过该方法可以测量使像素再次充电到所需要的电荷量，并与其它像素需要的电荷相比较。这样，探测了电容的变化，代表施加到像素液晶材料的压力。在US5777596中，为了确定哪个元件被触摸到了，将液晶显示元件的充电时间与参考值对比。当使用充电时间或数量作为电容的测量标准时，为了能作对比，像素需要完全放电，并充电到给定的电压。这不可避免地中断了正常的显示操作。例如，在US5777596中，使用了所谓的“闪线”方法。闪线从屏幕顶端推进到底端，在其过程中，显示元件在完全放电和充电状态之间被驱动。很明显这提供了不希望的图像非自然信号。在US5777596中公开的可选择的方法是所谓的“热点光标”方法，其中使较小的区域产生闪烁，并将该闪烁的小区域拖进期望的位置。再一次中断了显示的图像。
发明内容
依照本发明，提供了一种触摸敏感显示器件，其包括电容显示元件像素阵列，每个显示元件都与包括像素存储电容器的像素电路相关，每个显示元件都在第一终端处与存储电容器相连，
其中所述器件进一步包括一个或多个行电极连接，每个行电极接触都与多个显示元件的第二终端相连，其中每个公共电极接触都独立地与用于测量流到公共电极接触的电荷的电荷测量装置相连。
在该结构中，可测量通过电容显示元件流到(或从第二终端流动的)第二终端的电荷。该电荷流表示像素存储电容器与显示元件之间的电荷转移，导致电容显示元件的电容变化，由此表示触摸输入。在显示像素显示图像的同时，可执行该电荷测量，不必改变常规显示驱动方案。
可以仅有一个公共电极接触，其是所有阵列像素共享的公共电极接触。在该情形中，通过行导体获得了触摸感测的结果。然而，优选设置多个公共电极接触，以致可获得行和列中的结果。每个公共电极接触都与各自的电荷敏感放大器相连(尽管可使用多路复用器来共享放大器)。电荷敏感放大器优选将公共电极接触与虚拟地电位相连，以致公共电极接触保持为地电位。因而，当保存用于显示操作的电压时，提供电荷测量不会影响常规的显示操作。
优选地，所述显示元件像素阵列以行和列设置，其中每个公共电极接触都与显示元件像素的多个相邻列的显示元件的第二终端相连。因而所述接触跨越列提供了解析度。显示元件像素的每行都共享行导体，每个像素都包括在显示元件与显示元件像素相邻行的行导体之间的存储电容器。这使得电荷通过行导体的方式流到存储电容器，从而被监控，以致对列和行的电荷测量的组合允许确定触摸输入的位置。
优选地，确定相邻行的多个组，每个组都独立地与用于测量流到行导体的组的电荷的测量部件相连。这意味着通过行和列的组的交叉确定了每个触摸输入，从而提高了灵敏度。
电容显示元件包括液晶显示元件。
本发明还提供了一种在触摸敏感显示器件中探测触摸输入的方法，所述器件包括电容显示元件像素阵列，每个电容显示元件像素都包括电容显示元件和像素存储电容器，所述方法包括：
通过利用像素晶体管将每个像素的显示元件充电到期望的电压，来给阵列的像素施加显示信号；
通过关闭像素晶体管隔离每个像素，并使用像素存储电容器存储显示元件上的电压；以及
隔离像素的同时，感测在存储电容器与电容显示元件之间流动的电荷。
电荷流动的感测能在被探测的电容显示元件的电容中产生变化，其表示显示被触摸。
通过在像素被寻址后感测电荷流动，该方法避免了显示图像的变形，从而能实现触摸感测。
优选通过监控流到电容显示元件终端的电荷执行所述感测。优选地，监控多个显示元件的终端，所述多个显示元件共享公共接触，并包括一列或多列显示元件。优选地，监控流到多个像素存储电容器终端的电荷，所述多个像素存储电容器共享公共接触，并包括一行或多行像素的像素存储电容器。
因而，为了能探测到触摸输入的位置，监控行导体和共享在多列显示元件之间的公共接触。
改变显示驱动级也可以导致电容变化，由此导致电荷流。因而，阵列像素的子集可用于触摸感测和显示，其余的像素仅用于显示。在该情形中，给所述子集(例如交替行)的像素提供基本静态的图像。
可选择地，重复用于子集的显示数据，并在第一或随后的重复中执行触摸感测，以致图像是静态的。所述子集对于不同的帧不同，以致用于触摸感测的区域在图像周围移动。这就能使所述方法对于移动图像可靠地工作。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出了公知的AMLCD像素；
图2示出了依照本发明修改的公知的AMLCD显示器；
图3用于解释LC单元如何用于触摸感测；
图4示出了被寻址的像素的等效电路，用于更详细地解释触摸感测操作；
图5示出了显示电极如何依照本发明进行设置；以及
图6示出了依照本发明的显示器；
将理解到所述附图仅仅是示意性的。相同的参考数字在整个附图中都用于表示相同，或相似的部分。
具体实施方式
本发明提供了一种显示器和一种驱动方法，其允许在LC显示器的前面通过手指或触屏笔导致的物理压力感测，而不需给显示基板添加额外的组件。这通过使用已经存在于显示器中的组件来实现，从而实现感测，并将它们与附加的电子电路相连。此外，避免了图像变形或将变形保持到最小，获得了同步显示和感测。
该系统的原理是探测由前玻璃(或塑料)上的压力所产生的显示器的LC像素中电容的变化。图3示出了有源矩阵液晶显示器(AMLCD)的示意性横截面。像素电容由像素电极40和公共电极18之间的电容确定，并与单元间隙42的倒数成比例。如果施加压力，由于间隔球44会变形，因此形成LC单元的基板会变形，从而减小了单元间隙42，由此增加了像素电容。
本发明的系统在像素电路(图1)的TFT 14关闭过程中感测触摸输入，将像素和存储电容器与显示列12隔离。在该情形中，像素的等效电路如图4中所示。节点23是由晶体管14施加像素驱动电压的像素电路的节点。该电路将进一步参照如下。
图5示出了现有的显示组件如何用于提供触摸感测功能。
公共电极18被分为分离的接触18a。每个电极接触18a都与多列像素的显示元件的第二终端相连。每个公共电极接触18a都独立地与用于测量流到公共电极接触18a的电荷的电荷敏感放大器相连。这样，可以测量通过LC单元16流到第二终端(其对于所有像素不再是公共的)的电荷。该电荷流表示存储电容器20与LC单元16之间的电荷传输，并表示触摸输入。
行也以组10a排列，以致通过行的组10a与共享公共电极接触18a的列的组的交叉来确定触摸敏感输入区域46。
假定公共电极被分为S个部分，与存储电容器相连的行导体被分为R个组10a，这就允许触摸在R×S的显示区域中被感测。增加R和/或S来提高感测的分辨率，但意味着被感测的电荷的大小将更小。由此可根据应用的要求选择R和S。
由于跨越LC单元典型存在2V-6V范围内的电压VLC，电容的增加将导致电荷从公共电极18、以及从与存储电容器20的连接流进像素中。该连接是图1的像素电路中相邻的行，尽管其还可以是分离的电容器线。
在图4中示出的简单排列中，如果LC单元16的电容CLC被充电以ΔC的量，而假设ΔC与CLC和(电容器20的)存储电容CS相比较小，则保持跨越串联的CS和CLC的电压所需要的电荷流量ΔQ由下式给出：
ΔQ = ΔC . V LC . C S C LC + C S
由触摸显示器所转移的电荷的近似数量很容易从该公式确定。对于典型的AMLCD来说，CS近似等于CLC。假定标准的单元厚度和LC材料的介电常数，以及单元间隙5％的变化，则ΔC的值为44pf/cm2。如果VLC＝4V，则ΔQ＝88pC/cm2。如果大约0.5cm2的显示区域被变形，则被转移的电荷将为大约45pC，这一值很容通过如下面描述连接的标准电荷放大器来探测。
图6示出了用于感测由LC单元间隙的变形所产生的电荷转移的方法的示意性图表。行的每组10a和每个公共电极接触18a都与虚拟地电荷敏感放大器50相连。为了简便起见，图6中行组10a和公共电极接触18a示出为单线。当触摸显示区域时，电荷将在一个或更多个公共电极接触和一个或更多个行组10a中流动。这些电荷流将被与这些行组和公共电极接触相连的电荷敏感放大器50所感测，并产生放大器输出上的信号变化。通过连续监控S个公共电极接触和B个行组的输出，则可以感测由触摸显示器产生的信号，并通过确定哪个放大器产生了所述信号来推出被触摸的位置和区域。所述电荷敏感放大器是虚拟地放大器，所以在显示器其它部分中的公共电极接触或行组之间的交叉耦合电容的影响被最小化。
所述放大器在触摸感测操作过程中还保持行和列导体为地电位，其与常规的器件显示操作是兼容的。
该系统的简单形式可以用单个公共电极接触(S＝1)来实现。这不能探测水平位置，但能探测垂直位置，这对于像从所有项目都在不同垂直位置处的标准菜单中选择这样的很多动作来说，其给出了应用所需的所有信息。
在标准的LC显示器中，因为LC介电常数，以及因此的单元电容是驱动级依赖性的，所以通过在像素驱动级中的变化可引起像素电容的变化。这意味着变化图像可引起与那些由触摸输入所产生的类似的信号，这就导致产生了假的触摸探测信号。
对于静态图像没有问题，并且感测很直接。因为在需要触摸输入的应用中，图像(例如菜单，键盘等)经常是静态的，所以变化图像的效果不是问题。如果在行块或公共电极部分的区域中仅仅一小部分像素发生变化，以致由图像变化所引起的电容变化与由触摸压力所引起的那些相比很小，则也没有问题。此外，如果一些在一个方向上产生电容变化，而一些在其它方向上产生电容变化，则会在图像中出现较大的变化，导致在全部电容中取消和零或非常小的变化。例如，当总电容为恒定时，具有从黑色闪变为白色的块的图像、以及在相同部分下从白色闪变为黑色(即反相)的相等区域的其它图像不会产生问题。
然而在仍能够进行触摸感测的同时，可以适于使用显示器显示移动图像。
当像素被隔离时仍执行触摸感测，再次感测在存储电容器和电容显示元件之间流动的电荷。然而，像素阵列的子集可以用于触摸感测和显示，其余的像素仅用于显示。这样，可给像素子集提供基本静态的图像。例如，在行的水平组中仅仅每隔一个(或每nth)连接用于感测，图像的移动部分仅指向不与感测放大器相连的行上。结果，在感测行中没有电容变化。这在垂直方向上应用更加困难，可能仅适于只需要垂直位置选择的图像(如上所述S＝1的例子)。
可选择地，可重复子集的显示数据，在重复图像数据的过程中进行触摸感测，以致图像是静止的。因而，在一个(或多个)感测块上的信息可有意地重复2或更多帧，以允许只感测这些块。通过逐帧地显示来移动有源感测块的位置，可扫描整个显示用于触摸输入。其感知冲击将会最小。
在上面的例子中，每个存储电容器的终端都与下一行相连。代替地，可设置附加的电容器接触行导体，然后这些行导体耦合到电荷敏感放大器。
在该说明书中，使用了术语“行”和“列”，这完全是任意的，显示可旋转90度。因而，这些术语不应理解为限制，更加明显的是为了确定唯一的触摸感测区域的(不是必须以90度的)导体交叉。
优选的实施方案是对于LC显示器而言，但可以考虑到其它的电容显示元件，其响应于施加的压力而显示电容的变化。
如上所述，本发明能将常规的驱动方案用于显示器，尽管变化是可能的，以确定仅在没有图像变化的显示区域中进行触摸感测。本发明简单需要在行和列驱动器(图2的30，32)中或额外专用的电路中添加电荷敏感放大器。本发明还需要公共电极层的构图-如果希望一个以上的公共电极接触。
各种其它修改对于本领域熟练技术人员来说是显而易见的。

Claims (21)

1.一种触摸敏感显示器件，包括电容显示元件像素阵列，每个显示元件(16)都与包括像素存储电容器(20)的像素电路相关联，每个显示元件(16)都在第一终端(23)处与存储电容器(20)相连，
其中所述器件进一步包括一个或多个公共电极接触(18a)，每个公共电极接触(18a)都与多个显示元件(16)的第二终端相连，其中每个公共电极接触(18a)都独立地与用于测量流到公共电极接触(18a)的电荷的电荷测量装置(50)相连。
2.如权利要求1要求的器件，其中设置多个公共电极接触(18a)。
3.如权利要求2要求的器件，其中每个公共电极接触(18a)都与各自的电荷测量装置(50)相连。
4.如前述任意一项权利要求所要求的器件，其中每个电荷测量装置(50)都包括电荷敏感放大器。
5.如权利要求4要求的器件，其中每个电荷敏感放大器都将公共电极接触(18a)与虚拟地电位相连。
6.如前述任意一项权利要求所要求的器件，其中所述显示元件像素阵列以行和列设置，其中每个公共电极接触(18a)都与显示元件像素的多个相邻列的显示元件(16)的第二终端相连。
7.如权利要求6要求的器件，其中显示元件像素的每行都共享用于提供像素寻址信号的公共行导体(10)，其中每个像素的存储电容器(20)都连接在显示元件(16)与显示元件像素的相邻行的行导体之间。
8.如权利要求6要求的器件，其中显示元件像素的每行都共享公共电容器行导体(22)，每个像素的存储电容器(20)都连接在显示元件(16)与电容器行导体(22)之间。
9.如权利要求7或8要求的器件，其中相邻行的多个组(10a)定义为每个组都独立地与用于测量流到行导体的组(10a)的电荷的电荷测量装置相连。
10.如前述任意一项权利要求所要求的器件，其中每个像素电路都包括晶体管(14)，其由与一行显示元件像素相关联的行导体上的信号来寻址，并且其将来自与一列显示元件像素相关联的列导体(12)的信号提供给显示元件(16)。
11.如前述任意一项权利要求所要求的器件，其中所述电容显示元件包括液晶显示元件。
12.一种在触摸敏感显示器件中探测触摸输入的方法，所述器件包括电容显示元件像素阵列，每个都包括电容显示元件(16)和像素存储电容器(20)，所述方法包括：
通过利用像素晶体管(14)将每个像素的显示元件(16)充电到期望的电压，来给阵列的像素施加显示信号；
通过关闭像素晶体管(14)隔离每个像素，并使用像素存储电容器(20)存储显示元件(16)上的电压；以及
隔离像素的同时，感测在存储电容器(20)与电容显示元件(16)之间流动的电荷。
13.如权利要求12要求的方法，其中通过监控流到电容显示元件(16)终端的电荷来执行所述感测。
14.如权利要求13要求的方法，其中监控流到多个显示元件(16)的终端的电荷，所述多个显示元件共享公共接触(18a)，并包括一列或多列显示元件。
15.如权利要求14要求的方法，其中还通过监控流到像素存储电容器(20)终端的电荷来执行所述感测。
16.如权利要求15要求的方法，其中监控流到多个像素存储电容器(20)终端的电荷，所述多个像素存储电容器共享公共接触，并包括一行或多行像素的像素存储电容器。
17.如权利要求12到16要求的方法，其中阵列像素的子集用于触摸感测和显示，其余的像素仅用于显示。
18.如权利要求17要求的方法，其中给所述像素的子集提供基本静止的图像。
19.如权利要求17或18要求的方法，其中所述子集包括多行像素。
20.如权利要求17要求的方法，其中重复用于子集的显示数据，并在第一或随后的重复中执行触摸感测。
21.如权利要求20要求的方法，其中所述子集对于不同的帧是不同的。
CNA200380106018XA 2002-12-12 2003-11-27 触摸敏感有源矩阵显示器及触摸感测方法 Pending CN1726420A (zh)

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