KR102178930B1 - 센서 화소 회로 및 이를 포함하는 센서 장치 - Google Patents

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Abstract

센서 화소 회로는, 바이어스 전압이 공급되는 애노드를 포함하고 입사되는 빛에 따른 전류가 흐르는 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드에 병렬 연결되어 있는 저장 커패시터, 인식 대상의 접촉에 의해 제1 리셋 전압과 상기 포토 다이오드의 캐소드를 연결하는 제1 트랜지스터, 및 상기 저장 커패시터에 충전된 전하를 데이터 라인에 전달하는 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다.

Description

센서 화소 회로 및 이를 포함하는 센서 장치{SENSOR PIXEL CIRCUIT AND SENSOR DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 개시는 센서 화소 회로 및 이를 포함하는 센서 장치에 관한 것이다.
종래 센서는 광학 방식, 정전용량 방식, 저항 방식, 열감지 방식, 초음파 방식 등 중 하나를 사용한다. 이 중 광학 방식의 경우 외부광에 의한 영향으로 감지 결과가 왜곡될 수 있다. 예를 들어, 외부광이 밝을 수록, 광학 방식 센서에 의해 감지된 인식 대상이 밝게 감지되어, 인식 대상이 불명확하게 감지되는 문제가 있다.
인식 대상을 명확하게 감지할 수 있는 센서 화소 회로 및 센서 장치를 제공하고자 한다.
발명의 한 특징에 따른 센서 화소 회로는, 바이어스 전압이 공급되는 애노드를 포함하고, 입사되는 빛에 따른 전류가 흐르는 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드에 병렬 연결되어 있는 저장 커패시터, 인식 대상의 접촉에 의해 제1 리셋 전압과 상기 포토 다이오드의 캐소드를 연결하는 제1 트랜지스터, 및 상기 저장 커패시터에 충전된 전하를 데이터 라인에 전달하는 제2 트랜지스터를 포함한다.
상기 제1 트랜지스터의 일단은 상기 포토 다이오드의 캐소드에 연결되어 있고, 상기 제1 트랜지스터의 타단에는 상기 제1 리셋 전압이 공급되며, 상기 센서 화소 회로는, 상기 제1 트랜지스터의 제어단에 연결되어 있는 감지 전극을 더 포함하고, 상기 인식 대상의 접촉에 의해 상기 감지 전극과 상기 인식 대상이 감지 커패시터를 형성할 수 있다.
상기 센서 화소 회로는, 상기 제1 트랜지스터의 제어단과 상기 감지 전극이 연결되는 제2 노드의 전압을 리셋하는 제3 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 트랜지스터의 일단은 상기 제2 노드에 연결되어 있고, 상기 제3 트랜지스터의 타단에는 제2 리셋 전압이 공급되며, 상기 제3 트랜지스터의 온 기간 동안, 상기 제2 노드는 상기 제2 리셋 전압이 되고, 상기 인식 대상의 접촉에 의해 상기 인식 대상에 공급되는 펄스 신호에 따라 상기 제1 트랜지스터가 스위칭할 수 있다.
상기 제2 리셋 전압이 상기 제1 트랜지스터의 오프 레벨 전압인 경우, 상기 제2 노드가 상기 제2 리셋 전압으로 리셋된 후, 상기 펄스 신호는 상기 제1 트랜지스터를 턴 온 시킬 수 있는 레벨로 변동할 수 있다.
상기 센서 화소 회로는, 상기 제2 노드에 연결되는 일전극 및 DC 전압이 공급되는 타전극을 포함하는 제1 저장 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 센서 화소 회로는, 상기 제2 노드에 연결되는 일전극 및 펄스 신호가 공급되는 타전극을 포함하는 커플링 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 트랜지스터의 일단은 상기 제2 노드에 연결되어 있고, 상기 제3 트랜지스터의 타단에는 제2 리셋 전압이 공급되며, 상기 제3 트랜지스터의 온 기간 동안, 상기 제2 노드는 상기 제2 리셋 전압이 되고, 상기 펄스 신호에 따라 상기 제1 트랜지스터가 스위칭할 수 있다.
상기 제2 리셋 전압이 상기 제1 트랜지스터의 온 레벨 전압인 경우, 상기 제2 노드가 상기 제2 리셋 전압으로 리셋된 후, 상기 펄스 신호는 상기 제1 트랜지스터를 턴 오프 시킬 수 있는 레벨로 변동할 수 있다.
상기 제2 리셋 전압이 상기 제1 트랜지스터의 오프 레벨 전압인 경우, 상기 제2 노드가 상기 제2 리셋 전압으로 리셋된 후, 상기 펄스 신호는 상기 제1 트랜지스터를 턴 온 시킬 수 있는 레벨로 변동할 수 있다.
발명의 다른 특징에 따른 센서 장치는, 복수의 센서 화소를 포함하는 센서 패널, 복수의 스캔 라인 각각을 통해 복수의 센서 화소 행에 스캔 신호를 공급하는 게이트 구동 회로, 및 복수의 데이터 라인을 통해 상기 복수의 센서 화소로부터 공급되는 복수의 데이터 신호를 수신하는 센서 신호 리드 아웃 회로를 포함하고, 상기 복수의 센서 화소 중 하나의 센서 화소 회로는, 애노드에 바이어스 전압이 공급되고, 입사되는 빛에 따른 전류가 흐르는 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드에 병렬 연결되어 있는 저장 커패시터, 인식 대상의 접촉에 의해 제1 리셋 전압과 상기 포토 다이오드의 캐소드를 연결하는 제1 트랜지스터, 및 상기 저장 커패시터에 충전된 전하를 데이터 라인에 전달하는 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 센서 화소 회로는, 상기 제1 트랜지스터의 제어단과 상기 감지 전극이 연결되는 제2 노드의 전압을 리셋하는 제3 트랜지스터 및 상기 제2 노드에 연결되는 일전극 및 펄스 신호가 공급되는 타전극을 포함하는 커플링 커패시터를 더 포함할 수 있다.
상기 센서 장치는, 상기 복수의 센서 화소 행 각각에 대응하는 펄스 신호를 공급하기 위한 복수의 펄스 신호 라인을 더 포함할 수 있다.
인식 대상을 명확하게 감지할 수 있는 센서 화소 회로 및 센서 장치를 제공한다.
도 1은 일 실시예에 따른 센서 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 센서 화소를 나타낸 회로도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 센서 화소를 나타낸 회로도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 스캔 신호와 펄스 신호를 나타낸 파형도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 센서 화소 회로를 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 센서 화소 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 센서 장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 펄스 신호들의 파형을 나타낸 파형도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 센서 장치를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 센서 장치(1)는 센서 패널(100), 스캔 회로(200), 타이밍 제어 회로(300), 센서 신호 리드아웃 회로(400), 전원 공급 장치(500), 및 광원(600)을 포함한다.
센서 패널(100)은 복수의 스캔 선(S1-Sn), 복수의 데이터 선(D1-Dm), 및 복수의 센서 화소(SPX)를 포함한다.
복수의 센서 화소(SPX)에 대한 다양한 실시예는 후술한다.
복수의 스캔 선(S1-Sn)은 제1 방향(도 1에서 X 방향)으로 연장되어 있고, 제1 방향과 교차하는 제2 방향(도 2에서 Y 방향)을 따라 배열되어 있다. 복수의 스캔 선(S1-Sn)을 통해 복수의 센서 화소 행 각각에 대응하는 스캔 신호가 전달된다.
도 1에서는 하나의 센서 화소 행 각각에 하나의 스캔 선이 대응하는 것으로 도시되어 있으나, 센서 화소는 적어도 하나의 스캔 신호에 따라 동작할 수 있다. 센서 화소의 동작에 필요한 스캔 신호에 따라 센서 화소 행 하나에 연결되는 스캔 선의 개수는 달라질 수 있다.
전원 공급 장치(500)는 센서 화소 회로(SPX)를 구동하기 위한 바이어스 전압(VB)을 생성하여 공급한다. 전원 공급 장치(500)는 바이어스 전압(VB)의 레벨을 조절하여, 센서 화소에 의해 생성되는 데이터 신호의 크기를 조절할 수 있다.
복수의 데이터 선(D1-Dm)은 제2 방향으로 연장되어 있고, 제1 방향을 따라 배열되어 있다. 복수의 데이터 선(D1-Dm)을 통해 복수의 센서 화소 각각의 데이터 신호가 센서 신호 리드아웃 회로(400)에 전달된다.
복수의 센서 화소(SPX) 각각은 대응하는 두 개의 스캔 선 및 두 개의 데이터 선 사이에 정의되는 영역에 위치할 수 있다. 복수의 센서 화소(SPX) 각각은, 대응하는 스캔 선을 통해 전달되는 스캔 신호에 동기되어 대응하는 데이터 선으로 데이터 신호를 전달할 수 있다.
스캔 회로(200)는 복수의 스캔 신호를 생성하고, 복수의 스캔 선(S1-Sn)에 전달한다.
센서 신호 리드아웃 회로(400)는 복수의 데이터 선(D1-Dm)을 통해 전달되는 복수의 데이터 신호를 전달받고, 복수의 데이터 신호에 따라 인식 대상에 대한 정보를 생성할 수 있다.
타이밍 제어 회로(300)는 스캔 회로(200) 및 센서 신호 리드아웃 회로(400)의 동작을 제어하는데 필요한 제어 신호(CONT1, CONT2)를 생성할 수 있다.
스캔 회로(200)는 제어 신호(CONT1)에 따라 복수의 스캔 신호를 생성할 수 있다. 센서 신호 리드아웃 회로(400)는 제어 신호(CONT2)에 따라 복수의 데이터 선(D1-Dm)을 통해 복수의 데이터 신호가 전달되는 시점에 동기되어 복수의 데이터 신호를 입력 받고, 인식 대상에 대한 정보를 생성하기 위해 필요한 신호 처리를 수행할 수 있다.
광원(600)은 광학 방식으로 인식 대상을 감지하기 위해 필요한 광을 제공한다. 광원(600)은 센서패널(100)의 후면에 위치하여 전면으로 광을 제공할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 센서 화소를 나타낸 회로도이다.
도 2에서는, i번째 행, j 번째 열에 위치한 센서 화소(SPXij_1)가 도시되어 있다. 다른 위치의 센서 화소도 도 2에 도시된 것과 동일한 구성을 포함하고, 각 구성들이 도 2에 도시된 바와 같이 연결되어 있을 수 있다.
일 실시예에 따른 센서 화소(SPXij_1)는 감지 전극(11) 및 센서 화소 회로(10)를 포함한다.
센서 화소 회로(10)는 2 개의 트랜지스터(P1-P2), 포토 다이오드(PD), 및 저장 커패시터(Cst)를 포함한다.
트랜지스터(P1)의 게이트는 대응하는 스캔 선(Si)에 연결되고, 트랜지스터(P1)의 양단은 대응하는 데이터 선(Dj)와 노드(N1) 사이에 연결되어 있다. 스캔 선(Si)를 통해 공급되는 스캔 신호에 의해 트랜지스터(P1)가 턴 온 되면, 저장 커패시터(Cst)에 충전된 전하에 따른 데이터 신호가 데이터 선(Dj)을 통해 센서 신호 리드 아웃 회로(400)에 흐른다. 데이터 선(Dj)의 전압은 센서 신호 리드 아웃 회로(400)에 의해 소정 전압으로 유지되고, 트랜지스터(P1)의 온 기간 동안, 노드(N1)의 전압은 데이터 선(Dj)의 전압으로 리셋될 수 있다. 트랜지스터(P2)의 일단은 노드(N1)에 연결되고, 트랜지스터(P2)의 타단에는 리셋 전압(VR1)이 공급되며, 트랜지스터(P2)의 게이트는 감지 전극(11)에 연결되어 있다.
감지 전극(11)은 인식 대상의 접촉 여부에 따라 저장 커패시터(Cst)에 누적된 신호의 리셋 여부를 제어하기 위한 전극으로 동작할 수 있다. 예를 들어, 감지 전극(11) 상에 인식 대상인 지문 접촉 시, 지문의 마루(ridge)가 감지 전극(11)과 감지 커패시터(Cfp)를 형성하며, 트랜지스터(P2)의 게이트가 연결된 감지 전극(11)의 전하가 방전되어, 트랜지스터(P2)는 턴 온 된다. 그러면, 리셋 전압(VR1)이 노드(N1)에 공급되어, 저장 커패시터(Cst)에 누적된 신호가 리셋 전압(VR1)으로 초기화된다.
감지 전극(11) 상에 지문 접촉 시 지문의 골(valley)인 경우, 감지 커패시터(Cfp)는 형성되지 않고, 트랜지스터(P2)는 턴 오프 된다. 그러면, 스캔 선(Si)을 통해 공급되는 스캔 신호에 의해 트랜지스터(P1)가 턴 온 되어 저장 커패시터(Cst)에 누적된 데이터 신호가 데이터 선(Dj)에 전달될 때까지, 저장 커패시터(Cst)에 지속적으로 신호가 누적될 수 있다. .
포토 다이오드(PD) 및 저장 커패시터(Cst)는 노드(N1)과 노드(N2) 사이에 연결되어 있다. 포토 다이오드(PD)의 애노드는 노드(N2)에 연결되어 있고, 포토 다이오드(PD)의 캐소드는 노드(N1)에 연결되어 있다. 포토 다이오드(PD)에 바이어스 전압(VB)이 공급될 때, 포토 다이오드(PD)는 입사되는 빛에 따라서 흐르는 전류가 달라진다. 광원(600)으로부터 공급되는 빛이 인식 대상에 반사되어, 포토 다이오드(PD)에 입사될 수 있다. 포토 다이오드(PD)에 입사되는 빛에 따라서 포토 다이오드(PD)에 흐르는 전류가 달라져 저장 커패시터(Cst)에 충전되는 전하량이 달라진다. 바이어스 전압(VB)이 음의 전압인 경우 포토 다이오드(PD)는 입사되는 빛에 따라서 흐르는 오프 전류가 달라질 수 있다.
예를 들어, 지문을 인식할 때, 지문의 골이 센서 화소(SPX)에 접촉한 경우, 광원(600)으로부터 센서 화소(SPXij_1)로 반사되는 광량에 의해 포토 다이오드(PD)에 전류가 흐르고, 이 전류에 의해 저장 커패시터(Cst)가 충전된다. 지문의 마루가 센서 화소(SPX)에 접촉한 경우에도, 광원(600)으로부터 센서 화소(SPLXij_1)로 반사되는 광량에 의해 포토 다이오드(PD)에 전류가 흐른다. 다만, 포토 다이오드(PD)에 흐르는 전류는 바이어스 전압(VB)을 공급하는 배선 및 리셋 전압(VR1)을 공급하는 배선으로 빠져나가, 저장 커패시터(Cst)에 충전된 전하가 그대로 유지된다.
이와 같이, 센서 화소(SPX)에 접촉된 지문의 영역이 마루 및 골 중 어느 것이냐에 따라 저장 커패시터(Cst)에 충전되는 전하량의 차이가 증가하여 종래에 비해 더 선명한 영상을 획득할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 센서 화소를 나타낸 회로도이다.
도 3에서는, i번째 행, j 번째 열에 위치한 센서 화소(SPXij_2)가 도시되어 있다. 다른 위치의 센서 화소도 도 3에 도시된 것과 동일한 구성을 포함하고, 각 구성들이 도 3에 도시된 바와 같이 연결되어 있을 수 있다. 이하, ‘온 레벨’은 트랜지스터를 턴 온 시킬 수 있는 레벨의 전압이고, ‘오프 레벨’은 트랜지스터를 턴 오프 시킬 수 있는 레벨의 전압을 의미한다.
일 실시예에 따른 센서 화소(SPXij_2)는 도 2에 도시된 센서 화소(SPXij_1)에 비해 트랜지스터(P3)를 더 포함한다. 트랜지스터(P3)의 게이트는 스캔 선(Sk)에 연결되어 있고, 트랜지스터(P3)의 일단은 노드(N3)에 연결되어 있으며, 트랜지스터(P4)의 타단에는 리셋 전압(VR2)이 공급된다. 트랜지스터(P3)는 스캔 선(Sk)을 통해 공급되는 스캔 신호(S[k])는 스캔 선(Si)을 통해 공급되는 스캔 신호(S[i])와 다른 신호이다. 스캔 신호(S[k])에 의해 트랜지스터(P3)가 온 되면, 노드(N3)를 리셋 전압(VR2)으로 리셋한다. 스캔 신호(S[k])의 온 레벨 시점은 스캔 신호(S[i])의 온 레벨 시점과 다를 수 있다. 예를 들어, 스캔 신호(S[k])가 스캔 신호(S[i]) 보다 먼저 온 레벨이 될 수 있다.
도 3에 도시된 일 실시예에서는, 인식 대상에 펄스 신호(VP)가 인가된다. 도 3에 도시된 센서 화소의 동작을 설명하기 위해 도 4의 파형도를 참조한다.
도 4는 일 실시예에 따른 스캔 신호와 펄스 신호를 나타낸 파형도이다.
도 4에서 스캔 신호(S[i-2])가 스캔 신호(S[k])일 수 있다. 일 실시예를 설명하기 위한 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
스캔 신호(S[i-2])의 온 레벨 기간(T1) 동안, 트랜지스터(P3)가 온 되고, 오프 레벨의 리셋 전압(VR2)이 노드(N3)에 인가된다. 트랜지스터(P2)는 오프 레벨의 리셋 전압(VR2)에 의해 턴 오프 된다. 그러면, 포토 다이오드(PD)에 흐르는 전류에 의해, 저장 커패시터(Cst)에 저장된 전하의 값이 바뀌게 되어, 저장 커패시터(Cst)에 신호가 누적된다.
인식 대상이 센서 화소에 접촉한 경우(예를 들어, 지문의 마루가 센서 화소에 접촉한 경우), 감지 커패시터(Cfp)가 형성되고, 인식 대상에 공급되는 펄스 신호(VP)가 로우 레벨인 기간(T2, T3) 동안 트랜지스터(P2)가 온 되어, 리셋 전압(VR1)이 노드(N1)에 공급된다. 펄스 신호(VP)가 로우 레벨인 기간(T2, T3) 동안 저장 커패시터(Cst)에 저장된 전하의 값이 리셋되어, 저장 커패시터(Cst)에 누적된 신호가 사라진다.
인식 대상이 센서 화소에 접촉하지 않은 경우(예를 들어, 지문의 골이 센서 화소에 위치한 경우), 감지 커패시터(Cfp)가 형성되지 않으므로, 펄스 신호(VP)에 관계 없이 트랜지스터(P2)는 오프 레벨의 리셋 전압(VR)에 의해 오프 상태이다. 따라서, 포토 다이오드(PD)에 흐르는 전류에 의해, 저장 커패시터(Cst)에 저장된 전하의 값이 바뀌게 되어, 저장 커패시터(Cst)에 신호가 누적된다.
이와 같이, 인식 대상의 센서 화소로의 접촉 여부에 따라 저장 커패시터(Cst)에 충전되는 전하량 간에 차가 발생한다.
스캔 신호(S[i])가 온 레벨인 기간(T4) 동안 저장 커패시터(Cst)에 충전된 전하가 데이터 라인(Dj)을 통해 센서 신호 리드 아웃 회로(400)로 전달되고, 노드(N1)는 데이터 라인(Dj)의 전압으로 리셋된다.
따라서 접촉 여부에 따른 데이터 신호 간의 차이가 증가하여 선명한 이미지를 획득할 수 있다.
도 4를 참조하여 설명한 센서 화소 회로의 구동 방식은, 인식 대상이 지문인 경우 지문의 마루에서 빛이 덜 들어오고, 지문의 골에서 빛이 더 들어오는 TIR (Total Internal Reflection) 형식의 광학 센싱 메커니즘에 적합할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 센서 화소 회로를 나타낸 도면이다.
도 5에서는, i번째 행, j 번째 열에 위치한 센서 화소(SPXij_3)가 도시되어 있다. 다른 위치의 센서 화소도 도 5에 도시된 것과 동일한 구성을 포함하고, 각 구성들이 도 5에 도시된 바와 같이 연결되어 있을 수 있다.
일 실시예에 따른 센서 화소(SPXij_3)는 도 3에 도시된 센서 화소(SPXij_2)에 비해 저장 커패시터(Cst1)를 더 포함한다. 저장 커패시터(Cst1)의 일전극은 노드(N3)에 연결되어 있고, 타전극에는 DC 전압이 공급되어, 노드(N3)의 전압이 저장 커패시터(Cst1)에 의해 유지된다. DC 전압은 센서 화소 회로(SPXij_3)에 공급되는 바이어스 전압(VB), 리셋 전압(VR1, VR2), 그라운드 전압 중 어느 하나와 동일하거나, 다른 레벨의 전압일 수 있다.
노드(N3)에 연결된 용량이 증가하여, 노드(N3)의 전압 변동이 적어져, 노드(N3)의 전압이 도 2 및 도 3에 도시된 센서 화소 회로에 비해 더 잘 유지될 수 있다.
도 4 를 참조하여 센서 화소 회로(SPXij_3)의 동작을 설명한다.
도 4에서 스캔 신호(S[i-2])가 스캔 신호(S[k])일 수 있다. 일 실시예를 설명하기 위한 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
스캔 신호(S[i-2])의 온 레벨 기간(T1) 동안, 트랜지스터(P3)가 온 되고, 오프 레벨의 리셋 전압(VR2)이 노드(N3)에 인가된다. 트랜지스터(P2)는 오프 레벨의 리셋 전압(VR2)에 의해 턴 오프 된다. 그러면, 포토 다이오드(PD)에 흐르는 전류에 의해, 저장 커패시터(Cst)에 저장된 전하의 값이 바뀌게 되어, 저장 커패시터(Cst)에 신호가 누적된다. 인식 대상이 센서 화소에 접촉한 경우(예를 들어, 지문의 마루가 센서 화소에 접촉한 경우), 감지 커패시터(Cfp)가 형성되고, 인식 대상에 공급되는 펄스 신호(VP)가 로우 레벨인 기간(T2, T3) 동안 트랜지스터(P2)가 온 되어, 리셋 전압(VR1)이 노드(N1)에 공급된다. 펄스 신호(VP)가 로우 레벨인 기간(T2, T3) 동안 저장 커패시터(Cst)에 저장된 전하의 값이 리셋되어, 저장 커패시터(Cst)에 누적된 신호가 사라진다. 이때, 저장 커패시터(Cst1)에 의해 트랜지스터(P2)의 온 기간이 도 3에 도시된 센서 화소(SPXij_2)의 온 기간 보다 더 길 수 있다.
인식 대상이 센서 화소에 접촉하지 않은 경우(예를 들어, 지문의 골이 센서 화소에 위치한 경우), 감지 커패시터(Cfp)가 형성되지 않으므로, 펄스 신호(VP)에 관계 없이 트랜지스터(P2)는 오프 레벨의 리셋 전압(VR)에 의해 오프 상태이다. 따라서, 포토 다이오드(PD)에 흐르는 전류에 의해, 저장 커패시터(Cst)에 저장된 전하의 값이 바뀌게 되어, 저장 커패시터(Cst)에 신호가 누적된다.
이와 같이, 인식 대상의 센서 화소로의 접촉 여부에 따라 저장 커패시터(Cst)에 충전되는 전하량 간에 차가 발생한다. 아울러, 도 5의 센서 화소 회로에서의 트랜지스터(P2)의 온 기간 증가로 인해 데이터 신호 간의 차가 더 증가할 수 있다.
스캔 신호(S[i])가 온 레벨인 기간(T4) 동안 저장 커패시터(Cst)에 충전된 전하가 데이터 라인(Dj)을 통해 센서 신호 리드 아웃 회로(400)로 전달되고, 노드(N1)는 데이터 라인(Dj)의 전압으로 리셋된다.
도 5에 도시된 센서 화소 회로가 도 4에 도시된 파형에 따라 동작할 때, 해당 센서 화소 회로의 구동 방식은, 인식 대상이 지문인 경우 지문의 마루에서 빛이 덜 들어오고, 지문의 골에서 빛이 더 들어오는 TIR (Total Internal Reflection) 형식의 광학 센싱 메커니즘에 적합할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 센서 화소 회로를 나타낸 도면이다.
도 6에서는, i번째 행, j 번째 열에 위치한 센서 화소(SPXij_4)가 도시되어 있다. 다른 위치의 센서 화소도 도 6에 도시된 것과 동일한 구성을 포함하고, 각 구성들이 도 6에 도시된 바와 같이 연결되어 있을 수 있다.
센서 화소 회로(SPXij_4)에서, 펄스 신호(VP)는 커플링 커패시터(Ccp)에 인가될 수 있다. 커플링 커패시터(Ccp)의 일전극은 노드(N3)에 연결되고, 커플링 커패시터(Ccp)의 타전극에는 펄스 신호(VP)가 공급된다.
도 4를 참조하여 센서 화소 회로(SPXij_4)의 동작을 설명한다.
도 4에서 스캔 신호(S[i-2])가 스캔 신호(S[k])일 수 있다. 스캔 신호(S[i-2])의 온 레벨 기간(T1) 동안, 트랜지스터(P3)가 온 되고, 오프 레벨의 리셋 전압(VR2)이 노드(N3)에 인가된다. 트랜지스터(P2)는 오프 레벨의 리셋 전압(VR2)에 의해 턴 오프 된다. 그러면, 노드(N1)에 리셋 전압(VR1)이 공급되지 않고, 포토 다이오드(PD)에 흐르는 전류에 의해, 저장 커패시터(Cst)에 저장된 전하의 값이 바뀌게 되어, 저장 커패시터(Cst)에 신호가 누적된다.
인식 대상이 센서 화소에 접촉하지 않은 경우(예를 들어, 지문의 골이 센서 화소에 위치한 경우), 노드(N3)의 전압은 펄스 신호(VP)에 의해 변동한다. 즉, 펄스 신호(VP)가 로우 레벨인 기간(T2, T3) 동안 트랜지스터(P2)가 온 되어, 리셋 전압(VR1)이 노드(N1)에 공급되어, 저장 커패시터(Cst)에 저장된 전하의 값이 리셋되어, 저장 커패시터(Cst)에 누적된 신호가 사라진다..
인식 대상이 센서 화소에 접촉한 경우(예를 들어, 지문의 마루가 센서 화소에 위치한 경우), 노드(N3)의 전압은 펄스 신호(VP)에 의한 영향을 접촉하지 않은 경우에 비해 덜 받아, 트랜지스터(P2)는 오프 레벨의 리셋 전압(VR2)에 의해 오프 상태로 유지될 수 있다. 그러면, 리셋 전압(VR1)이 노드(N1)에 공급되지 않고, 포토 다이오드(PD)에 전류가 흐르고, 저장 커패시터(Cst)에는 전하가 충전된다.
이와 같이, 인식 대상의 센서 화소로의 접촉 여부에 따라 저장 커패시터(Cst)에 충전되는 전하량 간에 차가 발생한다. 특히, 리셋 전압(VR2)이 오프 레벨인 경우에는 인식 대상이 접촉하지 않을 때에 전하가 저장 커패시터(Cfp)에 충전되어, 접촉 여부에 따른 데이터 신호 간의 차이가 증가하여 선명한 이미지를 획득할 수 있다.
스캔 신호(S[i])가 온 레벨인 기간(T4) 동안 저장 커패시터(Cst)에 충전된 전하가 데이터 라인(Dj)을 통해 센서 신호 리드 아웃 회로(400)로 전달되고, 노드(N1)는 데이터 라인(Dj)의 전압으로 리셋된다.
도 4를 참조하여 설명한 센서 화소 회로(SPXij_4)의 구동 방식은, 인식 대상이 지문인 경우 지문의 마루에서 빛이 더 들어오고, 지문의 골에서 빛이 덜 들어오는 NON-TIR (Total Internal Reflection) 형식(산란 반사)의 광학 센싱 메커니즘에 적합할 수 있다.
도 4에서는 펄스 신호(VP)가 모든 센서 화소 회로(SPX)에 동일하게 공급되는 것으로 도시되어 있으나, 센서 화소 행 단위로 펄스 신호가 구분되어 공급될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 센서 장치를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 일 실시예와 비교하여 센서 장치(2)는 펄스 신호 공급부(700)를 더 포함하고, 센서 패널(110)은 복수의 펄스 신호 라인(PL1-PLn)을 더 포함한다. 타이밍 제어 회로(310)는 펄스 신호 공급부(700)를 제어하기 위한 제어 신호(CONT3)를 더 생성하고, 펄스 신호 공급부(700)는 제어 신호(CONT3)에 따라 복수의 펄스 신호(VP1-VPn)을 생성하여 복수의 펄스 신호 라인(PL1-PLn)에 공급할 수 있다.
스캔 회로(200), 센서 신호 리드아웃 회로(400), 전원 공급 장치(500), 및 광원(600)은 도 1을 참조한 설명과 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
도 8은 일 실시예에 따른 펄스 신호들의 파형을 나타낸 파형도이다.
도 8에서 스캔 신호(S[i-2])가 스캔 신호(S[k])일 수 있다. 일 실시예를 설명하기 위한 일 예로 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
i 번째 센서 화소 행에 위치하는 펄스 신호 라인(PLi)을 통해 공급되는 펄스 신호(VPi) 및 i+1 번째 센서 화소 행에 위치하는 펄스 신호 라인(PLi+1)을 통해 공급되는 펄스 신호(VPi+1)과 함께 복수의 스캔 신호(S[i-2], S[i-1], S[i], S[i+1])이 도시되어 있다. 리셋 전압(VR2)은 온 레벨의 전압이다.
도 6에 도시된 센서 화소 회로(SPXij_4)를 이용하여 펄스 신호에 따른 센서 화소 회로의 동작을 설명한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 시점 T5에 스캔 신호(S[i-2])가 온 레벨로 하강하고, 시점 T55에 오프 레벨로 상승한 후, 시점 T6에 펄스 신호(VPi)가 하이 레벨로 상승한다. 시점 T5부터 시점 T6 사이의 기간 동안 온 레벨의 리셋 전압(VR2)에 의해 트랜지스터(P2)는 턴 온 되어, 노드(N1)에 리셋 전압(VR1)이 인가된다. 그러면 저장 커패시터(Cst)에 저장된 전하의 값이 리셋되어, 시점 T5까지 저장 커패시터(Cst)에 누적된 신호가 리셋된다.
인식 대상이 센서 화소 회로(SPXij_4)에 접촉되어 있지 않으면(예를 들어, 지문의 골이 센서 화소에 위치한 경우), 펄스 신호(VPi)가 하이 레벨로 상승한 시점 T6부터 트랜지스터(P2)가 턴 오프 되어, 리셋 전압(VR2)이 더 이상 노드(N1)에 공급되지 않고, 포토 다이오드(PD)에 흐르는 전류에 의해 저장 커패시터(Cst)가 충전된다. 스캔 신호(S[i])는 시점 T7에 온 레벨이 되고, 저장 커패시터(Cst)에 충전된 전하가 스캔 신호(S[i])은 온 레벨 기간 동안 데이터 라인(Dj)을 통해 센서 신호 리드 아웃 회로(400)로 전달된다.
이어서, 스캔 신호(S[i-1])가 오프 레벨로 상승한 후, 시점 T8에 펄스 신호(VPi+1)가 하이 레벨로 상승한다.
인식 대상이 센서 화소 회로(SPXij_4)에 접촉되어 있지 않으면, 펄스 신호(VPi+1)가 하이 레벨로 상승한 시점 T8부터 트랜지스터(P2)가 턴 오프 되어, 리셋 전압(VR2)이 더 이상 노드(N1)에 공급되지 않고, 포토 다이오드(PD)에 흐르는 전류에 의해 저장 커패시터(Cst)가 충전된다. 스캔 신호(S[i+1])는 시점 T9에 온 레벨이 되고, 저장 커패시터(Cst)에 충전된 전하가 스캔 신호(S[i+1])은 온 레벨 기간 동안 데이터 라인(Dj)을 통해 센서 신호 리드 아웃 회로(400)로 전달된다.
i번째 센서 화소 행의 센서 화소 회로에 대해서는 기간 T10 동안 저장 커패시터(Cst)에 전하가 충전된다. i+1번째 센서 화소 행의 센서 화소 회로에 대해서는 기간 T11 동안 저장 커패시터(Cst)에 전하가 충전된다. 이와 같이, 트랜지스터(P3)의 오프 시점을 조절하여 각 센서 화소 행에 입사되는 빛에 따른 전하 충전 시간(이하, 누적 시간)을 조절할 수 있다. 트랜지스터(P3)의 오프 시점과 트랜지스터(P1)의 온 시점 사이의 기간이 길게 제어될수록 누적 시간은 증가할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
1, 2: 센서 장치
100, 110: 센서 패널
200: 스캔 회로
300, 310: 타이밍 제어 회로
400: 센서 신호 리드아웃 회로
500: 전원 공급 장치
600: 광원
700: 펄스 신호 공급부

Claims (13)

  1. 바이어스 전압이 공급되는 애노드를 포함하고, 입사되는 빛에 따른 전류가 흐르는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에 병렬 연결되어 있는 저장 커패시터;
    인식 대상의 접촉에 의해 제1 리셋 전압과 상기 포토 다이오드의 캐소드를 연결하는 제1 트랜지스터; 및
    상기 저장 커패시터에 충전된 전하를 데이터 라인에 전달하는 제2 트랜지스터를 포함하고,
    상기 인식 대상의 접촉시에 상기 저장 커패시터에 충전된 전하에 기초한 제1 데이터 신호와 상기 인식 대상의 비접촉시에 상기 저장 커패시터에 충전된 전하에 기초한 제2 데이터 신호 간의 차이가 상기 제1 리셋 전압에 의해 증가하는,
    센서 화소 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터의 일단은 상기 포토 다이오드의 캐소드에 연결되어 있고, 상기 제1 트랜지스터의 타단에는 상기 제1 리셋 전압이 공급되며,
    상기 제1 트랜지스터의 제어단에 연결되어 있는 감지 전극을 더 포함하고,
    상기 인식 대상의 접촉에 의해 상기 감지 전극과 상기 인식 대상이 감지 커패시터를 형성하는,
    센서 화소 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 트랜지스터의 제어단과 상기 감지 전극이 연결되는 제2 노드의 전압을 리셋하는 제3 트랜지스터를 더 포함하는,
    센서 화소 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 트랜지스터의 일단은 상기 제2 노드에 연결되어 있고, 상기 제3 트랜지스터의 타단에는 제2 리셋 전압이 공급되며,
    상기 제3 트랜지스터의 온 기간 동안, 상기 제2 노드는 상기 제2 리셋 전압이 되고, 상기 인식 대상의 접촉에 의해 상기 인식 대상에 공급되는 펄스 신호에 따라 상기 제1 트랜지스터가 스위칭하는,
    센서 화소 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 리셋 전압이 상기 제1 트랜지스터의 오프 레벨 전압인 경우, 상기 제2 노드가 상기 제2 리셋 전압으로 리셋된 후,
    상기 펄스 신호는 상기 제1 트랜지스터를 턴 온 시킬 수 있는 레벨로 변동하는,
    센서 화소 회로.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 노드에 연결되는 일전극 및 DC 전압이 공급되는 타전극을 포함하는 제1 저장 커패시터를 더 포함하는,
    센서 화소 회로.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2 노드에 연결되는 일전극 및 펄스 신호가 공급되는 타전극을 포함하는 커플링 커패시터를 더 포함하는,
    센서 화소 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 트랜지스터의 일단은 상기 제2 노드에 연결되어 있고, 상기 제3 트랜지스터의 타단에는 제2 리셋 전압이 공급되며,
    상기 제3 트랜지스터의 온 기간 동안, 상기 제2 노드는 상기 제2 리셋 전압이 되고, 상기 펄스 신호에 따라 상기 제1 트랜지스터가 스위칭하는,
    센서 화소 회로.
  9. 바이어스 전압이 공급되는 애노드를 포함하고, 입사되는 빛에 따른 전류가 흐르는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에 병렬 연결되어 있는 저장 커패시터;
    인식 대상의 접촉에 의해 제1 리셋 전압과 상기 포토 다이오드의 캐소드를 연결하는 제1 트랜지스터;
    상기 저장 커패시터에 충전된 전하를 데이터 라인에 전달하는 제2 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터의 제어단에 연결되어 있는 감지 전극;
    상기 제1 트랜지스터의 제어단과 상기 감지 전극이 연결되는 제2 노드의 전압을 리셋하는 제3 트랜지스터; 및
    상기 제2 노드에 연결되는 일전극 및 펄스 신호가 공급되는 타전극을 포함하는 커플링 커패시터를 포함하고,
    상기 인식 대상의 접촉에 의해 상기 감지 전극과 상기 인식 대상이 감지 커패시터를 형성하며,
    상기 제1 트랜지스터의 일단은 상기 포토 다이오드의 캐소드에 연결되어 있고, 상기 제1 트랜지스터의 타단에는 상기 제1 리셋 전압이 공급되고,
    상기 제3 트랜지스터의 일단은 상기 제2 노드에 연결되어 있고, 상기 제3 트랜지스터의 타단에는 제2 리셋 전압이 공급되며,
    상기 제3 트랜지스터의 온 기간 동안, 상기 제2 노드는 상기 제2 리셋 전압이 되고, 상기 펄스 신호에 따라 상기 제1 트랜지스터가 스위칭하고,
    상기 제2 리셋 전압이 상기 제1 트랜지스터의 온 레벨 전압인 경우, 상기 제2 노드가 상기 제2 리셋 전압으로 리셋된 후, 상기 펄스 신호는 상기 제1 트랜지스터를 턴 오프 시킬 수 있는 레벨로 변동하는,
    센서 화소 회로.
  10. 바이어스 전압이 공급되는 애노드를 포함하고, 입사되는 빛에 따른 전류가 흐르는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에 병렬 연결되어 있는 저장 커패시터;
    인식 대상의 접촉에 의해 제1 리셋 전압과 상기 포토 다이오드의 캐소드를 연결하는 제1 트랜지스터;
    상기 저장 커패시터에 충전된 전하를 데이터 라인에 전달하는 제2 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터의 제어단에 연결되어 있는 감지 전극;
    상기 제1 트랜지스터의 제어단과 상기 감지 전극이 연결되는 제2 노드의 전압을 리셋하는 제3 트랜지스터; 및
    상기 제2 노드에 연결되는 일전극 및 펄스 신호가 공급되는 타전극을 포함하는 커플링 커패시터를 포함하고,
    상기 인식 대상의 접촉에 의해 상기 감지 전극과 상기 인식 대상이 감지 커패시터를 형성하며,
    상기 제1 트랜지스터의 일단은 상기 포토 다이오드의 캐소드에 연결되어 있고, 상기 제1 트랜지스터의 타단에는 상기 제1 리셋 전압이 공급되고,
    상기 제3 트랜지스터의 일단은 상기 제2 노드에 연결되어 있고, 상기 제3 트랜지스터의 타단에는 제2 리셋 전압이 공급되며,
    상기 제3 트랜지스터의 온 기간 동안, 상기 제2 노드는 상기 제2 리셋 전압이 되고, 상기 펄스 신호에 따라 상기 제1 트랜지스터가 스위칭하고,
    상기 제2 리셋 전압이 상기 제1 트랜지스터의 오프 레벨 전압인 경우, 상기 제2 노드가 상기 제2 리셋 전압으로 리셋된 후, 상기 펄스 신호는 상기 제1 트랜지스터를 턴 온 시킬 수 있는 레벨로 변동하는,
    센서 화소 회로.
  11. 복수의 센서 화소를 포함하는 센서 패널;
    복수의 스캔 라인 각각을 통해 복수의 센서 화소 행에 스캔 신호를 공급하는 게이트 구동 회로; 및
    복수의 데이터 라인을 통해 상기 복수의 센서 화소로부터 공급되는 복수의 데이터 신호를 수신하는 센서 신호 리드 아웃 회로를 포함하고,
    상기 복수의 센서 화소 중 하나의 센서 화소 회로는,
    애노드에 바이어스 전압이 공급되고, 입사되는 빛에 따른 전류가 흐르는 포토 다이오드;
    상기 포토 다이오드에 병렬 연결되어 있는 저장 커패시터;
    인식 대상의 접촉에 의해 제1 리셋 전압과 상기 포토 다이오드의 캐소드를 연결하는 제1 트랜지스터; 및
    상기 저장 커패시터에 충전된 전하를 데이터 라인에 전달하는 제2 트랜지스터를 포함하며,
    상기 인식 대상의 접촉시에 상기 저장 커패시터에 충전된 전하에 기초한 제1 데이터 신호와 상기 인식 대상의 비접촉시에 상기 저장 커패시터에 충전된 전하에 기초한 제2 데이터 신호 간의 차이가 상기 제1 리셋 전압에 의해 증가하는,
    센서 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 센서 화소 회로는,
    상기 제1 트랜지스터의 제어단과 감지 전극이 연결되는 제2 노드의 전압을 리셋하는 제3 트랜지스터; 및
    상기 제2 노드에 연결되는 일전극 및 펄스 신호가 공급되는 타전극을 포함하는 커플링 커패시터를 더 포함하는,
    센서 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 센서 화소 행 각각에 대응하는 펄스 신호를 공급하기 위한 복수의 펄스 신호 라인을 더 포함하는,
    센서 장치.
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