TW202105152A

TW202105152A - 超音波畫素電路與相關的顯示裝置

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Publication number: TW202105152A
Application number: TW108125307A
Authority: TW
Inventors: 鄭貿薰; 黃正翰; 鄭景升
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2021-02-01
Also published as: TWI701585B; CN111126352A; CN111126352B

Abstract

一種超音波畫素電路，其包含峰值檢測元件、輸出電路、以及重置電路。峰值檢測元件耦接於第一節點和第二節點之間，並透過第二節點耦接於超音波傳感器。輸出電路耦接於第一節點，用於依據第一節點的電壓提供感測電流，且用於選擇性地將感測電流輸出至控制系統。重置電路耦接於第一節點和第二節點。當重置電路設置第一節點的電壓時，重置電路也設置第二節點的電壓。

Description

超音波畫素電路與相關的顯示裝置

本揭示文件有關一種顯示裝置，尤指顯示裝置中的一種超音波畫素電路。

指紋辨識能加強行動裝置的安全性，與指紋辨識相關的解決方案包含了電容式感測技術、超音波式感測技術、以及光學式感測技術，其中電容式感測技術在以往的消費市場中受到廣泛應用。然而，當行動裝置位於水面下或配備有保護貼時，電容式感測技術的靈敏度會受到影響，並且電容式感測技術較難以設置在螢幕下方，因而不利於應用在全面屏的行動裝置。相較之下，超音波式感測技術能克服上述的多種問題，因而有望成為未來應用於行動裝置中的主流技術。

本揭示文件提供一種顯示裝置，其包含顯示模組、控制系統、以及超音波感測陣列。超音波感測陣列耦接於控制系統，並設置於顯示模組之一側，且包含多個超音波傳感器和多個超音波畫素電路。多個超音波畫素電路的每一者包含峰值檢測元件、輸出電路、以及重置電路。峰值檢測元件耦接於第一節點和第二節點之間，並透過第二節點耦接於多個超音波傳感器中一對應的超音波傳感器。輸出電路耦接於第一節點，用於依據第一節點的電壓提供感測電流，且用於選擇性地將感測電流輸出至控制系統。重置電路耦接於第一節點和第二節點。當重置電路設置第一節點的電壓時，重置電路也設置第二節點的電壓。

本揭示文件提供一種超音波畫素電路，其包含峰值檢測元件、輸出電路、以及重置電路。峰值檢測元件耦接於第一節點和第二節點之間，並透過第二節點耦接於超音波傳感器。輸出電路耦接於第一節點，用於依據第一節點的電壓提供感測電流，且用於選擇性地將感測電流輸出至控制系統。重置電路耦接於第一節點和第二節點。當重置電路設置第一節點的電壓時，重置電路也設置第二節點的電壓。

上述的顯示裝置和超音波畫素電路具有精簡的電路架構。

100、200‧‧‧顯示裝置

101‧‧‧物體

103‧‧‧超音波

110‧‧‧保護面板

120‧‧‧OLED顯示模組

122‧‧‧OLED材料層

124‧‧‧TFT電路層

126‧‧‧基板

130‧‧‧超音波感測模組

132‧‧‧TFT電路層

134‧‧‧基板

W1‧‧‧寬度

W2‧‧‧寬度

310‧‧‧超音波感測陣列

312‧‧‧超音波畫素電路

320‧‧‧控制系統

322‧‧‧移位暫存器

324‧‧‧電流檢測電路

326‧‧‧類比數位轉換電路

Swo‧‧‧輸出開關

PM‧‧‧超音波傳感器

DI‧‧‧峰值檢測元件

400、700、800、900、1000‧‧‧超音波畫素電路

410‧‧‧重置電路

420‧‧‧輸出電路

T1‧‧‧第一開關

T2‧‧‧第二開關

Tr‧‧‧驅動電晶體

To‧‧‧輸出開關

Cst‧‧‧儲存電容

Sint‧‧‧重置控制訊號

Sread‧‧‧輸出控制訊號

Ise‧‧‧感測電流

Lse‧‧‧感測資料線

N1‧‧‧第一節點

N2‧‧‧第二節點

Vint1‧‧‧第一參考電壓

Vbias‧‧‧驅動電壓

VDD‧‧‧系統電壓

P1‧‧‧重置階段

P2‧‧‧感測階段

P3‧‧‧輸出階段

Vp‧‧‧預設準位

第1圖為根據本揭示文件一實施例的顯示裝置簡化後的功能方塊圖。

第2圖為依據本揭示文件另一實施例的顯示裝置簡化後的功能方塊圖。

第3圖為依據本揭示文件一實施例的超音波感測陣列與相關的控制系統簡化後的功能方塊圖。

第4圖為依據本揭示文件一實施例的超音波畫素電路的功能方塊圖。

第5圖為第4圖的超音波畫素電路的多個控制訊號與節點電壓的波形示意圖。

第6A至6C圖為第4圖的超音波畫素電路在不同運作階段中的等效電路操作示意圖。

第7圖為依據本揭示文件另一實施例的超音波畫素電路的功能方塊圖。

第8圖為依據本揭示文件又一實施例的超音波畫素電路的功能方塊圖。

第9圖為依據本揭示文件又一實施例的超音波畫素電路的功能方塊圖。

第10圖為依據本揭示文件又一實施例的超音波畫素電路的功能方塊圖。

第11圖為第4圖的超音波畫素電路在一實施例中的模擬示意圖。

第12圖為第4圖的超音波畫素電路在另一實施例中的模擬示意圖。

以下將配合相關圖式來說明本揭示文件的實施例。在圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。

第1圖為根據本揭示文件一實施例的顯示裝置100簡化後的功能方塊圖。顯示裝置100包含保護面板110、有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode，OLED)顯示模組120、以及超音波感測模組130，其中OLED顯示模組120夾設於保護蓋板(Cover Lens)110和超音波感測模組130之間。為使圖面簡潔而易於說明，顯示裝置100中的其他元件與連接關係並未繪示於第1圖中。

OLED顯示模組120包含OLED材料層122、薄膜電晶體(Thin Film-Transistor，TFT)電路層124、以及基板126。TFT電路層124包含多個顯示畫素電路(未繪示於第1圖)，其中顯示畫素電路用於點亮OLED材料層122中的OLED顆粒。

在另一實施例中，顯示裝置100的OLED顯示模組120被微發光二極體(Micro LED)顯示模組所取代。在又一實施例中，顯示裝置100的OLED顯示模組120被LCD顯示模組所取代，且LCD顯示模組包含偏光片層、濾光片層、液晶層、TFT電路層、以及背光模組等等。

超音波感測模組130包含TFT電路層132和基板134，TFT電路層132包含由多個超音波畫素電路排列成的超音波感測陣列(未繪示於第1圖)。超音波感測模組用於產生超音波103，且用於感測物體101(例如，使用者的手指)所反射的超音波103。在某一實施例中，當物體101位於保護面板110上方且未接觸於保護面板110時，超音波感測模組130會對物體101進行手勢(gesture)感測。在另一實施例中，當物體101接觸於保護面板110時，超音波感測模組130會對物體101進行指紋感測，或是進行觸控操作感測。在又一實施例中，超音波感測模組130可以同時對物體101進行手勢感測、指紋感測、及/或觸控操作感測。

第2圖為依據本揭示文件一實施例的顯示裝置200簡化後的功能方塊圖。顯示裝置200相似於第1圖的顯示裝置100，差異在於顯示裝置200的超音波感測模組130的寬度W1，小於OLED顯示模組120的寬度W2。因此，相較於顯示裝置100，顯示裝置200具有額外的內部空間，得以增加硬體架構設計上的彈性。

第3圖為依據本揭示文件一實施例的超音波感測陣列310與相關的控制系統320簡化後的功能方塊圖。超音波感測陣列310包含多個超音波畫素電路312和多個超音波傳感器PM。超音波畫素電路312包含峰值檢測元件DI和輸出開關SWo。當超音波傳感器PM接收到反射的超音波時，峰值檢測元件DI會將超音波傳感器PM產生的電壓訊號轉換為電荷並累積於輸出開關SWo的一端。輸出開關SWo則會將累積的電荷作為感測結果，並將感測結果以電流的形式選擇性地輸出至控制系統320。

控制系統320包含移位暫存器322、多個電流檢測電路324、以及類比數位轉換電路326。移位暫存器322用於依序驅動(例如，由上至下逐列驅動)超音波畫素電路 312和超音波傳感器PM，以發射超音波、感測超音波、以及輸出感測結果。每個電流檢測電路324耦接於部分的超音波畫素電路312(例如，耦接於一行的超音波畫素電路312)，以接收對應的感測結果。如第3圖所示，電流檢測電路324包含放大器，還包含並聯於該放大器的輸出端和其中一輸入端之間的電容與開關。電流檢測電路324會將接收到的電流形式的感測結果轉換為對應的電壓，並將該對應的電壓輸出至類比數位轉換電路326。

在某一實施例中，電流檢測電路324是用一電流源來實現。該電流源的一端用於接收前述的感測結果，並用於將電流形式的感測結果轉換為對應的分壓，且用於將該對應的分壓輸出至類比數位轉換電路326。

在某些實施例中，第1圖和第2圖的顯示裝置100和200包含第3圖的超音波感測陣列310與控制系統320，以實現前述的各種超音波感測功能。超音波感測陣列310可以設置於TFT電路層132之中。控制系統320可以全部設置於TFT電路層132之中，或是部分設置於TFT電路層132中而另一部分設置於額外的基板(例如，軟性印刷電路板)上。

第4圖為依據本揭示文件一實施例的超音波畫素電路400的功能方塊圖。超音波畫素電路400包含峰值檢測元件DI、重置電路410、以及輸出電路420。峰值檢測元件DI耦接於第一節點N1和第二節點N2之間，且透過第二節點N2耦接於超音波傳感器PM的一端。超音波傳感器PM的另一端用於接收驅動電壓Vbias，驅動電壓Vbias用於利用震盪(oscillation)波形來驅動超音波傳感器PM發射超音波。

峰值檢測元件DI用於將超音波傳感器PM於第二節點N2產生的電壓震盪轉換為對應的電荷並儲存於第一節點N1。實作上，峰值檢測元件DI可以用PN二極體元件或是PIN二極體元件來實現，其中二極體元件的陽極端和陰極端分別耦接於第二節點N2和第一節點N1。

重置電路410耦接於第一節點N1和第二節點N2，用於設置第一節點N1和第二節點N2的電壓，且包含第一開關T1和第二開關T2。第一開關T1的第一端耦接於第一節點N1。第二開關T2的第一端耦接於第二節點N2。第一開關T1的第二端和第二開關T2的第二端用於接收第一參考電壓Vint1。第一開關T1的控制端和第二開關T2的控制端用於接收重置控制訊號Sint，亦即當重置電路410設置第一節點N1的電壓時，重置電路410也會設置第二節點N2的電壓。

輸出電路420耦接於第一節點N1，用於依據第一節點N1的電壓提供感測電流Ise，且包含驅動電晶體Tr、輸出開關To、以及儲存電容Cst。驅動電晶體Tr的第一端用於接收系統電壓VDD，驅動電晶體Tr的控制端則耦接於第一節點N1。輸出開關To的第一端耦接於驅動電晶體Tr的第二端，輸出開關To的第二端耦接於感測資料線Lse，輸出開關To的控制端用於接收輸出控制訊號Sread。儲存電容Cst 的第一端耦接於第一節點N1，儲存電容Cst的第二端則用於接收系統電壓VDD。

在本實施例中，儲存電容Cst為驅動電晶體Tr的第一端(例如，源極)和控制端(例如，閘極)之間的寄生電容元件，但本揭示文件並不以此為限。在一實施例中，儲存電容Cst和驅動電晶體Tr為不同的元件。例如，儲存電容Cst可以是利用不同金屬層重疊而形成的電容元件。

實作上，第4圖的第一開關T1、第二開關T2、驅動電晶體Tr、以及輸出開關To可以用各種合適種類的P型電晶體來實現。例如，P型薄膜電晶體或P型金氧半場效電晶體。

在一實施例中，第4圖的超音波畫素電路400和超音波傳感器PM，分別可用於實現第3圖的超音波畫素電路312和超音波傳感器PM。在此情況下，感測資料線Lse是耦接於第3圖中的一行超音波畫素電路312和對應的一個電流檢測電路324。超音波畫素電路400(亦即，超音波畫素電路312)可將感測電流Ise作為感測結果，透過感測資料線Lse輸出至電流檢測電路324。

第5圖為第4圖的超音波畫素電路400的多個控制訊號與節點電壓的波形示意圖。第6A至6C圖為第4圖的超音波畫素電路400在不同運作階段中的等效電路操作示意圖。

請參照第5圖和第6A圖，在重置階段P1中，重置控制訊號Sint具有邏輯高準位(例如，低電壓準位)，輸出控制訊號Sread具有邏輯低準位(例如，高電壓準位)，且驅動電壓Vbias具有震盪波形。因此，第一開關T1和第二開關T2會導通，以將第一節點N1和第二節點N2的電壓維持於第一參考電壓Vint1，進而關斷峰值檢測元件DI。輸出開關To會關斷，且超音波傳感器PM會產生超音波。

請參照第5圖和第6B圖，在感測階段P2中，重置控制訊號Sint和輸出控制訊號Sread都具有邏輯低準位，且驅動電壓Vbias維持於固定準位。因此，第一開關T1、第二開關T2、以及輸出開關To會關斷。當超音波傳感器PM接收到反射的超音波而震動時，第二節點N2的電壓會具有對應的震盪波形。若第二節點N2的電壓高於一預設準位Vp，峰值檢測元件DI會導通而將第二節點N2的電荷傳遞至第一節點N1。

換言之，第一節點N1在感測階段P2中所獲得的電荷量，會對應於超音波傳感器PM的震動強度和頻率等等因素。

請參照第5圖和第6C圖，在輸出階段P3中，重置控制訊號Sint具有邏輯低準位，輸出控制訊號Sread具有邏輯高準位，且驅動電壓Vbias維持於固定準位。因此，第一開關T1和第二開關T2會關斷，而輸出開關To會導通。由於驅動電晶體Tr工作於飽和區，驅動電晶體Tr會提供感測電流Ise，且感測電流Ise的大小會對應於第一節點N1的電壓。感測電流Ise會經由輸出開關To輸出至感測資料線Lse。

第7圖為依據本揭示文件一實施例的超音波畫素電路700的功能方塊圖。第7圖的超音波畫素電路700相似於第4圖的超音波畫素電路400，差異在於，超音波畫素電路700的峰值檢測元件DI的耦接方向相反於超音波畫素電路400的峰值檢測元件DI。例如，在超音波畫素電路700的峰值檢測元件DI是以二極體來實現的一實施例中，超音波畫素電路700的峰值檢測元件DI是以陽極端耦接於第一節點N1，並以陰極端耦接於第二節點N2。

於感測階段P2中，若第二節點N2的電壓低於另一預設準位，超音波畫素電路700的峰值檢測元件DI會導通，進而將第一節點N1的電荷傳遞至第二節點N2。

第8圖為依據本揭示文件一實施例的超音波畫素電路800的功能方塊圖。第8圖的超音波畫素電路800相似於第4圖的超音波畫素電路400，差異在於，超音波畫素電路800的第一開關T1的第二端耦接於第二節點N2(亦即，第二開關T2的第一端)。

第9圖為依據本揭示文件一實施例的超音波畫素電路900的功能方塊圖。第9圖的超音波畫素電路900相似於第4圖的超音波畫素電路400，差異在於，超音波畫素電路900的第二開關T2的第二端耦接於第一節點N1(亦即，第一開關T1的第一端)。

第10圖為依據本揭示文件一實施例的超音波畫素電路1000的功能方塊圖。第10圖的超音波畫素電路1000相似於第4圖的超音波畫素電路400，差異在於，超音波畫素電路1000的第一開關T1的第二端用於接收第一參考電壓Vint1，超音波畫素電路1000的第二開關T2的第二端用於接收第二參考電壓Vint2，且第一參考電壓Vint1不同於第二參考電壓Vint2。在一實施例中，第一參考電壓Vint1低於第二參考電壓Vint2。

由上述可知，上述的多個實施例中的顯示裝置和超音波畫素電路具有精簡的電路架構，因而能達成高解析度的指紋、手勢、或觸控偵測，並降低製造複雜度。

第11圖為第4圖的超音波畫素電路400在一實施例中的模擬示意圖。第12圖為第4圖的超音波畫素電路400在另一實施例中的模擬示意圖。由第11圖可知，在感測階段P2中，當第二節點N2的電壓具有峰值約為2.5V的震盪波形時，第一節點N1的電壓會由0V上升至約1.7V。由第12圖可知，在感測階段P2中，當第二節點N2的電壓具有峰值約為3.0V的震盪波形時，第一節點N1的電壓會由0V上升至約2.2V。

因此，在系統電壓VDD被設置為約4~6V且感測資料線Lse的電壓被合理地設置為約1.4V的情況下，驅動電晶體Tr便可以工作於飽和區，進而輸出對應於第一節點N1的電壓之驅動電流Ise。

在上述的多個實施例中，系統電壓VDD高於感測資料線Lse的電壓，但本揭示文件不以此為限。在某些實施例中，第4、7~10圖的系統電壓VDD低於感測資料線Lse的電壓，使得驅動電晶體Tr在輸出階段P3中會自感測資料線Lse抽取感測電流Ise。

在另外一些實施例中，第4、7~10圖的第一開關T1和第二開關T2可以用N型電晶體來實現，且重置控制訊號Sint會對應地具有與第5圖反相的波形。另外，輸出開關To也可以用N型電晶體來實現，且輸出控制訊號Sread會對應地具有與第5圖反相的波形。

在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而，所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一元件耦接於第二元件，則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式而直接地連接於第二元件，或者通過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。

在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非說明書中特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。

以上僅為本揭示文件的較佳實施例，凡依本揭示文件請求項所做的均等變化與修飾，皆應屬本揭示文件的涵蓋範圍。

400‧‧‧超音波畫素電路