TWI376626B - - Google Patents

Description

1376626 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種觸控顯示裝置，特別是關於一種内嵌（In-cel丨） 電容式（capacitivetype)感應輸入顯示裝置。 【先前技術】 近年來，觸控面板的應用可說是越來越廣泛，其工作原理是當手 指或觸控筆觸碰感測器時，會有一類比訊號輸出，由控制器將類比訊 號轉換為電腦可以接受的數位訊號後，再經由電腦裡的觸控驅動程式 整合各元件編譯’最後由顯示卡輸出榮幕訊號在榮幕上顯示出所觸碰 鲁的位置。 目前發展之觸控面板種類很多，常見者包含電阻式、電容式、音 波式、紅外線式、内嵌式（In-Cell)等觸控面板，其中以内嵌式觸控 之發展最受矚目，相較於傳統的電阻式或電容式等觸控面板，都需要 額外的面板電路安裝於顯示面板上；而内嵌式觸控面板係直接將觸控 功忐内建整合至顯示面板内，而不再需要額外的面板，故具有重量輕、 體積小以及高光學性能等優點，因此受到相當的重視。 目前，大部分之内嵌式觸控面板都為光學式感測，其係藉由内嵌 φ 在顯不面板内的光感測器（Photo sensor)去偵測在面板上的光強度 分布來決定觸控位置事件。該等光感測器可以為薄膜電晶體（TFT) 感測器10(例如由PhotoTFT和Read〇utTFT所組成)或是_二極 體12 ’分別如第！ @及第2圖所示之電路示意圖。然而，此類感測影 像的背景會隨著使用者使用觸控面板的所在位置而改變，使環境光強 度影響到光感測器之侧；為克服此問題，讀取系統需要—會動態自 動進行回饋與自我校準之能力，以準確侧觸控位置事件，如此一來， 系統將變得更加複雜化，且到目前為止，仍無有效的解決方案。 再者，另-種内嵌式觸控面板係為電容式感測，如第3a圖所示， 其係在液晶顯示面板上設置有複數個感麟晶電容（c⑽14，每一 1376626 感測液晶電容14串接一參考電容（cRef) 16,以利用液晶的電容變化 來偵測觸控事件並找出觸控位置；其中，此感測液晶電容14之結構請 參閱第3b圖所示，由上而下依序為上透明基板141、上金屬層142、 液晶層143、下金屬層144及下透明基板145等，且上金屬層142即 為電極層，提供共同電壓源（Vcom)。由於此種電容式感測方式係與 周圍環境光無關，所以其讀取系統較上述之光學式感測更為簡單。然 而，此種電容式感測方式卻仍然存在一些問題，例如，對大尺寸螢幕 而言係難以製造，此乃因大尺寸螢幕之電容式感測器具有相當大的寄 生電容；且因大寄生電容之關係，該電容式感測器僅有一般的準確度， • 故難以製造高解析度之感測器。 有鑑於此’本發明即提出一種新的内嵌電容式感應輸入顯示裝 置，以克服上述該等問題。 【發明内容】 本發明之主要目的係在提供一種内嵌電容式感應輸入顯示裝置， 其係利用三個電晶體配合感測液晶電容來作為高解析度偵測單元，除 了可内嵌在顯示面板内以及具有重量輕、體積小以及高光學性能等優 點之外，更可應用於大尺寸觸控面板，並具有優良的讀取準確性以及 電路結構更為簡單的讀取單元，以有效解決存在於先前技術中之該些 ® 缺點。 一 為達到上述目的，本發明之内嵌電容式感應輸入顯示裝置係包含 有複數閘極線，並有複數感測單元分別連接至閘極線，其中，每一感 測單元包括有一感測液晶電容及三個電晶體，第一電晶體係連接第一 閘極線及感職晶電容，並受第_閘極線之控制對感測液晶電容進行 充電來產生-參考電壓；第二電晶體連接感職晶電容之第一電極， 且第三電晶體則連接第二閘極線與讀取線，使第二電晶體可根據感測 液晶電容之第-電極之電壓產生一輸出電流至第三電晶體，並第三電 日日體文第-閘極線控制來將此輸出電流傳送至讀取線，以供讀取單元 6 1376626 接收，進而據此偵測觸控事件並找出觸控位置。 底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本 發明之目的、技術内容、特點及其所達成之功效。 【實施方式】 本發明之内嵌電容式感應輸入顯示裝置係包括有一顯示單元，顯 不單元包含由複數條資料線和閘極線交叉構成並呈陣列排列之複數個 畫素，以及複數個感測單元設置於該顯示單元中；其中，每一顯示單 元之晝素包含一畫素薄膜電晶體、畫素電極、一晝素電容和一儲存電 容，而每一感測單元則分別電性耦接於一讀取線及至少一顯示單元之 籲閉極線’以及包含有-感測液晶電容及三個薄膜電晶體，用以感測觸 控事件。其中，感測單元之個數的多寡則視顯示裝置所要求之感測解 析度而疋，其總個數可等於或不等於顯示單元之畫素之總個數，當感 測早元之總個數係設计等於顯示單元之晝素之總個數時，較佳地，每 一感測單元係可對應於一畫素而配置，底下為方便說明，僅就以單一 感測單元之實施例來詳細說明本發明之技術特徵，並省略顯示區之晝 素結構部分。 如第4圖所示，每一感測單元2〇係設置在顯示單元之相鄰二閘極 線（第n-1條及第n條）之間，如圖中所示之第一閘極線22及第二閘 極線24，使每一感測單元20分別連接第一閘極線22與第二閘極線 24 ;其中，每一感測單元2〇係包含一感測液晶電容（Cs|c) 28及三 個薄膜電晶體（TFT)，第一電晶體（T1) 30、第二電晶體（T2) 第三電晶體（Τ3) 33，第一電晶體3〇之閉極及没極連接至第一間極 線22，且源極連接至感測液晶電容28之一第一電極，並受第一閘極 線22之控制對該感測液晶電容28進行充電，以在節點ρ產生一個參 考電壓（Vp)，節點Ρ之電壓準位即等於感測液晶電容功之第一電極 的電壓準位，而感測液晶電容28之一第二電極則連接於一第一偏壓 Vbias 1 ’第二電晶體32之閘極分別連接感測液晶電容28之第一電極 7 1376626 與第一電晶體30之源極，第二電晶體32之汲極與源極則分別連接至 第一電晶體33之汲極及一第二偏盧源Vbias 2 ;且第三電晶體33之 閘極和源極係分別連接至第二間極線24及一讀取線26 ,使第二電晶 體32與第三電晶體33係根據該參考電壓Vp之電壓變化(即該感測液 曰曰電容28之第一電極的電壓變化），以控制第二電晶體32之開關程 度，並藉由第二偏壓源Vbias 2產生一輸出電流至第三電晶體33，最 後傳輸至讀取線26 ;亦即，該感光單元20之操作原理係利用當操作 者觸壓面板時使得感測液晶電容28之電容值產生變化，使得參考電壓 Vp產生變化’進而透過第二電晶體32對應轉換出一輸出電流21至第 三電晶體33，此第三電晶體33受第二閘極線22之控制以將該輸出電 流21傳輸至讀取線26，進而傳送輸出電流21至一讀取單元（圖中未 示），讀取單元則根據該輸出電流21之變化，偵測及判讀出觸控位置。 第偏壓源Vbias 1與第一偏壓源Vbias 2可以輕接至相同電壓游或不 同電壓源，較佳者，第一偏壓源Vbias 1與第二偏壓源Vb丨as 2可以耦 接至顯示單元之共同電壓源Vcom。 請同時參考第5圖所示，係為整個感測單元之操作時序圖， 由圖中可知，整個週期包含有4個期間，t1、t2、t3及t4，在每一個 期間’配合閘極線22、24之訊號可驅動感測單元2〇之三個電晶體3〇、 32、33之狀態，如下列所示： 在t1期間，第一電晶體為打開，第三電晶體為關閉； 在t2期間，第一電晶體為關閉，第三電晶體為關閉； 在t3期間，第一電晶體為關閉，第三電晶體為打開；以及 在t4期間，第一電晶體為關閉，第三電晶體為關閉。 為了更了解本發明之詳細操作過程，接續係根據每一期間來說明 之。 如第6a圖及第6b圖所示，在t1期間，第一閘極線（义1)22及 第二閘極線（N) 24係分別變成高電壓Vgh及低電壓Vg丨，使第一電 8 1376626 晶體30打開，第三電晶體33關閉’此時，第一閘極線（Ν_ι) 22之 尚電壓Vgh透過第一電晶體3〇對感測液晶電容28進行充電，以在節 點P產生一個參考電壓Vp。 如第7a圖及第7b圖所示，在t2期間’第一閘極線（N-1) 22之 電壓快速由高電壓變成低電壓Vg卜且第二閘極線（N) 24之電壓仍 保持低電壓Vgl，此時，第一閘極線（N-1) 22之電壓快速由高電壓 vgh變為低電壓Vg丨(如第7b圖所示），由於耦合效應，使感測液晶電 容28之第一電極端產生電壓變化量來控制第二電晶體32之開關而產 生輸出電流至第三電晶體33 ;亦即參考電壓Vp會下降而產生一個電 • 壓變化量ΔνΡ，其可表示為式⑴所示： AVp = c~fd^'AV^ ⑴ 其中，液晶電容28，Cgs係為第一電晶體30之閘極 源極電容；另外，當觸碰面板產生觸控事件時，例如當使用者於面板 上按壓到對應之感測單元時，該感測液晶電容28將產生變化，亦即

Cslc之值將改變，此時根據式(1)可知，AVp之值將隨之改變；換言 之，當感測液晶電容之電容值改變時，電壓變化量Δνρ亦會改變，並 藉此改變第二電晶體32之開啟程度，進而改變流至第三電晶體之輸出 電流21之大小。 ’如第8a圖及第8b圖所示，在t2期間之後，於t3期間，第二閉 極線（N) 24之電壓轉換為高電壓Vgh，使第三電晶體33打開，此時 第二電晶體32及第三電晶體33均打開，輸出電流21經由第三電晶 體33之控制傳至讀取線26，並透過一讀取單元制決定出 事件。由上述知，第二電晶體32和第三電晶體33之組合設計，^ 為-電容電流轉換器，將參考電遲Vp之變化轉換為一輸出電流變化， 以經由第三電晶體33輸出此輸出電流給讀取線26。 最後’如第9a圖及第9b圖所示，在t4期間，第一閘極線（N-o 22及第二閘極線（N) 24之電>1均變成低電壓Vg丨，此時第_電晶體 9 1376626 30及第三電晶體33為關閉者，直至下一讀取運作開始。 為了使本發明更加最佳化，感應更加精綠，在陣列（array)設計 時’參考式(1)所示，可將第一電晶體（T1)之閘極源極電容（Cgs) 的值設計成略大於或等於該感測液晶電容（Cslc)的值。除此之外，

亦可在組立（Cell)設計階段，將感測液晶電容之液晶間隙因觸碰造成 的變化量對液晶間隙的比值，以形成較小的感應液晶電容之液晶間 隙；如第10圖所示係為本發明之感測液晶電容28結構之一實施方式， 其包含一第一透明基板34與其上之彩色濾光片36及導電電極層38, 以及一第二透明基板40與其上之導電電極層42，且第二基板40由 TFT基板組成’在對應每一感測液晶電容位置之第一透明基板上， 且位於彩色濾光片36和導電電極層38之間更設有一突起部44,使此 感測液晶電谷（Cslc) 28之液晶間隙由原本的d變小為s。除了直接 設計為上述之突起部44之設計外，亦可在對應每一感測液晶電容位置 之彩色遽光片32上直接設有一堆疊色阻，如第11圖所示之第一色阻 46及第二色阻48’藉由此堆疊之第一色阻46及第二色阻48之作用， 使此感測液晶電容（Cslc)之液晶間隙由原本的d變小為§ ,例如$ S1.5微米。如此，在每個感測液晶電容處就可以形成較小的液晶間 隙，並藉此小液晶間隙來控制感測液晶電容之電容改變，使其可易於 被前述之感測單元偵測到觸控事件發生與否。 、 本發明所提出之内嵌電容絲應輸人齡裝置除了可峡在顯示 面板内以及具有重量輕、體積似及高光學性鮮優點之外更可^ 用於大尺寸觸控雜，並具有優良的讀取準確性以及更為簡單的取 單元電路結構’故可以有效職存條先紐射之祕缺點者， 在配合突起部之設計，更可準確彳貞測觸控事件發生。 以上所述之實施讎係為說明本發明之技術思想及特點， 在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之内容並據以實施，ς味 以之限定本發日月之專難圍，即大凡依本發騎_之精神所;之^ 1376626 等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍内。 【圖式簡單說明】 第1圖為習知之薄膜電晶體（TFT；)感測器電路示意圖。 第2圖為習知之p-i-n二極體感測器電路示意圖。 第3a圖為習知之内嵌式觸控面板的電容式感測電路示意圖。 第3b圖為習知之感測液晶電容的結構示意圖。 第4圖為本發明之單一感測電路的電路示意圖。 第5圖為本發明之感測單元的操作時序圖。

第6a圖及第6b圖分別為本發明在t1綱之感測電路的電路 閘極訊號波形圖。 '、甚圓及 第7a圖及第7b圖 閘極訊號波形圖。 分別為本發明在t2期間之感測電路的電路示意圖及 第8a圖及第8b圖分別為本發明在t3期間之感測電路的電路示意圖及 閘極訊號波形圖。 第9 a圖及第9 b圖分別為本發明在t4姻之細電路的電路示意圖及 閘極訊號波形圖。 〜 第10圖為本發明在對應每一感測液晶電容位置之透明基板上設有突 起部之感測液晶電容結構示意圖。 第11圖為本酬在對應每—感職晶電容位置之彩色濾光片上設有 堆疊色阻之液晶電容結構示意圖。 【主要元件符號說明】 1〇薄膜電晶體（TFT)感測器 12 p-i-n 二極體 14感測液晶電容 141上透明基板 142上金屬層 143液晶層 1376626 144下金屬層 145下透明基板 16參考電容 • 20感測單元 21輸出電流 22 第一閘極線 24第二閘極線 26讀取線 28感測液晶電容 • 30第一電晶體 32第二電晶體 33第三電晶體 34 第一透明基板 36彩色濾光片 38 導電電極層 40 第二透明基板 42 導電電極層 44 突起部 • 46第一色阻 48 第二色阻 12

Claims (1)

1376626 十、申請專利範圍： 1· 一種内嵌電容式感應輪入顯示裝置，包括： 一第一閘極線和一第二閘極線；以及 一感測單元，包括： 至少一感測液晶電容； 一第一電晶體’分別連接至該第一閘極線及該感測液晶電容，其 中該第一電晶體受該第一閘極線之控制以對該感測液晶電容 進行充電；以及 至少二耦接之第二電晶體及第三電晶體，該第二電晶體連接該感 # 測液晶電容之一第一電極，且該第三電晶體連接該第二閘極線 與一讀取線，該第二電晶體根據該感測液晶電容之該第一電極 之電壓以產生一輸出電流至該第三電晶體，且該第三電晶體受 該第二閘極線之控制以將該輸出電流傳輸至該讀取線。 2_如申請專利範圍第1項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其中 該第一電晶體、該第二電晶體及該第三電晶體係為薄膜電晶體。 3_如申請專利範圍第1項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，更包 括一讀取單元，連接該讀取線，以接收該輸出電流，並據此偵測觸 控事件並找出觸控位置。 • 4·如申請專利範圍第1項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其中 該第一電晶體之閘極及汲極係連接該第一閘極線，且該第一電晶體 之源極連接至該感測液晶電容之該第一電極及第二電晶體之閘極。 5. 如申請專利範圍第4項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其中 該感測液晶電容之一第二電極連接一第一偏壓源，以及該第二電晶 體之源極連接一第二偏壓源。 6. 如申請專利範圍第5項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其中 該第一偏壓源與該第二偏壓源共同連接一共同電壓源。 7. 如申請專利範圍第1項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其中 13 1376626 該第二電晶體之閘極係連接該感測液晶電容之該第一電極及該第 一電晶體之源極，及該第二電晶體之汲極連接該第三電晶體之汲 極。 8·如申請專利範圍第7項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其中 該感測液晶電容之一第二電極連接一第一偏壓源，以及該第二電晶 體之源極連接一第二偏壓源。 9. 如申請專利範圍第8項所述之内後電容式感應輸入顯示裝置，其中 該第一偏壓源與該第二偏壓源共同連接一共同電壓源。 10. 如申請專利範圍第1項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其中 該第三電晶體之閘極係連接該第二閘極線，且該第三電晶體之汲極 連接至該第二電晶體之汲極，及該第三電晶體之源極連接該讀取 線。 11. 如申請專利範圍第1項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其中 該感測單元之驅動方式係包括： 在第一期間，該第一閘極線及該第二閘極線係分別變成高電壓及低 電壓’使該第-電晶體打開，該第三電晶體關Pj，以透過該第一 電晶體對該感測液晶電容進行充電，； 在第二期間，該第一閘極線快速由高電壓變成低電壓，且該第二閘 極線之電壓仍保持低電壓，使該感測液晶電容之該第一 生電壓變化量，以控制該第二電晶體之開關，藉以直生該輸出電 流至該第三電晶體； 在第三期間，該第二閘極線轉為高電麗，使該第三電晶體打開，該 輸出電流經由該第三電晶體輸出至該讀取線；以及 在第四期間，該第-閘極線及該第二閘極線均變成低電壓，此時該 第一電晶體及該第三電晶體為關閉。 12. 如申請專利細第1項所述之城f容絲觸續示裝置，其中 該感測液晶電容之結構係包括二透明基板及其上之二電極層，且在 1376626 該二電極詹中間具有一液晶詹。 13.如申請專利範圍第12項所述之内嵌電容式感應輪入顯示裝置，其 中對應該感測液晶電容位置之該透明基板上更設有一突起部，使該 感測液晶電容之液晶間隙小於該突起部以外之該二電極層之液晶 . 間隙。 14_如申請專利範圍第1項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其中 對應該感測液晶電容位置之彩色濾光片上更設有一突起部，使該感 測液晶電容之液晶間隙小於該突起部外以之該二電極層之液晶間 隙。 • 15·如申請專利範圍第14項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其 中該突起部係由至少二色阻堆疊而成者。 16.如申請專利範圍第1項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其中 該第一電晶體内之閘極源極電容之值係略大於或等於該感測液晶 電容之值。 17·—種内嵌電容式感應輸入顯示裝置，包括： 一第一閘極線和一第二閘極線；以及 一感測單元，包括： 一感測液晶電容； ® 一第一電晶體’該第一電晶體之閘極與沒極係連接至該第一閘極 線’而其源極連接該感測液晶電容之一第一電極； 一第一電晶體’該第二電晶體之閘極係連接該第一電晶體之源極 與該感測液晶電容之該第一電極；以及 一第三電晶體，該第三電晶體之閘極、汲極和源極係分別連接至 該第二閘極線、該第二電晶體之汲極和一讀取線。 18.如申請專利範圍第17項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其 中該感測液晶電容之-第二電極係連接—第—偏壓源，而該第二^ 晶體之源極連接一第二偏壓源。 一 15 1376626

19. 如申請專利範圍第18項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其 中該第一偏壓源連接一共同電壓源。 20. 如申請專利範圍第18項所述之内嵌電容式感應輸入顯示裝置，其 中該第一偏壓源與該第二偏壓源共同連接一共同電壓源。 16