TWI381520B - 具光電薄膜電晶體之光學感測器 - Google Patents

具光電薄膜電晶體之光學感測器 Download PDF

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TWI381520B
TWI381520B TW096146805A TW96146805A TWI381520B TW I381520 B TWI381520 B TW I381520B TW 096146805 A TW096146805 A TW 096146805A TW 96146805 A TW96146805 A TW 96146805A TW I381520 B TWI381520 B TW I381520B
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Kai Lan Chuang
Ying Lieh Chen
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    • G02F1/13306—Circuit arrangements or driving methods for the control of single liquid crystal cells
    • G02F1/13312—Circuits comprising photodetectors for purposes other than feedback

Description

具光電薄膜電晶體之光學感測器
本發明係有關一種光學感測器(optical sensor)，特別是有關一種具光電薄膜電晶體(photo TFT)之光學感測器。
將觸控面板(touch panel)整合於液晶顯示器(LCD)不但可增進使用者進行便利、快速的輸入，且可提供互動的存取功能，因此已逐漸應用於一些攜帶型電子裝置中，例如行動電話、個人數位助理(PDA)或筆記型電腦。
於傳統顯示器中，觸控面板係附著於顯示器的前方。此種裝配方法較複雜、較重且顯示穿透度不佳。為了改善這些缺點，有人於是提出另一種技術，於液晶顯示器的薄膜電晶體結構中嵌入光學感測器陣列，如Adi Abileah等人於‘Integrated Optical Touch Panel in a 14.1”AMLCD’(SID 04 DIGEST,pp.1544－1547)所提出者。
於此種內嵌觸控面板之顯示器中，每一個感測像素電路係由一讀取TFT及一光電TFT所構成。藉由直接讀取每一感測像素電路中的儲存電荷而得以捕獲手指的影像。此種內嵌觸控面板之傳統顯示器雖然具有結構簡單之優點，但是卻極易耦合雜訊及串音(crosstalk)，造成捕獲的影像不清晰，造成手指的位置無法確切的得知。
鑑於上述理由，亟需提出一種新穎的觸控面板，特別是一種具感測像素電路結構之光學感測器，用以改善傳統觸控面板，以捕獲清晰的影像。
本發明的目的之一係提出一種光學感測器，其內嵌於觸控面板並整合至顯示器中，可用以確切得知手指或其他物體的位置。
根據上述之目的，本發明提供一種光學感測器。主動矩陣區域內含排列成矩陣形式的多數個感測像素電路。掃描線及讀取線位於主動矩陣區域並相互交叉於感測像素電路。每一感測像素電路包含一第一讀取薄膜電晶體(TFT)用以讀取一電荷節點的電壓，一第二讀取TFT用以重置電荷節點至一第一重置電壓，及一光電TFT(TFT3)用於當未有物體遮蓋時，將電荷節點放電至一第二重置電壓。根據一實施例，掃描驅動器逐一驅動掃描線；讀取電路分析來自主動矩陣區域的類比信號，並將其轉換為數位信號。影像處理電路則用以確認物體的位置及其影像。
第一圖顯示本發明實施例之一的薄膜電晶體(TFT)手指感測器(或光學感測器)的系統方塊圖。在本實施例中，此TFT手指感測器係內嵌於觸控面板並整合至顯示器(未顯示)，例如液晶顯示器。本實施例之”手指”感測器雖用以捕獲手指的影像，然而，本發明之感測器並不限定於僅捕獲手指之影像，其他物體也都可以適用；再者，手指或物體也不一定要”接觸”到觸控面板。事實上，本發明所提出之整合光學感測器之顯示器可用以捕獲任何靠近觸控面板之物體(例如條碼或光筆)的影像。
於第一圖中，主動矩陣區域10包含排列成矩陣形式的多個感測像素電路(sensor pixel circuit)(或感測像素胞)102，用以偵測手指。主動矩陣區域10還含有多個顯示像素電路(display pixel circuit)(未顯示於圖式中)，其中，一部份的顯示像素電路與感測像素電路互相整合在一起。實務上，感測像素電路的數目一般會小於顯示像素電路的數目。在主動矩陣區域10內，多條水平掃描線及多條垂直讀取線互相交叉於感測像素電路102。掃描驅動器12依序逐一選擇掃描線以掃描感測像素電路102，使得每一時間中，啟動一條掃描線上的感測像素電路102。讀取電路14分析來自主動矩陣區域10的類比信號輸出，並將其轉換為數位信號。藉由讀取線選擇信號，主動矩陣區域10的類比信號逐一被選擇輸出。接著，經轉換的數位信號被送至影像處理電路16，用以確認一或多個手指的位置及其影像。資料驅動器18藉由資料線182驅動顯示像素電路，用以顯像於液晶顯示器上。
第二A圖顯示第一圖中本發明實施例之感測像素電路102的結構。為便於說明起見，圖式中僅顯示二個感測像素電路102，其他的感測像素電路102也具有相同結構。每一個感測像素電路102包含一第一讀取TFT(TFT1)、一第二讀取TFT(TFT2)及一光電TFT(TFT3)，其連接關係如圖所示。掃描線連接至同一列的所有相對應感測像素電路102；在此圖例中，掃描線[Rn ]連接至第n列的感測像素電路102。讀取線連接至同一行的所有相對應感測像素電路102；在此圖例中，讀取線[Cm+1 ]連接至第m+1行的感測像素電路102。重置(reset)信號連接至同一列的所有感測像素電路102；在此圖例中，重置信號[n]連接至第n列的感測像素電路102。
第二B圖顯示感測像素電路102結構的另一實施例。與第二A圖不同的是，重置信號被下一行掃描線所取代；在此圖例中，掃描線[Rn＋1 ]連接至第n列的感測像素電路102。
於第二A圖中，第一讀取TFT(TFT1)的源汲極之一電性連接至相對應的讀取線[Cm＋1 ]，其閘極電性連接至相對應之掃描線[Rn ]，其另一源汲極則於電荷節點C電性連接至第二讀取TFT(TFT2)及光電TFT(TFT3)。第二讀取TFT(TFT2)的源汲極之一於節點C電性連接至第一讀取TFT(TFT1)，其閘極電性連接至相對應的重置信號[n]，其另一源汲極則電性連接至重置電壓VA。光電TFT(TFT3)的源汲極之一於節點C電性連接至第一讀取TFT(TFT1)及第二讀取TFT(TFT2)，其閘極及另一源汲極則電性連接至重置電壓VB；該重置電壓VB之電壓值小於重置電壓VA(亦即，VA>VB)。位於節點C與重置電壓VB節點之間具有一儲存電容CS。
於第二B圖所示之另一實施例中，感測像素電路102的結構與第二A圖相同；不同的是，第二讀取TFT(TFT2)之閘極則電性連接至下一列的掃描線[Rn＋1 ]。
第三圖顯示本發明實施例第二圖之感測像素電路102的剖面圖。為了便於說明起見，僅顯示出TFT手指感測器的主要元件，且僅顯示液晶顯示器的液晶(LC)部分。光電TFT(TFT3)及第一/第二讀取TFT(TFT1/2)形成於(玻璃)基板30A上。光遮罩層(例如黑色陣列(black matrix))32形成於另一(玻璃)基板30B上；該光遮罩層32相對於光電TFT(TFT3)位置具有一開口33，使得該光電TFT(TFT3)暴露於周遭光線或外部光源時，會產生光電漏電流。該光遮罩層32相對於第一/第二讀取TFT(TFT1/2)位置則不具有開口，使得該第一/第二讀取TFT(TFT1/2)不會因為周遭光線而產生任何漏電流。
第四A圖顯示第二A圖實施例中的信號時序圖。此時序圖例示第n列的掃描：當掃描線[Rn ]為主動時，讀取線選擇信號[C1 ]－[Cx ]依序變為主動，使得各行感測像素電路102的輸出依序被讀取電路14所讀取。重置信號[n]則於掃描線[Rn ]的掃描最後變為主動。
底下將以第四A圖來說明第二A圖手指感測器的運作。假設手指已置於手指感測器的表面34(第三圖)上，且第二讀取TFT(TFT2)已於前一圖框(frame)掃描(例如Frame[n-1])當中被重置信號[n]予以重置，此將使得節點C的電壓變為VA。對於未被手指遮蓋到的主動矩陣區域10，其相對應的光電TFT(TFT3)會暴露於周遭光線，使得節點C電壓藉由光電TFT(TFT3)之放電而變為VB。主動矩陣區域10的一部份區域可能未被手指或手掌完全覆蓋到，使得節點C的電壓值VC介於VA及VB之間： 其中，RC為節點C與重置電壓VB節點之間的時間常數(time constant)；t為放電時間。
於目前圖框(frame)掃描(例如Frame[n])中，當掃描線[Rn ]變為主動，且相對應讀取線[Cm+1 ]被讀取線選擇信號[Cm+1 ]所選到，則節點C的電壓將藉由第一讀取TFT(TFT1)而被讀取電路14所讀取；該讀取電路14分析此類比信號，並將其轉換為數位信號。接著，經轉換的數位信號被送至影像處理電路16，用以確認一或多個手指的位置及其影像。
第四B圖顯示第二B圖實施例中的信號時序圖。此時序圖虛線左方例示第n列的掃描：當掃描線[Rn ]為主動時， 讀取線選擇信號[C1 ]-[Cx ]依序變為主動，使得各行感測像素電路102的輸出依序被讀取電路14所讀取。時序圖虛線右方例示第n+1列的掃描，其掃描方式與第n列的掃描方式相同。
底下將以第四B圖來說明第二B圖手指感測器的運作。假設手指已置於手指感測器的表面34(第三圖)上，且第二讀取TFT(TFT2)已於前一圖框(frame)掃描(例如Frame[n-1])當中被下一列掃描線[Rn+1 ]予以重置，此將使得節點C的電壓變為VA。對於未被手指遮蓋到的主動矩陣區域10，其相對應的光電TFT(TFT3)會暴露於周遭光線，使得節點C電壓藉由光電TFT(TFT3)之放電而變為VB。於目前圖框(frame)掃描(例如Frame[n])中，當掃描線[Rn ]變為主動，且相對應讀取線[Cm+1 ]被讀取線選擇信號[Cm+1 ]所選到，則節點C的電壓將藉由第一讀取TFT(TFT1)而被讀取電路14所讀取；該讀取電路14分析此類比信號，並將其轉換為數位信號。接著，經轉換的數位信號被送至影像處理電路16，用以確認一或多個手指的位置及其影像。
第五A圖顯示第一圖之讀取電路14的實施例。與各行感測像素電路102相對應之各個讀取線連接並輸入至多工器141。藉由讀取線選擇信號，使得其中一個讀取線通過多工器141；該讀取線上的類比信號與一參考信號Vref [1：N]經由一比較器143作比較後，產生一N-位元輸出的數位信號。比較器143的輸出更饋至影像處理電路16作進一步的處理。
第五B圖顯示第一圖之讀取電路14的另一實施例。與各行感測像素電路102相對應之各個讀取線連接並分別輸入至緩衝器140。這些緩衝器140也可以依同樣方式插入至第五A圖的讀取電路14中；或者，第五B圖中的緩衝器140可以予以省略。緩衝器140的輸出連接並輸入至多工器141。藉由讀取線選擇信號，使得其中一個讀取線通過多工器141；該讀取線上的類比信號經由一類比至數位轉換器(A/D converter)145，產生一N-位元輸出的數位信號。類比至數位轉換器145的輸出更饋至影像處理電路16作進一步的處理。
第六圖顯示第五A圖/第五B圖的改良實施例。在本實施例中，與各行感測像素電路102相對應之各個讀取線係直接連接並輸入至積分電路(例如積分運算放大器)147，而非直接至多工器141(如第五A圖)，也非直接至緩衝器140(如第五B圖)。迴授電容Cfb 連接於積分運算放大器147的輸出端及反相輸入端之間，其非反相輸入端則連接至一預設參考電壓Vref ，其電壓值介於VA及VB之間(亦即，VA>Vref >VB)。重置電晶體M的源極及汲極分別跨接於迴授電容Cfb 的兩端，其閘極則連接至重置信號。此重置信號可以是同於第四A圖之重置信號，也可以是異於第四A圖之重置信號。在本實施例中，此重置信號於每一個線掃描的最後變為主動，用以將積分運算放大器147的輸出經由重置電晶體M而重置為Vref ，使得積分運算放大器147準備進行下一線掃描的積分運作。積分運算放大器147的積分輸出Vout 則連接至第五A圖的多工器141，或者第五B圖的緩衝器140。
底下將說明第六圖積分電路147的運作。當手指已置於手指感測器的表面34(第三圖)上，則節點C的電壓變為VA；否則，節點C的電壓變為VB。在進行積分運算之前，於前一圖框掃描中，藉由重置信號使得重置電晶體M導通(close)。接下來，於目前圖框掃描中，重置電晶體M是斷開(open)的，因此，積分運算放大器147的輸出端會積分成為如下的電壓：(有手指覆蓋)(當VC＝VB)(無手指覆蓋)
與先前實施例作比較，第六圖之實施例對於雜訊具有較高的抗性。亦即，於先前實施例中，節點C的讀取判定區間為(VA－VB)，然而在第六圖實施例中，節點C的讀取判定區間係為。藉由選擇適當的(CS/Cfb )值，該讀取判定區間可以變得較大，因而使其對雜訊的抗性較好。
第七圖顯示本發明實施例之一的手指感測方法之流程圖。首先，於步驟71，第二讀取TFT(TFT2)已於前一圖框掃描當中被重置信號(或下一列掃描線)予以重置，使得節點C的電壓變為VA。接下來，於步驟72，於目前圖框掃描中將掃描線變為主動。當手指已置於手指感測器的表面34(第三圖)上，則節點C的電壓變為VA；否則，對於未被手指遮蓋到的主動矩陣區域10，其相對應光電TFT(TFT3)會暴露於周遭光線，使得節點C電壓藉由光電TFT(TFT3)之放電而變為VB(步驟73)。節點C的電壓被讀取電路14所讀取(步驟74)；該讀取電路14分析此類比信號，並將其轉換為數位信號。接著，經轉換的數位信號於步驟75被送至影像處理電路16，用以確認一或多個手指的位置及其影像。如果使用第六圖的實施例，則更執行步驟74A，用以將節點C的電壓予以積分運算。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10‧‧‧主動矩陣區域
102‧‧‧感測像素電路
12‧‧‧掃描驅動器
14‧‧‧讀取電路
140‧‧‧緩衝器
141‧‧‧多工器
143‧‧‧比較器
145‧‧‧類比至數位轉換器
147‧‧‧積分電路
182‧‧‧資料線
16‧‧‧影像處理電路
18‧‧‧資料驅動器
30A‧‧‧基板
30B．．．基板
32．．．光遮罩層
33．．．開口
34．．．感測器表面
71－75．．．感測方法的步驟
TFT1．．．第一讀取TFT
TFT2．．．第二讀取TFT
TFT3．．．光電TFT
C．．．節點
VA．．．重置電壓
VB．．．重置電壓
CS．．．儲存電容
LC．．．液晶
Cfb ．．．迴授電容
Vref ．．．參考電壓
M．．．重置電晶體
第一圖顯示本發明實施例之一的薄膜電晶體(TFT)手指感測器的系統方塊圖。
第二A圖顯示第一圖中本發明實施例之感測像素電路的結構。
第二B圖顯示感測像素電路結構的另一實施例。
第三圖顯示本發明實施例第二圖之感測像素電路的剖面圖。
第四A圖顯示第二A圖實施例中的信號時序圖。
第四B圖顯示第二B圖實施例中的信號時序圖。
第五A圖顯示第一圖之讀取電路的實施例。
第五B圖顯示第一圖之讀取電路的另一實施例。
第六圖顯示第五A圖/第五B圖的改良實施例。
第七圖顯示本發明實施例之一的手指感測方法之流程圖。
TFT1．．．第一讀取TFT
TFT2．．．第二讀取TFT
TFT3．．．光電TFT
C．．．節點
VA．．．重置電壓
VB．．．重置電壓
CS．．．儲存電容

Claims (19)

  1. 一種光學感測器，包含：一主動矩陣區域，內含排列成矩陣形式的多數個感測像素電路；及多數條掃描線及讀取線，位於該主動矩陣區域並相互交叉於該感測像素電路，其中每一該感測像素電路包含一第一讀取薄膜電晶體(TFT)用以讀取一電荷節點的電壓，一第二讀取TFT用以重置該電荷節點至一第一重置電壓，一光電TFT(TFT3)用於當未有物體遮蓋時，將該電荷節點放電至一第二重置電壓，其中該第二重置電壓小於該第一重置電壓，及一儲存電容，其第一端連接至該電荷節點，其第二端連接至該第二重置電壓，當該儲存電容被該第二讀取TFT重置後，該第一端具有該第一重置電壓，該第二端具有該第二重置電壓，因而於該儲存電容的第一端與第二端之間跨有一電壓差。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，更包含一掃描驅動器，用以逐一驅動該掃描線。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，更包含一讀取電路，用以分析來自該主動矩陣區域的類比信號，並將其轉換為數位信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，更包含一影樣像處理電路，用以確認該物體的位置及其影像。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，其中上述之第二讀取TFT係由一重置信號所重置。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，其中位於目前列之上述第二讀取TFT係由位於下一列之掃描線所重置。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之光學感測器，其中：該第一讀取TFT的源汲極之一電性連接至相對應的該讀取線，其閘極電性連接至相對應之該掃描線，其另一源汲極則於該電荷節點電性連接至該第二讀取TFT及該光電TFT； 該第二讀取TFT的源汲極之一於電荷節點電性連接至該第一讀取TFT，其閘極電性連接至相對應的該重置信號，其另一源汲極則電性連接至該第一重置電壓；及該光電TFT的源汲極之一於該電荷節點電性連接至該第一讀取TFT及該第二讀取TFT，其閘極及另一源汲極則電性連接至該第二重置電壓。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之光學感測器，其中：該第一讀取TFT的源汲極之一電性連接至相對應的該讀取線，其閘極電性連接至相對應之該掃描線，其另一源汲極則於該電荷節點電性連接至該第二讀取TFT及該光電TFT；該第二讀取TFT的源汲極之一於電荷節點電性連接至該第一讀取TFT，其閘極電性連接至相對應的該下一列掃描線，其另一源汲極則電性連接至該第一重置電壓；及該光電TFT的源汲極之一於該電荷節點電性連接至該第一讀取TFT及該第二讀取TFT，其閘極及另一源汲極則電性連接至該第二重置電壓。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測器，更包含： 一第一基板，於其上形成有該第一讀取TFT、該第二讀取TFT及該光電TFT；一第二基板；及一光遮罩層，形成於該第二基板，其中該光遮罩層相對於該光電TFT位置具有一開口，該光遮罩層相對於該第一讀取TFT、第二讀取TFT位置則不具有開口。
  10. 如申請專利範圍第3項所述之光學感測器，其中上述之讀取電路包含：一多工器，用以連接輸入該讀取線，藉由讀取線選擇信號，使得其中一個讀取線通過該多工器；及一比較器，用以比較該被選到之讀取線的類比信號以及該一預設參考信號。
  11. 如申請專利範圍第3項所述之光學感測器，其中上述之讀取電路包含：一多工器，用以連接輸入該讀取線，藉由讀取線選擇信號，使得其中一個讀取線通過該多工器；及一類比至數位(A/D)轉換器，用以將該類比信號轉換為該數位信號。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之光學感測器，更包含：多數個緩衝器，位於該主動矩陣區域與該多工器之間。
  13. 如申請專利範圍第3項所述之光學感測器，更包含：多數個積分電路，連接以接收該主動矩陣區域的輸出，其中該積分電路分別連接至該讀取線。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之光學感測器，其中每一該積分電路包含：一積分運算放大器；一迴授電容，連接於該積分運算放大器的輸出端及反相輸入端之間；一預設參考電壓，連接至該積分運算放大器的非反相輸入端，其中該預設參考電壓之值介於該第一重置電壓與該第二重置電壓之間；及一重置電晶體，其源極及汲極分別跨接於該迴授電容的兩端，其閘極則連接至一重置信號。
  15. 一種光學感測方法，包含：於前一圖框掃描當中，將一光學感測器之電荷節點重置至第一重置電壓； 於目前圖框掃描中，將目前列之感測像素電路的相對應掃描線變為主動；當該光學感測器之感測像素電路未被物體遮蓋時，則將該電荷節點予以放電至一第二重置電壓，否則維持於該第一重置電壓；及提供一儲存電容，其第一端連接至該電荷節點，其第二端連接至該第二重置電壓，當該儲存電容被重置後，該第一端具有該第一重置電壓，該第二端具有該第二重置電壓，因而於該儲存電容的第一端與第二端之間跨有一電壓差。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之光學感測方法，更包含：讀取該電荷節點，並將類比信號轉換為數位信號；及處理該數位信號以確認該物體的位置及其影像。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之光學感測方法，其中上述之電荷節點係由一重置信號所重置。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之光學感測方法，其中上述之電荷節點係由下一列之掃描線所重置。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之光學感測方法，更包含將該電荷節點之電壓予以積分運算。
TW096146805A 2007-10-18 2007-12-07 具光電薄膜電晶體之光學感測器 TWI381520B (zh)

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