TWI409533B - 觸控螢幕結構 - Google Patents

Description

觸控螢幕結構

本發明係關於一種觸控螢幕結構，特別是一種具有電容式感光結構的觸控螢幕結構。

在現今各式消費性電子產品市場中，個人數位助理(personal digital assistant，PDA)、行動電話(mobile Phone)及筆記型電腦(notebook)等可攜式電子產品乃至於個人電腦、數位家電系統皆已逐漸使用觸控螢幕(touch display panel)作為使用者與電子裝置間之資料溝通介面工具。使用觸控螢幕時，使用者可直接透過螢幕上顯示的物件進行操作與下達指令，提供使用者更人性化的操作介面。此外電子產品的設計皆以輕、薄、短、小為方向，因此在產品設計上希望能節省如按鍵、鍵盤、滑鼠等傳統輸入裝置的設置空間，因此搭配觸控式螢幕的顯示裝置已逐漸成為各式電子產品的關鍵零組件之一。

觸控螢幕依據其結構，可以分為外加式觸控螢幕以及內嵌式觸控螢幕。外加式觸控螢幕除了一顯示面板外，還需外加一獨立的觸控面板於顯示面板上，因此使用者在觀看顯示面板所呈現之影像時，可藉由觸控面板來感測其觸控位置。而內嵌式觸控螢幕，則整合了觸控功能於習知的顯示面板內，故同一面板即同時具有輸入與輸出之功能，其操作介面較外加式觸控螢幕更為直覺。另一方面，由於無需額外的觸控層，故與外加式觸控螢幕相比，內嵌式觸控螢幕具有更好的顯示品質以及較低的耗電量，且更為輕薄短小，是目前觸控螢幕的發展趨勢。

習知的內嵌式觸控螢幕技術係將一感測元件，如光感測元件，整合至薄膜電晶體(TFT)陣列中，也就是將一光感測元件與習知的薄膜電晶體整合於同一個畫素內，並藉由不同的驅動訊號以及偵測訊號，以在同一個畫素之中同時達到顯示以及偵測觸控的效果。一般光感測元件原理是利用半導體材質例如非晶矽(amorphous silicon)在照光之後會產生光電荷的特性，藉由偵測其光電流的產生來偵測其觸控位置。習知的光感測元件包括非晶矽薄膜電晶體(amorphous silicon TFT)或者是PIN光二極體(p-intrinsic-n photodiode)，兩者都可成功整合於現有的液晶顯示面板中，但也存在著若干缺點。例如，以非晶矽薄膜電晶體作為光感測元件的結構時，由於長時間暴露於光線下，其非晶矽材料的光電效應會逐漸衰退而使得感光能力逐漸喪失。而若以PIN光二極體作為光感測元件時，由於多晶矽的吸光效率不佳，且在現有架構下，無法增加多晶矽的厚度來改善其光敏感度，因此在光線不充足的環境下，其偵測敏感度並不理想。

根據申請專利範圍，本發明提出了一種觸控螢幕結構，該結構包含一基板、複數條掃描線、複數條資料線、複數條資料輸出線、複數個薄膜電晶體以及複數個偵測電容，皆設置於基板上。各資料線與各掃描線於基板上劃分出複數個呈陣列排列之畫素區域。每條資料輸出線設置於每條資料線旁。各薄膜電晶體係電性連接至其所對應之掃描線與資料線；而各偵測電容係電性連接至所對應之掃描線與資料輸出線。根據申請專利範圍，本發明另外提出了一種觸控螢幕結構。該結構包含一基板、複數條掃描線、複數條資料線、複數條偵測掃描線、複數條共用配線、複數個薄膜電晶體、複數個輔助電晶體以及複數個偵測電容，皆設置於基板上。各資料線與各掃描線係於基板上劃分出複數個呈陣列排列之畫素區域。每條偵測掃描線設置於每條掃描線旁。各薄膜電晶體係電性連接至其所對應之掃描線與資料線；各輔助電晶體係電性連接至所對應之偵測掃描線與資料線；而各偵測電容係電性連接至所對應之共用配線與輔助電晶體。

根據申請專利範圍，本發明另外提出了一種形成觸控螢幕結構的方法。該方法首先提供一基板，接著於基板上形成一閘極以及一第一電極。然後於基板上形成一介電層，覆蓋住閘極以及第一電極。接著於閘極上方之介電層上形成一通道層，於第一電極上方之介電層上形成一第二電極。接著於通道層上形成一源極與一汲極，於第二電極上形成一輸出電極，其中輸出電極覆蓋第二電極之部份。然後於基板上形成一保護層，並於保護層上形成一通孔，其對應設置於汲極上。最後於基板上形成一畫素電極，其中畫素電極透過通孔與汲極電性連接。

根據申請專利範圍，本發明提出了另外一種形成觸控螢幕結構的方法。該方法首先提供一基板，並於基板上形成一閘極、一輔助閘極以及一第一電極，接著於基板上形成一介電層，覆蓋於閘極、輔助閘極以及第一電極上；然後於閘極上之介電層上行成一通道層，於輔助閘極上之介電層上形成一輔助通道層，同時於第一電極上之介電層上形成一第二電極。於通道層上形成一源極與一汲極，於輔助通道層上形成一輔助源極與一輔助汲極，其中輔助源極與第二電極電性連接，並覆蓋住該第二電極之部份。最後於基板上形成一保護層，以覆蓋住源極、汲極、輔助源極、輔助汲極以及第二電極。

本發明提出了一種內嵌式觸控螢幕的結構，其係在習知的薄膜電晶體陣列中，嵌入了一非晶矽電容結構，利用照光使得非晶矽層所產生的電荷變化而造成電容值的改變，藉以偵測其觸控位置，可有效避免習知技術中元件衰退以及靈敏度不足的問題。

請參考圖1以及圖6，圖1為本發明之一實施例中一種觸控式螢幕結構的等效電路示意圖，圖6則為其結構剖面示意圖。如圖1所示，觸控螢幕結構的基板上配置有複數條水平以及垂直交錯之掃描線(gate line,GL)100、資料線(data line,DL)102以及資料輸出線(output line,OL)119。每兩條相鄰之掃描線100以及兩條相鄰之資料線102所包圍的區域則為單一畫素，每條資料輸出線119則設置於每條資料線102旁，並實質上與各資料線102平行。每個畫素內則具有一薄膜電晶體104以及一儲存電容106。於圖1與圖6可知，薄膜電晶體104具有一與掃描線100電連接的閘極112，一與資料線102電連接的源極124及一與一畫素電極136電性連接的汲極126。儲存電容106則具有一與共用配線(未顯示)電性連接的儲存下電極144，還具有一與畫素電極136電性連接的儲存上電極128。因此，藉由施以適當電壓於掃描線100上便可開啟閘極112，資料線102之訊號即可通過薄膜電晶體104而導通於畫素電極136，進而驅動位於畫素區域之液晶分子(未顯示)，以改變光線的偏振狀態，而達成顯示之效果，並可藉由儲存電容106進行電位的儲存，以維持畫素電極136之驅動效果。

值得注意的是，為了能夠達成內嵌式觸控螢幕結構偵測的效果，本發明之實施例在基板上還具有一偵測電容108。本發明之實施例可以在每固定數量個的畫素中設置一偵測電容108，例如每2乘2之畫素區域內即固定設置有一偵測電容108；當然，也可以每個畫素中皆設置有一偵測電容108，視不同產品之偵測密度考量而做調整。請參考圖1與圖6，偵測電容108之結構由下而上係為一第一電極116、一介電層118、一第二電極122以及一輸出電極130。第一電極116會電連接至掃描線100，而第二電極122則會電性連接至資料輸出線119。第一電極116為一金屬導電層，其材質可為銅、鋁或其他導電材料。介電層118可為一單一(single)絕緣層或一複合(composite)絕緣層，其材質可包含有氧化矽(SiOx)、氮化矽(SiNy)或氮氧化矽(SiON)等。第二電極122具有一半導體層以及一重摻雜半導體層，其材料例如為一含氫之非晶矽層(amorphous silicon)。而輸出電極130和第一電極116同樣可以為金屬之導電層。

藉由兩電極以及位於其中的介電層118，即可形成一電容結構，請參考圖7，其為本發明之一實施例的偵測電容上視示意圖。如圖7所示，第一電極116與第二電極122為電容結構中的兩導電電極，中間以介電層118隔開(圖7中未顯示介電層118)。兩電極重疊的形狀以及大小可視產品需求而做調整。例如重疊的形狀為圓形、矩形或是不規則形狀等。重疊的面積大小會影響偵測電容108於照光時與不照光時，其電容差異的變化值。因此，藉由適當設計兩電極重疊面積或是形狀，可使偵測電容108照光時的電容值與不照光時的電容值，有著明顯的差異，藉以增加其感光靈敏度。另外，其第二電極122所感應之電容變化值透過輸出電極130而連接至資料輸出線119。為了避免資料輸出線119透過輸出電極130而和第一電極116產生寄生電容而影響偵測電容108的準確性，因此在設計上，輸出電極130與第一電極116應避免上下過多部份的重疊，例如圖7中，輸出電極130僅接觸第二電極122之一側部，使得輸出電極130僅有小部份重疊於第一電極116上。

本發明之偵測電容108之原理同樣也是利用第二電極122中之半導體材質(非晶矽)會吸收光子而產生光電效應來感測。例如，在一外部亮光的環境下觸碰此畫素區域時，其手指按壓處會遮住外光，因此偵測電容108的第二電極122之非晶矽並沒有被光激發而產生光電效應，偵測電容108上之電容值維持不變；而設在觸控式螢幕結構上未被手指觸碰處的偵測電容108，其偵測電容108之非晶矽材質便會因光照而產生光電荷，並累積在非晶矽材質的表面，導致這些未被手指觸碰與遮蔽之偵測電容108的電容值改變，然後再利用相對應之資料輸出線119即可用來偵測其電容改變值。因此，透過一訊號處理器(未顯示)來接受各資料輸出線119所反應之電容差異值，即可運算而得知手指觸碰的位置所在。反之，若在外部環境為暗處時，其係利用顯示面板的背光模組(backlight module)提供光源，而在手指觸碰處，光線會經由手指反射而進入觸碰區的畫素內，使得相對應之該等偵測電容108之非晶矽因光電效應而產生電容值的變化，而在其他沒有被手指觸碰的地方，其偵測電容108則不會有電容值的改變。同樣的，藉由各資料輸出線119所輸出的電容值，即可得知暗處時手指的觸碰位置。由上述操作方式可知，偵測電容108可透過明暗處兩種不同模式的偵測方式，利用一訊號處理器處理各資料輸出線119所傳遞電容變化值之訊息，即可得知其觸碰位置。

值得注意的是，第一電極116除了作為電容電極外，還可擋住下方來自背光模組(未顯示)的光線，可避免在正常的情況下，其第二電極122的半導體材質直接受到背光模組光源的照射而干擾其光偵測能力。在習知技術中，還需要形成額外的遮光物才能達成這樣的效果，而偵測電容108之設計則整合了此遮光效果，可省卻額外形成遮光物的步驟。

本發明之偵測電容108也可感知多點觸碰，請參考圖8。當手指觸碰於觸控螢幕結構上同一行之畫素時，例如同時觸碰A、B兩處，掃描線GL1進行掃描時同時驅動此行之偵測電容108，而觸碰點A、B兩處的電容值因手指的觸碰而發生改變，其電容變化值則分別透過資料輸出線OL2以及OL5輸出，並藉由一訊號處理器(未顯示)即可感知其觸碰位置。而當手指觸碰於觸控螢幕結構上同一列之畫素時，例如同時觸碰A、C兩處，於掃描線GL1開啟時，資料輸出線OL2會感知一電容變化值，而隨著掃描線依序往下掃描，當掃描至GL4時，資料輸出線OL2也會感知一電容變化值，因此藉由不同的掃描時間點，雖然同一列的畫素共用同一資料輸出線，但在訊號處理器於不同時間點接受訊息的情況下，仍可感知多點觸碰之位置。

本發明之實施例之偵測電容除了上述優點外，還可完全整合於現有形成薄膜電晶體陣列之製程。請參考圖2至圖6，為本實施例中一種製作觸控式螢幕結構的方法示意圖，其係透過常用的五道光罩製程，其中每一張圖即代表著一道光罩步驟。請先參考圖2，首先在一基板110上沈積一第一金屬層(未顯示)，接著利用第一道光罩來圖案化第一金屬層，以分別形成掃描線(未顯示)、薄膜電晶體104之一閘極112、儲存電容106之一儲存下電極144以及偵測電容108之一第一電極116。

接著如圖3所示，於基板110上全面沈積一介電層118，用來當作閘極絕緣層，其覆蓋於閘極112、儲存下電極144以及第一電極116上。接著沈積一半導體層以及一重摻雜半導體層(未顯示)，然後以第二道光罩來圖案化半導體層以及重摻雜半導體層，以形成薄膜電晶體104之通道層120以及偵測電容108之一第二電極122。因此可以理解的是，偵測電容108之第二電極122會包含一半導體層以及一重摻雜半導體層。

接著如圖4所示，於基板110上全面沈積一第二金屬層(未顯示)，並利用第三道光罩來圖案化此第二金屬層，以形成資料線(未顯示)、薄膜電晶體104之一源極124以及一汲極126、儲存電容106之儲存上電極128、資料輸出線(未顯示)以及偵測電容108之輸出電極130，其中輸出電極130會覆蓋在第二電極122上方，與第二電極122有部份重疊，形成耦接，而另一端則會電連接於資料輸出線119。

接著如圖5所示，於基板110上全面沈積一保護層132，並利用第四道光罩來圖案化保護層，以在汲極126上方之保護層132中形成一接觸洞134，同樣的也在儲存電容106之儲存上電極128之上方形成另一接觸洞134，以作為後續透明薄膜層電連接之通孔。

接著請參考圖6，於基板110上全面形成一透明導電層(未顯示)，然後以第五道光罩圖案化透明導電層，以形成一畫素電極136。畫素電極136會填入接觸洞134，以電性連接汲極126以及儲存上電極128。

經由上面步驟，即可在現有五道光罩的步驟下，於基板110上形成薄膜電晶體104、儲存電容106以及偵測電容108，因此可完全相容於業界現有的薄膜電晶體製程，而毋需作額外的設計與改良。

接著請參考圖9，為本發明之一實施例之偵測電容結構之示意圖。如圖9所示，偵測電容108也可透過另一輔助電晶體109來驅動，並以相對應之資料線102作為訊號輸出端。偵測電容108的第一電極116係連接畫素內的共通線(未顯示)，而第二電極122則連接至輔助電晶體109，透過偵測掃描線(SL)103作為此輔助電晶體109的開關，得以把電容變化值的訊號傳遞至相對應之資料線102作為訊號輸出。在此實施方式中，由於是和同一個畫素中的薄膜電晶體104共用資料線102，因此為了避免訊號的干擾，其掃描線100與偵測掃描線103的掃描必須交錯實施，例如掃描線100先依序由上至下掃描時，此時的資料線102用作薄膜電晶體104的訊號輸入端，使得薄膜電晶體104能根據不同資料線102的訊號而達到顯示之效果。而當掃描線100由上而下掃描結束後，接著換偵測掃描線103依序由上而下掃描，並依序開通其對應之輔助電晶體109，此時的資料線102則作為偵測電容108的資料輸出端，使偵測電容108上的電容值透過資料線102而進行輸出，如此一來，藉由不同的掃描時間，資料線102可作為薄膜電晶體104的訊號輸入端及偵測電容108的偵測輸出端。

關於上述輔助電晶體109與偵測電容108的形成方式，請參考圖10至圖13，為本發明之一實施例中之偵測電容結構之製作方法示意圖。請參考圖10，首先在一基板110上沈積一第一金屬層(未顯示)，接著利用第一道光罩來圖案化第一金屬層，以分別形成掃描線(未顯示)、偵測掃描線(未顯示)、輔助電晶體109之一閘極212、儲存電容106之儲存下電極(未顯示)以及偵測電容108之一第一電極116。

接著如圖11所示，於基板110上全面沈積一介電層118，用來當作閘極絕緣層，並覆蓋於輔助電晶體之閘極212以及第一電極116上。接著沈積一半導體層以及一重摻雜半導體層(未顯示)，然後以第二道光罩來圖案化半導體層以及重摻雜半導體層，以形成輔助電晶體109之通道層220及偵測電容108之第二電極122。接著如圖12所示，於基板110上全面沈積一第二金屬層(未顯示)，並利用第三道光罩來圖案化此第二金屬層，以形成資料線(未顯示)、薄膜電晶體104之源極與汲極(未顯示)、儲存電容106之儲存上電極(未顯示)及輔助電晶體109之一源極224與一汲極226，其中源極224會覆蓋在第二電極122上方，並與第二電極122之一側部重疊，形成電性連接。

最後如圖13所示，於基板110上全面沈積一保護層232，覆蓋於基板110上，如此一來即可完成本實施例之偵測電容之結構。值得注意的是，上述圖10至圖13之製作步驟，主要係以形成輔助電晶體109以及偵測電容108之結構來做說明，但孰悉該項技藝與通常知識者均可理解，本實施例於形成輔助電晶體109以及偵測電容108之結構時，亦能同時形成所需之薄膜電晶體104與儲存電容106，請參閱前述說明與相對應之圖2至圖5之步驟，因此同樣也相容於現有的五道光罩步驟。

由上述可知，本發明之實施例所提出之偵測電容結構，其半導體材質經光電效應後會產生的一電容變化值，在透過不同的資料輸出線(或資料線)後，即可感知手指的觸碰位置。於本發明之實施例的架構中，不僅可以達到多點觸碰的效果，相較於習知以非基矽薄膜電晶體為感光元件時，可避免容易因長時間的照光而產生元件衰退的現象，故具有較長的使用壽命。另外，本發明之實施例的偵測電容也毋需透過訊號放大器來放大訊號，因此並不需要在基板上形成額外的訊號放大器，可增加產品的開口率而具有較佳的顯示品質。此外，本發明之實施例的偵測電容之製作方法，也完全相容於現有薄膜電晶體陣列之製程，毋需額外的設計與改良。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100．．．掃描線

102．．．資料線

103．．．偵測掃描線

104．．．薄膜電晶體

106．．．儲存電容

108．．．偵測電容

109．．．輔助電晶體

110．．．基底

112,212．．．閘極

114．．．儲存下電極

116．．．第一電極

118,218．．．介電層

119．．．資料輸出線

120,220．．．通道層

122．．．第二電極

124,224．．．源極

126,226．．．汲極

128．．．儲存上電極

130．．．輸出電極

132,232．．．保護層

134．．．通孔

136．．．畫素電極

圖1為本發明之一實施例中一種觸控式螢幕結構的等效電路示意圖。

圖2至圖6為本發明之一實施例中一種製作觸控式螢幕結構的方法示意圖。

圖7為本發明之一實施例之偵測電容上視示意圖。

圖8為本發明之一實施例之偵測電容達到多點觸控之示意圖。

圖9為本發明之一實施例之偵測電容結構的示意圖。

圖10至圖13為本發明之一實施例中偵測電容結構的製作方法示意圖。

100．．．掃描線

102．．．資料線

104．．．薄膜電晶體

106．．．儲存電容

108．．．偵測電容

119．．．資料輸出線

Claims (19)

1. 一種觸控螢幕結構，包含：一基板；複數條掃描線，設置於該基板上；複數條資料線，設置於該基板上，且該些資料線與該些掃描線相配合而於該基板上劃分出複數個呈陣列排列之畫素區域；複數條資料輸出線，設置於該基板上，其中每該條資料輸出線設置於每該條資料線旁；複數個薄膜電晶體，分別設置於該些畫素區域內，且各該薄膜電晶體係電性連接至其所對應之該掃描線與該資料線；以及複數個偵測電容，分別設置於該些畫素區域內，且各該偵測電容係電性連接至其所對應之該掃描線與該資料輸出線。
2. 如申請專利範圍第1項之觸控螢幕結構，其中該偵測電容包含：一第一電極，設置於該基板上，並與對應之該掃描線電性連接；一介電層，設置於該第一電極上；一第二電極，設置於該介電層上，其中該第二電極、該介電層與該第一電極形成一電容結構；以及一輸出電極，該輸出電極與該第二電極以及相對應之該資料輸出線電性連接。
3. 如申請專利範圍第2項之觸控螢幕結構，其中該第二電極以其一側部與該輸出電極電性連接。
4. 如申請專利範圍第2項之觸控螢幕結構，其中該第一電極包含 金屬。
5. 如申請專利範圍第2項之觸控螢幕結構，其中該第二電極包含一半導體層以及一重摻雜半導體層。
6. 如申請專利範圍第2項之觸控螢幕結構，其中該第二電極包含非晶矽。
7. 如申請專利範圍第2項之觸控螢幕結構，其中該輸出電極包含金屬。
8. 一種形成觸控螢幕結構的方法，包含：提供一基板；於該基板上形成一閘極以及一第一電極；於該基板上形成一介電層，覆蓋住該閘極以及該第一電極；於該介電層之位於該閘極上之部分形成一通道層，且於該介電層之位於該第一電極上之部分形成一第二電極；於該通道層上形成一源極與一汲極，且於該第二電極上形成一輸出電極；於該基板上形成一保護層，並於該保護層中形成一通孔，該通孔對應設置於該汲極上；以及於該基板上形成一畫素電極，其中該畫素電極透過該通孔與該汲極電性連接。
9. 如申請專利範圍第8項之形成觸控螢幕結構的方法，其中該第二電極以其一側部與該輸出電極電性連接。
10. 如申請專利範圍第8項之形成觸控螢幕結構的方法，其中該第一電極包含金屬。
11. 如申請專利範圍第8項之形成觸控螢幕結構的方法，其中該第二電極包含一半導體層以及一重摻雜半導體層。
12. 如申請專利範圍第8項之形成觸控螢幕結構的方法，其中該輸出電極包含金屬。
13. 一種觸控螢幕結構，包含：一基板；複數條掃描線，設置於該基板上；複數條資料線，設置於該基板上，且該些資料線與該些掃描線相配合而於該基板上劃分出複數個呈陣列排列之畫素區域；複數條偵測掃描線，設置於該基板上，其中每該條偵測掃描線設置於每該條掃描線旁；複數條共用配線，設置於該基板上；複數個薄膜電晶體，分別設置於該些畫素區域內，且各該薄膜電晶體係電性連接至其所對應之該掃描線與該資料線；複數個輔助電晶體，分別設置於該些畫素區域內，且各該輔助電晶體係電性連接至其所對應之該偵測掃描線與該資料線；以及複數個偵測電容，分別設置於該些畫素區域內，且各該偵測電容係電性連接至其所對應之該共用配線與該輔助電晶體。
14. 如申請專利範圍第13項之觸控螢幕結構，其中該輔助電晶體包含：一閘極，設置於該基板上，並與對應之該偵測掃描線電性連接；一介電層，設置於該閘極上；一源極與一汲極，設置於該介電層上，其中該汲極與對應之該資料線電性連接；以及一保護層，設置於該源極與該汲極上。
15. 如申請專利範圍第14項之觸控螢幕結構，其中該偵測電容包 含：一第一電極，設置於該基板上，並與對應之該共用配線電性連接；該介電層，設置於該第一電極上；以及一第二電極，設置於該介電層上，其中該第二電極、該介電層與該第一電極形成一電容結構，該輔助電晶體之該源極與該第二電極電性連接。
16. 如申請專利範圍第15項之觸控螢幕結構，其中該第二電極以其一側部與該輔助電晶體之該源極電性連接。
17. 如申請專利範圍第15項之觸控螢幕結構，其中該第一電極包含金屬。
18. 如申請專利範圍第16項之觸控螢幕結構，其中該第二電極包含一半導體層以及一重摻雜半導體層。
19. 一種形成觸控螢幕結構的方法，包含：提供一基板；於該基板上形成一閘極、一輔助閘極以及一第一電極；於該基板上形成一介電層，該介電層覆蓋於該閘極、該輔助閘極以及該第一電極上；於該介電層之位於該閘極上之部份形成一通道層，於該介電層之位於該輔助閘極上之部份形成一輔助通道層，且於該介電層之位於該第一電極上之該部份形成一第二電極；於該通道層上形成一源極與一汲極，於該輔助通道層上形成一輔助源極與一輔助汲極，其中該輔助源極與該第二電極電性連接；於該基板上形成一保護層，覆蓋住該源極、汲極、該輔助源極、 該輔助汲極以及該第二電極。