TWI448950B - 自調式光感觸控電路及其顯示裝置 - Google Patents

Description

自調式光感觸控電路及其顯示裝置

本發明是有關於一種觸控電路及顯示裝置，且特別是有關於一種自調式光感觸控電路及其顯示裝置。

目前觸控面板技術大致上具有以下幾種類型：電阻式、電容式、光學式、電磁式、超音波式、內嵌式液晶面板(LCD In-Cell，其可分為電阻、電容、光學三種)。在內嵌式光感觸控面板的顯示器中，係利用不同照光強度所造成的漏電流大小差異，作為內嵌式光感觸控面板中的光感應元件是否導通的條件，進而判斷內嵌式光感觸控面板有無被觸控。

舉例來說，光感應元件包括有薄膜電晶體等所構成。所述的光感應元件在手指觸碰、環境光照射及光筆觸控下的薄膜電晶體漏電流分別對應為第一電流值、第二電流值及第三電流值。因此，當光感應元件接受光強度較大時，薄膜電晶體的漏電流Ids也就較大，也就是說，第一電流值小於第二電流值小於第三電流值。接著，將薄膜電晶體漏電流的差異所產生的電荷量差異，經由積分器轉為輸出電壓，再藉由判斷輸出電壓的值則可了解為有觸控或無觸控。

上述的判斷過程，僅就單一個薄膜電晶體作舉例說明。然而，在一個觸控面板中可由上萬個光感應元件所構成，而所述的觸控面板中的各薄膜電晶體的電流電壓曲線可能不全相同。如圖1所示，第一薄膜電晶體TFTA與第二薄膜電晶體TFTB的電流電壓曲線即具有差異。舉例來說，在照光與無照光的情況下，同一個閘電壓Vgs的值(例如，-3伏特)，對第一薄膜電晶體TFTA可有效判斷出有觸控與無觸控的結果，但對第二薄膜電晶體TFTB卻出現誤判的結果。因此，基於各薄膜電晶體的特性差異，可能使光感應元件對觸控的判斷產生誤判。

本發明提出一種自調式光感觸控電路及其顯示裝置，係利用可調變電容值的電容器，增加光感應元件的閘電壓差範圍，以降低光感應元件誤判的機率。

因此，本發明的自調式光感觸控電路包括有光感應元件、可變電容器與開關元件。所述的光感應元件可用以感測觸控狀態，並接收第一控制訊號，且由第一控制訊號的位準致能所述的光感應元件。可變電容器與光感應元件耦接。所述的可變電容器可根據其兩端所施加的電壓差改變其電容值。開關元件與可變電容器耦接。所述的開關元件可接收第二控制訊號，且由第二控制訊號的位準致能所述的開關元件。

另外，本發明的自調式光感觸控顯示裝置包括有至少一條掃瞄線、至少一條資料線、複數個顯示畫素單元及至少一個自調式光感觸控電路。所述的複數個顯示畫素單元係分別與耦接至各掃瞄線與各資料線。所述的自調式光感觸控電路包括有光感應元件、可變電容器與開關元件。所述的光感應元件可用以感測觸控狀態，並接收第一控制訊號，且由第一控制訊號的位準致能所述的光感應元件。可變電容器與光感應元件耦接。所述的可變電容器可根據其兩端所施加的電壓差改變其電容值。開關元件與可變電容器耦接。所述的開關元件可接收第二控制訊號，且由第二控制訊號的位準致能所述的開關元件。

綜上所述，本發明的自調式光感觸控電路及其顯示裝置，係利用可變電容器可自動調變電容值的特性，當觸控電路不照光時，可變電容器自動調變成較小的電容值，因此所儲存的電荷小。當觸控電路被照光時，可變電容器則調變成較大的電容值，因此所儲存的電荷大，藉此使照光與不照光的電荷差距更大。換言之，可增加光感應元件的閘電壓差範圍，進而提升光感應元件及其觸控顯示裝置的靈敏度與準確性。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照圖2，圖2係為本發明第一實施例之電路示意圖。如圖2所示，本發明第一實施例之自調式光感觸控電路100包括有光感應元件10、可變電容器20與開關元件30。

光感應元件10可用以感測相應於使用者操作的觸控狀態。所述的光感應元件10可例如是光電薄膜電晶體。所述的光感應元件10可接收第一控制訊號Gn+1，且由所述的第一控制訊號Gn+1的位準致能所述的光感應元件10。舉例來說，高位準的第一控制訊號Gn+1可使所述的光感應元件10導通。所述的光感應元件10具有第一端(例如，閘極)13、第二端(例如，汲極)15與第三端(例如，源極)17。所述的第一端13接收第一控制訊號Gn+1。所述的第三端17接收第三控制訊號Sn+1。

可變電容器20與光感應元件10耦接。更具體的說，可變電容器20具有第一端23與第二端25。所述的第一端23耦接至光感應元件10的第二端15。所述的第二端25接收參考電壓Vc1。所述的可變電容器20可根據其兩端所施加的電壓差改變其電容值。舉例來說，當可變電容器20兩端的端電壓差愈大時，則可變電容器20的電容值愈小。換句話說，所述的端電壓差與所述的電容值成一反比關係。所述的可變電容器20可例如是金氧半電容器(MIS capacitor)。

開關元件30與所述的可變電容器20耦接。所述的開關元件30接收第二控制訊號Gn，且由所述的第二控制訊號Gn的位準致能所述的開關元件30。舉例來說，高位準的第二控制訊號Gn可使所述的開關元件30導通。所述的開關元件30可例如是金氧半場效電晶體開關或薄膜電晶體開關。所述的開關元件30具有第一端(例如，閘極)33、第二端(例如，汲極)35與第三端(例如，源極)37。所述的第一端33接收第二控制訊號Gn。所述的第二端37耦接至可變電容器20的第一端23。所述的第三端37耦接至資料線(或稱讀取線)。藉此，以提供輸出電壓Vout至下一級電路(圖中未示)。

接下來，請參照圖3，圖3為本發明第一實施例之訊號時序示意圖。如圖2與圖3所示，以下說明自調式光感觸控電路100的運作原理，而自調式光感觸控電路100的運作過程可分為讀取、重置與感測階段。

首先，在讀取階段中，當第二控制訊號Gn為高位準時，則開關元件30為導通，可變電容器20的第一端23的端電壓Va0隨時間被提升為第一電壓值Va1(或參考電壓Vref(如圖9所示))。

在重置階段中，當第一控制訊號Gn+1與第三控制訊號Sn+1為高位準，且第二控制訊號Gn為低位準時，則開關元件30為斷開，光感應元件10為導通，第一電壓值Va1隨著時間被提升至第二電壓值Va2。所述的第二電壓值Va2接近所述的第三控制訊號Sn+1的電壓值。另外，於所述的第一控制訊號Gn+1與所述的第三控制訊號Sn+1為高位準時，第一控制訊號Gn+1與第三控制訊號Sn+1的上升緣落後第二控制訊號Gn的上升緣。

在感測階段中，當第一控制訊號Gn+1與第三控制訊號Sn+1為低位準，且第二控制訊號Gn為低位準時，則開關元件30為斷開，光感應元件10為斷開，光感應元件10的閘電壓Vgs的值為低位準的第一控制訊號Gn+1減去低位準的第三控制訊號Sn+1。因此，端電壓Va0隨著時間由第二電壓值Va2開始下降。

接著，回到讀取階段，當第二控制訊號Gn再次為高位準時，則開關元件30為導通，可變電容器20的第一端23的端電壓Va0隨時間又被提升為第一電壓值Va1(或參考電壓Vref)。

因此，當不照光時，端電壓Va0的電壓值大，造成電壓差△V小，可變電容器20的電容值自動變小，故可變電容器20所儲存的電荷小。所述的電壓差△V為參考電壓Vc1減去端電壓Va0。接著，當第二控制訊號Gn再次為高位準時，積分器電路150(如圖9所示)依照目前端電壓Va0的電壓值與參考電壓Vref的關係判斷觸控的狀態。更具體的說，在讀取階段中，當端電壓Va0未低於參考電壓Vref時，則判定為無觸控狀態。

當照射強光時，端電壓Va0的電壓值小，造成電壓差△V大，可變電容器20的電容值自動變大，故可變電容器20所儲存的電荷大。同樣的，當第二控制訊號Gn再次為高位準時，積分器電路150依照目前端電壓Va0的電壓值與參考電壓Vref的關係判斷觸控的狀態。更具體的說，在讀取階段中，當端電壓Va0低於參考電壓Vref且等於一預定電壓值時，則判定為有觸控狀態。所述的參考電壓Vref高於所述的預定電壓值。值得一提的是，本發明各實施例中所述的觸控狀態的判定僅為舉例說明，並非用以作為限制條件，而觸控狀態的判定主要取決於後端偵測電路(即積分器電路150)的架構或設定值。

請參照圖4A與圖4B，圖4A與圖4B分別為習知技術與本發明第一實施例之輸出電壓差與閘電壓的曲線圖。如圖4A所示，習知技術使用一般固定電容值的電容器，光感應元件10的閘電壓Vgs的範圍的大約從-3.8伏特至-1.2伏特。如圖4B所示，在使用本發明第一實施例可變電容器20之後，光感應元件10的閘電壓Vgs的範圍的大約從-3.5伏特至5.2伏特。因此，光感應元件10的可操作區間的範圍約略為習知技術的3倍。值得一提的是，由於光感應元件10的可操作區間的範圍增大，故可降低光感應元件10的誤判機率，並相對提升光感應元件10的靈敏度與精確度。

請參照圖5，圖5為本發明第二實施例之電路圖。本發明第二實施例與第一實施例之差別在於：第二實施例中的可變電容器20的連接方式與第一實施例相反。更具體的說，第二實施例中的可變電容器20的第一端23接收參考電壓Vc1，而第二端25耦接至光感應元件10的第二端15。

值得注意的是，在第二實施例中，光感應元件10的第三端所接收的第三控制訊號Sn+1為低位準(例如，-6伏特至-16伏特)。此點與第一實施例剛好相反，當可變電容器20之電壓差△V大時，其電容值小；當可變電容器20之電壓差△V小時，其電容值大，其餘元件的連接關係與第一實施例相同，以下不再贅述。

請參照圖6，圖6為本發明第二實施例之訊號時序示意圖。如圖5與圖6所示，以下說明自調式光感觸控電路110的運作原理，而自調式光感觸控電路100的運作過程可分為讀取、重置與感測階段。

首先，在讀取階段中，當第二控制訊號Gn為高位準時，則開關元件30為導通，可變電容器20的第一端23的端電壓Va0隨時間下降至第一電壓值Va1。

在重置階段中，當第一控制訊號Gn+1為高位準，第三控制訊號Sn+1為低位準，且第二控制訊號Gn為低位準時，則開關元件30為斷開，光感應元件10為導通，端電壓Va0隨時間由第一電壓值Va1下降至第二電壓值Va2。另外，於所述的第一控制訊號Gn+1為高位準與所述的第三控制訊號Sn+1為低位準時，第一控制訊號Gn+1的上升緣與第三控制訊號Sn+1的下降緣落後第二控制訊號Gn的上升緣。

在感測階段中，當第一控制訊號Gn+1與第三控制訊號Sn+1為低位準，且第二控制訊號Gn為低位準時，則開關元件30為斷開，光感應元件10為斷開，光感應元件10的閘電壓Vgs的值為低位準的第一控制訊號Gn+1減去端電壓Va0。因此，端電壓Va0隨著時間由第二電壓值Va2開始上升。

接著，回到讀取階段，當第二控制訊號Gn再次為高位準時，則開關元件30為導通，可變電容器20的第一端23的端電壓Va0隨時間又被提升為第一電壓值Va1。

因此，當不照光時，端電壓Va0的值小，造成電壓差△V大，可變電容器20的電容值自動變小，故可變電容器20所儲存的電荷小。所述的電壓差△V為參考電壓Vc1減去端電壓Va0。接著，當第二控制訊號Gn再次為高位準時，積分器電路150(如圖9所示)依照目前端電壓Va0的電壓值與參考電壓Vref的關係判斷觸控的狀態。更具體的說，當端電壓Va0未高於參考電壓Vref時，則判定為無觸控狀態。

當照射強光時，端電壓Va0的值大，造成電壓差△V小，可變電容器20的電容值自動變大，故可變電容器20所儲存的電荷大。最後，當第二控制訊號Gn再次為高位準時，積分器電路150(如圖9所示)依照目前端電壓Va0的電壓值與參考電壓Vref的關係判斷觸控的狀態。更具體的說，當端電壓Va0高於參考電壓Vref且等於一預定電壓時，則判定為有觸控狀態。所述的參考電壓Vref低於所述的預定電壓值。

請參照圖7A與圖7B，圖7A與圖7B分別為習知技術與本發明第二實施例之輸出電壓差與閘電壓的曲線圖。如圖7A所示，習知技術使用一般固定電容值的電容器，光感應元件10的閘電壓Vgs的範圍的大約從0伏特至4伏特。如圖7B所示，在使用本發明第二實施例可變電容器20之後，且光感應元件10的第三端17接收低位準(例如，-6伏特至-16伏特)的第三控制訊號Sn+1。光感應元件10的閘電壓Vgs的範圍的大約從2伏特至-10伏特。因此，光感應元件10的可操作區間的範圍約略為習知技術的3倍。值得一提的是，由於光感應元件10的可操作區間的範圍增大，故可降低光感應元件10的誤判機率，並相對提升光感應元件10的靈敏度與精確度。

請參照圖8，圖8為本發明實施例之可變電容器之結構示意圖。如圖8所示，可變電容器20為垂直式堆疊結構。所述的可變電容器20可透過物理氣相沈積(Physical Vapor Deposition，PVD)工序或化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，CVD)工序製作而成。所述的可變電容器20包括有金屬層201、半導體層203、絕緣層205(或稱氧化層)與金屬層207。

一般來說，藉由半導體層203內的載子會隨所施加的端電壓引起遷移，導致絕緣層205與半導體層203之間的界面發生所述載子的累積、空乏、反轉等現象，進而影響可變電容器20的電容值。另外，在本發明的另一實施例中，亦可將金屬層201省略。

值得一提的是，由於可變電容器20的結構簡單，容易製作，因此不太會影響原本觸控顯示器的製程。換言之，本發明實施例的自調式光感觸控電路並不太會影響原本觸控顯示器的良率與產能，但卻可提升觸控顯示器的靈敏度與精確度。

請參照圖9，圖9為本發明實施例之顯示裝置之局部電路方塊圖。顯示裝置900包括有至少一條掃瞄線、至少一條資料線、顯示畫素單元130、顯示畫素單元131、自調式光感觸控電路100、自調式光感觸控電路101與積分器電路150。

顯示畫素單元130係分別與耦接至掃瞄線與資料線。顯示畫素單元130包括有薄膜電晶體Q1、液晶電容器C1與儲存電容器C2。薄膜電晶體Q1的閘極耦接至水平方向的掃瞄線上，而薄膜電晶體Q1的源極耦接至垂直方向的資料線上，薄膜電晶體Q1的汲極耦接至液晶電容器C1與儲存電容器C2的一端。

當水平方向的掃描線上施加足夠的電壓時，可使得掃瞄線上的薄膜電晶體Q1導通。此時，所述掃瞄線上的薄膜電晶體Q1的汲極會與垂直方向的資料線連接，而將資料線上的視訊訊號電壓寫入至顯示畫素單元130的液晶電容器C1與儲存電容器C2中，藉此，控制不同液晶(圖中未示)的透光度進而達到控制色彩的效果。

自調式光感觸控電路100包括有光感應元件10、可變電容器20與開關元件30。自調式光感觸控電路100中的開關元件30的源極耦接至資料線(或稱讀出線)，而資料線一端耦接至積分器電路150中的運算放大器OP的第一端。所述的運算放大器OP的第一端與運算放大器OP的輸出端之間還並聯有電容器Cfb與多工器Mux。所述的運算放大器OP第二端接收參考電壓Vref。

當不照光時，且掃描線上施加足夠的電壓時，則開關元件30導通，此時可使可變電容器20一端的端電壓Va0被設定為參考電壓Vref。接著，當第一控制訊號Gn+1與第三控制訊號Sn+1為高位準，且掃瞄線(或是第二控制訊號Gn)為低位準時，則開關元件30為斷開，光感應元件10為導通。當第一控制訊號Gn+1與第三控制訊號Sn+1為低位準，且掃瞄線(或是第二控制訊號Gn)為低位準時，則開關元件30為斷開，光感應元件10為斷開。

由於不照光時，端電壓Va0的值大，造成電壓差△V小，可變電容器20的電容值自動變小，故可變電容器20所儲存的電荷小。當掃瞄線(或是第二控制訊號Gn)再次為高位準時，開關元件30為導通，而積分器電路150依照所積分到的電荷大小判斷為無觸控的狀態，並輸出相應於無觸控狀態的輸出電壓Vout。

當照射強光時，端電壓Va0的值小，造成電壓差△V大，可變電容器20的電容值自動變大，故可變電容器20所儲存的電荷大。換句話說，當光感應元件10所接收的光照度愈高時，則可變電容器20的電容值愈高。當掃瞄線(或是第二控制訊號Gn)再次為高位準時，開關元件30為導通，而積分器電路150依照所積分到的電荷大小判斷為有觸控的狀態，並輸出相應於有觸控狀態的輸出電壓Vout。

值得注意的是，本發明上述實施例中的觸控結果的判定是以光筆操作方式舉例作說明，若是以手指進行操作時，則觸控結果的判定恰巧與光筆操作方式相反。

同樣的，顯示畫素單元131可具有與顯示畫素單元130相同的電路結構與作動原理，以及自調式光感觸控電路101可具有與自調式光感觸控電路100相同的電路結構與作動原理，以下不再贅述。另外，若有其他設計考量時，在本發明的實施例中皆可省略積分器電路150。

綜上所述，本發明的自調式光感觸控電路及其顯示裝置，係利用可變電容器可自動調變電容值的特性，當觸控電路不照光時，可變電容器自動調變成較小的電容值，因此所儲存的電荷小。當觸控電路被照光時，可變電容器則調變成較大的電容值，因此所儲存的電荷大，藉此使照光與不照光的電荷差距更大。換言之，可增加光感應元件的閘電壓差範圍，進而提升光感應元件及其觸控顯示裝置的靈敏度與準確性。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．光感應元件

100．．．自調式光感觸控電路

101．．．自調式光感觸控電路

110．．．自調式光感觸控電路

13．．．第一端

130．．．畫素顯示單元

131．．．畫素顯示單元

15．．．第二端

150．．．積分器電路

17．．．第三端

20．．．可變電容器

201．．．金屬層

203．．．半導體層

205．．．絕緣層

207．．．金屬層

23．．．第一端

25．．．第二端

30．．．開關元件

33．．．第一端

35．．．第二端

37．．．第三端

900．．．自調式光感觸控顯示裝置

C1．．．液晶電容器

C2．．．儲存電容器

Cfb．．．電容器

Gn．．．第二控制訊號

Gn+1．．．第一控制訊號

Ids．．．漏電流

Mux．．．多工器

OP．．．運算放大器

Q1．．．薄膜電晶體

Sn+1．．．第三控制訊號

TFTA．．．第一薄膜電晶體

TFTB．．．第二薄膜電晶體

Va0．．．端電壓

Va1．．．第一電壓值

Va2．．．第二電壓值

Vout‧‧‧輸出電壓

Vc1‧‧‧參考電壓

Vref‧‧‧參考電壓

△V‧‧‧電壓差

△Vout‧‧‧輸出電壓差

圖1繪示為習知技術之薄膜電晶體之電流電壓曲線圖。

圖2繪示為本發明第一實施例之電路示意圖。

圖3繪示為本發明第一實施例之訊號時序示意圖。

圖4A繪示為習知技術之輸出電壓差與閘電壓的曲線圖。

圖4B繪示為本發明第一實施例之輸出電壓差與閘電壓的曲線圖。

圖5繪示為本發明第二實施例之電路示意圖。

圖6繪示為本發明第二實施例之訊號時序示意圖。

圖7A繪示為習知技術之另一輸出電壓差與閘電壓的曲線圖。

圖7B繪示為本發明第二實施例之輸出電壓差與閘電壓的曲線圖。

圖8繪示為本發明實施例之可變電容器之結構示意圖。

圖9繪示為本發明實施例之顯示裝置之局部電路方塊圖。

10．．．光感應元件

100．．．自調式光感觸控電路

13．．．第一端

15．．．第二端

17．．．第三端

20．．．可變電容器

23．．．第一端

25．．．第二端

30．．．開關元件

33．．．第一端

35．．．第二端

37．．．第三端

Gn．．．第二控制訊號

Gn+1．．．第一控制訊號

Sn+1．．．第三控制訊號

Vc1．．．參考電壓

Vout．．．輸出電壓

Claims (12)

1. 一種自調式光感觸控電路，包括有：一光感應元件，用以感測一觸控狀態，並接收一第一控制訊號，且由該第一控制訊號的位準致能該光感應元件；一可變電容器，與該光感應元件耦接，該可變電容器根據其兩端所施加的電壓差改變其電容值；及一開關元件，與該可變電容器耦接，並接收一第二控制訊號，且由該第二控制訊號的位準致能該開關元件，其中該光感應元件具有一第一端、一第二端與一第三端，該光感應元件的該第一端接收該第一控制訊號，該光感應元件的該第二端與該可變電容器耦接，該光感應元件的該第三端接收一第三控制訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自調式光感觸控電路，其中該可變電容器具有一第一端與一第二端，該可變電容器的該第一端與該光感應元件的該第二端耦接，該可變電容器的該第二端接收一參考電壓。
3. 如申請專利範圍第2項所述之自調式光感觸控電路，其中於該第一控制訊號為高位準時，該第三控制訊號為高位準，且該第一控制訊號與該第三控制訊號的上升緣落後該第二控制訊號的上升緣。
4. 如申請專利範圍第3項所述之自調式光感觸控電路，其中於該第二控制訊號為高位準時，該可變電容器的該第二端 的電壓上升至第一電壓值，於該第二控制訊號為低位準且該第一控制訊號與該第三控制訊號為高位準時，該可變電容器的該第二端的電壓上升至一第二電壓值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之自調式光感觸控電路，其中該可變電容器具有一第一端與一第二端，該可變電容器的該第一端接收一參考電壓，該可變電容器的該第二端與該光感應元件的該第二端耦接。
6. 如申請專利範圍第5項所述之自調式光感觸控電路，其中於該第一觸訊號為高位準時，該第三控制訊號為低位準，且該第一控制訊號與該第三控制訊號的下降緣落後該第二控制訊號的上升緣。
7. 如申請專利範圍第6項所述之自調式光感觸控電路，其中於該第二控制訊號為高位準時，該可變電容器的該第一端的電壓下降至第一電壓值，於該第二控制訊號與該第三控制訊號為低位準且該第一控制訊號為高位準時，該可變電容器的該第一端的電壓下降至一第二電壓值。
8. 如申請專利範圍第1項所述之自調式光感觸控電路，其中該開關元件具有一第一端、一第二端與一第三端，該開關元件的該第一端接收該第二控制訊號，該開關元件的該第二端耦接於該光感應元件的該第二端。
9. 如申請專利範圍第8項所述之自調式光感觸控電路， 其中還包括有一積分器耦接於該開關元件的該第三端，用以輸出相應於該觸控狀態的觸控訊號。
10. 如申請專利範圍第1項所述之自調式光感觸控電路，其中該光感應元件所接收的光照度愈高時，則該可變電容器的電容值愈高。
11. 一種自調式光感觸控顯示裝置，包括有：至少一掃瞄線；至少一資料線；複數個顯示畫素單元，係分別與耦接至該掃瞄線與該資料線；及至少一自調式光感觸控電路，包括有：一光感應元件，用以感測一觸控狀態，並接收一第一控制訊號，且由該第一控制訊號的位準致能該光感應元件；一可變電容器，與該光感應元件耦接，該可變電容器根據其兩端所施加的電壓差改變其電容值；及一開關元件，與該可變電容器耦接，並接收一第二控制訊號，且由該第二控制訊號的位準致能該開關元件，其中該光感應元件所接收的光照度愈高時，則該可變電容器的電容值愈高。
12. 如申請專利範圍第11項所述之自調式光感觸控顯示裝置，其中該光感應元件為光電薄膜電晶體。