TWI509471B - 觸控顯示系統以及具有觸控功能之顯示面板 - Google Patents

觸控顯示系統以及具有觸控功能之顯示面板 Download PDF

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TWI509471B
TWI509471B TW102125242A TW102125242A TWI509471B TW I509471 B TWI509471 B TW I509471B TW 102125242 A TW102125242 A TW 102125242A TW 102125242 A TW102125242 A TW 102125242A TW I509471 B TWI509471 B TW I509471B
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Chihche Kuo
Tokuro Ozawa
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Description

觸控顯示系統以及具有觸控功能之顯示面板
本案係有關於一種觸控顯示面板，尤指一種將觸控功能整合至顯示面板中的觸控顯示系統。
一般來說，觸控顯示面板藉由將透明的觸控感測模組貼合於顯示面板上，以同時實現觸控及顯示功能。隨著上述觸控硬體及其感測精度的快速發展，新穎的觸控輸入介面也逐漸受到大家關注，逐漸取代傳統的鍵盤、滑鼠等輸入裝置。
目前已開發出的觸控輸入技術有許多不同種類，如電阻式(resistive)、表面聲波式(surface acoustic wave)、表面電容式(surface capacitance)、投影電容式(projected capacitance)、紅外線式(infrared)、光學式(optical imaging)、電磁感應式(Electro Magnetic Resonance,EMR)等觸控輸入技術。傳統的觸控感測模組與顯示面板各自獨立，觸控感測用的感測層是額外貼合在顯示面板的表面上，將使得觸控顯示面板的整體厚度變得更厚。
以電磁感應式的感測方式為例，首先藉由觸控筆中的磁性元件建立磁場，在觸控顯示面板中額外設置相對應的磁感應線圈，利用磁感應線圈感測面板上磁場的變化量來得知觸控筆的觸碰位置。電磁感應式的觸控技術具有極高的精確度，然而，額外設置的磁感應線圈將增加面板的整體厚度，與目前顯示面板薄型化的趨勢相違背。
本案揭示內容之一態樣是在提供一種觸控顯示系統，其包括觸控筆、顯示面板以及觸控模組。觸控筆包含磁性元件。觸控模組設置於顯示面板中，其中觸控模組包含複數個感應單元以陣列方式分佈於該顯示面板不同位置，複數個感應單元各自包含一霍爾感應導板用以感應該磁性元件所建立之磁場並形成一感應輸出電壓，觸控模組根據該些感應輸出電壓偵測該觸控筆所輸入之一觸控位置。
本案揭示內容之另一態樣是在提供一種具有觸控功能之顯示面板，配合偵測觸控筆的觸控輸入位置，觸控筆包含磁性元件，顯示面板包含顯示驅動電路層以及觸控模組。觸控模組與顯示驅動電路層整合設置，其中觸控模組包含複數個感應單元以陣列方式分佈於顯示面板不同位置，複數個感應單元各自包含霍爾感應導板用以感應磁性元件所建立之磁場並形成感應輸出電壓，觸控模組根據些感應輸出電壓偵測觸控筆所輸入之觸控位置。
為讓本案之實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下：
100‧‧‧觸控顯示系統
120‧‧‧顯示面板
122‧‧‧閘極驅動電路
124‧‧‧資料驅動電路
140‧‧‧觸控模組
142‧‧‧感應單元
142a‧‧‧霍爾感應導板
142b‧‧‧電訊號源
142c‧‧‧訊號放大器
144‧‧‧差動比較電路
S1‧‧‧第一開關
S2‧‧‧第二開關
160‧‧‧觸控筆
162‧‧‧磁性元件
146、166‧‧‧時脈控制單元
148、168‧‧‧通訊單元
VH+ 、VH- ‧‧‧電位
VH ‧‧‧感應輸出電壓
VHO ‧‧‧第一感應輸出電壓
VHE ‧‧‧第二感應輸出電壓
VD ‧‧‧電壓差值
VREF ‧‧‧基準值
RD‧‧‧讀取訊號
CC‧‧‧電源控制訊號
GT1、GT2‧‧‧閘極訊號
SYNC‧‧‧同步訊號
POL‧‧‧切換極性信號
SW1、SW2、SW3、SW4‧‧‧開關
164a、164b‧‧‧電流源
PIX、PIX1、PIX2‧‧‧畫素電晶體
LTFT ‧‧‧顯示驅動電路層
LBL ‧‧‧背光模組層
LFe ‧‧‧鐵磁材料層
P1‧‧‧第一時段
P2‧‧‧第二時段
P3‧‧‧第三時段
B‧‧‧磁場
為讓本案能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖繪示根據本案之一實施例中一種觸控顯示系統的示意圖；第2圖繪示第1圖之實施例中觸控模組中每一個感應單元的示意圖；第3圖繪示第2圖之實施例中感應單元的相關訊號波形圖；第4A圖繪示根據本案之一實施例中一種觸控模組中差動比較電路的示意圖；第4B圖繪示與第4A圖之實施例相對應之觸控筆的示意圖；第4C圖繪示與第4A圖與第4B圖之差動比較電路與觸控筆的相關訊號波形圖；第5圖繪示根據本案之一實施例中霍爾感應導板整合設置於一種顯示面板中的剖面示意圖；以及第6圖繪示根據本案之另一實施例中霍爾感應導板整合設置於另一種顯示面板中的剖面示意圖。
以下將以圖式揭露本案之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本案。也就是說，在本案部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構 與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
請參閱第1圖，其繪示根據本案之一實施例中一種觸控顯示系統100的示意圖。如圖所示，觸控顯示系統100包含觸控筆160、顯示面板120以及設置於顯示面板120中的觸控模組140。
舉例來說，於第1圖之實施例中，顯示面板120中可包含閘極驅動電路122與資料驅動電路124等用來實現顯示功能的基本元件，且顯示面板120包含多個像素以矩陣(matrix)方式設置於顯示面板120上各個位置，有關顯示面板的基本架構為習知技藝之人所熟知，在此不另贅述。
於此實施例中，觸控模組140包含複數個感應單元142，感應單元142以陣列方式分佈於顯示面板120上的不同位置，舉例來說，對應顯示面板120上的每一個像素均可設置一個感應單元142(如第1圖所示)，但本揭示文件並不以此為限。
於其他實施例中，感應單元142彼此亦可間隔設置(例如每M行/每N列設置一個感應單元142，M,N分別為任意正整數，圖中未示)，或是感應單元142可與顯示用的各色子像素共同排列設置(例如R,G,B等三個子像素搭配一個感應單元142，圖中未示)。實際應用中，感應單元142的設置密度可根據製造成本、製程難易度、觸控精準度需求而調整。
於此實施例中，觸控筆160包含磁性元件162，磁性元件162用以建立磁場B。觸控模組140中的每個感應單 元142各自包含霍爾感應導板(第1圖中未示)用以感應磁性元件162所建立之磁場B，各個感應單元142可根據感測到的磁場B變化形成不同的感應輸出電壓。如此一來，觸控模組140根據各個感應單元142所產生的感應輸出電壓偵測觸控筆160所輸入之觸控位置，詳細的感測作法於後續段落詳細說明。
請一併參閱第2圖以及第3圖，第2圖繪示第1圖之實施例中觸控模組140中每一個感應單元142的示意圖，第3圖繪示第2圖之實施例中感應單元142的相關訊號波形圖。
如第2圖所示，每一個感應單元142中包含霍爾感應導板142a、電訊號源142b、訊號放大器142c、第一開關S1以及第二開關S2。
第一開關S1耦接於電訊號源142b與霍爾感應導板142a之間。第二開關S2耦接於霍爾感應導板142a與訊號放大器142c之間。
如第3圖所示，觸控感測期間(touch sensing period)包含第一時段P1與第二時段P2。於第一時段P1內，第一開關S1根據閘極訊號GT1而導通，電源控制訊號CC為高準位並經過第一開關S1驅動電訊號源142b，且電訊號源142b啟動並提供複數個自由電荷至霍爾感應導板142a。
請參考第2圖。當電訊號源142b所提供的自由電荷進入霍爾感應導板142a時，自由電荷會受到感應觸控筆160上的磁性元件162所建立之磁場B影響，因而在霍爾感 應導板142a的兩側形成感應電位差(即電位VH+ 與電位VH- 之間的電位差)。感應電位差經由訊號放大器142c處理形成感應輸出電壓VH 。
於第二時段P2內，第二開關S2根據另一閘極訊號GT2導通，藉此將感應輸出電壓VH 輸出至讀取訊號線(如第2圖與第3圖中的讀取訊號RD)。
另一方面，於待命期間(idle period)即第三時段P3內，電源控制訊號CC切換為低準位，因此不啟動電訊號源142b，停止將電荷送入霍爾感應導板142a。
在實際應用中，觸控筆160與觸控模組140中每一感應單元142的相對位置/相對距離不同，因此磁性元件162所建立的磁場B之大小與方向對於每一感應單元142中的霍爾感應導板142a有所差異。因此，每一個感應單元142隨著感應到的磁場B差異將形成不同的感應輸出電壓VH 。
觸控感測電路可讀取每一個感應單元142由讀取訊號RD回傳的感應輸出電壓VH ，偵測觸控筆160所輸入之觸控位置。
此外，為了提高觸控感測的精確度，本實施例更提出利用差動(differential)方式進行感應輸出電壓VH 之形成/偵測/判斷的進一步作法。如第3圖所示之實施例中，觸控模組140更進一步包含差動比較電路144，用以讀取訊號RD回傳的感應輸出電壓VH 。請一併參考第4A圖、第4B圖以及第4C圖。第4A圖繪示根據本案之一實施例中觸控模組100中差動比較電路144的示意圖，第4B圖繪示與第 4A圖之實施例相對應之觸控筆160的示意圖，第4C圖繪示與第4A圖與第4B圖之差動比較電路144與觸控筆160的相關訊號波形圖。
如第4B圖所示，於此實施例中，磁性元件162包含電磁感應線圈。觸控筆160更包含切換模組(即開關SW3與SW4)與電磁感應線圈(即磁性元件162)耦接，切換模組用以依切換時序提供正極性與負極性的兩電性訊號至該電磁感應線圈。例如於此實施例中，開關SW3與SW4分別串連相反方向的電流源164a與電流源164b。開關SW3與SW4依切換極性信號POL互斥地開啟，將電流源164a或電流源164b產生的電流送至電磁感應線圈(即磁性元件162)，藉此磁性元件162依切換極性信號POL的切換時序建立相反方向之第一磁場+B0 以及第二磁場-B0 (如第4C圖所示)。
相對應地，此時第4A圖中所示，對應每一個感應單元142之差動比較電路144，將依時序接收到感應第一磁場+B0 或第二磁場-B0 所產生的感應輸出電壓VH 。差動比較電路144亦包含切換模組(即開關SW1與SW2)，開關SW1與SW2分別串連各自的放大器，開關SW1與SW2依切換極性信號POL互斥地開啟。
互斥開啟的開關SW1與SW2將感應第一磁場+B0 或第二磁場-B0 所產生的感應輸出電壓VH 依時序分別處理，藉此分別產生第一感應輸出電壓VHO 以及第二感應輸出電壓VHE 。
舉例來說，在顯示時序上，第一磁場+B0 或第二磁 場-B0 可分別對應顯示驅動中的奇數圖框(odd frame)與偶數圖框(even frame)產生。第一感應輸出電壓VHO 以及第二感應輸出電壓VHE 分別代表奇數圖框與偶數圖框時的感應輸出電壓。
接著，差動比較電路144計算第一感應輸出電壓VHO 以及第二感應輸出電壓VHE 之電壓差值VD ，並將電壓差值VD 與觸控事件判斷的一基準值VREF 比較，藉此判斷各感應單元142是否發生觸控事件。
若僅採用單一方向磁場進行感應判斷時，感應單元142容易受到周遭其他環境磁場的大小而發生偏差。例如，周遭具有相當大的特定方向磁場，將可能使得整面觸控模組140誤感測到觸控事件，難以分辨觸控筆160的真實所在位置。
於上述差動方式的實施例中，每一個各感應單元142依序分別感應相反方向的第一磁場+B0 或第二磁場-B0 產生差動的第一感應輸出電壓VHO 以及第二感應輸出電壓VHE 並進行後續判斷。利用差動方式判斷，可排除周遭特定方向磁場的偏差值，針對觸控筆160所形成的反向第一磁場+B0 或第二磁場-B0 進行判斷，提高精準度。
於此例中，觸控模組140更包含時脈控制單元146與通訊單元148，觸控筆160更包含時脈控制單元166與通訊單元168。觸控模組140與觸控筆160兩端的切換極性信號POL分別由各自的時脈控制單元146與166提供，且兩時脈控制單元146與166彼此同步。
舉例來說，同時參考第4A圖至第4C圖，此實施例中的觸控模組140的時脈控制單元146送出切換極性信號POL控制開關SW1與SW2的同時，一併送出同步訊號SYNC至通訊單元148。通訊單元148將同步訊號SYNC發送至觸控筆160的通訊單元168。觸控筆160的時脈控制單元166根據通訊單元168所接收到的同步訊號SYNC產生切換極性信號POL。
須進一步說明的是，本實施例中的觸控模組140係整合設置於顯示面板120中，藉此可節約觸控顯示面板的整體厚度。
請參閱第5圖，其繪示根據本案之一實施例中霍爾感應導板142a整合設置於一種顯示面板120中的剖面示意圖。顯示面板120包含顯示驅動電路層LTFT ，更可進一步包含背光模組層LBL 以及鐵磁材料(Ferromagnetic material)層LFe 。觸控模組140中的霍爾感應導板142a整合設置於顯示面板120之顯示驅動電路層LTFT 中。
鐵磁材料層LFe 設置於顯示驅動電路層LTFT 與背光模組層LBL 的下方，鐵磁材料層LFe 用以穩定觸控筆160形成之磁場B的方向，用以確保磁場B主要為由上至下垂直通過霍爾感應導板142a。
第5圖例示性地繪示一種採用低溫多晶矽(Low Temperature Poly-silicon,LTPS)製程的顯示面板120。顯示驅動電路層LTFT 包含複數個畫素電晶體(於第5圖中例示性地繪示其中一個畫素電晶體PIX)，低溫多晶矽(Low Temperature Poly-silicon,LTPS)製程中觸控模組140之多個霍爾感應導板142a分別設置於多個畫素電晶體PIX上方的非結晶銦鎵鋅氧化(a-IGZO)薄膜，如第5圖所示，但本揭示文件並不以此為限。
第6圖繪示根據本案之另一實施例中霍爾感應導板整合設置於另一種顯示面板中的剖面示意圖。
第6圖所示之顯示面板120包含顯示驅動電路層LTFT ，更可進一步包含背光模組層LBL 以及鐵磁材料(Ferromagnetic material)層LFe 。觸控模組140中的霍爾感應導板142a整合設置於顯示面板120之顯示驅動電路層LTFT 中。
其中，第6圖是例示性地繪示一種採用非結晶銦鎵鋅氧化(amorphous Indium-Gallium-Zinc Oxide,a-IGZO)製程的顯示面板120。顯示驅動電路層LTFT包含複數個畫素電晶體(於第6圖中例示性地繪示其中兩個畫素電晶體PIX1,PIX2)，於非結晶銦鎵鋅氧化(a-IGZO)製程中觸控模組140之多個霍爾感應導板142a分別設置於多個畫素電晶體(如第6圖中繪示的畫素電晶體PIX2)中源/汲極之間的非結晶銦鎵鋅氧化(a-IGZO)薄膜。於另一畫素電晶體PIX1當中，上述該層非結晶銦鎵鋅氧化(a-IGZO)薄膜作為畫素電晶體PIX1之間的通道層Channel使用。
綜上所述，本揭示文件揭露一種觸控顯示系統以及具有觸控功能之顯示面板，其中觸控模組(至少一部份)整合設置於顯示面板的顯示驅動電路中，且觸控模組具有霍爾 感應導板可感測外部的磁場(例如觸控筆所建立之磁場)變化，提供高精準度的觸控事件判斷。
雖然本案已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧觸控顯示系統
120‧‧‧顯示面板
122‧‧‧閘極驅動電路
124‧‧‧資料驅動電路
140‧‧‧觸控模組
142‧‧‧感應單元
160‧‧‧觸控筆
162‧‧‧磁性元件
B‧‧‧磁場

Claims (15)

  1. 一種觸控顯示系統，包括：一觸控筆，包含一磁性元件；一顯示面板；以及一觸控模組，設置於該顯示面板中，其中該觸控模組包含複數個感應單元以陣列方式分佈於該顯示面板不同位置，該複數個感應單元各自包含一霍爾感應導板用以感應該磁性元件所建立之磁場並形成一感應輸出電壓，該觸控模組根據該些感應輸出電壓偵測該觸控筆所輸入之一觸控位置，其中該複數個感應單元各自更包含一電訊號源、一第一開關、一第二開關以及一訊號放大器，該第一開關耦接於該電訊號源與該霍爾感應導板之間，該第二開關耦接於該霍爾感應導板與該訊號放大器之間，於一第一時段內，該第一開關導通且該電訊號源提供複數個自由電荷至該霍爾感應導板，該霍爾感應導板感應該磁性元件所建立之磁場形成一感應電位差，該感應電位差經由該訊號放大器處理形成該感應輸出電壓，於該第一時段後之一第二時段內，該第二開關導通並輸出該感應輸出電壓。
  2. 一種觸控顯示系統，包括：一觸控筆，包含一磁性元件；一顯示面板；以及一觸控模組，設置於該顯示面板中，其中該觸控模組 包含複數個感應單元以陣列方式分佈於該顯示面板不同位置，該複數個感應單元各自包含一霍爾感應導板用以感應該磁性元件所建立之磁場並形成一感應輸出電壓，該觸控模組根據該些感應輸出電壓偵測該觸控筆所輸入之一觸控位置，其中該磁性元件包含一電磁感應線圈，該觸控筆更包含一切換模組與該電磁感應線圈耦接，該切換模組用以依一切換時序提供正極性與負極性的兩電性訊號至該電磁感應線圈，藉此該磁性元件依該切換時序建立相反方向之一第一磁場以及一第二磁場。
  3. 一種觸控顯示系統，包括：一觸控筆，包含一磁性元件；一顯示面板；以及一觸控模組，設置於該顯示面板中，其中該觸控模組包含複數個感應單元以陣列方式分佈於該顯示面板不同位置，該複數個感應單元各自包含一霍爾感應導板用以感應該磁性元件所建立之磁場並形成一感應輸出電壓，該觸控模組根據該些感應輸出電壓偵測該觸控筆所輸入之一觸控位置，其中每一霍爾感應導板分別感應該磁性元件並形成一第一感應輸出電壓以及一第二感應輸出電壓，該觸控模組包含一差動比較電路，該差動比較電路計算各感應單元之該第一感應輸出電壓以及該第二感應輸出電壓之一電壓差 值並將該電壓差值與一基準值比較，以判斷各感應單元是否位於該觸控筆之該觸控位置。
  4. 一種觸控顯示系統，包括：一觸控筆，包含一磁性元件；一顯示面板；以及一觸控模組，設置於該顯示面板中，其中該觸控模組包含複數個感應單元以陣列方式分佈於該顯示面板不同位置，該複數個感應單元各自包含一霍爾感應導板用以感應該磁性元件所建立之磁場並形成一感應輸出電壓，該觸控模組根據該些感應輸出電壓偵測該觸控筆所輸入之一觸控位置，其中，該顯示面板包含一顯示驅動電路層，該霍爾感應導板整合設置於該顯示驅動電路層中。
  5. 如請求項2、3或4所示之觸控顯示系統，其中該複數個感應單元各自更包含一電訊號源、一第一開關、一第二開關以及一訊號放大器，該第一開關耦接於該電訊號源與該霍爾感應導板之間，該第二開關耦接於該霍爾感應導板與該訊號放大器之間，於一第一時段內，該第一開關導通且該電訊號源提供複數個自由電荷至該霍爾感應導板，該霍爾感應導板感應該磁性元件所建立之磁場形成一感應電位差，該感應電位差經由該訊號放大器處理形成該感應輸出電壓，於該第一時段後之一第二時段內，該第二開關 導通並輸出該感應輸出電壓。
  6. 如請求項1、3或4所示之觸控顯示系統，其中該磁性元件包含一電磁感應線圈，該觸控筆更包含一切換模組與該電磁感應線圈耦接，該切換模組用以依一切換時序提供正極性與負極性的兩電性訊號至該電磁感應線圈，藉此該磁性元件依該切換時序建立相反方向之一第一磁場以及一第二磁場。
  7. 如請求項2所示之觸控顯示系統，其中每一霍爾感應導板分別感應該磁性元件所建立之該第一磁場以及該第二磁場並分別形成一第一感應輸出電壓以及一第二感應輸出電壓，該觸控模組包含一差動比較電路，該差動比較電路計算各感應單元之該第一感應輸出電壓以及該第二感應輸出電壓之一電壓差值並將該電壓差值與一基準值比較，以判斷各感應單元是否位於該觸控筆之該觸控位置。
  8. 如請求項4所示之觸控顯示系統，其中該顯示驅動電路層包含複數個畫素電晶體，於低溫多晶矽(LTPS)製程中該觸控模組之該些霍爾感應導板設置於該些畫素電晶體上方的非結晶銦鎵鋅氧化(a-IGZO)薄膜。
  9. 如請求項4所示之觸控顯示系統，其中該顯示驅動電路層包含複數個畫素電晶體，於非結晶銦鎵鋅氧化 (a-IGZO)製程中該觸控模組之該些霍爾感應導板設置於該些畫素電晶體中源/汲極之間的非結晶銦鎵鋅氧化(a-IGZO)薄膜。
  10. 如請求項4所示之觸控顯示系統，其中該顯示面板更包含一鐵磁材料(Ferromagnetic material)層，設置於該顯示驅動電路層的下方。
  11. 一種具有觸控功能之顯示面板，配合偵測一觸控筆的觸控輸入位置，該觸控筆包含一磁性元件，該顯示面板包含：一顯示驅動電路層；以及一觸控模組，與該顯示驅動電路層整合設置，其中該觸控模組包含複數個感應單元以陣列方式分佈於該顯示面板不同位置，該複數個感應單元各自包含一霍爾感應導板用以感應該磁性元件所建立之磁場並形成一感應輸出電壓，該觸控模組根據該些感應輸出電壓偵測該觸控筆所輸入之一觸控位置。
  12. 如請求項11所示之具有觸控功能之顯示面板，其中該複數個感應單元各自更包含一電訊號源、一第一開關、一第二開關以及一訊號放大器，該第一開關耦接於該電訊號源與該霍爾感應導板之間，該第二開關耦接於該霍爾感應導板與該訊號放大器之間，於一第一時段內，該第 一開關導通且該電訊號源提供複數個自由電荷至該霍爾感應導板，該霍爾感應導板感應該磁性元件所建立之磁場形成一感應電位差，該感應電位差經由該訊號放大器處理形成該感應輸出電壓，於該第一時段後之一第二時段內，該第二開關導通並輸出該感應輸出電壓。
  13. 如請求項11所示之具有觸控功能之顯示面板，其中該顯示驅動電路層包含複數個畫素電晶體，於低溫多晶矽(LTPS)製程中該觸控模組之該些霍爾感應導板設置於該些畫素電晶體上方的非結晶銦鎵鋅氧化(a-IGZO)薄膜。
  14. 如請求項11所示之具有觸控功能之顯示面板，其中該顯示驅動電路層包含複數個畫素電晶體，於非結晶銦鎵鋅氧化(a-IGZO)製程中該觸控模組之該些霍爾感應導板設置於該些畫素電晶體中源/汲極之間的非結晶銦鎵鋅氧化(a-IGZO)薄膜。
  15. 如請求項11所示之具有觸控功能之顯示面板，其中該顯示面板更包含一鐵磁材料(Ferromagnetic material)層，其設置於該顯示驅動電路層的下方。
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