TWI530844B - 主動式畫素感測器及其製造方法 - Google Patents

Description

主動式畫素感測器及其製造方法

本發明是有關於一種觸控感測器陣列，且特別是有關於一種主動式畫素感測器。

隨著低溫多晶矽(low temperature poly-silicon,LTPS)技術漸趨成熟，其對於使用低溫多晶矽技術將觸控感測器與驅動電路一起製作於玻璃基板上有所裨益。主動式畫素感測器(active pixel sensor，A PS)顧名思義係不同於被動式畫素感測器(passive pixel sensor，PPS)，其原因在於主動式畫素感測器中的感測器元件具有主動式放大器，像是薄膜電晶體(thin film transistor,TFT)，其用以放大光感測器所偵測到的感測信號。如此一來，主動式畫素感測器的訊雜比(SNR)便可大大地提升。主動式畫素感測器相較於被動式畫素感測器最大的缺點在於，主動式畫素感測器的每一個感測元件含有較多的電子元件，使得感測元件的尺寸難以再被縮小。

由此可知，需要一種製造主動式畫素感測器的方法，其中的感測器元件含有較少的電子元件數目。

本發明係提供一種觸控面板，其包含以陣列形式配置之複數個主動式畫素感測器，用以感測觸碰事件。每一個感測器元件包含與單一放大器耦接的感光元件。感測器元件係配置用以提供感測電壓，用來表示在感光週期時光感測器所接收到的亮度級。放大器在感光週期中將感測電壓放大為輸出電壓。在感光週期之後，輸出電壓與感測電壓被重置為預定電壓位準。在重置週期之後，使光感測器及放大器失能而讓感測位準降至預定電壓位準之下。

因此，本發明第一態樣便是在觸控面板中使用的感測器元件。感測器元件包含放大器以及感光元件。放大器具有第一放大器端、第二放大器端和控制端。第一放大器端連接至第一電壓源，第二放大器端操作性地連接至電壓輸出，其中第二放大器端係設定用以連接至電流源。感光元件具有第一元件端以及第二元件端。第一元件端操作性地連接至第一電壓源，而第二元件端操作性地連接至放大器之控制端，其中電壓輸出操作性地連接至重置元件，以將電壓輸出重置到預定之重置電壓。感測器元件更包含第一切換元件，連接於第二元件端與第二放大器端之間，第一切換元件能夠在導通狀態和非導通狀態運作，以達到切換功能。重置元件包含第二切換元件，能夠在導通狀態和非導通狀態運作，使得當第一切換元件在導通狀態運作時，第二切換元件亦在導通狀態運作。舉例來說，放大器可以為電晶體。

依據本發明之多個實施例，感測器元件更包含電容，連接於感光元件之第一元件端和第二元件端之間。其中感光元件包含光二極體以及電容，光二極體連接於第一元件端和第二元件端之間，電容與光二極體並聯相接。

本發明第二態樣是觸控面板，其具有複數個如上所述之感測器元件。觸控面板具有複數個來自感測器元件之電壓輸出。電壓輸出被傳送至感測電路量測，以判斷觸碰事件所發生的位置。

依據本發明之技術手段，感測電路具有量測裝置以量測每一感測器元件之電壓輸出。

本發明第三態樣是觸控感測之方法，包含：配置複數個感測器元件於觸控面板中；提供光感測器於每一感測器元件中，光感測器係配置用以提供感測電壓，用來表示在感光週期由光感測器所接收到之亮度級；放大感測器元件之感測電壓以提供輸出電壓，用以表示感光週期中之感測電壓；以及在感光週期後之重置週期中，重置輸出電壓至預定電壓位準。

依據本發明之多個實施例，此觸控感測方法更包含在重置週期間重置感測電壓至預定電壓位準。

依據本發明之多個實施例，此觸控感測方法更包含在重置週期後之斷開週期中，使光感測器失能而讓感測電壓降至預定電壓位準之下。

本發明第四態樣是整合式觸控面板，其中觸控感測元件提供在顯示面板上。在顯示面板(包含由畫素行與畫素列所構成的畫素陣列並使用複數個閘極線信號以控制畫素列)中，將一些閘極線信號做為觸控面板中不同列的感測元件之電壓供應信號是可行的。

配合敘述以及圖式第1至6b圖，能使本發明之目的與優點更為明顯易懂。

根據本發明一實施方式，主動式畫素感測器如第1圖所示，可分成三個區域：感測器區域、感測電路區域以及控制區域。感測器區域包含感測器元件陣列(如第3圖所示)以偵測感測器區域上的光分布。來自感測器陣列之感測信號被傳送至感測電路區域以進行處理。控制區域例如可用以控制將感測信號由感測器陣列傳送至感測電路區域、重置感測元件以及控制感測元件的供應電壓。感測器區域、感測電路區域以及控制區域可在單一基板上製造成積體電路。例如，部份或全部的積體電路可使用低溫多晶矽(low temperature poly-silicon,LTPS)而製造在玻璃基板上。然而，主動式畫素感測器可以使用不同的材料並在不同基板上製造。

在顯示面板中，例如液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)或發光二極體(light-emitting diode,LED)顯示器，將感測器區域整合至顯示面板上是可行的一種態樣。

本發明主要是有關於感測器區域，且特別是有關於感測器元件中之電子元件和電子電路。

請參照第3圖，感測器區域10包含一感測器元件20陣列，連接至控制區域不同的電壓供應線和重置信號線(如第1圖所示)。如第3圖所示，每一列感測器元件20是由分開的電壓供應信號VDDn和重置信號RSTn所驅動，且每一行感測器元件20連接至一條輸出線VOUTm，以由感測器元件20提供輸出電壓至感測電路200。

根據本發明一實施方式，如第2a圖和第2b圖所示，感測器元件20包含光感測器22、電容24、放大器26以及切換元件28。放大器26例如可為單一電晶體Msf。光感測器22例如可為光電二極體，與電容24電性並聯相接。光感測器22的一端電性連接至電壓位準VDD1的供應電壓，此電壓位準較佳地為可變。當感測器元件20被選擇用以感測時，則VDD1處於高電壓，當感測器元件20不被選擇用以感測時，則VDD1處於低電壓(請參考第4圖)。光感測器22的另一端連接至電晶體Msf的閘極，其中此電晶體Msf被用做主動式放大器，以放大在感測點Vps的感光信號。放大器26例如可為源極隨耦器或共汲極放大器，但若是使用電壓雙極接面電晶體(bipolar-junction transistor,BJT)作為放大器的話，則放大器可處於共集極組態。在Vps的光漏電壓信號經由放大器26放大之後，此放大信號係輸出作為Vout。如第2a圖所示，Vout連接至外部電流源40，外部電流源40連接至電壓位準VSS1。輸出電壓Vout可利用重置信號RSTA，經由外部切換元件SA重置至電壓位準VRST。Vps的電壓位準亦可利用重置信號RST1，經由切換元件28重置至電壓位準VRST，其中重置信號RST在一較佳實施例中係與重置信號RSTA同步。

第2b圖繪示本發明另一實施方式，其中電流源包含電容42，與切換元件SA並聯相接，使得輸出電壓Vout以及Vps的電壓位準被重置至同樣的重置位準VRST。

第4圖繪示感測元件(請參閱第2a圖和第2b圖)的運作原理。如第4圖所示，VDD1具有兩個電壓位準，分別為高電壓位準Vgh和低電壓位準Vgl。當VDD1位於低電壓位準Vgl時，放大器26關閉。當VDD1位於高電壓位準Vgh時，放大器26在感測週期(第4圖中之週期1~2)間放大感測信號Vps。在週期I~II時，輸出電壓Vout大致上隨Vps增加。感測信號Vps之振幅代表光感測器22所收到之光強度。當感測器元件20被觸碰時，感測信號Vps和輸出電壓Vout會減少或改變。因此，透過輸出電壓Vout便能夠感測到觸碰事件。

在週期II~III時，重置電壓RST1和RSTA處於高位準，使得切換元件28和SA關閉(處於導通狀態)，輸出電壓Vout以及信號Vps皆等於VRST。在週期III~IV時，信號RSTA和RST1被關閉，輸出電壓Vout和信號Vps可能會輕微地改變。在時間點IV時，VDD1被切換至低電壓位準Vgl，信號Vps之位準降至VRST-(Vgh-Vgl)。從時間點IV開始到VDD1再度處於高位準之前，Vps隨之緩慢地增加但其位準不會超過Vgl。

如第2a圖和第2b圖所示，輸出電壓Vout在感測電路區域中(如第1圖所示)，被特殊應用積體電路(application specific integrated circuit,ASIC)讀為信號VOUT1。

根據本發明多個實施方式，VDD1是週期性地運作為高位準Vgh和低位準Vgl。當電壓位準VDD1為低位準時，放大器26是處在未導通狀態。同時，切換元件28亦處於未導通狀態，使得感測點Vps與輸出Vout電性隔絕開來。如此一來，感測器元件的輸出不太可能干擾到陣列中的其它感測器元件。

供應電壓VDD1和重置信號RST1的時序與其它相關的供應電壓和重置信號的關係如第5圖所示。第5圖係繪示用於具有n列感測器元件之觸控面板的電壓供應信號與重置信號的時序圖。爲了透過掃描感測器元件中任一行的n個感測器元件之輸出信號，以監控觸控面板上的觸碰事件，因此需要分別提供n個電壓供應信號VDD1、VDD2、VDD3、...、VDDn至每一列感測器元件。兩個相鄰VDD1信號的時間間隔必須夠長，使得在提供下一個VDD1訊號之前，可先安排好所有的VDD2、VDD3、...、VDDn信號。如第5圖所示，兩個相鄰的電壓供應信號(VDD1、VDD2)、(VDD2、VDD3)、...、(VDDn、VDD1)之間沒有時間的重疊。如此一來，感測器元件任一行的讀出電壓輸出VOUTm便可以清楚地顯示感測器元件每一列電壓輸出之位準。

總而言之，本發明一實施例提供觸控螢幕，其具有包含複數個感測器元件20的感測器區域。每一個感測器元件20包含放大器26(Msf)和感光元件22。放大器26具有第一放大器端(S)、第二放大器端(D)和控制端(G)，第一放大器端連接至第一電壓源(VDD1)，第二放大器端操作性地連接至電壓輸出(Vout)，其中第二放大器端係設定用以連接至電流源40。感光元件22具有第一元件端操作性地連接至第一電壓源(VDD1)，以及第二元件端(Vps)操作性地連接至放大器的控制端，其中電壓輸出操作性地連接至重置元件(S_A)，以將電壓輸出重置到預定的重置電壓(VRST)。感測器元件更包含第一切換元件28，連接在第二元件端(Vout)以及第二放大器端(Vps)之間，且此切換元件能夠在導通狀態和非導通狀態運作。

根據本發明不同實施方式，重置元件(S_A)包含第二切換元件，能夠在導通狀態和非導通狀態運作，當第一切換元件28在導通狀態操作時，第二切換元件亦在導通狀態時操作。

根據本發明不同實施方式，放大器26包含電晶體，此電晶體包含源極端、汲極端和閘極端，其中第一放大器端操作性地連接至源極端，第二放大器端操作性地連接至汲極端，而控制端操作性地連接至閘極端。

根據本發明不同實施方式，感測器元件更包含電容，連接在感光元件的第一元件端與第二元件端之間，其中感光元件包含光電二極體，連接在第一元件端與第二元件端之間，且電容與光電二極體並聯相接。

值得注意的是，感測器區域(如第1圖所示)可被使用在觸控面板的觸控螢幕中，或是使用在整合至顯示面板的觸控螢幕中。如同第6a圖所示，觸控螢幕100與顯示面板整合。顯示面板含有一畫素110陣列，由複數條閘極線G_1、G_2、...及複數條資料線D_1、D_3、...所驅動。觸控螢幕的輸出電壓Vout1、Vout2、...被傳送至感測電路200。

值得注意的是，觸控面板的電壓供應信號VDD1、VDD2、...亦是非重疊的(請見第5圖)，且顯示面板的閘極線信號G_1、G_2、...亦是非重疊的。因此，如第6b圖所示，可使用顯示面板的閘極線信號做為觸控面板的供應電壓信號。舉例來說，閘極線信號G_1可做為VDD1，閘極線G_N+1做為VDD2，G_2N+1可做為VDD3...等等。使用哪一級的閘極信號來做為觸控面板的供應電壓信號取決於顯示面板的畫素解析度相對於觸控面板上感測器元件的配置，例如N可以小到1。

本發明亦提供觸控感測的方法，包含配置複數個感測器元件於觸控面板中；提供光感測器於每一感測器元件中，光感測器係配置用以提供感測電壓，用來表示在感光週期由光感測器所接收到之亮度級；放大感測器元件之感測電壓以提供輸出電壓，用以表示感光週期中之感測電壓；以及在感光週期後之重置週期間，重置輸出電壓至預定電壓位準。

根據本發明多個實施方式，此方法更包含在重置週期中，重置感測電壓至預定電壓位準。

根據本發明多個實施方式，此方法更包含在重置週期後之斷開週期中，使光感測器失能而讓感測電壓降至預定電壓位準之下。

根據本發明多個實施方式，其中感測器元件係以一陣列形式配置於觸控面板之複數個位置，觸控感測方法更包含：量測每一感測器元件之輸出電壓，以提供複數個量測電壓；以及比較量測電壓，以判斷觸控面板之觸控位置。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，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，當可作各種之更動與潤飾，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．．．感測器區域

20．．．感測器元件

22．．．光感測器

24．．．電容

26．．．放大器

28．．．切換元件

40．．．外部電流源

42．．．電容

100．．．觸控螢幕

110．．．畫素

200．．．感測電路

D．．．汲極

G．．．閘極

S．．．源極

第1圖係繪示依照本發明的一種主動式畫素感測器之整體配置圖。

第2a圖係繪示依照本發明一實施方式的一種主動式畫素感測器中感測器元件之電子元件圖。

第2b圖係繪示依照本發明另一實施方式的一種主動式畫素感測器中感測器元件之電子元件圖，其連接至一不同的電流源。

第3圖係繪示依照本發明一實施方式的一種感測器區域圖，具有一陣列的感測器元件。

第4圖係繪示感測器元件中不同信號位準的時序圖。

第5圖係依照本發明一實施方式，繪示觸控面板中不同信號之時序。

第6a圖係繪示依照本發明一實施方式的一整合式觸控螢幕，具有複數個主動式畫素感測器。

第6b圖係繪示依照本發明另一實施方式的一整合式觸控螢幕，具有複數個主動式畫素感測器。

20．．．感測器元件

22．．．光感測器

24．．．電容

26．．．放大器

28．．．切換元件

40．．．外部電流源

Claims (17)

1. 一種感測器元件，包含：一放大器，具有一第一放大器端、一第二放大器端和一控制端，該第一放大器端連接至一第一電壓源，該第二放大器端操作性地連接至一電壓輸出以提供一輸出電壓，其中該第二放大器端係設定用以連接至一電流源；以及一感光元件，具有一第一元件端操作性地連接至該第一電壓源，以及一第二元件端操作性地連接至該放大器之該控制端以提供一感測電壓至該放大器之該控制端，並經由一第一切換元件連接至該電壓輸出，其中該電壓輸出操作性地連接至一重置元件，該重置元件連接至一重置電壓源，該重置電壓源提供一預定之重置電壓，以將該輸出電壓以及該感測電壓重置到相同的該預定之重置電壓。
2. 如請求項1所述之感測器元件，其中該第一切換元件連接於該第二元件端與該第二放大器端之間，該第一切換元件能夠在一導通狀態和一非導通狀態運作。
3. 如請求項2所述之感測器元件，其中該重置元件包含一第二切換元件，能夠在一導通狀態和一非導通狀態運作，使得當該第一切換元件在該導通狀態運作時，該第二切換元件亦在該導通狀態運作。
4. 如請求項1所述之感測器元件，其中該放大器包含一電晶體，該電晶體包含一源極、一汲極以及一閘極， 其中該第一放大器端操作性地連接至該源極，該第二放大器端操作性地連接至該汲極，而該控制端操作性地連接至該閘極。
5. 如請求項1所述之感測器元件，其中該電流源包含：一電容，連接於該感光元件之該第一元件端和該第二元件端之間。
6. 如請求項1所述之感測器元件，其中該感光元件包含一光二極體以及一電容，該光二極體連接於該第一元件端和該第二元件端之間，該電容與該光二極體並聯相接。
7. 一感光陣列，包含複數個如請求項2所述之感測器元件，其中該些感測器元件係配置於複數個列上，每一列係設定用以接收一列選擇信號以使該切換元件在一導通狀態下運作。
8. 一觸控面板，包含：一感測器區域，包含複數個感測器元件；一控制區域；以及一感測電路區域，其中每一該些感測器元件包含：一放大器，具有一第一放大器端、一第二放大器端和一控制端，該第一放大器端連接至由該控制區 域而來之一第一電壓源，該第二放大器端操作性地連接至一電壓輸出以提供一輸出電壓，其中該第二放大器端係設定用以連接至該感測電路區域中之一電流源；以及一感光元件，具有一第一元件端以及一第二元件端，該第一元件端操作性地連接至該第一電壓源，該第二元件端操作性地連接至該放大器之該控制端以提供一感測電壓至該放大器之該控制端，並經由一第一切換元件連接至該電壓輸出，其中該電壓輸出操作性地連接至一重置元件，該重置元件連接至一重置電壓源，該重置電壓源提供一預定之重置電壓，以將該輸出電壓以及該感測電壓重置到相同的該預定之重置電壓。
9. 如請求項8所述之觸控面板，其中每一該些感測器元件的該第一切換元件連接於該第二元件端與該第二放大器端之間，該第一切換元件能夠在一導通狀態和一非導通狀態運作。
10. 如請求項9所述之觸控面板，其中該重置元件包含一第二切換元件，能夠在一導通狀態和一非導通狀態運作，使得當該第一切換元件在該導通狀態運作時，該第二切換元件亦在該導通狀態運作。
11. 如請求項8所述之觸控面板，其中該感測電路區 域包含一量測裝置，用以量測每一該些感測器元件之該電壓輸出。
12. 如請求項8所述之觸控面板，其中該些感測器元件係配置於複數個列上，且該控制區域係設定用以提供複數條電壓供應線予該些列上之該些感測器元件，每一該些電壓供應線具有一不同的電壓供應信號，以提供該第一電壓源予該些列中一不同列上之該些感測器元件。
13. 如請求項12所述之觸控面板，其中該些電源供應線中之一者的該電壓供應信號不與該些電源供應線中之另一者的該電壓供應信號重疊。
14. 如請求項8所述之觸控面板，其中該些感測器元件係配置於複數個列上，該觸控面板更包含複數個顯示畫素以及複數條閘極線，該些顯示畫素係配置於複數個畫素列上，該些閘極線係用以分別提供控制信號至該些畫素列，其中該些閘極線中之一或多者係用以提供該第一電壓源予該些列中之一或多者上之該些感測器元件。
15. 一種觸控感測之方法，包含：配置複數個感測器元件於一觸控面板中；提供一光感測器於每一該些感測器元件中，該光感測器係配置用以提供一感測電壓，用來表示在一感光週期由該光感測器所接收到之一亮度級； 放大該感測器元件之該感測電壓以提供一輸出電壓，用以表示該感光週期中之該感測電壓；以及在感光週期後之一重置週期間，重置該輸出電壓與該感測電壓至相同的一預定電壓位準。
16. 如請求項15所述之觸控感測方法，更包含：在該重置週期後之一斷開週期間，使該光感測器失能而讓該感測電壓降至該預定電壓位準之下。
17. 如請求項15所述之觸控感測方法，其中該些感測器元件係以一陣列形式配置於該觸控面板之複數個位置，該觸控感測方法更包含：量測每一該些感測器元件之該輸出電壓，以提供複數個量測電壓；以及比較該些量測電壓，以判斷該觸控面板之一觸控位置。