TWI540514B - 用以偵測使用者碰觸之感應裝置 - Google Patents

Description

用以偵測使用者碰觸之感應裝置

本發明與用以偵測使用者碰觸之感應裝置相關。

為了提升資料安全性，近年來有許多電子產品提供了指紋辨識的功能。最典型的指紋辨識裝置包含一個面積約一公分見方的感應區域，供使用者於其上按壓手指前端。該感應區域下方設有以矩陣形式排列的多個感應元件。配合一般人兩指紋凸處的間距，感應元件的數量至少要100* 100(也就是約略一萬個)左右始能提供足夠的感應解析度。若採用自容式(self-capacitance)感應元件，指紋辨識裝置中通常設有與感應元件同等數量的感應電路，分別驅動該等感應元件並接收該等感應元件產生的信號。由於指紋凹處與指紋凸處對感應元件會產生程度不等的影響，後端的控制器能根據該等感應電路輸出的信號大小判斷指紋圖樣。上述感應電路通常是利用積體電路實現。如本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知，積體電路的成本與晶片面積成正比。典型指紋辨識裝置的缺點之一在於，為了配合感應區域的大小並達到足夠高的感應解析度，感應電路的數量十分龐大，因而造成硬體成本的負擔。

在降低硬體成本的考量下，目前有一種使用較小面積感應區域的指紋辨識裝置，藉此縮減感應元件和感應電路的數量。使用者必須在該感應區域上滑過指尖，讓該感應區域逐步掃描指紋的不同部位。這種指紋辨識裝置雖然較為便宜，但對使用者來說便利性較低。此外，倘若使用 者滑動指尖的速度不恰當，甚至偶爾會出現無法辨識或誤判指紋圖樣的情況。

另一方面，在典型的指紋辨識裝置中，每一個感應元件及其 相對應的感應電路間係以獨立的連接線相連，因而使得感應區域與後端電路間的連接線數量無可避免地相當龐大。在這個情況下，若將感應元件與後端電路封裝在不同的硬體模組中，其間數量眾多的連接線迫使這兩個模組都必須設置大量的外部接腳，造成硬體成本升高。因此，目前的感應區域與後端電路通常被設計為封裝在同一個硬體模組中。然而，這種不得不而為之的封裝方式相當程度地限縮了硬體配置與製程選擇的彈性。

為解決上述問題，本發明提出一種新的感應裝置、指紋掃描 裝置與指紋掃描方法。藉由採用以同一組電路輪流接收不同感應元件產生之信號來達到減少後端電路數量的效果，進而得以降低指紋辨識裝置的硬體成本。根據本發明之感應裝置不需減少感應元件的數量，亦不需縮減感應區域的面積，因此能避免先前技術中小面積感應區域造成的不便。此外，根據本發明的感應電路可使用較少的連接線連接感應元件與後端電路，因而能提高將感應元件與後端電路封裝在不同的硬體模組中的可能性與硬體配置彈性。

根據本發明之一具體實施例為一種感應裝置，其中包含一基 板、形成於該基板上之N組感應元件(N為大於一之整數)、一感應電路與一開關控制模組。每一組感應元件各自包含複數個感應元件；每一個感應元件包含一薄膜電晶體開關與一感應電極。該感應電路係用以驅動該N組感應元件中之每一組感應元件，以依序產生N組感應信號。該開關控制模組電性耦接至該N組感應元件中之複數個薄膜電晶體開關。藉由控制該等薄膜電晶體開關，該開關控制模組每次令該N組感應元件中之一組感應元 件所包含的複數個感應電極被連接至該感應電路。

根據本發明之一具體實施例為一種指紋掃描裝置，用以配合 N組感應元件(N為大於一之整數)。每一組該感應元件各自包含複數個感應元件；每一個感應元件包含一薄膜電晶體開關以及一感應電極。該指紋掃描裝置包含一感應電路與一開關控制模組。該感應電路係用以驅動該N組感應元件，以依序產生N組感應信號。該開關控制模組電性耦接至該N組感應元件中之複數個薄膜電晶體開關。藉由控制該等薄膜電晶體開關，該開關控制模組每次令該N組感應元件中之一組感應元件所包含的複數個感應電極被連接至該感應電路。該N組感應信號對應於該複數個感應電極之一實體位置分布被用以判斷一指紋圖樣。

根據本發明之一具體實施例為一種指紋掃描方法，用以配合 一感應電路與N組感應元件(N為大於一之整數)。每一組該感應元件各自包含複數個感應元件。每一個感應元件包含一薄膜電晶體開關以及一感應電極。該指紋掃描方法包含：(a)控制該感應電路驅動該N組感應元件以依序產生N組感應信號；(b)控制該等薄膜電晶體開關，每次令該N組感應元件中之一組感應元件所包含的複數個感應電極被連接至該感應電路；以及(c)根據該N組感應信號對應於該複數個感應電極之一實體位置分布，判斷一指紋圖樣。

關於本發明的優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

100‧‧‧基板

120‧‧‧薄膜電晶體結構

12A‧‧‧控制開關

12B‧‧‧感應電極

12C‧‧‧防護開關

200‧‧‧開關控制模組

211~215‧‧‧導線

231~234‧‧‧導線

300‧‧‧積體電路

311~314‧‧‧導線

32‧‧‧感應電路

25‧‧‧控制器

261~263‧‧‧移位暫存器

271‧‧‧控制信號線

272‧‧‧時脈信號線

291~294‧‧‧反相器

S41~S45‧‧‧流程步驟

圖一(A)為根據本發明之一實施例中的感應裝置之功能方塊圖。

圖一(B)呈現根據本發明之一實施例中的感應單元與感應元件之對應關 係示意圖。

圖二(A)和圖二(B)為根據本發明之另一實施例中的感應裝置之功能方塊圖。

圖三為根據本發明之又一實施例中的感應裝置之功能方塊圖。

圖四為根據本發明之一實施例中的指紋掃描方法之流程圖。

須說明的是，本發明的圖式包含呈現多種彼此關聯之功能性模組的功能方塊圖。該等圖式並非細部電路圖，且其中的連接線僅用以表示信號流。功能性元件及/或程序間的多種互動關係不一定要透過直接的電性連結始能達成。此外，個別元件的功能不一定要如圖式中繪示的方式分配，且分散式的區塊不一定要以分散式的電子元件實現。

根據本發明之一具體實施例為一種感應裝置，其功能方塊圖請參閱圖一(A)。此感應裝置包含一基板100、一開關控制模組200與一積體電路300。於實際應用中，該感應裝置可獨立存在，亦可被整合在行動電話、筆記型電腦、平板電腦等各種需要感應使用者碰觸之功能的電子產品中。須說明的是，根據本發明之感應裝置可用於指紋辨識，但本發明的範疇不以此為限。

一薄膜電晶體(thin film transistor,TFT)結構120形成於基板100上。該結構中包含複數個薄膜電晶體開關12A與複數個感應電極12B(被繪示為以斜紋塗佈)。實務上，感應電極12B可由薄膜電晶體結構120中之一金屬層或一金屬合金層實現。每一個感應電極12B各自對應於一個薄膜電晶體開關12A，共同構成一感應元件。舉例而言，薄膜電晶體結構120可被設計為包含100*100個以矩陣形式排列的感應元件。感應元件的大小、數量和排列方式，可由電路製作者依感應區域大小和需要的感應精細 度決定。為避免圖面過於混亂，圖一(A)僅呈現4*4個感應元件做為說明範例。根據本發明，該等感應元件被分為N組(N為大於一之整數)，每一組感應元件又各自包含複數個感應元件。於此實施例中，位於同一橫列的感應元件被定義為同一組感應元件。由圖一(A)可見做為範例由上到下依序排列的第一組感應元件~第四組感應元件。需特別注意的是，每一組感應元件可能包含不只一橫列的感應元件，而可能為相鄰或分開之複數橫列的感應元件。

開關控制模組200電性耦接至各個薄膜電晶體開關12A(以下稱控制開關)，並且負責控制該等控制開關12A的狀態為導通或不導通。於此範例中，同一組感應元件所包含之控制開關12A皆耦接至同一控制線，因此開關控制模組200是透過總共N條控制線電性耦接至該等控制開關12A。如圖一(A)所示，第一組感應元件中的控制開關12A透過控制線211電性耦接至開關控制模組200，第二組感應元件中的控制開關12A則是透過控制線212電性耦接至開關控制模組200，依此類推。

積體電路300被設置為鄰近於基板100，且包含選擇性電性耦接至該等感應電極12B之一感應電路32。由圖一(A)可看出，當某一個控制開關12A被開關控制模組200控制為處於導通狀態，該控制開關12A所對應的感應電極12B就會透過一接收導線被電性耦接至感應電路32。舉例而言，當開關控制模組200透過控制線213提供一控制信號(例如一高準位信號)，將第三組感應元件中的各個控制開關12A設定為導通狀態，第三組感應元件中的各個感應電極12B就會透過該等控制開關12A和接收導線311~314被電性耦接至感應電路32。藉由控制該等控制開關12A，開關控制模組200每次令該N組感應元件中的一組感應元件所包含之感應電極12B被連接至感應電路32。也就是說，在某一時間點上，只會有一組感應元件中的感應電極12B被連接至感應電路32。

當某一組感應元件被連接至感應電路32，感應電路32會在 這段相連的時間內首先驅動該組感應元件，然後在此連接關係結束前接收該組感應單元產生的信號。當開關控制模組200將該N組感應元件逐一連接至感應電路32，感應電路32便可依序驅動該等感應元件並依序接收各組感應單元產生的信號。

開關控制模組200和感應電路32之間透過導線215相連。 於一實施例中，感應電路32自開關控制模組200提供的資訊得知目前是哪一組感應元件被連接至感應電路32。於另一實施例中，開關控制模組200令哪一組感應元件連接至感應電路32是由感應電路32主動控制。於又一實施例中，開關控制模組200切換該等感應元件的順序是固定的、週期性的，且其切換方式為感應電路32預先所知。在這個情況下，開關控制模組200只要在一開始與感應電路32就起始組別的資訊達成同步，感應電路32便不需要持續與開關控制模組200交換切換資訊。

如先前所述，使用者碰觸與感應元件間的距離會對感應元件 會產生程度不等的影響。只要開關控制模組200輪流切換各組感應元件的週期夠短(相較於使用者動作的變化速度)，感應電路32便可根據N組感應元件產生的信號完整勾勒出一使用者碰觸之態樣(例如指紋圖樣)。

假設每一組感應元件各自包含M個感應元件(M為大於一之整數)，則感應電路32可包含M個感應單元，各自對應於一個感應元件。圖一(B)呈現此對應關係的示意圖。據此，僅僅利用M個感應單元輪流接收N組感應元件產生之信號，即可完成M*N個感應元件之感測。因此，本發明可在不需減少感應元件的數量，亦不需縮減感應區域的面積之前提下，有效減少感應電路數量，進而降低指紋辨識裝置的硬體成本。

實務上，開關控制模組200可被整合入薄膜電晶體結構120中以薄膜電晶體實現，或是被整合於感應電路32所在的積體電路300內。舉例而言，開關控制模組200可被實現為固定式及/或可程式化數位邏輯電 路，包含但不限於可程式化邏輯閘陣列、特定應用積體電路、微控制器、微處理器、數位信號處理器等等。

值得注意的是，當圖一(A)所示之開關控制模組200被整合 在薄膜電晶體結構120中，積體電路300與基板100間只需要M條接收導線(311~314)以及導線215。當圖一(A)所示之開關控制模組200被整合於積體電路300內，積體電路300與基板100間則是只需要M條接收導線(311~314)以及N條控制線(211~214)。相較於先前技術中至少需要M*N條連接線的情況，根據本發明的感應裝置大幅減少了所需的接線數量，因而能提高將感應元件與後端電路封裝在不同的硬體模組中的可能性與硬體配置彈性。此外，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，減少該N組感應元件與其他電路間的接線數量，便可縮小走線在基板100上佔據的面積，在許多情況下有助於縮減電子產品的邊框寬度。

請參閱圖二(A)。於另一實施例中，薄膜電晶體結構120進 一步包含複數個受到開關控制模組200控制的薄膜電晶體開關12C(以下稱防護開關)。每一個感應元件中設有一個防護開關12C。於此範例中，同一組感應元件所包含之防護開關12C皆透過同一防護導線耦接至開關控制模組200，因此開關控制模組200是透過總共N條防護導線電性耦接至該等防護開關12C。如圖二(A)所示，第一組感應元件中的防護開關12C皆透過控制線231電性耦接至開關控制模組200，第二組感應元件中的防護開關12C則是皆透過控制線232電性耦接至開關控制模組200，依此類推。由圖二(A)可看出，當某一個防護開關12C被開關控制模組200控制為處於導通狀態，該防護開關12C所對應的感應電極12B就會透過一導線被電性耦接至積體電路300中之一接地端GND。對各個感應元件而言，同一時間，開關控制模組200只會令控制開關12A和防護開關12C兩者之一導通。藉由控制該等防護開關12C，開關控制模組200可提供一固定電壓(不一定要是接地電壓)至未被連接到感應電路32之感應元件中的感應電極12B，藉此減 少未被連接到感應電路32之感應元件對感應電路32的偵測結果產生干擾。

假設控制開關12A和防護開關12C會被同一準位的電壓控 制為導通(例如都是在開關控制模組200提供高準位電壓時導通)，則開關控制模組200與控制開關12A、防護開關12C間的連接方式可被修改為如圖二(B)所示，亦即利用設置於薄膜電晶體結構120中的反相器291~294，產生提供至該等防護開關12C的控制信號。藉此，相較於圖二(A)呈現的電路組態，基板100和開關控制模組200間的導線數量可被減少一半，更進一步於達到防護效果的同時，減少導線數量。

請參閱圖三。於另一實施例中，薄膜電晶體結構120進一步 包含(N-1)個移位暫存器(例如移位暫存器261~263)。除了第四組感應元件之外，其他三組感應元件各自對應於一移位暫存器。移位暫存器261~263透過時脈信號線272自開關控制模組200接收同一時脈信號，做為轉換狀態的運作依據。假設所有的控制開關12A和防護開關12C都是在開關控制模組200提供高準位電壓時導通，且移位暫存器261~263的輸出信號之初始狀態皆為低準位電壓。首先，在該時脈信號之第一週期中，開關控制模組200將一高準位脈波(可稱為一開啟脈波)提供至控制信號線271，以令第四組感應元件被連接至感應電路32。在第二週期中，開關控制模組200將提供至控制信號線271的電壓轉換為低準位，以停止將第四組感應元件連接至感應電路32。同時，透過移位暫存器263，該高準位脈波會使得第三組感應元件被連接至感應電路32。依此類推，第四組感應元件、第三組感應元件、第二組感應元件、第一組感應元件會依序被連接至感應電路32。易言之，開關控制模組200僅需要將開啟脈波提供至第一個移位暫存器，該等移位暫存器便會根據時脈信號依序將該開啟脈波傳遞至下一個移位暫存器，以將下一個移位暫存器所對應之該組感應元件連接至感應電路32。這種做法的好處在於，基板100和開關控制模組200間的導線數量可被更進一步減少為僅需要一控制信號線271與一時脈信號線272。

根據本發明之一具體實施例為一種指紋掃描裝置，用以配合 N組感應元件(N為大於一之整數)。每一組該感應元件各自包含複數個感應元件；每一個感應元件包含一薄膜電晶體開關以及一感應電極。該指紋掃描裝置之功能方塊圖類似於圖一(A)~圖三所示之感應裝置，因此不再重繪。該指紋掃描裝置包含一感應電路與一開關控制模組。該感應電路係用以驅動該N組感應元件，以依序產生N組感應信號。該開關控制模組電性耦接至該N組感應元件中之複數個薄膜電晶體開關。藉由控制該等薄膜電晶體開關，該開關控制模組每次令該N組感應元件中之一組感應元件所包含的複數個感應電極被連接至該感應電路。

隨後，根據該N組感應信號對應於該複數個感應電極之一 實體位置分布，即可判斷一指紋圖樣。須說明的是，薄膜電晶體結構中感應電極的實體位置分布為感應電路可預先得知者。以圖一(A)呈現的四組感應元件為例，根據本發明之指紋掃描裝置中的感應電路可將每一組感應信號對應為一條水平掃描線。若令該水平掃描線中被指紋凸處碰觸愈多的點顏色愈深，將N條水平掃描線由上到下依序組合起來後便可得到一指紋圖樣。本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，先前在介紹圖一(A)~圖三中之感應裝置時描述的各種操作變化(例如加入防護開關或移位暫存器)亦可應用至上述指紋掃描裝置，其細節不再贅述。

根據本發明之另一具體實施例為一種指紋掃描方法，用以配 合一感應電路與N組感應元件(N為大於一之整數)。每一組該感應元件各自包含複數個感應元件。每一個感應元件包含一薄膜電晶體開關以及一感應電極。該指紋掃描方法包含：(a)控制該感應電路驅動該N組感應元件以依序產生N組感應信號；(b)控制該等薄膜電晶體開關，每次令該N組感應元件中之一組感應元件所包含的複數個感應電極被連接至該感應電路；以及(c)根據該N組感應信號對應於該複數個感應電極之一實體位置分布，判斷一指紋圖樣。

圖四呈現運用上述方法的一種流程範例。步驟S41為控制 該等薄膜電晶體開關，以令該N組感應元件中之第i組感應元件包含的複數個感應電極被連接至該感應電路(i為範圍在1到N間的整數指標)。步驟S42為控制該感應電路驅動該第i組感應元件以產生第i組感應信號。隨後，步驟S43為判斷目前的整數指標i是否等於N。若步驟S43的判斷結果為否，則步驟S44被執行，即令整數指標i再增加一。若步驟S43的判斷結果為是，則步驟S45被執行，即根據該N組感應信號對應於該複數個感應電極之一實體位置分布，判斷一指紋圖樣。

本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，先前在介紹圖一(A)~圖三中之感應裝置時描述的各種操作變化(例如加入防護開關或移位暫存器)亦可應用至上述指紋掃描方法，其細節不再贅述。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

100‧‧‧基板

120‧‧‧薄膜電晶體結構

12A‧‧‧控制開關

12B‧‧‧感應電極

200‧‧‧開關控制模組

211~215‧‧‧導線

300‧‧‧積體電路

311~314‧‧‧導線

32‧‧‧感應電路

Claims (12)

1. 一種感應裝置，包含：一基板；N組感應元件，形成於該基板上，每一組感應元件各自包含複數個感應元件，每一個感應元件包含一薄膜電晶體開關以及一感應電極，N為大於一之整數；一感應電路，用以驅動該N組感應元件中之每一組感應元件，以依序產生N組感應信號；以及一開關控制模組，電性耦接至該N組感應元件中之該等薄膜電晶體開關，用以控制該等薄膜電晶體開關，該開關控制模組令該N組感應元件中之一組感應元件所包含的複數個感應電極被連接至該感應電路；其中每一個感應元件進一步包含一防護開關，該開關控制模組藉由控制該等防護開關，令一固定電壓被提供至未被連接至該感應電路之N-1組感應元件中的複數個感應電極，且每一感應元件包含之該薄膜電晶體開關以及該防護開關兩者之一為導通。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感應裝置，其中該複數個感應電極係由一薄膜電晶體結構中之一金屬層或一金屬合金層實現。
3. 如申請專利範圍第1項所述之感應裝置，其中該開關控制模組透過N條控制線電性耦接至該複數個薄膜電晶體開關，同一組感應元件所包含之薄膜電晶體開關皆耦接至同一控制線。
4. 如申請專利範圍第1項所述之感應裝置，其中該N組感應元件中共有M*N個感應元件，每一組感應元件各自包含M個感應元件，M為大於一之整數；該感應電路包含M個感應單元，各自對應於一個感應元件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之感應裝置，其中該薄膜電晶體基板上進一 步形成有串聯之(N-1)個移位暫存器，該(N-1)個移位暫存器中之一第i移位暫存器係耦接至該N組感應元件中之一第i組感應元件所包含之該複數個薄膜電晶體開關，該(N-1)個移位暫存器分別受到該開關控制模組提供之一時脈信號控制，該開關控制模組將一開啟脈波提供至其中之一移位暫存器，且該(N-1)個移位暫存器根據該時脈信號依序將該開啟脈波傳遞至下一個移位暫存器；接收到該開啟脈波之一移位暫存器將該移位暫存器所耦接之該複數個薄膜電晶體開關設定為導通。
6. 一種指紋掃描裝置，用以配合N組感應元件，每一組該感應元件各自包含複數個感應元件，每一個感應元件包含一薄膜電晶體開關以及一感應電極，N為大於一之整數，該指紋掃描裝置包含：一感應電路，用以驅動該N組感應元件以依序產生N組感應信號；以及一開關控制模組，電性耦接至該N組感應元件中之複數個薄膜電晶體開關，用以控制該等薄膜電晶體開關，該開關控制模組令該N組感應元件中之一組感應元件所包含的複數個感應電極被連接至該感應電路；其中，該N組感應信號對應於該複數個感應電極之一實體位置分布，用以判斷一指紋圖樣；其中每一個感應元件進一步包含一防護開關，該開關控制模組藉由控制該等防護開關，令一固定電壓被提供至未被連接至該感應電路之N-1組感應元件中的複數個感應電極，且每一感應元件包含之該薄膜電晶體開關以及該防護開關兩者之一為導通。
7. 如申請專利範圍第6項所述之指紋掃描裝置，其中該開關控制模組透過N條控制線電性耦接至該複數個薄膜電晶體開關，同一組感應元件所包含之薄膜電晶體開關皆耦接至同一控制線。
8. 如申請專利範圍第6項所述之指紋掃描裝置，其中該N組感應元件中共 有M*N個感應元件，每一組感應元件各自包含M個感應元件，M為大於一之整數；該感應電路包含M個感應單元，各自對應於一個感應元件。
9. 如申請專利範圍第6項所述之指紋掃描裝置，進一步包含串聯之(N-1)個移位暫存器，該(N-1)個移位暫存器中之一第i移位暫存器係耦接至該N組感應元件中之一第i組感應元件所包含之該複數個薄膜電晶體開關，該(N-1)個移位暫存器分別受到該開關控制模組提供之一時脈信號控制，該開關控制模組將一開啟脈波提供至其中之一移位暫存器，且該(N-1)個移位暫存器根據該時脈信號依序將該開啟脈波傳遞至下一個移位暫存器；接收到該開啟脈波後，一移位暫存器將該移位暫存器所耦接之該複數個薄膜電晶體開關設定為導通。
10. 一種指紋掃描方法，用以配合一感應電路與N組感應元件，每一組該感應元件各自包含複數個感應元件，每一個感應元件包含一薄膜電晶體開關以及一感應電極，N為大於一之整數，該指紋掃描方法包含：控制該感應電路驅動該N組感應元件以依序產生N組感應信號；控制該等薄膜電晶體開關，令該N組感應元件中之一組感應元件所包含的複數個感應電極被連接至該感應電路；以及根據該N組感應信號對應於該複數個感應電極之一實體位置分布，判斷一指紋圖樣；其中每一個感應元件進一步包含一防護開關，該指紋掃描方法進一步包含：藉由控制該等防護開關，令一固定電壓被提供至未被連接至該感應電路之N-1組感應元件中的複數個感應電極，其中每一感應元件包含之該薄膜電晶體開關以及該防護開關兩者之一為導通。
11. 如申請專利範圍第10項所述之指紋掃描方法，其中該N組感應元件中共有M*N個感應元件，每一組感應元件各自包含M個感應元件，M為大於一之整數；該感應電路包含M個感應單元，各自對應於一個感應元 件。
12. 如申請專利範圍第10項所述之指紋掃描方法，其中串聯之(N-1)個移位暫存器中之一第i移位暫存器係耦接至該N組感應元件中之一第i組感應元件所包含之該複數個薄膜電晶體開關，該指紋掃描方法進一步包含：提供一時脈信號控制該(N-1)個移位暫存器；將一開啟脈波提供至其中之一移位暫存器，並令該(N-1)個移位暫存器根據該時脈信號依序將該開啟脈波傳遞至下一個移位暫存器；其中接收到該開啟脈波後，一移位暫存器將該移位暫存器所耦接之該複數個薄膜電晶體開關設定為導通。