TWI597632B - 具壓力感測功能的觸控顯示裝置 - Google Patents

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蔡嘉豪
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群創光電股份有限公司
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Description

具壓力感測功能的觸控顯示裝置
本發明是有關於一種觸控顯示裝置，且特別是有關於一種具備壓力感測功能的之觸控顯示裝置。
觸控顯示裝置已被廣泛地應用在各式電子產品當中，像是智慧型手機、平板電腦、筆電等等。為提升使用者體驗，市面上更提出一種具備壓力感測功能的觸控顯示裝置。此種觸控顯示裝置除了可感測手指/觸控筆在觸控平面上移動的軌跡，更可回應於不同的按壓力道而觸發相應的操作。然而，此種觸控顯示裝置往往需額外將壓力感測器疊構於面板的背面，使得相關零組件之成本及製造難度增加，更可能導致面板厚度的提高或影響液晶顯示面板的穿透率。
因此，如何改善具備壓力感測功能的觸控顯示裝置的性能並降低其製造成本，乃目前業界所致力的課題之一。
本發明係關於一種具備壓力感測功能的觸控顯示裝置。藉由在觸控面板的第二基板層(如彩色濾光片基板或透明基板) 內側鋪設一層電極以與第一基板層(如畫素薄膜電晶體基板)上的電極的形成一電容，使得觸控顯示裝置在受按壓後所產生的感測輸出訊號可明顯增強。如此一來，控制器只需藉由判斷感測輸出訊號的大小即可分辨出所發生的觸控事件係一平面觸控事件或一按壓觸控事件。此架構不僅可省去針對壓力感測功能而額外增設壓力感測器的需求，更可提升相關訊號的品質，以改善整體的觸控及顯示性能。
根據本發明之一方面，提出一種觸控顯示裝置。觸控顯示裝置包括第一基板層、第二基板層、第一電極層、第二電極層以及控制器。第一基板層包括多個畫素及多個電晶體。第二基板層與第一基板層相對設置。第一電極層形成於第一基板層之上，並介於第一基板層與第二基板層之間。第二電極層形成於第二基板層之上，並介於第一基板層與第二基板層之間，以和第一電極層形成電容。控制器電性連接第一電極層，用以在觸控顯示裝置操作於顯示模式時對第一電極層輸出第一訊號，使第一電極層作為畫素之共同電極層，並於觸控顯示裝置操作於觸控模式時對第一電極層輸出第二訊號，使第一電極層作為觸控電極層。其中，當觸控顯示裝置操作於觸控模式，控制器基於電容產生感測輸出訊號，並判斷感測輸出訊號的值是否跨過第一閥值以偵測是否發生觸控事件，控制器更判斷感測輸出訊號的值是否跨過第二閥值以分辨所發生的觸控事件係平面觸控事件或按壓觸控事件。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100、900、1200、1300、1400、1500、1600、1800、1900、2400、2500‧‧‧觸控顯示裝置
SB1‧‧‧第一基板層
SB2‧‧‧第二基板層
EL1‧‧‧第一電極層
EL2‧‧‧第二電極層
EL3‧‧‧觸控電極層
Cp‧‧‧電容
d、df‧‧‧間隙
x、y、z‧‧‧方向軸
20、30、50、1620‧‧‧控制器
202‧‧‧單元電極板
MT‧‧‧金屬導線
VH‧‧‧連接孔
DM‧‧‧虛設金屬導線
X1~Xm、X1’~Xm’‧‧‧傳送電極
XU‧‧‧子傳送電極
Y1~Yn、Y1’~Yn’‧‧‧接收電極
BG‧‧‧連接線路
DPS‧‧‧顯示模式訊號
TPS‧‧‧觸控模式訊號
502‧‧‧電晶體
GL‧‧‧掃描線
DL‧‧‧資料線
N1、N2‧‧‧節點
C‧‧‧畫素電容
S1‧‧‧第一訊號
S2‧‧‧第二訊號
91、92、131、132‧‧‧玻璃基板
93、133‧‧‧連接體
94、134‧‧‧間隙子
901、903、905、1301、1309、1311‧‧‧絕緣層
907、1303‧‧‧平坦層
909、1313‧‧‧閘極絕緣層
911、1305‧‧‧閘極層
913、1307‧‧‧源/汲極層
1315‧‧‧緩衝層
1317‧‧‧遮光層
915、1319‧‧‧主動層
917、1321‧‧‧金屬導線層
919、1323‧‧‧畫素電極層
902、1302‧‧‧黑色矩陣
904、1304‧‧‧彩色濾光片
906、1306‧‧‧保護層
Rtp‧‧‧等效電阻
Ctp‧‧‧等效電容
SW1‧‧‧第一開關
SW2‧‧‧第二開關
Amp‧‧‧放大器
Cfb‧‧‧迴授電容
VDD‧‧‧電源
Vref‧‧‧參考電壓
Vout、Vout_xy、Vout_z‧‧‧感測輸出訊號
OB‧‧‧物體
TH1‧‧‧第一閥值
TH2‧‧‧第二閥值
TH3‧‧‧第三閥值
F‧‧‧一幀的操作時間
1602、1802、1902、2402、2502‧‧‧介電層
1604、1804、1904、2404、2504‧‧‧保護玻璃
1606‧‧‧傳送電極
1608‧‧‧接收電極
Cf、Cr、Cm、Cma、Cmb、Cfa‧‧‧電容
Rx1~Rxm、Rxa_1~Rxa_m、Rxb_1~Rxb_m‧‧‧接收電極條
Tx1~Txn‧‧‧傳送電極條
NTx、NRx、NTx1、NRx1、NTx2、NRx2‧‧‧節點
L0、L1、L2‧‧‧感測輸出訊號值
S(Tx1)~S(Txn)、S(Rx1)~S(Rxm)、S(Rxa_1)~S(Rxa_m)、S(Rxb_1)~S(Rxb_m)‧‧‧訊號
第1圖繪示依據本發明一實施例之觸控顯示裝置之剖面示意圖。
第2至4圖繪示不同實施態樣之第一電極層之上視示意圖。
第5圖繪示觸控顯示裝置操作在不同模式時，控制器對電晶體之相關訊號操作的一例示意圖。
第6至8圖繪示以不同電極圖樣實現之第二電極層。
第9(a)圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置的剖面示意圖。
第9(b)圖繪示當觸控事件發生於觸控顯示裝置之示意圖。
第10圖繪示感測輸出訊號之一例波形圖。
第11圖繪示感測輸出訊號之另一例波形圖。
第12圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置的剖面示意圖。
第13圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置的剖面示意圖。
第14圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置的剖面示意圖。
第15圖繪示依據本發明一實施例之觸控顯示裝置之剖面示意圖。
第16(a)圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置的剖面示意圖。
第16(b)圖繪示當觸控事件發生時，觸控顯示裝置之剖面示意圖。
第16(c)圖繪示無觸控事件發生時觸控顯示裝置之相關等效電路圖。
第16(d)圖繪示有平面觸控事件發生時觸控顯示裝置之相關等效電路圖。
第16(e)圖繪示有按壓觸控事件發生時觸控顯示裝置之相關等效電路圖。
第17圖繪示感測輸出訊號之一例波形圖。
第18圖繪示感測輸出訊號之另一例波形圖。
第19圖繪示第一電極層與第二電極層的一例上視圖。
第20圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置在觸控事件發生時之一例剖面圖。
第21圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置在觸控事件發生時之一例剖面圖。
第22(a)~22(b)圖繪示如第20、21圖所示之觸控顯示裝置在不同觸控事件下的相關等效電路圖。
第23圖繪示感測輸出訊號之一例波形圖。
第24圖繪示觸控顯示裝置操作在不同模式時，控制器對畫素電晶體之相關訊號操作的一例示意圖。
第25圖繪示第一電極層、第二電極層與第三電極層的一例上視圖。
第26圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置在觸控事件發生時之一例剖面圖。
第27圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置在觸控事件發生時之一例剖面圖。
第28(a)~28(b)圖繪示如第26、27圖所示之觸控顯示裝置針對平面觸控事件之感測的相關等效電路圖。
第29圖繪示感測輸出訊號之一例波形圖。
第30(a)~30(b)圖繪示如第26、27圖所示之觸控顯示裝置針對按壓觸控事件之感測的相關等效電路圖。
第31圖繪示感測輸出訊號之一例波形圖。
第32圖繪示觸控顯示裝置操作在不同模式時，控制器對電晶體之相關訊號操作的一例示意圖。
第33圖繪示第一電極層、第二電極層與第三電極層的一例上視圖。
在本文中，參照所附圖式仔細地描述本發明的一些實施例，但不是所有實施例都有表示在圖示中。實際上，這些發明可使用多種不同的變形，且並不限於本文中的實施例。相對的，本揭露提供這些實施例以滿足應用的法定要求。圖式中相同的參考符號用來表示相同或相似的元件。
第1圖繪示依據本發明一實施例之觸控顯示裝置100之剖面示意圖。觸控顯示裝置100包括第一基板層SB1、第二基板層SB2、第一電極層EL1以及第二電極層EL2。
第一基板層SB1例如是薄膜電晶體(Thin-Film Transistor,TFT)基板，當中包括多個畫素及多個電晶體(未繪示於本圖)。第二基板層SB2與第一基板層SB1相對設置。第二基板層SB2例如是，但不限於，彩色濾光片玻璃基板或透明基板。
第一電極層EL1形成於第一基板層SB1之上，並介於第一基板層SB1與第二基板層SB2之間。第一電極層EL1的電壓係受控於觸控顯示裝置100中的控制器(未繪示於本圖)，可於一控制週期內選擇性地作為畫素的共同電極(common electrode)層，或是用以感測觸控事件的觸控電極層。舉例來說，控制器可在觸控顯示裝置100操作於顯示模式時對第一電極層輸出第一訊號(如共同電壓)，使第一電極層EL1作為畫素之共同電極，並可在觸控顯示裝置100操作於觸控模式時對第一電極層EL1輸出第二訊號(例如觸控感測脈衝)，使第一電極層EL1作為觸控電極。
第二電極層EL2形成於第二基板層SB2之上，並介於第一基板層SB1與第二基板層SB2之間，以和第一電極層EL1形成電容Cp。第二電極層EL2的材料可以是透明導電材料或金屬材料。
第一電極層EL1與第二電極層EL2之間例如為液晶層，其可作為電容Cp的介電層。其中，電容Cp的電容值大小係與第一、二電極層EL1、EL2間的間隙d及以及第二電極層EL2之電極圖樣大小相關。
依據本發明之實施例，第一、二電極層EL1、EL2 間的間隙d會受到外力變化，例如當手指按壓基板造成間隙d下降時，將使得電容Cp的電容值變大，進而使控制器感測到比一般平面觸控事件(例如在觸控平面上作x、y方向的滑動或輕觸動作)發生時還要大的感測輸出訊號。當按壓後所產生的感測輸出訊號大到可與平面觸控事件發生時所對應的感測輸出訊號明顯區別，控制器將可辨識出所發生的觸控事件係一縱向(例如z方向)的按壓觸控事件(例如施加一定力道按壓觸控螢幕)，而非平面觸控事件。因此，對觸控顯示裝置100的控制器而言，平面觸控事件與按壓觸控事件所觸發的感測輸出訊號皆屬同一訊號通道，控制器只需將感測輸出訊號與多個閥值進行比較，即可判斷是否發生觸控事件，以及辨別出所發生的觸控事件係一平面觸控事件或一按壓觸控事件。舉例來說，控制器可判斷感測輸出訊號的值是否跨過第一閥值以偵測是否發生觸控事件，並可判斷感測輸出訊號的值是否跨過第二閥值以分辨所發生的觸控事件係一平面觸控事件或一按壓觸控事件。透過此方式，觸控顯示裝置中將不需增設壓力感測器以專門感測按壓觸控事件，而控制器亦不用透過專屬的訊號通道以處理來自壓力感測器的壓力感測訊號。
第2至4圖繪示不同實施態樣之第一電極層之上視示意圖。在第2圖的例子中，第一電極層係以自容式(self-capacitive)內嵌觸控(in cell)結構來實現。如第2圖所示，第一電極層EL1被圖案化成多個彼此電性隔離的單元電極板202。各單元電極板202分別透過一金屬導線MT連接至控制器20。各 金屬導線MT彼此之間係獨立的訊號源，故控制器20可透過金屬導線MT來設定單元電極板202的電壓位準，使其作為畫素之共同電極或觸控電極。當觸控顯示裝置操作於觸控模式時，控制器20可透過金屬導線MT感應來自單元電極板202的訊號變化，並基於所感應的訊號變化產生感測輸出訊號。藉由判斷感測輸出訊號的大小，控制器20可判斷是否發生觸控事件，並進一步分辨所發生的觸控事件的類別，如平面觸控事件或按壓觸控事件。
金屬導線MT與單元電極板202例如實現於兩不同層，且兩層之間係間隔一絕緣層。各金屬導線MT與相應的單元電極板202可透過連接孔VH貫穿絕緣層以電性連接。在一實施例中，如第2圖所示，各單元電極板202更與多條虛設金屬導線DM電性連接，此些虛設金屬導線DM係與控制器20電性隔離。進一步說，虛設金屬導線DM相當於電性連接至單元電極板202的金屬斷線。透過設置虛設金屬導線DM，可降低第一電極層的阻值，並使整體阻值更加均勻。
接著請參考第3圖。在第3圖的例子中，第一電極層係以互容式(mutual-capacitive)內嵌觸控結構來實現。如第3圖所示，第一電極層包括多條傳送電極X1~Xm(m為正整數)以及接收電極Y1~Yn(n為正整數)，其中各傳送電極X1~Xm與各接收電極Y1~Yn分別包括多個圖案化為菱形/平行四邊形的子單元電極。
傳送電極X1~Xm與接收電極Y1~Yn例如位於同一 平面但互不連接。舉例來說，傳送電極X1~Xm與接收電極Y1~Yn的重疊處的係設置一橋接部，使得傳送電極X1~Xm(或接收電極Y1~Yn)上的訊號得以跨過接收電極Y1~Yn(或傳送電極X1~Xn)進行傳遞。
控制器30電性連接第一電極層。當觸控顯示裝置操作於顯示模式時，控制器30可對傳送電極X1~Xm以及接收電極Y1~Yn施加第一訊號(如共同電極訊號)，使電極X1~Xm、Y1~Yn作為畫素的共同電極。當觸控顯示裝置操作於觸控模式時，控制器30可依一定順序(例如依序)對傳送電極X1~Xm發送偵測訊號，並依據來自接收電極Y1~Yn的訊號變化產生感測輸出訊號，以進行後續的觸控事件判斷。
接著請參考第4圖。在第4圖的例子中，第一電極層係以互容式內嵌觸控結構來實現。如第4圖所示，第一電極層包括傳送電極X1’~Xm’以及接收電極Y1’~Yn’。傳送電極X1’~Xm’與接收電極Y1’~Yn’在一平面上彼此交錯設置，並連接至控制器40。在此實施例中，接收電極Y1’~Yn’以多行排列設置，傳送電極X1’~’Xm以多列排列設置。各傳送電極X1~Xm分別包括多個子傳送電極XU。多個子傳送電極XU係透過連接線路BG電性連接以形成一條傳送電極。
類似於前述實施例，控制器40電性連接第一電極層。當觸控顯示裝置操作於顯示模式時，控制器40可對傳送電極X1’~Xm’以及接收電極Y1’~Yn’施加第一訊號(如共同電極訊號)， 使其作為畫素電晶體的共同電極。當觸控顯示裝置操作於觸控模式時，控制器40可依一定順序(例如依序)對傳送電極X1’~Xm’發送偵測訊號，並依據來自接收電極Y1’~Yn’的訊號變化產生感測輸出訊號，以進行後續的觸控事件判斷。
可理解的是，本發明並不以上述例示為限。第一電極層亦可以其他圖樣/配置的電極來實現，只要第一電極層可依據控制器的控制而選擇性地作為畫素的共同電極層，或是作為用以感測觸控事件的觸控電極層即可。
第5圖繪示觸控顯示裝置操作在不同模式時，控制器對畫素電晶體之相關訊號操作的一例示意圖。在此例子中，觸控顯示裝置例如交替地操作在顯示模式以及觸控模式以達到觸控顯示功能。如第5圖所示，觸控顯示裝置在一幀的操作時間F內係先後操作於顯示模式以及觸控模式。需注意，第5圖中所繪示之時序僅是用以幫助理解本發明，而非限制本發明。在其他實施例中，觸控顯示裝置可基於任意之時序配置而選擇性地操作在顯示模式或觸控模式。
控制器50的訊號輸出可分為兩部分：一是顯示模式訊號DPS，一是觸控模式訊號TPS。當觸控顯示裝置操作於顯示模式時，電晶體502被掃描線GL致能而導通，此時控制器50將透過資料線DL對節點N1輸出對應顯示資料的顯示模式訊號DPS，並對節點N2輸出對應共同電壓的觸控模式訊號TPS(以下稱第一訊號S1)，使得畫素電容C中的電場得以回應於顯示模式訊號DPS 作變化，以達顯示目的。因此，當觸控顯示裝置操作於顯示模式時，節點N1係作為一畫素電極，而節點N2係作為一共同電極。
當觸控顯示裝置操作於觸控模式時，電晶體502被掃描線GL禁能而關閉，此時節點N1呈浮接的狀態，而控制器50將對節點N2輸出一或多個致能的觸控模式訊號TPS(以下稱第二訊號S2)，以進行觸控感測。因此，當觸控顯示裝置操作於觸控模式時，節點N1係一浮接的電極板，而節點N2係作為一觸控電極。
上述之節點N2係位於第一電極層(如第1圖所示的第一電極層EL1)。透過對其施加不同的訊號，像是第一訊號S1或第二訊號S2，節點N2將對應地作為畫素的共同電極，或是用以偵測觸控事件的觸控電極。
承前所述，第一電極層與第二電極層之間可形成電容以有效放大按壓時所產生的感測輸出訊號。依據本發明實施例，第二電極層可以各種不同的電極圖樣來實現。以第6至8圖為例，當第一基板層中的電晶體係與多條資料線(如第5圖之資料線DL)以及掃描線(如第5圖之掃描線GL)電性連接，且此些資料線與掃描線係交錯設置，第二電極層之電極圖樣可與資料線重疊或平行(如第6圖所示)、或與掃描線重疊或平行(如第7圖所示)、或同時與資料線以及掃描線重疊或平行以形成網格圖樣(如第8圖所示)。
第9(a)圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝 置900的剖面示意圖。為方便理解及說明，觸控顯示裝置900中與前述實施例相同或類似之元件係採用相同符號。
觸控顯示裝置900包括第一基板層SB1、第二基板層SB2、第一電極層EL1以及第二電極層EL2。第一基板層SB1包括基板91、絕緣層901、903及905、平坦層907、閘極絕緣層(Gate Insulating Layer)909、電晶體之閘極(Gate Electrode)層911、電晶體之源/汲極(Source/Drain)層913、電晶體之主動層(Active layer)915(如非晶矽或氧化物半導體材料)、金屬導線層917以及畫素電極層919(如銦錫氧化物(ITO)電極)。
觸控顯示裝置900係一共同電極(第一電極層EL1)形成於資料線與畫素電極層919上方的結構(Top Common)。在一實施例中，第一基板層SB1及形成於其上的第一電極層EL1可基於以下製程來實現：在玻璃基板91上沉積閘極層911的金屬並進行圖案化；沈積閘極絕緣層909與主動層915，並圖案化主動層915；沉積源/汲極層913並圖案化出源極導線/汲極導線/資料線，且部份的源/汲極層913係與主動層915電性連接；沈積絕緣層901(第一鈍化層(passivation layer))與平坦層907後，進行圖案化以形成連接孔至源/汲極層913；沈積畫素電極層919並對其作圖案化，使其作為觸控顯示裝置900之畫素電極，並透過連接孔電性連接至源/汲極層913(如畫素電晶體的汲極端)；沈積絕緣層(第二鈍化層)903；沈積金屬導線層917以作為傳送共同電極電壓及觸控訊號至第一電極層EL1的走線；圖案化金屬導線層917使其 與源/汲極層913之資料線重疊；沈積絕緣層905(第三鈍化層)並對其圖案化以製作連接孔於金屬導線層917上；沈積第一電極層EL1並對其圖案化使其形成狹縫(slit)以作為觸控顯示裝置之共同電極及觸控電極，以及透過連接孔(如第2圖所示的連接孔VH)以連接至下層的金屬導線層917。
第二基板層SB2包括基板92、黑色矩陣(Black Matrix)902、彩色濾光片(Color Filter)904以及保護層(Overcoat)906。在一實施例中，第二基板層SB2及形成於其上的第二電極層EL2可基於以下製程來實現：在玻璃基板92上塗佈黑色矩陣902並圖案化；塗佈R色阻(R Pigment)、B色阻(B Pigment)以及G色阻(G Pigment)並分別對其作圖案化；塗佈保護層906；沉積第二電極層EL2(透明/不透明電極)並對其圖案化；以及，塗佈間隙子(Photo Spacer)94之光阻(Photo Spacer)並圖案化。第二電極層EL2係介於黑色矩陣902與第一電極層EL1之間，並位於黑色矩陣902所形成的光學遮蔽區內，以避免影響顯示區的電場分佈而降低顯示品質。
之後，將第一基板層SB1與第二基板層SB2對組，即可在第一、二電極層EL1、EL2之間形成電容Cp，此電容Cp的電容值可隨按壓後的電極間距改變而變化。
在一實施例中，觸控顯示裝置900更包括連接元件93，其位於觸控顯示裝置900的非顯示區(例如位在主動區(Active Area)之外)，用以使第二電極層EL2電性連接至第一基板層SB1。 連接元件93可以是金球(Au ball)、異方向性導電膠(Anisotropic Conductive Film,ACF)、銀膠(Silver glue)或其它導電材料。透過連接元件93，第二電極層EL2的電壓可被設定。舉例來說，第二電極層EL2之電壓可以是第一訊號S1之電壓(如共同電極電壓)、第二訊號S2之電壓(如感測訊號電壓)、接地電壓或其它特定電壓。或者，觸控顯示裝置900可不包括連接元件93，此時第二電極層EL2的電壓處於浮接狀態。
第9(a)圖下方為金屬導線層917所形成之金屬導線與相連之控制器90之等效電路圖。在此例中，金屬導線的等效電阻為Rtp、沿其鋪設路徑上所看到的等效電容為Ctp(即，金屬導線與其他電極/金屬層間所形成的電容總和)，而金屬導線在與第一導電層EL1電性連接處更可看到電容Cp。控制器90包括第一開關SW1、第二開關SW2、放大器Amp以及迴授電容Cfb。第一開關SW1與第二開關SW2係交替地開啟/關閉以對電容Ctp及Cp充放電。進一步說，第一開關SW1的一端耦接電源VDD，當第一開關SW1導通，第二開關SW2將會關閉，此時電源VDD將對電容Ctp及Cp進行充電。反之，當第二開關SW2導通，第一開關SW1將會關閉，此時累積於電容Ctp及Cp的電荷將輸出至放大器Amp的其中一輸入端，放大器Amp的另一輸入端則例如耦接參考電壓Vref。放大器Amp的輸入與輸出端之間跨有迴授電容Cfb，以符合電路穩定性和頻寬考量。放大器Amp可回應於來自金屬導線的訊號產生感測輸出訊號Vout。在無觸控事件發生 時，感測輸出訊號Vout可表示如下：
其中n為感測週期的次數。
接著請參考第9(b)圖，其繪示當觸控事件發生於觸控顯示裝置900之示意圖。如第9(b)圖所示，當物體OB(例如手指、觸控筆或其它任何可用於進行觸控操作的物體)碰觸觸控顯示裝置900時，物體OB與觸控顯示裝置900中的第一電極層EL1之間會產生感應電容Cf。此時，相關的等效電路係如第9(b)圖下方所示，金屬導線更看到感應電容Cf。因此，在觸控事件發生時，感測輸出訊號Vout可表示如下：
其中感應電容Cf的電容值係與物體OB和第一電極層EL1之間的間距df呈負相關。也就是說，當物體OB進行按壓使間距df變小，感應電容Cf的電容值將增大，使得感測輸出訊號Vout變大。
一般而言，當觸控事件發生時，由於物體OB與第一電極層EL1相距甚遠，物體OB所造成的感應電容Cf僅約1pF左右，故即便感應電容Cf的大小會隨按壓力道而產生變化，控制器90並不易單憑感應電容Cf的變化而判斷出按壓力道的程度。依據本發明之實施例，第二基板層SB2內側的第二電極層EL2可與第一電極層EL1之間形成相對大的電容，可依需求設計成不 同大小的電容，且其電容值可隨按壓力道產生明顯變化，使得控制器90能依據所產生的感測輸出訊號Vout分辨出所發生的觸控事件為平面觸控事件或按壓觸控事件。
第10圖繪示感測輸出訊號Vout之一例波形圖。在此例中，假設物體造成的感應電容Cf為1pF、電容Cp為6pF，且按壓後第一、二電極層EL1、EL2之間的間隙d最小為，若物體OB觸碰使得感應電容Cf變大而造成感測輸出訊號Vout的值由50變為150(此處感測輸出訊號Vout的值僅是用以表達訊號的大小關係，並無單位)，此時因感測輸出訊號Vout的值跨過了第一閥值TH1(例如對應訊號值100)，故控制器可判斷有觸控事件發生。
當物體OB進行重壓使得間隙d變為原本的2/3倍，此時Cp將放大為9pF，使得感測輸出訊號Vout的值變為450。此多出來的訊號大小(多出300的訊號值)可讓控制器進一步判別出一或多個觸控狀態。如第10圖所示，控制器將判斷感測輸出訊號Vout的值是否跨過第二閥值TH2(其大於第一閥值TH1，例如對應訊號值250)，以分辨所發生的觸控事件係平面觸控事件或按壓觸控事件。也就是說，當感測輸出訊號Vout的值低於第一閥值TH1，控制器將判斷為無觸控事件發生；當感測輸出訊號Vout的值介於第一閥值TH1和第二閥值TH2之間，控制器將判斷為發生平面觸控事件(如一般的滑動、輕觸等操作，而非施加重力按壓)；當感測輸出訊號Vout的值介於跨過第二閥值TH2，控制器 將判斷為發生按壓觸控事件(如施加重力按壓)。
可理解的是，上述例示提到的各項參數值，例如電容大小、閥值大小以及訊號值大小，皆僅用於說明本發明，而非限制本發明。實際上，電容Cp及Cf會因實際電路結構而有不同，而各閥值的大小亦會依據不同的應用、感測靈敏度考量而作設定。
值得注意的是，由於上述例示提到當物體OB進行重壓使得間隙d改變，此時Cp也會改變，使得感測輸出訊號Vout的值產生變化，控制器將判斷為發生按壓觸控事件，故物體OB除了為導電物體外，亦可為絕緣物體，控制器可藉由按壓觸控事件進一步判斷平面觸控事件的發生位置。
第11圖繪示感測輸出訊號之另一例波形圖。與前述實施例的差別在於，本實施例中控制器更利用一或多個第三閥值TH3以判斷按壓觸控事件所對應的壓力狀態。如第11圖所示，控制器更判斷感測輸出訊號Vout是否跨過第三閥值(如對應訊號值350)。當判斷結果為是，控制器可判斷按壓觸控事件對應重壓狀態。反之，當感測輸出訊號Vout的值係介於第二閥值TH2和第三閥值TH3之間，控制器可判斷按壓觸控事件為一般按壓狀態。可知本發明並不限於此，在其他實施例中，控制器亦利用多於一個的第三閥值TH3以將按壓觸控事件分為更多種壓力狀態，以供後端電路執行相應的處理。
第12圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝 置1200的剖面示意圖。為方便理解及說明，觸控顯示裝置1200中與前述實施例相同或類似之元件係採用相同符號。
觸控顯示裝置1200與前述之觸控顯示裝置900的主要差別在於，觸控顯示裝置1200係一畫素電極層919形成於共同電極(第一電極層EL1)上方的結構(Top Pixel)。如第12圖所示，畫素電極層919係形成於第一電極層EL1與第二電極層EL2之間，並與第一基板層SB1中的電晶體電性連接。採用此架構一般而言可使觸控顯示裝置的光穿透率獲得改善。觸控顯示裝置1200的相關訊號操作及觸控判斷與前述實施例類似，故不另贅述。
第13圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置1300的剖面示意圖。為方便理解及說明，觸控顯示裝置1300中與前述實施例相同或類似之元件係採用相同符號。
觸控顯示裝置1300包括第一基板層SB1、第二基板層SB2、第一電極層EL1以及第二電極層EL2。第一基板層SB1包括基板131、絕緣層1301、平坦層1303、閘極層1305、源/汲極層1307、絕緣層1309及1311、閘極絕緣層1313、緩衝層(Buffer Layer)1315、遮光層1317、材料為低溫多晶矽(Low Temperature Poly-Silicon，LTPS)的主動層1319、金屬導線層1321以及畫素電極層1323。其中，金屬導線層1321係作為傳送共同電極電壓及觸控訊號至第一電極層EL1的走線，第一電極層EL1則係回應於來自金屬導線層1321的訊號而作為畫素的共同電極或用以感測觸控事件的觸控電極。舉例來說，第一電極層EL1可透過，但不 限於，第4圖所示之電極態樣來實現，此時金屬導線層1321之金屬導線例如是傳送電極X1’~Xm’或接收電極Y1’~Yn’。
觸控顯示裝置1300的第二基板層SB2包括基板132、黑色矩陣1302、彩色濾光片1304以及保護層1306。第二電極層EL2形成於第二基板層SB2的內側，以和第一電極層EL1形成電容Cp。
第一基板層SB1與第二基板層SB2之間例如是液晶，兩基板層例如以間隙子134隔開。在一實施例中，觸控顯示裝置1300更包括連接元件133，其位於觸控顯示裝置1300的非顯示區，用以使第二電極層EL2電性連接至第一基板層SB1。透過連接體93，第二電極層EL2的電壓可被設定為共同電極電壓、感測訊號電壓、接地電壓或其它特定電壓。或者，觸控顯示裝置1300可不包括連接元件133，此時第二電極層EL2的電壓處於浮接狀態。
由於觸控顯示裝置1300的相關訊號操作及觸控判斷與前述實施例類似，故不另贅述。
第14圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置1400的剖面示意圖。為方便理解及說明，觸控顯示裝置1400中與前述實施例相同或類似之元件係採用相同符號。
觸控顯示裝置1400與前述之觸控顯示裝置1300的主要差別在於，觸控顯示裝置1300係採Top Common結構，而觸控顯示裝置1400則採Top Pixel結構。如第14圖所示，畫素電極 層1323形成在第一電極層EL1的上方並電性連接至下方的電晶體結構。觸控顯示裝置1400的相關訊號操作及觸控判斷與前述實施例類似，故不另贅述。
第15圖繪示依據本發明一實施例之觸控顯示裝置1500之剖面示意圖。在此實施例中，負責平面觸控感測(x、y方向的觸控或輕觸)的觸控電極層EL3係設置於第二基板層上相對於第二電極層EL2的另一側。因此，觸控顯示裝置1500的控制器可基於感應自觸控電極層EL3的訊號變化以偵測平面觸控事件，並透過感應自第一電極層EL1的訊號變化以偵測按壓觸控事件(例如沿z方向的按壓)。觸控電極層EL3可以各種觸控接收電極來實現，如第3圖所示之電容式接收電極。
第16(a)圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置1600的剖面示意圖。為方便理解及說明，觸控顯示裝置1600中與前述實施例相同或類似之元件係採用相同符號。
觸控顯示裝置1600的第二基板層SB2在其相對於第二電極層EL2的另一側更包括第三電極層EL3。第三電極層EL3之上係設置一介電層1602(例如光學膠(Optically Clear Adhesive/Resin)層或空氣層)，而介電層1602之上係設置一保護玻璃(cover glass)1604。第三電極層EL3可例如由第3圖所示的電容式觸控電極來實現，其包括作為傳送電極層(transmitter electrode,Tx)的傳送電極1606，以及作為接收電極層(receiver electrode,Rx)的接收電極1608。傳送電極1606以及接收電極1608 主要負責偵測平面觸控事件。
請同時參考第16(b)圖以及第16(d)圖。第16(b)圖繪示當觸控事件發生時，觸控顯示裝置1600之剖面示意圖。第16(d)圖觸控事件發生時觸控顯示裝置1600之相關等效電路圖。
在此例中，一控制器係連接第三電極層EL3，並主要負責偵測平面觸控事件，而另一控制器係連接第一電極層EL1，並主要負責偵測按壓觸控事件。此兩控制器可例如分別實現於不同電路，或是整合在同一電路，端視不同設計需求而定。
針對負責偵測平面觸控事件的控制器，其所連接之金屬導線具有一等效電阻，傳送電極1606對地形成電容Ct，接收電極1608對地形成電容Cr，而接收電極1608與傳送電極1606間的等效電容為Cm。當觸控事件發生時，也就是物體OB碰觸保護玻璃1604的一側，物體OB和第三電極層EL3之間會形成電容Cf。
第16(c)~16(d)圖繪示如第16(a)、16(b)圖所示之觸控顯示裝置1600在有無觸控事件下的相關等效電路圖。NTx與NRx分別表示位在傳送電極層1606與接收電極層1608的節點。假設節點NTx的電壓為V，該電壓V可表示為： V = Vm + Vr (式3)
其中Vm為電容Cm兩端的跨壓，Vr為電容Cr兩端的跨壓。
第16(c)圖繪示當觸控事件未發生時，觸控顯示裝置 1600所對應之等效電路圖。
當觸控事件未發生時，電容Cr兩端的跨壓Vr為：
電容Cm兩端的跨壓Vm為：
此時，控制器依據節點NRx之訊號而產生的感測輸出訊號Vout可表示如下：
接著請參考第16(d)圖，其繪示當觸控事件發生時，觸控顯示裝置1600所對應之等效電路圖。如第16(d)圖所示，當平面觸控事件發生時，節點NRx處將看到因觸碰而形成的電容Cf。此時，電容Cr兩端的跨壓Vr可表示為：
電容Cm兩端的跨壓Vm為：
控制器依據節點NRx之訊號而產生的感測輸出訊號Vout可表示如下：
相較於(式6)，可知因觸控事件所產生的電容Cf將使感測輸出訊號Vout變小。然若當物體OB進行重壓，電容Cm 將會變大，使得感測輸出訊號Vout的值明顯增加。此多出來的訊號大小將可讓控制器進一步判別出一或多個觸控狀態。
第16(e)圖繪示有按壓觸控事件發生時觸控顯示裝置之相關等效電路圖。如第16(e)圖所示，控制器1620可基於電容Cp的變化以偵測按壓觸控事件。值得注意的是，在此例中當物體OB碰觸保護玻璃1604的一側，物體OB對於第一電極層EL1的電容效應(如電容Cf)將被第三電極層EL3之互容效應(如電容Cm)所遮蔽。因此，控制器1620回應於觸控事件所產生的感測輸出訊號Vout_z係表示如下：
當物體OB進行重壓使得第一基板層SB1與第二基板層SB2間的距離縮短，電容Cp將會變大，使得感測輸出訊號Vout_z的值明顯增加。此多出來的訊號大小將可讓控制器1620進一步判別出一或多個觸控狀態(例如輕壓狀態、重壓狀態等)。
第17圖繪示感測輸出訊號Vout之一例波形圖。當觸控事件未發生時，感測輸出訊號Vout的值為L0，其小於第一閥值TH1。當發生單純的平面觸控事件(未重按壓)時，感測輸出訊號Vout的值為L1，其小於第一閥值TH1。
在此例中，假設未按壓前的電容Cp為6pF，且按壓後第一、二電極層EL1、EL2之間的間隙d最小為，當物體OB進行重壓使得間隙d變為原本的2/3倍，此時Cp將放大為9pF， 相較於原本多出3pF，使得感測輸出訊號Vout的值由50變為200。此多出來的訊號大小(多出150的訊號值)可讓控制器判斷有按壓觸控事件發生，故此時因感測輸出訊號Vout的值跨過了第一閥值TH2(例如對應訊號值150)，故控制器可判斷有平面觸控事件發生。感測輸出訊號Vout之一例波形圖如第18圖繪示。
可理解的是，上述例示提到的各項參數值，例如電容大小、閥值大小以及訊號值大小，皆僅用於說明本發明，而非限制本發明。實際上，電容Cp及Cf會因實際電路結構而有不同，而各閥值的大小亦會依據不同的應用、感測靈敏度考量而作設定。
值得注意的是，由於上述例示提到當物體OB進行重壓使得間隙d改變，此時Cp也會改變，使得感測輸出訊號Vout的值產生變化，控制器將判斷為發生按壓觸控事件，故物體OB除了為導電物體外，亦可為絕緣物體，控制器可藉由按壓觸控事件進一步判斷平面觸控事件的發生位置。
請再參考第1圖。在一實施例中，第一電極層EL1係作為一接收電極層，而第二電極層EL2係作為一傳送電極層。傳送電極層用以傳輸感測訊號以偵測觸控事件。接收電極層用以提供訊號至控制器以供其判斷觸控事件的發生與否及觸控事件的種類(如平面觸控事件或按壓觸控事件)。然本發明並不限於此，在一實施例中，第一電極層EL1係作為一傳送電極層，而第二電極層EL2係作為一接收電極層。又一實施例中，第一電極層EL1 係作為一傳送電極層以及一接收電極層，如第3、4圖所示。
第19圖繪示第一電極層EL1與第二電極層EL2的一例上視圖。在第19圖的例子中，第一電極層EL1與第二電極層EL2分別作為接收電極層與傳送電極層。
如第19圖所示，第一電極層EL1被圖案化成多個彼此電性隔離的接收電極條Rx1~Rxm。第二電極層EL2被圖案化成多個彼此電性隔離的傳送電極條Tx1~Txn，其中m、n為正整數。接收電極條Rx1~Rxm以多行排列設置，而傳送電極條Tx1~Txn以多列排列設置。舉例來說，接收電極條Rx1~Rxm係與畫素矩陣中的資料線平行設置，並與遮光層重疊；而位在第二基板層SB2一側的傳送電極條Tx1~Txn係與畫素矩陣之閘極線平行設置，並與遮光層重疊。
第20圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置1800在觸控事件發生時之一例剖面圖。觸控顯示裝置1800與採用Top common結構的觸控顯示裝置900相似。為方便理解及說明，觸控顯示裝置1800中與前述實施例相同或類似之元件係採用相同符號。
觸控顯示裝置1800的基板92上係設置一介電層1802(例如光學膠層或空氣層)，而介電層1802之上係設置一保護玻璃1804。在此例中，第二電極層EL2係作為傳送電極層，而第一電極層EL1係作為接收電極層。第二電極層EL2對地形成電容Ct，第一電極層EL1對地形成電容Cr，而第一電極層EL1與 第二電極層EL2之間係形成電容Cm。當物體OB碰觸觸控顯示裝置1800時，物體OB與第一電極層EL1之間將產生電容Cf。
第21圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置1900在觸控事件發生時之一例剖面圖。觸控顯示裝置1900與採用Top pixel結構的觸控顯示裝置1200相似。為方便理解及說明，觸控顯示裝置1900中與前述實施例相同或類似之元件係採用相同符號。
觸控顯示裝置1900的基板92上係設置一介電層1902(例如光學膠層或空氣層)，而介電層1902之上係設置一保護玻璃1904。在此例中，第二電極層EL2係作為傳送電極層，而第一電極層EL1係作為接收電極層。第二電極層EL2對地形成電容Ct，第一電極層EL1對地形成電容Cr，而第一電極層EL1與第二電極層EL2之間係形成電容Cm。當物體OB碰觸觸控顯示裝置1900時，物體OB與第一電極層EL1之間會產生感應電容Cf。
第22(a)~22(b)圖繪示如第19、20圖所示之觸控顯示裝置1800/1900在不同觸控事件下的相關等效電路圖。NTx與NRx分別表示位在傳送電極層(在此例中對應第二電極層EL2)與接收電極層(在此例中對應第一電極層EL1)的節點。假設節點NTx的電壓為V，該電壓V可表示為： V = Vm + Vr (式11)
其中Vm為電容Cm兩端的跨壓，Vr為電容Cr兩端 的跨壓。
第22(a)圖繪示當觸控事件未發生時，觸控顯示裝置1800/1900所對應之等效電路圖。
當觸控事件未發生時，電容Cr兩端的跨壓Vr為：
電容Cm兩端的跨壓Vm為：
此時，控制器依據節點NRx之訊號而產生的感測輸出訊號Vout可表示如下：
接著請參考第22(b)圖，其繪示當觸控事件發生時，觸控顯示裝置1800/1900所對應之等效電路圖。如第22(b)圖所示，當平面觸控事件發生時，節點NRx處將看到因觸碰而形成的電容Cf。此時，電容Cr兩端的跨壓Vr可表示為：
電容Cm兩端的跨壓Vm為：
控制器依據節點NRx之訊號而產生的感測輸出訊號Vout可表示如下：
相較於(式14)，可知因觸控事件所產生的電容Cf將使感測輸出訊號Vout變小。然若當物體OB進行重壓，電容Cm將會變大，使得感測輸出訊號Vout的值明顯增加。此多出來的訊號大小將可讓控制器進一步判別出一或多個觸控狀態。
如第23圖所示，當觸控事件未發生時，感測輸出訊號Vout的值為L0，其介於第一閥值TH1與第二閥值TH2之間。當發生單純的平面觸控事件(未重按壓)時，感測輸出訊號Vout的值為L1，其小於第一閥值TH1。當發生按壓觸控事件時，感測輸出訊號Vout的值將升高至L2，其大於第二閥值TH2。因此，控制器只需藉由判斷感測輸出訊號Vout與第一、二閥值TH1、TH2之間的大小關係即可判斷是否有發生觸控事件，並可區分出不同的觸控事件類型。第24圖繪示觸控顯示裝置操作在不同模式時，控制器對電晶體之相關訊號操作的一例示意圖。在此例子中，觸控顯示裝置例如具有如第19圖所示的第一電極層EL1以及第二電極層EL2，其中第一電極層EL1係包括多個接收電極條Rx1~Rxm，第二電極層EL2係包括多個傳送電極條Tx1~Txn。
觸控顯示裝置交替地操作在顯示模式以及觸控模式以達到觸控顯示功能。如第24圖所示，觸控顯示裝置在一幀的操作時間F內係先後操作於顯示模式以及觸控模式。需注意，第24圖中所繪示之時序僅是用以幫助理解本發明，而非限制本發明。在其他實施例中，觸控顯示裝置可基於任意之時序配置而選擇性地操作在顯示模式或觸控模式。
傳遞於傳送電極條Tx1~Txn上的訊號分別為S(Tx1)~S(Txn)。在顯示模式時，訊號S(Tx1)~S(Txn)皆位在指定的位準，例如共同電壓位準。在觸控模式時，訊號S(Tx1)~S(Txn)依序致能。
傳遞於接收電極條Rx1~Rxm上的訊號分別為S(Rx1)~S(Rxm)。在顯示模式時，訊號S(Rx1)~S(Rxm)皆位在指定的位準，例如共同電壓位準。在觸控模式時，訊號S(Rx1)~S(Rxm)將回應於訊號S(Tx1)~S(Txn)而變化。而控制器將依據訊號S(Rx1)~S(Rxm)的大小來判斷是否有發生觸控事件，並區分出不同的觸控事件類型。
請再參考第15圖。在一實施例中，第一電極層EL1係作為一接收電極層，第二電極層EL2係作為一傳送電極層，而第三電極層係作為一接收電極層，其中，第一電極層EL1與第二電極層EL2可用於感測按壓觸控事件，而第二電極層EL2與第三電極層EL3可用於感測平面觸控事件。
如第25圖所示之實施例，第一電極層EL1與第二電極層EL2分別作為接收電極層與傳送電極層，可用於感測按壓觸控事件，而第三電極層EL3係作為接收電極層，其與第二電極層EL2可用於感測平面觸控事件。
在此例中，第一電極層EL1被圖案化成多個彼此電性隔離的接收電極條Rxb_1~Rxb_m；第二電極層EL2被圖案化成多個彼此電性隔離的傳送電極條Tx1~Txn；第三電極層EL3被 圖案化成多個彼此電性隔離的接收電極條Rxa_1~Rxa_m，其中m、n為正整數。接收電極條Rxa_1~Rxa_m、Rxb_1~Rxb_m以多行排列設置，而傳送電極條Tx1~Txn以多列排列設置。舉例來說，接收電極條Rxa_1~Rxa_m、Rxb_1~Rxb_m係與畫素矩陣中的資料線平行設置，並與遮光層重疊；而傳送電極條Tx1~Txn係與畫素矩陣之閘極線平行設置，並與遮光層重疊。
第26圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置2400在觸控事件發生時之一例剖面圖。觸控顯示裝置2400與採用Top common結構的觸控顯示裝置900相似。為方便理解及說明，觸控顯示裝置2400中與前述實施例相同或類似之元件係採用相同符號。
觸控顯示裝置2400的基板92上係設置一第三電極層EL3，第三電極層EL3上係設置一介電層2402(例如光學膠層或空氣層)，而介電層2402之上係設置一保護玻璃2404。在此例中，第一電極層EL1與第二電極層EL2分別作為接收電極層與傳送電極層，可用於感測按壓觸控事件，而第三電極層EL3係作為接收電極層，其與第二電極層EL2可用於感測平面觸控事件。
第二電極層EL2對地形成電容Ct，第一電極層EL1對地形成電容Cr，第三電極層EL3與第二電極層EL2之間形成電容Cma，而第一電極層EL1與第二電極層EL2之間形成電容Cmb。當物體OB碰觸觸控顯示裝置2400時，物體OB與觸控顯示裝置2400中的第三電極層EL3之間會產生電容Cfa。
第27圖繪示依據本發明之一實施例之觸控顯示裝置2500在觸控事件發生時之一例剖面圖。觸控顯示裝置2500與採用Top pixel結構的觸控顯示裝置1200相似。為方便理解及說明，觸控顯示裝置2500中與前述實施例相同或類似之元件係採用相同符號。
觸控顯示裝置2500的基板92上係設置一第三電極層EL3，第三電極層EL3上係設置一介電層2502(例如光學膠層或空氣層)，而介電層2502之上係設置一保護玻璃2504。在此例中，第一電極層EL1與第二電極層EL2分別作為接收電極層與傳送電極層，可用於感測按壓觸控事件，而第三電極層EL3係作為接收電極層，其與第二電極層EL2可用於感測平面觸控事件。第二電極層EL2對地形成電容Ct，第一電極層EL1對地形成電容Cr，而第一電極層EL1與第二電極層EL2之間係形成電容Cmb。當物體OB碰觸觸控顯示裝置2500時，物體OB與觸控顯示裝置2500中的第三電極層EL3之間會產生電容Cfa。
第28(a)~28(b)圖繪示如第26、27圖所示之觸控顯示裝置2400/2500針對平面觸控事件之感測的相關等效電路圖。NTx1與NRx1分別表示位在傳送電極層(在此例中對應第二電極層EL2)與接收電極層(在此例中對應第三電極層EL3)的節點。假設在節點NTx1的電壓為V，該電壓V可表示為： V = Vm + Vr (式18)
其中Vm為電容Cma兩端的跨壓，Vr為電容Cr兩 端的跨壓。
第28(a)圖繪示當觸控事件未發生時，觸控顯示裝置2400/2500針對平面觸控事件之感測的等效電路圖。
當觸控事件未發生時，電容Cr兩端的跨壓Vr為：
電容Cma兩端的跨壓Vm為：
此時，控制器依據節點NRx1之訊號而產生的感測輸出訊號Vout可表示如下：
接著請參考第28(b)圖，其繪示當平面觸控事件發生時，觸控顯示裝置2400/2500所對應之等效電路圖。如第28(b)圖所示，當平面觸控事件發生時，節點NRx1將看到因觸碰而形成的電容Cfa。此時，電壓Vr可表示為：
電容Cm兩端的跨壓Vm為：
控制器依據節點NRx1之訊號而產生的感測輸出訊號Vout可表示如下：
相較於(式21)，可知因平面觸控事件所產生的電容Cfa將使感測輸出訊號Vout變小。如第29圖所示，當未發生觸控事件時，對應的感測輸出訊號Vout係位在大於第一閥值TH1的位準L1。當發生平面觸控事件時，對應的感測輸出訊號Vout係位在小於第一閥值TH1的位準L2。
第30(a)~30(b)圖繪示如第26、27圖所示之觸控顯示裝置2400/2500針對按壓觸控事件之感測的相關等效電路圖。NTx2與NRx2分別表示位在傳送電極層(此例中對應第二電極層EL2)與接收電極層(此例中對應第一電極層EL1)的節點。假設在節點NTx2的電壓為V，該電壓V可表示為： V = Vm + Vr (式25)
其中Vm為電容Cmb兩端的跨壓，Vr為電容Cr兩端的跨壓。
第30(a)圖繪示當觸控事件未發生時，觸控顯示裝置2400/2500針對按壓觸控事件之感測的等效電路圖。
當按壓觸控事件未發生時，電容Cr兩端的跨壓Vr為：
電容Cmb兩端的跨壓Vm為：
此時，控制器依據節點NRx2之訊號而產生的感測輸出訊號Vout可表示如下：
接著請參考第30(b)圖，其繪示當按壓觸控事件發生時，觸控顯示裝置2400/2500所對應之等效電路圖。如第30(b)圖所示，當按壓觸控事件發生時，電容Cmb將變大為Cmb’，故電壓Vr可表示為：
電容Cm兩端的跨壓Vm為：
控制器依據節點NRx2之訊號而產生的感測輸出訊號Vout可表示如下：
相較於(式28)，可知因按壓觸控事件將使感測輸出訊號Vout變大。如第31圖所示，當未發生觸控事件時，對應的感測輸出訊號Vout係位在低於第一閥值TH1的位準L1。當發生按壓觸控事件時，對應的感測輸出訊號Vout係位在大於第一閥值TH1的位準L2。
第32圖繪示觸控顯示裝置操作在不同模式時，控制器對畫素電晶體之相關訊號操作的一例示意圖。在此例子中，觸控顯示裝置例如具有如第24圖所示的第一電極層EL1、第二電極層EL2以及第三電極層EL3，其中第一電極層EL1係包括多個接收電極條Rxb_1~Rxb_m，第二電極層EL2係包括多個傳送電極條Tx1~Txn，第三電極層EL3係包括多個接收電極條 Rxa_1~Rxa_m。
觸控顯示裝置交替地操作在顯示模式以及觸控模式以達到觸控顯示功能。如第32圖所示，觸控顯示裝置在一幀的操作時間F內係先後操作於顯示模式以及觸控模式。需注意，第32圖中所繪示之時序僅是用以幫助理解本發明，而非限制本發明。在其他實施例中，觸控顯示裝置可基於任意之時序配置而選擇性地操作在顯示模式或觸控模式。
傳遞於傳送電極條Tx1~Txn上的訊號分別為S(Tx1)~S(Txn)。在顯示模式時，訊號S(Tx1)~S(Txn)皆位在指定的位準，例如共同電壓位準。在觸控模式時，訊號S(Tx1)~S(Txn)依序致能。
傳遞於接收電極條Rxa_1~Rxa_m上的訊號分別為S(Rxa_1)~S(Rxa_m)。在顯示模式時，訊號S(Rxa_1)~S(Rxa_m)皆位在指定的位準，例如共同電壓位準。在觸控模式時，訊號S(Rxa_1)~S(Rxa_m)將回應於訊號S(Tx1)~S(Txn)而變化。而控制器將依據訊號S(Rxa_1)~S(Rxa_m)的大小來判斷是否有發生平面觸控事件。
類似地，傳遞於接收電極條Rxb_1~Rxb_m上的訊號分別為S(Rxb_1)~S(Rxb_m)。在顯示模式時，訊號S(Rxb_1)~S(Rxb_m)皆位在指定的位準，例如共同電壓位準。在觸控模式時，訊號S(Rxb_1)~S(Rxb_m)將回應於訊號S(Tx1)~S(Txn)而變化。而控制器將依據訊號S(Rxb_1)~S(Rxb_m) 的大小來判斷是否有發生按壓觸控事件。
第33圖繪示第一電極層EL1、第二電極層EL2與第三電極層EL3的一例上視圖。在第33圖的例子中，第一電極層EL1與第二電極層EL2分別作為接收電極層與傳送電極層，可用於感測按壓觸控事件，而第三電極層EL3係作為接收電極層，其與第二電極層EL2可用於感測平面觸控事件。與第25圖之實施例的主要差別在於，本例中第一電極層EL1為一完整平面，而非圖案化成條狀。
綜上所述，本發明提供之觸控顯示裝置可藉由在觸控面板的第二基板層(如彩色濾光片基板或透明基板)內側鋪設一層電極以與第一基板層(如畫素薄膜電晶體基板)上的電極的形成一電容，使得觸控顯示裝置在受按壓後所產生的感測輸出訊號可明顯增強。如此一來，控制器只需藉由判斷感測輸出訊號的大小即可分辨出所發生的觸控事件係一平面觸控事件或一按壓觸控事件。此架構不僅可省去針對壓力感測功能而額外增設壓力感測器的需求，更可提升相關訊號的品質，以改善整體的觸控及顯示性能。
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。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，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。
100‧‧‧觸控顯示裝置
SB1‧‧‧第一基板層
SB2‧‧‧第二基板層
EL1‧‧‧第一電極層
EL2‧‧‧第二電極層
Cp‧‧‧電容
d‧‧‧間隙
x、y、z‧‧‧方向軸

Claims (20)

  1. 一種觸控顯示裝置，包括：一第一基板層，包括複數個畫素及複數個電晶體；一第二基板層，與該第一基板層相對設置；一第一電極層，形成於該第一基板層之上，並介於該第一基板層與該第二基板層之間；一第二電極層，形成於該第二基板層之上，並介於該第一基板層與該第二基板層之間，以和該第一電極層形成一電容；以及一控制器，電性連接該第一電極層，用以在該觸控顯示裝置操作於一顯示模式時對該第一電極層輸出一第一訊號，使該第一電極層作為該些畫素之一共同電極層，並於該觸控顯示裝置操作於一觸控模式時對該第一電極層輸出一第二訊號，使該第一電極層作為一觸控電極層；其中當該觸控顯示裝置操作於該觸控模式，該控制器基於該電容產生一感測輸出訊號，並判斷該感測輸出訊號的值是否跨過一第一閥值以偵測是否發生一觸控事件，該控制器更判斷該感測輸出訊號的值是否跨過一第二閥值以分辨所發生的該觸控事件係一平面觸控事件或一按壓觸控事件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該第二閥值高於該第一閥值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該控制器更利用一或多個第三閥值以判斷該按壓觸控事件所對應的壓 力狀態。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該第二基板層包括一黑色矩陣，該第二電極層係介於該黑色矩陣與該第一電極層之間，並位於該黑色矩陣所形成的一光學遮蔽區內。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該些電晶體與複數條資料線以及複數條掃描線電性連接，且該些資料線與該些掃描線交錯設置；其中該第二電極層之電極圖樣與該些資料線重疊或平行。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該些電晶體與複數條資料線以及複數條掃描線電性連接，且該些資料線與該些掃描線交錯設置；其中該第二電極層之電極圖樣與該些掃描線重疊或平行。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該些電晶體與複數條資料線以及複數條掃描線電性連接，且該些資料線與該些掃描線交錯設置；其中該第二電極層之電極圖樣與該些資料線以及該些掃描線重疊或平行。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，更包括：一連接元件，位於該觸控顯示裝置的一非顯示區，用以使該第二電極層電性連接至該第一基板層。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該第二電極層之電壓係一共同電極電壓、一接地電壓或處於一浮接狀 態。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該第一電極層包括複數個彼此電性隔離的單元電極板，各該單元電極板分別透過一金屬導線連接至該控制器。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之觸控顯示裝置，其中各該單元電極板與複數條虛設金屬導線電性連接，該些虛設金屬導線與該控制器電性隔離。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該第一電極層包括複數條傳送電極以及複數條接收電極，該些傳送電極與該些接收電極在一平面上彼此交錯設置，並連接至該控制器。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，更包括：一觸控電極層，設置於該第二基板層上相對於該第二電極層的另一側；其中該控制器基於來自該觸控電極層的一觸控感測輸出訊號以偵測該平面觸控事件。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，更包括：一畫素電極層，形成於該第一基板層內，並與該些電晶體電性連接。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，更包括：一畫素電極層，形成於該第一電極層與該第二電極層之間，該畫素電極層與該第一基板層中的該些畫素電晶體電性連接。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該第二基板層包括一彩色濾光片。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該第一電極層作為一傳送電極層(transmitter electrode,Tx)及一接收電極層(receiver electrode,Rx)。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該第一電極層作為一傳送電極層，該第二電極層作為一接收電極層。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該第一電極層作為一接收電極層，該第二電極層作為一傳送電極層。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之觸控顯示裝置，其中該觸控電極層作為一自容式觸控結構。
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