TWI637309B - 具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置 - Google Patents

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Abstract

一種具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置包含觸控螢幕和觸控晶片。觸控螢幕有觸控感測的觸控區域和觸控感測、指紋感測的指紋觸控區域。觸控區域中有排列在第一方向上的多個觸控傳輸電極和排列在第二方向上的多個觸控接收電極。這些觸控接收電極形成多個電極組，這些電極組各自、分別地連接至位於觸控區域與指紋觸控區域的交界區域內的多條觸控接收線。指紋觸控區域中有排列在第一方向上的多個手指觸控傳輸電極和排列在第二方向上的多個手指觸控接收電極。觸控晶片透過觸控區域和指紋觸控區域進行觸控感測，透過指紋觸控區域進行指紋感測。

Description

具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置
本發明係關於一種具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置。
隨著電腦科技的進步，已發展出因應各種需求的電腦化的系統，例如諸如膝上型電腦、桌上型電腦、智慧型手機、個人數位助理(PDA)、自動櫃員機(ATM)、搜尋導引系統(search guidance system)等等。這些系統通常儲存大量的機密資料，例如商業資訊或營業秘密，甚至是關於個人隱私的資訊，因此需要加強這些資料的安全性。
為此，慣常強化資料安全性的做法是採用指紋感測器向系統進行指紋註冊或認證。指紋感測器是一種可偵測人類指紋的感測器。指紋感測器廣義地分成光學指紋感測器和電容式指紋感測器。
光學指紋感測器是利用諸如發光二極體等光源從內部照射指紋，並利用CMOS影像感測器偵測被指紋的凸紋反射的光線。然而，光學指紋感測器在尺寸縮減上會因採用發光二極體來進行指紋掃描而受到限制，並且光源的價格高也導致光學指紋感測器的製造成本高。
電容式指紋感測器則是利用觸碰到指紋感測器的凹凸紋路間的電荷差。
相關電容式指紋感測器技術中已知的例子有公開號為US2013/0307818、申請日為2013年11月21日、發明名稱為電容式感測器封裝(Capacitive Sensor Packaging)的美國公開專利。此美國公開專利所揭露的電容式指紋感測器是一種附接特定按鈕的組合件，且此電容式指紋感測器包含一矽晶圓，此矽晶圓上印有用以量測電容板與使用者的指紋(包含凸紋和凹紋)之間電容值的電路。
一般來說，人類指紋的凹凸紋路非常淺，範圍在300 ㎛至500㎛之間。因此，上述美國公開專利所揭露的電容式指紋感測器在製造上就需要高解析度的感測器陣列以及用以指紋識別的晶片，並且此公開專利是在矽晶圓將感測器陣列與晶片整合在一起。然而，利用矽晶圓將高解析度的感測器陣列和晶片整合在一起時，需要可將按鈕和指紋感測器附接起來的組裝結構。這使得結構變複雜、非顯示區域(或稱邊框(bezel))變大。此外，按鈕(例如在智慧型手機的歸位鍵(home key))兼扮演指紋感測器會導致厚度增加，並使得指紋感測面積取決於按鈕尺寸。
為了解決這些問題，現有技術已發展出例如利用部分的觸控感測器螢幕作為指紋識別區域。這方面技術的例子有公告號8,564,314、申請日為2013年10月22日、發明名稱為可識別指紋的電容式觸控感測器(Capacitive Touch Sensor For Identifying A Fingerprint)的美國公告專利以及公告號10-1432988、申請日為2014年8月18日、發明名稱為具有整合式指紋識別功能的電容式觸控螢幕(Capacitive Touchscreen With Integrated Fingerprint Recognition)的韓國公告專利。
圖1為傳統電容式感測面板上由驅動電極和感測電極組成的陣列的平面示意圖。圖2為具有整合式指紋感測器的傳統觸控螢幕裝置的架構示意圖。圖3A為典型的觸控感測器圖案中發生互電容的示意圖。圖3B為高密度感測器圖案中發生互電容的示意圖。
請參考圖1，可識別指紋的電容式觸控感測器包含一觸控感測器3和一指紋感測器5。觸控感測器3包含一觸控驅動電極1(x)和一觸控感測電極1(y)。指紋感測器5包含一指紋驅動電極5(x)和一指紋感測電極5(y)。在此電容式觸控感測器中，專用的指紋感測器5會設置在部分的螢幕區域內，使得指紋感測器5所在的區域不會有觸控輸入並且指紋感測器5周圍區域的觸控效能低弱。
請參考圖2，具有整合式指紋感測器的電容式觸控螢幕包含一觸控面板AA、多條電極連接線BB和一觸控控制器CC。在此架構下，觸控面板AA具有多個極小通道A3，這些極小通道A3是以整合多個第一通道電極A1(Tx和Rx的其中之一)和多個第二通道電極A2(Rx和Tx的其中另一)而成，其中第一通道電極A1與第二通道電極A2相交。除了指紋識別感測器A4所在區域內的極小通道A3以外，其餘的極小通道A3中大部分會被組在一起作為觸控訊號偵測的觸控群組通道A5，而對應指紋識別感測器A4所在區域的極小通道A3則作為指紋識別通道A6。然而，所述觸控螢幕裝置中，由於極小通道(觸控通道)作為觸控群組通道A5，觸控通道間的互電容Cm會明顯地增加。也就是說，在圖3B所示的高密度感測器圖案中，觸控通道間的互電容Cm可能會高於圖3A所示的典型觸控感測器圖案數十至數百倍。亦即，互電容的增加會降低觸控感測器的靈敏度，導致在觸控動作發生時，會有例如無法識別觸控的失靈情況發生。
本發明一示範性實施例所提供的一種具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置包含一觸控螢幕以及一觸控晶片。觸控螢幕具有用來觸控感測的一觸控區域以及用來觸控感測、指紋感測的一指紋觸控區域。觸控區域中有多個觸控傳輸電極和多個觸控接收電極。觸控傳輸電極排列在一第一方向上，觸控接收電極則排列在一第二方向上。指紋觸控區域中有多個手指觸控傳輸電極和多個手指觸控接收電極。手指觸控傳輸電極排列在第一方向上，手指觸控接收電極排列在第二方向上。觸控晶片透過觸控區域和指紋觸控區域進行觸控感測，透過指紋觸控區域進行指紋感測。所述多個觸控接收電極會組成多個觸控接收電極組，而這些觸控接收電極組會各自地、分別地連接至位於觸控區域與指紋觸控區域的交界區域內的多條觸控接收線。
現在將詳細介紹各實施例，其實際範例將於附圖說明。
以下將參照附圖來說明根據本發明一示範性實施例的具體範例。
本發明中，採用具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置的 顯示裝置可實施於平面顯示器，例如液晶顯示器(LCD)、場發射顯示器(FED)、電漿顯示面板(PDP)、有機發光顯示器(OLED)、電泳式顯示器(EPD)等。應注意的是，雖然以下的實施例是針對液晶顯示器來說明，但本發明的顯示裝置並不限制為液晶顯示器。當本發明已被熟知的功能或結構的詳細描述被視為會使本發明主題非必要地模糊不清時，將省略這些詳細描述。
本發明的申請人在實施基於電容式指紋感測器的顯示裝置內的一種具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置的過程中進行許多試驗，以找出使觸控感測器電容一致的解決方案。以下將說明一測試範例。
在以下的說明中，在一第一方向上排列多個觸控傳輸電極和多個手指觸控傳輸電極，觸控傳輸電極和手指觸控傳輸電極皆為用來提供訊號的驅動電極；在一第二方向上排列多個觸控接收電極和多個手指觸控接收電極，觸控接收電極和手指觸控接收電極皆為用來感測訊號的感測電極。然而，應理解的是，由於觸控傳輸電極和觸控接收電極以及手指觸控傳輸電極和手指觸控接收電極的運作極性不同，因此以不同的方式命名。
[測試範例]
圖4為顯示裝置的示意圖，此顯示裝置應用了一測試範例中具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置。圖5和6根據所述測試範例繪示觸控感測與指紋感測間的差異的示意圖。圖7為說明圖4的測試範例中屏蔽電極的結構和功能的示意圖。圖8為利用測試範例來說明問題的示意圖。
如圖4~6所示，所述測試範例陳列出位於一顯示裝置中具有整合式指紋感測器的一觸控螢幕裝置TSP。此測試範例的觸控螢幕裝置TSP具有一觸控區域TAR和一指紋觸控區域FTAR。觸控區域TAR中只會進行觸控感測。指紋觸控區域FTAR中會選擇性地進行觸控感測和指紋感測。
在觸控區域TAR中排列了多個觸控傳輸電極Tx1~Txn和多個觸控接收電極Rx1~Rxn；在指紋觸控區域FTAR中排列了多個手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和多個手指觸控接收電極FRx1~FRxn。多個觸控傳輸電極Tx1~Txn、觸控接收電極Rx1~Rxn、手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn會形成高密度的電極圖案。
觸控傳輸電極Tx1~Txn與觸控接收電極Rx1~Rxn對應於觸控感測電極Tx和Rx。手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn與手指觸控接收電極FRx1~FRxn對應於指紋觸控感測電極FTx和FRx。
觸控傳輸電極Tx1~Txn與觸控接收電極Rx1~Rxn分別經由觸控傳輸線TxL1~TxLn與觸控接收線RxL1~RxLn連接至一觸控晶片的多個通道。手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn與手指觸控接收電極FRx1~FRxn分別經由多條手指觸控傳輸線FTxL1~FTxLn與多條手指觸控接收線FRxL1~FRxLn連接至所述觸控晶片的通道。當觸控接收電極Rx1~Rxn與手指觸控接收電極FRx1~FRxn是由極小的電極來製作時，觸控接收電極Rx1~Rxn會在一接墊區域RPADA形成多個群組(以下稱為觸控接收電極組)，並且這些觸控接收電極組會各自地且分別地連接至觸控接收線RxL1~RxLn。
排列在觸控區域TAR內的觸控傳輸電極Tx1~Txn和觸控接收電極Rx1~Rxn不需要如指紋感測所需的高解析度。因此，排列在觸控區域TAR 中的觸控傳輸電極Tx1~Txn和觸控接收電極Rx1~Rxn會形成給不同區域的多個群組，在同一區域內的電極組會同時被驅動和同時被感測。如此一來，可降低觸控螢幕裝置TSP的功率損耗和觸控回報率。
圖示中第一個觸控傳輸電極Tx1代表一組極小電極。如同第一個觸控傳輸電極Tx1，排列在觸控區域TAR內的觸控傳輸電極Tx1~Txn和觸控接收電極Rx1~Rxn中的每一個電極代表一組極小電極。如圖5所示，在進行觸控感測時，單一個觸控感測部TS1會感測一觸控接收電極Rx，即一組觸控感測電極。
相反的，排列在指紋觸控區域FTAR內的手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn會進行指紋感測或觸控感測。在進行觸控感測時，排列在指紋觸控區域FTAR內的手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn會形成多個群組給不同的區域，在同一個區域內的同一組電極會同時被驅動並被感測。如圖5所示，在進行觸控感測時，單一個指紋觸控感測部FTS感測一手指觸控接收電極FRx，亦即一組指紋觸控感測電極。
在進行指紋感測時，排列在指紋觸控區域FTAR內的手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn需要高解析度。因此，這些電極不會成組地工作，而是各自地被驅動並被感測。如此一來，排列在指紋觸控區域FTAR內的手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn會被微圖案化，使得其中許多個電極能符合指紋的凹凸之間並能以高解析度來進行感測，藉此實現準確的指紋感測。如圖5所示，在進行指紋感測時，多個指紋觸控感測部FS1~FS8會感測由多個指紋感測電極構成的多個手指觸控接收電極FRx。
由上述可知，藉由設置在觸控晶片內的一開關模組SB的運作，用以感測指紋觸控區域FTAR 的指紋觸控感測部FS1~FS8和FTS中的每一個可以感測多個電極或是多組電極。
如圖6所示，在進行觸控感測的觸控感測模式TMODE期間，這些觸控傳輸電極會成組地依序被驅動。因此，屬於同一組的觸控傳輸電極會接收波形相同(相位相同)的感測器驅動訊號tx1~tx4。相反的，在進行指紋感測的指紋感測模式FMODE期間，這些觸控傳輸電極會各自地且依序地被驅動。因此，這些觸控傳輸電極會接收具有相繼波形(波形依序延遲的)感測器驅動訊號tx1~tx4。
設置在觸控晶片內的一指紋感測部FSU會根據一指紋致能訊號FEN而被致能，一觸控感測部TSU會根據一觸控致能訊號TEN而被致能。所述的指紋致能訊號FEN和觸控致能訊號TEN可由一主機系統產生並輸出。指紋感測部FSU和觸控感測部TSU具有運算放大器以及感測電容Cfb_f和Cfb_t。
提供指紋致能訊號FEN時，開關模組SB的多個第一開關SW1會導通。同時，多個第二開關SW2會不導通。藉由導通第一開關SW1，指紋感測部FSU會各別地感測這些觸控接收電極。
提供觸控致能訊號TEN時，開關模組SB的第二開關SW2會導通，而第一開關SW1會不導通。藉由導通第二開關SW2，觸控感測部TSU會成組地感測這些觸控接收電極。也就是說，第一開關SW1的開關動作會相反於第二開關SW2的開關動作(導通時間和不導通時間是相反的)。
如圖4和7所示，測試範例陳列了一觸控螢幕裝置TSP，觸控螢幕裝置TSP具有可進行觸控感測和指紋感測的整合式指紋感測器。雖然此測試範例可進行觸控感測和指紋感測，但觸控感測電極和指紋感測電極的共存可能會在兩者之間引起不均勻的Cm/Cp。Cm代表互電容，Cp代表寄生電容。
在此測試範例中，會以圍繞指紋觸控區域FTAR方式形成多個屏蔽電極SHE，進而解決Cm/Cp不均勻的問題。如圖7所示，這些屏蔽電極SHE會連接至一接地電壓源GND。此結構在某種程度上可減緩指紋觸控區域FTAR和觸控區域電性干擾。
然而，可由圖8看出，此測試範例揭示總共有四個感測區域(如感測區域1~4所定義)，但由於這些區域間的Cm/Cp不均勻使得觸控效能無法達到預期的效果。
研究結果顯示，上述的問題部分是因為多個觸控接收電極Rx1~Rxn成組地工作而在與手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn的交界處形成總體的電極。此外，也揭示出此問題的另一部分是因為多個觸控接收電極Rx1~Rxn成組地且繞過手指觸控接收電極FRx1~FRxn。也就是說，會發現到除了電極或導線會與多組電極相交或相鄰以外，這些電極組所佔的空間會比連接這些電極組的導線所佔的空間大造成Cp增加。
＜示範性實施例＞
圖9為顯示裝置的方塊圖，此顯示裝置應用了本發明一示範性實施例中具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置。圖10為在觸控螢幕上可實施指紋觸控區域的位置示意圖。圖11為在具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置中的電極結構示意圖。圖12為對應觸控區域的電極結構示意圖。圖13為對應指紋觸控區域的電極結構示意圖。圖14和15為減少互電容的方法示意圖。
如圖9所示，本發明一示範性實施例的具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置(以下簡稱觸控螢幕裝置)是與一顯示裝置一道實施。所述顯示裝置包含一顯示面板DIS、顯示面板驅動電路12、14和16以及一主機系統18。所述觸控螢幕裝置包含一觸控螢幕TSP和一觸控晶片20。
所述顯示面板DIS包含製作在兩基板間的一液晶層。在顯示面板DIS上有畫素陣列，此畫素陣列包含形成在多個畫素區域內的多個畫素，這些畫素區域是由多條資料線D1~Dm(m為正整數)和多條閘極線G1~Gn (n為正整數)定義出來。每一個畫素可包含一薄膜電晶體(TFT)、一畫素電極和一儲存電容Cst。薄膜電晶體(TFT)是製作在資料線 D1~Dm的其中之一與閘極線G1~Gn的其中之一 的接界處。一資料電壓可對一畫素電極充電，儲存電容Cst連接至該畫素電極，以保持一液晶晶包(液晶 cell)上的電壓。
在顯示面板DIS 的上基板上可製作黑色矩陣、彩色濾光片等。顯示面板DIS的下基板可實施於一COT(Color filter on TFT)結構。在此情況下，所述黑色矩陣和彩色濾光片可製作在顯示面板DIS 的下基板上。在顯示面板DIS的上基板或下基板上，可製作用以接收共同電壓的共同電極。偏光片可分別附接在顯示面板DIS的上、下基板，並且在接觸液晶的內表面上形成用來設定液晶預傾角的一配向膜。柱狀間隔物(column spacer)可形成在顯示面板DIS的上、下基板之間，以維持液晶晶包的晶包間隙。
在顯示面板DIS的背面可設置一背光單元。可將此背光單元實施成測光式或直下式背光單元，以照射顯示面板DIS。顯示面板DIS可在例如扭轉向列(Twisted Nematic，TN)模式、垂直配向(Vertical Alignment，VA)模式、平面轉換(In-Plane Switching，IPS)模式、邊界電場轉換(Fringe Field Switching，FFS)模式等任何已知的液晶模式下實施。
顯示面板驅動電路12、14和16包含一資料驅動電路12、一掃描驅動電路14和一時序控制器16。顯示面板驅動電路12、14和16用以將輸入影像的視訊資料寫進顯示面板DIS的畫素內。
所述資料驅動電路12將時序控制器16提供的數位視訊資料RGB轉成多個類比正/負伽馬補償電壓，以輸出多個資料電壓。這些輸出自資料驅動電路12的資料電壓會饋入資料線D1~Dm。所述掃描驅動電路14會依序提供同步於資料電壓的閘極脈衝(或稱掃描脈衝)給閘極線G1~Gn，進而從顯示面板DIS中選擇要寫入資料電壓的畫素線。
所述時序控制器16接收多筆由主機系統18提供的時序訊號，例如垂直同步訊號Vsync、水平同步訊號Hsync、資料致能訊號DE、主時脈MCLK等。時序控制器16使資料驅動電路12和掃描驅動電路14的運作時間同步。一掃描時序控制訊號包含一閘極啟動脈衝GSP、一閘極移位時脈GSC、一閘極輸出致能訊號GOE等。一資料時序控制訊號包含一源極取樣時脈SSC、一極性控制訊號POL、一源極輸出致能訊號SOE等。
主機系統18可實施成以下的任一種：電視系統、機上盒(Set-top Box)、導航系統、DVD播放器、藍光播放器、個人電腦、家庭劇院系統和電話系統。主機系統18包含內建有一縮放器(Scaler)的一系統晶片(System-on-Chip，SoC)，主機系統18將輸入影像的數位視訊資料RGB轉成適合顯示在顯示面板DIS上的形式。主機系統18除了數位視訊資料以外，還會傳送多種時序訊號Vsync、Hsync、DE和MCLK給時序控制器16。此外，主機系統18會執行關於觸控晶片20提供觸控回報的應用程式。
將觸控螢幕TSP實施為基於電極包含在顯示面板DIS內的互電容式螢幕。觸控螢幕TSP可包含多條觸控傳輸電極線(或稱觸控傳輸通道)、多條觸控接收電極線(或稱觸控接收通道)和多個互電容感測器。這些觸控傳輸電極線並排在一第一方向。這些觸控接收電極線並排在一第二方向且與觸控傳輸電極線相交。互電容感測器則製作在觸控傳輸電極線與觸控接收電極線相交處。每一個互電容感測器包含連接至一觸控傳輸電極線的一觸控傳輸電極、連接至一觸控接收電極線的一觸控接收電極，以及位於觸控傳輸電極和觸控接收電極間的一絕緣層。觸控傳輸電極線為驅動訊號線，用以各別地提供一感測器驅動訊號至感測器，並提供電荷給感測器。觸控接收電極線為連接至感測器的感測器導線，用以提供感測器內的電荷給觸控晶片20。在互電容式的感測過程中，會經由一觸控傳輸電極線對一互電容感測器的觸控傳輸電極施加一感測器驅動訊號，進而提供電荷至該互電容感測器；並且，同步於此感測器驅動訊號，透過觸控接收電極和觸控接收電極線感測互電容感測器的電容值變化，藉以感測觸控輸入。
觸控螢幕裝置TSP具有一觸控區域TAR和一指紋觸控區域FTAR。觸控區域TAR中僅執行觸控感測。指紋觸控區域FTAR中則選擇性地執行觸控感測和指紋感測。指紋觸控區域FTAR可定義成圖10的(a)和(b)部分或其他類似的架構。為了方便解釋，將以圖10的(a)部分為例來說明。
觸控晶片20包含一驅動訊號供應部和一驅動訊號感測部。驅動訊號供應部用以提供感測器驅動訊號至觸控傳輸電極線，並且包含一觸控感測部和一指紋感測部。驅動訊號感測部則用以感測觸控接收電極線。
觸控晶片20可更包含一開關模組。此開關模組選擇性地將指紋觸控區域FTAR內的多條手指觸控接收線連接至觸控感測部或指紋感測部。開關模組因應由外部提供的一觸控致能訊號所執行的開關動作相反於因應由外部提供的一指紋致能訊號所執行的開關動作。觸控晶片20將感測獲得的觸控座標資料TDATA和指紋識別資料FDATA傳送至主機系統18。
如圖9和11至15所示，排列在觸控區域TAR內的觸控傳輸電極Tx1~Txn和觸控接收電極Rx1~Rxn以及排列在指紋觸控區域FTAR內的手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn會形成高密度的電極圖案。觸控傳輸電極Tx1~Txn和觸控接收電極Rx1~Rxn對應於觸控感測電極Tx和Rx。手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn對應於指紋觸控感測電極FTx和FRx。
觸控傳輸電極Tx1~Txn和觸控接收電極Rx1~Rxn分別經由觸控傳輸線TxL1~TxLn和觸控接收線RxL1~RxLn連接至觸控晶片20的多個通道。手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn分別經由手指觸控傳輸線FTxL1~FTxLn和手指觸控接收線FRxL1~FRxLn連接至所述觸控晶片20的通道。
排列在觸控區域TAR內的觸控傳輸電極Tx1~Txn和觸控接收電極Rx1~Rxn會執行觸控感測。觸控傳輸電極Tx1~Txn和觸控接收電極Rx1~Rxn是由多個極小電極製成。透過在觸控晶片20內的開關模組，觸控傳輸電極Tx1~Txn可成組地或各自地工作。
相反的，如圖12所示，觸控接收電極Rx1~Rxn會在觸控區域TAR與指紋觸控區域FTAR間的交界區域內形成多個群組，這些觸控接收電極組會各自地、分別地連接至觸控接收線RxL1~RxLn。舉例來說，多個觸控接收電極組成一組，即為第一觸控接收電極Rx1；此第一個觸控接收電極Rx1連接至位於觸控區域TAR與指紋觸控區域FTAR間的交界區域內的第一條觸控接收線RxL1。
也就是說，排列在觸控區域TAR內的觸控接收電極Rx1~Rxn具有實際的連接結構，因此可在觸控區域TAR與指紋觸控區域FTAR間的交界區域內成組地工作。並且，觸控接收線RxL1~RxLn橫跨排列在指紋觸控區域FTAR內的手指觸控接收電極FRx1~FRxn，且連接觸控晶片20。
利用上述觸控接收電極Rx1~Rxn的結構，可明顯地減少發生在觸控接收電極Rx1~Rxn與手指觸控接收電極FRx1~FRxn間的Cm/Cp。因此，相較於測試範例，在相當大的程度上減少了因觸控感測電極與指紋感測電極共存所導致Cm/Cp不均勻的問題。相關的測試結果如圖18所示。
排列在觸控區域TAR內的觸控傳輸電極Tx1~Txn和觸控接收電極Rx1~Rxn不需要如指紋感測所需的高解析度。因此，排列在觸控區域TAR內的觸控傳輸電極Tx1~Txn和觸控接收電極Rx1~Rxn會形成多個群組給不同的區域，同一區域內的電極組會同時被驅動和被感測。藉由上述的運作，可降低觸控螢幕裝置TSP的功率損耗和觸控回報率。
圖中所示的第一個觸控傳輸電極Tx1表示一組極小電極，此電級組是藉由短路的方式來形成。如同第一個觸控傳輸電極Tx1，其他排列在觸控區域TAR內的觸控傳輸電極Tx2~Txn的每一個也表示一組極小電極，每一個電級組是以短路的方式形成。當這些觸控傳輸電極Tx1~Txn藉由短路的方式形成多組極小電極給不同的區域時，觸控接收電極Rx1~Rxn是以實體短路的方式形成多組極小電極給不同的區域。
排列在指紋觸控區域FTAR內的手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn會執行指紋感測或觸控感測。排列在指紋觸控區域FTAR內的手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn是以多個極小電極構成。手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn會藉由設在觸控晶片20內的開關模組成組地或各自地工作。
在進行觸控感測時，該些排列在指紋觸控區域FTAR內的手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn會形成給不同區域的多個群組，並且同一個區域的電極組會同時被驅動和被感測。
在進行觸控感測時，第一至第五個手指觸控傳輸電極FTx1~FTx5會變成第n+1個電極Txn+1和第n+1條導線，而藉由設在觸控晶片20內的開關模組，第一至第五條手指觸控傳輸線FTxL1~FTxL5會被群聚在一起。並且，第一至第四個手指觸控接收電極FRx1~FRx4會變成一Rx1電極和一Rx1’導線，而藉由設在觸控晶片20內的開關模組，第一至第四條手指觸控接收線FRxL1~FRxL4會被群聚在一起。
藉此，第一至第十個手指觸控傳輸電極FTx1~FTx10會變成第n+1個電極Txn+1和第n+2個電極Txn+2，第一至第u個手指觸控接收電極FRx1~FRxu會變成Rx1’~Rxn’電極Rx1’~Rxn’。雖然圖示的例子是第一至第十個手指觸控傳輸電極FTx1~FTx10會形成兩個觸控傳輸電極和兩條觸控傳輸線，但此範例僅作為說明之目的。第一至第u個手指觸控接收電極FRx1~Frxu具有無數個電極和導線，構成第一至第u個手指觸控接收電極FRx1~Frxu的極小電極數量小於等於構成第一至第n個觸控接收電極Rx1~Rxn的極小電極數量。相同原則也適用於觸控傳輸線和手指觸控傳輸線。
在進行指紋感測時，排列在指紋觸控區域FTAR內的手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn需要高解析度。因此，這些電極不會成組地工作，而是各自地被驅動和被感測。如此一來，排列在指紋觸控區域FTAR內的手指觸控傳輸電極FTx1~FTxn和手指觸控接收電極FRx1~FRxn會被微圖案化，使得其中許多個電極能符合指紋的凹凸之間並能以高解析度來進行感測，藉此實現準確的指紋感測。
如圖14所示，觸控晶片20可在觸控區域TAR上進行一第一開關運作，以減少在進行觸控感測時所產生的互電容。為此，觸控晶片20會控制開關模組，使得只有有效通道ERx會被感測，而無效通道NRx則呈電性浮接狀態。
如圖15所示，觸控晶片20可在觸控區域TAR上進行一第二開關運作，以減少在進行觸控感測時所產生的互電容。為此，觸控晶片20會控制開關模組，使得只有有效通道ERx會被感測，而無效通道NRx則被接至一接地電壓源GND。
由於在執行觸控感測時會進行圖14和15的運作方式，因此圖14和15的運作方式也可適用於指紋觸控區域FTAR和觸控區域TAR。並且，在經由指紋觸控區域FTAR執行指紋感測時，觸控區域TAR內所有的通道可連接至接地電壓源GND。在此情況下，可減少Cp和互電容，藉此改善指紋感測的準確度。
以下將針對於指紋觸控區域FTAR內進行觸控感測和指紋感測進行詳細說明。
圖16為在觸控感測模式下進行觸控感測的示意圖。圖17為在指紋感測模式下進行指紋感測的示意圖。圖18為所述示範性實施例達到的改善的示意圖。
如圖10、16所示，在執行觸控感測的觸控感測模式TMODE期間，手指觸控傳輸電極FTx1~FTx10分兩組依序被驅動。因此，屬於第一個手指觸控傳輸群組的手指觸控傳輸電極FTx1~FTx5分別會接收到波形相同(相同相位波形)的第n+1個手指觸控傳輸電極FTxn+1的感測器驅動訊號ftxn+1。屬於一第二個手指觸控傳輸群組的手指觸控傳輸電極FTx6~FTx10會分別接收到波形相同(相同相位波形)的第n+2個手指觸控傳輸電極FTxn+2的感測器驅動訊號ftxn+2。在一例子中，在輸出感測器驅動訊號ftxn+2之前，先輸出感測器驅動訊號ftxn+1為高邏輯位準；但本發明並不限於此。
在執行觸控感測的觸控感測模式TMODE期間，控制開關模組SB，使得只有有效通道ERx會被感測。相關細節說明如下。列舉開關模組SB根據一觸控致能訊號導通第二開關SW2，使得只有由四個手指觸控接收電極定義的有效通道ERx被感測來示範說明。然而，由於可包含多個手指觸控接收電極作為多個有效通道ERx，因此本發明不受限於此事範例。在本發明中，在進行觸控感測時，觸控晶片也可定義部分的觸控接收電極作為有效通道，其餘的部分觸控接收電極作為無效通道，觸控晶片將無效通道接至一接地電壓源，或使無效通道處於電性浮接狀態。
在執行觸控感測的觸控感測模式TMODE期間，會導通開關模組SB的第二開關SW2。一旦開關模組SB的第二開關SW2被導通，第一至第十個手指觸控接收電極FRx1~FRx10中只有對應有效通道ERx的四個電極會形成一組。這四個手指觸控接收電極是由一個Rx1電極或一個Rx1’導線定義，第一觸控感測部TS1電性連接此一Rx1’電極Rx1’或Rx1’導線，藉此感測一第一群組。
一旦開關模組SB的第二開關SW2被導通，第十一至第二 十個手指觸控接收電極FRx11~FRx20中只有對應有效通道ERx的四個手指觸控接收電極會形成一組。這四個手指觸控接收電極是由一Rx2電極或一Rx2’導線定義。第二觸控感測部FTS電性連接此一Rx2’電極Rx2’或Rx2’導線，藉此感測一第二群組。
當開關模組SB的第二開關SW2被導通時，第一觸控感測部TS1和第二觸控感測部FTS會進行感測運作，但第一至第二十個指紋感測部FS1~FS20不會進行感測運作。此外，除了作為有效通道ERx的手指觸控接收電極以外，其餘的手指觸控接收電極(或稱無效通道)會處於浮接狀態或被連接至接地電壓源。
如圖10和17所示，在執行指紋感測的指紋感測模式FMODE期間，手指觸控傳輸電極FTx1~FTx10會各自地、依序地被驅動。因此，手指觸控傳輸電極FTx1~FTx10會接收到具有不同波形(波形依序延遲)的手指觸控傳輸電極FTx1~FTx10的感測器驅動訊號ftx1~ftx10。在一例子中，在輸出感測器驅動訊號ftx2之前，先輸出感測器驅動訊號ftx1為高邏輯位準；但本發明並不限於此。同理，兩個連續的感測器驅動訊號之間有一第一時間差。
在執行指紋感測的指紋感測模式FMODE期間，控制開關模組SB，以感測所有的通道。相關細節將說明如下。
在執行指紋感測的指紋感測模式FMODE期間，開關模組SB的第一開關SW1會導通。一旦開關模組SB的第一開關SW1導通，會對第一至第二十個手指觸控接收電極FRx1~FRx20中的每一個電極進行感測運作。
第一指紋感測部FS1會電性連接至連接第一條手指觸控接收線FRxL1的第一個手指觸控接收電極FRx1，藉以進行感測。如此一來，第一指紋感測部FS1至第二十指紋感測部FS20感測第一個手指觸控接收電極FRx1至第二十個手指觸控接收電極FRx20。第一指紋感測部FS1至第二十指紋感測部FS20可進行同步感測或依序感測。
當開關模組SB的第一開關SW1導通時，第一指紋感測部FS1至第二十指紋感測部FS20會進行感測運作，但第一觸控感測部 TS1和第二觸控感測部FTS不會進行感測運作。
如上所述，在本發明示範性實施例中，這些觸控接收電極被分成一觸控電極部(或稱一般的電極感測器部)和一指紋觸控電極部(或稱極小電極感測器部)，並且相同類型的電極具有均勻的Cm/Cp。結果如圖18可知，根據本發明示範性實施例的具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置總共有兩個感測區域，並且這兩個區域間的Cm/Cp均勻。藉此，改善了指紋感測器的效能和靈敏度以及觸控效能。
即使採用上述示範性實施例的方法，根據顯示裝置中具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置的結構或驅動方法，Cm/Cp不均勻問題仍可能發生。
圖19為克服寄生電容不均勻的方案示意圖。圖20和21為克服互電容不均勻的方案示意圖。
根據本發明另一示範性實施例，所述多個觸控接收電極被分成一觸控電極部Rx(或稱一般電極感測器部)和一指紋觸控電極部FRx(或稱極小電極感測器部)。雖然上述示範性實施例的結構所定義出的觸控電極部Rx和指紋觸控電極部FRx是相分離，但根據顯示裝置中具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置的結構或驅動方法，Cm/Cp不均勻問題仍可能發生。
然而，採用以下方法來進行適合顯示裝置中具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置的結構或驅動方法的觸控感測和指紋感測，藉以解決Cm/Cp不均勻問題。
[克服互電容不均勻的方案]
如圖19所示本發明的另一示範性實施例中，感測觸控電極部Rx的一觸控感測部以及感測指紋觸控電極部FRx的一指紋感測部是根據運算放大器來實現成差動放大器。作為差動放大器的運算放大器只會放大差動輸入且共模訊號增益為零，因此可協助解決寄生電容Cp不均勻的問題。
[克服互電容不均勻的方案]
如圖20所示本發明的另一示範性實施例採用以下方式來實現觸控晶片：累積地感測具有3.3 V驅動電壓的感測器驅動訊號，並且從感測的累積次數來推算出觸控感測結果或指紋感測結果。如圖21所示本發明的再一示範性實施例採用以下方式來實現觸控晶片：感測器驅動訊號具有例如3.3 V的驅動電壓，並且調整驅動電壓來驅動並感測觸控區域TAR和指紋觸控區域FTAR。
綜上所述，由於本發明將所有的觸控接收電極實際地分成一觸控電極部和一指紋觸控電極部，以確保Cm/Cp均勻，因此本發明具有改善指紋感測器的效能和靈敏度、觸控效能的優點。本發明的另一優點是以適於顯示裝置中具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置的結構或驅動方法執行觸控感測和指紋感測，使Cm/Cp不均勻的問題得以解決。
1(x)‧‧‧觸控驅動電極
1(y)‧‧‧觸控感測電極
3‧‧‧觸控感測器
5‧‧‧指紋感測器
5(x)‧‧‧指紋驅動電極
5(y)‧‧‧指紋感測電極
12‧‧‧顯示面板驅動電路
14‧‧‧顯示面板驅動電路
16‧‧‧顯示面板驅動電路
18‧‧‧主機系統
20‧‧‧觸控晶片
A1‧‧‧第一通道電極s
A2‧‧‧第二通道電極
A3‧‧‧極小通道
A4‧‧‧指紋識別感測器
A5‧‧‧觸控群組通道
A6‧‧‧指紋識別通道
AA‧‧‧觸控面板
BB‧‧‧電極連接線
CC‧‧‧觸控控制器
Cfb_f、Cfb_t‧‧‧感測電容
Cm‧‧‧互電容
D1~Dm‧‧‧資料線
DE‧‧‧資料致能訊號
DIS‧‧‧顯示面板
ftx1~ ftx10、ftxn+1、ftxn+2‧‧‧感測器驅動訊號
FDATA‧‧‧指紋識別資料
FEN‧‧‧指紋致能訊號
FMOD‧‧‧指紋感測模式
FRx‧‧‧指紋觸控感測電極
FRx1、FRx10、FRx11、FRx20~FRxn‧‧‧手指觸控接收電極
FRxL1~ FRxLn‧‧‧手指觸控接收線
FS1~FS20‧‧‧指紋感測部
FSU‧‧‧指紋感測部
FTAR‧‧‧指紋觸控區域
FTx‧‧‧指紋觸控感測電極
FTx1~ FTxn‧‧‧手指觸控傳輸電極
FTxL1~ FTxLn‧‧‧手指觸控傳輸線
G1~Gn‧‧‧閘極線
GND‧‧‧接地電壓源
GOE‧‧‧閘極輸出致能訊號
GSC‧‧‧閘極移位時脈
GSP‧‧‧閘極啟動脈衝
ERx‧‧‧有效通道
NRx‧‧‧non-有效通道
MCLK‧‧‧主時脈
POL‧‧‧極性控制訊號
RGB‧‧‧數位視訊資料
RPADA‧‧‧接墊區域
Rx‧‧‧觸控感測電極
Rx1~ Rxn‧‧‧觸控接收電極
Rx1’‧‧‧Rx’電極(Rx1’電極)
Rxn’‧‧‧Rxn’電極
RxL1~ RxLn‧‧‧觸控接收線
SB‧‧‧開關模組
SHE‧‧‧屏蔽電極
SOE‧‧‧源極輸出致能訊號
SSC‧‧‧源極取樣時脈
SW1‧‧‧第一開關
SW2‧‧‧第二開關
tx1~tx4‧‧‧感測器驅動訊號
TDADA‧‧‧觸控座標資料
TAR‧‧‧觸控區域
TEN‧‧‧觸控致能訊號
TMOD‧‧‧觸控感測模式
TS1‧‧‧第一觸控感測部
FTS‧‧‧第二觸控感測部
TSP‧‧‧觸控螢幕裝置
TSU‧‧‧觸控感測部
Tx‧‧‧觸控感測電極
Tx1~Txn‧‧‧觸控傳輸電極
TxL1~TxLn‧‧‧觸控傳輸線
Hsync‧‧‧水平同步訊號
Vsync‧‧‧垂直同步訊號
所包括的附圖提供對本發明的進一步理解，並且被納入和構成了本申請的一部分，以圖解方式說明本發明的實施例，並搭配說明來解釋本發明的原理。圖示中：
圖1為傳統電容式感測面板上由驅動電極和感測電極組成的陣列的平面示意圖；
圖2為具有整合式指紋感測器的傳統觸控螢幕裝置的架構示意圖；
圖3A為典型的觸控感測器圖案中發生互電容的示意圖；
圖3B為高密度感測器圖案中發生互電容的示意圖。
圖4為顯示裝置的示意圖，此顯示裝置應用了一測試範例中具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置；
圖5和6根據所述測試範例繪示觸控感測與指紋感測間的差異的示意圖；
圖7為說明圖4的測試範例中屏蔽電極的結構和功能的示意圖；
圖8為利用測試範例來說明問題的示意圖。
圖9為顯示裝置的方塊圖，此顯示裝置應用了本發明一示範性實施例中具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置；
圖10為在觸控螢幕上可實施指紋觸控區域的位置示意圖；
圖11為在具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置中的電極結構示意圖；
圖12為對應觸控區域的電極結構示意圖；
圖13為對應指紋觸控區域的電極結構示意圖；
圖14和15為減少互電容的方法示意圖；
圖16為在觸控感測模式下進行觸控感測的示意圖；
圖17為在指紋感測模式下進行指紋感測的示意圖；
圖18為所述示範性實施例達到的改善的示意圖；
圖19為克服寄生電容不均勻的方案示意圖；以及
圖20和21為克服互電容不均勻的方案示意圖。

Claims (13)

  1. 一種具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置，該觸控螢幕裝置包含：一觸控螢幕，具有用來感測觸控的一觸控區域以及用來感測觸控和感測指紋的一指紋觸控區域，該觸控區域具有多個觸控傳輸電極和多個觸控接收電極，該些觸控傳輸電極排列於一第一方向，該些觸控接收電極排列於一第二方向，該指紋觸控區域具有多個手指觸控傳輸電極和多個手指觸控接收電極，該些手指觸控傳輸電極排列於該第一方向，該些手指觸控接收電極排列於該第二方向；以及一觸控晶片，用以經由該觸控區域和該指紋觸控區域執行感測觸控，以及經由該指紋觸控區域執行指紋感測，其中該些觸控接收電極組成多個觸控接收電極組，該些觸控接收電極組分別獨立地連接至位於該觸控區域與該指紋觸控區域間的一交界區域內的多條觸控接收線。
  2. 如請求項1所述的觸控螢幕裝置，其中該些觸控接收線橫跨排列在該指紋觸控區域內的該些手指觸控接收電極。
  3. 如請求項1所述的觸控螢幕裝置，其中在進行觸控感測時，該些手指觸控傳輸電極和該些手指觸控接收電極會成組地工作，以及在進行指紋感測時，該些手指觸控傳輸電極和該些手指觸控接收電極會各自地工作。
  4. 如請求項1所述的觸控螢幕裝置，其中該觸控晶片包含一開關模組，該些手指觸控接收電極根據該開關模組的運作而成組地或各自地工作。
  5. 如請求項1所述的觸控螢幕裝置，其中該些觸控接收電極藉由排列在該觸控螢幕上的該些觸控接收線成組地工作，該些觸控傳輸電極只有在進行觸控感測時會成組地工作。
  6. 如請求項1所述的觸控螢幕裝置，其中在進行指紋感測時，該觸控晶片會將所有連接至該些觸控接收電極的通道接至一接地電壓源。
  7. 如請求項1所述的觸控螢幕裝置，其中在進行觸控感測時，該觸控晶片將該些觸控接收電極的其中幾個定義成多個有效通道並且將其餘的觸控接收電極中的幾個定義成多個無效通道，該觸控晶片將該些無效通道接至一接地電壓源。
  8. 如請求項1所述的觸控螢幕裝置，其中, 在進行觸控感測時，該觸控晶片將該些觸控接收電極的其中幾個定義成多個有效通道並且將其餘的 觸控接收電極中的幾個定義成多個無效通道，該觸控晶片使該些無效通道電性浮接。
  9. 如請求項1所述的觸控螢幕裝置，其中該觸控晶片在進行觸控感測時提供同相位的多個感測器驅動訊號給該些觸控傳輸電極，以及提供相位依序被延遲的多個感測器驅動訊號給該些手指觸控傳輸電極。
  10. 如請求項4所述的觸控螢幕裝置，其中該開關模組包含：多個第一開關，受控於一指紋致能訊號而導通，用以將該些手指觸控接收電極連接至多個指紋感測部的輸入端；以及多個第二開關，受控於一觸控致能訊號而導通，用以將該些觸控接收電極連接至多個觸控感測部的輸入端。
  11. 如請求項10所述的觸控螢幕裝置，其中受控於該指紋致能訊號的該些第一開關的開關動作相反於受控於該觸控致能訊號的該些第二開關的開關動作。
  12. 如請求項3所述的觸控螢幕裝置，其中該些手指觸控傳輸電極與該些手指觸控接收電極藉由短路的方式分組。
  13. 如請求項1所述的觸控螢幕裝置，其中該觸控螢幕為電極包含於一顯示面板內的互電容型觸控螢幕。
TW106136731A 2016-10-25 2017-10-25 具有整合式指紋感測器的觸控螢幕裝置 TWI637309B (zh)

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