TWI756098B - 指紋畫素單元、指紋感測裝置及整合積體電路 - Google Patents

Abstract

一種指紋畫素單元，包括：一重置電晶體、一驅動電晶體、一光學感應元件、一第一電容以及一第二電容。重置電晶體具有一控制端連接至一選擇及重置複用線、一第一連接端連接至一第一電壓、及一第二連接端；驅動電晶體具有一控制端連接至重置電晶體的第二連接端、一第一連接端連接至一第二電壓、及一第二連接端；光學感應元件具有一第一端連接至驅動電晶體的控制端、及一第二端連接至一偏壓電壓；第一電容具有兩端分別連接至重置電晶體的控制端及第二連接端；第二電容具有兩端分別連接至該重置電晶體的第二連接端及該偏壓電壓。

Description

指紋畫素單元、指紋感測裝置及整合積體電路

本發明係關於指紋畫素之技術領域，尤指一種指紋畫素單元、指紋感測裝置及整合積體電路。

圖1為一用以說明整合光學指紋感測器與液晶顯示(LCD display)面板的示意圖。其中，指紋感測器(fingerprint sensor)11是例如設置在液晶顯示面板結構的薄膜電晶體層12與濾光基板層13之間的位置，使得來自背光源的光線遇到玻璃基板15上的手指後可反射至指紋感測器11，而由於指紋的波峰與波谷的反射率不同，因此，根據指紋感測器11的感應量，便可重建出指紋圖像。

為驅動前述指紋感測器以進行在顯示面板上的指紋辨識，一般需要額外設置一重置線(RST)及一選擇線(SEL)來控制指紋感測器11的運作，然由於光學式的指紋感測器11是內嵌於液晶顯示面板的畫素中，因此，此增加的重置線(RST)及選擇線(SEL)將造成液晶顯示面板的開口率大幅降低，導致顯示品質的下降。

因此，在習知指紋顯示裝置的設計上，實仍存在有諸多缺失而有予以改善之必要。

本發明之目的主要係在提供一種指紋畫素單元、指紋感測裝置及整合積體電路，藉由使用二電晶體二電容(2T2C)指紋畫素電路，並透過指紋感測驅動GOA(gate on array)電路提供特殊設計的三階電壓，搭配光學指紋畫素單元中的二電容的比例關係，使得僅需一條選擇及重置複用線即可完成重置、曝光及讀取之操作，而可有效改善面板開口率。

依據本發明之一特色，係提出一種指紋畫素單元，包括：一重置電晶體，具有一控制端連接至一選擇及重置複用線，一第一連接端連接至一第一電壓，及一第二連接端；一驅動電晶體，具有一控制端連接至該重置電晶體的第二連接端，一第一連接端連接至一第二電壓，及一第二連接端；一光學感應元件，具有一第一端連接至該驅動電晶體的控制端，及一第二端連接至一偏壓電壓；一第一電容，具有兩端分別連接至該重置電晶體的控制端及第二連接端；以及一第二電容，具有兩端分別連接至該重置電晶體的第二連接端及該偏壓電壓。

依據本發明之另一特色，係提出一種指紋感測裝置，包括：一指紋感測器及一指紋感測GOA驅動電路。指紋感測器包括複數指紋畫素列，每一指紋畫素列具有複數個指紋畫素單元，每一指紋畫素單元包括：一重置電晶體，具有一控制端連接至一選擇及重置複用線，一第一連接端連接至一第一電壓，及一第二連接端；一驅動電晶體，具有一控制端連接至該重置電晶體的第二連接端，一第一連接端連接至一第二電壓，及一第二連接端連接至一讀出線；一光學感應元件，具有一第一端連接至該驅動電晶體的控制端，及一第二端連接至一偏壓電壓；一第一電容，具有兩端分別連接至該重置電晶體的控制端及第二連接端；以及一第二電容，具有兩端分別連接至該重置電晶體的第二連接端及該偏壓電壓。指紋感測GOA驅動電路包括複數個GOA單元分別對應該指紋感測器的複數指紋畫素列，以依序驅動對應指紋畫素列的指紋畫素單元的選擇及重置複用線。

依據本發明之再一特色，係提出一種整合積體電路，用以控制前述之指紋感測裝置，以依序驅動選擇及重置複用線來進行指紋感測，且感測的指紋資料是由讀出線讀取至整合積體電路以進行指紋辨識。

以上概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍，而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖式加以闡述。

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明的實施方式，並不用於限定本發明。

圖2顯示一種光學指紋畫素單元21的電路圖，其為一種二電晶體一電容(2T1C)指紋畫素電路，此指紋畫素單元21是由一重置電晶體T1、一驅動電晶體T2、一光學感應元件(photo sensor)PS、與一電容C所實現，而由複數個指紋畫素單元21組成的陣列即構成一指紋感測器，其中，圖2中所繪示的電晶體T1及T2為NMOS電晶體，但此僅為舉例而非限定，可想而知地，電晶體T1及T2亦可為其他類型的MOS電晶體，例如PMOS電晶體。

於前述圖2的光學指紋畫素單元21中，重置電晶體T1的控制端(G)連接重置線RST，其兩連接端(D,S)分別連接至電壓SVSS及光學感應元件PS。驅動電晶體T2的控制端(G)連接至重置電晶體T1的連接端(S)及光學感應元件PS，其兩連接端(D,S)分別連接至電壓SVDD及讀出線(Read out line)RO。光學感應元件PS的兩端分別連接至重置電晶體T1的連接端(S)及驅動電晶體T2的控制端(G)、及選擇線SEL。電容C的兩端亦分別連接至重置電晶體T1的連接端(S)及驅動電晶體T2的控制端(G)、及選擇線SEL，此電容C可以是光學感應元件PS內部本身元件所構成的電容結構，或是為額外設置的電容，或兩者的組合。

以前述圖2的光學指紋畫素單元21進行指紋感測的運作如下：首先驅動重置線RST以開啟重置電晶體T1，將電容C的端點電壓Vp重置到預設值，亦即，電壓SVSS，藉此電壓SVSS以確保驅動電晶體T2 關閉(OFF)；接著，關閉重置電晶體T1，使光學感應元件PS持續曝光一段時間，而隨著照光強度與曝光時間的不同，電容C的放電量不同，因此電容C的端點電壓Vp也不同；當達到預設的曝光時間時，驅動選擇線SEL以將選擇線SEL的電壓由低準位切到高準位(電位差∆E)，而因為電容耦合效應，電容C的端點電壓Vp大致上也會提高∆E，因此可以打開驅動電晶體T2，輸出電流到讀出線RO。輸出電流大小與電容C的端點電壓Vp有關，亦即與照光強度及曝光時間有關。因此，由讀出線RO所讀出的電壓VOUT即可判斷照光強度。

為了避免如圖2需額外設置重置線RST及選擇線SEL所造成顯示面板的開口率大幅降低之問題，於本發明的指紋感測裝置中，其光學指紋畫素單元為一種二電晶體二電容(2T2C)指紋畫素電路，並透過指紋感測驅動GOA電路提供特殊設計的三階電壓，搭配光學指紋畫素單元中的二電容的比例關係，使得僅需一條選擇及重置複用線即可完成重置、曝光及讀取之操作，而可減少走線數量，進而改善面板開口率。

圖3顯示本發明一實施例的指紋畫素單元311的電路圖，其為一種2T2C指紋畫素電路，此指紋畫素單元311是由一重置電晶體T1、一驅動電晶體T2、一光學感應元件(photo sensor)PS、與二電容C1及C2所實現，其中，圖4中所繪示的電晶體T1及T2為NMOS電晶體，但此僅為舉例而非限定，可想而知地，電晶體T1及T2亦可為其他類型的MOS電晶體，例如PMOS電晶體。

於前述圖3的指紋畫素單元311中，重置電晶體T1的控制端(G)連接選擇及重置複用線SEL/RST，其兩連接端(D,S)分別連接至電壓SVSS及光學感應元件PS。驅動電晶體T2的控制端(G)連接至重置電晶體T1的連接端(S)及光學感應元件PS，其兩連接端(D,S)分別連接至電壓SVDD及讀出線RO，其中，電壓SVSS及電壓SVDD可為相同之電壓源或不同之電壓源。光學感應元件PS的兩端分別連接至重置電晶體T1的連接端(S)及驅動電晶體T2的控制端(G)、及電壓Vbias。電容C1的兩端分別連接至重置電晶體T1的控制端(G)、及重置電晶體T1的連接端(S)及驅動電晶體T2的控制端(G)。電容C2的兩端分別連接至重置電晶體T1的連接端(S)及驅動電晶體T2的控制端(G)、及電壓Vbias。電容C1及C2可以是光學感應元件PS內部本身元件所構成的電容結構，或是為額外設置的電容，或兩者的組合。於圖中，電容C1與電容C2連接處具有端點電壓Vp。

再請參照圖4顯示本發明的指紋感測裝置30應用於顯示面板50的系統架構圖，其中，指紋感測裝置30包括一指紋感測器31及一指紋感測GOA(gate on array)驅動電路33，指紋感測器31是由複數個指紋畫素單元311組成的陣列且設置於顯示面板50中，亦即指紋感測器31包括設置於顯示面板50中的複數指紋畫素列(row)，且每一指紋畫素列具有複數個指紋畫素單元311。在顯示面板50的一側或左右側設有顯示驅動GOA電路35，用來根據一整合積體電路39的控制信號來依序驅動顯示掃描線G-disp以進行顯示，為簡潔表示，圖中繪示顯示驅動GOA電路35是僅設置在顯示面板50的一側，但此僅為示範而非限制。此外，為了實現指紋偵測功能，指紋感測驅動GOA電路33是設置於顯示面板50中的指紋感測器31的一側或左右側，用來根據該整合積體電路39的控制信號來依序驅動選擇及重置複用線SEL/RST以進行指紋感測，且感測的指紋資料是由讀出線RO讀取至該整合積體電路39以進行指紋辨識，且為簡潔表示，圖中繪示指紋感測驅動GOA電路33是僅設置在顯示面板50中的指紋感測器31的一側，但此僅為示範而非限制。

圖5顯示本發明的指紋感測裝置30的電路連接示意圖，其中，指紋感測GOA驅動電路33是包括複數個GOA單元331，指紋感測器31的一指紋畫素列(row)的指紋畫素單元311對應一GOA單元331並由該GOA單元331所驅動，亦即，假設指紋感測器31有N個指紋畫素列且指紋感測GOA驅動電路33包括N個GOA單元331，N為大於1之整數，一索引值i是介於1至N的任意整數，如圖5所示，第i指紋畫素列的指紋畫素單元311’中的每一指紋畫素單元311’的選擇及重置複用線SEL/RST皆連接至第i個GOA單元331’的輸出G(i)，以由第i個GOA單元331’驅動第i指紋畫素列的指紋畫素單元311’。再者，每一GOA單元331由時鐘信號CK/~CK所推動，且第i-1個GOA單元331的輸出G(i-1)及第i+1個GOA單元331的輸出G(i+1)連接至第i個GOA單元331’，據以逐列依序驅動指紋感測裝置30。

圖6顯示 GOA單元331的電路圖，其係以指紋感測GOA驅動電路33中的第i個GOA單元331’為例來說明，GOA單元331’包括一第一電晶體Ta、一第二電晶體Tb、一第三電晶體Tc、一電容Ca及一下拉單元61。第一電晶體Ta的控制端(G)連接至第i-1個GOA單元331的輸出G(i-1)， 第一電晶體Ta的兩連接端(D、S)分別連接至電壓U2D及節點N。第二電晶體Tb的控制端(G)連接至第i+1個GOA單元331的輸出G(i+1)，第二電晶體Tb的兩連接端(D、S)分別連接至電壓D2U及節點N。第三電晶體Tc的控制端(G) 連接至節點N，第三電晶體Tc的兩連接端(D、S)分別連接至時鐘信號CK/~CK及下拉單元61的一端，且下拉單元61的另一端連接至節點N。電容Ca的一端連接至節點N，其另一端作為GOA單元331’的輸出G(i)。其中，圖6中所繪示的電晶體Ta、Tb及Tc為NMOS電晶體，但此僅為舉例而非限定，可想而知地，電晶體Ta、Tb及Tc亦可為其他類型的MOS電晶體，例如PMOS電晶體。

圖7顯示前述 GOA單元331’的操作波形，以說明三階波形的產生，如圖7中的(A)部分所示，其顯示由GOA單元331’產生二階驅動波形，其中，當輸出G(i-1)為高電壓時，電晶體Ta係為導通。電壓U2D為一直流高電壓，所以此時節點N會被充電至一第一高電壓VGH1；當輸出G(i-1)變為低電壓時，下拉單元61是關閉狀態，即節點N的電壓會被保持在第一高電壓VGH1，此時電晶體Tc導通且電晶體Tc的源極上的時鐘信號CK會由低電壓轉高電壓，因為有電容Ca的關係，節點N的電壓會被提昇至第二高電壓VGH2，且因為電晶體Tc導通，輸出G(i)會被拉高成第二電位V2，據以產生二階驅動波形。圖7中的(B)部分顯示由GOA單元331’產生三階驅動波形，相同於前述二階驅動波形，於電晶體Tc導通前，節點N的電壓是由輸出G(i-1)所控制，因此節點N會被充電至第一高電壓VGH1並提昇至第二高電壓VGH2，於電晶體Tc開啟後，藉由將整合積體電路39所控制的時鐘信號CK以兩階段往上拉抬，使得節點N的電壓亦以兩階段提升至一第三高電壓VGH3及一第四高電壓VGH4，據以在輸出G(i)產生具有第一電位V1、第二電位V2及第三電位V3的三階驅動波形。

因此，藉由使用三階波形的時鐘信號CK，可將節點N的電壓分四階段提升，以在GOA單元331’的輸出G(i)產生三階波形供選擇重置複用線SEL/RST使用。而由於輸出G(i)的三階波形具有由低而高的第一、第二及第三等三種電位V1、V2、V3，藉由調整第一、第二及第三電位V1、V2、V3的電壓值，可使得指紋畫素單元311’的電容C1、C2依電容比例(電容耦合效應)影響指紋畫素單元311的端點電壓Vp，以控制重置電晶體T1及驅動電晶體T2的開啟(ON)與關閉(OFF)，進而使得指紋畫素單元311進行曝光、讀取及重置之操作。

圖8顯示以GOA單元331的輸出G(i)的三階波形來控制指紋畫素單元311進行曝光、讀取及重置之一範例，其中，假設指紋畫素單元311’的重置電晶體T1及驅動電晶體T2的門檻電壓(Vth)為約3.5V，GOA單元331’ 的輸出G(i)的三階波形所具有的三種電位V1、V2、V3分別為-9V、3V、6V，指紋畫素單元311’的電容比例C1/(C1+C2)=1/3。對應地，於電位V1=-9V期間，指紋畫素單元311’的端點電壓Vp將由0V下降至(0+∆E)V，其中，∆E為曝光電壓差，以此端點電壓Vp，指紋畫素單元311’的重置電晶體T1為關閉(OFF)、且驅動電晶體T2為關閉(OFF)，致使指紋畫素單元311’進行曝光；於電位V2=3V期間，指紋畫素單元311’的端點電壓Vp將由(0+∆E)V上升至(4+∆E)V並保持在此準位，以此端點電壓Vp，指紋畫素單元311’的重置電晶體T1為關閉(OFF)、且驅動電晶體T2為開啟(ON)，致使指紋畫素單元311進行讀取；於電位V2=6V期間，指紋畫素單元311’的端點電壓Vp將由(4+∆E)V上升至5V並保持在此準位，以此端點電壓Vp，重置電晶體T1為開啟(ON)、且驅動電晶體T2為開啟(ON)，致使指紋畫素單元311’進行重置。據此可完成指紋畫素單元311’的曝光、讀取及重置操作，達成僅使用一條選擇及重置複用線SEL/RST來實現指紋辨識功能。

由以上之說明可知，本發明藉由使用2T2C指紋畫素電路，並透過指紋感測驅動GOA電路提供特殊設計的三階電壓，搭配光學指紋畫素單元中的二電容的比例關係，使得僅需一條選擇及重置複用線即可完成重置、曝光及讀出之操作，而可有效改善面板開口率。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

11:指紋感測器

12:薄膜電晶體層

13:濾光基板層

15:玻璃基板

21:指紋畫素單元

T1:重置電晶體

T2:驅動電晶體

PS:光學感應元件

C,C1,C2,Ca:電容

Ta,Tb,Tc:電晶體

61:下拉單元

35:顯示驅動GOA電路

39:整合積體電路

30:指紋感測裝置

31:指紋感測器

311,311’:指紋畫素單元

33:指紋感測驅動GOA電路

331,331’:GOA單元

50:顯示面板

RO:讀出線

G-disp:顯示掃描線

SEL/RST:選擇及重置複用線

G:控制端

D,S:連接端

N:節點

CK/~CK:時鐘信號

SVSS,SVDD,Vbias,VOUT,U2D.D2U,Vb:電壓

V1,V2,V3:電位

圖1顯示整合光學指紋感測器與液晶顯示面板的示意圖。 圖2顯示一種光學指紋畫素單元的電路圖。 圖3顯示本發明的光學指紋畫素單元的電路圖。 圖4顯示本發明的指紋感測裝置應用於顯示面板的系統架構圖。 圖5顯示本發明的指紋感測裝置的電路連接示意圖。 圖6顯示依據本發明之 GOA單元的電路圖。 圖7顯示依據本發明之GOA單元的操作波形。 圖8顯示以GOA單元的輸出的三階波形來控制指紋畫素單元進行曝光、讀取及重置之一範例。

311:指紋畫素單元

T1:重置電晶體

T2:驅動電晶體

PS:光學感應元件

C1,C2:電容

RO:讀出線

SEL/RST:選擇及重置複用線

G:控制端

D,S:連接端

SVSS,SVDD,Vbias,VOUT:電壓

Claims (13)

1. 一種指紋畫素單元，包括：一重置電晶體，具有一控制端連接至一選擇及重置複用線，一第一連接端連接至一第一電壓，及一第二連接端；一驅動電晶體，具有一控制端連接至該重置電晶體的第二連接端，一第一連接端連接至一第二電壓，及一第二連接端；一光學感應元件，具有一第一端連接至該驅動電晶體的控制端，及一第二端連接至一偏壓電壓；一第一電容，具有兩端分別連接至該重置電晶體的控制端及第二連接端；以及一第二電容，具有兩端分別連接至該重置電晶體的第二連接端及該偏壓電壓，其中，該選擇重置複用線是由三階波形所驅動。
2. 如請求項1所述之指紋畫素單元，其中，該三階波形具有由低而高的三種電位。
3. 如請求項2所述之指紋畫素單元，其中該三階波形是由一GOA單元所產生，該GOA單元包括：一第一電晶體，具有一控制端，及兩連接端分別連接至一第三電壓及一節點；一第二電晶體，具有一控制端，及兩連接端分別連接至一第四電壓及該節點；一下拉單元，具有兩端； 一第三電晶體，具有一控制端連接至該節點，兩連接端分別連接至一時鐘信號及該下拉單元的一端，且該下拉單元的另一端連接至該節點，其中，該時鐘信號為三階波形的時鐘信號；以及一第三電容，其一端連接至該節點，另一端作為該GOA單元的輸出。
4. 一種指紋感測裝置，包括：一指紋感測器，包括複數指紋畫素列，每一指紋畫素列具有複數個指紋畫素單元，每一指紋畫素單元包括：一重置電晶體，具有一控制端連接至一選擇及重置複用線，一第一連接端連接至一第一電壓，及一第二連接端；一驅動電晶體，具有一控制端連接至該重置電晶體的第二連接端，一第一連接端連接至一第二電壓，及一第二連接端連接至一讀出線；一光學感應元件，具有一第一端連接至該驅動電晶體的控制端，及一第二端連接至一偏壓電壓；一第一電容，具有兩端分別連接至該重置電晶體的控制端及第二連接端；以及一第二電容，具有兩端分別連接至該重置電晶體的第二連接端及該偏壓電壓；以及一指紋感測GOA驅動電路，包括複數個GOA單元分別對應該指紋感測器的複數指紋畫素列，以依序驅動對應指紋畫素列的指紋畫素單元的選擇及重置複用線，其中，該指紋感測GOA驅動電路的一GOA單元輸出三階波形以驅動對應指紋畫素列的指紋畫素單元的選擇及重置複用線。
5. 如請求項4所述之指紋感測裝置，其中，該三階波形具有由低而高的第一、第二及第三電位。
6. 如請求項5所述之指紋感測裝置，其中，藉由調整該第一、第二及第三電位的電壓值，使得該指紋畫素單元的第一電容及第二電容依電容比例影響該第一電容及第二電容連接處的端點電壓，據以控制該重置電晶體及驅動電晶體的開啟與關閉。
7. 如請求項6所述之指紋感測裝置，其中，於該第一電位的期間，該第一電容及第二電容連接處的端點電壓是使得該重置電晶體為關閉且該驅動電晶體為關閉，致使該指紋畫素單元進行曝光。
8. 如請求項6所述之指紋感測裝置，其中，於該第二電位的期間，該第一電容及第二電容連接處的端點電壓是使得該重置電晶體為關閉且驅動電晶體為開啟，致使該指紋畫素單元進行讀取。
9. 如請求項6所述之指紋感測裝置，其中，於該第三電位的期間，該第一電容及第二電容連接處的端點電壓是使得該重置電晶體為開啟且驅動電晶體為開啟，致使該指紋畫素單元進行重置。
10. 如請求項4所述之指紋感測裝置，其中，該指紋感測GOA驅動電路包括N個GOA單元，N為大於1之整數，一索引值i是介於1至N的任意整數，第i個GOA單元包括：一第一電晶體，具有一控制端連接至第i-1個GOA單元的輸出，兩連接端分別連接至一第三電壓及一節點；一第二電晶體，具有一控制端連接至第i+1個GOA單元的輸出，兩連接端分別連接至一第四電壓及該節點；一下拉單元，具有兩端；一第三電晶體，具有一控制端連接至該節點，兩連接端分別連接至一時鐘信號及該下拉單元的一端，且該下拉單元的另一端連接至該節點；以及 一第三電容，其一端連接至該節點，另一端作為第i個GOA單元的輸出。
11. 如請求項4所述之指紋感測裝置，其中，該指紋感測裝置應用於一顯示面板，該指紋感測器的複數指紋畫素列設置於該顯示面板中，該顯示面板設有複數顯示掃描線及一顯示驅動GOA電路，以根據一整合積體電路的控制信號來依序驅動該顯示掃描線以進行顯示，或依序驅動該選擇及重置複用線來進行指紋感測。
12. 如請求項11所述之指紋感測裝置，其中，該時鐘信號為三階波形的時鐘信號。
13. 一種整合積體電路，用以控制如請求項4所述之指紋感測裝置，以依序驅動該選擇及重置複用線來進行指紋感測，且感測的指紋資料是由該讀出線讀取至該整合積體電路以進行指紋辨識。

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