TWI815657B

TWI815657B - 觸控感測裝置

Info

Publication number: TWI815657B
Application number: TW111134549A
Authority: TW
Inventors: 李家倫; 林志隆; 簡靈櫻; 施立偉
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2022-09-13
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2023-09-11
Also published as: TW202411828A

Abstract

觸控感測裝置包含第一節點、第二節點、第三節點驅動電晶體、感測元件、電容、第一電路及第二電路。驅動電晶體耦接第一節點及第二節點。感測元件耦接第三節點。電容耦接第一節點及第三節點。第一電路耦接第一節點及第二節點並接收第一訊號及第二訊號。第一電路及第二電路根據第一訊號重置及補償第一節點、第二節點及第三節點。第二電路耦接第三節點並接收第一訊號及第三訊號。第二電路根據第三訊號透過電容耦合第三節點之電壓準位至第一節點。感測元件感測目標物，以產生感測訊號至電容。第一電路根據第二訊號藉驅動電晶體讀取感測訊號。

Description

觸控感測裝置

本案涉及一種電子裝置。詳細而言，本案涉及一種觸控感測裝置。

現有感測裝置處於低亮度的環境中，由於感測裝置之驅動電晶體之閘極端之電壓太低，使驅動電晶體操作於截止區中，無法產生足夠電流，進而降低觸控感測靈敏度。

此外，現有感測裝置並未對感測裝置之驅動電晶體之臨界電壓進行補償。當驅動電晶體之臨界電壓變異時，驅動電晶體之臨界電壓嚴重影響感測裝置之感測結果以及降低觸控感測靈敏度。

因此，上述技術尚存諸多缺陷，而有待本領域從業人員研發出其餘適合的觸控感測裝置。

本案的一面向涉及一種觸控感測裝置。觸控感測裝置包含第一節點、第二節點、第三節點、驅動電晶體、感測元件、電容、第一電路及第二電路。驅動電晶體耦接於第一節點及第二節點。感測元件耦接於第三節點。電容耦接於第一節點及第三節點。第一電路耦接於第一節點及第二節點，並用以接收第一訊號及第二訊號。第一電路根據第一訊號重置及補償第一節點及第二節點。第二電路耦接於第三節點，並用以接收第一訊號及第三訊號。第二電路根據第一訊號以重置及補償第三節點。第二電路用以根據第三訊號透過電容以耦合第三節點之第一電壓準位至第一節點。感測元件用以感測目標物，以產生感測訊號至電容。第一電路用以根據第二訊號透過驅動電晶體以讀取感測訊號。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本案之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本案之實施例後，當可由本案所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本案之精神與範圍。

本文之用語只為描述特定實施例，而無意為本案之限制。單數形式如“一”、“這”、“此”、“本”以及“該”，如本文所用，同樣也包含複數形式。

關於本文中所使用之『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限於。

關於本文中所使用之用詞（terms），除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在本案之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本案之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本案之描述上額外的引導。

第1圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置100之電路方塊示意圖。在一些實施例中，如第1圖所示，觸控感測裝置100包含第一節點N1、第二節點N2、第三節點N3、驅動電晶體DT1、感測元件PD、電容C1、第一電路110及第二電路120。在一些實施例中，觸控感測裝置100之輸出端OUT耦接於外部積體電路910。在一些實施例中，觸控感測裝置100及外部積體電路910位於一種電子裝置之內部(圖中未示)。

須說明的是，電子裝置包含複數個觸控感測裝置100。每一個觸控感測裝置100等同於一個感測畫素。進一步說明的是，觸控感測裝置100亦可設計於電子裝置之顯示畫素(圖中未示)之驅動行或驅動列之間。第三訊號S1[N+1]為第一訊號S1[N]之次級訊號。第一訊號S1[N]至第三訊號S1[N+1]可同時為電子裝置之顯示畫素之驅動訊號。換言之，本案觸控感測裝置100可於現有電子裝置之顯示畫素進行整合，不影響現有電子裝置之顯示畫素之驅動方式。

在一些實施例中，請參閱第1圖，驅動電晶體DT1耦接於第一節點N1及第二節點N2。感測元件PD耦接於第三節點N3。電容C1耦接於第一節點N1及第三節點N3。

接著，第一電路110耦接於第一節點N1及第二節點N2，並用以接收第一訊號S1[N]及第二訊號S2[N-1]。第一電路110根據第一訊號S1[N]以重置及補償第一節點N1及第二節點N2。

再者，第二電路120耦接於第三節點N3，並用以接收第一訊號S1[N]及第三訊號S1[N+1]。第二電路120根據第一訊號S1[N]以重置及補償第三節點N3。第二電路120用以根據第三訊號S1[N+1]透過電容C1以耦合第三節點N3之第一電壓準位至第一節點N1。

爾後，感測元件PD用以感測目標物，以產生感測訊號至電容C1。第一電路110用以根據第二訊號S2[N-1]透過驅動電晶體DT1以讀取感測訊號。

在一些實施例中，請參閱第1圖，並請以圖示中元件的上方及右方起算為第一端，驅動電晶體DT1包含第一端、第二端以及控制端(即驅動電晶體DT1之閘極端)。驅動電晶體DT1之第一端耦接於系統高電壓源FVDD。驅動電晶體DT1之第二端耦接於第二節點N2。驅動電晶體DT1之控制端耦接於第一節點N1。驅動電晶體DT1響應第一節點N1之第二電壓準位而關閉或導通。

在一些實施例中，請參閱第1圖，電容C1包含第一端及第二端。電容C1之第一端耦接於第一節點N1。電容C1之第二端耦接於第三節點N3。

在一些實施例中，感測元件PD包含第一端及第二端。感測元件PD之第一端耦接於第三節點N3。感測元件PD之第二端耦接於系統低電壓源FVSS。感測元件PD用以感測目標物之生物特徵，藉以產生感測訊號。生物特徵包含目標物之指紋特徵。

在一些實施例中，第一電路110包含第一電晶體T1及第二電晶體T2。

此外，第一電晶體T1包含第一端、第二端以及控制端(即第一電晶體T1之閘極端)。第一電晶體T1之第一端耦接於觸控感測裝置100之輸出端OUT。第一電晶體T1之第二端耦接於第二節點N2。第一電晶體T1之控制端用以接收第二訊號S2[N-1]。第一電晶體T1響應第二訊號S2[N-1]而導通。

另外，第二電晶體T2包含第一端、第二端以及控制端(即第二電晶體T2之閘極端)。第二電晶體T2之第一端耦接於第二節點N2。第二電晶體T2之第二端耦接於第一節點N1。第二電晶體T2之控制端用以接收第一訊號S1[N]。第二電晶體T2響應第一訊號S1[N]而導通。

在一些實施例中，請參閱第1圖，第二電路120包含第三電晶體T3及第四電晶體T4。

此外，第三電晶體T3包含第一端、第二端以及控制端(即第三電晶體T3之閘極端)。第三電晶體T3之第一端用以接收參考電壓Vref。第三電晶體T3之第二端耦接於第三節點N3。第三電晶體T3之控制端用以接收第一訊號S1[N]。第三電晶體T3響應第一訊號S1[N]而導通。

另外，第四電晶體T4包含第一端、第二端以及控制端(即第四電晶體T4之閘極端)。第四電晶體T4之第一端耦接於第三節點N3。第四電晶體T4之第二端耦接於系統高電壓源FVDD。第四電晶體T4之控制端用以接收第三訊號S1[N+1]。第四電晶體T4響應第三訊號S1[N+1]而導通。

在一些實施例中，第一電晶體T1之電晶體種類、第二電晶體T2之電晶體種類、第三電晶體T3之電晶體種類、第四電晶體T4之電晶體種類及驅動電晶體DT1之電晶體種類均相同。在一些實施例中，上述電晶體T1~T4及驅動電晶體DT1為P型金屬氧化物半導體場效電晶體(P-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, PMOS)。須說明的是，電晶體之種類可依據需求設計，並不以本案實施例為限。

在一些實施例中，為使第1圖之觸控感測裝置100的操作易於理解，請一併參閱第2圖，第2圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置100之驅動訊號時序示意圖。第一電路110於第一階段I1根據第一訊號S1[N]及第二訊號S2[N-1]以重置第一節點N1及第二節點N2。於此同時，第二電路120於第一階段I1根據第一訊號S1[N]以重置第三節點N3。

接著，第一電路110於第二階段I2之第一子階段I21根據第一訊號S1[N]以補償第一節點N1及第二節點N2。於此同時，第二電路120於第二階段I2之第一子階段I21根據第一訊號S1[N]以補償第三節點N3。須說明的是，第二階段I2包含第一子階段I21及第二子階段I22。

再者，第二電路120於第三階段I3透過電容C1耦合第三節點N3之第一電壓準位至第一節點N1。爾後，感測元件PD用以於第四階段I4感測目標物，以產生感測訊號至電容C1。最後，第一電路110用以根據第二訊號S2[N-1]透過驅動電晶體DT1以讀取感測訊號。須說明的是，第一階段I1至第五階段I5為觸控感測裝置100或上述電子裝置更新畫面的時間為一幀(frame)。

第3圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置100之電路狀態示意圖。在一些實施例中，請參閱第2圖及第3圖，於第一階段I1中，第一訊號S1[N]及第二訊號S2[N-1]均為低準位V _GL，第三訊號S1[N+1]為高準位V _GH。第一電路110於第一階段I1根據第一訊號S1[N]及第二訊號S2[N-1]以重置第一節點N1及第二節點N2。於此同時，第二電路120於第一階段I1根據第一訊號S1[N]以重置第三節點N3。

在一些實施例中，此時外部積體電路910用以產生一種低電壓Vm。第二訊號S2[N-1]透過第一電路110之第一電晶體T1對第二節點N2寫入低電壓Vm。於此同時，第一訊號S1[N]透過第一電路110之第二電晶體T2對第一節點N1寫入第二節點N2之低電壓Vm。再者，第一訊號S1[N]透過第二電路120之第三電晶體T3對第三節點N3寫入參考電壓Vref。

此時，第一節點N1之電壓準位為低電壓Vm。第二節點N2之電壓準位為低電壓Vm。第三節點N3之電壓準位為參考電壓Vref。

第4圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置100之電路狀態示意圖。在一些實施例中，請參閱第2圖及第4圖，於第二階段I2之第一子階段I21中，第一訊號S1[N]為低準位V _GL，第二訊號S2[N-1]及第三訊號S1[N+1]均為高準位V _GH。第一電路110於第二階段I2之第一子階段I21根據第一訊號S1[N]以補償第一節點N1及第二節點N2。於此同時，第二電路120於第二階段I2之第一子階段I21根據第一訊號S1[N]以補償第三節點N3。

在一些實施例中，由於驅動電晶體DT1為持續導通狀態，第一訊號S1[N]透過第一電路110之第二電晶體T2對第一節點N1及第二節點N2進行補償系統高電壓源FVDD之系統高電壓VDD。

再者，第一訊號S1[N]透過第二電路120之第三電晶體T3對第三節點N3維持參考電壓Vref。

此時，第一節點N1之電壓準位為(系統高電壓VDD-驅動電晶體DT1之臨界電壓|V _{TH_DT1}|)。第二節點N2之電壓準位為(系統高電壓VDD-驅動電晶體DT1之臨界電壓|V _{TH_DT1}|)。第三節點N3之電壓準位為參考電壓Vref。

在一些實施例中，請參閱第2圖及第4圖，於第二階段I2之第二子階段I22中，第一訊號S1[N]、第二訊號S2[N-1]及第三訊號S1[N+1]均為高準位V _GH。觸控感測裝置100之驅動電晶體DT1響應第一節點N1之電壓準位持續導通。觸控觸控感測裝置100之狀態相同於觸控觸控感測裝置100於第二階段I2之第一子階段I21之狀態。

第5圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置100之電路狀態示意圖。在一些實施例中，請參閱第2圖及第5圖，於第三階段I3中，第三訊號S1[N+1]為低準位V _GL，第一訊號S1[N]及第二訊號S2[N-1]均為高準位V _GH。第二電路120於第三階段I3透過電容C1以耦合第三節點N3之第一電壓準位至第一節點N1。

在一些實施例中，第三訊號S1[N+1]透過第二電路120之第四電晶體T4對第三節點N3寫入系統高電壓源FVDD之系統高電壓VDD。此時，電容C1響應第三節點N3之電壓準位，以改變第一節點N1之電壓準位。再者，驅動電晶體DT1持續導通，使第二節點N2之電壓準位變更為系統高電壓源FVDD之系統高電壓VDD。

此時，第一節點N1之電壓準位為(兩倍系統高電壓VDD-參考電壓Vref-驅動電晶體DT1之臨界電壓|V _{TH_DT1}|)。第二節點N2之電壓準位為系統高電壓VDD。第三節點N3之電壓準位為系統高電壓VDD。

第6圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置100之電路狀態示意圖。在一些實施例中，請參閱第2圖及第6圖，於第四階段I4中，第一訊號S1[N]、第二訊號S2[N-1]及第三訊號S1[N+1]均為高準位V _GH。感測元件PD用以於第四階段I4感測目標物，以產生感測訊號至電容C1。

在一些實施例中，觸控感測裝置100之感測元件PD用以於第四階段I4感測目標物之生物特徵(以圖示中光線L1進行示意)，以產生感測訊號(即感測電流I _PD及感測電壓 )至電容C1。此時，電容C1響應第三節點N3之電壓變化，以改變第一節點N1之電壓準位。

此時，此時，第一節點N1之電壓準位為(兩倍系統高電壓VDD-參考電壓Vref-驅動電晶體DT1之臨界電壓|V _{TH_DT1}|-感測電壓 )。第二節點N2之電壓準位為系統高電壓VDD。第三節點N3之電壓準位為(系統高電壓VDD-感測電壓 )。

第7圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置100之電路狀態示意圖。在一些實施例中，請參閱第2圖及第7圖，於第五階段I5中，第二訊號S2[N-1]為低準位V _GL。第一訊號S1[N]及第三訊號S1[N+1]均為高準位V _GH。第一電路110用以根據第二訊號S2[N-1]透過驅動電晶體DT1以讀取感測訊號。

在一些實施例中，第一電路110更用以透過驅動電晶體DT1之臨界電壓|V _{TH_DT1}|以讀取儲存於電容C1之感測訊號，以產生輸出訊號IR，並藉由觸控感測裝置100之輸出端OUT以輸出至外部積體電路910。

在一些實施例中，此時外部積體電路910用以讀取觸控感測裝置100之感測訊號。第二訊號S2[N-1]透過第一電路110之第一電晶體T1產生通道至外部積體電路910，藉以產生輸出訊號IR至外部積體電路910。輸出訊號IR之公式如下所示： …式1

於式1中，IR為輸出訊號。VGS為驅動電晶體DT1之控制端及第二端之電壓差。Vth為驅動電晶體DT1之臨界電壓。驅動電晶體DT1之控制端之電壓為第一節點N1之電壓準位，其相當於(兩倍系統高電壓VDD-參考電壓Vref-驅動電晶體DT1之臨界電壓|V _{TH_DT1}|-感測電壓 )。驅動電晶體DT1之第二端之電壓為第二節點N2之電壓準位，其相當於系統高電壓VDD。將驅動電晶體DT1之控制端及第二端的電壓代入式1中，可得出： …式2

上述式2中，|V _{TH_DT1}|為驅動電晶體DT1之臨界電壓。如式2所示，驅動電晶體DT1之臨界電壓可互相抵消，將式2改寫如下： …式3

因此，本案之觸控感測裝置100之輸出訊號IR之電流大小取決於系統高電壓VDD、參考電壓Vref及感測電壓之數值。

依據前述實施例，本案提供一種觸控感測裝置，藉以透過補償驅動電晶體之臨界電壓，並加強驅動電晶體之第二端及控制端之跨壓，此外，透過將感測元件之感測訊號先儲存於電容中，以使感測元件不會受到驅動電晶體之臨界電壓之影響，藉以提高觸控感測裝置之觸控感測靈敏度。

雖然本案以詳細之實施例揭露如上，然而本案並不排除其他可行之實施態樣。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，而非受於前述實施例之限制。

對本領域技術人員而言，在不脫離本案之精神和範圍內，當可對本案作各種之更動與潤飾。基於前述實施例，所有對本案所作的更動與潤飾，亦涵蓋於本案之保護範圍內。

100:觸控感測裝置 110:第一電路 120:第二電路 910:外部積體電路 T1~T4:電晶體 DT1:驅動電晶體 N1~N3:節點 PD:感測元件 C1:電容 S1[N]:第一訊號 S2[N-1]:第二訊號 S1[N+1]:第三訊號 FVDD, FVSS:電壓源 Vref:參考電壓 OUT:輸出端 I1~I5:階段 I21~I22:子階段 V _GH:高準位 V _GL:低準位 I _PD:感測電流 IR:輸出訊號 L1:光線

參照後續段落中的實施方式以及下列圖式，當可更佳地理解本案的內容：第1圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置之電路方塊示意圖；第2圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置之驅動訊號時序示意圖；第3圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置之電路狀態示意圖；第4圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置之電路狀態示意圖；第5圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置之電路狀態示意圖；第6圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置之電路狀態示意圖；以及第7圖為根據本案一些實施例繪示的觸控感測裝置之電路狀態示意圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:觸控感測裝置

110:第一電路

120:第二電路

910:外部積體電路

T1~T4:電晶體

DT1:驅動電晶體

N1~N3:節點

PD:感測元件

C1:電容

S1[N]:第一訊號

S2[N-1]:第二訊號

S1[N+1]:第三訊號

FVDD,FVSS:電壓源

Vref:參考電壓

OUT:輸出端

Claims

一種觸控感測裝置，包含：一第一節點；一第二節點；一第三節點；一驅動電晶體，耦接於該第一節點及該第二節點；一感測元件，耦接於該第三節點；一電容，耦接於該第一節點及該第三節點；一第一電路，耦接於該第一節點及該第二節點，並用以接收一第一訊號及一第二訊號，該第一電路根據該第一訊號以重置及補償該第一節點及該第二節點；以及一第二電路，耦接於該第三節點，並用以接收該第一訊號及一第三訊號，該第二電路根據該第一訊號以重置及補償該第三節點；其中該第二電路用以根據該第三訊號以對該第三節點寫入一系統高電壓源之一系統高電壓，以使該第三節點提升至一第一電壓準位，並透過該電容耦合該第三節點之該第一電壓準位至該第一節點，其中該感測元件用以感測一目標物，以產生一感測訊號至該電容，其中該第一電路用以根據該第二訊號透過該驅動電晶體以讀取該感測訊號。
如請求項1所述之觸控感測裝置，其中該驅動電晶體包含：一第一端，耦接於該系統高電壓源；一第二端，耦接於該第二節點；以及一控制端，耦接於該第一節點，其中該驅動電晶體響應該第一節點之一第二電壓準位而關閉或導通。
如請求項1所述之觸控感測裝置，其中該電容包含：一第一端，耦接於該第一節點；以及一第二端，耦接於該第三節點，其中該電容用以儲存該感測訊號。
如請求項1所述之觸控感測裝置，其中該感測元件包含：一第一端，耦接於該第三節點；以及一第二端，耦接於一系統低電壓源，其中該感測元件用以感測該目標物之一生物特徵，藉以產生該感測訊號。
如請求項1所述之觸控感測裝置，其中該第一電路包含：一第一電晶體，包含：一第一端，耦接於該觸控感測裝置之一輸出端；一第二端，耦接於該第二節點；以及一控制端，用以接收該第二訊號，其中該第一電晶體響應該第二訊號而導通。
如請求項5所述之觸控感測裝置，其中該第一電路更包含：一第二電晶體，包含：一第一端，耦接於該第二節點；一第二端，耦接於該第一節點；以及一控制端，用以接收該第一訊號，其中該第二電晶體響應該第一訊號而導通。
如請求項6所述之觸控感測裝置，其中該第二電路包含：一第三電晶體，包含：一第一端，用以接收一參考電壓；一第二端，耦接於該第三節點；以及一控制端，用以接收該第一訊號，其中該第三電晶體響應該第一訊號而導通。
如請求項7所述之觸控感測裝置，其中該第二電路包含：一第四電晶體，包含：一第一端，耦接於該第三節點；一第二端，耦接於該系統高電壓源；以及一控制端，用以接收該第三訊號，其中該第四電晶體響應該第三訊號而導通。
如請求項8所述之觸控感測裝置，其中該第一電路更用以透過該驅動電晶體之一臨界電壓以讀取儲存於該電容之該感測訊號，以產生一輸出訊號，並藉由該觸控感測裝置之該輸出端以輸出至一外部積體電路。
如請求項1所述之觸控感測裝置，其中該第三訊號為該第一訊號之一次級訊號。