CN102338946A

CN102338946A - 光感测元件及包含该光感测元件的液晶显示器

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Publication number: CN102338946A
Application number: CN2010102352168A
Authority: CN
Inventors: 张弘昌; 柯健专; 吴昭慧
Original assignee: Hannstar Display Corp
Current assignee: Hannstar Display Corp
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: CN102338946B

Abstract

一种光感测元件，包含第一导线、第二导线、第三导线、读取开关、充电开关及感光单元。该读取开关的控制端电连接于该第一导线，该读取开关的第二端电连接于该第三导线。该充电开关的控制端电连接于该第一导线，该充电开关的第一端电连接于该第二导线。该感光单元电连接于该读取开关的第一端及该充电开关的第二端间；其中当该第一导线开启该读取开关及该充电开关，该感光单元根据该第二导线的电位及入射至该感光单元的光强度产生光电流，经过该读取开关至该第三导线。本发明还提供一种液晶显示器。

Description

光感测元件及包含该光感测元件的液晶显示器

技术领域

本发明涉及一种触控装置，特别涉及一种光感测元件及包含该光感测元件的液晶显示器。

背景技术

液晶显示器为目前广泛使用的显示装置，随着触控屏幕技术的成熟，使得各种移动电子装置，例如多媒体播放器、移动电话及个人数字助理(PDA)，几乎均搭载有触控式液晶屏幕以增加其使用便利性；其中，光学式触控屏幕通过检测光强度的变化以定位出触碰位置。

参照图1所示，其显示一种现有技术的光学式触控面板的光感测元件9，其包含数据线91、扫描线92、读取线93、共通线94、读取晶体管95及感光晶体管96。该感光晶体管96会依据所接收到的光强度而有不同的光电流输出，当该扫描线92接收扫描信号而开启该读取晶体管95时，光电流会流至该读取线93，处理单元(未图示)则可根据该光电流判定触碰的位置。然而，图1中的感光晶体管96由于持续受到该共通线91的共同电压作用，在长时间操作下会导致光电流出现衰减的情形。

有鉴于此，有必要提出一种光感测元件，其不会受到操作时间的长短而影响操作效能。

发明内容

本发明提出一种光感测元件，其中由于感光单元不会长时间持续受到电压的作用，可避免感光单元在长时间操作下产生效能低落的问题。

本发明还提出一种液晶显示器及其读取像素，其可搭配按压感测结构以增加光线不足操作时的触控信号的变化，由此提高操作灵敏度。

本发明提出一种光感测元件，包含第一导线、第二导线、第三导线、读取开关、充电开关及感光单元。该读取开关包含控制端、第一端及第二端；该读取开关的控制端电连接于该第一导线，该读取开关的第二端电连接于该第三导线。该充电开关包含控制端、第一端及第二端；该充电开关的控制端电连接于该第一导线，该充电开关的第一端电连接于该第二导线。该感光单元电连接于该读取开关的第一端及该充电开关的第二端间；其中当该第一导线开启该读取开关及该充电开关，该感光单元根据该第二导线的电位及入射至该感光单元的光强度产生光电流经过该读取开关至该第三导线。

本发明还提出一种液晶显示器的读取像素，包含像素晶体管及光感测元件同时形成于该液晶显示器所包含的阵列基板上。该光感测元件还包含第一导线、第二导线、第三导线、读取开关、充电开关及感光单元。该读取开关包含控制端、第一端及第二端；该读取开关的控制端电连接于该第一导线，该读取开关的第二端电连接于该第三导线。该充电开关包含控制端、第一端及第二端；该充电开关的控制端电连接于该第一导线，该充电开关的第一端电连接于该第二导线。该感光单元电连接于该读取开关的第一端及该充电开关的第二端间；其中当该第一导线开启该读取开关及该充电开关，该感光单元根据该第二导线的电位及入射至该感光单元的光强度产生光电流经过该读取开关至该第三导线。

本发明还提出一种液晶显示器，包含多个读取像素、阵列基板及多条栅极线、多条数据线、多条共通线及多条第三导线共同形成于该阵列基板上。每一读取像素还包含像素晶体管及光感测元件。该光感测元件还包含读取开关、充电开关及感光单元。该读取开关包含控制端、第一端及第二端；该读取开关的控制端电连接于这些栅极线的其中之一，该读取开关的第二端电连接于这些第三导线的其中之一。该充电开关包含控制端、第一端及第二端；该充电开关的控制端与该读取开关的控制端电连接于该栅极线，该充电开关的第一端电连接于这些共通线的其中之一。该感光单元电连接于该读取开关的第一端及该充电开关的第二端间；其中当该充电开关及该读取开关的控制端所电连接的该栅极线开启该读取开关及该充电开关，该感光单元根据该充电开关的第一端所电连接的该共通线的电位及入射至该感光单元的光强度产生光电流经过该读取开关至其第二端所电连接的该第三导线。

本发明的光感测元件、读取像素及液晶显示器中，可通过增加放电开关以避免电荷累积于感光单元中，同时可配合按压感测结构以增加光线不足时的感测灵敏度，其中该按压感测结构形成于相对该充电开关的对向基板上并面对该充电开关，通过改变该充电开关与该按压感测结构间的距离可改变该充电开关的导通状态，进而改变该感光单元所产生的光电流值。该按压感测结构可为至少一层间隔物(spacer)或色阻所堆叠而成的突出结构以及该突出结构表面的电极层所共同形成。

附图说明

图1示出一种现有技术的光感测元件的电路图。

图2示出本发明第一实施例的光感测元件的示意图。

图3示出图2的光感测元件的元件布局示意图。

图4A示出包含本发明第一实施例的光感测元件的读取像素的电路图。

图4B示出包含本发明第一实施例的光感测元件的读取像素的另一电路图。

图5A示出本发明第二实施例的光感测元件的示意图，其中该光感测元件操作于读取模式。

图5B示出本发明第二实施例的光感测元件的另一示意图，其中该光感测元件操作于放电模式。

图6A示出图3中沿6-6′线的剖视图，其中按压感测结构面对该充电开关形成于对向基板。

图6B示出图3中沿6-6′线的另一剖视图，其中该对向基板被外力触压。

【主要元件符号说明】

10、10′光感测元件 111 第一导线

112 第二导线 113 第三导线

114 第四导线 121 读取开关

121a 读取开关的控制端 121b 读取开关的第一端

121c 读取开关的第二端 122 感光单元

122a 感光单元的控制端 122b 感光单元的第一端

122c 感光单元的第二端 123 充电开关

123a 充电开关的控制端 123b 充电开关的第一端

123c 充电开关的第二端 1231 栅极绝缘层

1232 通道层 1233 掺杂层

1234 保护层 124 放电开关

13 遮光元件 20、20′读取像素

21 像素晶体管 30 阵列基板

40 对向基板 41 按压感测结构

411 电极层 8 处理单元

G_n、G_n+1 栅极线 D_n 数据线

C_LC 液晶电容 C_ST 储存电容

Ic 光电流 R、G、B 光阻

9 光感测元件 91 数据线

92 扫描线 93 读取线

94 共通线 95 读取晶体管

96 感光晶体管

具体实施方式

为了让本发明上述和其它目的、特征、和优点能更明显，下文将配合附图，作详细说明如下。本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示。

此外，在本发明的各图标中仅显示了部份构件并省略了与本发明的发明说明不直接相关的构件。

参照图2所示，其示出本发明第一实施例的光感测元件的电路图。光感测元件10包含第一导线111、第二导线112、第三导线113、读取开关121、感光单元122及充电开关123；其中，该读取开关121及该充电开关113例如可为薄膜晶体管(thin film transistor)，该感光单元122例如可为薄膜晶体管、光电二极管(photo diode)或光敏电阻(light sensitive resistor)。该第一导线111用以控制该读取开关121及该充电开关123的启闭，该第二导线112用以提供驱动该感光单元122的电位，该第三导线113用以读取光电流Ic，该光电流Ic经过该读取开关121及该第三导线113被传送至处理单元8以进行分析。该光电流Ic依据该第二导线112的电位及入射至该感光单元122的光强度产生。本发明通过增加该充电开关123以避免该感光单元122持续受到连接至该第二导线112的电位作用而发生效能低落并降低所生成的光电流Ic。

该读取开关121包含控制端121a、第一端121b及第二端121c，该控制端121a电连接于该第一导线111，该第二端121c电连接于该第三导线113，其中该第一端121b及该第二端121c可分别为漏极(drain)及源极(source)。该充电开关123包含控制端123a、第一端123b及第二端123c，该控制端123a电连接于该第一导线111，该第一端123b电连接于该第二导线112，其中该第一端123b及该第二端123c可分别为漏极及源极。该感光单元122耦接于该读取开关121的第一端121b与该充电开关123的第二端123c间，例如当该感光单元122为薄膜晶体管(TFT)时，其包含控制端122a、第一端122b及第二端122c，该控制端122a电连接于该第一端122b并电连接至该充电开关123的第二端123c，该第二端122c电连接于该读取开关121的第一端121b，其中该第一端122b及该第二端122c可分别为漏极及源极。可以了解的是，上述说明假设该感光单元122为薄膜晶体管来说明本发明的光感测元件10；当该感光单元122为光电二极管或光敏电阻时，其可不具有三个连接端。

当该第一导线111同时开启该读取开关121及该充电开关123时，连接于该第二导线112的电位将驱动该感光单元122以使其根据光强度生成该光电流Ic，并通过该读取开关121将该光电流Ic传送至该第三导线113。

当该光感测元件10应用于液晶显示器的读取像素时，该光感测元件10的各构件形成于该液晶显示器所包含的薄膜晶体管阵列基板(TFT arraysubstrate)上，该第一导线111例如为该阵列基板上的栅极线(gate line)或受到独立装置控制的导线，该第二导线112例如可为该阵列基板上的共通线(common line)，该第三导线113例如可为该阵列基板上的数据线(data line)或另外设置的导线。

参照图3所示，其示出本发明第一实施例的光感测元件10应用于液晶显示器的读取像素时的布局(1ayout)，该光感测元件10的各构件形成于阵列基板30上，且读取像素可另包含遮光元件13遮蔽于该第一导线111及该第三导线113上方，以遮蔽像素边缘的漏光。本发明中，为避免影响读取像素的开口率(aperture ratio)，该读取开关121及该充电开关123优选与该第一导线111上下重叠地形成于该阵列基板30上。可以了解的是，图3中的读取像素中省略了部分构件，例如省略了数据线及耦接至像素电极的像素晶体管等。

参照图4A及4B所示，其显示液晶显示器的读取像素(readout pixel)的电路图。内嵌式光学触控液晶显示器包含多个一般像素(即不包含光感测元件的像素)及读取像素(即包含光感测元件的像素)阵列地形成于液晶显示器的阵列基板上，而读取像素可与一般像素以一数目比例形成于该阵列基板上，且读取像素的比例愈高则可具有较高的感测分辨率；其中，一般像素的结构为现有技术，故于此不再赘述。

图4A中，本发明的读取像素20包含第一栅极线G_n、第二栅极线G_n+1、数据线D_n、像素晶体管21及光感测元件10形成于阵列基板上，此实施例中该像素晶体管21与该光感测元件10电连接于不同的栅极线。该像素晶体管21包含控制端21a、第一端21b及第二端21c，该控制端21a电连接于该第一栅极线G_n，该第一端21b电连接于该数据线D_n，该第二端21c电连接于液晶电容C_LC及储存电容C_ST。该光感测元件10电连接于该第二栅极线G_n+1、第二导线112及第三导线113间，其中该第二导线112可为该阵列基板所包含的多条共通线的其中之一，该第三导线113可为该阵列基板所包含的多条数据线的其中之一(例如，但不限于，与数据线D_n相邻的数据线)或多条单独设置的读取线的其中之一。该光感测元件10中各元件与该第二栅极线G_n+1、第二导线112及第三导线113的连接方式类似于图2所示(即将第一导线111替换为第二栅极线G_n+1)，故于此不再赘述。

图4B中，本发明的读取像素20′同样包含第一栅极线G_n、第二栅极线G_n+1、数据线D_n、像素晶体管21及光感测元件10形成于阵列基板上，此实施例中该像素晶体管21与该光感测元件10电连接于相同的栅极线，例如此处为栅极线G_n，此外其它构件的连接方式与图4A类似，故于此不再赘述。可以了解的是，液晶显示器的阵列基板包含多条栅极线及数据线交错地形成于该阵列基板上，而该栅极线G_n及G_n+1为这些栅极线的其中两条而该数据线D_n为这些数据线的其中之一。

参照图5A及5B所示，其示出本发明第二实施例的光感测元件。相比于第一实施例的光感测元件10，该光感测元件10′还包含第四导线114及放电开关124用以对该感光单元122放电以避免电荷的累积，其中该第一导线111、第二导电112、第三导线113、读取开关121、感光单元122及充电开关123的连接方式与第一实施例相同，故于此不再赘述。该放电开关124例如可为薄膜晶体管，并包含控制端124a、第一端124b及第二端124c，其中该第一端124b及该第二端124c可分别为漏极及源极；该控制端124a电连接于该第四导线114，该第一端124b电连接于该感光单元122的控制端122a及第一端122b，该第二端124c电连接至该第一导线111。当该光感测元件10′应用于液晶显示器的读取像素时，该光感测元件10′的各构件形成于阵列基板上。

图5A示出该第一导线111同时开启该读取开关121及充电开关123时的示意图，该第三导线113读出该感光单元122感测光强度所产生的光电流Ic。此时，该第四导线114不开启该放电开关124，因此该放电开关124此时不作用。

图5B示出该第四导线114开启该放电开关124的示意图。此时该第一导线111具有低电位，例如-7伏特，而关闭该读取开关121及充电开关123，累积于该感光单元122中的电荷则可于此期间被放电至该第一导线111。

可以了解的是，本发明第二实施例的光感测元件10′亦可应用于液晶显示器的读取像素中，如图4A及图4B所示，此时该第一导线111及该第四导线114则分别可为两栅极线，例如两相邻的栅极线G_n、G_n+1。

根据本发明的另一实施例，为增加该光感测元件10或10′在低光强度下的感测灵敏度，可于该充电开关123上方另设置按压感测结构。例如，当该光感测元件10或10′形成于液晶显示器的阵列基板30上时，该按压感测结构则形成于该阵列基板30的对向基板上。

参照图6A及6B所示，其示出图3中沿6-6′线的剖视图，其包含阵列基板30及对向基板40，该充电开关123形成于该阵列基板30而该按压感测结构41面对于该充电开关123形成于该对向基板40上。一种实施例中，该充电开关123例如包含栅极层G、栅极绝缘层1231、通道层1232、掺杂层1233、源极层S、漏极层D及保护层1234形成于该阵列基板30上，其中各层的材质及形成方式为现有技术，故于此不再赘述。该按压感测结构41可为由数层光阻堆叠而成的突出结构或为间隔物(spacer)与电极层411所形成。例如图6A及6B中，该按压感测结构41显示为由三层色阻R、G、B所堆叠而成，该按压感测结构41表面另形成电极层411。

根据此结构，该信道层1232的导通状态受到该栅极层G的电压与该电极层411的共同作用的影响。图6A示出该对向基板40不受外力触压时的剖视图，其中该电极层411与该充电开关123的距离例如为d1；图6B显示该对向基板40受到外力触压时的剖视图，其中该电极层411与该充电开关123的距离例如变为d2。此时，该电极层411的电场将降低该通道层1232的导通状态。因此，当手指或触控笔按压该光感测元件10或10′上方时，将降低该感光单元122所检测的光强度而降低所产生的光电流Ic，同时该电极层411与该充电开关123的距离缩短而进一步降低该充电开关123的导通状态而降低对该感光单元122的驱动电压，而进一步降低所产生的光电流Ic。本实施例中，两者效果一起可使得触压光感测元件10或10′时所产生的触控信号变化更为明显，以增加液晶显示器的触控灵敏度。可以了解的是，所述触控信号可为根据该光电流Ic所转换的电流或电压信号，或者即为该光电流Ic。此外，该按压感测结构41的详细实施方式可参照申请人所持有台湾专利公开第200910168号所公开的内容。

如前所述，由于现有技术的光感测结构中的感光单元在操作时持续受到电压的作用而造成长时间操作下该感光单元所产生的光电流出现衰减的现象，导致因触碰事件所造成的光电流变化不明显，因而降低操作灵敏度。本发明通过外加充电开关以避免感光单元(如图2、图5A及5B)持续受到电压作用所发生的问题。此外，本发明亦可通过增加放电开关(如图5A及5B)以避免电荷累积于感光单元中；并可配合按压感测结构(如图6A及6B)以增加光线不足时的感测灵敏度。

虽然本发明已以前述实施例揭示，然其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变型与修改。因此本发明的保护范围当视后附权利要求的范围为准。

Claims

1.一种光感测元件，包含：

第一导线；

第二导线；

第三导线；

读取开关，包含控制端、第一端及第二端，所述读取开关的控制端电连接于所述第一导线，所述读取开关的第二端电连接于所述第三导线；

充电开关，包含控制端、第一端及第二端，所述充电开关的控制端电连接于所述第一导线，所述充电开关的第一端电连接于所述第二导线；及

感光单元，电连接于所述读取开关的第一端及所述充电开关的第二端间；其中当所述第一导线开启所述读取开关及所述充电开关，所述感光单元根据所述第二导线的电位及入射至所述感光单元的光强度产生光电流经过所述读取开关至所述第三导线。

2.根据权利要求1所述的光感测元件，其中所述感光单元为薄膜晶体管、光电二极管或光敏电阻；所述第一导线为栅极线；所述第二导线为共通线；所述第三导线为数据线；所述读取开关及所述充电开关为薄膜晶体管。

3.根据权利要求1所述的光感测元件，还包含第四导线及放电开关，所述放电开关包含控制端、第一端及第二端，其中所述放电开关的控制端电连接于所述第四导线，所述放电开关的第一端电连接于所述充电开关的第二端，所述放电开关的第二端电连接于所述第一导线；其中所述第一导线及所述第四导线为两栅极线。

4.根据权利要求1所述的光感测元件，其中所述充电开关形成于阵列基板上，所述阵列基板面对对向基板，所述对向基板上形成突出结构自所述对向基板朝向所述充电开关延伸及电极层形成于所述突出结构表面，其中通过改变所述充电开关与所述电极层间的距离以改变所述充电开关的导通状态进而改变所述感光单元所产生的所述光电流值；其中所述突出结构由间隔物或色阻形成。

5.一种液晶显示器的读取像素，包含：

像素晶体管，形成于所述液晶显示器所包含的阵列基板上；及光感测元件，形成于所述阵列基板上，所述光感测元件还包含：

第一导线；

第二导线；

第三导线；

6.根据权利要求5所述的读取像素，其中所述感光单元为薄膜晶体管、光电二极管或光敏电阻；所述第一导线为所述阵列基板上的栅极线；所述第二导线为所述阵列基板上的共通线；所述读取开关、所述充电开关及所述像素晶体管为薄膜晶体管。

7.根据权利要求5所述的读取像素，其中所述光感测元件还包含第四导线、数据线及放电开关，所述放电开关包含控制端、第一端及第二端，其中所述放电开关的控制端电连接于所述第四导线，所述放电开关的第一端电连接于所述充电开关的第二端，所述放电开关的第二端电连接于所述第一导线；所述第一导线及所述第四导线为所述阵列基板的两栅极线；所述像素晶体管电连接于所述第一导线及所述数据线间或电连接于所述第四导线及所述数据线间。

8.根据权利要求5所述的读取像素，还包含对向基板，面对所述阵列基板，所述对向基板上形成突出结构，自所述对向基板朝向所述充电开关延伸及电极层形成于所述突出结构表面，其中通过改变所述充电开关与所述电极层间的距离以改变所述充电开关的导通状态进而改变所述感光单元所产生的所述光电流值；其中所述突出结构由间隔物或色阻形成。

9.根据权利要求5所述的读取像素，其中所述读取开关及所述充电开关系与所述第一导线上下重叠地形成于所述阵列基板上；所述读取像素还包含遮光元件，形成于所述第一导线上方。

10.一种液晶显示器，包含：

阵列基板；

多条栅极线，形成于所述阵列基板上；

多条数据线，跨越所述多条栅极线形成于所述阵列基板上；

多条共通线，形成于所述阵列基板上；

多条第三导线，形成于所述基板上；及

多个读取像素，每一读取像素包含：

像素晶体管；及

光感测元件，所述光感测元件包含：

读取开关，包含控制端、第一端及第二端，所述读取开关的控制端电连接于所述多条栅极线的其中之一，所述读取开关的第二端电连接于所述多条第三导线的其中之一；

充电开关，包含控制端、第一端及第二端，所述充电开关的控制端电连接于所述读取开关的控制端所电连接的所述栅极线，所述充电开关的第一端电连接于所述多条共通线的其中之一；及

感光单元，电连接于所述读取开关的第一端及所述充电开关的第二端间；其中当所述充电开关及所述读取开关的控制端所电连接的所述栅极线开启所述读取开关及所述充电开关，所述感光单元根据所述充电开关的第一端所电连接的所述共通线的电位及入射至所述感光单元的光强度产生光电流经过所述读取开关至所述读取开关的第二端所电连接的所述第三导线。

11.根据权利要求10所述的液晶显示器，其中所述感光单元为薄膜晶体管、光电二极管或光敏电阻；所述读取开关、所述充电开关及所述像素晶体管为薄膜晶体管。

12.根据权利要求10所述的液晶显示器，其中所述光感测元件还包含放电开关，所述放电开关包含控制端、第一端及第二端，其中所述放电开关的控制端电连接于另一栅极线，其不同于所述读取开关的控制端所电连接的所述栅极线，所述放电开关的第一端电连接于所述充电开关的第二端，所述放电开关的第二端电连接于所述读取开关的控制端所电连接的所述栅极线；所述像素晶体管电连接于所述读取开关的控制端所电连接的所述栅极线与所述数据线间，或电连接于所述读取开关的控制端所电连接的所述栅极线的相邻栅极线与所述数据线间。

13.根据权利要求10所述的液晶显示器，还包含对向基板，面对所述阵列基板，所述对向基板上形成突出结构，自所述对向基板朝向所述充电开关延伸及电极层形成于所述突出结构表面，其中通过改变所述充电开关与所述电极层间的距离以改变所述充电开关的导通状态，进而改变所述感光单元所产生的所述光电流值；其中所述突出结构由间隔物或色阻形成。

14.根据权利要求10所述的液晶显示器，其中所述读取开关及所述充电开关与所述多条栅极上下重叠地形成于所述阵列基板上。