TWI485372B - 光感測電路及光感測之控制方法 - Google Patents

Description

光感測電路及光感測之控制方法

本發明係關於光感測電路，特別是一種可控制光感測電路的電性導通時間之光感測電路及其控制方法。

觸控面板或觸控螢幕近年來已廣泛應用於各種電子產品以輔助作為輸入裝置使用，例如電腦、智慧型手機、或數位平面電視等等。當使用者想要將信號輸入至配置有觸控面板的電子裝置時，使用者僅需藉由一手指或一觸控筆來直接觸碰觸控面板，無需滑鼠或鍵盤即可完成輸入。

觸控面板大致可分類為觸控面板可分類為電容式感測型、電阻式觸控型、紅外線射束感測型、表面聲波型、整體應變計(strain gauge)型、壓電效應型，或光感測型。其中光感測型觸控面板包含光電二極體或光電電晶體等元件，可在製造觸控面板之驅動電路時製造光電二極體，其藉由感測入射於光電二極體上之光產生之一電流來辨識光筆或手指之觸碰。

『第1圖』所示為習知技術之光感測電路10，其包含電容Cst1，一感光單元P，一讀取電晶體M1，以及一外部電路11。感光單元P用於接收光信號並回應光信號而產生對應之光電流。第一脈衝訊號Wn+1輸入至感光單元P的閘極，第二脈衝訊號Sn+1輸入至光電電晶體的源極。電容Cst1所儲存電荷透過感光單元P所形成的路徑放電，放電的電流大小決定於感光單元P之照光強度及閘極-源極電壓(Vgs)夾壓設定。讀取電晶體M1回應閘極訊號 Gn而開啟，使外部電路11可週期性的偵測讀取電容Cst1的電壓(Va)變化。外部電路11經由信號讀出線RO及讀取電晶體M1，將經過一個固定週期(frame)或固定時間放電後之最終電容電壓Va讀出，外部電路11於讀取週期將電容電壓Va的最終值並轉換為輸出電壓Vout，由系統判斷感光單元P是否接收到高強度光信號，以判定為觸碰狀態(touch input event)。

『第2圖』為『第1圖』所示之光感測電路10之操作時序圖其係為一個畫面週期(frame)的操作。通常一個畫面週期包含兩個時序動作，並可分割為三個工作週期，分別為讀取週期、重置週期(reset duration)以放電週期。閘極訊號Gn為外部電路11之讀取週期，第一脈衝訊號Wn+1與第二脈衝訊號Sn+1重疊處為重置週期，在重置週期對電容進行電位重置。電位重置週期後至下一個外部電路讀取週期間為電容電壓Va放電週期，此放電週期依閘極-源極電壓差(Vgs)及照光強度決定電容電壓Va電位之變化速率。

光筆的光訊號與環境光的光訊號因光強度差異甚大，在感光電路上造成不同的放電速率，會在電容電壓Va產生變化，圖中對應兩條不同曲線，其中曲線21為無光筆接觸(Non-Touch)時的放電情形，曲線22為光筆接觸(Light Pen Touch)時的放電情形。一般來說，電容電壓Va在無接觸(Non-Touch)狀態下，其電容電壓Va大於光筆接觸(Light Pen Touch)狀態下的電容電壓Va(如圖所示有一壓差△Va)。但當環境光增加等類似變因可能會致使感光單元P產生之光電流大幅增加，因而使得電容Cst經由感光單元P之放電 速率加速，因此無接觸(Non-Touch)狀態下的電容電壓Va下降，如曲線23所示，會造成無接觸(Non-Touch)狀態下之電容電壓Va與光筆接觸(Light Pen Touch)狀態下之電容電壓Va相同，如圖所示造成壓差△Va=0，而進一步造成誤判。以下為了方便討論，將此情形下所產生的電流稱為環境電流。

請參考『第3A圖』及『第3B圖』，其為感光單元P的閘極-源極電壓差(Vgs)與輸出電壓(Vout)關係圖，衡量光感測電路之特性指標可由工作區間圖表(working window chart)來判斷，其中上方實線為在正常狀況下光筆接觸的(Vgs)與輸出電壓(Vout)關係線，下方虛線為在前述的環境光感狀況的(Vgs)與輸出電壓(Vout)關係線。兩曲線間有輸出電壓(Vout)電位差所對應閘極-源極電壓差(Vgs)區間，即定義為工作區間W(working window)，越大的電壓調整範圍表示對環境光之變化有更大的調整裕度。當環境光增加，會產生環境電流會造成系統上工作區間W(working window)之縮減，此時需降低光感測電路閘極-源極電壓差(Vgs)以減少環境電流，以維持系統對光筆辨識能力。

有鑑於以上的問題，本發明提出一種光感測電路，使得當環境光強度增加造成環境電流增加時，透過控制感光電路之放電時間長度，以解決先前技術所遭遇之問題。

根據本發明實施例所揭露之一種光感測電路，光感測電路包括有一電容、一感光單元、一讀取電晶體以及一開關電晶體。其中電容儲存初始電壓；感光單元回應光訊號而改變其電流大小， 俾使電容之初始電壓經由電容與感光單元之間放電，亦即感光單元回應光訊號而加速發生於電容與感光單元間之放電過程；讀取電晶體回應閘極訊號而開啟，以傳輸電容經由電容與感光單元之間放電後之端電壓；以及開關電晶體回應控制訊號以控制電容與感光單元之電性導通時間。

根據本發明實施例所揭露之一種光感測之控制方法，包括回應一光訊號，俾使一電容所儲存之一初始電壓經由電容與一感光單元之間放電，而有不同之放電速率。回應一閘極訊號，以傳輸電容經由電容與感光單元之間放電後之一端電壓。回應一控制訊號以控制電容與感光單元之電性導通時間。

根據本發明之光感測電路，增加一開關電晶體在一感光單元及一電容之間，用以控制電容放電持續時間之長度，當環境光強度增加造成環境電流增加時，其縮短電容與感光單元間之放電時間，使其維持與低環境電流經較長放電時間相當之總漏電量，而光筆之光強度所造成之放電速率甚大，其最終電容電位不致受到影響，改善傳統光感測電路需降低閘極-源極電壓差(Vgs)所導致感光能力降低之問題。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實 施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參考『第4圖』，係為本發明所揭露之光感測電路20的電路圖。光感測電路20包括有電容Cst2，感光單元P1，讀取電晶體M1以及開關電晶體S1。其中感光單元P1可使用光電電晶體。在使用光電電晶體的情形下，光電電晶體具有一能階，當光照強度超過能階時會產生電流，其中光電電晶體具有第一端(亦即汲極端)、第二端(亦即閘極端)與第三端(亦即源極端)。光電電晶體的汲極端連接至開關電晶體S1的汲極端，閘極端與源極端分別受到第一脈衝訊號Wn+1控制與第二脈衝訊號Sn+1控制。開關電晶體S1再與電容Cst2及讀取電晶體M1電性耦接，最後電性連接信號讀出線RO以讀取訊號。感光元件P1可使用各式的實施例，將於後續的段落進行詳細說明。在此實施例中，光感測電路20亦可設置如『第1圖』所示之外部電路11，惟在此省略其敘述。

電容Cst2儲存有初始電壓。當光訊號照射於感光單元P1上，感光單元P1會回應光訊號而產生不同大小之光電流，因此使得儲存於電容Cst2之初始電壓經由感光單元P1放電，這邊所指的光訊號可以來自光筆之光訊號或者來自環境光之光訊號。接下來，讀取電晶體M1回應閘極訊號Gn而開啟，其中閘極訊號Gn為讀取電晶體之控制訊號，以供讀取電路讀取電容Cst2經由感光單元放電後之端電壓，此時所讀取之端電壓為特定週期的最終電位。

開關電晶體S1回應控制訊號SC，以控制電容Cst2與感光單元P1之電性導通時間。

由於全部環境電流的電量為環境電流大小乘以環境電流時間(Q=I*T)，當環境光強度增加造成環境電流增加時，開關電晶體S1關閉以控制電性導通時間之長度。光感測電路之感光機制(漏電機制)係由光電電晶體之I_DS 與放電持續時間決定，因此只要使得兩者乘積固定，即可確保外部電路對環境光變化之判斷不變。因此，當感測到電流增加時，即調整放電的時間，以使I_DS 與放電持續時間保持大約固定，而開關電晶體S1的作用即是用來控制這個電性導通時間。

請參考『第5圖』係為本發明所揭露之光感測電路20操作時序圖，其中第一脈衝訊號Wn+1時序與第二脈衝訊號Sn+1時序重疊處為重置週期(reset duration)，感光單元P1受到第一脈衝訊號Wn+1與第二脈衝訊號Sn+1控制，感光單元P1回應第一脈衝訊號Wn+1與第二脈衝訊號Sn+1之相對壓差，使電容Cst2之端電位重置到初始電位，兩脈衝訊號之高位準週期決定電容之初始電壓，低位準週期則決定放電條件。其中第二脈衝訊號Sn+1的週期大於該第一脈衝訊號Wn+1的週期。其中控制訊號SC係於閘極訊號Gn結束後產生，開關電晶體S1回應控制訊號SC以控制電容的放電時間，當控制訊號SC結束後，電容Cst2之放電行為終止。曲線24為使用本發明所揭露之光感測電路後之放電情形，也是無光筆接觸卻導致放電的放電情形，曲線25為光筆接觸(Light Pen Touch)時的放電情形。因此，當環境光增加產生環境電流時，無接 觸(Non-Touch)狀態下的電容電壓Va，透過開關電晶體S1關閉而結束放電以保持於一定值而不會下降，無接觸(Non-Touch)狀態下之電容電壓與光筆接觸(Light Pen Touch)狀態下之電容電壓Va不同，不會造成誤判斷。

在這個實施例中，係以第一脈衝訊號Wn+1與第二脈衝訊號Sn+1來對電容Cst2之端電位Va重置到初始電位。而在另一實施例中，也可使用獨立於一本發明之感測電路之外部電路來對電容之端電位重置到初始電位。

以下舉出感光元件P1多種實施方式。請參考『第6圖』，其為本發明中之另一實施例，其中感光單元P1包括有光電電晶體Q，其中該光電電晶體Q具有第一端(亦即汲極端)、第二端(亦即閘極端)與第三端(亦即源極端)。第一端(亦即汲極端)連接至開關電晶體S1的汲極端，第二端(亦即閘極端)與第三端(亦即源極端)連接並受到該第一脈衝訊號Wn+1控制。如上述可知，當不再需要調整光電電晶體的閘極-源極電壓差(Vgs)時，可採用固定閘極-源極電壓差(Vgs)=0之簡化設計，亦即將閘極-源極直接連接，此感光元件P1以閘極-源極短路方式接線，可減少一組外接電源，電性導通時間的調整由控制訊號SC寬度決定。而閘極-源極電壓差(Vgs)=0之操作方式較不易因長時間操作造成I-V特性偏移，將更有利於長時間操作。

請參考『第7圖』，其為本發明中之另一實施例，其中感光單元P1包括有第一光電電晶體Q1以及第二光電電晶體Q2，第一光電電晶體Q1之第一端(亦即汲極端)連接至開關電晶體S1的汲極 端，第一光電電晶體Q1之第二端(亦即閘極端)連接至第二光電電晶體Q2之第三端(亦即源極端)，第一光電電晶體Q1之第三端(亦即源極端)連接至第二光電電晶體Q2之第一端(亦即汲極端)，其中第二光電電晶體Q2之第二端(亦即閘極端)受到第一脈衝訊號Wn+1控制，第二光電電晶體Q2之第三端(亦即源極端)受到第二脈衝訊號Sn+1控制。此電路之第一光電電晶體Q1及第二光電電晶體Q2採串疊設計，有利於減低長時間操作或環境條件惡化所造成環境電流增加問題。控制訊號SC則可擴增其調整範圍。

請參考『第8圖』，其為本發明中之另一實施例，其中感光單元P1包括有光電二極體D，具有陰極端與陽極端，陰極端連接至開關電晶體S1，陽極端受到第一脈衝訊號控制Wn+1。

請參考『第9圖』，其中感光單元P1包括有第一光電二極體D1以及第二光電二極體D2，第一光電二極體D1之陰極端與第二光電二極體D2之陽極端連接，並連接至開關電晶體S1，第一光電二極體D1之陽極端與第二光電二極體D2之陰極端連接，並受到第一脈衝訊號Wn+1控制。

請參考『第10圖』，其中感光單元P1包括有富矽氧化層(Silicon-rich oxide；SRO)元件101，具有第一端與第二端，第一端連接至開關電晶體S1，第二端受到第一脈衝訊號Wn+1控制。

請參考『第11圖』，係為本發明所揭露之光感測電路之控制方法之流程圖。首先，由讀取電晶體週期性隔絕外部電路與面板內感光電路之電性導通狀態，回應光訊號，俾使電容所儲存之初始電壓經由開關電晶體至感光單元之間放電過程因不同照光強度 而有不同之放電速率(步驟S1)。回應開關電晶體控制訊號，設定開關電晶體導通，使電容與感光元件形成電性導通(步驟S2)。由感光元件或其他電路重置電容之初始電壓，其後則依感光元件之電壓與照光條件，使電容電壓(Va)經開關電晶體及感光元件，開始放電過程(步驟S3)。當開關電晶體設定關閉時，電容與感光元件分離，因無其他明顯之放電路徑，電容電位可維持在一固定位準(步驟S4)。讀取電晶體週期性開啟，外部電路用以偵測電容之剩餘電位(步驟S5)。其中控制訊號係於閘極訊號結束後產生。控制訊號結束後，電容之初始電壓之放電行為終止。其中該感光單元受到至少一個脈衝訊號控制，感光單元回應第一脈衝訊號與第二脈衝訊號以提供一電流以對電容充電至超過初始電壓。其中第二脈衝訊號的週期大於第一脈衝訊號的週期。

根據本發明之光感測電路，增加開關電晶體在感光單元及電容之間，用以控制電容由感光單元放電之持續時間，當環境光強度增加造成環境電流增加時，其減少大環境電流之作用時間，以維持與低(一般)環境顛流持續較長作用時間產生相近似之漏電量，改善傳統光感測電路需降低閘極-源極電壓差(Vgs)所導致感光能力降低之問題。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

P‧‧‧感光單元

Cst1‧‧‧電容

10‧‧‧光感測電路

11‧‧‧外部電路

20‧‧‧光感測電路

21‧‧‧曲線

22‧‧‧曲線

23‧‧‧曲線

24‧‧‧曲線

25‧‧‧曲線

Cst2‧‧‧電容

P1‧‧‧感光單元

M1‧‧‧讀取電晶體

S1‧‧‧開關電晶體

Gn‧‧‧閘極訊號

SC‧‧‧控制訊號

Wn+1‧‧‧第一脈衝訊號

Sn+1‧‧‧第二脈衝訊號

RO‧‧‧信號讀出線

Va‧‧‧電容電壓

Q‧‧‧光電電晶體

Q1‧‧‧第一光電電晶體

Q2‧‧‧第二光電電晶體

D‧‧‧光電二極體

D1‧‧‧第一光電二極體

D2‧‧‧第二光電二極體

101‧‧‧富矽氧化層元件

第1圖，係為習知技術之光感測電路之電路圖。

第2圖，係為習知技術之光感測電路之操作時序圖。

第3A圖，係為習知技術之光感測電路閘極-源極電壓差(Vgs)及輸出電壓(Vout)關係圖。

第3B圖，係為習知技術之光感測電路閘極-源極電壓差(Vgs)及輸出電壓(Vout)關係圖。

第4圖，係為本發明所揭露之光感測電路之電路圖。

第5圖，係為本發明所揭露之光感測電路之操作時序圖。

第6圖，係為本發明所揭露之光感測電路之實施例。

第7圖，係為本發明所揭露之光感測電路之實施例。

第8圖，係為本發明所揭露之光感測電路之實施例。

第9圖，係為本發明所揭露之光感測電路之實施例。

第10圖，係為本發明所揭露之光感測電路之實施例。

第11圖，本發明所揭露之光感測電路之控制方法之流程圖。

20‧‧‧光感測電路

Cst2‧‧‧電容

P1‧‧‧感光單元

M1‧‧‧讀取電晶體

Gn‧‧‧閘極訊號

SC‧‧‧控制訊號

S1‧‧‧開關電晶體

Wn+1‧‧‧第一脈衝訊號

Sn+1‧‧‧第二脈衝訊號

RO‧‧‧信號讀出線

Va‧‧‧電容電壓

Claims (16)

1. 一種光感測電路，包括：一電容，儲存一初始電壓；一感光單元，回應一光訊號而導通，俾使該電容之該初始電壓經由該電容與該感光單元之間放電；一讀取電晶體，回應一閘極訊號而開啟，以傳輸該電容經由該電容與該感光單元之間放電後之一端電壓；以及一開關電晶體，回應一控制訊號以控制該電容與該感光單元之間的電性導通時間。
2. 如請求項1所述之光感測電路，其中該控制訊號係於該閘極訊號結束後產生。
3. 如請求項1所述之光感測電路，其中該控制訊號結束後，該電容與該感光單元形成電性開路，該電容對該感光單元之放電行為終止。
4. 如請求項1所述之光感測電路，其中該感光單元受到一第一脈衝訊號與一第二脈衝訊號控制，該感光單元回應該第一脈衝訊號與該第二脈衝訊號以提供一電流以對該電容充電至超過該初始電壓。
5. 如請求項4所述之光感測電路，其中該第二脈衝訊號的週期大於該第一脈衝訊號的週期。
6. 如請求項4所述之光感測電路，其中該感光單元包括有一光電電晶體，其中該光電電晶體具有一第一端、一第二端與一第三端，該第一端連接至該開關電晶體，該第二端受到該第一脈衝 訊號控制，該第三端受到該第二脈衝訊號控制。
7. 如請求項4所述之光感測電路，其中該感光單元包括有一光電電晶體，其中該光電電晶體具有一第一端、一第二端與一第三端，該第一端連接至該開關電晶體，該第二端與該第三端連接並受到該第一脈衝訊號控制。
8. 如請求項4所述之光感測電路，其中該感光單元包括有一第一光電電晶體以及一第二光電電晶體，該第一光電電晶體之第一一端連接至該開關電晶體，該第一光電電晶體之第二端連接至該第二光電電晶體之第三端，該第一光電電晶體之第三端連接至該第二光電電晶體之第一端，其中該第二光電電晶體之該第二端受到該第一脈衝訊號控制，該第二光電電晶體之該第三端受到該第二脈衝訊號控制。
9. 如請求項4所述之光感測電路，其中該感光單元包括有一光電二極體，具有一陰極端與一陽極端，該陰極端連接至該開關電晶體，該陽極端受到該第一脈衝訊號控制。
10. 如請求項4所述之光感測電路，其中該感光單元包括有一第一光電二極體以及一第二光電二極體，該第一光電二極體之陰極端與該第二光電二極體之陽極端連接，並連接至該開關電晶體，該第一光電二極體之陽極端與該第二光電二極體之陰極端連接，並受到該第一脈衝訊號控制。
11. 如請求項4所述之光感測電路，該感光單元包括有一富矽氧化層(Silicon-rich oxide；SRO)元件，具有一第一端與一第二端，該第一端連接至該開關電晶體，該第二端受到該第一脈衝訊號 控制。
12. 一種光感測之控制方法，包括：回應一光訊號，俾使一電容所儲存之一初始電壓經由該電容與一感光單元之間放電，而有不同之放電速率；回應一閘極訊號，以傳輸該電容經由該電容與該感光單元之間放電後之一端電壓；以及回應一控制訊號以改變該電容與該感光單元之間的電性導通時間。
13. 如請求項12所述之光感測之控制方法，其中該控制訊號係於該閘極訊號結束後產生。
14. 如請求項12所述之光感測之控制方法，其中該控制訊號結束後，該電容之放電終止。
15. 如請求項12所述之光感測之控制方法，其中該感光單元受到一第一脈衝訊號與一第二脈衝訊號控制，該感光單元回應該第一脈衝訊號與該第二脈衝訊號以提供一電流以對該電容充電至超過該初始電壓。
16. 如請求項15所述之光感測之控制方法，其中該第二脈衝訊號的週期大於該第一脈衝訊號的週期。