TWI546720B - 觸控螢幕與相關觸控感測控制電路 - Google Patents

觸控螢幕與相關觸控感測控制電路 Download PDF

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Description

觸控螢幕與相關觸控感測控制電路
本發明關於觸控螢幕，特指一種具有低基本互容值之觸控螢幕以及用以執行觸控感測操作之觸控感測控制電路。
電容式觸控螢幕包含一絕緣體(如玻璃)，而絕緣體上面鍍有一層透明導體，例如：氧化銦錫(indium tin oxide)。由於人體也是一種導電體，因此當人體觸碰螢幕的表面時，會導致觸控螢幕的電場有所改變，這個電場的變化可藉由量測電容值來具體化。目前有多種不同的技術被用來判定觸碰的位置，其中，投射式電容觸控技術是當今最普遍使用的一種，這種技術在觸碰感測上更為準確，並且可容許更多元的觸控操作方式。藉由直接蝕刻一層導體層來形成網格狀的電極，或者是蝕刻兩個導體層來分別形成垂直與水平排列的電極，並將之結合，可得到觸控感測系統的基本結構。
投射式電容觸控感測技術又可分為兩種，自容式與互容式。在互容式觸控感測系統中，透過驅動電極與感應電極用來量測互容值。驅動電極與感應電極通常以垂直交錯的方式設置，從而形成上述的網格狀結電極結構，並具有多個交會處，而感應電極與驅動電極之間又隔著一層絕緣層。在觸控感測期間，驅動訊號會被逐一傳送至每一個驅動電極。如此一來，在驅動電極上所感應的電荷，會以電容式耦合的方式，被耦合至與驅動電極交錯的感應電極，使得感應電極上可測得一定的電流或電壓。驅動訊號與感應電極上所測得的訊號之間的關係，又與驅動電極與感應電極之間所耦合的電容值有 關。因此，根據驅動訊號與量測到的感應訊號將可得到交會處之耦合電容的電容值(亦即，互容值)。
當一個觸控物體(例如：手指或導電筆)靠近觸控感測系統的表面時，將會改變特定交會處的鄰近電場，從而減少在這些交會處上量測到的電容值。因此，一個觸控位置可基於電容值變化而被決定。一般來說，透過監控基本電容值的改變，可以得到電容值變化。其中，基本電容值指的是，沒有觸控物體接近交會處時所測得的電容值。在觸控感測系統中，類比至數位轉換器被用來量化電容值，而類比至數位轉換器通常需要一定的解析度才能將基本電容值的變化量化成一定程度的精確度。
如今，觸控感測系統又包含內嵌式(in-cell)以及外置式(on-cell)兩種。外置式是觸控感測系統附著在顯示裝置的外部，而內嵌式則是指觸控感測系統設置在顯示裝置的內部。由於內嵌式觸控感測系統被緊密地整合在顯示裝置的內部，因此驅動電極本身非常靠近感應電極。這使得內嵌式觸控感測系統的基本電容值(base capacitance)遠大於外置式觸控感測系統的基本電容值。而當電容值變化遠小於基本電容值時，則觸控感測系統需要高解析度的類比至數位轉換器才能量化電容值變化。舉例來說，假設在一個交會處的基本電容值為21.4pF，而因觸碰所導致的電容值變化為0.1pF，此時若要將電容值變化量化成256階，那麼就需要使用至少16位元解析度的類比至數位轉換器才能完成，(256/2^16=0.1/21.4)。由於類比至數位轉換器的製造成本與其解析度有關，因此這個現象導致了觸控感測系統的製造成本上升。
有鑑於此，本發明之一目的在於提供一種具有低基本互容值的觸控螢幕，從而降低對於類比至數位轉換器之解析度的需求。此外，本發明之另一目的在於提供一種觸控感測控制電路，其可藉由提供不同極性與量值的 觸控驅動訊號來調整基本互容值。
本發明之一實施例提供一種觸控螢幕，該觸控螢幕包含：一顯示裝置以及一觸控感測控制電路。該顯示裝置具有一像素陣列，並包含：複數個資料電極以及一共用電極層。該複數個資料電極用來驅動該像素陣列，而該共用電極層包含複數個開口，並用來傳送一共用電壓給該像素陣列。該觸控感測控制電路耦接於該共用電極層與該些資料電極中之複數個第一資料電極，用來產生一第一觸控驅動訊號，並且將該第一觸控驅動訊號傳送給該些第一資料電極。當該第一觸控驅動訊號被傳送給該些第一資料電極中的一者時，該觸控感測控制電路分別從該共用電極層中的複數個共用電極上，偵測複數個觸控感應訊號。
本發明之一實施例提供一種觸控偵測控制電路，其包含：一訊號產生電路以及一偵測電路。該訊號產生電路耦接於一顯示裝置的複數個資料電極，用來產生一第一觸控驅動訊號，並將其傳送給該些資料電極中的複數個第一資料電極。該偵測電路耦接於該顯示裝置的複數個共用電極，用來當該第一觸控驅動訊號被傳送給該些第一資料電極中的一者時，從該些共用電極上偵測複數個觸控感應訊號。
100‧‧‧觸控螢幕
110、340、440‧‧‧觸控感應電極
115、310、410‧‧‧共用電極層
118、Vcom、350、450‧‧‧共用電極
120‧‧‧液晶層
125‧‧‧基板
127、DL、310A~312C、410A~412C‧‧‧資料電極
130‧‧‧觸控驅動電極
200‧‧‧像素
GL‧‧‧閘電極
Cm、CH‧‧‧電容
LC‧‧‧液晶
TFT‧‧‧電晶體
300、400‧‧‧像素陣列
330、430‧‧‧開口
TX、TX’‧‧‧觸控驅動訊號
RX‧‧‧觸控感應訊號
500‧‧‧觸控感測控制電路
510‧‧‧訊號產生電路
520‧‧‧偵測電路
第1圖為本發明之一實施例的觸控螢幕的簡化架構示意圖。
第2圖繪示本發明之一實施例中一驅動電路與一感應電極之交會處所形成之一耦合電容。
第3A~3C圖繪示本發明之部分實施例中觸控驅動與共用電極層之開口的排列方式。
第4A~4B圖繪示本發明之部分實施例中觸控驅動與共用電極層之開口的排列 方式。
第5圖為本發明之一實施例的觸控感測控制電路的功能方塊示意圖。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
本發明提供一種觸控螢幕，該觸控螢幕包含有一種觸控感測系統以及一顯示裝置。該觸控感測系統使用該顯示裝置之驅動電路的一部份來進行觸控感測。請參考第1圖，該圖繪示本發明之一實施例的觸控螢幕的簡化架構示意圖。請注意，為了簡潔起見，圖示中僅繪示本發明之觸控螢幕的部分結構，但此非本發明的限制。如圖所示，本發明的觸控螢幕100包含有一共用電極層(common electrode layer)115(例如：Vcom層)設置在一液晶層120之上。共用電極層115由多個共用電極(common electrode)118所組成。共用電極118沿著一第一方向被設置，如X軸方向。多個共用電極被連接成一組，形成一條觸控感應電極110。觸控感應電極110又被連接至一個觸控感測控制電路(未示出)。在一觸控感測週期中，觸控感測控制電路量測每一條觸控感應電極110上的電壓/電流。在液晶層120的下方，有複數條觸控驅動電極 130，其可能設置在觸控螢幕100的一基板125上。並且，觸控驅動電極130係沿著一第二方向被設置，如Y軸方向，其係垂直於第一方向。觸控驅動電極130實際上為觸控螢幕100的資料電極127中的一部分。
一般來說，液晶層120所組成的顯示裝置，係由源極驅動器(source driver)與閘極驅動器(gate driver)所驅動。源極驅動器連接至設置於基板125上的資料電極127。源極驅動器產生包含有灰階資訊的像素資料訊號(電壓訊號)，並將像素資料訊號傳送給資料電極127的一者。接收到像素資料訊號的資料電極127，與對應之共用電極118之間，會存在一電壓差，此一電壓差將改變液晶層120中之對應之液晶分子的結構形狀，從而控制像素的亮度。在一個畫面週期(frame period)中，每條資料電極127上只有一小段時間內會有像素資料訊號。因此，本發明的觸控感測控制電路利用一畫面週期中的剩餘空檔，提供觸控驅動訊號給某些被作為觸控驅動電極使用的資料電極127上。據此，觸控感測控制電路將可從每一條觸控感應電極110上量測到電壓或電流。其中，觸控感測控制電路量測到的觸控感應訊號Rx，與一交會處的互容值(mutual capacitance)相關。簡單來說，本發明觸控螢幕100的觸控感測控制電路與顯示裝置的驅動電路使用相同的共用電極，以及資料電極，來實現觸控偵測。
第2圖解釋觸控螢幕的感應電極與驅動電極之間如何形成互容。如圖所示，若觸控驅動訊號Tx被傳送至像素200的資料電極DL時(此時閘電極GL並未開啟)，資料電極DL上所產生的電荷，會被耦合至共用電極Vcom，形成一耦合電容Cm。耦合電容Cm的電容值可基於觸控驅動訊號Tx以及共用電極Vcom上所測得的觸控感應訊號Rx而被測得。由於螢幕的像素寬度通常小於一個觸碰物體的寬度，因此沒有必要在顯示裝置的每條資料電極上都打上觸控驅動訊號。同時，這也是為什麼好幾條共用電極被接成單一 條觸控感應電極的理由.
第3A圖繪示本發明之一實施例之觸控螢幕中的顯示裝置所使用的像素陣列。在本實施例中，觸控驅動訊號Tx被傳送給對應於藍色子像素的資料線310C(亦即，第一個藍色子像素行中的藍色子像素)。據此，觸控感應訊號Rx可在一個觸控感應電極340(由一組共用電極350所形成)上所測得。因此，資料電極310A與一組共用電極350之交會處的電容值亦可被測得。
共用電極350形成一共用電極層310，共用電極層310設置在像素陣列300的上方。共用電極層310包含有複數個開口330，開口330對齊藍色子像素的排列。換言之，開口330是位在藍色子像素行的上方，並且與藍色子像素行對齊。開口330會影響鄰近的電場，降低開口330周遭的交會處(觸控驅動電極與觸控感應電極的交會)的電容值。這有助於降低對於類比至數位轉換器在解析度上的需求。而在第3B圖所繪示的另一個實施例中，共用電極層310的開口330係位在紅色子像素行的上方並與其對齊，觸控驅動訊號Tx則被傳送至對應於第二個紅色子像素行的資料電極311A。而在第3C圖所示的又一個實施例中，共用電極層310的開口330則在不同顏色的子像素行的上方，並與其分別對齊，其中觸控驅動訊號Tx被傳送至在開口330下方之子像素行所對應的資料電極。
由先前的實施例應可理解，觸控驅動與開口的排列關係，在不同的實施例中可能會有不同的組合。只要觸控驅動訊號被傳送至給一個或多個資料電極，而這個(些)資料電極對應的子像素是在共用電極層上的開口的下方，並且與開口對齊，那麼就可以降低基本電容值。再者，雖然第3A~3C圖僅繪示了關於一部分的像素陣列中的開口與觸控驅動電極的排列方式，但像素陣列的其餘部分也可基於同樣的原則來排列。此外，在本發明不同實施例中， 開口330的形狀也有所不同。例如，在一實施例中，開口可能為多個小型開孔而非如第3A~3C圖中的大型單一開口。同樣地，這些開口也會對齊上面有觸控驅動訊號的資料電極，並位在其上方。
第4A圖繪示本發明之一實施例之觸控螢幕中的顯示裝置所使用的像素陣列的一部分。在本實施例中，包含兩種觸控驅動訊號，其中一者為Tx，另一者為Tx’。觸控驅動訊號Tx與Tx’之訊號極性相反，但具有相同量值。觸控驅動訊號Tx被傳送給對應於兩個藍色子像素行的資料電極，其中，觸控驅動訊號Tx被同時傳送給第一個藍色子像素行所對應的資料電極410C，以及第三個藍色子像素行所對應的資料電極412C。於此同時，觸控驅動訊號Tx’被傳送給第三個紅色子像素行所對應的資料電極412A。共用電極層410的開口430位在藍色子像素行的上方，並與其對齊。由於開口430只在藍色子像素行的上方並與其對齊，觸控驅動訊號Tx’會造成有較大的基本電容值在觸控感應電極440(由共用電極層410中的多個共用電極450所形成)上被量測到。這是因為上面有觸控驅動訊號Tx’的資料電極412A的上方沒有開口，會造成對應的交會處上感應到較多的電荷。然而，由於觸控驅動訊號Tx’的訊號極性與觸控驅動訊號Tx相反，所以由觸控驅動訊號Tx’與觸控驅動訊號Tx在交會處造成的等效基本電容值，會是觸控驅動訊號Tx所造成的基本電容值的兩倍(由於觸控驅動訊號Tx同時被傳送給兩個資料電極)，減去觸控驅動訊號Tx’所造成的基本電容值。另外，電容值變化也會是基於觸控驅動訊號Tx的電容值變化的兩倍，減去基於觸控驅動訊號Tx’的電容值變化。舉例來說，假設觸控驅動訊號Tx所造成的基本電容值為21.4Pf，以及觸控驅動訊號Tx’所造成的基本電容值為35.4pF，那麼在對應交會處所測得的等效基本電容值將會是：2 x 21.4-35.4=7.8(pF)； 再者，假設基於觸控驅動訊號Tx所測得的電容值變化為0.1pF，以及基於觸控驅動訊號Tx’所測得的電容值變化為0.03pF。那麼在交會處所測得的等校電容值變化將會是：2 x 0.1-0.03=0.17(pF)
因此，等效電容值變化與等效基本電容值之間的比例為0.17/7.8。如此一來，觸控感測系統只要使用解析度為14位元的類比至數位轉換器，就可以把這個0.17pF的電容值變化量化成256階了，從而減少了對高解析度的類比至數位轉換器的需求。
第4B圖繪示基於第4A圖所示之實施例的變化例。於此例中，同樣包含兩種觸控驅動訊號，其中一者為Tx，另一者為Tx’。觸控驅動訊號Tx與Tx’之訊號極性相反且具有不同量值。觸控驅動訊號Tx被傳輸給藍色子像素的第一行所對應的資料電極410C，而觸控驅動訊號Tx’則被傳輸給紅色子像素的第三行所對應的資料電極412A。如先前解釋，因為上方的開口的關係，由觸控驅動訊號Tx所造成的基本電容值，小於由觸控驅動訊號Tx’所造成的基本電容值。然而，若是觸控驅動訊號Tx’的量值小於觸控驅動訊號Tx的量值，那麼等效的基本電容值，將會跟第4A圖所示的實施例中的基本電容值一樣小。舉例來說，假設觸控驅動訊號Tx’的量值是觸控驅動訊號Tx的量值的0.4倍，那會等效的基本電容值是：21.4-35.4x0.4=7.24(pF)。因此，這個變化例同樣也降低了基本電容值，從而降低對於類比至數位轉換器在解析度上的要求。
第5圖係繪示本發明之一實施例的觸控感測控制電路的功能方塊示意圖。如圖所示，觸控感測控制電路500包含有一訊號產生電路510，以及一偵測電路520。訊號產生電路510連接於複數個觸控驅動電極(可能透過一個多工器)，其中每一觸控驅動電極可能為顯示裝置之驅動電路之多個資料 電極中的一者。訊號產生電路510產生一個或多個不同類型的觸控驅動訊號，這些觸控驅動訊可能在訊號極性或者量值上有所不同。並且，觸控驅動訊號可能同時被傳送給多條觸控驅動電極，或者是一次傳送給一條觸控驅動電極，並逐一傳送給每條驅動電極。偵測電路520連接至複數條觸控感應電極(可能透過一個多工器)，其中每一條觸控感應電極係由多條相連的共用電極所形成。當觸控驅動訊號被輸出時，偵測電路520從觸控感應電極上量測電流/電壓，得到觸控感應訊號，從而得到交會處的電容值。
請注意，在上述說明中，雖然像素陣列係為RGB布局形式，但此非本發明之限制。在本發明其他實施例中，觸控螢幕之顯示裝置中的像素陣列，可能以其他種類的布局形式來實現，例如：RGBW
以上文中所提及之「一實施例」代表針對該實施例所描述之特定．特徵、結構或者是特性係包含於本發明之至少一實施方式中。再者，文中不同段落中所出現之「一實施例」並非代表相同的實施例。因此，儘管以上對於不同實施例描述時，分別提及了不同的結構特徵或是方法性的動作，但應當注意的是，這些不同特徵可透過適當的修改而同時實現於同一特定實施方式中。
總結來說，本發明提供一種內嵌式觸控螢幕，其共用電極層上具有開口，使得觸控感測系統具有較低的基本互容值，如此一來降低觸控感測系統對於類比至數位轉換器的解析度需求。再者，本發明也透過採用不同極性的驅動訊號的方式來減少基本互容值，從而降低數位轉換器的解析度需求。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
300‧‧‧像素陣列
310‧‧‧共用電極層
310A~312C‧‧‧資料電極
330‧‧‧開口
340‧‧‧觸控感應電極
350‧‧‧共用電極

Claims (16)

  1. 一種觸控螢幕，包含：一顯示裝置，具有一像素陣列，包含：複數個資料電極，用來驅動該像素陣列；以及一共用電極層，包含複數個開口，用來傳送一共用電壓給該像素陣列；以及一觸控感測控制電路，耦接於該共用電極層與該些資料電極中之複數個第一資料電極，用來產生一第一觸控驅動訊號，並且將該第一觸控驅動訊號傳送給該些第一資料電極；以及當該第一觸控驅動訊號被傳送給該些第一資料電極中的一者時，分別從該共用電極層中的複數個共用電極上，偵測複數個觸控感應訊號；其中該些開口係用以降低該些資料電極中之至少一者與該些共用電極中之至少一者之間所產生的一基本電容值，且該些開口設置於該些資料電極的上方，並且沿著該些資料電極的方向設置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的觸控螢幕，其中該些第一資料電極對應於該像素陣列中的複數個第一子像素，該些第一子像素包含對應於相同顏色的複數個第一子像素行，以及每一第一資料電極分別對應於該些第一子像素行中的一者。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的觸控螢幕，其中該些開口分別在每一個第一子像素行的上方，並且與其對齊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的觸控螢幕，其中該觸控感測控制電路另產生一第二觸控驅動訊號，並將該第二觸控驅動訊號傳送至該些資料電極中的複數個第二資料電極。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的觸控螢幕，其中該第一觸控驅動訊號之訊號極性不同於該第二觸控驅動訊號之訊號極性。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的觸控螢幕，其中該第一觸控驅動訊號之量值不同於該第二觸控驅動訊號之量值。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的觸控螢幕，其中被傳送該第一觸控驅動訊號的該些第一資料電極的數量不同於被傳送該第二觸控驅動訊號的該些第二資料電極的數量。
  8. 如申請專利範圍第4項所述的觸控螢幕，其中該些第一資料電極對應於該像素陣列中的複數個第一子像素，該些第二資料電極對應於該像素陣列中的複數個第二子像素；該些第一子像素包含對應於一第一顏色的複數個第一子像素行，該些第二子像素包含對應於一第二顏色的複數個第二子像素行；以及每一第一資料電極分別對應於該些第一子像素行中的一者，每一第二資料電極分別對應於該些第二子像素行中的一者。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的觸控螢幕，其中該些開口分別在每一個第二子像素行的上方，並且與其對齊。
  10. 一種觸控偵測控制電路，包含：一訊號產生電路，耦接於一顯示裝置的複數個資料電極，用來產生一第一觸控驅動訊號，並將其傳送給該些資料電極中的複數個第一資料電極，其中該些資料電極用以驅動一像素陣列；以及一偵測電路，耦接於該顯示裝置的複數個共用電極，用來當該第一觸控驅動訊號被傳送給該些第一資料電極中的一者時，從該些共用電極上偵 測複數個觸控感應訊號；其中該顯示裝置的該些共用電極具有複數個開口，該些開口係用以降低該些資料電極中之至少一者與該些共用電極中之至少一者之間所產生的一基本電容值，且該些開口設置於該些資料電極的上方，並且沿著該些資料電極的方向設置。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的觸控偵測控制電路，其中該些第一資料電極對應於該像素陣列中的複數個第一子像素，該些第一子像素包含對應於相同顏色的複數個第一子像素行，以及每一第一資料電極分別對應於該些第一子像素行中的一者。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的觸控偵測控制電路，其中該訊號產生電路另產生一第二觸控驅動訊號，並將該第二觸控驅動訊號傳送至該些資料電極中的複數個第二資料電極。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的觸控偵測控制電路，其中該第一觸控驅動訊號之量值不同於該第二觸控驅動訊號之量值。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的觸控偵測控制電路，其中該第一觸控驅動訊號之訊號極性不同於該第二觸控驅動訊號之訊號極性。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的觸控偵測控制電路，其中被傳送該第一觸控驅動訊號的該些第一資料電極的數量不同於被傳送該第二觸控驅動訊號的該些第二資料電極的數量。
  16. 如申請專利範圍第12項所述的觸控偵測控制電路，其中該些第一資料電極對應於該像素陣列中的複數個第一子像素，該些第二資料電極對應於 該像素陣列中的複數個第二子像素；該些第一子像素包含對應於一第一顏色的複數個第一子像素行，該些第二子像素包含對應於一第二顏色的複數個第二子像素行；以及每一第一資料電極分別對應於該些第一子像素行中的一者，每一第二資料電極分別對應於該些第二子像素行中的一者。
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