TWI588731B - 電子裝置及其驅動方法 - Google Patents

Description

電子裝置及其驅動方法

本發明係關於觸控偵測之技術領域，尤指一種利用電荷分享以進行觸控偵測之電子裝置。

觸控面板的技術原理是當手指或其他介質接觸到螢幕時，依據不同感應方式，以偵測電壓、電流、聲波或紅外線等，進而測出觸壓點的座標位置。例如電阻式觸控面板即為利用上、下電極間的電位差，用以計算施壓點位置來檢測出觸控點所在。電容式觸控面板是利用排列之透明電極與人體之間的靜電結合所產生之電容變化，從所產生之電流或電壓來檢測其座標。

依據電容觸控技術原理而言，其可分為表面式電容觸控感測(Surface Capacitive)及投射式電容觸控感測(Projected Capacitive)這兩種技術。表面式電容觸控感測技術架構雖構造簡單，但不易實現多點觸控以及較難克服電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)及噪訊的問題，使得現今大多朝向投射電容式觸控感測技術發展。

投射式電容觸控感測(Projected Capacitive)技術又可分為自感電容型(Self capacitance)及互感電容型(Mutual capacitance)。自感電容型係指觸控物與導體線間產生電容耦合，並量測導體線的電容 變化，用以確定觸碰發生。而互感電容型則是當觸碰發生，會在鄰近兩層導體線間產生電容耦合現象。

內嵌式(InCell)製作方法能使得顯示器厚度輕薄化，而成為現今中小尺寸的觸控顯示器產品的主流技術。若要將習知的觸控技術擴展至大尺寸觸控面板，會因為尺寸增大而增加電阻電容遲延(RC Delay)，於顯示面板驅動時造成雜訊干擾，影響觸控效果。因此，習知觸碰偵測技術實仍有改善的空間。

本發明之目的主要係在提供一電子裝置，其中，該電子裝置利用電荷分享，以偵測是否有一外物的觸碰或近接。

依據本發明之一特色，本發明提出一種電子裝置，其包括一第一掃描線、一第二掃描線、一第一資料線、一感測線、一第一電晶體、一像素、一第二電晶體、一充放電裝置。該第一電晶體連接至該第一掃描線及該第一資料線。該像素具有一像素電極連接至該第一電晶體。該第二電晶體連接至該第一掃描線、該像素的一共同電極及該感測線。該充放電裝置耦合至該第二電晶體、該第二掃描線及該感測線；其中，當該第一掃描線為高電位時，該充放電裝置被充電，當該第二掃描線為高電位時，該感測線感測該充放電裝置之電流，以判斷是否有一外物之觸碰或近接。

依據本發明之另一特色，本發明提出一種電子裝置之驅動方法，該電子裝置具有一第一掃描線、一第二掃描線、一第一資料線、一感測線及一充放電裝置，該充放電裝置耦合至該該第二掃描線、該第 一資料線及該感測線，該驅動方法於一第一時間間隔，驅動該第一掃描線為高電位，以使該充放電裝置被充電；以及於一第二時間間隔，驅動該第二掃描線為高電位，以使該感測線感測該充放電裝置之電流，據以判斷是否有一外物之觸碰或近接。

100‧‧‧電子裝置

110‧‧‧第一掃描線

120‧‧‧第二掃描線

130‧‧‧第一資料線

140‧‧‧感測線

M1‧‧‧第一電晶體

150‧‧‧像素

M2‧‧‧第二電晶體

160‧‧‧充放電裝置

M3‧‧‧第三電晶體

M4‧‧‧第四電晶體

M5‧‧‧第五電晶體

170‧‧‧直流阻隔電容

g‧‧‧閘極

d‧‧‧汲極

s‧‧‧源極

151‧‧‧像素電極

153‧‧‧共同電極

161‧‧‧第一端

163‧‧‧第二端

190‧‧‧運算放大器

180‧‧‧等效電容

1500‧‧‧手持裝置

1510‧‧‧顯示螢幕

1511‧‧‧區域

圖1係示意地顯示本發明之電子裝置之示意圖。

圖2係本發明電子裝置之運作示意圖。

圖3係本發明電子裝置之電路圖。

圖4及圖5係圖3之電子裝置的運作示意圖。

圖6、圖7及圖8係圖3之電子裝置的模擬示意圖。

圖9係本發明在不同電容值下是否有外物之觸碰或近接的模擬示意圖。

圖10係本發明電子裝置之另一電路圖。

圖11及圖12係圖10之電子裝置的模擬示意圖。

圖13係本發明在有觸碰及沒有觸碰時感測線所感測的電流之模擬示意圖。

圖14係本發明一種電子裝置之驅動方法之流程圖。

圖15係本發明一種電子裝置之使用示意圖。

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，並不用於限定本發明。

圖1係示意地顯示本發明之電子裝置100之示意圖。該電子裝置100包括一第一掃描線110、一第二掃描線120、一第一資料線130、一感測線140、一第一電晶體M1、一像素150、一第二電晶體M2及一充放電裝置160。在本發明之一實施例中，電子裝置100可以是觸控顯示面板。

第一電晶體M1連接至該第一掃描線110及該第一資料線130。該像素150具有一像素電極151連接至該第一電晶體M1。該第二電晶體M2連接至該第一掃描線110、該像素150的一共同電極(common electrode)153及該感測線140。該充放電裝置160耦合至該第二電晶體M2、該第二掃描線120及該感測線140。

其中，當該第一掃描線110為高電位時，該充放電裝置160被充電，當該第二掃描線120為高電位時，該感測線140感測該充放電裝置160之電流，以判斷是否有一外物之觸碰或近接。該感測線140連接至一運算放大器190，以將該充放電裝置160之電流轉換成一觸碰感測電壓，俾供後續觸碰偵測使用。

圖2係本發明電子裝置100之運作示意圖。如圖2所示，外物之觸碰或近接該電子裝置100時產生一電容效應，亦即有一因外物之觸碰或近接所生成之等效電容180會與該充放電裝置160並聯。該等效電容180並非實際的電容，其係模擬外物之觸碰或近接該電子裝置100時所產生的電容效應。該充放電裝置160與外物之觸碰或近接所生成之等效電容180產生一電荷分享效應。

由於電荷分享效應，因此，當有外物之觸碰或近接時，該 感測線140感測該充放電裝置160之電流係小於沒有該外物之觸碰或近接時之該充放電裝置160的電流。藉此，即可偵測是否有外物之觸碰或近接。於圖2中，其所繪示並非實際元件的尺寸，其僅是為了說明電子裝置100之運作。

圖3係本發明電子裝置100之電路圖。如圖3所示，該電子裝置100包含一第一掃描線110、一第二掃描線120、一第一資料線130、一感測線140、一第一電晶體M1、一像素150、一第二電晶體M2、一充放電裝置160、一第三電晶體M3、一第四電晶體M4、一第五電晶體M5、及一直流阻隔電容170。該第一至第五電晶體M1~M5可為低溫多晶矽(Low Temperature Poly-silicon,LTPS)電晶體、氧化銦鎵鋅(Indium Gallium Zinc Oxide,IGZO)電晶體、或非晶矽(a-Si)電晶體。

該第一電晶體M1的閘極g連接至該第一掃描線110，其汲極d連接至該第一資料線130，其源極s連接至該像素150的該像素電極151。該第二電晶體M2的閘極g連接至該第一掃描線110，其汲極d連接至該感測線140，其源極s連接至該像素的該共同電極153，該充放電裝置160為一電容。

該第三電晶體M3的閘極g及汲極d連接至該第一掃描線110，其源極s連接至該充放電裝置160的一第一端161。該第四電晶體M4的閘極g連接至該第二掃描線120，其汲極d連接至該像素150的該共同電極153，其源極s連接至該充放電裝置160的該第一端161。該第五電晶體M5的閘極g連接至該充放電裝置160的該第一端161， 其汲極d連接至該感測線140，其源極s連接至該充放電裝置160的一第二端163。該直流阻隔電容170的第一端連接至該充放電裝置160的該第二端163，其一第二端連接至該第二掃描線120。

圖4及圖5係圖3之電子裝置100的運作示意圖。如圖4所示，當該第一掃描線110為高電位且該第二掃描線120為低電位時時，該第一電晶體M1、該第二電晶體M2、及該第三電晶體M3導通，該第一資料線上130的電壓對該充放電裝置160充電，而使該充放電裝置160儲存高電位。該感測線140上的電壓經由該第二電晶體M2而傳遞至該共同電極(common electrode)153。

如圖5所示，當該第二掃描線120為高電位且該第一掃描線110為低電位時，該第一電晶體M1、該第二電晶體M2、及該第三電晶體M3關閉，該第四電晶體M4及該第五電晶體M5導通，該充放電裝置160與外物之觸碰或近接所生成之等效電容180產生一電荷分享效應。同時，該充放電裝置160的電流經由該第五電晶體M5而傳輸至該感測線140。

由於電荷分享效應，當有外物之觸碰或近接時，該感測線140感測該充放電裝置160之電流小於沒有該外物之觸碰或近接時之該充放電裝置160的電流，藉此，即可偵測是否有外物之觸碰或近接。該直流阻隔電容170可將直流漏電流截掉，如此該感測線140的電壓即可提高至正常的共同電壓(VCom)，而僅感測該第二掃描線120的訊號由低電位切換到高電位時的暫態電流，並達到降低整個觸控系統功率的消耗。

圖6、圖7及圖8係圖3之電子裝置100的模擬示意圖。其係模擬電子裝置100相關節點的電壓和感測電流。圖6係顯示該第一掃描線110的电压vgate 1 in、該第二掃描線120的电压vgate 2 in、及一第三掃描線上的電壓vgate 3 in之示意圖。圖7係顯示有觸碰及沒有觸碰時各節點的電壓之示意圖。其中，圖7中VPreset表示圖3中節點Preset的電壓，圖7中VPixel表示圖3中像素電極151的電壓，圖7中Vcom表示圖3中共同電極153的電壓。圖8係顯示有觸碰及沒有觸碰時該感測線140所感測的電流之模擬示意圖。由前述模擬結果可以發現，透過電荷分享的技術，本發明可以成功地偵測出是否有外物之觸碰或近接。

圖9係本發明在不同電容值下是否有外物之觸碰或近接的模擬示意圖。對於不同等效電容180的模擬分析，其係針對三種不同的外物之觸碰或近接時所生成之等效電容180來進行討論。分別為例A：等效電容180為10fF、充放電裝置160為5fF；例B：等效電容180為20fF、充放電裝置160為10fF；例C：等效電容180為30fF、充放電裝置160為20fF。由電流模擬結果可得知其觸控與否之感測電流差異，其差異可利用該運算放大器190及積分器(圖未示)將其放大讀出。進一步將三種不同觸控電容條件之模擬結果整理至圖9中。

經由圖9結果可知，本發明之電子裝置100確可分辨出觸控與否的差異，並該電子裝置100中的外物之觸碰或近接時所生成之等效電容180可小至10fF的水準。

圖10係本發明電子裝置100之另一電路圖。如圖10所示，該電子裝置100包含一第一掃描線110、一第二掃描線120、一第 一資料線130、一感測線140、一第一電晶體M1、一像素150、一第二電晶體M2、一充放電裝置160、一第三電晶體M3及一第四電晶體M4。該第一至第四電晶體M1~M4係為低溫多晶矽(LTPS)電晶體、氧化銦鎵鋅(IGZO)電晶體、或非晶矽(a-Si)電晶體。

該第三電晶體M3的閘極g連接至該充放電裝置160的第一端161及共同電極(common electrode)153，其汲極d連接至該感測線140。該第四電晶體M4的閘極g連接至該第二掃描線120，其汲極d連接至該第三電晶體M3的一源極s，其源極s連接至該第二掃描線140。

當該第一掃描線110為高電位時，該第一電晶體M1及該第二電晶體M2導通，該感測線140上的電壓(Vsense)經由該第二電晶體M2而傳遞至該共同電極153(common electrode)，並對該充放電裝置160充電至高電位。當該第二掃描線120為高電位時，該第一電晶體M1及該第二電晶體M2關閉，該第三電晶體M3及該第四電晶體M4導通，該充放電裝置160與外物之觸碰或近接所生成之等效電容180產生一電荷分享效應，該充放電裝置160的電流經由該第三電晶體M3而傳輸至該感測線140。

如圖10所示，其與圖3的電子裝置100主要差異在於圖10之電子裝置100為4T1C之電路設計，較圖3的電子裝置10之電路設計少一個電晶體，因此其電路設計之開口率更高。該第四電晶體M4的目的是作為一個二極體(diode)的功用來形成大電阻，以防止該感測線140上的電流(Isense)經過該第三電晶體M3流向該第四電晶體M， 而使訊號電流下降，如此就能將感測端電壓提高至正常的共同電壓(VCom)，並僅感測該第二掃描線140的訊號由低電位切換到高電位時的暫態電流，據以達到整個觸控系統的精準度。

圖11及圖12係圖10之電子裝置100的模擬示意圖。其係模擬電子裝置100相關節點的電壓和感測電流。圖11係顯示有觸碰及沒有觸碰時共同電極153的電壓及像素電極151的電壓之示意圖。由圖11的模擬結果可以發現，透過電荷分享的技術，本發明可以成功地偵測出是否有外物之觸碰或近接。圖12係顯示有觸碰及沒有觸碰時，像素電極151的電壓(VPixel)減去共同電極153的電壓(Vcom)之示意圖。像素電極151的電壓減去共同電極153的電壓係表示施加於該像素150上的電壓，亦即為液晶的操作電壓。由圖12的液晶電壓維持訊號模擬結果可知液晶的操作電壓可以保持在一定的電壓以上，亦即本發明的技術不論是否有外物之觸碰或近接，均能使液晶正常的操作。

圖13係本發明在有觸碰及沒有觸碰時該感測線140所感測的電流之模擬示意圖。如圖13所示，有觸碰時該感測線140所感測的電流差如橢圓B所示，沒有觸碰時該感測線140所感測的電流差如橢圓A所示。由圖13可知，有觸碰及沒有觸碰時該感測線140所感測的電流差值約2μA。其可經由該運算放大器190輕易地分別出是否有觸碰或沒有觸碰。亦即本案的技術可輕易地偵測出外物之觸碰或近接。

圖14係本發明一種電子裝置100之驅動方法之流程圖。如前述圖1所示，該電子裝置100具有一第一掃描線110、一第二掃描線120、一第一資料線130、一感測線140及一充放電裝置160。該充 放電裝置160耦合至該第一掃描線110、該第二掃描線130、該第一資料線130及該感測線140，該驅動方法首先於步驟(A)中，於一第一時間間隔，驅動該第一掃描線110為高電位，以使該充放電裝置160被充電。於步驟(B)中，於一第二時間間隔，驅動該第二掃描線120為高電位，以使該感測線140感測該充放電裝置160之電流，據以判斷是否有外物之觸碰或近接。

外物之觸碰或近接會產生一電容效應。該充放電裝置160與外物之觸碰或近接所生成之等效電容180產生一電荷分享效應。當有外物之觸碰或近接時，該感測線140感測該充放電裝置160之電流小於沒有外物之觸碰或近接時之該充放電裝置160的電流。

圖15係本發明之一實施例的電子裝置100之使用示意圖。本實施可以是例如手機的手持裝置1500。由前述說明可知，本發明電子裝置100可與顯示裝置的像素共存，因此可以運用於手持裝置1500的一顯示螢幕1510中。在該整個顯示螢幕1510中，在X方向及Y方向上，例如每隔100個像素，即設置一個本發明實施例的電子裝置100，因此可在該整個顯示螢幕1510中提供外物觸碰或近接的偵測功能。在X方向及Y方向，每隔多少個像素設置一個本發明實施例的電子裝置100，可依據所需要的觸碰偵測的解析度而定，此乃該技術領域者依據本發明之揭露所能完成，不再贅述。

於其他實施例中，本發明實施例的電子裝置100係運用於圖15中的該顯示螢幕1510的一區域1511中。在該區域1511中，在X方向及Y方向，每隔一個像素，即設置一個本發明電子裝置100。 一般手指指紋的指紋峰(ridge)的有效寬度約200μm~300μm。而一個顯示像素的大小約為5μm。因此每隔一個像素，即設置一個本發明實施例電子裝置100時，可有效地偵測並正確地獲得指紋的感測影像。因此可在該顯示螢幕1510的區域1511中提供指紋偵測的功能。而無需另外設置一個指紋偵測按鈕，可有效增大手持裝置1500的顯示區域。

本案之電子裝置的設計是利用五顆薄膜電晶體及一顆電容或四顆薄膜電晶體及一顆電容所組成。當運用於內嵌式觸控面板時，薄膜電晶體及電容的製程上可使用顯示面板的製程，保有內嵌式(In Cell)的觸控技術，而可維持顯示面板輕薄化的優點。同時可利用本案電子裝置100的電容與手指的電容做電荷分享，用以偵測顯示面板上是否有手指的觸碰或近接。本案利用電荷分享觀念，能輕易解決傳統大尺寸觸控面板所面臨電阻電容遲延(RC Delay)的問題，亦可輕易實現輕薄型、低耗能、低成本的觸控顯示器。在本發明另一實施例中，也可用在提供指紋偵測功能的電子裝置，同時顯示及提供指紋偵測，可有效增大手持裝置的顯示區域。

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。

100‧‧‧電子裝置

110‧‧‧第一掃描線

120‧‧‧第二掃描線

130‧‧‧第一資料線

140‧‧‧感測線

M1‧‧‧第一電晶體

150‧‧‧像素

M2‧‧‧第二電晶體

160‧‧‧充放電裝置

M3‧‧‧第三電晶體

M4‧‧‧第四電晶體

M5‧‧‧第五電晶體

170‧‧‧直流阻隔電容

g‧‧‧閘極

d‧‧‧汲極

s‧‧‧源極

151‧‧‧像素電極

153‧‧‧共同電極

161‧‧‧第一端

163‧‧‧第二端

190‧‧‧運算放大器

Claims (15)

1. 一種電子裝置，包括：一第一掃描線、及一第二掃描線；一第一資料線；一感測線；一第一電晶體，連接至該第一掃描線及該第一資料線；一像素，具有一像素電極連接至該第一電晶體；一第二電晶體，連接至該第一掃描線、該像素的一共同電極及該感測線；以及一充放電裝置，耦合至該第二電晶體、該第二掃描線及該感測線；其中，當該第一掃描線為高電位時，該充放電裝置被充電，當該第二掃描線為高電位時，該感測線感測該充放電裝置之電流，以判斷是否有一外物之觸碰或近接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電子裝置，其中，該外物之觸碰或近接產生一電容效應，該充放電裝置與該外物之觸碰或近接所生成之等效電容產生一電荷分享效應。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電子裝置，其中，當有該外物之觸碰或近接時，該感測線感測該充放電裝置之電流小於沒有該外物之觸碰或近接時之該充放電裝置的電流。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電子裝置，其中，該第一電晶體的閘極連接至該第一掃描線，其汲極連接至該第一資料線，其源極連接至該像素的該像素電極，該第二電晶體的閘極連接至該第一掃描 線，其汲極連接至該感測線，其源極連接至該像素的該共同電極，該充放電裝置為一電容。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電子裝置，其更包含：一第三電晶體，其閘極及汲極連接至該第一掃描線，其源極連接至該充放電裝置的一第一端；一第四電晶體，其閘極連接至該第二掃描線，其汲極連接至該像素的該共同電極，其源極連接至該充放電裝置的該第一端；一第五電晶體，其閘極連接至該充放電裝置的該第一端，其汲極連接至該感測線，其源極連接至該充放電裝置的一第二端；以及一直流阻隔電容，其第一端連接至該充放電裝置的該第二端，其一第二端連接至該第二掃描線。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電子裝置，其中，當該第一掃描線為高電位時，該第一電晶體、該第二電晶體、及該第三電晶體導通，該第一資料線上的電壓對該充放電裝置充電，該感測線上的電壓經由該第二電晶體而傳遞至該共同電極。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電子裝置，其中，當該第二掃描線為高電位時，該第一電晶體、該第二電晶體、及該第三電晶體關閉，該第四電晶體及該第五電晶體導通，該充放電裝置與該外物之觸碰或近接所生成之等效電容產生一電荷分享效應，該充放電裝置的電流經由該第五電晶體而傳輸至該感測線。
8. 如申請專利範圍第5項所述之電子裝置，其中，該第一至第五電晶體係為低溫多晶矽電晶體、氧化銦鎵鋅電晶體、或非晶矽電晶體。
9. 如申請專利範圍第4項所述之電子裝置，其更包含： 一第三電晶體，其閘極連接至該充放電裝置的該第一端及該共同電極，其汲極連接至該感測線；以及一第四電晶體，其閘極連接至該第二掃描線，其汲極連接至該第三電晶體的一源極，其源極連接至該第二掃描線；其中，該充放電裝置的一第二端連接至該第二掃描線。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電子裝置，其中，當該第一掃描線為高電位時，該第一電晶體及該第二電晶體導通，該感測線上的電壓經由該第二電晶體而傳遞至該共同電極，並對該充放電裝置充電。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電子裝置，其中，當該第二掃描線為高電位時，該第一電晶體及該第二電晶體關閉，該第三電晶體及該第四電晶體導通，該充放電裝置與該外物之觸碰或近接所生成之等效電容產生一電荷分享效應，該充放電裝置的電流經由該第三電晶體而傳輸至該感測線。
12. 如申請專利範圍第9項所述之電子裝置，其中，該第一至第四電晶體係為低溫多晶矽電晶體、氧化銦鎵鋅電晶體、或非晶矽電晶體。
13. 一種電子裝置之驅動方法，該電子裝置具有一第一掃描線、一第二掃描線、一感測線及一充放電裝置，該充放電裝置耦合至該第二掃描線及該感測線，該驅動方法包含：於一第一時間間隔，驅動該第一掃描線為高電位、該第二掃描線為低電位，以使該充放電裝置被充電；以及 於一第二時間間隔，驅動該第二掃描線為高電位、該第一掃描線為低電位，以使該感測線感測該充放電裝置之電流，據以判斷是否有一外物之觸碰或近接。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電子裝置之驅動方法，其中，該外物之觸碰或近接產生一電容效應，該充放電裝置與該外物之觸碰或近接所生成之等效電容產生一電荷分享效應。
15. 如申請專利範圍第14項所述之電子裝置之驅動方法，其中，當有該外物之觸碰或近接時，該感測線感測該充放電裝置之電流小於沒有該外物之觸碰或近接時之該充放電裝置的電流。