专利名称：具光电薄膜晶体管的光学传感器的制作方法
技术领域：
本发明是有关一种光学传感器(optical sensor),特别是有关一种具光 电薄膜晶体管(photo TFT)的光学传感器。
背景技术：
将触控面板(touch panel)集成于液晶显示器(LCD)不但可增进使用者进 行便利、快速的输入，且可提供互动的存取功能，因此已逐渐应用于一些便 携式电子装置中，例如移动电话、个人数字助理(PDA)或笔记本型计算机。
于传统显示器中，触控面板是附着于显示器的前方。此种装配方法较复 杂、较重且显示穿透度不佳。为了改善这些缺点，有人于是提出另一种技术， 于液晶显示器的薄膜晶体管结构中嵌入光学传感器阵列，如Adi Abileah等 人于"Integrated Optical Touch Panel in a 14. 1" AMLCD， (SID 04 DIGEST, pp. 1544-1547)所提出者。
于此种内嵌触控面板的显示器中，每一个感测像素电路是由读取TFT及 光电TFT所构成。通过直接读取每一感测像素电路中的储存电荷而得以捕获 手指的图像。此种内嵌触控面板的传统显示器虽然具有结构简单的优点，但 是却极易耦合噪声及串音(crosstalk),造成捕获的图像不清晰，造成手指的 位置无法确切地得知。
鉴于上述理由，亟需提出一种新颖的触控面板，特别是一种具感测像素 电路结构的光学传感器，用以改善传统触控面板，以捕获清晰的图像。
发明内容
本发明的目的之一是提出一种光学传感器，其内嵌于触控面板并集成至 显示器中，可用以确切得知手指或其它物体的位置。
根据上述的目的，本发明提供一种光学传感器。有源矩阵区域内含排列 成矩阵形式的多个感测像素电路。扫描线及读取线位于有源矩阵区域并相互 交叉于感测像素电路。每一感测像素电路包含第一读取薄膜晶体管(TFT)用以读取电荷节点的电压，第二读取TFT用以重置电荷节点至第一重置电压，及
光电TFT(TFT3)用于当未有物体遮盖时，将电荷节点放电至第二重置电压。 根据一实施例，扫描驱动器逐一驱动扫描线；读取电路分析来自有源矩阵区 域的模拟信号，并将其转换为数字信号。影样处理电路则用以确认物体的位 置及其图像。
根据上述的目的，本发明还提供一种光学感测方法，包含于前一图框 扫描当中，将光学传感器的电荷节点重置至第一重置电压；于目前图框扫描 中，将目前列的感测像素电路的相对应扫描线变为主动；及当该光学传感器 的感测像素电路未被物体遮盖时，则将该电荷节点予以放电至第二重置电压， 否则维持于该第一重置电压。
图1显示本发明实施例之一的薄膜晶体管(TFT)手指传感器的系统方块图。
图2A显示图1中本发明实施例的感测像素电路的结构。
图2B显示感测像素电路结构的另一实施例。
图3显示本发明实施例第二图的感测像素电路的剖面图。
图4A显示图2A实施例中的信号时序图。
图4B显示图2B实施例中的信号时序图。
图5A显示图1的读取电路的实施例。
图5B显示图1的读取电路的另一实施例。
图6显示图5A/图5B的改良实施例。
图7显示本发明实施例之一的手指感测方法的流程图。
10 有源矩阵区域
102 感测像素电路
12 扫描驱动器
14 读取电3各
140 緩冲器
141 多工器 143 比较器145模拟至数字转换器
147积分电路
182数据线
16影样处理电路
18数据驱动器
30A基板
30B基板
32光屏蔽层
33开口
34传感器表面
71-75感测方法的步骤
TFT1第一读取TFT
TFT2第二读取TFT
TFT3光电TFT
C节点
VA重置电压
VB重置电压
CS储存电容
LC液晶
Cfb反馈电容
vref参考电压
M重置晶体管
具体实施例方式
图1显示本发明实施例之一的薄膜晶体管(TFT)手指传感器(或光学传感 器)的系统方块图。在本实施例中，此TFT手指传感器是内嵌于触控面板并集 成至显示器(未显示)，例如液晶显示器。本实施例的"手指"传感器虽用以 捕获手指的图像，然而，本发明的传感器并不限定于仅捕获手指的图像，其 它物体也都可以适用；再者，手指或物体也不一定要"接触，，到触控面板。 事实上，本发明所提出的集成光学传感器的显示器可用以捕获任何靠近触控 面板的物体(例如条形码或光笔)的图像于图1中，有源矩阵区域10包含排列成矩阵形式的多个感测像素电路
(sensor pixel circuit)(或感测像素胞)102,用以检测手指。有源矩阵区域 10还含有多个显示像素电路(display pixel circuit)(未显示于图式中)， 其中， 一部分的显示像素电路与感测像素电路互相集成在一起。实务上，感 测像素电路的数目 一般会小于显示像素电路的数目。在有源矩阵区域10内， 多条水平扫描线及多条垂直读取线互相交叉于感测像素电路102。扫描驱动 器12依序逐一选择扫描线以扫描感测像素电路102,使得每一时间中，启动 一条扫描线上的感测像素电路102。读取电路14分析来自有源矩阵区域10
的模拟信号输出，并将其转换为数字信号。通过读取线选择信号，有源矩阵 区域10的模拟信号逐一被选择输出。接着，经转换的数字信号被送至影样处 理电路16,用以确认一或多个手指的位置及其图像。数据驱动器18通过数 据线182驱动显示像素电路，用以显像于液晶显示器上。
图2A显示图1中本发明实施例的感测像素电路102的结构。为便于说明 起见，图式中仅显示二个感测像素电路102，其它的感测像素电路102也具 有相同结构。每一个感测像素电路102包含第一读取TFT(TFT1)、第二读取 TFT(TFT2)及光电TFT(TFT3),其连接关系如图所示。扫描线连接至同一列的 所有相对应感测像素电路102;在此图例中，扫描线[IU连接至第n列的感测 像素电路102。读取线连接至同一行的所有相对应感测像素电路102;在此图 例中，读取线[d]连接至第m+l行的感测像素电路102。重置(reset)信号连 接至同一列的所有感测像素电路102;在此图例中，重置信号[n]连接至第n 列的感测像素电路102。
图2B显示感测像素电路102结构的另一实施例。与图2A不同的是，重 置信号被下一行扫描线所取代；在此图例中，扫描线[IU]连接至第n列的感 测像素电^各102。
于图2A中，第一读取TFT(TFT1)的源漏极之一电性连接至相对应的读取 线[Cra+1],其栅极电性连接至相对应的扫描线[IU ，其另一源漏极则于电荷节 点C电性连接至第二读取TFT(TFT2)及光电TFT(TFT3)。第二读取TFT (TFT2) 的源漏极之一于节点C电性连接至第一读取TFT(TFT1),其栅极电性连接至 相对应的重置信号[n],其另一源漏极则电性连接至重置电压VA。光电 TFT (TFT3)的源漏极之一于节点C电性连接至第一读取TFT (TFT1)及第二读取 TFT(TFT2),其栅极及另一源漏极则电性连接至重置电压VB;该重置电压VB的电压值小于重置电压VA(亦即，VA〉VB)。位于节点C与重置电压VB节点的 间具有储存电容CS。
于图2B所示的另一实施例中，感测像素电路102的结构与图2A相同； 不同的是，第二读取TFT (TFT2)的栅极则电性连接至下一列的扫描线[Rn+1]。
图3显示本发明实施例第二图的感测像素电路102的剖面图。为了便于 说明起见，仅显示出TFT手指传感器的主要元件，且仅显示液晶显示器的液 晶(LC)部分。光电TFT(TFT3)及第一/第二读取TFT(TFTl/2)形成于(玻璃)基 板30A上。光屏蔽层(例如黑色阵列(black matrix)) 32形成于另 一 (玻璃)基 板30B上；该光屏蔽层32相对于光电TFT(TFT3)位置具有开口 33,使得该光 电TFT(TFT3)暴露于周遭光线或外部光源时，会产生光电漏电流。该光屏蔽 层32相对于第一/第二读取TFT(TFTl/2)位置则不具有开口，使得该第一/第 二读取TFT (TFTl/2)不会因为周遭光线而产生任何漏电流。
图4A显示图2A实施例中的信号时序图。此时序图例示第n列的扫描 当扫描线[IU为主动时，读取线选择信号[d]-[Cx]依序变为主动，使得各行 感测像素电路102的输出依序被读取电路14所读取。重置信号[n]则于扫描 线[IU的扫描最后变为主动。
底下将以图4A来说明图2A手指传感器的运作。假设手指已置于手指传 感器的表面34 (图3)上，且第二读取TFT(TFT2)已于前一图框(frame)扫描(例 如Frame [n-l])当中被重置信号[n]予以重置，此将使得节点C的电压变为VA。 对于未被手指遮盖到的有源矩阵区域10,其相对应的光电TFT(TFT3)会暴露 于周遭光线，使得节点C电压通过光电TFT(TFT3)的放电而变为VB。有源矩 阵区域10的一部分区域可能未被手指或手掌完全覆盖到，使得节点C的电压 值VC介于VA及VB之间
FC = ra + (W - Kg) x e正 其中，RC为节点C与重置电压VB节点之间的时间常数(time constant); t 为》文电时间。
于目前图框(frame)扫描(例如Frame [n])中，当扫描线[Rn]变为主动，且 相对应读取线[Cm+1]被读取线选择信号[Cm+1]所选到，则节点C的电压将通过第 一读取TFT (TFT1)而被读取电路14所读取；该读取电路14分析此模拟信号， 并将其转换为数字信号。接着，经转换的数字信号被送至影样处理电路16, 用以确认一或多个手指的位置及其图像。图4B显示图2B实施例中的信号时序图。此时序图虚线左方例示第n列 的扫描当扫描线[RJ为主动时，读取线选择信号[d]-[Cx]依序变为主动， 使得各行感测像素电路102的输出依序被读取电路14所读取。时序图虚线右 方例示第n+l列的扫描，其扫描方式与第n列的扫描方式相同。
底下将以图4B来说明图2B手指传感器的运作。假设手指已置于手指传 感器的表面34(图3)上，且第二读取TFT(TFT2)已于前一图框(frame)扫描(例 如Frame[n-1])当中被下一列扫描线[IU]予以重置，此将使得节点C的电压 变为VA。对于未被手指遮盖到的有源矩阵区域IO，其相对应的光电TFT(TFT3) 会暴露于周遭光线，使得节点C电压通过光电TFT(TFT3)的放电而变为VB。 于目前图框(frame)扫描(例如Frame[n])中，当扫描线[Rn]变为主动，且相对 应读取线[Cm+1]被读取线选择信号[Cm+1]所选到，则节点C的电压将通过第一读 取TFT(TFT1)而被读取电路14所读取；该读取电路14分析此模拟信号，并 将其转换为数字信号。接着，经转换的数字信号被送至影样处理电路16，用 以确认一或多个手指的位置及其图像。
图5A显示图1的读取电路14的实施例。与各行感测像素电路102相对 应的各个读取线连接并输入至多工器141。通过读取线选择信号，使得其中 一个读取线通过多工器141;该读取线上的模拟信号与参考信号U1:N]经 由比较器143作比较后，产生N-位输出的数字信号。比较器143的输出更馈 至影样处理电路16作进一步的处理。
图5B显示图1的读取电路14的另一实施例。与各行感测像素电路102 相对应的各个读取线连接并分别输入至缓冲器140。这些緩冲器140也可以 依同样方式插入至图5A的读取电路14中；或者，图5B中的緩冲器140可以 予以省略。緩冲器140的输出连接并输入至多工器141。通过读取线选择信 号，使得其中一个读取线通过多工器141;该读取线上的模拟信号经由模拟 至数字转换器(A/D converter) 145，产生N-位输出的数字信号。模拟至数字 转换器145的输出更馈至影样处理电路16作进一步的处理。
图6显示图5A/图5B的改良实施例。在本实施例中，与各行感测像素电 路102相对应的各个读取线系直接连接并输入至积分电路(例如积分运算放 大器)147，而非直接至多工器141 (如图5A),也非直接至緩冲器140 (如图5B)。 反馈电容Cfb连接于积分运算放大器147的输出端及反相输入端之间，其非反 相输入端则连接至预设参考电压其电压值介于VA及VB之间(亦即，VA〉V^〉VB)。重置晶体管M的源极及漏极分别跨接于反馈电容Cfb的两端，其 栅极则连接至重置信号。此重置信号可以是同于图4A的重置信号，也可以是 异于图4A的重置信号。在本实施例中，此重置信号于每一个线扫描的最后变 为主动，用以将积分运算放大器147的输出经由重置晶体管M而重置为Vref, 使得积分运算放大器147准备进行下一线扫描的积分运作。积分运算放大器 147的积分输出V。ut则连接至图5A的多工器141，或者图5B的緩冲器140。
底下将说明图6积分电路147的运作。当手指已置于手指传感器的表面 34(图3)上，则节点C的电压变为VA;否则，节点C的电压变为VB。在进行 积分运算之前，于前一图框扫描中，通过重置信号使得重置晶体管M导通 (close)。接下来，于目前图框扫描中，重置晶体管M是断开(open)的，因此， 积分运算放大器147的输出端会积分成为如下的电压
(有手指覆盖)
(当VC=VB)(无手指覆盖)
与先前实施例作比较，图6的实施例对于噪声具有较高的抗性。亦即， 于先前实施例中，节点C的读取判定区间为(VA-VB)，然而在图6实施例中，
节点c的读取判定区间为 & (=v。ut(max)-v。ut(min))。通过选择适当的
(CS/CJ值，该读取判定区间( Q )可以变得较大，因而使其对噪声 的抗性较好。
图7显示本发明实施例之一的手指感测方法的流程图。首先，于步骤71, 第二读取TFT(TFT2)已于前一图框扫描当中被重置信号(或下一列扫描线)予 以重置，使得节点C的电压变为VA。接下来，于步骤72，于目前图框扫描中 将扫描线变为主动。当手指已置于手指传感器的表面34(图3)上，则节点C 的电压变为VA;否则，对于未被手指遮盖到的有源矩阵区域IO,其相对应光 电TFT(TFT3)会暴露于周遭光线，使得节点C电压通过光电TFT (TFT3)的放电 而变为VB(步骤73)。节点C的电压被读取电路14所读取(步骤74);该读取 电路14分析此模拟信号，并将其转换为数字信号。接着，经转换的数字信号于步骤75被送至影样处理电路16，用以确认一或多个手指的位置及其图像。 如果使用图6的实施例，则更执行步骤74A，用以将节点C的电压予以积分 运算。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的权利要 求范围；凡其它未脱离发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应 包含在上述的权利要求范围内。
权利要求
1. 一种光学传感器，包含有源矩阵区域，内含排列成矩阵形式的多个感测像素电路；及多条扫描线及读取线，位于该有源矩阵区域并相互交叉于该感测像素电路，其中每一该感测像素电路包含第一读取薄膜晶体管用以读取电荷节点的电压，第二读取薄膜晶体管用以重置该电荷节点至第一重置电压，及光电薄膜晶体管用于当未有物体遮盖时，将该电荷节点放电至第二重置电压，其中该第二重置电压小于该第一重置电压。
2. 根据权利要求1所述的光学传感器，还包含扫描驱动器，用以逐一驱 动该扫描线。
3. 根据权利要求1所述的光学传感器，还包含读取电路，用以分析来自 该有源矩阵区域的模拟信号，并将其转换为数字信号。
4. 根据权利要求1所述的光学传感器，还包含影样处理电路，用以确认 该物体的位置及其图像。
5. 根据权利要求1所述的光学传感器，其中上述的第二读取薄膜晶体管 是由重置信号所重置。
6. 根据权利要求1所述的光学传感器，其中位于目前列的上述第二读取 薄膜晶体管是由位于下一列的扫描线所重置。
7. 根据权利要求5所述的光学传感器，其中该第 一读取薄膜晶体管的源漏极之一电性连接至相对应的该读取线，其 栅极电性连接至相对应的该扫描线，其另 一源漏极则于该电荷节点电性连接 至该第二读取薄膜晶体管及该光电薄膜晶体管；该第二读取薄膜晶体管的源漏极之一于电荷节点电性连接至该第 一读取 薄膜晶体管，其栅极电性连接至相对应的该重置信号，其另一源漏极则电性 连接至该第一重置电压；及该光电薄膜晶体管的源漏极之一于该电荷节点电性连接至该第 一读取薄 膜晶体管及该第二读取薄膜晶体管，其栅极及另一源漏极则电性连接至该第 二重置电压。
8. 根据权利要求6所述的光学传感器，其中该第 一读取薄膜晶体管的源漏极之一 电性连接至相对应的该读取线，其 栅极电性连接至相对应的该扫描线，其另 一源漏极则于该电荷节点电性连接 至该第二读取薄膜晶体管及该光电薄膜晶体管；该第二读取薄膜晶体管的源漏极之一于电荷节点电性连接至该第 一读取 薄膜晶体管，其栅极电性连接至相对应的该下一列扫描线，其另一源漏极则 电性连接至该第一重置电压；及该光电薄膜晶体管的源漏极之一于该电荷节点电性连接至该第一读取薄 膜晶体管及该第二读取薄膜晶体管，其栅极及另一源漏极则电性连接至该第 二重置电压。
9. 根据权利要求l所述的光学传感器，其中上述电荷节点与该第二重置 电压之间具有储存电容。
10. 根据权利要求1所述的光学传感器，还包含第一基板，于其上形成有该第一读取薄膜晶体管、该第二读取薄膜晶体 管及该光电薄膜晶体管； 第二基板；及光屏蔽层，形成于该第二基板，其中该光屏蔽层相对于该光电薄膜晶体 管位置具有开口，该光屏蔽层相对于该第一读取薄膜晶体管、第二读取薄膜 晶体管位置则不具有开口。
11. 根据权利要求3所述的光学传感器，其中上述的读取电路包含 多工器，用以连接输入该读取线，通过读取线选择信号，使得其中一个读取线通过该多工器；及比较器，用以比较该被选到的读取线的模拟信号以及该一预设参考信号。
12. 根据权利要求3所述的光学传感器，其中上述的读取电路包含 多工器，用以连接输入该读取线，通过读取线选择信号，使得其中一个读取线通过该多工器；及模拟至数字转换器，用以将该模拟信号转换为该数字信号。
13. 根据权利要求12所述的光学传感器，还包含 多个緩冲器，位于该有源矩阵区域与该多工器之间。
14. 根据权利要求3所述的光学传感器，还包含多个积分电路，连接以接收该有源矩阵区域的输出，其中该积分电路分 别连接至该读取线。
15. 根据权利要求14所述的光学传感器，其中每一该积分电路包含 积分运算放大器；反馈电容，连接于该积分运算放大器的输出端及反相输入端之间； 预设参考电压，连接至该积分运算放大器的非反相输入端，其中该预设参考电压的值介于该第一重置电压与该第二重置电压之间；及重置晶体管，其源极及漏极分别跨接于该反馈电容的两端，其栅极则连接至重置信号。
16. —种光学感测方法，包含于前一图框扫描当中，将光学传感器的电荷节点重置至第一重置电压； 于目前图框扫描中，将目前列的感测像素电路的相对应扫描线变为主动；及当该光学传感器的感测像素电路未被物体遮盖时，则将该电荷节点予以 放电至第二重置电压，否则维持于该第一重置电压。
17. 根据权利要求16所述的光学感测方法，还包含 读取该电荷节点，并将模拟信号转换为数字信号；及 处理该数字信号以确认该物体的位置及其图像。
18. 根据权利要求16所述的光学感测方法，其中上述的电荷节点是由重 置信号所重置。
19. 根据权利要求16所述的光学感测方法，其中上述的电荷节点是由下 一列的扫描线所重置。
20. 根据权利要求16所述的光学感测方法，还包含将该电荷节点的电压 予以积分运算。
全文摘要
一种光学传感器，其每一感测像素电路包含第一读取薄膜晶体管(TFT)用以读取电荷节点的电压，第二读取TFT用以重置电荷节点至第一重置电压，及光电TFT(TFT3)用于当未有物体遮盖时，将电荷节点放电至第二重置电压。
文档编号G09G3/36GK101414068SQ200810095450
公开日2009年4月22日 申请日期2008年4月23日 优先权日2007年10月18日
发明者庄凯岚, 陈英烈 申请人:奇景光电股份有限公司