一种数模融合驱动的硅基显示器的制作方法

本发明涉及微电子和平板显示技术领域，尤其涉及一种数模融合驱动的硅基显示器。

背景技术：

硅基微显示器是一种以硅半导体集成电路为基板的微型显示器，硅基板中集成了显示器的驱动电路。根据显示原理不同，硅基微显示器可分为硅基有机发光微显示器、硅基发光二极管微显示器、硅基液晶微显示器、硅基微机械微显示器等。硅基微显示器的像素非常小，它通过光学系统产生大屏幕显示效果，可应用于军事、工业、医疗和消费类电子上。目前，硅基微显示器正向更高清分辨率、更高灰度级数、更高刷新频率方向发展。

硅基微显示器的像素驱动方式可分为模拟幅值调制和数字脉宽调制两种策略。在模拟幅值调制策略中，像素的亮度与通过像素的电压或电流成正比，随着显示分辨率以及刷新率的提高，显示器要求驱动电路中的数模转换器以及像素电路具有更高的信号转换速度，但同时要保证模拟量具有足够高的精度以及高的像素亮度对比度。与模拟幅值调制相比，数字脉宽调制策略利用像素电压或电流的占空比来控制像素点亮的时间从而控制像素的亮度，产生不同的灰度级，其精度高、图像噪声低、像素对比度高、灰度等级高、对电路特性的要求也更低。然而，在高分辨率和高刷新率的条件下，数字扫描策略需要极高的数据带宽，对系统性能提出更高挑战。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种数模融合驱动的硅基显示器，模拟幅值调制和数字脉宽调制两种策略混合使用，在所需要的数据带宽和精度亮度这两个方面取得最佳平衡。

技术实现要素：

针对硅基微显示器的模拟幅值调制驱动策略和数字脉宽调制驱动策略存在的技术缺陷，本发明提出一种数模融合驱动的硅基微显示器，用于降低模拟幅值调制驱动策略对数模转换器以及像素电路对模拟量精度的要求、提高数模转换器的转换速度、提高像素亮度的对比度，另一方面，降低数字脉宽调制驱动策略对电路扫描速度的要求、减少冗余等待时间、提高扫描效率，同时，也可以降低像素电路的电容大小，降低数模转换器的面积要求，进一步突破由于扫描驱动方式的局限对硅基微显示器的分辨率和刷新率的限制。

为达到上述目的，本发明的构思是：采用模拟幅值调制驱动策略和数字脉宽调制驱动策略相结合的方式驱动像素发光，像素的亮度由像素在子帧内的输出电流或电压的幅值以及该像素在子帧内的输出电流或电压的时间占空比共同决定，并将一帧图像分为若干个不同的数字子帧和模拟子帧，对于数字子帧采用数字驱动策略，采用时间成比例驱动方式或亮度成比例驱动方式，对于模拟子帧采用模拟驱动策略，采用数量更多、位数更少的数模转换器，将输入数据转换为电压或电流的幅值量使像素发光，模拟子帧和数字子帧结合产生最终的显示帧。由于采用了数字脉宽调制驱动的方式，对于同样的显示分辨率和灰度级数，数模转换器的位数下降，对模拟量的精度要求下降，因此像素电路输出电压或电流的精度更高，数模转换器的转换速度也得到提升，由于采用了模拟幅值调制驱动方式，对数据的传输量要求下降，在同样的扫描速度情况下，显示分辨率、灰度级数和刷新速度得到提高，对比度也得到提高。

根据上述的发明构思，本发明采用下述的技术方案：

一种数模融合驱动的硅基显示器，其特征在于：(1)至少包含了半导体硅基底以及硅基底表面的像素以及包含于硅基底中的驱动电路以及接口，所述驱动电路至少包含金属-氧化物半导体场效应晶体管和至少二层金属层；(2)所述像素在一个特定显示帧内的亮度由该像素在该显示帧内的输出电流或电压的幅值以及该像素在该显示帧内的输出电流或电压的时间占空比共同决定；所述显示帧包含了将特定显示区域内像素灰度信息通过所述接口藉由所述驱动电路传输至所述像素的过程；(3)所述特定显示帧进一步划分为若干子帧，所述子帧包含了将特定显示区域内像素灰度信息的特定子集通过所述接口藉由所述驱动电路传输至所述像素的过程；(4)所述驱动电路包含了用于产生所述像素在特定显示帧内的输出电流或电压的幅值以及该像素在该显示帧内的输出电流或电压的时间占空比的电路。

更进一步地，所述像素藉由像素表层的发光物质主动发光或者藉由像素表层的反射物质对光源进行反射从而形成发光，所述发光物质为一种藉由施加电流或电压而产生电致发光现象的物质，包括有机电致发光器件或发光二极管器件；所述反射物质为一种藉由施加电流或电压而反射或透过光的物质，包括液晶。

更进一步地，所述驱动电路包含像素单元电路，所述像素单元电路至少包含输出晶体管和像素电极，所述输出晶体管通过导电通孔输出电流或电压至像素电极，所述像素电极为像素的阳极或阴极。

更进一步地，所述像素单元电路还包含选通线、数据线和电容，当选通线为第一状态时，数据线上的电压值存储至电容上；当选通线为第二状态时，电容上保持选通线最近一次为第一状态时的数据线上的电压值。

更进一步地，所述像素单元电路还具有补偿功能，所述补偿功能包含了降低或消除不同像素电极的输出电流或电压受输出晶体管和发光物质不一致性的影响，所述不一致性包含阈值电压、电子迁移率、等效电阻、等效电容、电流衰退、亮度衰退的不一致性。

更进一步地，所述驱动电路还包含列驱动电路，所述列驱动电路至少包含D个可正向或反向移位的第一寄存器组用于产生列数据信号，所述列数据信号用于驱动数据线，每个所述第一寄存器组包含M个首尾依次相连的第一触发器，所述第一触发器在时钟边沿锁存数据输出至相连的下一个第一触发器，D和M皆为大于或等于1的正整数。

更进一步地，所述第一触发器通过暂存器输出列数据信号，所述暂存器由更新信号控制，当更新信号为第一状态时，D*M个暂存器的输出信号分别更新为D*M个第一触发器的输出信号，当更新信号为第二状态时，D*M个暂存器的输出信号保持不变。

更进一步地，所述列驱动电路至少包含M个电平转换器，所述电平转换器将所述列数据信号的第一电平转换为第二电平，所述第二电平高于或低于第一电平。

更进一步地，所述列驱动电路还包含若干数模转换器，所述数模转换器将列数据信号由两位或两位以上的数字信号转变为模拟信号，所述数字信号仅有两种确定状态，所述模拟信号在给定范围内可连续变化，所述数模转换器的种类包含电压按比例缩放型、二进制加权电阻型、R-2R梯形型、二进制电流源型、分段电流舵型。

更进一步地，每一个数模转换器皆通过晶体管开关组连接至X列像素，所述晶体管开关组在同一时刻只有一个晶体管开关有效，所述晶体管开关由一个或多个金属-氧化物半导体场效应晶体管组成，X为大于等于1的整数。

更进一步地，每一个数模转换器都连接至一个列驱动器，所述列驱动器用于增强列数据信号的驱动能力，加快像素单元电路的数据变化速度。

更进一步地，所述列驱动电路还包含若干旁路器，所述旁路器用于使数模转换器无效，列数据信号输出为数字信号。

更进一步地，所述驱动电路还包含行驱动电路，所述行驱动电路产生像素单元电路的行选通信号，所述行选通信号用于驱动像素单元电路的选通线。

更进一步地，所述行驱动电路包含译码器，所述译码器用于将编码后的输入信号译码，使某一个或几个行选通信号有效。

更进一步地，所述行驱动电路至少包含一组可正向或反向移位的第二寄存器组用于产生行选通信号，所述第二寄存器组包含R个首尾依次相连的第二触发器，所述第二触发器在时钟边沿锁存数据输出至相连的下一个第二触发器，R为大于或等于1的正整数。

更进一步地，所述行驱动电路包含行驱动器，所述行驱动器用于增强行选通信号的驱动能力，加快像素单元电路的选通速度。

更进一步地，所述接口用于接受位平面信息并将其输入至驱动电路，所述位平面为特定显示区域内像素灰阶数据具有相同比特位的数据集合，所述灰阶数据为表征像素发光亮度程度的数据，所述比特位为具有进位规则的权值，所述接受方式为并行数据信号或差分组信号。

更进一步地，其特征在于，还包含了温度传感器和/或负压控制器，所述温度传感器用于测量电路的温度，所述负压控制器为一种DC-DC变换控制器，用于产生负电压，所述负电压为一种小于零电平的电压。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

(1)与传统的模拟幅值调制驱动策略相比较，本发明降低了数模转换器以及像素电路的精度要求、提高了数模转换器的转换精度和转换速度；

(2)与传统的数字脉宽调制驱动策略相比较，本发明降低了电路扫描速度的要求、减少了冗余等待时间、提高了扫描效率，进一步突破由于扫描驱动方式的局限对硅基微显示器的分辨率和刷新率的限制；

(3)与传统的硅基微显示器驱动电路相比较，本发明降低了数模转换器和像素单元电路的面积要求，降低了电路的面积和复杂度，从而可以进一步提高像素密度；

(4)与传统的硅基微显示器技术相比较，本发明可以提高像素的灰度级数和对比度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的硅基微显示器的基本结构图；

图2为本发明的一个较佳实施例的硅基微显示器显示帧驱动波形图；

图3为本发明的一个较佳实施例的硅基微显示器显示子帧驱动波形图；

图4为本发明的一个较佳实施例的发光物质05与硅基微显示器的关系示意图；

图5为本发明的一个较佳实施例的反射物质06与硅基微显示器的关系示意图；

图6为本发明的一个较佳实施例的像素单元电路10与硅基微显示器的示意图；

图7为本发明的一个较佳实施例的硅基微显示器的像素单元电路10的结构图；

图8为本发明的另一个较佳实施例的硅基微显示器的像素单元电路10的结构图；

图9为本发明的一个较佳实施例的硅基微显示器的列驱动电路11的结构图；

图10为本发明的另一个较佳实施例的硅基微显示器的列驱动电路11的结构图；

图11为本发明的一个较佳实施例的硅基微显示器的行驱动电路12的结构图；

图12为本发明的一个较佳实施例的硅基微显示器的行驱动电路12的结构图；

图13为本发明的一个较佳实施例的硅基微显示器的驱动电路03的结构图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

图1示意了本发明采用的一种硅基微显示器的基本结构，上部为侧视图，下部为俯视图，至少包含了半导体硅基底01以及硅基底表面的像素02以及包含于硅基底中的驱动电路03以及接口04，所述驱动电路03至少包含金属-氧化物半导体场效应晶体管和至少二层金属层；所述像素02在一个特定显示帧内的亮度由该像素在该显示帧内的输出电流或电压的幅值以及该像素在该显示帧内的输出电流或电压的时间占空比共同决定；所述显示帧包含了将特定显示区域内像素灰度信息通过所述接口04藉由所述驱动电路03传输至所述像素02的过程；所述特定显示帧进一步划分为若干子帧，所述子帧包含了将特定显示区域内像素灰度信息的特定子集通过所述接口04藉由所述驱动电路03传输至所述像素02的过程。所述驱动电路03包含了用于产生所述像素02在特定显示帧内的输出电流或电压的幅值以及该像素在该显示帧内的输出电流或电压的时间占空比的电路。

图2为所述硅基微显示器显示帧驱动波形图的一种示例，每个显示帧都包含了幅值驱动和占空比驱动两种驱动方式，驱动变量为电流或电压。

图3为所述硅基微显示器显示子帧驱动波形图的一种示例，四个显示子帧A、B、C、D分别为幅值驱动、占空比驱动、幅值驱动、占空比驱动，驱动变量为电流或电压。

图13为本发明的一个较佳实施例的硅基微显示器的驱动电路03的结构图。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

所述像素02藉由像素表层的发光物质05主动发光或者藉由像素表层的反射物质06对光源进行反射从而形成发光，所述发光物质05为一种藉由施加电流或电压而产生电致发光现象的物质，包括有机电致发光器件或发光二极管器件；所述反射物质06为一种藉由施加电流或电压而反射或透过光的物质，包括液晶。所述发光物质05与所述硅基微显示器的关系如图4所示，所述反射物质06与所述硅基微显示器的关系如图5所示。

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

所述驱动电路03包含像素单元电路10，所述像素单元电路10至少包含输出晶体管20和像素电极08，所述输出晶体管20通过导电通孔07输出电流或电压至像素电极08，所述像素电极08为像素02的阳极或阴极。所述像素单元电路10与所述硅基微显示器的关系如图6所示。

实施例四：

本实施例与实施例三基本相同，特别之处在于：

所述像素单元电路10还包含选通线51、数据线52和电容53，当选通线51为第一状态时，数据线52上的电压值存储至电容53上；当选通线51为第二状态时，电容53上保持选通线51最近一次为第一状态时的数据线52上的电压值。所述像素单元电路10的结构如图7和图8所示。

实施例五：

本实施例与实施例三基本相同，特别之处在于：

所述像素单元电路10还具有补偿功能，所述补偿功能包含了降低或消除不同像素电极08的输出电流或电压受输出晶体管20和发光物质05不一致性的影响，所述不一致性包含阈值电压、电子迁移率、等效电阻、等效电容、电流衰退、亮度衰退的不一致性。

实施例六：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

所述驱动电路03包含列驱动电路11，所述列驱动电路11至少包含D个可正向或反向移位的第一寄存器组21用于产生列数据信号13，所述列数据信号13用于驱动数据线52，每个所述第一寄存器组21包含M个首尾依次相连的第一触发器31，所述第一触发器31在时钟边沿锁存数据输出至相连的下一个第一触发器，D和M皆为大于或等于1的正整数。

所述第一触发器31通过暂存器32输出列数据信号13，所述暂存器32由更新信号54控制，当更新信号54为第一状态时，D*M个暂存器的输出信号分别更新为D*M个第一触发器的输出信号，当更新信号54为第二状态时，D*M个暂存器的输出信号保持不变。

所述列驱动电路11还至少包含M个电平转换器33，所述电平转换器33将所述列数据信号13的第一电平转换为第二电平，所述第二电平高于或低于第一电平。

所述列驱动电路11还包含若干数模转换器34，所述数模转换器34将列数据信号13由两位或两位以上的数字信号转变为模拟信号，所述数字信号仅有两种确定状态，所述模拟信号在给定范围内可连续变化，所述数模转换器34的种类包含电压按比例缩放型、二进制加权电阻型、R-2R梯形型、二进制电流源型、分段电流舵型。

每一个数模转换器34皆通过晶体管开关组22连接至X列像素，所述晶体管开关组22在同一时刻只有一个晶体管开关35有效，所述晶体管开关35由一个或多个金属-氧化物半导体场效应晶体管组成，X为大于等于1的整数。

每一个数模转换器34都连接至一个列驱动器36，所述列驱动器36用于增强列数据信号13的驱动能力，加快像素单元电路10的数据变化速度。

所述列驱动电路11的结构如图9所示。

实施例七：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

所述驱动电路03包含列驱动电路11，所述列驱动电路11至少包含D个可正向或反向移位的第一寄存器组21用于产生列数据信号13，所述列数据信号13用于驱动数据线52，每个所述第一寄存器组21包含M个首尾依次相连的第一触发器31，所述第一触发器31在时钟边沿锁存数据输出至相连的下一个第一触发器，D和M皆为大于或等于1的正整数。

所述第一触发器31通过暂存器32输出列数据信号13，所述暂存器32由更新信号54控制，当更新信号54为第一状态时，D*M个暂存器的输出信号分别更新为D*M个第一触发器的输出信号，当更新信号54为第二状态时，D*M个暂存器的输出信号保持不变。

所述列驱动电路11还至少包含M个电平转换器33，所述电平转换器33将所述列数据信号13的第一电平转换为第二电平，所述第二电平高于或低于第一电平。

每一个电平转换器33都连接至一个列驱动器36，所述列驱动器36用于增强列数据信号13的驱动能力，加快像素单元电路10的数据变化速度。

所述列驱动电路11还包含若干旁路器37，所述旁路器37用于使数模转换器34无效，列数据信号13输出为数字信号，每一个旁路器37分别连接至一个列驱动器36。

所述列驱动电路11的结构如图10所示。

实施例八：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

所述驱动电路03还包含行驱动电路12，所述行驱动电路12产生像素单元电路10的行选通信号14，所述行选通信号14用于驱动像素单元电路10的选通线51。

所述行驱动电路12包含译码器41，所述译码器41用于将编码后的输入信号译码，使某一个或几个行选通信号14有效。

所述行驱动电路12包含行驱动器43，所述行驱动器43用于增强行选通信号14的驱动能力，加快像素单元电路10的选通速度。

所述行驱动电路12的结构如图11所示。

实施例九：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

所述驱动电路03还包含行驱动电路12，所述行驱动电路12产生像素单元电路10的行选通信号14，所述行选通信号14用于驱动像素单元电路10的选通线51。

所述行驱动电路12至少包含一组可正向或反向移位的第二寄存器组23用于产生行选通信号14，所述第二寄存器组23包含R个首尾依次相连的第二触发器42，所述第二触发器42在时钟边沿锁存数据输出至相连的下一个第二触发器，R为大于或等于1的正整数。

所述行驱动电路12包含行驱动器43，所述行驱动器43用于增强行选通信号14的驱动能力，加快像素单元电路10的选通速度。

所述行驱动电路12的结构如图12所示。

实施例十：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

还包含像素单元电路10、列驱动电路11、行驱动电路12。所述列驱动电路11产生列数据信号13、行驱动电路12产生行选通信号14，所述列数据信号13和行选通信号14通过阵列的形式连接至像素单元电路10。

所述行驱动电路12的结构如图12所示。

实施例十一：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

所述接口04用于接受位平面信息并将其输入至驱动电路03，所述位平面为特定显示区域内像素灰阶数据具有相同比特位的数据集合，所述灰阶数据为表征像素发光亮度程度的数据，所述比特位为具有进位规则的权值，所述接受方式为并行数据信号或差分组信号。

实施例十二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

还包含了温度传感器和/或负压控制器，所述温度传感器用于测量电路的温度，所述负压控制器为一种DC-DC变换控制器，用于产生负电压，所述负电压为一种小于零电平的电压。

在其它实施例中，已以相对高层次描述了公知的方法、过程、系统、部件和/或电路，而没有细节，以避免不必要地模糊本公开的各方面。上述实施例阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解，但这仅是为清楚地说明本发明实施的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员而言，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，或没有这些细节也可实践本公开，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。