触摸敏感式显示器件的制作方法

专利名称：触摸敏感式显示器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种触摸敏感式显示器件，该器件包括多个图像元和用于驱动至少其中一个所述图像元的装置，连同用于监测至少其中一个所述图像元阻抗的装置。
显示器件例如是液晶显示器、或O(LED)显示器、或基于电致变色效应的显示器。对于液晶显示器而言，图像元的阻抗主要由电容性元件构成，而对于电致变色显示器和O(LED)显示器而言，特别在反偏置中，图像元的阻抗主要是阻性。
现已发现这种显示器件被广泛用于计算机工业中和从移动电话、价格标签到掌上电脑、管理器(organizer)的手持设备中。并且已发现与触摸装置如触针(stylus)的组合被广泛应用，并且感到也需要借助显示屏提供输入的其它方式。
USP 5777596描述了触摸敏感式液晶显示器件，该显示器件通过用手指、触针或触笔简单接触显示屏而将输入信息输入到相关设备(例如，计算机)。该器件连续地将液晶显示元件(图像元)的充电时间与参考值进行比较，采用比较结果来确定被触摸的元件。
在所述触摸敏感式液晶显示器件中的一个问题在于，在感测之后恢复正确的图像。这是由于以下事实，即采用闪烁线，其表示在两个极端状态之间的行中所有图像元的开关。当闪烁线到达某一行时，通过测量图像元的充电时间检测触摸。在测量之后，图像元被提供以充足的电压来显示正确图像。在USP 5777596中公开了以类似方式利用闪烁点来感测。
但在显示器上可以看到这种闪烁(假象)。
除了利用更复杂的电路之外，以这种方式的感测中，难以考虑到液晶显示性能方面的差别，例如，对于写奇数或偶数帧不同的反冲(kick back)。此外，如果采用反射式显示器件，可能存在内部DC偏压，因此对于写奇数或偶数帧的充电会不同。在DC驱动方法(低功率液晶显示器，电泳)中，不发生颠倒，因此根本不能使用该方法。
本发明的其中一个目的是克服这些问题。
本发明的另一个目的是将更多的功能引入到触摸敏感式液晶显示器件中。
为此，根据本发明的触摸敏感式显示器件提供用于实质上监测至少其中一个所述图像元的阻抗，并同时地感测所述阻抗中的变化的装置。事实上，本发明提供一种非交互式测量的方法；该测量方法不会干扰向图像元提供驱动电压。
这不仅克服了提供闪烁信号的问题，而且提供了触摸感测的新的可能性，例如i)感测在显示屏上不同位置的触摸输入ii)使部分显示屏对于感测触摸禁用这两种可能性在计算机和无线通讯领域都提供了很多优点。
在显示屏的不同位置处基本上同时地感测触摸输入提供了例如检测在显示屏的不同位置上手指或触笔按压的可能性。这在例如平板屏幕(计算机)设备中是有用的项目，其中键盘功能已经实现为在屏幕上的触摸功能。例如，可以检测出CRTL、ALT和DEL按下的同时触摸；类似地，在例如绘画程序中，用笔在两点上的同时触摸可即刻显示为直线，而同时通过第三次触摸(区域)，此线可接收特定的曲率或影线等。其它用途例如是博奕，或者是使无论用户还是服务提供者或服务接收者都能够启用或禁用一部分触摸屏的特征。例如经由互连网获取的数据输入可防止由未被授权的用户干扰特定部分(显示标识)或使特定菜单栏失效。
另一方面，使部分显示屏对于触摸敏感禁用可以用在蜂窝式电话中，防止读出受到干扰。
通过测量电压变化或频率变化，可进行自身的感测。
在单个图像元中阻抗的变化，例如在液晶显示器中的像素电容，通常远远小于其它像素的总电容(在被动矩阵显示器中)，或者在列和行中跨接和杂散电容的总电容(在主动矩阵显示器中)。这降低了触摸式传感器的灵敏度。在主动矩阵液晶显示器(AMLCD)中，这种总电容一般比像素电容高10-100倍-在被动矩阵显示器中此倍数甚至更高。
根据本发明的一种解决方案是保证在同一时刻感测沿着列(或行)的多个像素。在这种情况下，触摸信号随着被感测的像素数量而增加，同时背景阻抗保持恒定。以此方式，信噪比增加。
为此，根据本发明的触摸敏感式显示器件的第一实施例提供了用于监测至少一行图像元的阻抗(电容)的装置，而在第二实施例中，用于监测阻抗的装置至少监测一列图像元的阻抗(电容)。此外，监测一块图像元的阻抗也是可行的。
在触摸敏感式显示器件的优选实施例中，用于监测阻抗(电容)的装置包括用于将图像元的阻抗(电容)与参考值进行比较的装置。
所述参考值可以是固定值，但优选通过具有在液晶图像元过渡区之外的电压的所述图像元的阻抗(电容)值来确定。另一方面，其可以根据动力学基础确定，在这种情况下，用于比较阻抗(电容)的装置包括确定参考值的装置。
参考下面描述的实施例解释本发明，根据以下的描述本发明这些和其它方案更为显而易见。
图中

图1示意性表示液晶器件，图2表示液晶器件的电压传输曲线，图3表示根据本发明的触摸敏感式液晶器件的一部分的第一实施例，而图4、5、6表示根据本发明的触摸敏感式液晶器件的一部分的其它实施例。这些图是示意性的，不限定范围。相应的元件通常由相同的参考标记表示。
图1是可应用本发明的显示器件1的一部分的等效电路图。它包括在一种称作“被动模式”的驱动模式中，通过行或选择电极7与列或数据电极6的交叉区域限定的像素8的矩阵。借助行驱动器4连续选择行电极，而列电极利用数据寄存器5被提供以数据。至此，如果需要的话，首先在处理器3中处理输入数据2。在行驱动器4和数据寄存器5之间的互同步借助驱动线9发生。
在另一种称作“主动模式”的驱动模式中，来自行驱动器4的信号借助薄膜晶体管(TFT)10选择图像电极，薄膜晶体管10的栅电极电连接到行电极7、源电极电连接到列电极。将出现在列电极6的信号借助TFT传送到与漏电极相连的像素8的图像电极。其它图像电极连接到例如一个(或多个)共用反向电极。在图1中仅示出一个薄膜晶体管(TFT)10，简单作为示例。
图2表示液晶器件的电压传输曲线。已知在多个种LC效应中，液晶的介电常数随着像素电压而变化。这样在电压Vth处，在此情况下传输开始降低并例如达到90％的水平，像素在正常(未触摸)情况下具有电容Cth。在电压Vsat时的相同情况下，在这种情况下传输例如已经到达10％的水平，像素在正常(未触摸)情况下具有电容Csat。这些值优选用作参考值，以检测在引起液晶层厚度变化的像素触摸(按压)之后变化的测量结果。通过基于电润湿的显示器件和基于电泳的某些显示器件表示出类似的电压传输曲线。
通常来说，一个像素的像素电容被在列和行中的其它像素的电容(在被动矩阵中)、跨接和杂散电容(主动矩阵)所遮蔽。这降低了灵敏度。
对此的一种解决方案是确保同时感测沿着列6(或行7)的多个像素。在这种情况下，触摸信号随被感测的像素数量而增加，同时背景电容保持恒定。以此方式，信噪比增加。在优选实施例中，触摸敏感步骤包括同时寻址的多个行7(主动矩阵)，或者被连接以增大触摸信号的多个列8。
在图3的实施例中，键盘、在触摸敏感式显示部分11中的绝大多数像素处于限定状态(背景像素)，例如白色液晶显示像素，这些像素在它们的阈值电压Vth(或阈值电压Vth以下)具有已知电容。在此实例(被动LCD)键盘中，仅少数像素是暗像素，即数字本身，并具有更高的电容，而大部分是白色背景像素。尤其是，多个行22和列23(在该数字之间的那些)完全包括背景像素，在该数字之间的若干个像素块24被附着到不存在暗像素的行和列中。
在这些器件中，这些背景像素块可用于触摸感测，其中，例如在两帧之间的消隐时间内进行触摸敏感。例如，如果在显示器的顶部四分之一12a中、驱动感测像素块和列的所有行驱动像素用于直接感测像素电容，当在这些列中的感测像素的LC极性颠倒时(即，从-Vth至Vth)，则能够检测沿列块流动的电荷。在颠倒期间的标准电荷是
Q标称＝2×Vth×C总(1)C总为在显示器的顶部四分之一中的感测像素块的电容。在通过触摸显示器而将电容改变(无论压强还是杂散电容)的任意感测像素块中，电容随C触摸增加。
Q触摸＝2×Vth×(C总+C触摸) (2)通过将其与已知的Q标称值进行比较，例如可以通过测量充电电流，即阻抗(电容)之差来确定显示器是否在顶部数字组中被触摸。
随后，激活行的三个剩余块12b、12c、12d，触摸感测继续进行直至显示器被完全扫描。
类似的推理应用于主动矩阵LCD，其中充电电流流过地址TFT。
在感测的过程中，其中呈现数据(即，键盘上的数字)的暗像素从不被寻址，这样它们将保持它们的灰度值(在消隐期间)。但在图3的例子中，用于提供图像的行和列的组可完全地与进行触摸感测的那些行和列的组分离。在这种情况下，可以在帧周期的过程中进行触摸感测操作。例如，如果键盘(或菜单)数据以低帧速率、低功率模式(例如，在5Hz或更低的更新速率)下呈现，那么仍旧可以以高得多的频率进行触摸感测。这造成更迅速的触摸响应，而没有由于等待在两帧之间的下一个消隐期间的延迟。在优选实施例中，可以在一个帧时间内结合若干个触摸测量周期。在一个帧时间内若干个触摸测量周期的使用改善了系统的可靠性。
在更复杂的显示器(监视器，电子游戏机)中，能够在所有或大部分显示器活动的同时进行触摸感测是非常有利的。这表明多个像素处于不同的(和变化的)电压，因此具有不同的电容。为了能够检测在这种器件中的参考值，再一次考虑类似的方法，但采用场存储器。通过信号处理，例如通过将来自每个像素的单独电荷加在一起，确定感测区域的所需标称电容。
Q标称＝∑(2×V1c×C像素) (3)现在，采用查找表(或类似器件)确定在给定像素电压(温度、帧时间等)下的C像素。在通过触摸显示器而将电容改变的任意感测像素块中(无论是压强还是杂散电容)，电容再一次随C触摸增加，导致Q触摸＝∑(2×V1c×(C像素+C触摸)) (4)同样，通过比较算出的标称电荷并测量对于显示像素块的充电电流，可以确定触摸位置。
一般来说，一个电流放大器现在将用于在需要触摸感测的列中同时地感测像素，这将不再可能通过对多行进行寻址而同时地探测多个像素。
在另一实施例中，具有相同标称电容的(例如，在最低像素电压Vth下的所有像素)和相应的已知电容的像素(或像素块)用作参考。现在仅利用这些像素，并将测出的像素电容与在等式(1)中定义的已知标称值进行比较，从而进行触摸感测。但在此方法中，触摸敏感的触摸位置根据图像内容动态地变化。
作为选择，采用复位以便在进行触摸传感器操作之前将像素驱动至预定电容。然后如上所述，参考已知的标称电容值进行检测(利用等式(1)和(2))。特别是在采用脉冲式背景光的LCD显示器中(LCD TV和示出视频的其它多媒体应用)，可以在脉冲之间的暗周期内执行复位功能，并在不使图像失真的条件下进行触摸感测。
在另一种方法中，可采用扫描复位功能，从而将像素复位至预定电容，并正好在像素被重新寻址之前进行触摸感测测量。
在LCD应用中，优选复位到高电压(例如，黑色)，因为LC响应时间在高电压更短。这意味着LC将更快地达到其最终电容，能够以更高的帧速率进行触摸感测。此外，LC电容在某个电压之上较少地变化(电容/电压曲线在更高的电压下较不陡斜)，因而没有完全达到其复位电容的任何像素仅造成小的误差。
在另一实施例中，在显示器内的虚设像素仅用于触摸感测，不用于显示信息。这些像素具有已知的电容，并且感测能够如上所述再次进行。如果这些像素设置在例如显示器的边缘，那么由这些专用像素的存在造成的图像失真就具有最小的感知影响。另一方面，这些像素可以按照块(或者甚至更大的段)的形式排列，并围绕显示器分布。然后采用这些传感器(其中几个)的输出来确定触摸输入的位置。
在此实施例的变形中，将这些专用触摸传感器像素在显示器内以规则间隔排列。但这会造成横跨显示器上的明显的(暗)像素图形。为了避免这种情况，通过从一帧至另一帧改变它们的位置，所述触摸传感器像素(的块)的动态确定将有效防止这些像素被人眼识别。
按照类似方式，在主动矩阵显示器(基于TFT晶体管作为开关元件)中，在行线和反向电极之间的杂散电容的变化可用于触摸的检测。所具有的优点在于，在行和反向电极之间的杂散电容是由在反向电极电压和行(关)电压之差确定的固定值，不受像素电压的影响。
图4表示移位寄存器4的输出7’，其通过开关13连接到行选择线7。行选择线7还连接到感测电路14，其包括向差分放大器15的第一输入，所述差分放大器15具有在所述输入和其输出之间的电阻器16。在本实例中另一输入接地。
C像素的变化会产生Vp的变化，在节点17处Vx的输出可表示为 由于C＝Q/V，如下dCdt=-QV2dVdt]]>因此，Vx的表达式可写为 当在触摸屏上施加力时该信号增加。如果行驱动器的输出阻抗足够高以便不干扰此测量，则可省去开关13。另一方面，如果需要，可采用附加开关18，其仅对于行7的非选择期间进行测量时关闭(然后可以打开开关13)。
由于如图4所示的检测电路能够与任何行(和/或列)相关联，因此在整个显示区域上图像元(块)的连续同时触摸检测是可行的。正如在引言部分中描述的那样，这提供了应用于在计算机和无线通讯领域中的部件的可能，像同时检测的功能和选择性地激活部分显示屏。
在图5的实例中，像素电容(其可包括存储电容)的变化通过测量电路的振荡频率而直接测出，由R×C像素给出。为了确定屏幕是否被触摸，测量在包括放大器15和电阻器R、R1(16，16’)的电路的振荡频率偏移就足够了。借助频率测量装置19，例如利用滤波器以检测频率的增加，从而确定在输出端20的所述偏移。
图6最终示出图像电极如何结合到典型的扩音器电路中。处于其不受干扰状态下的像素具有电压差(V1-V2)，由此具有沉积在电容器板(像素)各侧上的电荷。通过施加压力对像素的扰动造成其电容的变化。这造成电流I1和I2从像素电极的两侧流过。两种所述电流幅度相等，导致在电路中的两个R1电阻16’上产生类似电压降。因为两个放大器15仅测量由于阻塞电容器21(C)造成的在R1上的电压变化，因此电路输出20，20’理想地提供相同的电压信号，即， 虽然到此为止的实施例涉及了液晶显示器件，其中阻抗的电容部分一般主要受触摸感测影响，并主要描述了电压测量，但是类似的方式也可应用于其中阻抗的电阻部分一般主要受触摸感测影响的显示器件，并采用基于电流测量的检测方法。
因此本发明的保护范围不限于所描述的实施例，本发明还可以应用于其它显示器件，例如，(O)LED显示器、电泳显示器、电致变色显示器、等离子体显示器以及基于例如场发射电润湿等的其它显示器件。
作为选择，(可佩戴显示器、可佩戴电子器件)可采用挠性基板(合成材料)。
本发明在于每一个新颖性特征和这些新颖性特征的每一种组合。在权利要求书中的参考标记不限于它们的保护范围。动词“包括”和其同义词的采用不排除除在权利要求书中描述的那些元件之外的其它元件。在元件前冠词“一”或“一个”的使用不排除多个这种元件存在的情况。
权利要求
1.一种触摸敏感式显示器件，包括多个图像元和用于驱动至少其中一个所述图像元的装置，连同用于监测至少其中一个所述图像元的阻抗并基本上同时地感测所述阻抗的变化的装置。
2.根据权利要求1所述的触摸敏感式显示器件，其中用于感测所述阻抗变化的装置测量电容的变化。
3.根据权利要求1所述的触摸敏感式显示器件，其中用于感测所述阻抗变化的装置基本上同时地测量不同组图像元的阻抗。
4.根据权利要求1所述的触摸敏感式显示器件，其中用于感测所述阻抗变化的装置测量电压的变化。
5.根据权利要求1所述的触摸敏感式显示器件，其中用于感测所述阻抗变化的装置测量电流的变化。
6.根据权利要求1所述的触摸敏感式显示器件，其中用于感测所述阻抗变化的装置测量频率的变化。
7.根据权利要求1所述的触摸敏感式显示器件，其中用于监测阻抗的装置监测至少其中一行图像元。
8.根据权利要求1所述的触摸敏感式显示器件，其中用于监测阻抗的装置监测至少其中一列图像元。
9.根据权利要求1所述的触摸敏感式显示器件，其中用于监测阻抗的装置监测图像元块。
10.根据权利要求1所述的触摸敏感式显示器件，其中用于监测阻抗的装置包括用于将图像元的阻抗与参考值进行比较的装置。
11.根据权利要求10所述的触摸敏感式显示器件，其中图像元包括液晶图像元，通过具有在液晶图像元的过渡区之外的电压的所述液晶图像元的阻抗值来确定参考值。
12.根据权利要求10所述的触摸敏感式显示器件，其中通过虚设液晶图像元的阻抗值确定参考值。
13.根据权利要求10所述的触摸敏感式显示器件，其中用于比较阻抗的装置包括确定参考值的装置。
14.根据权利要求4所述的触摸敏感式显示器件，其中用于测量电压变化的装置包括至少一个放大器。
15.根据权利要求4所述的触摸敏感式显示器件，其中用于测量电压变化的装置包括扩音器检测电路。
全文摘要
在触摸传感器中，通过直接感测区域(被动矩阵)或通过与感测区域相关联的地址晶体管(AMLCD)来测量像素阻抗的变化。
文档编号G02F1/133GK1643488SQ03806027
公开日2005年7月20日 申请日期2003年2月14日 优先权日2002年3月15日
发明者M·T·约翰逊, G·J·A·德斯图拉, R·M·亚尔特斯, A·G·克纳普, S·R·马什, M·H·W·M·范德登 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司