触控感测单元及具有该触控感测单元的面板的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种触控感测单元及具有该触控感测单元的面板，该种触控感测装置包含一感应电极、一开关元件、及一升压及放电单元。感应电极用于感应一外部物体的触碰。开关元件连接至该感应电极，以产生一感应电压。升压及放电单元连接至该感应电极及该开关元件，以对该感应电极进行放电，或是提升该感应电极电压。
【专利说明】触控感测单元及具有该触控感测单元的面板
【技术领域】
[0001]本发明是关于触控面板的【技术领域】，尤指ー种触控感测单元及具有该触控感测单元的面板。
【背景技术】
[0002]图1是ー现有触控感测装置100的电路图。现有触控感测装置100是由ー预充晶体管(pre-charge transistor) 110、一感应电极(detection electrode) 120、一放大晶体管(amplifier transistor) 130、一读出晶体管(read transistor) 140、一率禹合电容(coupling capacitor) 150、一预充线(pre-charge line) 160、一稱合脉冲线(couplingpulse line) 170、及一读取线(read line) 180 所组成。
[0003]该触控感测装置100利用手指接触一玻璃表面或是靠近该触控感测装置100，会在手指与该感应电极120之间产生一手指电容Cf，该手指电容Cf并非是一个实体的电容，其表示手指与该感应电极120之间的感应电容。
[0004]图2是该现有触控感测装置100感测时的电压示意图。其中，n0表示耦合脉冲线170上的电压，nl表示感应电极120上的电压。在进行感测前，预充晶体管110开启，预充线160可经由预充晶体管110而将感应电极120的电压设置为ー预充电压Vpre。或是预充晶体管110开启，以让感应电极120放电。
[0005]于进行感测时，预充晶体管110及放大晶体管130均关闭，同时，在耦合脉冲线170上产生ー振幅为Va的脉冲。由于预充晶体管110及放大晶体管130均关闭及耦合电容150的耦合效应，感应电极120上也会产生ー振幅为Va的脉冲。当没有手指接触一玻璃表面或是靠近该触控感测装置100吋，感应电极120上的电压与耦合脉冲线170上的电压相近。此时感应电极 120 上的电压 Va 为(Vgh-Vgl) X {(Cc+Cs2) + (Cc+Csl+Cs2)}+Vpre,当中，Vgh为脉冲的高电平，Vgl为脉冲的低电平，Vpre为预充电压的电平，Ce为耦合电容150的电容值，Cf为手指电容的电容值，Csl为预充晶体管110的电容值，Cs2为放大晶体管130的电容值。
[0006]而当手指接触一玻璃表面或是靠近该该触控感测装置100吋，会在手指与该感应电极120之间产生一手指电容Cf。由于手指电容Cf的关系，会使感应电极120上的电压下降。此时感应电极 120 上的电压 Va'为(Vgh-Vgl) X {(Cc+Cs2) + (Cc+Csl+Cs2+Cf)}+Vpr
eD
[0007]因此,没有手指靠近与有手指靠近时的电压差dVet为:
[0008]dVet = Va-Va;
[0009](I)
[0010]= (Vgh-Vgl)X {Cf X (Cc+Cs2) + [(Cc+Csl+Cs2+Cf)X (Cc+Csl+Cs2)]}
[0011]图3是该现有触控感测装置100感测时电压的仿真示意图。当手指电容的电容值Cf为IOfF时，电压差dVdet约为90mV。因此手指电容的电容值Cf越大，则触控感测装置100的敏感程度越高。然而实际上，当触控感测装置100整合至一液晶显示面板时，设计上考虑到晶显开ロ率与面板晶显的分辨率视觉感受，实际上可行的感应电极120无法很大，也就是手指电容的电容值Cf约小于或等于IfF，而通常预充晶体管110或放大晶体管130的Cgds电容值约为数十fF，因此触控感测装置100会有敏感度不足的缺点。因此，现有触控感测単元的技术仍有改善的空间。
【发明内容】
[0012]本发明的主要目的在于提供一种触控感测单元及具有该触控感测单元的面板，以有效地提高所侦测触控位置的准确度。
[0013]本发明的另一目的在于提供一种触控感测单元及具有该触控感测单元的面板，具有较简单的硬件架构，当本发明的触控感测単元整合至LCD面板中时，具有较高开ロ率与优良率的优点。
[0014]依据本发明的一特色，本发明提出ー种触控感测装置，其包含ー感应电极、一开关元件、及一升压及放电单元(boosting/discharging unit)。该感应电极用于感应一外部物体的触碰。该开关元件连接至该感应电极，以产生ー感应电压。该升压及放电单元连接至该感应电极及该开关元件，以对该感应电极进行放电，或是提升该感应电极电压。
[0015]依据本发明的另ー特色，本发明提出ー种具有触控感测装置的显示面板，其包括多个显示扫描线、多个触碰感测扫描线、多个数据线、多个像素电极、多个薄膜晶体管、及多个触控感测装置。该多个显示扫描线依据一第一方向设置。该多个触碰感测扫描线依据该第一方向设置。该多个数据线其依据ー第二方向设置。该多个薄膜晶体管的每ー薄膜晶体管的栅极连接至该多个显示扫描线中对应的ー显示扫描线，源极连接至该多个数据线中对应的ー数据线，漏极连接至该多个像素电极中对应的一像素电极。该多个触控感测装置的每ー触控感测装置的一端连接至该多个触碰感测扫描线中对应的一触碰感测扫描线，另ー端连接至该多个数据线中对应的一数据线。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为ー现有触控感测装置的电路图。
[0017]图2为该现有触控感测装置感测时的电压示意图。
[0018]图3为该现有触控感测装置感测时电压的仿真示意图。
[0019]图4为本发明一种触控感测单元的示意图。
[0020]图5为本发明触控感测单元的ー实施例的电路图。
[0021]图6及图7为本发明图5的等效电路图。
[0022]图8为本发明感测控制信号的示意图。
[0023]图9为本发明触控感测单元感测时电压的仿真示意图。
[0024]图10为本发明触控感测单元的另ー实施例的电路图。
[0025]图11为本发明触控感测单元的又ー实施例的电路图。
[0026]图12为现有技术测量的电压的示意图。
[0027]图13为本发明测量的电压的示意图。
[0028]图14为本发明另ー测量的电压的示意图。
[0029]图15为本发明ー种具有触控感测装置的显示面板的示意图。[0030] 【主要元件符元说明】
[0031]触控感测装置100;
[0032]预充晶体管110;感应电极120;
[0033]放大晶体管130;读出晶体管140;
[0034]耦合电容150 ；预充线160 ；
[0035]耦合脉冲线170 ；读取线180 ；
[0036]手指电容Cf ;节点n0、nl ;
[0037]触控感测单元400 ；
[0038]感应电极410;开关元件420
[0039]升压及放电单元430;感测控制信号源440
[0040]二极管导通431;电容432;
[0041]第三MOS晶体管433 ；电容434 ；
[0042]具有触控感测装置的显示面板1500 ；
[0043]多个显示扫描线1510 ；多个触碰感测扫描线1520 ；
[0044]多个数据线1530 ;多个像素电极1540;
[0045]多个触控感测装置400 ；
【具体实施方式】
[0046]图4为本发明一种触控感测单元400的示意图，该触控感测单元400包括有ー感应电极410、一开关元件420、一升压及放电单元(boosting/discharging unit) 430及一感测控制信号源440。
[0047]该感应电极410用于感应一外部物体的触碰。
[0048]该开关元件420连接至该感应电极，以产生ー感应电压。该开关元件420为ー第一 MOS晶体管420，其栅极连接至该感应电极410。
[0049]该升压及放电单元(boosting/discharging unit)430连接至该感应电极410及该开关元件420，以对该感应电极410进行放电，或是提升该感应电极410电压。
[0050]该感测控制信号源440连接于该开关元件420，以提供一放电參考电压，或者ー感测參考电压。其中该放电參考电压的电压电平小于该感测參考电压。
[0051]图5为本发明触控感测单元400的ー实施例的电路图。如图5所示，该升压及放电装置430为一第二 MOS晶体管430,并连接成二极管形式(diode-connected)。该第二 MOS晶体管430的栅极及漏极连接至该感应电极410，其源极连接至该开关元件420及接收ー感测控制信号touch_scan。
[0052]图6及图7为本发明图5的等效电路图。图8为本发明感测控制信号touch_scan的示意图。该感测控制信号touch_SCan可以为ー低电位或者为一高电位，其中该低电位的电压电平小于该高电位的电压电平。其中，图6为该感测控制信号为ー低电位吋，图5的等效电路图。图1为该感测控制信号为一高电位吋，图5的等效电路图。
[0053]如图6所示，该感测控制信号touch_scan为ー低电位时，该第二 MOS晶体管430如二极管般导通，以让该感应电极410放电，该第二 MOS晶体管430作用如一二极管。
[0054]如图7所示，该感测控制信号touch_scan为一高电位时，该第二 MOS晶体管430关闭，并通过电容耦合效应，提升该感应电极410的电位，该第二 MOS晶体管430作用如关闭的二极管，提供反向时的电容。
[0055]如图8所示，在时段Tl时，该感测控制信号touch_scan为低电位，该感测控制信号touch_scan可视为一重置状态。以将节点nl电位重置于ー电位Vgl+Vt (diode),其中Vgl为该感测控制信号touch_SCan的低电平，该第二 MOS晶体管430如二极管一般，因此该第二 MOS晶体管430的门限电压(the threshold voltage)则以Vt(diode)表示。
[0056]在时段T2时，该感测控制信号touch_scan为高电位,该感测控制信号touch_scan可视为ー感测状态。该感测控制信号touch_scan由低电平Vgl转高电平Vgh。节点nl的相关电容有该第二 MOS晶体管430的栅极与漏极间的电容Cgdl、第一 MOS晶体管420的栅极与漏极间的电容Cgd2、及手指接触玻璃表面时产生的手指电容Cf。因此节点nl的电压可表不为:
[0057](Vgh-Vgl)X[(Cgdl+Cgd2)/(Cgdl+Cgd2+Cf)]+Vgl+Vt(diode)。
[0058]当没有手指接触时，手指电容Cf为0，因此此时节点nl的电压可表示为Vgh+Vt(diode)。
[0059]因此有无手指接触时，节点nl电压差可表示为:
[0060](Vgh-Vgl) X [Cf/(Cgdl+Cgd2+Cf)](2)
[0061]由公式(2)可以得知，实际设计上本发明可以通过调整Cf与Cgdl+Cgd2的比例得到想要的电压差值。进ー步地，通过测量手指接触前后，第一 MOS晶体管420流过的电流差异，即可由系统端判断是否有无手指接触。另外比较公式⑴与公式⑵可知，现有电路中，电压差dVet为:
[0062]dVet = A VX {CfX (Cc+cs2) + [ (Cc+Csl+Cs2+Cf) X (Cc+Csl+Cs2) ]}，
[0063]其中A V = (Vgh-Vgl)。而本发明中，电压差dVet为:
[0064]dVet = AVX [Cf/(Cgdl+Cgd2+Cf)]。
[0065]在实际中，手指电容Cf约为IfF，而MOS晶体管420、430的栅极与漏极间的电容Cgdl、Cgd2大于手指电容Cf ー个数量级，约为数十fF。因此比较公式(1)与公式(2)可以了解，在现有电路中，晶体管的栅极与漏极间的电容Cgd的影响比本发明大，因此现有电路对于手指电容Cf的敏感度会比本发明电路差。
[0066]利用相同模拟条件Vgh = 10V、Vgl = -5V、Cgdl = 0.02pF、Cgd2 = 0.02pF、晶体管的宽度长度比(W/L)为20/10的条件下，使用Spice进行模拟。图9为本发明触控感测単元400感测时电压的仿真示意图。比较图3及图9可知，现有电路需至手指电容Cf需为IOfF时才有90mV的电压变化，而本发明在手指电容Cf为IfF时，即有900mV的电压变化。也就是本发明的电路可比现有技术具有更好的灵敏度，更可准确地进行触碰侦測。
[0067]图10为本发明触控感测单元400的另ー实施例的电路图。其中，该升压及放电单元430为一二极管431，该二极管431的阳极端(anode)连接至该感应电极410，其阴极端(cathode)连接至该开关元件420及接收ー感测控制信号touch_scan。该感测控制信号touch_scan可以为一低电位或者为一高电位，其中该低电位的电压电平小于该高电位的电压电平。
[0068]当该感测控制信号touch_scan为ー低电位时,该二极管导通431,以让该感应电极410放电。当该感测控制信号touch_scan为一高电位时,该二极管431关闭，并通过电容耦合效应，以提升该感应电极410的电位。该电容可视为该ニ极管431关闭时的空乏(或接_ )电容(Depletion or Junction Capacitance)。
[0069]该升压及放电单元430还包含一两端连接于ニ极管431的阳极端及阴极端的电容432,以让该ニ极管431关闭时,该感应电极410与该感测控制信号touch_scan之间的电容值增加。其作用原理与图5相同，不再赘述。
[0070]图11为本发明触控感测单元400的又ー实施例的电路图。该升压及放电单元430是由ー第三MOS晶体管433及ー电容434所组成，该第三MOS晶体管433及该电容434连接至该感应电极410及该开关元件420。其中，该开关元件420是第一 MOS晶体管420，该第三MOS晶体管433的栅极接收一重置信号(B)，其漏极连接至该感应电极410，其源极连接至该开关元件420,该电容434的一端连接至该感应电极410,其另一端连接至该开关元件420及接收ー感测控制信号touch_scan。该感测控制信号touch_scan可以为ー低电位或者为一高电位，其中该低电位的电压电平小于该高电位的电压电平。
[0071]当该感测控制信号touch_scan为ー低电位且该重置信号B使能该第三MOS晶体管433时，该第三MOS晶体管433导通，以让该感应电极410经由该第三MOS晶体管433及该第一 MOS晶体管420放电。当该感测控制信号touch_SCan为高电位且该重置信号B禁能该第三MOS晶体管433吋，该第三MOS晶体管433关闭，该感测控制信号touch_SCan经由该电容434，提升该感应电极410的电位。其作用原理与图5相同，不再赘述。
[0072]图12为现有技术测量的电压的示意图，其使用示波器对图1的电路测量其电压，图12左边图是没有手指接近时所量到的电压，图12右边图是有手指接近时所量到的电压。
[0073]图13为本发明测量的电压的示意图，其使用示波器对图5的电路测量其电压，图13左边图是没有手指接近时所量到的电压，图13右边图是有手指接近时所量到的电压。
[0074]图14为本发明另ー测量的电压的示意图，其使用示波器对图10的电路测量其电压，图14左边图是没有手指接近时所量到的电压，图14右边图是有手指接近时所量到的电压。
[0075]由图12、图13、图14可知，本发明的电路在有无手指接近时，节点nl的电压差远比现有技术中节点nl的电压差为大，也就是本发明技术较能感测是否有手指接近。
[0076]图15为本发明一种具有触控感测装置的显不面板1500的不意图,其包括:多个显示扫描线1510、多个触碰感测扫描线1520、多个数据线1530、多个像素1540、多个触控感测装置400。
[0077]该多个显不扫描线1510依据ー第一方向设置(X方向)。该多个触碰感测扫描线1520依据该第一方向设置。该多个数据线1530依据ー第二方向设置(Y方向)。其中，第一方向垂直该第二方向。
[0078]多个像素1540连接至该多个显示扫描线1510以及该多个数据线1530。
[0079]该多个触控感测装置400的每ー触控感测装置的一端连接至该多个触碰感测扫描线中对应的ー触碰感测扫描线，另一端连接至该多个数据线中对应的一数据线。
[0080]该多个触控感测装置400具有ー感应电极410、一开关元件420、一升压及放电单元(boosting/discharging unit)430、及一感测控制信号源 440。
[0081]该感应电极410用于感应一外部物体的触碰。该开关兀件420为一第一 MOS晶体管，其栅极连接至该感应电极410，其漏极连接至该多个触碰感测扫描线中对应的该触碰感测扫描线，其源极连接至该多个数据线中对应的该数据线。
[0082]该升压及放电单元(boosting/discharging unit)430连接至该感应电极410及该多个触碰感测扫描线中对应的该触碰感测扫描线，以对该感应电极进行放电，或是提升该感应电极电压。该感测控制信号源440连接于该开关元件420，以提供一放电參考电压，或者ー感测參考电压。其中，该放电參考电压的电压电平小于该感测參考电压。
[0083]经由在面板内设计以本发明电路为基础的感应阵列(sensor array),并经由感应阵列的电路的动作，即可侦测手指所在位置。
[0084]由前述说明可知，本发明利用晶体管本身的电容Cgd、Cgs作为耦合电容，不需要在电路中设计I禹合电容(coupling capacitor) 150,并可将现有电路中的f禹合电容(couplingcapacitor) 150、读出晶体管(read transistor) 140整合为一个第一 MOS晶体管420,将现有电路中预充晶体管(pre-charge transistor) 110、预充线(pre-charge line) 160及预充线(pre-charge line) 160 整合为升压及放电单兀(boosting/discharging unit)430o 现有电路架构需要三个晶体管及ー个耦合电容，而本发明的电路架构只需要ニ个晶体管且无需耦合电容，因此本发明的触控感测单元400整合至LCD面板中吋，因此具有较高开ロ率与优良率的优点。
[0085]同时，现有电路手指电容的电容值Cf为IOfF时，电压差只有90mV，而本发明手指电容的电容值Cf为IfF吋，电压差就有900mV的表现，比现有电路具有更好的灵敏度。
[0086]由上述可知，本发明无论就目的、手段及功效，均显示其迥异于现有技术的特征，极具实用价值。只是应注意的是，上述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求所述为准，而非仅限于上述实施例。
【权利要求】
1.ー种触控感测装置，其包含: 一感应电极，用于感应一外部物体的触碰； 一开关元件，连接至该感应电极，以产生ー感应电压；以及 一升压及放电单元，连接至该感应电极及该开关元件，以对该感应电极进行放电，或是提升该感应电极电压。
2.根据权利要求1所述的触控感测装置，其中，该开关元件为ー第一MOS晶体管，其栅极连接至该感应电极。
3.根据权利要求2所述的触控感测装置，还包括， 一感测控制信号源，连接于该开关元件，以提供一放电參考电压，或者ー感测參考电压； 其中该放电參考电压的电压电平小于该感测參考电压。
4.根据权利要求2所述的触控感测装置，其中，该升压及放电装置为ー第二MOS晶体管，并连接成二极管形式。
5.根据权 利要求4所述的触控感测装置，其中，该第二MOS晶体管的栅极及漏极连接至该感应电极，其源极连接至该开关元件及接收ー感测控制信号； 该感测控制信号为ー低电位或者为一高电位，其中该低电位的电压电平小于该高电位的电压电平。
6.根据权利要求5所述的触控感测装置，其中，该感测控制信号为该低电位时，该第二MOS晶体管导通，以让该感应电极放电。
7.根据权利要求6所述的触控感测装置，其中，该感测控制信号为该高电位时，该第二MOS晶体管关闭，并通过电容耦合效应提升该感应电极的电位。
8.根据权利要求2所述的触控感测装置，其中，该升压及放电单元为一二极管。
9.根据权利要求8所述的触控感测装置，其中，该二极管的阳极端连接至该感应电极，其阴极端连接至该开关元件及接收ー感测控制信号； 该感测控制信号为ー低电位或者为一高电位，其中该低电位的电压电平小于该高电位的电压电平。
10.根据权利要求9所述的触控感测装置，其中，该感测控制信号为该低电位时，该二极管导通，以让该感应电极放电。
11.根据权利要求10所述的触控感测装置，其中，该感测控制信号为该高电位时，该二极管关闭，并通过电容耦合效应以提升该感应电极的电位。
12.根据权利要求2所述的触控感测装置，其中，该升压及放电单元由一第三MOS晶体管及ー电容所组成，该第三MOS晶体管及该电容连接至该感应电极及该开关元件。
13.根据权利要求12所述的触控感测装置，其中，该第三MOS晶体管的栅极接收一重置信号，其漏极连接至该感应电极，其源极连接至该开关元件，该电容的一端连接至该感应电极，其另一端连接至该开关元件及接收ー感测控制信号； 该感测控制信号可以为ー低电位或者为一高电位，其中该低电位的电压电平小于该高电位的电压电平。
14.根据权利要求13所述的触控感测装置，其中，该感测控制信号为该低电位且该重置信号使能该第三MOS晶体管时，该第三MOS晶体管导通，以让该感应电极经由该第三MOS晶体管及该第一 MOS晶体管放电。
15.根据权利要求14所述的触控感测装置，其中，该感测控制信号为高电位且该重置信号禁能该第三MOS晶体管时，该第三MOS晶体管关闭，该感测控制信号经由该电容提升该感应电极的电位。
16.ー种具有触控感测装置的显示面板，其包括: 多个显示扫描线，其依据ー第一方向设置； 多个触碰感测扫描线，其依据该第一方向设置； 多个数据线，其依据ー第二方向设置； 多个像素，连接至该多个显示扫描线以及该多个数据线；以及多个触控感测装置，每ー触控感测装置的一端连接至该多个触碰感测扫描线中对应的一触碰感测扫描线，另一端连接至该多个数据线中对应的一数据线； 其中，该多个触控感测装置具有: 一感应电极，用于感应一外部物体的触碰； 一开关元件，该开关元件为ー第一 MOS晶体管，其栅极连接至该感应电极，其漏极连接至该多个触碰感测扫描线中对应的该触碰感测扫描线，其源极连接至该多个数据线中对应的该数据线；以及 一升压及放电单元，连接至该感应电极及该多个触碰感测扫描线中对应的该触碰感测扫描线，以对该感应电极进行放电，或是提升该感应电极电压。
17.根据权利要求16所述的面板，该多个触控感测装置还包括， 一感测控制信号源，连接于该开关元件，以提供一放电參考电压，或者ー感测參考电压； 其中该放电參考电压的 电压电平小于该感测參考电压。
【文档编号】G06F3/041GK103593077SQ201210288190
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年8月14日 优先权日:2012年8月14日
【发明者】郭鸿儒, 周政旭, 曾名骏 申请人:群康科技(深圳)有限公司, 奇美电子股份有限公司