專(zhuān)利名稱(chēng)：包含具有壓敏電容器的傳感器電路陣列的液晶裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶裝置，例如用于具有集成傳感器的有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)領(lǐng)域的液晶裝置。這樣的裝置可以用于感測(cè)液晶材料在顯示器發(fā)生機(jī)械變形時(shí)的電容變化以便基于該測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生觸摸面板功能。這樣的觸摸面板不僅提供有關(guān)觸摸輸入事件的位置的信息，而且提供通過(guò)機(jī)械變形與電容變化量相關(guān)的觸摸力的信息。
背景技術(shù)：
用于測(cè)量液晶電容的電路可以在薄膜多晶硅工序中制造，該薄膜多晶硅工序與AMIXD的TFT基板的制造過(guò)程中所使用的薄膜多晶硅工序兼容。在這樣的系統(tǒng)中，像素矩陣必須既包括傳感器元件又包括顯示器元件，并且傳感器信號(hào)是用于顯示器的同一液晶盒產(chǎn)生的。雖然在發(fā)生機(jī)械變形的傳感器方面合乎需要的是在液晶盒中引起較大且易于檢測(cè)的變化，但是這樣的較大變化會(huì)對(duì)顯示質(zhì)量造成有害影響。如圖1中所示，液晶顯示器(LCD)由兩個(gè)相對(duì)的基板形成，每個(gè)基板帶有透明導(dǎo)體構(gòu)成的圖案并且由注入有液晶材料的間隙隔開(kāi)。該間隙的距離(被稱(chēng)為盒間隙)由顯示器間隔物限定和保持。由相對(duì)的透明導(dǎo)體形成的每個(gè)唯一的電極對(duì)形成包含電容器的圖像元素(像素)，在所述電容器中，液晶材料形成電介質(zhì)材料。眾所周知的是，通過(guò)提供測(cè)量顯示區(qū)域內(nèi)的這些液晶電容器的值的裝置，可以在LCD內(nèi)形成觸摸面板。在這些裝置中，輸入物體(諸如手指或鐵筆)被用于對(duì)顯示器的表面施加壓力，從而導(dǎo)致液晶盒的機(jī)械變形。這種變形通過(guò)施加壓力的作用點(diǎn)區(qū)域中的盒間隙的變化、并且因此通過(guò)液晶電容值的變化來(lái)表征。對(duì)液晶電容的測(cè)量因此可以提供有關(guān)輸入物體的位置及其施加的壓力的信息。根據(jù)用于傳感器的電路技術(shù)，用于測(cè)量LCD內(nèi)的液晶電容的方法可以分成三類(lèi)無(wú)源矩陣、無(wú)源像素和有源像素。在例 如"Entry of data and command for an LCD by direct touch ；anintegrated LCD panel”(Tanaka等人，Proc. SID 1986)所公開(kāi)的并且如圖2中所示的無(wú)源矩陣裝置中，透明導(dǎo)體被圖案化為多行和多列。對(duì)各行(或各列)施加測(cè)試信號(hào)，并檢測(cè)作為響應(yīng)而在各列(或各行)上產(chǎn)生的信號(hào)以提供處于各行和各列的交點(diǎn)處的液晶電容的測(cè)量值。然而，這種配置的一個(gè)重大缺點(diǎn)在于各行和各列必須既被用于顯示功能又被用于感測(cè)功能。由于實(shí)現(xiàn)該雙重功能必需要采用分時(shí)技術(shù)，所以L(fǎng)CD顯示的圖像的質(zhì)量和電容測(cè)量的精確度會(huì)降低。一種備選的無(wú)源矩陣配置在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)US2007-0040814(2007年2月22日公布)中公開(kāi)并且在圖3中示出。在該配置中，盡管顯示器功能利用有源矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是傳感器功能是通過(guò)在液晶面板組件300的同一有源矩陣基板上集成附加的行和列尋址線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在該配置中，在每個(gè)行或列尋址線(xiàn)與相對(duì)基板上的公共電極之間形成待測(cè)量的液晶電容器。檢測(cè)電路設(shè)置在每行和每列的輸出端以測(cè)量這些電容器中的每一個(gè)。觸摸顯示器的輸入物體的位置于是可以通過(guò)處理這些測(cè)量值來(lái)確定。由于顯示器功能和傳感器功能在物理上是分離的，所以既可以改善顯示圖像的質(zhì)量又可以改善所測(cè)電容的精確度。
更詳細(xì)地，感測(cè)單元SU布置在兩個(gè)像素之間。設(shè)置有多個(gè)復(fù)位信號(hào)輸入單元INI。輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)OY1-C^n和OX1-OXm包括通過(guò)對(duì)應(yīng)的感測(cè)信號(hào)輸出單元SOUT連接到水平和垂直感測(cè)數(shù)據(jù)線(xiàn)SY1-S^和SX1-SXm的水平和垂直輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)OY1-OYn和OX1-O)^輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)OY1-OYn和OX1-OXm連接到感測(cè)信號(hào)處理單元800，以把來(lái)自感測(cè)信號(hào)輸出單元SOUT的輸出信號(hào)傳送給感測(cè)信號(hào)處理單元800，感測(cè)信號(hào)處理單元800利用相應(yīng)的放大單元810執(zhí)行諸如對(duì)讀取的感測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行放大之類(lèi)的操作。接觸確定單元700接收來(lái)自感測(cè)信號(hào)處理單元800的數(shù)字感測(cè)信號(hào)DSN并對(duì)其進(jìn)行處理以確定是否產(chǎn)生了接觸。元件600是信號(hào)控制器。然而，所有無(wú)源矩陣型傳感器共有的缺點(diǎn)是能夠測(cè)量的電容的精確度受行和列尋址線(xiàn)的寄生電容限制。這些寄生元件衰減由可變液晶電容產(chǎn)生的信號(hào)，并使傳感器對(duì)干擾和噪聲敏感。另外，無(wú)源矩陣傳感器需要對(duì)每行和每列進(jìn)行外部連接，從而增大成本并降低裝置的可靠性。在無(wú)源像素裝置中，多個(gè)可分別單獨(dú)尋址的傳感器像素形成矩陣，在所述多個(gè)傳感器像素中，液晶電容器元件通過(guò)開(kāi)關(guān)與數(shù)據(jù)線(xiàn)分離，所述開(kāi)關(guān)的狀態(tài)由掃描線(xiàn)控制。當(dāng)開(kāi)關(guān)被對(duì)應(yīng)的掃描線(xiàn)觸發(fā)時(shí)，液晶電容器元件連接到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)線(xiàn)，并且其電容由連接到所述數(shù)據(jù)線(xiàn)的檢測(cè)電路測(cè)量。掃描驅(qū)動(dòng)器被用于輪流選擇矩陣的每條掃描線(xiàn)，使得在一幀操作期間測(cè)量每個(gè)液晶電容器元件的電容。如在2004年9月1日公布的英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)GB2398916(圖4)中公開(kāi)的那樣，像素開(kāi)關(guān)和液晶電容器元件可以為傳感器和顯示器所共有，同時(shí)傳感器和顯示器各自的功能利用分時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在對(duì)應(yīng)于顯示器功能的第一時(shí)期期間，選擇TFT首先被接通，并且數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)被寫(xiě)入像素中。選擇TFT隨后被關(guān)斷，并且顯示數(shù)據(jù)被保存在像素內(nèi)。在對(duì)應(yīng)于傳感器功能的第二時(shí)期期間，選擇TFT被接通，并且像素的電容由位于數(shù)據(jù)線(xiàn)的端部的檢測(cè)電路測(cè)量。該配置的優(yōu)點(diǎn)在于傳感器功能可以集成到顯示器中，而不會(huì)存在顯示器開(kāi)口率的損失。然而缺點(diǎn)在于與觸摸顯示器的輸入物體相對(duì)應(yīng)的電容變化非常小，并且傳感器的檢測(cè)電路難以精確地測(cè)量電容變化?？蛇x地，如在美國(guó)專(zhuān)利US7280167(2007年10月9日公布)中公開(kāi)并且如圖5中所示的那樣，像素液晶元件可以為顯示器功能和傳感器功能所共有，但是要向像素和矩陣添加額外的開(kāi)關(guān)晶體管和尋址線(xiàn)，以便部分地分離傳感器功能和顯示器功能。在該配置中，再次利用分時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器功能和顯示器功能，但有利的是，可用于測(cè)量像素的電容的時(shí)間可以得到增加，并且因此電容測(cè)量的精確度可以得到提高。更詳細(xì)地，圖5示出與傳送圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)線(xiàn)Dana相交的柵極線(xiàn)Gn、Glri等。信號(hào)線(xiàn)10與數(shù)據(jù)線(xiàn)隔離并與數(shù)據(jù)線(xiàn)并置。信號(hào)線(xiàn)10連接到信號(hào)放大器20，信號(hào)放大器20比較施加于每條信號(hào)線(xiàn)的信號(hào)和參考電壓REF。在多個(gè)像素區(qū)域中的每個(gè)像素區(qū)域中，形成有開(kāi)關(guān)元件TFI\、TFT2, TFT3。第一開(kāi)關(guān)元件TFT1的漏極連接到形成在液晶面板的下部基板上的像素電極P，并且在上部基板上形成有公共電極COM。液晶材料填充在像素電極P和公共電極COM之間并用液晶電容Clc表示，并且設(shè)置存儲(chǔ)電容Cst用于保持施加于液晶電容Clc的電壓。所有無(wú)源像素型傳感器共有的缺點(diǎn)在于與尋址線(xiàn)的寄生電容相比液晶電容器元件較小，因此電容測(cè)量的精確度仍然較低，尤其是對(duì)大型陣列來(lái)說(shuō)更是如此。此外，測(cè)量容易受來(lái)自顯示操作的噪聲和干擾影響。有源像素型傳感器通過(guò)附加的放大元件提供了一種對(duì)該問(wèn)題的解決方案，所述附加的放大元件配置成根據(jù)液晶元件的電容的微小變化來(lái)產(chǎn)生較大的像素輸出信號(hào)擺幅。有源像素電路的一個(gè)實(shí)例在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)US2006-0017710 (2006年1月沈日公布)中公開(kāi)并且在圖6中示出。在該配置中，每個(gè)像素包括顯示器部分和傳感器部分，其中顯示器部分進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)線(xiàn)Dj ；掃描線(xiàn)Gi ；開(kāi)關(guān)晶體管Qsl ；液晶電容器元件CLC ；和存儲(chǔ)電容器CST。傳感器部分進(jìn)一步包括輸出線(xiàn)Pj ；電源線(xiàn)I3Sd;行選擇線(xiàn)Si ；選擇晶體管Qs2 ；放大器晶體管Qp ；和可變液晶電容器元件CV。顯示器部分的操作是眾所周知的并且將不再進(jìn)一步說(shuō)明。像素的傳感器部分(有源像素傳感器電路)的操作與顯示器部分的操作分離，并且如下所述。當(dāng)使行選擇線(xiàn)Si為高電平時(shí)，選擇晶體管Qs2被接通并且放大器晶體管Qp的源極端子被連接到輸出線(xiàn)Pj。從電源線(xiàn)Psd經(jīng)過(guò)放大器晶體管Qp流到輸出線(xiàn)Pj的電流由放大器晶體管的柵極端子處的電壓決定。該柵極電壓繼而由可變液晶電容器元件CV的電容決定，并且可以從低于晶體管閾值電壓變化到高于晶體管閾值電壓。因此，放大器晶體管可以被關(guān)斷或接通并且流經(jīng)放大器晶體管的電流可以因此變化幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此這種有源像素傳感器電路的優(yōu)點(diǎn)在于，液晶電容的相對(duì)較小的變化會(huì)引起像素輸出電流的較大變化并且可以精確地測(cè)量液晶電容。圖7示出了一種備選的有源像素傳感器電路。在該配置中，像素的傳感器部分包括行選擇線(xiàn)Vctl ；放大器晶體管Ml ；電容SC1的選擇電容器Cl ；和可變液晶電容器CV。現(xiàn)在簡(jiǎn)要說(shuō)明該電路的操作。當(dāng)使行選擇線(xiàn)為高電平時(shí)，電荷被注入到放大器晶體管的柵極端子上。在該電荷注入之后的柵極端子的電壓Ve由可變液晶電容器元件的電容根據(jù)以下等式?jīng)Q定Vg = Vgo+ (Vkws, H-Vews, L) · C1/ (C^CfCc, M1)其中Vetl是電荷注入之前的柵極端子的電壓；VKWS,H和Vkws+分別是行選擇信號(hào)的高電位和低電位；cv是可變液晶電容器的電容；并且Ce,M1是與放大器晶體管Ml的柵極端子相關(guān)的電容。對(duì)于較小的液晶電容，柵極電壓升高到放大器晶體管Ml的閾值電壓之上，從而使之接通。Ml現(xiàn)在與位于數(shù)據(jù)線(xiàn)的端部的偏置晶體管形成源極跟隨放大器，其輸出電壓是液晶電容器元件CV的電容的度量。如果液晶電容較大，那么選擇電容器兩端的歸因于電荷注入的柵極電壓的變化較小，并且放大器晶體管保持關(guān)斷。因此，對(duì)于液晶電容的相對(duì)較小的變化，可以產(chǎn)生像素輸出電壓的較大變化。盡管與無(wú)源矩陣型或無(wú)源像素型傳感器相比，有源像素型傳感器可以提供液晶電容的明顯更精確的測(cè)量，但是實(shí)際上，像素輸出信號(hào)對(duì)與盒間隙的實(shí)際機(jī)械變形相關(guān)的液晶電容器元件的電容變化的靈敏度仍然過(guò)低。為了產(chǎn)生能夠可靠地檢測(cè)的足夠大的輸出信號(hào)，輸入物體必須用比觸摸面板操作可接受的作用力更大的作用力按壓顯示器。提高該靈敏度的一種眾所周知的技術(shù)是通過(guò)增大盒間隙的機(jī)械變形來(lái)增大對(duì)于給定觸摸壓力的絕對(duì)電容變化。這可以通過(guò)減小顯示器玻璃基板的厚度或者通過(guò)降低限定盒間隙的顯示器間隔物的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，由于顯示器利用同一液晶盒作為傳感器，因此該方法的一個(gè)嚴(yán)重副作用是在輸入物體觸摸顯示器之處周?chē)膮^(qū)域中，顯示圖像的質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重降低。提高靈敏度的一種備選解決方案是在液晶盒內(nèi)設(shè)置額外的間隔物結(jié)構(gòu)。這些傳感器間隔物的意圖是使傳感器區(qū)域中的盒間隙變窄，從而增大對(duì)于給定輸入壓力的相對(duì)電容變化。把傳感器間隔物用于此意圖是已知的，例如如在“Embedded Liquid CrystalCapacitive Touch Screen Technology for Large Size LCD Applications" (Takahashi 等人，Proc.SID 2009)中公開(kāi)并且如圖8中所示的那樣。雖然這些結(jié)構(gòu)有助于提高電容傳感器的靈敏度，但是在把輸入物體壓在顯示器上的用戶(hù)能夠舒適地產(chǎn)生的電容變化與傳感器能夠可靠地檢測(cè)的電容變化之間仍然存在失配。特別地，當(dāng)利用對(duì)于給定的輸入力、與接觸面積較小的輸入物體(諸如鐵筆或筆)相比產(chǎn)生較小壓力的接觸面積較大的輸入物體 (諸如手指)時(shí)，這種低靈敏度仍然是問(wèn)題。另外，對(duì)需要測(cè)量輸入物體施加的壓力的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，電容測(cè)量的精確度必需比僅需要簡(jiǎn)單確定觸摸事件的觸摸面板的情況更高。因此，需要新技術(shù)來(lái)提高電容傳感器的靈敏度，而不會(huì)對(duì)顯示器產(chǎn)生有害副作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種液晶裝置，其包括由多個(gè)第一傳感器電路構(gòu)成的第一陣列，每個(gè)第一傳感器電路包括液晶感測(cè)電容器；放大器，其輸入端連接到感測(cè)電容器的第一端子；以及壓敏電容器，其電容是其兩端電壓的函數(shù)，并且連接在放大器輸入端和傳感器電路選擇輸入端之間。感測(cè)電容器可以具有響應(yīng)于觸摸事件而變化的電容。壓敏電容器可以在兩端的電壓為第一電壓的情況下具有第一電容，并且在兩端的電壓為具有比第一電壓大的值的第二電壓的情況下具有小于第一電容的第二電容。這里使用的術(shù)語(yǔ)電壓的“值”考慮了電壓的符號(hào)及其量值(使得例如-2V的電壓具有比-IV的電壓小的值)。選擇輸入端可以配置成接收用于禁用第一傳感器電路的第三電壓，以及用于啟用第一傳感器電路的具有比第三電壓大的值的第四電壓。放大器可以包括第一晶體管。第一晶體管可以包括第一金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。第一晶體管可以被連接為源極跟隨器。第一陣列可以包括多行和多列的第一傳感器電路，同時(shí)每列第一傳感器電路的源極跟隨器連接到公共源極負(fù)載。每行的第一傳感器電路的選擇輸入端可以連接在一起。壓敏電容器可以包括第二金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極和漏極可以連接在一起。每個(gè)第一傳感器電路可以包括具有連接到放大器輸入端的第一端子、并且被配置成當(dāng)?shù)谝粋鞲衅麟娐繁唤脮r(shí)在放大器輸入端提供預(yù)定電壓的二極管。第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以具有連接在放大器輸入端和配置成在第一傳感器電路被禁用時(shí)在放大器輸入端提供預(yù)定電壓的二極管的第一端子之間的源極-漏極通路。二極管的第二端子可以連接到第一傳感器電路的尋址輸入端。第一傳感器電路的感測(cè)電容器的第二端子可以連接在一起。感測(cè)電容器的第二端子可以包含公共端子。感測(cè)電容器的第二端子可以連接到預(yù)充電輸入端。二極管的第二端子可以連接到預(yù)充電輸入端。感測(cè)電容器可以包含具有與相鄰的液晶材料層協(xié)作的共面電極的平面電容器。
共面電極可以面對(duì)位于所述液晶材料層的相對(duì)側(cè)的電極間隙。共面電極可以面對(duì)位于所述液晶材料層的相對(duì)側(cè)的電浮電極。共面電極可以由配置成接收基本固定的電壓的共面保護(hù)環(huán)圍繞。所述裝置可以包括由多個(gè)液晶顯示像素構(gòu)成的第二陣列。第一陣列和第二陣列可以通過(guò)公共有源矩陣尋址方式尋址。所述尋址方式可以配置成在顯示消隱周期期間尋址第一陣列。第一傳感器電路可以具有與連接到像素?cái)?shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)相連的輸出端。每個(gè)第一傳感器電路可以與由至少一個(gè)像素構(gòu)成的群相關(guān)聯(lián)。每個(gè)群可以包含一群復(fù)合色像素。所述裝置可以包括由多個(gè)第二傳感器電路構(gòu)成的第三陣列，所述第二傳感器電路的靈敏度比第一傳感器電路的靈敏度低。第二傳感器電路可以與第一傳感器電路交錯(cuò)。所述裝置可以配置成充當(dāng)觸摸屏?？梢蕴岣唠娙輦鞲衅麝嚵兄械碾娙轀y(cè)量的靈敏度。特別地，可以提高包含有源像素傳感器電路的電容傳感器陣列的靈敏度。這樣的技術(shù)一般適用于電容傳感器陣列，并且更具體地適用于集成到液晶材料既用作顯示器的光學(xué)元件又用作待測(cè)電容器的電介質(zhì)的液晶顯示器中的電容傳感器陣列。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，可以提高有源像素傳感器電路對(duì)可變液晶電容器的電容變化的靈敏度。以下優(yōu)點(diǎn)起因于該特征。首先，可以把力敏觸摸面板集成在A(yíng)MLCD內(nèi)，而不會(huì)顯著損害顯示器的機(jī)械完整性。結(jié)果，觸摸顯示器只會(huì)引起所顯示圖像的質(zhì)量的很少的降低或者不會(huì)引起所顯示圖像的質(zhì)量的降低。其次，所測(cè)信號(hào)與噪聲的比率被提高，從而導(dǎo)致對(duì)觸摸力的測(cè)量更精確并且操作更可靠和魯棒。另外，對(duì)簡(jiǎn)單的觸摸面板應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，可以降低AMLCD的制造成本，因?yàn)槔酶倪M(jìn)的有源像素傳感器電路避免了對(duì)用于提高傳感器的靈敏度的特定盒內(nèi)結(jié)構(gòu)的需要。在考慮了結(jié)合附圖給出的本發(fā)明的以下詳細(xì)說(shuō)明后，本發(fā)明的前述和其它目的、 特征和優(yōu)點(diǎn)將更容易地得到理解。


將參考附圖通過(guò)舉例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，在附圖中圖1示出具有觸摸面板的現(xiàn)有技術(shù)液晶顯示器；圖2示出具有無(wú)源矩陣傳感器電路的現(xiàn)有技術(shù)液晶顯示器；圖3示出具有無(wú)源矩陣傳感器電路的現(xiàn)有技術(shù)液晶顯示器；圖4示出具有無(wú)源矩陣傳感器電路的現(xiàn)有技術(shù)液晶顯示器；圖5示出具有無(wú)源矩陣傳感器電路的現(xiàn)有技術(shù)液晶顯示器；圖6示出具有有源像素傳感器電路的現(xiàn)有技術(shù)液晶顯示器；圖7示出具有有源像素傳感器電路的現(xiàn)有技術(shù)液晶顯示器；圖8示出具有附加的間隔物結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)液晶顯示器；圖9示出本發(fā)明的第一方面的第一個(gè)且最一般的實(shí)施例；圖10示出第一實(shí)施例的壓敏選擇電容器展現(xiàn)出的電壓-電容關(guān)系；
圖11示出圖解說(shuō)明第一實(shí)施例的操作的波形圖；圖12示出第一實(shí)施例的可變液晶電容器元件的結(jié)構(gòu)；圖13示出與第一實(shí)施例相關(guān)的讀出電路；圖14示出本發(fā)明的第二實(shí)施例；圖15示出本發(fā)明的第三實(shí)施例；圖16示出本發(fā)明的第四實(shí)施例；圖17示出本發(fā)明的第五實(shí)施例；圖18示出本發(fā)明的第六實(shí)施例；圖19示出本發(fā)明的第七實(shí)施例，第二方面的第一個(gè)且最一般的實(shí)施例；圖20示出圖解說(shuō)明第七實(shí)施例的操作的波形圖；圖21示出第七實(shí)施例的可變液晶電容器元件的結(jié)構(gòu)；圖22示出本發(fā)明的第八實(shí)施例；圖23示出本發(fā)明的第八實(shí)施例的備選配置；圖M示出本發(fā)明的第九實(shí)施例；圖25示出本發(fā)明的第十實(shí)施例；圖沈示出本發(fā)明的第i^一實(shí)施例；圖27示出圖解說(shuō)明第十一實(shí)施例的操作的波形圖；圖28示出本發(fā)明的第十二實(shí)施例；圖四示出圖解說(shuō)明第十二實(shí)施例的操作的波形圖；圖30示出本發(fā)明的第三方面的一般概念；圖31示出本發(fā)明的第十三實(shí)施例，第三方面的第一個(gè)實(shí)施例；圖32示出本發(fā)明的第十四實(shí)施例；圖33示出本發(fā)明的第十五實(shí)施例；圖34示出圖解說(shuō)明第十六實(shí)施例的操作的波形圖；圖35示出本發(fā)明的第十六實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式將通過(guò)說(shuō)明性實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述說(shuō)明性實(shí)例并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。在第二至第十六實(shí)施例的說(shuō)明中，將不再詳細(xì)重復(fù)與前一實(shí)施例共有的特征的說(shuō)明。第一實(shí)施例第一實(shí)施例說(shuō)明利用壓敏選擇電容器來(lái)提高有源像素傳感器電路的輸出對(duì)液晶電容的變化的靈敏度的基本概念。第一實(shí)施例涉及包含由多個(gè)第一傳感器電路構(gòu)成的第一陣列的液晶裝置。在該實(shí)施例中，每個(gè)第一傳感器電路是有源像素傳感器電路。如圖9中所示，構(gòu)成該實(shí)施例的第一傳感器電路的有源像素傳感器電路包括數(shù)據(jù)線(xiàn)DAT ；電源線(xiàn)VDD ；行選擇線(xiàn)RWS ；放大器 Ml ；在使用中充當(dāng)液晶感測(cè)電容器的可變液晶電容器元件CV;以及壓敏選擇電容器Cl。放大器的輸入端連接到感測(cè)電容器的第一端子。每個(gè)第一傳感器電路的感測(cè)電容器的第二端子可以連接到公共電壓線(xiàn)VC0M，使得第一傳感器電路的感測(cè)電容器的第二端子連接在一起。在該實(shí)施例中，放大器Ml包括第一晶體管。構(gòu)成放大器Ml的第一晶體管可以包括第一金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，諸如薄膜晶體管。在該實(shí)施例中，構(gòu)成放大器Ml的第一晶體管被連接為源極跟隨器。壓敏選擇電容器Cl連接在放大器的輸入端(例如，圖9的實(shí)施例中的放大器晶體管的柵極)和行選擇線(xiàn)RWS之間。行選擇線(xiàn)RWS連接到傳感器電路選擇輸入端(未示出)。壓敏選擇電容器Cl具有電容C1,電容C1與電容器兩端的電壓Va相關(guān)并且通過(guò)閾值電壓ντ, C1來(lái)表征，當(dāng)?shù)陀陂撝惦妷篤T, C1時(shí)，電容器展現(xiàn)出第一電容Cia，并且當(dāng)高于閾值電壓VT,C1時(shí)，電容器展現(xiàn)出第二電容C1B。電容器可以配置成使得第一電容明顯大于第二電容。因此，壓敏電容器可以在兩端的電壓為第一電壓(第一電壓小于閾值電壓Vt,α)的情況下具有第一電容Cia，并且在兩端的電壓為第二電壓(第二電壓大于閾值電壓Vt, α，并且因此具有比第一電壓大的值)的情況下具有小于第一電容的第二電容C1B。圖10圖解說(shuō)明這樣的電壓-電容關(guān)系?，F(xiàn)在參考圖11的波形圖說(shuō)明有源像素傳感器電路的操作。在第一初始時(shí)期中，傳感器電路選擇輸入端接收第三電壓，使得行選擇線(xiàn)RWS處于第一低電位VKW“并且放大器晶體管Ml的柵極端子的電壓Ve等于初始電壓\0，初始電壓 Vgo小于Ml的閾值電壓VT,M1。因此在該初始時(shí)期期間放大器晶體管Ml被關(guān)斷，使得第一傳感器電路被禁用。RWS的低電位VKW“被配置成小于放大器晶體管的柵極電壓VTO，使得壓敏選擇電容器兩端的電位差Va小于電容器的閾值電壓Vt,α并且電容器展現(xiàn)出較大的第一電各 C1Ao在第二讀出時(shí)期中，傳感器電路選擇輸入端接收具有比第三電壓大的值的第四電壓，使得行選擇線(xiàn)的電壓朝著其最終高電位VKWS, H升高。首先，當(dāng)行選擇線(xiàn)RWS的電壓開(kāi)始升高時(shí)，電荷通過(guò)選擇電容器Cl被注入到放大器晶體管Ml的柵極端子上。因此，在行選擇線(xiàn)的電壓開(kāi)始升高時(shí)的柵極端子的電壓由下式給出Vg = Vgo+ (Vews-Vews, L) · Cia/ (C1A+CV+CG, M1)= VGO+(VEffS-VEffS,L). S0其中CV是可變液晶電容器CV的電容；Ce, 是放大器晶體管Ml的柵極端子的電容；并且&是Ve的初始增大速率。因此，放大器晶體管的柵極端子的電壓以比行選擇線(xiàn)RWS的升高速率低并且與可變液晶電容器元件CV的電容成反比的速率升高。在RWS的上升時(shí)間期間的某一點(diǎn)，Vkws可以相對(duì)于\充分地增大，使得壓敏選擇電容器兩端的電位差Va變得大于選擇電容器的閾值電壓Vt, α。因此，選擇電容器展現(xiàn)出較小的第二電容Cib，并且柵極端子的電壓在行選擇線(xiàn)繼續(xù)升高時(shí)的增大速率被降低。柵極端子的電壓現(xiàn)在由下式給出Vg = VG0+(VEffSjT-VEffSjL).S0+(Vews-Vews, t) · Cib/ (C1B+CV+CG, M1) — Vgo+ (Vews X-Vews7 l) · S0+ (VEWS ~VEWS T) · S1其中vKWS,T是與選擇電容器從高電容到低電容的轉(zhuǎn)變相對(duì)應(yīng)的行選擇線(xiàn)的電壓； 并且S1是Ve的最終增大速率。柵極端子在讀出時(shí)期中的最終電壓在行選擇線(xiàn)已經(jīng)達(dá)到其高電位Vkws, h之后被獲
10得，并且由下式給出Vg — Vgo+ (Vews X-Vews L) · S0+ (Vrws，h_Vrws，τ) · S1在讀出時(shí)期期間，如果放大器晶體管Ml的柵極端子的電壓升高到其閾值電壓、 之上，那么該晶體管將接通并且與連接到數(shù)據(jù)線(xiàn)的偏置晶體管M3形成源極跟隨放大器。像素輸出電壓％1)(被限定為該源極跟隨放大器的輸出電壓，并且由柵極端子的電壓Ve決定，從而由液晶電容器元件的電容決定。在讀出時(shí)期期間由源極跟隨放大器產(chǎn)生的輸出電壓可以保持在存儲(chǔ)電容器上并隨后用已知方式(諸如用圖13中所示的電路)讀出?，F(xiàn)在簡(jiǎn)要說(shuō)明該讀出電路的操作。當(dāng)在讀出時(shí)期期間使行選擇線(xiàn)RWS跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，源極跟隨器輸出電壓表現(xiàn)出可變液晶電容器元件CV的電容。在該時(shí)期期間，經(jīng)由選擇晶體管M4，存儲(chǔ)電容器C2被充電到源極跟隨器輸出端的電平。第二個(gè)列源極跟隨放大器現(xiàn)在由晶體管M5、M6和M7形成，并且當(dāng)使列選擇信號(hào)COL跳變時(shí)，該列源極放大器的輸出被連接到芯片放大器。每個(gè)列源極放大器輪流以這種方式連接到芯片放大器，使得傳感器輸出電壓是陣列中的每個(gè)像素內(nèi)的可變液晶電容器的電容的時(shí)序表示。上面說(shuō)明的讀出電路(包括連接到數(shù)據(jù)線(xiàn)從而與像素放大器晶體管Ml —起形成源極跟隨放大器的偏置晶體管M3的使用)僅是示例性的。產(chǎn)生和讀出像素?cái)?shù)據(jù)的其它適合的電路技術(shù)是眾所周知的，并且可以使用這些其它適合的電路技術(shù)作為替代。如上所述的該實(shí)施例的有源像素傳感器電路提供了起因于選擇電容器Cl的電壓依賴(lài)性的放大效果。該效果的起源在于，與選擇電容器的狀態(tài)轉(zhuǎn)變相對(duì)應(yīng)的行選擇電壓 VKWS, τ由可變液晶電容器CV的電容決定。如圖11中所示，當(dāng)Cv被增大時(shí)，對(duì)于行選擇電壓的較小升高，會(huì)發(fā)生選擇電容器到低電容的轉(zhuǎn)變。與使用標(biāo)準(zhǔn)的非壓敏選擇電容器的現(xiàn)有技術(shù)相比，對(duì)于液晶電容的給定變化，在讀出時(shí)期中柵極端子的電壓會(huì)發(fā)生較大變化，從而像素輸出電壓會(huì)發(fā)生較大變化。因此該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是傳感器的靈敏度得到了提高。第二實(shí)施例在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，第一實(shí)施例的選擇電容器可以由第二金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)諸如薄膜晶體管(TFT)構(gòu)成。該晶體管可以是柵極端子連接到行選擇線(xiàn)RWS并且源極和漏極端子一起連接到放大器晶體管的柵極端子的ρ型晶體管。圖 14示出了晶體管Μ2構(gòu)成壓敏選擇電容器的該配置。在晶體管Μ2的柵極端子和源極端子之間的電壓Ves小于該晶體管的閾值電壓Vt, M2的第一狀態(tài)下，該晶體管被接通并展現(xiàn)出與柵極-漏極電容、柵極-源極電容和柵極-溝道電容(分別為和Q^m2)的總和相等的電容C1A。在晶體管M2的柵極端子和源極端子之間的電壓Ves大于該晶體管的閾值電壓Lm2的第二狀態(tài)下，該晶體管被關(guān)斷并展現(xiàn)出與柵極-漏極電容和柵極-源極電容(CeD, M2和Ces, 的總和相等的電容C1B。因此晶體管M2展現(xiàn)出圖10中所示的所需電壓-電容關(guān)系。該電路的操作如前面關(guān)于第一實(shí)施例所述。第三實(shí)施例在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，第一實(shí)施例的選擇電容器可以由η型晶體管構(gòu)成。在圖15中所示的該電路中，構(gòu)成選擇電容器的晶體管Μ2的柵極端子連接到放大器晶體管Ml的柵極端子，并且M2的源極端子和漏極端子一起連接到行選擇線(xiàn)RWS。同樣，該晶體管展現(xiàn)出圖10中所示的所需電壓-電容關(guān)系。該電路的操作如前面關(guān)于第一和第二實(shí)施例所述。第四實(shí)施例在本發(fā)明的第四實(shí)施例中，柵極端子的DC電壓可以通過(guò)向有源像素傳感器電路添加二極管來(lái)固定。如圖16中所示，所述二極管的第一端子(在該實(shí)施例中為二極管的陰極端子)連接到放大器晶體管的柵極端子，并且所述二極管的第二端子(在該實(shí)施例中為陽(yáng)極端子)連接到附加的尋址線(xiàn)VDC。該二極管提供放大器晶體管的柵極端子和地址線(xiàn)VDC之間的通路，使得放大器晶體管的柵極端子的初始穩(wěn)態(tài)DC電壓Vetl由施加于地址線(xiàn)VDC的恒定電壓Vdc決定。因此該二極管被配置成在第一傳感器電路被禁用時(shí)，在放大器晶體管的輸入端提供預(yù)定電壓。當(dāng)使行選擇線(xiàn)RWS為高電平時(shí)，放大器晶體管的柵極端子的電壓通過(guò)選擇電容器兩端的電荷注入而被增大，并且變得大于地址線(xiàn)VDC的恒定電壓即Ve > Vdco由于二極管 Dl現(xiàn)在被反向偏置并呈現(xiàn)高電阻，因此相對(duì)高速的讀出操作不會(huì)受二極管的存在的影響， 并且如前面所述的那樣繼續(xù)進(jìn)行。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，放大器晶體管的柵極端子的初始電壓Vetl可以被設(shè)定成已知值。如果沒(méi)有該功能，那么在制造過(guò)程期間產(chǎn)生的電荷可能會(huì)被俘獲在該節(jié)點(diǎn)上，從而導(dǎo)致未知的初始電壓，而該未知的初始電壓可能會(huì)導(dǎo)致傳感器操作的失靈。所述二極管為該俘獲電荷提供放電通路，從而確保傳感器的正確且可靠的操作。以這種方式使用二極管是為了舉例說(shuō)明固定放大器晶體管的柵極端子的穩(wěn)態(tài)DC 電壓而不干擾高速讀出操作的概念。相同的功能可以通過(guò)其它公知的裝置(諸如連接成二極管結(jié)構(gòu)的晶體管，或者電阻足夠高的電阻器)來(lái)實(shí)現(xiàn)。第五實(shí)施例在本發(fā)明的第五實(shí)施例中，第四實(shí)施例的壓敏選擇電容器包括ρ型晶體管。如圖 17中所示，ρ型晶體管M2被配置成使得其柵極端子連接到行選擇線(xiàn)RWS，其漏極端子連接到放大器晶體管Ml的柵極端子，并且其源極端子連接到二極管Dl的陰極端子。如在第四實(shí)施例中所述的那樣，二極管被用于固定放大器晶體管的柵極端子的穩(wěn)態(tài)DC電壓。其余元件的意圖和該有源像素傳感器電路的操作如上面關(guān)于第二實(shí)施例所述。 如前所述，在第一狀態(tài)下，晶體管M2在行選擇線(xiàn)RWS和放大器晶體管Ml的柵極端子Ve之間展現(xiàn)出電容Cia，其與柵極-漏極電容、柵極-源極電容和柵極-溝道電容(分別為CeD,M2、 QsI和Qx,M2)的總和相等。然而，在第二狀態(tài)下，當(dāng)M2的柵極端子和源極端子之間的電壓 Ves大于該晶體管的閾值電壓VT,M2并且該晶體管被關(guān)斷時(shí)，M2展現(xiàn)出電容Cib，其現(xiàn)在只等于柵極-漏極電容(^^。作為第二狀態(tài)下的電容減小的結(jié)果，Ve的最終增大速率S1被降低，并且與比率Stl/ 31成比例的晶體管M2的放大效果被增大。因此該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于有源像素傳感器電路的靈敏度得到了提高。第六實(shí)施例在本發(fā)明的第六實(shí)施例中，通過(guò)利用位于相對(duì)基板中的一個(gè)或兩個(gè)基板上的透明導(dǎo)體層下面的突起，來(lái)使前述實(shí)施例中的任何一個(gè)實(shí)施例的可變液晶電容器CV的區(qū)域中的盒間隙變窄。圖18的截面圖示出了該配置。例如如在前面說(shuō)明的“Embedded Liquid Crystal Capacitive Touch Screen Technology for Large Size LCD Applications，，中公開(kāi)的那樣，這樣的突起的結(jié)構(gòu)和使用是公知的，并且在本公開(kāi)中將不再進(jìn)一步說(shuō)明。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于盒間隙的給定機(jī)械變形，液晶電容器元件的電容的相對(duì)變化被增大。因此像素電路對(duì)觸摸輸入力更敏感，因?yàn)閷?duì)于壓力輸入的給定變化，它會(huì)產(chǎn)生更大的輸出電壓擺幅。第七實(shí)施例該實(shí)施例說(shuō)明利用預(yù)充電操作來(lái)提高有源像素傳感器電路的輸出對(duì)液晶電容變化的靈敏度的基本概念。如圖19中所示，該實(shí)施例的有源像素傳感器電路包括數(shù)據(jù)線(xiàn)DAT ；電源線(xiàn)VDD ； 行選擇線(xiàn)RWS ；預(yù)充電線(xiàn)PRE ；放大器晶體管Ml ；可變液晶電容器元件CV ；和選擇電容器Cl。 可變液晶電容器被連接成使得其第一端子連接到放大器晶體管Ml的柵極端子，并且其第二端子連接到預(yù)充電線(xiàn)PRE?？勺円壕щ娙萜骺梢杂衫缛鐖D21中所示的平面結(jié)構(gòu)形成，在該平面結(jié)構(gòu)中電容器的電極由同一透明導(dǎo)電層形成并且因此是共面電極。電容器電極被圖案化的透明導(dǎo)電層可以形成在與放大器晶體管Ml、選擇電容器Cl以及地址線(xiàn)VDD、RWS和PRE相同的基板上。相對(duì)基板上的透明導(dǎo)電層可以在整個(gè)傳感器陣列內(nèi)是公用且連續(xù)的?，F(xiàn)在參考圖20的波形圖說(shuō)明該有源像素傳感器電路的操作。在第一初始時(shí)期中，預(yù)充電線(xiàn)PRE處于第一高電位VPKE, H，行選擇線(xiàn)RWS處于第一低電位VKWu，并且放大器晶體管Ml的柵極端子的電壓Ve等于初始電壓\0，該初始電壓Vetl 小于晶體管Ml的閾值電壓VT,M1。因此在該時(shí)期期間，放大器晶體管Ml被關(guān)斷。在第二預(yù)充電時(shí)期中，使預(yù)充電線(xiàn)處于第二低電位VPKEy預(yù)充電線(xiàn)的電壓的這種降低導(dǎo)致按照由連接在柵極端子和預(yù)充電線(xiàn)之間的液晶電容器CV的電容決定的量，從放大器晶體管的柵極端子除去電荷。在該時(shí)期中放大器晶體管的柵極端子的電壓Ve由以下等式給出Vg = Vgo- (Vpke, H-Vpee, l) · Cv/ (C^CJCg, M1)其中CV是可變液晶電容器CV的電容A是選擇電容器Cl的電容；并且Ce,M1是放大器晶體管Ml的柵極端子的電容。在第三讀出時(shí)期中，使行選擇線(xiàn)處于第二高電位Vkws, h,并且電荷通過(guò)選擇電容器 Cl被注入到放大器晶體管Ml的柵極端子上。柵極端子的電壓的升高由可變液晶電容器的電容決定，并且\由以下等式給出Ve = VeQ+[(VKWS, H-VMS,L).C「(VPKE, H-Vpee, J · Cv] / (C^Cv+Q, M1)在該讀出時(shí)期期間，如果放大器晶體管Ml的柵極端子的電壓升高到其閾值電壓 VT, M1之上，那么該晶體管將接通并與連接到數(shù)據(jù)線(xiàn)的偏置晶體管M3形成源極跟隨放大器。 像素輸出電壓％1)(被限定為該源極跟隨放大器的輸出電壓，并且由柵極端子的電壓Ve決定， 從而由液晶電容器元件的電容決定。在讀出時(shí)期的結(jié)尾，使預(yù)充電線(xiàn)PRE返回到第一高電位VPKE, H，并且使行選擇線(xiàn)返回到第一低電位因此放大器晶體管的柵極端子返回到其初始電位VTO，并且放大器晶體管被關(guān)斷。在讀出時(shí)期期間由源極跟隨放大器產(chǎn)生的輸出電壓可以用已知方式(諸如前面說(shuō)明的方式)保持和讀出。該實(shí)施例優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于提高了像素輸出信號(hào)對(duì)液晶電容變化的靈敏度。第八實(shí)施例在本發(fā)明的第八實(shí)施例中，在與由相對(duì)基板的透明導(dǎo)體形成的可變液晶電容器CV 的平面電極相對(duì)的區(qū)域中，使第七實(shí)施例的公共透明導(dǎo)電電極圖案化。對(duì)該相對(duì)電極進(jìn)行的圖案化可以被用于在公共電極中形成孔(如圖22中所示)或者形成電浮電極段(如圖 23中所示)。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于從顯示公共電極到相對(duì)基板上的傳感器電極的寄生電容被減小，并且因此顯示操作對(duì)有源像素傳感器電路的干擾被減小。第九實(shí)施例在本發(fā)明的第九實(shí)施例中，通過(guò)利用位于相對(duì)基板中的一個(gè)或兩個(gè)基板上的透明導(dǎo)體層下面的突起，來(lái)使第七或第八實(shí)施例的可變液晶電容器CV的區(qū)域中的盒間隙變窄， 如圖M的截面圖中所示。如上所述，這樣的突起的結(jié)構(gòu)和使用是公知的，并且在本公開(kāi)中將不再進(jìn)一步說(shuō)明。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于盒間隙的給定機(jī)械變形，液晶電容器元件的電容的相對(duì)變化被增大。因此像素電路對(duì)觸摸輸入力更敏感，因?yàn)閷?duì)于壓力輸入的給定變化，它會(huì)產(chǎn)生更大的輸出電壓擺幅。第十實(shí)施例在本發(fā)明的第十實(shí)施例中，構(gòu)成前述實(shí)施例中的任何一個(gè)實(shí)施例的傳感器電極的透明導(dǎo)電層被進(jìn)一步圖案化，從而形成與電極共面的保護(hù)環(huán)。如圖25中所示，保護(hù)環(huán)圍繞傳感器電極延伸并提供傳感器電極和顯示像素電極之間的電隔離。保護(hù)環(huán)可以被驅(qū)動(dòng)到規(guī)定的電位Vs，諸如地電位。前述實(shí)施例的缺點(diǎn)在于，傳感器電極和顯示像素電極之間的寄生電容耦合可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)傳感器操作的干擾。不僅顯示像素電極的電壓直接耦合到傳感器像素電極，而且液晶材料自身根據(jù)該電壓而在顯示像素電極周?chē)膮^(qū)域中被擾亂。結(jié)果，處于傳感器電極的區(qū)域中的液晶材料的狀態(tài)會(huì)受顯示數(shù)據(jù)的影響，從而正被測(cè)量的可變液晶電容器元件的電容會(huì)受顯示數(shù)據(jù)的影響。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于保護(hù)環(huán)把傳感器電極和顯示電極電隔離，并控制處于傳感器電極周?chē)膮^(qū)域中的液晶材料的狀態(tài)。傳感器操作和顯示器操作之間的干擾因此得以減小。第^^一實(shí)施例在本發(fā)明的第十一實(shí)施例中，第七至第十實(shí)施例中的任何一個(gè)實(shí)施例的放大器晶體管的柵極端子的DC電壓可以通過(guò)向有源像素傳感器電路添加二極管來(lái)固定。如圖沈中所示，第一端子(在本實(shí)施例中為二極管的陰極端子)連接到放大器晶體管的柵極端子，并且第二端子(在本實(shí)施例中為陽(yáng)極端子)連接到預(yù)充電地址線(xiàn)PRE。該電路的操作與第四實(shí)施例中說(shuō)明的操作類(lèi)似。二極管提供放大器晶體管的柵極端子和地址線(xiàn)PRE之間的通路，使得放大器晶體管的柵極端子的初始穩(wěn)態(tài)DC電壓Vetl等于施加于預(yù)充電線(xiàn)PRE的恒定電壓VPKE。如圖27的波形圖中所示，由于預(yù)充電線(xiàn)是低電平有效的并且因此通常處于高電平狀態(tài)，所以預(yù)充電信號(hào)的高電位必須被選擇成小于放大器晶體管Ml的閾值電壓VT,M1，使得Ml在讀出時(shí)期之外保持關(guān)斷狀態(tài)。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于放大器晶體管的柵極端子的初始電壓Vetl可以被設(shè)定成已知值，從而可以提高電路的可靠性。第十二實(shí)施例在本發(fā)明的第十二實(shí)施例中，可變液晶電容器、預(yù)充電線(xiàn)和壓敏選擇電容器被組合在同一有源像素傳感器電路內(nèi)。這種組合的一個(gè)實(shí)例在圖觀(guān)中示出并且包括數(shù)據(jù)線(xiàn) DAT ；電源線(xiàn)VDD ；行選擇線(xiàn)RWS ；預(yù)充電線(xiàn)PRE ；放大器晶體管Ml ；可變液晶電容器元件CV ； 和壓敏選擇電容器Cl。可變液晶電容器連接在放大器晶體管Ml的柵極端子和預(yù)充電線(xiàn)PRE之間?？梢匀绲谄咧恋谑畬?shí)施例中的任何一個(gè)實(shí)施例所述的那樣形成可變液晶電容器元件。壓敏選擇電容器連接在放大器晶體管Ml的柵極端子和行選擇線(xiàn)RWS之間。壓敏液晶電容器元件可以展現(xiàn)出電壓-電容關(guān)系，并且可以如第一、第二或第三實(shí)施例中所述的那樣形成。現(xiàn)在參考圖四的波形圖說(shuō)明該有源像素傳感器電路的操作。在第一初始時(shí)期中，預(yù)充電線(xiàn)PRE處于第一高電位VPKE,H，并且行選擇線(xiàn)RWS處于第一低電位Vkws^放大器晶體管Ml的柵極端子的電壓Ve等于初始電壓VTO，該初始電壓Vetl小于放大器晶體管Ml的閾值電壓VT,M1，并且與VKW“的差值小于選擇電容器的閾值電壓Vt,α。 因此在該時(shí)期期間，放大器晶體管Ml被關(guān)斷并且選擇電容器展現(xiàn)出較大的第一電容C1A。在第二預(yù)充電時(shí)期中，使預(yù)充電線(xiàn)處于第二低電位VPKEy預(yù)充電線(xiàn)的電壓的該降低導(dǎo)致按照由連接在柵極端子和預(yù)充電線(xiàn)之間的液晶電容器CV的電容決定的量，從放大器晶體管的柵極端子除去電荷。該時(shí)期中的放大器晶體管的柵極端子的電壓Ve由以下等式給出VG = VGO- (VPKE, H-VPEE, L) · Cv/ (C1A+CV+CG, M1)其中CV是可變液晶電容器CV的電容；Cia是在初始的第一狀態(tài)下選擇電容器Cl 的電容；并且Ce,M1是放大器晶體管Ml的柵極端子的電容。行選擇線(xiàn)的第一低電位VKW“被配置成使得在整個(gè)第二預(yù)充電時(shí)期中，選擇電容器兩端的電壓Va保持小于選擇電容器的閾值電壓Vt,α。因此，該時(shí)期中的選擇電容器繼續(xù)展現(xiàn)出較大的第一電容C1A。在第三讀出時(shí)期中，行選擇線(xiàn)的電壓開(kāi)始朝向其最終高電位VKWS, H升高。首先，當(dāng)行選擇線(xiàn)RWS的電壓開(kāi)始升高時(shí)，電荷通過(guò)選擇電容器Cl被注入到放大器晶體管Ml的柵極端子上。當(dāng)行選擇線(xiàn)的電壓開(kāi)始升高時(shí)的柵極端子的電壓由下式給出VG = VGO+ [ (VEWS-VEWS, L) · C0- (V肌 H_VPKE, L) · Cv] /(C1A+CV+CG,M1)放大器晶體管的柵極端子的電壓以比行選擇線(xiàn)RWS的升高速率低并且由可變液晶電容器元件CV的電壓決定的速率升高。在RWS的上升時(shí)間期間的某一點(diǎn)，Vkws可以相對(duì)于\充分地增大，使得壓敏選擇電容器兩端的電位差Va變得大于選擇電容器的閾值電壓 VT,clo因此，選擇電容器展現(xiàn)出較小的第二電容Cib，并且當(dāng)行選擇線(xiàn)的電壓繼續(xù)升高時(shí)的柵極端子的電壓的增大速率被降低。柵極端子的電壓現(xiàn)在由下式給出
Vg = Vgo+[(VEffS,T-VEffS,L). Cia-(VPKE, H-Vpee, J · Cv] / (C1A+CV+CG, M1)+ (VEWS-VEWS, T) · CIB/ (C1B+CV+CG, M1)其中VKWS,T是與選擇電容器從高電容到低電容的轉(zhuǎn)變相對(duì)應(yīng)的行選擇線(xiàn)的電壓。柵極端子在讀出時(shí)期中的最終電壓在行選擇線(xiàn)已經(jīng)達(dá)到其高電位VKWS,后被獲得，并且由下式給出Vg = Vgo+[(VEffS,T-VEffS,L). Cia-(VPKE, H-Vpee, J · Cv] / (C1A+CV+CG, M1)+ (VEffS, H-VEffSj t) · Cib/ (C1B+CV+CG, M1)在讀出時(shí)期期間，如果放大器晶體管Ml的柵極端子的電壓升高到其閾值電壓VT,M1 之上，那么該晶體管將接通并與連接到數(shù)據(jù)線(xiàn)的偏置晶體管M3 —起構(gòu)成源極跟隨放大器。 像素輸出電壓Vpix被限定為源極跟隨放大器的輸出電壓，并且由柵極端子的電壓Ve決定，從而由液晶電容器元件的電容決定。在讀出時(shí)期的結(jié)尾，使預(yù)充電線(xiàn)PRE返回到第一高電位VPKE, H，并且使行選擇線(xiàn)返回到第一低電位因此放大器晶體管的柵極端子返回到其初始電位VTO，并且放大器晶體管被關(guān)斷。在讀出時(shí)期期間由源極跟隨放大器產(chǎn)生的輸出電壓可以用已知方式(諸如前面說(shuō)明的方式)保持和讀出。該有源像素傳感器電路的放大效果起因于選擇電容器Cl的電壓依賴(lài)性、以及與該選擇電容器的轉(zhuǎn)變相對(duì)應(yīng)的行選擇電壓VKWS, τ由可變液晶電容器CV的電容決定的事實(shí)。 如圖四中所示，當(dāng)Cv增大時(shí)，對(duì)于行選擇電壓的較小升高，會(huì)發(fā)生選擇電容器到低電容的轉(zhuǎn)變。利用預(yù)充電操作產(chǎn)生的放大器晶體管的柵極端子的電壓的減小會(huì)產(chǎn)生選擇電容器兩端的電位差Va，該電位差Va由可變液晶電容器的電容決定。因此，為了使Va升高到閾值電壓Vt,α之上而需要的行選擇線(xiàn)的電壓的增大不僅如前所述由歸因于RWS的上升沿的柵極端子的增大速率決定，而且由預(yù)充電時(shí)期結(jié)尾處的Va的值決定。因此，本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于預(yù)充電操作和壓敏選擇電容器的組合使得可以把傳感器的靈敏度提高到超過(guò)單獨(dú)利用預(yù)充電操作或壓敏選擇電容器所能得到的靈敏度。第十三實(shí)施例該實(shí)施例包括把傳感器元件和顯示器元件這二者集成在一個(gè)AMIXD子像素電路內(nèi)，其中傳感器元件可以構(gòu)成如前述實(shí)施例中的任何一個(gè)實(shí)施例所述的有源像素傳感器電路；并且顯示器元件進(jìn)一步包括像素開(kāi)關(guān)晶體管、存儲(chǔ)電容器和液晶元件。這些顯示器元件的操作是公知的，并且在本公開(kāi)中將不再進(jìn)一步說(shuō)明。圖31示出本實(shí)施例的示例性配置，其中第十二實(shí)施例的像素電路與顯示器元件一起集成在A(yíng)MLCD的子像素中。傳感器讀出驅(qū)動(dòng)器包括列偏置晶體管(其與像素源極跟隨器晶體管一起構(gòu)成源極跟隨放大器)和用于從該裝置輸出傳感器信號(hào)的附加電路(例如現(xiàn)有技術(shù)中所公開(kāi)的附加電路)。第十四實(shí)施例在本發(fā)明的第十四實(shí)施例中，第一至第十二實(shí)施例中的任何一個(gè)實(shí)施例的有源像素傳感器電路被集成在A(yíng)MLCD的排列成液晶顯示像素的第二陣列的多個(gè)像素內(nèi)。由多個(gè)第一傳感器電路構(gòu)成的第一陣列和由多個(gè)液晶顯示像素構(gòu)成的第二陣列用公共的有源矩陣尋址方案尋址。圖32的方案圖解說(shuō)明了把有源像素傳感器電路集成在一個(gè)顯示像素內(nèi)的概念。顯示像素可以包含一群復(fù)合色子像素，例如它可以包含分別控制該像素顯示的紅色、 綠色和藍(lán)色(RGB)波長(zhǎng)的強(qiáng)度的三個(gè)子像素。可以在這三個(gè)子像素的范圍內(nèi)以任何適合的方式布置傳感器像素電路的元件。本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，與前一實(shí)施例相比，顯示器的開(kāi)口率被增大。圖32的電路僅是示例性的，并且可以在任意倍數(shù)個(gè)顯示子像素的范圍內(nèi)布置傳感器像素電路的元件。第十五實(shí)施例在圖33中所示的本發(fā)明的第十五實(shí)施例中，第一至第十二實(shí)施例中的任何一個(gè)實(shí)施例的有源像素傳感器電路被集成到AMLCD的每個(gè)像素內(nèi)，從而傳感器元件和顯示器元件共用公共的信號(hào)線(xiàn)?？梢岳梅謺r(shí)手段將顯示器電源線(xiàn)用作傳感器像素源極跟隨放大器的高功率電源線(xiàn)和輸出線(xiàn)。為了讀出像素值，只需要為總傳感器行時(shí)間的一小部分形成傳感器像素源極跟隨放大器。該時(shí)間可以被配置成與顯示器電源線(xiàn)通常被斷開(kāi)的顯示水平消隱周期重合。因此不需要對(duì)顯示驅(qū)動(dòng)器電路做出任何顯著的改變。現(xiàn)在參考圖33和圖34說(shuō)明電源線(xiàn)共用操作。顯示信號(hào)HSYNC表示顯示行周期的開(kāi)始，此后，電源線(xiàn)SLr、SLg和SLb被驅(qū)動(dòng)到適合的值以便控制液晶顯示器元件的狀態(tài)并從 AMLCD輸出圖像?，F(xiàn)在在顯示柵極驅(qū)動(dòng)器的控制下，使像素柵極線(xiàn)GL跳變成高電平使得電源線(xiàn)電壓被傳遞給相鄰像素。在顯示數(shù)據(jù)已經(jīng)被寫(xiě)入電源線(xiàn)并被傳遞給像素之后，在顯示消隱周期開(kāi)始時(shí)斷開(kāi)電源線(xiàn)。該消隱周期是定期地反轉(zhuǎn)對(duì)電極的AMLCD裝置所共有的公知技術(shù)。在該顯示消隱周期期間，使傳感器行選擇信號(hào)為高電平。同時(shí)，連接到傳感器像素源極跟隨放大器晶體管Ml的漏極的顯示器電源線(xiàn)被驅(qū)動(dòng)到VDD，并對(duì)傳感器列偏置晶體管 M3的柵極施加偏置電壓Vb (在顯示操作期間，Vb被驅(qū)動(dòng)到低電位使得M3被關(guān)斷并因此不會(huì)干擾顯示操作)。Ml和M3現(xiàn)在構(gòu)成源極跟隨放大器，其輸出表示處于傳感器電極的區(qū)域中的液晶的電容。一旦源極跟隨器輸出電壓已經(jīng)被讀出，就使行選擇信號(hào)RWS和列偏置信號(hào) CB都返回到低電位。本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于相對(duì)于前述實(shí)施例增大了開(kāi)口率，這種開(kāi)口率的增大與顯示器信號(hào)線(xiàn)和傳感器信號(hào)線(xiàn)的共用相關(guān)。圖33的方案只是舉例說(shuō)明在A(yíng)MLCD像素內(nèi)集成本公開(kāi)中說(shuō)明的有源像素傳感器電路，從而顯示器元件和傳感器元件共用公共線(xiàn)路的概念。傳感器元件可以在多個(gè)顯示像素的范圍內(nèi)以任意適合的方式布置，并且因此不需要局限于圖33中所示的方案。第十六實(shí)施例在本發(fā)明的第十六實(shí)施例中，把兩種或更多種不同類(lèi)型的有源像素傳感器電路以固定模式集成在A(yíng)MLCD的矩陣內(nèi)。因此，在該實(shí)施例中，AMLCD包含由多個(gè)第一傳感器電路構(gòu)成的第一陣列、和由多個(gè)第二傳感器電路構(gòu)成的第三陣列，并且還可以包含由多個(gè)液晶顯示像素構(gòu)成的第二陣列。第一傳感器電路和第二傳感器電路可以是有源像素傳感器電路，并且可以用本公開(kāi)中在前面說(shuō)明的任意有源像素傳感器電路構(gòu)成，并且每種類(lèi)型的傳感器電路可以對(duì)輸入壓力展現(xiàn)出不同的靈敏度(例如，與第一傳感器電路相比，第二傳感器電路可以具有較低的靈敏度)。每個(gè)有源像素傳感器電路可以集成在多個(gè)顯示像素的范圍內(nèi)。例如，如圖35中所示，低靈敏度的第一有源像素傳感器電路和高靈敏度的第二有源像素傳感器電路可以集成在顯示矩陣的相鄰像素中，使得第一傳感器電路與第二傳感器電路交錯(cuò)。如前述實(shí)施例中所述的提高電容傳感器的靈敏度的缺點(diǎn)在于，傳感器的輸出電壓范圍會(huì)受到限制。因此，隨著靈敏度被提高，對(duì)于不斷增大的小輸入壓力，傳感器輸出將達(dá)到飽和。對(duì)于輸入物體可以從接觸面積相對(duì)較小的物體(例如鐵筆或筆)變化到接觸面積相對(duì)較大的物體(例如手指)并且需要較大范圍的輸入作用力的實(shí)用力敏觸摸面板來(lái)說(shuō)， 產(chǎn)生的壓力的范圍可能會(huì)超出單個(gè)有源像素傳感器電路能夠測(cè)量的范圍。本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于電容傳感器陣列的范圍可以被增大。在圖35的實(shí)例中，施加較高輸入接觸力的接觸面積較小的輸入物體可以由第一有源像素傳感器電路(諸如前面說(shuō)明的標(biāo)準(zhǔn)有源像素傳感器電路)測(cè)量，而施加較小輸入力的接觸面積較大的輸入物體可以由第二有源像素傳感器電路(諸如本發(fā)明的第十二實(shí)施例的有源像素傳感器電路)測(cè)量。盡管這樣說(shuō)明了本發(fā)明，但明顯的是，同一方法可以以許多方式變化。這樣的變化不應(yīng)視為是脫離了本發(fā)明的精神和范圍，并且對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見(jiàn)的所有這樣的變更應(yīng)被包括在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
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權(quán)利要求
1.一種液晶裝置，包括由多個(gè)第一傳感器電路構(gòu)成的第一陣列，每個(gè)第一傳感器電路包括液晶感測(cè)電容器；放大器，其輸入端連接到所述感測(cè)電容器的第一端子；以及壓敏電容器，其電容是其兩端電壓的函數(shù)，并且連接在放大器輸入端和傳感器電路選擇輸入端之間。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述感測(cè)電容器具有響應(yīng)于觸摸事件而變化的電容。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述壓敏電容器在兩端的電壓為第一電壓的情況下具有第一電容，并且在兩端的電壓為具有比所述第一電壓大的值的第二電壓的情況下具有小于所述第一電容的第二電容。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述選擇輸入端配置成接收用于禁用所述第一傳感器電路的第三電壓，以及用于啟用所述第一傳感器電路的具有比所述第三電壓大的值的第四電壓。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述放大器包括第一晶體管。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述第一晶體管包括第一金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述第一晶體管被連接為源極跟隨器。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述第一陣列包括多行和多列的第一傳感器電路，同時(shí)每列第一傳感器電路的源極跟隨器連接到公共源極負(fù)載。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中每行的第一傳感器電路的所述選擇輸入端被連接在一起。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述壓敏電容器包括第二金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極和漏極被連接在一起。
12.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)第一傳感器電路包括具有連接到所述放大器輸入端的第一端子、并且被配置成當(dāng)所述第一傳感器電路被禁用時(shí)在所述放大器輸入端提供預(yù)定電壓的二極管。
13.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述第二場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有連接在所述放大器輸入端和配置成在所述第一傳感器電路被禁用時(shí)在所述放大器輸入端提供預(yù)定電壓的二極管的第一端子之間的源極-漏極通路。
14.如權(quán)利要求12或13所述的裝置，其中所述二極管的第二端子連接到所述第一傳感器電路的尋址輸入端。
15.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一傳感器電路的所述感測(cè)電容器的第二端子被連接在一起。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述感測(cè)電容器的所述第二端子包含公共端子。
17.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述感測(cè)電容器的第二端子連接到預(yù)充電輸入端。
18.如從屬于權(quán)利要求12或13的權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述二極管的第二端子連接到所述預(yù)充電輸入端。
19.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述感測(cè)電容器包含具有與相鄰的液晶材料層協(xié)作的共面電極的平面電容器。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述共面電極面對(duì)位于所述液晶材料層的相對(duì)側(cè)的電極間隙。
21.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述共面電極面對(duì)位于所述液晶材料層的相對(duì)側(cè)的電浮電極。
22.如權(quán)利要求19至21中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述共面電極由配置成接收基本固定的電壓的共面保護(hù)環(huán)圍繞。
23.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，包括由多個(gè)液晶顯示像素構(gòu)成的第二陣列。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述第一陣列和所述第二陣列通過(guò)公共有源矩陣尋址方式尋址。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述尋址方式配置成在顯示消隱周期期間尋址所述第一陣列。
26.如權(quán)利要求23至25中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述第一傳感器電路具有與連接到像素?cái)?shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)相連的輸出端。
27.如權(quán)利要求23至26中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)第一傳感器電路與由至少一個(gè)像素構(gòu)成的群相關(guān)聯(lián)。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中每個(gè)群包含一群復(fù)合色子像素。
29.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，包括由多個(gè)第二傳感器電路構(gòu)成的第三陣列，所述第二傳感器電路的靈敏度比所述第一傳感器電路的靈敏度低。
30.如權(quán)利要求四所述的裝置，其中所述第二傳感器電路與所述第一傳感器電路交錯(cuò)。
31.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其被配置成充當(dāng)觸摸屏。
全文摘要
提供了一種液晶裝置，其采取例如構(gòu)成觸摸屏的組合起來(lái)的顯示器和傳感器的形式。所述裝置包括例如有源矩陣型傳感器電路的陣列。每個(gè)傳感器電路包括連接到布置成源極跟隨器的晶體管M1的液晶感測(cè)電容器(CV)。采取壓敏電容器形式的傳感器選擇電容器(C1)連接在晶體管(M1)和行選擇線(xiàn)(RWS)之間。壓敏電容器(C1)的電容取決于其兩端的電壓，當(dāng)所述電壓較小時(shí)具有較大的電容值，并且當(dāng)所述電壓較大時(shí)具有較小的電容值。
文檔編號(hào)G06F3/041GK102576273SQ20108004805
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月3日
發(fā)明者C.J.布朗 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社