圖像傳感器以及顯示器的制作方法

專利名稱：圖像傳感器以及顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像傳感器以及包括這種圖像傳感器的顯示器。
背景技術(shù)：
期望以薄膜多晶硅工藝來(lái)制作圖像傳感器，這與在為有源矩陣液
晶顯示器(AMLCD)制造薄膜晶體管基板時(shí)使用的工藝相兼容。通 過(guò)使用這樣的制作工藝，可以將這樣的圖像傳感器單片地集成在 AMLCD內(nèi)，以提供例如對(duì)觸摸或筆輸入進(jìn)行檢測(cè)的輸入功能。在這 樣的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)像素可以包括圖像感測(cè)和顯示元件，以提供圖像感 測(cè)和顯示的相似空間分辨率。然而，與其中并未提供圖像感測(cè)功能的 顯示器相比，像素內(nèi)圖像感測(cè)功能的存在減小了這種顯示設(shè)備的孔徑 比。
現(xiàn)有若干類型的半導(dǎo)體圖像傳感器，包括基于電荷耦合器件 (CCD)技術(shù)的半導(dǎo)體圖像傳感器以及基于互補(bǔ)金屬氧化物硅 (CMOS)技術(shù)的半導(dǎo)體圖像傳感器。在過(guò)去CCD提供了比CMOS圖 像傳感器高的性能，這是因?yàn)閷ｉT的加工技術(shù)使光生電荷 (photo-generated charge)的傳輸效率最大化。然而，CMOS圖像傳感 器的優(yōu)點(diǎn)在于，可以將圖像陣列和信號(hào)處理電子器件集成到相同的芯 片中，然而CCD工藝的專用特性禁止這樣的集成。從而CMOS圖像傳 感器對(duì)于許多應(yīng)用(例如在消費(fèi)電子器件中)具有成本較低的優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)有2種主要類型的CMOS圖像傳感器，即無(wú)源像素傳感器(PPS) 和有源像素傳感器(APS)。無(wú)源像素傳感器在圖像傳感器的每個(gè)像素 內(nèi)包括光電二極管或類似的光敏器件，以及"選擇"晶體管。按行 對(duì)圖像傳感器陣列進(jìn)行尋址，利用典型位于每列底部的積分器對(duì)每一 光電二極管產(chǎn)生的電流在一行周期的持續(xù)時(shí)間上進(jìn)行積分。因?yàn)槊總€(gè) 像素僅包含2個(gè)有源器件，所以無(wú)源像素結(jié)構(gòu)允許提供高分辨率陣列。然而，對(duì)每行進(jìn)行連續(xù)積分所需要的時(shí)間限制了這種陣列的尺寸，且 輸出信號(hào)遭受到與積分期間列電流的波動(dòng)相關(guān)的相對(duì)大強(qiáng)度噪聲。
APS設(shè)備包括處于每個(gè)像素中的放大器，從而不會(huì)受到PPS結(jié)構(gòu)
的限制。例如，如US5,471，515中公開(kāi)的，附圖的圖l示出了采用基于 光電門的(photogate-based)像素電路的APS的示例。在操作中，在積 分時(shí)段期間，電子與入射在光電門電極下面的基板上的光子通量成比 例地聚集到光電門30下面的勢(shì)阱中。在每個(gè)積分時(shí)段的末尾，通過(guò)施 加復(fù)位信號(hào)脈沖RST將浮擴(kuò)散區(qū)(floating diffusion region) 40的電勢(shì) 復(fù)位到初始電平。然后在由脈沖TX控制的傳輸步驟期間將聚集在光電 門上的電荷傳輸至浮擴(kuò)散區(qū)40。從而浮擴(kuò)散區(qū)40的電勢(shì)表示在積分時(shí) 段期間聚集的電荷。
在對(duì)像素行進(jìn)行采樣時(shí)，利用行掃描脈沖(ROW)將行選擇晶體 管60導(dǎo)通。連接晶體管55，作為與位于像素陣列的列末尾的偏置晶體 管65協(xié)作的源極跟隨器(source-follower)。晶體管55的柵極與浮擴(kuò)散 節(jié)點(diǎn)連接，使得源極跟隨器的輸出提供對(duì)晶體管55的柵極處的電壓的 指示，以及從而提供對(duì)積分時(shí)段期間聚集在像素中的電荷的指示。
如圖1中70處所示，圖像傳感器芯片還包括用于讀出采樣像素信 號(hào)的電路。在選擇了包含感測(cè)元件在內(nèi)的行時(shí)，經(jīng)由晶體管200將表示 入射光強(qiáng)度的源極跟隨器輸出電壓存儲(chǔ)在電容器205中。晶體管210、 215以及200針對(duì)包含感測(cè)元件在內(nèi)的列組成另一源極跟隨器。在脈沖 產(chǎn)生(pluse)列選擇信號(hào)COL時(shí)，經(jīng)由輸出OUT將列源極跟隨器的輸 出提供給芯片放大器。依次使能列源極跟隨器，使得圖像傳感器輸出 電壓是對(duì)入射在陣列的每個(gè)像素上的光強(qiáng)度的時(shí)序(time sequential)
圖1所示的結(jié)構(gòu)還包括器件116、 225、 230、 235、 240以及245, 這些器件用于為芯片放大器產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，以減小偏移誤差。這種結(jié) 構(gòu)的操作是現(xiàn)有的并且將不對(duì)其進(jìn)一步描述。
附圖的圖2示出了APS型傳感器元件，該傳感器元件包括"體 (bulk)"或垂直型的光電二極管l，例如，如在"128x128 CMOS
photodiode-type active pixel sensor with on-chip timing, control, andsignal chain electronics", E Fossum et al, Charge-Coupled Devices and Solid-State Optical Sensors V, Proc. SPIE, Vol 2415, pp 117-123, 1995中
公開(kāi)的。感測(cè)元件包括連接在電源線VDD與光電二極管1的陰極3之間 的復(fù)位晶體管2。晶體管2的柵極接收復(fù)位信號(hào)RST，并且將光電二極 管1反向偏置以便將其電容充電至預(yù)定的電壓。在復(fù)位階段之后是感測(cè) 階段，在所述感測(cè)階段期間執(zhí)行積分，從而光電二極管電流以與入射 在光電二極管l上的光子通量成比例的速率對(duì)所述光電二極管的電容 進(jìn)行放電。作為源極跟隨器連接晶體管4，其中將所述晶體管4的源極-漏極或"主傳導(dǎo)"路徑與選擇晶體管5的源極-漏極或"主傳導(dǎo)"路徑 串聯(lián)在電源線VDD與感測(cè)元件陣列的列總線COLBUS 6之間。在對(duì)像 素行進(jìn)行采樣時(shí)，利用脈沖RS將行選擇晶體管5導(dǎo)通。列總線與例如 圖1中晶體管65和電路70所示類型的列讀取結(jié)構(gòu)連接，以允許將來(lái)自像
素行的輸出電壓從傳感器讀出。
如附圖的圖3所示，US 2006/0033729 Al公幵了一種設(shè)備，包括集 成在AMLCD內(nèi)的圖像傳感器。每個(gè)像素包括顯示部分和圖像感測(cè)部 分，其中后者的類型與附圖的圖2所示的相類似。在該設(shè)備中，每個(gè)光 電二極管包括與制造AMLCD薄膜晶體管(TFT)基板使用相同加工技 術(shù)制作的薄膜光電二極管。在該情況下需要分立的積分電容器，這是 因?yàn)椋c體CMOS器件相比，薄膜光電二極管的光電流與自電容 (self-capacitance)之比較大。因此，在不存在積分電容的情況下，像 素放電速率對(duì)于實(shí)際使用而言將過(guò)高。
可以采用陰影模式或反射模式來(lái)操作這樣的設(shè)備。在陰影模式 下，AMLCD之上的對(duì)象阻斷環(huán)境光的路徑并且在顯示器的表面上投 下陰影，由圖像傳感器陣列檢測(cè)所述陰影。例如，該模式可用于觸摸、 筆或手勢(shì)輸入。如附圖的圖4所示，在反射模式下，來(lái)自顯示器背光23 的光通過(guò)相對(duì)基板24、液晶層25以及TFT基板21，以便入射到設(shè)備前 面的對(duì)象22上。自對(duì)象22反射的光返回圖像傳感器陣列以轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 的信號(hào)。反射模式的應(yīng)用示例包括接觸型圖像掃描以及指紋識(shí)別和鑒 定。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種圖像傳感器，包括至少一個(gè) 傳感器元件，每一個(gè)所述傳感器元件包括半導(dǎo)體放大元件、積分電容 器、以及光電二極管，所述光電二極管具有第一電極，與放大元件 的第一控制電極和電容器的第一端子連接；以及第二電極，與第一控 制輸入連接，其中將所述第一控制輸入設(shè)置為在感測(cè)階段期間接收 第一電壓，以將光電二極管反向偏置；以及在復(fù)位階段期間接收第二
電壓，以將光電二極管正向偏置，從而將電容器充電至預(yù)定電壓。
可以循環(huán)地重復(fù)復(fù)位和感測(cè)階段。
光電二極管可以是橫向光電二極管。
光電二極管可以是薄膜二極管。
放大元件可以包括電壓跟隨器結(jié)構(gòu)。
放大元件包括可以第一晶體管。第一晶體管可以是薄膜晶體管。 第一晶體管可以是場(chǎng)效應(yīng)晶體管?？梢赃B接第一晶體管作為源極跟隨
器，以及第一控制電極可以包括晶體管柵極。
傳感器可以包括半導(dǎo)體選擇元件，半導(dǎo)體選擇元件具有主傳導(dǎo) 路徑，所述主傳導(dǎo)路徑與放大元件的主傳導(dǎo)路徑串聯(lián)；以及第二控制
電極，所述第二控制電極與第二輸入連接以在讀取階段期間對(duì)傳感器 元件的選擇加以控制。選擇元件可以包括第二晶體管。第二晶體管可 以是薄膜晶體管。
電容器可以具有與第二控制輸入連接的第二端子，將所述第二控
制輸入設(shè)置為在感測(cè)階段期間接收第三電壓，以禁用放大元件，并
允許利用電容器對(duì)來(lái)自光電二極管的光電流進(jìn)行積分；以及在讀取階
段期間接收第四電壓，以使能放大元件。
所述至少一個(gè)傳感器元件可以包括多個(gè)傳感器元件，將所述多個(gè) 傳感器元件設(shè)置為包括行和列的第一陣列。傳感器可以包括第一行控 制輸入，所述第一行控制輸入中的每個(gè)與相應(yīng)行的傳感器元件的第一 控制輸入連接。傳感器可以包括第二行控制輸入，所述第二行控制輸 入中的每個(gè)與相應(yīng)行的傳感器元件的第二控制輸入連接。傳感器可以 包括列輸出，所述列輸出中的每個(gè)與相應(yīng)列的傳感器元件的輸出連接。每列輸出可以與相應(yīng)的偏置元件連接。每個(gè)偏置元件可以包括第三晶 體管。每個(gè)第三晶體管可以是薄膜晶體管。
傳感器可以包括有源矩陣尋址結(jié)構(gòu)，用于對(duì)傳感器元件進(jìn)行尋址。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種顯示器，包括根據(jù)本發(fā)明第 一方面的傳感器以及至少一個(gè)顯示像素。
所述至少一個(gè)像素可以包括多個(gè)像素，將所述多個(gè)像素設(shè)置為包 括多行和多列的第二陣列。傳感器元件中的每個(gè)可以構(gòu)成至少一個(gè)像 素的一部分。顯示器可以包括像素列數(shù)據(jù)線，所述像素列數(shù)據(jù)線中的 至少兩條將列輸出連接到相應(yīng)傳感器元件列的傳感器元件輸出。
像素可以是液晶像素。
有源矩陣尋址結(jié)構(gòu)可以被設(shè)置為對(duì)每行傳感器元件在相應(yīng)像素 行的行消隱期期間進(jìn)行尋址。
從而可以提供一種圖像傳感器，在所述圖像傳感器中，與現(xiàn)有結(jié) 構(gòu)相比每個(gè)傳感器元件占用更小的面積。例如，這可以用于提供更大 的感測(cè)元件"封裝密度"，以提供更大空間分辨率的傳感器。在組合傳 感器和顯示器的情況下，傳感器元件具有更小的面積，使得對(duì)于給定 的空間分辨率，像素面積的更大部分可用于顯示目的，例如以提供具 有改進(jìn)外觀的更亮的顯示器。例如，這種結(jié)構(gòu)可用于使用薄膜半導(dǎo)體 加工或絕緣體上硅(SOI)半導(dǎo)體加工技術(shù)的設(shè)備中。在傳感器與顯
示器相結(jié)合的情況下，例如采用積分圖像感測(cè)的AMLCD的孔徑比可 以充分增大。


圖l是現(xiàn)有類型圖像傳感器的一部分的示意圖； 圖2是現(xiàn)有類型圖像感測(cè)元件的電路圖； 圖3是并入圖像傳感器的現(xiàn)有顯示器的一部分的電路圖； 圖4是包括以反射模式操作的圖像傳感器在內(nèi)的現(xiàn)有顯示器的示 意性橫截面圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖像傳感器的一部分的電路9圖6是示出了對(duì)圖5所示實(shí)施例的可能修改的電路圖； 圖7是示出了對(duì)圖5所示實(shí)施例的另一可能修改的電路圖； 圖8是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的圖像傳感器的一部分的電路圖； 圖9是示出了在圖8所示實(shí)施例中出現(xiàn)的波形的時(shí)序圖； 圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的、包括圖像傳感器在內(nèi)的顯示
器的示意圖U是示出了圖10所示實(shí)施例的示例細(xì)節(jié)的圖12是示出了根據(jù)圖10所示實(shí)施例的另一示例細(xì)節(jié)的圖13是示出了根據(jù)圖10所示實(shí)施例的又一示例細(xì)節(jié)的圖14是示出了圖10所示實(shí)施例的操作的時(shí)序圖。
在圖中相同的參考數(shù)字表示相同的部分。
具體實(shí)施例方式
圖像傳感器包括由傳感器元件的行和列組成的陣列，每個(gè)傳感器 元件如圖5中的10所示。將傳感器元件10與尋址和輸出電路一起集成在 公共基板上，例如，使用薄膜晶體管或絕緣體上硅(silicon-on-insulator) 技術(shù)。傳感器包括有源矩陣器件，所述有源矩陣器件可以與如下描述 的液晶型有源矩陣顯示器相結(jié)合。
傳感器元件10包括橫向(lateral)薄膜光電二極管D1形式的光電 檢測(cè)器。光電二極管D1的陽(yáng)極與復(fù)位線RST連接，所述復(fù)位線RST對(duì) 于相同行的所有傳感器元件是公共的。光電二極管D1的陰極與積分節(jié) 點(diǎn)11連接，所述積分節(jié)點(diǎn)11與積分電容器C1的第一電極或極板連接， 積分電容器C1的另一電極或極板與電源線VDD連接。
感測(cè)元件10包括薄膜絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管M1形式的半導(dǎo)體放大 元件，將M1設(shè)置為源極跟隨器，其中M1的柵極與光電二極管D1的陰 極和電容器C1的第一電極連接，M1的漏極與電源線VDD連接，Ml的 源極提供輸出信號(hào)。晶體管Ml的源極-漏極路徑與另一絕緣柵場(chǎng)效應(yīng) 晶體管M2的源極-漏極路徑串聯(lián)在電源線VDD與列輸出線6之間。晶體 管M2的柵極與行選擇線RS連接，所述行選擇線RS對(duì)于相同行的傳感 器元件是公共的。晶體管M2的源極形成感測(cè)元件10的輸出，其中相同列的感測(cè)元件的輸出與相同的列輸出線6連接。
列輸出線6的末尾與絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管M3的漏極連接，所述絕 緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管M3的源極與另一電源線VSS連接，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶 體管M3的柵極經(jīng)由基準(zhǔn)電壓線VB與基準(zhǔn)電壓發(fā)生器連接。晶體管M3 用作偏置元件，所述偏置元件針對(duì)當(dāng)前為讀取而選擇的列的每個(gè)傳感 器元件10的晶體管M1形成有源源極負(fù)載。晶體管M3的漏極包括列輸 出，并且與任何合適類型(例如以上參考圖l描述的類型)的輸出讀取 電路連接。
每個(gè)傳感器元件10執(zhí)行對(duì)具有多個(gè)階段的操作的重復(fù)循環(huán)。在包 括積分時(shí)段在內(nèi)的感測(cè)階段的開(kāi)始，將脈沖提供給復(fù)位線RTS以正向 偏置光電二極管D1。從而光電二極管D1導(dǎo)通以將電容器C1兩端的電 壓設(shè)置成預(yù)定的初始值。例如，正常地復(fù)位線RST的電壓處于Vss，其 中Vss是電源線VSS的電壓并且典型地是O伏。脈沖具有等于Vdd的幅
度，使得電容器C1兩端的初始電壓等于電源電壓VDD減去光電二極管
Dl兩端的正向電壓降。在復(fù)位之后，復(fù)位線RST的電壓返回值Vss以便 將光電二極管D1反向偏置。
在積分時(shí)段期間，光電二極管電流以與入射在光電二極管上的光 子通量成比例的速率對(duì)積分電容器C1進(jìn)行放電。在積分時(shí)段的末尾， 電容器C1兩端的電壓下降的量等于光電二極管電流與積分時(shí)段時(shí)間 的乘積除以電容器C1的電容(與光電二極管D1的電容和晶體管M1的 柵極電容并聯(lián))。
在積分時(shí)段的末尾，將行選擇脈沖提供給行選擇線RS。從而提供 給晶體管M2柵極的電壓從晶體管閾值電壓以下升高到晶體管閾值電 壓以上，以便接通晶體管M2。從而晶體管M1的源極經(jīng)由控制線6與偏 置晶體管M3的漏極連接以形成源極跟隨器，所述源極跟隨器用作電壓 跟隨器結(jié)構(gòu)。源極跟隨器的輸出電壓提供了對(duì)在積分時(shí)段期間積分的 光電二極管電流的度量，從而提供了對(duì)入射在光電二極管D1上的光強(qiáng) 度的度量。
傳感器元件10允許使用薄膜或絕緣體上硅技術(shù)形成整個(gè)元件，但 是比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)占用的面積小。例如，與圖3所示的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中所需要的3個(gè)晶體管相比，圖5的傳感器元件10僅需要2個(gè)晶體管。這允許制造低 成本的圖像傳感器，其中每單元面積具有更多的傳感器元件，以提供 增大的圖像感測(cè)空間分辨率?？蛇x地，在傳感器構(gòu)成顯示器的一部分
時(shí)，減小了傳感器元件所占用的面積，使得例如與圖3所示的結(jié)構(gòu)相比
可以增大顯示器的孔徑比。因此，與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示器 的亮度和質(zhì)量的改進(jìn)。
圖6所示的傳感器元件10與圖5所示的傳感器元件的不同之處在 于，將光電二極管D1的極性反轉(zhuǎn)，使得陰極與復(fù)位線RST連接而陽(yáng)極 與積分節(jié)點(diǎn)ll連接。此外，通常復(fù)位線RST承載電源線VDD的電壓 Vdd，復(fù)位脈沖使該電壓下降到電源線VSS的電壓Vss。傳感器元件IO 的操作與圖5所示元件的操作相類似。然而，在復(fù)位階段期間，將由電 容器Cl的第一極板形成的積分節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)設(shè)置成電壓Vss加上光電二 極管D1兩端的正向電壓降，并且所述積分節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)在積分時(shí)段期間 以這樣的速率升高該速率是由出現(xiàn)在積分節(jié)點(diǎn)U處的電容以及由通 過(guò)光電二極管D1的光電流確定的。
圖7示出了對(duì)圖5的傳感器元件的修改，該修改還可以用于圖6的 傳感器元件。具體地，在光電二極管D1之上提供遮光器(light shield) lla，并且所述遮光器lla與傳感器元件10的積分節(jié)點(diǎn)ll連接。
例如，在傳感器元件10是諸如AMLCD之類的顯示器的一部分時(shí)， 這種遮光器lla的使用是必要的。在這種情況下，顯示器基板是透明的， 并且除了將要感測(cè)的環(huán)境光以外，還暴露給背光。例如，可以在TFT 加工的任何合適層中制作遮光器lla，并且可以將遮光器lla設(shè)置為阻 止來(lái)自背光的光進(jìn)入光電二極管D1的光敏區(qū)，使得基本上僅入射環(huán)境
光為光電二極管電流做貢獻(xiàn)。
圖8示出了圖像傳感器的傳感器元件，所述圖像傳感器僅需要l個(gè) 晶體管M1，從而占用甚至更小的基板面積，允許甚至更大的圖像感測(cè) 空間分辨率和/或顯示器孔徑比。源跟隨晶體管M1和偏置晶體管M3如 以上所述。光電二極管D1的陰極和積分電容器C1的第一電極(端子) 與積分節(jié)點(diǎn)11連接以及與晶體管M1的柵極連接。光電二極管D1的陽(yáng) 極與復(fù)位線RST連接。電容器C1的第二電極(端子)與行選擇線RS連接，省略了晶體管M2。圖9所示的上面和下面的波形示出了復(fù)位線RST 和行選擇線RS上的波形。
如以上所述，傳感器元件執(zhí)行對(duì)復(fù)位、積分以及讀取階段的重復(fù) 循環(huán)。例如根據(jù)現(xiàn)有的有源矩陣尋址技術(shù)，對(duì)于相同行傳感器元件io
的循環(huán)彼此同步，對(duì)于不同行的循環(huán)在時(shí)間上是參差的或偏移的。 在復(fù)位階段開(kāi)始時(shí)，復(fù)位線RST上的信號(hào)升高到它的高電平VDDR。
從而光電二極管D1變成正向偏置并且導(dǎo)通，以便將積分節(jié)點(diǎn)ll充電至 電勢(shì)(VDDR-VD)，其中Vo是光電二極管的正向電壓。電壓VoDR小于晶 體管M1的閾值電壓，使得在復(fù)位階段期間以及在隨后的積分階段期間 該晶體管保持切斷。
在復(fù)位信號(hào)返回其低值時(shí)積分階段開(kāi)始。在該階段期間，光電二 極管電流以與入射在光電二極管上的光子通量成比例的速率對(duì)積分電 容器C1進(jìn)行放電。在積分階段的末尾(在選擇行以進(jìn)行讀取時(shí))，由 以下公式給出了積分節(jié)點(diǎn)11處的電壓V:nt:
ViNT = VddR _ Vd - IpHOTO'tlN丁/CT
其中IPH0T0是通過(guò)光電二極管D1的電流，twT是積分時(shí)段，以及Ct 是積分節(jié)點(diǎn)ll處的總電容?？傠娙軨T是電容器C1的電容、光電二極管
Dl的自電容、以及晶體管M1的柵極電容的總計(jì)。
在讀取階段的開(kāi)始，線RS上的行選擇信號(hào)升高至其高值。在積分
電容器C1兩端出現(xiàn)電荷注入，使得積分節(jié)點(diǎn)ll處的電勢(shì)增大到
ViNT = Vddr畫Vd - IpHOTotlN丁/CT + (Vrs.H _ Vrs.L)'Cint/Ct 其中VRS.H和VRS丄分別是行選擇信號(hào)的高和低電勢(shì)，并且可以分別
等于Vdd和Vss。
從而積分節(jié)點(diǎn)11處的電勢(shì)升高到源跟隨晶體管M1的閾值電壓以 上，使得源跟隨晶體管M1與列末尾的偏置晶體管M3—起作為源跟隨
放大器進(jìn)行操作。提供給列輸出的輸出電壓表示在積分階段期間積分
的光電二極管電流，從而表示入射在光電二極管D1上的光的強(qiáng)度。
在讀取階段的末尾，線RS上的行選擇信號(hào)返回其低值。通過(guò)電容 器C1兩端的電荷注入將電荷從積分節(jié)點(diǎn)11去除。從而積分節(jié)點(diǎn)ii的電 勢(shì)下降到晶體管M1的閾值電壓以下，從而截止晶體管M1。如以上提到的，電容器C1的第二端子與行選擇線RS形式的電源線
(第二控制輸入)VDD連接。在感測(cè)或積分階段，行選擇線RS接收電 壓(第三電壓)VDDR/VSS，從而將放大元件M1禁用并且允許對(duì)光電 流的積分。在積分階段末尾的讀取階段期間，如圖9的下面的圖所示， 行選擇線RS接收電壓(第四電壓)VDD，從而通過(guò)利用電荷注入使晶 體管M1的柵極升高這樣的電壓來(lái)使能晶體管M1:該電壓在晶體管閾 值電壓以上，并且是在積分時(shí)段期間至少部分地由入射在光電二極管 Dl上的光確定的。
如以上提到的，通過(guò)忽略行選晶體管M2，圖8的傳感器元件10占 用的基板面積比前述實(shí)施例中的傳感器元件所占用的基板面積甚至更 小。
如以上提到的，可以將傳感器元件10的陣列以及列底部的輸出電 路并入顯示器內(nèi)，以便為這樣的顯示器提供例如"觸摸屏"形式的輸 入設(shè)施。圖10示出了這種設(shè)備在公共基板上的布局圖，例如利用薄膜 技術(shù)或絕緣體上硅技術(shù)將所有部件集成在所述公共基板上。例如由玻 璃制成的透明基板12承載像素矩陣13，所述像素矩陣13包括顯示圖像 元件(像素)的陣列或矩陣，其中包括傳感器元件，且具有以行和列 方向延伸的適當(dāng)電極。顯示器從任何合適的圖像源接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)以及 定時(shí)信號(hào)和功率，并且顯示器包括顯示器源極驅(qū)動(dòng)器14和顯示器柵極 驅(qū)動(dòng)器15。在有源矩陣器件領(lǐng)域中這樣的驅(qū)動(dòng)器是現(xiàn)有的，并且將不 對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步描述。設(shè)備還包括傳感器行驅(qū)動(dòng)器16和傳感器讀出驅(qū) 動(dòng)器17。驅(qū)動(dòng)器16和17從用于處理傳感器數(shù)據(jù)的設(shè)備接收定時(shí)和功率 信號(hào)。傳感器讀出驅(qū)動(dòng)器17可以是如以上描述的傳統(tǒng)類型，傳感器行 驅(qū)動(dòng)器16可以與顯示器柵極驅(qū)動(dòng)器15相類似。
圖ll以包括圖像感測(cè)功能的有源矩陣液晶顯示器(AMLCD)形 式示出了圖10中組合顯示器和傳感器結(jié)構(gòu)的示例。詳細(xì)示出了形成陣 列的像素電路18之一的電路圖。顯示像素是現(xiàn)有類型的并且包括薄膜 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管M4，薄膜絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管M4的柵極經(jīng)由行 柵極線GL與顯示器柵極驅(qū)動(dòng)器15連接，薄膜絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管M4 的源極經(jīng)由列源極線SL與顯示器源極驅(qū)動(dòng)器14連接。晶體管M4的漏
14極與電容器C2的一個(gè)電極和液晶像素CLC的一個(gè)電極連接。電容器C2 的另一電極經(jīng)由公共線TFTCOM與驅(qū)動(dòng)器15連接。另一像素電極由相 對(duì)設(shè)備基板上的相對(duì)電極構(gòu)成，其中該相對(duì)設(shè)備基板被連接以接收公 共相對(duì)電極電壓VCOM。
傳感器元件10是圖8所示類型的，傳感器元件10包括單個(gè)晶體管 Ml、薄膜橫向光電二極管D1、以及積分電容器C1。電源線VDD和列 輸出線6與傳感器讀出驅(qū)動(dòng)器17連接。行選擇線RS和復(fù)位線RST與傳 感器行驅(qū)動(dòng)器16連接。
在這樣的AMLCD中圖像顯示像素的操作是公知的，這里將不對(duì) 其進(jìn)行進(jìn)一步描述。包括傳感器元件10以及驅(qū)動(dòng)器16和17在內(nèi)的圖像 傳感器的操作如以上所述。盡管可以獨(dú)立地執(zhí)行對(duì)顯示像素和傳感器 元件的尋址，然而通常以逐行為基礎(chǔ)來(lái)將這樣的尋址同步，以下將描 述這種尋址的定時(shí)示例。
在圖ll的顯示器中，每個(gè)傳感器元件10位于每個(gè)像素電路18內(nèi)， 使得圖像感測(cè)空間分辨率與圖像顯示空間分辨率相同。然而，感測(cè)和 顯示分辨率不需要相同，并且分別是可以根據(jù)任何具體應(yīng)用的需要來(lái) 選擇的。例如，圖12示出了這樣的顯示器，在該顯示器中，為每組提 供一個(gè)傳感器元件IO，其中所述組包括3個(gè)顏色分量像素，這3個(gè)顏色 分量像素形成合成的全色(full-colour)像素。為合成像素每列的RGB 分量像素提供分立的源極線SLr、 SLg以及SLb。光電二極管D1和積分 電容器C1位于顏色分量像素之一內(nèi)，在該情況下位于紅色像素內(nèi)，而 晶體管M1位于綠色分量像素內(nèi)。這減小了每個(gè)顏色分量像素內(nèi)傳感器 元件電路占用的面積，從而增大了最低像素孔徑比。將光電二極管D1 置于一個(gè)顏色的顏色分量像素下面將使得圖像傳感器對(duì)于該顏色的單 色光敏感。這可以通過(guò)以下方式來(lái)避免例如如圖4所示，將光電二極 管置于設(shè)備上的不同濾色器顏色下面，或以有源矩陣基板置于最上的 方式來(lái)操作設(shè)備。在圖4的結(jié)構(gòu)中，環(huán)境光在入射到光電二極管上之后 才通過(guò)顯示器濾色。
圖13示出了顯示器，該顯示器與圖12的顯示器的不同之處在于， 源極線還用作圖像傳感器的列輸出線6，以進(jìn)一步提高最低像素孔徑
15比。由于將線共享為源極線和列輸出線，使得有必要以適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)來(lái) 執(zhí)行對(duì)圖像顯示像素和傳感器元件的尋址或掃描，在圖14的波形圖中 示出了這種定時(shí)的示例。僅需要在每行的整行尋址時(shí)間的相對(duì)小部分 中來(lái)執(zhí)行對(duì)每個(gè)傳感器元件行的讀取階段，這可以設(shè)置為與顯示功能
的水平消隱期(horizontal blanking period)相一致，通常在所述水平 消隱期期間將源極線從顯示器源極驅(qū)動(dòng)器14斷開(kāi)。
如圖14所示，每個(gè)顯示行周期以水平同步脈沖HSYNC開(kāi)始，在這 之后以合適的電壓驅(qū)動(dòng)源極線SLr、 SLg以及SLb以對(duì)所選擇的行的顏 色分量像素的光學(xué)狀態(tài)加以控制，以便按照現(xiàn)有尋址方案來(lái)逐行刷新 圖像。
在將信號(hào)傳遞至行的圖像顯示像素之后，在消隱期的開(kāi)始將源極 線從顯示器源極驅(qū)動(dòng)器14斷開(kāi)，這一般用于現(xiàn)有的AMLCD中以將相
對(duì)電極的極性反轉(zhuǎn)，以便防止液晶材料的退化。在消隱期期間，在線 RS上產(chǎn)生傳感器元件行選擇信號(hào)，將偏置電壓VB施加到晶體管M3， 其中列輸出線6與晶體管M3連接以在當(dāng)前選擇的行的圖像元件中使能 源極跟隨器結(jié)構(gòu)。從而經(jīng)由列線SLg將傳感器數(shù)據(jù)輸出至傳感器讀出 驅(qū)動(dòng)器17，所述傳感器讀出驅(qū)動(dòng)器17用作傳感器元件10與設(shè)備的傳感 器輸出之間的接口。
在所選擇的傳感器元件行的讀取階段的末尾，行選擇和偏置信號(hào) 返回它們的低電勢(shì)。針對(duì)所選擇的行的傳感器元件將復(fù)位信號(hào)施加到 復(fù)位線RST，以便將積分節(jié)點(diǎn)復(fù)位成預(yù)定的電壓。然后在行尋址期tRow
的末尾將復(fù)位信號(hào)去除，然后針對(duì)下一像素行來(lái)重復(fù)該過(guò)程。
圖13所示的結(jié)構(gòu)給出了以下示例傳感器元件部件分散在多個(gè)像
素中以增大最低像素孔徑比，以及共享公共線以減小傳感器元件所占 用的面積從而提高顯示器的孔徑比。然而，可以采用任何其它合適的 方式在顯示像素中設(shè)置傳感器元件的部件。此外，其它公共線共享結(jié) 構(gòu)也是可能的。
1權(quán)利要求
1、一種圖像傳感器，包括至少一個(gè)傳感器元件，每一個(gè)所述傳感器元件包括半導(dǎo)體放大元件、積分電容器、以及光電二極管，所述光電二極管具有第一電極，與放大元件的第一控制電極和電容器的第一端子連接；以及第二電極，與第一控制輸入連接，其中將所述第一控制輸入設(shè)置為在感測(cè)階段期間接收第一電壓，以將光電二極管反向偏置；以及在復(fù)位階段期間接收第二電壓，以將光電二極管正向偏置，從而將電容器充電至預(yù)定電壓。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中，循環(huán)地重復(fù)所述復(fù)位和 感測(cè)階段。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其中，所述光電二極管是 橫向光電二極管。
4、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述光電二極 管是薄膜二極管。
5、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述放大元件 包括電壓跟隨器結(jié)構(gòu)。
6、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述放大元件 包括第一晶體管。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其中，所述第一晶體管是薄膜晶體管。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的傳感器，其中，所述第一晶體管是 場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
9、 根據(jù)從屬于權(quán)利要求5的權(quán)利要求8所述的傳感器，其中，連 接所述第一晶體管作為源極跟隨器，以及第一控制電極包括晶體管柵 極。
10、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，包括半導(dǎo)體選擇元件， 所述半導(dǎo)體選擇元件具有主傳導(dǎo)路徑，所述主傳導(dǎo)路徑與放大元件 的主傳導(dǎo)路徑串聯(lián)；以及第二控制電極，所述第二控制電極與第二輸 入連接，以在讀取階段期間對(duì)傳感器元件的選擇加以控制。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳感器，其中，所述選擇元件包括第 二晶體管。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的傳感器，其中，所述第二晶體管是薄 膜晶體管。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的傳感器，其中，所述電容器具有與第二控制輸入連接的第二端子，將所述第二控制輸入設(shè)置為 在感測(cè)階段期間接收第三電壓，以禁用放大元件，并允許利用電容器對(duì)來(lái)自光電二極管的光電流進(jìn)行積分；以及在讀取階段期間接收第四 電壓，以使能放大元件。
14、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述至少一個(gè) 傳感器元件包括多個(gè)傳感器元件，將所述多個(gè)傳感器元件設(shè)置為包括 行和列的第一陣列。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器，包括第一行控制輸入，所述 第一行控制輸入中的每個(gè)與相應(yīng)行的傳感器元件的第一控制輸入連 接。
16、 根據(jù)從屬于權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)的權(quán)利要求14或15所述 的傳感器，包括第二行控制輸入，所述第二行控制輸入中的每個(gè)與相 應(yīng)行的傳感器元件的第二控制輸入連接。
17、 根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的傳感器，包括列輸出，所述列輸出中的每個(gè)與相應(yīng)列的傳感器元件的輸出連接。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的傳感器，其中，每列與相應(yīng)的偏置元件連接。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的傳感器，其中，每個(gè)偏置元件包括第 三晶體管。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的傳感器，其中，每個(gè)第三晶體管是薄 膜晶體管。
21、 根據(jù)權(quán)利要求14至20中任一項(xiàng)所述的傳感器，包括有源矩陣 尋址結(jié)構(gòu)，用于對(duì)傳感器元件進(jìn)行尋址。
22、 一種顯示器，包括如前述任一權(quán)利要求所述的傳感器以及至 少一個(gè)顯示像素。
23、 根據(jù)從屬于權(quán)利要求14至21中任一項(xiàng)的權(quán)利要求22所述的顯 示器，其中，所述至少一個(gè)像素包括多個(gè)像素，將所述多個(gè)像素設(shè)置為包括多行和多列的第二陣列。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的顯示器，其中，所述傳感器元件中的每個(gè)構(gòu)成至少一個(gè)像素的一部分。
25、 根據(jù)直接或間接從屬于權(quán)利要求17的權(quán)利要求23或24所述的顯示器，包括像素列數(shù)據(jù)線，所述像素列數(shù)據(jù)線中的至少兩條將列輸 出連接到相應(yīng)傳感器元件列的傳感器元件輸出。
26、 根據(jù)權(quán)利要求23至25中任一項(xiàng)所述的顯示器，其中，所述像 素是液晶像素。
27、 根據(jù)從屬于權(quán)利要求21的權(quán)利要求23至26中任一項(xiàng)所述的顯 示器，其中，所述有源矩陣尋址結(jié)構(gòu)被設(shè)置為對(duì)每行傳感器元件在相 應(yīng)像素行的行消隱期期間進(jìn)行尋址。
全文摘要
一種例如并入有源矩陣顯示器內(nèi)的圖像傳感器，包括傳感器元件(10)的陣列。每個(gè)傳感器元件(10)包括放大晶體管(M1)，其柵極與積分節(jié)點(diǎn)(11)連接。積分節(jié)點(diǎn)(11)與積分電容器(C1)的一個(gè)極板連接，且與光電二極管(D1)的一個(gè)電極連接，光電二極管(D1)的另一電極與復(fù)位線(RST)連接。傳感器元件(10)執(zhí)行重復(fù)的感測(cè)循環(huán)，所述感測(cè)循環(huán)包括復(fù)位階段、積分階段以及讀取階段。在復(fù)位階段期間，復(fù)位線(RST)接收將光電二極管(D1)正向偏置的電壓，以將積分節(jié)點(diǎn)(11)充電至預(yù)定電壓。然后復(fù)位線(RST)返回用于將光電二極管(D1)反向偏置的電壓，以便執(zhí)行積分和讀取階段。
文檔編號(hào)H04N5/335GK101467443SQ20078002161
公開(kāi)日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2007年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月12日
發(fā)明者克里斯托弗·詹姆斯·布朗, 本·詹姆斯·海德文 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社