專利名稱：操作電容薄膜晶體管陣列的方法
技術領域：
本發明涉及TFT(薄膜晶體管)陣列的操作，并且更具體地涉及對用于掃描電容矩陣陣列的TFT的操作。
已知利用薄膜晶體管陣列(TFT)為矩陣元件編址。例如，一種進行指紋檢查的方法是，設置一個電極矩陣，作為相應各電容器其中的一個極板。例如參見

圖1，將與該陣列接近的含脊狀部分(ridge)和谷狀部分(valley)的手指作為相應電容器的第二個極板。可以將陣列中電容器的電容值轉化為與陣列接近的手指印的電子圖像。
通過以已知的順序，xy掃描該陣列和檢測電容值，可以形成電子圖像。通過一個測量電容器上電荷的步驟，可以間接地確定電容值。接連掃描兩次陣列。在第一次掃描中，通過TFT對每一個電容器編址，并對其預充電到已知電壓Vp。相應電容器上所帶的電荷是CiVp，其中Ci是相應陣列電容器的電容。在第二次掃描中，對相應的陣列電容器進行放電。也就是說，移走電荷和進行積分，以提供輸出電壓值。檢測到的電壓值與電容值直接相關。
現在考慮在除硅之外的基片上形成TFT的處理過程，例如形成所掃描的電容器陣列。該處理過程不如通常的集成電路處理技術精確。這種不精確會給所制造的電路系統帶來不希望的特性。例如，如果首先通過在底層的基片上沉積柵極，和然后在柵極上形成TFT主體，形成的晶體管通常具有不希望的較大的柵極-源極和柵極-漏極重疊電容。其次，形成的器件通常具有不希望的較大閾值電壓，和必然需要較大的激勵電壓，等等。
考慮這些特性多么可能影響電容器陣列指紋檢測器工作。通過可以檢測到的最大和最小電容值之間的比率，或者適當地通過可以檢測到的最大和最小相關電荷之間的比率，給出電容器陣列指紋檢測器的動態范圍。假設最大電容和與脊狀部分接近的電極有關并且相應于Qmax的電荷，并且最小電容相應于Qmin的電荷。因此所預期的動態范圍是Qmax/Qmin。陣列中的最小電容值與不和手指任何部分接近的電極有關。期望其值僅由雜散電容決定，并且可能是非常小的一個恒值。
由于經濟的原因，可以在非晶硅技術中形成TFT陣列。這些晶體管的工作特性需要比較大的掃描脈沖施加給這些晶體管的柵極。將較大的柵極脈沖電壓至少部分地耦合給相應的源極和漏極。因此當將一個特定的TFT控制關斷時，將從相關的陣列電容器中耦合出一些電荷。在下一次掃描期間，當為了檢測控制導通TFT時，大概相等數量的電荷將耦合返回到陣列電容器上。本發明人已經發現該假設是錯誤的，并因此提出本發明。
具有較大電容值的陣列電容器明顯地具有比TFT的柵極-漏極和柵極-源極的重疊電容更大的電容。照這樣，在柵極關斷期間在此處耦合的一些電荷不會明顯改變電極(電容器)電壓。在這種情況下，當施加關斷柵極電位時，將如所預期的一樣關斷晶體管。
另一方面，具有比較小電容值的陣列電容器可以具有相同數量級的電容值，或者僅僅比TFT的柵極-漏極和柵極-源極重疊電容稍微大一些。在這種情況下，可以有效地關斷耦合到陣列電容器電極的柵極電壓。電容器的柵極電壓可能超過TFT的導通值(即，閾值)，因此將阻止立即關斷和隔離TFT與電容器電極。最后電容器對斷開TFT的點充電。作為這種充電的結果，在電容器上產生附加電荷ΔQ，附加電荷ΔQ與指紋相關的電容不相關。這將導致減小檢測系統的動態范圍。所期望系統的Qmax/Qmin的動態范圍實際上是Qmax/(Qmin+ΔQ)。
本發明人認識到，可以利用在關斷脈沖躍變之后發生的電容器充電，其優點在于提高視在動態范圍。在前述動態范圍比率中，如果電荷Qmin和ΔQ的極性相反，電荷ΔQ將抵消一些Qmin電荷，并且分母將趨向于零，從而有效地增加視在動態范圍。此外將通過下面的附圖描述本發明。
圖1是現有技術的掃描電容器陣列的局部示意圖。
圖2是更詳細地表示圖1中陣列的一個單元的示意圖。
圖3是表示在TFT柵極脈沖關斷躍變(transition)之前和之后，立即伴隨陣列電容器的電壓波形圖。
圖4是本發明實施例的TFT掃描陣列的示意圖。
將在電容陣列指紋檢測器的環境中描述本發明；但是，會發現其具有較為廣闊的用途。通常，本發明可以在許多掃描陣列中使用，在這些陣列中使用相對較大的掃描脈沖，并且掃描TFT與包含一些電容的高阻抗元件相連。
參照圖1，圖中示出掃描的電容器陣列的一部分。在這種情況下，電容器陣列只包括每個相應電容器的一個極板。將陣列配置成用于通過連接到每個電容器極板的TFT來實現的xy掃描、和元件掃描、或編址。一行中的所有TFT柵極或控制電極與公用行的柵極驅動電極相連，并且將一列中的所有TFT漏極與公用列的總線連接。接近該電路(沒有示出)的周圍，行和列解碼器將順序地對相應的行和列總線選通控制或者對其編址。通常，在這種類型的陣列中，作為柵極驅動的脈沖施加給一個行總線，以導通一行中的所有TFT，然后通過信號檢測電路順序地掃描列總線。
圖2更詳細地表示陣列的一個單元。在圖2中，包括與TFT有關的固有的和寄生的電容元件。這在TFT的柵極和漏極之間存在一個電容器Cgd，在柵極和源極之間存在一個電容器Cgs。通常，使得這些電容器的電容值盡可能小在技術上是可能的。在通常集成電路的制造中，由于自對準柵極的技術使得這些電容器的值非常小。遺憾的是，自調整柵極的制造技術不能用于某種類型TFT的制造，并且形成的Cgs和Cgd電容值可能相當大。
所示檢測器的電容器具有用實線畫出的陣列極板和模擬畫出的第二極板。假設通過手指或其一部分將第二極板與大地電位連接。對于與手指部分不太接近的檢測器的電容器，假設其電容是零值。
一定數量的寄生電容將固有地與由電容器STRAY表示的檢測器的電容器的極板有關。因此，檢測器電容的最小值等于寄生或雜散電容和柵極-源極電容Cgs的并聯組合，也就是說，手指電容器是不明顯的。假設陣列具有50微米×50微米間距的傳感器(大約是35×35微米的電容器極板)，手指電容的最大值計算為大約40fF(fF=10-15法)，并且總的雜散電容大約是6.8fF。對于具有寬度為4微米頻道的開關晶體管，柵極-源極電容是2fF的數量級。會認識到在沒有手指電容的情況下，由于這些電容值，通過電容器Cgs將大約施加于選定晶體管柵極的三分之一的脈沖電壓耦合給陣列手指電容器極板。例如，考慮到對選定晶體管施加15伏的柵極脈沖，并且對陣列手指極板預充電正3伏。當關斷該選定晶體管時，大約負5伏耦合到手指極板，導致負2伏的預充值。通常，這種耦合只有很小的影響，因為當選定晶體管受到正向脈沖施加而讀取電容的電荷值時，將恢復所丟失的預充電電壓。但是，如果負耦合到一定強度，以至于形成的選定晶體管柵極的源電壓比晶體管的閾電壓或閉合電壓要大，則晶體管不會如預期斷開。該結果是繼續一些陣列手指極板的充電和放電，這將產生錯誤的檢測電容值。如果列電位保持在正3伏的預充電位上，那么手指極板的電容器將正向充電，直到選定晶體管的柵極-源極電位等于或小于其閾電壓。該充電結果的例子如圖3所示(電壓沒有按比例給出)。
在圖3中，在時間間隔TI1期間，對選定晶體管導通脈沖，并且對陣列手指極板電容器預充電到3伏。在時間T1，通過柵極脈沖從15到0的負向躍變來關斷選定晶體管。躍變的結果是使負4.5伏的電壓耦合到陣列極板上。陣列極板上的端電壓將是3伏減去4.5伏或負的1.5伏。由于晶體管的柵極電壓現為零伏，存在正1.5伏的柵極-源極電壓。假設晶體管的閾值是1伏，在時間間隔TI2期間，晶體管將保持正向導通。陣列極板電容將正向充電，直到電容器電壓達到負1伏，在該點晶體管將停止導通。
在時間T2，將正向脈沖施加到選定晶體管的柵極，以讀取陣列電容器上的電荷。閉合脈沖的正向躍變將把4.5伏的正電壓耦合給陣列電容器，將其電位提高到負1伏加上4.5伏或正3.5伏。這比預充電值大0.5伏，或者是0.5伏的誤差。其躍變成0.5×Cstray的檢測電荷誤差，這勢必產生明顯比其要大的最小電容值，并因此減小系統的動態范圍。
當取消柵極脈沖時，選定晶體管適當關斷，陣列電容器上的最小電荷將等于VpCstray，其中Vp是預充電電壓值。由于陣列電容器上柵極脈沖負向躍變耦合的結果，最小電荷實際上是(Vp+ΔV)Cstray，其中ΔV是在時間間隔TI2期間電容器過充電而引起的誤差電壓。
由比率Qmax/Qmin給出系統的動態范圍，其對應于VpCmax/(Vp+ΔV)Cstray=Cmax/(1+ΔV/Vp)Cstray。本發明人認識到如果ΔV/Vp項是負的，分母將變得較小并且將增加有效的動態范圍。這將通過對陣列電容器預充負電壓來完成并且適當地改變柵極脈沖的電壓電平，而不是對其預充正電壓。例如，將預充電壓改變為負3伏需要柵極脈沖電壓電平在負6伏到正9伏間變化，以使系統驅動參數保持相等。關斷躍變仍然在陣列電容器上耦合負4.5伏的電壓，并且形成的柵極-源極電壓是正1.5伏，以預防晶體管關斷。電容器將正向充電0.5伏直到柵極-源極電壓達到負幾伏，晶體管在該點關斷。有效動態范圍現在是Cmax/(1-ΔV/Vp)Cs。
項(1-ΔV/Vp)的值是寄生參數和所施加的電壓的函數。因為制造過程中難以預測的因素，寄生參數不可能會實現精確的估算。為適應這些參數的變化，可以對一個電壓值進行調整以產生所想要的(1-ΔV/Vp)值。該預充電值Vp是一個可以調節的變量，以便控制(1-ΔV/Vp)的值。但是，所減小這個參數的數量可能是信噪比考慮的決定因素。信號規模直接與Vp成比例，因為Qmax等于VpCmax。Cmax是幾十fF的量級，因此Vp將盡可能大，以達到良好的信噪比特性。
受調整的另一個變量是柵極脈沖幅值。可以對這個值進行調整，以使得更大或更小的ΔV耦合到陣列電容器極板上。該電壓僅有的限制條件是擊穿的限制條件。第三，為確保足夠耦合到陣列電容器極板，在制造期間將有意地增加柵極-源極重疊電容器。
圖4表示部分TFT掃描電容器的陣列，包括與一條列總線相連的讀出放大器。最好是每一列與一個單獨的讀出放大器相連，但是這些列可以多路轉換到較少數量的讀出放大器。
在圖4中，將列總線有選擇地通過開關S1與可變電壓源Precharge(預充電)相連，并且有選擇地將其與電荷讀出放大器相連。電荷讀出放大器是與反饋電容器Cintegrate相連的運算放大器或Op-Amp。開關S3并聯反饋電容器并且在讀出指定的陣列電容器上的電荷之前對電容器進行置零。Op-Amp是高增益器件，因此當以已知的電荷積分方式進行運算時，其實際上存在零輸入阻抗。因此與列總線有關的一些電容是不重要的，并且不會影響檢測功能的靈敏度。
在預充電期間，開關S1閉合并且開關S2斷開。在預充電期間，可以在一行中同時導通各選定晶體管，或者可以同時將它們全都導通。在預充電周期中可以順序對整個陣列進行掃描，然后為讀出而順序掃描整個陣列。另外，可以首先對電容器的各行進行預充電，然后再對其讀取。
在信號讀出期間，開關S1斷開并且開關S2閉合。通常，開關S2和S3是交替工作的，也就是當開關S2閉合時，開關S3斷開，反之亦然。閉合開關S3，以對檢測各個電荷包之間的積分電容器進行置零。只要進行掃描TFT，也就是在讀出時間間隔期間，開關S3是斷開的。
開關S2可能在讀取相應的行之間控制斷開和閉合狀態，在預充電或讀取模式下。另外，在順序掃描整個陣列期間，S2可能保持閉合。
耦合到行選擇電極的柵極驅動包括串聯連接的可變DC源42和可變幅值脈沖發生器40。這些裝置顯示為不同的電路元件以指示相應的功能，雖然可以將它們配置在單個綜合脈沖源中。它們按照這種方式表明即指示脈沖擺動(swing)和其絕對幅值值兩者是控制范圍的電位源。例如，如果通過改變預充電壓Vp來調整系統的動態范圍，在不改變脈沖電壓擺動的情況下，可能有必要調整柵極脈沖的DC電平。記住電容過充電荷數量是柵極-源極電位的函數，最大的負值脈沖涉及柵極-源極電位均衡。因此，正如改變Vp可以影響電容過充電荷數量，也可以通過改變最大的負DC值，或者關斷柵極驅動脈沖的電壓來實現。另外，如果通過改變脈沖幅值來調整動態范圍，來調整ΔV的值，則不需要可變幅值脈沖發生器。所檢測信號的動態范圍可以通過柵極驅動脈沖幅值、柵極驅動脈沖的最大負值、以及預充電壓值來控制。
信號處理領域中的技術人員會明白，也可以通過上述相同的變量，來調整由電容傳感器產生的圖像的顯示對比度。
不管用于掃描例如示范的電容讀取陣列的掃描晶體管的類型，存在與相應陣列電容器極板有關的雜散電容。由于在沒有電容過充電的情況下關斷掃描晶體管，其實際上有益于導致這樣的過充電，以取消如本發明所述的在雜散電容上的電荷積累。這可以僅通過超過掃描脈沖通常所需要的幅值來完成，或者通過特意設計例如Cgs的較大晶體管重疊電容，然后適當地對系統偏置，以取消駐留在雜散電容上的電荷。
在以下的權利要求中，當表示躍變時，如果躍變擺動是從相對負到相對正(相對正到相對負)值，術語“極性”是正(負)。
權利要求
1．一種掃描電容器矩陣的方法，其利用與相應電容器連接的相關的TFT器件的矩陣，其中對所述電容器矩陣順序預充電達到預充電壓，所述方法的特征在于為所述TFT器件提供掃描脈沖，用于控制所述TFT器件在列總線和所述電容器之間導通，所述掃描脈沖按一種極性的關斷躍變，以控制所述TFT器件在對電容器進行預充電后不再導通；提供與所述列總線相連的DC預充電電壓源，所述預充電電壓源具有與所述躍變一樣的極性。
2．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述陣列是電容傳感器陣列，所述方法的操作讀出相應矩陣電容器上的電荷，并且該方法還包括可變調整所述掃描脈沖的幅值，以調整讀出電荷的動態范圍。
3．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述陣列是通過在相應矩陣的電容器上讀出電荷來進行操作的電容傳感器陣列，并且該方法還包括可變調整所述預充電電壓的DC值，以調整讀出的電荷的動態范圍。
4．根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述陣列是通過在相應矩陣的電容器上讀出電荷來進行操作的電容傳感器陣列，并且該方法還包括可變調整所述掃描脈沖的DC幅值，以調整檢測電荷的動態范圍。
5．根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述陣列是電容傳感器陣列，所述方法操作以讀出相應矩陣電容器上的電荷；并且該方法還包括通過調整所述掃描脈沖的DC電平和所述掃描脈沖的幅值，來調整代表所讀取電容器值的圖像信號的飽和度。
6．一種裝置，其特征在于可變電容的矩陣；掃描式TFT矩陣，具有在列總線和相應所述電容之間連接的相應TFT的導通路徑；定時和脈沖發生器，為相應的所述TFT提供掃描脈沖，用于控制所述TFT的導通，所述脈沖按極性躍變以控制所述TFT不再導通；預充電電壓源，具有與所述躍變相同的極性；電荷傳感器；若干開關，用于將所述預充電電壓源或所述電荷傳感器選擇連接到所述列總線上。
7．根據權利要求6所述的裝置，其進一步特征在于，通過可變控制電路來調整所述掃描脈沖的DC值和幅值。
全文摘要
一種掃描電容器矩陣的方法,利用連接到相應電容器的TFT器件的相關矩陣,包括掃描電容器的矩陣以便順序地對相應電容器預充電到預充電壓,然后掃描電容器矩陣以便順序檢測電容器電荷,并因此確定相應電容器的值。TFT起開關作用將相應電容器連接到列電極,列電極另外起預充電電壓源和讀取電極作用。將預充電壓選擇為具有和施加于TFT的掃描脈沖的關斷躍變相同的極性,勢必提高檢測電荷的有效動態范圍。
文檔編號G06T1/00GK1285568SQ0012268
公開日2001年2月28日 申請日期2000年8月16日 優先權日1999年8月18日
發明者邁克爾·G·凱恩, 金宏今 申請人:湯姆森特許公司