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KR101739791B1 - 압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치 - Google Patents

압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치 Download PDF

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KR101739791B1
KR101739791B1 KR1020150065513A KR20150065513A KR101739791B1 KR 101739791 B1 KR101739791 B1 KR 101739791B1 KR 1020150065513 A KR1020150065513 A KR 1020150065513A KR 20150065513 A KR20150065513 A KR 20150065513A KR 101739791 B1 KR101739791 B1 KR 101739791B1
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KR
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electrode
impedance
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pressure
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김종식
김본기
김세엽
권순영
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주식회사 하이딥
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Publication date
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Priority to JP2016094965A priority patent/JP6235649B2/ja
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Abstract

본 발명에 따른 압력 센싱 장치는 전극; 상기 전극에 구동신호를 인가하는 구동부; 상기 전극을 통해, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 수신하는 감지부; 및 상기 구동부와 상기 전극 사이에 제1임피던스 및 상기 감지부와 상기 전극 사이에 제2임피던스를 포함할 수 있다.

Description

압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치{PRESSURE SENSOR, PRESSURE DETECTOR AND TOUCH INPUT DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 압력 크기에 따라 선형적으로 변하는 신호를 제공할 수 있는 압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치에 관한 것이다.
컴퓨팅 시스템의 조작을 위해 다양한 종류의 입력 장치들이 이용되고 있다. 예컨대, 버튼(button), 키(key), 조이스틱(joystick) 및 터치 스크린과 같은 입력 장치가 이용되고 있다. 터치 스크린의 쉽고 간편한 조작으로 인해 컴퓨팅 시스템의 조작시 터치 스크린의 이용이 증가하고 있다.
터치 스크린은 터치-감응 표면(touch-sensitive surface)을 구비한 투명한 패널일 수 있는 터치 센서 패널(touch sensor panel)을 포함할 수 있다. 이러한 터치 센서 패널은 디스플레이 스크린의 전면에 부착되어 터치-감응 표면이 디스플레이 스크린의 보이는 면을 덮을 수 있다. 터치 스크린은 사용자가 손가락 등으로 디스플레이 스크린을 단순히 접촉함으로써 사용자가 컴퓨팅 시스템을 조작할 수 있도록 한다. 일반적으로, 터치 스크린은 디스플레이 스크린 상의 접촉 및 접촉 위치를 인식하고 컴퓨팅 시스템은 이러한 접촉을 해석함으로써 이에 따라 연산을 수행할 수 있다.
이와 더불어, 터치 입력 장치의 터치 표면에 대한 터치 위치뿐 아니라 터치 압력을 검출하기 위한 연구가 지속되고 있다. 이때, 압력 센서는 적용되는 터치 입력 장치 등과는 별개로 제작될 수 있으나 균일한 압력 크기 검출을 위해서 적용되는 애플리케이션 마다 압력 검출 회로가 수정될 필요가 있다. 이는 적용되는 애플리케이션 마다 압력 전극과 기준 전위층 사이의 거리 등이 달라지기 때문이다. 이에 따라, 적용되는 애플리케이션에 무관하게 수정될 필요없이 그리고 간단히 압력 크기를 검출할 수 있도록 하는 압력 검출 기법에 대한 필요성이 야기되고 있다.
본 발명의 목적은 압력 크기에 따라 선형적으로 변하는 신호를 제공할 수 있는 압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적용되는 애플리케이션에 무관하게 회로 수정 없이 간단히 압력 크기를 검출할 수 있도록 하는 압력 센싱 장치 및 압력 검출기를 제공하는 것이다.
실시예에 따른 압력 센싱 장치는 전극; 상기 전극에 구동신호를 인가하는 구동부; 상기 전극을 통해, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 수신하는 감지부; 및 상기 구동부와 상기 전극 사이에 제1임피던스 및 상기 감지부와 상기 전극 사이에 제2임피던스를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 압력 검출기는 전극에 구동신호를 인가하는 구동부; 및 상기 전극을 통해, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는 정전용량에 대한 정보를 포함하는 신호를 수신하는 감지부를 포함하며, 상기 구동신호는 상기 구동부와 상기 전극 사이에 위치하는 제1임피던스를 통과한 후 상기 전극에 인가되고 및 상기 수신신호는 상기 감지부와 상기 전극 사이에 위치하는 제2임피던스를 통과한 후 상기 감지부에 수신될 수 있다.
실시예에 따른 장치는 기준 전위층과 압력 센싱 장치를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면 압력 크기에 따라 선형적으로 변하는 신호를 제공할 수 있는 압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 적용되는 애플리케이션에 무관하게 회로 수정 없이 간단히 압력 크기를 검출할 수 있도록 하는 압력 센싱 장치 및 압력 검출기를 제공할 수 있다.
도1은 실시예에 따른 압력 센싱 장치의 구조도이다.
도2는 실시예에 따른 압력 센싱 장치가 적용된 장치의 단면을 예시한다.
도3은 제1예에 따른 압력 센싱 장치의 등가 회로를 도시한다.
도4는 실시예에 따른 압력 센싱 장치의 전극과 기준 전위층 사이의 거리변화에 따른 압력 검출기의 출력 신호를 나타내는 그래프이다.
도5는 제2예에 따른 압력 센싱 장치의 등가 회로를 도시한다.
도6은 제2예가 적용되기에 부적합한 구동신호의 주파수 변화를 예시한다.
도7a 내지 도7d는 각각, 제3예에 따른 전극과 기준 전위층 사이의 거리변화에 따라 비선형적으로 변하는 신호를 출력하는 경우의, 전극구조, 등가회로, 거리변화에 따른 압력 캐패시턴스 변화를 나타내는 그래프 및 거리변화에 따른 출력 신호의 변화를 나타내는 그래프를 예시한다.
도8a 내지 도8d는 각각, 제4예에 따른 전극과 기준 전위층 사이의 거리변화에 따라 비선형적으로 변하는 신호를 출력하는 경우의, 전극구조, 등가회로, 압력 캐패시턴스를 검출하기 위한 타이밍 다이어그램, 및 거리변화에 따른 출력 신호의 변화를 나타내는 그래프를 예시한다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 압력 센싱 장치(100)를 설명한다.
도1은 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 구조도이다. 도1을 참조하면, 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)는 전극(10), 전극(10)에 구동신호를 인가하는 구동부(20), 및 전극(10)으로부터 정전용량에 대한 정보를 포함하는 신호를 수신하여 터치 압력에 대한 정보를 검출하는 감지부(30)를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)에서 구동부(20)는 구동신호를 전극(10)에 인가하고, 감지부(30)는 상기 전극(10)을 통해 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 정전용량을 측정함으로써 압력의 크기를 검출할 수 있다. 구동부(20)는 예컨대 클록 생성기(미도시) 및 버퍼(buffer: 미도시)를 포함하여 펄스 형태로 구동신호를 생성하여 전극(10)에 인가할 수 있다. 이는 예시일 뿐이며 다양한 소자를 통해 구동부(20)가 구현될 수 있으며 또한 구동신호의 형태 또한 다양하게 변형될 수 있다.
실시예에 따라, 구동부(20) 및 감지부(30)는 집적회로(Integrated Circuit)로 구현될 수 있으며, 하나의 칩(chip) 상에 형성될 수 있다. 구동부(20) 및 감지부(30)는 압력 검출기를 구성할 수 있다.
실시예에 따른 전극(10)은 투명 전도성 물질(예를 들면, 산화주석(SnO2) 및 산화인듐(In2O3) 등으로 이루어지는 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ATO(Antimony Tin Oxide)) 등으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라 전극(10)은 투명 전도성 물질 또는 불투명 전도성 물질로 형성될 수도 있다. 예컨대, 전극(10)은 은잉크(silver ink), 구리(copper) 또는 탄소 나노튜브(CNT: Carbon Nanotube) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
전극(10)은 기준 전위층(300)과의 사이에서 정전용량 변화량의 검출이 용이하도록 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이에 마주하는 면이 크도록 형성될 수 있다. 예컨대, 도8a에 예시된 바와 같은 판형상의 패턴으로 형성될 수 있다.
이하에서는 압력 센싱 장치(100)가 하나의 전극(10)으로부터 압력 크기를 검출하는 경우를 예로 들어 설명하나, 실시예에 따라 압력 센싱 장치(100)는 전극(10)을 복수 개 포함하여 복수 개의 채널을 구성하여 다중터치(multi touch)에 따라 다중의 압력 크기 검출기 가능하도록 구성될 수 있다.
실시예에 따른 전극(10)과 기준 전위층(300)과의 거리 변화에 따라 전극(10)과 기준 전위층 사이의 정전용량이 변하게 되며, 이러한 정전용량 변화에 대한 정보를 감지부(30)에서 감지하도록 함으로써 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)를 통해 압력 크기를 검출할 수 있다. 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)는 전극(10)의 자기 정전용량(self capacitance) 값으로부터 압력 크기를 검출할 수 있다.
도2는 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)가 적용된 장치(1000)의 단면을 예시한다. 도2는 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)를 통해 압력을 검출하도록 하는 간략화된 물리적인 구조를 예시한다. 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)는 기준 전위층(300)을 포함하는 장치(1000)에 적용되어 장치(1000)에 대해 인가되는 압력 크기를 검출하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 전극(10)는 기준 전위층(300)과 약간의 공간(d)을 사이에 두고 배치될 수 있다. 이때, 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이에는, 객체(400)를 통한 압력의 인가에 따라 형태의 변형이 가능한(deformable) 물질이 배치될 수 있다. 예컨대, 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이에 배치된 형태 변형이 가능한 물질은, 공기(air), 유전체, 탄성체 및/또는 충격흡수물질일 수 있다.
객체(400)가 터치 표면을 형성하는 구성(200)의 터치 표면을 누르면, 압력 크기에 따라 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 거리가 감소하게 된다. 기준 전위층(300)은 장치(1000)에 포함된 임의의 전위층일 수 있다. 실시예에서, 기준 전위층은 그라운드(ground) 전위를 갖는 그라운드 층일 수 있다. 거리(d)가 가까워짐에 따라 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이에 생성되는 캐패시터(Cp)의 정전용량 값이 증가할 수 있다. 즉, 거리(d) 감소에 따라 기준 전위층(300)에 대한 전극(10)의 자기 정전용량 값이 증가할 수 있다.
실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)가 적용될 수 있는 장치(1000)는 터치 위치를 검출할 수 있도록 하는 터치 센서 패널 및/또는 디스플레이 패널을 포함하는 터치 입력 장치(1000)일 수 있다. 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 전극(10)은 터치 입력 장치(1000)내의 임의의 위치에 배치될 수 있다. 예컨대, 도2에서 전극(10)은 디스플레이 패널(200) 하부에 배치될 수 있다. 이때, 기준 전위층(300)은 디스플레이 패널(200)의 노이즈(noise) 차폐층일 수 있다. 또는, 기준 전위층(300)은 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 메인보드(main board) 상의 중앙 처리 유닛(CPU) 또는 AP(Application Processor) 등으로부터 발생하는 노이즈 차폐를 위한 차폐층일 수 있다. 이때, 기준 전위층(300)은 터치 입력 장치(1000)에서 디스플레이 패널(200)과 메인보드를 구분/지탱하기 위한 미드프레임(mid-frame)일 수 있다.
도2에서 전극(10)이 디스플레이 패널(200) 하부에 배치된 것이 예시되나 이는 단지 예시일뿐이며, 터치 입력 장치(1000) 내에서 기준 전위층(300)과 소정 거리 이격된 임의의 위치에 배치될 수 있다. 또한, 터치 입력 장치(1000)에서 디스플레이 패널(200)의 상부면이 터치 표면을 구성하도록 예시되나, 이는 단지 예시일뿐이며 터치 표면은 임의의 다른 구성일 수 있으며 터치 표면에 대한 압력 인가에 따라 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 거리가 변화될 수 있으면 족하다.
도1을 참조하면, 실시예에 따른 압력 센신 장치(100)는 구동부(20)와 전극(10) 사이에 제1임피던스(12: Z1) 및 감지부(30)와 전극(10) 사이에 제2임피던스(13: Z2)를 더 포함한다. 제1임피던스(12) 및 제2임피던스(13)에 대한 설명은 이하에서 상세하게 한다.
도3은 제1예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 등가 회로를 도시한다. 도3에서는 압력 센싱 장치(100)의 전극(10) 및 감지부(30) 영역에 대한 등가 회로를 예시한다.
Vs는 전극(10)에 인가되는 구동신호이다. 예컨대, 전극(10)에 인가되는 구동신호로서 시간에 따른 전압 신호일 수 있다. 예컨대, 구동신호(Vs)는 일련의 펄스(pulse) 형태로 인가될 수 있다.
구동부(20)에서 구동신호(Vs)를 전극(10)에 인가하기 위한 구동단(Tx)과 감지부(30)에서 전극(10)으로부터 수신신호를 감지하기 위한 수신단(Rx) 사이에 압력 캐패시터(11: Cp)가 위치한다. 압력 캐패시터(11)는 결합부(14)와 기준 전위층(300)인 그라운드 사이에 위치하는 것으로 도시될 수 있다. 이때, 압력 캐패시터(11)는 전극(10)과 기준전위층(300) 사이의 거리에 따라 정전용량이 바뀌므로 가변하는 것으로 표시될 수 있다.
실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 압력 캐패시터(11)를 통해 압력을 검출하기 위해서는 전극(10)은 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13) 사이에 구성될 수 있다. 도3에서는 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13)가 모두 순수한 캐패시터(C1 및 C2)인 경우를 예시한다. 도3과 같이 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13)를 모두 캐패시터로 구성함으로써 압력 센싱 장치(100)가 구동신호(Vs)의 동작 주파수에 의존하지 않는 성능을 제공할 수 있다.
도1 및 도3에서 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13)가 구동부(20)와 전극(10) 사이 및 감지부(30)와 전극(10) 사이로서 압력 검출기가 집적된 칩(chip)의 외부에 형성된 것으로 해석될 수 있다. 예컨대, 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13)는 칩 외부로서 칩과 전극을 연결하는 전도성 트레이스(trace) 등 상에 형성될 수 있다. 이때, 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13)는 칩과 매우 근접하게 구성되어 있을 수 있다. 하지만, 이는 단지 구성상의 실시예일뿐이며, 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13) 중 하나 또는 2개 모두 압력 검출기가 집적된 칩상에 함께 집적되는 것도 가능하다. 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13)가 칩내에 구현됨으로써 추가의 외부 소자에 대한 필요가 없어 단가를 낮출 수 있다. 또한, 임의의 압력 검출을 위한 전극에도 연결되어 균일한 압력 검출 성능을 제공할 수 있다.
도3에서, 실시예에 따른 감지부(30)는 증폭기(31) 및 궤환 캐패시터(32)를 포함하여 구성되는 캐패시턴스 센서를 포함하여 구성될 수 있다. 궤환 캐패시터(32)는 증폭기(31)의 부(-) 입력단과 증폭기(31)의 출력단 사이, 즉 궤환 경로에 결합된 캐패시터이다. 이때, 증폭기의 정(+)입력단은 그라운드(Ground) 또는 기준 전위(Vref)에 접속될 수 있다. 또한, 캐패시턴스 센서는 궤환 캐패시터(32)와 병렬로 연결되는 리셋 스위치(reset switch: 미도시)를 더 포함할 수 있다. 리셋 스위치는 캐패시턴스 센서에 의해 수행되는 전류에서 전압으로부터 변환을 리셋할 수 있다. 증폭기(31)의 부입력단은 수신단(RX)을 통해 전극(10)으로부터 압력 캐패시터(11)의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 전류 신호를 수신한 후 적분하여 전압 신호(Vo)로 변환할 수 있다. 감지부(30)는 캐패시턴스 센서를 통과한 아날로그 데이터 신호(Vo)를 디지털 데이터로 변환할 수 있는 ADC(33: Analog to Digital)를 더 포함할 수 있다. 추후, 디지털 데이터는 AP 또는 CPU와 같은 프로세서 등에 입력되어 터치 압력의 크기를 획득하도록 처리될 수 있다. 실시예에 따른 감지부(30)는 프로세서를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
도2를 다시 참조하면, 객체(400)를 통해 압력이 인가되어 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 거리(d)가 감소하게 되면 압력 캐패시터(11)의 정전용량 값이 증가하게 된다. 도3의 등가회로를 참조하여 캐패시턴스 센서의 출력 신호(Vo)와 구동 신호(Vs) 사이의 관계는 수학식(1)과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015045010594-pat00001
수학식(1)
수학식(1)을 참조하면, 출력신호(Vo)는 구동신호(Vs)의 주파수와는 무관한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이때, Cp>>C1+C2인 경우를 가정하면, 수학식(1)은 아래 수학식(2)와 같이 간소화될 수 있다.
Figure 112015045010594-pat00002
수학식(2)
이때,
Figure 112015045010594-pat00003
로 표현될 수 있다. 여기서, ε은 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이에 채워진 물질의 유전율(εoεr), A는 전극(10)의 면적, d는 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 거리이다. 수학식(2)에서 출력 신호(Vo)는 거리 d에 비례하여 선형적으로 변함을 알 수 있다. Cp, C1 및 C2의 정전용량 값은 실시예/환경에 따라 변경될 수 있음은 자명하며, Cp로는 수백 pF(pico Farad) 범위 그리고 C1 및 C2로는 수십 pF 범위의 정전용량 값을 적용하여 실험한 결과 출력신호(Vo)와 거리(d) 사이의 선형 관계를 도출할 수 있었다.
도4는 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 전극과 기준 전위층 사이의 거리변화에 따른 압력 검출기의 출력 신호를 나타내는 그래프이다. 도4의 그래프는 오프셋(offset) 등을 제거한 후의 그래프이다. 도4를 참조하면, 압력 캐패시터(11)의 정전용량의 절대값에 편차가 발생하여도, 압력에 의한 거리(d)의 변화량이 동일하면 이에 따른 출력 신호(Vo)의 변화량도 일정하게 유지될 수 있음을 알 수 있다. 예컨대, 압력 센싱 장치(100)가 적용되는 제1애플리케이션(P-1)과 제2애플리케이션(P-2)에 따라 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 거리(d)는 서로 다를 수 있다. 하지만, 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)를 이용할 경우, 인가되는 압력에 따라 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 거리(d)의 변화량이 동일하다면(d1=d2) 출력 신호(Vo)의 변화량도 동일하게 유지(Vo1=Vo2)될 수 있는 것이다.
도5는 제2예에 따른 압력 센싱 장치의 등가 회로를 도시한다. 도5에서는 제1임피던스(12)로 저항(R1)이 이용되는 경우에 구동신호(Vs)와 출력 신호(Vo) 사이의 등가회로를 도시한다. 제1임피던스로 저항(R1)이 이용되는 경우를 제외하고는 도3과 동일하며 중복되는 설명은 생략한다.
도5와 같은 압력 센싱 장치(100)에서 구동신호(Vs)와 출력 신호(Vo) 사이의 전달함수는 아래 수학식(3)과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015045010594-pat00004
수학식(3)
여기서, Cp>>C2라고 가정하면, 수학식(3)은 수학식(4)와 같이 간소화될 수 있다.
Figure 112015045010594-pat00005
수학식(4)
여기서, ω=2πf이며, f는 구동신호(Vs)의 주파수이다. 수학식(4)로부터 알 수 있는 바와 같이, 출력신호(Vo)의 크기는 구동신호(Vs)의 주파수가 커짐에 따라 점점 감소하게 된다.
이때, 비록 수학식(4)에 따르면 출력신호(Vo)와 거리(d) 사이에 완전한 선형 관계가 형성되지는 않지만 고정된 주파수에서 출력신호(Vo)와 거리(d) 사이에는 거의 선형적인 특성을 갖게 되므로 실시예에 따른 전체 시스템에서 제1예에서와 마찬가지로 신호 처리가 단순화될 수 있다. 이상에서는 제1임피던스(12)가 저항성 소자이고 제2임피던스(13)는 정전용량성 소자인 경우를 예로하여 설명하나, 제1임피던스(12)가 정전용량성 소자이고 제2임피던스(13)가 저항성 소자인 경우에도 적용될 수 있다.
도5를 참조하여 살펴본 바와 같이, 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)에서 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13) 중 적어도 어느 하나가 순수한 캐패시터 소자가 아니라 저항성 소자로 구성된 경우에는 구동신호(Vs)의 주파수에 따라 특성이 변화하는 출력신호를 획득하게 된다.
Cp 및 C2의 정전용량 값은 실시예/환경에 따라 변경될 수 있음은 자명하며, Cp로는 수백 pF(pico Farad) 범위 그리고 C2로는 수십 pF 범위의 정전용량 값을 적용하여 실험한 결과 출력신호(Vo)와 거리(d) 사이의 선형 관계 및 주파수에 따라 변하는 특성을 도출할 수 있었다.
이와 같이 주파수에 따라 특성이 변하도록 하는 압력 센싱 장치(100)의 구성은 일부 애플리케이션에서 부적합할 수 있다. 도6은 제2예가 적용되기에 부적합한 구동 신호의 주파수 변화를 예시한다. 예컨대, 도6에 예시된 바와 같이 압력 센싱 장치(100)가 주파수 f1에서 동작할 때 주파수 f1과 유사한 대역의 노이즈 신호가 입력된다면, 압력 센싱 장치(100)의 SNR(Signal to Noise Ratio)이 떨어질 수 있다. 이러한 상황에서 노이즈를 회피하기 위해서는, 구동신호(Vs)의 구동 주파수를 변경해야 할 필요가 있다. 예컨대, 구동신호(Vs)의 구동 주파수가 f2로 변경된다면, 수학식(4)에서 알 수 있는 바와 같이 출력신호(Vo)의 크기는 감소하게 된다.
예컨대, 도5와 같이 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13) 중 적어도 어느 하나를 저항성 소자로 대체하는 회로 구성은, 구동신호(Vs)의 구동 주파수를 역동적으로 바꾸어야 하는 애플리케이션에서는 적합하지 않을 수 있다.
이하에서는 실시예에 따라 압력 센싱 장치(100)가 제1임피던스(12) 및 제2임피던스(13)를 포함하지 않는 경우에 대해서 살펴본다.
도7a 내지 도7d는 각각, 제3예에 따른 전극과 기준 전위층 사이의 거리변화에 따라 비선형적으로 변하는 출력 신호를 출력하는 경우의, 전극구조, 등가회로, 거리변화에 따른 압력 캐패시턴스 변화를 나타내는 그래프 및 거리변화에 따른 출력 신호의 변화를 나타내는 그래프를 도시한다.
도7은 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13)를 포함함이 없이 압력을 검출하는 경우를 나타낸다.
도7a에 예시된 바와 같이, 전극(10)이 제1전극(10-1)과 제2전극(10-2)으로 구성되어, 제1전극(10-1)과 제2전극(10-2) 사이의 정전용량의 변화로부터 압력을 검출할 수 있다. 도7a에 예시된 바와 같은 제1전극(10-1)과 제2전극(10-2)은 예컨대 도2의 전극(10)과 마찬가지로 기준 전위층(300)과 소정 거리 이격되어 배치될 수 있다. 객체(400)를 통해 압력이 인가되는 경우, 제1전극(10-1) 및 제2전극(10-2)과 기준 전위층(300) 사이의 거리는 가까워진다. 이때, 제1전극(10-1)과 제2전극(10-2) 사이에 발생한 전기장이 기준 전위층(300)으로 흡수되므로 제1전극(10-1)과 제2전극(10-2) 사이의 압력 캐패시터(11)의 정전용량 크기는 감소한다.
도7b는 도7a에 도시된 바와 같은 제1전극(10-1)과 제2전극(10-2) 사이의 압력 정전용량(11)이 구동단과 감지단 사이에 직렬된 연결된 등가회로를 예시한다. 여기서, 구동신호(Vs)와 출력신호(Vo) 사이의 관계식은 수학식(5)와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015045010594-pat00006
수학식(5)
이때, 제1전극(10-1)과 제2전극(10-2) 사이의 정전용량 중 기준 전위층(300)으로 빼앗기는 정전용량은 프린징(fringing) 정전용량이다. 이때, 압력 정전용량(11)은 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015045010594-pat00007
수학식(6)
여기서, Co는 제1전극(10-1)과 제2전극(10-2) 사이에 생성되는 고정 정전용량 값이며 Cfringing은 제1전극(10-1)과 제2전극(10-2) 사이의 프린징 현상에 의해 발생되는 정전용량 값이다. 고정 정전용량은 기준 전위층(300)과의 거리(d)에는 무관하게 제1전극(10-1)과 제2전극(10-2)에 의해 생성되는 정전용량을 의미한다. 도7c의 회로에서, 전극(10)이 기준 전위층(300)과 가까워질수록 제1전극(10-1)과 제2전극(10-2) 사이에 생성된 프린징 필드(fringing field)가 기준 전위층(300)으로 빼앗기는 구조이므로 Cfringing 값은 거리(d)가 증가할수록 증가하게 된다. 수학식(6)은 이러한 Cfringing값을 거리(d)와 계수(α)로 표현한 것이다. 수학식(5) 및 수학식(6)로부터 알 수 있는 바와 같이, 출력 신호(Vo)의 크기는 거리(d)에 대해 선형 관계를 갖지 않으므로, 거리(d)의 변화량이 같더라도(d1=d2), 출력 전압의 변화량은 동일하지 않다(Vo1<Vo2).
이러한 현상은 압력 센싱 장치의 신호 처리 과정을 복잡하게 만드는 원인이 된다. 거리(d) 변화량에 대한 압력 크기의 해석이 애플리케이션마다 다를 수 있으므로, 애플리케이션마다 수치 해석이 수정되어 적용될 필요가 있다. 또한, 이러한 구조의 압력 센싱 장치(100)의 압력 검출 성능은 제조 과정에서 발생하는 압력 캐패시터(11)의 절대 값의 편차에 크게 영향을 받는다. 이상의 경우 예컨대, 애플리케이션마다 전원전압(예컨대, 도8b의 VDD) 및/또는 궤환 캐패시터(CFB) 값을 조절하여 이득(gain)을 조절하거나, 및/또는 신호 처리 과정에서 별도의 캘리브레이션(calibration)이 요구될 수 있다. 또한, 적절한 크기의 출력신호(Vo)를 획득하기 위해서 예컨대 압력 캐패시터(11)의 값은 궤한 캐패시터(32: CFB)와 비슷한 수준의 작은 값을 가져야 하는 제한사항이 발생할 수 있다.
도8a 내지 도8d는 각각, 제4예 따른 전극과 기준 전위층 사이의 거리변화에 따라 비선형적으로 변하는 전압 신호를 출력하는 경우의, 전극구조, 등가회로, 압력 캐패시턴스를 검출하기 위한 타이밍 다이어그램, 및 거리변화에 따른 출력 전압의 변화를 나타내는 그래프를 도시한다.
도8은 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13)를 포함함이 없이 압력을 검출하는 또 다른 경우를 나타낸다.
도8a에는 제4예서 압력 검출에 이용될 수 있는 전극(10)을 도시한다. 도8a에 도시된 전극(10)은 예컨대 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)에 이용되는 전극(10)과 동일한 전극일 수 있다. 전극(10)은 도2에 예시된 바와 같이 기준 전위층(300)과 소정 거리 이격되어 배치될 수 있다. 이때, 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 정전용량이 압력 캐패시터(11) 값으로 이용될 수 있다.
도8에서는 구동부(20)를 통해 별도의 구동신호(Vs)를 인가하지 않으며 전극(10)은 충전/방전 스위치(21, 22, 23)을 통해 구동될 수 있다.
도8b는 제4예에 따른 압력 센싱 장치의 등가회로이고 도8c는 이를 통해 압력을 검출하기 위한 신호의 타이밍 다이어그램을 나타낸다. 도8b 및 도8c를 참조하면, 제1스위치(21)가 켜지면 제1스위치(21)의 일단이 연결된 전원 전압(VDD)까지 압력 캐패시터(11)가 충전된다. 제1스위치(21) 스위치가 오프된 직후 제3스위치(23)가 켜지면 압력 캐패시터(11)에 충전된 전하가 증폭기(31)로 전딜되어 그에 상응하는 출력 신호(Vo)를 획득할 수 있다. 제2스위치(22)가 켜지면 압력 캐패시터(11)에 남아 있는 모든 전하가 방전되고, 제2스위치(22)가 오프된 직후에 제3스위치(23)가 켜지면 궤환 캐패시터(32)를 통해서 압력 캐패시터(11)에 전하가 전달되어 그에 상응하는 출력신호를 획득할 수 있다. 이때, 도8b로 표시되는 회로의 출력신호(Vo)는 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015045010594-pat00008
수학식(7)
수학식(7)을 통해 알 수 있는 바와 같이, 출력신호(Vo)는 거리(d)에 반비례하므로 도8d에 도시된 바와 같이 거리(d)에 대해서 출력신호(Vo)는 선형적이지 않은 특성을 갖는다. 이는 도7을 참조하여 설명한 바와 같이 압력 센싱 장치의 신호 처리 과정을 복잡하게 만드는 원인이 된다. 또한, 이러한 구조의 압력 센싱 장치(100)의 압력 검출 성능은 제조 과정에서 발생하는 압력 캐패시터(11)의 절대 값의 편차에 크게 영향을 받는다. 또한, 적절한 크기의 출력신호(Vo)를 획득하기 위해서 예컨대 압력 캐패시터(11)의 값은 궤한 캐패시터(32: CFB)와 비슷한 수준의 작은 값을 가져야 하는 제한사항이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)는 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13)를 포함하도록 구성됨으로써, 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 거리(d)가 압력 센싱 장치(100)가 적용되는 애플리케이션마다 다른 경우라고 하더라도 회로에 대한 수정없이 적용될 수 있다. 이는 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 감지부(30)는 거리(d) 변화량에 따라 선형적으로 변하는 신호를 제공할 수 있기 때문이다. 이때, 제1임피던스(12)와 제2임피던스(13)를 모두 정전용량성 소자로 구성함으로써 구동신호의 주파수에 무관한 출력 성능을 제공할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 압력 센싱 장치
10: 전극
20: 구동부
30: 감지부
1000: 터치 입력 장치
200: 디스플레이 패널
300: 기준 전위층

Claims (15)

  1. 전극;
    상기 전극에 구동신호를 인가하는 구동부;
    상기 전극을 통해, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 수신하는 감지부; 및
    상기 구동부와 상기 전극 사이로서 상기 구동신호가 통과하는 전기적 경로에 제1임피던스 및 상기 감지부와 상기 전극 사이로서 상기 수신신호가 통과하는 전기적 경로에 제2임피던스를 포함하는,
    압력 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 거리에 대해서 선형 관계를 갖는 신호를 출력할 수 있는, 압력 센싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 감지부는:
    증폭기; 및 상기 증폭기의 부입력단과 출력단 사이에 연결된 궤환 캐패시터를 포함하고,
    상기 거리에 대해서 선형 관계를 갖는 신호는 상기 증폭기의 출력 신호인, 압력 센싱 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1임피던스 및 상기 제2임피던스는 정전용량성 소자인, 압력 센싱 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1임피던스 및 상기 제2임피던스 중 적어도 하나는 상기 구동부 및 상기 감지부와 동일한 집적회로 상에 집적되는, 압력 센싱 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1임피던스 및 상기 제2임피던스 중 어느 하나는 저항성 소자인, 압력 센싱 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준 전위층은 그라운드(ground) 전위층인, 압력 센싱 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 압력 센싱 장치; 및
    상기 기준 전위층을 포함하여 구성되는, 장치.
  9. 전극에 구동신호를 인가하는 구동부; 및
    상기 전극을 통해, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 수신하는 감지부를 포함하며,
    상기 구동신호는 상기 구동부와 상기 전극 사이에 위치하는 제1임피던스를 통과한 후 상기 전극에 인가되고 및 상기 수신신호는 상기 감지부와 상기 전극 사이에 위치하는 제2임피던스를 통과한 후 상기 감지부에 수신되는,
    압력 검출기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 거리에 대해서 선형 관계를 갖는 신호를 출력할 수 있는, 압력 검출기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 감지부는:
    증폭기; 및 상기 증폭기의 부입력단과 출력단 사이에 연결된 궤환 캐패시터를 포함하고,
    상기 거리에 대해서 선형 관계를 갖는 신호는 상기 증폭기의 출력 신호인, 압력 검출기.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1임피던스 및 상기 제2임피던스는 정전용량성 소자인, 압력 검출기.
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1임피던스 및 상기 제2임피던스 중 적어도 하나는 상기 구동부 및 상기 감지부와 동일한 집적회로 상에 집적되는, 압력 검출기.
  14. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1임피던스 및 상기 제2임피던스 중 어느 하나는 저항성 소자인, 압력 검출기.
  15. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기준 전위층은 그라운드(ground) 전위층인, 압력 검출기.
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