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KR20130022544A - 정전용량형 압력 감지 센서 및 그를 포함하는 입력 장치 - Google Patents

정전용량형 압력 감지 센서 및 그를 포함하는 입력 장치 Download PDF

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KR20130022544A
KR20130022544A KR1020110085155A KR20110085155A KR20130022544A KR 20130022544 A KR20130022544 A KR 20130022544A KR 1020110085155 A KR1020110085155 A KR 1020110085155A KR 20110085155 A KR20110085155 A KR 20110085155A KR 20130022544 A KR20130022544 A KR 20130022544A
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KR
South Korea
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conductive substrate
dielectric layer
pressure
elastic dielectric
capacitance
Prior art date
Application number
KR1020110085155A
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English (en)
Inventor
정일권
Original Assignee
삼성전기주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 삼성전기주식회사 filed Critical 삼성전기주식회사
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Priority to US13/490,886 priority patent/US20130047747A1/en
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Abstract

본 발명은 정전용량형 압력 감지 센서 및 그를 포함하는 입력 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 압력 감지 센서는 가요성을 갖는 제1 전도성 기판, 상기 제1 전도성 기판과 평행하게 배치되는 제2 전도성 기판, 및 상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이에 배치되며, 뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련되는 탄성 유전층을 포함한다. 본 발명에 따르면, 뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 압력에 의해 그 형상이 변화하여 정전용량 변화를 생성함으로써, 미세한 압력을 효율적으로 감지할 수 있는 압력 감지 센서를 제공할 수 있다.

Description

정전용량형 압력 감지 센서 및 그를 포함하는 입력 장치{CAPACITIVE PRESSURE SENSOR AND INPUT DEVICE INCLUDING THEREOF}
본 발명은 정전용량형 압력 감지 센서 및 그를 포함하는 압력 감지 장치에 관한 것으로, 압력에 따른 미세한 정전용량 변화를 정확히 감지할 수 있는 정전용량형 압력 감지 센서 및 장치에 관한 것이다.
압력 감지 센서는 외부의 가해지는 압력에 따라 전기 신호를 발생시키는 장치로서, 최근 각광받는 터치스크린 기술과 유사하게 정전용량 방식과 저항막 방식으로 크게 구분할 수 있다. 특히 정전용량 방식은 저항막 방식에 비해 그 내구성이 우수하고, 외부에서 가해지는 압력의 크기를 단순한 0, 1의 이진 데이터가 아닌, 압력의 강도가 반영된 수치 형태로 감지할 수 있는 점에서 저항막 방식에 비해 최근 그 적용범위를 넓혀가고 있다.
도 1a 및 1b는 일반적인 압력 감지 센서를 도시한 도이다. 도 1a는 일반적인 압력 감지 센서(100)의 사시도로서, 압력 감지 센서(100)는 서로 평행하게 배치되는 2개의 기판(110, 120)과, 기판(110, 120) 사이에 배치되는 유전층(130)을 포함한다. 유전층(130)은 일정 수준의 탄성을 갖는 물질일 수 있으며, 기판(110, 120) 중에 적어도 하나는 가요성을 갖는(Flexible) 재질의 연성 기판일 수 있다.
도 1b는 도 1a에 도시한 압력 감지 센서(100)의 단면을 도시한 단면도로서, 앞서 설명한 바와 같이 서로 평행한 기판(110, 120) 사이에 유전층(130)이 배치되며, 외부에서 가해지는 압력에 의해 기판(110, 120) 사이의 유전층(130)이 눌림으로써 기판(110, 120) 사이의 거리가 변화한다. 기판(110, 120) 사이의 거리 변화는 기판(110, 120) 사이에서 유전층(130)을 통해 생성되는 정전용량의 변화로 나타나며, 소정의 정전용량 감지 회로를 갖는 IC 등에서 기판(110, 120) 사이의 전압 변화를 측정함으로써 외부에서 가해지는 압력 변화를 감지할 수 있다.
그러나, 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이, 종래의 압력 감지 센서(100)는 기판(110, 120) 사이의 공간을 유전층(130)으로 단순히 모두 채우는 구조를 가지기 때문에, 외부에서 가해지는 미세한 압력 변화는 기판(110, 120) 사이의 거리가 변화하기 어려운 문제점이 있었다. 이는 미세한 압력에 따른 전압 변화를 측정하기가 극히 곤란한 문제로 이어져서, 결과적으로 압력 감지 센서(100)를 이용한 입력 장치 전체의 성능을 저하시킬 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 서로 평행하게 마련되는 복수의 기판 사이에 원뿔 또는 다각뿔 패턴이 반복적으로 나타나는 유전층을 배치함으로써, 외부의 미세한 압력까지도 정확히 감지할 수 있는 정전용량형 압력 감지 센서 및 그를 포함하는 입력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 기술적인 측면에 따르면, 가요성을 갖는 제1 전도성 기판, 상기 제1 전도성 기판과 평행하게 배치되는 제2 전도성 기판, 및 상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이에 배치되며, 뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련되는 탄성 유전층을 포함하는 압력 감지 센서를 제안한다.
또한, 상기 탄성 유전층은, 원뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련되는 압력 감지 센서를 제안한다.
또한, 상기 탄성 유전층은, 다각뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련되는 압력 감지 센서를 제안한다.
또한, 상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판은 서로 다른 크기를 갖는 전압을 인가받는 압력 감지 센서를 제안한다.
또한, 상기 제2 전도성 기판에 인가되는 전압은 그라운드 레벨의 크기를 갖는 압력 감지 센서를 제안한다.
한편, 본 발명의 제2 기술적인 측면에 따르면, 복수의 압력 감지 센서, 및 상기 압력 감지 센서에서 생성되는 정전용량 변화를 감지하는 회로부를 포함하고, 상기 압력 감지 센서는, 가요성을 갖는 제1 전도성 기판, 상기 제1 전도성 기판과 평행하게 배치되는 제2 전도성 기판, 및 상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이에 배치되며, 뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련되는 탄성 유전층을 포함하는 입력 장치를 제안한다.
또한, 상기 회로부는, 상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이의 정전용량 변화를 감지하기 위한 감지 회로를 포함하는 입력 장치를 제안한다.
또한, 상기 감지 회로는 차지 펌프(Charge Pump) 회로를 포함하는 입력 장치를 제안한다.
또한, 상기 감지 회로는, 상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판에 서로 다른 전압을 인가하고, 상기 인가한 전압의 변화를 측정하여 상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이의 정전용량 변화를 감지하는 입력 장치를 제안한다.
또한, 상기 복수의 압력 감지 센서는 2차원 평면 위에 배치되는 입력 장치를 제안한다.
또한, 상기 회로부는 상기 복수의 압력 감지 센서로부터 감지한 정전용량 변화에 기초하여 상기 2차원 평면 위에 인가된 입력의 좌표를 결정하는 입력 장치를 제안한다.
본 발명에 따른 압력 감지 센서는 평행하게 배치되는 제1, 제2 전도성 기판 사이에 뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련되는 탄성 유전층을 배치함으로써, 외부에서 가해지는 작은 압력에도 탄성 유전층의 두께가 쉽게 변화하여 미세한 압력까지 정확하게 감지할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 압력 감지 센서를 도시한 도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서를 도시한 도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서의 정전용량을 감지하는 회로를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 입력 장치를 나타낸 평면도이다.
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.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서를 도시한 도이다. 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서(200)의 사시도에 해당하는 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 압력 감지 센서(200)는 평행하게 배치되는 제1 전도성 기판(210), 제2 전도성 기판(220), 및 제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 사이에 배치되는 탄성 유전층(230)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 탄성 유전층(230)에는 뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련될 수 있다.
제1, 제2 전도성 기판(210, 220)은 탄성 유전층(230)과 맞닿는 면에 형성되는 도전층을 포함하거나, 또는 기판(210, 220) 전체가 전도성을 갖는 물질(예를 들어 구리)로 형성될 수 있다. 필요에 따라 제1, 제2 전도성 기판(210, 220)은 빛 투과율이 높은 PET, PI, PMMA 등의 베이스 필름에 ITO, IZO, ZnO, 탄소 나노 튜브 등과 같은 투명 전도성 물질로 도전층을 형성함으로써 제조될 수 있다.
제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 중 적어도 하나는 가요성을 갖는 유연한(Flexible) 재질로 형성될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 본 명세서 전반에 걸쳐서 제1 전도성 기판(210)이 탄성 유전층(230)의 뿔 형상 구조체의 꼭짓점에 맞닿으며 가요성을 가지고, 제2 전도성 기판(220)이 탄성 유전층(230)의 뿔 형상 구조체의 밑면에 맞닿는 것으로 가정하여 설명하나, 이와 같은 구조로 한정되지 않음은 물론이다.
탄성 유전층(230)은 소정의 탄성력과 유전율을 갖는 물질로 형성될 수 있으며, 일례로 PDMS 또는 실리콘 등의 물질로 형성될 수 있다. 탄성 유전층(230)에 마련되는 뿔 형상 구조체(235)는 원뿔, 또는 사각뿔, 삼각뿔 등의 다각뿔 형상을 가질 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도이다. 도 3a을 참조하면, 제1 전도성 기판(210)과 제2 전도성 기판(220)에 각각 일정한 전압이 인가된다. 제1, 제2 전도성 기판(210, 220)에 인가되는 전압은 서로 다른 레벨을 가지며, 탄성 유전층(230)의 유전율과 기판(210, 220) 사이의 거리에 의해 수학식 1과 같이 결정되는 정전용량 C가 제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 사이에서 생성된다.
Figure pat00001
C : 제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 사이의 정전용량
A : 제1, 제2 전도성 기판(210, 220)의 대향 면적
d : 제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 사이의 거리
ε : 탄성 유전층(230)의 유전율
수학식 1에 나타난 바와 같이, 탄성 유전층(230)에서 생성되는 정전용량은 제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 사이의 대향 면적과 거리, 및 탄성 유전층(230)의 유전율에 의해 결정된다. 여기서 탄성 유전층(230)의 유전율과 제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 사이의 대향 면적은 일단 압력 감지 센서(200)가 제조된 이후에는 변하지 않는 값이므로, 압력에 따른 정전용량 변화는 제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 사이의 거리인 d에 의해서 결정된다.
도 3b를 참조하면, 압력 감지 센서(200)에 힘이 가해짐에 따라 가요성을 갖는 제1 전도성 기판(210)의 일부분(215)이 변형되어 탄성 유전층(230)을 압박하게 되고, 그 힘에 의해 뿔 형상의 구조체(235)가 찌그러진다. 따라서 변형된 일부분(215)에서 제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 사이의 거리가 줄어들어 정전용량이 증가함으로써 전체 정전용량이 C'으로 변화한다. 제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 중 적어도 하나는 감지 회로를 포함하는 회로부에 연결되고, 회로부에서는 제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 사이의 정전용량 변화를 감지한다. 일례로, 회로부는 제1, 제2 전도성 기판(210, 220)에 각각 인가된 전압의 변화를 측정함으로써 압력에 따른 정전용량 변화를 감지할 수 있다.
도 1b에 도시한 종래의 압력 감지 센서(100)와 달리 본 발명에서는, 압력 감지 센서(200)의 탄성 유전층(230)에 뿔 형상을 갖는 복수의 구조체(235)가 마련되므로, 작은 압력에도 제1, 제2 전도성 기판(210, 220) 사이의 거리가 크게 변화한다. 특히, 압력이 직접 물리적으로 가해지는 제1 전도성 기판(210)에 구조체(235)의 꼭짓점이 맞닿도록 함으로써, 미세한 압력에도 큰 두께 변화가 발생하도록 할 수 있다.
압력 감지 센서(200)와 전기적으로 연결되는 회로부는 정전용량 변화를 감지하기 위한 차지 펌프(Charge Pump) 회로를 포함할 수 있다. 이하, 도 4의 회로도를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서의 정전용량을 감지하는 회로를 나타낸 도이다. 도 4를 참조하면 본 실시예에 따른 정전용량 감지 회로(400)는 전하 공급원(410), 제1 커패시터(420), 제2 커패시터(430), 버퍼(440), 아날로그 - 디지털 컨버터(450, ADC), 및 제1, 제2 스위치(460, 470)를 포함한다. 제1 커패시터(420)는 전하 공급원(410)에 의해 충전되어 소스 커패시터로서 제2 커패시터(430)에 전하를 공급하며, 제2 커패시터(430)는 압력 감지 센서(200)에서 생성되는 정전용량 변화에 대응하는 것으로 이해할 수 있다.
제1 스위치(460)가 닫히고 제2 스위치(470)가 오픈되면 전하 공급원(410)에 의해 제1 커패시터(420)가 충전된다. 제1 커패시터(420) 충전이 완료되면, 제1 스위치(460)를 오픈하고 제2 스위치(470)를 닫히며, 제1 커패시터(420)와 제2 커패시터(430) 사이에서 전하 재분포가 일어나서 제1 커패시터(420)에 충전된 전하의 일부가 제2 커패시터(430)로 이동한다. 제2 커패시터(430)로 이동하는 전하량은 제1 커패시터(420)와 제2 커패시터(430)의 커패시턴스 값에 따라 결정된다.
제1 커패시터(420)와 제2 커패시터(430) 사이에서 전하 재분포가 완료되면, 버퍼(450)에서 제1 커패시터(420)와 제2 커패시터(430)가 연결된 노드의 전압을 측정함으로써 압력 감지 센서(200)의 정전용량 변화를 계산할 수 있다. 압력이 가해지지 않은 상태에서 압력 감지 센서(200)의 정전용량은 미리 고정된 값이므로, 버퍼(450)에서 측정한 전압으로부터 계산된 정전용량이, 압력이 가해지지 않은 상태의 정전용량 값과 크게 차이가 날수록 큰 압력이 가해진 것으로 감지한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 입력 장치를 나타낸 평면도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 입력 장치(500)는 터치스크린과 같이 디스플레이 장치에 일체로 구비되는 장치인 것을 가정하며, 가장자리의 베젤부를 따라 배치되는 복수의 압력 감지 센서(510)를 포함할 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이 디스플레이 장치에 일체로 구비되는 경우가 아니라면, 2차원 평면 상에 행렬과 같은 구조로 압력 감지 센서(510)를 구비하는 것 또한 가능하다.
입력 장치(500)의 가장자리 베젤부를 따라 배치된 복수의 압력 감지 센서(510)는 전도성 물질로 형성되는 배선 패턴을 따라 정전용량 감지 회로를 포함하는 회로부(520)에 연결된다. 회로부(520)는 집적회로의 형태로 구현되어 하나의 칩으로 패키징될 수 있으며, 커넥터를 갖는 회로기판(PCB)에 실장되어 외부의 메인 컨트롤러 등과 통신 가능하도록 연결될 수 있다.
입력 장치(500)의 특정 영역에 압력이 가해지면, 복수의 압력 감지 센서(510) 각각에서 정전용량 변화가 생성된다. 각 압력 감지 센서(510)는 회로부(520)에 구비된 복수의 채널에 각각 연결되므로, 회로부(520)는 각 압력 감지 센서(510)에서 생성된 정전용량 변화를 전압 값으로 측정할 수 있다. 각 채널별로 얻어진 데이터는 압력이 가해진 위치를 측정하는데에 이용될 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 A 지점에 압력이 가해진 경우를 가정하면, 제1 압력 감지 센서(510-1), 제2 압력 감지 센서(510-2)에서 거의 비슷하며 상대적으로 높은 정전용량 변화가 나타나며, 제3 내지 제8 압력 감지 센서(510-3 ~ 510-8)에서는 상대적으로 매우 낮은 정전용량 변화가 검출된다. 이와 달리, B 지점에 압력이 가해진 경우에는, 제4 압력 감지 센서(510-4)와 제6 압력 감지 센서(510-6)에서 상대적으로 높은 정전용량 변화가 나타나고, 다른 압력 감지 센서(510-1 ~ 510-3, 510-5, 510-7, 510-8)에서는 상대적으로 낮은 정전용량 변화가 나타난다.
이와 같이, 압력이 가해지는 지점에 따라서 복수의 압력 감지 센서(510) 각각에서 검출되는 정전용량 변화가 서로 다르기 때문에, 압력이 가해지는 지점의 2차원 좌표를 계산하는 것이 가능하다. 또한, 모든 압력 감지 센서(510)에서 측정되는 정전용량 변화의 총 합으로부터 가해진 압력의 크기를 측정할 수 있으므로, 더욱 다양한 입력 방법과 사용자 인터페이스를 구현하는 것이 가능하다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
200 : 압력 감지 센서 210 : 제1 전도성 기판
220 : 제2 전도성 기판 230 : 탄성 유전층
235 : 뿔 형상 구조체 500 : 입력 장치
520 : 회로부

Claims (11)

  1. 가요성을 갖는 제1 전도성 기판;
    상기 제1 전도성 기판과 평행하게 배치되는 제2 전도성 기판; 및
    상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이에 배치되며, 뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련되는 탄성 유전층; 을 포함하고,
    상기 제1 전도성 기판에 인가되는 압력에 따라 상기 탄성 유전층의 구조체가 변형되어 상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이에서 정전용량 변화가 생성되는 압력 감지 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄성 유전층은,
    원뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련되는 압력 감지 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄성 유전층은,
    다각뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련되는 압력 감지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판은 서로 다른 크기를 갖는 전압을 인가받는 압력 감지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 전도성 기판에 인가되는 전압은 그라운드 레벨의 크기를 갖는 압력 감지 센서.
  6. 복수의 압력 감지 센서; 및
    상기 압력 감지 센서에서 생성되는 정전용량 변화를 감지하는 회로부; 를 포함하고,
    상기 압력 감지 센서는,
    가요성을 갖는 제1 전도성 기판;
    상기 제1 전도성 기판과 평행하게 배치되는 제2 전도성 기판; 및
    상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이에 배치되며, 뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련되는 탄성 유전층; 을 포함하는 입력 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 회로부는,
    압력에 의해 상기 탄성 유전층의 구조체가 변형되어 상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이에서 생성되는 정전용량 변화를 감지하는 입력 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 회로부는,
    차지 펌프(Charge Pump) 회로를 포함하는 입력 장치.
  9. 제6항에 있어서, 상기 회로부는,
    상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판에 서로 다른 전압을 인가하고, 상기 인가한 전압의 변화를 측정하여 상기 제1 전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이의 정전용량 변화를 감지하는 입력 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 압력 감지 센서는 2차원 평면 위에 배치되는 입력 장치.
  11. 제11항에 있어서,
    상기 회로부는 상기 복수의 압력 감지 센서로부터 감지한 정전용량 변화에 기초하여 상기 2차원 평면 위에 인가된 입력의 좌표를 결정하는 입력 장치.
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