KR100751069B1 - 개선된 센싱 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 장비의 주변 상태를 감지하는 장치에 관한 것이다. 이들 상태는 사용자 확인, 장비의 위치 및 여러 환경 특성을 포함할 수 있다. 본 발명은 바람직하게는 이동 단말에 적용된다. 본 발명의 일 사상은 센서의 적어도 일부분을 형성하고, 또한 다른 센서(695-698)용 기판으로서 기능하는 기판(663)을 갖는 센서 장치를 제공하는 것이다. 상기 기판은 바람직하게는 플렉시블하여, 디바이스 커버의 형상을 따르는 형상으로 형성될 수 있다. 본 발명은 또한 상기 센서의 성능을 최적화하는데 사용될 수 있는 전극 구조에 대한 2차원 또는 3차원 형태를 형성하는 방법을 개시한다. 상기 2차원 또는 3차원 표면 구조가 핑거의 형상을 따라 설계되면, 상기 센서 표면을 따라 핑거를 미끄러뜨릴 때 아주 작은 압력이 요구된다. 이렇게 하여, 상기 센서의 이용은 인간공학적이고 상기 측정은 매우 신뢰성있게 이루어진다.

Description

개선된 센싱 장치{IMPROVED SENSING ARRANGEMENT}
본 발명은 전자 장비의 주변 상태를 감지하고 및/또는 사용자의 생체 인식 변수(biometric variable)를 감지하기 위한 장치에 관한 것이다. 이들 상태는 사용자 확인, 장비의 위치 및 여러 환경 특성을 포함할 수 있다. 본 발명은 바람직하게는 이동 단말에 적용된다.
주변 상태를 감지할 수 있는 이동 단말을 제조하기 위해, 상기 이동 단말에 센서를 제공할 필요가 있다. 또한, 상기 단말의 사용자를 인증하고 상기 사용자로부터 다른 생체 인식 변수를 측정하는데 사용될 수 있는 지문 센서 및 다른 생체 인식 센서도 필요하다. 예를 들어, 정보는 이동 단말 사용자 인터페이스의 다른 세팅 및 사용자 인터페이스 프로파일을 제어하기 위해 주변 정보 및/또는 사용자 정보가 이용되는 환경 인식 애플리케이션(context awareness application)에 이용될 수 있다. 본 발명은 일반적인 센싱 장치에 관한 것이지만, 이하에는 먼저, 지문 센서를 이용하는 종래 기술이 예로서 설명된다.
예를 들어, 스킨 임피던스 기반 센서(skin impedance based sensor), 열 센서 및 광 센서 등의 여러 종류의 지문 센서가 존재한다. 이동 단말 등의 소형 전자제품의 사용자를 인증하기 위한 가장 실용적인 솔루션은 용량성 임피던스 측정에 기초한다. 스킨 임피던스의 변화를 측정하는 용량성 지문 센서의 기본 사상은 도 1a 및 도 1b에서 설명된다. 핑거(finger)(101)가 센서의 어레이 위로 서서히 당겨지면, 센서(120)의 어레이는 스킨 임피던스 값을 측정한다. 상기 전극 표면과 피부 표면 내의 도전성 염류층(saline layer) 사이의 캐패시턴스는 상기 도전층에 대한 거리의 함수에 따라 변동한다. 상기 피부 표면의 죽은 각질 세포와 변동하는 공극(air gap)은 상기 용량성 센서의 전극을 형성하는 도전층(121, 122)에 대해 캐패시턴스(125)를 형성한다.
도 2는 스킨 임피던스의 개략의 등가 회로 및 상기 임피던스 측정 원리를 포함하는 또 다른 예를 도시한다. 피부는 고정된 저항성 조직 성분(tissue component)(202) 및 고정된 저항성 표면 성분(203)을 갖는다. 상기 측정 캐패시턴스는 또한, 고정 소자(272) 및 상기 핑거의 표면 형태에 따라 가변인 소자(271)를 갖는다. 상기 용량성 지문 센서는 교류 전압(281)을 구동 전극(222)에 인가하고 센서 전극(221)으로부터의 신호를 측정함으로써 상기 가변의 용량성 성분을 측정한다. 상기 신호는 저잡음 증폭기(282)로 증폭되고, 구동기와 센싱 전극 사이의 위상 차가 측정된다(283). 버퍼(285)를 이용하여 신호 입력과 동일한 전위로 유지되는 가드 전극을 이용하여 간섭이 억제될 수 있다.
지문 센서 및 대부분의 다른 센서는 또한, 바람직하게는 실리콘-기반 집적 회로인 신호 처리 회로를 필요로 한다. 지문 센서를 제공하기 위한 하나의 솔루션은, 용량성 측정 전극 및 신호 처리 전극의 양 기능을 수행하는 집적 회로를 이용하는 것이다. 이와 같은 집적 회로는 전자제품의 표면 상에 설치될 것이다. 그러 나, 상기 지문의 용량성 이미지를 캡쳐하기 위해 필요한 면적은 대강 1 제곱센티미터의 규모이다. 이는 측정 전극으로서 실리콘 집적회로를 이용하는데 있어서는 매우 큰 면적이다. 또한, 상기 측정은 측정 원리에 따라 행으로 또는 행렬로 배치되는 수백개의 용량성 화소로 이루어진다. 다수의 배선이 필요하고 상기 측정 전극은 상기 집적 회로로부터 절연될 필요가 있다. 따라서, 상기 용량성 전극을 상기 신호 처리 실리콘 집적 회로에 접속시키기 위한, 비용면에서 효율적인 방법이 요구된다.
하나의 전형적인 종래 기술 솔루션은 특허 문서 US5887343 및 US6067368에 개시되어 있다. 측정 전극을 형성하기 위해 분리된 절연 평면 기판을 이용함으로써 문제점이 해결된다. 상기 기판은 배선 및 상기 기판을 통과하는 비아(via)를 포함한다. 상기 기판은 신호 및 데이터 처리 능력을 포함하는 실리콘 집적 회로에 접속된다. 그러나, 상기 솔루션은 다수의 배선이 작은 공간 내에서 접속되어야 하기 때문에 제조하기가 복잡하다. 그와 같은 배선은 또한 그다지 로버스트(robust)하지 않고, 모바일 사용시에 상기 구조를 쉽게 파손시키는 경향이 있다.
또 다른 종래 기술 솔루션은 상기 실리콘 웨이퍼의 상부에 직접 측정 전극을 형성하는 것이다. 이에 의해, 배선 구성이 단순해지지만, 상기 솔루션은 전극에 필요한 큰 면적으로 인하여 대형 실리콘 표면을 필요로 한다.
종래 기술 솔루션들이 갖는 한가지 단점은 센서의 인간 공학에 관한 것이다. 상기 센서와 핑거 사이의 충분한 접촉 면적을 얻기 위해, 플랫 센서에 대해 핑거를 다소 세게 눌러야 한다. 따라서, 상기 핑거가 눌러지지 않고 상기 센서 표면을 따라 적절하게 미끄러지지 않으면, 측정이 실패하는 경우가 종종 발생할 수 있다.
상기 지문 센서의 또 다른 문제점은 사용자 아이덴티티 위조를 위한 인공적인 핑거의 제조가 용이하다는 것이다. 종래 기술의 지문 센서는 생체 조직 핑거와 인공적인 플라스틱 복제물을 신뢰성있게 구별할 수 없다.
종래 기술 솔루션의 또 다른 문제점은 여러 센서의 위치결정에 관한 것이다. 주변 상태를 감지하기 위해, 센서는 장비 외부의 환경과 상호작용을 가질 필요가 있다. 따라서, 센서는 상기 장비의 커버(cover) 상에 위치되어야 한다. 이러한 종류의 센서는 일반적으로 상기 장비의 메인 인쇄 배선 기판(printed wired board:PWB)에 고정되고, 상기 센서는 상기 커버의 홀(hole)을 통해 장비 하우징의 표면으로 연장하도록 형성된다. 그러나, 이동 단말과 같은 현대 장비의 표면은 3차원 곡률(curvature)을 갖는 디자인을 구비하는 경향이 있다. 따라서, 상기 PWB와 상기 커버 표면 사이의 거리가 변동하여 상기 센서 구조를 설계하는 것이 어려워진다. 상기 센서는 또한, 상기 장비 커버의 표면 상에 결정된 위치를 가져야 하고, 상기 결정된 센서 위치를 달성하도록 메인 PWB의 레이아웃을 설계하는 것은 어려울 수 있다. 이와 같은 문제점에 대한 하나의 솔루션은 상기 장비 커버에 센서를 고정하는 것이지만, 그러면 상기 커버에의 센서의 장착 및 상기 센서와 상기 메인 인쇄 배선 회로 사이의 배선의 배치를 대량 생산하는데는 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 단점이 개선된 센싱 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 센서용 장치는 우수한 보안 특성 및 인간공학 뿐 아니라 연속적인 생산에 대한 우수한 적합성을 촉진시킨다. 따라서, 본 발명은 특히 이동 애플리케이션에서, 센서의 비용 효율성 및 신뢰성을 실질적으로 개선한다.
적어도 하나의 센서, 상기 적어도 하나의 센서로부터의 신호의 측정을 위한 적어도 하나의 신호 처리 집적 회로 및 상기 적어도 하나의 센서와 상기 집적 회로 사이의 배선을 포함하는 센서 장치에 있어서, 상기 장치는 기판을 포함하고, 상기 기판은 상기 배선의 적어도 일부분을 형성하고 상기 적어도 하나의 센서의 기능부로서 기능하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 센서 장치를 포함하는 이동 단말에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예는 적어도 하나의 센서, 전극 및 플렉시블 기판 상의 집적 회로를 포함한다. 그와 같은 장치는 예를 들어, 이동국의 커버에 몰딩될 수 있다.
본 발명의 더 바람직한 실시예는 종속항에서 설명된다.
본 발명의 일 사상은 센서의 적어도 일부분을 형성하고, 바람직하게는 다른 센서용 기판으로서 기능하는 기판을 갖는 센서 장치를 제공하는 것이다. 상기 기판은 바람직하게는 플렉시블하여, 디바이스 커버의 형상을 따르는 형상으로 형성될 수 있다. 본 발명은 또한 상기 센서의 성능을 최적화하는데 사용될 수 있는 전극 구조에 대해 2차원 또는 3차원 형태를 형성하는 방법을 개시한다. 상기 2차원 또는 3차원 표면 구조가 핑거의 형상을 따라 설계되면, 상기 센서 표면을 따라 핑거를 미끄러뜨릴 때 아주 작은 압력이 요구된다. 이렇게 하여, 상기 센서의 이용은 인간공학적이고 상기 측정은 매우 신뢰성있게 이루어진다.
본 발명은 또한 멀티 센서 마이크로시스템의 구현을 용이하게 한다. ASIC 등의 측정 일렉트로닉스(electronics) 및 센서 엘리먼트는 COF(chip-on-flex) 기술을 이용하여 3차원 모듈로 집적될 수 있다. 상기 COF 기술은 센서와 ASIC 칩의 배선 및 장착용 기판으로서, 예를 들어, 플렉시블 캡톤 필름(Kapton film)의 사용에 기초한다. 상기 IC 및 센서는 상부에 몰딩된 폴리머 커버를 이용하여 보호될 수 있다. 상기 플렉시블 회로 기판(예를 들어, 캡톤 필름)은 2D 또는 3D 구조를 가능하게 하여, 상기 센서 및 일렉트로닉스의 일부분이 상기 디바이스 커버의 주변에 배치될 수 있다.
상기 지문 센서의 곡면을 제조할 수 있기 때문에, 흡광에 의해 혈액 순환의 광학적 검출을 통합할 수 있다. 이와 같이 하여, 상기 핑거가 살아있는 사람의 것인지를 검증할 수 있다.
또한, 다른 타입의 센서를 상기 센서 유닛에 통합할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서, 핑거를 통한 흡광을 측정하기 위해 핑거 그루브(finger groove)의 반대 측상에 발광 다이오드 및 감광 검출기가 배치된다. 사용되는 광의 길이는 생체 핑거의 혈액이 최대 흡수 신호를 발생시키는 길이이다. 이와 같이 하여, 산화된 헤모글로빈이 사용자의 핑거로부터 검출될 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 또한, 심장박동율(heartbeat rate)이 모니터링될 수 있다. 이에 의해, 신원 위조를 위한 임의의 인공 핑거의 사용이 매우 힘들어진다. 게다가, 온도 TS 및 광 LS 센서 등의 다른 센서는 상기 핑거 그루브 내에 통합될 수 있고, 상기 지문 센서 패키지에 내장될 수 있다. 일반적으로, 기판으로서 플렉시블 필름(flexible film)을 이용함으로써, 필요한 위치에 센서를 배치하는데 있어서 융통성을 제공한다. 상기 플렉시블 필름은 예를 들어, 디바이스 커버의 형상을 따를 수 있다.
본 발명의 또 다른 사상은 예를 들어, 이동 전화의 커버에 통합될 수 있는 유도성 튜닝 용량성 센서(tuned capacitive sensor)이다. 상기 튜닝 용량성 센서는 캐패시터 전극과 접촉하는 저항성 재료로부터 발생하는 저항 손실에 고도로 민감한 것으로 나타난다. 상기 임피던스 측정에 기초하여, 상기 튜닝 센서의 Q 값의 강하(drop)는 재료와 접촉하는 것을 나타낸다: 상기 센서 전극에 대한 갈바닉(galvanic) 접촉은 필요하지 않다. 동일한 또는 서로 다른 공진 주파수의 여러 튜닝 센서에 대해 유도성 결합이 이루어질 수 있다. 서로 다른 공진 주파수를 이용함으로써, 서로 다른 센서 엘리먼트를 구별할 수 있다. 유도성 튜닝 용량성 센서가 상기 측정 일렉트로닉스를 포함하는 멀티 칩 모듈에 유도적으로 결합될 수 있는 동안, 어셈블리 단계의 추가적인 배선은 필요하지 않다. 이와 같이 하여, 완전히 밀봉된, 방수 디바이스를 제공할 수 있다.
본 발명의 제조 프로세스는 대량 생산에 적합하고, 본 발명은 비용면에서 더 효율적으로 디바이스를 제조하기 위해 기존의 센서 측정 개념 및 일렉트로닉스에 적용될 수 있다.
이하에서, 본 발명은 첨부한 도면에 따라 예시적인 실시예를 참조하여 더 상세하게 설명된다.
도 1a는 용량성 지문 센서의 이용을 예시한다.
도 1b는 종래 기술의 용량성 지문 센서의 동작 원리를 예시한다.
도 2는 능동 가딩(active guarding)을 이용하는 스킨 임피던스의 측정을 설명하는 블록도를 예시한다.
도 3은 상기 유닛의 전기적 접속 및 전극을 위한 기판으로서 기능하도록 플렉시블 기판이 적용되는, 본 발명에 따른 예시적인 장치의 단면을 예시한다.
도 4는 상기 유닛의 전기적 접속 및 전극을 위한 기판으로서 기능하도록 플렉시블 기판이 구부러진, 본 발명에 따른 예시적인 장치의 단면을 예시한다.
도 5는 플렉시블 기판 상에 적용되는 부가의 센서가 존재하는, 본 발명에 따른 예시적인 장치의 단면을 예시한다.
도 6a는 플렉시블 기판에 적용된 지문 센서, 광 센서 및 다른 센서가 있는 본 발명에 따른 예시적인 장치의 상면도를 예시한다.
도 6b는 플렉시블 기판에 적용된 지문 센서, 광 센서 및 다른 센서가 있는 본 발명에 따른 예시적인 장치의 사시도를 예시한다.
도 6c는 플렉시블 기판에 적용된 지문 센서, 광 센서 및 다른 센서가 있는 본 발명에 따른 예시적인 장치의 단면도를 예시한다.
도 7a는 본 발명에 따른 장치에 대한 예시적인 접촉 전극의 상면도를 예시한다.
도 7b는 본 발명에 따른 장치에 대한 예시적인 접촉 전극의 단면도를 예시한다.
도 7c는 도 7a 및 도 7b에 따른 예시적인 접촉 전극을 갖는 접촉 측정용 등 가 회로를 예시한다.
도 8은 플렉시블 기판을 이용하여 적용된 광 센서 및 다른 센서와 함께 유도성 스킨 접촉 센서가 있는, 본 발명에 따른 예시적인 장치의 단면도이다.
도 9a는 유도성 접촉 측정을 위한 제 1 실시예의 회로를 예시한다.
도 9b는 유도성 접촉 측정을 위한 제 2 실시예의 회로를 예시한다.
도 10은 여러 센서를 측정하기 위해 센서를 갖는 예시적인 멀티-채널 유도성 측정 회로를 예시한다.
도 11a는 본 발명에 따른 수동 유도성 접촉 측정을 위한 예시적인 회로를 예시한다.
도 11b는 본 발명에 따른 능동 유도성 접촉 측정을 위한 예시적인 회로를 예시한다.
도 12는 본 발명에 따른 예시적인 장치의 가딩을 예시한다.
도 13a는 본 발명에 따라 전극을 배치하는 제 1 실시예의 단면도를 예시한다.
도 13b는 본 발명에 따른 전극을 배치하는 제 1 실시예의 상면도를 예시한다.
도 14a는 본 발명에 따라 전극을 배치하는 제 2 실시예의 단면도를 예시한다.
도 14b는 본 발명에 따라 전극을 배치하는 제 2 실시예의 상면도를 예시한다.
도 15a는 본 발명에 따라 전극을 배치하는 제 3 실시예의 단면도를 예시한다.
도 15b는 본 발명에 따라 전극을 배치하는 제 3 실시예의 상면도를 예시한다.
도 16a는 본 발명에 따라 전극을 배치하는 제 4 실시예의 단면도를 예시한다.
도 16b는 본 발명에 따라 전극을 배치하는 제 4 실시예의 상면도를 예시한다.
도 17은 플렉시블 기판을 이용하여 회로를 제조하는 프로세스를 예시한다.
도 1a, 도 1b 및 도 2는 상기의 종래 기술의 설명에서 설명되었다.
도 3은 전극-핑거 인터페이스의 2차원 또는 3차원 형태를 가능하게 하는 본 발명의 일 실시예를 예시한다. 플렉시블 인쇄 배선 기판의 일 단은 전극(322)용으로 이용되고, 상기 기판(363)의 다른 부분은 외부 접속을 위해 이용된다. 도 3은 또한, 상기 플렉시블 기판의 금속 표면과 ASIC(380) 사이의 접속을 도시한다. 상기 전극(322) 및 가드(330)에 대한 배선은 플렉스 필름(flex film) 및 비아(323, 324)의 양측 금속화를 이용하여 제공된다. 상기 플렉시블 기판, 센서 및 ASIC을 포함하는 상기 장치는 예를 들어, 이동 전화의 커버(368)에 직접 몰딩될 수 있다.
도 4는 플렉시블 인쇄 배선 기판(PWB) 또는 필름 기판(463)을 유닛 아래로 구부리고, 납땜 볼(478)을 상기 플렉스에 부착함으로써 다른 일렉트로닉스에 대한 접속이 형성되는 본 발명의 장치의 일 실시예를 예시한다. 상기 실시예에서, 상기 플렉스의 다른 단은 상기 플렉스의 단을 전극으로서 이용하기 위해 상기 유닛 위로 구부러진다. 상기 ASIC(480)에 대한 접속(423, 424)은 도 3의 실시예에와 유사하게 형성될 수 있다. 상기 플렉스의 전극 단 상에서, 하나의 금속 표면(430)은 센싱 전극으로서 기능하고 상기 플렉스의 제 2 금속 표면(434)은 가드 전극으로서 기능한다. 상기 장치는 완전한 소자를 형성하기 위해 플라스틱(468)으로 몰딩될 수 있다.
도 5는 지문 센서 전극(520)에 더하여 상기 플렉시블 기판(563) 상의 다른 센서의 세트(591)가 존재하는 발명 장치의 일 실시예를 예시한다. 상기 센서는 광 센서, 온도 센서, 습도 센서, 압력 센서, 가속 센서, 정렬 센서 및 생체 인식 센서를 포함할 수 있다. 상기 디바이스의 외측 부분과 상기 센서 사이의 센싱 인터페이스를 제공하기 위해 상기 플렉시블 기판에 개구부(592)가 존재한다. 상기 플렉시블 기판(563)의 다른 단은 ASIC 회로(580) 및 상기 외부 회로에 대한 전기적 접속(578)을 포함한다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 플렉시블 기판에 적용된 지문 센서, 광 센서 및 다른 센서가 있는 본 발명에 따른 예시적인 장치를 도시한다. 도 6a는 장치의 상면도, 도 6b는 장치의 사시도, 그리고 도 6c는 장치의 단면도를 도시한다. 상기 ASIC(680)은 상기 디바이스의 다른 일렉트로닉스에 대해 사용되는 기판일 수 있는 인쇄 배선 기판(699) 상에 설치된다. 상기 ASIC은 플렉시블 기판(663)에 접속되고, 상기 플렉시블 기판(663)은 ASIC을 상기 센서 및 전극에 접속한다. 상기 센서 기판(668)은 또한 플렉시블 기판으로 형성될 수 있다. 상기 기판은 핑거(601)에 대해 적합한 표면을 제공하기 위해 곡선 형태이다. 상기 예시적인 장치에는, 상기 지문 센서용 플렉시블 기판 상에 제공되는 8개의 전극(622)이 존재한다. 광 산소 포화도 측정 센서(optical pulse oximeter sensor)는 적외선 LED(695) 및 광 다이오드(696)로 형성된다. 상기 LED에 의해 제공되는 적외선 맥박 광(Infrared pulsed light)은 빔이 핑거(601)를 관통한 후에 광 다이오드를 이용하여 측정된다. 이와 같이 하여, 상기 핑거가 혈액을 포함하고, 상기 혈액의 농도가 맥박에 따라 변동하는지를 확인할 수 있다. 상기 장치는 또한, 주변 온도(ambient temperature) 또는 핑거의 온도를 측정하는데 사용될 수 있는 온도 센서를 포함한다. 상기 장치는 또한, 상기 주변 광을 측정하기 위한 광 센서(698)를 포함할 수 있다. 상기 정보는 예를 들어, 상기 디바이스의 디스플레이의 강도를 제어하기 위해 이용될 수 있다. 상기 장치는 주변 습도를 측정하기 위한 습도 센서를 더 포함할 수 있다.
지문 센서를 제공하는 대신, 또는 지문 센서에 더하여, 하나 또는 여러개의 스킨 접촉 센서를 제공하는 것이 유용할 수 있다. 스킨 접촉 센서는 예를 들어, 상기 디바이스가 손에 잡혀 있는지, 또는 이동국이 사용자의 귀에 접촉되는지(즉, 상기 이동국은 전화 통화를 위해 사용되는지)를 검사하는데 이용될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 스킨 접촉 전극의 예를 도시한다. 도 7a는 상기 전극의 상면도를 도시하고, 도 7b는 상기 전극 및 그의 배선의 단면도를 도시한다. 상기 스킨 접촉은 중심 전극(710)과 상기 외측 링을 형성하는 전극(712) 사이의 임피던스를 측정함으로써 판단된다. 상기 전극(711)은 가드 링으로서 기능한다. 상기 가드 전극은 또한, 상기 능동 전극(710 및 712) 아래의 가드 디스크(713)를 형성한다. 상기 전극은 플라스틱(714)으로 몰딩될 수 있고, 따라서 예를 들어, 별도의 소자를 형성하거나 디바이스 커버에 통합된다. 또한, 상기 커버의 표면 상에 박막 부동층(passivation layer)(715)이 존재한다.
도 7c는 도 7a 및 도 7b에 따라 예시적인 접촉 전극을 갖는 스킨 접촉 측정용 등가 회로를 도시한다. 상기 실제의 스킨 임피던스(R_sk_1)는 교류(I_ac_in)를 중심 및 외측 전극에 인가함으로써 측정된다. 접촉 캐패시턴스(C_contact_1 및 C_contact_2)는 상기 스킨 임피던스와 직렬로 나타난다. 포인트 n3의 측정 전압은 또한, 기판 효과의 유도성 소자(L_p), 저항성 소자(R_p) 및 용량성 소자(C_p) 뿐 아니라 전극선의 저항(R_s)에 의해 영향받는다.
도 8은 플렉시블 기판을 이용하여 적용된 광 센서 및 다른 센서와 함께 유도성 스킨 접촉 센서가 있는, 본 발명에 따른 예시적인 장치의 단면도이다. 상기 스킨 접촉은 예를 들어, 도전성 폴리머로 형성될 수 있는 도전성 전극(810 및 812)에 교류를 인가함으로써 측정된다. 상기 전극은 다른 코일(815)로부터 유도성 에너지를 수신하는 평면 코일(816)의 단부에 접속된다. 상기 코일(815)은 상기 디바이스 커버(814)로부터 짧은 거리에 있을 수 있는 플렉시블 기판(863)에 위치한다. 다른 센서는 상기 플렉시블 기판 상의 센서 박스(891)에 설치된다. 상기 센서와 상기 디바이스의 주변 사이에 센싱 인터페이스를 제공하기 위해 상기 기판과 상기 디바이스 표면을 통과하는 개구부(892)가 존재한다. 상기 디바이스의 내부 용적으로부터 개구부를 밀봉하는 디바이스 커버와 상기 플렉시블 기판 사이의 가스킷(gasket)(893)이 존재한다. 상기 플렉시블 기판은 ASIC 회로(880)에 더 접속되고, 상기 ASIC 회로(880)는 측정 일렉트로닉스 및 상기 측정 데이터를 처리하는 회로를 제공한다. 상기 플렉시블 기판은 상기 센서와 ASIC 사이에 배선을 제공한다. 상기 ASIC 및 기판은 상기 디바이스의 인쇄 배선 기판(899)에 더 접속된다(878).
도 9a 및 도 9b는 스킨 접촉의 유도성 측정의 2가지 기본 원리를 예시한다. 도 9a에서, 회로는 고정 캐패시턴스 및 고정 공진 주파수를 갖는다. 상기 스킨 접촉은 따라서, 상기 공진 회로에 대해 온/오프 스위칭 효과를 갖는다. 도 9b에서, 상기 회로는 가변 캐패시터 및 낮은 Q값을 갖기 때문에 상기 공진 주파수는 상기 스킨 접촉의 영향에 따라 변경될 수 있다. 상기 회로는 상기 스킨 접촉 영향에 대한 더 정확한 정보를 제공하지만, 반면에 복잡도 및 에너지 소비가 더 높아진다. 도 9a 및 도 9b는 센서 측이 LC 공진기인 회로를 도시한다. 그러나 또한, 도 11b에 도시된 바와 같은 능동 측정 회로를 이용할 수 있다.
도 10은 서로 다른 측정 주파수를 이용하여 여러 센서를 측정하는 회로를 포함하는, 유도성 센서 결합을 갖는 장치를 예시한다. 상기 장치는 각각 공진 회로를 형성하는 3개의 센서 회로(Cb1-Lb1-S1, Cb2-Lb2-S2 및 Cb3-Lb3-S3)를 갖는다. 1차 공진 회로(La-Ca)는 캐패시턴스(Ca)를 제어함으로써 다른 주파수로 조절될 수 있다. 주파수 스위프 로직(frequency sweep logic)(F1)은 증폭기(G1) 및 제어 블록(CN1)을 포함하는 셀프-진동 시스템(self-oscillating system)의 주파수 및 공진 주파수 양쪽을 제어한다. 상기 주파수는 각 센서의 공진 주파수를 커버하는 주파수 범위 내에서 스위핑된다. 그 후에, 상관기를 이용하여 어느 센서가 개별 공진 주파수 상에서 공진하는지를 정의하거나, 또는 각 센서 회로에 대한 정확한 공진 주파 수를 정의할 수 있다.
도 11a는 수동 유도성 장치로 스킨 접촉을 측정하는 등가 회로를 예시한다. 교류를 상기 1차 코일(L_15, C_15)에 인가하고 상기 임피던스(Z)를 측정함으로써 실제의 스킨 임피던스(R_sk)가 측정된다. 코일 간의 에너지 이동에 의해, 측정 전류는 상기 2차 코일(L_16, C_16)에 유도된다. 2차 임피던스는 스킨-전극 접촉시에 나타나는 실제의 스킨 저항(R_sk) 및 접촉 캐패시턴스(C_contact_1 및 C_contact_2)에 의해 영향받는다. 상기 스킨 저항(R_sk)의 값은 전형적으로 1 KΩ이다. 스킨이 전극과 접촉하게 되는 경우, 그 영향은 스위치 S를 이용하여 상기 2차 코일과 병렬인 임피던스(Z_eq)와 접속할 때와 동일하다. Z_eq의 값은 스킨 저항 및 접촉 캐패시턴스에 의해 결정되고, 그 값은 전형적으로 예를 들어, 200 KΩ이다. 1차 임피던스(Z)를 측정함으로써 상기 2차 임피던스의 변화가 검출될 수 있다.
도 11b는 능동 유도성 장치를 이용하여 스킨 접촉을 측정하는 등가 회로를 예시한다. 상기 장치에는, 탱크 회로로부터의 유도성 결합에 의해 그의 동작 전력을 수신하는 능동 측정 회로(1145)가 존재한다. 상기 회로(1145)는 포인트(1110 및 1112) 사이의 임피던스를 측정하고 상기 유도성 결합을 변조함으로써 측정 값을 전달한다. 상기 변조는 상기 검출기 측으로부터 측정된 임피던스를 변경할 수 있거나, 또는 상기 탱크 회로가 진동하는 주파수를 변경할 수 있다. 주파수를 변동시키기 위해, 회로(C-L_15 및 L_16-C_16)는 넓은 주파수 대역 내에서 진동하도록 설계된다. 또한, 여러 센서를 측정하기 위해 하나의 회로(1145)를 이용할 수 있다. 각 센서로부터의 측정 값은 변조를 이용하여 상기 검출기에 순차적으로 전달될 수 있 다.
이전의 도면에서, 유도성 결합의 사상은 스킨 접촉 측정에 적용된 것으로 설명되었다. 그러나, 유도성 측정에 대한 본 발명의 사상은 스킨 접촉 측정의 실시에 제한되는 것은 아니다; 상기 유도성 장치는 임의 타입의 센서에 에너지를 인가하고 상기 센서의 출력을 측정하는데 이용될 수 있다. 유도성 측정의 발명 사상은 기판을 포함하는 발명 센서 장치에만 이용하는 것으로 제한되지 않는다. 상기 유도성 결합에 의해, 커버 상의 센서와 내부 일렉트로닉스 사이의 어떠한 센서 배선 없이 완전히 밀봉된 커버 구조를 제공할 수 있게 된다.
이하에서, 본 발명에 따른 장치의 전극에 차폐/가딩을 제공하는 소정의 솔루션이 제시된다. 이들 예는 지문 센서에 관한 것이지만, 상기 솔루션은 예를 들어, 스킨 접촉 측정에도 사용될 수 있다.
도 12는 예시적인 센싱 전극(1222) 및 기판(1263) 상의 가드 전극(1228)의 상면 및 단면도를 도시한다. 상기 가드 전극(1228)은 전극 사이에 절연층(1229)을 갖는 센싱 전극(1222) 아래에 위치한다. 본 실시예에서, 상기 가드 전극은 더 큰 표면을 갖는다. 버퍼 증폭기(1285)는 상기 가드 전극을 상기 센서 전극과 동일한 전위로 유지하고, 따라서 상기 센서 전극은 인접 재료나 간섭에 의한 부하를 더 적게 갖는다. 또한, 도 12는 예를 들어, 플라스틱의 재료(1266)를 도시하고, 여기에 센서가 몰딩된다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 전극 장치의 제 1 실시예의 단면도 및 상면도를 도시한다. 본 실시예에서, 센싱 전극(s)은 도전층 상에 유도되고, 상기 전극은 2개의 가드 층(g) 사이에 있다. 이와 같이 하여, 상기 센싱 전극에 대한 효율적인 가딩을 달성할 수 있다. 구동 전극(D)은 상부 도전층 상에 유도된다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명에 따른 전극 장치의 제 2 실시예의 단면도 및 상면도를 도시한다. 본 실시예에서, 센싱 전극(s)은 도전층 상에 유도되고, 상기 전극은 가드 층(g)과 접지된 EMC 층 사이에 있다. 구동 전극(D)은 상부 도전층 상에 유도된다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명에 따른 전극 장치의 제 3 실시예의 단면도 및 상면도를 도시한다. 본 실시예에서, 센싱 전극(s)은 도전층 상에 유도되고, 상기 전극은 2개의 접지된 EMC 층 사이에 있다. 가드는 그 자신의 층을 갖지 않지만, 상기 가드는 상기 센서 및 구동 전극과 동일한 층 상에 유도된다. 이는 상기 가드 전극 배선 및 센싱 전극 배선이 서로 수직인 경우에 가능하다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명에 따른 전극 장치의 제 4 실시예의 상면도 및 단면도를 도시한다. 본 실시예에서, 상기 가딩 및 구동 전극 배선은 상부층 상에, 상기 센싱 전극 배선에 수직으로 되어 있다. 상기 센싱 전극 배선은 상기 2개의 접지된 EMC 층 사이에 유도되고, 따라서 상기 센싱 전극 배선을 위해 동축-타입(coaxial-type) 차폐가 달성된다.
가장 효율적인 가딩을 달성하기 위해, 상기 센싱 전극은 가드 증폭기에 의해 별도로 제어되는 개별 가드를 구비해야 한다. 그러나, 상기 센싱 전극이 종종 타임-멀티플렉싱(time-multiplexed) 방식으로 판독되기 때문에, 하나의 가딩 증폭기를 이용하고 상기 가딩 증폭기를 현재 판독되는 센싱 전극의 가드 전극에 항상 접속하 는 것이 유용할 수 있다. 이동 화소 가딩을 이용할 수도 있다.
상기 가드 전극이 모든 센싱 전극에 공통이면, 상기 가드 전극은 예를 들어, 그라운드(수동 가딩)에, 또는 상기 센싱 전극의 평균 전위에 접속될 수 있다. 예를 들어, 디바이스 커버를 통해 사용자의 손에 구동 전극을 접속함으로써, 간섭을 더 감소시킬 수 있다.
도 17은 플렉시블 기판을 이용하여 본 발명에 따른 장치를 제조하는 예시적인 프로세스를 도시한다. 상기 도면은 관련된 제조 단계가 실행된 후에 제조되는 유닛의 단면을 도시한다. 먼저 단계(11)에서, 폴리이미드 기판을 이용하여 오버레이(overlay)가 제조된다. 또한, 구리를 이용하여 배선이 패터닝된다. 단계(12)에서, 접착제가 도포되고 상기 다이는 상기 오버레이에 본딩된다. 단계(13)에서, 플라스틱 기판이 상기 다이 주변에 몰딩된다. 단계(14)에서, 비아(via)를 뚫고 전기적 접속을 형성하기 위해 금속층이 스퍼터링(sputtering)된다. 마지막으로, 단계(15)는 외부 인터페이스를 제공하기 위한 납땜 볼의 부동화 및 증착을 포함한다.
본 발명은 상술한 실시예를 참조하여 설명되었고, 본 발명의 여러 산업상 장점이 현시되었다. 명백한 사항으로서, 본 발명은 이들 실시예에만 제한되지 않고, 본 발명의 사상 및 다음의 특허청구항의 정신 및 범위 내의 모든 가능한 실시예를 포함한다. 예를 들어, 센서 장치의 발명 사상은 이동 단말에 사용되는 것만으로 제한되지 않고, 여러 다른 소자 및 목적에 적용될 수 있다. 본 발명은 상술한 재료의 이용에만 제한되지 않는다. 유도성 측정의 발명 사상은 또한, 본 발명의 용도의 기판을 갖는 센서 장치가 없는 실시를 포함하는 독립한 발명으로서 고려될 수 있다.

Claims (30)

  1. 적어도 하나의 센서(322, 622, 696)와, 상기 적어도 하나의 센서로부터의 신호 측정을 위한 적어도 하나의 신호 처리 집적 회로(380, 680)와, 그리고 상기 적어도 하나의 센서와 상기 적어도 하나의 신호 처리 집적 회로 사이의 배선(323, 324)을 포함함과 아울러, 상기 배선의 적어도 일부분을 형성하고 상기 적어도 하나의 센서의 기능부로서 기능하도록 배치된 플렉시블 기판을 포함하는 센서 장치에 있어서,
    상기 플렉시블 기판은 센서부와 함께 센서를 형성하는 수단을 포함하고, 상기 플렉시블 기판과 상기 센서부는 갈바닉적으로(galvanically) 분리되고, 상기 플렉시블 기판 및 상기 센서부는 에너지 및 측정 정보를 상기 기판과 상기 센서부 사이에 유도적으로(inductively) 전달하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서부는 수동 회로인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 센서부는 능동 회로를 포함하며, 상기 능동 회로는 상기 전달하는 수단의 일부로서 센서 정보를 측정하고 상기 측정된 센서 정보를 상기 플렉시블 기판에 유도적으로 전달하도록 된 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 센서는 스킨 접촉 센서(skin contact senser)인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 핑거(finger)로부터의 적외선의 흡수를 측정하기 위한 적외선 광원과 적외선 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 적외선 광원 및 상기 적외선 검출기는 핑거 그루브(groove)의 반대 측에 위치하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 주변 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 주변 습도를 감지하기 위한 습도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 압력 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 스킨 접촉 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 플렉시블 기판상에 고정된 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 생체 인식 센서(biometric sensor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 센서 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 센서 장치의 적어도 일부분은 상기 이동 단말의 커버 내에 밀봉되는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
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