KR100919212B1

KR100919212B1 - 터치센서의 정전용량 측정회로

Info

Publication number: KR100919212B1
Application number: KR1020070095453A
Authority: KR
Inventors: 한상현; 나도연; 최인준
Original assignee: 주식회사 포인칩스
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2009-09-28
Also published as: KR20090030114A; US20110187389A1; CN101828117A; WO2009038308A1

Abstract

본 발명은 터치센서의 정전용량 측정회로에 관한 것으로, 제 1기준전압과 제 2기준전압을 생성하는 기준전압발생부, 다수의 전극을 통해 입력되는 전극전압 중 입력되는 하나의 전극전압을 선택하는 먹스부, 상기 기준전압발생부에서 생성된 전압과 상기 전극으로부터 입력되는 전극전압을 비교하는 전압비교부, 입력된 전극전압을 제 1기준전압에서 제 2기준전압까지 충전하거나 제 2기준전압에서 제 1기준전압으로 방전시키는 충/방전 회로부, 외부 제어신호를 입력받아 상기 충/방전 회로부에 의해 이루어지는 충전 및 방전시간 그리고 전체 충전과 방전에 소요되는 시간을 각각 측정하고 이에 따른 출력신호를 출력하는 타이머부 및 상기 비교부의 출력신호와 외부 제어신호를 입력받아 상기 충/방전 회로부와 상기 타이머부를 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

터치센서의 정전용량 측정회로{Capacitance measuring circuit for touch sensor}

본 발명은 터치센서의 정전용량 측정회로에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 충전과 방전에 모두 소정의 정전류를 인가하여 시간 측정을 수행함으로써 보다 빠른 시간 내에 해당 전극의 정전용량을 측정할 수 있는 터치센서의 정전용량 측정회로에 관한 것이다.

PAD의 정전용량은 전극(PAD)과 연결된 전기적 소자인 캐패시터(capacitor) 또는 그와 등가를 이루는 물질 또는 인체의 접촉에 의해서 결정된다. 이때 인체의 경우 손가락 또는 신체의 특정 부위를 전극(PAD)에 직접 접촉을 할 경우뿐만 아니라 전극(PAD)에 직접 접촉은 하지 않더라도 PAD와 불특정 거리로 근접하는 것만으로도 전극(PAD)과 인체 사이에는 미세한 정전용량(capacitance) 성분이 형성됨을 알 수 있다.

또한 근접된 신체부위와 전극과의 거리의 변화에 따라 정전용량이 변화되게 되며 이는 전극과 신체와의 거리가 가까울수록 정전용량이 증가되며, 멀어질수록 정전용량이 감소되는 결과로 측정이 된다.

이렇듯 전극과 신체부위와의 거리 변화에 따라 발생하는 정전용량의 변화량을 측정하여 전극과 인체와의 거리를 일정 수준으로 판단할 수 있으며, 이러한 판단의 결과를 이용하여 특정 임계 정전용량의 값을 설정한 후에 전극으로부터 측정된 정전용량 성분이 임계값 보다 크면 스위치가 접촉된 것으로 판단하고 그렇지 않은 경우는 스위치가 비접촉된 것으로 판단한다.

임계값은 터치센서의 Power On시점에서 접촉이 되지 않았을 시의 초기 측정된 값과, 주변 환경에 의해서 변화되는 값을 실험적으로 산출한 후에 그 값을 초기 측정값에 가감하여 결정하는 것이 일반적인 방식이다.

이러한 방식을 통해 반도체로 구현한 제품이 터치센서 IC이다. 현재 터치센서 IC는 기존에 각종 전자제품에 사용되던 기계적 스위치를 대신하여 이미 수많은 전자제품(휴대폰, TV, 세탁기, 에어컨, 전자레인지 등)에 적용되어 사용되고 있다.

그러나 이러한 터치센서 IC에서는 전극과 인체 사이에 형성된 정전용량이 불과 수 pF ~ 수십 pF정도에 불과함으로 인해서 이를 계산하기 위한 방법으로 종래에는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 전기적 스위치(SW)를 이용하여 전극(PAD)을 완전히 그라운드(GND)로 방전시킨 후에 VDD에 연결된 정전류원으로부터 전극과 인체에 의해서 생성된 정전용량의 capacitor(Cpad)성분을 기준전압(Vref)까지 충전되는 데에 소요되는 시간을 고속의 클락(count clock)을 이용한 timer로 측정하여 timer의 값에 의해 정전용량의 값을 측정하였다.

이때 비교기(Comparator)는 기준 전압과(Vref)와 전극에 형성된 정전용량 성분(Cpad)의 충전에 의해서 변화되는 전극의 전압(Vpad)을 비교하는 기능을 수행하며, 그 결과인 OUT신호가 High인 구간에서는 전극을 방전하는데 사용되는 스위치를 제어하는 신호로 사용되며, Low인 구간에서는 고속 clock이 tchar 구간 동안의 시간을 측정하는 timer의 제어 신호로 사용 된다.

이러한 종래의 기술은 정전용량의 측정을 위해 사용되는 고속 clock의 한계에 의해서 방전시에는 tdis의 구간처럼 상대적으로 매우 짧은 시간에 방전을 완료하며, 충전시에는 충분한 timer의 값을 얻기 위해서 매우 작은 전류를 공급하는 전류원(current source)을 사용한다. 이때 일반적으로 전류원으로부터 공급되는 전류의 값은 수백 pA ~ 수 uA 정도의 미세 전류를 사용한다. 도 2에 나타난 바와 같이 충전 전압 특성이 tchar구간에서 선형적으로 증가하는 형태로 나타나는 이유는 정 전류원인 current source를 사용하여 충전하기 때문이다.

이러한 경우 일반적으로 사람의 손가락과 전극 사이에서 얻어지는 정전용량이 수 pF에서 수십 pF정도에 불과 함으로 충전을 하는 전류의 값을 줄일수록 더 많은 충전 시간이 소요되어 보다 많은 timer값을 측정할 수 있어 유리하나, 반면에 충전하는 데에 사용되는 전류가 너무 작으면 외부의 noise신호에 대한 영향과 터치센서 반도체 내부의 기생전류에 의한 영향이 증가하여 충전에 소요되는 시간의 변화량이 noise성분에 의해서 증가 또는 감소되는 경향으로 나타나기 때문에 효율적으로 정전용량을 충전하는데 소요되는 시간을 측정하는데 많은 문제점들이 발생하게 된다.

도 3 및 도 4는 또 다른 종래기술을 이용한 터치센서의 정전용량 측정회로에 관한 것이다. 도시된 바와 같이 전기적 스위치(SW)를 이용하여 전극(PAD)을 완전히 VDD로 충전시킨 후에 그라운드(GND)에 연결된 저항을 통해 전극과 인체에 의해서 생성된 정전용량의 capacitor(Cpad)성분을 기준전압(Vref)까지 방전되는 데에 소요되는 시간을 고속의 클락(count clock)을 이용한timer로 측정하여 timer의 값에 의해 정전용량의 값을 측정하였다.

전극의 capacitance성분을 충전하거나 방전하는 데에 사용되는 신호인 ctl는 전기적 스위치를 ON/OFF하는 제어 신호이다. ctl이 High일 경우에는 스위치가 ON되어 상대적으로 빠른 시간 내에 전극의 capacitance성분을 급속도로 충전하며, 스위치가 OFF된 구간에서는 저항 R에 의해서 전극의 capacitor에 충전된 전하량을 그라운드로 방전하게 된다.

이때 COMP(비교기)는 기준 전압(Vref)과 전극의 방전에 의해서 변화되는 전압(Vpad)을 비교하는 기능을 수행하며, 그 결과인 OUT신호와 ctl의 역상신호인 ctlb신호와의 논리곱(AND)이 되어 출력되는 cnten신호가 High 구간의 시간을 timer로 측정하여 정전용량의 값을 측정한다.

이와 같은 종래기술 또한 정전용량의 측정을 위해 사용되는 고속 clock의 한계에 의해서 급속 충전시에는 tcharg의 구간처럼 상대적으로 매우 짧은 시간에 충전을 완료하며, 방전시에는 충분한 timer의 값을 얻기 위해 R값을 MEGA OHM이상의 상당히 큰 저항을 연결하여 사용한다. 이때 일반적으로 Cpad에 충전된 전하가 저항 R을 통해 방전되는 경우 방전 전류는 수백 pA ~ 수 uA 정도의 미세 전류를 사용한다.

도 4에 도시된 바와 같이 방전 전압 특성이 tdis1, tdis2구간에서 지수함수의 형태로 감소하는 이유는 방전 경로가 저항 R을 통해서 이루어지기 때문에, 일반적인 전기 회로인 R-C회로 방전 특성의 기울기를 지니기 때문이다.

하지만, 위와 같은 종래기술 역시 일반적으로 사람의 손가락과 전극 사이에서 얻어지는 정전용량이 수 pF ~ 수십 pF정도에 불과 함으로 방전을 하는 전류의 값을 줄일수록 더 많은 충전 시간이 소요되어 보다 많은 timer값을 측정할 수 있어 유리하나, 반면에 충전하는 데에 사용되는 전류가 너무 작으면 외부의 Noise신호에 대한 영향과 터치센서 반도체 내부의 기생전류에 의한 영향이 증가하여 충전에 소요되는 시간의 변화량이 noise성분에 의해서 증가 또는 감소되는 경향으로 나타나기 때문에 효율적으로 정전용량을 충전하는데 소요되는 시간을 측정하는데 많은 문제점들이 발생하게 된다.

위와 같은 종래기술을 반도체 IC로 구현하였을 경우 각각 원하는 정전용량의 측정을 위해 사용하는 충전 또는 방전에 사용되는 전류가 이미 설명된 바와 같이 수백 pA ~ 수 uA 수준에 불과하기 때문에 반도체의 특성상 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)상에 구현된 반도체 소자들에 기생하는 기생 저항에 의한 누설전류(leakage current), 온도, 외부 습기, 및 전자기파(전파)성분 등의 동작 환경에 대한 교란성분의 영향에 대한 신호 대 노이즈의 비율을 높일 수가 없음으로 인해 그간 많은 어려움이 있어왔다.

또한 도 2와 도 4에서와 같이 안정된 정전용량의 타이머 값을 얻기 위해 하나의 전극(PAD)의 정전용량의 성분을 방전 또는 충전을 마친 경우에도 tdis[도 2], tcharg[도 4]와 같이 외부 환경에 대한 변화량의 영향을 줄이기 위해 일정 시간 대기한 후에 원하는 소정의 timer값을 얻기 위해 미세 전류를 이용한 충전 또는 방전을 수행 하여야만 하였다.

또한 이러한 충전 및 방전의 timer값이 충분히 얻어지지 않는 경우에 대비해서 다수의 tcycle을 반복하여 수행한 후에 측정된 timer의 값들을 통해 전극의 용량을 계산하기 때문에 각각의 전극에 대해서 소비되는 시간이 많이 들어 많은 수의 PAD를 갖고 각각의 PAD의 정전용량을 순차적으로 측정하는 방식의 터치센서가 필요한 경우 사용자가 원하는 각각의 pin들에 대한 응답 특성을 얻을 수가 없어 이러한 경우는 여러 개의 터치센서 IC들을 사용해야 하는 단점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 터치센서에 있어 신체와 전극간에 형성되는 정전용량의 값이 너무 작아 전극에 형성된 캐패시턴스(capacitance) 성분의 충전 또는 방전 시간의 측정을 위해서 수백 pA ~ 수 uA정도밖에 전류를 사용하지 못해 발생하는 외부 환경에 대한 영향과, 실리콘 기반의 반도체 자체의 누설전류(leakage)특성에 관한 영향을 극소화 하고, 신호 대 노이즈의 비율을 극대화 하여 보다 안정적으로 정전용량을 측정할 수 있는 전기적 회로를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

또한, 충전과 방전에 모두 소정의 정전류를 인가하여 시간 측정을 수행함으로 보다 빠른 시간 내에 해당 전극의 정전용량을 측정할 수 있는 구조를 제공한다.

또한, 충전과 방전에 소요되는 정전류를 전류미러(current mirror)를 이용한 전류원(current source)을 통해 순차적으로 충전시와 방전시에 각각 공급하며 그 전류원의 전류의 값이 종래의 방식에 비해 커지더라도 별도의 소정의 시간 내에는 해당 cycle의 수만 증가할 뿐 정전용량을 측정하는 데에는 동일한 효과를 거둘 수 있어서 신호 대 노이즈의 비율이 월등히 향상됨으로 외부 환경과 반도체 silicon wafer상의 누설 전류에 의한 영향도 극소화 하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제 1기준전압과 제 2기준전압을 생성하는 기준전압발생부, 다수의 전극을 통해 입력되는 전극전압 중 입력되는 하나의 전극전압을 선택하는 먹스부, 상기 기준전압발생부에서 생성된 전압과 상기 전극으로부터 입력되는 전극전압을 비교하는 전압비교부, 입력된 전극전압을 제 1기준전압에서 제 2기준전압까지 충전하거나 제 2기준전압에서 제 1기준전압으로 방전시키는 충/방전 회로부, 외부 제어신호를 입력받아 상기 충/방전 회로부에 의해 이루어지는 충전 및 방전시간 그리고 전체 충전과 방전에 소요되는 시간을 각각 측정하고 이에 따른 출력신호를 출력하는 타이머부 및 상기 비교부의 출력신호와 외부 제어신호를 입력받아 상기 충/방전 회로부와 상기 타이머부를 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 한 특징으로는, 상기 기준전압발생부는, 3개의 저항이 직렬로 연결되고, 선형적 전압으로 제 1기준전압과 제 2기준전압을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 다른 특징으로는, 상기 전압비교부는, 상기 기준전압발생부로부터 제공되는 제 1기준전압을 상기 전극에서 발생된 전극전압과 비교하는 제 2비교기, 상기 기준전압생부로부터 제공되는 제 2기준전압을 상기 전극에서 발생된 전극전압과 비교하는 제 1비교기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 충/방전 회로부는, 기 전극전압을 제 2기준전압까지 충전시켜주기 위한 전류원, 상기 전극전압의 충전 및 방전을 각각 선택하기 위한 스위치부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 전류원은, 일단은 전원전압(VCC)와 연결되고 타단은 NMOS TR(n0)의 드레인단자와 연결되는 저항(R1), 소스단자는 접지단자에 연결되고 드레인단자는 상기 저항의 타단에 연결되는 NMOS TR(n0), 소스단자는 접지단에게 연결되고, 드레인 단자는 PMOS TR(p0)의 드레인단자와 연결되는 NMOS TR(n1) 및 소스단자는 접지단자와 연결되며 드레인단자는 상기 스위치부에 연결되는 PMOS TR(n2):를 포함하고, 상기 NMOS TR(n0)의 게이트단자와 드레인단자 및 상기 NMOS TR(n1)의 게이트단자는 상기 NMOS TR(n2)의 게이트단자와 공통 연결되며, 소스단자는 전원전압(VCC)와 연결되며 드레인단자는 상기 NMOS TR(n1)의 드레인단자와 연결되는 PMOS TR(p0), 소스단자는 전원전압(VCC)와 연결되며 드레인단자는 상기 스위부에연결되는 PMOS TR(p1);를 포함하고, 상기 PMOS TR(p0)의 드레인단자와 게이트단자는 상기 PMOS TR(p1)의 게이트단자와 공통 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 스위치부는, 상기 전극의 충전을 선택하는 제 1스위치, 상기 전극의 방전을 선택하는 제 2스위치;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 스위치부는, 입력단자로 상기 제 2비교기의 출력단자가 연결되는 제 1인버터, 소스단자는 NMOS TR(n3)의 드레인단자와 연결되고, 드레인단자는 상기 NMOS TR(n3)의 소스단자와 연결되며, 게이트단자의 상기 제 1인터버의 출력단자와 연결되는 PMOS TR(p2), 상기 제 1인버터의 출력단자와 상기 NMOS TR(n3)의 게이트단자가 공통 연결되어 구성되고, 상기 PMOS TR(p2)의 소스단자와 NMOS TR(n3)의 드레인단자가 상기 전류원에 연결되는 제 1스위치; 입력단자로 상기 제 1비교기의 출력단자가 연결되는 제 2인버터, 소스단자는 NMOS TR(n4)의 드레인단자와 연결되고, 드레인단자는 상기 NMOS TR(n4)의 소스단자와 연결되며, 게이트단자의 상기 제 2인터버의 출력단자와 연결되는 PMOS TR(p3), 상기 제 1인버터의 출력단자와 상기 NMOS TR(n4)의 게이트단자가 공통 연결되어 구성되고, 상기 PMOS TR(p3)의 소스단자와 NMOS TR(n4)의 드레인단자가 상기 전류원에 연결되는 제 2스위치로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 충전 및 방전 싸이클(cycle)을 1회 이상 연속적으로 수행하여 기존 정전용량에 대한 충전 및 방전 시간대비 변화된 정전용량에 대한 충전 및 방전의 시간차이를 통해 정전용량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 제 1기준전압과 제 2기준전압을 생성하는 기준전압발생부와, 전극으로 입력되는 전극전압을 상기 기준전압발생부에서 발생되는 전압과 비교하는 전압비교부와, 상기 전극으로부터 입력된 전극전압을 상기 제 1기준전압에서 상기 제 2기준전압까지 충전하거나 제 2기준전압에서 제 1기준전압으로 방전시키는 충/방전 회로부를 포함하며, 상기 충/방전 회로부를 통해 충/방전되는 충전시간과 방전시간 및 충/방전 전체시간을 측정하되, 충/방전 싸이클을 다수회 수행되고, 각각의 충/방전 시간과 이에 따른 전체시간을 이용하여 기존 정전용량에 대한 충/방전 시간대비 변화된 정전용량에 대한 충전 및 방전의 누적된 시간차이를 통해 정전용량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 충전 및 방전 전류보다 월등히 많은 전류량을 이용하여 충전 및 방전에 소요되는 시간을 동시에 구하는 과정을 반복 수행함으로써 충전 및 방전 전류의 량에 대해 무관하게 일정 수의 주기 동안의 시간을 타이머 값으로 읽으면 그 정전용량의 변화량이 측정되는 방식을 사용하여 터치센서 내부 및 외부 환경에 대한 영향을 극소화 하였으며, 종래기술과 동일한 clock을 사용할 경우에도 보다 정밀한 정전용량의 측정을 안정적으로 수행할 수 있는 장점이 있다.

도 1 내지 도 4는 종래기술에 따른 터치센서의 구성도 및 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 터치센서의 정전용량 측정회로의 개략도,

도 6은 본 발명에 따른 터치센서의 정전용량 측정회로의 상세도,

도 7은 본 발명에 따른 충/방전 회로부의 상세도,

도 8은 본 발명에 따른 충/방전 회로부의 스위치부에 대한 상세도,

도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 정전용량 측정회로의 충전 및 방전주기를 나타내는 그래프,

도 12는 본 발명에 따른 측정회로의 동작 순서도,

<도면의 주요부호에 대한 부호의 설명>

10 : 기준전압발생부

20 : 비교기

30 : 제어부

40 : 타이머

50 : 충/방전 회로부

60 : 먹스부

70 : 전극

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 터치센서의 정전용량 측정회로에 대한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 터치센서의 정전용량 측정회로의 개략도이다.

본 발명에 따른 터치센서의 정전용량 측정회로는, 제 1기준전압과 제 2기준전압을 발생하는 기준전압발생부(10)와, 사용자가 터치하는 전극(70 ; PAD)이 다수개일 경우 그 중 입력되는 하나의 전극을 선택하는 먹스부(60)와, 상기 기준전압발생부(10)에서 생성된 전압과 상기 전극으로부터 입력되는 전압을 비교하는 비교부(20)와, 상기 전극을 제 1기준전압에서 제 2기준전압으로 충전시키거나, 제 2기준전압에서 제 1기준전압으로 방전시키는 충/방전 회로부(50), 상기 충/방전 회로부에 의한 충전 및 방전시간을 측정하고 이에 따른 출력신호를 출력하는 타이머(40) 및 상기 비교부(20)의 출력신호와 외부 제어신호를 입력받아 상기 충/방전 회로부(50)와 타이머를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 6은 본 발명에 따른 터치센서 정전용량 측정회로의 상세도이다.

기준전압발생부(10)는 제 1내지 제 3저항(11, 12, 13)인 3개의 저항을 직렬로 연결되어 구성되며, 제 1기준전압(Vref_dn)과 제 2기준전압(Vref_up)을 생성한다. 상기 제 1저항(11)의 일단은 전원전압(VDD)과 연결되고 다음으로 제 2저항(12)과 제 3저항(13)이 직렬로 연결되며, 상기 제 3저항의 타단은 그라운드에 연결된다. 제 1저항(11)과 제 2저항(12)의 연결에서 제 2기준전압이 생성되고 제 2저항(12)과 제 3저항(13)의 연결되어 제 1기준전압이 생성된다.

상기 기준전압발생부(10)는 앞서 설명한 구성에 결코 한정되지 않으며, 외부에서 공급받거나, 저항 이외의 구성소자로부터 제 1기준전압과 제 2기준전압을 얻을 수 있다.

여기서 생성된 제 1기준전압과 제 2기준전압은 전극(70)으로부터 입력되는 전압(Vpad)을 비교하여 각각의 출력신호(odn, oup)를 출력하게 된다. 여기서 상기 기준전압발생부(10)의 저항값을 변경하여 기준전압을 변경할 수 있다.

상기 제 1기준전압과 제 2기준전압에 전극전압(Vpad)과 비교하는 것은 비교부(20)에서 수행하게 된다. 상기 비교부(20)는 제 1비교기(21 ; COMP1)와 제 2비교기(22 ; COMP2)로 구성되고, 상기 제 1비교기의 (-)단자는 제 2기준전압과 연결되며, 제 2비교기의 (-)단자는 제 1기준전압과 연결된다. 또한, 각 비교기의 (+)단자는 전극전압(Vpad)와 연결된다. 상기 비교부(20)의 기능은 아래표와 같다.

	비교기	조건	출력값
1	COMP 1	Vref_up>Vpad	Oup = Low
2	COMP 1	Vref_up<Vpad	Oup = High
3	COMP 2	Vref_dn>Vpad	Odn = Low
4	COMP 2	Vref_dn<Vpad	Odn = High

제어부(30)는 상기 비교부(20)에서 출력되는 출력신호(odn, oup)와 외부 제어신호(ctl1)를 입력받아 충/방전 회로부(50)와 타이머(40)를 제어한다.

타이머(40)는 외부 제어신호(CTL3)와 상기 제어부(30) 및 클락(clock)을 받아 전극(70)에 존재하는 정전용량으로부터 상기 충/방전 회로부(50)를 통해 충전 및 방전되는 시간을 측정하고 그에 따른 신호를 출력한다.

도 7은 본 발명에 따른 충/방전 회로부의 상세도이다.

도시된 바와 같이 충/방전 회로부(50)는 일정 전류를 공급하기 위한 전류원(51)과 충전과 방전을 각각 선택하기 위한 스위치부(52)로 구성된다. 상기 전류원(51 ; current source)의 저항(R)은 NMOS TR(n0)의 bias의 전류량을 결정하는 상기 저항(R)으로 R값에 의해 NMOS TR(n0)의 드레인과 소스(GND)사이에 흐르는 전류량이 결정된다. NMOS TR(n1)과 PMOS TR(p0)은 상기 NMOS TR(n0)의 전류를 미러링(mirroring)하기 위한 것이다.

NMOS TR(n2)와 PMOS TR(p1)은 전극전압(Vpad)의 정전용량을 충전하거나 방전하기 위한 것으로 상기 저항(R1)으로부터 결정된 상기 NMOS TR(n0)의 전류와 동일한 량의 전류를 공급하는 기능을 수행한다.

상기 전류원(51)을 좀 더 상세히 설명하면, 상기 저항(R1)의 일단은 전원전압(VCC)와 연결되고 타단은 NMOS TR(n0)의 드레인단자와 연결된다. 상기 NMOS TR(N0)의 소스단자는 접지단자와 연결되고, 게이트단자는 상기 NMOS TR(n1)의 게이트단자와 공통 연결된다. 또한, NMOS TR(n0)의 드레인 단자와 게이트단자는 NMOS TR(n2)의 게이트단자와 공통 연결되며, 상기 NMOS TR(n2)의 소스단자는 접지단자와 연결되고 드레인단자는 후술한 스위치부(52)에 연결된다.

NMOS TR(n1)의 드레인 단자는 PMOS TR(p0)의 드레인단자와 연결되고 소스단자는 접지단자와 연결된다. PMOS TR(p0)의 소스단자는 전원전압(VCC)와 연결되고 게이트단자는 PMOS TR(p1)의 게이트단자와 공통연결되며, 상기 PMOS TR(p1)의 소스단자는 전원전압(VCC)과 연결되며, 드레인단자는 후술한 스위치부(51)와 연결된다. 또한, PMOS TR(p0)의 드레인단자와 게이트단자는 공통 연결된다.

한편, 상기 전류원(51)의 저항(R1)의 값을 변경해 충/방전 전압값을 제어하여 해당 응용제품의 PCB상에 구비된 전극의 면적에 의해 변경되는 정전용량의 값에 대한 시상수의 변화를 조정할 수 있다.

도 8은 충/방전 회로부의 스위치부(52)에 대한 상세도로써, 앞서 설명한 바와 같이 충전과 방전을 각각 선택하기 위한 것으로, 아날로그 스위치 또는 2 to 1 아날로그 스위치 및 인버터로 구성된다. 상기 스위치부(52)는 충전을 선택하는 제 1스위치(52a)와 방전을 선택하는 제 2스위치(52b)로 구성된다.

상기 제 1비교기(COMP1)의 출력신호(oup)는 제 1인버터(int1)의 입력단자와 연결되고 제 2비교기(COMP2)의 출력신호(odn)는 제 2인터버(int2)의 입력단자와 연결된다.

상기 제 1스위치(52a)의 경우 제 1인버터(int1)의 출력단자는 PMOS TR(p2)의 게이트단자와 연결된다. 상기 PMOS TR(p2)의 소스단자는 NMOS TR(n3)의 드레인단자와, 드레인단자는 NMOS TR(n3)의 소스단자와 연결되며, 제 1인버터(int1)의 입력단자는 NMOS TR(n3)의 게이트단자와 연결된다.

또한, PMOS TR(p2)의 소스단자와 NMOS TR(n3)의 드레인단자는 상기 전류원(51)의 PMOS TR(p2)의 드레인단자와 연결된다.

상기 제 2스위치(52b)의 경우 제 2인버터(int2)의 출력단자는 PMOS TR(p3)의 게이트단자와 연결된다. 상기 PMOS TR(p3)의 소스단자는 NMOS TR(n3)의 드레인단자와, 드레인단자는 NMOS TR(n3)의 소스단자와 연결되며, 제 1인버터(int2)의 입력단자는 NMOS TR(n3)의 게이트단자와 연결된다.

한편, PMOS TR(p2) 드레인단자와 연결되는 NMOS TR(n3)의 소스단자는 PMOS TR(p3)의 소스단자와 연결된 NMOS TR(n3)의 드레인단자와 연결된다. 이는 전극전압(Vpad)과 연결되게 된다.

도 9에 도시된 바와 같이 동일한 전극에서 기존의 정전용량대비 인체의 접촉이 발생하여 정전용량이 늘어났을 겨우 C0의 파형에서 C1의 파형으로 Vpad의 전압파형이 변경되게 되며, 1회의 주기를 계산할 경우는 기존 대비 충전과 방전에 소유되는 시간은 dt0이 되며 2회 수행시는 dt1, 3히 수행시는 dt2의 시간적 차이가 발생하며 이러한 차이의 크기는 충/방전 수행 횟수와 비례하여 다음과 같은 관계가 성립한다.

dt2 = dt1 + dt0

dt1 = dt0 * 2

즉, dtN = dt0 * N, N = 충방전 cycle의 실행횟수

따라서 충/방전 수행횟수(cycle number)가 증가할수록 기존 정전용량대비 증가된 정전용량의 충/방전에 소요되는 시간은 비례적으로 증가함을 알 수 있다.

따라서 종래의 방식이 매번 충/방전 cycle에서 충전 또는 방전의 경우에만 고속 타이머로 한번씩 측정하기 때문에 매우 빠른 clock이 필요했다면, 본 발명은 N회 cycle동안의 누적된 시간의 차이를 측정해 낼 수 있기 때문에 그 시간이 늘어난 만큼 매번 측정할 때에 비해서 보다 느린 clock으로 측정이 가능하며, 종래의 방식과 동일한 고속의 clock을 사용할 경우 보다 정밀한 시간측정이 가능할 수 있게 된다. 따라서 전극(70)에 형성된 정전용량을 보다 정밀하게 측정할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서 사용하는 충전 및 방전 전류의 용량을 크게 할 경우 각각의 충전 및 방전에 소요되는 시간이 줄어들게 되고 특정시간 t4_c0과 t4_c1의 시간 동안의 충/방전 cycle의 숫자는 증가된 전류의 량에 비례해서 증가하게 되지만, t4_c0과 t4_c1시간 부근에서 충/방전 cycle이 끝나는 시점의 정전용량 C0과 C1의 차이에 의한 타이머의 값은 전류용량을 크게 하기 이전의 값과 별다른 차이가 없음을 알 수 있다.

따라서 충전 또는 방전 전류가 증가하였음에도 불구하고 기존의 C0와 C1의 정전용량에 의한 충/방전 시간의 상대적인 차이는 짧아진 cycle의 시간만큼 비례해서 cycle 숫자를 늘려 그 차이를 측정할 경우 비교적 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있다.

도 12는 본 발명에 정전용량 측정회로의 동작순서도이다. 도 11을 함께 참조하여 동작순서를 상세히 설명하면, 전극(70)에 존재하는 정전용량의 계산을 위해 충전시간과 방전시간을 측정하기 위해 최초 Vpad는 개방상태(하이 임피던스)로 존재한다(S10).

그 후 외부 제어신호(CTL1)가 들어오면(S20) 제어부(100)에 의해 cdn이 1이 되어 Vpad의 전압이 Vref_dn전압 미만으로 설정되도록 도 11의 (S30)와 같이 방전을 실시한다(S30).

여기서 Vpad 전압을 제 1기준전압인 Vref_dn와 비교(S40)하여 제 1기준전압보다 클 경우 이하로 될 때까지 방전을 실시한다. 방전이 완료되면 다시 Vref_dn까지 충전을 실시한다(S50). 여기서는 Vpad전압과 제 1기준전압을 비교(S60)하여 Vpad 전압이 작을 경우 더 높아질 때까지 충전을 실시한다.

그리고 Vpad전압의 충전 및 제 1기준전압(Vref_dn)과 일치할 경우 이때부터 타이머(40)를 동작시켜 충전시간을 측정한다(S70). 충전을 진행하다가 제 2기준전압(Vref_up) 이상으로 충전이 됐는지 확인하고(S80) 이상으로 충전이 되었으면 충전 완료 및 충전시간 타이머를 종료한다(S90).

제 2기준전압( Vref_up)까지 충전이 완료되면 다음으로 방전을 실시하면서 방전시간측정으로 타이머가 동작하여 방전시간을 측정하게 된다(S100). 방전이 완료되면 제 1기준전압까지 방전이 완료되었는지 제 1기준전압과 Vpad 전압을 비교하고(S110) 제 1기준전압 이하로 방전이 완료되었으면 방전 완료 및 방전시간 측정을 정지한다(S120).

이에 따라 충/방전을 N회만큼 수행하며(S130) 각각의 충전과 방전시간을 측정하여 그 각각의 충전시간들의 충전 타이머 값(tc1, tc2, tc3, ....tcn)과 방전시간들의 방전 타이머 값(td1, td2, td3, ....tdn) 그리고 충전과 방전에 소용된 전체 타이머 값(ta)을 출력한다(S140).

일반적으로 N회 동안 전극(PAD)을 충전과 방전하는데 소요된 시간 ta가 전극의 정전용량을 결정하는 가장 중요한 기준값으로 사용이 되나, 외부환경에 의한 충전 시간과 방전 시간에 따른 상이한 경향이 현실적으로 존재하는 관계로 실제 인체에 의한 접촉의 여부를 판단하기 위해서 충전 타이머 값들과 방전 타이머 값들도 부수적으로 출력되어 터치센서 회로의 논리적 부분에서 외부 인체의 접촉유무에 대한 판단을 돕는 역할을 수행한다.

이와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 반도체 내부에 존재하는 기생전류(leakage current)와 외부 환경에 의한 noise에 비해서 월등히 큰 용량의 전류를 전극의 충전과 방전에 사용할 수 있음으로 인해 보다 안정적이고 정확한 전극의 정전용량을 충전 방전하는데 소요되는 시간을 측정할 수 있으며, 이로 인해 전극의 정전용량의 값과 변화량도 측정이 가능한 이점이 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다.

오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims

제 1기준전압과 제 2기준전압을 생성하는 기준전압발생부;

다수의 전극을 통해 입력되는 전극전압 중 입력되는 하나의 전극전압을 선택하는 먹스부;

상기 기준전압발생부에서 생성된 전압과 상기 전극으로부터 입력되는 전극전압을 비교하는 전압비교부;

상기 전극전압을 제 2기준전압까지 충전시켜주기 위한 전류원; 및 상기 전극전압의 충전 및 방전을 각각 선택하기 위한 스위치부;를 포함하여 입력된 전극전압을 제 1기준전압에서 제 2기준전압까지 충전하거나 제 2기준전압에서 제 1기준전압으로 방전시키는 충/방전 회로부;

외부 제어신호를 입력받아 상기 충/방전 회로부에 의해 이루어지는 충전 및 방전시간 그리고 전체 충전과 방전에 소요되는 시간을 각각 측정하고 이에 따른 출력신호를 출력하는 타이머부; 및

상기 비교부의 출력신호와 외부 제어신호를 입력받아 상기 충/방전 회로부와 상기 타이머부를 제어하는 제어부;를 포함하며,

상기 전류원은, 일단은 전원전압(VCC)와 연결되고 타단은 NMOS TR(n0)의 드레인단자와 연결되는 저항(R1);과 소스단자는 접지단자에 연결되고 드레인단자는 상기 저항의 타단에 연결되는 NMOS TR(n0);와 소스단자는 접지단에게 연결되고, 드레인 단자는 PMOS TR(p0)의 드레인단자와 연결되는 NMOS TR(n1); 및 소스단자는 접지단자와 연결되며 드레인단자는 상기 스위치부에 연결되는 PMOS TR(n2):를 포함하고,

상기 NMOS TR(n0)의 게이트단자와 드레인단자 및 상기 NMOS TR(n1)의 게이트단자는 상기 NMOS TR(n2)의 게이트단자와 공통 연결되며,

소스단자는 전원전압(VCC)와 연결되며 드레인단자는 상기 NMOS TR(n1)의 드레인단자와 연결되는 PMOS TR(p0); 및 소스단자는 전원전압(VCC)와 연결되며 드레인단자는 상기 스위치부에연결되는 PMOS TR(p1);를 포함하고,

상기 PMOS TR(p0)의 드레인단자와 게이트단자는 상기 PMOS TR(p1)의 게이트단자와 공통 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
제 1항에 있어서, 상기 기준전압발생부는,

3개의 저항이 직렬로 연결되고, 선형적 전압으로 제 1기준전압과 제 2기준전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
제 1항에 있어서, 상기 전압비교부는,

상기 기준전압발생부로부터 제공되는 제 1기준전압을 상기 전극에서 발생된 전극전압과 비교하는 제 2비교기; 및

상기 기준전압발생부로부터 제공되는 제 2기준전압을 상기 전극에서 발생된 전극전압과 비교하는 제 1비교기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
삭제
삭제
제 1항에 있어서, 상기 스위치부는,

상기 전극의 충전을 선택하는 제 1스위치; 및

상기 전극의 방전을 선택하는 제 2스위치;로 이루어진 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
제 1항 또는 제 6항에 있어서, 상기 스위치부는,

입력단자로 상기 제 2비교기의 출력단자가 연결되는 제 1인버터; 소스단자는 NMOS TR(n3)의 드레인단자와 연결되고, 드레인단자는 상기 NMOS TR(n3)의 소스단자와 연결되며, 게이트단자의 상기 제 1인터버의 출력단자와 연결되는 PMOS TR(p2); 상기 제 1인버터의 출력단자와 상기 NMOS TR(n3)의 게이트단자가 공통 연결되어 구성되고, 상기 PMOS TR(p2)의 소스단자와 NMOS TR(n3)의 드레인단자가 상기 전류원에 연결되는 제 1스위치; 및

입력단자로 상기 제 1비교기의 출력단자가 연결되는 제 2인버터; 소스단자는 NMOS TR(n4)의 드레인단자와 연결되고, 드레인단자는 상기 NMOS TR(n4)의 소스단자와 연결되며, 게이트단자의 상기 제 2인터버의 출력단자와 연결되는 PMOS TR(p3); 상기 제 1인버터의 출력단자와 상기 NMOS TR(n4)의 게이트단자가 공통 연결되어 구성되고, 상기 PMOS TR(p3)의 소스단자와 NMOS TR(n4)의 드레인단자가 상기 전류원에 연결되는 제 2스위치;로 이루어진 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
제 1항에 있어서,

충전 및 방전 싸이클(cycle)을 1회 이상 연속적으로 수행하여 기존 정전용량에 대한 충전 및 방전 시간대비 변화된 정전용량에 대한 충전 및 방전의 누적된 시간차이를 통해 정전용량을 측정하는 것을 특징으로 하는 터치센서의 정전용량 측정회로.
삭제