KR100940907B1 - 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키 및 그 동작 방법 - Google Patents

저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 터치시 정전용량이 변하는 제1커패시터 및 제2커패시터; 제1커패시터와 제2커패시터 사이에 직렬 연결되는 저항; 제1커패시터와 저항 사이의 노드에 연결되어, 제1커패시터의 방전과 제2커패시터의 충전을 수행하는 제1충방전부; 제2커패시터와 저항 사이의 노드에 연결되어, 제2커패시터의 방전과 제1커패시터의 충전을 수행하는 제2충방전부; 각 커패시터가 각각의 충방전부에 의해 개별 방전되고 다시 충전되는 동안, 각 커패시터 측 전압인 제1충전전압 및 제2충전전압이 각각 제1기준전압 및 제2기준전압에 도달하는 경우 High신호를 출력하는 제1비교기 및 제2비교기; 각 비교기의 출력이 Low신호에서 High신호로 전환되는데 경과한 시간인 제1지연시간 및 제2지연시간을 각각 카운트한 후 양자화하여, 양자화 제1지연시간 및 양자화 제2지연시간을 각각 출력하는 제1카운터 및 제2카운터; 및 양자화 제1지연시간과 양자화 제2지연시간 간의 비율을 연산하는 연산부를 포함하는, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키를 제공한다.
개시된 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키에 따르면, 측정하고자 하는 정전용량 두 개와 두 정전용량 사이의 저항을 이용하여 각 정전용량과 저항의 지연을 각각 측정하고 두 지연의 비율을 이용함에 따라 저항과 클록 주파수 변동에 무관하게 안정적으로 동작 가능한 이점이 있다.

Description

저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키 및 그 동작 방법{Capacitive sensing touch key irrelevant to the resistance and clock frequency and operating method thereof}
본 발명은 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터치시 변하는 정전용량을 측정하여 동작하는, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
정전용량을 이용한 터치키는 손가락이 터치패드에 접근할 때 정전용량이 커지는 것을 센싱하는 것으로, MP3, 휴대폰, TV, 모니터 등의 키패드 및 스위치에 사용되고 있으며, 기계식에 비해 누르는 느낌이 우수하고 새로운 디자인에 적용 가능하여 사용범위가 점차 넓어지고 있다. 인체에는 수분을 많이 포함하고 있어 개념상 가상 접지(Virtual ground)로 볼 수 있으며, 손가락이 도체로 만들어진 터치패드에 접근할 때 정전용량이 커지게 된다.
정전용량을 측정하는 방법은 응용분야에 따라 다양한 방법이 제안되어 사용되고 있다. 정전용량 센싱을 이용해 터치키를 구현하는 방법도 시그마델타 ADC(Analog to Digital Converter)를 이용한 방법과 RC 발진을 이용하는 방법 등 다양한 방법이 사용되고 있다. 시그마델타 ADC를 사용하는 방법은 수 fF까지 정전용량을 측정할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 칩 면적이 많이 소요되고, 새로운 반도체 공정에 적용하기 위해서는 많은 기간이 소요되는 단점이 있다. 또한 CMOS 반도체 공정이 수십 nm로 발전하고 있음에도 불구하고, 시그마델타 ADC와 같은 아날로그 회로는 공정발전만큼 칩 면적이 줄지 않는다는 문제점이 있다.
RC 발진 기법에서는 측정하고자 하는 정전용량 Csensor와 저항 곱에 반비례하는 발진주파수의 신호를 발생하고 이 신호의 주기나 주파수를 측정하여 정전용량을 측정한다. RC 발진을 이용하는 방법은 CMOS 표준셀(standard cell)과 같은 디지털 소자로 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 외부온도, 공급전압, 습도 등 다양한 동작환경 변화에 따라 RC 지연값 및 RC 발진 주파수가 변하여 측정하고자 하는 정전용량의 정확도가 떨어진다는 문제점이 있다. 이 방법을 해결하기 위해 외부에 고정된 기준 정전용량 Cref를 이용하여 이와 같은 문제점을 보정할 수 있다. 그러나, 외부 습도 등에 의해 측정하고자 하는 정전용량 Csensor가 변하는데 반해, 기준정전용량 Cref는 변하지 않고 고정되어 있어, 이를 이용한 정전용량 측정 방식의 터치키에서는 Cref를 결정하기 위해 많은 실험적 데이터가 요구되고 있다. 또한, 기준 정전용량을 추가함으로 인해 비용이 상승되는 문제점이 있다.
기준정전용량을 이용한 정전용량측정 방법의 문제점을 완화시키기 위해 측정 하고자 하는 정전용량 두 개를 한 쌍으로 동작시키는 방법이 있다. 이 방법은 기준정전용량을 이용한 정전용량 측정 측정방법의 문제점을 완화시켰지만 정전용량 사이의 저항값과 동작 클록 주파수가 변할 경우 이에 대한 대책이 필요하다. 실제 제품 생산 시 저항에는 수 %의 오차가 발생할 수 있고, 클록은 원가 절감을 위해 칩 내부의 RC 발진기를 사용하는 경우가 있어 이를 고려할 필요가 있다.
본 발명은, 측정하고자 하는 두 개의 정전용량과 두 정전용량 사이의 저항을 이용하여, 두 정전용량과 저항에 따른 지연의 비를 측정하는 방식을 이용하여 저항과 클록 주파수 변동에 따른 문제를 해결할 수 있는, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키 및 그 동작 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은, 터치시 정전용량이 변하는 제1커패시터 및 제2커패시터; 상기 제1커패시터와 제2커패시터 사이에 직렬 연결되는 저항; 상기 제1커패시터와 상기 저항 사이의 노드에 연결되어, 상기 제1커패시터의 방전과 제2커패시터의 충전을 수행하는 제1충방전부; 상기 제2커패시터와 상기 저항 사이의 노드에 연결되어, 상기 제2커패시터의 방전과 제1커패시터의 충전을 수행하는 제2충방전부; 상기 각 커패시터가 각각의 충방전부에 의해 개별 방전되고 다시 충전되는 동안, 상기 각 커패시터 측 전압인 제1충전전압 및 제2충전전압이 각각 제1기준전압 및 제2기준전압에 도달하는 경우 High신호를 출력하는 제1비교기 및 제2비교기; 각 비교기의 출력이 Low신호에서 High신호로 전환되는데 경과한 시간인 제1지연시간 및 제2지연시간을 각각 카운트한 후 양자화하여, 양자화 제1지연시간 및 양자화 제2지연시간을 각각 출력하는 제1카운터 및 제2카운터; 및 상기 양자화 제1지연시간과 양자화 제2지연시간 간의 비율을 연산하는 연산부를 포함하는, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키를 제공한다.
또한, 상기 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키의 동작 방법에 관한 것으로서, (a) 상기 연산부에서 상기 양자화 제1지연시간 및 상기 양자화 제2지연시간을 각각 m회 측정하는 단계; 및 (b) 상기 연산부에서 상기 양자화 제2지연시간을 상기 양자화 제1지연시간으로 나눈 비의 평균값을 상기 m회에 대해 연산하여, 상기 평균값이 기 설정된 제1 양의 상수보다 큰 경우, 상기 제2커패시터 측의 노드가 터치된 것으로 판단하고, 상기 평균값이 기 설정된 제2 양의 상수보다 작은 경우, 상기 제1커패시터 측의 노드가 터치된 것으로 판단하는 단계를 포함하며 상기 제1 양의 상수는 상기 제2 양의 상수보다 큰 수인, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키의 동작 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키 및 그 동작 방법에 따르면, 측정하고자 하는 정전용량 두 개와 두 정전용량 사이의 저항을 이용하여 각 정전용량과 저항의 지연을 각각 측정하고 두 지연의 비율을 이용함에 따라 저항과 클록 주파수 변동에 무관하게 안정적인 동작이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키의 회로 구성도이고, 도 2는 도 1의 간략 구성도이다. 또한, 도 3은 도 1의 다른 실시예를 나타내는 회로 구성도이고, 도 4는 도 1의 회로 구성도에서 터치키 동작 순서의 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키(100)는 제1커패시터(110), 제2커패시터(120), 제1충방전부(130), 제2충방전부(140), 저항(150), 제1비교기(160), 제2비교기(170), 제1카운터(180), 제2카운터(190) 및 연산부(195)를 포함한다.
상기 제1커패시터(110;Csensor0)와 제2커패시터(120;Csensor1)는 터치시 정전용량이 변하는 부분이다. 상기 저항(150)은 상기 제1커패시터(110)와 제2커패시터(120) 사이에 직렬 연결되어, 각 커패시터(110,120)의 충전 지연요소로 작용한다.
그리고, 상기 제1충방전부(130)는 제1커패시터(110)와 저항(150) 사이의 노드(노드0)에 연결되어, 제1커패시터(110)의 방전과 제2커패시터(120)의 충전을 수행한다. 반대로, 상기 제2충방전부(140)는 제2커패시터(120)와 저항(150) 사이의 노드(노드1)에 연결되어, 제2커패시터(120)의 방전과 제1커패시터(110)의 충전을 수행한다.
더 상세하게는, 상기 제1충방전부(130)는, 제1방전스위치(133;스위치1), 제1충전스위치(132;스위치0) 및 제1전원부(131)를 포함한다. 제1방전스위치(133)는 제1커패시터(110)에 병렬 연결되어 On 동작시 제1커패시터(110)를 방전시킨다. 제1충전스위치(132)는 저항(150)과 제1커패시터(110) 사이의 노드인 노드0에 연결되어, On 동작시 제2커패시터(120)를 충전시킨다. 제1전원부(131)는 제1충전스위치(132)에 연결되어 제2커패시터(120)를 충전시키기 위한 충전용 전압을 제1충전스위치(132)로 제공한다.
그리고, 상기 제2충방전부(140)는, 제2방전스위치(143;스위치3), 제2충전스위치(142;스위치2) 및 제2전원부(141)를 포함한다. 제2방전스위치(143)는 제2커패시터(120)에 병렬 연결되어 On 동작시 제2커패시터(120)를 방전시킨다. 제2충전스위치(142)는 저항(150)과 제2커패시터(120) 사이의 노드인 노드1에 연결되어, On 동작시 제1커패시터(110)를 충전시킨다. 제2전원부(141)는 제2충전스위치(142)에 연결되어 제1커패시터(110)를 충전시키기 위한 충전용 전압을 제2충전스위치(142)로 제공한다.
한편, 상기 제1비교기(160) 및 제2비교기(170)는, 각 커패시터(110,120)가 각각의 충방전부(130,140)에 의해 개별 방전되고 다시 충전되는 동안, 각 커패시터(110,120) 측 전압인 제1충전전압(Vsensor0) 및 제2충전전압(Vsensor1)이 각각 제1기준전압(161;VTH) 및 제2기준전압(171;VTH)에 도달하는 경우 High신호를 각각 출력한다. 이러한 도 5의 제1비교기(160) 및 제2비교기(170)는, 각 커패시터(110,120)로부터 입력받은 각각의 충전전압(Vsensor0, Vsensor1)과, 외부로부터 입력받은 각각의 기준전압(161,171)을 상호 비교하여 동작되는 OP앰프 형태를 가진다.
이러한, 각 비교기(160,170)의 동작을 위해서는, 우선 각각의 방전스위치(133,143)를 On시켜, 제1충전전압(Vsensor0) 및 제2충전전압(Vsensor1)을 모두 0V로 초기화한다. 다음으로, 제1충전스위치(132)를 On시키면 제2커패시터(120) 측의 제2충전전압(Vsensor1)이 충전된다. 이때, 제2충전전압(Vsensor1)이 제2기준전압(171;VTH)에 도달하면, 제2비교기(170)는 Vout1을 High신호('1' 신호)로 출력한다. 제2비교기(170)가 High신호를 출력할 때까지의 지연을 측정하면, 저항(150)과 제2커패시터(120)에 따른 지연을 구할 수 있다.
이후에는, 다시 각각의 방전스위치(133,143)를 On시켜 제1충전전압(Vsensor0) 및 제2충전전압(Vsensor1)을 0V로 모두 초기화한다. 그리고, 제2충전스위치(142)를 On시키면 제1커패시터(110) 측의 제1충전전압(Vsensor0)이 충전된다. 이때, 제1충전전압(Vsensor0)이 제1기준전압(161;VTH)에 도달하면, 제1비교기(160)는 Vout0을 High신호('1' 신호)로 출력한다. 제1비교기(160)가 High신호를 출력할 때까지의 지연을 측정하면, 저항(150)과 제1커패시터(110)에 따른 지연을 구할 수 있다.
이와 관련하여, 상기 제1카운터(180) 및 제2카운터(190)는, 각 비교기(160,170)의 출력이 Low신호에서 High신호로 전환되는데 경과한 시간인 제1지연시간(Tsensor0) 및 제2지연시간(Tsensor1)을 각각 카운트한 후 해당 클럭(CLK)을 기준으로 양자화하여, 양자화 제1지연시간(Nsensor0) 및 양자화 제2지연시간(Nsensor1)을 각각 출력한다. 제1지연시간(Tsensor0)은 저항(150)과 제1커패시터(110)에 의한 지연시간이고, 제2지연시간(Tsensor1)은 저항(150)과 제2커패시터(120)에 의한 지연시간이다. 상기 양자화 제1지연시간(Nsensor0) 및 양자화 제2지연시간(Nsensor1)은 각각 수학식 1 및 수학식 2과 같다.
[수학식 1]
Figure 112008062951083-pat00001
[수학식 2]
Figure 112008062951083-pat00002
한편, 연산부(195)는 상기 양자화 제1지연시간(Nsensor0) 및 양자화 제2지연시간(Nsensor1) 간의 비율을 연산한다. 양자화 오차를 무시한 경우, 양자화 제1지연시간(Nsensor0)과 양자화 제2지연시간(Nsensor1) 간의 비율은 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure 112008062951083-pat00003
여기서, 수학식 3에 따른 비율값은 저항(150,R)과 클록 주파수(TCLK와 관련)에 무관한 결과값을 도출함을 알 수 있다. 즉, 양자화 제1지연시간(Nsensor0)과 양자화 제2지연시간(Nsensor1)의 비를 구한 결과값은 저항 R(150), 클록 주파수, VTH 등과 전혀 무관함을 알 수 있다. 즉, 양자화 오차를 무시하면 저항(150)의 오차가 있거나, 동작 중 클록 주파수 및 VTH가 변경되더라도, 측정된 두 양자화된 지연의 비는 변함없음을 알 수 있다. 이러한 연산부(195)는 수학식 3에서 연산된 비율값을 이용하여 노드1 또는 노드0 중 어떠한 노드가 눌러진 것인지 판단 가능하다. 이에 관해서는 추후 더욱 상세히 설명될 예정이다.
이러한 도 1의 방식은 기준 정전용량 없이 측정하고자 하는 두 정전용량의 차이를 구현할 수 있으며, 습도 변화에 의해 Csensor0과 Csensor1이 동시에 영향을 받으므로 습도변화 등의 동작환경 변화에 따른 문제점도 완화시킬 수 있다. 더욱이, 두 지연(Nsensor0, Nsensor1)의 비율을 이용함에 따라, 저항(150)과 클록 주파수의 변화에 무관하게 동작 가능한 이점이 있다.
한편, 이하에서는, 이와 다르게, 양자화 제1지연시간(Nsensor0) 및 양자화 제2지연시간(Nsensor1) 간의 '비율값'이 아닌 그 '차이값'을 연산하여 동작하는 경우를 설명하고자 한다. 이때, 양자화 오차를 무시하면, 양자화 제1지연시간(Nsensor0)과 양자화 제2지연시간(Nsensor1) 간의 차이값은 수학식 a와 같다.
[수학식 a]
Figure 112008062951083-pat00004
상기 수학식 a에서 연산된 차이값을 이용하여 노드1 또는 노드0 중 어떠한 노드가 눌러진 것인지 판단 가능하다. 실제 터치키 구현시 잡음 문제를 완화시키기 위해, 양자화 제1지연시간(Nsensor0)과 양자화 제2지연시간(Nsensor1)을 m번 측정한 후, 그 차이값의 평균값을 이용하여 수학식 b의 함수(FuncG)를 정의할 수 있다.
[수학식 b]
Figure 112008062951083-pat00005
수학식 b에서, FuncG > G1이면 노드1이 눌러진 것이고, FuncG < G0이면 노드0이 눌러진 것으로 판단할 수 있다. 이때, G0, G1는 임의의 상수로서, G1이 G0보다 크며, 모두 실험적 데이터로 설정되는 값이다.
상기 수학식 a와 수학식 b에서 알 수 있듯이, 상기와 같이 두 지연(Nsensor0, Nsensor1)의 비율값(Nsensor1/Nsensor0)이 아닌 차이값(Nsensor1-Nsensor0)을 이용한 경우에는, 저항 R(150)과 클록 주파수가 바뀌는 경우, 수학식 a,b의 값에 변화를 일으킨다. 즉, 저항(150)과 클록 주파수가 바뀌면 FuncG도 함께 변경됨을 알 수 있다. 이와 관련하여, 실제 제품을 양산할 때, 저항(150)의 오차에 의해 제품마다 FuncG가 변하는 문제점이 발생한다. 통상적으로 사용하는 저항은 ±5%의 오차가 있으며, 이로 인해 FuncG 역시 그에 상응하는 오차가 발생하게 되고, 상수 G0, G1의 결정시 이를 고려해야 하는 문제점이 있다. 물론, 클럭의 주파수가 바뀌어도 이와 유사한 문제점이 발생한다. 결과적으로, 이러한 문제는 측정하고자 하는 정전용량의 해상도 저하로 이어지게 된다. 이에 반해, 수학식 3과 같이 두 지연의 비율값(Nsensor1/Nsensor0)을 이용한 경우에는 저항(150)과 클록 주파수에 무관하게 동작 가능한 이점이 있다. 이에 관한 더욱 상세한 설명은 추후 설명하기로 한다.
한편, 도 1의 구성은 디지털 소자를 이용하여 도 3의 형태로 구현 가능하다. 즉, 도 1에서 제1비교기(160)와 기준전압(161;VTH), 그리고 제2비교기(170)와 기준전압(171;VTH)의 구성은 슈미트트리거 입력소자(260,270) 형태로 각각 대체 가능하다. 즉, 슈미트트리거 입력소자(260,270)는, 각각의 커패시터(110,120)로부터 입력받은 각각의 충전전압(Vsensor0, Vsensor1)과, 내장된 각각의 기준전압을 상호 비교하여 동작된다.
또한, 도 1에서 각각의 충전스위치(132,142)와 방전스위치(133,143)는 각각 삼상버퍼(tri-state buffer;232,242)로 대체 가능하다. 그리고, 전원부(131,141)의 충전용 전압과 방전용 영전압을 각각 입력받는 먹스(231,241;MUX)가 더 포함된다.
즉, 도 3의 다른 실시예에 따른 정전용량 센서(200)에서, 제1충방전부(230)는, 제1먹스(231)와 제1삼상버퍼(232)를 포함한다. 제1먹스(231)는 제2커패시터(120)의 충전을 위한 충전용 전압(131)과, 제1커패시터(110)의 방전을 위한 영전압을 각각 입력 신호로 하여, 실렉트(Select) 신호에 의해 두 입력신호 중 하나의 신호를 선택적으로 출력하는 부분이다. 그리고, 제1삼상버퍼(232)는 제1먹스(231)와 제1커패시터(110) 사이에 연결되어, 제1먹스(231)에서 출력되어 입력받은 신호를 이네이블(Enable) 신호에 따라 출력 전달하여, 제1커패시터(110)의 방전 또는 제2커패시터(120)의 충전이 가능하게 한다.
이와 동일한 구조로서, 도 3의 제2충방전부(240)는, 제2먹스(241)와 제2삼상버퍼(242)를 포함한다. 제2먹스(241)는 제1커패시터(110)의 충전을 위한 충전용 전압(141)과, 제2커패시터(120)의 방전을 위한 영전압을 각각 입력 신호로 하여, 실렉트 신호에 의해 두 입력신호 중 하나의 신호를 선택적으로 출력한다. 제2삼상버퍼(242)는 제2먹스(241)와 제2커패시터(120) 사이에 연결되어, 제2먹스(241)에서 출력되어 입력받은 신호를 이네이블 신호에 따라 출력 전달하여, 제2커패시터(120)의 방전 또는 제1커패시터(110)의 충전이 가능하게 한다.
이하에서는, 이상과 같은 구성을 갖는 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키(100)의 동작 방법에 관하여, 도 1 및 도 4을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 상기 연산부(195)에서 양자화 제1지연시간(Nsensor0) 및 양자화 제2지연시간(Nsensor1)을 각각 m회 측정한다. 상기 m회 측정 과정은 아래와 같이 세분화된다.
우선, 각 충방전부(130,140)의 각 방전스위치(133,143)를 이용하여, 각 커패시터(110,120) 측의 충전전압(Vsensor0, Vsensor1)을 모두 0으로 초기화한다(S110). 이후, 저항(150) 및 제2커패시터(120)에 의한 제2지연시간(Tsensor1)을 구하기 위해, 제1충방전부(130)의 제1전원부(131)와 제1충전스위치(132)를 이용하여 제2커패시터(120)를 충전하고, 이때 제2충전전압(Vsensor1)이 제2기준전압(171;VTH)에 도달하면, 제2비교기(170)가 High신호를 출력한다. 그리고, 제2카운터(190)가 상기 제2지연시간(Tsensor1)을 카운트한 후 클럭을 기준으로 양자화하여, 상기 양자화 제2지연시간(Nsensor1)을 출력한다(S120).
다음, 각 충방전부(130,140)의 각 방전스위치(133,143)를 이용하여, 각 커패시터(110,120) 측의 충전전압(Vsensor0, Vsensor1)을 모두 0으로 초기화한다(S130). 이후, 저항(150) 및 제1커패시터(110)에 의한 제1지연시간(Tsensor0)을 구하기 위해, 제2충방전부(140)의 제2전원부(141)와 제2충전스위치(142)를 이용하여 제1커패시터(110)를 충전하고, 이때 제1충전전압(Vsensor0)이 제1기준전압(161;VTH)에 도달하면, 제1비교기(160)가 High신호를 출력한다. 그리고, 제1카운터(180)가 상기 제1지연시간(Tsensor0)을 카운트한 후 클럭을 기준으로 양자화하여, 상기 양자화 제1지연시 간(Nsensor0)을 출력한다(S140).
그리고, 이러한 S110 내지 S140 단계를 m회 반복 수행한다(S150). 이를 통해, 상기 연산부(195)는 양자화 제1지연시간(Nsensor0)과 양자화 제2지연시간(Nsensor1)을 각각 m회 측정 가능하다.
여기서, 상기 연산부(195)는 상기 m회에 대하여, 양자화 제2지연시간(Nsensor1)을 양자화 제1지연시간(Nsensor0)으로 나눈 비율의 평균값을 연산한다(S160). 상기 평균값은 아래의 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure 112008062951083-pat00006
즉, 실제 터치키를 구현할 때 잡음 문제를 완화하기 위해, 양자화 제1지연시간(Nsensor0)과 양자화 제2지연시간(Nsensor1)을 m번 측정한 후, 그 비율의 평균값을 이용하여 수학식 4의 함수(FuncK)를 정의한다. 그리고, 연산부(195)는 상기 평균값(FuncK)이 상기 기 설정된 제1 양의 상수(K1)보다 큰 경우(S170; FuncK > K1), 제2커패시터(120) 측의 노드인 노드1이 터치된 것으로 판단한다(S175). 또한, 상기 연산부(195)는 상기 평균값(FuncK)이 상기 기 설정된 제2 양의 상수(K0)보다 작은 경우(S180; FuncK < K0), 제1커패시터(110) 측의 노드인 노드0이 터치된 것으로 판단한다(S185). 여기서, 제1 양의 상수(K1)는 제2 양의 상수(K0)보다 큰 수이다.
그런데, 수학식 4를 이용할 경우, 나눗셈을 m번 수행해야 하는 문제점이 있다. 매번 측정한 양자화 제1지연시간(Nsensor0) 값의 변동이 크지 않다고 가정할 경우, 수학식 4는 수학식 5의 형태로 근사화 가능하다. 수학식 5와 같이 변경하는 경우, 나눗셈을 한 번 수행해도 되므로 연산을 간소화하고 연산시간을 단축할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112008062951083-pat00007
즉, 수학식 5에서, FuncK > K1이면, 제2커패시터(120) 측의 노드인 노드1이 눌러진 것이고, FuncK < K0이면, 제1커패시터(110) 측의 노드인 노드0이 눌러진 것이다. 상기 K1과 K0은 앞서 상술한 바와 같이, 임의의 양의 상수이고, K1이 K0보다 크며, 두 상수 모두 실험적으로 설정되는 값이다.
한편, 상기한 터치키 동작 방법에 따른 해상도(resolution)와 민감도(sensitivity)를 알아보기로 한다. 이상적인 경우, 즉 잡음이 없을 경우, 매번 양자화 제1지연시간(Nsensor0)과 양자화 제2지연시간(Nsensor1)을 측정하여도 같은 값이 유지되며, 양자화를 무시하면 수학식 5는 수학식 6으로 전개된다.
[수학식 6]
Figure 112008062951083-pat00008
민감도를 측정하기 위하여, 제1커패시터(110;Csensor0)를 고정시키고 제2커패시터(120;Csensor1)를 변화시키면서 상기 FuncK를 측정한다. 이 경우 민감도는 수학식 7로 표현된다.
[수학식 7]
Figure 112008062951083-pat00009
민감도(S)는 측정하려는 정전용량의 변화(
Figure 112008062951083-pat00010
)에 따른 측정함수 FuncK의 변화량(
Figure 112008062951083-pat00011
)을 의미하며, 도 4를 참조하면, FuncK와 정전용량 그래프에서 직선의 기울기에 해당된다.
해상도는 측정할 수 있는 최소 정전용량 변화량을 의미하며, 수학식 7로부터 수학식 8로 표현된다. FuncK는 실험을 통해 측정할 수 있으며, 이의 해상도를 알게 되면 측정하고자 하는 정전용량의 해상도를 수학식 8을 통해 구할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112008062951083-pat00012
이상과 같은 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키(100)에 따 르면, 외부에 추가 기준 정전용량 없이, 측정하고자 하는 두 개의 정전용량을 한 쌍으로 구성하고 두 정전용량과 저항에 따른 지연값의 비를 측정하는 방식을 통해, 동작전압, 온도, 습도와 같은 동작환경변화의 영향을 완화시키고, 저항과 클록 주파수에 무관하게 동작 가능한 이점이 있다. 또한, 상기 정전용량 센서(100)를 디지털 소자를 이용하여 구현할 수 있어, 기존 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 제작 공정을 활용하여 빠른 시간 내에 칩을 제작할 수 있다.
이하에서는, FPGA(Field Programmable Gate Array)를 이용하여 본 발명의 방법을 구현한 결과를 설명하고자 한다. 동작 주파수는 20MHz, 정전용량 사이의 저항(150) 값은 100KΩ으로 하였다. 상기 방법의 정전용량 해상도(Resolution)을 구하기 위해, 제1커패시터(110;Csensor0)에 1pF를 연결한 후, 제2커패시터(120;Csensor1) 값을 1pF~10pF까지 변경하면서, 지연값의 차(Nsensor1-Nsensor0)를 이용한 수학식 b의 FuncG와, 지연값의 비(Nsensor1/Nsensor0)를 이용한 제안된 수학식 5의 FuncK를 각각 구하였다. FuncG와 FuncK에는 파라미터 m이 존재하며, 실험에서는 30이 이용되었다. 또한, 이들 함수를 n(=1,000)번 측정하여 이들의 평균값, 최저값과 최대값을 구하였다.
첫 번째 실험은, 클록의 주파수 변동에 따른 FuncG와 FuncK를 측정하였다. 실험에서는 10MHz와 20MHz 클럭을 사용하였다. 측정값은 표 1과 같으며, n(=1,000)번 측정값의 최대값, 최소값 그리고 평균값을 기록하였다. 이때, 100KΩ 저항을 사용하였다. 표 1은 이러한 클럭 주파수 변화에 따른 FuncG와 FuncK 측정값을 나타낸 다.
[표 1]
Figure 112008062951083-pat00013
표 1을 참조하면, 주파수가 10MHz에서 20MHz로 2배 증가함에 따라, FuncG 값 역시 약 2배로 증가한 것을 알 수 있다. 그러나, 제안된 FuncK 값은 클럭 주파수 변화에도 큰 변화가 없음을 알 수 있다.
두 번째 실험으로, 저항의 변화량에 따른 FuncK 값의 변동성을, 기존 FuncG 값과 비교하기 위해, 100KΩ의 저항과, ±5% 오차가 추가된 저항에 대해 측정하였다. 일반적으로 사용하는 저항은 최대 ±5% 오차가 있으므로, 정전용량 해상도를 계산할 때 이를 고려해야 한다. 이때, 클럭 주파수는 20MHz를 유지하였다.
그 결과는 표 2와 같다. 표 2는 ±5% 저항 변화에 따른 FuncG 값과 FuncK 값의 최대값, 최소값, 그리고 평균값 측정 데이터이다. 여기서, 100KΩ, 105KΩ, 그리고 95KΩ 저항에 대해 각각 FuncG 값과 FuncK 값의 최대값, 최소값, 그리고 평균 값을 구하였다.
표 2의 마지막 테이블과 같이, 이 데이터를 이용하여 R=100KΩ±5KΩ일 때, FuncG 값과 FuncK 값의 최대값, 최소값, 그리고 평균값을 구하였다. 최대값은 95KΩ, 100KΩ, 105KΩ에서 측정한 모든 값 중 최대값을, 최소값은 95KΩ, 100KΩ, 105KΩ에서 측정한 모든 값 중 최소값을 적용하였고, 평균값은 전체 평균값을 적용하였다.
[표 2]
Figure 112008062951083-pat00014
도 5는 표 2에서 R=100KΩ±5KΩ일 때, FuncG 값과 FuncK 값의 평균값을 이용하여 그래프를 도시하고, 각 측정지점에서의 최대값과 최소값을 표시한 것이다. 실선은 평균값을 이어서 만든 것이고, 점선은 커브피팅(curve fitting)에 의해 직선의 식을 구한 것이다.
FuncG와 FuncK의 민감도(Sensitivity)는 도 5의 그래프에서 기울기에 해당되 며, 각각 2.102와 0.0208을 나타내었다. 각 함수의 최대 오차는 [최대값 - 최소값] 중 최대값이며, 표 2에서 FuncG의 최대 오차는, 제2커패시터(120,Csensor1)가 8pF일 때 3.73이 되고, FuncK의 최대 오차는, 제2커패시터(120,Csensor1)가 4pF일 때 0.033이 된다. 그리고, 해상도는 수학식 8에 의해, 최대오차를 민감도로 나눈 것으로서, FuncG의 해상도는 3.73/2.102(=1.78pF)이고, 제안된 FuncK의 해상도는 0.033/0.0208(=1.59pF)이 된다. 즉, FuncK의 경우가 FuncG의 경우에 비해 10.7% 정도 해상도가 향상되었음을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키의 회로 구성도,
도 2는 도 1의 간략 구성도,
도 3은 도 1의 다른 실시예를 나타내는 회로 구성도,
도 4는 도 1의 회로 구성도에서 터치키 동작 순서의 흐름도,
도 5는 R=100KΩ±5KΩ일 때, FuncG와 FuncK의 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
100: 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키
110: 제1커패시터 120: 제2커패시터
130,230: 제1충방전부 131: 제1전원부
132: 제1충전스위치 133: 제1방전스위치
140,240: 제2충방전부 141: 제2전원부
142: 제2충전스위치 143: 제2방전스위치
150: 저항 160,260: 제1비교기
170,270: 제2비교기 180: 제1카운터
190: 제2카운터 195: 연산부
231: 제1먹스 232: 제1삼상버퍼
241: 제2먹스 242: 제2삼상버퍼

Claims (7)

  1. 터치시 정전용량이 변하는 제1커패시터 및 제2커패시터;
    상기 제1커패시터와 제2커패시터 사이에 직렬 연결되는 저항;
    상기 제1커패시터와 상기 저항 사이의 노드에 연결되어, 상기 제1커패시터의 방전과 제2커패시터의 충전을 수행하는 제1충방전부;
    상기 제2커패시터와 상기 저항 사이의 노드에 연결되어, 상기 제2커패시터의 방전과 제1커패시터의 충전을 수행하는 제2충방전부;
    상기 각 커패시터가 각각의 충방전부에 의해 개별 방전되고 다시 충전되는 동안, 상기 각 커패시터 측 전압인 제1충전전압 및 제2충전전압이 각각 제1기준전압 및 제2기준전압에 도달하는 경우 High신호를 출력하는 제1비교기 및 제2비교기;
    각 비교기의 출력이 Low신호에서 High신호로 전환되는데 경과한 시간인 제1지연시간 및 제2지연시간을 각각 카운트한 후 양자화하여, 양자화 제1지연시간 및 양자화 제2지연시간을 각각 출력하는 제1카운터 및 제2카운터; 및
    상기 양자화 제1지연시간과 양자화 제2지연시간 간의 비율을 연산하는 연산부를 포함하는, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1충방전부는,
    상기 제1커패시터에 병렬 연결되어 On 동작시 상기 제1커패시터를 방전시키는 제1방전스위치; 상기 저항과 제1커패시터 사이의 노드에 연결되어, On 동작시 상기 제2커패시터를 충전시키는 제1충전스위치; 및 상기 제1충전스위치에 연결되어 상기 제2커패시터를 충전시키기 위한 충전용 전압을 제공하는 제1전원부를 포함하며,
    상기 제2충방전부는,
    상기 제2커패시터에 병렬 연결되어 On 동작시 상기 제2커패시터를 방전시키는 제2방전스위치; 상기 저항과 상기 제2커패시터 사이의 노드에 연결되어, On 동작시 상기 제1커패시터를 충전시키는 제2충전스위치; 및 상기 제2충전스위치에 연결되어 상기 제1커패시터를 충전시키기 위한 충전용 전압을 제공하는 제2전원부를 포함하는, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제1비교기 및 제2비교기는,
    상기 각 커패시터로부터 입력받은 각각의 충전전압과, 외부로부터 입력받은 각각의 기준전압을 상호 비교하여 동작되는 OP앰프 형태인, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1충방전부는,
    상기 제2커패시터의 충전을 위한 충전용 전압과, 상기 제1커패시터의 방전을 위한 영전압을 각각 입력신호로 하여, 두 입력신호 중 하나를 실렉트(Select) 신호에 따라 선택적으로 출력하는 제1먹스(MUX); 및 상기 제1먹스와 제1커패시터 사이에 연결되고 상기 제1먹스에서 출력되어 입력받은 신호를 이네이블(Enable) 신호에 따라 출력하여, 상기 제1커패시터의 방전 또는 상기 제2커패시터의 충전이 가능하게 하는 제1삼상버퍼를 포함하고,
    상기 제2충방전부는,
    상기 제1커패시터의 충전을 위한 충전용 전압과, 상기 제2커패시터의 방전을 위한 영전압을 각각 입력신호로 하여, 두 입력신호 중 하나를 실렉트(Select) 신호에 따라 선택적으로 출력하는 제2먹스(MUX); 및 상기 제2먹스와 제2커패시터 사이에 연결되고 상기 제2먹스에서 출력되어 입력받은 신호를 이네이블(Enable) 신호에 따라 출력하여, 상기 제2커패시터의 방전 또는 상기 제1커패시터의 충전이 가능하게 하는 제2삼상버퍼를 포함하는, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 제1비교기 및 제2비교기는,
    상기 각 커패시터로부터 입력받은 각각의 충전전압과, 내장된 각각의 기준전압을 상호 비교하여 동작되는 슈미트트리거 형태인, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키의 동작 방법에 관한 것으로서,
    (a) 상기 연산부에서 상기 양자화 제1지연시간 및 상기 양자화 제2지연시간을 각각 m회 측정하는 단계; 및
    (b) 상기 연산부에서 상기 양자화 제2지연시간을 상기 양자화 제1지연시간으로 나눈 비의 평균값을 상기 m회에 대해 연산하여, 상기 평균값이 기 설정된 제1 양의 상수보다 큰 경우, 상기 제2커패시터 측의 노드가 터치된 것으로 판단하고, 상기 평균값이 기 설정된 제2 양의 상수보다 작은 경우, 상기 제1커패시터 측의 노드가 터치된 것으로 판단하는 단계를 포함하며, 상기 제1 양의 상수는 상기 제2 양의 상수보다 큰 수인, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키의 동작 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    (c) 상기 각 충방전부를 이용하여 상기 각 커패시터 측의 충전전압을 모두 0으로 초기화하는 단계;
    (d) 상기 저항 및 상기 제2커패시터에 의한 상기 제2지연시간을 구하기 위해, 상기 제1충방전부를 이용하여 상기 제2커패시터를 충전하고, 상기 제2충전전압이 상기 제2기준전압에 도달하면, 상기 제2비교기가 High신호를 출력하는 단계;
    (e) 상기 제2카운터가 상기 제2지연시간을 카운트한 후 양자화하여 상기 양자화 제2지연시간을 출력하는 단계;
    (f) 상기 각 충방전부를 이용하여 상기 각 커패시터 측의 충전전압을 0으로 다시 초기화하는 단계;
    (g) 상기 저항 및 상기 제1커패시터에 의한 상기 제1지연시간을 구하기 위해, 상기 제2충방전부를 이용하여 상기 제1커패시터를 충전하고, 상기 제1충전전압 이 상기 제1기준전압에 도달하면 상기 제1비교기가 High신호를 출력하는 단계;
    (h) 상기 제1카운터가, 상기 제1지연시간을 카운트한 후 양자화하여 상기 양자화 제1지연시간을 출력하는 단계; 및
    (i) 상기 (c) 단계 내지 (h) 단계를 상기 m회 수행하는 단계를 포함하는, 저항과 클록 주파수에 무관한 정전용량 센싱 터치키의 동작 방법.
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