KR101015785B1 - 접촉 감지 센서 및 감지 방법 - Google Patents

접촉 감지 센서 및 감지 방법 Download PDF

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Abstract

접촉 감지 센서에 관한 것으로, 특히 접촉 물체의 정전용량을 이용하여 접촉 물체의 접촉 여부를 감지할 수 있는 접촉 감지 센서 및 접촉 감지 방법에 관한 것이다.
접촉 감지 센서는, 클럭 신호를 출력하는 클럭신호 발생기; 클럭 신호를 소정의 비율로 스케일링하여 분주된 클럭 신호를 출력하는 클럭 제어부; 분주된 클럭 신호와 분주된 클럭 신호가 접촉 패드의 정전 용량에 의하여 시간 지연되는 지연 클럭 신호간의 시간 지연에 따라 결정되는 카운터 인에이블 신호를 출력하는 콘트롤 시프팅부; 및 클럭 신호 및 카운터 인에이블 신호를 입력받아 카운터 인에이블 신호가 일정하게 유지되는 동안의 클럭 신호의 클럭수를 카운팅하는 카운터를 구비하고, 카운팅된 클럭수를 통하여 접촉 패드에의 접촉 여부를 감지한다. 즉, 물체가 터치패드에 접속하였을 때 터치패드에 발생하는 임피던스의 변화에 따라 클럭신호의 펄스폭이 변하는 것을 감지한 후, 펄스폭의 지속기간을 카운팅하여 접촉여부를 판별하는 것이다.
접촉, 터치, 센서, 지연, 카운터

Description

접촉 감지 센서 및 감지 방법 {DEVICES AND METHODS FOR DETECTING CONTACT}
본 발명은 접촉 감지 센서에 관한 것으로, 특히 접촉 물체의 정전용량을 이용하여 접촉 물체의 접촉 여부를 감지할 수 있는 접촉 감지 센서 및 접촉 감지 방법에 관한 것이다.
특정 위치에 사람의 손가락 또는 다른 물체가 접촉되었는지 여부를 감지하는 방법으로는, 압력, 정전용량, 온도의 변화 등을 측정하는 방법이 있다. 본원 발명은 열거한 측정방법 중에서 정전용량의 변화를 측정하여 접촉 여부를 판별하는 방법에 관한 것이다. 전자기학적인 관점에서 인체를 큰 정전 용량을 가지는 캐퍼시터로 볼 수 있다. 따라서, 사람의 손 또는 물건 등이 특정 위치에 접촉되면, 그 부분에 정전용량의 변화가 나타나며, 이 정전용량의 변화를 측정함으로써 접촉여부를 감지할 수 있다.
도 1 에서는 접촉 물체의 접촉 여부를 감지하기 위한 종래의 접촉 감지 센서를 도시한다. 도 1 을 참조하면 종래의 접촉 감지 센서는 기준 신호 (ref_sig) 를 발생하는 기준 신호 발생부 (10), 저항 (2) 과 커패시터 (4) 를 구비하여 접촉 패드 (8) 에 물체가 접촉하는지 여부에 상관없이 기준 신호 (ref_sig)를 일정하게 지연시켜 제 1 신호 (sig1) 를 발생하는 제 1 신호 발생부(21), 저항 (6)과 접촉 패드 (8) 을 구비하여 접촉 패드 (8) 에 접촉되는 접촉 물체의 정전용량에 따라 기준 신호 (ref_sig) 를 지연시켜 제 2 신호 (sig2) 를 발생시키는 제 2 신호 발생부 (22), D-플립플롭을 구비하며 제 1 신호의 폴링에지 (falling edge) 에서 제 2 신호 (sig2) 를 래치하여 접촉 신호 (con_sig) 를 발생시키는 접촉 신호 발생부 (30) 와, 접촉 신호 (con_sig) 를 필터링하여 출력하는 필터부 (40) 를 구비한다.
종래의 접촉 감지 회로는 기준 신호인 구형파가 RC 회로를 통과할 때 생기는 신호의 지연을 이용한다. RC 회로를 구성하는 수동소자인 저항 (R) 과 정전 용량 (C) 의 값이 변하게 되면, 이에 의하여 결정되는 시상수값이 변하게 됨으로써, RC 회로의 출력으로 나오는 구형파의 모양 역시 변하게 된다. 시상수의 값이 커질수록 입력되는 구형파에 대한 출력파의 반응 속도가 늦어지므로, 시상수의 값에 의존하는 시간의 지연이 야기되는 것이다.
도 1 의 접촉 감지 센서에서, 접촉 신호 발생부 (30) 는 접촉 패드 (8) 에 접촉 물체가 접촉되어 제 2 신호 (sig2) 의 지연시간이 제 1 신호 (sig1) 의 지연시간보다 커지면 도 2b 에서와 같이 제 1 레벨을 가지는 접촉 신호 (con_sig) 를 발생시키고, 접촉 패드 (8) 에 접촉 물체가 접촉되지 않아서 제 2 신호 (sig2) 의 지연시간이 제 1 신호 (sig1) 의 지연시간보다 작아지면 도 2a 와 같이 제 2 레벨을 가지는 접촉 신호 (con_sig) 를 발생시킨다. 이와 같이, 도 1의 접촉센서는 접촉 물체의 접촉여부에 따라 제 1 신호 (sig1) 와 제 2 신호 (sig2) 의 지연시간차가 변하도록 하는 것이다. 지연 시간 차의 변화에 따른 접촉 신호 (con_sig) 의 레벨 변화를 통하여 접촉 패드로의 접촉 여부를 판단한다.
이에 접촉 패드 (8) 의 접촉 감도가 나쁘거나 접촉 물체의 정전용량이 매우 작은 경우에는 제1 신호 (sig1) 와 제 2 신호 (sig2) 의 지연시간차가 임계치 이상으로 변하지 못해 접촉 감지 센서가 동작하지 않는 경우와 같이, 접촉 감지 센서가 오동작 될 수 있었다. 또한 접촉 감지 센서의 동작 전원 전압, 주변 온도, 및 습도 등과 같은 동작 환경에 따라 제 1 신호 발생부 (21) 및 제 2 신호 발생부 (22) 가 구비하는 회로소자들의 임피던스 값이 변화되고, 이에 따라 제 1 신호 (sig1) 와 제 2 신호 (sig2) 의 지연시간차에 오차가 생길 수도 있었다.
그러나 종래의 접촉 감지 센서는 동작 환경에 따라 제 1 신호 발생부 (21) 및 제 2 신호 발생부 (22) 내에 구비되는 회로소자의 임피던스 값이 변화되어도 이를 교정할 수 있는 수단을 제공하지 못한다. 이에 접촉 감지 센서의 동작 특성이 동작 환경에 따라 불필요하게 변화되고, 최악의 경우에는 오동작까지 되는 문제가 있었다.
즉, 종래 기술에서 도 1 의 제 1 신호 발생부 (21) 은 제 2 신호 발생부 (22) 에 대한 등가 회로로 구현한 것이며, 양자는 모두 아날로그 소자로 구현되므로, 온도, 습도, 동작 전압의 변화에 의해 회로의 동작인 원래 의도에서 벗어나게 되는 경우가 발생한다. 이를 교정하기 위한 부가회로를 통하여, 반복적으로 회로 소자의 값을 교정하는 방법이 있으나, 이것 역시 용이하지 않다.
본 발명은 정전용량 방식을 이용한 효율적인 접촉 센서 기법에 관련된 것이다. 기존의 정전용량방식 기술은 아날로그 회로가 많이 포함되거나 혹은 이와 관련해서 온도, 습도, 동작전압, 센서부의 상태 등의 주변환경에 따른 변화에 의하여 센서가 오동작하는 문제가 있었다. 본 발명은 아날로그 회로를 최소하여, 접촉 감지 센서의 오동작을 최대한 줄이는 것을 과제로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 발명의 구성을 이하 설명하도록 한다.
본 발명의 접촉 감지 센서는, 클럭 신호를 출력하는 클럭 신호 발생기; 클럭 신호를 소정의 제 1 비율로 스케일링하여 분주된 클럭 신호를 출력하는 클럭 제어부; 분주된 클럭 신호와 분주된 클럭 신호가 접촉 패드의 정전 용량에 의하여 시간 지연되는 지연 클럭 신호간의 시간 지연에 따라 결정되는 카운터 인에이블 신호를 출력하는 콘트롤 시프팅부; 및 클럭 신호 및 카운터 인에이블 신호를 입력받아 카운터 인에이블 신호가 일정하게 유지되는 동안의 클럭 신호의 클럭수를 카운팅하는 카운터를 구비하고, 카운팅된 클럭수를 통하여 접촉 패드에의 접촉 여부를 감지하고, 콘트롤 시프팅부는, 분주된 클럭 신호를 접촉 패드의 정전 용량에 의하여 시간 지연시킴으로써 지연 클럭 신호를 출력하는 지연 회로; 및 지연 클럭 신호 및 분주된 클럭 신호를 입력받아 카운터 인에이블 신호로 출력하는 게이트 소자를 구비하고, 콘트롤 시프팅부는, 지연 회로로부터 출력된 지연 클럭 신호를 입력받아 게이 트 소자로 출력하는 슈미트 트리거를 더 구비한다.
본 발명의 접촉 감지 센서는, 바람직하게는, 클럭 신호를 소정의 제 2 비율로 스케일링하여 카운터의 클럭 신호로 출력하는 분주기를 더 구비한다.
본 발명의 접촉 감지 센서는, 바람직하게는,클럭 제어부는, 클럭 신호로부터 분주된 클럭 신호를 출력하는 분주기; 및 클럭 신호 및 분주된 클럭 신호를 입력받아 소정의 주기로 카운터를 리셋시키기 위한 카운터 리셋 신호 및 카운팅된 클럭수를 소정의 주기로 샘플링하기 위한 샘플 인에이블 신호를 출력하는 카운터 제어부를 구비한다.
본 발명의 접촉 감지 센서는, 바람직하게는, 샘플 인에이블 신호의 위상이 카운터 리셋 신호의 위상보다 빠르다.
본 발명의 접촉 감지 센서는, 바람직하게는, 카운팅된 클럭수 및 샘플 인에이블 신호를 입력받아 소정의 주기 동안의 카운팅된 클럭수를 샘플링하는 샘플러를 더 구비한다.
본 발명의 접촉 감지 센서는, 바람직하게는, 접촉 패드에 접촉이 없을 경우의 카운팅된 클럭수와 접촉 패드에 접촉이 있을 경우의 카운팅된 클럭수를 비교함으로서 접촉 감지를 판별한다.
본 발명의 접촉 감지 센서는, 바람직하게는, 게이트 소자는 논리곱 게이트 소자, 논리합 게이트 소자, 배타적 논리합 게이트 소자 및 배타적 논리곱 게이트 소자 중에서 선택된 하나이다.
본 발명의 접촉 감지 센서는, 바람직하게는, 지연 회로는 저항 및 접촉 패드 의 정전 용량을 포함하는 RC 회로이다.
본 발명의 접촉 감지 센서는, 바람직하게는, 콘트롤 시프팅부는, 분주된 클럭 신호를 입력받아 지연 회로의 입력으로 출력하는 버퍼를 더 구비한다.
본 발명의 접촉 감지 센서는, 바람직하게는, 콘트롤 시프팅부로부터 출력되는 카운터 인에이블 신호를 필터링하여 카운터의 카운터 인에이블 신호로 입력하는 전처리 필터를 더 구비한다.
본 발명의 접촉 감지 센서에서, 바람직하게는, 전처리 필터는 슈미트 트리거 (Schmitt trigger) 회로이다.
본 발명의 접촉 감지 센서에서, 바람직하게는, 전처리 필터는 로우 패스 필터 (Low Pass Filter) 회로이다.
본 발명의 접촉 감지 센서에서, 바람직하게는, 전처리 필터는 플립 플롭(Flip Flop) 이고, 플리 플랍은 클럭에 동기화되어 동작한다.
본 발명의 접촉 감지 방법은, 클럭 신호 발생기가 클럭 신호를 출력하는 단계; 클럭을 소정의 제 1 비율로 스케일링하여 분주된 클럭 신호를 출력하는 단계; 분주된 클럭 신호가 접촉 패드의 정전 용량에 의하여 시간 지연되는 제 1 지연 클럭 신호를 출력하는 단계; 제 1 지연 클럭 신호를 슈미트 트리거에 통과시켜 제 2 지연 클럭 신호를 생성하는 단계; 제 2 지연 클럭 신호와 분주된 클럭 신호의 지연 정도에 따라 결정되는 카운터 인에이블 신호를 출력하는 단계; 카운터 인에이블 신호가 일정하게 유지되는 동안의 클럭 신호의 클럭수를 측정하는 단계; 및 카운팅된 클럭수를 통하여 패드에의 접촉 여부를 감지하는 단계를 포함한다.
아날로그 회로의 수동소자의 사용 개수를 줄임으로써, 온도, 습도, 동작전압, 센서부의 상태 등의 주변 환경의 변화에 의하여 접촉 감지 센서가 오동작할 가능성이 줄어든다는 유리한 효과를 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 도면과 함께 설명한다.
도 3a 는 본 발명에 따르는 접촉 감지 센서의 기능 블록도를 나타낸다. 접촉 감지 센서 (390) 는 클럭 신호 (Ref_clk) 를 출력하는 클럭 신호 발생기 (300), 클럭 신호 (Ref_clk) 를 소정의 비율로 스케일링하여 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 를 출력하는 클럭 제어부 (310), 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 와 분주된 클럭 신호가 접촉 패드 (340) 의 정전 용량에 의하여 시간 지연되는 지연 클럭 신호간의 시간 지연에 따라 결정되는 카운터 인에이블 신호 (Cnt_en) 를 출력하는 콘트롤 시프팅부 (320), 및 클럭 신호 (Cnt_clk) 및 카운터 인에이블 신호 (Cnt_en) 를 입력받아 카운터 인에이블 신호 (Cnt_en) 가 일정하게 유지되는 동안의 상기 클럭 신호 (Cnt_clk) 의 클럭수를 카운팅하는 카운터 (330) 를 구비하고, 카운팅된 클럭수 (Cnt_out) 를 통하여 접촉 패드 (340) 에의 접촉 여부를 감지한다.
도 3b 는 도 3a 에 도시된 접촉 감지 센서의 기능을 구현한 일 실시예를 나타내는 도면이다. 도 3b 는 각각의 회로 블록들이 수행하는 기능을 좀 더 구체적으로 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 보호범위는 이하 설명될 각 회로 소자의 명칭에 의하여 제한되지 않는다. 동일한 기능을 갖는 회로의 구성 요소를 구현하 는 다른 방법이 있다는 점은 당업자에게 자명하다.
이하 도 3b 에 도시된 접촉 감지 센서의 구조를 설명한다. 클럭 제어부 (310) 는 클럭 신호로부터 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 를 출력하는 분주기 (400) 및 클럭 신호 (Ref_clk) 및 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 를 입력받아 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 의 주기로 카운터 (330) 를 리셋시키기 위한 카운터 리셋 신호 (Cnt_en) 및 카운팅된 클럭수 (Cnt_out) 를 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 를 주기로 하여 샘플링하기 위한 샘플 인에이블 신호 (Sample_en) 를 출력하는 카운터 제어부 (410) 를 구비한다. 콘트롤 시프팅부 (320) 는 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 를 접촉 패드 (340) 의 정전 용량에 의하여 시간 지연된 지연 클럭 신호 (Ref_en_PAD) 를 출력하고, 저항 (420) 및 접촉 패드 (340) 의 정전 용량을 포함하는 RC 회로로 구성되는 지연회로, 및 지연 클럭 신호 (Ref_en_PAD) 와 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 를 입력받아 카운터 인에이블 신호 (Cnt_en) 로 출력하는 논리곱 게이트 (430) 을 구비한다. 한편, 클럭 신호 (Ref_clk) 의 출력을 일정 비율로 시간축 스케일링하여, 즉 분주시켜, 카운터 (330) 에 분주된 클럭 (Cnt_clk) 을 입력할 수도 있다. 이러한 설계 변경은 본 회로의 목적을 달성하는 한도 내에서 당업자에게 자명하다.
한편, 이하에서는 상술하였던 접촉 감지 센서의 동작을 도 4a 내지 4c 를 참조하여 설명한다.
클럭 신호 발생기에서는 일정한 주기를 갖는 구형파 (펄스파) 를 클럭 신호 (Ref_clk) 로 출력한다. 클럭 신호는 분주기 (400) 를 통하면서, 주파수가 변 한다. 도 4a 에서는 분주비가 16 인 경우를 예로 들었다. 즉, 클럭 신호 (Ref_clk) 가 분주기 (400) 를 통과하면서, 그 주파수가 1/16 이 된다. 분주기 (400) 는 프리스케일러라고 불리기도 하며, 그 구성은 당업자에게 자명하다.
도 4a 는 접촉 패드에 접촉이 없어 RC 지연이 0 인 상태에서의 회로의 동작 타이밍도를 나타낸다. 접촉 패드 (340) 에 접촉이 없고, 접촉 패드 (340) 와 주변 회로 사이에 형성되는 기생 정전 용량(parasitic capacitance)에 기인한 등가 캐피시턴스가 거의 0인 이상적인 상태에서는 RC 회로의 시상수가 거의 0 이 되어, 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 는 지연 없이 논리곱 게이트 (430) 의 입력으로 전달된다.
즉 도 4a 의 (ㄱ) 과 (ㄴ) 에 도시된 바와 같이, 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 와 지연 클럭 신호 (Ref_en) 의 위상이 거의 동일하다. 따라서, 논리곱 게이트 (430) 의 출력인 카운터 인에이블 신호 (Cnt_en) 는 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 와 동일한 주기와 위상으로 변하게 된다. 카운터 인에이블 신호 (Cnt_en) 가 하이인 동안, 카운터로 입력되는 클럭 신호 (Cnt_clk) 의 클럭수를 카운팅하여 카운팅된 클럭수 (Cnt_out) 으로 출력한다. 도 4a 에서는 분주비가 16 이므로, 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 가 클럭 신호 (Ref_clk) 보다 16 배 느리게 변하며, 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 는 구형파로서 그 신호가 하이인 구간이 그 주기의 절반인 8 이 되므로, 카운팅된 클럭수는 (ㄴ) 에서 8 이 된다.
한편, 클럭 제어 생성부 (410) 는 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 를 입력받아 분주된 클럭 신호가 로우 상태가 되면, 일정 시간이 경과한 후에 샘플 인에이블 신 호 (Sample_en) 및 카운터 리셋 신호 (Cnt_clr) 에 하이를 출력한다. 샘플 인에이블 신호 (Sample_en) 는 카운팅된 클럭수 (Cnt_out) 를 패치 (fetch) 하는 순간을 지정하기 위하여 사용되며, 카운터 리셋 신호 (Cnt_clr) 는 카운터를 0 으로 초기화하기 위하여 사용된다. 또한, 카운터는 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 의 주기와 동일한 주기로 초기화된다. 샘플 인에이블 신호 (Sample_en) 는 클럭 리셋 신호 (Cnt_clr) 의 위상보다 빠르거나 같아야만 카운팅되는 클럭수를 제대로 읽을 수 있다.
도 4b 는 접촉은 발생하지 않았으나 패드에 내재하는 등가 캐패시턴스에 의해 야기된 RC 지연이 2 클럭인 상태에서의 회로의 동작 타이밍도를 나타낸다. 이러한 지연이 발생하면, 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 와 지연된 클럭 신호 (Ref_en_pad) 를 입력받아 논리곱 한 후 출력되는 카운팅 인에이블 신호 (Cnt_out) 는 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 보다 짧아진다. 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 와 지연된 클럭 신호 (Ref_en_pad) 가 동시에 하이로 유지되는 구간의 길이가 짧아지기 때문이다. 따라서, 카운팅된 클럭수 (Cnt_out) 는 도 4b 에 예시된 바와 같이 줄어들게 된다.
도 4c 는 도 4b에 도시된 기본 지연이 2 클럭인 구현에서 접촉 패드에 접촉이 발생한 상태에서의 회로의 동작 타이밍도를 나타낸다. 접촉 패드 (340) 에 접촉이 발생할 경우에, 접촉 패드 (340) 의 등가 캐퍼시턴스에 변화가 야기된다. 이러한 정전 용량의 증가는 RC 회로의 시상수를 변화시키게 되어, 그 입력인 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 를 소정의 시간만큼 지연시켜 지연된 클럭 신호 (Ref_en_pad) 를 출력한다. 예를 들면, 도 4b 에서는 두 클럭 만큼 지연된 신호가 출력되었으나 도 4c에서는 세 클럭만큼 지연된 신호가 출력되고 카운터 값은 3 만큼 줄었다. 상술한 구성에서 접촉시 카운터 값이 더 증가하는 결과를 만들고자 할 때에는 카운터 값에 1의 보수를 취하여 사용하면 된다.
본원 발명의 접촉 감지 회로는 상술한 바와 같이 접촉에 의하여 변하는 클럭수 (Cnt_out) 를 통하여 센서에의 접촉 여부를 판단하게 된다. 또한, 본 발명에서 제안된 회로를 이용하여 센서가 동작하는 온도, 습도, 동작전압, 센서부의 상태 등의 주변환경 요인에 따라, 접촉 패드에 접촉이 있을 경우 카운팅된 클럭수의 차이가 1 이상이 되게 설계한다면, 정상적으로 접촉을 감지할 수 있다. 따라서, 경제적인 설계가 가능한 범위 내에서 접촉시 카운팅되는 클럭수의 차이가 가급적 크도록 회로를 구성하면, 안정적으로 접촉을 감지할 수 있을 것이다. 한편, 종래의 접촉 감지 센서는 두 개의 저항과 하나의 캐퍼시턴스를 구비하고 있었으나, 본 발명에 따른 접촉 감지 센서는 하나의 저항만을 아날로그 소자로 가지기 때문에, 주변 환경 요인의 변화에 따라 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
도 5 는 도 3a 에 도시된 접촉 감지 센서의 기능을 구현한 다른 일 실시예를 나타낸다. 콘트롤 시프팅부 (320) 는 분주된 클럭 신호 (Ref_en) 을 입력받아 지연회로로 출력하는 버퍼 (500) 를 더 구비한다. 이러한 버퍼 (500) 를 회로구성으로 도입하는 경우, 버퍼 (500) 의 출력 저항이 0 에 가깝기 때문에, 지연회로의 저항값 (420) 을 설계할 때에 앞 단의 저항을 고려할 필요가 없어져 회로 설 계가 용이해진다.
한편, 논리합 게이트의 출력 (Ref_and) 의 값은 전처리 필터를 통과한 후에 카운터 (330) 의 카운팅 인에이블 신호 (Cnt_en) 로 인가될 수도 있다. 상기 논리합 게이트는 전체 회로의 설계를 고려하여, 논리곱 게이트, 배타적 논리합 게이트, 배타적 논리곱 게이트 및 이들의 조합으로 대체될 수 있으며, 이러한 설계 변경에 대하여 당업자는 용이하게 이해할 수 있다. 도 5 에 도시된 전처리 필터는 슈미트 트리거 (Schmiitt Trigger) 회로 (510) 이다. 이러한 전처리 필터는 접촉 패드 (340) 로부터 발생하는 여러가지 잡음을 제거하는 기능 및 카운팅 인에이블 신호 (Cnt_en) 의 타이밍 오류를 방지하는 기능을 갖는다. 로우 패스 필터 또는 플립플롭 (Flip-Flop) 이 상기 전처리 필터가 될 수도 있다. 카운터 인에이블 신호 (Cnt_en) 가 지연회로와 로직 연산을 거치면서 클럭 신호 (Cnt_clk) 와 비동기적으로 변하게 되는 현상이 발생하게 되는데, 플립플롭을 이용하여 클럭 신호와 카운터 인에이블 신호를 동기화시켜줄 수 있다.
도 6 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 접촉 감지 센서의 회로도를 도시한다. 도 6 에서는 슈미트 트리거가 터치패드 (340) 의 바로 뒤쪽에 위치하여, 터치패드 (340) 의 정전 용량과 저항 (420) 에 의하여 지연된 신호인 Ref_en_PAD 를 입력받는다. 하나의 저항과 하나의 정전용량 (캐퍼시터) 로 구성된 회로는 1 차 RC 회로가 되기 때문에, 스텝 입력 (펄스 입력) 에 대하여 지수함수형태의 응답을 출력하게 된다. 이와 관련하여, 도 4b 의 Ref_en_PAD 의 파형을 관찰하면, (ㄱ) 부근에서 입력 신호 Ref_en 이 로우에서 하이로 변할 때, 1 차 RC 회로의 출 력이 되는 Ref_en_PAD 의 파형은 지수함수의 형태로 완만하게 변하게 된다.
이러한 변화 정도를 수량으로 정량화하기 위하여, 수동소자회로에는 시상수라는 파라미터가 존재한다. 시상수는 회로가 과도상태에서 정상상태로 이행할 때, 정상상태의 63.3% 에 도달할 때까지 걸리는 시간을 의미한다. 도 4b 에서는 Ref_en 신호가 로우에서 하이로 바뀐 순간부터 Ref_en_PAD 가 하이의 63.3% 의 값에 도달하기까지의 시간을 의미한다. 1 차 RC 회로의 시상수는 R*C 이며, 사람의 손이 터치패드 (340) 에 접촉했을 때의 터치패드의 정전용량이 터치가 없을 때의 정전용량보다 크기 때문에, 도 4b 및 4c 에서 알 수 있는 것처럼, 사람의 손이 패드에 접촉했을 때, Ref_en_PAD 신호가 더 완만하게 변하게 된다.
슈미트 트리거 (600) 는 Ref_en_PAD 신호를 입력받아서, 슈미트 트리거 (600) 의 출력이 로우일 때는 입력인 Ref_en_PAD 가 S_high 이상의 값이 되면 출력을 로우에서 하이로 바꾸고, 슈미트 트리거 (600) 의 출력이 하이일 때는 입력인 Ref_en_PAD 가 S_low 이하의 값이 되면 출력을 하이에서 로우로 바꾼다. 따라서, 지수적으로 변하는 Ref_en_PAD 신호를 구형파 모양의 펄스로 바꿔주는 기능을 수행하게 된다.
위의 슈미트 트리거 (600) 가 수행하는 기능에 기초하여 판단할 경우, Ref_en_PAD 신호는 Low 와 High 에서 연속적으로 변하는 값이기 때문에 아날로그 신호라고 볼 수 있으며, 슈미트 트리거 (600) 의 출력은 Low 또는 High 의 두 개의 상태 중에서 하나이기 때문에 디지털 신호로 볼 수 있다. 즉, 슈미트 트리거 (600) 는 아날로그 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환시키는 기능을 수행한다고 볼 수 있다.
슈미트 트리거의 또 다른 기능은 Ref_en_PAD 신호에 인가되는 잡음 신호를 걸러내는 것이다. 즉, 인가된 잡음 신호의 세기가 S_low와 S_high 사이에 위치하는 경우에는 슈미트 트리거의 출력 값이 변하지 않으므로 로우 패스 필터와 같은 효과를 얻게 된다.
도 7 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 접촉 감지 센서의 회로도를 도시한다. 도 6 의 슈미트 트리거를 구비하는 접촉 감지 센서에서, 클럭 신호 (Ref_clk) 을 1/P 로 스케일시켜서 ( 즉, P 배만큼 다운스케일시킴 ), 카운터 (330) 으로 입력시키는 분주기 (700) (또는, 프리 스케일러) 를 더 구비하는 회로이다. 분주기 (700) 을 통과한 신호인 카운터 입력 신호 (Ref_scaled_clk) 의 주파수는 클럭 신호 (Ref_clk) 의 주파수의 1/P 배가 된다. 상기 분주기를 구현할 때에는 P 값이 고정된 값이 아니고 1 과 특정 최대값 사이의 범위에서 설정에 따라 선택되도록 구성한다. 예를 들어 n-비트 분주기라면 P 의 최대값은 2n 이다. 여기서, P 는 정수이다.
이러한 회로 구성은 접촉 패드 (340)의 등가 캐패시턴스와 패드에 접촉하는 물체가 갖는 정전용량의 예상 범위가 매우 넓을 때에도, 고정된 비트 수의 카운터를 가지고 접촉 감지가 가능하게 해준다.
이 경우, 접촉 감지 센서가 어떤 하드웨어 시스템의 일부일 때, 시스템의 기본 클럭을 클럭 신호 (Ref_clk) 로 이용하는 것도 가능하다.
이들 실시예에 대한 다양한 변형물은 당업자에게는 명백하며, 여기에서 한정 된 특유의 원리는 본 발명의 작용을 사용하지 않는 다른 실시예에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명은 도시된 실시예로 한정하기 위한 의도는 없으며, 본 출원에 기재된 원리 및 신규한 특징과 일치하는 가장 넓은 범위에 해당한다.
도 1 은 종래 기술에 의한 접촉 감지 센서를 나타낸다.
도 2a 는 도 1 의 접촉 감지 센서의 접촉 패드에 물체가 접촉되지 않을 경우에 회로의 각 단자에 인가되는 신호의 타이밍도를 나타낸다.
도 2b 는 도 1 의 접촉 감지 센서의 접촉 패드에 물체가 접촉되는 경우에 회로의 각 단자에 인가되는 신호의 타이밍도를 나타낸다.
도 3a 는 본 발명에 따른 접촉 감지 센서의 기능 블록도를 나타낸다.
도 3b 는 도 3a 에 도시된 접촉 감지 센서의 기능을 구현한 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4a 는 접촉 패드에 접촉이 없어 RC 지연이 0 인 상태에서의 회로의 동작 타이밍도를 나타낸다.
도 4b 는 접촉 패드에 접촉이 발생함으로써 야기된 RC 지연이 2 클럭인 상태에서의 회로의 동작 타이밍도를 나타낸다.
도 4c 는 접촉 패드에 접촉이 발생함으로써 야기된 RC 지연이 3 클럭인 상태에서의 회로의 동작 타이밍도를 나타낸다.
도 5 는 도 3a 에 도시된 접촉 감지 센서의 기능을 구현한 다른 일 실시예를 나타낸다.
도 6 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 접촉 감지 센서의 회로도를 도시한다.
도 7 은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 접촉 감지 센서의 회로도를 도시 한다.

Claims (13)

  1. 클럭 신호를 출력하는 클럭 신호 발생기;
    상기 클럭 신호를 소정의 제 1 비율로 스케일링하여 제 1 분주된 클럭 신호를 출력하는 클럭 제어부;
    상기 클럭 신호를 소정의 제 2 비율로 스케일링하여 제 2 분주된 클럭 신호를 출력하는 분주기;
    상기 제 1 분주된 클럭 신호와 상기 제 1 분주된 클럭 신호가 접촉 패드의 정전 용량에 의하여 시간 지연되는 지연 클럭 신호간의 시간 지연에 따라 결정되는 카운터 인에이블 신호를 출력하는 콘트롤 시프팅부; 및
    상기 제 2 분주된 클럭 신호 및 상기 카운터 인에이블 신호를 입력받아 상기 카운터 인에이블 신호가 일정하게 유지되는 동안의 상기 클럭 신호의 클럭수를 카운팅하는 카운터를 구비하고,
    상기 제 2 비율은 상기 제 2 분주된 클럭 신호의 주파수가 상기 클럭 신호의 주파수의 1/P 배가 되도록 하는 비율이고, 상기 분주기가 n-비트 분주기인 경우에 P 값은 1 과 2n 사이이며 (여기서, P 는 정수),
    상기 카운팅된 클럭수를 통하여 상기 접촉 패드에의 접촉 여부를 감지하고,
    상기 콘트롤 시프팅부는, 상기 제 1 분주된 클럭 신호를 상기 접촉 패드의 정전 용량에 의하여 시간 지연시킴으로써 지연 클럭 신호를 출력하는 지연 회로;
    상기 지연 클럭 신호 및 상기 제 1 분주된 클럭 신호를 입력받아 상기 카운터 인에이블 신호로 출력하는 게이트 소자; 및
    상기 콘트롤 시프팅부는, 상기 지연 회로로부터 출력된 상기 지연 클럭 신호를 입력받아 상기 게이트 소자로 출력하는 슈미트 트리거를 구비하는, 접촉 감지 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 클럭 제어부는, 상기 클럭 신호로부터 상기 제 1 분주된 클럭 신호를 출력하는 분주기; 및
    상기 클럭 신호 및 상기 제 1 분주된 클럭 신호를 입력받아 소정의 주기로 상기 카운터를 리셋시키기 위한 카운터 리셋 신호 및 상기 카운팅된 클럭수를 상기 소정의 주기로 샘플링하기 위한 샘플 인에이블 신호를 출력하는 카운터 제어부를 구비하는, 접촉 감지 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 샘플 인에이블 신호의 위상이 상기 카운터 리셋 신호의 위상보다 빠른, 접촉 감지 센서.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 카운팅된 클럭수 및 상기 샘플 인에이블 신호를 입력받아 상기 소정의 주기 동안의 상기 카운팅된 클럭수를 샘플링하는 샘플러를 더 구비하는, 접촉 감지 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 접촉 패드에 접촉이 없을 경우의 상기 카운팅된 클럭수와 상기 접촉 패드에 접촉이 있을 경우의 상기 카운팅된 클럭수를 비교함으로서 상기 접촉 감지를 판별하는, 접촉 감지 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 소자는 논리곱 게이트 소자, 논리합 게이트 소자, 배타적 논리합 게이트 소자 및 배타적 논리곱 게이트 소자 중에서 선택된 하나인, 접촉 감지 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 지연 회로는 저항 및 상기 접촉 패드의 정전 용량을 포함하는 RC 회로인, 접촉 감지 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘트롤 시프팅부는, 상기 제 1 분주된 클럭 신호를 입력받아 상기 지연 회로의 입력으로 출력하는 버퍼를 더 구비하는, 접촉 감지 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘트롤 시프팅부로부터 출력되는 상기 카운터 인에이블 신호를 필터링하여 상기 카운터의 카운터 인에이블 신호로 입력하는 전처리 필터를 더 구비하는, 접촉 감지 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전처리 필터는 로우 패스 필터 (Low Pass Filter) 인, 접촉 감지 센서.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전처리 필터는 플립 플롭(Flip Flop) 이고, 상기 플립 플롭은 상기 클럭에 동기화되어 동작하는, 접촉 감지 센서.
  13. 클럭 신호 발생기가 클럭 신호를 출력하는 단계;
    상기 클럭 신호를 소정의 제 1 비율로 스케일링하여 제 1 분주된 클럭 신호를 출력하는 단계;
    상기 클럭 신호를 소정의 제 2 비율로 스케일링하여 제 2 분주된 클럭 신호를 출력하는 단계;
    상기 제 1 분주된 클럭 신호가 접촉 패드의 정전 용량에 의하여 시간 지연되는 제 1 지연 클럭 신호를 출력하는 단계;
    상기 제 1 지연 클럭 신호를 슈미트 트리거에 통과시켜 제 2 지연 클럭 신호를 생성하는 단계;
    상기 제 2 지연 클럭 신호와 상기 제 1 분주된 클럭 신호의 지연 정도에 따라 결정되는 카운터 인에이블 신호를 출력하는 단계;
    상기 제 2 분주된 클럭 신호 및 상기 카운터 인에이블 신호를 입력받아 상기 카운터 인에이블 신호가 일정하게 유지되는 동안의 상기 클럭 신호의 클럭수를 카운팅하는 단계; 및
    상기 카운팅된 클럭수를 통하여 상기 패드에의 접촉 여부를 감지하는 단계를 포함하며,
    상기 제 2 비율은 상기 제 2 분주된 클럭 신호의 주파수가 상기 클럭 신호의 주파수의 1/P 배가 되도록 하는 비율이고, 제 2 비율로 스케일링하는 분주기가 n-비트 분주기인 경우에 P 값은 1 과 2n 사이인 (여기서, P 는 정수), 접촉 감지 방법.
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