KR101061165B1 - 전자기적 영향을 반영하기 위한 다양한 비교 회로를 이용하여 다중 물체를 판별하는 검출 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물체에 따른 정전 용량의 변화를 반영할 수 있는 센서를 이용하여 센서에 입력되는 신호와 센서로부터 출력되는 신호를 처리하는 소정 검출 회로를 통하여 센서 주위에 존재하는 정상 물체와 비정상 물체 등 다중 물체를 판별하고 그 다중 물체 중 특성이 다른 비정상 물체의 존재를 용이하게 파악할 수 있는 검출 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 다중 물체를 판별하는 검출 장치는, 근접하는 물체에 대한 정전 용량의 변화를 반영하는 센서를 이용하고, 검출 회로를 통하여 발진 신호원에 기초한 신호를 상기 센서에 입력하고, 상기 센서의 주위에 놓인 복수의 물체들 각각에 대하여 전자기적(electromagnetic) 영향으로 인한 상기 센서에서의 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호를 생성하며, 상기 센서에 입력한 신호와 상기 생성한 신호를 상기 복수의 물체들 각각에 대하여 분석하여 각 물체를 판별하기 위한 파라미터 값을 출력할 수 있다.
다중 물체, 용량성 전자기 검출 회로(Capacitance Electromagnetic Detection Circuit)

Description

전자기적 영향을 반영하기 위한 다양한 비교 회로를 이용하여 다중 물체를 판별하는 검출 장치 및 방법{Multi-Objects Discrimination Detector using Various Comparison Circuits for Reflecting Electromagnetic Effects and Method thereof}
본 발명은 물체를 검출하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 물체에 따른 정전 용량(capacitance)의 변화를 반영할 수 있는 센서를 이용하여 센서에 입력되는 신호와 센서로부터 출력되는 신호를 처리하는 소정 검출 회로를 통하여 센서 주위에 존재하는 정상(normal) 물체와 비정상(abnormal) 물체 등 다중 물체를 판별하고 그 다중 물체 중 특성이 다른 비정상 물체의 존재를 용이하게 파악할 수 있는 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
오늘날 많은 산업 분야에서 정상 물체와 비정상 물체를 판별할 필요성이 대두되고 있다. 예를 들어, 생의학, 자동차, 운송, 측정 툴(tool) 등의 분야에서 특성이나 성질이 다른 물질을 판별하여 다른 경로의 처리를 수행하여야 하는 경우가 많이 발생되고 있다. 좀더 구체적으로 말하면, 금속과 비금속의 혼합물에서 금속 또는 비금속의 구분, 또는 인체 조직 내의 정상 세포와 암세포의 구분 등 정상 물 체와 비정상 물체의 판별을 통하여 연구, 시험, 또는 실생활의 해당 분야에서 많은 편리함을 제공할 것이다.
이와 같은 물체나 물질의 판별을 위하여 다양한 센서나 장치들이 이용되고 있으나, 고가이거나 많은 공간을 차지하는 경우가 대부분이다. SEM(Scanning Electron Microscope: 주사 전자 현미경), TEM(Transmission Electron Microscope: 투과 전자 현미경), CT(Computer Tomography: 컴퓨터단층촬영)나 MRI(Magnetic Resonance Imager: 자기공명영상)와 같이, 전자빔, 방사선, 자기장 등을 이용하여 물체의 표면이나 인체 조직을 분석하는 장치가 그러한 예들이다.
이외에도, 전기장, 자기장 등에 기초한 간단한 센서를 이용하여 물체의 존재 여부 정도의 결과를 생성할 수 있는 장치의 개발에 대한 시도가 이루어지고 있으나, 이러한 정도로는 미흡하고, 간단한 측정 장치에 의하여 다중 물체를 동시에 판별하고 정상 물체들 속에서 비정상 물체를 용이하게 파악할 수 있는 편리한 검출 장치가 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 센서를 다중 물체에 근접시켜서 센서가 각 물체에 대하여 출력하는, 정전 용량의 변화를 반영한 신호를 분석하여 센서 주위에 존재하는 정상(normal) 물체와 비정상(abnormal) 물체 등 다중 물체를 동시에 판별해 낼 수 있는 검출 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은, 위와 같은 센서의 출력들을 처리하는 회로를 제공하고, 해당 회로를 통하여 정상 물체 및 비정상 물체에 대한 각 특성 결과를 토대로 다중 물체 중 특성이 다른 비정상 물체의 존재를 용이하게 파악할 수 있는 검출 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따라 다중 물체를 판별하는 검출 장치는, 근접하는 물체에 대한 정전 용량의 변화를 반영하는 센서; 및 발진 신호원에 기초한 신호를 상기 센서에 입력하고, 상기 센서의 주위에 놓인 복수의 물체들 각각에 대하여 상기 센서에서의 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호를 생성하며, 상기 센서에 입력한 신호와 상기 생성한 신호를 상기 복수의 물체들 각각에 대하여 분석하여 각 물체를 판별하기 위한 파라미터 값을 출력하는 검출 회로를 포함한다.
상기 센서는, 정전 용량의 변화를 감지하기 위한 복수의 감지 전극 라인들, 상기 복수의 감지 전극 라인들의 상부에서 교차하는 복수의 쉴드(shield) 전극 라인들, 및 상기 복수의 쉴드 전극 라인들의 상부에 형성된 접지 전극판을 포함하고, 상기 검출 회로는, 상기 복수의 쉴드 전극 라인들과 상기 복수의 감지 전극 라인들에 연결된 각 회로를 이용하여 상기 발진 신호원에 기초한 신호를 입력하고, 상기 복수의 감지 전극 라인들에 연결된 각 회로로부터 상기 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호를 생성할 수 있다.
상기 복수의 쉴드 전극 라인들과 상기 복수의 감지 전극 라인들에 연결된 각 회로는 상기 정전 용량의 변화에 따른 전류 변화를 측정하기 위한 전압 폴로워 회로를 포함할 수 있다.
상기 검출회로는, 정전 용량의 변화를 감지하기 위한 상기 센서의 복수의 감지 전극 라인들에 상기 발진 신호원에 기초한 신호를 입력하는 전압 폴로워 회로; 상기 복수의 감지 전극 라인들의 상부에서 교차하는 상기 센서의 복수의 쉴드 전극 라인들에 상기 발진 신호원에 기초한 신호를 입력하고, 상기 입력된 신호에 따라 각 물체에 대하여 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호를 생성하는 복수의 전압 폴로워 회로들; 상기 발진 신호원에 연결된 제1 AC/DC 변환기; 상기 복수의 전압 폴로워 회로들의 출력에 연결된 제2 AC/DC 변환기; 상기 제1 AC/DC 변환기의 출력과 제2 AC/DC 변환기의 출력을 비교하는 비교기; 및 상기 비교기의 출력에 따라 상기 파라미터 값을 생성하는 판정부를 포함할 수 있다.
상기 감지 전극 라인들에 연결된 전압 폴로워 회로 및 상기 복수의 쉴드 전극 라인들에 연결된 복수의 전압 폴로워 회로들은, 적어도 OP 앰프 및 저항을 포함할 수 있다.
상기 제1 AC/DC 변환기 및 상기 제2 AC/DC 변환기는, FFT(Fast Fourier Transform) 또는 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용하여 AC 신호의 주파수 증감에 따른 DC 값을 생성할 수 있다.
상기 제1 AC/DC 변환기는, 상기 정전 용량의 변화에 따른 상기 발진 신호원의 전류 변화를 반영한 기준 AC 신호를 생성하고, 상기 기준 AC 신호를 DC 값으로 변환할 수 있다.
상기 제2 AC/DC 변환기는, 제어 신호에 따라 상기 복수의 전압 폴로워 회로들의 출력을 순차 선택하여 선택된 AC 출력을 DC 값으로 변환할 수 있다.
상기 비교기는, 각각의 게이트 단자에 상기 제1 AC/DC 변환기의 출력과 제2 AC/DC 변환기의 출력이 연결된 2개의 NMOSFET들; 각각이 상기 2개의 NMOSFET들의 각 드레인 단자와 제1 전원 사이에 연결되고, 각각의 게이트 단자가 자신의 드레인 단자와 연결되는 2개의 PMOSFET들; 상기 2개의 NMOSFET들의 소스 단자들이 연결된 접점과 제2 전원 사이에 연결되고, 게이트 단자로 일정 DC 전압을 받는 NMOSFET; 상기 제1 전원과 상기 제2 전원 사이에 직렬 연결된 제1 PMOSFET와 제1 커패시터; 및 상기 제1 전원과 상기 제2 전원 사이에 직렬 연결된 제2 PMOSFET와 제2 커패시터를 포함하고, 상기 2개의 NMOSFET들 중 상기 제1 AC/DC 변환기의 출력을 받는 NMOSFET에 연결된 상기 2개의 PMOSFET들 중의 하나의 게이트 단자가 상기 제1 PMOSFET의 게이트 단자에 연결되고, 상기 2개의 NMOSFET들 중 상기 제2 AC/DC 변환기의 출력을 받는 NMOSFET에 연결된 상기 2개의 PMOSFET들 중의 다른 하나의 게이트 단자가 상기 제2 PMOSFET의 게이트 단자에 연결되며, 상기 제2 PMOSFET의 드레인 단자와 상기 제1 PMOSFET의 드레인 단자 사이에서 상기 비교 결과를 출력할 수 있다.
또는, 상기 비교기는, 두 전원 사이에서 직렬 연결된 PMOSFET, NMOSFET, 및 전류원을 포함하고, 상기 PMOSFET 및 상기 NMOSFET의 게이트 단자들이 상기 제1 AC/DC 변환기의 출력과 제2 AC/DC 변환기의 출력에 각각 연결되고, 직렬 연결된 상기 PMOSFET와 상기 NMOSFET 사이의 접점을 통하여 비교 결과를 출력할 수 있다.
또한, 상기 비교기는, 상기 제1 AC/DC 변환기의 출력과 제2 AC/DC 변환기의 출력을 받는 OP 앰프; 및 두 전원 사이에 직렬 연결된 PMOSFET과 전류원을 포함하며, 상기 PMOSFET의 게이트 단자가 상기 OP 앰프의 출력에 연결되고, 직렬 연결된 상기 PMOSFET와 상기 전류원 사이의 접점을 통하여 비교 결과를 출력할 수도 있다.
상기 판정부는, 상기 비교기의 출력에 따라 각 물체에 대응되는 정전 용량 값 또는 주파수 값을 생성할 수 있다.
상기 발진 신호원은, 주파수 15 내지 30 kHz의 사인 파형 또는 삼각 파형일 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 다중 물체를 판별하는 검출 방법은, 근접하는 물체에 대한 정전 용량의 변화를 반영하는 센서를 복수의 물체들에 가까이 접근시키는 단계; 발진 신호원에 기초한 신호를 상기 센서에 입력하는 단계; 상기 입력에 응답하여 상기 복수의 물체들 각각에 대하여 상기 센서에서의 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호를 생성하는 단계; 및 상기 센서에 입력한 신호와 상기 생성한 신호를 상기 복수의 물체들 각각에 대하여 분석하여 각 물체를 판별하기 위한 파라미터 값을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 검출 장치 및 방법에 따르면, 센서를 다중 물체에 근접시켜서 센서가 각 물체에 대하여 출력하는, 정전 용량의 변화를 반영한 신호를 분석함으로써, 센서 주위에 존재하는 정상(normal) 물체와 비정상(abnormal) 물체 등 다중 물체를 동시에 판별해 낼 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 검출 장치 및 방법에 따르면, 위와 같은 센서의 출력들을 처리하는 회로를 제공함으로써, 정상 물체 및 비정상 물체에 대한 각 특성 결과를 출력할 수 있고, 이를 토대로 다중 물체 중 특성이 다른 비정상 물체의 존재를 용이하게 파악할 수 있다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 정전 용량 방식으로 주위에 놓인 다중 물체를 판별하기 위하여 사용되는 센서(10)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 일실시예에 따른 센서(10)의 원리를 설명하기 위하여 도 1의 A-A'의 단면도가 도 2에 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 센서(10)는 정전 용량의 변화를 감지하기 위한 복수의 감지 전극 라인들(11), 복수의 감지 전극 라인들(11)의 상부에서 수직으로 교차하는 복수의 쉴드(shield) 전극 라인들(12), 및 복수의 쉴드 전극 라인들(12)의 상부에 형성된 접지 전극판(13)을 포함한다. 전극들(11, 12, 13)은 Cu, Al 등 전도성 금속막으로 이루어질 수 있으며, 전극들(11, 12, 13) 각 층의 사이에는 일정 유전율을 가지는 층간 절연막이 채워질 수 있다.
이와 같은 구조의 센서(10)는 도 2와 같이 전기장이 가해질 때 근접하는 물 체에 대한 정전 용량의 변화를 반영할 수 있다. 예를 들어, 센서(10)를 물체에 가까이 접근시키고, 센서(10)의 복수의 감지 전극 라인들(11)과 복수의 쉴드 전극 라인들(12)에는 발진 신호원에 기초한 신호(발진 신호)를 입력하여 전기장을 발생시킬 때, 복수의 감지 전극 라인들(11)과 복수의 쉴드 전극 라인들(12)에서 감지되는 정전 용량(capacitance)이 전자기적(electromagnetic) 효과에 의하여 변할 수 있다. 즉, 센서(10)가 물체에 더 가까이 접근될수록 정전 용량의 크기는 점점 더 커지게 되고, 이에 따라 위와 같이 전극들(11, 12)에 가해진 발진 신호의 주파수는 전자기적 효과에 의하여 감소할 수 있다. 여기서 복수의 쉴드 전극 라인들(12)은 복수의 감지 전극 라인들(11)로부터 접지 전극판(13)으로 향하는 전기장의 경로를 차단시킴으로써, 측정 범위(range)와 감도(sensitivity)를 향상시킬 수 있다.
이와 같이 원리에 따라 센서(10)의 주위에 다중 물체, 즉, 복수의 물체들이 놓인 경우에 있어서도, 위와 같이 입력된 발진 신호에 응답하여 해당 물체들 각각에 대하여 센서(10)에서의 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호들을 생성할 수 있다. 본 발명에서는 이와 같이 다중 물체의 각각에 대하여 센서(10)에서의 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호들과 입력한 발진 신호의 차이를 비교 분석함으로써 주위 다중 물체들 각각에 대하여 각 물체를 판별하는데 기초가 되는 파라미터 값, 예를 들어, 주파수 값 또는 정전 용량 값 등을 제공할 수 있도록 하였다.
각 물체의 존재 여부나 거리에 따라서 센서(10)에서 정전 용량이 변화될 수 있지만, 물체의 종류, 예를 들어, 정상 물체(normal object)와 비정상 물 체(abnormal object) 간에도 센서(10)에서 정전 용량은 변화될 수 있다. 이와 같은 정전 용량의 변화를 다중 물체에 대하여 동시에 분석함으로써, 오늘날 생의학, 자동차, 운송, 측정 툴(tool) 등 많은 산업 분야에서 특성이나 성질이 다른 물질을 판별하여 다른 경로의 처리를 수행하여야 하는 경우에 유용하게 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 연구, 시험, 또는 실생활 속에서, 금속과 비금속의 혼합물에서 금속 또는 비금속의 구분, 또는 인체 조직 내의 정상 세포와 암세포의 구분 등 정상 물체와 비정상 물체의 판별이 용이하므로 필요한 분야에 많은 편리함을 제공할 것이다.
이와 같은 다중 물체에 대한 동시 분석을 위한 본 발명의 일실시예에 따른 검출 장치(100)가 도 3에 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 검출 장치(100)는 근접하는 물체에 대한 정전 용량의 변화를 반영하는 도 1과 같은 센서(10)를 포함하며, 센서(10)에 신호를 입출력하고 센서(10)에 의하여 반영된 신호를 분석하여 최종 파라미터 값(각 물체에 대응되는 정전 용량 값 또는 주파수 값 등)을 출력하는 검출 회로, 즉, 용량성 전자기 검출 회로(Capacitance Electromagnetic Detection Circuit)를 포함한다.
이와 같은 검출 회로는, 발진 신호원(110), 전압 폴로워(voltage follower) 회로들(120~150), 제1 AC/DC 변환기(160), 제2 AC/DC 변환기(170), 비교기(comparator)(180), 및 판정부(determination unit)(190)를 포함한다.
발진 신호원(110)은 주파수 15 내지 30 kHz의 사인 파형 또는 삼각 파형의 신호를 생성할 수 있다. 발진 신호원(110)이 생성하는 신호 전압의 진폭은 5 Vpp 이상일 수 있는데, 측정 환경에 따라 1kV, 2kV 등 높은 전압이 요구될 수도 있다. 이와 같은 발진 신호원(110)은 다양한 변경이 필요하므로, 집적에 제외될 수 있고, 검출 회로의 나머지 부분들, 즉, 전압 폴로워 회로들(120~150), 제1 AC/DC 변환기(160), 제2 AC/DC 변환기(170), 비교기(180), 및 판정부(190)는 마이크로프로세서와 같은 하나의 집적 회로 칩으로 구현될 수도 있다. 이와 같은 발진 신호원(110)을 이용하는 본 발명의 일실시예에 따른 검출 회로는 센서(10)의 주위에 놓인 복수의 물체들 각각에 대하여 센서(10)에서의 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호를 생성할 수 있으며, 센서(10)에 입력한 신호와 상기 생성한 신호를 해당 복수의 물체들 각각에 대하여 분석하여 각 물체를 판별하기 위한 파라미터 값, 예를 들어, 각 물체에 대응되는 정전 용량 값 또는 주파수 값을 출력할 수 있다.
도 3과 같이, 전압 폴로워 회로(120)는 센서(10)의 복수의 쉴드 전극 라인들(12)에 공통으로 연결되고 발진 신호원(110)에 기초한 신호를 입력한다. 전압 폴로워 회로들(130~150)은 센서(10)의 복수의 감지 전극 라인들(11a, 11b, 11c)에 하나씩 연결되고, 각각이 발진 신호원(110)에 기초한 신호를 입력한다. 도 3에서, 복수의 감지 전극 라인들(11a, 11b, 11c)과 이에 연결된 전압 폴로워 회로들(130~150)은 3개인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 더 넓은 면적에 산재한 다중 물체를 해석하기 위하여 이들의 개수는 4, 5, 6,...등으로 확장될 수 있다. 또한, 이뿐만 아니라 센서(10)를 2면, 3면, 4면, 5면, 6면 등에 각각 배치하 고, 각 센서에 연결된 도 3과 같은 검출 회로를 연결하여, 공간에 분포하는 다중 물체를 입체적으로 해석함으로써, MRI, CT와 같이 3차원적인 물체 판별 장치로도 확장될 수 있다.
한편, 도 4는 도 3의 전압 폴로워 회로들(120, 130~150)을 구체적으로 나타낸 도면이다. 도 4와 같이, 전압 폴로워 회로들(120, 130~150)은 각각 적어도 OP 앰프(Operational Amplifier)(OPA) 및 저항(R1/R2/R3/R4)을 포함할 수 있다. 저항(R1/R2/R3/R4)은 모두 같은 값일 수도 있으나 측정 환경에 따라 다른 값을 가질 수도 있다.
이와 같은 전압 폴로워 회로들(120, 130~150)은 센서(10)의 해당 전극 라인에 발진 신호원(110)에 기초한 신호를 입력하며, 각각은 각 전극 라인에서 감지되는 정전 용량의 변화에 따른 전류 변화를 측정하기 위하여 사용될 수 있다. 특히, 복수의 감지 전극 라인들(11a, 11b, 11c)에 연결된 전압 폴로워 회로들(130~150)은 각 전극 라인에서 감지되는 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호를 생성할 수 있다.
전압 폴로워 회로들(120, 130~150)에 사인 파형 또는 삼각 파형의 발진 신호를 인가하는 발진 신호원(110)에는 제1 AC/DC 변환기(160)가 연결된다. 전압 폴로워 회로들(130~150)의 출력, 즉, 해당 연결된 전극 라인에서 감지되는 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 출력 신호에는 제2 AC/DC 변환기(170)가 연결된다.
제1 AC/DC 변환기(160)는 소정 회로를 이용하여 쉴드 전극 라인들(12)과 감지 전극 라인들(11a, 11b, 11c)에서의 정전 용량의 변화에 따라 발진 신호원(110) 의 전류 변화를 반영한 기준 AC 신호를 생성할 수 있다. 도 3에는 도시하지 않았지만, 이를 위하여 OP 앰프나 저항들을 이용하여 전류 변화를 전압으로 바꾸어주는 회로가 이용될 수 있다. 제1 AC/DC 변환기(160)는 위와 같이 생성한 기준 AC 신호를 DC 값으로 변환할 수 있다. AC 신호의 주파수 증감에 따른 DC 값으로의 변환에는 FFT(Fast Fourier Transform) 또는 DFT(Discrete Fourier Transform)가 이용될 수 있다. 예를 들어, 위와 같은 알고리즘에 따라 AC 신호의 주파수를 계산할 수 있고, 소정 시간 동안의 펄스의 개수를 카운트하여 정전 용량 또는 그 변화에 대응되는 DC 값(Vn)을 계산할 수 있다.
제2 AC/DC 변환기(170)는 제어 신호(CON)에 따라 전압 폴로워 회로들(130~150)의 출력, 즉, 해당 연결된 전극 라인에서 감지되는 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 출력 신호를 순차 선택하여 선택된 AC 출력을 DC 값(Vp)으로 변환할 수 있다. 이때에도 FFT 또는 DFT와 같은 알고리즘이 이용될 수 있다. 여기서, 제어 신호(CON)는 예를 들어 N비트의 디지털 값일 수 있고, 그 디지털 값에 따라 감지 전극 라인들(11a, 11b, 11c) 각각에 위치한 물체에 대하여 해당 주파수 변동에 대한 DC 값(Vp)이 생성되도록 제어할 수 있다.
비교기(180)는 도 5 내지 도 7과 같은 증폭기 형태를 이용하여 제1 AC/DC 변환기(160)의 출력(Vn)과 제2 AC/DC 변환기(170)의 출력(Vp)을 비교하여 그 비교 결과(Vo)를 출력한다.
먼저, 비교기(180)로서 도 5와 같이 두 전원(VDD, VSS) 사이에서 차동 증폭기(differential amplifier) 형태의 CMOS(Complimentary Metal-Oxide- Semiconductor) 회로가 이용될 수 있다.
도 5와 같이, 차동 증폭기는 각각의 게이트 단자에 제1 AC/DC 변환기 (160)의 출력(Vn)과 제2 AC/DC 변환기(170)의 출력(Vp)이 연결된 2개의 NMOSFET들(N 형Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)(M1, M2), 각각이 2개의 NMOSFET들(M1, M2)의 각 드레인 단자와 제1 전원(VDD) 사이에 연결되고, 각각의 게이트 단자가 자신의 드레인 단자와 연결되는 2개의 PMOSFET들(P 형Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)(M3, M4), 2개의 NMOSFET들(M1, M2)의 소스 단자들이 연결된 접점과 제2 전원(VSS) 사이에 연결되고, 게이트 단자로 일정 DC 전압(Vb)을 받는 NMOSFET, 제1 전원(VDD)과 제2 전원(VSS) 사이에 직렬 연결된 제1 PMOSFET(M6)와 제1 커패시터(C1), 및 제1 전원(VDD)과 제2 전원(VSS) 사이에 직렬 연결된 제2 PMOSFET(M7)와 제2 커패시터(C2)를 포함한다.
여기서, 위의 2개의 NMOSFET들(M1, M2) 중 제1 AC/DC 변환기(160)의 출력(Vn)을 받는 NMOSFET(M1)에 연결된 2개의 PMOSFET들(M3, M4) 중의 하나(M4)의 게이트 단자가 제1 PMOSFET(M6)의 게이트 단자에 연결된다. 또한, 2개의 NMOSFET들(M1, M2) 중 제2 AC/DC 변환기(170)의 출력(Vp)을 받는 NMOSFET(M1)에 연결된 2개의 PMOSFET들(M3, M4) 중의 다른 하나(M3)의 게이트 단자가 제2 PMOSFET(M7)의 게이트 단자에 연결된다. 이에 따라, 제2 PMOSFET(M7)의 드레인 단자와 제1 PMOSFET(M6)의 드레인 단자 사이, 즉, M7의 드레인 단자와 커패시터 C2 사이의 접점(Vo+)과 M6의 드레인 단자와 커패시터 C1 사이의 접점(Vo-) 사이의 전압차, 즉, 차동 출력(differential output)을 비교 결과((Vo+)-(Vo-))로서 출력할 수 있다.
비교기(180)의 다른 예로서, 도 6과 같은 간단한 회로가 이용될 수도 있다. 즉, 비교기(180)는 두 전원(VDD, VSS) 사이에서 직렬 연결된 PMOSFET(P형 MOSFET)(M11), NMOSFET(N형 MOSFET)(M12), 및 전류원(IB)을 포함할 수 있다. 이때, PMOSFET(M11) 및 NMOSFET(M12)의 게이트 단자들이 제2 AC/DC 변환기(160)의 출력(Vp)과 제1 AC/DC 변환기(170)의 출력(Vn)에 각각 연결되고, 직렬 연결된 PMOSFET(M11)와 NMOSFET(M12) 사이의 접점을 통하여 비교 결과(Vo)를 출력할 수 있다.
비교기(180)의 또 다른 예로서, 도 7과 같은 회로가 이용될 수도 있다. 즉, 비교기(180)는 제1 AC/DC 변환기(160)의 출력(Vn)과 제2 AC/DC 변환기(170)의 출력(Vp)을 받는 OP 앰프(OPA), 및 두 전원(VDD, VSS) 사이에 직렬 연결된 PMOSFET(M15)와 전류원(IB)을 포함할 수 있다. 이때, PMOSFET(M15)의 게이트 단자가 OP 앰프(OPA)의 출력에 연결되고, 직렬 연결된 PMOSFET(M15)와 전류원(IB) 사이의 접점을 통하여 비교 결과(Vo)를 출력할 수도 있다.
한편, 판정부(190)는 비교기(180)의 출력(Vo)에 대응되는 파라미터 값을 생성할 수 있다. 즉, 판정부(190)는 비교기(180)의 출력에 따라 다중 물체 각각의 물체에 대응되는 정전 용량 값 또는 주파수 값 등을 생성할 수 있다.
이와 같은 파라미터 값은 오실로스코프나 디지털 신호 분석기 형태의 소형 측정 장치를 통하여 제공될 수 있다. 사용자는 제공되는 파라미터 값을 관찰하면서 정상 물체와 비정상 물체에 대하여 그 값의 차이를 구분할 수 있고, 다중 물체 중 특성이 다른 물체를 파악할 수 있게 된다.
더 나아가, 이와 같은 파라미터 값은 컴퓨터에서 동작하는 소정 어플리케이션에서 수집되어, 해당 물체 고유의 특성을 파악하는 데에도 이용될 수도 있다. 예를 들어, 센서(10)로부터 물체까지의 거리를 측정한 결과가 알려져 있는 경우에, 어플리케이션을 통하여 위와 같이 검출 장치(100)에 의하여 측정한 파라미터 값들에 대하여 해당 물체가 어떠한 종류인지, 예를 들어, 금속, 세포, 폴리머(polymer), 세라믹, 실크, 실리콘 등에 해당하는 여부까지도 파악될 수 있다. 이와 같은 검출 장치(100)의 응용은 물체와의 거리에 대한 많은 파라미터 값들의 분석 결과를 바탕으로 데이터베이스화하는 것에 의하여 이루어질 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 정전 용량 방식 센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 센서의 원리를 설명하기 위한 도 1의 A-A'의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 검출 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 전압 폴로워 회로들을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 차동 출력(differential output)을 생성하는 도 3의 비교기를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 3의 비교기를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도 3의 비교기를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (14)

  1. 근접하는 물체에 대한 정전 용량의 변화를 반영하는 센서; 및
    발진 신호원에 기초한 신호를 상기 센서에 입력하고, 상기 센서의 주위에 놓인 복수의 물체들 각각에 대하여 상기 센서에서의 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호를 생성하며, 상기 센서에 입력한 신호와 상기 생성한 신호를 상기 복수의 물체들 각각에 대하여 분석하여 각 물체를 판별하기 위한 파라미터 값을 출력하는 검출 회로를 포함하고,
    상기 검출회로는,
    정전 용량의 변화를 감지하기 위한 상기 센서의 복수의 감지 전극 라인들에 상기 발진 신호원에 기초한 신호를 입력하는 전압 폴로워 회로;
    상기 복수의 감지 전극 라인들의 상부에서 교차하는 상기 센서의 복수의 쉴드 전극 라인들에 상기 발진 신호원에 기초한 신호를 입력하고, 상기 입력된 신호에 따라 각 물체에 대하여 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호를 생성하는 복수의 전압 폴로워 회로들;
    상기 발진 신호원에 연결된 제1 AC/DC 변환기;
    상기 복수의 전압 폴로워 회로들의 출력에 연결된 제2 AC/DC 변환기;
    상기 제1 AC/DC 변환기의 출력과 제2 AC/DC 변환기의 출력을 비교하는 비교기; 및
    상기 비교기의 출력에 따라 상기 파라미터 값을 생성하는 판정부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서는,
    상기 복수의 쉴드 전극 라인들의 상부에 형성된 접지 전극판을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 감지 전극 라인들에 연결된 전압 폴로워 회로 및 상기 복수의 쉴드 전극 라인들에 연결된 복수의 전압 폴로워 회로들은,
    적어도 OP 앰프 및 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 AC/DC 변환기 및 상기 제2 AC/DC 변환기는,
    FFT(Fast Fourier Transform) 또는 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용하여 AC 신호의 주파수 증감에 따른 DC 값을 생성하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 AC/DC 변환기는,
    상기 정전 용량의 변화에 따른 상기 발진 신호원의 전류 변화를 반영한 기준 AC 신호를 생성하고, 상기 기준 AC 신호를 DC 값으로 변환하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 AC/DC 변환기는,
    제어 신호에 따라 상기 복수의 전압 폴로워 회로들의 출력을 순차 선택하여 선택된 AC 출력을 DC 값으로 변환하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 비교기는,
    각각의 게이트 단자에 상기 제1 AC/DC 변환기의 출력과 제2 AC/DC 변환기의 출력이 연결된 2개의 NMOSFET들;
    각각이 상기 2개의 NMOSFET들의 각 드레인 단자와 제1 전원 사이에 연결되고, 각각의 게이트 단자가 자신의 드레인 단자와 연결되는 2개의 PMOSFET들;
    상기 2개의 NMOSFET들의 소스 단자들이 연결된 접점과 제2 전원 사이에 연결되고, 게이트 단자로 일정 DC 전압을 받는 NMOSFET;
    상기 제1 전원과 상기 제2 전원 사이에 직렬 연결된 제1 PMOSFET와 제1 커패시터; 및
    상기 제1 전원과 상기 제2 전원 사이에 직렬 연결된 제2 PMOSFET와 제2 커패시터를 포함하고,
    상기 2개의 NMOSFET들 중 상기 제1 AC/DC 변환기의 출력을 받는 NMOSFET에 연결된 상기 2개의 PMOSFET들 중의 하나의 게이트 단자가 상기 제1 PMOSFET의 게이트 단자에 연결되고,
    상기 2개의 NMOSFET들 중 상기 제2 AC/DC 변환기의 출력을 받는 NMOSFET에 연결된 상기 2개의 PMOSFET들 중의 다른 하나의 게이트 단자가 상기 제2 PMOSFET의 게이트 단자에 연결되며,
    상기 제2 PMOSFET의 드레인 단자와 상기 제1 PMOSFET의 드레인 단자 사이에서 상기 비교 결과를 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 비교기는,
    두 전원 사이에서 직렬 연결된 PMOSFET, NMOSFET, 및 전류원을 포함하고, 상기 PMOSFET 및 상기 NMOSFET의 게이트 단자들이 상기 제2 AC/DC 변환기의 출력과 제1 AC/DC 변환기의 출력에 각각 연결되고, 직렬 연결된 상기 PMOSFET와 상기 NMOSFET 사이의 접점을 통하여 비교 결과를 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 비교기는,
    상기 제1 AC/DC 변환기의 출력과 제2 AC/DC 변환기의 출력을 받는 OP 앰프; 및
    두 전원 사이에 직렬 연결된 PMOSFET과 전류원을 포함하며,
    상기 PMOSFET의 게이트 단자가 상기 OP 앰프의 출력에 연결되고, 직렬 연결된 상기 PMOSFET와 상기 전류원 사이의 접점을 통하여 비교 결과를 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 판정부는,
    상기 비교기의 출력에 따라 각 물체에 대응되는 정전 용량 값 또는 주파수 값을 생성하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 발진 신호원은,
    주파수 15 내지 30 kHz의 사인 파형 또는 삼각 파형을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 장치.
  14. 근접하는 물체에 대한 정전 용량의 변화를 반영하는 센서를 복수의 물체들에 가까이 접근시키는 단계;
    전압 폴로워 회로를 이용하여 상기 센서의 복수의 감지 전극 라인들에 발진 신호원에 기초한 신호를 입력하는 단계;
    복수의 전압 폴로워 회로들을 이용하여 상기 복수의 감지 전극 라인들의 상부에서 교차하는 상기 센서의 복수의 쉴드 전극 라인들에 상기 발진 신호원에 기초한 신호를 입력하고, 상기 입력된 신호에 따라 각 물체에 대하여 정전 용량의 변화에 따라 주파수가 달라지는 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 발진 신호원에 연결된 제1 AC/DC 변환기의 출력과 상기 복수의 전압 폴로워 회로들의 출력에 연결된 제2 AC/DC 변환기의 출력을 비교하여, 상기 복수의 물체들을 판별하기 위한 파라미터 값을 출력하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 물체를 판별하는 검출 방법.
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