KR101501126B1 - 정전 용량 측정 방법 및 이를 이용한 정전용량센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터치용량 측정 방법, 터치용량센서 및 정전 용량 터치 스위치를 제시한다. 본 발명에서는 스위치드 커패시터를 이용하여 터치패드에 인가되는 터치 커패시터를 충전하는 횟수를 측정함으로써 터치용량을 측정할 수 있는 방법을 적용하였다.
본 발명에 따라 스위치드 커패시터를 이용하는 정전 용량 터치 스위치를 MCU와 함께 제조할 경우 MCU의 동작 주파수를 높이지 않고도 양자화 오차를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

Description

정전 용량 측정 방법 및 이를 이용한 정전용량센서{MEASURING METHOD FOR MEASURING CAPACITANCE AND CAPACITIVE TOUCH SENSOR USING THE SAME}

본 발명은 정전 용량 측정방법 및 이를 이용한 정전용량센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 스위치드 커패시터를 이용하여 측정 정확도를 향상시키는 정전 용량 측정 방법 및 이를 이용한 정전용량센서에 관한 것이다.

종래 전자기기에 널리 사용되던 기계식 버튼 스위치(mechanical button switch)는 정전용량 방식의 정전 터치 스위치(capacitive touch switch)로 대체되고 있다. 정전 터치 스위치는 기계식 버튼 스위치에 비하여 부피를 적게 차지하고 우수한 터치감을 제공하기 때문에 MP3 플레이어, 모바일 폰, TV, 컴퓨터 램프, 벽 스위치 등의 전자제품 또는 건축 부재로서 광범위하게 사용되고 있다.

정전 터치 스위치는 내부에 전극(electrode)을 구비하고, 사용자가 손가락으로 정전 터치 스위치를 터치하면 손가락과 전극 사이의 정전 용량을 측정하여 정전 터치 스위치가 눌러졌는지 여부를 판단한다. 정전 터치 스위치에서 정전 용량을 측정하는 효율적이면서 단순한 방법은 커패시터가 충전되는 동안 양 전극 사이의 전압이 어느 정해진 값 이상으로 되는데 까지 소요되는 상승 시간을 측정하는 방식이다. 정전 용량의 상승 시간은 정전 용량이 크기에 비례하므로 이를 정확하게 측정하는 것은 정전 터치 스위치의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

이러한 상승 시간을 측정하는 방법으로 칩에서 사용하는 시스템 클럭을 사용하여 디지털 카운터로 상승 시간을 측정하는 방식이 있다. 그러나 정전 터치 스위치는 MCU(MicroController Unit)를 기반으로 만들게 되는데 저전력 특성을 유지하기 위해 MCU의 시스템 클럭을 높이기는 어렵다. 따라서 시스템 클럭을 향상시켜 상승 시간을 디지털 카운터로 측정하는 데에는 많은 어려움이 있다.

상승 시간 또는 충방전 시간을 측정하는 것은 임의의 펄스(pulse)의 폭(width)의 듀레이션을 측정하는 것이다. 펄스폭(pulse width)을 측정하는 방법에 대해서는 많은 연구가 이루어졌다. 일반적인 방법은 해당 펄스를 적분한 후 그 전압을 ADC(아날로그/디지털 변환기)를 이용해 디지털 값으로 구하는 것이다. 그러나 MCU에 장착된 정전 터치 스위치에 적용하기 위해서는 적분기, ADC와 같은 아날로그 회로를 포함하는 것은 저가의 MCU에 적용되기에는 무리가 있었다.

정전용량 터치스위치를 다양한 응용 분야에 적용하기 위해 이를 MCU(Micro-Controller Unit)에 포함하여 하나의 칩으로 구현된 경우가 많으며, 상승시간을 측정하는 디지털 카운터 역시 MCU에서 사용되는 클럭을 사용한다. 그러나 MCU의 저전력 특성 때문에 MCU의 동작 주파수를 높이는 것은 적절하지 않은 문제점을 가지고 있었다.

특허문헌 1: 대한민국특허등록번호 제10-0940907호 (2010년 1월 29일 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, MCU의 동작 클럭에 무관하게 정전 용량을 측정하는 방법, 이를 이용하는 정전용량센서 및 정전 터치 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적은 정전 용량을 저장하는 터치 커패시터에 저장된 정전용량을 측정하는 방법으로서, 충전 커패시터를 구비하고, 상기 충전 커패시터를 초기화시키는 제1단계와, 충전 커패시터를 일정한 전하량으로 충전하는 제 2단계와, 충전커패시터에 충전된 전하를 상기 터치 커패시터에 축적시키는 제3단계와, 터치 커패시터에 축적된 전압을 기준전압과 비교하는 제4단계와, 터치 커패시터에 축적된 전압이 상기 기준전압보다 낮을 경우에는 상기 제1단계부터 상기 제4단계를 반복적으로 수행하고, 상기 터치 커패시터에 축적된 전압이 상기 기준전압보다 낮지 않을 경우에는 상기 제3단계의 수행 횟수를 카운터하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 측정 방법에 의해 달성 가능하다.

본 발명의 또 다른 목적은 정전 용량을 저장하는 터치 커패시터에 저장된 정전용량을 측정하며, 소정의 기준전압(V_TH)과 비교하는 비교기를 구비하는 정전용량센서에 있어서, 터치 커패시터의 일 단은 상기 비교기의 일 단의 입력단자와 연결되며, 상기 터치 커패시터의 일 단과 상기 비교기의 일 단의 입력단자가 상호 연결되는 지점을 노드 A라 정의할 때, 노드 A와 구동 전압 사이에 구비되며 내부에는 충전 커패시터를 구비하는 스위치드 커패시터와, 충전 커패시터를 초기화하는 초기화 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량센서에 의해 달성 가능하다.

종래 디지털 카운터를 이용한 상승시간 측정 방식은 디지털 카운터의 동작 주파수에 의해 양자화 오차가 결정되므로 이를 해결하기 위해서는 클럭 주파수를 상승시켜야 하는 문제점이 있었다.

이에 비해 본 발명에서는 두 개의 스위치와 하나의 커패시터로 구성되는 스위치드 커패시터를 이용하여 정전 용량을 측정하므로 양자화 오차는 MCU의 동작 클럭과 무관하며 스위치드 커패시터 안에 있는 정전용량과 임계전압에 의해 결정되는 이점이 있다. 따라서 본 발명에 따라 스위치드 커패시터를 이용하는 정전용량 터치 스위치를 MCU와 함께 제조할 경우 MCU의 동작 주파수를 높이지 않고도 양자화 오차를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 정전용량센서의 회로도.
도 2는 도 1의 회로도에서 Va와 Vout의 파형 그래프.
도 3은 도 1의 회로도에서 Cs 변화에 따른 n_TH 그래프.
도 4는 도 1의 회로도에서 Cs 변화에 따른 N=0.5와 n_TH 그래프.
도 5는 도 1의 회로도에서 (N-0.5)의 양자화 오차를 나타내는 그래프.
도 6은 도 1의 회로도에서 기생 커패시터 Cp 변화에 따른 양자화 해상도 변화를 나타내는 그래프.
도 7은 도 1의 회로도에서 Co 변화에 따른 양자화 해상도 변화를 나타내는 그래프.
도 8은 도 1의 회로도에서 k변화에 따른 양자화 해상도 변화를 나타내는 그래프.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 정전용량센서를 구비하는 정전 용량 터치 스위치의 회로도이다. 본 발명에 따른 정전 용량 터치 스위치는 터치판(10)과, 터치판(10)에 발생되는 정전용량을 측정하는 정전용량센서로 구성된다. 정전용량센서는 터치판(10)과 연결되는 노드 A에 일 단자가 연결되고 나머지 단자는 접지단자와 연결되는 제1스위치(SW1)와, 노드 A에 하나의 입력단자가 연결되고 나머지 입력단자에는 기준전압(V_TH)이 인가되는 비교기(21)와, 노드 A와 구동전압(V_DD) 사이에 연결되는 스위치드 커패시터(30)로 구성된다. 스위치드 커패시터(30)는 노드 A와 구동전압(V_DD) 사이에 직렬 연결되는 제3스위치(SW3) 및 제2스위치(SW2)와, 상기 제3스위치(SW3) 및 제2스위치(SW2) 사이 단자와 접지단자 사이에 연결되는 충전 커패시터(Co)로 구성된다. 여기서 터치 커패시터(Cs)는 손가락(11)과 터치판(10) 사이에 생성되는 정전용량을 표시하며, 기생 커패시터는 Cp로 표현하였다. 외부 커패시터(C1)는 기생 커패시터(Cp)와 터치 커패시터(Cs)의 합으로 정의하기로 한다. 제1스위치(SW1)는 외부의 외부 커패시터(C1)을 초기화하는데 사용되고, 제2스위치(SW2), 제3스위치(SW3) 및 충전 커패시터(Co)로 구성된 스위치드 커패시터(30)는 외부 커패시터(C1)를 충전하는데 사용된다. 여기서 제2스위치(SW2)와 제3스위치(SW3)는 동시에 켜지지 않게 동작시킨다.

비교기(21)는 노드 A의 전압(Va)이 임계전압 V_TH보다 큰가를 판단하는데 사용된다. 만일 비교기(21)의 - 입력 단자에 인가되는 전압(Va)가 V_TH보다 작으면 비교기(21)의 출력값(Vout)은 V_DD와 같게 되고, 그렇지 않으면 비교기(21)의 출력값(Vout)은 0 이 된다. Vout은 디지털 값을 가지므로 Vout = V_DD 일 경우를 '1'로, Vout = 0 일 경우 '0'으로 표시한다.

제안된 회로의 동작 흐름도는 표 1과 같다.

단계 1	N=0; SW1을 이용해 C1을 초기화;
단계 2	while (Vout = '1') SW2를 이용해 Co을 VDD로 충전; SW3를 이용해 Co으로 C1 충전; N=N+1; end while
단계 3	return N-0.5;

카운터값 N은 외부 커패시터 C1을 몇 번 충전했는지를 나타낸다. 단계 1에서는 카운터 값 N을 초기화하고, 제1스위치(SW1)로 칩 외부에 있는 외부 커패시터(C1)를 초기화 한다. 단계 2에서는 충전 커패시터(Co)를 이용해 외부 커패시터(C1)를 충전하는 단계로서 Vout 이 '1'일 때 수행되며, 이는 아직 Va < V_TH 임을 나타낸다. 이렇게 단계 2를 반복 수행하여 Vout 이 '0'이 되면 단계 2에서 나오게 되며 N에는 외부 커패시터(C1)를 충전한 횟수가 저장된다. 3단계에서는 측정된 값에서 0.5를 빼서 양자화 오차가 ±0.5회가 되게 한다.
도 1에서 외부 커패시터(C1)를 초기화한 후 충전 커패시터(Co)를 n-1번 동작시켜 외부 커패시터(C1)을 충전하였을 때 노드 A의 전압을 Va(n-1)로 표시한다. 이 상태에서 제2스위치(SW2)를 이용해 충전 커패시터(Co)를 V_DD로 충전한 후 제3스위치(SW3)를 이용해 충전 커패시터(Co)를 노드 A에 연결한다. 이때 V_DD로 충전된 충전 커패시터(Co)와 Va(n-1)로 충전된 외부 커패시터(C1)를 연결하더라도 전체 전하량은 보존되어야 하므로 합성 정전용량 Co + C1은 수학식 1과 같이 표현된다.

삭제

수학식 1을 정리하여 수학식 2와 같이 표현할 수 있다. 수학식 2는 외부 커패시터(C1)을 n번 충전했을 때 노드 A의 전압을 나타낸다.

노드 A의 초기전압 Va(0)=0 이므로 이를 수학식 2에 적용하여 Va(n)를 구하면 등비급수 형태인

로 표현된다. 이 등비급수를 풀면 수학식 3과 같아진다.

C1/Co = 1,000, V_DD = 3.3V, 그리고 V_TH = kV_DD에서 k가 0.8일 경우 노드 A의 전압 Va와 비교기 출력 Vout의 파형은 도 2와 같다. 여기서 스위치드 커패시터(30)의 동작 주파수를 1 MHz로 두었다. 노드 A의 전압이 마치 저항을 통해 외부 커패시터(C1)을 충전하는 것과 유사함을 알 수 있다. 또한 비교기 출력 Vout은 노드 A의 전압이 V_TH에 도달하기 전까지는 1을 유지하다가 V_TH에 도달하면 0이 됨을 알 수 있다.

노드 A의 전압이 V_TH에 도달할 때까지 소요되는 n을 n_TH이라 하면 Va(n_TH)=V_TH가 되며 수학식 3으로부터 수학식 4와 같이 표현된다. 이때 V_TH=kV_DD이고 0＜k≤1이다.

수학식 4에서 n_TH를 구하면 수학식 5와 같아진다.

여기서 Co<<C1이면, 급수를 이용해

로 근사화할 수 있으므로 수학식 5는 수학식 6과 같이 근사화할 수 있다. 수학식 6에서 nTH가 측정하고자 하는 정전용량 Cs에 비례함을 알 수 있다.

본 발명에 따른 스위치드 커패시터 회로에서 잡음을 고려하지 않을 경우 양자화 오차에 의해 측정 가능한 최소 정전용량이 결정되며 이를 양자화 해상도(quantization resolution)라고 한다. 측정하고자 하는 정전용량 Cs의 범위를 0 ~ Cs1라 가정한다. Cs의 값이 0일 경우 n_TH값을 n_TH1라 하고, Cs의 값이 Cs1일 경우 n_TH값을 n_TH1라 하면 이 두 값의 차이는 수학식 7과 같이 표현된다.

수학식 7이 의미하는 바는 0 ~ Cs1 범위의 정전용량을 (n_TH1 - n_TH0)레벨로 분해할 수 있음을 의미한다. 이를 이용해 수학식 8과 같이 양자화 해상도를 구할 수 있다. 양자화 해상도는 카운터 값 1로 측정 가능한 정전용량 값 혹은 스위치드 커패시터 1회 동작으로 측정가능한 정전용량 값을 의미한다.

수학식 8이 의미하는 바와 같이 제안된 회로에서 양자화 해상도는 스위치드 커패시터 내부의 Co과 임계전압 상수 k에 의해 결정됨을 알 수 있다. 예를 들어 Co = 50fF이고, k= 0.8이면 QR = 31.1fF의 정전용량을 분해할 수 있음을 나타낸다. 표 1의 제안된 알고리즘에서 카운터 값 N은 정수 값만 가진다. 노드 A의 전압이 V_TH보다 작으면 외부 정전용량을 충전하고 카운터 값을 증가시키므로 N은 수학식 9와 같이 표현된다.

k=0.8 이 경우

가 되어 카운터 값 N이 측정하고자 하는 정전용량 Cs에 비례함을 알 수 있다. 여기서 n_TH<=N이고 N-n_TH<1 이므로 n_TH≤N<n_TH+1이 된다. 부등식 모든 항에서 0.5를 빼면 n_TH-0.5≤N-0.5<n_TH+0.5이 된다. 양자화 오차를 0.5로 만들기 위해 표 1에서 측정한 카운터 값 N에서 0.5를 뺀 N-0.5를 최종 결과로 사용한다.

시뮬레이션 결과

제안된 정전용량센서를 구현하기 위해서는 수십 fF의 정전용량을 제작할 수 있어야 하며, 이를 구현하려면 반도체 칩을 제작해야 한다. 본 논문에서는 시뮬레이션을 통해 제안된 방법의 성능을 평가하였다. 본 시뮬레이션에서 특별한 언급이 없으면 VDD = 3.3 V, Co=50 fF, Cp=50pF, 0≤Cs≤1pF, k=0.8을 이용하였다.

수학식 5에서 n_TH는 측정하고자 하는 정전용량 Cs에 대해 비선형이다. 수학식 6에서 수학식 5를 직선으로 근사화하여 n_TH를 측정함으로써 그에 비례하게 Cs를 구할 수 있다고 하였다. 먼저 시뮬레이션을 통해 수학식 5를 직선으로 표현 가능한지에 대해 알아본다. 도 3은 0≤Cs≤1pF 구간에서 수학식 5를 이용해 n_TH을 그린 것으로 거의 직선처럼 보인다. 도 3에 있는 그래프를 1차식으로 근사화하면 n_TH=32.19×10¹²×Cs+1610.2이 된다. 해당구간에서 1차 근사식의 최대 오차율은 5.45×10^-10%로, 이는 해당 구간에서 n_TH와 Cs의 관계를 선형으로 봐도 무방함을 의미한다.

도 5는 0≤Cs≤pF일 때 수학식 5를 이용해 구한 n^TH와 표 1의 제안된 알고리즘 결과인 N-0.5를 그래프에 그린 것이다. N-0.5는 계단형식으로 증가하면서 n_TH을 따라간다. Cs값이 0일 때 n_TH는 1610.2이고 Cs값이 1 pF일 때 n_TH는 1642.4이므로 Cs의 범위 내에 32.2개의 레벨이 있음을 알 수 있다. 따라서 1 pF의 정전용량을 32.2개의 단계로 분해할 수 있으므로 양자화 해상도는 QR = 1 pF / 32.2 = 0.031pF임을 알 수 있다. 즉, 1개의 단계마다 31fF을 분해할 수 있음을 나타낸다

(N-0.5)의 양자화 오차는 n_TH-(N-0.5)이며, 이를 그래프로 그리면 도 4와 같다. (N-0.5)는 n_TH와 비교하여 오차범위가 ±0.5회가 된다. 도 4의 설명에서 정전용량센서의 양자화 해상도가 31.1fF이므로, 제안된 방법에서 측정한 정전용량의 양자화 오차는

사이의 값이 된다. 즉, 양자화 오차만을 고려할 경우 제안된 알고리즘에서 측정한 (N-0.5)는 ±15.6fF내의 오차를 의미한다.

수학식 8에서 양자화 해상도를 정의하였으며 이를 근사화 하여 양자화 해상도가 Cs와 임계전압 상수 k에 의해 결정됨을 보였다. 도 6은 기생정전용량이 10pF≤Cp≤100pF일 경우 근사화하지 않은 양자화 해상도와 근사화 한 양자화 해상도를 그래프로 그린 것이다. 두 그래프가 거의 일치하여 하나의 그래프처럼 보인다. 이 두 그래프 사이의 최대 오차가 5.86×10^-5fF으로 양자화 해상도가 기생정전용량에 거의 무관함을 보여준다.

도 7과 도 8에서는 양자화 해상도가 Co와 k에 의해 결정됨을 보이고자 한다. 도 7은 50fF≤Co≤500fF 범위에서 근사화하지 않은 양자화 해상도와 근사화한 양자화 해상도를 그래프로 그린 것이다. 두 그래프가 거의 일치하여 하나의 그래프처럼 보인다.

도 7에서 최대 오차는 2.5×10^-3fF으로 오차를 무시할 수 있을 정도이다. 도 8은 V_TH=kV_DD에서 0.01≤k≤0.9 범위에서 근사화하지 않은 양자화 해상도와 근사화한 양자화 해상도를 그래프로 그린 것이다. 두 그래프가 거의 일치하여 하나의 그래프처럼 보인다. 도 8에서 최대 오차는 1.73×10^-5fF으로 와차를 무시할 수 있을 정도이다. 도 7과 도 8의 시뮬레이션에서 수학식 7의 근사화 수식이 상당히 정확함을 보여 양자화 해상도가 Co와 k에 의해 결정됨을 알 수 있다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

10: 터치패드 11: 손가락
21: 비교기 30: 스위치드 커패시터

Claims (9)

1. 삭제
2. 정전 용량을 저장하는 터치 커패시터에 저장된 정전용량을 측정하는 방법으로서,
   충전 커패시터를 구비하고, 상기 충전 커패시터를 초기화시키는 제1단계와,
   상기 충전 커패시터를 일정한 전하량으로 충전하는 제 2단계와,
   상기 충전커패시터에 충전된 전하를 상기 터치 커패시터에 축적시키는 제3단계와,
   상기 터치 커패시터에 축적된 전압을 기준전압과 비교하는 제4단계와,
   상기 터치 커패시터에 축적된 전압이 상기 기준전압보다 낮을 경우에는 상기 제1단계부터 상기 제4단계를 반복적으로 수행하고, 상기 터치 커패시터에 축적된 전압이 상기 기준전압보다 낮지 않을 경우에는 상기 제3단계의 수행 횟수를 카운터하는 제5단계 및
   상기 제5단계에서 측정된 수행 횟수에서 0.5를 제한 후 결과값을 충전용량으로 출력하는 제6단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 측정 방법.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제 2단계 및 상기 제 3단계는 스위치드 커패시터에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전 용량 측정 방법.
   
4. 삭제
5. 정전 용량을 저장하는 터치 커패시터에 저장된 정전용량을 측정하며, 소정의 기준전압(V_TH)과 비교하는 비교기를 구비하는 정전용량센서에 있어서,
   상기 터치 커패시터의 일 단은 상기 비교기의 일 단의 입력단자와 연결되며, 상기 터치 커패시터의 일 단과 상기 비교기의 일 단의 입력단자가 상호 연결되는 지점을 노드 A라 정의할 때,
   충전 커패시터를 포함하고, 상기 노드 A와 구동 전압 사이에 구비되는 스위치드 커패시터와,
   상기 충전 커패시터를 초기화하는 초기화 회로와,
   상기 스위치드 커패시터는 상기 구동 전압과 상기 노드 A 사이에 직렬 연결로 구비되는 제2스위치와 제3스위치를 포함하며,
   상기 충전 커패시터를 초기화시킨 후, 상기 충전 커패시터를 일정한 전하량으로 충전하고, 충전된 전하량을 상기 터치 커패시터에 상기 기준전압 이상의 전압이 될 때까지 반복적으로 축적시키고, 상기 충전 커패시터를 충전시킨 횟수에서 0.5를 제한 후 결과값을 용량으로 출력하는 정전용량센서.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제2스위치의 일 단은 상기 구동 전압과 연결되고, 상기 제3스위치의 일 단은 상기 노드 A와 연결되며, 상기 제2스위치의 타 단과 상기 제3스위치 타 단은 상호 연결되며, 상기 충전 커패시터는 상기 제2스위치의 타 단과 접지 단자 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 정전용량센서.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 초기화 회로는 상기 노드 A와 접지 단자 사이에 구비되는 제1스위치로 형성되는 것을 특징으로 하는 정전용량센서.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 비교기의 + 입력단자에는 상기 노드 A가 연결되고, 상기 비교기의 - 입력단자에는 상기 기준전압(V_TH)이 인가되는 것을 특징으로 하는 정전용량센서.
   
9. 정전 용량을 저장하는 터치 커패시터와,
   제 5항 내지 제 8항 중에서 선택된 어느 한 항의 정전용량센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 터치 스위치.

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