KR101742604B1 - 용량성 전압 분배기 터치 센서 - Google Patents

용량성 전압 분배기 터치 센서 Download PDF

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Abstract

커패시턴스 측정 시스템은, 제1 노드와 제2 노드에 연결된 제1 참조 커패시터를 갖는 측정 회로를 포함한다. 각각의 노드들은, 참조 전압 또는 접지를 노드들 중 하나에 인가하는 유닛에 연결된다. 각각의 노드는 제1 노드에 연결된 제1 패드 및 제1 노드와 제2 노드 사이의 전압을 측정하기 위한 유닛을 갖는다.

Description

용량성 전압 분배기 터치 센서{CAPACITIVE VOLTAGE DIVIDER TOUCH SENSOR}
본 발명은, 자동차, 일반 전자 제품 및 의료 장비를 포함하는 다양한 분야에서 응용될 수 있는, 터치 센서들, 근접 센서 및 커패시턴스 측정에 관한 것이다.
터치 센서들 및 근접 센서들은 수많은 용도를 갖는다. 예를 들면, 그들은 사용자 인터페이스를 위한 버튼들, 슬라이더들, 또는 스위치들로서 기능할 수 있다. 이들 센서들은, 예를 들면, 키오스크들, 휴대용 전자 기기들, 및 가전 제품들에서 발견할 수 있다. 이들은, 손가락으로 누르거나 스타일러스로 스크린을 터치하거나, 또는 심지어 근접 센서처럼 단지 신체가 존재하는 것만으로도 작동될 수 있다.
이 센서들 자신은, 커패시터로서 작용한다. 센서가 눌려짐으로써, 또는 신체가 센서에 접근함으로써, 센서의 커패시턴스 특성이 변화된다. 커패시턴스의 값을 결정함으로써 또는 그것을 기지의 값들이나 이전의 값들과 비교함으로써, 접촉이 이루어졌는지 또는 얼마나 오랫동안 접촉이 이루어졌는지와 같은 정보가 결정될 수 있다.
용량 센서들은, 특히, 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서 응용물에 있어서, 기계적인 버튼들 및 스위치들을 널리 대체하고 있다. 그 결과, 엔지니어들은 그것들을 최소한의 부품으로 더욱 저렴하게 구현하고자 한다. 설계를 단순화하고 필요한 부품들 개수를 줄이면서도 커패시턴스의 변화들을 쉽게 측정하고 검출하는 시스템들 및 방법들이 요구된다.
마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서 응용물에 있어서 기계적인 버튼들 및 스위치들을 널리 대체하고 있는 용량 센서들을, 최소한의 부품으로 더욱 저렴하게 구현하고자 한다. 설계를 단순화하고 필요한 부품들 개수를 줄이면서도 커패시턴스의 변화들을 쉽게 측정하고 검출하는 시스템들 및 방법들을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따르면, 측정 회로를 포함하는 커패시턴스 측정 시스템에 있어서, 상기 측정 회로는: 제1 노드 및 제2 노드에 연결된 제1 참조 커패시터; 상기 제1 노드 및 상기 제2 노드에 연결되어 있으며, 상기 노드들 중 하나에 참조 전압 또는 접지를 인가하기 위한 동작 유닛; 상기 제1 노드에 연결된 제1 패드; 및 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이의 전압을 측정하기 위한 측정 유닛을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 제2 노드에 연결된 제2 패드를 더 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 상기 노드에 참조 전압 또는 접지를 인가하기 위한 상기 동작 유닛들은: 상기 노드와 상기 참조 전압에 연결된 제1 스위치; 및 상기 노드와 접지에 연결된 제2 스위치를 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 복수의 제3 노드들, 제4 노드들, 제3 패드들, 제2 참조 커패시터들, 및 전압을 측정하기 위한 측정 유닛들을 더 포함하고, 상기 제2 참조 커패시터의 각각은 제3 노드와 제4 노드에 연결되고, 상기 제3 노드 및 상기 제4 노드의 각각은 상기 노드에 참조 전압 또는 접지를 인가하기 위한 동작 유닛에 연결되고, 상기 제3 패드는 상기 제3 노드에 연결되고, 상기 측정 유닛은 상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이의 전압을 측정한다. 다른 실시예에 따르면, 노드들에 참조 전압 또는 접지를 인가하기 위한 상기 동작 유닛들은, 칩에 내장된다. 다른 실시예에 따르면, 노드들에 참조 전압 또는 접지를 인가하기 위한 상기 동작 유닛들은, 상기 칩의 구성을 통해 인에이블될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이의 전압을 측정하기 위한 상기 측정 유닛들은, 칩 상에 탑재된다. 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이의 전압을 측정하기 위한 상기 측정 유닛들은, 상기 칩의 구성을 통해 인에이블될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이의 전압을 측정하기 위한 상기 측정 유닛들은, 아날로그-디지털 회로에 의해 구현된다. 다른 실시예에 따르면, 상기 시스템은 근접 센서를 포함한다.
또한, 일 실시예에 따르면, 패드의 커패시턴스 측정 방법은: 상기 패드와 참조 커패시터에 전압을 인가하는 단계; 상기 패드와 직렬로 커플링된 상기 참조 커패시터를 포함하는 회로를 생성하기 위해 상기 참조 커패시터를 접지에 연결하고, 상기 참조 커패시터를 가로지르는 생성 전압(상기 생성 전압은 상기 제1 패드의 상기 커패시턴스 값에 대응함)을 측정하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 상기 패드를 가로질러 전압을 인가하는 동작은, 마이크로컨트롤러에 의해 자동화된다. 다른 실시예에 따르면, 상기 참조 커패시터를 가로질러 전압을 인가하는 동작은, 마이크로컨트롤러에 의해 자동화된다. 다른 실시예에 따르면, 상기 패드와 직렬로 커플링된 상기 참조 커패시터를 포함하는 회로를 생성하기 위해 상기 참조 커패시터를 접지에 연결하는 동작은, 마이크로컨트롤러에 의해 자동화된다. 다른 실시예에 따르면, 상기 커패시턴스의 측정은, 상기 참조 커패시터의 상기 전압과 베이스라인 전압을 비교함으로써 행해진다. 다른 실시예에 따르면, 상기 방법은 복수의 패드들의 커패시턴스 측정에 적용된다.
또한, 일 실시예에 따르면, 참조 커패시터를 가로질러 연결된 복수의 패드들의 커패시턴스 계산 방법은: 제1 패드를 가로질러 전압을 인가하는 단계; 참조 커패시터를 가로질러 상기 전압을 인가하는 단계; 상기 제1 패드와 직렬로 커플링된 상기 참조 커패시터를 포함하는 회로를 생성하기 위해 상기 참조 커패시터를 접지에 연결하는 단계; 상기 참조 커패시터를 가로지르는 상기 제1 생성 전압(상기 생성 전압은 상기 제1 패드의 커패시턴스 값에 대응함)을 측정하는 단계; 제2 패드를 가로질러 전압을 인가하는 단계; 상기 참조 커패시터를 가로질러 상기 전압을 인가하는 단계; 상기 제2 패드와 직렬로 커플링된 상기 참조 커패시터를 포함하는 회로를 생성하기 위해 상기 참조 커패시터를 접지에 연결하는 단계; 상기 참조 커패시터를 가로지르는 상기 제2 생성 전압(상기 생성 전압은 상기 제2 패드의 커패시턴스 값에 대응함)을 획득하는 단계를 포함한다.
또한, 일 실시예에 따르면, 2 이상의 패드들의 상대(relative) 커패시턴스 결정 방법은: 제1 패드를 가로질러 전압을 인가하는 단계; 참조 커패시터를 가로질러 상기 전압을 인가하는 단계; 상기 제1 패드와 직렬로 커플링된 상기 참조 커패시터를 포함하는 회로를 생성하기 위해 상기 참조 커패시터를 접지에 연결하는 단계; 상기 참조 커패시터를 가로지르는 상기 제1 생성 전압(상기 생성 전압은 상기 제1 패드의 커패시턴스 값에 대응함)을 측정하는 단계; 상기 패드의 각각에 대해서, 상기 제2 패드를 가로질러 전압을 인가하고, 상기 참조 커패시터를 가로질러 상기 전압을 인가하고, 상기 제2 패드와 직렬로 커플링된 상기 참조 커패시터를 포함하는 회로를 생성하기 위해 상기 참조 커패시터를 접지에 연결하고, 상기 참조 커패시터를 가로지르는 상기 제2 생성 전압(상기 생성 전압은 상기 제2 패드의 커패시턴스 값에 대응함)을 획득하는 단계; 및 상기 생성 전압들을 비교하여 상기 2 이상의 패드들로부터 커패시터를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서 응용물에 있어서 기계적인 버튼들 및 스위치들을 널리 대체하고 있는 용량 센서들을, 최소한의 부품으로 더욱 저렴하게 구현할 수 있다. 또한, 설계를 단순화하고 필요한 부품들 개수를 줄이면서도 커패시턴스의 변화들을 쉽게 측정하고 검출하는 시스템들 및 방법들을 제공할 수 있다.
첨부한 도면들과 관련한 다음의 설명을 참조하여 본 발명을 더욱 완전하게 이해할 수 있다.
도 1은 마이크로컨트롤러를 이용하는 싱글-패드 구성의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 개방 또는 비-터치 상태에서의 참조 커패시터를 이용하는 싱글-패드 센서 구성의 다른 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 터치 또는 활성화된 경우의 싱글-패드 센서 구성의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 4는 핀들에 대하여 참조 전압 또는 접지를 인가하기 위하여 스위치들을 이용하는 회로 구성의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 싱글-패드 센서 구성의 다른 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 싱글 패드 구성에 있어서, 싱글-엔드 모드(single-ended mode)에서 커패시턴스를 결정하는 방법에 대한 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 7은 싱글 패드 구성에 있어서, 차동 모드에서 커패시턴스를 결정하는 방법에 대한 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 8은 마이크로컨트롤러를 이용하는 듀얼-패드 구성의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 9는 마이크로컨트롤러를 이용하는 N-패드 구성의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10은 듀얼 패드 구성에 있어서, 커패시턴스를 결정하는 방법에 대한 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 11은 차동 모드를 이용하는 듀얼 패드 구성에 있어서, 커패시턴스를 결정하는 방법에 대한 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 1은 마이크로컨트롤러와 싱글 패드를 이용하는 일 실시예를 보여준다. 프로그램가능 마이크로컨트롤러(1)는 복수의 입력 및 출력 핀들(4, 5)을 가질 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 마이크로컨트롤러는, ASIC, 프로그램 가능 프로세서, 재프로그램 가능 프로세서, 또는 회로망이 내장될 수 있는 또다른 칩일 수 있다. 마이크로컨트롤러는, 싱글 유닛일 수 있으며 또는 몇 개의 개별적인 마이크로컨트롤러들로 구성될 수도 있다. 여기에서 용량 센서로 구현된 패드(2)가 제1 핀(4)에 부착된다. 패드(2)는 다양한 종류의 터치 센서 또는 근접 센서일 수 있다. 제1 핀(4)과 제2 핀(5) 사이에는 기지의 커패시턴스를 갖는 임피던스 회로(3)가 연결된다. 일 실시예에 따르면, 핀들(4, 5)은 마이크로컨트롤러 상의 핀들이다. 핀들(4, 5)의 다른 실시예들은, 와이어, 리드(lead), 프로브, 라인(line), 또는 전극의 형태를 가질 수 있다.
도 1에 있어서, 마이크로컨트롤러(1)는, 핀들(4, 5)에 대하여 참조 전압(9)을 인가하도록 작동할 수 있다. 마이크로컨트롤러(1)는, 더욱, 핀들(4, 5)에 대하여 접지를 인가하도록 작동할 수 있다. 마이크로컨트롤러(1)는, 더욱, 핀들(4, 5) 중 어느 하나에 연결된 전압 또는 핀들(4, 5) 사이의 전압을 측정할 수 있다.
도 2는 참조 커패시터(6)로 임피던스 회로(3)를 구현한 일 실시예를 보여준다. 임피던스 회로(3)의 다른 실시예들은 특정 응용물을 위해 요구되는 다른 수동 소자들을 이용할 수도 있다. 패드(2)는 마이크로컨트롤러에게 단일 소자로 보여진다. 패드(2)는 손가락, 스타일러스, 또는 신체의 존재에 의해 작동되는데, 그것은 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 회로의 특성들을 변경한다.
도 3은 패드(2)가 사용자의 터치 등에 의해 조작된 경우의 일 실시예에 대한 등가 회로를 보여준다. 패드(2)가 조작된 후, 조합된 순 커패시턴스 값(net capacitance value of combination)은 변할 것이다. 패드를 조작하는 인체의 커패시턴스는 CBODY(8)로 표현된다. 오브젝트(object)는, 등가 커패시턴스 CCOUPLING(7)을 통해, 회로 접지로의 커플링 경로를 갖는다. 커패시턴스 CCOUPLING(7)은, 인체 커패시턴스 CBODY(8)와 직렬이다. 패드(2)가 조작될 때, CBODY(8)와 접지로의 그의 커플링 커패시턴스인 CCOUPLING(7)과의 조합은, 패드(2)의 새로운 커패시턴스로 나타난다.
도 4는 핀들(4, 5)에 참조 전압(9)과 접지를 인가하기 위한 스위치들과 전압을 측정하기 위한 동작 유닛들을 이용하는, 싱글 패드 구성을 갖는 일 실시예를 보여준다. 일 실시예에 따르면, 참조 전압(9)은 풀-업(pull-up) 직류 전류 전압 소스이다. 참조 전압(9)은 예를 들면 3.3V 또는 5V의 값을 가질 수 있다. 참조 전압의 일 실시예에서는 유닛에 외부로부터 공급되는 전압을 이용한다. 참조 전압은, 패드가 터치를 감지하도록 작동시키는 데에 이용될 수 있는 어떠한 전압으로도 구현될 수 있다. 일 실시예는, 참조 전압(9)을 핀(4)에 연결시키기 위해 제1 스위치(10)를 이용하고, 접지를 핀(4)에 연결시키기 위해 제2 스위치(11)를 이용한다. 마찬가지로, 다른 하나의 제1 스위치(12) 및 다른 하나의 제2 스위치(13)가 또다른 핀(5)에 참조 전압 또는 접지를 연결시키기 위해 이용될 수 있다. 스위치들(10, 11, 12, 13)은 회로를 통해 작동될 수 있고 또는 펌웨어(firmware)를 통해 작동될 수도 있다.
전압을 측정하거나 비교하기 위한 동작 유닛(14)은, 제1 핀(4) 및 제2 핀(5)에 연결된다. 핀들(4, 5)을 가로질러 전압을 측정하기 위한 유닛(14)의 다른 실시예들은, 각각의 개별적인 핀의 전압을 측정 또는 비교하기 위하여 개별적인 유닛들을 가질 수도 있다. 전압을 측정하거나 비교하기 위한 동작 유닛(14)의 다른 실시예들은, 접지 또는 베이스라인(baseline) 전압에 연결될 수 있다. 전압을 측정하거나 비교하기 위한 동작 유닛(14)의 일 실시예는, 마이크로컨트롤러 내부의 구성가능 회로망을 이용한다. 전압을 측정하거나 비교하기 위한 특정의 메커니즘은, 칩의 구성에 따라 동적으로 인에이블 또는 디스에이블될 수 있다. 전압을 측정하거나 비교하기 위한 동작 유닛(14)의 실시예들은, 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 이러한 측정을 행하기 위한 적분기 회로, 또는 생성 전압(resulting voltage)의 실제 값을 결정하지 않으면서 생성 전압과 베이스라인 전압 사이의 비교를 행하는 비교기일 수 있다. 다른 실시예는, 패드(2)의 커패시턴스가 변화하였는지를 결정하기 위하여, 판독되는 전압과 이전의 생성 전압들을 비교한다.
도 5는 참조 전압(9) 또는 접지를 핀(4, 5)에 인가할 수 있는 유닛들(15, 16)을 이용하는 싱글 패드 구성의 일 실시예를 보여준다. 이러한 유닛들은, 도 4에 나타낸 스위치 구성에 의해 구현될 수도 있다. 다른 실시예들은, 참조 전압(9) 또는 접지를 핀에 인가하기 위하여, 선택기 또는 멀티플렉서와 같은 다른 스위치 메커니즘을 이용할 수 있다. 유닛들(15, 16)은, 마이크로컨트롤러의 펌웨어를 통해 구성 및 작동가능하다. 다른 실시예들은, 참조 전압(9) 또는 접지를 어떠한 개수의 핀들에 대해서도 인가할 수 있는 유닛을 형성하기 위해, 유닛들(15 및 16)을 조합할 수도 있다.
핀들에 참조 전압들을 인가하고 접지를 인가하는 유닛들(15, 16)과 핀들 사이의 전압을 측정하는 유닛(14)은, 마이크로컨트롤러(1)의 실시예들 내부에 결합될 수 있으며 또는 마이크로컨트롤러의 실시예들과 함께 동작하는 개별적인 회로들이나 유닛들일 수 있다.
핀(4, 5)에 참조 전압(9) 또는 접지를 인가할 수 있는 유닛의 또다른 실시예는, 핀에 인가되는 전압을 참조 전압 값으로부터 접지까지 변화시키는 대신에, 핀(4, 5)에 소정의 아날로그 전압 출력을 인가하는 방식을 이용한다.
도 6은 싱글 패드 구성에 있어서 본 발명을 작동시키기 위한 방법을 설명한다. 먼저, 단계(100)에서, 참조 전압(9)이 제1 핀(4)과 제2 핀(5) 모두에 인가된다. 임피던스 유닛(3)을 가로지르는 순 생성 전압은 0V이고, 패드(2) 상의 생성 전압은 인가된 참조 전압(9)이다.
제2 단계(101)에서, 참조 전압이 제1 핀과 제2 핀 모두로부터 제거되고, 제2 핀(5)은 접지된다. 이러한 동작은, 도 3에 도시된 바와 같이, 패드와 임피던스 유닛(3)으로 이루어질 회로가 직렬이 되게 한다. 패드(2) 상에 축적된 전하는 방전될 것이다. 임피던스 유닛(3)은 이전에는 전하를 갖지 않았지만, 패드(2)로부터 전하를 획득할 것이다. 제3 단계(102)에서는 정상-상태에 도달할 때까지 대기하고, 패드(2)와 임피던스 유닛(3) 상의 전하는 비교적 안정하다.
제4 단계(103)는, 임피던스 유닛(3)과 패드(2)를 가로지르는 생성 전압을 측정하거나 비교한다. 일 실시예에서, 제1 핀(4)은 설계에 따라 소정의 아날로그 입력으로 구성되어질 수도 있다. 아날로그 입력은 또한 싱글-엔드 모드로 작용할 수 있으며, 이에 따라 전압은 제1 핀(4)과 접지 사이의 전위차가 된다.
일 실시예에 있어서, 일단 전압이 결정되면, 패드(2)의 커패시턴스가 계산될 수 있다(104). 일 실시예에서, 제1 핀에서의 전압은, 커패시턴스의 명확한(explicit) 계산없이 다른 하나의 전압과 비교될 수 있다. 제3 단계(102)의 이후, 등가 회로의 전류는, 각각의 구성요소의 커패시턴스와 시간분의 전압의 변화와의 곱과 같다(I=C*dV/dt). 전류는 임피던스 유닛(3)과 패드(2) 모두에서 서로 동일하므로, 임피던스 유닛(3)의 커패시턴스와 시간분의 임피던스 유닛(3)의 전압의 변화와의 곱은, 패드(2)의 커패시턴스와 시간분의 패드(2) 전압의 변화와의 곱과 같다:
I = CREF * dVCREF/dt = CPad * dVPad/dt (식 1)
결과적으로,
CREF * dVCREF = CPad * dVPad (식 2)
키르히호프 전압 법칙을 이용하여 등가 회로를 분석하면, 임피던스 유닛(3)과 패드(2)의 전압들의 합은 0이어야만 한다. 패드(2)를 가로지르는 전압은 최초에 참조 전압과 동일한 크기이고, 이어서 크기 dVPad까지 감소한다. 임피던스 유닛(3)을 가로지르는 전압은 0이었지만, 이후 크기 dVCREF가 획득된다.
dVCREF = VREF - dVPad (식 3)
식 2 및 식 3을 결합시키면, 패드(2)의 커패시턴스는 다음과 같이 표현될 수 있다:
CPad = (CREF * dVCREF)/(VREF - dVCREF) (식 4)
여기에서, CREF는 임피던스 유닛(3)의 기지의 커패시턴스이고, VREF는 핀(4)에 인가된 참조 전압이고, dVCREF는 임피던스 유닛(3)을 가로지르는 전압 또는 선택적으로는 제1 핀(4)에서 측정된 전압이다.
일 실시예에서, 커패시턴스의 계산(104)은 생성 전압과 베이스라인 전압, 또다른 생성 전압, 또는 설정된 값과의 비교에 의해 수행된다. 커패시턴스를 결정함으로써, 커패시턴스에 변화가 발생했는지를 결정할 수 있게 된다. 이러한 커패시턴스 또는 커패시턴스의 변화는, 패드가 오브젝트에 의해 터치되었음 또는 근접 센서로서 작용하는 패드에 오브젝트가 접근하였음을 표시한다.
본 발명은, 생성 전압의 값 또는 커패시턴스에 의존하여 추가적인 단계들을 처리할 수 있다. 그것은, 버튼을 턴온하거나, 제어를 활성화하거나, 슬라이더를 이동시키거나, 알람을 트리거링하거나, 다른 하나의 시스템에 대하여 데이터 또는 경보를 통신하도록 작용할 수 있고, 또는 터치 및 근접 센서에 의해 인에이블된 또다른 어떤 활동도 행할 수 있다.
도 7은 차동 모드에서 생성 전압을 결정하고 커패시턴스를 계산하는 다른 일 실시예를 나타낸다. 먼저, 단계들(100, 101, 102, 및 103)이 수행되고, 제1 핀(4)에 제1 생성 전압을 획득한다. 그리고 단계(105)에서, 참조 전압(9)이 제2 핀(5)과 제1 핀(4)을 가로질러 인가된다. 참조 전압(9)이 제거되고, 제1 핀(4)은 접지된다(106). 정상 상태에 도달한 후(107), 다음의 단계(108)에서 제2 핀(5)의 전압이 측정된다. 선택적으로, 제2 핀(5)에서의 전압은 제1 생성 전압과 직접 비교되어질 수 있다. 식 4에 따라서 또는 제2 핀(5)에서의 전압과 비교함으로써, 제1 핀의 결과 커패시턴스가 구해질 수 있다(109).
도 8은 제1 패드(2)가 제1 핀(4)에 연결되어 있는 것에 추가하여, 제2 패드(17)가 제2 핀(5)에 연결되어 있는 또 다른 실시예를 나타낸다. 제2 패드(17)는, 어떠한 구성요소들도 추가하지 않은 현존하는 시스템의 터치 센서 또는 근접 센서일 수 있다. 상술한 다양한 실시예들은 이 실시예에 완전하게 적용될 수 있다.
도 10은 제2 패드(17)의 커패시턴스 또는 그것의 등가 생성 전압을 결정하는 것을 나타내는데, 제1 핀(4) 및 제2 핀(5)의 역할이 반전되어 도 6 또는 도 7의 단계들이 반복된다.
먼저, 단계들(100, 101, 102, 및 103)이 제1 패드(2)로부터 생성 전압을 획득하기 위해 실행된다. 이후 단계(110)에서, 참조 전압이 제2 핀(5)과 제1 핀(4)을 가로질러 인가된다. 임피던스 유닛(3)은 전위차(potential)가 없고, 제2 패드(17)는 참조 전압의 전위를 갖는다. 참조 전압이 제거되고, 제1 핀(4)은 접지된다(111). 결과적으로, 임피던스 유닛(3)과 제2 패드(17)는 폐회로 내에서 서로 직렬이고, 제2 패드(17)는 방전하고, 임피던스 유닛(3)은 전하를 수집한다. 정상 상태에 도달한 후(112), 제2 패드(17)의 전압이 측정되거나 비교될 수 있으며(113), 제1 패드(2)와 제2 패드(17)의 결과 커패시턴스들이 식 4를 이용하여 계산될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 패드(2)와 제2 패드(17)의 커패시턴스들의 계산은 서로 다른 시점에서 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 단계들(100, 101, 102, 및 103)은, 단계들(110, 111, 112, 및 113)이 수행된 이후에 수행될 수도 있다. 일 실시예에서, 단계들(100, 101, 102, 및 103)의 세트 또는 단계들(110, 111, 112, 및 113)의 세트는, 싱글 패드의 커패시턴스를 측정하기 위해 생략될 수도 있다.
도 11은 차동 모드에서 듀얼-패드 구성의 커패시턴스를 결정하는 일 실시예를 나타낸다. 두 패드들로부터의 생성 전압들이 측정되면, 상대 커패시턴스를 결정하기 위해 전압들을 서로 비교할 수 있다(115). 일 실시예에서, 이것은 토글 스위치를 구현하기 위해 이용된다.
도 9는 센서 어레이를 제작하기 위해 일련의 단일-패드 또는 듀얼-패드 구성들이 조합된 일 실시예를 나타낸다. 이 실시예는, 제1 핀(24)과 제2 핀(25) 사이에 연결된 임피던스 유닛(23), 제1 핀(24)에 연결된 제1 패드(26), 및 제2 핀(25)에 연결된 추가적인 제2 패드(27)를 각각 포함하는 복수의 세트를 포함할 수 있다. 각각의 패드는 상술한 방법들과 같이 작동될 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 세트는 마이크로컨트롤러(1)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 세트는, 그것의 제1 핀(24)과 제2 핀(25)을 통해, 전압들 및 접지를 인가하기 위한 동작 유닛(15) 및 전압을 측정하거나 비교하기 위한 동작 유닛(14)에 연결된다.
일 실시예에 있어서, 전압들 및 접지를 인가하기 위한 동작 유닛들(15) 및/또는 전압을 측정하거나 비교하기 위한 동작 유닛들(14)은, 마이크로컨트롤러(1) 내에 구성가능하다. 마이크로컨트롤러의 내부 회로망은, 본 발명이 작동하는 동안에 서로 다른 시점에서 이들 유닛들의 인스턴스들을 인에이블할 수 있다. 일 실시예에서, 이것은 스위치들을 통해 해결된다.
1 : 마이크로컨트롤러
2 : 패드
3 : 임피던스 유닛
4 : 제1 핀
5 : 제2 핀

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 측정 회로를 포함하는 커패시턴스 측정 시스템에 있어서,
    상기 측정 회로는:
    제1 노드 및 제2 노드에 연결된 참조 커패시터;
    상기 제1 노드 및 상기 제2 노드에 연결되어 있으며, 상기 제1 노드에 참조 전압 또는 접지를 인가하거나 제거할 수 있는 제1 스위치와 상기 제2 노드에 상기 참조 전압 또는 상기 접지를 인가하거나 제거할 수 있는 제2 스위치를 구비한 제1 유닛;
    상기 제1 노드에 연결된 제1 패드; 및
    상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이의 전압을 측정할 수 있는 제2 유닛을 포함하고,
    커패시턴스를 측정하기 위하여, 상기 제1 유닛을 제어하여 상기 참조 전압을 상기 제1 노드 및 상기 제2 노드에 인가하고, 이어서, 상기 제1 노드를 고임피던스로 유지하며, 상기 제2 노드에 상기 접지를 인가하고, 소정의 정착 시간 후에는, 상기 제2 유닛을 제어하여 상기 제1 노드에서 제1 전압을 측정하고, 및
    상기 제1 유닛을 더 제어하여 상기 참조 전압을 상기 제1 노드 및 상기 제2 노드에 인가하고, 이어서, 상기 제2 노드를 고임피던스로 유지하며, 상기 제1 노드에 상기 접지를 인가하고, 소정의 정착 시간 후에는, 상기 제2 유닛을 제어하여 상기 제2 노드에서 제2 전압을 측정하도록 구성되며, 상기 커패시턴스는 상기 제1 및 제2 전압들로부터 결정되도록 구성된 커패시턴스 측정 시스템.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 노드에 연결된 제2 패드를 더 포함하는 커패시턴스 측정 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 노드들에 참조 전압들 및 접지를 인가할 수 있는 상기 제1 유닛은 개별적인 스위칭 유닛들로 이루어지고, 상기 개별적인 스위칭 유닛들의 각각은:
    상기 노드와 상기 참조 전압에 연결된 제1 스위치; 및
    상기 노드와 접지에 연결된 제2 스위치를 포함하는 커패시턴스 측정 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    복수의 제1 및 제2 노드의 쌍들, 복수의 제1 패드들, 복수의 제2 패드들, 복수의 제1 참조 임피던스 유닛들, 참조 전압 또는 접지를 상기 제1 및 제2 노드의 쌍들의 각 노드에 인가할 수 있는 복수의 제1 유닛들, 및 전압을 측정할 수 있는 복수의 제2 유닛들을 더 포함하고,
    상기 제1 참조 임피던스 유닛들의 각각은 상기 제1 및 제2 노드 쌍들 중 하나에 연결되고,
    상기 제1 및 제2 노드의 쌍들의 각각은 상기 제1 유닛들의 각각의 유닛에 연결되고,
    상기 제1 패드들의 각각은 각자의 제1 노드에 연결되고,
    상기 제2 패드들의 각각은 각자의 제2 노드에 연결되고, 및
    상기 제2 유닛들의 각각은 각자의 제1 노드와 제2 노드 사이의 전압을 측정할 수 있는 커패시턴스 측정 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    복수의 제1 및 제2 노드의 쌍들, 복수의 제1 패드들, 복수의 제2 패드들, 복수의 제1 참조 임피던스 유닛들, 참조 전압 또는 접지를 상기 제1 및 제2 노드의 쌍들의 각 노드에 인가할 수 있는 복수의 제1 유닛들, 및 전압을 측정할 수 있는 복수의 제2 유닛들을 더 포함하고,
    상기 제1 참조 임피던스 유닛들의 각각은 상기 제1 및 제2 노드의 쌍들 중 하나에 연결되고;
    상기 제1 및 제2 노드의 쌍들의 각각은 상기 제1 유닛들의 각각의 유닛에 연결되고;
    상기 제1 패드들의 각각은 각자의 제1 노드에 연결되고;
    상기 제2 패드들의 각각은 각자의 제2 노드에 연결되고; 및
    상기 제2 유닛들의 각각은 각자의 제1 노드와 제2 노드 사이의 전압을 측정할 수 있는 커패시턴스 측정 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 패드의 커패시턴스 측정 방법으로서:
    상기 패드와 참조 커패시터의 제1 단자를 마이크로컨트롤러의 제1 입출력 포트에 결합시키고;
    상기 참조 커패시터의 제2 단자를 상기 마이크로컨트롤러의 제2 입출력 포트에 결합시키고;
    상기 패드 및 상기 참조 커패시터의 양 단자들에 참조 전압을 인가하고;
    상기 제1 입출력 포트를 고임피던스로 스위칭하고, 상기 패드와 직렬로 결합되는 상기 참조 커패시터를 포함하는 회로를 생성하기 위해 상기 참조 커패시터의 상기 제2 단자를 접지시키고;
    소정의 정착 시간 후에, 상기 제1 입출력 포트상의 제1 생성 전압을 측정하고;
    상기 패드 및 상기 참조 커패시터의 양 단자들에 상기 참조 전압을 인가하고;
    상기 제2 입출력 포트를 고임피던스로 스위칭하고, 상기 참조 커패시터의 상기 제1 단자를 접지시키고;
    소정의 안정화 시간 후에, 상기 제2 입출력 포트상의 제2 생성 전압을 측정하고; 그리고,
    상기 제1 및 제2 생성 전압들로부터 상기 커패시턴스를 계산하는 것을 포함하는 패드의 커패시턴스 측정 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 패드에 전압을 인가하는 동작은, 마이크로컨트롤러에 의해 자동화되는 패드의 커패시턴스 측정 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 참조 커패시터에 전압을 인가하는 동작은, 마이크로컨트롤러에 의해 자동화되는 패드의 커패시턴스 측정 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    제2 패드를 상기 마이크로컨트롤러의 상기 제2 입출력 포트에 결합시키고, 그리고, 선택적으로, 상기 제1 및 제2 생성 전압들을 비교하는 것을 더 포함하는 패드의 커패시턴스 측정 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 커패시턴스의 측정은, 아날로그-디지털 변환기를 이용함으로써 또는 베이스라인 전압에 대하여 상기 참조 커패시터의 전압을 비교함으로써 행해지는 패드의 커패시턴스 측정 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 방법은 복수의 패드들의 커패시턴스 측정에 적용되는 패드의 커패시턴스 측정 방법.
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