KR101939195B1 - 압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치 - Google Patents

압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치 Download PDF

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Abstract

압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치가 제공된다. 상기 압력 센싱 장치는, 전극, 상기 전극에 구동신호를 인가하는 구동부, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는, 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 상기 전극의 출력단으로부터 수신하는 감지부, 상기 구동부와 상기 전극 사이로서 상기 구동신호가 통과하는 전기적 경로 상에 정의되는 제1 임피던스, 및 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이에서 정의되는 제2 임피던스를 포함하고, 상기 제1 임피던스의 크기와 상기 제2 임피던스의 크기는 실질적으로 동일하다.

Description

압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치{PRESSURE SENSOR, PRESSURE DETECTOR AND TOUCH INPUT DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 압력 센싱을 위한 감도(sensitivity) 특성이 향상된 압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치에 관한 것이다.
컴퓨팅 시스템의 조작을 위해 다양한 종류의 입력 장치들이 이용되고 있다. 예를 들어, 버튼(button), 키(key), 조이스틱(joystick) 및 터치 스크린과 같은 입력 장치가 이용되고 있다. 터치 스크린의 쉽고 간편한 조작으로 인해 컴퓨팅 시스템의 조작시 터치 스크린의 이용이 증가하고 있다.
터치 스크린은 터치-감응 표면(touch-sensitive surface)을 구비한 투명한 패널일 수 있는 터치 센서 패널(touch sensor panel)을 포함할 수 있다. 이러한 터치 센서 패널은 디스플레이 스크린의 전면에 부착되어 터치-감응 표면이 디스플레이 스크린의 보이는 면을 덮을 수 있다. 터치 스크린은 사용자가 손가락 등으로 디스플레이 스크린을 단순히 접촉함으로써 사용자가 컴퓨팅 시스템을 조작할 수 있도록 한다. 일반적으로, 터치 스크린은 디스플레이 스크린 상의 접촉 및 접촉 위치를 인식하고 컴퓨팅 시스템은 이러한 접촉을 해석함으로써 이에 따라 연산을 수행할 수 있다.
이와 더불어, 터치 입력 장치의 터치 표면에 대한 터치 위치뿐 아니라 터치 압력을 검출하기 위한 연구가 지속되고 있다. 이 때, 압력 센서는 적용되는 터치 입력 장치 등과는 별개로 제작될 수 있으나 균일한 압력 크기 검출을 위해서 적용되는 애플리케이션 마다 압력 검출 회로가 수정될 필요가 있다. 이는 적용되는 애플리케이션 마다 압력 전극과 기준 전위층 사이의 거리 등이 달라지기 때문이다. 이에 따라, 적용되는 애플리케이션에 무관하게 수정될 필요없이 그리고 간단히 압력 크기를 검출할 수 있도록 하는 압력 검출 기법에 대한 필요성이 야기되고 있다.
본 발명의 목적은 압력 센싱을 위한 감도(sensitivity) 특성이 향상된 압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적용되는 애플리케이션에 무관하게 회로 수정 없이 간단히 압력 크기를 검출할 수 있도록 하는 압력 센싱 장치 및 압력 검출기를 제공하는 것이다.
실시예에 따른 압력 센싱 장치는 전극, 상기 전극에 구동신호를 인가하는 구동부, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는, 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 상기 전극의 출력단으로부터 수신하는 감지부, 상기 구동부와 상기 전극 사이에서 정의되는 제1 임피던스, 및 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이에서 정의되는 제2 임피던스를 포함하고, 상기 제1 임피던스의 크기와 상기 제2 임피던스의 크기는 실질적으로 동일할 수 있다.
실시예에 따른 압력 센싱 장치는 전극, 상기 전극에 구동신호를 인가하는 구동부, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는, 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 상기 전극의 출력단으로부터 수신하는 감지부, 상기 구동부와 상기 전극 사이에서 정의되는 제1 임피던스, 및 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이에서 정의되는 제2 임피던스를 포함하고, 상기 제1 임피던스의 크기는 상기 제2 임피던스의 크기의 0.3배 내지 상기 제2 임피던스의 크기의 3.3배의 범위 내일 수 있다.
실시예에 따른 압력 검출기는 전극에 구동신호를 인가하는 구동부, 및 상기 전극을 통해, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 수신하는 감지부를 포함하며, 상기 구동신호는 상기 구동부와 상기 전극 사이에서 정의되는 제1 임피던스를 통과한 후 상기 전극에 인가되고, 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이에 제2 임피던스가 정의되고, 상기 제1 임피던스의 크기와 상기 제2 임피던스의 크기는 실질적으로 동일할 수 있다.
실시예에 따른 압력 검출기는 전극에 구동신호를 인가하는 구동부, 및 상기 전극을 통해, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 수신하는 감지부를 포함하며, 상기 구동신호는 상기 구동부와 상기 전극 사이에서 정의되는 제1 임피던스를 통과한 후 상기 전극에 인가되고, 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이에 제2 임피던스가 정의되고, 상기 제1 임피던스의 크기는 상기 제2 임피던스의 크기의 0.3배 내지 상기 제2 임피던스의 크기의 3.3배의 범위 내일 수 있다.
실시예에 따른 장치는 상기 압력 센싱 장치와 기준 전위층을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따르면 압력 센싱을 위한 감도(sensitivity) 특성이 향상된 압력 센싱 장치, 압력 검출기 및 이들을 포함하는 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따르면 적용되는 애플리케이션에 무관하게 회로 수정 없이 간단히 압력 크기를 검출할 수 있도록 하는 압력 센싱 장치 및 압력 검출기를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치가 적용된 장치의 단면을 예시한다.
도 3은 제1 실시예에 따른 압력 센싱 장치의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 제1 실시예에 따른 압력 센싱 장치에서 감도(sensitivity) 특성을 향상시킬 수 있는 k 값의 범위를 증명하기 위한 그래프이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 압력 센싱 장치의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 제3 실시예에 따른 압력 센싱 장치의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 증폭 회로의 구성을 예시적으로 도시한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 압력 센싱 장치(100)를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)는 전극(10), 전극(10)에 구동신호를 인가하는 구동부(20), 및 전극(10)의 출력단으로부터 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 수신하여 터치 압력에 대한 정보를 검출하는 감지부(30)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)에서 구동부(20)는 구동신호를 전극(10)에 인가하고, 감지부(30)는 상기 전극(10)을 통해 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 정전용량을 측정함으로써 압력의 크기를 검출할 수 있다.
구동부(20)는 예를 들어 클록 생성기(미도시) 및 버퍼(buffer: 미도시)를 포함하여 펄스 형태로 구동신호를 생성하여 전극(10)에 인가할 수 있다. 이는 예시일 뿐이며 다양한 소자를 통해 구동부(20)가 구현될 수 있으며 또한 구동신호의 형태 또한 다양하게 변형될 수 있다.
실시예에 따라, 구동부(20) 및 감지부(30)는 집적회로(Integrated Circuit)로 구현될 수 있으며, 하나의 칩(chip) 상에 형성될 수 있다. 구동부(20) 및 감지부(30)는 압력 검출기를 구성할 수 있다.
실시예에 따른 전극(10)은 투명 전도성 물질(예를 들면, 산화주석(SnO2) 및 산화인듐(In2O3) 등으로 이루어지는 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ATO(Antimony Tin Oxide)) 등으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라 전극(10)은 투명 전도성 물질 또는 불투명 전도성 물질로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 전극(10)은 은잉크(silver ink), 구리(copper) 또는 탄소 나노튜브(CNT: Carbon Nanotube) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
전극(10)은 기준 전위층(300)과의 사이에서 정전용량 변화량의 검출이 용이하도록 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이에 마주하는 면이 크도록 형성될 수 있다.
이하에서는 압력 센싱 장치(100)가 하나의 전극(10)으로부터 압력 크기를 검출하는 경우를 예로 들어 설명하나, 실시예에 따라 압력 센싱 장치(100)는 전극(10)을 복수 개 포함하여 복수 개의 채널을 구성하여 다중터치(multi touch)에 따라 다중의 압력 크기 검출기 가능하도록 구성될 수 있다.
실시예에 따른 전극(10)과 기준 전위층(300)과의 거리 변화에 따라 전극(10)과 기준 전위층 사이의 정전용량이 변하게 되며, 이러한 정전용량 변화에 대한 정보를 감지부(30)에서 감지하도록 함으로써 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)를 통해 압력 크기를 검출할 수 있다. 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)는 전극(10)의 자기 정전용량(self capacitance) 값으로부터 압력 크기를 검출할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)가 적용된 장치(1000)의 단면을 예시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)를 통해 압력을 검출하도록 하는 간략화된 물리적인 구조를 예시한다. 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)는 기준 전위층(300)을 포함하는 장치(1000)에 적용되어 장치(1000)에 대해 인가되는 압력 크기를 검출하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 전극(10)은 기준 전위층(300)과 소정의 거리(d)를 사이에 두고 배치될 수 있다. 이 때, 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이에는, 객체(400)를 통한 압력의 인가에 따라 형태의 변형이 가능한(deformable) 물질이 배치될 수 있다. 예를 들어, 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이에 배치된 형태 변형이 가능한 물질은, 공기(air), 유전체, 탄성체 및/또는 충격흡수물질일 수 있다.
객체(400)가 터치 표면을 형성하는 구성(200)의 터치 표면을 누르면, 압력 크기에 따라 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 거리(d)가 감소하게 된다. 기준 전위층(300)은 장치(1000)에 포함된 임의의 전위층일 수 있다. 실시예에서, 기준 전위층은 그라운드(ground) 전위를 갖는 그라운드 층일 수 있다. 거리(d)가 가까워짐에 따라 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이에 생성되는 캐패시터(Cp)의 정전용량 값이 증가할 수 있다. 즉, 거리(d) 감소에 따라 기준 전위층(300)에 대한 전극(10)의 자기 정전용량 값이 증가할 수 있다.
실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)가 적용될 수 있는 장치(1000)는 터치 위치를 검출할 수 있도록 하는 터치 센서 패널 및/또는 디스플레이 패널을 포함하는 터치 입력 장치(1000)일 수 있다. 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 전극(10)은 터치 입력 장치(1000)내의 임의의 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에서 전극(10)은 디스플레이 패널(200) 하부에 배치될 수 있다. 이 때, 기준 전위층(300)은 디스플레이 패널(200)의 노이즈(noise) 차폐층일 수 있다. 또는, 기준 전위층(300)은 터치 입력 장치(1000)의 작동을 위한 메인보드(main board) 상의 중앙 처리 유닛(CPU) 또는 AP(Application Processor) 등으로부터 발생하는 노이즈 차폐를 위한 차폐층일 수 있다. 또는, 기준 전위층(300)은 터치 입력 장치(1000)에서 디스플레이 패널(200)과 메인보드를 구분/지탱하기 위한 미드프레임(mid-frame)일 수 있다.
도 2에서 전극(10)이 디스플레이 패널(200) 하부에 배치된 것이 예시되나 이는 단지 예시일뿐이며, 터치 입력 장치(1000) 내에서 기준 전위층(300)과 소정 거리 이격된 임의의 위치에 배치될 수 있다.
또한, 터치 입력 장치(1000)에서 디스플레이 패널(200)의 상부면이 터치 표면을 구성하도록 예시되나, 이는 단지 예시일뿐이며 터치 표면은 임의의 다른 구성일 수 있으며 터치 표면에 대한 압력 인가에 따라 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이의 거리가 변화될 수 있으면 충분하다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 압력 센신 장치(100)는 구동부(20)와 전극(10) 사이에 제1 임피던스(11: Z1)를 포함하고, 전극(10)과 기준 전위층(300) 사이에 제2 임피던스(12: Z2)를 포함한다. 제1 임피던스(11) 및 제2 임피던스(12)에 대한 설명은 이하에서 상세하게 한다.
도 3은 제1 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 등가 회로를 나타낸 도면이다. 도 3에서는 압력 센싱 장치(100)의 전극(10) 및 감지부(30) 영역에 대한 등가 회로를 예시한다.
Vs는 전극(10)에 인가되는 구동신호이다. 예를 들어, 전극(10)에 인가되는 구동신호로서 시간에 따른 전압 신호일 수 있다. 예를 들어, 구동신호(Vs)는 일련의 펄스(pulse) 형태로 인가될 수 있다.
감지부(30)에서 전극(10)으로부터 수신신호를 감지하기 위한 출력단(Rx)과 기준 전위층(300) 사이에 제2 임피던스(12)가 존재하며, 제2 임피던스(12)는 압력 캐패시터(Cp)로 나타낼 수 있다. 압력 캐패시터(Cp)는 결합부(14)와 기준 전위층(300)인 그라운드 사이에 위치하는 것으로 도시될 수 있다. 이 때, 압력 캐패시터(Cp)는 전극(10)과 기준전위층(300) 사이의 거리에 따라 정전용량이 바뀌므로 가변하는 것으로 표시될 수 있다.
실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 압력 캐패시터(Cp)를 통해 압력을 검출하기 위해서는 전극(10)은 입력단(Tx)과 출력단(Rx) 사이에 구성될 수 있다. 도 3에서는 제1 임피던스(11)가 순수한 캐패시터(C1)인 경우를 예시한다. 도 3과 같이 제1 임피던스(11)를 순수한 캐패시터로 구성함으로써 압력 센싱 장치(100)가 구동신호(Vs)의 동작 주파수에 의존하지 않는 성능을 제공할 수 있다.
다만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 제한되지 않으며, 제1 임피던스(11)는 용량성 부하, 저항성 부하, 또는 유도성 부하일 수 있고, 제2 임피던스(12)는 용량성 부하, 저항성 부하, 또는 유도성 부하일 수 있다.
도 1 및 도 3에서 제1 임피던스(11)는 구동부(20)와 전극(10) 사이에 압력 검출기가 집적된 칩(chip)의 외부에 형성된 것으로 해석될 수 있다. 예를 들어, 제1 임피던스(11)는 칩 외부로서 칩과 전극을 연결하는 전도성 트레이스(trace) 등 상에 형성될 수 있다. 하지만, 이는 단지 구성상의 실시예일뿐이며, 제1 임피던스(11)는 압력 검출기가 집적된 칩 상에 함께 집적되는 것도 가능하다. 제1 임피던스(11)가 칩 내에 구현됨으로써 추가의 외부 소자에 대한 필요가 없어 단가를 낮출 수 있다. 또한, 임의의 압력 검출을 위한 전극에도 연결되어 균일한 압력 검출 성능을 제공할 수 있다.
도 3에서, 실시예에 따른 감지부(30)는 전극(10)의 출력단(Rx)에 직접 연결된 아날로그-디지털 컨버터(ADC; Analog to Digital)(33)를 포함하여 구성될 수 있다.
ADC(33)는 캐패시턴스 센서를 통과한 아날로그 데이터 신호(Vo)를 디지털 데이터로 변환할 수 있다. 추후, 디지털 데이터는 AP 또는 CPU와 같은 프로세서 등에 입력되어 터치 압력의 크기를 획득하도록 처리될 수 있다. 실시예에 따른 감지부(30)는 프로세서를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예에서, 제1 임피던스(11)의 크기와 제2 임피던스(12)의 크기는 실질적으로 동일하다. 압력 센싱을 위한 감도(sensitivity) 특성이 향상되도록 하려면, 제1 임피던스(11)의 크기와 제2 임피던스(12)의 크기는 실질적으로 동일하며, 아래의 수학식들을 통해 증명할 수 있다. 예를 들어, 제2 임피던스(12)의 크기 Cp = C로 간략하게 표시하고, 제1 임피던스(11)의 크기는 C1 = k*C 로 표시하여 증명한다.
우선, 터치 표면을 형성하는 구성(200)의 터치 표면에 객체(400)의 압력이 가해지지 않은 경우 Vo(1)는 전압분배의 법칙에 따라
Figure 112017016226863-pat00001
이고, 터치 표면을 형성하는 구성(200)의 터치 표면에 객체(400)의 압력이 가해진 경우 Vo(2)는 전압분배의 법칙에 따라
Figure 112017016226863-pat00002
이다.
[수학식 1]
Figure 112017016226863-pat00003
[수학식 2]
Figure 112017016226863-pat00004
[수학식 2]의 값의 절대값이 최대가 되는 k를 연산하기 위해,
Figure 112017016226863-pat00005
인 k 값을 연산해야 한다. 이 때, 분자 부분만 고려하면,
Figure 112017016226863-pat00006
에서,
[수학식 3]
Figure 112017016226863-pat00007
[수학식 4]
Figure 112017016226863-pat00008
[수학식 4]에서 C >> ΔC 라고 가정하면, k = 1이 된다. 따라서, C1 = Cp인 경우에
Figure 112017016226863-pat00009
가 최대값을 가지며, 이는 터치 표면을 형성하는 구성(200)의 터치 표면에 객체(400)의 압력이 가해진 경우, 구동신호(Vs)에 대해 출력단(Rx)에서의 아날로그 데이터 신호(Vo)의 변화량(ΔV)이 최대가 되는 것을 의미하며, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치 또는 압력 검출기의 압력 센싱을 위한 감도(sensitivity) 특성이 최대로 향상된 것을 의미한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 임피던스(11)의 크기와 제2 임피던스(12)의 크기가 실질적으로 동일하여, 압력 센싱을 위한 감도(sensitivity) 특성이 최대로 향상된다.
도 4 및 도 5는 제1 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)에서 감도(sensitivity) 특성을 향상시킬 수 있는 k 값의 범위를 증명하기 위한 그래프이다.
도 4에서 X축은 k 값의 범위를 나타내고, Y축은 [수학식 2]의 결과 값을 나타낸다.
[수학식 4]에서 C >> ΔC 라고 가정하였기 때문에, 통상의 기술자에게 상기 범위로 이해될 수 있는 수치를 직접 [수학식 2]에 대입하여 작성된 그래프가 도 4이다. 예시적으로 도 4는, C는 100, ΔC는 1로 가정하여 [수학식 2]에 대입한 결과를 나타낸 그래프이다.
이러한 결과를 표로 나타내면, [표 1]과 같다.
k C(Cp) ΔC [수학식 2]의 결과 값
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5		 100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100		 1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1		 0
-0.000819001
-0.00137741
-0.001761597
-0.002026342
-0.002207506
-0.002329193
-0.002407981
-0.002455494
-0.002480022
-0.002487562
-0.00248251
-0.00246812
-0.002446829
-0.00242047
-0.002390438
-0.002357795
-0.002323357
-0.002287748
-0.002251452
-0.002214839
-0.002178197
-0.002141745
-0.002105649
-0.002070036
-0.002035002
-0.002000616
-0.001966926
-0.001933969
-0.001901764
-0.001870324
-0.001839653
-0.00180975
-0.001780608
-0.001752216
-0.001724563
[수학식 2]의 기술적인 의미는 터치 표면을 형성하는 구성(200)의 터치 표면에 객체(400)의 압력이 가해진 경우, 구동신호(Vs)에 대해 출력단(Rx)에서의 아날로그 데이터 신호(Vo)의 변화량(ΔV)이 최대가 되는 것으로서, k의 값이 1일 때 [수학식 2]의 결과가 최대 값을 갖기 때문에, k의 값이 1, 즉, 제1 임피던스(11)의 크기와 제2 임피던스(12)의 크기가 실질적으로 동일할 때 본 발명의 실시예에 따른 압력 센싱 장치 또는 압력 검출기의 압력 센싱을 위한 감도(sensitivity) 특성이 최대로 향상된 것을 의미한다.
다만, 일반적으로 통상의 기술자에게 있어서, 최대 값 대비 3dB 작은 값에 포함되는 영역(통신 이론에서 대역폭(signal bandwidth)을 정의할 때 최대 값 대비 3dB 작은 값의 범위로 결정함)은 최대 값의 범주에 속하는 것으로 인식될 수 있기 때문에, 이러한 영역에 포함되는 k 값을 산출하여 본 발명의 기술적 사상의 영역에 포함되는 것으로 이해할 수 있다.
실질적으로, 본 발명에서의 기술적 사상은 제1 임피던스(11)의 크기는 제2 임피던스(12)의 크기의 0.3배 내지 제2 임피던스의 크기(12)의 3.3배의 범위 내인 것으로 이해될 수 있다. 이러한 경우에, 종래의 장치에 비하여 압력 센싱 장치 또는 압력 검출기의 압력 센싱을 위한 감도(sensitivity) 특성이 향상되었다고 판단할 수 있다.
이는 [표 2]를 참고하여 증명한다.
k C(Cp) ΔC [수학식 2]의 결과 보정 값
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5		 100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100		 1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1		 0
0.329238329
0.553719008
0.708162067
0.814589666
0.887417219
0.936335404
0.968008256
0.987108656
0.996968862
1
0.997968856
0.992184286
0.983625071
0.973029046
0.960956175
0.947833775
0.93398934
0.919674631
0.905083541
0.890365449
0.875635308
0.860981308
0.84647075
0.832154563
0.818070818
0.804247461
0.790704451
0.77745545
0.764509148
0.751870324
0.73954068
0.727519511
0.715804241
0.704390847
0.693274205
[표 2]에 나타난 결과 보정 값은 도 5에 도시되어 있다. [표 2]는 k 값이 1인 경우를 감도(sensitivity) 특성이 최대로 향상된 경우로 상정하고, k 값이 1인 경우에서의 [수학식 2]의 결과 값 대비 각각의 k 값에서의 [수학식 2]의 결과 값에 대한 비율을 [수학식 2]의 결과 보정 값으로 나타낸 것이다. 즉, 감도(sensitivity) 특성이 최대로 향상된 경우 대비 3dB 범위에 속하는 경우로서, 도 5에서 Y축의 값이 약 0.707 내지 1인 경우에 X축의 값들이 k 값의 범위에 해당된다.
도 5 및 [표 2]를 참고하면, k 값은 약 0.3 내지 3.3인 경우가 상기의 3dB의 범위에 해당하므로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제 및 기술적 사상은 제1 임피던스(11)의 크기는 제2 임피던스(12)의 크기의 0.3배 내지 제2 임피던스의 크기(12)의 3.3배의 범위 내에 해당하는 것으로 볼 수 있다.
도 6은 제2 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 등가 회로를 나타낸 도면이다. 도 6에서는 압력 센싱 장치(100)의 전극(10) 및 감지부(30) 영역에 대한 등가 회로를 예시한다.
Vs는 전극(10)에 인가되는 구동신호이다. 감지부(30)에서 전극(10)으로부터 수신신호를 감지하기 위한 출력단(Rx)과 기준 전위층(300) 사이에 제2 임피던스(12)가 존재하며, 제2 임피던스(12)는 압력 캐패시터(Cp)로 나타낼 수 있다. 압력 캐패시터(Cp)는 결합부(14)와 기준 전위층(300)인 그라운드 사이에 위치하는 것으로 도시될 수 있다. 이 때, 압력 캐패시터(Cp)는 전극(10)과 기준전위층(300) 사이의 거리에 따라 정전용량이 바뀌므로 가변하는 것으로 표시될 수 있다.
실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 압력 캐패시터(Cp)를 통해 압력을 검출하기 위해서는 전극(10)은 입력단(Tx)과 출력단(Rx) 사이에 구성될 수 있다. 도 6에서는 제1 임피던스(11)가 순수한 캐패시터(C1)인 경우를 예시한다. 도 6과 같이 제1 임피던스(11)를 순수한 캐패시터로 구성함으로써 압력 센싱 장치(100)가 구동신호(Vs)의 동작 주파수에 의존하지 않는 성능을 제공할 수 있다.
도 6에서, 실시예에 따른 감지부(30)는 ADC(33)와, ADC(33) 및 전극(10)의 출력단(Rx) 사이에 연결된 버퍼 회로(31)를 포함하여 구성될 수 있다.
버퍼 회로(31)는 출력단(Rx)에서 출력되는 수신신호를 ADC(33)로 전송하기 전에 아날로그 데이터 신호(Vo)를 임시로 저장하는 회로일 수 있다.
ADC(33)는 버퍼 회로(31)를 통과한 아날로그 데이터 신호(Vo)를 디지털 데이터로 변환할 수 있다. 추후, 디지털 데이터는 AP 또는 CPU와 같은 프로세서 등에 입력되어 터치 압력의 크기를 획득하도록 처리될 수 있다. 실시예에 따른 감지부(30)는 프로세서를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
도 6에서도, 상술한 바와 같이, 제1 임피던스(11)의 크기와 제2 임피던스(12)의 크기는 실질적으로 동일하다.
그리고, 상술한 바와 같이, 본 발명에서의 기술적 사상은 실질적으로 제1 임피던스(11)의 크기는 제2 임피던스(12)의 크기의 0.3배 내지 제2 임피던스의 크기(12)의 3.3배의 범위 내인 것으로 이해될 수 있다. 이러한 경우에, 종래의 장치에 비하여 압력 센싱 장치 또는 압력 검출기의 압력 센싱을 위한 감도(sensitivity) 특성이 향상되었다고 판단할 수 있다.
도 7은 제3 실시예에 따른 압력 센싱 장치(100)의 등가 회로를 나타낸 도면이다. 도 8은 도 7의 증폭 회로(32)의 구성을 예시적으로 도시한 도면이다. 도 7에서는 압력 센싱 장치(100)의 전극(10) 및 감지부(30) 영역에 대한 등가 회로를 예시한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 실시예에 따른 감지부(30)는 ADC(33)와, ADC(33) 및 전극(10)의 출력단(Rx) 사이에 연결된 증폭 회로(32)를 포함하여 구성될 수 있다.
증폭 회로(32)는 증폭기(32-1), 입력단 캐패시터(C2), 및 궤환 캐패시터(CFB)를 포함하여 구성되는 캐패시턴스 센서를 포함하여 구성될 수 있다. 궤환 캐패시터(CFB)는 증폭기(32-1)의 부(-)입력단과 증폭기(32-1)의 출력단 사이, 즉 궤환 경로에 결합된 캐패시터이다. 이 때, 증폭기(32-1)의 정(+)입력단은 그라운드(Ground) 또는 기준 전위(Vref)에 접속될 수 있다.
또한, 캐패시턴스 센서는 궤환 캐패시터(CFB)와 병렬로 연결되는 리셋 스위치(reset switch: 미도시)를 더 포함할 수 있다. 리셋 스위치는 캐패시턴스 센서에 의해 수행되는 전류에서 전압으로부터 변환을 리셋할 수 있다. 증폭기(32-1)의 부(-)입력단은 수신단(Rx)을 통해 전극(10)으로부터 압력 캐패시터(Cp)의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 전류 신호를 수신한 후 적분하여 아날로그 데이터 신호(Vo)로 변환할 수 있다.
감지부(30)는 캐패시턴스 센서를 통과한 아날로그 데이터 신호(Vo)를 디지털 데이터로 변환할 수 있는 ADC(33)를 포함할 수 있다. 추후, 디지털 데이터는 AP 또는 CPU와 같은 프로세서 등에 입력되어 터치 압력의 크기를 획득하도록 처리될 수 있다. 실시예에 따른 감지부(30)는 프로세서를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
도 7에서도, 상술한 바와 같이, 제1 임피던스(11)의 크기와 제2 임피던스(12)의 크기는 실질적으로 동일하다.
그리고, 상술한 바와 같이, 본 발명에서의 기술적 사상은 실질적으로 제1 임피던스(11)의 크기는 제2 임피던스(12)의 크기의 0.3배 내지 제2 임피던스의 크기(12)의 3.3배의 범위 내인 것으로 이해될 수 있다. 이러한 경우에, 종래의 장치에 비하여 압력 센싱 장치 또는 압력 검출기의 압력 센싱을 위한 감도(sensitivity) 특성이 향상되었다고 판단할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 압력 센싱 장치
10: 전극
20: 구동부
30: 감지부
1000: 터치 입력 장치
200: 디스플레이 패널
300: 기준 전위층

Claims (19)

  1. 전극;
    상기 전극에 구동신호를 인가하는 구동부;
    상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는, 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 상기 전극의 출력단으로부터 수신하는 감지부;
    상기 구동부와 상기 전극 사이로서 상기 구동신호가 통과하는 전기적 경로 상에 정의되는 제1 임피던스; 및
    상기 전극과 상기 기준 전위층 사이에서 정의되는 제2 임피던스를 포함하고,
    상기 제1 임피던스의 크기와 상기 제2 임피던스의 크기는 실질적으로 동일한, 압력 센싱 장치.
  2. 전극;
    상기 전극에 구동신호를 인가하는 구동부;
    상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는, 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 상기 전극의 출력단으로부터 수신하는 감지부;
    상기 구동부와 상기 전극 사이로서 상기 구동신호가 통과하는 전기적 경로 상에 정의되는 제1 임피던스; 및
    상기 전극과 상기 기준 전위층 사이에서 정의되는 제2 임피던스를 포함하고,
    상기 제1 임피던스의 크기는 상기 제2 임피던스의 크기의 0.3배 내지 상기 제2 임피던스의 크기의 3.3배의 범위 내인, 압력 센싱 장치.
  3. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 전극의 출력단에 직접 연결된 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하는, 압력 센싱 장치.
  4. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 감지부는 증폭기와, 상기 증폭기의 부(-)입력단과 출력단 사이에 연결된 궤환 캐패시터를 포함하는, 압력 센싱 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 감지부는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와, 상기 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 및 상기 전극의 출력단 사이에 연결된 버퍼 회로를 포함하는, 압력 센싱 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 임피던스와 상기 제2 임피던스는 용량성 부하인, 압력 센싱 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 임피던스와 상기 제2 임피던스는 저항성 부하인, 압력 센싱 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 임피던스와 상기 제2 임피던스는 유도성 부하인, 압력 센싱 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기준 전위층은 그라운드(ground) 전위층인, 압력 센싱 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 따른 압력 센싱 장치; 및
    상기 기준 전위층을 포함하여 구성되는, 장치.
  11. 전극에 구동신호를 인가하는 구동부; 및
    상기 전극을 통해, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 수신하는 감지부를 포함하며,
    상기 구동부와 상기 전극 사이로서 상기 구동신호가 통과하는 전기적 경로 상에 정의되는 제1 임피던스를 통과한 후 상기 전극에 인가되고,
    상기 전극과 상기 기준 전위층 사이에 제2 임피던스가 정의되고,
    상기 제1 임피던스의 크기와 상기 제2 임피던스의 크기는 실질적으로 동일한, 압력 검출기.
  12. 전극에 구동신호를 인가하는 구동부; 및
    상기 전극을 통해, 상기 전극과 이격된 기준 전위층과 상기 전극 사이의 상대적인 거리에 따라 변하는 상기 전극과 상기 기준 전위층 사이의 정전용량에 대한 정보를 포함하는 수신신호를 수신하는 감지부를 포함하며,
    상기 구동부와 상기 전극 사이로서 상기 구동신호가 통과하는 전기적 경로 상에 정의되는 제1 임피던스를 통과한 후 상기 전극에 인가되고,
    상기 전극과 상기 기준 전위층 사이에 제2 임피던스가 정의되고,
    상기 제1 임피던스의 크기는 상기 제2 임피던스의 크기의 0.3배 내지 상기 제2 임피던스의 크기의 3.3배의 범위 내인, 압력 검출기.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 감지부는 상기 전극의 출력단에 직접 연결된 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하는, 압력 검출기.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 감지부는 증폭기와, 상기 증폭기의 부(-)입력단과 출력단 사이에 연결된 궤환 캐패시터를 포함하는, 압력 검출기.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 감지부는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와, 상기 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 및 상기 전극의 출력단 사이에 연결된 버퍼 회로를 포함하는, 압력 검출기.
  16. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1 임피던스와 상기 제2 임피던스는 용량성 부하인, 압력 검출기.
  17. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1 임피던스와 상기 제2 임피던스는 저항성 부하인, 압력 검출기.
  18. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1 임피던스와 상기 제2 임피던스는 유도성 부하인, 압력 검출기.
  19. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 기준 전위층은 그라운드(ground) 전위층인, 압력 검출기.
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