KR102022958B1 - Capacitive sensor having parasitic capacitance cancel circuit - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소자 구조의 공간을 확장하지 않고도 센서부의 하부 측의 기생용량을 줄이는 정전센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서부의 면적을 확장하지 않고도 실드부와 센서부의 사이에 낮은 임피던스로 동일 위상의 신호를 인가하여 외관상 변화없이 기생용량을 줄일 수 있는 기생용량 제거회로를 포함한 정전센서에 관한 것이다. 본 발명의 장치는, 정전센서부와 실드 판 사이의 공간에 용량 캔슬 플레이트(13)를 추가하고, 이 용량 캔슬 플레이트에 의해 기생용량을 감소시킨 것을 특징으로 한다. 상기 용량 캔슬 플레이트에는 트랜지스터의 에미터가 접속되고, 트랜지스터의 베이스는 정전센서부와 검출콘덴서의 일단에 공통 접속되며, 트랜지스터의 콜랙터는 Vcc로 접속되고, 상기 정전센서부의 상부에는 유전체가 부착된 것이다. 또한 트랜지스터 대신에 MOSFET를 사용해도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 따르면, 정전센서부(11)와 실드 판(12) 사이에 용량 캔슬 플레이트(13)를 부가하고, 용량 캔슬 플레이트(13)에 정전센서부와 동일 위상의 신호를 낮은 임피던스로 인가하여, 센서부의 면적을 확장하지 않고도 실드 판의 공간을 유지한 상태에서 기생용량을 감소시켜 검출능력을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따르면 센서부의 상부에 유전체를 부착할 경우 상부의 유전체에 의해 검출 정전용량(Cd)이 증가하고, 검출감도를 향상시킬 수 있다.The present invention relates to an electrostatic sensor that reduces the parasitic capacitance of the lower side of the sensor portion without expanding the space of the device structure, and more particularly, to the same phase with a low impedance between the shield portion and the sensor portion without expanding the area of the sensor portion. The present invention relates to an electrostatic sensor including a parasitic capacitance removing circuit capable of reducing a parasitic capacitance without applying a signal. The device of the present invention is characterized in that a capacity cancel plate 13 is added to the space between the electrostatic sensor portion and the shield plate, and the parasitic capacitance is reduced by this capacity cancel plate. An emitter of a transistor is connected to the capacitor cancel plate, a base of the transistor is commonly connected to one end of the electrostatic sensor unit and a detection capacitor, a collector of the transistor is connected to Vcc, and a dielectric is attached to the upper portion of the electrostatic sensor unit. . The same effect can be achieved by using MOSFETs instead of transistors. According to the present invention, a capacitive cancel plate 13 is added between the capacitive sensor section 11 and the shield plate 12, and a signal having the same phase as the capacitive sensor section is applied to the capacitive cancel plate 13 with a low impedance. In addition, the parasitic capacitance is reduced while maintaining the space of the shield plate without expanding the area of the sensor unit, thereby greatly improving the detection capability. In addition, according to the present invention, when the dielectric is attached to the upper portion of the sensor unit, the detection capacitance Cd is increased by the dielectric on the upper side, thereby improving the detection sensitivity.

Description

기생용량 제거회로를 포함한 정전센서{ CAPACITIVE SENSOR HAVING PARASITIC CAPACITANCE CANCEL CIRCUIT }CAPACITIVE SENSOR HAVING PARASITIC CAPACITANCE CANCEL CIRCUIT}

본 발명은 소자 구조의 공간을 확장하지 않고도 센서부의 하부 측의 기생용량을 줄이는 정전센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실드부와 센서부의 사이에 낮은 임피던스로 동일 위상의 신호를 인가하여 외관상 변화없이 기생용량을 줄일 수 있는 기생용량 제거회로를 포함한 정전센서에 관한 것이다.The present invention relates to an electrostatic sensor that reduces the parasitic capacitance of the lower side of the sensor portion without expanding the space of the device structure, and more particularly, by applying a signal of the same phase with a low impedance between the shield portion and the sensor portion without changing the appearance. The present invention relates to an electrostatic sensor including a parasitic capacitance elimination circuit capable of reducing parasitic capacitance.

최근 들어, 정전용량변화를 이용하여 물체를 검출하거나 압력이나 수위 혹은 물질의 양을 측정할 수 있는 센서들이 많이 개발되어 오고 있다. 정전용량의 변화를 검출하기 위한 방법으로는 종래의 브릿지 회로를 이용하는 방법, 콘덴서의 충방전 시간을 이용하는 방법, 발진회로를 이용하는 방법 등이 사용되고 있다.Recently, many sensors have been developed to detect an object using capacitance change and to measure pressure, water level, or amount of substance. As a method for detecting a change in capacitance, a method using a conventional bridge circuit, a method using charge / discharge time of a capacitor, a method using an oscillation circuit, and the like are used.

이러한 정전용량의 변화를 검출하기 위한 정전용량 센서는 센서의 구조적 문제로 인해 압력이나 물질 등의 물리적 입력신호가 없어도 일정 정전용량 값을 가지는 기생정전용량(parasitic capacitance)이 나타난다.Capacitive sensors for detecting such changes in capacitance appear parasitic capacitance having a constant capacitance value even without a physical input signal such as pressure or material due to a structural problem of the sensor.

예컨대, 터치 스크린 패널은 사람의 손가락이나 접촉 수단이 접촉되면 제1 및 제2 센서 패턴층 및 금속 배선을 통하여 구동 회로 측으로 접촉 위치에 따른 정전용량의 변화를 전기적인 신호로 변환하여 접촉 위치를 검출한다. 그런데 복수의 센서 패드는 도전체로 형성되어 있으며, 각 센서 패드 간 거리가 매우 가깝기 때문에 기생 정전용량이 존재할 수 밖에 없고, 기생 정전용량은 터치 발생 여부 검출에 악영향을 미치게 한다.For example, the touch screen panel detects a contact position by converting a change in capacitance according to the contact position into an electrical signal through the first and second sensor pattern layers and the metal wiring when the human finger or the contact means contacts. do. By the way, the plurality of sensor pads are formed of a conductor, and the parasitic capacitance is inevitably present because the distance between the sensor pads is very close, and the parasitic capacitance adversely affects whether a touch occurs.

한편, 대한민국 특허청 등록특허공보(B1)에 등록번호 10-1220936호로 공고된 "기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서의 정전용량 측정회로"는 정전용량형 센서를 구비하여 센싱된 센싱 정전용량과 기생정전용량을 함께 출력하는 센싱부와, 보상용 커패시터와 반전증폭기를 구비하여 기생정전용량에 대응되는 보상 정전용량을 출력하는 보상부와, 센싱부의 출력신호와 보상부의 출력신호를 전기적 신호로 변화시키고 증폭하여 출력하는 전하 증폭부를 구비하여 기생정전용량을 가지는 정전용량형 센서의 경우에도 센싱의 어려움 없이 정확한 센싱이 가능하다.On the other hand, the "capacitance measuring circuit of the capacitive sensor having a parasitic capacitance" published in the Republic of Korea Patent Office Patent Registration (B1) registration No. 10-1220936 is a sensing capacitance and parasitic sensing with a capacitive sensor A sensing unit for outputting capacitance together with a compensating capacitor and an inverting amplifier, and a compensating unit for outputting a compensating capacitance corresponding to the parasitic capacitance, an output signal of the sensing unit and an output signal of the compensating unit are converted into electrical signals. Capacitive sensors having a parasitic capacitance having a charge amplifying unit for amplifying and outputting them can be accurately sensed without difficulty in sensing.

또한 대한민국 특허청 등록특허공보(B1)에 등록번호 10-1453026호로 공고된 "기생 정전용량을 감쇄하는 터치 검출 장치"는 복수 개의 센서 패드 중 터치 여부 검출 대상이 되는 특정 센서 패드와 인접한 다른 센서 패드 사이에 발생하는 기생 정전용량을 감쇄시키는 감쇄부를 포함하되, 감쇄부는 특정 센서 패드의 검출 시기에 특정 센서 패드의 출력단 전압을 특정 센서 패드의 신호 배선과 인접한 신호 배선을 가진 다른 센서 패드에 인가되도록 하는 것이다.In addition, the "Touch detection device for attenuating parasitic capacitance", which is disclosed in Korean Patent Application Publication No. 10-1453026, is provided between a specific sensor pad which is a target of detection of touch among a plurality of sensor pads and another adjacent sensor pad. Attenuating part to attenuate parasitic capacitance generated in the attenuating part, wherein the attenuating part is configured to apply the output terminal voltage of the specific sensor pad to another sensor pad having a signal wiring adjacent to the signal wiring of the specific sensor pad at a detection time of the specific sensor pad .

그런데 종래의 정전 용량 센서는 센싱부와 실드부의 구조나 재료의 오차로 인한 기생용량의 편차를 감안하지 못하였을 뿐만 아니라, 구조적으로 센서부와 실드판 사이의 거리가 짧아 유전율을 떨어뜨릴 수 없고, 이에 따라 기생 용량에 대한 실드판의 영향을 줄이기 위해서는 센서부의 면적을 확장해야 하는 문제점이 있다. However, the conventional capacitive sensor not only did not consider the parasitic capacitance variation due to the structure or material error of the sensing unit and the shield unit, but also has a structurally short distance between the sensor unit and the shield plate, so that the dielectric constant cannot be reduced. Accordingly, in order to reduce the influence of the shield plate on the parasitic capacitance, there is a problem in that the area of the sensor portion must be expanded.

또한, 구조나 재료의 오차로 인한 기생용량의 편차를 개선하기 위해서는 센싱부의 일률적인 제조가 필요하지만, 이 경우 제조 단가가 높아지는 문제점이 있으며, 실드판의 영향을 줄이기 위해 센싱부의 면적을 확장하는 것은 소형화 추세에 역행하는 단점이 있다. In addition, in order to improve the variation of the parasitic capacitance due to the structure or material error, uniform manufacturing of the sensing unit is required. In this case, there is a problem in that the manufacturing cost increases, and to increase the area of the sensing unit to reduce the influence of the shield plate. There is a downside to the miniaturization trend.

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일반적으로 정전센서에서 원치 않는 후면의 정전용량 검출을 차폐하기 위해서 센서부의 후면으로 도전성 재질의 실드(shield) 판을 사용하는데, 구조적으로 실드 판과 센서부 사이의 거리가 짧아 유전율을 낮출 수 없어 기생용량이 증가하게 되는 문제점이 있고, 실드 판의 영향을 줄이기 위해서는 센서부의 면적을 크게 하여야 하는 문제점이 있다.In general, a shield plate made of a conductive material is used as the rear side of the sensor unit to shield the capacitance detection of the unwanted rear side from the electrostatic sensor, and the distance between the shield plate and the sensor unit is structurally short so that the dielectric constant cannot be lowered. There is a problem that the capacity is increased, there is a problem to increase the area of the sensor unit in order to reduce the influence of the shield plate.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 센서부와 실드 판 사이의 공간을 넓히는 방법을 생각할 수 있으나 이는 소형화를 요구하는 현재의 소자 기술 추세에 부적합하다.In order to solve this problem, a method of widening the space between the sensor unit and the shield plate can be considered, but this is unsuitable for the current trend of device technology requiring miniaturization.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 센서부 소자 구조의 공간을 확장하지 않으면서도 센서부와 실드 판 사이에 센서부와 동일 위상의 신호를 낮은 임피던스로 인가하여 외관상 변화없이 기생용량을 줄일 수 있는 기생용량 제거회로를 포함한 정전센서를 제공하는 것이다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object of the present invention is to apply a signal having the same phase as the sensor part with a low impedance between the sensor part and the shield plate without expanding the space of the sensor part element structure. It is to provide an electrostatic sensor including a parasitic capacitance removal circuit that can reduce the parasitic capacitance without changing the appearance.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 정전센서부와 실드 판 사이의 공간에 도전성 재질의 용량 캔슬(cancel) 플레이트를 추가하고, 이 용량 캔슬 플레이트에 의해 기생용량을 감소시킨 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the device of the present invention is characterized by adding a capacitance cancel plate of a conductive material to the space between the electrostatic sensor unit and the shield plate, thereby reducing the parasitic capacitance. It is done.

상기 용량 캔슬 플레이트에는 트랜지스터의 에미터가 접속되고, 트랜지스터의 베이스는 정전센서부와 검출콘덴서의 일단에 공통 접속되며, 트랜지스터의 콜랙터는 Vcc로 접속되고, 상기 정전센서부의 상부에는 유전체가 부착된 것이다.An emitter of a transistor is connected to the capacitor cancel plate, a base of the transistor is commonly connected to one end of the electrostatic sensor unit and a detection capacitor, a collector of the transistor is connected to Vcc, and a dielectric is attached to the upper portion of the electrostatic sensor unit. .

또한 트랜지스터 대신에 MOSFET를 사용해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.The same effect can be achieved by using MOSFETs instead of transistors.

본 발명에 따르면, 정전센서부와 실드 판 사이에 도전성 재질의 용량 캔슬 플레이트를 부가하고, 용량 캔슬 플레이트에 정전센서부와 동일 위상의 신호를 낮은 임피던스로 인가하여 실드 판의 공간을 유지한 상태에서 기생용량을 감소시켜 검출능력을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, a capacitive cancel plate of a conductive material is added between the capacitive sensor unit and the shield plate, and a signal of the same phase as the capacitive sensor unit is applied to the capacitive cancel plate with a low impedance to maintain the space of the shield plate. By reducing the parasitic capacity, the detection ability can be greatly improved.

또한, 본 발명에 따르면 센서부의 상부에 유전체를 부착할 경우 상부의 유전체에 의해 검출 정전용량(Cd)이 증가하고, 검출감도를 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, when the dielectric is attached to the upper portion of the sensor unit, the detection capacitance Cd is increased by the dielectric on the upper side, thereby improving the detection sensitivity.

도 1은 본 발명에 따른 정전센서회로를 도시한 개략도,
도 2는 본 발명에 따라 유전체를 부가한 경우의 등가 회로도이다.1 is a schematic diagram showing an electrostatic sensor circuit according to the present invention;
2 is an equivalent circuit diagram when a dielectric is added according to the present invention.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. The technical problems achieved by the present invention and the practice of the present invention will be more clearly understood by the preferred embodiments of the present invention described below. The following examples are merely illustrated to illustrate the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 정전센서회로를 도시한 개략도이고, 도 2는 일반적인 유전체를 부가한 경우의 등가 회로도이다. 도시된 도면에 따르면, 정전센서부(11)와 도전성 재질의 실드 판(12) 사이의 거리와 실드 판(12)의 크기와 유전체(15)에 의해 용량(Cx)이 형성되는 것을 알 수 있다.1 is a schematic diagram illustrating an electrostatic sensor circuit according to the present invention, and FIG. 2 is an equivalent circuit diagram when a general dielectric is added. According to the figure, it can be seen that the capacitance Cx is formed by the distance between the electrostatic sensor unit 11 and the shield plate 12 of the conductive material, the size of the shield plate 12, and the dielectric 15. .

본 발명에 따른 정전센서는 도 2에 도시된 바와 같이, 정전센서부(11)와 실드 판(12) 사이에 도전성 재질의 용량 캔슬 플레이트(13)를 부가하여 센서부의 하부측 용량(Ca)을 줄일 수 있다.In the electrostatic sensor according to the present invention, as shown in FIG. 2, a capacitance cancel plate 13 made of a conductive material is added between the electrostatic sensor 11 and the shield plate 12 to reduce the capacitance Ca of the lower side of the sensor unit. Can be reduced.

도 1을 참조하면, 정전센서부(11)와 용량 캔슬 플레이트(13) 사이에 등가 용량(Ca)이 형성되고, 용량 캔슬 플레이트(13)와 실드 판(12) 사이에 등가 용량(Cx)이 형성된다. 용량 캔슬 플레이트(13)는 NPN 트랜지스터(Q1)의 에미터 측에 접속되고, 트랜지스터(Q1)의 베이스는 정전센서부(11)와 검출콘덴서(C1)의 일단에 공통 접속되며, 트랜지스터(Q1)의 콜랙터는 Vcc로 접속되어 있다.Referring to FIG. 1, an equivalent capacitance Ca is formed between the electrostatic sensor 11 and the capacitance cancel plate 13, and an equivalent capacitance Cx is formed between the capacitance cancel plate 13 and the shield plate 12. Is formed. The capacitor cancel plate 13 is connected to the emitter side of the NPN transistor Q1, and the base of the transistor Q1 is commonly connected to one end of the electrostatic sensor section 11 and the detection capacitor C1, and the transistor Q1. Collector is connected to Vcc.

검출콘덴서(C1)의 일단은 접지(GND)로 접속됨과 아울러 타단에는 정전류원(21)이 직렬로 접속되어 있고, 이 공통 접속점에 정전센서부(11)의 감지전극과 트랜지스터(Q1)의 베이스가 접속되어 있다. 그리고 검출콘덴서(C1)의 양단에는 병렬로 제2 스위치(SW2)가 접속되어 있다.One end of the detection capacitor C1 is connected to ground (GND), and a constant current source 21 is connected in series to the other end thereof. At this common connection point, the sensing electrode of the electrostatic sensor unit 11 and the base of the transistor Q1 are connected. Is connected. The second switch SW2 is connected in parallel to both ends of the detection capacitor C1.

기준콘덴서(C1)의 일단은 접지(GND)로 접속됨과 아울러 타단에는 정전류원(22)이 직렬로 접속되어 있고, 기준콘덴서(C1)의 양단에는 병렬로 제1 스위치(SW1)가 접속되어 있다.One end of the reference capacitor C1 is connected to ground (GND), and a constant current source 22 is connected in series to the other end thereof, and the first switch SW1 is connected in parallel to both ends of the reference capacitor C1. .

또한 센서부(11)의 상부에 유전체(14)를 부착할 경우, 검출 측의 정전용량(Cd)이 증가되어 검출감도를 향상시킬 수 있다.In addition, when the dielectric 14 is attached to the upper portion of the sensor unit 11, the capacitance (Cd) of the detection side is increased to improve the detection sensitivity.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 정전센서는 정전센서부(11)의 하단과 마주하는 용량 캔슬 플레이트(13)를 두고, 다시 그 용량 캔슬 플레이트(13)에 센서와 동일 위상의 신호를 인가하여 기생용량을 감소시킬 수 있다. 용량 캔슬 플레이트(13)는 예를 들어 임피던스가 낮은 트랜지스터(Q1)의 에미터에 연결되어 있기 때문에 외부의 영향을 받지 않는다.The electrostatic sensor according to the present invention configured as described above has a capacitive cancel plate 13 facing the lower end of the capacitive sensor unit 11, and again applies a signal of the same phase as the sensor to the capacitive cancel plate 13 to provide parasitics. The dose can be reduced. The capacitive cancel plate 13 is not influenced by the outside, for example, because it is connected to the emitter of the transistor Q1 having a low impedance.

따라서 정전센서부(11)의 하부 용량(Ca)이 작아지고, 상부의 검출용량(Cd)이 주체가 되기 때문에 검출감도를 저하시키지 않으면서 정전센서의 후면을 차폐할 수 있다.Therefore, since the lower capacitance Ca of the electrostatic sensor unit 11 becomes smaller and the upper detection capacitance Cd becomes the main body, the rear surface of the electrostatic sensor can be shielded without lowering the detection sensitivity.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 또한, 트랜지스터를 MOFET로 바꾸어도 동일한 개선을 얻을 수 있다.The present invention has been described above with reference to one embodiment shown in the drawings, but those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. In addition, the same improvement can be obtained by replacing the transistor with a MOFET.

11: 정전센서부 12: 실드 판
13: 용량 캔슬 플레이트 14,15: 유전체
21,22: 정전류원 C1: 검출콘덴서
C2: 기준콘덴서 SW1,SW2: 스위치
Q1: 트랜지스터 R1: 임피던스11: electrostatic sensor 12: shield plate
13: Capacity cancel plate 14, 15: dielectric
21,22: constant current source C1: detection capacitor
C2: reference capacitor SW1, SW2: switch
Q1: transistor R1: impedance

Claims (4)

정전센서부(11)와 실드 판(12) 사이에 용량 캔슬 플레이트(13)를 부가하고, 상기 용량 캔슬 플레이트(13)에 정전센서부와 동일 위상의 신호를 낮은 임피던스를 통해 인가하여 기생용량을 감소시킨 기생용량 제거회로를 포함한 정전센서에 있어서,
상기 기생용량 제거회로는
용량 캔슬 플레이트(13)가 트랜지스터의 에미터 측에 접속되고, 트랜지스터의 베이스는 정전센서부와 검출콘덴서의 일단에 공통 접속되며, 트랜지스터의 콜랙터는 Vcc로 접속되는 것을 특징으로 하는 기생용량 제거회로를 포함한 정전센서.A capacitive cancel plate 13 is added between the capacitive sensor unit 11 and the shield plate 12 and parasitic capacitance is applied to the capacitive cancel plate 13 by applying a signal having the same phase as the capacitive sensor unit through a low impedance. In an electrostatic sensor comprising a reduced parasitic capacitance removal circuit,
The parasitic capacitance removing circuit
The capacitance cancel plate 13 is connected to the emitter side of the transistor, the base of the transistor is commonly connected to one end of the electrostatic sensor unit and the detection capacitor, and the collector of the transistor is connected to Vcc. Including electrostatic sensor. 제1항에 있어서, 상기 용량 캔슬 플레이트(13)는
도전성의 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 기생용량 제거회로를 포함한 정전센서.The capacity cancel plate (13) of claim 1, wherein
An electrostatic sensor comprising a parasitic capacitance removing circuit, characterized in that it is made of a conductive material. 제1항에 있어서, 상기 정전 센서부의 상부에는 유전체가 부착된 것을 특징으로 하는 기생용량 제거회로를 포함한 정전센서.The electrostatic sensor of claim 1, wherein a dielectric is attached to an upper portion of the electrostatic sensor. 삭제delete
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