KR102234990B1 - ３차원 ｅ―필드 센서용 매트릭스 전극 설계 - Google Patents

３차원 ｅ―필드 센서용 매트릭스 전극 설계 Download PDF

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Abstract

전극 장치는, 관측 영역까지 연장되는 준 정적 교류 전기장을 발생시키도록 구성된 송신 전극; 제 1 방향으로 연장되고 그리고 수신 전극으로서 평가 디바이스에 연결되도록 구성되는 제 1 전극; 및 상기 제 1 방향과는 다른 제 2 방향으로 연장되는 제 2 전극을 구비하고, 그리고 상기 준 정적 교류 전기장의 교란들을 평가하기 위해, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 결합함으로써 향상된 감도 프로파일이 얻어진다.

Description

３차원 Ｅ―필드 센서용 매트릭스 전극 설계{MATRIX ELECTRODE DESIGN FOR THREE-DIMENSIONAL E-FIELD SENSOR}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2013년 3월 15일 출원된 미국 가출원 번호 61/801,018 호의 이익을 주장하며, 상기 미국 가출원은 그 전체가 본 출원에 통합된다.
기술 분야
본 개시는 3차원 전기장 센서에 관한 것이다.
일반적으로 3차원 전기장 센서 구성은 예를 들어 100kHz 신호를 사용하여 전기장을 생성한다. 이러한 전기장은 전기장을 생성하는 디바이스로부터 10cm보다 많이 수직으로 확장한다. 사용자는 예를 들어 손으로 디바이스를 터치하지 않고 이 전기장에 들어올 수 있으며, 사용자에 의해 수행된 제스처는 전기장을 교란시킬 것이다. 이후에는 이러한 왜곡이 측정될 수 있고, 구성에 의해 결정된 동적 특성 및 정적 특성은 어느 유형의 제스처가 수행되었는지를 결론짓는데 이용될 수 있다.
도 1은, 준 정적(quasi-static) 교류 전기 근접장(near field)을 생성하고 이러한 전기장에서의 교란을 검출하는데 사용될 수 있는 전형적인 전극 배열(100)을 도시한다. 전극 배열은 비전도성 기판(130)을 포함하고, 비전도성 기판(130)은 송신 TX 전극(120) 위에(above) 수신 RX 전극(110)을 배치할 수 있게 한다. 여기서, 인쇄 회로 기판(130)이 사용될 수 있고, TX 전극(130)은 전체의 최하면을 덮고 최상면 상의 스트립(strip)이 하나의 RX 전극(110)을 형성한다. 하지만, 다른 배열들은 다수의 RX 전극들을 사용할 수 있고 심지어는 다수의 TX 전극들도 이용할 수 있다.
예를 들면, 도 2는 인쇄 회로 기판(200)의 예시적인 배열을 도시하며, 여기서 최상층은 인쇄 회로 기판(200)의 4개의 에지들에 배치된 4개의 RX 전극들(210, 220, 230, 240)을 포함한다. 게다가, 4개의 RX 전극들(210, 220, 230, 240)에 의해 정의된 영역의 최상층 내에는 센터 전극(250)이 배열된다. 4개의 RX 전극들(210, 220, 230, 240)은 솔리드 구리 스트립들일 수 있지만, 센터 전극은 도시된 바와 같이 망사 또는 그물 구조를 가질 수 있다. 이 실시예에서 도시된 TX 전극도 또한 망사 구조를 가질 수 있으며, 반드시 최하층에만 배치될 수 있는 것은 아니다. 도 3에 도시된 바와 같이, 인쇄 회로 기판(200)은 다층 기판일 수 있고, TX 전극은 중간층에 배열되고 컷 아웃 영역들을 제공할 수 있어서 RX 공급 라인들의 배치를 가능케 한다. 더욱이, 접지 층이 인쇄 회로 기판의 최하부에 배열되어 예를 들면 차폐를 제공할 수 있다.
이러한 전극 구조(200)에 연결될 수 있는 집적 회로 디바이스의 예는 출원인에 의해 제조된 GestIC®이라고도 불리는 제스처 평가 제어기 MGC3130이다. 달성 가능한 범위는 전기 근접장 감지, 특히 GestIC® 3차원 제스처 인식 및 추적 기술에서 가장 중요한 요소이다.
다양한 실시예들에 따르면, 보다 좋은 전극 감도 프로파일들과 이에 따른 이전보다 상당히 더 큰 범위(최대 50%)를 달성하기 위해 전극 구조를 최적화하는 방법이 도입된다. 특정 실시예들에 따르면, 두 개 이상의 전극 신호들을 결합함으로써 3차원 전기 근접장 측정의 범위가 향상되는 매트릭스 전극 구조가 제공될 수 있다.
실시예에 따르면, 전극 장치는: 관측 영역까지 연장되는 준 정적 교류 전기장을 발생시키도록 구성된 송신 전극; 제 1 방향으로 연장되고 그리고 수신 전극으로서 평가 디바이스에 연결되도록 구성되는 제 1 전극; 및 상기 제 1 방향과는 다른 제 2 방향으로 연장되는 제 2 전극을 포함할 수 있고, 상기 준 정적 교류 전기장의 교란들을 평가하기 위해, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 결합함으로써 향상된 감도 프로파일이 얻어진다.
추가 실시예에 따르면, 상기 제 2 전극을 상기 제 1 전극과 용량성으로 결합함으로써 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극이 결합될 수 있고, 상기 제 2 전극은 전기적으로 플로팅되거나 하이(high) 임피던스를 갖는다. 추가 실시예에 따르면, 상기 용량성 결합은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 연결된 개별 커패시터에 의해 실현될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 용량성 결합은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 용량성 결합 경로에 의해 실현될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 전극은 제 1 수신 신호를 생성할 수 있고 상기 제 2 전극은 제 2 수신 신호를 생성하며, 그리고 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호는 제어 가능한 개별 가중치들을 가지고 합산된다. 추가 실시예에 따르면, 상기 송신 전극은 상기 제 1 그리고/또는 제 2 수신 전극 아래에(under) 있는 층에 배열될 수 있고, 그리고 상기 제 1 및 제 2 수신 전극에 의해 수신되는 상기 준 정적 전기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 송신 층은 상기 제 1 그리고/또는 제 2 전극의 일부 영역만을 커버한다. 추가 실시예에 따르면, 상기 전극 장치는, 상기 제 1 전극을 포함하는 복수의 평행하게 배열된 제 1 전극들; 및 상기 제 1 전극에 수직으로 배열되고 상기 제 2 전극을 포함하는 복수의 평행하게 배열된 제 2 전극들을 더 포함할 수 있고, 제 1 및 제 2 전극들은 매트릭스를 형성한다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 상기 송신 전극 위에(above) 있는 서로 다른 층들 내에 배열될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 각각의 전극은 직렬로 연결된 복수의 전극 세그먼트들을 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 각각의 세그먼트는 다이아몬드 형상 또는 마름모꼴 형상을 가질 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 각각 인터-디지털(inter-digital) 구조로 배열될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전극들 각각은 내부 전극들 및 외부 전극들을 포함할 수 있고, 상기 외부 전극들은 수신 전극들을 형성한다. 추가 실시예에 따르면, 외부 전극은 상기 외부 전극에 수직으로 배열되는 내부 전극들과 용량성으로 결합될 수 있고, 상기 내부 전극들의 전극 세그먼트들 사이의 상기 용량성 결합은 상기 외부 전극과 상기 내부 전극들의 상기 전극 세그먼트들 사이의 각각의 용량성 결합과는 다르다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전극들의 인접 전극 세그먼트들은 각각의 전극 세그먼트들 간의 거리에 의해 정의되는 용량성 결합을 구비할 수 있고, 외부 전극의 전극 세그먼트들과 상기 외부 전극의 상기 전극 세그먼트들에 인접하는 내부 전극들의 전극 세그먼트들 사이의 제 1 거리는 나머지 인접 전극 세그먼트들 간의 제 2 거리와는 다르다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 상기 송신 전극 위에(above) 있는 서로 다른 층들에 배열될 수 있고, 외부 전극의 전극 세그먼트들은 상기 각각의 외부 전극에 수직으로 배열되는 상기 내부 전극들의 전극 세그먼트들과 부분적으로 중첩한다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전극들 각각은 내부 전극들 및 외부 전극들을 포함할 수 있고, 상기 외부 전극들은 수신 전극들을 형성하고, 상기 내부 전극들 각각은 직렬로 연결된 복수의 전극 세그먼트들에 의해 형성된다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 상기 송신 전극 위에(above) 있는 서로 다른 층들에 배열될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 전극 장치는 상기 매트릭스에 의해 정의된 공간들에 배열되는 플로팅 전극 세그먼트들을 더 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 송신 전극은 상기 제 1 또는 제 2 전극들과 동일한 층에 있을 수 있고, 그리고 상기 제 1 및 제 2 전극에 의해 수신되는 상기 준 정적 전기장을 발생시키도록 구성될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 각 전극의 기능은 런타임에서 전환될 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 시스템은 3차원 제스처들 및 터치를 평가할 수 있는 전극 구조를 포함할 수 있고, 적어도 제 1 포트, 제 2 포트 및 제 3 포트를 구비한 제어기를 포함하고, 상기 전극 구조는, 상기 제 1 포트와 결합된 송신 전극; 제 1 방향으로 연장되고 상기 제 2 포트와 결합하는 제 1 전극; 및 상기 제 1 방향과는 다른 제 2 방향으로 연장되고 상기 제 3 포트와 결합하는 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 용량성 결합을 제공하기 위해 상기 제 1 전극에 대하여 배치되고, 상기 제어기는 제 1 동작 모드와 제 2 동작 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 구성되고, 제 1 동작 모드에서, 상기 제어기의 상기 제 1 포트는 교류 전기장을 발생시키기 위해 상기 송신 전극을 구동하도록 구성될 수 있고, 상기 제어기의 상기 제 2 포트는 상기 송신 전극으로부터 수신된 신호를 평가하기 위해 상기 제 1 전극과, 검출 유닛을 연결하도록 구성될 수 있고, 그리고 상기 제어기의 상기 제 3 포트는 하이 임피던스 상태에 있도록 구성되고; 제 2 동작 모드에서, 상기 제어기의 상기 제 2 및 제 3 포트는 상기 제 1 및 제 2 전극을 커패시턴스 측정 유닛과 결합하도록 구성된다.
추가 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 제 2 방향으로 연장되는 복수의 제 3 전극들을 더 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 시스템은 상기 제 1 방향으로 연장되는 복수의 제 2 전극들을 더 포함할 수 있고, 제 1 및 제 2 전극들은 매트릭스로 배열된다. 추가 실시예에 따르면, 상기 시스템은, 상기 제 2 모드로 동작할 때, 상기 복수의 제 2 전극들 중 하나와 상기 복수의 제 3 전극들 중 하나를 상기 커패시턴스 측정 유닛과 선택적으로 결합하기 위한 멀티플렉서 유닛을 더 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 시스템은, 상기 제어기로부터 상기 복수의 제 3 전극들을 분리하거나, 또는 상기 복수의 제 3 전극들과 연결된 포트들을 하이 임피던스 상태로 전환시키도록 동작 가능한 멀티플렉서 유닛을 더 포함할 수 있다.
다른 또 하나의 실시예에 따르면, 3차원 위치 지정 및 제스처 센서 장치 그리고/또는 투영식 용량형(projected capacitive) 터치 센서 장치에 사용하기 위한 전극 매트릭스 구조체는: 송신 전극을 포함하는 제 1 층; 및 복수의 행들 및 열들로 배열되는 전극 요소들을 포함하는 제 2 층을 포함할 수 있고, 각 행과 열이 별도의 전극 라인을 정의하도록 각 행과 각 열의 상기 전극 요소들은 서로 연결되고, 외부 전극 라인들은 왼쪽 및 오른쪽 수직 전극과 상단 및 하단의 수평 전극을 정의하고, 내부의 행들과 열들에 의해 형성된 내부 전극 라인들은, 내부 수직 전극 라인들이 상기 상단 및 하단 전극들과 용량성으로 결합하여 상단 및 하단 전극 라인들의 감도를 향상시키도록 그리고 내부 수평 전극 라인들이 상기 왼쪽 및 오른쪽 전극들과 용량성으로 결합하여 왼쪽 및 오른쪽 전극 라인들의 감도를 향상시키도록, 상기 왼쪽 및 오른쪽 수직 전극 및 상기 상단 및 하단 수평 전극에 대하여 배열된다.
상기 전극 매트릭스 구조체의 추가 실시예에 따르면, 상기 왼쪽 또는 오른쪽 전극 라인의 전극 세그먼트들과 내부 수평 전극 라인의 인접 세그먼트들 사이의 거리, 또는 상기 상단 또는 하단 전극 라인의 전극 세그먼트들과 내부 수직 전극 라인의 인접 세그먼트들 사이의 거리는 서로 다를 수 있는데, 특히 상기 내부 수직 및 수평 전극 라인의 인접 전극 세그먼트들 사이의 거리보다 크거나 작을 수 있다. 상기 전극 매트릭스 구조체의 추가 실시예에 따르면, 상기 매트릭스의 각 전극은 마름모 형상 또는 다이아몬드 형상일 수 있다. 상기 전극 매트릭스 구조체의 추가 실시예에 따르면, 상기 전극 매트릭스 구조체는 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 배치되는 제 3 층을 더 포함할 수 있고, 상기 제 2 층에는 수평 전극 라인들이 배열되고 상기 제 3 층에는 수직 전극 라인들이 배열된다. 상기 전극 매트릭스 구조체의 추가 실시예에 따르면, 상기 전극 매트릭스 구조체는 상기 제 1 층과 상기 제 2 층 사이에 배치되는 제 3 층을 더 포함할 수 있고, 상기 제 2 층에는 수직 전극 라인들이 배열되고 상기 제 3 층에는 수평 전극 라인들이 배열된다. 상기 전극 매트릭스 구조체의 추가 실시예에 따르면, 상기 전극 매트릭스 구조체는 상기 행들 및 열들에 의해 형성된 공간들 내에 플로팅 전극들을 더 포함할 수 있다.
다른 또 하나의 실시예에 따르면, 3차원 센서 장치에 사용하기 위한 전극 매트릭스 구조체는: 내부 영역과 함께 직사각형을 형성하도록 배열된 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스트립 형상 전극들 - 각 전극은 수신기와 결합하도록 구성됨 -; 및 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극들의 감도를 향상시키기 위해, 상기 내부 영역에 배열되고 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 전극들과 용량성으로 결합하는 플로팅 센터 전극을 포함할 수 있다.
도 1은 TX 전극 및 RX 전극을 구비한 종래의 전극 배열을 도시한 도면이다.
도 2는 다수의 전극들을 구비한 인쇄 회로 기판상의 전형적인 전극 배열을 도시한 도면이다.
도 3은 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같은 인쇄 회로 기판의 단면도이다.
도 4a는 수신기 전극 e(왼쪽)에 수직인 손 움직임의 감도 프로파일(오른쪽)을 도시한 도면이다.
도 4b는 수신기 전극 e(왼쪽)에 평행한 손 움직임의 감도 프로파일(오른쪽)을 도시한 도면이다.
도 4c는 하나의 수직 수신기 전극과 하나의 수평 수신기 전극에 의해 중첩된 감도 프로파일(오른쪽)을 도시한 도면이다.
도 4d는 하나의 수직 수신기 전극과 하나의 수평 수신기 전극에 의해 중첩된 감도 프로파일(오른쪽)을 도시한 도면이다. 손 위치에 대한 의존성(남-북 방향) - 도 4c와 비교 바람.
도 4e는 서-동 감도 프로파일에서 손 위치에 대한 북-남 의존성을 낮추기 위해 하나의 수직 전극과 m개의 수평 전극들에 의해 중첩된 감도 프로파일(오른쪽)을 도시한 도면이다.
도 4f는 하나의 수직 전극과 m개의 수평 전극들에 의해 또는 하나의 수직 전극과 단일 센터 전극에 의해 중첩된 또 하나의 감도 프로파일(아래쪽)을 도시한 도면이다.
도 5는 다이아몬드 요소들을 갖는 매트릭스 전극들을 도시한 도면이고, 여기서 먼 거리(북, 동, 남, 서)에 있는 외부 전극들의 감도를 향상시키기 위해 내부 전극들이 사용된다.
도 6은 먼 거리에 있는 외부 서쪽 및 동쪽 전극들의 감도를 향상시키기 위해 용량형 결합 수직 센터 전극을 구비한 프레임 전극들을 도시한 도면이다.
도 7은 센터 영역에서 보다 작은 다이아몬드 형상의 요소들을 갖는 매트릭스 전극들을 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에 따른 전극들의 일부에 대한 등가 회로들을 도시한 도면이다.
도 9는 용량형 결합 수직 센터 전극을 구비한 프레임 전극들 및 이들과 연결된 수신기 증폭기들을 도시한 도면이다.
도 10은 먼 거리(북, 동, 남, 서)에 있는 모든 4개의 외부 전극들의 감도를 향상시키기 위해 용량형 결합 직사각형 센터 전극을 구비한 프레임 전극들을 도시한 도면이다.
도 11은 Tx, Rx, 및 수평 터치 전극과 수직 터치 전극을 구비한 배열의 등가 회로도를 도시한 도면이다.
도 12a는 마름모꼴 요소들을 구비한 매트릭스 전극들을 도시한 도면이고, 여기서 먼 거리(북, 동, 남, 서)에 있는 외부 전극들의 감도를 향상시키기 위해 내부 전극 라인들(흰색 전극 라인 및 물결 모양 전극 라인)이 사용된다.
도 12b는 마름모꼴 요소들을 구비한 매트릭스 전극들을 도시한 도면이고, 여기서 수신 전극들이 한 개의 층으로 배열된다. 제 2 TX 송신 층은 밝은 회색이다.
도 12c는 또 하나의 실시예를 도시한 도면이고, 여기서 외부 전극과 내부 전극 사이의 거리는 거리를 증가시킴으로써 감도 프로파일을 더 좋게 선형화하기 위하여 조정되었다.
도 12d는 도 12a 내지 도 12c에 도시된 실시예와 유사한 또 하나의 실시예를 도시한 도면이고, 여기서 송신 전극은 제 1 전극 및/또는 제 2 전극의 일부 영역만을 커버한다.
도 13은 마름모꼴 요소들을 구비한 매트릭스 전극들을 도시한 도면이고, 여기서 수신 전극들은 두 개의 서로 다른 층들에 배열된다. 층 1(어두운 회색 및 흰색)은 수직 정렬된 전극들을 구비하고, 층 2(어두운 회색 및 밝은 회색)는 수평 정렬된 전극들을 구비한다. 제 3 TX 송신 층은 밝은 회색이다.
도 14는 두 개의 층 RX 구성에서 마름모꼴 요소들 사이에 어떠한 상호연결 라인들도 구비하지 않은 매트릭스 전극들을 도시한다. 층 1(어두운 회색 및 흰색 대각선 줄무늬 마름모꼴)은 수직 정렬된 전극들을 구비하고, 층 2(해칭된(hatched) 전극 및 물결 모양 전극)는 수평 정렬된 전극들을 구비한다. 제 3 TX 송신 층은 밝은 회색이다.
도 15는 두 개의 층 RX 구성에서 마름모꼴 요소들을 구비한 매트릭스 전극들을 도시한 도면이고, 여기서 어두운 회색 및 해칭된 외부 수신 전극들(북, 동, 남, 서)은 거리에 따라(over distance) 감도를 향상시키는데 사용되는 내부 전극들과 z-방향으로 부분적으로 중첩한다. 층 1(어두운 회색 및 대각선 줄무늬 마름모꼴)은 수직 정렬된 전극들을 구비한다. 물결 모양의 내부 전극들은 수신 동 및 서 전극들과의 중첩을 보이게 하기 위해 투명하게 도시되어 있다. 층 2(해칭된 전극 및 물결 모양 전극)는 수평 정렬된 전극들을 구비한다. 해칭된 북 및 남 수신 전극들은 중첩을 보이게 하기 위해 투명하게 도시되어 있다. 제 3 TX 송신 층은 밝은 회색이다.
도 16은 두 개의 층 RX 구성에서 마름모꼴 요소들을 구비한 매트릭스 전극들을 도시한 도면이고, 여기서 어두운 회색 및 해칭된 외부 수신 전극들(북, 동, 남, 서)은 거리에 따라 감도를 향상시키는데 사용되는 내부 전극들과 z-방향으로 부분적으로 중첩한다. RXRX 캐리어 층은 εrRXRX를 가지고, TXRX 캐리어 층은 εrTXRX를 갖는다.
도 17은 또 하나의 실시예를 도시한 도면이고, 여기서 추가의 플로팅 사각형 전극들이 행과 열 사이의 영역들에 배치되어 있다.
E-필드는 전기 전하들에 의해 생성되고 공간에 3차원으로 분포된다. 출원인에 의해 개발된 GestIC® 기술은 예를 들어 100kHz 신호를 사용하여 인간의 몸과 같은 전도성 물체들을 감지하기 위해, 자체-생성된 준 정적이지만 교류의 전기장을 이용한다. E-필드를 생성하기 위해서는 별도의 TX 전극 층이 사용된다. 사람의 손이 전기 근접장에 침입하는 경우, 전기장은 인터셉트된(intercepted) 필드 라인들이 접지로 분로(shunt)되는 방식으로 왜곡된다. 이 과정에서 3차원 전기장은 3차원 기능으로서는 퇴화된다(degenerate). 출원인의 GestIC® 기술은 4개의 수신 전극들만을 사용하여 서로 다른 위치들에서 E-필드 변화들을 검출하고 모든 3차원들에서 전기장 왜곡의 근원(origin)을 결정할 수 있다. 출원인의 MGC3130 칩은 1fF(펨토 패럿) 미만의 커패시턴스들을 해결할 수 있다. 출원인의 웹 페이지로부터 데이터 시트 "Microchip MGC3130, Single-Zone 3D Gesture Controller Data Sheet", 2012, DS41667A가 입수 가능하며, 이것은 본 명세서에 참조로 통합된다. e-필드에 들어오는 오브젝트의 3차원 위치를 결정할 때, 3개의 수신 전극들의 최소 개수가 3변 측량(trilateration)에 사용되어야 한다. GestIC® 기술에서는 전형적으로 두 쌍의 전극들(4개)이 필드 교란 오브젝트의 x 및 y 위치를 서로 별도로 계산하는데 사용된다. 한 쌍의 전극들은 x 위치 및 오브젝트와의 거리(z 위치)를 계산하는데 사용되고, 다른 한 쌍은 y 위치를 계산하는데 사용된다. 본 개시에 설명된 기술들은 하나의 수신 전극의 최소 개수에 적용된다.
Mao Chundong의 2010년 석사 논문 "Weiterentwicklung eines Messsystems und Signalverarbeitung mit einem kapazitiven Handgestensensor"에서, 수신 전극에서 측정된 E-필드 세기는 1/d2에 비례하는 함수에 의해 대략적으로 감소함이 보여졌으며, 여기서 d는 E-필드 왜곡 접지된 오브젝트(예컨대, 사용자의 손)와 수신 측정 전극 간의 거리이다. 기본적으로, 접지된 손은 발생된 E-필드를 부분적으로 접지로 션트(shunt)한다. 도 4a는 사용자의 손과 수신 전극 간의 거리(d)에 따른 신호 편차(SD)의 감도 프로파일을 도시한다. 여기서 신호 편차(SD)는 사용자의 손이 있는 경우 및 없는 경우의 측정된 E-필드 세기의 델타 신호에 대한 측정이다. 정확한 지터 없는(non-jittery) 위치 추적을 위해서는 거리에 따른 높은 SD 레벨과 충분한 감소를 얻는 것이 바람직하다. 1/d2 감소는 더 큰 d에 대해서 위치 추적을 어렵게 하는데, 그 이유는 1/d2 함수가 거리에 따라 곧바로 평탄하게 되어 위치 추적이 애매해지기 때문이다. 전극과의 거리에 따른 좋은 위치 추적 정확성을 달성하기 위해서는, 거리에 따른 신호 편차의 대략적인 일정한 감소를 얻는 것이 바람직하다. 이러한 개시는 하나보다 많은 수신 전극의 신호들을 결합하여 향상된 위치 추적 정확성을 달성함으로써 거리에 따른 신호 편차 함수가 어떻게 제어될 수 있는가를 보여준다.
게다가, 1/d2 함수에 대해서는, 선형 전극과 평행하게 움직이는 오브젝트의 감도 프로파일은 2013년 2월 27일 출원되고 출원인에게 양도된 발명의 명칭이 "Method for Forming A Sensor Electrode For A Capacitive Sensor Device"인 미공개된 미국 특허 출원 제 13/778394 호에서 알 수 있으며, 이 문헌은 본 명세서에 참조로 통합된다. 도 4b는 손이 전극의 중간에 있을 때 신호 편차가 그것의 최대값에 도달하고 수신기 전극의 양쪽 끝으로 가면서 감소하는 것을 보여준다.
도 4c는 전극 신호들의 최적 중첩이 선택될 때, 수직 전극과 수평 전극 둘 다의 신호들의 이러한 중첩이 (손과 수평 전극(e2) 간의 한 거리에 대해) 거리에 따라 대략 일정한 감소를 갖는 신호 편차의 원하는 경사를 제공함을 보여준다. 상기 중첩은 다음의 경우들 중 어느 하나에서 이루어질 수 있다:
i) 전극 신호들의 용량성 또는 저항성 결합에 의한 하드웨어 레벨에서 이루어짐,
ii) 합산 증폭기들에 의해 아날로그 프론트-엔드에서 이루어짐 - 그리고 아날로그 프론트-엔드에서 수신 전극들의 신호들은 제어 가능한 개개의 가중치들을 가지고 "개선 전극들"의 신호들과 합산됨, 또는
iii) 디지털 신호 처리 도메인에서 이루어짐. ii)에서 설명된 것과 동일한 합산 방법이지만, 그러나 디지털화된 신호들을 사용함.
도 4c는 결합 커패시터가 중첩의 강도를 결정하는, 전극들 둘 다 간의 용량성 결합을 도시한다. 용량성 결합 방법 (i)은 가장 단순하고 비용 효율적인 해결책이며, 이하에서 추가로 설명된다. 용량성 결합은:
a) 전극들 둘 다를 (도 4c의 예에서는 좌측 상단 모서리에) 가까이 배치하고 커패시턴스(CK)에 의해 용량성 결합 경로를 생성함으로써,
b) 개별적인 커패시터 요소(CK)를 도입함으로써,
실현될 수 있다.
단지 하나의 "개선" (수평) 전극을 구비한 이러한 (단순한) 해결책의 단점은 결합된 감도 프로파일이 손과 수평 전극(e2) 간의 거리에 의존한다는 점이다(도 4d 참조). 손이 수평 전극(e2)에 너무 가까울 때에는, 결합된 감도 프로파일이 오목한 곡선 형상에 의해 "과잉 보상"된다(over-compensated). 과잉 보상된 감도 프로파일의 최대값은 검출 영역 내에서 멀리 있어서, 사용자의 손이 그 최대값 이전에 혹은 이후에 있는지가 애매모호하다.
도 4e는 m개의 수평 "개선" 전극들(eh1 내지 ehm)을 도입함으로써 손의 남-북 위치에 걸쳐서 보상이 대략 일정하게 이루어질 수 있는 방법의 해결책을 보여주며, 여기서 그 수평 전극들은 수신 서(West) 전극(ev1)에 용량성 결합된다. 각각의 애플리케이션에서 전형적인 손짓과 수평 "개선" 전극들에 결합 커패시턴스들(Ck1 내지 Ckm)을 개별적으로 조정함으로써 최적 결과들이 달성된다(예를 들면, 손은 어느 정도 평탄하게 유지되고 항상 키보드 애플리케이션의 남쪽 방향에서 온다고 가정될 수 있다).
도 4f는 전체적인 구리 센터 전극과 비교하여 수평 스트라이프(stripe)들에 의한 감도 프로파일의 선형화를 보여준다. 도 4f의 우측에 도시된 전체 구리 영역은 이하에서 확인되는 바와 같이 서로 가까이 놓인 다이아몬드들의 구조와 유사하다. 전기장에 들어오는 오브젝트로서 손 대신에, 도 4f는 표준화된 직사각형 벽돌 형상의 오브젝트일 수 있는 소위 벽돌을 보여주는데, 예를 들어, 구리 포일(foil)로 덮인 스티로폼 벽돌이 표준화된 손 시뮬레이팅 오브젝트로 사용될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, "선형" 감도 형상이 어떠한 감도 손실도 없이도 생성되도록 수신 전극들이 구성될 수 있다. 즉, 수신 전극들의 구성은 도 4f의 좌측에 도시된 수평 스트라이프 전극들의 이점들, 예를 들어 복수의 전극들에 의해 얻어진 전압 프로파일; 및 우측에 도시된 완전한 구리 영역(Ck _full)의 이점들, 예를 들면 서쪽에 있는 전극과 전체 구리 영역 간의 더 강한 용량성 결합을 포함해야 한다.
미국 가출원 번호 제 61/609,538 호의 우선권을 주장하고 본 출원인에게 양도되었으며 그 전체가 본 출원에 참조로 통합되는, 발명의 명칭이 "SYSTEM AND METHOD TO SHARE ELECTRODES BETWEEN CAPACITIVE TOUCH CONTROLLER AND GESTURE DETECTION DEVICE"인 미국 출원 제 13/675615 호에 설명된 바와 같이, 터치 제어기와 제스처 검출 시스템에 의해 전극들을 사용하기 위한 시스템들 및 방법들이 이용될 수 있다. 전형적으로, 터치 제어기 시스템은 용량 측정 방법들에 의해(예를 들면, 비(non)-차동/차동 측정을 통한 자기(self) 커패시턴스와 상호 커패시턴스에 의해) 수평 전극 라인과 수직 전극 라인 간의 결합을 결정하고, 따라서, 용량 변화들을 측정함으로써 하나 혹은 다수의 손가락들의 터치 위치를 결정할 수 있다. DE 10 2008 036 720.6 호의 우선권을 주장하고 본 출원인에게 양도되었으며 그 전체가 본 출원에 참조로 통합되는, 발명의 명칭이 "SENSOR SYSTEM FOR GENERATING SIGNALS THAT ARE INDICATIVE OF THE POSITION OR CHANGE OF POSITION OF LIMBS"인 미국 특허출원 공개번호 US2012/0313852 호에 설명된 것과 같은 제스처 검출 시스템은 전형적으로, 본 특허 출원에 설명된 전극 매트릭스 구조의 외부 전극들에 연결된다. 그 전극들은 터치 제어기와 공유되거나 공유되지 않을 수 있다.
도 5 및 도 7은 매트릭스 내에 배열된 전극 세그먼트들의 실시예들을 도시한다. 종종 이러한 배열들은 위에 언급된 바와 같이 용량형 터치 센서 디바이스들에 이용된다. 예를 들면, 이러한 전극 세그먼트들은 예를 들어 LCD 디스플레이 위에서(over) 터치 센서로 사용되도록 투명 층에 배열될 수 있다. 터치는 이웃하는 셀들의 용량성 결합을 변화시킨다. 단일 행 또는 열을 활성화시킴으로써, 열들 또는 행들의 센서 요소들의 용량성 결합이 검출될 수 있다. 예를 들면, 모든 행들을 순차적으로 활성화하고 각각의 열들과의 결합들을 순차적으로 결정함으로써, 또는 그 반대로 함으로써 하나 이상의 터치 위치가 결정될 수 있다.
또한, 이러한 유형의 터치 센서 배열들은 위에 논의된 바와 같은 터치 없는 제스처 인식에도 사용될 수 있다. 이를 위해, 전극 라인들(e서, 동, 북, 남)로 표시된 가장 바깥 쪽에 있는 전극 라인들은 도 6의 등가 회로에 도시된 전극 스트라이프들로 사용될 수 있으며, 여기서 내부 전극 세그먼트들은 센터 전극을 형성하도록 서로 스위칭될 수 있다. 어떠한 터치 제어기 시스템도 사용되지 않는 경우에는, 도 5 및 도 7에 설명된 매트릭스 구조의 내부 전극들이 플로팅 전극들일 수 있다. 플로팅은 그 전극들이 어떠한 전기 회로에도 연결되지 않음을 의미한다.
도 5의 실시예에 도시된 바와 같이, 수평 전극 스트라이프 및 수직 전극 스트라이프는 수평 또는 수직으로 배열된 다이아몬드 형상의 전극들에 의해 형성되며, 이 전극들은 각각 직렬로 결합된다. 이 전극 세그먼트들의 이점은 매우 균일한 광학 표면이 제공될 수 있다는 점이다. 도 5는 매트릭스의 우측 및 하단에서 직렬 연결된 전극들과의 연결들을 보여주지만, 또 하나의 실시예에 따르면, 수평 라인들의 행들이 또한 대안으로 좌측 및 우측에서 각각 연결되어 인터-디지털(inter-digital) 구조를 형성할 수 있다. 유사한 배열들이 매트릭스의 상단 및 하단에서의 연결들에 의해 수직 전극 라인들에 대해 이루어질 수 있다.
직렬로 결합된 복수의 수평으로 배열된 센서 요소들(500, 510)이 존재하며, 이 센서 요소들은 수평 전극 스트라이프들을 형성한다. 유사하게, 복수의 수직으로 배열된 전극 세그먼트들(600, 610)이 존재하며, 이 전극 세그먼트들은 직렬로 결합되어 수직 전극 스트라이프들을 형성한다. 각 수평 또는 수직 전극 스트라이프는 각각의 멀티플렉서 스위칭 유닛에 의해 개별적으로 선택될 수 있다. 각 수평 행, 예를 들어 e북 및 e남과 이들 사이에 놓인 행들에 있어서, 최좌측 전극 세그먼트와 최우측 전극 세그먼트는 실제로 삼각형 형상을 갖는 하프(half) 다이아몬드(510)로 구성될 수 있다. 유사하게, 각각의 열의 최상측 및 최하측 전극들(610), 예컨대 e서 및 e동과 이들 사이의 임의의 열은 유사한 형상을 가질 수 있다. 따라서, 전체 매트릭스는 도 5에 도시된 직사각형을 메운다. 도 5에는 서쪽 및 동쪽 전극들이 도시되어 있고 전극 세그먼트들(600, 610)이 회색으로 채워져 있지만, 이들 사이의 열들은 백색 세그먼트들로 도시되어 있다. 북 및 남 수평 전극 세그먼트들(500, 510)은 수평 해칭(hatching)으로 마킹되어 있지만, 이들 사이에 배열된 행들의 세그먼트들은 물결 선들로 채워져 도시되어 있다. 서쪽 전극 열의 옆에 있는 일부 전극 세그먼트들의 특정 용량성 결합들은 도 5의 우측에 도시되어 있다.
도 6은 다양한 실시예들에 따른, 도 5의 센서 구조에 의해 제공된 매트릭스에 사용될 수 있는 전극 세그먼트들의 예시적인 이용을 도시하며, 제스처 인식 시스템에 사용될 수 있다. 도 6은 개선 (센터) 전극(들)이 반드시 수신 전극들에 수직으로 배열될 필요가 있는 것은 아닌 옵션을 보여준다. 이 옵션에서 평행 센터 전극이 서쪽 및 동쪽 수신 전극들의 중간에 도입되었다. 이 예에서는 다시 용량성 결합이 이루어진다. 다시, 북 전극 e북 및 남 전극 e남은 직렬로 결합된 최상단 및 최하단 전극 세그먼트들(500, 510)에 의해 각각 형성된다. 유사하게, 서 및 동 전극들(e서, e동)은 직렬로 결합된 최좌측 및 최우측 전극 세그먼트들(600, 610)에 의해 각각 형성된다. 센터 전극(e센터)은 도 5에서 백색 또는 물결 선들로 도시된 센터 전극 세그먼트들에 의해 형성될 수 있다. 센터 영역의 다이아몬드 전극 세그먼트들이 더 가까울수록 이 구성은 완전한 구리 영역을 센터 전극으로 나타내는 도 4f의 우측에 도시된 구성과 더욱 유사해진다.
도 7은 도 5와 유사한 배열을 보여주고, 여기서 내부의 행들 및 열들의 전극 세그먼트들(700)의 크기는 도 5에 도시된 실시예와 비교하여 더 작고, 따라서 보다 작은 용량성 결합을 생성한다. 다시, 도 7의 우측은 각각의 전극 세그먼트들 사이의 용량성 결합을 보여준다. 따라서, 이 내부 전극 세그먼트와 주변 전극들(e서, 동, 북, 남) 사이의 갭에 따라, 이웃하는 전극 세그먼트들 사이에는 강하거나 약한 용량성 결합이 존재한다.
전극 구조를 설계함에 있어, 목적은 감도 손실이 없는 "선형" 감도 형상을 생성하는 것이다. 따라서, 예를 들면:
- 도 4f의 그래프에 나타난 것과 동일한 곡선(bow)이 서쪽 전극(e서)의 프로파일에 추가되어야 한다.
- 수평 전극들의 동일한 전압이 추가될 필요가 있다.
하나의 제스처 전극의 감도 프로파일이 제공되면, 최고의 선형화를 얻기 위해 신호 곡선의 소정 전압 레벨이 부가되어야 한다. 제 2 전극(들)의 존재로 인해 부가되는 전압 레벨은 결합 커패시턴스(Ck), 및 제 2 전극이 얼마나 손에 대해 민감한지에 의존한다. 표면 영역이 감도에 영향을 미치기 때문에, Ck는 각 전극의 감도에 따라 맞춰져야 한다. 도 4f의 예에서, 도 4f 왼쪽의 제 2 전극은 스트라이프이고, 도 4f의 오른쪽에서의 큰 구리 영역보다 낮은 신호 레벨을 발생시킨다. 제 2 전극으로부터 RX-전극으로 동일한 전압을 중첩(superimpose)하기 위해, 완전한 구리 전극은 스트라이프 설정에 필요한 결합 커패시턴스들의 합보다 낮은 Ck를 필요로 한다.
- 더 작은 표면을 가진 스트라이프들은 더 강한 결합을 필요로 한다 -> ΣCkn > Ck _full
- 조정된 Ck로 인해, 동일한 TX 전압이 결합된다 -> 동일한 감도가 예상된다
- 서로 다른 다이아몬드 간격들을 갖는 TC에 의해 감도가 영향받을 수 있다.
각 스트라이프에 터치 제어기의 다이 입력 커패시턴스와 같은 용량형 부하가 존재할 때에는, 각 스트라이프 전극의 신호가 접지 커패시턴스에 의해 감소하기 때문에 수신 전극의 감도가 떨어질 것이다. 선형화에 있어서, 동일한 신호 전압을 얻기 위해 Ck가 증가될 필요가 있다. Ck 증가로 인해, 수신 전극의 임피던스도 또한 감소하며(더 높은 용량형 부하), 이는 감도를 더 낮게 한다.
도 8에 보다 상세하게 도시된 바와 같이, (일정한 전극 영역을 구비한) 작은 갭들은 수평 라인과 수직 라인 사이에 강한 결합을 일으킨다. 갭이 작을수록 터치 제어기의 접지 커패시턴스의 부정적인 영향이 더 높아진다. 예를 들면, 수평 전극 스트라이프의 각각의 전극 세그먼트(800)는 각각의 수평 라인과 수직 라인 사이에 강한 결합을 제공한다. 상세하고 단순화된 등가 회로가 도 8의 우측에 도시되어 있다.
수평 라인은 손에 덜 민감하다. 따라서, 선형화 효과에 필요한 전압을 얻기 위해서는 CRxH가 증가해야 한다. RX와 GND의 결합은 증가되고 따라서 더욱 둔감해진다. 따라서, 수평 라인과 수직 라인 간에 보다 작은 갭들을 이용하는 것이 도움이 된다. 수직 라인들 및 북/남 전극들에 있어서 동일한 효과가 적용된다.
도 9 및 도 10은 준 정적 전기장 평가를 이용하는 제스처 검출 시스템에서 전극들의 전형적인 구성 및 사용을 다시 보여준다. 이 도면들은 송신기 전극들을 나타내고 있지 않지만, 송신기 전극들은 일반적으로 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같은 수신기 전극 구조 아래에 배열되고 전체의 수신기 전극 영역을 커버할 수 있다. 도 9는 각각의 입력 커패시턴스(CD_ GND)(여기서 D는 북(N), 동(E), 남(S), 서(W)의 방향을 나타냄)를 갖는 수신기 입력 회로를 추가로 보여준다. 최적 결합 커패시턴스(CKD)는 수신 전극과 송신 전극 간 용량들, 수신 전극과 접지 간 용량들 및 수신기 회로 입력 커패시턴스들(CD_GND)에 의해 결정되며, 송신 전극은 위에 언급한 바와 같이 전형적으로 수신 전극 구조 아래에 있는 큰 전극이다(도 9에 미도시됨). 이것은 본 개시의 모든 도입된 전극 설계들에 적용된다. 수신 전극들(e서, 동, 북, 남)에 의해 생성된 다양한 신호들은 평가 디바이스(920)와 결합된 스위칭 유닛(910)에 공급될 수 있다. 스위칭 유닛은 다양한 전극 신호들의 순차적인 분석을 가능케 한다. 이러한 스위칭 유닛(910)은 마이크로컨트롤러들의 아날로그-디지털 변환(ADC) 유닛들에 전형적으로 사용되는 멀티플렉서를 구비한 샘플&홀드 유닛일 수 있다. 하지만, 또한 이러한 유닛은 다수의 ADC 유닛이 사용될 수 있으면 생략될 수도 있다.
도 9는 개개의 수신 전극들의 결합을 도시하며, 이 수신 전극들은 각자의 증폭기들, 바람직하게는 제스처 검출 시스템의 하이(high) 임피던스 증폭기들을 구비한다. 도 10은 큰 센터 전극이 특히 내부 수평 및 수직 터치 전극 세그먼트들에 의해 형성되는 배열체를 도시한다. 따라서, 도 10은 범위 개선 전극 구조체로 사용될 수 있는 평판 센터 전극을 보여준다. 센터 전극은 도시된 모든 4개의 수신 전극들에 용량성 결합(bound capacitive)될 수 있다. 또 대안으로 제 5 입력 채널에 의해 중첩이 또한 아날로그 회로망에서 또는 디지털 신호 처리 도메인에서 실현될 수 있다. 도 11은 이러한 전극 구조의 등가 회로를 도시한다.
위에 언급한 바와 같이, 3변 측량에 의해 위치를 결정하는데에는 전형적으로 4개의 수신 전극들이 사용된다. 도 12a(오른쪽)는 도 4e 및 도 4f에 제시된 실시예가 어떻게 일반화되어 수평 전극 및 수직 전극을 갖는 매트릭스 구조가 되고 4개의 RX 전극 프레임 구성으로 전환(transfer)될 수 있는가를 보여준다. 물결 선들의 또는 해칭된 수평 전극 요소들(여기서 마름모 형상)은 서로 다른 라인 구조들(r1)을 통해 서로 연결되고, 어두운 회색 또는 백색의 수직 전극 요소들과 마찬가지이다. 위에 언급된 바와 같이, 수평 또는 수직 전극 요소들의 한 개의 라인은 한 개의 선형 전극을 제공한다. 수신 RX 전극들은 외부 "프레임" 전극 라인들 - 어두운 회색의 서쪽 및 동쪽 전극, 해칭된 스타일의 북쪽 및 남쪽 전극이다. 서쪽 및 동쪽 전극들의 범위와 감도 프로파일은 물결 모양 스타일의 수평 전극들에 의해 향상되는데, 이 물결 모양 스타일의 수평 전극들은 각자의 서쪽 및 동쪽 전극들(e서, e동)에 용량성으로 결합된다. 북 및 남 전극들(e북, e남)의 범위와 감도 프로파일은 백색으로 표시된 수직 전극 세그먼트들에 의해 향상된다. 도 12a에서 확대된 부분은, 내부 수평 전극 세그먼트들(1210)의 각자의 세그먼트들을 이 예에서 서쪽 및 동쪽 전극(e서, e동)의 각자의 세그먼트들에 더 가깝게 배열함으로써 특정 결합이 어떻게 실현되는지를 나타낸다. 따라서, 거리(r1)는 세그먼트들 사이의 일반 거리(r2)보다 작다. 동일한 배열이 내부 수직 전극 세그먼트들(1220)에서도 이루어진다. 동일한 조정이 도 12c에서도 수행되었지만, 여기서는 선형화 효과를 달성하기 위해 거리(r1)가 r2에 비해서 증가되었다. 특히 다양한 전극 세그먼트들의 마름모 형상은, 내부 수평 전극 세그먼트들의 에지들을 도 12a 및 도 12c에서 내부 세그먼트(1210)로 도시된 두 개의 연속 수직 전극 세그먼트들의 이웃 에지들에 평행하게 배치함으로써 용량성 결합을 조정할 수 있게 하는데 유익하다. r2는 전극 세그먼트들 간의 일반 거리를 나타내고 그리고 거리(r1)는 4개의 주요 수신 전극들(e북, e남, e서, e동) 중 하나에 인접하는 그 세그먼트들에만 이용됨을 주목해야 한다.
도 12a(왼쪽)는 센터의 개선 전극 라인들(물결 모양 또는 백색)과 외부 프레임 전극들 간의 용량성 결합이 전극 요소들 간의 거리(r1)에 의해 제어될 수 있음을 나타낸다. 일반적으로, 내부 전극들과 외부 프레임 전극들의 결합을 결정하는 거리(r1)는 터치와 3D 위치 및 3D 제스처의 애플리케이션 특정 최적화를 고려하여 내부의 수직 및 수평 전극들의 결합을 결정하는 거리(r2)와는 다르다. 수평 및 수직 전극들은 하나의 층에 있을 수 있지만, 두 개의 서로 다른 층들에 있을 수도 있다. 수평 및 수직 전극들이 하나의 층에 있는 경우에는, 상호연결 라인들의 브리지들(1230)이 수평 구조와 수직 구조를 분리하는데 사용되어야 한다.
도 12b는 일 실시예에 따른, 3차원 배열에 대한 수신 전극 세그먼트들의 사시도를 도시한 도면이다. 따라서, 도 12b는 수직 및 수평 RX 수신 전극들이 하나의 층 내에 있는 설정을 나타낸다. 전기장을 생성하는 TX 신호 송신 층과의 거리는 hTXRX로 주어진다.
도 12b는 또한 시스템의 전극들의 전형적인 연결을 나타낸다. 제스처 평가 디바이스(1240)는 4개의 입력부들과 하나의 출력부를 구비한다. 입력부들은 수신 전극들(e북, e남, e서, e동)과 연결되고, 출력부는 송신기 전극과 연결된다. 제스처 평가 시스템에 있어서, 나머지 수직 및 수평 전극들은 평가 디바이스(1240)에 연결되지 않는다. 하지만, 이러한 연결은 터치와 제스처에 둘 다 전극 매트릭스를 사용하는 결합 시스템에 제공될 수 있다. 제스처 모드 동안에는, 전극들(e북, e남, e서, e동)과 송신 전극만이 연결되지만, 나머지 연결은 하이 임피던스로 스위칭되고 이로써, 본 개시에 논의된 바와 같은 프로파일 향상들을 위해 이 전극들이 플로팅하는 것을 가능케 할 것이다. 터치 모드 동작 동안에는, 각각의 세그먼트들은 터치가 이 기술 분야에서 공지된 스위치 매트릭스에 의해 활성화될 것임을 결정할 필요가 있다.
도 12d는 도 12a 내지 도 12c에 도시된 실시예들과 유사한 또 하나의 실시예를 나타내지만, 여기서 송신 전극은 제 1 및/또는 제 2 전극의 일부 영역만을 커버한다. 따라서, 송신 전극은 프레임처럼 형상화될 수 있다.
도 13은 수직 RX 수신 전극들(e서, e동)과 수평 RX 수신 전극들(e북, e남)이 두 개의 서로 다른 층들에 있는 설정을 나타내며, 이 두 개의 층들은 hRXRX의 거리만큼 떨어져 있다. 전기장을 생성하는 TX 신호 송신 층과의 거리는 hTXRX로 주어진다.
도 14는 도 13과 동일한 설정을 나타내지만, 수직 및 수평 전극들이 두 개의 서로 다른 층들에 있고 어떠한 상호연결 브리지도 필요하지 않기 때문에 마름모꼴 전극 요소들 간에는 상호연결 라인들이 없다. 여기서 각각의 마름모의 끝들은 인접 세그먼트의 끝과 결합된다. 따라서, 수직 또는 수평 라인으로 배열된 복수의 세그먼트들에 의해 연속적인 전극 스트라이프들이 형성된다.
도 15는 수신 RX 전극들과 개선 센터 전극들의 용량성 결합이 수직 및 수평 전극들의 부분 중첩에 의해 이루어지는 가능성을 보여주며, 여기서 중첩 요소들은 서로 다른 층들에 있다. 이 예에서는, 각자의 RX 전극들(e북, e남, e서, e동)을 형성하는 단일 마름모꼴 세그먼트들을 하나의 큰 RX 마름모꼴 라인 요소(1400)로 각각 대체하여 중첩이 이루어졌다. 6개의 마름모꼴 세그먼트들이 수직 전극 스트라이프를 형성하고 7개의 마름모꼴 세그먼트들이 수평 전극 스트라이프를 형성하기 때문에, 매트릭스 내의 각각의 6개 또는 7개의 세그먼트들은 도 14에 도시된 바와 같이 하나의 단일 큰 전극(e북, e남, e서, e동)으로 대체된다. 영역들을 중첩하는 많은 다른 방법들이 가능하다. 이 경우에는, 중첩 영역의 크기를 변경함으로써 결합 커패시턴스(CK)가 제어될 수 있다.
두 개의 층들의 경우에 RX 층들은 인쇄 회로 기판(PCB), 플라스틱(예컨대, 폴리 카보네이트(PC), PC-ABS, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), 아크릴 유리(플렉시글라스)), 유리 등과 같은 비전도성 재료(RXRX 캐리어 층을 분리함)로 분리된다. 동시에 TX와 RX 층이 또한 비전도성 재료(TXRX 캐리어 층을 분리함)로 분리된다(도 16 참조). 실시예에 따르면, 타겟 오브젝트(예컨대, 사용자의 손)와 가장 유사한 감도들의 수평 전극들과 수직 전극들을 달성하기 위해 캐리어 층 두께 hRXRX는 가능한 한 작다. RX 전극을 TX 전극으로부터 최대한 분리하여 소정 TXRX 캐리어 층 두께(hTXRX)에서의 최대 감도를 가능케 하기 위해 TXRX 캐리어 층의 상대 유전율 또는 εTXRX는 가능한 한 작아야 한다.
결과적으로, 최상의 결과를 얻기 위해 캐리어 층들 둘 다는 동일한 낮은 유전성 재료의 층들이다. 좋은 투명 재료는 예를 들어
Figure 112015099907431-pct00001
을 갖는 폴리카보네이트 또는 PET일 것이다. 그럼에도 불구하고, 최상의 옵션은 수평 및 수직 전극들의 최고의 감도 및 유사 성능을 위해 단 하나의 RX-층을 이용하는 것이다.
도 17은 추가의 플로팅 정사각형 형상의 전극들(1600)이 행들과 열들 사이의 영역들에 배치되는 다른 또 하나의 실시예를 도시한 도면이다. 도 17은 추가의 플로팅 전극 구조들이 예를 들어 디스플레이 애플리케이션들에만 중요한 것은 아닌 가능한 한 균일한 광학 표면을 얻기 위해 도입될 수 있음을 보여준다.
위에 논의된 실시예들은 전극 요소들이 (예를 들어, 마름모꼴 또는 다이아몬드 형상 등으로) 설계될 수 있는 방법의 예들을 제공한다. 많은 다른 설계들이 가능하다.
요약하면, 물결 선으로 채워진 수평 전극들(eH1 내지 eHm)은 동시에 사용되어 서쪽 및 동쪽 전극의 거리 범위를 향상시켜 감도 프로파일들을 둘 다 최적화한다(선형 감소). 앞서 설명된 바와 같은 동일한 용량성 결합 기술들이나 아날로그 프론트-엔드 또는 디지털 신호 처리 기술들이 전극들의 신호들을 중첩하는데 이용될 수 있다. 개개의 물결 모양 수평 전극 라인들과 회색 수신 전극들(서쪽 및 동쪽) 사이에는 도 4c 및 도 12a에 도시된 바와 같은 용량성 결합 방법이 가장 단순하고, 이 경우에 개선 전극들(물결 선으로 채워진 수평 전극들)은 플로팅 전극들일 수 있고 신호 획득 시스템에 연결되어서는 안된다. 큰 검출 영역을 얻기 위해서, 거리(r1)를 조정함으로써 감도 프로파일이 선형화되고, 이는 서로 다른 거리들(r1 및 r2)에 이르게 된다.
결합된 터치 패널/터치 스크린 해결책의 경우에는 개선 전극들이 또한 별도의 터치 제어기에 연결될 수 있거나, 또는 결합된 3D 제스처 추적 및 인식 터치 제어기 디바이스(또는 집적 회로)의 입력부들에 연결될 수 있다. 이러한 경우에는, 이러한 터치 제어기의 수신 채널들이 도 9에 도시된 바와 같이 하이 임피던스임이 보장되어야 하는데, 예를 들면, 입력 커패시턴스가 일반적인 전극 사이즈에 따라 1, 3, 5, 10pF 미만임이 보장되어야 한다. 북 및 남 전극들의 거리 범위를 향상시키는데에는 백색 수직 전극들(eV1 내지 eVn)이 각각 사용될 수 있다.
서로 다른 실시예들의 다양한 특징들은 자유롭게 결합될 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어 일 실시예에서 정의된 형상들은 또한 다른 실시예들에도 적용될 수 있다. 제어기와 같은 회로 구조들이 다른 실시예들에 사용될 수 있지만, 제어기로 한정되는 것은 아니다. 일 실시예의 전극 구성의 구조적 배열은 또한 시스템 실시예들과 같은 다른 실시예에도 적용될 수 있다. 특징들의 다른 결합들도 가능하다.

Claims (37)

  1. 전극 어셈블리로서,
    관측 영역까지 연장되는 준-정적 교류 전기장을 발생시키도록 교류 구동 신호를 수신하는 송신 전극;
    제 1 방향으로 연장되고 그리고 평가 디바이스에 수신 전극으로서 연결되도록 구성되는 제 1 전극; 및
    상기 제 1 방향과는 다른 제 2 방향으로 연장되는 제 2 전극을 포함하고,
    상기 제 1 전극을 사용하여 상기 준-정적 교류 전기장의 교란들을 평가하기 위해, 상기 제 1 전극으로부터의 수신된 신호와 상기 제 2 전극으로부터의 수신된 신호를 결합시킴으로써 또는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 용량성으로(capacitively) 결합시킴으로써 상기 제 1 전극의 향상된 감도 프로파일을 얻는, 전극 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극을 상기 제 1 전극과 용량성으로 결합시킴으로써 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극이 결합되고, 상기 제 2 전극은 전기적으로 플로팅되거나 하이(high) 임피던스 연결부를 갖는, 전극 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 용량성 결합은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 연결된 개별 커패시터에 의해 실현되는, 전극 어셈블리.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 용량성 결합은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 용량성 결합 경로에 의해 실현되는, 전극 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 제 1 수신 신호를 생성하고 상기 제 2 전극은 제 2 수신 신호를 생성하며, 그리고 상기 제 1 신호와 상기 제 2 신호는 제어가능한 개별 가중치들을 가지고 합산되는, 전극 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    단일의 송신 전극은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나의 아래에(under) 있는 층에 배열되고, 그리고 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 의해 수신되는 상기 준-정적 전기장을 생성하도록 구성되는, 전극 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 송신 층은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나의 일부 영역만을 커버하는, 전극 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극을 포함하는 복수의 평행하게 배열된 제 1 전극들; 및
    상기 제 1 전극에 수직으로 배열되고 상기 제 2 전극을 포함하는 복수의 평행하게 배열된 제 2 전극들을 포함하고,
    상기 제 1 전극들과 상기 제 2 전극들은 매트릭스를 형성하는, 전극 어셈블리.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 전극들과 상기 제 2 전극들은 상기 송신 전극 위에(above) 있는 서로 다른 층들 내에 배열되는, 전극 어셈블리.
  10. 제 8 항에 있어서,
    각각의 전극은 직렬로 연결된 복수의 전극 세그먼트들을 포함하는, 전극 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 세그먼트들의 각각은 다이아몬드 형상을 갖는, 전극 어셈블리.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 세그먼트들의 각각은 마름모꼴 형상을 갖는, 전극 어셈블리.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 전극들과 상기 제 2 전극들은 각각 인터-디지털(inter-digital) 구조로 배열되는, 전극 어셈블리.
  14. 제 10 항에 있어서,
    내부 전극들이 직렬로 연결된 복수의 전극 세그먼트들에 의해 각각 형성된, 전극 어셈블리.
  15. 제 14 항에 있어서,
    외부 전극이 상기 외부 전극에 수직으로 배열된 상기 내부 전극들과 용량성으로 결합되고,
    수직으로 배열된 상기 내부 전극들의 인접한 상기 전극 세그먼트들 사이의 용량성 결합은 상기 외부 전극과 상기 내부 전극들의 인접한 상기 전극 세그먼트들 사이의 용량성 결합 각각과는 다른, 전극 어셈블리.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 전극들의 인접한 상기 전극 세그먼트들과 상기 제 2 전극들의 인접한 상기 전극 세그먼트들은 각각의 전극 세그먼트들 사이의 거리에 의해 정의되는 용량성 결합을 구비하고, 외부 전극의 전극 세그먼트들과 상기 외부 전극의 상기 전극 세그먼트들에 인접하는 상기 내부 전극들의 상기 전극 세그먼트들 사이의 제 1 거리는 나머지의 인접한 전극 세그먼트들 사이의 제 2 거리와는 다른, 전극 어셈블리.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 전극들과 상기 제 2 전극들이 상기 송신 전극 위에(above) 있는 서로 다른 층들에 배열되고,
    외부 전극들이 상기 외부 전극들의 각각에 수직으로 배열된 상기 내부 전극들의 상기 전극 세그먼트들과 부분적으로 중첩하는, 전극 어셈블리.
  18. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 전극들과 상기 제 2 전극들은 내부 전극들과 외부 전극들을 각각 포함하고, 상기 외부 전극들은 수신 전극들을 형성하고, 상기 내부 전극들은 직렬로 연결된 복수의 전극 세그먼트들에 의해 각각 형성되는, 전극 어셈블리.
  19. 제 18 항에 있어서,
    각각의 세그먼트는 다이아몬드 형상을 갖는, 전극 어셈블리.
  20. 제 18 항에 있어서,
    각각의 세그먼트는 마름모꼴 형상을 갖는, 전극 어셈블리.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 전극들과 상기 제 2 전극들은 상기 송신 전극 위에(above) 있는 서로 다른 층들에 배열되는, 전극 어셈블리.
  22. 제 10 항에 있어서,
    상기 매트릭스에 의해 정의된 공간들에 배열되는 플로팅 전극 세그먼트들을 더 포함하는, 전극 어셈블리.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 전극은, 상기 제 1 전극들 또는 상기 제 2 전극들과 동일한 층에 있고, 그리고 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 의해 수신되는 상기 준-정적 전기장을 발생시키도록 구성되는, 전극 어셈블리.
  24. 제 23 항에 있어서,
    각각의 전극의 기능은 런타임시 전환될 수 있는, 전극 어셈블리.
  25. 3차원 제스처들 및 터치를 평가할 수 있는 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 따른 전극 어셈블리를 포함하는 시스템으로서,
    상기 시스템은, 적어도 제 1 포트, 제 2 포트 및 제 3 포트를 구비한 제어기를 더 포함하고,
    상기 제어기는 제 1 동작 모드와 제 2 동작 모드 중 어느 하나의 모드로 동작하도록 구성되고,
    제 1 동작 모드에서:
    상기 제어기의 상기 제 1 포트는 상기 준-정적 교류 전기장을 발생시키기 위해 상기 송신 전극을 구동하도록 구성될 수 있고,
    상기 제어기의 상기 제 2 포트는 상기 송신 전극으로부터의 상기 제 1 전극에 의해 수신된 신호를 평가하기 위해 상기 제 1 전극과 검출 유닛을 연결하도록 구성될 수 있고, 그리고
    상기 제어기의 상기 제 3 포트는 상기 제 2 전극에 연결되도록 그리고 하이 임피던스 상태로 스위칭되도록 구성되고,
    제 2 동작 모드에서:
    상기 제어기의 상기 제 2 포트과 상기 제 3 포트는 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 커패시턴스 측정 유닛에 결합시키도록 구성되는, 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    매트릭스로 배열된 복수의 제 1 전극들과 복수의 제 2 전극들, 및
    상기 제 2 모드로 동작할 때, 상기 복수의 제 1 전극들 중 하나와 상기 복수의 제 2 전극들 중 하나를 상기 커패시턴스 측정 유닛에 선택적으로 결합시키는 멀티플렉서 유닛을 더 포함하는, 시스템.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 2 방향으로 연장된 복수의 제 2 전극들, 및
    상기 복수의 제 2 전극들을 상기 제어기로부터 분리시키거나 또는 상기 복수의 제 2 전극들에 연결된 포트들을 하이 임피던스 상태로 전환시키도록, 상기 제 1 모드로 동작 가능한 멀티플렉서 유닛을 더 포함하는, 시스템.
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"Single-Zone 3D Gesture Controller Data Sheet", MICROCHIP사 MGC3130칩, 2012. 1부.*

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