KR102416377B1 - 제스처 검출 및 트래킹을 위한 전극 배치구조 - Google Patents

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마이크로칩 테크놀로지 저머니 게엠베하
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Abstract

전극 배치구조는 단일 레이어 내에 배열된 용량형 터치 센서들의 행들 및 열들을 갖는 매트릭스를 구비하고, 여기서 각각의 터치 센서는 제 1 전극 및 관련된 제 2 전극을 갖고, 상기 매트릭스의 각 행의 상기 제 1 전극들은 연결되고 상기 매트릭스의 각 열의 상기 제 2 전극들은 연결되고, 그리고 상기 전극 배치구조는 교류 송신 신호를 연결된 제 1 전극들의 상단 및 하단 행과 연결된 제 2 전극들의 최좌측 및 최우측 열에만 공급하도록 동작 가능한 용량형 커플링을 더 구비한다.

Description

제스처 검출 및 트래킹을 위한 전극 배치구조{ELECTRODE ARRANGEMENT FOR GESTURE DETECTION AND TRACKING}
관련 특허 출원
본 출원은, 2014년 8월 20일 출원된 공동 소유의 미국 가출원 번호 62/039,734 호의 우선이익을 주장하며, 상기 미국 가출원은 모든 목적들을 위해 본 출원에 참조로 통합된다.
기술 분야
본 개시는 용량형 감지 시스템 및 이러한 시스템을 동작시키는 방법에 관한 것으로, 특히 전계 효과를 이용하는 용량형 감지 시스템에 대한 전극 배치구조에 관한 것이다.
본 출원의 양수인에 의해 제조된 MGC3130으로도 알려진 "GestiCⓒ" 집적 회로는 예를 들어 약 100-200kHz의 준-정적 교류 전기 근접장을 사용하는 3차원 터치리스(touch-less) 제스처 검출 및 트래킹에 사용될 수 있는 매우 민감한 용량형 감지 기술이다. 일반적으로 이러한 시스템은 전기장을 생성하기 위해 정현파 또는 구형파 신호와 같은 교류 신호를 수신하는 송신 전극을 사용한다. 복수의 수신 전극들은 예를 들어 프레임 모양의 형상으로 송신 전극 상에(above) 배치되고, 그리고 수신 신호로부터 오브젝트의 3차원 위치가 신호 처리를 통해 집적 회로 디바이스 내에 재구성될 수 있다.
이러한 집적 회로 디바이스를 사용하는 휴먼 인터페이스 디바이스(HID)는 센서 전극들을 필요로 하는데, 이 센서 전극들은 종종 전도성 재료의 레이어들, 예를 들면 인쇄 회로 기판(PCB) 레이어의 구리 스트라이프들(stripes)로 형성된다. 이 전극들은 집적 회로의 검출 유닛에 전기적으로 연결된다. 검출 시스템에 있어서, 종래의 전극 배치구조는 다층 인쇄 회로 기판에 형성될 수 있으며, 여기서 최하 레이어(bottom layer)는 종종 전체 또는 상당 부분이 송신기로서 사용되며, 보다 작은 수신 전극들 및 보상 전극들은 최상 레이어(top layer)에 형성될 수 있다. 전극을 구축하기 위해 두 개보다 많은 레이어들이 제공될 수 있는데, 이러한 전극 구축은 또한 이러한 전극 배치구조의 제조 비용을 증가시킬 수 있다.
제스처 검출 유닛의 측정값은 특히, 전극과 타겟 사이의 용량형 커플링에 영향을 미치는 센서 전극 근방의 타겟 오브젝트(손가락/손)의 위치에 의존하며, 교류 전기장의 왜곡에 따라 타겟 측정 신호를 생성한다(yield). 제스처들은 각각의 디바이스의 어떠한 영역도 터치하지 않고도 검출 영역 위에서(above) 수행된다. 또한, 터치 검출이 디바이스의 소정 기능들을 수행/개시하는데 필요할 수도 있다.
산업 설계 및 제조 비용의 적음(flatness)으로 인해, 소비자 및 기타 산업 분야에서 투사식(projective) 용량형 터치 디스플레이가 추진되고 있다. 오늘날, 소비자 디스플레이 애플리케이션에서의 점점 많은 터치 패널들은 단일 레이어 전극 구조이고, 그런데 단일 레이어 전극 구조들은 제조가 더 용이하고, 높은 수율을 얻는데 더 용이하고, 더 얇고 그리고 아주 현저히 낮은 비용이 든다. 또한 단일 레이어 구조는 더 우수한 광학 특성(보다 높은 투명도)을 제공할 수 있다. 오늘날의 2-레이어 GestICⓒ 전극 구조는 3D 손 위치 추적 및 제스처 인식에 있어서 이러한 초기 대량 시장에 접근하는 장애물이다.
따라서, 보다 저렴한 전극 배치구조가 필요하다.
일 실시예에 따르면, 전극 배치구조는 단일 레이어 내에 배열된 용량형 터치 센서들의 행들 및 열들을 갖는 매트릭스를 포함할 수 있고, 여기서 각각의 터치 센서는 제 1 전극 및 관련된 제 2 전극을 포함하고, 상기 매트릭스의 각 행의 상기 제 1 전극들은 연결되고 상기 매트릭스의 각 열의 상기 제 2 전극들은 연결되고, 그리고 상기 전극 배치구조는 교류 송신 신호를 연결된 제 1 전극들의 상단 및 하단 행과 연결된 제 2 전극들의 최좌측 및 최우측 열에만 공급하도록 동작 가능한 용량형 커플링을 더 포함한다.
추가 실시예에 따르면, 상기 용량형 커플링은 제 1 커패시터, 제 2 커패시터, 제 3 커패시터 및 제 4 커패시터를 포함할 수 있고, 상기 제 1 커패시터의 제 1 단자는 상기 상단 행의 전극들에 연결되고, 상기 제 2 커패시터의 제 1 단자는 상기 하단 행의 전극들에 연결되고, 상기 제 3 커패시터의 제 1 단자는 상기 최좌측 열의 전극들에 연결되고, 상기 제 4 커패시터의 제 1 단자는 상기 최우측 열의 전극들에 연결되고, 그리고 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 커패시터들의 제 2 단자들은 서로 연결되어 상기 교류 송신 신호를 수신한다. 추가 실시예에 따르면, 상기 전극 배치구조는 상기 행들 및 열들에 전기 연결부를 제공하도록 구성된 복수의 공급 라인들을 포함하는 접촉 영역을 더 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 전극 배치구조는 기판을 더 포함할 수 있고, 상기 기판의 최상 면에는 상기 제 1 및 제 2 전극들이 배열된다. 추가 실시예에 따르면, 상기 기판은 가요성(flexible) 기판일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 전극 배치구조는 스위칭 회로망을 더 포함할 수 있고, 상기 스위칭 회로망은, 제 1 동작 모드에서는 상기 행들 및 열들을 터치 검출 디바이스와 결합시키고, 제 2 동작 모드에서는 상기 상단 행, 하단 행, 최좌측 열 및 최우측 열을 각각 비(non)-터치 제스처 검출 디바이스의 각각의 입력부들과 결합시킨다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 상기 제 1 동작 모드에서 투사 용량형 터치 센서들로서 동작할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 4개의 전극들이 상기 상단 행, 하단 행, 최좌측 열 및 최우측 열에 의해 형성될 수 있고 상기 제 2 동작 모드 동안 상기 용량형 커플링을 통해 연속적인 교류 송신 신호를 수신하고, 그리고 상기 4개의 전극들의 각각의 부하를 결정함으로써 평가된다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제 2 동작 모드에서는 사용되지 않은 전극들이 상기 교류 송신 신호를 수신하도록 함께 스위칭된다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 각각 빗(comb) 형상이고 인터디지털(interdigital) 방식으로 배열된다.
또 하나의 실시예에 따르면, 센서 배치구조는 위에 설명된 전극 배치구조를 포함할 수 있고, 여기서 상기 전극 배치구조는 추가로 기판의 맨 위에 배열되고 연결 영역을 포함하며, 상기 연결 영역은 상기 행들 및 열들의 전극들을 커넥터와 연결시키도록 구성된 복수의 공급 라인들을 포함한다.
추가 실시예에 따르면, 상기 센서 배치구조는 상기 공급 라인들과 연결된 컨트롤러를 더 포함할 수 있고, 여기서 상기 컨트롤러는 제 1 모드 또는 제 2 모드로 동작하도록 구성되고, 상기 제 1 모드는 상기 상단 행, 하단 행, 최우측 열 및 최좌측 열에 의해 형성된 전극을 터치리스(touch-less) 제스처 검출에 사용하고, 상기 제 2 모드는 터치 기반 검출 모드에 대해 상기 제 1 및 제 2 전극들을 투사 용량형 터치 센서들로서 사용한다.
다른 또 하나의 실시예에 따르면, 단일 레이어 내에 배열된 용량형 터치 센서들의 행들 및 열들을 갖는 매트릭스를 포함하는 센서 배치구조를 동작시키기 위한 방법으로서, 각각의 터치 센서는 제 1 전극 및 관련된 제 2 전극을 포함하고, 상기 매트릭스의 각 행의 상기 제 1 전극들은 연결되고 상기 매트릭스의 각 열의 상기 제 2 전극들은 연결되고, 상기 방법은: 제 1 동작 모드에서, 측정 사이클 동안 용량형 커플링을 통해 연속적인 교류 송신 신호를 연결된 제 1 전극들의 상단 및 하단 행과 연결된 제 2 전극들의 최좌측 및 최우측 열에 의해 형성된 제스처 검출 전극들에만 공급하고, 상기 제스처 검출 전극들에 의해 발생된 전기장에 진입하는 오브젝트의 3차원 위치를 결정하기 위해 상기 제스처 검출 전극들로부터의 신호들을 처리함으로써 상기 제스처 검출 전극들의 부하를 평가하는 단계; 및 제 2 동작 모드에서, 상기 교류 송신 신호를 턴 오프하고, 용량형 터치 센서가 터치되었는지를 결정하기 위해 각각의 용량형 터치 센서의 커패시턴스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 제 1 모드에서는 상기 교류 송신 신호가 또한 상기 매트릭스의 제 1 및 제 2 전극의 각각에, 다른 방법으로는 미사용된 제 1 및 제 2 전극에 용량성으로 공급된다.
도 1 및 도 2는 용량형 3차원 제스처 검출을 위한 종래의 센서 배치구조들을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1 또는 도 2에 따른 센서 배치구조의 단순화된 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 4는 그리드 형상의 센터 전극을 갖는 하나의 레이어 센서 배치구조의 제 1 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 송신 센터 전극을 갖는 하나의 레이어 센서 배치구조의 제 2 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 복수의 투사된 용량형 터치 센서 전극들을 갖는 하나의 레이어 센서 배치구조의 제 3 실시예를 도시한 도면이다.
도 7은 복수의 투사된 용량형 터치 센서 전극들을 갖는 하나의 레이어 센서 배치구조의 제 4 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 복수의 투사된 용량형 터치 센서 전극들을 갖는 하나의 레이어 센서 배치구조를 사용하는 센서 회로의 제 1 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 복수의 투사된 용량형 터치 센서 전극들을 갖는 하나의 레이어 센서 배치구조를 사용하는 센서 회로의 제 2 실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 복수의 투사된 용량형 터치 센서 전극들을 갖는 하나의 레이어 센서 배치구조를 사용하는 센서 회로의 제 3 실시예를 도시한 도면이다.
다양한 실시예들에 따르면, 센서 배치구조, 특히 준-정적 교류 전기 근접장의 효과들을 이용하는 비(non)-접촉식 3차원 제스처 검출 시스템을 위한 센서 배치구조가 보다 저렴한 재료 및 제조 비용, 보다 얇은 센서 구조, 그리고 투명 구조의 보다 우수한 광학 성능을 제공하도록 설계될 수 있다.
전술한 바와 같이, 3차원 용량형 비접촉 검출 시스템은 준 정적 전기장을 발생시키며, 여기서 이 전기장에 진입하는 오브젝트에 의해 야기된 그 필드 내의 교란들이 평가된다. 평가를 통해 그것은 사용자의 손가락과 같은 오브젝트의 3차원 위치를 결정할 수 있고, 오브젝트의 위치를 추적하여 미리 정의된 제스처 풀(pool of gestures)의 제스처가 수행되었는지 여부를 추가로 결정할 수 있다. 이러한 시스템은 또한 3차원 터치리스(touchless) 마우스로서 동작하거나 임의의 종류의 적절한 동작들을 제어할 수 있다. 일반적으로 이러한 시스템은 준 정적 교류 전기장을 생성하기 위해, 예컨대 100-200kHz의 주파수를 갖는 정현파 또는 구형파 신호와 같은 교류 신호를 수신하는 송신 전극을 사용한다. 예를 들어, 상호 또는 자기 커패시턴스 측정과는 달리, 송신 전극에는 발생기 신호가 영구적으로 공급되고, 측정 동안에 필드가 영구적으로 유지되면서 생성된 필드 내의 교란들이 측정된다. 상기 시스템은 단일 펄스, 단일 또는 다중 펄스에 의해 생성된 전압 및 센서 전극들의 관련된 전하 변화들을 평가하지 않는데, 그 이유는 상기 시스템이 커패시턴스 측정 시스템, 예를 들면 용량형 분압기, 또는 상호 혹은 자기 커패시턴스 측정들에 사용되는 충전 시간 측정 유닛에서 일반적이기 때문이다. 일부 실시예들에서, 송신 전극에 의해 생성된 준 정적 전기장을 평가하기 위해, 예를 들어 프레임 모양의 형상으로 복수의 수신 전극이 배치되고, 그리고 수신된 신호들로부터 오브젝트의 3차원 위치가 신호 처리를 통해 집적 회로 디바이스 내에 재구성될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 동일한 전극들이 송/수신에 사용되고, 여전히 동일한 전기장이 생성되는 동안에 상기 평가에 의해 전기장의 교란에 의해 야기된 각각의 송/수신기 전극의 부하(load)가 측정된다.
개시된 다양한 실시예들은, 예를 들어 마이크로칩(Microchip)의 GestICⓒ 3D 손 추적 및 제스처 인식 기술을 위한 전극 배치구조와 같은 전극 구조에서 2개의 전극 레이어들 중 하나를 제거하기 위한 해결책들을 제공한다. 그러나, 개시된 구조는 다른 유형의 센서 디바이스들에 유용할 수 있으며 GestICⓒ 3D 손 추적 및 제스처 인식 기술에 국한되지 않는다. 다양한 실시예에 따르면, TX 및 RX 전극들이 단지 하나의 단일 전극 레이어에만 어떻게 집적될 수 있는지의 기술들이 설명될 것이다. 설명된 기술들은 GestICⓒ 시스템에 대해 제안된 것과 유사한 전극 구조를 사용하는 임의의 전극 시스템에 적용되지만, 이러한 시스템에 국한되지 않는다. 또한, 단일 레이어 전극들이 하나의 레이어 투사 용량형(pCAP) 터치 매트릭스 구조들에 통합될 수 있는 방법에 대한 해결책들이 개시된다.
도 1 및 도 2는 종래의 2-레이어 전극 배치구조(arrangement)를 도시한다. 도 1에 도시된 구조는 센터 수신 전극(RXCenter)을 포함하지만, 도 2에 도시된 실시예는 개방된 센터 영역을 갖는 프레임 구조를 이용한다. 둘 다의 구조들에는, 전극 배치구조 상의(above) 영역에서 제스처를 수행하는 오브젝트, 예를 들어 손에 대한 공간 정보를 제공하는 4개의 수신 전극들(RXNorth, RXEast, RXSouth 및 RXWest)이 별개로 최상 레이어 위치들에 있다. 이 수신 전극들(RX)은 하부 송신 전극(TXbottom)에 의해 생성된 교류 전기장을 수신한다. (예를 들어, 플라스틱, PCB 재료, 유리 등의) 비(non)-전도성 캐리어 재료(110, 120)는 RX 전극들을 송신 전극(들)(TX)으로부터 분리시킨다. 최하 레이어의 TX 전극(TXbottom)은 E- 필드를 여기시키고 또한 RX 전극들을 후면 노이즈로부터 차폐한다. 전기장은 예를 들어 TX 전극(TXbottom)에 공급되는 100kHz 구형파 신호에 의해 생성될 수 있다. 각각의 전기장은 그리고 송신 전극(TXbottom)에 의해 캐리어 재료(110, 120) 위의, 예를 들어 약 10-15cm까지의 영역으로 투사된다. 이 영역 내에서 예컨대 자신의 손으로 제스처를 수행하는 사용자는 전기장을 교란시키고 이 교란은 4개의 RX 전극들(RXNorth, RXEast, RXSouth 및 RXWest)에 의해 검출될 수 있다. 수신된 신호들로부터 3차원 위치가 처리될 수 있다. 각 전극까지의 계산된 선형화된 거리뿐만 아니라 신호 편차, 1차 미분 및 2차 미분을 사용하여 제스처 비교/평가를 수행할 수 있다.
도 3은 단순화된 등가 회로를 도시한다. CRxTx는 RX와 TX 전극 사이의 커패시턴스를 나타내며 약 10-30pF가 될 수 있다. CRxG는 RX 전극으로부터 접지까지의 커패시턴스를 나타내며 약 10-30pF가 될 수 있다. CH는 사용자 손과 RX 전극 사이의 커패시턴스를 나타내며 약 1fF-1pF가 될 수 있다. CBuf는 전극과 결합된 RX 입력 버퍼의 고(high) 임피던스 입력 커패시턴스를 나타내며 약 6pF가 될 수 있다.
GestICⓒ 기술에 사용된 것과 같은 비-접촉 근접장 검출 시스템은 TX 전극을 통해 여기된 전기장에 미치는 사용자 손의 영향으로 생겨난 RX 입력 진폭 변화를 측정한다. 구조 타겟은 수신된 신호의 신호 편차를 최대화하는 것이다.
2 레이어 전극 구조들에서는, 전극 배치의 적층으로 인해, 일반적으로 RX 전극들이 전자 회로 및 액정 디스플레이와 같은 하부 잡음원들과 접지 둘 다에 대해 양호한 차폐를 제공하게 된다.
최적의 전극 구조에서 CRxTx 및 CRxG 커패시턴스들은 작고 크기가 유사하다. 이 시나리오는 예를 들어, 마이크로칩 테크놀로지(Microchip Technology Inc.)에서 입수할 수 있는 "GestICⓒ Design guide, Electrodes and System Design MGC3130"에 설명되어 있으며, 이 문헌은 본 출원에 참조로 통합되고, 여기서 CRxG의 하한값은 검출 회로의 입력 커패시턴스(예를 들면, 4-5pF)이다. 2 레이어 구조에서 Rx-TX 전극 거리와 절연 캐리어 재료의 낮은 유전율은 작은 CRxTx를 가능케 하고, 여기서 차폐 TX 레이어는 접지까지의 RX 전극 커패시턴스를 나타내는 작은 CRxG 값들을 보장한다.
TX 및 RX 전극들이 동일한 레이어에 정의에 따라 존재하는 다양한 실시예들에 따른 단일 레이어 구조에서는, z-차원으로의 충분한 E-필드 전파가 보장되어야 한다.
다양한 실시예들에 따라, 이들 유형의 검출 회로들의 TX 전극들은:
a) RX 전극들과 동일한 레이어에 있는 분리된 TX 구조물;
b) RX 전극들 자체;
c) 동일한 레이어에 있는 용량형 또는 저항성 터치 패널의 전극 구조물일 수 있다.
단일 레이어 구조들에서는, 레이어간 관통 공 연결(interlayer through hole connections)이 본질적으로 가능하지 않기 때문에, 공급 라인들의 라우팅이 특히 중요하다. 최적의 구조들에는 공급 라인 교차가 전혀 없다. 제안된 다양한 실시예들은 이러한 구조들을 실현하는 방법의 예들을 보여준다.
브리지들(bridges)은 소정 전극 기술들, 예를 들면 포일(foil) 또는 유리 상의 ITO, 인쇄된 포일 등에서 가능하다. 그러나, 이러한 기술은 비용이 많이 든다. 전극 보드를 연결시키는 플렉스 케이블에(on) 브리지를 구현할 수 있다. 또한, PCB 및 전극에 연결된 칩에 브리지를 구현할 수 있다.
도 4의 구조는 TX 전극을 RX 전극 레이어에 집적시키는 해결책을 보여준다. TX 전극(410)은 양측으로부터 더 낮은 접지 영향을 유지하도록 RX 전극들(420) 주위를 링 모양으로 순환한다(flow). RX 전극(420) 마다 TX 링(410)의 하나의 끊어짐(interruption)(430)에 의해 각각의 RX 전극 공급 라인(440)의 연결이 가능해진다. 도 4에 도시된 바와 같이 전극당 하나의 RX 공급 라인(440)만이 필요하다.
각각의 RX 전극(420) 주위의 TX 링들(410)은 접지를 외부 장치 부품, 예컨대 금속 하우징으로부터 차폐하고 따라서 감도를 유지한다. 종래의 구조, 예를 들면 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 GestICⓒ 구조와 비교하면, TX 전극 링(410)은 밑의 접지로부터 어떠한 차폐도 제공하지 않는다. 대략 유사한 CRXTX 및 CRXG 값들을 상기한 바와 같이 유지하기 위해서는, RX 전극(420) 아래의 접지 거리가 짧아질수록 TX 링(410)은 RX 전극들(420)에 더 근접해야 한다. 접지는 예를 들면, 투명한 단일 레이어 전극 구조 아래의 디스플레이일 수 있다.
개별 프레임 전극 TX 링들(410)은 또한, 예를 들어 GestICⓒ 구조에서 사용되는 선택적인 RX 센터 전극(450)을 위한 TX 구조를 형성한다. 어떤 RX 센터 전극도 예를 들어 센터 터치 검출에 필요하지 않은 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 TX 전극(510)에 의해 센터 영역이 바람직하게 채워질 수 있다. 시스템의 E-필드 분포와 감도가 증가한다. 도 5의 제안된 구조에서는 하나의 TX 공급 라인(520)만이 필요하다. 센터 전극(510)은 전극(420) 및/또는 도 5에 도시된 바와 같은 임의의 다른 액세스 가능 링 구조를 둘러싸는 링 구조물(410)에 직접 연결된다.
일부 실시예들에 따르면, 완전한 하나의 레이어 투사 용량형 터치 매트릭스는 도 6에 도시된 바와 같은 프레임 전극 구조의 센터 영역 내에 집적될 수 있다. 근접장 수신 전극들(420)과 내부의 pCAP 전극들(610)로부터의 모든 전극 공급 라인들은 어떠한 교차 없이 하나의 코너(620)를 통해 라우팅된다. 이 구조는 전극들과 전자 회로 기판 사이에 하나의 커넥터만을 필요로 하고 하나의 레이어 전극 보드 또는 유리(605) 상에 브리지를 필요로 하지 않기 때문에 비용을 절약할 수 있다. 모든 필요한 연결이 컨트롤러 PCB 상에 또는 도 6에 도시된 바와 같은 커넥터 내에 형성될 수 있다.
전극 열과 행을 형성하기 위한 pCAP 매트릭스에 필요한 브리지는 최첨단 기술에 따른 플렉스 커넥터, 전자 회로 기판(PCB) 및 터치 컨트롤러 칩 중 하나에서 형성된다. 도 6에는 연결부들이 점으로 표시되어 있다. 모든 다른 교차에는 브리지가 필요하다.
두 측정 간의 간섭을 피하기 위해 PCAP와 GestICⓒ 사이의 시간 다중화 동작의 경우, GestICⓒ 동작 중에 GTX 신호로 전체 터치 매트릭스를 구동할 수 있다(GTX는 이하에서 GestICⓒ TX 송신 신호이다). 따라서 터치 전극들(610)은 함께 스위칭되어, 링 구조물(410)에 연결된 단일 송신 전극을 형성한다. 이 스위칭은 보드(605)의 외부에서 예를 들어 각각의 스위칭 회로망에 의해 수행된다. 이것은 GestICⓒ 동작 중에 정의되는 강한 E-필드와 pCAP와 GestICⓒ 사이의 가장 빠른 핸드오버의 이점을 갖는다. pCAP 전극들(610) 상의 어떠한 나머지 전하도 매우 민감한 GestICⓒ 측정값에 영향을 줄 수 없다. 전형적으로 컨트롤러 칩 상의 내부에 있을 수 있는 아날로그 멀티플렉서를 사용하여 이 동작 모드를 가능케 할 수 있다. 예를 들면, GestICⓒ 칩 또는 임의의 다른 적절한 터치리스 검출 디바이스가 이 기능을 수행하도록 설계될 수 있거나 또는 예를 들어 아날로그 멀티플렉서 칩을 사용하여 외부에서 구현될 수 있다.
도 7은 하나의 레이어 전극 배치구조와 결합된 pCAP 하나의 레이어 터치 매트릭스 구조의 또 하나의 예를 도시한다. pCAP TX 및 RX 전극들(710)은 여기서 빗(comb) 구조로 구현된다. 또한, 도 7은 기판(605)이 송신 전극, 수신 전극들 및 복수의 pCAP 전극들(710)에 연결되는 개별적인 공급 라인들의 연결을 가능케 하는 커넥터 부(720)를 제공하도록 확장되거나 설계될 수 있음을 보여준다.
임의의 실시예에서의 기판(605)은 커넥터(720)를 수용하는 영역을 포함하는 경성(rigid) 인쇄 회로 기판일 수 있거나, 또는 이 기술 분야에 공지된 인쇄 회로 커넥터를 직접 형성하는 섹션(720)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 기판은 커넥터를 제공하는 가요성 기판 일 수 있거나, 또는 가요성 PCB는 커넥터 내로 삽입될 수 있는 연결부(720)를 형성한다.
일부 실시예들에 따른 다른 또 하나의 해결책은 도 8에 도시되어 있으며 GestICⓒ 시스템의 RX-TX 커패시턴스의 개별 구현이다. TX 신호는 각각의 전극(420)에 대한 개별적인 CTX 커플링 커패시턴스들(810)을 통해 RX 전극들(420) 상에 결합된다. CTX 커패시턴스들(810)은 개별적인 구성요소들일 수 있거나 또는 GestICⓒ 칩 상에 집적될 수 있다. 최적화 기준(CTX = CRXTX)을 CRXG와 동일하게 하기 위해서는 커플링 커패시턴스들(CTX_North 내지 CTX_West)이 개별적으로 조정 가능해야 한다(예: 5pF, 10pF, 15pF, .., 50pF). 도 8은 어떠한 전용 TX 전극도 필요치 않음을 보여준다. RX 전극들(420)은 E-필드를 분배하고 사용자의 손에 의해 야기된 E-필드 변화들에 민감하다. 따라서, 각각의 전극(420)은 송신기 및 수신기로서 동시에 동작하며, 여기서 수신 기능은 각 전극(420) 상의 부하를 결정함으로써 수행된다. 이 해결책은 CTX 튜닝이 근사(approximation)에 의해 수행될 수 있기 때문에 보다 실현이 간단하고 쉽다. CRXTX와 CRXG를 일치시키는 데에는 어떠한 E-필드 시뮬레이션도 필요하지 않다. 다른 한편으로, 접지 차폐는 RX 전극들(420) 상의 고 임피던스 TX 신호 때문에 효과가 낮을 수 있다. GestICⓒ 터치 영역(GestICⓒ 센터 전극(450))과 pCAP 매트릭스(610, 710)에 대해 센터 영역을 사용하는 것은 이전의 해결책들과 동일하다.
도 7 및 도 8의 실시예들에 도시된 바와 같이, pCAP 전극(710)은 인터디지털(interdigital) 방식으로 배열된 상부 및 하부 빗살 구조에 의해 형성된다. 이러한 pCAP 전극들(710)은 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 특정 상부 및 하부 전극들을 결합함으로써, 이중 기능을 위해 사용될 수 있는 행들 및 열들이 형성될 수 있다. 제스처 검출 모드(이하, GestICⓒ-모드라고도 함)에서, 전극(420)과 유사한 전극을 형성하기 위해 전체 행 또는 열을 개별적으로 사용할 수 있다. 이 전극들은 pCAP 모드에서 원래 의도된 대로 사용된다. 센서 보드 외부에 배치되는 것이 바람직한 스위칭 회로망은 이후 어느 모드에서나 패널을 동작시키는데 사용될 수 있다.
도 9는, 예를 들어 15개의 pCAP 센서들(710)을 갖는 단일 레이어 터치 매트릭스가 어떻게 pCAP-모드와 GestICⓒ 신호 획득 모드 간에 공유될 수 있는지를 보여준다. 여기서 GestICⓒ 전극들은 빗살 구조 전극들의 요소들에 의해 형성되고 이후 송신 구조와 수신 구조로 사용된다. 각각의 pCAP 센서(710)는 상부 및 하부 빗살 구조 전극으로 이루어진다. 맨 위 행의 상부 전극들은 서로 연결되어 NORTH(북) 전극(930)을 형성한다. 각 행의 마지막 pCAP 센서들의 하부 요소들은 서로 연결되어 EAST(동) 전극(940)을 형성한다. 맨 아래 행의 상부 pCAP 전극들은 연결되어 SOUTH(남) 전극(950)을 형성하고, 각 행의 각각의 제 1 pCAP 전극의 하부 전극들은 서로 연결되어 WEST(서) 전극(960)을 형성한다. 이 연결 방식으로 인해, 하부 전극들이 열을 형성하도록 연결되고 상부 전극들이 행을 형성하도록 연결되어 있기 때문에 시스템이 pCAP 모드로 동작할 때 여전히 각 pCAP 전극 쌍은 개별적으로 평가될 수 있다. 제스처 검출 TX 신호(GTX)는 시스템이 제스처 검출 모드로 동작할 때 스위치(920)를 통해 제스처 검출 GRX 전극들(여기서 CTX _East, CTX _South, CTX _West, CTX_North)에 용량성으로 결합될 수 있다.
그 외부 전극들(930...960)은 제스처 검출 모드에서 출력으로 사용되며 pCAP 측정 중에는 높은 임피던스로 설정되어야 한다. 이것은 GTX 신호를 턴 오프(turn off)하는 아날로그 스위치/멀티플렉서 회로에 의해 수행될 수 있다.
이 해결책의 이점은 활성 pCAP 터치 영역이 경계들에 이르는 보다 소형화된 전극 구조이다. 이러한 구조에서는 전극 패턴(예를 들어, 빗살형)이 보다 긴 공급 라인들보다 민감함을 보장하는 것이 필요할 수 있다. 따라서 공급 라인의 표면은 전극의 표면보다 훨씬 작아야 한다. 일반적으로 공급 라인들은 (예컨대 "나노와이어(Nanowire)" 기술을 이용하여) 매우 얇아야 한다.
도 10에 대해서는, 높은 GestICⓒ-모드 감도를 달성하기 위해 내부 전극 영역은, 접지에 대한 보다 나은 차폐 및 z-방향으로 보다 좋은 E-필드 분포를 제공하는 GestICⓒ-모드 동작 동안에 송신 신호 GTX로 구동되는 것이 다시 유리할 수 있다. 이 방법에 의해, pCAP 동작으로부터 내부 전극들에 남아있는 전하가 효과적으로 소정 전위에 놓이게 되며 pCAP 모드와 GestICⓒ 모드 사이의 어떠한 전달 효과도 발생하지 않는다.
도 10에 도시된 바와 같은 스위치/아날로그 멀티플렉서(1010)는 전극들이 pCAP과 GestICⓒ 동작 간에 어떻게 스위칭될 수 있는지를 보여준다. 일반적으로, GestICⓒ GTX와 pcapTX는 일부 실시예에 따라 서로 다른 신호들일 수 있다. 단순화(낮은 HW 및 FW 복잡성)를 위해, 다른 실시예들에 따라 신호들 둘 다는 또한 동일할 수 있다.
도 10에는, pCAP 모드와 GestICⓒ 모드 동작에 대한 서로 다른 입력 스테이지들이 도시되어 있다. GestICⓒ 모드와 pCAP 모드에 대해 동일한 입력 및 신호 컨디셔닝 회로들을 (부분적으로) 사용하는 것이 또한 가능하다.
다양한 실시예들에 따르면, 다양한 전극 배치구조들이 예를 들어 MGC3130과 후속 3D 제스처 및 터치 컨트롤러(예를 들면, MGC3430)를 갖는 터치 패널 및 디스플레이 애플리케이션들(예를 들어, 대각선으로 10" 까지)에 이용될 수 있다. 위에서 언급했듯이 GestICⓒ 기술은 대부분의 예에서 터치리스 제스처 검출 시스템을 구현하는데 이용된다. 그러나, 다양한 실시예들은 이러한 시스템으로 제한되지 않는다. 준 정적 교류 전기장을 발생시키고 교란을 검출하는 다른 시스템들 외에도 다른 용량형 3D 검출 시스템이 유사한 센서 배치구조로부터 이익을 얻을 수 있다.

Claims (23)

  1. 전극 배치구조로서,
    단일 레이어에 배열된 용량형 터치 센서들의 행들 및 열들을 갖는 매트릭스를 포함하고, 각각의 터치 센서는 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 쌍을 구성하도록 배치된 제 2 전극을 포함하고, 상기 매트릭스의 각 행의 상기 제 1 전극들은 연결되고 상기 매트릭스의 각 열의 상기 제 2 전극들은 연결되고, 그리고
    상기 전극 배치구조는:
    적어도 4개의 전극들과 연결된 용량형 커플링 회로를 더 포함하고, 제 1 동작 모드에서, 상기 용량형 커플링 회로는 교류 송신 신호를 수신하도록 구성되고 또한 상기 교류 송신 신호를 상기 적어도 4개의 전극들에 용량성으로 공급하고, 상기 적어도 4개의 전극들은 상단 행의 연결된 제 1 전극들, 하단 행의 연결된 제 1 전극들, 최좌측 열의 연결된 제 2 전극들, 및 최우측 열의 연결된 제 2 전극들에 의해 형성되는, 전극 배치구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용량형 커플링 회로는 제 1 커패시터, 제 2 커패시터, 제 3 커패시터 및 제 4 커패시터를 포함하고, 상기 제 1 커패시터의 제 1 단자는 상기 상단 행의 전극들에 연결되고, 상기 제 2 커패시터의 제 1 단자는 상기 하단 행의 전극들에 연결되고, 상기 제 3 커패시터의 제 1 단자는 상기 최좌측 열의 전극들에 연결되고, 상기 제 4 커패시터의 제 1 단자는 상기 최우측 열의 전극들에 연결되고, 그리고 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 커패시터들의 제 2 단자들은 서로 연결되어 상기 교류 송신 신호를 수신하는, 전극 배치구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 행들 및 열들에 전기 연결부를 제공하도록 구성된 복수의 공급 라인들을 포함하는 접촉 영역을 더 포함하는 전극 배치구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    기판을 더 포함하고,
    상기 기판의 최상 면에는 상기 제 1 및 제 2 전극들이 배열되는, 전극 배치구조.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판은 가요성(flexible) 기판인, 전극 배치구조.
  6. 제 4 항에 있어서,
    스위칭 회로망을 더 포함하고,
    상기 스위칭 회로망은, 제 2 동작 모드에서, 상기 행들 및 열들을 터치 검출 디바이스와 결합시키고, 상기 제 2 동작 모드에서, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 투사 용량형(projective capacitive) 터치 센서들로서 동작하고, 제 1 동작 모드에서, 상기 상단 행, 하단 행, 최좌측 열 및 최우측 열을 각각 비(non)-터치 제스처 검출 디바이스의 각각의 입력부들과 각각 결합시키고, 상기 제 1 동작 모드에서, 상기 상단 행, 하단 행, 최좌측 열 및 최우측 열의 전극들은 송신 및 수신 전극들로서 동작하는, 전극 배치구조.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 4개의 전극들은, 상기 상단 행, 하단 행, 최좌측 열 및 최우측 열에 의해 형성되어서, 상기 제 1 동작 모드 동안 상기 용량형 커플링 회로를 통해 연속적인 교류 송신 신호를 수신하고, 그리고 상기 적어도 4개의 전극들에 의해 발생된 전기장에 진입하는 오브젝트의 3차원 위치를 결정하기 위해 상기 적어도 4개의 전극들의 각각의 부하가 검출되는, 전극 배치구조.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 동작 모드에서, 상기 교류 송신 신호를 수신하도록 상기 매트릭스의 상기 적어도 4개의 전극들을 제외한 나머지 전극들 중 일부가 추가 스위칭 유닛을 통해서 함께 스위칭되는, 전극 배치구조.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극들은 각각 빗(comb) 형상이고 인터디지털(interdigital) 방식으로 배열되는, 전극 배치구조.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 전극 배치구조를 포함하는 센서 배치구조로서,
    상기 전극 배치구조는 추가로 기판의 맨 위에 배열되고 연결 영역을 포함하며, 상기 연결 영역은 상기 행들 및 열들의 전극들을 커넥터와 연결시키도록 구성된 복수의 공급 라인들을 포함하는, 센서 배치구조.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 공급 라인들과 연결된 컨트롤러를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 제 1 모드 또는 제 2 모드로 동작하도록 구성되고, 상기 제 1 모드는 상기 상단 행, 하단 행, 최우측 열 및 최좌측 열의 전극들을 터치리스(touch-less) 제스처 검출에 사용하고, 상기 제 2 모드는 터치 기반 검출 모드에 대해 상기 제 1 및 제 2 전극들을 투사 용량형 터치 센서들로서 사용하는, 센서 배치구조.
  12. 단일 레이어에 배열된 용량형 터치 센서들의 행들 및 열들을 갖는 매트릭스를 포함하는 센서 배치구조를 동작시키기 위한 방법으로서,
    각각의 터치 센서는 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 쌍을 구성하도록 배치된 제 2 전극을 포함하고, 상기 매트릭스의 각 행의 상기 제 1 전극들은 연결되고 상기 매트릭스의 각 열의 상기 제 2 전극들은 연결되고,
    상기 방법은,
    제 1 동작 모드에서, 측정 사이클 동안 용량형 커플링 회로를 통해 연속적인 교류 송신 신호를 상단 및 하단 행의 연결된 제 1 전극들과 최좌측 및 최우측 열의 연결된 제 2 전극들의 제스처 검출 전극들에만 공급하고, 상기 제스처 검출 전극들에 의해 발생된 전기장에 진입하는 오브젝트의 3차원 위치를 결정하기 위해 상기 제스처 검출 전극들로부터의 신호들을 처리함으로써 상기 제스처 검출 전극들의 부하를 검출하는 것; 그리고
    제 2 동작 모드에서, 상기 교류 송신 신호를 턴 오프하고, 용량형 터치 센서가 터치되었는지를 결정하기 위해 각각의 용량형 터치 센서의 커패시턴스를 측정하는 것을 포함하는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 모드에서, 상기 교류 송신 신호가 스위칭 유닛을 통해 직접 상기 매트릭스의 상기 상단 행, 하단 행, 최좌측 열 및 최우측 열의 전극들을 제외한 제 1 및 제 2 전극에 공급되는, 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    제 1 동작 모드에서, 상기 행들 및 열들을 터치 검출 디바이스에 결합시키고, 상기 제 1 동작 모드에서, 상기 제 1 및 제 2 전극들은 투사 용량형 터치 센서들로서 동작하고,
    제 2 동작 모드에서, 상기 상단 행, 하단 행, 최좌측 열 및 최우측 열을 비-터치 제스처 검출 디바이스의 각각의 입력부들과 각각 결합시키고, 상기 제 2 동작 모드에서, 상기 상단 행, 하단 행, 최좌측 열 및 최우측 열의 전극들은 송신 및 수신 전극들로서 동작하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    4개의 전극들은, 상기 상단 행, 하단 행, 최좌측 열 및 최우측 열에 의해 형성되어서, 상기 제 2 동작 모드 동안 상기 용량형 커플링 회로를 통해 연속적인 교류 송신 신호를 수신하고, 그리고 상기 4개의 전극들에 의해 발생된 전기장에 진입하는 오브젝트의 3차원 위치를 결정하기 위해 상기 4개의 전극들의 각각의 부하가 검출되는, 방법.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극들은 각각 빗 형상이고 인터디지털 방식으로 배열되는, 방법.
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