KR102705154B1

KR102705154B1 - 터치리스 제스처 검출과 호버 및 터치 검출을 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR102705154B1
Application number: KR1020207028127A
Authority: KR
Inventors: 악셀 헤임
Original assignee: 마이크로칩 테크날러지 인코포레이티드
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2024-09-09
Also published as: TWI815864B; US20190272059A1; US10901551B2; TW201937851A; WO2019169116A1; JP7348195B2; JP2021515931A; CN111771181B; DE112019001089T5; KR20200125692A; CN111771181A

Abstract

제1 및 제2 검출 시스템들을 조합하는 센서 시스템은 이들 시스템들의 노드들 A 및 B 전극들에 구동 신호들을 공급한다. 구동 시퀀스는 사전 충전 및 획득 단계들을 갖는 2개의 연속적인 주 단계들을 갖는 기본 획득 사이클의 반복으로 이루어진다. 제1 사전 충전 단계 동안, 노드 A는 제1 전위로 구동되고, 제1 획득 단계 동안, 제1 중간 전위로 구동되고, 노드 B는 제2 전위로 구동되고, 그 후, 노드 B를 DC에서의 고-임피던스로 스위칭하고, 제2 사전 충전 단계 동안, 노드 A는 제3 전위로 구동되고, 제2 획득 단계 동안, 제2 중간 전위로 구동되고, 노드 B는 제4 전위로 구동되고, 그 후, 노드 B를 DC에서의 고-임피던스로 스위칭한다. 제1 및 제2 검출 시스템들은 노드 A 및 B 상에서 각각 전기적 측정을 수행한다.

Description

터치리스 제스처 검출과 호버 및 터치 검출을 위한 방법 및 시스템

관련 특허 출원

본 출원은 2018년 3월 1일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Method and System for Touchless Gesture Detection and Hover and Touch Detection"인 공동 소유의 미국 가특허 출원 제62/637,002호에 대한 우선권을 주장하며; 이로써, 모든 목적을 위해, 본 명세서에 참고로 포함된다.

기술분야

본 발명은 인간 디바이스 인터페이스들, 특히 제스처 검출과 호버 및 터치 검출을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

본 출원의 양수인에 의해 제조된 MGC3130으로도 알려진 "GestIC^ㄾ" 집적 회로는 교류 전기 근접장(alternating electric near field), 예를 들어 약 40 내지 250 ㎑를 사용하는 비-터치 제스처 검출을 위해 이용되는 고도로 민감한 용량성 감지 기술이다. 용량성 감지를 이용하는 인간 기계 인터페이스(Human Machine Interface, HMI) 디바이스들은 센서 전극들을 포함하며, 이러한 센서 전극들은 종종 전도성 재료의 층들, 예컨대 ITO(indium tin oxide) 글래스 또는 PCB(printed circuit board layer)의 구리 스트라이프들로 형성된다. 이러한 전극들은, 예를 들어 동일한 PCB 또는 별개의 보드 상에서, 제스처 검출 유닛에 전기적으로 접속된다. 제스처 검출 유닛의 측정 값은, 그 중에서도, 센서 전극 근처에 있는 타깃 객체(손가락/손)의 위치에 의존하며, 이는 전극과 타깃 사이의 용량성 커플링에 영향을 주어서, 교류 전기장의 왜곡에 따라 타깃 측정 신호를 산출한다. 제스처들은 각자의 디바이스의 임의의 영역을 터치하지 않으면서 검출 영역 위에서 수행된다.

터치 포인트를 정밀하게 결정하기 위해, 보통, 추가 터치 검출 센서 디바이스가 사용된다. 터치 검출은 대체적으로 3D 좌표들, 특히 3D 검출 시스템에 의해 제공되는 수직 거리로부터 수행될 수 없다. 예를 들어, 그러한 시스템이 생성된 전기장의 외란(disturbance)을 결정하여 3D 위치 데이터를 생성하기 때문에, 시스템은 무게 중심(center of gravity) 또는 질량 중심(center of mass)과 같은 객체 내의 위치를 식별한다. 따라서, 수직 방향에서의 결정된 거리가 여전히 0보다 더 큰 동안 객체의 다른 부분의 터치가 발생할 수 있다. 이를 위해, 대체적으로, 검출 시스템들 사이의 차이의 특성(nature)으로 인해 순수 터치 검출 시스템과 3D 검출 시스템 사이에서 다중화(multiplexing)가 이용된다. 미국 특허 출원 제2016/0261250A1호는, 이로써 그 전체가 참고로 포함되는 그러한 시간 다중화 시스템에 대한 일례를 개시한다.

도 1은 시간 다중화 방식으로 2D 스캔 및 3D 스캔을 실행하는, 본 출원의 양수인으로부터 입수가능한 전형적인 2D/3D 제스처/터치 검출 시스템(100)을 도시한다. 그러한 시스템은 터치 그리드(150) 및 4개의 수신 전극들(110 내지 140)을 제공한다. 터치 그리드는, 또한, 3D 모드에서 동작할 때 송신 전극으로서 동작할 수 있다. 그러한 시스템은, 예를 들어, 2ms 타임 슬롯 동안 2D 스캐닝이 활성이고, 나머지 10ms 타임 슬롯 동안 3D 스캐닝이 활성인 12ms 지속기간의 다중화 기간들에서, 도 1a에 도시된 바와 같이 동작할 수 있는 한편, 2D 전극 그리드(150)는 송신 신호 Tx로 구동되어 3D 스캐닝을 지원한다. 즉, 그것은 채널 액세스가 2D 스캐닝과 3D 스캐닝 사이에서 교번하는 시간 다중화를 수행하고 있고, 2D 또는 3D 스캐닝을 위한 각각의 타임 슬롯은 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같은 다수의 기본 획득 사이클(Elementary Acquisition Cycle, EAC)을 포함한다. 2D 스캐닝을 위한 2ms 타임 슬롯 동안 터치가 검출되는 경우, 더 이상 터치가 검출되지 않을 때까지, 즉 터치가 해제될 때까지, 시스템은 2D 전용 모드로 진행하고, 2D 스캐닝과 3D 스캐닝 사이에서의 다중화가 계속된다. 이는 도 9의 흐름도에 예시되어 있다.

그러나, 그러한 다중화는, 보통, 제1 터치 검출의 높은 최대 지연을 갖는다. 시스템이 3D 스캐닝 모드에 있는 동안에는, 2D 그리드 상에서의 터치가 검출될 수 없다. 전술된 이유로, 일단 시스템이 2D 터치 검출 모드로 돌아간다면, 그러한 터치만이 검출될 수 있다. 따라서, 이러한 솔루션은, 100% 스캔 시간을 갖는 2D 전용 시스템에 비해, 제1 터치 검출의 경우에 최대 10ms의 추가 지연을 경험한다.

시스템이 2개의 동작 모드들 중 하나에서 동작하는 동안, 다른 동작 모드에 대해서는 어떠한 데이터도 획득되지 않는다. 이는 수신된 신호 에너지를 직접 감소시킨다. 예를 들어, 위의 구성의 경우에, 3D 측정 감도는 3D 전용 시스템에 비해 (10ms/12ms)=83%로 감소된다.

게다가, 다중화는 또한 3D 스캔에 대한 잡음 억제 능력을 감소시킨다. 데이터를 획득할 때의 타이밍에서의 연속성의 결여는, 잡음만이 있고 신호는 없는 주파수들에서의 에너지를 억제하는 디지털 필터들, 예컨대 저역 통과 필터들의 능력을 유의하게 감소시킨다. 도 19는 fTx=100 ㎑의 반송 주파수에 대한 싱글톤(single-tone) 잡음 - 디지털 필터링만을 고려함 - 에 대한 3D GestIC^ㄾ 민감도를 도시한다. 2*fTx=200 ㎑의 샘플링 주파수 및 1 ㎑로의 다운샘플링이 가정된다. 1 ㎑에서의 12개의 샘플들 중 2개가 주기적으로 폐기되어, 펑처링 패턴(puncturing pattern) PP = [ 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ]에 반영된다. 하부 플롯은 반송 주파수 주변에서의 상부 플롯의 확대도를 도시한다. 잡음에 대한 민감도는, 시간 다중화를 이용하는 경우에, 심지어 반송 주파수로부터 1 ㎑ 초과하여 떨어진 경우에도 -60 dB 이상으로 구별되게, 새로운-사이드 피크들이 발생하는 반송 주파수(및 도면에 도시되지 않은 그의 홀수 배수들) 근처에서 가장 심하게 유의하게 증가한다는 것이 관찰된다. 감소된 잡음 억제 능력은 잡음 환경들 내에서의 감소된 검출 범위를 직접적으로 암시한다.

또한, 잡음 억제 능력은 2D 스캔에 대해 감소된다. 3D 스캐닝을 위한 검출 범위 및 잡음 강건성을 최대화하기 위해, 3D 스캔 시간은 12ms로부터 10ms로 최대화되어, 2D를 위한 2밀리초 스캔 시간만을 남긴다. 이러한 스캔 시간은 단지 초기 터치를 검출하기에는 충분하지만, 잡음-강건한 호버 위치 추적을 수행하는 데에는 충분하지 않다.

호버 검출을 포함하는 다중-손가락 2D 터치 검출, 즉 근접장(<5 cm) 검출 및 하나 이상의 손가락들의 추적뿐 아니라 중간 범위 또는 `3D'(약 5 내지 20 cm) 위치 추적 및 제스처 검출을 위한 용량성 감지 시스템에 대한 필요성이 존재한다.

일 실시예에 따르면, 센서 시스템은 제1 검출 시스템 및 제2 검출 시스템을 조합할 수 있고, 여기서 센서 시스템은 구동 신호들을 제1 검출 시스템 및 제2 검출 시스템의 전극들에 공급하도록 구성되고, 구동 신호들은 기본 획득 사이클(EAC)의 반복으로 이루어진 구동 시퀀스를 포함하고, 각각의 기본 획득 사이클은 2개의 연속적인 주 단계들을 포함하고, 제1 주 단계 동안, 센서 시스템은, 제1 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 제1 검출 시스템의 적어도 하나의 전극과 커플링된 노드 A를, 제1 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 일부 시간 동안 제1 전위로 구동시키도록, 그리고 제1 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 제1 주 단계의 획득 단계의 적어도 일부 시간 동안 제1 중간 전위로 구동시키도록, 그리고 제2 검출 시스템의 적어도 하나의 전극과 커플링된 노드 B를 제1 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 일부 시간 동안 제2 전위로 구동시키도록, 그리고, 그 후, 노드 B를 제1 주 단계의 획득 단계의 적어도 일부 시간 동안 DC에서의 고-임피던스로 스위칭하도록 구성되고, 제2 주 단계 동안, 센서 시스템은, 제2 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 노드 A를 제2 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 일부 시간 동안 제3 전위로 구동시키도록, 그리고 제2 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 제2 주 단계의 획득 단계의 적어도 일부 시간 동안 제2 중간 전위로 구동시키도록, 그리고 노드 B를 제2 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 일부 시간 동안 제4 전위로 구동시키도록, 그리고 그 후, 노드 B를 제2 주 단계의 획득 단계의 적어도 일부 시간 동안 DC에서의 고-임피던스로 스위칭하도록 구성되고, 제1 검출 시스템은 노드 A 상에서 전기적 측정을 수행하도록 추가로 구성되고, 제2 검출 시스템은 노드 B 상에서 전기적 측정을 수행하도록 추가로 구성된다.

추가 실시예에 따르면, 제1 검출 방법 및 제2 검출 방법을 조합하기 위한 방법은, 전극들에 구동 신호들을 공급하는 단계 - 구동 신호들은 기본 획득 사이클(EAC)의 반복으로 이루어진 구동 시퀀스를 포함하고, 각각의 기본 획득 사이클은 2개의 연속적인 주 단계들로 이루어짐 -, 제1 주 단계 동안, 제1 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 적어도 하나의 전극과 커플링된 노드 A를, 제1 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 일부 시간 동안 제1 전위로 구동시키는 단계, 및 제1 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 제1 주 단계의 획득 단계의 적어도 일부 시간 동안 제1 중간 전위로 구동시키는 단계, 및 노드 B를 제1 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 일부 시간 동안 제2 전위로 구동시키는 단계, 및 그 후, 노드 B를 제1 주 단계의 획득 단계의 적어도 일부 시간 동안 DC에서의 고-임피던스로 스위칭하는 단계, 및 제2 주 단계 동안, 제2 주 단계의 사전 충전 단계 동안 노드 A를 제2 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 일부 시간 동안 제3 전위로 구동시키는 단계, 및 제2 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 제2 주 단계의 획득 단계의 적어도 일부 시간 동안 제2 중간 전위로 구동시키는 단계, 및 노드 B를 제2 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 일부 시간 동안 제4 전위로 구동시키는 단계, 및 그 후, 노드 B를 제2 주 단계의 획득 단계의 적어도 일부 시간 동안 DC에서의 고-임피던스로 스위칭하는 단계, 노드 A 상에서 전기적 측정을 수행하는 단계, 및 노드 B 상에서 전기적 측정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 제1 검출 시스템은, 노드 A를 제1 및 제2 중간 전위로 각각 구동시키면서 노드 A 상에서 전기적 측정을 수행하도록 추가로 구성될 수 있고, 제2 검출 시스템은, 노드 B를 DC에서의 고-임피던스로 스위칭한 후에 도달되는, 노드 B 상의 전위를 측정하도록 추가로 구성된다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 제1 중간 전위는 제1 전위보다 낮을 수 있고, 제2 중간은 제3 전위보다 높을 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 제1 전위는 제2 중간 전위보다 높을 수 있고, 제3 전위는 제1 중간 전위보다 낮을 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 제1 전위는 제2 중간 전위와 동일할 수 있고, 제3 전위는 제1 중간 전위와 동일할 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 센서 시스템은, 각각의 사전 충전 단계 동안, 제1 시간 간격 이후, 노드 A를 제2 시간 간격 동안 제1 또는 제3 전위로 구동시키도록, 그리고 각각의 획득 단계 동안, 제3 시간 간격 이후 노드 A를 제2 또는 제1 중간 전위로 각각 구동시키도록 구성될 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 센서 시스템은, 제2 시간 간격 이후, 노드 A를 3-상태(tristate)로 스위칭하도록 구성될 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 센서 시스템은, 각각의 사전 충전 단계 동안, 제4 시간 간격 이후, 노드 B를 제5 시간 간격 동안 제2 또는 제4 전위로 구동시키도록, 그리고 그 후, 노드 B를 3-상태로 스위칭하도록, 그리고 각각의 획득 단계 동안, 노드 B를 DC에서의 고-임피던스로 유지하도록 구성될 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 제1 전위 및 제2 전위는 동일할 수 있고, 제3 전위 및 제4 전위는 동일하다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 노드 A가 제1 또는 제3 전위에 있고 노드 B가 제2 또는 제4 전위에 있을 때의 시간 간격이 각각 중첩될 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 센서 시스템은, 제1 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 노드 A를 제1 전위에서 유지하도록, 그리고 제1 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 제1 중간 전위로 구동시키도록, 그리고 제2 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 노드 A를 제3 전위에서 유지하도록, 그리고 제2 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 제2 중간 전위로 구동시키도록 구성될 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 전기 노드들 각각은 집적 회로의 포트에 갈바닉으로(galvanically) 커플링 또는 접속될 수 있으며, 이들 포트들 각각은 칩 패키지의 패드에 접속된다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 노드 A는 터치 및/또는 호버 검출을 위해 사용될 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 노드 B는 중간 범위 위치 및 제스처 검출을 위해 사용될 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 아날로그-디지털 컨버터들은 획득 단계들 동안 샘플링하도록 구성될 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 센서 시스템은 터치 패널 상에서 또는 그 전면에서 또는 그 근처에서 적어도 하나의 객체의 위치를 검출하기 위해 설계될 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 제1 전위와 제3 전위 사이에서의 스위칭에 의해 한정되는 반송 주파수는 1 ㎑ 내지 1000 ㎑일 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 시스템은 하나 이상의 노드들 A를 포함할 수 있고, 각각의 노드 A는 터치 패널의 전극들에 접속된다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 시스템은 하나 이상의 노드들 B를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 노드 B는 터치 패널의 전극들에 접속된다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 시스템은 하나 이상의 노드들 A, 및 터치 패널 근처에 배열된 제2 검출 시스템의 전극들에 접속되는 적어도 하나의 노드 B를 포함할 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 노드 A는 2D 터치 및 호버 검출을 위한 제1 마이크로제어기의 일부일 수 있고, 노드 B는 3D 중간 범위 위치 및 제스처 검출을 위한 제2 마이크로제어기의 일부일 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 노드들 A 및 B는 공동의 2D 터치 및 호버 검출, 및 3D 위치 및 제스처 검출을 위한 마이크로제어기의 일부일 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 센서 시스템은 3D 중간 범위 위치 검출, 2D 호버 위치 검출 및 터치 위치 검출 사이의 끊김없는 전이를 허용할 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 노드 A에 접속된 전극은 터치 및/또는 호버 검출을 위해 사용될 수 있다. 상기 센서 시스템 또는 방법의 다른 실시예에 따르면, 노드 B에 접속된 전극은 3D 터치리스 위치 및/또는 제스처 검출을 위해 사용될 수 있다.

도 1은 시간 다중화를 이용하여 동작하는 2D/3D 검출 시스템을 도시한다.
도 1a는 도 1의 시스템에 대한 타이밍도를 도시한다.
도 2는 자가-커패시턴스를 측정하기 위한 회로도를 도시한다.
도 3은 특정 자가-커패시턴스 측정 방법에 대한 타이밍도를 도시한다.
도 4는 CVD(Capacitive Voltage Division) 측정들을 이용한 3D 전용 획득에 대한 타이밍을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른, 자가-커패시턴스를 측정하기 위한 회로도를 도시한다.
도 6 및 도 6a는 본 출원에 따른 실시예들의 타이밍도들을 도시한다.
도 6b는 도 6a에 도시된 타이밍도에 따른, 자가-커패시턴스를 측정하기 위한 회로도를 도시한다.
도 7은 인터리빙된 감지를 위한 중첩 2D 및 3D 스캔 사이클들을 보여주는 또 다른 실시예의 타이밍도를 도시한다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른, V_{VE_high} 및 V_{VE_low}로의 사전 충전이 수행될 때 2D 패드 구동 시퀀스를 갖는 타이밍도를 도시한다.
도 9는 종래의 시간 다중화의 단순화된 상태도를 도시한다.
도 10은 종래의 스위칭에 의한 상태도를 도시한다.
도 11 및 도 12는 수평 및 수직 전극들('라인들')을 갖는 2D 그리드, 및 4개 이상의 전극들의 프레임을 갖는 실시예들을 도시한다.
도 13은 수평 및 수직 전극들('라인들')을 갖는 2D 그리드, 및 2D 그리드의 일 측면 근처의 세그먼트화된 전극을 갖는 다른 실시예를 도시한다.
도 14는 수평 및 수직 전극들('라인들')을 갖는 2D 그리드, 2D 그리드의 일 측면 근처의 세그먼트화된 전극, 및 2D 그리드의 반대쪽 측면 상의 다른 전극을 갖는 다른 실시예를 도시한다.
도 15 내지 도 18은 센서 배열물들의 다양한 추가의 실시예들을 도시한다.
도 19는 시간 다중화를 이용하는 경우 및 이를 이용하지 않는 경우의 잡음 민감도를 도시한다.

2D 터치 검출 시스템들은, 예를 들어 터치 디스플레이들에서, 오랫동안 표준 인간-기계 인터페이스들로 발달해 왔다. 그러한 디스플레이들 위에서의 호버 위치 추적에 대한 용례들은, 예를 들어, 손 아래의, 예컨대 콘텍스트 메뉴 또는 태스크 바에서의 디스플레이된 콘텍스트의 하이라이팅이다. 예를 들어, 그러한 인터페이스를 사용하는 디스플레이는 일반 정보를 보여줄 수 있으며, 사용자 손이 디스플레이에 접근하여 사전정의된 거리에 도달할 때, 팝업 메뉴가 드러날 수 있다. 더욱이, 손가락은 다양한 메뉴 버튼들 위에서 호버링할 수 있으며, 메뉴 버튼들은 손가락이 그들 위에서 호버링할 때 확장된 채로 디스플레이될 수 있다. 실제 터치가 검출되자마자, 각자의 버튼이 하이라이팅되거나 컬러를 변화시킬 수 있거나, 또는 기능들의 다른 메뉴가 디스플레이될 수 있다. 3D 제스처 검출을 위한 예시적인 용례들은, 메뉴를 통해 내비게이팅하거나 오디오 트랙을 스위칭하기 위한 플릭(flick) 제스처들, 및 오디오 볼륨 제어를 위한 원형 움직임 제스처들이다. 그러한 특징들에 대한 요구가 특히 자동차 시장에서 다루어져 왔다.

위에서 논의된 바와 같이, 예컨대 Microchip Technology Inc.에 의한, 독립형 2D 터치/호버 검출을 위한 기존의 솔루션들, 예컨대 maXTouch ^ㄾ 칩들, 및 독립형 3D 중간 범위 검출을 위한 다른 기존의 솔루션들, 예컨대 MGC3xxx GestIC ^ㄾ 칩들이 있다. 이러한 시스템들은 용량성 감지를 채용한다. 이들은 반복되는 전기 자극을 발생시키고, 감지 전극에서 측정되는 양에 미치는 그의 영향을 측정한다. 이러한 양은 감지 전극의 용량성 환경에서의 변화들에 의해, 특히 이러한 환경 내에서의 손가락 또는 손에 대한 위치-종속적 커패시턴스들에 의해 진폭 변조된다. 이러한 자극의 반복 주파수는 반송 주파수로 지칭되며, 그것은 전형적으로 40 ㎑ 내지 250 ㎑의 범위에 있다. 이러한 자극과 함께, 용량성 센서 시스템은, 전형적으로, 예를 들어 입력 포트 스위치들, 증폭기들, 아날로그-디지털 컨버터(analog-to-digital converter, ADC)들, 또는 다른 프론트엔드 타이밍들에 대해 직접 측정가능할 수 있거나 또는 그렇지 않을 수도 있는 똑같이 주기적인 디지털 및/또는 아날로그 구동 및 제어 시퀀스들이 이어지게 하도록 구성된다. 동시의 주기적 자극 및 시퀀스들의 이러한 세트의 하나의 주기가 EAC로서 표기되는데, 다시 말하면, EAC 자체는 비주기적 시퀀스이다.

maXTouchㄾ 제어기를 사용한 터치 검출 - 특히, 제1 터치 검출 - 은, 전형적으로, 자가-커패시턴스 측정들을 수행함으로써 이행되며, 여기서 감지 전극은 측정들 동안 소위 가상 접지(Virtual Earth, VE) 전위들로 구동된다. 센서의 다수의 전극들이 그러한 자가-커패시턴스 측정들을 위해 동시에 사용될 수 있다. 또한, 현재 감지되고 있지 않은 전극들은 감지된 전극들과 동일한 방식으로 여전히 구동되어, 그에 따라 측정된 데이터에 대한 상호-커패시턴스 효과들을 억제할 수 있으며, 이는 '구동 쉴드(Driven Shield)'로 지칭된다.

도 2는 스위칭 유닛(240), 적분기(220) 및 연관된 ADC(230)를 포함하는 회로를 갖는 센서 전극의 자가-커패시턴스 측정을 위한 예시적인 구성을 도시한다. 패드(215) 및 그의 접속된 센서 전극(210)은 S0이 개방되어 있는 동안 스위치 S1을 V_dd로 또는 스위치 S2를 접지로 폐쇄시킴으로써 사전 충전되고, 또한, 스위치 Sint는 S0이 개방되어 있는 동안 적분 커패시터 Cint를 방전시키도록 폐쇄된다. 이어서, 획득 단계 동안, 모든 스위치들이 개방되고, 이어서, S0이 폐쇄된다. 이에 의해, 패드(215) 및 그의 접속된 전극(210)은 가상 접지 전위 V_VE로 구동되고, Cint는 센서 전극(210)으로 또는 그로부터 이동하는 전하를 축적한다. 절차는, 상이한 가상 접지 전위를 사용하여 그리고 센서 전극(210)을 반대되는 전위, 즉 접지 또는 Vdd로 사전 충전하는 것으로 반복될 수 있다.

도 3은, 본질적으로 2개의 주 단계들로 이루어진 자가-커패시턴스 EAC 동안의 패드 전압, 즉 자극의 타이밍을 개략적으로 도시하며, 여기서 주 단계 각각은 사전 충전 단계 및 획득 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 일 실시예에 따르면, EAC에서는, 패드가 원하는 전위로 구동되는 2개의 사전 충전 단계들 P1 및 P2, 및 패드가 다른 전위들, 즉 가상 접지 전위들 V_{VE_high}또는 V_{VE_low}로 구동되는 2개의 획득 단계들 Q1 및 Q2가 있으며, 패드로 유동하는 전하의 양이 측정되고 있다. 이는, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같은 회로에 의해 또는 각자의 구동기 회로의 전류 측정에 의해 달성될 수 있다. 이는 또한 표 1에 요약되어 있는데, 여기서 사전 충전 단계 P1은 서브단계들 P1_A1, P1_A2 및 P1_A3을 포함하고, 획득 단계 Q1은 서브단계들 Q1_A1 및 Q1_A2를 가지며, 사전 충전 단계 P2는 서브단계들 P2_A1, P2_A2 및 P2_A3을 포함하고, 획득 단계 Q2는 서브단계들 Q2_A1 및 Q2_A2를 갖는다. 또한, 표 1에서, 서브단계 P1_A2에서의 사전 충전 전압 V_dd를 V_PC,high로, 그리고 서브단계 P2_A2에서의 사전 충전 전압 Vss 또는 접지를 V_PC,low로 일반화한다. 각각의 패드 - 여기에 센서 전극이 접속될 수 있음 - 는 전기 회로의 전기 노드에 갈바닉으로 접속된다. 가상 접지 측정들을 위한 구동 시퀀스로 구동되는 전기 노드를 타입 A의 노드 또는 노드 A로 지칭한다. 당업계에 알려져 있는 바와 같이, 전기 노드는 회로도에서의 임의의 물리적 포인트를 형성하는 것으로 간주되지 않지만, 본질적으로는, 갈바닉으로 커플링된 무엇인가를 지칭한다.

구동 시퀀스는 모든 2D 그리드 전극들, 즉, 도 1의 그리드(150)의 수평 및 수직 전극들에 대해 본질적으로 동일하다. 그러나, 전형적으로, 2D 전극들의 서브세트만이 감지되고 있다. 전형적으로, 전극들의 서브세트들은, 교번 사이클 이후, 각각의 전극이 적어도 1회 감지되도록 교번 방식으로 감지된다. 이로써, '감지된' 또는 '감지하는'은, 각각 단계들 Q1 및 Q2 동안 2D 전극으로 또는 그로부터 유동하는 전하의 양을 측정하는 것을 지칭한다.

[표 1]

각각의 단계 또는 서브단계는 도 3에 도시된 바와 같이 EAC 내의 타임 슬롯에 대응한다. 먼저, 단계 P1 동안, 수신 전극이 접속된 노드 A 상의 수신 패드는 V_PC,high=V_dd로 구동되고, 이어서, 소위 전하 축적 단계 Q1 동안 V_{VE_low}로 구동되며, 이어서, 단계 P2 동안, 노드 A 상의 패드는 V_PC,low=V_ss로, 그리고 이어서, 다른 전하 축적 단계 Q2 동안 V_{VE_high}로 구동된다. 단계들 P1 및 Q1은 기능성에 영향을 주지 않으면서 단계들 P2 및 Q2와 공동으로 스와핑될 수 있다. 패드 - 또는, 보다 엄밀하게는, 접속된 전기 노드 - 는, 표 1에 열거된 구동 상태들 P1_A2, Q1_A2, P2_A2 및 P2_A3이 적어도 각각의 대응하는 타임 슬롯 내의 일부 시간 동안 유지되는 한, 언제든 3-상태에 놓일 수 있다. 단계들 P1_A1, Q1_A1, P2_A1 및 Q2_A1 동안, 고-임피던스 또는 3-상태로 설정된 노드 상태, 즉 노드가 구동되고 있는지의 여부는, 획득 단계들 동안 측정된 값들에 영향을 주지 않으며, 따라서, '중립'으로 마킹된다.

3D 측정들을 위해, Microchip Technology Inc.에 의한 MGC3140 GestIC^ㄾ 제어기는, 소위 CVD 측정들을 사용하여, 조합된 자가-커패시턴스 및 상호-커패시턴스 측정들을 수행하며, 또한, 본 출원의 양수인에 의해 공개되고 이로써 그 전체가 참고로 포함되는 어플리케이션 노트(Application Note) AN1478을 참조한다. Rx 감지 전극 상에서 자가-커패시턴스 측정이 수행되는 동안, Tx 패드에 접속된 이웃하는 소위 Tx 전극 상에서, 전위는 CVD 획득 단계 동안 변화된다. 도 4는, 본질적으로 제2 자극을 표현하는 Tx 패드 전압, Rx (감지) 패드 전압, 및 EAC 동안의 내부 커패시터 상의 전압의 타이밍도를 개략적으로 도시한다. 가상 접지 측정들에서와 같이, 각각의 패드 - 여기에 센서 전극이 접속될 수 있음 - 는 전기 회로의 전기 노드에 갈바닉으로 접속된다. CVD 측정들 동안 구동 시퀀스로 구동되는 전기 노드를 타입 B의 노드 또는 노드 B로 지칭한다. CVD Rx 패드 및 전극에 접속될 수 있는 노드 B 상에서의 하나의 EAC에 대한 구동 시퀀스는 또한, 표 1에서 컬럼(column) 'CVD - 노드 B'에 열거되어 있다: 본질적으로, 시퀀스는 노드 B에 접속된 패드를 2개의 전압들 V_B,high 및 V_B,low로 교번하여 사전 충전하는 것, 및 이어서, 패드를 직류(DC)에서의 고-임피던스로 설정하는 것, 즉 패드를 구동시키지 않는 것으로 이루어진다. 도 4의 예에서, V_B,high=V_dd 및 V_B,low=V_ss이다. DC에서의 고-임피던스에 대한 하나의 가능한 실현은 패드를 용량성 리액턴스, 예를 들어 ADC의 샘플 커패시터에 접속시키는 것이다. 패드를 DC에서의 고-임피던스로 설정하는 것은 단계들 Q1_B 및 Q2_B 동안의 시간 중 적어도 일부에 대해 이행된다. 다른 실시예에 따르면, 노드는 Q1_B 및 Q2_B 동안 일부 타임 슬롯들에 대해 3-상태형(tri-stated)일 수 있거나, 또는 예를 들어 접속해제될 수 있다.

다수의 노드들 A 및 노드들 B가 구현될 수 있고, 시스템에 따라, 그들은 동시에 또는 순차적으로 평가될 수 있다. 예를 들어, 3D 검출 시스템은 전극들(110 내지 140, 180)을 갖는 도 11 내지 도 18에 도시된 바와 같은 4개 이상의 센서 전극들을 사용할 수 있다. 이들 전극들은 다양한 실시예에 따라 순차적으로 또는 동시에 평가될 수 있다.

도 5는 스위칭 유닛(310) 및 연관된 ADC(230)를 사용한 CVD 자가-커패시턴스 측정들을 위한 주요 구성을 도시한다: 이때, 스위칭 유닛(310)의 스위치 S_aperture는 개방되고, 즉 스위칭오프되고, 접지에 대한 자가-커패시턴스 C_s를 갖는 센서 전극(210)은 V_dd 또는 접지로 사전 충전되고 있고, ADC(230)의 내부 홀드 커패시터 C_Hold는 스위칭 유닛(310)의 각자의 스위치들을 V_dd 및 접지로 폐쇄함으로써 센서 전극(210)이 V_dd로 사전 충전되고 있을 때 반대 전위, 즉 접지로 사전 충전되고, 그 역도 성립한다. 이어서, 사전 충전 이후, 스위칭 유닛(310)의 모든 스위치들이 개방되고, 어퍼처 스위치 S_aperture가 폐쇄된다. 결과적으로, 그것은 V_s=-V_Hold를 유지해야 하고, 따라서, 전하들이 C_s와 C_Hold 사이에서 이동하여 이러한 식을 만족시킨다. 이어서, V_Hold가 ADC(230)에 의해 측정된다.

2D 감지 및 3D 감지를 위한 이들 2개의 시스템들이 독립적으로 동작될 수 있다고 가정하면, 원하는 센서 레이아웃들에 대한 예들이 도 11 내지 도 14에 도시되어 있다.

도 11 및 도 12는 2D 터치 및 호버 위치 검출을 위한, 예를 들어 투명한 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)로 제조된 수평 및 수직 전도성 라인들 또는 전극들의 2D 그리드(170)를 갖는 표준 직사각형 터치 패널을 도시한다. 도 11은, 추가로, 다양한 실시예들에 따라, 터치 위치 검출을 위해 그리고 근접성 및 3D 터치 검출을 위해 터치 그리드가 어떻게 사용될 수 있는지를 도시한다. 도 11은, 추가로, 시간 다중화(430)를 사용하는 2D 터치 검출 회로(410) 및 3D 제스처 검출 회로(420)를 도시한다. 2D 감지의 시간 동안, 3D 프레임 전극들(110, 120, 130, 140)은 일정한 전위로 설정된다. 3D 감지의 시간 동안, 터치 제어기(410)는 2D 그리드 전극들(170)의 세트를 3D 자극으로 스위칭한다. 이러한 세트는 도 11에 도시된 바와 같이 컬럼들만으로 이루어질 수 있다. 그러나, 다른 실시예들은 로우(row)들만, 소정 컬럼들과 로우들의 조합, 또는 모든 컬럼 및 로우 전극들을 선택할 수 있다.

도 12는 일 실시예에 따라, 이러한 그리드(170)를 평가 회로(190)와 접속시키는 데 n개의 라인들이 사용된다는 것을 도시한다. 이러한 터치 패널 주위에는, 터치 패널 위에서, 예를 들어 터치 패널 표면으로부터 최대 10 cm까지 객체의 위치를 검출하기 위한 4개의 프레임 전극들(110 내지 140)이 배열되어 있다. 더 낮은 감도 및 검출 범위로 인해, 2D 터치 검출 시스템은, 전형적으로, 프레임 전극들이 어떻게 구동될 것인지 상관없이, 이러한 레이아웃의 2D 전극 그리드(170)와 함께 동작할 수 있을 것이다. 그러나, 프레임 전극들(110 내지 140)을 사용한 더 민감한 3D 감지는 2D 센서 그리드(170)가 Tx 자극을 제공하는 역할을 할 수 있을 때 매우 유익할 것이다. 반대의 예로서, 2D 그리드(170)가 접지 전위 또는 DC로 설정된다고 가정하면, 그것은 3D 측정 값들에 대해 실제 타깃 손가락과 유사한 효과를 가질 것이고, 2D 그리드(170)에 의한 이러한 영향은 측정 값들에 대한 손가락의 영향을 부분적으로 또는 완전히 마스킹할 것이다. 도 12의 센서 레이아웃의 예에서, 좌측 및 우측 프레임 전극(140, 120)은 주로 x-방향에서의 손 위치를 검출하기 위해 사용될 것이고, 상부 및 하부 전극(110, 130)은 주로 y-방향에서의 손 위치를 검출하기 위해 사용될 것이다. 3D 프레임 전극들에 대한 구동 시퀀스는 표 1의 우측 컬럼("CVD - 노드 B")에 열거되어 있다. 2D 그리드 전극들의 구동은 본질적으로, 표 1의 "가상 접지 - 노드 A"에 열거된 바와 같은 모든 2D 그리드 전극들에 대해 동일하며, 2D 그리드 전극들의 서브세트가 구동 및 감지되고 있지만, 나머지 2D 그리드 전극들은 단지 구동되기만 할 뿐 감지되거나 일정한 전위로 놓이지는 않는다.

도 13은 2D 그리드(170)의 하나의 에지 옆에 4개의 GestIC^ㄾ 전극들(110a, 120a, 130a, 140a)이 배열되는 접근법을 예시하는데, 이는 x-방향에서는 더 양호한 3D 포지셔닝(positioning)을 허용하지만, y-방향에서는 그렇지 않다.

도 14는 2D 그리드(170)의 하나의 에지 옆에 4개의 GestIC^ㄾ 전극들(110a 내지 140a)이 배열될 뿐만 아니라 2D 그리드(170)의 다른 에지 옆에 다른 GestIC^ㄾ 전극(180)이 배열된 접근법을 예시한다.

2D 그리드(170)를 사용하여 3D 감지 동안 자극을 제공하는 것이 바람직할 것이라는 사실에도 불구하고, 위에 언급된 독립형 솔루션들은 서로에 대해 매우 가까이에서는 동시에 용이하게 동작될 수 없다: 솔루션들 둘 모두가 용량성 감지를 수행하며, 그러한 시스템들이 그들의 전기적 환경에 미치는 영향은 전형적으로 범위가 제한되지만, 시스템들이 서로에 대해 가까이에서 동작되자마자, 그들은 동일한 물리적 채널을 사용하는 것으로 간주될 수 있다. 이는 추가로 - 시스템들이 공동 동작을 위해 적절히 구성되지 않는 한 - 각각의 시스템이 다른 시스템을 잡음원으로서 인지하고 있다는 것을 의미하는데, 여기서 잡음원은 성능을 열화시키거나 완전히 붕괴시킬 수 있다.

배경기술 섹션에서 논의된 바와 같이, 이 문제에 대한 기존의 솔루션들은, 2개의 시스템들, 즉 2D 터치 감지를 위한 하나의 시스템 및 3D 중간 범위 감지를 위한 하나의 시스템을 동시에 구현하며, 이들 2개의 시스템들은 시간 다중화를 이용하여 채널 리소스를 공유하는 것에 관하여 협력하는데, 다시 말하면, 사실상 2개의 시스템들 중 단 하나만이 한 번에 감지하고 있다. 이는 응답 시간, 감도, 잡음 강건성 및 전자기 방출과 관련하여, 시스템들 각각에 대한 성능의 절충이다.

다양한 실시예들에 따르면, 2D 가상 접지 자가-커패시턴스 감지를 위해, 칩 패드들을 통해 2D 전극 그리드의 하나 이상의 감지 전극들에 접속된 전기 노드들은 획득 단계 동안 구동되어, 노드들의 전위를 더 높은 레벨로부터 더 낮은 레벨로 변화시키거나(단계 Q1) 또는 그 역도 성립한다(단계 Q2). 전기 노드 및 그의 접속된 전극들의 이러한 구동은 프레임 전극들 상에서의 3D GestIC^ㄾ 측정들을 위한 Tx 자극으로서 활용될 수 있다(도 4의 '3D Tx' 참조). 결과적으로, 2D 및 3D 감지를 위한 반송 주파수들은 매칭될 필요가 있다. 현재 감지되고 있지 않은 2D 전극들은 여전히 동일한 자극으로 구동될 수 있으므로, 2D 그리드(170)에 의해 여기되는 전기장 - 이는 3D 프레임 전극 측정 값들에 영향을 미치고 있음 - 은 2D 그리드(170)의 2D 전극들 중 한 번에 감지되고 있는 전극들이 어느 것인지와는 무관하다. 이는 3D 프레임 전극 측정 데이터의 평가가 2D 감지와는 완전히 무관하게 처리될 수 있다는 이점을 갖는데, 그 이유는 3D 측정이 오로지 2D 그리드의 외관에 의해서만 영향을 받기 때문으로, 다시 말하면, 2D 전극들이 어떻게 구동되는지에 의해서 영향을 받고 2D 내부 신호 평가에 의해서는 영향받지 않기 때문이다. 게다가, 현재 감지되고 있지 않은 전극들을 또한 구동시키는 것은 구동된 전극들 사이의 상호-커패시턴스 영향들을 억제하는 전술된 효과를 산출한다.

이러한 접근법을 이용하면, 2D 그리드 전극들 상에서의 자가-커패시턴스 측정들이 시간의 최대 100%까지 수행될 수 있으므로, 즉, 그들이 최신 솔루션에서와 같이 시간 다중화 3D 감지에 의해 제한되지 않으므로, 제1 터치 검출에 대해 더 이상의 추가 지연이 없다.

결과적인 구동 및 감지 시퀀스의 제1 예가 도 6의 타이밍도에 도시되어 있으며, 이는, 또한, 다양한 타이밍 단계들의 그리고 하나의 EAC의 주석들을 도시한다.

신호 '2D mXTSelf-Cap - Node A'는 2D 전용 터치 감지 시스템(도 3 참조)에 대해서와 동일한 방식으로 구동될 수 있다. 예를 들어 획득 단계들 Q1 및 Q2의 말미에서의 전위를 측정함으로써, 동시 3D 측정들이 획득될 수 있으며, 여기서 신호 '2D mXT Self-Cap'는 Tx 자극으로서 이용된다.

도 15는 수평 및 수직 전도성 센서 라인들 또는 전극들의 2D 그리드, 및 주위의 3D Rx 프레임 전극들(110 내지 140)을 갖는 표준 직사각형 터치 패널(170)을 도시한다. 전극들 각각은 전기 회로(520) 내의 전기 노드에 자체가 접속되는 패드(510)에 갈바닉으로 접속된다.

도 16은, 수평 및 수직 전도성 센서 라인들 또는 전극들의 2D 그리드를 갖는 표준 직사각형 터치 패널(170)을 도시하는데, 그 라인들 또는 전극들 중 일부는 타입 A 또는 타입 B의 전기 노드들에 영구적으로 접속되고, 일부, 예를 들어 전극들(530, 540, 560)은 타입 A 또는 타입 B의 노드들 사이에서 각자의 다중화기들(570)에 의해 다중화될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 이용가능한 전극들 중 임의의 것이 2D 또는 3D 검출 회로 중 하나에 영구적으로 할당될 수 있다. 예를 들어, 도 15의 전극들(110 내지 140)과 유사한 프레임을 형성하기 위해, 전극(540) 대신, 전극(580)이 3D 검출 회로에 가변적으로 할당될 수 있다. 응용의 특정 요건들에 따라, 임의의 적합한 고정된, 구성가능한, 또는 혼합된 구성이 가능하다.

도 17은 수평 및 수직 전도성 센서 라인들 또는 전극들의 2D 그리드, 및 주위의 3D Rx 코너 전극들(610, 620, 630, 640)을 갖는 표준 직사각형 터치 패널(170)을 갖는 다른 실시예를 도시한다.

도 18은 표준 용량성 터치 버튼들(650) 및 표준 용량성 슬라이더 전극 배열물(660), 및 3D Rx 프레임 전극들(110 내지 140)을 도시한다.

도 10은, a) 측정 데이터로부터, 예를 들어 2D 전극 그리드로부터의 자가-커패시턴스 호버 검출과 함께, 예를 들어 프레임 전극들로부터의 측정 데이터를 사용하는 GestICㄾ 중간 범위 위치 및 제스처 검출과, b) 2D 전극 그리드의 터치가 검출되는 한 활성인 순수 터치 및 호버 검출 모드 사이에서 스위칭하기 위한 가능한 상태도를 도시한다. 후자의 모드로의 스위칭이, 단지, 초기 터치의 검출 시에, 그리고 가능하게는, 임의의 종류의 교정 스캔에 대해서 요구된다.

대안의 구현예에서, 하나 이상의 터치들이 검출되고 있는 동안 3D 측정들이 또한 수행된다. 예를 들어, 그들은, 예를 들어, 반복된 방식으로 그리고 상호-커패시턴스 측정들과 교번하여 발생할 수 있는 2D 전극 그리드에 대한 자가-커패시턴스 측정들을 이행하는 동안 수행된다.

사전 충전 서브단계들 P1_A2 및 P1_B2, 그리고 마찬가지로 P2_A2 및 P2_B2는 동일한 시작 시간 및/또는 동일한 중지 시간을 가질 수 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 예를 들어, 도 6에서, P1_A2는 P1_B2 이전에 시작하고 - P1_B2의 시작은 3D Rx 패드 신호가 V_dd로 점프할 때임 -, 이어서, P1_A2 및 P1_B2는, P1_B2가 도 6에 나타낸 바와 같이 끝나거나 P1_A2가 끝날 때까지(도 6에는 보이지 않음) 일부 시간 동안 중첩된다. 하기에서, 제안된 접근법의 바람직하지 않은 변형예들이 그들의 이점들 및 단점들과 함께 제시된다.

인터리빙된 감지:

표 1은 2D 가상 접지 측정(노드 A) 및 3D CVD 측정(노드 B)에 대한 EAC의 상이한 단계들 또는 타임 슬롯들을 보여준다. 이러한 바람직한 접근법에 의해, 다양한 실시예에 따르면, 2D 감지 및 3D 감지 둘 모두가 단계들 Q1 및 Q2 동안 일어난다. 대안적으로, 이들 2개의 단계들은 또한 3D 감지를 위해 사용될 수 있으며, 여기서 "2D mXT Self-Cap" 신호는 이들 3D CVD 측정들을 위한 자극만을 제공하는데, 다시 말하면, 단계들 Q1 및 Q2 동안 2D 라인들을 감지하지 않는다. 그 대신, 2D 감지는 연장된 단계들 P1_A1 및 P2_A1 동안 발생할 것이다. 이는 도 7의 대안의 타이밍도에 예시되어 있다. 2D 및 3D 측정들을 위해 획득 단계들을 시간적으로 분리했다면, 현재 감지되고 있지 않은 전극들 상의 신호들은 전류 측정을 지원하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 3D 감지를 위한 패드들은, 도 7에 도시된 바와 같이, 2D 획득 단계 동안 일정한 전위로 설정될 수 있거나, 또는 그들은 2D 전극들에 대한 패드들과 동일한 전위로 구동될 수 있다(도 7에 도시되지 않음). 이러한 접근법은, 2D 그리드(의 부분들)가 3D 감지를 위한 Tx 자극으로 구동되는 EAC 내에서의 인터리빙 2D 및 3D 측정들로서 해석될 수 있는 한편, 그것은 2D 자가-커패시턴스 측정들을 위해 사용되지 않는다. 잠재적인 결점은, 자극의 이러한 추가 부분이 도 6의 바람직한 접근법에 비해 전체적인 전력 소비 및 전자기 방출을 증가시킨다는 것일 수 있다.

이러한 인터리빙된 감지 솔루션의 추가의 잠재적인 결점들은 다음이 될 수 있다: 1) 아날로그-디지털 변환: 2D/호버 측정들 및 3D GestIC^ㄾ를 위한 샘플링 시간 인스턴스들이 인터리빙된다. 즉, 2D/호버 측정들 및 3D 측정들을 위한 ADC 타이밍들이 개별적으로 제어될 필요가 있거나, 또는 - 모든 ADC들의 공통 타이밍에 대해 - 모든 다른 결과적인 디지털 샘플이 폐기될 필요가 있는데, 다시 말하면, 2D/호버 측정 샘플을 폐기하는 반면에 3D GestIC^ㄾ 측정 샘플을 유지하고, 그 역도 성립한다. 후자는 ADC 변환 속도 요건들을 대략 2 배로 할 것이다. 그러나, 최신 시스템이 전형적으로, EMC 제약들로 인해 40 내지 50 ㎑에서 동작된다는 것을 고려하면, 결과적인 최대 샘플링 주파수는 여전히 단지 200 ㎑일 것이다.

2) 신호 정착 시간: 인터리빙된 측정들로 인해, 신호 설정에 이용가능한 시간이 바람직한 접근법, 또는 동일한 반송 주파수에서 동작하는 2D/3D 전용 시스템에 비해 감소된다. 이는 ITO 전극들 및 더 높은 동작 주파수들을 갖는 더 큰 디스플레이들에 대해 관련이 될 수 있다. 그러나, 최신 접근법에 대해 EMC 제약들 및 결과적인 동작 주파수 선택들(약 40 내지 50 ㎑)을 고려하면, 더 높은 반송 주파수들이 현재 예상되지 않는다.

V_{VE_high} 및 V_{VE_low}로의 사전 충전을 갖는 2D VE 자가-커패시턴스 측정들: 사전 충전 단계들 P1_A2 및 P2_A2 동안 2D 감지 노드들을 각각 V_PC,high=V_dd 및 V_PC,low=V_ss로 구동시키는 대신, 그들은 또한 다른 전위들로 구동될 수 있다. 예를 들어, 그들은, 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같이, V_PC,high=V_{VE_high} 및 V_PC,low=V_{VE_low}로 구동될 수 있는데, 여기서 전위는 단계들 P1 및 P2 동안 각각 일정하다. 노드들이 각자의 선행 획득 단계들 동안에 이미 이들 전압들로 구동되었으므로, 능동 구동은 심지어 필수적이지 않을 수도 있고, 패드들은 대안으로 3-상태로 설정될 수 있다. 이는 도 6a에 추가로 예시되어 있다. 도 6b는 그러한 측정들을 위한 예시적인 시스템 구성을 도시한다. 이러한 실시예에서, 적분기는 적분기로서 구성된 연산 증폭기(710)를 포함하며, 여기서 반전 입력은 센서 전극(720)과 커플링될 수 있고, 비반전 입력은 V_{VE_high}또는 V_{VE_low}와 선택적으로 커플링될 수 있다.

- 2D CVD 자가-커패시턴스 측정들: 단계들 Q1 및 Q2 동안 2D 센서 노드들을 능동적으로 구동시키는 것 대신에, 대안의 접근법은 이들을 3D CVD 센서 노드들과 유사하게 DC에서의 고-임피던스로 설정하는 것이다. 또한, 패드들이 단계들 P1_A2 및 P2_A2 동안 구동되는 사전 충전 전위들은 더 양호한 감도를 위해 각각 V_dd 및 V_ss로서 선택될 수 있다.

3D 중간 범위 측정들을 동시에 수행하면서 2D 자가-커패시턴스 측정들을 위한 감지 라인들의 개수를 - 예를 들어, 아날로그 수신 채널들의 제한된 개수 때문에 - 제한하기 위해, 2개 이상의 2D 감지 라인들은 감지될 동일한 전기 노드에 단락될 수 있다. 이웃하는 라인들을 접속시킬 때, 호버 포지셔닝은, 수 개의, 예를 들어 2개 또는 3개의 라인들만을 접속시킬 때, 충분한 정확도로 여전히 가능해야 한다. 극단적인 경우로서, 모든 수평, 모든 수직, 또는 모든 2D 감지 라인들이 단일 2D 감지 노드에 접속될 것이다. 이는, 물론, 임의의 2D 위치 추정을 수행하는 것을 더 이상 허용하지 않을 것이지만, 일정 접근법 및 (제1) 터치 검출만을 허용할 것이다. 또한, 전극 그리드(170)의 용량성 부하는 신호 구동에 난제가 될 가능성이 있을 것이다.

다양한 실시예들은 최신의 시간 다중화 솔루션에 비해 다수의 이점들을 가져온다:

2D 제1 터치 응답 시간은 그것이 순수 2D 터치 검출 시스템의 경우인 것처럼 짧게 유지되는데, 다시 말하면, 제1 터치 검출에 대해 어떠한 추가 지연도 없을 것이다: 2D 스캔만이 수행될 수 있는 최신 접근법과는 대조적으로, 예를 들어, 10ms 중 2ms 동안, 제안된 솔루션에서는, 그러한 제한이 더 이상 없다. 제1 터치 응답 시간은 사용자 경험 및 마케팅 둘 모두에 대해 높은 중요도의 특징이다 - 이는 주된 장점이다.

최신 솔루션에서, 2D 측정 시간은 매우 제한된다 - 그것은 단지 신뢰성 있는 제1 터치 검출을 산출하는 데에만 충분하다. 제안된 솔루션에서, 시간 다중화로 인한 시간 한도가 더 이상 없으며, 따라서, 2D 신호들의 SNR은 유의하게 유익할 수 있고, 이는, 예를 들어, 근거리 호버 검출을 허용할 것이다. 동시 2D 호버 검출과 함께, 예를 들어 GestIC^ㄾ를 이용한 중간 범위 위치 추정으로, 중간 범위(더 조대한 해상도) 및 근거리(더 미세한 해상도) 사이의 점진적 전이가 가능해진다.

전자기 방출은 고객들에게 매우 중요하다. 최신 접근법 및 제안된 접근법 둘 모두에 있어서, 시간의 100%에 전기 자극이 있다. 그러나, 제안된 접근법만으로, 이러한 자극으로 인해 이용가능한 아날로그 정보는 시간의 100%에서 2D 및 3D 감지 둘 모두에 대해 액세스가능하다. 예를 들어, 최신 접근법에서, 그것은 단지 83%이다. 반대로, 이는, 제안된 접근법에 의해, 자극 신호의 진폭을 낮출 수 있어서, 따라서, 방출을 감소시키면서, 여전히 최신 기술에서와 동일한 SNR을 산출할 수 있다는 것을 의미한다.

3D 측정들을 위한 개선된 잡음 강건성: 디지털 저역 통과 필터들은, 전형적으로, 규칙적인 시간 간격들로 샘플링되는 입력 값들을 기대한다. 그들의 필터링 성능은, 그것이 최신의 시간 다중화 시스템에서의 경우이기 때문에, 샘플들이 누락될 때 열화된다. 제안된 접근법에 대해, 데이터 획득은 중단되지 않은 채로 유지되며, 따라서, 디지털 필터의 잡음 억제는 도 19에서의 시간 다중화를 이용하지 않는 경우와 동일하다.

전체적인 감지 시스템의 간소화 I: 더 높은 레벨의 알고리즘들의 경우에, 획득된 데이터는 마치 그것이 2D 전용 또는 3D 전용 시스템으로 각각 획득되었던 것처럼 보이기 때문에, 알고리즘적 발전들은 더 넓은 제품 범위 상으로 더 용이하게 분산될 수 있다: 2D/3D 전용 시스템들과 제안된 접근법 사이의 구별은 무용지물이 될 것이다. 이는 더 짧은 개발 사이클들을 허용한다.

전체적인 감지 시스템의 간소화 II: 용량성 감지를 위한 전형적인 시스템들은 적응적 주파수 선택 알고리즘을 채용하며, 이러한 알고리즘은 현재 주파수에서의 잡음 레벨이 너무 높을 때 다른 반송 주파수로 스위칭할 수 있게 한다. 제안된 접근법에서, 2D 시스템 및 3D 시스템 둘 모두가 동일한 반송 주파수에서 동작하므로, 최상의 또는 양호한 반송 주파수를 찾기 위한 단 하나의 알고리즘 인스턴스만이 요구된다.

제안된 접근법은 2D 및 3D 위치 및 제스처 검출을 위한 maXTouch^ㄾ 실리콘을 제공한다. 또한, 그러한 솔루션은, 예를 들어 6-비트 디지털-아날로그 컨버터를 사용하여 다중 레벨 가상 접지 전위들을 지원할 수 있는데, 이는 단계들 Q1_A1, Q2_A1(및 가능하게는, 또한, P1_A1 및 P2_A1) 동안 구동 신호의 형상이 전자기 방출을 감소시키기 위해 더 양호하게 최적화될 수 있다는 것을 의미한다. 2D 감지 성능과 관련하여, 노드 전위가 본질적으로/실질적으로 Q1 및 Q2 동안 각각 감소 또는 증가하고 있으며, 궁극적으로 정의된 값 - 이는 Q1_A2 및 Q2_A2 동안 노드들을 특정 정지 값들로 구동하는 것으로 인해 제공되는 바와 같음 - 에 도달하는 것만이 문제가 된다.

2D 전극 그리드의 전극들은 GestIC 전극들과 동일한 전기 회로에 접속될 수 있거나, 또는 그들은 하나 이상의 다른 전기 회로들에 접속될 수 있다. 후자의 경우에, 2개 이상의 전기 회로들 사이에 시그널링 링크가 확립될 필요가 있다.

Claims

제1 검출 시스템 및 제2 검출 시스템을 조합하는 센서 시스템으로서,
상기 센서 시스템은 구동 신호들을 상기 제1 검출 시스템 및 상기 제2 검출 시스템의 전극들에 공급하도록 구성되고, 상기 구동 신호들은 기본 획득 사이클(elementary acquisition cycle, EAC)의 반복으로 이루어진 구동 시퀀스를 포함하고, 각각의 기본 획득 사이클은 2개의 연속적인 주 단계들을 포함하고,
제1 주 단계 동안, 상기 센서 시스템은, 상기 제1 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 상기 제1 검출 시스템의 적어도 하나의 전극과 커플링된 노드 A를, 상기 제1 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 지정 시간 동안 제1 전위로 구동시키도록, 그리고 상기 제1 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 상기 제1 주 단계의 획득 단계의 적어도 지정 시간 동안 제1 중간 전위로 구동시키도록, 그리고 상기 제2 검출 시스템의 적어도 하나의 전극과 커플링된 노드 B를 상기 제1 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 지정 시간 동안 제2 전위로 구동시키도록, 그리고, 그 후, 노드 B를 상기 제1 주 단계의 획득 단계의 적어도 지정 시간 동안 DC에서의 고-임피던스로 스위칭하도록 구성되고,
제2 주 단계 동안, 상기 센서 시스템은, 상기 제2 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 노드 A를 상기 제2 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 지정 시간 동안 제3 전위로 구동시키도록, 그리고 상기 제2 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 상기 제2 주 단계의 획득 단계의 적어도 지정 시간 동안 제2 중간 전위로 구동시키도록, 그리고 노드 B를 상기 제2 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 지정 시간 동안 제4 전위로 구동시키도록, 그리고 그 후, 노드 B를 상기 제2 주 단계의 획득 단계의 적어도 지정 시간 동안 DC에서의 고-임피던스로 스위칭하도록 구성되고,
상기 제1 검출 시스템은 노드 A 상에서 전기적 측정을 수행하도록 추가로 구성되고,
상기 제2 검출 시스템은 노드 B 상에서 전기적 측정을 수행하도록 추가로 구성되는, 센서 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 검출 시스템은, 노드 A를 상기 제1 및 제2 중간 전위로 각각 구동시키면서 노드 A 상에서 전기적 측정을 수행하도록 추가로 구성되고,
상기 제2 검출 시스템은, 노드 B를 DC에서의 고-임피던스로 스위칭한 후에 도달되는, 노드 B 상의 전위를 측정하도록 추가로 구성되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 중간 전위는 상기 제1 전위보다 낮고, 상기 제2 중간 전위는 상기 제3 전위보다 높은, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 전위는 상기 제2 중간 전위보다 높고, 상기 제3 전위는 상기 제1 중간 전위보다 낮은, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 전위는 상기 제2 중간 전위와 동일하고, 상기 제3 전위는 상기 제1 중간 전위와 동일한, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서 시스템은, 각각의 사전 충전 단계 동안, 제1 시간 간격 이후, 상기 노드 A를 제2 시간 간격 동안 상기 제1 또는 제3 전위로 구동시키도록, 그리고 각각의 획득 단계 동안, 제3 시간 간격 이후 노드 A를 상기 제2 또는 제1 중간 전위로 각각 구동시키도록 구성되는, 센서 시스템.
제6항에 있어서, 상기 센서 시스템은, 상기 제2 시간 간격 이후, 노드 A를 3-상태(tristate)로 스위칭하도록 구성되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서 시스템은, 각각의 사전 충전 단계 동안, 제4 시간 간격 이후, 상기 노드 B를 제5 시간 간격 동안 상기 제2 또는 제4 전위로 구동시키도록, 그리고 그 후, 노드 B를 3-상태로 스위칭하도록, 그리고 각각의 획득 단계 동안, 노드 B를 DC에서의 고-임피던스로 유지하도록 구성되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 전위 및 상기 제2 전위는 동일하고, 상기 제3 전위 및 상기 제4 전위는 동일한, 센서 시스템.
제6항에 있어서, 노드 A가 상기 제1 또는 제3 전위에 있고 노드 B가 상기 제2 또는 제4 전위에 있을 때의 시간 간격이 각각 중첩되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서 시스템은, 상기 제1 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 노드 A를 상기 제1 전위에서 유지하도록, 그리고 상기 제1 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 상기 제1 중간 전위로 구동시키도록, 그리고
상기 제2 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 노드 A를 상기 제3 전위에서 유지하도록, 그리고 상기 제2 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 상기 제2 중간 전위로 구동시키도록 구성되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노드 A 및 노드 B 각각은 집적 회로의 포트에 갈바닉으로(galvanically) 커플링 또는 접속되며, 이들 포트들 각각은 칩 패키지의 패드에 접속되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 노드 A는 터치 및/또는 호버 검출을 위해 사용되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 노드 B는 중간 범위 위치 및 제스처 검출을 위해 사용되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 아날로그-디지털 컨버터들을 더욱 포함하며, 상기 아날로그-디지털 컨버터들은 상기 획득 단계들 동안 샘플링하도록 구성되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서 시스템은 터치 패널 상에서 또는 그 전면에서 또는 그 근처에서 적어도 하나의 객체의 위치를 검출하기 위해 설계되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 전위와 상기 제3 전위 사이에서의 스위칭에 의해 한정되는 반송 주파수를 더욱 포함하며, 상기 제1 전위와 상기 제3 전위 사이에서의 스위칭에 의해 한정되는 반송 주파수는 1 ㎑ 내지 1000 ㎑인, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시스템은 하나 이상의 노드 A들을 포함하고, 각각의 노드 A는 터치 패널의 전극들에 접속되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시스템은 하나 이상의 노드 B들을 포함하고, 적어도 하나의 노드 B는 터치 패널의 전극들에 접속되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시스템은 하나 이상의 노드 A들, 및 터치 패널 근처에 배열된 상기 제2 검출 시스템의 전극들에 접속되는 하나 이상의 노드 B들을 포함하는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 노드 A는 2D 터치 및 호버 검출을 위한 제1 마이크로제어기의 일부이고, 노드 B는 3D 중간 범위 위치 및 제스처 검출을 위한 제2 마이크로제어기의 일부인, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노드 A 및 노드 B는 공동의 2D 터치 및 호버 검출, 및 3D 위치 및 제스처 검출을 위한 마이크로제어기의 일부인, 센서 시스템.
제22항에 있어서, 상기 센서 시스템은 3D 중간 범위 위치 검출, 2D 호버 위치 검출 및 터치 위치 검출 사이의 끊김없는 전이를 허용하는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 노드 A에 접속된 전극은 터치 및/또는 호버 검출을 위해 사용되는, 센서 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 노드 B에 접속된 전극은 3D 터치리스 위치 및/또는 제스처 검출을 위해 사용되는, 센서 시스템.
제1 검출 방법 및 제2 검출 방법을 조합하기 위한 방법으로서,
전극들에 구동 신호들을 공급하는 단계 - 상기 구동 신호들은 기본 획득 사이클(EAC)의 반복으로 이루어진 구동 시퀀스를 포함하고, 각각의 기본 획득 사이클은 2개의 연속적인 주 단계들로 이루어짐 -,
제1 주 단계 동안, 상기 제1 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 적어도 하나의 전극과 커플링된 노드 A를, 상기 제1 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 지정 시간 동안 제1 전위로 구동시키는 단계, 및 상기 제1 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 상기 제1 주 단계의 획득 단계의 적어도 지정 시간 동안 제1 중간 전위로 구동시키는 단계, 및 노드 B를 상기 제1 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 지정 시간 동안 제2 전위로 구동시키는 단계, 및 그 후, 노드 B를 상기 제1 주 단계의 획득 단계의 적어도 지정 시간 동안 DC에서의 고-임피던스로 스위칭하는 단계, 및
제2 주 단계 동안, 상기 제2 주 단계의 사전 충전 단계 동안 노드 A를 상기 제2 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 지정 시간 동안 제3 전위로 구동시키는 단계, 및 상기 제2 주 단계의 획득 단계 동안, 노드 A를 상기 제2 주 단계의 획득 단계의 적어도 지정 시간 동안 제2 중간 전위로 구동시키는 단계, 및 노드 B를 상기 제2 주 단계의 사전 충전 단계의 적어도 지정 시간 동안 제4 전위로 구동시키는 단계, 및 그 후, 노드 B를 상기 제2 주 단계의 획득 단계의 적어도 지정 시간 동안 DC에서의 고-임피던스로 스위칭하는 단계,
노드 A 상에서 전기적 측정을 수행하는 단계, 및
노드 B 상에서 전기적 측정을 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
제26항에 있어서, 노드 A를 상기 제1 및 제2 중간 전위로 각각 구동시키면서 노드 A 상에서 전기적 측정을 수행하는 단계, 및
노드 B를 DC에서의 고-임피던스로 스위칭한 후에 도달되는, 노드 B 상의 전위를 측정하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 제1 중간 전위는 상기 제1 전위보다 낮고, 상기 제2 중간 전위는 상기 제3 전위보다 높은, 방법.
제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 제1 전위는 상기 제2 중간 전위보다 높고, 상기 제3 전위는 상기 제1 중간 전위보다 낮은, 방법.
제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 제1 전위는 상기 제2 중간 전위와 동일하고, 상기 제3 전위는 상기 제1 중간 전위와 동일한, 방법.
제26항 또는 제27항에 있어서, 각각의 사전 충전 단계 동안, 제1 시간 간격 이후, 노드 A는 제2 시간 간격 동안 상기 제1 또는 제3 전위로 구동되고, 각각의 획득 단계 동안, 노드 A는 제3 시간 간격 이후 상기 제2 또는 제1 중간 전위로 각각 구동되는, 방법.
제31항에 있어서, 상기 제2 시간 간격 이후, 노드 A는 3-상태로 스위칭되는, 방법.
제26항 또는 제27항에 있어서, 각각의 사전 충전 단계 동안, 제4 시간 간격 이후, 노드 B는 제5 시간 간격 동안 상기 제2 또는 제4 전위로 구동되고, 그 후, 노드 B는 3-상태로 스위칭되고, 각각의 획득 단계 동안, 노드 B는 DC에서의 고-임피던스로 유지되는, 방법.
제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 제1 전위 및 상기 제2 전위는 동일하고, 상기 제3 전위 및 상기 제4 전위는 동일한, 방법.
제31항에 있어서, 노드 A가 상기 제1 또는 제3 전위에 있고 노드 B가 상기 제2 또는 제4 전위에 있을 때의 시간 간격이 각각 중첩되는, 방법.
제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 제1 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 상기 노드 A는 상기 제1 전위에서 유지되고, 상기 제1 주 단계의 획득 단계 동안, 상기 노드 A는 제1 중간 전위로 구동되고,
상기 제2 주 단계의 사전 충전 단계 동안, 상기 노드 A는 상기 제3 전위에서 유지되고, 상기 제2 주 단계의 획득 단계 동안, 상기 노드 A는 상기 제2 중간 전위로 구동되는, 방법.
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