KR20010006527A - 정전용량 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

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고지마 마타오
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Abstract

센서의 정적 정전용량에 비례하는 전압을 출력할 수 있는 검출회로가 제공되고, 이것은 입력전압을 수신하기 위해서 접속되는 전압 입력단과 연산증폭기를 포함한다. 전압 입력단에서 수신된 입력전압은 두 개의 서로다른 기준전압 사이에서 변화된다. 연산증폭기의 반전 입력단은 저항을 통해서 전압 입력단에 접속되고, 연산증폭기의 비반전 입력단은 센서 정전용량을 통해서 전압 입력단에 접속되며 스위치를 통해서 위 기준전압 중 하나에 접속된다.
연산증폭기의 출력전압은 저항 및 스위치를 포함하는 궤환회로를 통해서 반전 입력단에 접속된다. 계측 사이클 동안에는 이 스위치들이 폐쇄되어 기준전압 중 하나가 입력단에 공급된다. 연산증폭기는 센서 정전용량에 응답하여 선형적으로 변화하는 출력전압을 출력한다.

Description

정전용량 검출 시스템 및 방법{CAPACITANCE DETECTION SYSTEM AND METHOD}
도 1은 일본 특허공보 6-180336호에 개시되고, 상호 접하는 격막(diaphragm) 및 전극으로 형성된 센서의 정적 정전용량이 접속되는 종래의 정전용량 변화 검출회로의 개략도를 나타낸다. 이 격막에 인가되는 물리적 압력 등에 응답하여 격막이 움직이는 경우에 정적 정전용량이 변화한다. 반도체 상에 미세한 기계작업을 통해서 이 센서가 형성되는 경우에는, 격막 및 이에 대향하는 전극을 포함하는 센서로 인가되는 전압이, 정전인력에 응답하여 전극을 격막과 접촉하게 한다는 문제점을 해결하기 위해서 도 1에 도시된 종래의 회로가 제안되어 왔다.
도 1에서, 도면부호 "1 및 2"는 정전용량 검출회로의 전압 입력단 및 출력단을 각각 지시한다. 입력전압(Vin)은 입력단(1)에 인가되고, 출력전압(Vout)은 출력단(2)으로부터 출력된다. 도면부호 "3"은 연산증폭기, "4 및 5"는 저항을 지시하며 도면부호 "6"은 스위치를 지시한다. 입력단(1)은 저항(5) 및 센서(S)의 정적 정전용량을 통하여 각각 연산증폭기(3)의 반전입력단 및 비반전 입력단에 접속된다. 연산증폭기(3)의 출력은 출력단(2)에 접속되고, 동시에 저항(4)를 통하여 비반전 입력단에 접속된다. 비반전 입력단은 스위치(6)를 통하여 접지된다.
도 1의 검출회로에서, 입력단(1)에 인가되는 전압(Vin)으로 센서 정전용량을 충전하는 초기 동안에는 스위치(6)가 폐쇄되고, 센서 정전용량의 계측이 수행될 때는 스위치(6)가 개방된다. 스위치(6)의 개방상태 동안에는, 센서(S)의 정전용량이 높은 입력 임피던스를 갖는 비반전 입력단에 접속되기 때문에, 정전용량에 축적된 전하가 방전되지 않는다. 반면에, 센서(S)를 형성하는 격막으로의 압력을 변화시킴으로써 센서(S)에 물리적 변화가 인가되기 때문에, 예를 들어 센서(S)의 정적 정전용량이 변하게 되어, 센서 정전용량을 가로지르는 전압에 변화를 일으키게 된다. 이러한 전압변화는 저항(4, 5)에 의해서 그 이득이 결정되는 연산증폭기(3)에 의해서 증폭되어, 출력단(2)에 나타나게 된다.
수학식을 이용하여 이상의 설명을 보충하기 위해서는, 저항(4) 및 저항(5)의 저항값은 "Rf 및 Ri", 센서(S)의 본래 정적 정전용량값은 "Cs"이며 연산증폭기(3)의 비반전 입력단 및 반전 입력단에서의 전압을 각각 "v+ 및 v-"라고 가정한다. 이제, 스위치(6)가 폐쇄되는 경우에 출력전압(Vout)은 아래의 수학식으로 표현된다.
Vout = - Vin * Rf/Ri
스위치(6)이 계측을 위해서 개방된 후, 센서 정전용량이 "Cs"에서 "Cs'"로 변화하고 연산증폭기(3)의 출력이 "Vout"에서 "Vout'"로 변화한다고 가정하면, "Vout'"는 아래와 같이 표현된다.
Vout' = {1 - [1 + (Rf/Ri)](Cs/CS')} * Vin
여기서, "Vout' - Vout = △V"로 하고, "Cs' - Cs = △Cs"로 하면, "△V"와 "△Cs" 사이에는 아래의 수학식이 만족된다.
△V = [1 + (Rf/Ri)] * △Cs/(Cs + △Cs) * Vin
위에서 언급한 바와 같이, 출력전압(Vout)은 정전용량(Cs) 뿐만 아니라 연산증폭기의 이득(즉, 저항(4, 5)의 비율 "Rf/Ri")에 응답하여 변화하기 때문에, 센서 정전용량에 입력전압(Vin)으로서 고전압을 인가할 필요가 없다. 낮은 입력전압(Vin)으로 인하여, 격막으로의 정전인력이 비교적 작게 되기도 한다. 따라서, 정전인력 때문에 전극이 격막과 접촉하게 된다는 문제점을 도 1에 도시된 검출회로가 해결할 수도 있다.
본 발명은 일반적으로 정전용량-전압 변환 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히, 센서에 인가되는 물리량에 응답하여 변화하는 센서의 정전용량을 전압으로 변환함으로써, 센서의 정전용량을 검출하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 정전용량 변화 검출회로;
도 2는 센서 정전용량과 관련된 출력전압을 제공하기 위한 본 발명에 따른 정전용량 검출회로의 제 1실시예를 나타내는 회로도;
도 3은 센서 정전용량과 관련된 출력전압을 제공하기 위한 본 발명에 따른 정전용량 검출회로의 제 2실시예를 일반적으로 나타내는 회로도;
도 4a는 도 3에 도시된 정전용량 검출회로의 시뮬레이션에서 센서 정전용량과 출력전압 사이의 관계를 보여주는 그래프 및
도 4b는 도 4a에 도시된 그래프의 일부를 확대한 그래프를 나타낸다.
그러나, 도 1에 도시된 종래의 검출회로에는 기생(parastic) 정전용량에 관한 또 다른 문제점을 여전히 포함하고 있다. 즉, 기생 정전용량(Cp)은 일반적으로 센서(S)를 연산증폭기(3)에 접속시키는 위치에서 형성된다. 이 기생 정전용량(Cp)은 스위치(6)에 병렬로 접속되고, 센서(S)와 연산증폭기(3)가 개별 칩 상에 구현되는 경우에는 약 1 ㎊ 에서 100 ㎊ 까지의 범위에 존재하기도 한다. 반면에, 센서 정전용량(Cs)은 1 fF 에서 수백 fF 까지의 범위에 존재하기도 한다. 이러한 기생 정전용량을 고려하면, 센서 정전용량이 변화하는 경우에 정전용량(Cs)의 변화가 기생 정전용량(Cp)으로 분산된다. 따라서, 센서 정전용량을 가로지르는 전압의 변화가 매우 작게되어, 노이즈 면역이 열화되는 결과를 낳는다.
증폭기(3)의 비반전 입력단에서의 전압변위(△v+)는 아래의 수학식으로 표현된다.
△v+ = (v+ - Vin) * △Cs/(Cp - Cs - △Cs)
위 "수학식 4"에서, "△Cs/(Cp - Cs - △Cs)" 값은 수백분의 1이기 때문에, "△v+" 값도 수백분의 1이 되고, 따라서 매우 작은 값을 취하게 된다. 큰 전압변위(△v+)를 얻기 위해서는, 연산증폭기(3)로의 입력전압(Vin)이 증가되고, 동시에/또는 센서(S)의 감도가 증가된다는 것이 고려되어야 한다. 그러나, 이러한 것들은 증폭기의 이득이 큰 경우에 출력전압(Vout)이 포화되게 하여, 결국 센서 정전용량이 변화되더라도 출력전압(Vout)이 변하지 않게 된다. 출력전압(Vout)이 포화되는 것을 방지하기 위해서 연산증폭기(3)로의 입력전압(Vin)이 감소되면, 격막과 전극이 상호 접촉할 수도 있다는 위 문제점이 발생한다. 또한, 입력전압 자체에서의 이러한 작은 변화를 제어하는 것이 복잡해지고 어려워진다는 또 다른 문제점이 발생할 수도 있다.
본 발명은 위에서 언급한 바와 같이 도 1에 도시된 종래의 검출회로가 갖고있는 문제점들을 해결하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 기생 정전용량이 존재하는 경우에 센서 정전용량에 응답하여 변화하는 출력전압을 유도할 수 있는 정전용량 검출 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기생 정전용량이 존재하는 경우에 센서 정전용량에 실질적으로 비례하는 출력전압을 유도할 수 있는 정전용량 검출 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 정전용량 검출 시스템은, 상호 접하는 격막과 전극을 포함하는 센서의 (센서에 인가되는 물리적 변화에 응답하여 변화하는)정적 정전용량을 검출하기 위한 정전 정전용량 검출회로로서 사용할 수 있다.
위 목적들을 달성하기 위해서, 센서의 정전용량에 대응하는 출력을 제공하는 본 발명에 따른 정전용량 검출 시스템은, (a) 변화되는 입력전압을 수신하도록 접속되는 전압입력단 및 (b) 제 1저항을 통해서 상기 전압입력단에 접속되는 반전 입력단과, 센서를 통해서 상기 전압입력단에 접속되고 제 1스위치를 통해서 기준전압에 접속되는 비반전 입력단 및 상호 병렬로 접속되는 제 2저항 및 제 2스위치를 포함하는 회로를 통해서 상기 반전 입력단에 접속되는 출력단을 구비하는 연산증폭기를 포함한다.
상기 정전용량 검출 시스템이, (c) 제 3저항을 통해서 상기 전압입력단에 접속되는 반전 입력단과, 상기 기준전압에 접속되는 비반전 입력단 및 상호 병렬로 접속되는 제 4저항과 제 3스위치를 포함하는 제 2회로를 통하여 상기 반전 입력단에 접속되는 출력단을 구비하며, 그 이득이 상기 제 1연산증폭기의 이득과 동일한 제 2 연산증폭기 및 (d) 상기 제 1연산증폭기 및 제 2연산증폭기의 출력전압을 수신하도록 각각 접속되는 반전 입력단과 비반전 입력단을 구비하는 제 3연산증폭기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 초기화 사이클 동안에는 상기 제 1스위치 내지 제 3스위치는 동일한 시각에 폐쇄되어 상기 기준전압이 상기 전압입력단에 인가되며, 계측 사이클 동안에는 상기 스위치들이 개방되어 제 2기준전압이 상기 전압입력단에 인가된다.
또한, 본 발명은 센서의 정전용량에 비례하는 전압을 제공하는 정전용량 검출방법을 제공하는 데, 이것은 (a) 상기 센서 정전용량 및 상기 센서 정전용량과 정전용량 검출회로 사이의 접속부에 형성되는 기생 정전용량에 의해 정의되는 제 1전압을 출력하는 단계와, (b) 상기 센서 정전용량 및 기생 정전용량에 관련되지 않는 제 2전압을 출력하는 단계 및 (c) 상기 제 1전압과 제 2전압 사이의 차에 대응하며, 상기 센서 정전용량에 비례하는 전압을 출력하는 단계로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 정전용량 검출회로의 바람직한 실시예가 도 2 내지 도4를 참조하여 상세히 설명된다.
도 2는 본 발명에 따른 정전용량 검출회로의 제 1실시예의 회로도를 나타낸다. 도 2에서, 입력전압(Vin)이 인가되는 입력단(1)은 저항(11)을 통해서 연산증폭기(10)의 반전 입력단(또는 입력노드)에 접속된다. 저항(12)과 스위치(13)로 구성되는 병렬회로는 연산증폭기(10)의 출력단(또는 출력노드)과 반전 입력단 사이에 접속된다. 연산증폭기(10)의 비반전 입력단(또는 입력노드)에는 스위치(14)에 의해서 기준전압(Vh)이 공급되고, 정적 정전용량(Cs)을 갖는 센서(S)는 연산증폭기(10)의 비반전 입력단과 입력단(1) 사이에 접속된다. 기생 정전용량(Cp)이 센서(S)와 연산증폭기(10)의 비반전 입력단 사이의 접속부에 형성되기도 한다.
기준전압(Vh)은 비록 다른 전압이 사용될 수도 있지만 예를 들어 접지전압이다. 센서(S)의 예시적인 구성의 하나로는, 극히 작은 영역을 갖도록 미세하게 기계작업이 이루어지고 상호 접하는 격막과 전극 사이에 정전용량(Cs)을 형성하는 것이 있다. 센서(S)는 그곳에 인가되는 물리적 변화에 의해여 야기되는 격막의 변위에 응답하여 정전용량(Cs)을 변화시킨다.
센서(S)의 정전용량(Cs) 검출순차는 초기화 사이클 및 계측 사이클을 포함한다. 초기화 사이클 동안에는 스위치(13, 14)가 폐쇄되어 입력전압(Vin)이 기준전압(Vh)으로 설정되어(즉, Vin = Vh), 출력전압(Vout)이 동일한 기준전압(Vh)으로 설정된다.(이하, "동안에는"이라는 어구는 전체 주기 또는 주기의 일부분을 의미한다.) 반면에, 계측 사이클 동안에는 스위치(13, 14)이 개방되고 입력전압(Vin)이 전압(Vh +△V)으로 설정된다.
정전용량(Cs)을 계측하기 위하여 스위치(13, 14)가 개방되는 경우에는, 연산증폭기(10)의 출력전압(Vout)에 대하여 아래의 수학식이 만족되고, 여기서 "Ri1"과 "Rf1"은 각각 저항(11)과 저항(12)의 저항값이고; "v+"와 "v-"는 각각 연산증폭기(10)의 비반전 입력단에서의 전압과 반전 입력단에서의 전압이며; "Rf1 = Ri1"으로 설정된다.
Vout = -(Rf1/Ri1)(Vin - v+) + v+
= -Vin + 2v+
입력전압이 초기화 사이클 동안에 설정되었던 "Vh"에서 "Vh + △V"로 변화되는 경우에는, 센서 정전용량(Cs) 상에 축적된 전하(Q1)와 기생 정전용량(Cp) 상에 축적된 전하(Q2)가 아래의 수학식으로 표현된다:
Q1 = (Vin - v+)Cs
= (Vh + △V -v+)Cs
Q2 = v+Cp
센서 정전용량(Cs)과 기생 정전용량(Cp)은 직렬로 접속되기 때문에 동일한 양의 전하가 개별 정전용량(Cs, Cp) 상에 축적되어 "Q1 = Q2"가 성립한다. 따라서, 아래의 수학식이 만족된다.
v+Cp = (Vh + △V - v+)Cs
위에서 언급한 바와 같이, "Vh = 0"이기 때문에, 연산증폭기(10)의 비반전 입력단에서의 전압은 아래의 수학식에 의해서 표현된다:
v+ = △V * Cs/(Cs + Cp)
위 "수학식 9"를 "수학식 5"에 대입하면, 연산증폭기(10)의 출력전압(Vout)은 아래의 수학식으로 다시 표현할 수 있다:
Vout = -Vin + 2V+
= -Vin + 2 * △V * Cs/(Cs + Cp)
센서(S)와 도 2 검출회로의 나머지 회로부분이 전기적 접속을 갖는 개별 칩 상에 형성되는 경우에는, 기생 정전용량(Cp)이 대략 수 ㎊ 에서 약 15㎊ 또는 그 이상의 영역에 존재하게 되는 반면에, 센서(S)의 정전용량(Cs)은 일반적으로 약 1 fF 에서 수백 fF 이다. 따라서, "Cp"가 "Cs" 보다 훨씬 크기 때문에 "Cs/(Cs + Cp)" 대신에 "Cs/Cp"가 사용될 수 있다. 즉, 연산증폭기(10)의 출력전압(Vout)은 아래의 수학식으로 표현된다.
Vout = -Vin + 2 * △V * Cs/Cp
위 수학식은 검출회로의 출력전압(Vout)이 정전용량(Cs)에 응답하여 선형적으로 변화한다는 것을 의미한다.
따라서, 기생 정전용량(Cp)이 연산증폭기(10)의 반전 입력단 근처에 존재하더라도, 정전용량(Cs)이 기생 정전용량(Cp)보다 훨씬 더 작기만 하면 정전용량 검출회로는 정전용량(Cs)에 대하여 선형관계를 갖는 전압(Vout)을 출력할 수 있다. 더욱이, 연산증폭기(10)의 이득(Rf1/Ri1)을 조절하고 입력전압(Vin)의 변화량(△V)을 조절함으로써, 정전용량(Cs)에 따른 충분히 큰 출력전압(Vout)이 제공될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 정전용량 검출회로가 사용되는 본 발명에 따른 정전용량 검출회로의 제 2실시예를 나타내는 회로도이다. 도 3의 회로는 센서 정전용량과 출력전압 사이의 비례관계를 얻기 위해서, "수학식(11)"로부터 "-Vin"을 없애기 위한 수단을 더 포함한다.
도 3에서, 입력전압(Vin)이 인가되는 입력단(1)은 저항(11)을 통해서 제 1연산증폭기(10)의 반전 입력단(또는 입력노드)에 접속된다. 저항(12)와 스위치(13)의 병렬회로는 연산증폭기(10)의 출력단(또는 출력노드)과 반전 입력단 사이에 접속된다. 연산증폭기(10)의 비반전 입력단(또는 입력노드)에는 스위치(14)를 통해서 기준전압(Vh)이 공급되고, 정전용량(Cs)을 갖는 센서(S)는 연산증폭기(10)의 비반전 입력단과 입력단(1) 사이에 접속된다.
또한, 입력단(1)은 저항(21)을 통해서 제 2연산증폭기(20)의 반전 입력단(또는 입력노드)에도 접속된다. 저항(22)과 스위치(23)의 병렬회로는 연산증폭기(20)의 비반전 입력단과 출력단(또는 출력노드) 사이에 접속된다. 연산증폭기(20)는 그 비반전 입력단(또는 입력노드)에 기준전압(Vh)이 공급된다. 제 2연산증폭기(20)는 전압(V2)을 출력한다.
또한, 제 2연산증폭기(20)의 출력단은 저항(31)을 통해서 제 3연산증폭기(30)의 반전 입력단(또는 입력노드)에 접속된다. 저항(32)과 스위치(33)의 병렬회로는 연산증폭기(30)의 반전 입력단과 출력단(또는 출력노드) 사이에 접속되는데, 이 출력단은 본 정전용량 검출회로의 출력단(2)이다. 제 3연산증폭기(30)의 비반전 입력단(또는 입력노드)은 저항(34)을 통해서 제 1연산증폭기(10)의 출력단에 접속되고, 저항(35)을 통해서 기준전압(Vh)이 공급된다. 출력전압(Vout)은 출력단(2)으로부터 제공된다.
도 3에 도시된 회로에서, 센서(S) 및 (센서(S) 이외의)회로부는 개별 칩 상에 형성되고, 센서(S)는 연산증폭기(10)의 비반전 입력단에 전기적으로 접속된다. 기생 정전용량(Cp)이 이 접속부 상에 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 정전용량 검출회로의 작동이 이하 설명된다. 초기화 사이클 동안에는, 모든 스위치(13, 14, 23, 33)가 폐쇄되고 입력단(1)에 공급되는 입력전압(Vin)은 기준전압(Vh)으로 설정된다. 이것은 전압(Vh)이 정전용량(Cs)에 충전되고, 출력단(2)에서의 출력전압(Vout)이 기준전압(Vh)으로 설정되게 한다.
계측 사이클 동안에는, 모든 스위치(13, 14, 23, 33)가 개방되어 입력단(1)에 공급되는 입력전압(Vin)이 "Vh"에서 "Vh + △V"로 변화된다. 입력전압 변화에 응답하여 센서 정전용량(Cs)과 기생 정전용량(Cp) 사이에 전하가 분산되는 결과로서, 정전용량(Cs) 및 기생 정전용량(Cp)과 관련된 전압이 제 1연산증폭기(10)의 비반전 입력단에 입력된다. 그 후, 비반전 입력단에서의 전압이 증폭되고, 연산증폭기(10)의 출력단에서 계측전압(V1)으로 나타난다. 증폭기(10)의 이득은 출력전압(V1)이 포화되지 않게하는 값으로 설정된다.
제 2연산증폭기(20)의 이득은 제 1연산증폭기(10)의 이득과 동일한 값으로 설정된다. 도 3에 도시되듯이, 연산증폭기(20)도 그 비반전 입력단에 동일한 입력전압(Vin)이 인가되기 때문에, 제 2연산증폭기(20)는 센서와 기생 정전용량이 접속되지않은 상태로 전압(V2)을 출력한다.
제 1연산증폭기(10) 출력전압(V1)은 저항(34)을 통해서 제 3연산증폭기(30)의 비반전 입력단에 제공되는 반면, 제 2연산증폭기(20)의 출력전압은 저항(31)을 통해서 제 3연산증폭기(30)의 반전 입력단에 제공된다. 따라서, 제 3연산증폭기(30)는, 센서 정전용량(Cs)에 관련한 제 1연산증폭기(10)의 출력전압(V1)(즉, 센서 정전용량(Cs) 및 기생 정전용량(Cp)에 관련한 전압)과 제 2연산증폭기(20)의 출력전압(즉, 센서 정전용량과 무관한 전압) 사이의 차를 증폭하고, 이 차이분 만큼이 증폭된 전압을 출력전압(Vout)으로서 출력한다.
이하 상세히 논의되는 바와 같이, 제 3연산증폭기(30)로부터의 출력전압(Vout)은, 정전용량(Cs) 대 기생 정전용량(Cp)의 비율(즉, Cs/Cp)이 작을수록 센서 정전용량(Cs)에 더욱 비례한다. 연산증폭기(30)의 이득과 입력전압(Vin)의 전압 이동량(shifting amount)의 작용이 비례요소가 된다. 실제로, 기생 정전용량(Cp)이 센서 정전용량(Cs)보다 크기 때문에, 제 3연산증폭기(30)는 정전용량(Cs)에 응답하여 선형적으로 변화하는 전압을 출력한다.
지금까지의 동작이 수학식을 이용하여 설명될 것이다.
연산증폭기(10, 20, 30)에 동일한 크기를 갖는 정전원(V+)과 부전원(V-)이 공급되고, 기준전압(Vh)은 0 V 라고 가정한다. 본 발명에 따른 검출회로에서 "Vh = 0"라는 것이 필수적인 것은 아니라는 것에 주의하여야 한다. 연산증폭기의 전원전압(V+ 및 V-)에 의존하여 전압(Vh)이 정(+) 또는 부(-) 값을 취하는 반면, 이하 설명은 설명을 간략히 하기 위해서 "Vh = 0"로 하고 진행한다.
초기화 사이클 동안에는, 스위치(13, 14, 23, 33)가 폐쇄되고 입력전압이 "Vin = Vh = 0"로 설정되기 때문에, 제 1연산증폭기(10)의 출력전압(V1)과 제 2연산증폭기(20)의 출력전압(V2)은 아래와 같이 표현된다:
V1 = V2 = Vh = 0
다음에, 정적 정전용량(Cs)을 계측하기 위해서 스위치(13, 14, 23, 33)가 개방되는 경우에는, 제 1연산증폭기 내지 제 3연산증폭기(10, 20, 30) 각각의 출력전압(V1, V2, Vout)에 대하여 아래의 수학식이 만족되며, 여기서 "Ri1, Rf1, Ri2, Rf2, Ri3, Rf3, Rh3, Rg3"는 각각 저항(11, 12, 21, 22, 31, 32, 34, 35)의 저항값이고; "K = Rg3/Rh3 = Rf3/Ri3"이며; "v+ 와 v-"는 연산증폭기(10)의 비반전 입력단과 반전 입력단에서의 전압이고; "Rf1 = Ri1, Rf2 = Ri2"로 설정된다.
V1 = -(Rf1/Ri1)(Vin - v+) + v+
= -Vin + 2v+
V2 = -(Rf2/Ri2)(Vin - Vh) + Vh
= -Vin
Vout = K(V1 - V2)
입력전압(Vin)이 초기화 사이클 동안에 설정되었던 "Vh"에서 "Vh + △V"로 변화되는 경우에는, 센서 정전용량(Cs) 상에 축적된 전하(Q1)와 기생 정전용량(Cp) 상에 축적된 전하(Q2)가 아래의 수학식에 의해서 표현된다:
Q1 = (Vin - v+)Cs
= (Vh + △V - v+)Cs
Q2 = v+Cp
센서 정전용량(Cs)과 기생 정전용량(Cp)이 직렬로 접속되기 때문에 동일한 양의 전하가 정전용량(Cs, Cp) 상에 충전되어 "Q1 = Q2"가 성립한다. 따라서, 아래의 등식이 만족된다:
v+Cp = (Vh + △V - v+)Cs
이미 언급한 바와 같이 "Vh = 0"이므로, 제 1연산증폭기(10)의 비반전 입력단에서의 전압(v+)는 아래의 수학식에 의해서 표현된다:
v+= △V * Cs/(Cs + Cp)
위 "수학식 17"을 이용하여, "수학식 12"와 "수학식 14"는 각각 아래의 수학식으로 다시 표현된다.
V1 = -Vin + 2v+
= -Vin + 2 * △V * Cs/(Cs + Cp)
Vout = K(V1 - V2)
= K[-Vin + 2 * △V * Cs/(Cs + Cp) + Vin]
= 2K * △V * Cs/(Cs + Cp)
도 3에서 센서(S)와 검출회로의 그 나머지 부분이 전기적 접속을 이루는 개별 칩상에 형성되는 경우에는, 기생 정전용량(Cp)이 대략 1 ㎊ 에서 약 100 ㎊ 의 범위에 존재하는 반면, 센서(S)의 정전용량(Cs)은 일반적으로 약 1 fF 에서 수백 fF 이다. 따라서, "Cp"가 "Cs"보다 훨씬 크기 때문에, "Cs/(Cs + Cp)" 대신에 "Cs/Cp"가 사용될 수 있다. 따라서, 위 "수학식 19"(즉, 제 3연산증폭기(30)의 출력전압)는 아래의 수학식으로 다시 표현된다:
Vout = 2K * △V * Cs/Cp
위 "수학식 20"은 정적 정전용량(Cs)에 비례하는 전압이 제 3연산증폭기(30)로부터 유도될 수 있다는 것을 나타낸다. 도 3에 도시된 장치에서 "Vh ≠0"인 조건하에서는 비록 "수학식 20"이 보다 복잡하게 되지만 "Vh"가 0이 아닌 경우에도, 문제를 해결하는 방법에 관한 기술적 사상의 원리는 "Vh = 0"인 경우와 동일하다는 것을 주의하여야 한다.
따라서, 연산증폭기(10)의 비반전 입력단에 기생 정전용량(Cp)이 존재하더라도, 정전용량(Cs)이 기생 정전용량(Cp)보다 훨씬 작기만 하면 도 3에 도시된 정전용량 검출회로는 정전용량(Cs)에 비례하는 전압(Vout)을 출력할 수 있다. 더욱이, 제 1 내지 제 3연산증폭기(10. 20. 30) 각각의 이득을 조절하고 정전용량(Cs)에 따라서 입력전압(Vin)의 양을 변화시킴으로써, 충분히 큰 출력전압(Vout)이 제공될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 도 3에 도시된 정전용량 검출회로는, 기생 정전용량(Cp)이 크더라도 입력전압(Vin)을 변화시킴으로써 센서(S)의 정전용량(Cs)에 축적된 전하량을 증가시킬 뿐만 아니라 센서(S)의 정적 정전용량에 비례하는 전압(Vout)을 출력할 수 있다. 또한, 제 1연산증폭기(10)로부터 출력되어 정전용량 검출되는 전압(V1)과 제 2연산증폭기(20)로부터 출력되는 기준전압(V2) 사이의 차이가 제 3연산증폭기(30)에 의해서 증폭되기 때문에, 증폭기(10)는 작은 이득을 가져도 좋고, 이에 의해서 출력전압(V1)이 포화되는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 제 3연산증폭기(30)의 이득은 센서 정전용량(Cs) 대 기생 정전용량(Cp)의 비율에 따라서 조절될 수 있다.
도 4는 기생 정전용량(Cp)이 20 ㎊으로 설정되었을 경우에 도 3에 도시된 정전용량 검출회로가 시뮬레이션된 실시예의 결과를 나타내고 있다. 또한, "v- = 0 V, v+ = 5 V 및 Vh = Vdd/2 = 2.5 V, 따라서 Cs = 0, Vout ≒ 2.5 V"이라고 가정한다. 도 4b의 그래프는 도 4a의 일부분을 확대한 것이다. 도 4a는 센서 정전용량(Cs)이 0 fF 에서 500 fF 의 범위에서 변화되는 경우에 출력전압(Vout)이 2.4 V에서 4.1 V의 범위에서 선형적으로 변화한다는 것을 보여주고, 도 4b는 정전용량(Cs)이 0 fF 에서 100 fF 의 범위에서 변화되는 경우에 출력전압(Vout)이 2.41 V 에서 2.77 V 의 범위에서 선형적으로 변화한다는 것을 보여준다.
바람직한 실시예에 관한 지금까지의 상세한 설명으로부터 알 수 있듯이, 본 발명은 센서 정전용량과 검출회로 사이의 접속부 상에 기생 정전용량이 형성되는 경우에도 이 기생 정전용량에 의한 영향을 받지않고 센서 정전용량에 비례하는 전압이 유도될 수 있다는 고유한 효과를 제공할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예로 현재 고려되는 것이 설명되었지만, 그 안에서 다양한 변경이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이며, 첨부된 "청구범위"에 본 발명의 기술사상 및 범위에 포함되는 이러한 모든 변형을 포함하려고 한다.

Claims (11)

  1. 센서의 정전용량에 대응하는 출력을 제공하는 정전용량 검출 시스템에 있어서,
    변화되는 입력전압을 수신할 수 있도록 접속되는 전압 입력단 및
    제 1저항을 통해서 상기 전압 입력단에 접속되는 반전 입력단, 센서를 통해서 상기 전압 입력단에 접속되고 제 1스위치를 통해서 기준전압에 접속되는 비반전 입력단 및 상호 병렬로 접속되는 제 2저항과 제 2스위치를 포함하는 회로를 통해서 상기 반전 입력단에 접속되는 출력단을 구비하는 연산증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    제 3저항을 통해서 상기 전압 입력단에 접속되는 반전 입력단, 상기 기준입력에 접속되는 비반전 입력단 및 상호 병렬로 접속되는 제 4저항과 제 3스위치를 포함하는 제 2회로를 통해서 상기 반전 입력단에 접속되는 출력단을 구비하고 상기 제 1연산증폭기와 그 이득이 동일한 제 2연산증폭기 및
    상기 제 1연산증폭기 및 제 2연산증폭기로부터의 출력전압을 수신할 수 있도록 접속되는 반전 입력단 및 비반전 입력단을 구비하는 제 3연산증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 시스템.
  3. 센서의 정전용량에 대응하는 출력을 제공하는 정전용량 검출 시스템에 있어서,
    제 1 및 제 2 기준전압 사이에서 변화되는 입력전압을 수신하기 위해서 접속되는 전압 입력단 및
    제 1저항을 통해서 상기 전압 입력단에 접속되는 반전 입력단, 센서 정전용량을 통해서 상기 전압 입력단에 접속되고 제 1스위치를 통해서 상기 제 1기준전압에 접속되는 비반전 입력단, 상호 병렬로 접속되는 제 2저항과 제 2스위치를 포함하는 궤환회로를 통해서 상기 반전 입력단에 접속되는 출력단을 구비하는 연산증폭기를 포함하고,
    초기화 사이클 동안에는 상기 제 1 및 제 2스위치가 폐쇄되어 상기 제 1기준전압이 상기 전압 입력단에 공급되며, 계측 사이클 동안에는 상기 제 1 및 제 2스위치가 개방되고 상기 제 2기준전압이 상기 전압 입력단에 공급되어, 상기 센서 정전용량에 응답하여 선형적으로 변화하는 출력전압이 출력단에서 유도되는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    제 3저항을 통해서 상기 전압 입력단에 접속되는 반전 입력단, 상기 제 1기준전압에 접속되는 비반전 입력단 및 상호 병렬로 접속되는 제 4저항과 제 3스위치를 포함하는 제 2궤환회로를 통해서 상기 반전 입력단에 접속되는 출력단을 구비하고 상기 제 1연산증폭기와 그 이득이 동일한 제 2연산증폭기 및
    상기 제 1 및 제 2연산증폭기의 출력전압을 수신할 수 있도록 접속되는 반전 입력단 및 비반전 입력단을 구비하는 제 3연산증폭기를 더 포함하고,
    상기 제 3스위치는 상기 제 1 및 제 2스위치와 동일한 시각에 폐쇄 및/또는 개방되어, 상기 제 3연산증폭기 출력으로부터 상기 정전용량에 비례하는 출력전압이 유도되는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 시스템.
  5. 제 2항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 제 3연산증폭기의 궤환회로 내에 포함되는 제 4스위치를 더 포함하고, 상기 제 4스위치는 상기 제 1 내지 제 3스위치와 동일한 시각에 폐쇄 및/또는 개방되는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 시스템.
  6. 센서의 정전용량에 비례하는 전압을 출력하기 위한 정전용량 검출 시스템에 있어서,
    상기 센서 정전용량 및 상기 센서 정전용량과 검출회로 사이의 접속부에 형성되는 기생 정전용량에 관련되는 제 1전압을 제공하기 위한 제 1회로;
    상기 제 1회로와 동일한 회로특성을 갖고 상기 정전용량 및 기생 정전용량과 무관한 제 2전압을 제공하기 위한 제 2회로 및
    상기 제 1전압과 제 2전압 사이의 차이에 대응하는 전압을 출력함으로써 상기 정전용량에 비례하는 전압을 출력하기 위한 제 3회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출회로.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1회로는, 센서 정전용량을 통해서 전압 입력단에 접속되는 입력단을 구비하며 상기 정전용량과 상기 입력단 주위에 형성된 기생 정전용량에 응답하여 선형적으로 변화하는 제 1전압을 제공하기 위한 제 1증폭기를 포함하고,
    상기 제 2회로는, 상기 제 1증폭기와 동일한 이득을 갖으며 상기 전압 입력단에 접속되고, 상기 센서 기생 정전용량과 무관한 제 2전압을 제공하기 위한 제 2증폭기를 포함하며,
    상기 제 3회로는, 상기 제 1 및 제 2전압 사이의 차이에 대응하는 전압을 출력하기 위해서 상기 제 1 및 제 2전압을 수신하는 제 3증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 내지 상기 제 3증폭기는 각각 제 1 내지 제 3연산증폭기를 포함하고, 상기 센서 정전용량은 상기 전압 입력단과 상기 제 1연산증폭기의 비반전 입력단 사이에 접속되며, 상기 검출회로를 초기화하기 위한 스위치들이 상기 제 1연산증폭기 및 제 2연산증폭기의 반전 입력단과 출력단들 사이에, 상기 제 3연산증폭기의 비반전 입력단과 출력단 사이에 및 상기 제 1연산증폭기의 비반전 입력단과 기준전압 단자 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 시스템.
  9. 센서의 정전용량에 비례하는 전압을 제공하는 정전용량 검출방법에 있어서,
    상기 센서 정전용량 및 상기 센서 정전용량과 정전용량 검출회로 사이의 접속부에 형성되는 기생 정전용량에 의해서 정의되는 제 1전압을 출력하는 단계;
    상기 센서 정전용량 및 기생 정전용량과 무관한 제 2전압을 출력하는 단계 및
    상기 센서 정전용량에 비례하며 상기 제 1전압과 제 2전압 사이의 차이에 대응하는 제 3전압을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1전압을 출력하는 단계는, 제 1연산증폭기의 출력단으로부터 제 1전압을 출력하기 위해서 저항 및 센서를 통해서 제 1연산증폭기의 반전 입력단 및 비반전 입력단에 입력전압을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2전압을 출력하는 단계는, 그 비반전 입력단이 기준전압 단자에 접속되는 제 2연산증폭기의 출력단으로부터 제 2전압을 출력하기 위해서 제 2연산증폭기의 반전 입력단에 입력전압을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 제 3전압을 출력하는 단계는, 제 3연산증폭기의 출력단으로부터 제 3전압을 출력하기 위해서 제 3연산증폭기의 비반전 입력단 및 반전 입력단에 상기 제 1전압 및 제 2전압을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출방법.
  11. 제 12항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3연산증폭기는, 상호 병렬로 접속되는 제 1 내지 제 3저항과 제 1 내지 제 3스위치를 포함하는 제 1 내지 제 3 부궤환회로를 각각 포함하고, 상기 제 1연산증폭기의 비반전 입력단은 제 4스위치를 통해서 상기 기준전압에 접속되며,
    리셋 사이클 동안에는 상기 제 1 내지 제 4스위치를 "턴-온"하는 단계와
    계측 사이클을 개시하기 전에는 상기 제 1 내지 제 4스위치를 "턴-오프"하는 단계 중 적어도 한 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출방법.
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