KR20040090712A

KR20040090712A - 면압 분포 센서

Info

Publication number: KR20040090712A
Application number: KR1020040025691A
Authority: KR
Inventors: 가와하따겐
Original assignee: 알프스 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2004-10-26
Also published as: EP1469415A2; CN1249415C; CN1538154A; JP2004317403A; US6862942B2; KR100559094B1; EP1469415A3; US20040206190A1

Abstract

장기간에 걸쳐 면압 분포의 정확하고 안정된 검출이 가능하며, 또한 간단한 구성과 저비용으로 제조 가능한 면압 분포 센서를 제공한다.

면압 분포 센서 (10) 는, 스페이서 (18) 를 사이에 두고 일정 간격의 간극을 두어 대향배치된 행배선부 (11) 와 열배선부 (12) 를 구비하고 있다. 행배선부 (11) 는 유리기판 (13) 과, 이 유리기판 (13) 위에 제 1 방향으로 다수 평행하게 배열된 행배선 (14) 과, 이 행배선 (14) 을 덮는 절연막 (15) 으로 이루어진다. 열배선부 (12) 는 가요성 필름 (16) 과, 이 가요성 필름 (16) 위에 제 2 방향으로 다수 평행하게 배열된 열배선 (17) 으로 이루어진다.

Description

면압 분포 센서{SURFACE PRESSURE DISTRIBUTION SENSOR}

본 발명은 피측정물의 미세한 요철 등을 측정하는 면압 분포 센서에 관한 것이다.

검출면에 눌려진 피측정물의 표면의 미세한 요철을 가압력의 분포로서 검출하는 면압 분포 센서는, 조면(粗面) 의 표면형상을 데이터화하는 센서로서 알려져 있다 (예를 들어 일본 특허공고공보 평7-58234호).

이러한 면압 분포 센서는, 예를 들어 도 11 에 나타낸 바와 같이 반도체 스위칭 소자 (101) 를 매트릭스상으로 배치하여 이 반도체 스위칭 소자 (101) 의 한 쪽 단자측에 연결되는 전극 (102) 이 형성되어 있다. 반도체 기판의 대향면측에는 도전막을 갖는 가요성 필름을 전극측에 대하여 일정한 간격을 두고 전극과 마주 보도록 배치하고 있다. 이 도전막에는 일정한 전압이 인가되어 있으며, 가요성 필름에 예를 들어 표면에 미세한 요철을 구비한 피측정물이 눌려지면 이 가요성 필름은 피측정물의 요철에 따라 휜다. 이렇게 휜 부분의 도전막과 반도체 기판의 전극이 접촉함으로써 그 부분의 반도체 스위칭 소자의 매트릭스를 차례로기동하여 판독하게 되어 있다.

종래의 면압 분포 센서는 반도체 기판을 사용하고 있는데, 이와 같은 반도체 기판은 일반적으로 고가이다. 특히 면압 분포 센서를 지문검출 센서로 사용한 경우, 손가락을 충분히 누르는 넓은 표면적이 필요해지며, 이러한 넓은 표면적의 반도체 기판을 사용하는 한 저비용으로 제조하기는 어렵다. 또, 표면의 미세한 요철을 검출하기 위해 반도체 스위칭 소자의 노출부와 도전막은 장기간에 걸쳐 작은 가압력으로도 안정되게 접촉이 유지되게 하여야 하는데, 종래의 면압 분포 센서에서는 반도체 스위칭 소자의 노출부와 도전막의 접촉부분의 장기간에 걸친 청정성을 유지하는 것도 곤란하였다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 장기간에 걸쳐 면압 분포의 정확하고 안정된 검출이 가능하고, 또한 간단한 구성과 저비용으로 제조 가능한 면압 분포 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 본 발명의 면압 분포 센서의 등가(等價) 회로를 나타내는 설명도이다.

도 2 는 본 발명의 면압 분포 센서의 요부 확대 단면도이다.

도 3 은 용량검출회로의 일례를 나타내는 등가회로도이다.

도 4 는 본 발명의 면압 분포 센서의 요철검출시의 모습을 나타내는 설명도이다.

도 5 는 본 발명의 면압 분포 센서를 구비한 휴대전화를 나타내는 외관 사시도이다.

도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태를 나타내는 확대 단면도이다.

도 7 은 도 6 의 가요성 필름 기판을 나타내는 설명도이다.

도 8 은 본 발명의 제 3 실시형태를 나타내는 설명도이다.

도 9 는 본 발명의 제 4 실시형태를 나타내는 설명도이다.

도 10 은 본 발명의 제 5 실시형태를 나타내는 설명도이다.

도 11 은 종래의 면압 분포 센서를 나타내는 등가회로도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 면압 분포 센서

14 : 행배선

15 : 절연막

16 : 가요성 필름 (가요성 필름 기판)

17 : 열배선

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 복수의 도체가 병렬되어 제 1 방향으로 연장되는 행배선과, 복수의 도체가 병렬되어 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 연장되는 열배선과, 상기 행배선 및 상기 열배선이 표면에 각각 형성된 기판을 갖는 면압 분포 센서로서, 상기 기판의 적어도 한 쪽은 가요성 필름 기판으로 이루어지고, 상기 행배선 및 상기 열배선의 교차부 정전용량의 변화에 기초하여 면압의 분포를 검출하는 것을 특징으로 하는 면압 분포 센서가 제공된다.

이러한 면압 분포 센서에 의하면, 미세한 요철면의 검출, 즉 미소한 정전용량의 변화를 정밀하게 검출하는 것이 가능해진다. 이는, 행배선과 열배선의 교차부에서의 요철 형상에 따른 이간거리의 변화에 기인하는 정전용량의 변화를 검출하고 있기 때문이다. 그리고, 간단한 구성과 저비용으로 면압 분포 센서를 제조하는 것이 가능해진다.

또, 상기 행배선 및 상기 열배선은 서로 독립된 제 1 과 제 2 기판에 각각 형성되며, 상기 제 1 과 제 2 기판을 겹침으로써 상기 행배선 및 상기 열배선이 교차되게 하면 된다. 이 때, 행배선과 열배선이 교차부에서 정전용량을 형성하도록 이간되어 대향배치되어 있는 것은 말할 것도 없다. 또, 상기 기판은 단일 가요성 필름 기판으로 이루어지고, 상기 가요성 필름 기판 위에 상기 행배선 및 상기 열배선이 형성되며, 상기 가요성 필름 기판을 소정 위치에서 굴절시킴으로써 상기 행배선 및 상기 열배선이 교차되도록 해도 된다. 이로써 더욱 간단한 구성과 저비용으로 면압 분포 센서를 제조하는 것이 가능해진다.

또, 상기 가요성 필름 기판은 상기 제 1 방향과 제 2 방향에서 열수축률이 상이한 수지로 이루어지고, 상기 행배선 또는 상기 열배선에서 발생하는 막응력이 인장응력을 이루는 경우, 열수축률이 큰 방향으로 연장되도록 상기 행배선 및 상기 열배선이 형성되며, 상기 막응력이 압축응력을 이루는 경우, 열수축률이 작은 방향으로 연장되도록 상기 행배선 및 상기 열배선이 형성되어 있으면 된다. 이로써 가요성 필름 기판의 응력에 의해 상기 행배선 및 상기 열배선이 단선되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 행배선 및 상기 열배선 중 적어도 어느 하나는 절연막으로 덮여 있으면 행배선과 열배선이 교차부에서 확실하게 정전용량을 형성하는 것이 가능해져 적합하다. 또, 상기 가요성 필름 기판은 상기 제 1 방향과 제 2 방향에서 열수축률이 상이한 수지로 이루어지고, 상기 행배선 또는 상기 열배선과 상기 절연막에서 발생하는 막응력이 인장응력을 이루는 경우, 열수축률이 큰 방향으로 연장되도록 상기 행배선 및 상기 열배선이 형성되며, 상기 막응력이 압축응력을 이루는 경우, 열수축률이 작은 방향으로 연장되도록 상기 행배선 및 상기 열배선이 형성되어 있으면 된다. 이로써 가요성 필름 기판의 응력에 의해 상기 행배선 및 상기 열배선이 단선되는 것을 방지할 수 있다.

또, 상기 행배선 및 상기 열배선은 상기 가요성 필름 기판 위에서 동일 방향으로 연장되도록 형성되며, 상기 가요성 필름 기판을 굴곡시켜 상기 행배선 및 상기 열배선을 서로 교차시켜도 된다.

(발명의 실시형태)

이하, 본 발명의 대표적인 실시형태를 설명한다. 도 1 은 본 발명의 면압 분포 센서의 등가회로를 나타내는 설명도이고, 도 2 는 본 발명의 면압 분포 센서의 요부 확대 단면도이다. 면압 분포 센서 (10) 는 스페이서 (18) 를 사이에 두고 일정 간격의 간극을 두어 대향배치된 행배선부 (11) 와 열배선부 (12) 를 구비하고 있다.

행배선부 (11) 는, 유리기판 (13), 이 유리기판 (13) 위에 제 1 방향 (X) 으로 다수 평행하게 배열된 행배선 (14), 및 이 행배선 (14) 을 덮는 절연막 (15) 으로 이루어진다. 행배선 (14) 은 예를 들어 0.1㎛ 두께의 Al 막으로 구성되며, 유리기판 (13) 위에 예를 들어 50㎛ 피치로 200개 형성되면 된다. 절연막 (15) 은 예를 들어 Si₃N₄를 적층시킨 것이면 된다. 각각의 행배선 (14) 은 정전용량을 검출하는 용량검출회로 (22) 에 접속되어 있다.

열배선부 (12) 는 가요성 필름 (가요성 필름 기판; 16) 과, 이 가요성 필름 (16) 위에 제 2 방향 (Y) 으로 다수 평행하게 배열된 열배선 (17) 으로 이루어진다. 가요성 필름 (16) 은, 표면에 수 ㎛ 정도의 요철면이 눌려졌을 때 이 요철 형상을 따라 휠 정도의 유연성이 있으면 되고, 예를 들어 두께가 1∼30㎛ 정도인 폴리에스테르 필름이 적합하게 사용된다. 열배선 (17) 은 예를 들어 0.1㎛ 두께의 Al 막으로 구성되며, 가요성 필름 (16) 위에 예를 들어 50㎛ 피치로 200개 형성되면 된다. 각각의 열배선 (17) 은 열선택회로 (23) 에 접속되어 있다. 이러한 열선택회로 (23) 는 정전용량의 측정시에 선택된 열배선 (17) 이외를 모두 접지측에 접속한다.

스페이서 (18) 는 이러한 행배선부 (11) 와 열배선부 (12) 의 둘레 가장자리를 따라 형성되며, 대향하는 행배선부 (11) 와 열배선부 (12) 의 간극의 공기를 밀봉하여 공기층 (19) 을 형성한다. 이러한 공기층 (19) 은, 가요성 필름 (16) 의 표면에 미세한 요철면이 눌려졌을 때 밀폐된 공기에 의해 가요성 필름 (16) 을 요철면을 따라 휘게 하는 역할을 한다. 또, 행배선부 (11) 와 열배선부 (12) 의 간극의 공기층은 밀폐되지 않아도 되며, 열배선 (17) 이 절연막 (15) 에 밀착될때까지 눌려짐으로써 요철 사이에 공기가 밀폐되게 되어, 공기층을 밀폐한 경우와 동등한 역할을 한다.

본 발명의 면압 분포 센서 (10) 는, 상기 서술한 바와 같은 구성에 의해 도 1 에 나타내는 등가회로에 나타낸 바와 같이 행배선 (14) 과 열배선 (17) 이 교차하고 있는 교차부 (21) 의 이간거리의 변화에 따른 정전용량의 변화를 용량검출회로 (22) 로 검출할 수 있다. 이렇게 하여 가요성 필름 (16) 의 표면에 미세한 요철면이 눌려졌을 때 발생하는 다수의 교차부 (21) 의 정전용량의 변화를 검출함으로써 피측정물의 요철면 형상을 신호 데이터로서 출력하는 것이 가능해진다.

용량검출회로 (22) 는 예를 들어 도 3 에 나타낸 바와 같은 회로가 사용되며, 측정시에는 열선택회로 (23) 로 선택되어 있는 열배선 (17) 이외에는 모두 접지측에 접속되는 동시에, 동일한 행배선 (14) 위의 측정대상 외의 정전용량은 모두 기생용량으로서 측정계에 병렬로 입력되는데, 기생용량의 반대측 전극이 접지측에 접속되어 있기 때문에, 캔슬하는 것이 가능하게 되어 있다. 이러한 구성에 의해 미세한 요철면의 검출, 즉 미소한 정전용량의 변화를 정밀하게 검출하는 것이 가능해진다.

또, 본 실시형태에서는 가요성 필름 (16) 에 열배선 (17) 을 형성하고 있으나, 가요성 필름 (16) 에 행배선 (14) 을 형성해도 된다. 그러나, 정전기의 영향을 받기 어렵다는 점에서 저출력 임피던스인 열선택회로 (23) 와 접속되어 있는 열배선 (17) 을 가요성 필름 (16) 측에 형성하는 것이 보다 바람직하다.

이러한 면압 분포 센서 (10) 는 용도를 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어도 4 에 나타낸 바와 같이 지문센서로서도 사용할 수 있다. 가요성 필름 (16) 의 표면에 지문 등의 미세한 요철 (25) 이 눌려졌을 때 발생하는 행배선 (14) 과 열배선 (17) 의 교차부 (21) 에서의 이간거리 변화에 따른 정전용량의 변화를 검출함으로써, 지문 등의 미세한 요철 (25) 의 형상을 정확하게 검출하여 신호 데이터로서 출력하는 것이 가능해진다.

면압 분포 센서 (10) 를 예를 들어 지문센서에 적용한 예로서, 도 5 에 나타낸 바와 같이 예를 들어 휴대전화 (26) 의 소유자 인증 시스템 등에 적용할 수 있다. 최근에는 휴대전화 (26) 등으로 결제 등을 하는 것이 고려되고 있는데, 휴대전화 (26) 에 면압 분포 센서 (10) 를 형성함으로써 면압 분포 센서 (10) 에 눌려진 지문을 정확하게 검출하여 미리 등록된 지문 데이터와 대조함으로써 소유자를 정확하게 인증할 수 있다.

도 6 은 본 발명의 제 2 실시형태의 면압 분포 센서를 나타내는 확대 단면도이다. 이 제 2 실시형태의 면압 분포 센서 (30) 에서는, 열배선 (31) 과 행배선 (32) 을 1 장의 가요성 필름 (33) 에 형성하고 있다. 즉, 도 7a 에 나타낸 바와 같이 1 장의 가요성 필름 (33) 에 서로 직행하는 방향으로 연장되는 다수의 열배선 (31) 과 행배선 (32) 을 인접하여 형성하고, 추가로 이 열배선 (31) 과 행배선 (32) 을 덮도록 절연막 (34) 을 형성한다. 그리고, 이 열배선 (31) 과 행배선 (32) 의 경계 부근의 절곡선 (L) 을 따라 화살표 (P) 방향으로 굴곡시켜 열배선 (31) 과 행배선 (32) 이 절연막 (34) 을 통해 대면하도록 형성하면 된다 (도 7b 참조).

또, 도 6 에 나타낸 바와 같이, 1 장의 가요성 필름 (33) 을 굴곡시킨 후 절연막 (34) 을 통해 대면하는 열배선 (31) 과 행배선 (32) 사이에 일정한 간격을 유지하는 스페이서 (35) 를 형성하는 것이 바람직하다. 또, 가요성 필름 (33) 의 행배선 (32) 측은 보강판 (36), 예를 들어 SUS 판에 접착되면 된다.

그리고, 가요성 필름 (33) 의 열배선 (31) 측에도 둘레 가장자리를 따라 직사각형 보강판 (37) 이 형성되어도 된다. 이러한 보강판 (37) 은, 면압 분포 센서 (30) 를 예를 들어 지문센서로 사용하는 경우에는 검출대상인 손가락을 면압 분포 센서 (30) 로 유도하는 구획벽으로서의 역할도 할 수 있다. 또, 보강판 (36,37) 의 판두께를 조정함으로써 굴곡성을 주어, 면압 분포 센서 (30) 를 만곡면에 밀착시켜 형성하는 것도 가능해진다.

행배선과 열배선을 1 장의 가요성 필름에 형성하는 경우, 예를 들어 도 8a 에 나타낸 바와 같이 열배선 (41) 과 행배선 (42) 을 1 장의 가요성 필름 (40) 위에서 동일한 방향으로 연장되도록 형성해도 된다. 열배선 (41) 과 행배선 (42) 을 동일한 방향으로 연장되도록 형성한 가요성 필름 (40) 을, 먼저 비스듬한 절곡선 (A) 을 따라 행배선 (42) 부분을 좌측 상방향 (G1) 을 향해 절곡한다.

다음으로, 절곡선 (B) 을 따라 행배선 (42) 부분을 우측 방향 (G2) 을 향해 되꺾어 행배선 (42) 을 횡방향으로 연장되게 한다. 그리고 절곡선 (C) 을 따라 열배선 (41) 부분을 하방향 (G3) 을 향해 절곡하여 행배선 (42) 에 열배선 (41) 이 직교하도록 겹친다. 이로써 도 8b 에 나타낸 바와 같이 열배선 (41) 과 행배선 (42) 을 교차시킬 수 있다.

이처럼, 열배선 (41) 과 행배선 (42) 을 1 장의 가요성 필름 (40) 위에서 동일한 방향으로 연장되도록 형성하면, 센싱부분에 배선을 돌릴 필요가 없어져 단자부분까지 돌릴 수 있고, 가요성 필름 (40) 의 여분의 여백을 최소한으로 할 수 있다.

면압 분포 센서를 표시장치와 일체로 형성할 수도 있다. 도 9 에 나타낸 바와 같이 투명한 가요성 필름 (50) 위에 ITO 등의 투명도전재로 열배선 (52) 을 형성한다. 또, 예를 들어 투명한 폴리에스테르판 등으로 구성한 투명기판 (55) 위에 ITO 등의 투명도전재로 행배선 (51) 을 형성하고, 이러한 투명한 행배선 (51) 과 열배선 (52) 을 투명한 절연막 (53) 으로 덮는다. 그리고, 투명기판 (55) 의 하부에 액정디스플레이 (56) 등을 형성하면, 포인팅 기능을 구비한 표시장치 (57) 를 실현할 수 있다. 이러한 표시장치 (57) 를 예를 들어 휴대전화의 표시부에 적용하면, 포인팅 기능을 구비한 휴대전화를 공간을 줄이면서 실현할 수 있다.

본 발명의 면압 분포 센서는, 예를 들어 인감의 음영을 넣기 위한 센서로서 사용할 수도 있다. 도 10 에 나타낸 바와 같이, 인감 (62) 에 형성된 음영 (62a) 의 요철을 면압 분포 센서 (61) 에 눌러 PC (63) 등으로 이 음영 (62a) 의 데이터를 입력함으로써 각종 인증이나 인감도장의 등록 등에 이용할 수 있다.

또, 상기 서술한 각 실시형태에서의 가요성 필름에 예를 들어 PEN (폴리에틸렌 나프탈레이트) 을 사용하여도 된다. 이러한 가요성 필름은 제조시의 연신공정에 의해 면방향에 따라 열수축율이 상이하다. 한편, 가요성 필름 위에 형성한 Al 박막 등은 제조조건에 따라 인장응력, 또는 압축응력을 발생시키는데, 이들 응력은 단선을 유발하는 원인이 된다. 면방향에 따라 열수축율이 상이한 것을 이용하여 가요성 필름 위에 형성한 Al 박막 등을 형성한 후 열처리함으로써, 인장응력의 경우 가요성 필름의 열수축이 큰 방향으로 배선을 연장시킴으로써 배선의 단선을 경감시킬 수 있다. 또, 가요성 필름 위에 형성한 Al 박막 등이 압축응력인 경우, 가요성 필름의 열수축이 작은 방향으로 배선을 연장시킴으로써 배선의 단선을 경감시킬 수 있다.

이상 상세하게 서술한 바와 같이, 본 발명의 면압 분포 센서에서는 복수의 도체가 병렬되어 제 1 방향으로 연장되는 행배선과, 복수의 도체가 병렬되어 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 연장되는 열배선과, 상기 행배선 및 상기 열배선이 표면에 각각 형성된 기판을 갖는 면압 분포 센서로서, 상기 기판의 적어도 한 쪽은 가요성 필름 기판으로 이루어지고, 상기 행배선 및 상기 열배선의 교차부 정전용량의 변화에 기초하여 면압의 분포를 검출함으로써, 미세한 요철면의 검출, 즉 미소한 정전용량의 변화를 정밀하게 검출하는 것이 가능해진다. 그리고, 간단한 구성과 저비용으로 면압 분포 센서를 제조하는 것이 가능해진다.

Claims

복수의 도체가 병렬되어 제 1 방향으로 연장되는 행배선과, 복수의 도체가 병렬되어 상기 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 연장되는 열배선과, 상기 행배선 및 상기 열배선이 표면에 각각 형성된 기판을 갖는 면압 분포 센서로서,

상기 기판의 적어도 한 쪽은 가요성 필름 기판으로 이루어지고, 상기 행배선 및 상기 열배선의 교차부 정전용량의 변화에 기초하여 면압의 분포를 검출하는 것을 특징으로 하는 면압 분포 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 행배선 및 상기 열배선은 서로 독립된 제 1 과 제 2 기판에 각각 형성되며, 상기 제 1 과 제 2 기판을 겹침으로써 상기 행배선 및 상기 열배선이 교차되는 것을 특징으로 하는 면압 분포 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 기판은 단일 가요성 필름 기판으로 이루어지고, 상기 가요성 필름 기판 위에 상기 행배선 및 상기 열배선이 형성되며, 상기 가요성 필름 기판을 소정 위치에서 굴절시킴으로써 상기 행배선 및 상기 열배선이 교차되는 것을 특징으로 하는 면압 분포 센서.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가요성 필름 기판은 상기 제 1 방향과 제 2 방향에서 열수축률이 상이한 수지로 이루어지고, 상기 행배선또는 상기 열배선에서 발생하는 막응력이 인장응력을 이루는 경우, 열수축률이 큰 방향으로 연장되도록 상기 행배선 및 상기 열배선이 형성되며, 상기 막응력이 압축응력을 이루는 경우, 열수축률이 작은 방향으로 연장되도록 상기 행배선 및 상기 열배선이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 면압 분포 센서.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 행배선 및 상기 열배선 중 적어도 어느 하나는 절연막으로 덮이는 것을 특징으로 하는 면압 분포 센서.
제 5 항에 있어서, 상기 가요성 필름 기판은 상기 제 1 방향과 제 2 방향에서 열수축률이 상이한 수지로 이루어지고, 상기 행배선 또는 상기 열배선과 상기 절연막에서 발생하는 막응력이 인장응력을 이루는 경우, 열수축률이 큰 방향으로 연장되도록 상기 행배선 및 상기 열배선이 형성되며, 상기 막응력이 압축응력을 이루는 경우, 열수축률이 작은 방향으로 연장되도록 상기 행배선 및 상기 열배선이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 면압 분포 센서.
제 3 항에 있어서, 상기 행배선 및 상기 열배선은 상기 가요성 필름 기판 위에서 동일 방향으로 연장되도록 형성되며, 상기 가요성 필름 기판을 굴곡시켜 상기 행배선 및 상기 열배선을 서로 교차시키는 것을 특징으로 하는 면압 분포 센서.