KR20080114724A - 가요성 용량성 센싱 그리드 및 가요성 용량성 센서 - Google Patents

가요성 용량성 센싱 그리드 및 가요성 용량성 센서 Download PDF

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KR20080114724A
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알프레드 알 딘젤리스
디 브루스 윌슨
브라이언 에이 마제오
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밀리켄 앤드 캄파니
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Abstract

본 발명은 대규모 제조에 적합한 가요성 탄성 용량성 센서에 관한 것이다. 센서는 유전체와, 유전체층의 제 1 측면 상의 전기적 도전층과, 유전체층의 제 2 측면 상의 전기적 도전층, 및 검출기에 힘을 가할 때 캐패시턴스의 변화를 검출하도록 2 개의 도전층에 전기적으로 접속되는 캐패시턴스 미터를 포함한다. 도전층은 가해진 힘의 위치를 결정하도록 구성된다. 센서는 외부 간섭의 영향을 감소시키기 위해 차폐될 수 있다.

Description

가요성 용량성 센싱 그리드 및 가요성 용량성 센서{FLEXIBLE CAPACITIVE SENSOR}
본 발명은 가요성 용량성 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 물리적으로도 유연하고 그 응용에 있어서도 유연하며, 센서의 캐패시턴스 변화에 기초하여 증가하는 압력의 변화를 감지하는 대규모 제조에 적합한 용량성 센서에 관한 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어인 센서는 환경의 변화에 반응하는 시스템을 지칭한다. 압력 센서는 다양한 물리적 원리를 이용하여 가해진 힘 또는 압력에 반응한다. 광센서는 가해진 힘 하에서 광학 특성을 변경한다. 이와 유사하게, 전기적 저항성, 즉 간단히 저항성 센서는 가해진 힘 하에서 변하는 전기적 저항을 갖는다. 압저항(piezoresistive) 센서는 압력이 가해짐에 따라 압저항 재료의 전기적 저항의 변화를 측정한다.
용량성 센서는 캐패시턴스를 변경한다. 이것은 가해진 힘에 반응할 수 있으며, 사람과 같이 캐패시턴스가 비교적 큰 물체의 근접에 반응할 수도 있다. 용량 성 센서는 저항성 및 용량성 센싱의 조합도 사용할 수 있는데, 전기적 저항은 캐패시턴스가 변할 때 측정된다.
용량성 센서는 알려져 있으며 예컨대, 터치 스크린 및 엘리베이터 버튼에 사용된다. 캐패시턴스의 변화는 전형적으로 2 가지 원리 중 하나에 기초한다. 제 1 방안은 큰 용량성 물체와의 직접적인 전기적 접촉, 보통 사람이 손가락을 통해 센싱 시스템에 의해 모니터링되는 캐패시턴스를 변경하는 것을 포함한다. 어떤 경우에, 이러한 센서 유형은 센서를 터치하기 위해 물체의 근접을 검출하도록 기능할 수도 있지만, 터치 센서와의 물리적 접촉은 필요로 하지 않는다. 이들 시스템은 흔히 사람과 센싱 시스템 사이에 직접적인 접촉을 필요로 하므로, 만일 예컨대 사람이 장갑을 착용하고 있으면 작동하지 않을 수도 있다. 또한, 용량성 커플링은 가해진 압력 또는 근접성을 양적으로 측정하는 데 상당히 적합하지 않을 수 있지만, 이진(온/오프) 센싱할 수 있다.
제 2 방안은 압축가능 탄성 유전체에 의해 분리되는 2 개의 도전성 평면을 사용한다. 이 복합물은 캐패시턴스가 도전성 평면들 사이의 간격에 일부분 의존하는 캐패시터를 형성한다. 압력 하의 유전체의 압축은 센싱 시스템에 의해 검출될 수 있는 평면들 사이의 캐패시턴스를 변경한다. 가해진 힘 또는 압력으로 압축을 교정함으로써, 이 시스템은 센서와의 상호작용의 힘 또는 압력의 양을 정하는 데 사용될 수 있다.
최근에, 전자 장치에 물리적 가요성을 부여하는 소위 "스마트 패브릭(smart fabrics)"에 대한 관심이 증가하고 있다. 스마트 패브릭은 개별 전자 장치를 구비 하기보다는 전자 장치가 기존의 패브릭에 통합되게 한다. 스마트 패브릭의 예는 사용하지 않을 때에는 말(rolled up) 수 있는 컴퓨터 키보드이다.
스마트 패브릭 및 가요성을 필요로 하는 다른 애플리케이션에 가요성 센서가 필요하다. 예컨대, 코헨의 미국 특허 4,703,757과, 레이머 및 다니쉬의 미국 특허 5,917,180에 가요성 광학 압력 센서가 설명되었다. 2 개 이상의 도전성 평면의 전기적 접촉에 기초한 가요성 센서는 영국 아이버 히스에 소재한 엘렉센 사(Eleksen Ltd.)로부터 입수할 수 있다. 압저항 원리를 이용하는 가요성 압력 센서는 영국 일클레이에 소재한 소프트스위치 사(Softswitch Ltd.)로부터 입수할 수 있다. 인간 신체의 캐패시턴스에 기초하는 가요성 용량성 센서는 포스트 등의 미국 특허 6,210,771에 설명된다. 도전성 평면들 사이의 간격 변화를 이용하는 가요성 용량성 센서는 골드만 등의 일련의 미국 특허에 설명된다. 이들 특허는 가요성 도전성 및 유전체 층의 사용을 교시하지만, 위치를 결정하는 데 사용될 수 있는 시스템도 (단일 센서의 복제와 같은 간단한 경우를 넘어선) 다수의 센서를 구비한 시스템도 교시하지 않는다. 본 명세서에서 참조된 모든 특허 문헌은 그 전체내용이 본 명세서에 완전히 설명되는 것처럼 참조로써 포함된다.
따라서 가해진 압력 또는 힘의 양을 정할 수 있는 양호한 공간 분해능을 가진 광역(large-area) 가요성 용량성 압력 센서가 필요하다. 본 명세서에서는 가해진 힘 또는 압력의 존재를 검출하고 가해진 힘 또는 압력의 크기 및 위치를 결정할 수 있는 다수의 센서를 구비한 가요성 용량성 센싱 시스템을 구성하는 다수의 방법을 설명함으로써 이들 문제점을 해결한다.
본 발명은 용량성 터치 센서의 다수의 결함을 극복한다. 본 발명은 저가, 경량, 가요성, 용량성 센서 및 효율적인 저가 제조 방법을 제공한다. 본 발명은 물리적으로도 유연하고 그 응용에 있어서도 유연하며, 센서의 캐패시턴스 변화에 기초하여 증가하는 압력의 변화를 감지하는 대규모 제조에 적합한 용량성 센서이다.
본 발명의 일 장점은 대규모 제조 프로세스로 본 용량성 센서를 형성하도록 구성요소, 즉, 능동층, 유전체층 및 기준층이 조립될 수 있는 방법이다. 코팅, 접착 및 스크린 인쇄 작업은 쉽게 자동화될 수 있다. 이러한 작업은 상당히 큰 용량성 센서 어레이 또는 개별 센서 또는 센서 어레이가 커팅될 수 있는 큰 패브릭을 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 중요한 특징은 커스텀화된 전기적 접속부를 필요로 하지 않으면서 전기적 신호가 인가되거나 본 센서로부터 측정될 수 있도록, 트레이스와 기준 플레이트를 캐패시턴스 미터(전기적 측정 시스템)에 빠르고 쉽게 접속하는 관통 접속부의 사용으로 인한 호환성이다.
본 발명의 또 다른 특징은 접촉부 센싱을 위해 저항이 아니라 캐패시턴스를 사용하는 것이다. 저항은 전형적으로 터치하기 위한 2 개의 도전성 표면을 필요로 하는데, 몇몇 실시예에서 캐패시턴스는 터치뿐만이 아니라 본 발명의 몇몇 실시예에서 센서와의 물리적 접촉부도 필요로 하지 않으며, 단지 사용자의 손가락과 버튼의 근접성만을 필요로 한다. 캐패시턴스는 접촉 사실만이 아니라 접촉부의 압력을 측정하는 데에도 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 상호작용의 위치를 정하는 능력이다. 이는 몇몇 사용법을 가질 수 있다. 그것은 자리에서 점유자의 위치를 결정하는 것과 같이 상호작용의 출처를 더 규정하게 할 수 있다. 그것은 또한 단일 센서가 예컨대, 다양한 기능을 제어하는 터치 스크린을 생성하는 데 사용될 수 있도록, 센서의 상이한 영역에 상이한 기능을 할당하게 할 수 있다.
후속하는 도면과 함께 바람직한 실시예의 상세한 설명을 주의해서 읽음으로써, 이들 및 다른 특징과 장점은 전기 회로 및 용량성 회로의 당업자에게 자명할 것이다.
본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부분을 구성하는 첨부 도면은 전술한 본 발명의 개괄적인 설명 및 후술되는 상세한 설명과 함께 본 발명에 따른 몇몇 예시적인 구성 및 절차를 도시하며, 본 발명의 원리를 설명하기 위해 제공된다.
도 1(a)는 캐패시턴스 미터에 접속된 전기적 도전성 기준층과 능동층, 및 가요성 탄성 유전체층을 가진 용량성 센서의 예시적인 개략도이다. 선택적 외부 층도 도시된다.
도 1(b)는 추가적인 유전체층 및 기준층을 가진 용량성 센서의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도전 소자가 그리드 구조를 형성하는 용량성 압력 센서의 일 실시예 를 도시한다.
도 3(a)는 도전 소자가 사형(serpentine) 스트립 구조를 형성하는 용량성 압력 센서의 일 실시예를 도시한다.
도 3(b)는 도전 소자가 나선형 구조를 형성하는 용량성 압력 센서의 일 실시예를 도시한다.
도 4(a)는 도전 소자가 사다리 구조를 형성하는 용량성 압력 센서의 일 실시예를 도시한다.
도 4(b)는 도전 소자가 포개진 사형(nested serpentine) 스트립 구조를 형성하는 용량성 압력 센서의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 도전 소자가 삼각 측량을 위한 도전성 평면을 형성하는 용량성 압력 센서의 일 실시예를 도시한다.
도 6은 폭이 변하는 사형 스트립의 개략도이다.
도 7은 소자가 상이한 폭 영역을 가진 사다리 구조의 개략도이다.
도 8(a)는 사용자 상호작용의 위치를 결정하는 데 사용되는 가요성 센서의 전기량을 식별하는 개략도이다.
도 8(b)는 사용자 상호작용의 위치를 결정하는 데 사용되는 캐패시턴스 미터 및 가요성 센서의 전기량을 식별하는 개략도이다.
가능한 한, 다양한 도면에서 동일한 소자는 동일한 참조번호로 나타낸다.
가요성 용량성 센서는 센서를 압축하는 데 충분한 힘을 가함에 따라 캐패시턴스의 변화를 겪는다. 가해진 힘의 양은 어느 정도까지는 캐패시턴스의 변화 범위와 관련된다. 다른 실시예에서, 센서 상의 사용자 상호작용의 위치를 결정하기 위해 저항도 측정된다. 캐패시턴스 미터는 본 가요성 용량성 센서를 모니터링하여 캐패시턴스의 변화가 있어왔는지 여부 및 그 변화의 범위를 결정한다.
이제 도 1(a)를 참조하면, 일반적으로 제 1 도전층(101), 가요성 탄성 유전체층(102) 및 제 2 도전층(108)을 포함하는 용량성 압력 센서(10)의 일 실시예를 도시한다. 용량성 압력 센서(10)는 센서(10)의 한 측면 또는 양 측면 상의 보호층(104)도 포함할 수 있다. 제 1 도전층(101) 및 제 2 도전층(108)은 캐패시턴스 미터(14)에 전기적으로 접속된다.
본 발명의 일 실시예에서, 가요성 탄성 유전체층(102)은 두께가 250 ㎛ 미만, 바람직하게는 8 ㎛ 내지 250 ㎛이며, 몇몇 애플리케이션에서는 8 ㎛ 내지 50 ㎛인 가요성 탄성 박막이다. 이 박막은 본질적으로 공기 간극(air void)이 없으며, 이는 막이 폼(foam)을 포함하지 않음을 의미한다. 박막은 매사추세츠 사우스 디어필드의 디어필드 우레탄(Deerfield Urethane)으로부터 입수가능한 7 밀(mil) 두께 듀라플렉스(Duraflex) PT9300 막과 같은 실리콘막일 수 있다. 압축성은 가해진 힘에 의해 센서의 캐패시턴스가 변경되게 한다. 50 바(bar) 내지 150 바의 하중이 가해지면 유전체 박막은 50 % 만큼 압축하는 것이 바람직하다. 이 범위는 허용가능한 신호가 캐패시턴스 미터에 의해 판독되게 한다.
다른 실시예에서, 가요성 탄성 유전체층(102)은 탄력이 있으며 매우 압축성 있는 폐쇄 또는 개방 셀 폼일 수 있다. 몇몇 폼 재료는 폴리우레탄 폼, 실리콘, 고무를 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 0.5 바 내지 1.0 바의 하중이 가해지면 유전체 폼은 50 % 만큼 압축하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 유전체층은 가요성 탄성 스페이서 패브릭(spacer fabric)이다. 본 애플리케이션에 정의된 "스페이서 패브릭"은 스페이싱 방사(yarn) 또는 섬유에 의해 지지되는 갭에 의해 분리되는 상부 및 하부 그라운드층을 가진 패브릭이다. 구조 내에서 스페이서 패브릭 또는 다른 패브릭층은 짠(woven), 뜬(knitted), 짜지 않은(non-woven) 재료, 술을 단(tufted) 재료 등일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스페이서 패브릭은 몇몇 섬유가 수직 방향으로 의도적으로 지향되는 이중 바늘대(double-needlebar) 니트, 바느질된 비짜임(needled nonwoven) 패브릭, 또는 하이 로프트(hi-loft) 비짜임 패브릭이다. 직물은 평탄하거나 파일(pile)을 나타낼 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스페이서 패브릭의 두께는 1 mm 내지 10 cm, 바람직하게는 1 mm 내지 1 cm일 수 있다. 이러한 직물 재료는 폴리에스테르, 나일론, 모, 면, 실크, 폴리프로필렌, 레이온, 리오셀, 폴리(락티드), 아크릴 등과 같은 천연 또는 합성 섬유, 천연 및 합성 섬유의 혼합물 또는 합성물을 포함하는 직물 재료로 구성될 수 있다. 스페이서 패브릭은, 0.07 바 내지 1.4 바의 하중이 가해지면 50 % 만큼 압축하고, 0.14 바의 하중이 가해지면 10 % 내지 50 % 만큼 압축하는 것이 바람직하다. 이들 범위는 허용가능한 신호가 캐패시턴스 미터에 의해 판독되게 한다.
가요성 탄성 유전체층(102) 양단(유전체층(102)의 한 측면에서 반대 측면까지)의 전기적 저항은 109 옴 이상인 것이 바람직하다. 가요성 탄성 유전체층의 유전율이 커질수록, 용량성 압축 센서(10)의 캐패시턴스도 커진다. 이것은 센서가 더 작은 신호를 식별하게 할 수 있으므로, 더 작은 힘이 가해지고, 시스템이 보다 민감해지게 한다.
도전층(101,108)은 가요성 탄성 유전체층 상의 도전성 코팅, 본래 도전성인 막 또는 패브릭, 또는 막이나 패브릭 상의 전기적 도전성 코팅을 사용하여 제조될 수 있다. 몇몇 구조에서, 도전층(101,108)은 연속적인 것이 바람직하다. 다른 구조에서, 도전층(101,108)은 개별 및 이산 도전영역을 포함할 수 있다.
도전층(101,108)은, 가요성 탄성 유전체층(102) 또는 당업자에게 알려져 있는 임의의 방식으로 적층함으로써 가요성 탄성 유전체층(102)에 적용되는 개별 패브릭 또는 막에 도전성 코팅을 적용함으로써 형성될 수 있다. 바람직하게는, 층들 사이에 접착제가 사용될 수 있다. 이들은 반응성 우레탄 접착제 또는 저용융 중합 재료를 포함할 수 있다. 접착제는 예컨대, 접착제의 형태에 따라 로토 그라비어(roto-gravure) 인쇄, 나이프 코팅(knife coating), 분체 산포(powder application)에 의해 또는 웨브(web)로서 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 도전층(101,108)은 가요성 탄성 유전체층 상이나 가요성 탄성 유전체층(102)에 부착되는 막 또는 패브릭 상에, 전기적 도전성 코팅에 의해 제조된다. 이것은 센서가 더 얇고 가벼워지게 하는데, 이는 휴대형 애플리케이션에 중요하다. 이것은 또한 조립을 간단하게 하거나 비용을 감소시킬 수 있다. 도전성 잉크는 스크린 인쇄, 브러싱, 롤러, 분무, 침적, 마스킹, 진공 도금, 진공 증착 또는 기타 알려져 있는 잉크 적용 수단에 의한 적용을 통해 적용될 수 있다. 도전층(101,108)은 인쇄가능 도전성 재료, 바람직하게는 탄소 기반 잉크, 은 기반 잉크, 또는 탄소 기반 잉크와 은 기반 잉크의 혼합물에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 잉크는 전형적으로 금, 은, 동, 흑연 분체, 카본 블랙(carbon black), 니켈 또는 다른 금속이나 합금과 같은 분체 도전성 재료와 수지 또는 접착제를 혼합함으로써 형성되는 임의의 도전성 잉크일 수 있다. 아크릴 바인더 내의 흑연은 도전층(101,108)을 스크린 인쇄하기에 충분히 전기적으로 도전성이고 비용 효율적인 재료이다.
다른 실시예에서, 도전층(101,108)은 본래 도전성인 막 또는 패브릭에 의해 제조된다. 본래 도전성인 몇몇 막 및 패브릭은 예컨대, 금속화 패브릭, 탄소를 박은(carbon-loaded) 올레핀 막, 본래 도전성인 폴리머로 코팅된 패브릭, 가요성 도전성 방사 또는 은 코팅 방사로 구성된 패브릭을 포함할 수 있다. 바람직하게, 막 또는 패브릭은 바람직하게는 열가소성 물질, 열경화성 수지, 압력 민감성 또는 UV 경화가능 접착제를 사용하여 가요성 탄성 유전체층에 부착된다. 도전층(101,108)은 동일한 도전성 재료로 또는 이상의 재료의 임의의 조합에 의해 제조될 수 있다. 필요하다면, 재료의 조합물은 동일한 층 내에서도 사용될 수 있다.
도전층(101,108)의 저항이 가요성 용량성 압력 센서(10)와의 사용자 상호작용의 위치를 결정하는 데 사용되지 않으면, 도전층(101,108)의 전기적 저항은 실용 적으로 낮아질 수 있다. 그 저항은 전형적으로 10,000 옴 미만이다. 만일 저항이 위치를 결정하는 데 사용되고 있으면, 도전층(101,108)의 저항은 전형적으로 더 커질 것이지만, 보통 1 메가옴보다 더 작다.
도 2, 3(a), 3(b), 4(a), 4(b), 5, 6 및 7의 용량성 센서의 캐패시턴스 변화를 모니터링하기 위해, 제 1 도전층(101)에 제 1 전압이 인가되고 제 2 도전층(108)에 제 2 전압이 인가된다. 제 1 도전층(101) 및/또는 제 2 도전층(108) 상에 하나 이상의 도전 영역이 존재하면, 각 영역은 개별 전압(예컨대, 제 3, 제 4, 제 5 등의 전압)을 얻을 것이다. 하나 이상의 영역이 존재하면, 바람직하게 전압이 영역에 순차적으로 인가된다. 보다 바람직하게는, 전압은 순차적으로 인가되고 실질적으로 같다. 바람직하게는, 제 1 도전층(101)에 인가된 전압은 제 2 도전층(108)에 인가된 전압과 적어도 0.1 V, 보다 바람직하게는 1 V 차이가 난다.
도 1(b)에 도시된 바와 같이, 용량성 센서 상에 제 2 가요성 탄성 유전체층(106) 및 제 3 도전층(107)과 같은 다른 층이 존재할 수 있다. 제 2 가요성 탄성 유전체층(106)은 제 2 도전층(108) 상에 제 1 유전체층(102)의 반대 측에 존재한다. 제 2 도전층(108)의 반대 측에서 제 2 유전체층(106) 근처에 제 3 전기적 도전층(107)이 존재한다. 제 2 유전체층(106) 및 제 3 도전층(107)은 제 2 도전층(108)과 제 3 도전층(107) 사이에 센서(10)의 총 캐패시턴스를 증가시키고 따라서 감도도 증가시키는 캐패시턴스를 생성한다. 각 도전층은 하나 이상의 도전 소자를 가질 수 있다.
제 2 가요성 탄성 유전체층(106) 및 제 3 전기적 도전층(107)에 사용된 재료 는 전술한 유전체층 및 도전층과 동일한 재료일 수 있고 동일한 물리적 특성을 가질 수 있다. 캐패시턴스 미터(14)는 각 도전층(101,108,107)에 접속된다. 제 1 전압은 제 1 도전층(101)에 인가되고, 제 2 전압은 제 2 도전층(108)에 인가되며, 제 3 전압은 제 3 도전층(107)에 인가되는데, 여기서 제 1 전압과 제 2 전압이 적어도 0.1 V의 차이를 가지고, 제 2 전압과 제 3 전압이 적어도 0.1 V의 차이를 가진다. 바람직하게, 제 1 전압과 제 3 전압은 같다. 바람직하게 제 1 및 제 3 전압은 기준 전압을 형성하고, 용량성 센서(10)의 동작 동안 일정하게 유지된다. 일 실시예에서, 기준 전압은 센서 환경의 접지 또는 어스 접지와 동일하게 유지된다. 이는 외부 간섭 및 전기 방전으로부터 용량성 센서(10)를 최상으로 절연할 것이다.
제 1 및 제 3 도전층(101,107) 각각은 제 2 도전층(108)과 함께 개별 캐패시터를 형성한다. 바람직하게는, 각 도전층(101,107) 상의 제 1 전압과 제 3 전압은 같아서 2 개의 개별 캐패시터는 전기적으로 병렬이 된다. 이는 미터(14)의 요구조건을 간단하게 하여, 2 개의 개별 캐패시터를 캐패시턴스가 더 큰 단일 캐패시터로 간주할 수 있다. 더 큰 캐패시턴스는 전형적으로 센서의 감도도 증가시킬 것이며, 이는 제 2 도전층(108)의 양 측면 상의 도전층을 포함하는 것으로 인한 이점이다. 제 1 전기적 도전층(101) 및 제 3 전기적 도전층(107)은 간섭으로부터 용량성 센서(10)를 차폐하는 것도 돕는다.
센서(10)는 감도를 더 증가시키도록 다른 가요성, 탄성 유전체층 및 다른 도전층의 추가를 포함할 수 있다. 이러한 층의 수는 보통 추가 층이 부과하는 추가 비용, 복잡도, 두께, 또는 단단함에 의해 제한된다.
압축가능 유전체로 구성된 센서(10)의 경우에, 센서의 캐패시턴스는 가요성 탄성 유전체층(102)의 압축과 반대로 변한다. 검출기에 가해진 힘은 가요성 탄성 유전체층(102)을 압축할 것이므로 제 1 도전층(101)과 제 2 도전층(108) 사이의 캐패시턴스를 증가시킬 것이다. 힘이 제거되거나 단지 줄어들면, 제 1 도전층(101)과 제 2 도전층(108) 사이의 간격은 증가하고 용량성 센서(10)의 캐패시턴스는 감소한다. 유전체가 압축되는 영역은 "능동 영역"으로 지칭될 것이다.
가요성 탄성 유전체층(102)은 가요성 탄성 층 또는 막인 것이 바람직하다. 본 발명과 관련된 "가요성"은 유연하며 가장 얇은 치수까지 실질적으로 구부러졌다가 평면 구조로 돌아갈 수 있음을 의미하도록 정의된다. 바람직하게, 센서 내의 각 소자 또는 층은 가요성이다. "탄성"은 재료의 일부 또는 전체에 걸쳐 본질적으로 다수의 압축 각각 이후에 초기 두께로 돌아가는 재료를 의미하도록 정의된다. 본 출원에서, 유전체는 전류가 흐르지 않게 하며 전위차의 존재 하에서 전기장을 유지하는 재료를 의미한다. "막" 또는 "폼"은 본질적으로 크기가 2 차원(즉, 1 차원의 길이는 다른 2 차원의 길이보다 상당히 작음)인 가요성 재료이도록 정의된다. 폼은 내부의 상당 부분에 공간(void space)을 포함하므로, 보통 크게 압축가능하다. 막은 공간이 거의 없거나 전혀 없는 것으로 정의된다.
유전체층(102)의 탄성은 반복 사용 및 내구성을 위해 중요하다. 가요성은 예컨대, 몰딩된 대시보드(dashboard) 둘레에 꼭 맞추거나 스마트 패브릭의 일부로서 덮는 것처럼 가요성을 필요로 하는 애플리케이션에서 센서가 사용될 수 있도록 하기 위해 중요하다. 바람직하게는, 가요성 탄성 유전체층은 범위가 20 mm 내지 5 mm, 보다 바람직하게는 10 mm 내지 4 mm, 보다 더 바람직하게는 5 mm 내지 1 mm인 만곡의 반경까지 구부릴 수 있다.
여기서부터 "그리드"로 지칭되는 도 2에서, 각 도전층은 서로 물리적 및 전기적으로 분리되는 다수의 도전 소자(능동 소자 또는 영역으로도 지칭됨)를 포함할 수 있다. 제 1 방향 능동 소자(201)는 예컨대, 제 1 도전층(101)과 같은 하나의 도전층 내의 도전 소자이고, 제 2 방향 능동 소자(202)는 예컨대, 제 2 도전층(108)과 같은 다른 도전층 내의 도전 소자이다. 제 1 방향 능동 소자(201) 및 제 2 방향 능동 소자(202)는 상이한 방향에 있으므로 서로 교차한다. 각 도전층 상의 능동 소자(201,202)는 서로 공간적 및 전기적으로 분리된다. 도전층(101,108)의 평면에서 능동 소자(201,202) 외부의 영역은 도전성이 아니다. 하나의 도전층 내의 소자는 다른 도전층 내의 소자와 중첩되지만, 가요성 탄성 유전체층(102)(도 2에 도시 생략)에 의해 전기적으로 분리된다. 소자(201)와 소자(202) 사이의 중첩 영역은 예컨대, 능동 영역(201)으로서 도시된다. 제 1 방향 소자(201)와 제 2 방향 소자(202)가 중첩되는 곳마다 추가적인 능동 영역이 발생할 수 있다. 능동 영역(201)은 능동 소자(201a)와 능동 소자(202a)의 중첩에 의해 규정된다. 소자(201,202) 각각은 일직선이거나 구부러질 수 있으며 미터(14)와의 개별 전기적 접속을 갖는다.
도 2에서 제 1 방향 능동 소자(201)는 제 2 방향 능동 소자(202)에 수직이다. 이것이 전형적이지만, 중첩 영역이 존재하고 주어진 층 내의 소자가 물리적 및 전기적으로 분리되는 한 실제로 소자는 어떤 구조에도 있을 수 있다. 바람직하 게, 제 1 방향 능동 소자(201) 및 제 2 방향 능동 소자(202)는 5 °내지 175 °의 각도로 서로 교차한다. 일 실시예에서, 제 1 방향 소자는 제 방향 소자와 90 °로 교차한다.
미터(14)는 각각의 제 1 방향 소자(201)와 각각의 제 2 방향 소자(202)에 대한 개별 접속부를 갖는다. 전압은 각각의 제 1 방향 소자(201)와 각각의 제 2 방향 소자(202)에 순차적으로 인가될 수 있다. 힘이 능동 영역에 가해지면, 미터(14)에 대한 어떤 접속부가 캐패시턴스 변화와 관련되는지에 의해 능동 영역의 위치가 결정될 수 있다. 예컨대, 힘이 능동 영역(210)에 가해지면, 제 1 방향 소자(201a)와 제 2 방향 소자(202a) 사이의 캐패시턴스가 감소할 것이다. 이 감소는 미터(14)에 의해 검출될 수 있다. 능동 영역(210)에 가해진 힘은 임의의 다른 쌍의 제 1 방향 능동 소자(201) 및 제 2 방향 능동 소자(202) 사이의 캐패시턴스에 영향을 주지 않을 것이므로, 힘은 특정 능동 영역(210)과 관련될 수 있다.
바람직하게, 제 1 방향 능동 소자(201)는 도전층(101)의 적어도 80 %를 덮고, 제 2 방향 능동 소자(202)는 다른 도전층(108)의 적어도 80 %를 덮어서 큰 전체 능동 영역을 제공한다. 전형적으로, 제 1 방향 능동 소자(201) 및 제 2 방향 능동 소자(202)는 5:1보다 큰 종횡비를 가지며, 바람직하게는, 동일한 도전층 상에 배치된 소자들의 물리적 간격은 적어도 1 mm이다.
도 2의 그리드는 도 1(b)에 도시되고 전술된 바와 같이 3 개의 도전층을 사용하여 이루어질 수 있다. 이 경우에, 제 1 도전층(101)은 적어도 제 1 및 제 2 도전 소자를 포함하는 제 1 방향 능동 소자(201)를 포함하고, 제 3 도전층(107)은 적어도 제 4 및 제 5 도전 소자를 포함하는 제 2 방향 능동 소자(202)를 포함한다. 제 2 도전층(108)은 그리드의 모든 능동 영역과 중첩되는 연속 도전 영역(제 3 도전 소자)이다. 캐패시턴스는 제 1 도전층(101)과 제 2 도전층(108) 사이 및 제 3 도전층(107)과 제 2 도전층(108) 사이에서도 측정된다.
도 3(a)는 "사형 스트립(serpentine strip)"으로 지칭되는 구조를 도시한다. 이 실시예에서, 도전층은 도전층 위에서 굽이지는(wind) 단일 능동 소자(230)로서 구성된다. 도 3(a)의 구조에서, 능동 소자(230)는 병렬 길이의 전후 와인딩(back and forth winding)이다. 능동 소자(230)가 나선형인 다른 예는 도 3(b)에 도시된다. 실제로, 원하는 능동 영역 전부를 덮는 임의의 구조가 수용가능하다. 사형 스트립이 제 1 도전층(101) 상에 있다고 가정하면, 제 2 도전층(108)은 연속적일 수 있고 적어도 원하는 모든 능동 영역에서 능동 소자(230)와 중첩되어야 한다. 각 도전층의 역할은 바뀔 수 있다. 즉, 제 1 도전층(101)은 연속적일 수 있지만, 제 2 도전층(108)은 사다리 또는 스트립의 구조로 형성될 수 있다. 이는 센서(10)를 외부 전자기 간섭으로부터 절연한다는 점에서 유리할 수 있다.
사형 스트립을 사용하여 가해진 힘의 위치를 결정하는 것은 가해진 힘, 예컨대, 가해진 힘(235)에서 미터(14)를 통해 접속부(231)까지의 저항을 결정함으로써 수행된다. 접속부(232)는 가해진 힘의 위치를 개선하는 데 선택적으로 사용될 수 있다. 이 경우에 예컨대, 힘(235)에서 접속부(231)까지 및 힘(235)에서 접속부(232)까지의 저항을 사용하여 사용자 상호작용 지점을 결정한다.
도 4(a)에 도시되고 "사다리"로서 지칭되는 다른 실시예는 동일한 도전층, 예컨대, 제 1 도전층(101) 내에 모두 포함된 일련의 비-교차 능동 소자(220)로 구성된다. 능동 소자(220)는 균일 및 평행하게 도시된다. 그러나, 이 배치가 개념상 가장 간단하지만, 선들이 균일하거나 평행할 필요는 없으나, 전기적으로 서로 절연되어야 한다. 다른 도전층, 예컨대, 제 2 도전층(108)은 각 소자(220)와 실질적으로 중첩되어야 하지만, 개별 영역을 포함할 필요가 없으며 연속적일 수 있다. 미터(14)는 각 소자(220)에 대한 개별 접속부 및 제 2 도전층(108)에 대한 다른 접속부를 갖는다.
논의를 위해, 능동 소자(220)를 따른 위치를 "평행" 위치로, 그리고 이에 직교하는 위치를 "수직" 위치로 규정한다. 전압은 각 능동 소자(220)에 순차적으로 인가될 수 있고, 각 소자(220)와 다른 도전층 사이의 캐패시턴스는 저항 미터(14)에 의해 모니터링될 수 있다. 소자들 중 하나(능동 소자 상에 가해진 힘의 지점에서 "X"(225)로 마킹된 능동 소자(220a)) 상에 가해진 힘은 그 소자와 제 2 도전층(108) 사이의 캐패시턴스를 변경할 것이다. 캐패시턴스의 변화는 힘이 가해졌던 특정 소자(220a)와 관련되어, 캐패시턴스 변화를 생성하였던 가해진 힘의 수직 위치에 대한 정보를 제공할 수 있다. 예컨대, 힘의 인가(225)는 접속부(222) 또는 접속부(221)를 통해 미터(14)에 의해 검출될 수 있는 제 1 능동 소자(220a)의 캐패시턴스를 변경할 것이다.
능동 소자(220a)를 따른 상호작용(225)의 평행 위치를 결정하기 위해, 각 소자에서 미터(14)까지 제 2 접속부(능동 소자(220a) 상의 221로 도시됨)가 이루어질 수 있다. 접속부(221,222)를 사용하여, 저항은 가해진 힘으로부터 능동 소 자(220a)의 각 종단까지의 간격을 결정하는 데 사용될 수 있다. 만일 능동 소자(220a)의 길이가 알려져 있으면, 이는 가해진 힘의 평행 위치의 2 개의 측정치를 제공하여 값의 불확실성을 감소시킨다. 수직 위치와 조합되면, 이는 가해진 힘을 센서(10)의 평면에 명확히 배치한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 포개진 사형 스트립 구조가 사용된다. 이 구조에서, 도전층은 제 1 사형 능동 소자(230) 및 제 2 사형 능동 소자(236)를 포함한다. 미터(14)에 대한 개별 접속부는 제 1 사형 능동 소자(230)에 대해 접속부(231,232)에서 만들어지고, 제 2 사형 능동 소자(236)에 대해 접속부(237,238)에서 만들어진다. 따라서, 포개진 사형 스트립은 대응하는 사다리 구조보다 접속부가 적을 수 있지만, 대응하는 단일 사형 스트립보다 감도가 높을 수 있다. 도 4(b)는 2 개의 포개진 사형 능동 소자만을 도시하지만, 원하는 만큼 많을 수도 있다. 각각의 포개진 사형 능동 소자는 임의의 형태일 수 있지만, 서로 물리적 및 전기적으로 모두 분리되는 한, 다른 포개진 사형 능동 소자와 동일한 형태일 필요는 없다.
도 4(a)의 사다리, 도 3(a)의 사형 스트립, 및 도 4(b)의 포개진 사형 스트립은 각각 도 1(b)에 도시되고 전술된 바와 같이 3 개의 도전층을 사용하여 만들어질 수 있다. 이 경우에, 제 1 도전층(101) 및 제 3 도전층(107)은 능동 도전 소자를 포함한다. 제 2 도전층(108)은 능동 소자의 능동 영역 전부와 중첩되는 연속적인 도전 영역이다. 캐패시턴스는 제 1 도전층(101)과 제 2 도전층(108) 사이뿐만 아니라 제 3 도전층(107)과 제 2 도전층(108) 사이에서도 측정된다. 도전층(101) 내의 능동 도전 소자는 도전층(107) 내의 능동 도전 소자와 동일하고 일치(in registration)할 수 있는데, 즉, 완전히 중첩되는데, 이 경우에 3 층 구조는 전술한 바와 같이 센서(10)의 감도를 증가시킨다.
이와 달리, 배치는 바뀔 수 있다. 제 1 도전층(101)과 제 3 도전층(107)은, 제 2 도전층(108)에 포함되는 모든 능동 도전 소자와 중첩되는 연속적인 도전 영역일 수 있다.
가해진 힘의 위치를 결정하는 다른 방법은 삼각 측량에 의해서이다. 도 5에 삼각 측량을 사용하는 센서가 도시된다. 이 구조에서, 제 1 및 제 2 도전층(101,108) 양자 모두는 서로 중첩되는 큰 도전 영역을 포함한다. 시트(sheets) 중 적어도 하나는 적어도 3개의 멀리 이격된 미터(14)에 대한 접속부(240)를 갖는다. 도 5는 4 개의 접속부(240)(240a, 240b, 240c 및 240d로 라벨링됨)를 가진 특정 예를 도시한다. 접속부(240a 내지 240d) 각각을 사용하여 개별 측정이 이루어진다. 각 측정시에, 미터(14)는 접속부와 가해진 힘(245) 사이의 저항을 결정하는 데 사용된다. 이어서 저항들이 비교되는데, 이는 가해진 힘의 위치를 결정하는 것을 허용한다. 바람직하게, 캐패시턴스 미터는 적어도 2 개의 방향으로 위치를 결정하는데, 이는 센서의 평면에서 가해진 힘의 위치를 충분히 결정한다.
전체 도전 영역에 대한 능동 영역의 비율이 증가함에 따라, 상대적인 캐패시턴스 변화와 관련된 센서(10)의 감도가 증가할 것임을 알아야 한다. 도전 영역은 모니터링 전압이 인가되었던 제 1 도전층(101) 또는 제 2 도전층(108)의 영역으로 규정된다. 캐패시턴스 변화는 미터(14)에 의해 모니터링될 수 있는데, 이는 후에 라디오와 같은 전기적 장치의 활성화와 같은 희망 응답을 시작할 수 있게 한다.
도 6은 능동 영역인 전체 도전 영역의 백분율을 증가시킴으로써 사형 스트립의 감도를 증가시키는 방법을 더 도시한다. 이는 소자의 길이를 따라 도전 소자의 폭을 변경함으로써 달성된다. 사용자 상호작용의 영역이 존재하는 능동 영역(255)은 접속 스트립(256)과 같은 얇은 도전성 스트립에 의해 접속된 더 큰 도전 영역으로서 만들어질 수 있다. 패터닝된 도전성 코팅은 이러한 도전층을 생성하는 데 특히 효율적일 수 있다. 능동 영역이 사형 스트립(250)을 따라 고르게 이격될 필요도, 균일한 크기일 필요도 없음을 알아야 한다. 미터(14)에 대한 접속부는 종단(251,252)에서 만들어진다. 사형 스트립(250)은 평행 접속 스트립(256)의 와인딩으로서 도시되지만, 원하는 능동 영역 전부를 포함하는 임의의 구조도 허용가능하다는 것도 자명하다. 이 원리는 사다리 구조에서도 이용될 수 있다. 이 예는 도 7에 도시된다. 사다리(260)의 사용자 상호작용 영역(255)은 접속 스트립(266)을 통해 종단(261,262)에 접속된다.
사다리 위의 사형 스트립의 사용은 간결성과 감도 사이의 트레이드 오프이다. 사형 스트립은 더 간단한데, 미터(14)에 대한 접속부를 2 개만 가지며 가해진 힘을 검출하고 위치 결정하는 데 하나 또는 2 개의 측정치만을 필요로 한다. 사다리는 센서(10)의 유사 영역에서 더 큰 감도를 제공할 것이다. 사다리에서와 같이 도전층을 다수의 도전 소자로 분리함으로써, 임의의 한 도전 소자의 영역은 감소한다. 이는 가해진 힘에 의해 커버되는 도전 소자의 부분을 증가시키며, 전술한 바와 같이 감도를 증가시킨다.
가요성 탄성 유전체층(102)의 에지에서, 도전층(101,108)과 전기적으로 접촉하는 데 관통 접속부(도시 생략)가 사용된다. 관통 접속부의 동작 원리는 전자 공학에 잘 알려져 있다. 절연체로 코팅된 전기적 도체와 전기적으로 접속시키는 경우에, 관통 접속부는 절연체를 통해 도체 내부에 "맞물리게(bite)"하는 데 사용된다. 관통 접속부는 도전층(101,108)에 적용되고 만일 존재한다면 제 3 도전층(107)에 적용될 가능성이 있는 이(teeth)를 구비할 것이다. 도전층(들)(101,108 및/또는 107) 내에 복수의 도전 영역을 구비하는 본 발명의 다른 실시예에서, 각 영역 또는 다수의 영역에 압력이 가해짐에 따라 미터(14)가 캐패시턴스 변화를 감지하는 데 사용될 수 있도록 접속부 내의 개별 이는 개별 영역 각각에 접촉할 수 있다. 관통 접속부의 사용은 큰 스케일의 제조를 간단하게 한다.
관통 접속부는 미터(14)와 도전층(101,107,108) 사이의 접속부를 통해 캐패시턴스 미터(14)에 대한 본 가요성 용량성 센서(10)의 접속을 허용한다. 캐패시턴스 미터(14)는 가요성 탄성 유전체층(102) 양단의 전압을 측정하고, 그 전압과 기준 전압을 비교한다. 만일 용량성 센서(10)에 압력이 가해지는 것과 같이 유전체층(102) 양단의 캐패시턴스가 변하면, 유전체층(102) 양단의 전압도 변한다. 생성된 전압 출력 신호는 기준 전압과 가요성 탄성 유전체층(102) 양단의 정규 전압 사이의 차이 변화에 기초한다. 용량성 센서(10)에 가해진 힘이 감소하고 유전체층(102)이 원래의 치수로 확장됨에 따라, 캐패시턴스는 감소하고 프로세스는 역전된다.
이러한 구조에서 검출기의 캐패시턴스는 다양한 전기적 방법에 의해 측정될 수 있는데, 이들 중 2 개는 본 명세서에서 논의될 것이다. 전기적 측정은 도전층의 저항은 변하지 않고, 개별 검출기의 캐패시턴스만 변한다는 사실을 이용할 수 있다. 따라서 각 사건의 측정가능한 RC 시상수 특성은 검출기의 캐패시턴스 변화에 의해서만 변한다. 한 방법은 전압 시프트 방법이며, 다른 방법은 주파수 응답에서의 위상 시프트 방법이다.
전압 시프트 방법으로 지칭되는 제 1 방법에서, 트레이스에 접속된 직렬 저항기를 사용한다. 캐패시턴스 미터(14)는 (1) 센서(10)의 방전 동안 트레이스 및 검출기의 전압의 설정된 감소를 획득하는 시간과, (2) 센서(10)의 방전 시작부터 설정된 시간 동안 트레이스 및 검출기의 전압 감소와, (3) 센서(10)의 충전 동안 트레이스 및 검출기의 전압의 설정된 증가를 획득하는 시간 또는 (4) 센서(10)의 충전 시작부터 설정 시간 동안 트레이스 및 검출기의 전압 증가 중 어느 하나를 찾는다. 이들 4 개의 양 중 어느 하나는 RC 시상수의 결정을 허용하므로, 검출기의 캐패시턴스 변화의 측정도 허용한다.
위상 시프트 방법에서, 시변 전압 신호가 능동층에 인가된다. 접지에 대한 저항기는 기준 층에 접속된다. 저항기는 능동층을 통해, 인가된 신호와 래깅(lagging) 신호 사이의 위상 시프트를 측정하는 데 사용된다. 래그는 능동층의 캐패시턴스의 존재에 기인하므로, 래그의 변화는 캐패시턴스 변화를 결정하는 데 사용될 수 있다. 원래 신호 및 래깅 신호의 진폭도 비교되어 시스템의 상태에 대한 많은 정보를 산출할 수 있다.
종래 기술에 알려져 있는 바와 같이, 전압 신호의 통상적인 형태는 임펄스, 사인파 및 구형파를 포함한다. 흔히, 교류 전압 신호의 주파수는 10 kHz보다 크다.
가해진 힘의 위치를 결정하는 방법은 가해진 힘과, 미터(14)와 도전층의 접속부 사이의 도전층의 저항을 측정하는 것에 의존할 수 있다. 캐패시터 양단에 전압 V0이 인가되면, 캐패시터(이 경우에, 2 개의 도전층(101,108)) 양단의 전압은 느리게 변한다. 변화율은 시상수 RC에 의해 결정되는데, 여기서 C는 캐패시턴스이고 R은 회로의 저항이다. 구체적으로, 전압은 RC 초마다 e 배만큼 변할 것인데, 여기서 e는 대략 2.718인 오일러 상수이다.
도전층이 유한 저항을 가지면, 회로 저항 R은 가해진 힘과 미터(14)에 대한 접속부 사이의 도전층 부분으로부터의 저항을 포함할 것이다. 예컨대, 센서의 개략적인 전자적 표현인 도 8(a)를 고려한다. 도전층(401,408)은 가요성 탄성 유전체층(도시 생략)에 의해 분리된다. 가해진 힘(410)은 가해진 지점에서의 캐패시턴스 C를 변경한다. 이 변화는 접속부(411,412,413,414)를 통해 미터(14)에 의해 검출된다.
도전층(401) 상에서, 가해진 힘(410)과 접속부(411) 사이의 저항은 R1L이다. 이와 유사하게, 가해진 힘(410)과 접속부(412) 사이의 저항은 R1R이다. 도전층(408) 상에서, 가해진 힘(410)과 접속부(413) 사이의 저항은 R2L이고, 가해진 힘(410)과 접속부(414) 사이의 저항은 R2R이다. 접속부에서 미터(14)까지의 선은 무시해도 좋은 저항의 전선을 나타낸다. 어떤 접속부가 사용되는지에 따라, 완전한 회로는 R1 = (R1L+R2L), R2 = (R1L+R2R), R3 = (R1R+R2L) 또는 R4 = (R1R+R2R)와 같은 4 개의 상이한 전체 회로 저항 중 하나를 가질 수 있다. 이는 알려져 있지 않은 4 개의 저항 R1L, R1R, R2L, R2R에 대한 4 개의 식의 시스템이며, 따라서 고유하게 결정될 수 있다. 도전층을 따른 저항과 그 층을 따른 간격 사이, 즉, 결정된 저항과 가해진 힘(410)에서 접속 지점까지의 간격 사이의 알려져 있는 관계를 가정하면, 각 저항은 가해진 힘(410)의 위치 측정치를 제공한다.
각 도전층이 가해진 힘(410)의 위치의 2 개의 측정치를 제공함을 알아야 한다. 따라서, 가해진 힘(410)을 위치 결정하는 데 이 방법을 사용하기 위해 유한 저항의 하나의 도전층만이 필요하며, 제 2 층은 상당히 낮은(무시해도 좋은) 저항을 가질 수 있다. 유한 저항을 가진 양 층을 제공하는 것은 위치의 과도한 결정(over-determination)을 증가시킨다. 도전층(401)이 고 도전성이며 회로에 무시해도 좋은 저항을 준다고 가정함으로써 간단해진 센서를 도시하는 도 8(b)의 전기적 개략도를 검토함으로써 도 8(a)의 센서의 성향을 더 이해할 수 있다. 또한, 저항 R2L을 측정할 때 그 상태를 도시하기 위해 미터(14)를 확대하였다. 특히, 접속부(411)에 전압 V0이 인가되지만, 접속부(414)는 접지에 놓인다.
전형적으로, 미터는 하이 입력 입피던스를 갖는다. 즉, RM은 회로 내의 다른 저항보다 훨씬 크다. 이 경우, 표준 회로 분석은 V = V0/(1+1/(w*C*R2R 2))에 의 해 접속부(413)에서의 전압 V이 인가된 전압 V0과 관련됨을 나타내는데, 여기서 w는 인가된 전압 V0의 주파수이다. 이상적으로, 센서(10)가 가해진 힘(410)의 위치 변화에 대한 최대 감도를 갖기 위해, 전압 V은, V에 대한 식에서 가해진 힘(410)의 위치에 의존하는 유일한 값인 R2R에 대한 최대 감도를 가질 것이다. 이 식에 대한 다른 분석은, w가 작은 경우에 V는 R2R의 값이 작은 경우, 즉, 도전층(408)의 우측에서 R2R에 민감하지 않음을 나타낸다. 이와 유사하게, 주파수 w가 높고 R2L+R2R의 값이 작은 경우에, V는 R2R의 값이 작거나 큰 경우를 제외하고 R2R에 민감하지 않다. 즉, 감도는 도전층(408)의 중앙에서 낮다. 따라서, 도전층(408)의 어디에서든 양호한 감도를 보증하기 위해, 적당히 큰 주파수의 전압을 인가하고 유한 저항의 재료로 도전층(408)을 구성하는 것이 바람직하다.
이 분석은 유한 저항의 단 하나의 도전층의 간단한 경우에 대해 수행되었지만, 이 결론은 두 도전층이 모두 유한 저항을 가진 도 8(a)에 도시된 다수의 일반적인 경우에 대해서도 유지된다. 도 1(b)에 도시된 바와 같이 추가적인 도전성 및 가요성 탄성 유전체층을 사용하는 경우에도 유효하다.
유한 저항의 도전층은 전형적으로 10 옴 내지 1,000,000 옴, 바람직하게는 100 옴 내지 100,000 옴, 보다 바람직하게는 1,000 옴 내지 10,000 옴인 접속 지점들 사이의 저항을 가질 것이다. 위치를 결정하는 데 저항을 사용하는 방법은 사다리, 사형 스트립, 삼각 측량, 또는 다른 구조와 함께 실시될 수 있다. 도전 영역 이 사다리 또는 사형 스트립인 경우와 같이 스트립인 경우에, 우측 및 좌측 저항은 예컨대, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 알려진 방식으로 스트립의 폭을 변경함으로써 더 구별될 수 있다.
디지털 정보, 붕괴 시상수 또는 위상 시프트는 센서(10)의 상태와 같은 네트워크의 저항성 용량성 특성의 연속적인 시변을 나타낸다. 양호한 신호 대 잡음비를 획득하기 위해, 연속 데이터 스트림에 평균화 및 필터링이 적용될 수 있다.
시상수 방법 및 위상 시프트는 표유(stray) 캐패시턴스뿐만 아니라 전자기 간섭을 받기 쉽다. 따라서, 신호의 잡음 내용은 진정한 상태를 불명료하게 할 수 있다. 샘플링은 마이크로제어기에서 설정가능한 인터럽트에 의해 규정된 간격으로 수행된다. 샘플링 이론 및 고주파 이벤트의 재구성을 관장하는 나이퀴스트 기준에 의해 규정된 샘플링을 통해, 샘플링 주파수의 절반 미만에서 발생하는 이벤트는 성공적으로 캡처될 수 있다. 개별 샘플링 시에, 각각 수 마이크로초 정도의 다수의 샘플은 함께 평균화되어 작은 전자기 효과뿐만 아니라 아날로그-디지털 변환기에 의해 도입된 에러를 감소시킨다. 샘플링은 정기적으로 발생할 수 있고, 또는 잡음 스펙트럼이 샘플링 구간과 잘 상관되지 않도록 임의의 간격으로 샘플링하는 것이 유리할 수 있다.
이어서 샘플링 데이터는 유한 임펄스 응답 필터 또는 무한 임펄스 응답 필터로 전달된다. 이들 필터는 전력선과 같은 소스로부터 샘플링 데이터 상의 잡음 및 간섭의 효과를 더 감소시킨다. 이러한 방식으로, 위상 시프트 또는 시상수의 양호한 추정을 통해 검출기의 캐패시턴스의 양호한 추정치가 결정될 수 있다.
상이한 필터의 캐스케이드는 데이터의 상이한 해석을 허용한다. 예컨대, 한 세트의 필터는 시스템에 대한 장구간 변화(예컨대, 가요성 탄성 유전체층(102)의 탄성력의 점진적인 손실)를 제거하거나 무시하는 데 사용되어 안정적인 기준선을 제공하지만, 다른 필터는 단구간 변화(즉, 센서(10) 압축)를 차단한다. 상이한 필터의 선택은 간단한 샘플링 및 임계치와의 비교에 비해 상당한 향상을 제공한다.
용량성 센서(10)는 전형적으로 교정을 필요로 한다. 기준선 캐패시턴스가 환경 변화, 재료 변화 및 외부 전자계 때문에 시간에 따라 드리프트되기 쉬우므로 교정이 필요하다. 특히 폼으로 구성된 유전체 재료에서, 최소화된 크립(creep) 및 이력 현상(hysteresis)을 가진 폼의 사용에도 불구하고, 캐패시턴스는 시간에 따라 변할 것이다. 재교정될 수 있는 센서는 재교정될 수 없는 센서보다 항상 강건하고 민감할 것이다.
센서(10)를 교정하는 3 가지 방법이 존재한다. 첫 번째 방법은 제조시에 교정 세팅을 프로그래밍하는 것이다. 두 번째 방법은 센서가 부품인 시스템이 초기화할 때마다, 즉, 시동시에 센서(10)를 교정하는 것이며, 이는 큰 시간 스케일에서 몇몇 변화로 인한 에러를 효율적으로 감소시킨다. 세 번째 방법에서, 센서(10)는 외부의 전기적 잡음을 필터링할 뿐만 아니라 의도하지 않은 터치 또는 접촉을 무시함으로써 상태를 변경하기 위해 끊임없이 교정된다. 캐패시턴스를 감지하도록 설계되고 연속적인 자기 교정, 잡음 필터링 및 재교정을 포함하는 상용 전자 모듈이 존재한다.
센서(10)는 커버층으로도 지칭되는 추가적인 절연층(들)(104)을 포함할 수 있다. 이들 층은 임의의 중요한 방식으로도 센서(10)의 전기적 특성에 기여하지 않는다. 외부층(들)의 기능은 시각 또는 촉각적 미감, 보호 및 사용자 인터페이스로서의 작용을 포함할 수 있다. 이러한 층은 없거나, 하나 또는 다수 존재할 수 있다. 전술한 바와 같이, 다수의 층은 상이한 재료로 만들어져 상이한 기능을 제공할 수 있다. 바람직하게, 커버층은 패브릭이다. 패브릭은 뜬, 짠, 또는 비짜임을 포함하는 임의의 알려져 있는 구조일 수 있지만, 이들로 한정되는 것은 아니다.
전기적 절연 외부 층 또는 층들(104)은 센서의 외부 표면에 코팅, 적층, 스티칭되거나, 이와 달리 적용될 수 있다. 이들 층은 센서의 전체 가용성을 계속해서 허용할 수 있는 임의의 재료로 및 임의의 방식으로 구성될 수 있다. 일반적으로 이들 재료는 본 발명의 용량성 센서에 전형적인 박형을 유지할 것이다. 커버층(들)(104)으로 가능한 재료는 직물, 가죽 또는 다른 피혁, 막 또는 코팅을 포함한다. 외부층(104)은 센서의 상부나 하부 또는 상부와 하부 양자 모두에 존재할 수 있다. 절연층은 각각 다수의 재료 및 층의 복합물일 수 있고, 상부 및 하부 외부층은 구조가 동일할 필요는 없다.
장식적인 그래픽 또는 정보, 예컨대, 용량성 센서(10) 또는 용량성 센서(10)가 적용되거나 접속되는 디스플레이나 다른 장치에 대한 정보, 또는 이에 대한 인스트럭션이 센서 상에서 가장 바깥쪽의 외부층(104)에 인쇄될 수 있다. 전형적으로 용량성 센서(10)의 상부 표면, 즉, 사용자에게 보이는 표면은 검출기 각각의 위치 및 기능을 나타내는 그래픽을 포함할 것이다. 재료는 장식적 및 기능적 측면 양자 모두를 제공하도록 선택될 수 있다. 미감과 함께, 절연 외부층(들)(104)은 마멸 또는 구멍에 대한 저항, 오염 방지, 유출 및 액체로부터의 보호, 자외선 열하에 대한 저항 등과 같은 보호 기능을 제공할 수 있다. 용량성 센서(10)의 하부층은, 장식적 또는 정보성 그래픽이 통상적으로 포함되지 않는다는 점을 제외하고는, 상부층과 유사한 기능을 제공하기 위해 유사한 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명의 범위는 주요 설계 특성을 포함하는 모든 변경을 포함하고, 본 발명의 범위 및 한계는 첨부된 특허청구범위 및 균등물의 범위에 의해 결정되는 것으로 의도된다. 따라서, 본 명세서에 설명된 발명의 개념이 상호교환가능하고/하거나 본 발명의 또 다른 교환으로 함께 사용될 수 있으며, 바람직한 실시예의 이전 설명으로부터, 본 발명의 사상 또는 범위에서 벗어나지 않으면서 다른 변경 및 대체가 당업자에게 자명할 것임도 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 가요성 용량성 센싱 그리드(a flexible capacitive sensing grid)에 있어서,
    제 1 및 제 2 측면을 가진 가요성 탄성 유전체층과,
    적어도 제 1 및 제 2 도전 소자를 포함하는, 상기 유전체층의 상기 제 1 측면 상의 제 1 도전층 -상기 제 1 도전 소자는 상기 제 2 도전 소자로부터 전기적으로 절연됨- 과,
    적어도 제 3 및 제 4 도전 소자를 포함하는, 상기 유전체층의 상기 제 2 측면 상의 제 2 도전층 -상기 제 3 도전 소자는 상기 제 4 도전 소자로부터 전기적으로 절연됨- 을 포함하되,
    상기 제 3 소자는 상기 제 1 및 제 2 소자와 적어도 일부분 중첩되고, 상기 제 4 소자는 상기 제 1 및 제 2 소자와 적어도 일부분 중첩되며, 상기 제 3 및 제 4 소자는 상기 가요성 탄성 유전체층에 의해 상기 제 1 및 제 2 소자로부터 전기적으로 분리되는
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 도전 소자에 전기적으로 접속되는 캐패시턴스 미터(a capacitance meter)를 더 포함하는
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전 소자의 종횡비는 5:1 보다 큰
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 도전 소자는 상기 제 1 및 제 2 도전 소자와 5°내지 175°의 각도로 교차하는
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 4 도전 소자는 상기 제 1 및 제 2 도전 소자와 5°내지 175°의 각도로 교차하는
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전 소자는 그리드를 형성하는
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱 그리드는 상기 제 1 도전층 상에서 상기 유전체의 반대 측에 적어도 하나의 커버층을 더 포함하는
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 커버층은 패브릭(fabric)을 포함하는
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전 소자 각각의 저항은 1 ㏁ 이하인
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층은 스페이서 패브릭(a spacer fabric)을 포함하는
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  11. 가요성 용량성 센싱 그리드에 있어서,
    제 1 및 제 2 측면을 가진 가요성 탄성 유전체층과,
    적어도 제 1 및 제 2 도전 소자를 포함하는, 상기 유전체층의 상기 제 1 측면 상의 제 1 도전층 -상기 제 1 도전 소자는 상기 제 2 도전 소자로부터 전기적으로 절연됨- 과,
    적어도 제 3 도전 소자를 포함하는, 상기 유전체층의 상기 제 2 측면 상의 제 2 도전층과,
    제 1 측면에서 상기 제 2 도전층에 부착된 제 2 탄성 유전체층과,
    적어도 제 4 및 제 5 도전 소자를 포함하는, 상기 제 2 탄성 유전체층의 제 2 측면 상의 제 3 도전층을 포함하되,
    상기 제 4 도전 소자는 상기 제 5 도전 소자로부터 전기적으로 절연되고, 상기 제 1, 제 2, 제 4 및 제 5 도전 소자는 그리드를 형성하며, 상기 제 3 도전 소자는 적어도 상기 제 1 및 제 2 도전 소자가 상기 제 4 및 제 5 도전 소자와 중첩되는 곳에 배치되는
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 각 도전 소자에 전기적으로 접속되는 캐패시턴스 미터를 더 포함하는
    가요성 용량성 센싱 그리드.
  13. 가요성 용량성 센서에 있어서,
    제 1 및 제 2 측면을 가진 가요성 탄성 유전체층과,
    적어도 하나의 제 1 도전 소자를 포함하는, 상기 유전체층의 상기 제 1 측면 상의 제 1 도전층과,
    상기 유전체층의 상기 제 2 측면 상의 제 2 도전층 -상기 제 1 도전 소자는 상기 제 2 도전층과 적어도 일부분 중첩됨- 과,
    상기 도전 소자에 전기적으로 접속되는 캐패시턴스 미터를 포함하되,
    상기 캐패시턴스 미터는 상기 제 1 도전층과 상기 제 2 도전층 사이의 캐패시턴스 변화를 측정하고, 상기 제 1 도전층의 상기 제 1 도전 소자를 따라서 사용자 상호작용 지점의 위치를 결정하는
    가요성 용량성 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 캐패시턴스 미터는 한 방향으로 위치를 결정하는
    가요성 용량성 센서.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 캐패시턴스 미터는 적어도 두 방향으로 위치를 결정하는
    가요성 용량성 센서.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 캐패시턴스 미터는 상기 제 1 도전 소자 또는 상기 제 2 도전층 상의 2 개 이상의 별개의 위치에 전압을 개별적으로 인가하고, 각각의 인가된 전압으로부터의 신호 값으로부터 상기 사용자 상호작용의 위치를 결정하는
    가요성 용량성 센서.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 도전 소자는 사형(a serpentine shape)인
    가요성 용량성 센서.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 도전 소자는 나선형인
    가요성 용량성 센서.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 도전 소자의 폭은 상기 소자의 길이를 따라 변하는
    가요성 용량성 센서.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 제 1 유전체층의 반대 측에서, 제 1 측면에서 상기 제 1 도전층에 부착된 제 2 탄성 유전체층 및 상기 제 2 탄성 유전체층의 제 2 측면 상의 적어도 하나의 제 3 도전 소자를 포함하는 제 3 도전층을 더 포함하는
    가요성 용량성 센서.
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