KR20110050131A

KR20110050131A - 디지털 정전용량 터치센서

Info

Publication number: KR20110050131A
Application number: KR1020090106982A
Authority: KR
Inventors: 권영수; 엄낙웅; 박성모
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-05-13

Abstract

본 발명은 디지털 정전용량 터치센서에 관한 것으로서, 외부 터치패널의 각 터치노드에 연결된 다수의 패드를 충방전하는 다수의 노드 검출기; 상기 다수의 패드 중 커패시턴스의 변화량을 측정할 하나의 패드를 선택하는 노드 선택기; 상기 다수의 노드 검출기를 제어하여 상기 선택한 패드를 충방전하는 노드 제어기; 및 상기 선택한 패드로부터 방전되는 신호를 시정수에 비례하는 증가된 카운터 값으로 출력하는 시정수 카운터를 포함하고, 상기 다수의 노드 검출기는 선택된 방전커패시턴스 및 방전저항에 따라 상기 시정수의 절대값 및 상기 시정수의 차이를 조절하는 것을 특징으로 한다.

디지털, 정전용량, 터치센서, 시정수, 커패시턴스

Description

디지털 정전용량 터치센서{Digital Capacitive Touch Sensor}

본 발명은 터치센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터치스크린 또는 터치패드와 같은 장치에서 인간의 신체가 접촉한 지점을 감지하기 위한 반도체 회로를 구성하는 데 있어서, 신체에 의한 미세한 정전용량의 변화를 디지털 방식으로 감지하기 위한 디지털 정전용량 터치센서에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:2006-S-048-04, 과제명:오디오/비디오 신호처리용 임베디드 DSP Platform]

사용자의 입력방식을 다양화하기 위한 시도가 여러 가지 응용영역에 적용되면서, 터치스크린 또는 터치패드와 같은 장치에서 인간의 신체가 접촉한 지점을 감지하는 터치센싱 기술은 모바일 디바이스 및 가전기기를 포함한 휴먼인터페이스가 구현되는 전자디바이스 등의 핵심기술이 되고 있다.

현재 사용되는 터치센싱 방식은 저항막 방식 (Resistive Touch Sensing)과 정전용량방식(Capacitive Touch Sensing)으로 나뉘는데, 정전용량방식은 저항막 방식에 비해 두 개 이상의 접촉지점을 감지할 수 있는 멀티터치(Multi-Touch) 기능의 구현이 가능하여 최근에 그 시장이 확대되고 있다.

한편, 터치센싱은 크게 두 가지의 기술, 즉, 터치패널 기술과 터치센서 기술로 나누어질 수 있다.

터치패널(Touch Panel)은 주로 ITO(Indium-Tin-Oxide)라는 투명전극(Transparent Electrode)으로 구성되며, 주로 차동방식 또는 전극의 커패시턴스를 조절하기 위한 방식이 사용된다.

터치센서는 시스템 반도체로 구현되며, 터치패널과 접목되어 터치패널 상의 전극에 인간의 신체가 접촉되면서 발생하는 부가적인 커패시턴스를 감지하기 위한 기술이다. 이를 정전용량 터치센서라고 한다.

정전용량 터치센서는 고주파수의 신호를 발생시키면, 커패시턴스에 의하여 주파수의 값이 변화되는 현상을 응용한 것이다. 이 경우, 인간의 신체에 의하여 부가된 커패시턴스를 감지하기 위하여, 고주파발진기 및 변조기 등의 다양한 아날로그 회로가 구현되어야 하기 때문에, 반도체의 면적이 증가하고, 수득율이 떨어지며, 단일칩화하기 어려워 터치센서 모듈의 제조 비용이 증가하는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 커패시턴스에 전하를 부가하고, 전하가 자연방전(Decay)될 때의 시정수(Time Constant)를 측정하여 인간의 신체 접촉을 감지하는 방법이 있다. 이 방법을 이용하면 시정수를 측정하기 위해 카운터를 사용하므로 디지털 회로를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 전압비교기(Voltage Comparator)와 같은 일부 아날로그 회로를 사용해야 하는 단점이 있고, 반도체 회로에 구현된 회로의 구성에 따라 패널 특성 또는 부가 커패시턴스의 차이에 의해 시정수의 차이가 충분히 나타나지 않으므로 터치센서의 민감도가 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 터치센서의 회로를 반도체 표준셀 즉, 디지털 방식의 반도체 회로 구성시 사용하는 일반적인 셀(Standard Cell)로 구현이 가능하도록 하여 전압비교기를 필요로 하지 않는 디지털 정전용량 터치센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 커패시터에서 전하가 방전될 때, 방전에 따른 시정수(Time Constant)의 절대값 및 부가커패시턴스의 차이에 따른 시정수의 차이를 조절할 수 있는 디지털 정전용량 터치센서를 제공한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외부 터치패널의 각 터치노드에 연결된 다수의 패드를 충방전하는 다수의 노드 검출기; 상기 다수의 패드 중 커패시턴스의 변화량을 측정할 하나의 패드를 선택하는 노드 선택기; 상기 다수의 노드 검출기를 제어하여 상기 선택한 패드를 충방전하는 노드 제어기; 및 상기 선택한 패드로부터 방전되는 신호를 시정수에 비례하는 증가된 카운터 값으로 출력하는 시정수 카운터를 포함하고, 상기 다수의 노드 검출기는 선택된 방전커패시턴스 및 방전저항에 따라 상기 시정수의 절대값 및 상기 시정수의 차이를 조절하는 것을 특징으로 하는 디지털 정전용량 터치센서를 제공한다.

상기 다수의 노드 검출기는, 상기 다수의 패드를 충전하는 데 필요한 동작전압을 스위칭하는 충전스위치; 상기 다수의 패드로부터 방전되는 신호를 하나의 경 로로 출력하기 위해 스위칭 동작을 수행하는 다수의 방전선택스위치; 방전선택스위치별로 서로 다른 게이트 크기(Gate Size)를 가지며, 각 방전선택스위치의 다음 단에 연결되는 다수의 버퍼; 상기 다수의 버퍼를 통과한 신호의 준안정성(Metastability)을 제거하는 다수의 이중 플립플롭; 및 상기 준안정성이 제거된 신호를 선택하여 출력하는 최종방전신호 선택기를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 신체에 의한 미세한 정전용량의 변화를 디지털 방식으로 감지하기 위한 디지털 정전용량 터치센서를 제공함으로써, 터치센서가 이미 제작된 후에도 방전커패시턴스(C_s) 및 방전저항(R) 값을 가변적으로 조정하여 시정수의 절대값 및 시정수 차를 가변적으로 조절할 수 있고, 주변환경에 따라 시정수의 절대값 및 시정수 차를 적절하게 조절하여 터치센서의 민감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 모든 회로를 디지털 반도체를 제작하는 데 필요한 표준셀(Standard Cell) 만을 사용하여 터치센서를 구성함으로써, 반도체 제작 과정에서 수득율 또는 디자인 상의 용이성을 증대시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한 다.

본 발명의 일실시예에서 디지털 정전용량 터치센서는 설명의 편의상 8 개의 터치노드 즉, 8 개의 패드로 구성되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 터치센서 반도체의 제작시 다수의 디지털 정전용량 터치센서를 여러개 연결하여 디지털 정전용량 터치센서의 개수를 확장할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 정전용량 터치센서의 구성을 나타낸 블럭 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 정전용량 터치센서(110)는 다수의 노드 검출기(Node Detector)(112), 노드 선택기(114), 노드 제어기(Node State Controller)(116) 및 시정수 카운터(Time Constant Counter)(118) 등을 포함한다.

우선, 외부의 터치패널의 각 터치노드에 연결되는 패드(120)가 존재하고, 각 패드(120)는 기본적인 커패시턴스를 가지고 있으며, 인체의 일부분이 터치패널에 접촉되면, 각 패드(120)의 커패시턴스가 증가한다.

노드 검출기(112)는 패드(120)를 충전하거나 방전하고, 패드(120)가 방전할 때, 패드(120)로부터 방전되는 신호가 기설정된 전압을 만족하는지 여부를 판단한다.

노드 선택기(114)는 디지털 신호처리 프로세서(Digital Signal Processor)(130)의 명령에 의해 다수의 터치노드 중 어느 터치노드의 커패시턴스 변화량을 측정할지 여부를 결정하고, 다수의 터치노드 중 하나의 터치노드를 선택한다.

노드 제어기(116)는 디지털 신호처리 프로세서(130)의 충전 명령시 선택된 터치노드에 연결된 패드(이하, '선택된 패드'라 칭함)에 동작전압을 공급하여 선택된 패드를 충전하고, 디지털 신호처리 프로세서(130)의 방전 명령시 선택된 패드로 공급되는 동작전압을 차단하여 선택된 패드가 자연방전되도록 한다.

시정수 카운터(118)는 선택된 패드로부터 방전되는 신호가 기설정된 전압을 만족할 때까지 카운터 값을 증가시키고, 방전되는 신호가 기설정된 전압을 만족하는 경우, 시정수에 비례하는 증가된 카운터 값을 출력한다. 본 발명에 따른 노드 검출기(112)는 내부의 버퍼를 변경하여 방전커패시턴스 및 방전저항을 선택할 수 있고, 선택된 방전커패시턴스 및 방전저항에 따라 시정수의 절대값 및 시정수의 차이를 조절할 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 도 2에서 하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 노드 검출기의 상세한 구성을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 노드 검출기(112)는 충전스위치(210), 다수의 방전선택스위치(220), 다수의 버퍼(230), 다수의 이중 플립플롭(240, 250) 및 최종방전신호 선택기(260) 등을 포함한다.

충전스위치(210)는 노드 제어기(116)의 명령에 의해 스위칭 동작을 수행한다. 즉, 충전스위치(210)는 노드 제어기(116)의 충전 명령시 'ON'되어 동작전 압(Vdd)을 패드(120)로 공급함으로써, 패드(120)를 충전한다. 또한, 충전스위치(210)는 노드 제어기(116)의 방전 명령시 'OFF'되어 패드(120)로 공급되는 동작전압(Vdd)을 차단함으로써, 패드(120)가 자연방전되도록 한다.

다수의 방전선택스위치(220)는 노드 제어기(116)의 명령에 의해 다수의 방전선택스위치(220) 중 하나의 방전선택스위치만 'ON'되어 하나의 경로로 방전되는 신호가 출력되도록 한다.

다수의 버퍼(230)는 방전선택스위치별로 서로 다른 게이트 크기(Gate Size)를 가지며, 각 방전선택스위치의 다음 단에 연결된다. 따라서, 노드 제어기(116)가 하나의 방전선택스위치를 선택하면, 방전선택스위치마다 연결된 버퍼의 게이트 크기에 따라 방전커패시턴스 및 방전저항이 결정된다. 이와 같이, 본 발명의 일실시예에서는 방전커패시턴스 및 방전저항을 선택 가능함으로써, 패드(120)의 자연방전시 시정수의 절대값 및 시정수의 차이를 조절할 수 있다.

다수의 이중 플립플롭(240, 250)은 각 버퍼(230)의 후단에 연결되어 다수의 버퍼(230)를 통과한 신호의 준안정성(Metastability)을 제거한다. 즉, 다수의 이중 플립플롭(240, 250)은 전압 검출기의 역할을 수행하여 다수의 버퍼(230)를 통과한 신호가 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon)의 최소 기준 전압인 V_IL 이하인 경우, '0'으로 인식하고, 다수의 버퍼(230)를 통과한 신호가 CMOS의 최대 기준 전압인 V_IH 이상인 경우, '1'로 인식한다.

최종방전신호 선택기(260)는 준안정성이 제거된 신호를 선택적으로 출력한다. 즉, 최종방전신호 선택기(260)는 노드 제어기(116)에 의해 선택된 방전선택스 위치를 통과한 후, 해당 방전선택스위치의 후단에 연결된 버퍼 및 이중 플립플롭을 통과한 신호만을 선택적으로 출력한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 노드 검출기의 회로도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 노드 검출기(112)는 충전스위치(310), 저항(R) 및 내부 커패시터(C_s) 등을 포함한다.

노드 검출기(112)는 충전시 충전스위치(310)를 온하여 동작전원(Vdd)을 패드에 연결하여 외부 커패시터(C_t)를 충전한다. 여기서, 외부 커패시터(C_t)는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

C_t = C₀ + C_h

여기서, C_t는 터치패널의 접점(Electrode)의 커패시턴스의 총합, C₀는 터치패널의 접점의 고유 커패시턴스(Parasitic Capacitance), C_h는 인체의 접점과 지면 상의 커패시턴스이다.

도 3에서 패드 즉, 외부 커패시터(C_t)에 충전된 전하가 저항(R) 및 내부 커패시터(C_S)를 따라 전류로 방전될 때 전류 등가식을 적용하면 수학식 2와 같다.

여기서, C_t는 터치패널의 접점의 커패시턴스의 총합, V_s는 패드의 전압, V_d는 노드 검출기(112)에서 검출되는 최종 출력전압, R은 버퍼(230)의 게이트 저항값을 포함하는 패드의 입력단의 저항값, C_S는 버퍼(230)의 입력 커패시턴스이다.

도 3의 노드 검출기(112)의 회로에서 초기조건은 t=0(t는 시간)일 때, V_s _,t=0 = Vdd이다. 이러한 초기조건을 이용하여 미분방적을 풀면, 수학식 3을 거쳐 최종적으로 수학식 4가 도출된다.

수학식 4에서 V_s와 V_d는 모두 지수 감소하는 형태를 보인다.

이때, 시정수 카운터(118)가 출력하는 값은 수학식 4에 의해 계산된 시정수(τ_d)에 비례한다.

여기서, C_t=C₀+C_h로 표현하고, 인간의 신체가 접촉되지 않았을 때의 시정수와 인간의 신체가 접촉되었을 때의 시정수의 차이를 △τ_d라 하면, 시정수의 차이(△τ_d)는 수학식 6과 같다.

여기서, 수학식 6을 그래프로 나타내면, 도 4와 같다.

도 4를 참조하면, C_s가 증가할수록, 시정수의 차이(△τ_d)는 증가하게 된다. 그러나, 시정수의 절대값이 늘어나게 되므로, 시정수를 측정하는 시간이 증가하게 된다. 또한, Cs → ∞일 경우, △τ_d→ RC_h임을 알 수 있다. 즉, 최대의 시정수 차 는 인간의 신체에서 발생하는 커패시턴스에만 의존한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 시정수의 차이(△τ_d)를 증대시키기 위해서는 저항값을 크게 하거나, C_s를 증가시킬 필요가 있는데, 종래에는 터치센서 반도체를 이미 제작한 후에는 이러한 값들을 변화시킬 수 없었다. 본 발명에서는 터치센서가 이미 제작된 후에도 C_s 및 R 값을 가변적으로 조정하여 시정수의 절대값 및 시정수의 차를 가변적으로 조절할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 정전용량 터치센서의 구성을 나타낸 블럭 구성도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 노드 검출기의 상세한 구성을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 노드 검출기의 회로도,

도 4는 내부 커패시턴스(C_s)의 증가에 따른 시정수 차(△τ_d)의 변화를 나타낸 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

110: 디지털 정전용량 터치센서 112: 노드 검출기

114: 노드 선택기 116: 노드 제어기

118: 시정수 카운터 120: 패드

130: 디지털 신호처리 프로세서 210: 충전스위치

220: 다수의 방전선택스위치 230: 다수의 버퍼

240, 250: 다수의 이중 플립플롭 260: 최종방전신호 선택기

Claims

외부 터치패널의 각 터치노드에 연결된 다수의 패드를 충방전하는 다수의 노드 검출기;

상기 다수의 패드 중 커패시턴스의 변화량을 측정할 하나의 패드를 선택하는 노드 선택기;

상기 다수의 노드 검출기를 제어하여 상기 선택한 패드를 충방전하는 노드 제어기; 및

상기 선택한 패드로부터 방전되는 신호를 시정수에 비례하는 증가된 카운터 값으로 출력하는 시정수 카운터;

를 포함하고, 상기 다수의 노드 검출기는 선택된 방전커패시턴스 및 방전저항에 따라 상기 시정수의 절대값 및 상기 시정수의 차이를 조절하는 것을 특징으로 하는 디지털 정전용량 터치센서.
제1항에 있어서,

상기 다수의 노드 검출기는 상기 방전되는 신호가 기설정된 전압을 만족하는지 여부를 판단하고,

상기 시정수 카운터는 상기 방전되는 신호가 상기 기설정된 전압을 만족할 때까지 카운터 값을 증가시키고, 상기 방전되는 신호가 상기 기설정된 전압을 만족 하는 경우, 상기 시정수에 비례하는 증가된 카운터 값을 출력하는 것을 특징으로 하는 디지털 정전용량 터치센서.
제1항에 있어서, 상기 다수의 노드 검출기는,

상기 다수의 패드를 충전하는 데 필요한 동작전압을 스위칭하는 충전스위치;

상기 다수의 패드로부터 방전되는 신호를 하나의 경로로 출력하기 위해 스위칭 동작을 수행하는 다수의 방전선택스위치;

방전선택스위치별로 서로 다른 게이트 크기(Gate Size)를 가지며, 각 방전선택스위치의 다음 단에 연결되는 다수의 버퍼;

상기 다수의 버퍼를 통과한 신호의 준안정성(Metastability)을 제거하는 다수의 이중 플립플롭; 및

상기 준안정성이 제거된 신호를 선택하여 출력하는 최종방전신호 선택기;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털 정전용량 터치센서.
제3항에 있어서,

상기 노드 제어기는 상기 다수의 방전선택스위치 중 하나의 방전선택스위치를 선택하고, 선택한 방전선택스위치에 연결된 버퍼의 게이트 크기에 따라 상기 방전커패시턴스 및 상기 방전저항을 결정하는 것을 특징으로 하는 디지털 정전용량 터치센서.
제3항에 있어서,

상기 다수의 버퍼의 게이트 크기가 커지면, 상기 다수의 버퍼에 입력되는 커패시턴스가 작아지고, 상기 다수의 버퍼의 게이트 크기가 작아지면, 상기 다수의 버퍼에 입력되는 커패시턴스가 커지는 것을 특징으로 하는 디지털 정전용량 터치센서.
제3항에 있어서,

상기 다수의 이중 플립플롭은 상기 다수의 버퍼를 통과한 신호가 최소 기준 전압 이하인 경우, '0'으로 인식하고, 상기 다수의 버퍼를 통과한 신호가 최대 기준 전압 이상인 경우, '1'로 인식하는 것을 특징으로 하는 디지털 정전용량 터치센서.
제1항에 있어서,

상기 시정수는 하기 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 디지털 정전용량 터치센서.

여기서, τ_d는 시정수, R은 버퍼의 게이트 저항 값, C_t는 터치패널의 접점의 커패시턴스의 총합, C_S는 버퍼의 입력 커패시턴스.
제1항에 있어서,

상기 시정수의 차이는 하기 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 디지털 정전용량 터치센서.

여기서, τ_d는 시정수, R은 버퍼의 게이트 저항 값, C₀는 터치패널의 접점의 고유 커패시턴스, C_S는 버퍼의 입력 커패시턴스, C_h는 인체의 접점과 지면상의 커패시턴스.