KR20160082986A - 용량성 터치 센서 시스템 및 방법 - Google Patents

용량성 터치 센서 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20160082986A
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일리야 다니엘 로젠버그
존 에어런 자라가
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센셀, 인크.
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Abstract

보간된 센서 어레이를 통합한 용량성 터치 센서 시스템 및 방법이 개시되었다. 시스템 및 방법은, 어레이 열 구동기(ACD)에 결합되는 인터링크된 임피던스 열들(IIC) 및 어레이 행 센서(ARS)에 결합되는 인터링크된 임피던스 행들(IIR)을 전기적으로 결합하는 가변 임피던스 어레이(VIA)를 통해 근접성/접촉/압력(PCP)을 검출하도록 구성되는 터치 센서 어레이(TSA)를 활용한다. ACD는 열 스위칭 레지스터(CSR)에 기초하여 IIC를 선택하고 열 구동 소스(CDS)를 이용하여 IIC를 전기적으로 구동하도록 구성된다. VIA는 구동된 IIC로부터 ARS에 의해 감지되는 IIC로 전류를 운반한다. ARS는 TSA 내의 IIR을 선택하고, 행 스위칭 레지스터(RSR)에 기초하여 IIR 상태를 전기적으로 감지한다. ARS 감지된 전류/전압의 보간은 TSA PCP 및/또는 공간 로케이션의 정확한 검출을 허용한다.

Description

용량성 터치 센서 시스템 및 방법{CAPACITIVE TOUCH SENSOR SYSTEM AND METHOD}
관련 출원에 대한 상호 참조
계속 특허 출원(CPA)
이것은, 일련 번호 14/314,662, EFSID 19410170, 확인 번호 8306, 및 문서 번호 JSENS.00002를 가지고, 2014년 6월 25일에 미국특허상표청에 전자 출원되고, 일리야 다니엘 로젠버그(Ilya Daniel Rosenberg) 및 존 에어런 자라가(John Aaron Zarraga)인 발명자들에 의한 발명의 제목이 "터치 센서 검출기 시스템 및 방법(TOUCH SENSOR DETECTOR SYSTEM AND METHOD)"인 미국 유틸리티 특허 출원의 연속 특허 출원(CPA)이고 또한 이 특허출원을 참조에 의해 통합한다.
유틸리티 특허 출원들
이 출원은 35 U.S.C.§120 하의 이익을 주장하고, 또한 일련 번호 14/314,662, EFSID 19410170, 확인 번호 8306, 및 문서 번호 JSENS.00002를 가지고, 2014년 6월 25일에 미국특허상표청에 전자 출원되고, 일리야 다니엘 로젠버그 및 존 에어런 자라가인 발명자들에 의한 발명의 제목이 "터치 센서 검출기 시스템 및 방법"인 미국 유틸리티 특허 출원을 참조에 의해 통합한다.
임시 특허 출원들
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이 출원은 35 U.S.C.§119 하의 이익을 주장하고, 또한 일련 번호 61/928,269, 문서번호 P2224.01이고, 2014년 1월 16일에 미국특허상표청에 전자 출원되고, 일리야 다니엘 로젠버그인 발명자에 의한 발명의 제목이 "보간 힘 감지 어레이(INTERPOLATING FORCE SENSING ARRAY)"인 미국 임시 특허 출원을 참조에 의해 통합한다.
이 출원은 35 U.S.C.§119 하의 이익을 주장하고, 또한 일련 번호 62/025,589, EFS ID 19606351, 확인 번호 5185이고, 문서번호 JSENS.00003이고, 2014년 7월 17일에 미국특허상표청에 전자 출원되고, 일리야 다니엘 로젠버그 및 존 에어런 자라가인 발명자들에 의한 발명의 제목이 "촉각 터치 센서 시스템 및 방법(TACTILE TOUCH SENSOR SYSTEM AND METHOD)"인 미국 임시 특허 출원을 참조에 의해 통합한다.
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연방 정부 지원 연구 또는 개발에 관한 진술
해당 없음
마이크로피시 부록의 참조
해당 없음
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 터치 센서 디바이스 분야에서의 시스템들과 방법들과 관련된다. 특정한 발명 실시예들이 감압 표면(pressure-sensitive surface)상에 가해지는 힘의 로케이션 및 양을 결정하기 위한 터치 기반 힘 감지(touch-based force-sensing) 디바이스들 및 방법들에의 특정 응용을 가질 수 있다.
종래 기술과 발명의 배경
터치 기반 힘 감지 장치 분야에서, 다중 터치 센서가 개발되었고, 컴퓨터들, 태블릿들, 및 유사한 전자 디바이스들을 포함하여 다양한 통신들과 컴퓨팅 응용 기기들에 터치 기반 사용자 입력을 추가하는데 흔히 사용된다.
힘 감지 장치에 관한 다중 터치 압력 또는 힘 감지는 터치 기반 센서들을 이용하는 컴퓨팅 시스템이 감지 장치에 대하여 실시간으로 가해지는 다중 터치를 구별하고 독립적으로 추적하는 능력을 지칭한다. 그와 같은 기술은 컴퓨팅 어플라이언스 운용자들이 다중의 손과 손가락 및 스타일러스들과 같은 다른 물체들을 이용할 수 있게 하고 또한 다중 이용자가 센서 장치와 동시에 상호 작용할 수 있게 한다.
기존의 터치 감지 시스템들의 한가지 문제점은 감지 표면에 대하여 가해지는 힘의 정확한 로케이션과 속성을 결정하는 데 있어서의 정확도에 대한 요건이다. 더욱이, 컴퓨팅 프로그램들과 애플리케이션들을 작동시키기 위해 터치 기반 명령어를 입력하기 위한 더 큰 터치 스크린 면적들을 갖는 더 큰 디바이스에 대한 시장 수요가 있다. 개선된 추적 분해능을 가진 (모바일 디바이스들을 위한 터치 센서들과 같은) 소형 센서들에 대한 필요도 있다. 그러므로, 본 기술 분야에는 정확함을 유지하면서도 여전히 경제적으로 제조와 동작을 위해 실현 가능하게 할 수 있는 터치 감지 기술들을 추구하고자 하는 동기가 존재한다.
그러므로, 분명하게 필요한 것은 더 적은 전자 장치로 더 큰 풋프린트에 제공될 수 있고 또한 입력 동작의 다중 터치 시퀀스에서의 모든 터치마다에 의해 가해지는 힘의 존재 및 로케이션뿐만 아니라 그 힘의 양을 감지할 수 있는 힘 감지 장치이다.
배경 정보
사용자 인터페이스 애플리케이션들을 위해 다중 터치 센서를 만들기 위한 최대 도전 과제들 중 하나는 대부분의 사람들이 매우 정밀한 움직임들을 이룰 수 있고 터치 센서가 자신들의 입력을 충실하게 포착하기를 기대한다는 점이다. 좋은 사용자 경험을 위해, 손가락 상호 작용을 위한 터치 패널이 보통 0.5㎜ 정도의 정확도를 필요로 하는 반면, 스타일러스와의 상호 작용은 0.1㎜ 정도의 더욱 높은 정확도를 요구한다. 게다가, 대부분의 사용자들은 상호 작용하기 위한 더 큰 디바이스 표면들을 원한다. 이것은 증가하는 크기의 스마트폰들에 의해 그리고 태블릿 컴퓨터들 및 터치 디스플레이들과 같은 더 큰 터치 표면들을 가진 디바이스들의 성장하는 인기에 의해 입증된다.
게다가, 소비자 가전 기기들의 복잡도는 시간이 지나면서 증가하는 경향이 있는 반면 가격은 감소하는 경향이 있는데, 이것은 소비자 가전 기기들을 위해 사용되는 임의의 터치 센서 디바이스가 제조하기에 저렴해야만 하고 또한 높은 성능 대 가격 비를 가지고 있어야만 한다는 것을 시사한다. 그러므로, 큰 면적에 걸쳐서 터치들을 매우 정확하게 추적할 수 있고 합리적 시장 가격으로 제조될 수 있는 센서가 필요하다. 최종적으로, 사용자들은 여분 차원의 상호 작용성을 원한다. 이 기술은 합리적인 시장 가격으로 큰 표면들에 걸친 정밀한 터치 추적을 제공할 뿐만 아니라 모든 터치마다를 위한 여분 차원의 힘을 측정하는데, 이것은 많은 사용자 인터페이스 애플리케이션들에서의 상호 작용성 및 제어의 수준을 높일 수 있다.
종래 기술에서의 결점들
앞서 상세히 설명한 종래 기술은 하기 결점들로 인해 손해를 본다:
ㆍ 종래 기술 센서 시스템들은 감지 어레이에서의 각각의 열/행(column/row)을 위한 개개의 열 구동 및 행 감지 감지 회로를 요구한다.
ㆍ 종래 기술 센서 시스템들은 감지 어레이를 스캐닝하는데 있어서 상당한 동적 전력을 소비하는데, 그 이유는 감지 어레이에서의 주어진 열/행 교차점에서 압력/존재를 검출하기 위해서는 각각의 열이 구동되어야만 하고 각각의 행이 감지되어야만 하기 때문이다.
ㆍ 종래 기술 센서 시스템들은 큰 면적의 감지 표면들을 지원하기 위한 상당한 전자 장치 통합을 요구한다.
ㆍ 종래 기술 센서 시스템들은 동일 디바이스로 접촉 및 압력을 감지할 수 없다.
ㆍ 종래 기술 센서 시스템들은 높은 공간 감지 분해능들(spatial sensing resolutions)을 달성하기 위해서 상대적으로 복잡한 제조 공정들을 요구한다.
ㆍ 종래 기술 센서 시스템들은 일반적으로 표준 PCB 제조 공정들과 방법들과 호환적이 아니다.
ㆍ 종래 기술 센서 시스템들은 비평면 형식들에서의 구축을 잘 따라가지 못한다.
ㆍ 종래 기술 센서 시스템들은 정확한 센서 측위 데이터를 획득하기 위해서는 상대적으로 복잡한 교정 절차들을 요구한다.
ㆍ 종래 기술 센서 시스템들은 센서 데이터와 어레이 내에서의 검출된 공간 측위 간의 선형 관계성을 산출하지 않는다.
ㆍ 종래 기술 센서 시스템들은 비 장방형 센서를 만들 때 초래되는 비선형성 때문에 비 장방형 센서 형상들의 설계에 도움이 되지 않는다.
ㆍ 종래 기술 센서 시스템들은 선형성을 유지하면서 다양한 분해능들로 센서를 스캐닝하는 것을 허용하지 않는다.
종래 기술 중 일부는 이러한 문제들 중 몇몇에 대한 해결책을 교시할 수 있지만, 종래 기술 시스템들에서의 핵심 결점들은 해결되지 않았다.
발명의 목적
그에 따라서, 본 발명의 목적은 (무엇보다도) 종래 기술의 결점들을 회피하고 하기 목적들을 이루는 것이다:
(1) 감지 어레이에서의 각각의 행/열을 위한 개개의 열 구동 및 행 감지 회로를 요구하지 않는 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 제공한다.
(2) 감지 어레이에서의 주어진 열/행 교차점에서 압력/존재를 검출하기 위해서 구동되어야만 하는 열들의 수와 감지되어야만 하는 행들의 수를 감소시킴으로써 감지 어레이를 스캐닝할 때의 동적 전력 소비를 줄이는 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 제공한다.
(3) 큰 면적의 감지 표면들을 지원하기 위한 상당한 전자 장치 통합을 요구하지 않는 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 제공한다.
(4) 동일 디바이스로 접촉 및 압력을 감지할 수 있는 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 제공한다.
(5) 높은 공간 감지 분해능들을 달성하기 위해서 복잡한 제조 공정들을 요구하지 않는 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 제공한다.
(6) 표준 PCB 제조 공정들과 방법들과 호환 가능한 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 제공한다.
(7) 비평면 형식들에서의 구축을 잘 따르는 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 제공한다.
(8) 정확한 센서 측위 데이터를 획득하기 위해서 복잡한 교정 절차들을 요구하지 않는 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 제공한다.
(9) 센서 데이터와 어레이 내에서의 검출된 공간 측위 간의 선형 관계성을 산출하는 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 제공한다.
(10) 전체 센서에 걸쳐서 정확도 및 선형성을 유지하는 비 장방형 센서들의 생성을 허용하는 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 제공한다.
(11) 충분한 정확도와 선형성을 유지하면서 다양한 분해능들에서의 스캐닝을 허용하는 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 제공한다.
이러한 목적들이 본 발명의 교시를 제한한다고 해석하지 말아야 하는 한편, 일반적으로 이러한 목적들은 하기 부분들에서 논의되는 개시된 발명에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 달성된다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 의심할 바 없이 앞서 설명된 목적들의 임의의 조합을 이루기 위해 개시되는 대로의 본 발명의 양태들을 선택할 수 있을 것이다.
발명의 간단한 요약
본 발명은 하기 방식으로 종래 기술의 몇몇 결점들을 해결한다. 개개의 행 센서들이 검출하기 위한 전류를 운반하기 위해 개별적으로 TSA(touch sensor array) 열들을 구동하도록 TSA 내의 개개의 열 구동기들을 활용하기 보다는, 본 발명은 TSA 열들의 그룹들을 인터링크된 임피던스 열들(interlinked impedance columns: IIC들)이 되도록 상호 접속시킨다. 이러한 IIC들은 열 스위칭 레지스터(column switching register: CSR)의 제어 하에서 많은 전기적 열 구동 소스들(column driving sources: CDS) 중 하나를 이용하여 구동된다. TSA 내부 가변 임피던스 어레이가 센서 이벤트를 검출할 때, VIA(variable impedance array)의 개개의 열들과 행들이 전기적으로 결합된다. 이 이벤트는 VIA 내에서 IIC들로부터 인터링크된 임피던스 행(interlinked impedance row: IIR)들로의 전류 도전을 가능하게 한다. IIR들은 이후 행 스위칭 레지스터(row switching register: RSR)에 의해 선택되고 또한 아날로그-디지털 컨버터(analog-to-digital converter: ADC)에 의해 감지된다.
컴퓨터 제어 디바이스(computer control device: CCD)가 TSA로 하여금 CSR/RSR 상태의 상이한 구성들뿐만 아니라 CDS 구동 파라미터들을 이용하여 계속적으로 스캐닝되는 것을 허용한다. 이러한 스캔들은 CCD로 하여금 TSA 내부에 있는 VIA 내에서 차분 센서 데이터(differential sensor data)를 모으고 또한 현재 TSA 상태와 연관되는 센서 프로필의 더 정확한 지시(indication)를 모으기 위해 이 정보를 보간(interpolate)하는 것을 허용한다. 예를 들어, TSA는 어느 한 분해능에서 스캐닝하고 이후 상이한 분해능을 이용하여 재스캐닝하여 TSA와의 접촉의 초점(focal point)뿐만 아니라 시간 경과에 따른 및 각각의 TSA 스캔에 걸친 이 초점의 움직임 둘 모두를 결정하도록 구성될 수 있다. 이 맥락에서, 하나의 스캐닝 패스의 초점이 후속 스캐닝 패스의 초점과 비교될 때 여행 벡터(vector of travel)를 결정하는데 또한 사용될 수 있다. 이 센서 프로필은 TSA 표면상에서의 센서 활성의 초점의 정확한 로케이션에 대한 정보뿐만 아니라 TSA 표면에 또는 그 근처에 존재하는 센서 검출의 더 정확한 지시에 관한 다른 정보를 포함할 수 있다.
일부 양호한 발명 실시예들에서, 본 발명은 전통적 PCB 제조 방법들뿐만 아니라 적층 프린팅 기법들(additive printing techniques)을 이용하여 제조될 수 있는 저비용, 다중 터치, 고 분해능의 힘 감지 터치 센서의 생성에 적용될 수 있다. 본 발명은 수 많은 구동 및 감지 라인들이 센서 스캔 전자 장치들(활성 라인들)에 접속되는 것을 요구하지 않고서 높은 추적 분해능을 허용하는 보간 어레이의 개념을 활용한다. 활성 구동 및 감지 라인들의 수에 관하여 추적 분해능을 증가시킴으로써, 본 발명은 다른 센서 기술들과 비교하여 감소된 전자 장치 복잡도와 비용으로 증가된 센서 성능을 허용한다. 본 명세서에는 센서에 대한 여러 가능한 실시예들 및 센서가 스타일러스 상호 작용 및 디스플레이 아래에서의 또는 그 위에서의 내장과 같은 상이한 사용 경우들에 적응될 수 있는 방법이 설명된다.
하나의 양호한 보간 힘 감지 어레이(interpolating force sensing array: IFSA) 실시예에서, 본 발명은 힘 감지 어레이의 분해능을 구동 및 감지 회로의 분해능으로부터 분리하는 저항기들의 네트워크를 힘 감지 어레이의 입력들 및 출력들에 더함으로써 종래 기술에서의 결점들을 해결한다. 이 양호한 실시예는 각각의 행/열 교차점 주위에서 이중 선형 보간 커널(bilinear interpolation kernel)을 생성하는 형태로 센서를 전기적으로 구동하고 감지한다. 이것은, 본 발명의 구동 및 감지 회로가 훨씬 더 낮은 분해능을 가질지라도 힘 감지 어레이의 분해능으로 터치 위치의 복원을 허용한다. 흥미롭게도, 구동 및 감지 회로의 분해능은 두 개의 구별되는 터치가 처리 알고리즘들에게 하나처럼 보이기 시작하는 거리에만 영향을 미치고, 단일 터치가 추적될 수 있는 정확도에 영향을 미치지 않는다. 보간 저항기 네트워크에 더하여, 본 발명은 알려진 제조 기술들을 이용하는 본 발명 센서들을 위한 여러 구축 방법들을 교시하고, 또한 본 발명은 구동 회로의 구현, 센서를 스캐닝하기 위한 알고리즘들, 및 출력을 해석하기 위한 알고리즘들을 보여준다. 본 발명은 또한 본 발명 센서 기술이 다른 감지 및 디스플레이 기술들과 어떻게 통합될 수 있는지를 제안한다.
본 발명에 의해 제공되는 장점들의 충분한 이해를 위해, 첨부 도면들과 함께 하기 상세한 설명에 대한 참조가 이루어져야 한다:
도 1은 양호한 예시적 시스템 실시예의 시스템 블록도를 도해한다;
도 2는 양호한 예시적 방법 실시예를 묘사하는 흐름도를 도해한다;
도 3은 가변 임피던스 어레이(VIA), 인터링크된 임피던스 열(IIC), 및 인터링크된 임피던스 행(IIR)의 상세 사항을 묘사하는 시스템 블록도를 도해한다;
도 4는 CSR, RSR, 인터링크된 임피던스 열(IIC), 및 인터링크된 임피던스 행(IIR)의 상세 사항을 묘사하는 시스템 블록도를 도해한다;
도 5는 양호한 예시적 시스템 실시예의 단순화된 시스템 블록도를 도해한다;
도 6은 양호한 예시적 방법 실시예를 묘사하는 단순화된 흐름도를 도해한다;
도 7은 예시적 비 직교 VIA 구성을 도해한다;
도 8은 예시적 방사상 및 타원형 VIA 구성들을 도해한다;
도 9는 예시적 전압-모드 열 구동 회로 구성도를 도해한다;
도 10은 적층식 스위칭 설계를 채택하는 예시적 전압-모드 열 구동 회로 구성도를 도해한다;
도 11은 비 적층식 스위칭 설계를 채택하는 예시적 전압-모드 열 구동 회로 구성도를 도해한다;
도 12는 예시적 전압-모드 행 스위칭 회로 구성도를 도해한다;
도 13은 감지 라인 접지 인에이블 로직을 통합한 예시적 전압-모드 행 스위칭 회로 구성도를 도해한다;
도 14는 예시적 전류-모드 열 구동 회로 구성도를 도해한다;
도 15는 적층식 스위칭 설계를 채택하는 예시적 전류-모드 열 구동 회로 구성도를 도해한다;
도 16은 예시적 전류-모드 행 스위칭 회로 구성도를 도해한다;
도 17은 IIC 및/또는 IIR 임피던스 소자들을 위해 사용될 수 있는 예시적 가변 임피던스 디바이스를 도해한다;
도 18은 예시적 능동 가변 임피던스 어레이(VIA) 소자 구조를 도해한다;
도 19는 VIA를 위한 가변 주파수 여기와 행 감지 소자들의 스위칭된 필터링 검출을 활용하는 실시예에서 CSR, RSR, 인터링크된 임피던스 열(IIC), 및 인터링크된 임피던스 행(IIR)의 상세 사항을 묘사하는 시스템 블록도를 도해한다;
도 20은 가변 주파수 스캔 구성을 묘사하는 예시적 VIA를 도해한다;
도 21은 예시적 VIA 전 분해능 스캔 구성을 도해한다;
도 22는 예시적 VIA 절반 분해능 스캔 구성을 도해한다;
도 23은 예시적 VIA 1/4 분해능 스캔 구성을 도해한다;
도 24는 예시적 VIA 혼합 분해능 스캔 구성을 도해한다;
도 25는 펜/스타일러스 입력을 채택하는 양호한 예시적 발명 실시예를 묘사하는 시스템 블록도를 도해한다;
도 26은 펜/스타일러스 입력을 채택하는 양호한 예시적 발명 실시예를 묘사하는 투시도를 도해한다;
도 27은 많은 양호한 발명 실시예들에 유용한 양호한 예시적 펜/스타일러스 회로를 묘사하는 구성도를 도해한다;
도 28은 많은 양호한 발명 실시예들에 유용한 양호한 예시적 펜/스타일러스 회로의 투시 조립도를 도해한다;
도 29는 많은 양호한 발명 실시예들에 유용한 양호한 예시적 펜/스타일러스 회로의 상부, 바닥부, 및 측면 뷰들을 도해한다;
도 30은 펜/스타일러스를 채택하는 양호한 발명 실시예를 도해하고, 손/손가락으로부터의 입력 및 펜/스타일러스 입력들을 묘사한다;
도 31은 도 30과 연관되는 감지된 입력의 감지된 지역들을 도해한다;
도 32는 압력(P) 입력들 및 스타일러스(S) 입력들로서 분류되는 도 30과 연관되는 감지된 입력의 감지된 지역들을 도해한다;
도 33은 활성 전극들의 각각의 쌍 사이에 두 개의 보간 전극을 포함하는 네 개의 활성 열 전극 및 다섯 개의 활성 행 전극을 가진 대표적 IFSA 회로를 도해한다;
도 34는 센서의 3 활성 열 Χ 3 활성 행 지역에서의 보간을 도해하는데, 여기서 센서는 활성 전극들의 각각의 쌍 사이의 두 개의 보간 전극을 갖고(따라서 2의 N 값을 가짐), 여기서 센서 스캔 동안의 한 순간이 묘사되고, 열들 -3과 +3이 접지되고, 열 0은 전압(Vd)으로 구동되고, 한편 행들 -3과 +3은 접지되고 행 0(Is)으로부터 흐르는 전류가 측정된다;
도 35는 도 34에 도시된 센서 소자들의 7×7 어레이에 대해 이것이 본 발명 구동 방식을 이용하여 스캐닝되고 있음에 따른 감도 분포를 도해한다;
도 36은 도 34에 도시된 센서들의 7×7 어레이의 감도 분포에 대해 이것이 본 발명 구동 방식을 이용하여 스캐닝되고 있음에 따른 3D 표현을 도해하고, 또한 이들이 X와 Y축들 양쪽을 따라 로케이션(0,0)에서의 교차점으로부터 더욱 멀어짐에 따라 센서 소자들에 대한 선형 감도 저하를 묘사한다;
도 37은 줄무늬들로 표시되는 기판, 제각기 +/-로 표시되는 구동/감지 전극들, 및 흑색으로 표시되는 FSM을 가진 예시적 션트 모드 힘 센서를 도해한다;
도 38은 줄무늬들로 표시되는 기판, 제각기 +/-로 표시되는 구동/감지 전극들, 및 흑색으로 표시되는 FSM을 가진 예시적 이중 측면 쓰루 모드 힘 센서를 도해한다;
도 39는 줄무늬들로 표시되는 기판, 제각기 +/-로 표시되는 구동/감지 전극들, 및 흑색으로 표시되는 FSM을 가진 예시적 단일 측면 쓰루 모드 힘 센서를 도해한다;
도 40은 줄무늬들로 표시되는 기판, 제각기 +/-로 표시되는 구동/감지 전극들, 및 흑색으로 표시되는 FSM을 가진 예시적 샌드위치 쓰루 모드 힘 센서를 도해한다;
도 41은 세그먼팅된 FSM(샌드위치 쓰루 모드 구성)을 가진 쓰루 모드 센서의 단면도 및 평면도를 도해하는데, 여기서: 평면도에서, 상위 계층과 힘 감지 계층(미세한 도트들의 패턴에 의해 표시됨)의 기판은 내부의 열 전극들, FSM, 및 행 전극들의 패턴의 뷰잉을 허용하도록 투명하고; 파선은 센서에 관한 단면의 로케이션을 표시하고; 힘 감지 물질의 패치들은 행들 및 열들의 교차점들과 정렬되고, 그에 따라 각각의 행과 열 전극의 교차점에서 힘 감지 소자를 생성한다;
도 42는 FSM 코팅된 전극들을 가진 쓰루 모드 센서의 단면도와 평면도를 도해하고: 평면도에서, 상위 계층의 기판은 내부의 열 전극들, FSM, 및 행 전극들의 패턴의 뷰잉을 허용하도록 투명하고; 파선은 센서에 관한 단면의 로케이션을 표시하고; 및 행들, 열들, 또는 양쪽 모두는 FSM으로 코팅될 수 있다(또한 단일 측면의 또는 이중 측면의 쓰루 모드 구성을 가진 센서를 생성한다);
도 43은 얇은 FSM 전극들을 가진 쓰루 모드 센서의 단면도와 평면도를 도해하고, 여기서: 평면도에서, 상위 계층과 힘 감지 계층(미세한 도트들의 패턴에 의해 표시됨)의 기판은 내부의 열 전극들과 행 전극들의 뷰잉을 허용하도록 투명하고; 파선은 센서에 관한 단면의 로케이션을 표시하고; 및 얇은 FSM은 패터닝된 FSM 도는 의사 무작위 패터닝된 FSM으로 대체될 수 있고, 여기서 모든 이러한 구성들은 샌드위치 쓰루 모드 구성의 변형들이다;
도 44는 쓰루 모드 센서 상위 계층의 상세 사항을 도해하는데, 여기서 도면은 전극 패턴 및 보간 저항기들이 탑재되는 방식을 보여주기 위해 도 41 (4100) 내지 도 43 (4300)에 관해 뒤집혀 있다;
도 45는 쓰루 모드 센서 바닥 층의 상세 사항을 도해한다. 이 도면에서의 계층은 도 41 (4100) 내지 도 43 (4300)에서의 것과 동일 방향에 있다;
도 46은 세그먼팅된 FSM 층의 상세 사항을 도해하는데, 여기서 FSM 물질의 세그먼트들이 흑색으로 보여지고, FSM 물질을 제자리에 붙잡는 기판은 미세한 도트들의 패턴을 가진 백색으로 도시되고, 및 각각의 세그먼트는 (행과 열 전극의 교차점에서의) 단일 센서 소자와 정렬되어 센서 소자들 사이에 어떤 누화도 없을 것을 보장한다. 이것은 쓰루 모드 센서 구성에 사용되고 있는 FSM 층을 묘사한 도 41 (4100)에 도시된 바와 동일한 FSM 층이다. 이런 유형의 FSM 구성은 또한 임의의 션트 모드 센서 구성에서의 힘 감지 계층으로서 이용될 수 있다;
도 47은 얇은 FSM 층의 상세 사항을 도해하는데, 여기서 FSM 물질은 흑색으로 도시되고 연속적이며, 또한 행과 열 전극들을 포함하는 전체 센서 지역을 커버한다. 물질이 얇기 때문에, 평면 내 저항이 매우 높고, 이것은 센서 소자들 간의 누화 가능성을 감소시킨다. 이것은 도 43 (4300)에 도시된 것과 동일한 FSM 층인데, 이것은 쓰루 구성에서 사용되고 있는 FSM 층이 임의의 션트 모드 센서 구성에서의 힘 감지 계층으로서 또한 이용될 수 있다는 것을 보여준다;
도 48은 FSM 층의 상세 사항을 도해하는데, 여기서 FSM 물질의 패치들이 흑색으로 보여지고, FSM 물질을 제자리에 붙잡는 기판은 백색으로 보여진다. 패턴이 개개의 센서 소자들의 스케일보다 미세하기 때문에, 인접하는 센서 소자들 간의 누화는 최소화된다. 이것은 쓰루 모드 센서 구성에서 도 47 (4700)에 도시된 얇은 FSM 층 대신에 이용될 수 있다. 이런 유형의 FSM 구성은 또한 임의의 션트 모드 센서 구성에서의 힘 감지 계층으로서 이용될 수 있다;
도 49는 의사 무작위 패터닝된 FSM 층의 상세 사항을 도해하는데, 여기서 FSM 물질의 패치들이 흑색으로 보여지고, FSM 물질을 제자리에 붙잡는 기판은 백색으로 보여진다. 이것은 패터닝된 FSM과 유사하지만 무작위 또는 의사 무작위 패턴이 이용되는데, 이것은 패터닝된 FSM 층보다 제조하기에 더 쉬울 수 있다. 이것은 쓰루 모드 센서 구성에서 도 48 (4800)에 도시된 얇은 FSM 층 대신에 이용될 수 있다. 이런 유형의 FSM 구성은 또한 임의의 션트 모드 센서 구성에서 힘 감지 계층으로서 이용될 수 있다;
도 50은 상위 패터닝된 FSM 층 및 보간 저항기들과 행과 열 전극들 양자 모두를 지니는 바닥 층으로 구성되는 션트 모드 보간 어레이 센서의 단면도와 평면도를 도해한다. 평면도에서, 패터닝된 FSM 층은 FSM 아래에 놓여 있고, 션트 모드 센서 소자들을 형성하는 노출된 행과 열 전극들을 드러내기 위해 컷 어웨이된다. 파선은 센서에 관한 단면의 로케이션을 표시한다. 바닥 층의 뒷면 상의 트레이스들(평면도에서 보이지 않음)은 비아들(원들에 의해 표현됨)을 이용하여 노출된 행 전극들을 상호 접속시킨다. 바닥 층의 뒷면 상의 트레이스들은 도 52 (5200)에서 더욱 상세하게 보여진다;
도 51은 맞물림 형(inter-digitated) 핑거 패턴으로 패터닝되는 힘 센서 소자 전극들을 가진 션트 모드 센서의 단면도와 평면도를 도해하는데, 이것은 감도를 향상시키도록 의도된다. 이 설계의 다른 요소들은 도 50 (5000)의 것들과 유사하다;
도 52는 도 50 (5000) 내지 도 51 (5100)에 도시된 센서들에 대한 바닥 층의 뒷면 상의 상세 사항을 도해한다. 줄무늬 패턴을 가진 지역들은 행 전극들을 상호 접속하는 도전체들이다. 원들에 의해 표현되는 비아들이 대향 측상의 행 전극들에 접속된다
도 53은 2배 폭 행 전극 패드를 가진 션트 모드 센서의 단면도와 평면도를 도해하는데, 이것은 인접한 센서 소자들 간에 비아들을 공유함으로써 필요한 비아들의 수를 절반으로 줄이고, 또한 각각의 비아 주위의 공간을 증가시키고, 이는 제조에 도움을 줄 수 있다. 이 설계의 다른 요소들은 도 50 (5000)에 기술된 것과 유사하다. 바닥 층의 뒷면 상의 트레이스들은 도 55 (5500)에 더욱 상세하게 도시된다;
도 54는 2배 폭 행 전극 패드들 및 맞물림형 핑거 행 전극 패턴을 가진 션트 모드 센서의 단면도와 평면도를 도해한다. 이 설계는 도 51 (5100)에 도시된 것과 유사하게, 이전 설계 및 맞물리는 핑거 패턴과 동일한 제조상 이점을 가지고 있고, 감도를 향상시키도록 의도된다. 이 설계의 다른 요소들은 도 51 (5100)에 기술된 것들과 유사하다. 바닥 층의 뒷면 상의 트레이스들은 도 55 (5500)에서 더욱 상세하게 도시된다;
도 55는 도 53 (5300) 내지 도 54 (5400)에 도시된 센서들에 대한 바닥 층의 뒷면 상의 상세 사항을 도해한다. 줄무늬 패턴을 가진 지역들은 행 전극들을 상호 접속시키는 도전체들이다. 원들에 의해 표현되는 비아들이 대향 측상의 행 전극들에 접속한다.
도 56은 다이아몬드형 행 및 열 전극 패턴을 가진 션트 모드 센서의 단면도와 평면도를 도해한다. 이 패턴은 각각의 행/열 교차점 주위의 감도 분포를 더 대칭적으로 만들도록 의도된다. 이것은 또한 비아들을 생성할 때 필요한 정밀도를 감소시킴으로써 제조가능성을 개선할 수 있다. 이 설계의 다른 요소들은 도 50 (5000)에 기술된 것들과 유사하다. 바닥 층의 뒷면 상의 트레이스들은 도 57 (5700)에서 더욱 상세하게 도시된다;
도 57은 도 56 (5600)에 도시된 센서에 대한 바닥 층의 뒷면 상의 상세 사항을 도해한다. 줄무늬 패턴을 가진 지역들은 행 전극들을 상호 접속시키는 도전체들이다. 원들에 의해 표현되는 비아들이 대향 측상의 행 전극들에 접속한다.
도 58은 중앙에 구멍을 가진 션트 모드 타원형 센서의 단면도와 평면도를 도해한다. FSM 층은 행 및 열 전극 패턴을 노출시키기 위해 제거된다. 원들은 도 60 (6000)에 도시된 바닥 도전체 패턴과 상호 접속하는 비아들을 표현한다;
도 59는 도 58 (5800)에 도시된 타원형 센서에 대한 FSM 층의 설계를 도해한다. 이 설계는 세그먼팅된 FSM 센서 패턴을 보여주지만, 도 47 (4700) 내지 도 49 (4900)에 도시된 것들을 포함하는 다른 유형의 FSM 패턴들이 이용될 수 있다;
도 60은 도 58 (5800)에 도시된 타원형 센서에 대한 바닥 층의 뒷면 상의 상세 사항을 도해한다. 줄무늬 패턴을 가진 지역들은 행 전극들을 상호 접속시키는 도전체들이다. 원들에 의해 표현되는 비아들은 대향 측상의 행 전극들에 접속한다.
도 61은 브리지들을 가진 다이아몬드 패턴 션트 모드 IFSA를 도해한다. 이 패턴은 행들과 열들의 패턴을 생성하고(열들은 연속적이지만 행 패턴은 틈들을 갖는다)(6101); 열들이 행들 사이에서 나아가는 지역들에 절연 물질을 퇴적하고(6102); 및 전기적으로 열들에 접속하지 않고서 각각의 행에 속하는 패드들을 브리지하는 도전 물질로 된 패치들을 퇴적(6103)함으로써 생성된다;
도 62는 재단선(cut)들과 만곡선(bend line)들로 설계된 IFSA 센서가 어떻게 복잡한 형태들로 구부러질 수 있는지를 도해한다. 이 예에서, 좌측상의 패턴은 구부러져서 우측상에 보여진 것처럼 로봇 핑거팁(robot fingertip)을 위한 센서를 형성할 수 있다;
도 63은 가능한 IFSA 센서 적층들의 4개의 단면을 도해한다;
도 64는 디스플레이를 포함하는 가능한 IFSA 센서 적층들의 4개의 단면을 도해한다;
도 65는 태블릿 폼 팩터 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예의 상위 전방 우측 투시도를 도해한다;
도 66은 태블릿 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예의 상위 후방 우측 투시 조립도를 도해한다;
도 67은 태블릿 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예의 기부 컴포넌트의 상위 전방 우측 투시도를 도해한다;
도 68은 태블릿 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예의 PCB/배터리 컴포넌트의 상위 전방 우측 투시도를 도해한다;
도 69는 태블릿 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예의 PCB/배터리 컴포넌트의 평면도를 도해한다;
도 70은 태블릿 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예의 압력 멤브레인(pressure membrane) 컴포넌트의 상위 전방 우측 투시도를 도해한다;
도 71은 태블릿 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예의 오버레이 컴포넌트의 상위 전방 우측 투시도를 도해한다;
도 72는 태블릿 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예의 베젤 컴포넌트의 상위 전방 우측 투시도를 도해한다;
도 73은 태블릿 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예의 전방 단면도를 도해한다;
도 74는 태블릿 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예에서의 USB 커넥터의 상세 사항 투시도를 도해한다;
도 75는 태블릿 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예에서의 상세한 측방향 투시 단면도를 도해한다;
도 76은 태블릿 인터페이스 응용 맥락에 적용되는 양호한 예시적 발명 실시예의 측방향 단면도를 도해한다;
도 77은 본 발명의 감압 터치 패드 실시예에 대한 예시적 시스템 블록 구성도를 도해한다;
도 78은 본 발명의 감압 터치 패드 실시예에 대한 예시적 상위 구리 레이아웃을 도해한다;
도 79는 본 발명의 감압 터치 패드 실시예에 대한 예시적 바닥 구리 레이아웃을 도해한다;
도 80은 본 발명의 감압 터치 패드 실시예에 대한 예시적 비아 레이아웃을 도해한다;
도 81은 브리지들을 가진 단일 측면 다이아몬드 패턴을 채택하는 본 발명의 용량성 센서 레이아웃의 예시적 실시예의 평면도를 도해한다;
도 82는 브리지들을 가진 단일 측면 다이아몬드 패턴을 채택하는 본 발명의 용량성 센서 레이아웃의 예시적 실시예의 단면도를 도해한다;
도 83은 직선형 행들 및 열들을 가진 이중 측면 패턴을 사용하는 본 발명 용량성 센서 레이아웃의 예시적 실시예의 평면도를 도해한다;
도 84는 직선형 행들 및 열들을 가진 이중 측면 패턴을 채택하는 본 발명의 용량성 센서 레이아웃의 예시적 실시예의 단면도를 도해한다;
도 85는 압력 프로필을 산출하기 위해 음료 컵과 접촉하는 예시적 터치 센서 태블릿을 도해한다
도 86은 TSA를 스캐닝하여 CCD에 의해 획득되는 TSM 데이터, 및 검출된 연관 압력 영역들을 도해한다;
도 87은 TSM 및 검출된 연관 압력 영역들의 업샘플링 연산을 수행하여 획득되는 VIA에서의 개개의 힘 감지 소자들에 의해 보이는 힘들의 근사적 복원을 도해한다;
도 88은 TSM 데이터에 기초하여 CCD에 의해 계산되는 예시적 개개의 검출된 타원형 데이터를 도해한다;
도 89는 압력 프로필을 산출하기 위해 화필과 접촉하는 예시적 터치 센서 태블릿을 도해한다;
도 90은 TSA를 스캐닝하여 CCD에 의해 획득되는 TSM 데이터의 압력 프로필을 도해한다;
도 91은 압력 프로필에 기초하여 검출되는 연관 압력 영역들을 도해한다
도 92는 TSM 데이터에 기초하여 CCD에 의해 계산되는 예시적 개개의 검출된 타원형 데이터를 도해한다.
도 93은 단일 활성 구동 전극으로부터 단일 활성 수신 전극까지 단일 주파수를 전송하는 보간 용량성 터치 센서 시스템을 도해한다;
도 94는 단일 활성 구동 전극으로부터 다중 활성 수신 전극까지 단일 주파수를 전송하는 보간 용량성 터치 센서 시스템을 도해한다;
도 95는 다중 활성 구동 전극으로부터 다중 활성 수신 전극까지 다중 주파수를 전송하는 보간 용량성 터치 센서 시스템을 도해한다;
도 96은 단일 활성 구동 전극으로부터 수신하는 스타일러스까지 단일 주파수를 전송하는 보간 용량성 터치 센서 시스템을 도해한다;
도 97은 단일 활성 수신 전극상에서 전송하는 스타일러스로부터 단일 주파수를 수신하는 보간 용량성 터치 센서 시스템을 도해한다;
도 98은 양방향성 스타일러스으로부터 단일 활성 양방향성 전극까지 단일 주파수를 전송하고 수신하는 보간 용량성 터치 센서 시스템을 도해한다;
도 99는 보간 저항성 터치 센서 시스템과 보간 용량성 터치 센서 시스템을 조합한 센서를 도해한다;
도 100은 PWM 모듈 및 아날로그 스위치를 이용하여 구형파(square wave) 전송 신호를 발생하는 회로를 도해한다;
도 101은 PWM 모듈 및 비교기를 이용하여 구형파 전송 신호를 발생하는 회로를 도해한다;
도 102는 위상 편이 발진기, 전압 폴로워, 및 아날로그 스위치를 이용하여 사인파 전송 신호를 발생하는 회로를 도해한다;
도 103은 사인파 룩업 테이블, DAC, 필터, 및 증폭기를 이용하여 사인파 전송 신호를 발생하는 회로를 도해한다;
도 104는 ADC에 의해 판독될 수 있는 DC 신호로 수신 AC 신호를 변환하는 회로를 도해하며, 여기서 DC 값은 AC 신호의 수신 강도에 대응한다;
도 105는 다중 주파수를 포함하는 AC 파형을 캡처하는 회로를 도해한다;
도 106은 신호의 주파수 성분을 결정하기 위해 캡처된 파형에 대해 FFT를 이용하는 것을 예시한다;
도 107은 가요성 상위 층과 변형 가능 중간 층의 하측에 접착되는 도전성 막의 이용을 통해 보간 용량성 터치 센서에 힘 감도를 추가하는 스택업을 도해한다;
도 108은 선택 사항인 아래에 있는 EMR 센서를 가지며, 디스플레이 위에 보간 용량성 터치 센서를 더하는 스택업을 도해한다;
도 109는 4 밀리미터 전극 및 패턴 피치에 의한 표준 용량성 터치 센서 구성의 비 선형 추적을 도해한다;
도 110은 4 밀리미터 전극 및 패턴 피치에 의한 표준 용량성 터치 센서 구성의 단면도(가시적 전기력선들을 가짐)를 도해한다;
도 111은 4 밀리미터 활성 전극 피치 및 1 밀리미터 패턴 피치에 의한 보간 용량성 터치 센서 구성의 향상된 센서 선형성을 도해한다;
도 112는 4 밀리미터 활성 전극 피치 및 1 밀리미터 패턴 피치에 의한 보간 용량성 터치 센서 구성의 단면도(가시적 전기력선들을 가짐)를 도해한다;
도 113은 표준 기존 용량성 터치 센서 해결책의 응답을 도해한다;
도 114는 보간 용량성 터치 센서 해결책의 응답을 도해한다;
도 115는 보간 용량성 터치 센서 해결책의 업샘플링된 출력을 도해한다;
도 116은 보간 용량성 터치 센서에 대한 스캐닝 방식을 묘사하는 흐름도를 도해한다;
도 117은 도 93에 도시되는 구조를 구체화하는 보간 용량성 터치 센서 시스템에 대한 스캐닝 방식 서브루틴들을 묘사하는 흐름도를 도해한다;
도 118은 도 95에 도시되는 구조를 구체화하는 보간 용량성 터치 센서 시스템에 대한 스캐닝 방식 서브루틴들을 묘사하는 흐름도를 도해한다;
도 119는 활성 스타일러스를 가진 보간 용량성 터치 센서에 대한 스캐닝 방식을 묘사하는 흐름도를 도해한다;
도 120은 도 96의 구조를 구체화하는 활성 스타일러스를 가진 보간 용량성 터치 센서에 대한 스캐닝 방식 서브루틴들을 묘사하는 흐름도를 도해한다;
도 121은 도 97의 구조를 구체화하는 활성 스타일러스를 가진 보간 용량성 터치 센서에 대한 스캐닝 방식 서브루틴들을 묘사하는 흐름도를 도해한다;
도 122는 도 99의 구조를 구체화하는 센서에 대한 스캐닝 방식을 묘사하는 흐름도를 도해한다;
도 123은 도 99의 구조를 구체화하는 센서를 스캐닝하기 위한 대안적 방법을 묘사하는 흐름도를 도해한다;
도 124는 각각의 활성 행 및 열 전극에서 보간 용량성 센서와 상호 작용하는 활성 용량성 스타일러스의 측정된 신호를 도해한다; 및
도 125는 용량성 및 힘 감지 터치 감지 모두를 할 수 있는 센서를 이용할 때 주어진 접촉에 대한 가능한 검출 상태들의 매트릭스를 도해한다.
본 양호한 예시적 실시예들의 기술
본 발명은 많은 상이한 형태들로 된 실시예를 허용할 수 있지만, 본 개시 내용이 본 발명의 원리의 예시로서 간주되어야 하고 또한 본 발명의 양태의 범위를 도해된 실시예로만 한정하도록 의도하지 않았다는 이해 하에서 본 발명의 양호한 실시예들이 도면들에서 보여지고 또한 상세하게 본 명세서에서 설명될 것이다.
본 출원의 다수의 독창적 교시들이 현 양호한 실시예를 특히 참조하여 설명된 것인데, 여기서 이러한 독창적 교시들은 유리하게는 터치 센서 검출기 시스템 및 방법(TOUCH SENSOR DETECTOR SYSTEM AND METHOD)의 특정 문제들에 적용된다. 그러나, 이 실시예는 여기서의 독창적 교시들의 많은 유리한 사용들의 한 예에 불과하다는 것을 이해해야 한다. 일반적으로, 본 출원의 명세서에서 이뤄지는 진술들은 청구된 다양한 발명들 중 어느 것이라도 반드시 한정하는 것은 아니다. 더욱이, 일부 진술들은 일부 발명적 특징들에 적용될 수 있지만 다른 것들에는 적용되지 않을 수 있다.
IIC/ IIR 순서는 비제한적임
본 발명은 인터링크된 임피던스 열들(interlinked impedance columns: IIC)과 인터링크된 임피던스 행들(interlinked impedance rows: IIR)의 다양하고 상이한 구성들을 활용할 수 있다. 많은 양호한 실시예들에서 두 개 이상의 IIC들과 두 개 이상의 IIR들이 있을 것이며, 그래서 열과 행 방향(orientation)들에서 2 이상의 팩터만큼 VIA 외부에서 접근가능한 열들과 행들의 수 모두의 축소를 허용한다. 그러나, 일부 양호한 발명 실시예들은 하나 이상의 열들/행들에서 단수의 열 간(inter-column) 임피던스 소자 또는 단수의 행 간(inter-row) 임피던스 소자를 활용할 수 있다. 그러므로, 용어들 IIC과 IIR는 VIA의 단 하나의 차원이 인터링크된 임피던스 소자를 포함하는 상태를 포함한다.
열 구동 소스(CDS)는 비제한적
본 발명은, DC 전압원(DC voltage source); AC 전압원; 임의 파형 발생기(arbitrary waveform generator: AWG) 전압원; DC 전류원; AC 전류원; 및 AWG 전류원을 포함하지만 이것들에만 한정되지는 않는 VIA 센서 열들을 구동하기 위해 다양하고 광범위한 소스들을 활용할 수 있다. 이 맥락에서의 AWG 소스들의 사용이 전기 분야에 잘 알려진 통상적인 파형 발생 기술들을 이용하여 동적으로 정의되고/발생될 수 있는 다양하고 광범위한 시그널링 파형들을 포함할 수 있다는 것을 유의하라.
CSR / RSR 소스들/ 싱크들은 비제한적
본 발명은 VIA의 자극(stimulation) 및/또는 감지를 구성하기 위해 열 스위칭 레지스터(CSR)와 행 스위칭 레지스터(RSR) 내에 다양하고 광범위한 전기적 소스들 및 전기적 싱크(sink)들을 활용할 수 있다. 이 맥락 내에서, 본 발명은, 개 회로; 영 전위 전압원; CSR에 의해 정의되는 전압원; CSR에 의해 정의되는 전류원; CDS로부터 도출되는 전압; 및 CDS로부터 도출되는 전류로 구성되는 그룹에서 선택되는 CSR 소스들의 사용을 예상한다. 이 맥락 내에서, 본 발명은, 개 회로; 영 전위 전압원; RSR에 의해 도출되는 전압원; RSR에 의해 도출되는 전류 싱크; 및 ADC에의 입력으로 구성되는 그룹에서 선택되는 RSR 싱크들의 사용을 예상한다.
IIC/ IIR 저항기들은 비제한적
본 명세서에서 기술되는 예시적 IIC 및 IIR 기능성에서 묘사되는 저항기들은 (가능하게는 가변 값들의) 고정 저항기들일 수 있고 및/또는 일부 상황들에서 CSR 및/또는 RSR에 기초하여 구성될 수 있는 가변 저항기들을 포함할 수 있다. 이 맥락 내에서, 묘사된 저항기들은 일반 임피던스(general impedance)의 하나의 잠재적 예로서 간주될 것이고, 이것은 저항, 커패시턴스, 및/또는 인덕턴스의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 용량성 또는 유도성 소자들, 능동 소자들(또는 능동 회로)와 같은 다른 유형의 임피던스 소자들뿐만 아니라 이것들의 조합들이 청구된 발명의 범위에서의 일반성 상실 없이 묘사된 저항기들을 대체할 수 있다. 그러므로, IIC와 IIR 회로의 맥락에서, 임의 형태의 임피던스가 예시된 저항기 소자들을 대체할 수 있고, MOSFET들 및 다른 반도체 디바이스들과 같은 능동 컴포넌트들을 포함하는 가변 임피던스 소자들을 포함할 수 있다.
열 간/행 간 임피던스 카운트는 비제한적
본 발명은 터치 센서 검출기 시스템과 방법을 구현하기 위해 VIA 내에서의 열 간 및 행 간 보간과 연계하여 열 간 임피던스들과 행 간 임피던스들을 이용한다. 각각의 열과 각각의 행 사이의 임피던스들의 수는 전형적으로 두 개 이상으로서 구성되나, 몇몇 상황들에서 VIA는 직렬 IIC 및 IIR 임피던스 스트링들 내의 내부 노드들에의 접근을 통해 모든 VIA 열들/행들의 통상적 스캐닝을 달성하도록 직접적으로 매핑될 수 있다.
행/열은 비제한적
본 발명은 터치 센서 어레이(TSA)가 가변 임피던스 센서들(VIA)의 통상적 어레이로서 구성되는 전형적 구성을 다룰 때의 행들/열들의 관점에서 논의될 것이다. 그러나, 용어들 "행(row)"과 "열(column)"은 청구된 발명의 전반적 사상과 범위에서 벗어나지 않고서 많은 발명 실시예들에서 교환될 수 있다.
센서 어레이 기하 구조는 비제한적
본 발명은 응용 맥락에 의존하여 이용될 수 있는 다양하고 광범위한 센서 어레이 기하 구조들을 예상한다. 가변 임피던스 소자들의 장방형 구축 어레이들이 일부 양호한 발명 실시예들에서 유리할 수 있지만, 다각형들, 원들, 타원들, 및 다른 평면과 비 평면 형상들을 포함하는 다른 기하 구조들의 사용이 또한 예상된다. 2차원과 3차원 형상들 모두에 대한 개시된 기술의 적용은 이 넓은 범위의 센서 기하 구조 내에서 예상된다.
센서 VIA 파퓰레이션은 비 제한적
본 발명은 일부 응용들에서 VIA 센서 어레이가 부분적으로 파퓰레이팅될 수 있어서 센서 소자가 전체적 VIA 구조의 서브셋에만 존재할 수 있는 것을 예상한다. 예를 들어, VIA가 물리적 열들과 물리적 행들의 교차점들에 자리 잡은 감압 센서 소자를 통해 물리적 행들에 전기적으로 결합되는 물리적 열들을 추가로 포함하는 센서 구성이 예상되는데, 여기서 감압 센서 소자는 어느 형상의 센서 어레이를 형성하도록 교차점들의 서브셋에만 존재한다. 이것은 전체적 VIA 센서 제조에서의 감축을 허용하고, 일부 상황들에서 VIA 어레이에 걸쳐서 변하는 센서 밀도 정도를 가질 수 있는 주문형 센서 응용들 및 형상들/물리적 구성들의 가능성을 창출한다.
ADC는 비제한적
본 발명은 많은 양호한 실시예들에서 아날로그-디지털 컨버터(ADC)의 사용을 예시한다. 이 ADC는 일부 실시예들에서 전압 모드 컨버터로서 구현되고 다른 실시예들에서 전류 모드 컨버터로서 구현될 수 있다. 게다가, 몇몇 양호한 ADC 실시예들은 아날로그-디지털 컨버전 처리 내에서의 주파수 판별을 가능하게 하기 위해 주파수 검출/필터링을 포함할 수 있다.
센서 소자는 비제한적
본 발명은 압력 센서들, 커패시턴스 센서들, 광학적 센서들, 광 감지 센서들, 및 RF 기반 센서 기술들과 같은 광범위한 범위의 가변 임피던스 어레이(VIA) 터치 센서 기술들에 적용될 수 있다. 이러한 기술들은 일부 상황들에서 복합 센서 시스템들을 형성하기 위해 조합될 수 있다. 일부 상황들에서, 센서 어레이는 VIA 센서들의 감지 표면을 반드시 터치할 필요는 없는 근접장(near-field) 이벤트들을 검출할 수 있다. 이 맥락 내에서, 개개의 감지 소자들은 또한 이 문서 내에서 "센서 소자들"로서 지칭될 수 있다.
후 처리는 비제한적
본 발명은 많은 양호한 실시예들에서 VIA에서 수집되는 정보를 표현하는 터치 센서 행렬(Touch Sensor Matrix: TSM)을 발생한다. 이 TSM 데이터 구조는 디지털 데이터 프로세서(DDP)에게 컴퓨팅 제어 디바이스(computing control device: CCD)에 의해 전송될 수 있거나, 또는 국지적으로 CCD에 의해 처리되어 다양한 응용 특정적 기능들을 수행하게 된다.
TSM 수집/처리는 비제한적
VIA에서 수집되는 정보를 표현하는 터치 센서 행렬(TSM)은 전체 엔티티로서 수집되고 및/또는 처리될 수 있거나 또는 일부 상황들에서 점진적 접근 방식(piece-meal fashion)으로 처리된다. 이것은 터치 센서 검출기의 지역이 스캐닝되고 VIA 정보가 이 부분적 관심 영역으로부터 수집되고 처리되는 상황들에서 (예를 들어) 일어날 수 있다. 유사하게, 이 부분적 정보는 디지털 데이터 프로세서(DDP)에게 컴퓨팅 제어 디바이스(CCD)에 의해 전송될 수 있거나, 또는 국지적으로 CCD에 의해 처리되어 검출기의 부분적으로 스캐닝된 지역과 연관되는 다양한 응용 특정적 기능들을 수행하게 된다. 그러므로, TSM의 임의의 이송 또는 처리는 행렬의 부분적 이송 또는 처리가 또한 예상된다는 것을 가정한다.
개념 개관
본 발명은 다중-터치 터치 센서들의 분야와 관련되는데, 이것은 흔히 컴퓨터들, 태블릿들, 및 다른 전자 디바이스들에 터치 입력을 더하는데 사용된다. 다중 터치 감지는 다중 터치를 구별하고 독립적으로 추적하기 위한 터치 센서의 능력을 지칭하는데, 이것은 사용자들로 하여금 동시적으로 다중의 손, 손가락, 또는 기타 물체들(스타일러스들과 같은 것)을 이용하여 센서와 상호 작용하는 것을 허용하고, 또한 다중 사용자가 동시적으로 센서와 상호 작용하는 것을 허용한다. 많은 터치 감지 기술들은 터치의 존재 및 부재와 그 위치의 결정만을 허용하지만, 본 발명 기술들은 각각의 터치 지점에 가해지고 있는 힘의 양을 결정하는 능력도 갖춘다.
본 발명은, 지역 위에 걸친 압력 분포들을 측정하기 위해 및 접촉 지역들, 피크들, 및 압력 분포에서의 최소값들을 포함하여 압력에서의 변화들을 검출하기 위해 산업계 및 의료 응용들에서 종종 사용되는 감압 어레이들의 분야와 또한 관련된다.
운용 목표들
통상의 터치 센서 어레이의 맥락 내에서, 가변 임피던스 어레이(VIA)는 (센서 소자들의 분해능에서의) 특정 분해능에서 터치들을 감지한다. 이것은 VIA의 모든 행과 열마다 개별적으로 구동/감지 전자 장치에 접속되는 것이었다면 가능했을 최고 데이터 분해능이다. 본 발명의 맥락 내에서, 보간 블록들(인터링크된 임피던스 열들(IIC)과 인터링크된 임피던스 행들(IIR))은 VIA 센서들이 더 낮은 분해능에서 스캐닝되는 것을 허용한다. IIC과 IIR의 구성 때문에, 센서 하드웨어는 (선형 방식으로) VIA에서의 신호를 적절히 다운샘플링할 수 있다. 그 결과, 이 VIA 센서 데이터로부터 추출되는 더 낮은 분해능 어레이에서의 스캐닝된 값들(터치 센서 행렬(TSM) 데이터 구조)은 선형으로 다운샘플링된 센서 응답의 것을 닮는다. 이 다운샘플링은 소프트웨어에서의 VIA의 분해능으로(및 가능하게는 VIA의 것보다 더 높은 분해능으로) 터치들의 위치들, 힘, 형상, 및 다른 특성들의 복원을 허용한다.
예로서, 1.25㎜ 피치를 갖는 177개의 열 전극과 97개의 행 전극으로 구축되는 VIA 센서 어레이상에서, 이 전체 VIA의 감지를 지원하기 위해 177개의 열 구동 라인과 97개의 행 감지 라인을 가진 전자 장치를 구축하는 것이 이론적으로 가능할 수 있다. 그러나, 이것은 비용 면에서 금지된 것일 것이고, 공간 효율적 방식으로 통상의 인쇄회로기판(PCB)상에 그 많은 행 및 감지 라인들의 경로를 만들어내는 것은 매우 어려울 것이다. 덧붙여, 이 177×97 VIA 센서 구성은 177×97=17169 교차점들을 스캐닝하는 것을 필요로 할 것인데, 이는 (ARM M3과 같은) 저 전력 마이크로컨트롤러에 의해서도 대략 10hz의 최대 주사 속도(scan rate)를 낳을 것이다(이는 터치 스크린과의 전형적 사용자 상호 작용에 대해 용납하기 어려울 정도로 느리다). 최종적으로, 16 비트 ADC 값들을 가정하면, 이러한 터치스크린 값들에 대한 저장은 단일 프레임에 대해 17169×2=34KB의 메모리를 필요로 할 것인데, 이는 단지 32KB의 RAM으로 구성될 수 있는 소형 마이크로컨트롤러들에 대해 과도한 메모리 요구조건이 된다. 그러므로, 이 맥락에서의 통상의 행/열 터치 센서 기술의 사용은 훨씬 더 강력한 프로세서와 훨씬 큰 RAM을 요구하며, 이것은 이 해결책을, 소비자 가전 응용에 대해 실제적이 되기에는 매우 비싸고 복잡한 것으로 만들 것이다.
본 발명의 요점은, 177×97의 전 분해능으로 앞서 기술된 예시적 센서 어레이를 스캐닝하기보다는, 시스템이 더 낮은 분해능으로 스캐닝하지만 이것이 마치 177×97에서 스캐닝하기라도 한 것처럼 신호의 정확도와 품질을 유지하도록 구성된다는 것이다. 상기의 예시적 센서 어레이의 논의를 계속하기 위해, 이 센서 어레이에 대한 전형적인 본 발명 실시예상에서의 구동 전자 장치는 45개의 열 구동기와 25개의 행 구동기만을 요구할 것이다. 보간 회로가 시스템으로 하여금 45×25 전자 장치의 여집합(complement)만을 이용하여 177×97 어레이를 스캐닝하도록 허용한다. 이것은 스캐닝되어야만 하는 교차점들의 수를 16 내지 45×25=1125의 팩터만큼 삭감할 것이다. 이 구성은 150 Hz로 센서를 스캐닝하는 것을 허용하고, RAM 제약된 마이크로컨트롤러 응용 맥락에서 메모리 소비를 감소시킨다. 함께 1.25㎜ 거리에 있는 2개의 터치를 분해하기 위한 (또는 무엇이 각각의 개별 센서 소자에서 일어나고 있는지를 정확하게 보기 위한) 능력이 상실되기는 하지만, IIC와 IIR을 이용하여 수행되는 행/열 보간의 선형성 때문에 VIA 센서들의 전 분해능으로 터치를 추적하는 것은 여전히 가능하다.
시스템 개요(0100)
전형적 응용 맥락에서의 양호한 예시적 시스템 실시예의 일반적 뷰가 도 1 (0100)에 묘사되는데, 여기서 사용자(0101)는 컴퓨터 사용가능 매체(0104)로부터 판독되는 머신 명령어들을 실행하는 컴퓨터(전형적으로 모바일 또는 비 모바일 컴퓨팅 디바이스로 구성되고 본 명세서에서 디지털 데이터 프로세서(DDP)로서 집단적으로 기술됨)(0103)를 포함하는 사용자 그래픽 인터페이스(GUI)(0102)와 상호 작용한다. 본 출원 맥락에서, 양호한 예시적 터치 센서 검출기(0110) 시스템 실시예는 가변 임피던스 어레이(VIA)(0112)를 포함하는 터치 센서 어레이(0111)를 통합한다.
VIA(0112)는 통상적인 직교 방향으로 배열될 수 있는 센서 소자들의 행들과 열들로 구성되는 저항성 또는 용량성 어레이를 활용할 수 있거나, 또는 일부 상황들에서는 행/열들이 (도 7 (0700)에 도해되는 예에 묘사된 것처럼) 서로 직교하지 않는 VIA(0112)가 구성될 수 있다. VIA(0112)는 다양한 접속 구성들에서 ((IIC)(0113) 및 (IIR)(0114) 내에서의 내부 전기적 열/행 노드들을 통해) 2개 이상의 열/행들을 전기적으로 접속하고, 자극하거나, 또는 감지하도록 구성될 수 있는 인터링크된 임피던스 열들(IIC)(0113) 및 인터링크된 임피던스 행들(IIR)(0114)을 그 에지들에 가진다.
IIC(0113) 및 IIR(0114)은 어레이 열 구동기(ACD)(0115) 및 어레이 행 센서(ARS)(0116)에 의해 제어된다. ACD(0115)는 IIC(0113)의 구성의 선택, IIC(0113)를 구동하기 위해 이용되는 전기적 소스들, 및 IIC(0113) 내에서 전기적으로 구동되는 열들의 선택을 담당한다. ARS(0116)는 IIR(0114)의 구성, IIR(0114)에 접속되는 전기적 싱크들, 및 IIR(0114)내에서 전기적으로 감지되는 행들의 선택을 담당한다. ACD(0115)와 ARS(0116)는, 개별 열 스위칭 레지스터들(CSR)과 행 스위칭 레지스터들(RSR)뿐만 아니라 ACD(0115)를 통해 IIC(0113)를 구동하는 데에 이용되는 디지털-아날로그 컨버터들(DAC) 및 ARS(0116)를 통하여 구성된 IIR(0114) 상태를 감지하는데 사용되는 아날로그-디지털(ADC) 컨버터들을 포함할 수 있는 구동/감지 제어 회로(0117)에 의해 제어된다.
ARS(0116)로부터 아날로그 신호들을 판독한 감지 결과들은 구동/감지 제어 회로(0117)에 의해 디지털로 변환될 수 있고, 컴퓨팅 시스템(0103)에의 전송과 컴퓨터(0103)상에서 실행되는 응용 소프트웨어의 맥락 하에서의 운영 체제 소프트웨어에 의한 해석을 위해 디지털 인터페이스(0118)에게 제시될 수 있다. 광범위하고 다양한 컴퓨터 시스템들(0103)과 연관된 응용들이 이 시스템 맥락에서 예상된다.
묘사된 시스템은, ACD(0115)와 ARS(0116)에 의해 결정되는 IIC(0113)와 IIR(0114)의 해당 구성이 VIA(0112) 감지 소자들이 덜 복잡한 전자 장치(더 적은 수의 열 구동기와 더 적은 수의 행 센서들)로 인터페이싱되는 것을 허용하는 한편 VIA(0112)에 존재하는 물리적 행/열 간격에 필적할 만한 공간 단위 크기(spatial granularity)를 여전히 제공한다는 점에서 종래 기술과 다르다. IIC(0113)과 IIR(0114) 구성의 조작과 구동/감지 제어 회로(0117)에서의 적절한 소프트웨어의 사용에 의해, VIA(0112) 감지 소자들은 VIA(0112) 내에서의 각각의 개별 행과 열을 지원하기 위한 능동 회로를 필요로 하지 않는 더 소한 하드웨어 인터페이스를 통하여 보간될 수 있다. 이 보간 능력은 IIC(0113)와 IIR(0114)의 다양한 하드웨어 구성들이 ARS(0116)에 의해 수집되는 원시 데이터를 정교화(refine)하기 위해 사용될 수 있는 구동/감지 제어 회로(0117) 내에서의 다양한 소프트웨어 기법들과 조합되는 조합이다.
이 맥락 내에서, VIA(0112) 열들을 전기적으로 구동하고 VIA(0112) 행들을 감지하는 다양한 방법들이 DC와 AC 시그널링 양쪽뿐만 아니라 전압 모드와 전류 모드 모두의 구동/감지 방법론들의 사용을 포함하여 예상된다.
방법 개관(0200)
예시적 본 발명의 방법은 하기 단계들을 통합하는 것으로서 도 2 (0200)의 흐름도에서 일반적으로 설명될 수 있다:
(1) 가변 임피던스 어레이(VIA) 내에 인터링크된 임피던스 열들(IIC)을 구성한다(0201);
(2) VIA 내에 인터링크된 임피던스 행들(IIR)을 구성한다(0202);
(3) 열 구동 전기적 소스(CDS))로 IIC을 전기적으로 자극한다(0203;
(4) ADC에 의해 IIR에서의 전기적 응답을 감지하고 디지털 포맷으로 변환한다(0204);
(5) IIR 변환된 디지털 포맷 응답을 터치 센서 행렬(TSM) 데이터 구조에 저장한다(0205);
(6) 미리 결정된 CDR/IIC/IIR 변동들이 TSM에 로그되었는지를 결정하고, 만약 그렇다면, 단계 (8)로 진행한다(0206);
(7) 다음 VIA 감지 변형을 위해 CDS/IIC/IIR을 재구성하고 단계 (3)으로 진행한다(0207);
(8) VIA 내에서의 활성의 초점(focal point of activity)들을 결정하기 위해 TSM 값들을 보간한다(0208);
(9) 능동성의 초점 정보를 사용자 인터페이스 입력 명령 시퀀스로 변환한다 (0209); 및
(10) 사용자 인터페이스 입력 명령 시퀀스를 작용을 위한 컴퓨터 시스템에게 전송하고 단계 (1)로 진행한다(0210).
이 일반적 방법은 본 발명의 범위에 의해 예상되는 단계들의 재배열 및/또는 추가/삭제를 수반하며 수많은 요인들에 의존하여 크게 수정될 수 있다. 본 명세서에 설명되는 다양하고 양호한 예시적 실시예 시스템들과 연계되는 이것 및 다른 양호한 예시적 실시예 방법들의 통합은 본 발명의 전반적 범위에 의해 예상된다.
VIA/IIC/ IIR 상세 사항(0300)
가변 임피던스 어레이(VIA)의 추가적 상세 사항(0310), 인터링크된 임피던스 열들(IIC)(0320), 및 인터링크된 임피던스 행들(IIR)(0330)은 일반적으로 도 3 (0300)에 묘사된다. 여기서 VIA(0310)는 개별 가변 임피던스 어레이 소자들(0319)이 어레이의 행/열 교차점들 내에서 상호 접속할 수 있는 어레이의 열들(0312)과 행들(0313)을 포함한다. 이러한 개별 가변 임피던스 어레이 소자들(0319)은 응용 맥락에 기초하여 능동 및/또는 수동 컴포넌트들을 포함할 수 있고 또한 저항성, 용량성, 및 유도성 컴포넌트들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 그러므로 VIA(0310) 어레이 임피던스 소자들(0319)은 일반화된 임피던스 값들 Z로서 이 도면에서 일반적으로 묘사된다.
물리적 VIA 열들(0312)과 VIA 행들(0313)이 각각의 인터링크된 임피던스 열들(IIC)(0320) 및 인터링크된 임피던스 행들(IIR)(0330)을 통해 함께 접속된다는 것을 유의해야 한다. IIC(0320)와 IIR(0330)은 열 구동 소스들(0321, 0323, 0325) 및 행 감지 싱크들(0331, 0333, 0335)에 접속되는 열들과 행들의 수를 감소시키도록 구성된다. 이에 따라 IIC(0320)와 IIR(0330)의 조합은 VIA 열들(0312)과 VIA 행들(0313)에 인터페이싱하는 데에 필요한 외부 컴포넌트들을 감소시킬 것이다. 본 발명의 맥락 내에서, IIC(0320) 상호 접속들의 수는 열 구동 소스들(0321, 0323, 0325)의 수를 물리적 VIA 열들(0312)의 수 미만으로 감축하는 것을 허용하도록 구성될 것이고(그러므로, 외부 IIC 열들의 수는 전형적으로 내부 IIC 열들의 수보다 적음), IIR(0330) 상호 접속들은 행 감지 싱크들(0331, 0333, 0335)의 수가 물리적 VIA 행들(0313)의 수 미만으로 감축하는 것을 허용하도록 구성될 것이다(그러므로, 외부 IIR 행들의 수가 전형적으로 IIR 행들의 수보다 적다). 이 감축은 각각의 VIA 물리적 행(0313) 사이에 하나 이상의 IIR(0330) 소자들(0339)과 각각의 VIA 물리적 열(0312) 사이에 하나 이상의 IIC(0320) 소자들(0329)을 직렬로 갖는 것으로 달성된다. 그러므로, X×Y VIA 센서(0310)는 P 열 구동기들과 Q 행 센서들만을 요구하는 전기적 인터페이스로 번역(translate)된다. 본 발명은,
Figure pct00001
및
Figure pct00002
인 제약 조건들을 갖는데, 많은 양호한 실시예들은 하기 관계들,
Figure pct00003
또는
Figure pct00004
를 만족시킨다.
이들 양호한 실시예들의 맥락 내에서, IIR이 단수의 인터링크된 임피던스 소자를 포함하면서 IIC가 복수의 인터링크된 임피던스를 포함할 수 있는 상황들, 및 IIR이 복수의 인터링크된 임피던스 소자를 포함하면서 IIC가 단수의 인터링크된 임피던스 소자를 포함할 수 있는 상황들이 있을 수 있다.
IIC(0320) 임피던스 소자들(0329)은 개개의 VIA 열들(0312)을 접속시키도록 구성된다. 이러한 IIC(0320) 임피던스 소자들(0329)은 응용 맥락에 기초하여 능동 및/또는 수동 컴포넌트들을 포함할 수 있고, 저항성, 용량성, 유도성 컴포넌트들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 그러므로 IIC(0320) 임피던스 소자들(0329)은 일반화된 임피던스 값들 X로서 이 도면에서 일반적으로 묘사된다. 도면에 묘사된 것처럼, 개개의 VIA 열들은 개개의 열 구동 소스들을 이용하여 직접적으로 구동될 수 있거나(0321, 0323, 0325), 또는 이러한 직접적으로 구동된 열들 사이에서 보간될 수 있다(0322, 0324).
IIR(0330) 임피던스 소자들(0339)은 개개의 VIA 행들(0313)을 접속시키도록 구성된다. 이러한 IIR(0330) 임피던스 소자들(0339)은 응용 맥락에 기초하여 능동 및/또는 수동 컴포넌트들을 포함할 수 있고, 저항성, 용량성, 유도성 컴포넌트들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 그러므로 IIR(0330) 임피던스 소자들(0339)은 일반화된 임피던스 값들 Y로서 이 도면에서 일반적으로 묘사된다. 도면에 묘사된 것처럼, 개개의 VIA 행들은 개개의 행 감지 싱크들을 이용하여 직접적으로 감지될 수 있거나(0331, 0333, 0335), 이러한 직접적으로 감지된 행들 간에서 보간될 수 있다(0332, 0334).
열 구동 소스들(0321, 0323, 0325)은 일반적으로 이 도면에서 독립적인 것으로서 예시되지만, 일부 구성들에서 VIA 센서들(0310)에게 외부적으로 접근 가능한 각각의 열에 전기적으로 결합될 열 구동 소스의 유형을 정의하는 열 스위칭 레지스터(CSR)에 의해 제어되는 스위치들의 직렬 연결을 활용하여 조합될 수 있다. AC/DC 여기(excitation), 전압원들, 개 회로들, 전류원들, 및 다른 전기적 소스 구동기 조합들의 변형들이 열 구동 소스들(0321, 0323, 0325)에 대한 스위치형 구성들로서 활용될 수 있다. CSR은 VIA 센서들(0310)에 적용될 전기적 소스의 유형뿐만 아니라 그 상대적 진폭/크기의 둘 모두를 선택하도록 구성될 수 있다.
행 감지 싱크들(0331, 0333, 0335)은 일반적으로 이 도면에서 독립적인 것으로서 예시되지만, 일부 구성들에서 VIA 센서들(0310)에게 외부적으로 접근 가능한 각각의 행에 전기적으로 결합될 행 감지 싱크들의 유형을 정의하는 행 스위칭 레지스터(RSR)에 의해 제어되는 스위치들의 직렬 연결을 활용하여 조합될 수 있다. AC/DC 여기, 전압원들, 개 회로들, 전류원들, 및 다른 전기적 감지 싱크 조합들의 변형들이 행 감지 싱크들(0331, 0333, 0335)에 대한 스위치형 구성들로서 활용될 수 있다. RSR은 VIA 센서들(0310)에 적용될 전기적 싱크의 유형뿐만 아니라 그 상대적 진폭/크기의 둘 모두를 선택하도록 구성될 수 있다.
열/행 스위칭 로직(0400)
CSR과 RSR 열/행 소스/싱크 동작의 추가적 상세 사항이 도 4 (0400)에 묘사되는데, 여기서 VIA(0410)는 각각의 IIC(0412)와 IIR(0413) 임피던스 네트워크들을 통해 열 구동 소스들(0421, 0423, 0425)과 행 감지 싱크들(0431, 0433, 0435)에 인터페이싱된다. 열 스위칭 레지스터들CSR(0420)은 각각의 열 구동 소스(0421, 0423, 0425)와 연관되는 소스 구동의 유형, 구동 소스의 진폭/크기, 및 구동 소스가 활성화되는지의 여부를 제어하는 스위치들을 구성하기 위한 래치들 또는 다른 메모리 소자들의 세트를 포함할 수 있다. 유사하게, 행 스위칭 레지스터들RSR(0430)은 각각의 행 감지 싱크(0431, 0433, 0435)와 연관되는 감지 싱크의 유형, 싱크의 진폭/크기, 및 싱크가 활성화될지의 여부를 제어하는 스위치들을 구성하기 위한 래치들 또는 다른 메모리 소자들의 세트를 포함할 수 있다.
앞서 논의한 바와 같이, IIC(0412) 및 IIR(0413) 임피던스 네트워크들은 제각기 CSR(0420)과 RSR(0430)의 구성 덕분에 정적이 되거나 또는 활성으로 관여될 수 있는 광범위한 임피던스들을 포함할 수 있다. 그러므로, CSR(0420)과 RSR(0430)은, 내부 열 교차 링크들과 내부 행 교차 링크들을 재구성함으로써 VIA(0410) 거동을 자극/감지할 뿐만 아니라, VIA(0410)의 인터링크된 속성을 내부적으로 구성하도록 구성될 수 있다. 이 모든 거동은 컴퓨터 판독 가능 매체(0444)로부터 판독되는 머신 명령어들을 실행하는 마이크로컨트롤러 또는 다른 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있는 제어 로직(0440) 덕분에 동적으로 결정될 수 있다. 이 맥락 내에서, 아날로그-디지털(ADC) 컨버터(0450)의 거동은 제어 로직(0440)뿐만 아니라, CSR(0420) 및/또는 RSR(0430)의 구성에 의해 부분적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, CSR(0420)과 RSR(0430)의 구성에 기초하여, ADC(0450)는 CSR(0420)/RSR(0430) 셋업과 연관되는 감지 유형과 양립 가능한 동작의 특정 모드들을 위해 구성될 수 있다.
단순화된 시스템 실시예 (0500)
도 1 (0100) 내지 도 4 (0400)에 묘사된 일반적 개념들은 도 5 (0500)에 묘사된 대로의 일부 시스템 설계들에서 단순화될 수 있다. 여기서 인터링크된 임피던스 열들(0520)이 VIA 센서 어레이(0510)를 포함하는 물리적 VIA 센서 열들(0512)에의 감축된 전기적 인터페이스를 형성하는 VIA 센서(0510)가 묘사된다. 유사하게, 인터링크된 임피던스 행들(0530)이 VIA 센서 어레이(0510)를 포함하는 물리적 VIA 센서 행들(0513)에의 감축된 전기적 인터페이스를 형성한다. 이 예에서 물리적 VIA 열들(0512)의 수가 물리적 VIA 행들(0513)의 수와 동일할 필요는 없다는 것을 주의하라. 게다가, VIA(0510)의 각각의 열을 직렬로 접속하는 열 보간 임피던스 컴포넌트들(X)의 수는 VIA(0510)의 각각의 행을 직렬로 접속하는 행 보간 임피던스 컴포넌트들(Y)의 수와 동일할 필요가 없다. 다시 말하면, 보간된 열들(0522, 0524)의 수는 보간된 행들(0532, 0534)의 수와 동일할 필요가 없다.
제어 로직(0540)은 열 스위치들(0521, 0523, 0525)과 행 스위치들(0531, 0533, 0535)의 상태를 제어하기 위한 정보를 제공한다. 열 스위치들(0521, 0523, 0525)은 개개의 VIA 열들이 접지되거나 또는 일부 실시예들에서 구동 전자 장치에서의 전위 비선형성들을 보상하는데 사용될 수 있는 온 더 플라이(on-the-fly) 조정(0541)을 허용하도록 제어 로직(0540)에 의해 조정가능할 수 있는 전압원(0527)으로부터의 전압 전위에 구동될지를 정의한다. 유사하게, 행 스위치들(0531, 0533, 0535)은 개개의 VIA 행이 접지되거나 또는 신호 조절부(signal conditioner)(0560) 및 연관된 ADC(0550)에 전기적으로 결합될지를 정의한다.
도 5 (0500)에 묘사된 구성에서, VIA 센서들(0510)은 각각의 열(X) 사이의 두 개의 보간 임피던스와 각각의 행(Y) 사이의 세 개의 보간 임피던스를 균일하게 포함한다. 이것은 보간 열들의 수가 주어진 VIA에서 보간 행들의 수와 동일할 필요가 없다는 사실을 설명한다. 게다가, 보간 열들의 수도 VIA에 걸쳐서 균일할 필요가 없다는 것과, 보간 행들의 수도 VIA에 걸쳐서 균일할 필요가 없다는 것을 유의해야 한다. 각각의 이러한 파라미터들은 VIA에 걸쳐서 그 수가 변할 수 있다.
VIA 센서들(0510)이 행 또는 열 보간 임피던스들 내에서 균일성을 가질 필요가 없고 또한 일부 상황들에서 이러한 임피던스들이 MOSFET들 또는 다른 트랜스컨덕터들을 이용하여 수 및/또는 값에서 동적으로 정의될 수 있다는 것을 또한 유의한다. 이 예시적 VIA 센서 세그먼트에서, 어레이의 하나의 열(0523)이 활성으로 구동되는 한편 나머지 2개의 열(0521, 0525)이 접지 전위에 유지되는 것을 알 수 있다. 행들은 하나의 열(0533)이 신호 조절부(0560)/ADC 조합(0550)에 의해 감지되는 한편 나머지 행들(0531, 0535)은 접지 전위에 유지된다.
단순화된 방법(0600)
도 5 (0500)의 간단화된 구성도와 연관되는 방법이 도 6 (0600)에 묘사된다. 여기서, 열 구동기, 열 소스들, 및 행 싱크들은 전반적 방법 복잡도에서의 대응하는 감축을 가지면서 도 5 (0500)에 묘사된 것처럼 단순화된다. 이 단순화된 예시적 본 발명 방법은 일반적으로 하기 단계들을 포함하는 것으로서 도 6 (0600)의 흐름도에서 설명될 수 있다:
(1) 제어 로직은 한번에 하나의 활성 열 전극을 구동하는 한편(0601), 모든 다른 활성 열 전극들(0602)을 접지시킨다(0602).
(2) 각각의 전력 공급된 구동 전극에 대해, 제어 로직은 한 번에 하나의 감지 전극을 조절 회로에 접속하는 한편(0603), 모든 다른 활성 행 전극들을 접지시킨다(0604). 이것은 전력 공급된 구동 전극과, 조절 회로에 접속되는 감지 전극의 교차점 근처에서 힘 감지 소자들을 통한 다중의 가능한 전류 경로를 생성한다. 센서에 가해지는 힘은 힘 및 교차점에의 힘의 거리에 비례하는 신호를 생성한다.
(3) 신호는, 전류의 전압으로의 변환(0605), 선택적 필터링, 및/또는 증폭을 수행할 수 있는 조절 회로를 통해 지나가고, 아날로그 출력 신호를 발생한다(0606).
(4) ADC는 신호 조절 회로로부터의 신호 출력을 디지털 값으로 변환시키고, 메모리의 어레이에 그것을 저장한다(0607). 이것은 활성 행과 활성 열 전극들 사이의 각각의 교차점(단계들 (0601)-(0607))에 대해 반복된다(0608).
(5) 전체 센서가 스캐닝된 후, 제어 회로는 추가로 신호를 필터링하고, 신호를 알려진 단위들로 정규화하고, 터치들과 같은 특징들을 추출하고, 및 시간 경과에 따라 터치들을 추적하기 위해 선택적으로 메모리의 어레이를 처리한다(0609).
(6) 제어 회로는 데이터를 교환하기 위해 외부 컴포넌트들과 상호 작용할 수 있다. 이것은 또한 힘, 속력, 또는 후속적 스캔들을 위한 대기 시간에 대해 최적화하기 위하여 스캔 파라미터들을 바꾸기로 선택할 수 있다. 이것은 또한 사용자 요청에 응답하거나 또는 스캔들 사이에서 셧다운 또는 슬리프하기로 결정할 수 있다(0610).
이 일반적 방법은 단계들의 재배열 및/또는 추가/삭제가 본 발명의 범위에 의해 예상되면서, 수많은 요인들에 의존하여 심하게 수정될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 다양하고 양호한 예시적 실시예 시스템들과 연계되는 이것 및 다른 양호한 예시적 실시예 방법들의 통합은 본 발명의 전체적 범위에 의해 예상된다.
예시적 비 직교 VIA(0700)
도 7 (0700)에 묘사된 것처럼, VIA는 본 교시에서의 일반성 상실 없이 일부 양호한 실시예들의 비 직교 구성으로 구성될 수 있다. 이 도면은 광범위한 범위의 VIA 센서 소자 레이아웃들이 본 발명의 교시를 이용하여 가능하다는 것을 묘사하고, 이에 따라 본 명세서에서 교시된 보간 기술들은 특정 VIA 레이아웃 또는 좌표계에만 제한되는 것은 아니다.
예시적 방사상/타원형 VIA(0800)
도 8 (0800)에 묘사된 것처럼, VIA는 본 교시에서의 일반성 상실 없이 일부 양호한 실시예들의 방사상 구성으로 구성될 수 있다. 묘사된 방사상 구성이 VIA의 원점에 대하여 원 대칭적인 한편, 묘사된 대로의 일부 양호한 발명 실시예들은 VIA 어레이의 하나 이상의 축들을 뻗어가게 하거나/수축시키거나/회전시킴으로써 이것을 타원형 어레이로서 구성할 수 있다.
예시적 전압- 모드 열 구동 회로(0900)-(1100)
열 구동 회로가 본 발명의 교시들과 일치하는 매우 다양한 형태들을 취할 수 있지만, 한가지 예시적 형태가 일반적으로 도 9 (0900)에 도해된다. 여기서 ACTIVATE COLUMN 신호(0910)가 인버터 체인(0901, 0902)에게 제시되고, 이후 전송 게이트(0903)를 통한 3 상태 접속성을 가지고 VIA 내의 IIC 보간 구조에 접속되는 IIC 열 구동 신호(0920)에게 제공된다. 전송 게이트(0903)는 ENABLE SWITCH 신호(0930)가 활성일 때 인버터 체인(0902)의 출력을 IIC 열 구동(0920)에 활성으로 결합하도록 설계된다. 3 상태 인버터(0904)는 전송 게이트(0903)가 양방향 전류 흐름을 행할 수 있는 것을 보장하기 위해 필요한 신호 반전을 제공한다. 열 구동 전압(0940)이, P2 MOSFET이 인버터 체인(0901, 0902)의 열 응용 특정적 구성에 의존하여 전력 구동기로서 구성될 수 있음에 따라, 보여진 인버터들에 공급되는 기타 전압들과 다를 수 있다는 것을 유의한다.
도 10 (1000)에 묘사된 것처럼 이런 3 상태 스위치 구성의 다른 실시예들이 가능하다는 것을 유의해야만 하는데, 여기서 적층된 MOSFET 스위치들이 도 9 (0900)에 보여진 활성화 및 3 상태 구동 제어 기능들의 양쪽 모두를 제공하기 위해 조합되어 사용될 수 있다. 이 예에서, ACTIVATE와 ENABLE 신호들에 대한 반전 회로는 명료성을 위해 생략되었다. 도 10 (1000)의 실시예의 주된 차이는 추가적 헤드룸 전압(headroom voltage)에 대한 필요성(공급 전압이 더 높아야만 함) 및 모든 스위칭 동작들에 대한 통일된 공급 전압의 사용에 존재한다. 도 9 (0900)의 구성은 VIA를 스위칭하는 것과 연관되는 동적 전력 소비가
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의 크기 정도로 될 것인데, 여기서 P는 동적 전력 소비를 표현하고, C는 리액티브 VIA 로드 커패시턴스를 표현하고, V는 스위칭된 전압 차분을 표현하고, f는 스위칭(스캐닝) 주파수를 표현한다. 그러므로, VIA 센서들의 양단에 걸친 스위칭된 전압에서의 축소는 터치 센서 스캐닝 동작에 의해 소비되는 전력량을 급격하게 감소시킬 수 있다. 도 9 (0900)의 실시예 내에서 상이한 구동 전압들을 이용함으로써(즉, 열 구동 전압(0940)을 감소시킴으로써), 전반적 전력 소비에서의 상당한 감축이 현실화될 수 있다.
도 10 (1000)에 묘사되는 적층 구동 접근법은 도 11 (1100)에 일반적으로 묘사되는 대로의 비적층 IIC 열 구동기를 형성하도록 수정될 수 있다. 여기서 출력 CMOS 인버터를 구동하는 로직의 부가는 시스템에 대한 더 낮은 전반적 전압 작동을 허용한다. 이 로직 구성은 종종 마이크로컨트롤러 3 상태 GPIO 회로에 통합된다.
예시적 전압- 모드 행 감지 회로(1200)-(1300)
행 감지 회로가 본 발명 교시들과 일치하는 매우 다양한 형태들을 취할 수 있지만, 한가지 예시적 형태가 일반적으로 도 12 (1200)에 설명된다. 여기서 IIR 행 감지 신호 라인(1210)은 전송 게이트(1202)에 결합되는 MOSFET 스위치형 접지 션트(1201)를 통해 ADC 입력(1220)에 전기적으로 결합된다. ENABLE SWITCH 신호(1230)가 활성일 때, MOSFET 션트(1201)는 디스에이블되고 전송 게이트(1202)는 인버터(1203)를 통해 활성화되는데, 이것은 선택된 IIR 행 감지 신호 라인(1210)을 ADC(1220)에 결합한다. ENABLE SWITCH 신호(1230)가 비 활성일 때, MOSFET 션트(1201)는 인에이블되고, 이것은 IIR 행 감지 신호 라인(1210)을 접지시키고 전송 게이트(1202)를 디스에이블시키는데, 이것은 선택된 IIR 행 감지 신호 라인(1210)을 ADC(1220)로부터 결합 해제시킨다.
몇몇 상황들에서 이 스위칭 회로가 단순한 수동 신호 스위칭보다 더 많은 것을 수반할 수 있고, ADC(1220)에의 제시 전에 IIR 행 감지 신호 라인(1210)을 조절하기 위해 능동 증폭/필터링 디바이스들을 포함할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 이런 유형의 스위치형 능동 버퍼링의 구현은 전기 기술 분야에서 통상의 기술자의 기술 내에 잘 들어간다.
도 12 (1200)에 묘사된 회로는, 행 감지 라인이 다중 분해능 스캐닝 동작들에서와 같이 감지되거나 접지되지 않고 있는 상황들에서 IIR 행 감지 라인 접지의 선택적 디스에이블화를 허용하기 위해 GROUND ENABLE 신호(1340) 및 연관된 로직 게이트(1341)를 포함하기 위해서 도 13 (1300)에 묘사된 것처럼 확장되고 수정될 수 있다. 이 실시예에서의 회로 컴포넌트들(1301, 1302, 1303, 1310, 1320, 1330)은 일반적으로 도 12 (1200)에서의 요소들(1201, 1202, 1203, 1210, 1220, 1230)에 대응한다.
예시적 전류- 모드 열 구동 회로(1400)-(1500)
일반적으로 도 9 (0900) 내지 도 12 (1200)에 묘사된 예시적 전압-모드 열 구동 회로는 일부 발명 실시예들에서 일반적으로 도 14 (1400) 및 도 15 (1500)에 묘사된 대로의 전류-모드 접근법을 이용하여 또한 구현될 수 있다. 이러한 구성도들은 일반적으로 도 9 (0900) 내지 도 12 (1200)의 것과 유사한 구조와 기능을 묘사하지만, P5/P6 디바이스들이, N6이 ENABLE 신호(1430)에 의해 활성화될 때 R1에 의해 도출되는 전류를 미러링하는 전류 미러를 형성하는 전류-모드 구동 접근법을 포함한다.
일반적으로 도 15 (1500)에 묘사된 것처럼, 다양한 방법들이 단일 MOSFET을 (비이상적 전류 싱크로서) 이용함으로써, 또는 더 통상적인 전류 미러 기반 전류 싱크를 이용함으로써 IIC 열 라인들을 접지시키는 데에 사용될 수 있다. 이러한 구성들에서 강제되는 전류(1450, 1550)가 (일반적으로 도 17 (1700)에 묘사된 것처럼) 컴퓨터 제어형 디바이스(R1)를 이용하여 "맞추어질(dialed in)" 수 있기 때문에, 이 실시예는 전력 소비가 최소화되어야만 하는 상황들에 유용할 수 있다는 것을 유의한다.
예시적 전류- 모드 행 감지 회로(1600)
일반적으로 도 12 (1200) 내지 도 13 (1300)에 묘사된 예시적 전압-모드 행 감지 회로는 일부 발명 실시예들에서 일반적으로 도 16 (1600)에 묘사된 것처럼 전류-모드 접근법을 이용하여 또한 구현될 수 있다. 이 구성도는 일반적으로 도 12 (1200) - 도 13 (1300)의 것과 유사한 구조를 묘사하지만, 전류-모드 감지 접근법을 포함한다. 여기서 IIR 행 감지 신호(1610)는, 전류 모드 ADC(1620)에 의해 변환되는 싱크 전류를 공급하기 위해 스위치 N1에 의해 션트되거나(1601) 또는 N2, N4, 및 N5의 조합에 의해 미러링되는(1602) 전류를 공급한다. ENABLE 신호(1630)는 인버터(1603)를 통해 션트 스위치(1601)를 게이팅하고 N2를 통해 전류 미러(1602)에 대한 인에이블을 제공하는 데에 사용된다.
예시적 가변 보간 저항기들(1700)
개개의 열들(IIC)과 개개의 행들(IIR)을 상호 접속하는 임피던스들이 (가능하게는 각각의 열 및/또는 행 내에서의 상이한 값들의) 고정 저항기들로서 구성될 수 있지만, 도 17 (1700)에 묘사된 대로의 전압 변조형 전송 게이트들로서 구성되는 선형 도전체들로서 MOSFET들을 이용하여 그런 것처럼 가변 저항들로서 구성될 수도 있다. 여기서 DAC들은 마이크로컨트롤러 또는 다른 컴퓨팅 디바이스의 제어 하에서 X 및/또는 Y 임피던스 소자들의 실효 저항을 조정(modulate)하는데 사용될 수 있다. 통상의 기술자는 이 설계 접근법과 양립가능한 매우 다양한 DAC 하드웨어 구현들과 친숙할 것이다.
능동 회로 가변 임피던스 어레이 소자들(1800)
가변 임피던스 어레이(VIA)는 저항기, 커패시터, 인덕터, 또는 이러한 원시 소자들을 포함하는 다른 수동 디바이스 조합과 같이, 수동적으로 구조화되는 임피던스 소자를 전형적으로 포함한다. 그러나, 일부 양호한 발명 실시예들은 수동 VIA 컴포넌트와 연관되는 능동 회로를 활용할 수 있다. 이 능동 회로 구축의 예는 도 18 (1800)에 묘사되는데, 여기서 VIA 능동 센서 소자(1810)는 VIA/IIC 열(1813)과 VIA/IIR 행(1814)을 인터링크하는 능동 회로(1812)에 의해 증강되는 수동 VIA 센서 소자(1811)를 포함한다.
이 개념의 한가지 가능한 예시적 실시예가 VIA 능동 센서 소자(1820)가 VIA 열(1823)과 행(1824)을 인터링크하는 MOSFET(1822)에 의해 증강되는 수동 VIA 센서 소자(1821)를 포함하는 것으로 묘사된다. 통상의 기술자는 VIA 셀(1811, 1821)이 매우 다양한 가변 임피던스 소자들을 포함할 수 있다는 것과, 능동 회로(1812, 1822)가 개개의 VIA 열(1813, 1823) 및 VIA 행(1814, 1824)을 결합하는 것과 일치하는 매우 다양한 능동 회로를 포함할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
예시적 가변 주파수 여기/검출(1900)-(2000)
일반적으로 도 19 (1900)에 묘사된 것처럼, 본 발명은 VIA(1910)를 여기시키기 위해 CSR(1920) 내에서의 선택 가능한 주파수 발생을 활용할 수 있다. 이 아키텍처가 도 4 (0400)에 묘사된 것을 흉내 내고 있지만, 선택 가능한 필터링 소자(1960)의 추가는 개개의 여기 주파수들이 VIA(1910)로부터 필터링되고 이후 제어 로직(1940)에 의해 처리되기 전에 ADC(1950)에 의해 검출되는 것을 허용한다. 몇몇 상황들에서, 선택 가능한 필터링 소자(1960)는 ADC(1950) 내에 통합될 수 있다. 이 예에서, CSR(1920) AC 여기는 하나 이상의 단수 주파수들 또는 복수의 주파수의 형태를 취할 수 있다. CSR(1920) 주파수들의 발생을 위한 이 구성에서의 임의의 파형 발생기(AWG)의 사용이 일부 실시예들에서 예상된다.
CSR(1920) 내에서의 다중 여기 주파수의 사용은 프로그램가능 필터(1960)에 의한 병렬 다중 주파수 검출과 함께 VIA(1910)의 다중 지역이 동시에 검출되는 것을 허용할 수 있다는 것을 유의한다. 적절한 제어 로직(1940) 소프트웨어/펌웨어와 연계된 이것은 다중 터치 지역이 적절히 검출되는 것을 허용할 수 있고 또한 변화하는 주파수들의 사용이 VIA(1910) 내에서의 더 정밀한 등록을 검출하는 것을 허용할 수 있다. 이 다중-주파수 접근법은 터치 센서 검출기 시스템을 작동시키는 데에 필요한 전력을 감소시키기 위해 또한 몇몇 상황들에 사용될 수 있다.
이 다중 지역 주파수 기반 스캐닝 접근법의 예는 도 20 (2000)에 묘사되는데, 여기서 VIA가 열들을 따라 다양한 주파수들로 여기되고, 또한 행 센서들상에서의 주파수 정보의 선택적 필터링에 의해 VIA는 개개의 VIA 센서 소자 임피던스에서의 변동들뿐만 아니라 주파수에 기초하여 감지될 수 있다. 이것이 몇몇 상황들에서 VIA 표면의 다중 지역이 압력, 근접성, 용량적으로 결합된 스타일러스와의 상호 작용, 기타 등등과 같은 상이한 감지 메커니즘들과 연관되는 것을 허용할 수 있다는 것을 유의한다
가변 스캔 분해능들(2100)-(2400)
본 발명은 IIC 열 여기 및 IIR 행 감지 IIR 구성들을 변경함으로써 다양한 스캐닝 분해능들이 주어진 발명 실시예로부터 획득될 수 있다는 것을 예상한다. 이 가변 스캔 분해능 능력의 여러 예들은 도 21(2100) - 도 24 (2400)에 예시된다. 이들 예들에서, 실선 수평/수직 라인들은 VIA에서의 활성 행/열들을 표현하고, 파선들은 VIA 내에서의 보간된 행/열들을 나타낸다. 각각의 행/열은 활성 상태(열들이 구동되고/접지되고 행들이 감지되고/접지됨)에 또는 접속 해제 상태(고 임피던스 상태)에 있는 것으로 간주될 수 있다.
도 21 (2100)은 전 분해능 스캔이 구성되고 모든 열들이 구동되고 모든 행들이 한 스캔 동안 감지되는 시나리오를 예시한다. 절반 분해능 스캔이 도 22 (2200)에 묘사되는데, 여기서 하나씩 걸러 행/열마다 한 스캔 동안 접속되고 및 구동되고/감지된다. 1/4 분해능 스캔이 도 23 (2300)에 묘사되는데, 여기서 매 4번째 행/열마다 한 스캔 동안 접속되고 및 구동되고/감지된다. 최종적으로, 도 24 (2400)는 VIA의 일부는 전 분해능으로 스캐닝되고 VIA의 나머지 부분은 더 낮은 분해능으로 스캐닝되는 혼합 모드 스캔의 개념을 도해한다. 스캔 분해능들을 변경시키는 능력은 VIA의 각각의 열/행을 스캐닝하는 것과 연관되는 동적 전력 손실을 감소시킴으로써 전체적 터치 센서 시스템을 위한 전력 보존에 큰 도움을 준다. 통상의 기술자는 도 24 (2400)의 예가 전체적 VIA 구조 내에서의 수많은 이산 지역들에서 전 분해능 스캔을 수행하도록 구성될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
펜/ 스타일러스 ( 실시예 )(2500)-(3200)
개관(2500)
일반적으로 도 25 (2500) - 도 32(3200)에 묘사된 것처럼, 본 발명은 터치 센서 검출기뿐만 아니라 GUI(2502) 입력으로서 사용자(2501) 펜/스타일러스(2520)의 사용을 포함할 수 있다. 도 25(2500)의 블록도에 묘사된 것처럼, 이 대안 실시예는 도 1 (0100)에 묘사된 것과 비슷한 기능을 제공하지만, 컴퓨터 판독가능 매체(2504)로부터 판독되는 머신 명령어들의 제어 하에서 터치 센서 검출기(TSD)/터치 센서 어레이(TSA)(2510) 및/또는 컴퓨터 시스템(2503)과 통신할 수 있는 펜/스타일러스(2520)의 추가를 가진다.
능동 용량성 스타일러스 (2600)
일반적으로 도 26 (2600)에 묘사된 것처럼, 이 구성에서의 능동 용량성 스타일러스(2620)의 사용은 스타일러스(2620)가 (선택된 AC 주파수와 같은) 신호(2621)를 방출하고 이것은 이후 TSA(2610)에 의해 검출되고 1차원 스캐닝 접근법에서 이용되어 개별적으로 스타일러스의 X와 Y 위치들을 결정하는 것을 허용한다. 이 도면에 묘사된 것처럼, 컴퓨터 시스템(2601)은 이 구성에서 TSA(2610)와 무선으로 통신(2602)할 뿐만 아니라 스타일러스(2620)와 무선으로 통신(2603)하도록 구성될 수 있다.
도면에 묘사된 것처럼, 몇몇 상황들에서 능동 용량성 스타일러스(2620)는 개개의 VIA 센서 소자(2623)로부터 무선 전송들(2622)을 수신하고 또한 이 정보를 무선으로 컴퓨터 시스템(2601)에게 통신하도록 구성될 수 있다. 이 방식으로 VIA는 스타일러스(2620)에게 정보(로케이션, 압력, 검출된 커패시턴스, 근접성, 기타 등등)를 통신하는데 사용될 수 있고, 이것은 이후 컴퓨터 시스템(2601)에게 중계된다.
예시적 스타일러스 구성도(2700)
예시적 능동 용량성 스타일러스의 블록도 구성도가 도 27 (2700)에 묘사되는데, 여기서 전원(전형적으로 1.5V 배터리)(2701)은 시스템에 전력을 공급하기 위해 저 전력 마이크로컨트롤러(2703)의 제어 하에 전력 제어 모듈(2702)에 의해 승압 변환된다. 마이크로컨트롤러는 스타일러스 팁(2706)에 의한 전송 후에 TSA에 의한 수신을 위해 설계되는 신호들로 PCB 안테나(2705)를 구동하는 발진기(2704)를 제어하도록 동작한다. 발진기(2704)와 스타일러스 팁(2706) 사이의 방사 결합은 일반적으로 용량성이지만, 온-보드 PCB 안테나(2705)에 의해 보조될 수 있다. 발진기(2704)에 의해 방출되는 신호의 유형은 스타일러스 보디 내에서 TSA의 형태를 취할 수 있는 선택적 사용자 입력(2707), 또는 선택적 키보드 스위치들 또는 스타일러스 보디 내에 포함되는 용량성 센서들에 의해 몇몇 상황들에서 마이크로컨트롤러(2703)에 의해 제어될 수 있다. 이 사용자 입력(2707)은 스타일러스 팁(2706)을 통하여 구별되는 정보를 TSA에게 전달하는 상이한 작동 모드들에 스타일러스를 놓을 수 있다. 그러므로, 스타일러스 팁(2706)은 TSA에게 압력/로케이션과 같은 정보를 전달할 뿐만 아니라, 발진기(2704) 출력의 상태에 기초한 모드 표시자들을 제공할 수 있다.
TSA에의 스타일러스(2706) 통신 모드들과 연계하여, 스타일러스는 또한, TSA 전자 장치 및/또는 TSA 전자 장치가 도 26 (2600)에 묘사된 것처럼 통신하는 컴퓨팅 디바이스와 통신하기 위해 발진기(2704) 및/또는 PCB 안테나(2705)를 활용할 수 있는 무선 인터페이스(WiFi, 블루투스®, 기타 등등)로 구성될 수 있다.
예시적 스타일러스 구축(2800)-(2900)
예시적 스타일러스 구축의 상세 사항들이 도 28 (2800) - 도 29 (2900)에 제공되는데, 여기서 스타일러스는 조립용 메이팅 나사들(2803)으로 구성되는 상부(2801) 및 바닥부(2802) 인클로저 덮개들을 포함한다. 이 2 조각 덮개 구조 내에, 전력을 공급하는 배터리(2804) 및 능동 전자 장치를 포함하는 PCB(2805)가 TSA 위를 덮는 보호용 커버와 접촉을 이루도록 설계된 스타일러스 팁(2806)과 함께 포함된다. 선택 사항인 기계적 스위치(2807)는 스타일러스에 전력 제어를 제공하기 위해 또는 스타일러스의 동작 모드들을 변경하는 수단으로서 포함될 수 있다. 스프링들(2808, 2809)이 배터리(2804) 접촉에 영향을 미치는 것뿐만 아니라 스타일러스 팁(2806)이 TSA 보호용 커버의 것과 같은 평평한 표면과 접촉하도록 놓여질 때 자유롭게 움직이는 것을 허용하기 위해 포함될 수 있다.
스타일러스에서의 마이크로컨트롤러(2703)와 연관되어, 스타일러스의 동작 모드들의 변경을 허용할 수 있는(스위치들 또는 다른 입력들과 같은) 다양한 사용자 입력 메커니즘들(2807)이 또한 있을 수 있다. 이것의 예가 도 28 (2800)에 도해되는데, 여기서 바닥부 인클로저 덮개(2802)의 외부 표면상의 밴드들(2811, 2812, 2813, 2814, 2815)이 용량성 결합에 의해 감지되어 마이크로컨트롤러에게의 사용자 스위치 입력들을 결정하고 따라서 스타일러스의 작동 모드를 설정하게 된다. 이것은 TSA와 다양한 모드들에서 동작하기 위한 스타일러스의 능력의 한 예에 불과하고, 다른 모드 선택 방법들이 가능하다.
도 29 (2900)는 PCB, 스타일러스 팁에의 스프링 적재된 접촉부들, 및 TSA를 입력 디바이스로서 이용하여 TSA와의 및/또는 컴퓨팅 시스템과의 모두와의 통신을 돕기 위해 PCB 트레이스 안테나들을 제공하는 것을 포함하여, 스타일러스의 내부 구축에 대한 추가적 상세 사항을 제공한다.
예시적 입력 데이터 프로필들(3000)-(3200)
도 30 (3000) - 도 32(3200)에 묘사된 것처럼, 본 발명은 도 31 (3100)과 도 32 (3200)에 묘사된 대로의 태블릿 표면 상에서의 손/손가락 제스처들(3110, 3210)의 사용뿐만 아니라 압력/존재 프로필들를 산출하기 위한 펜/스타일러스 입력(3120, 3220)을 통합할 수 있다. 도 30 (3000)에 묘사된 것처럼, 시스템은 스타일러스/펜 입력뿐만 아니라 다양한 사용자 손가락들(또는 사용자 손의 다른 부분들)로부터 압력 정보를 수집하는데 사용될 수 있다. 도 31 (3100)에 묘사된 것처럼, 이러한 입력들은 각각의 손/손가락/스타일러스 입력이 TSA에서의 압력 프로필과 연관되는 압력 지도를 형성할 수 있다. 이러한 압력 프로필들은 도 32 (3200)에서 묘사된 대로 사용자 손/손가락들(P) 또는 스타일러스(S)로부터 오는 것으로서 구별될 수 있고, 그 이유는 이 경우에서의 스타일러스가 이전에 논의한 대로 능동 커패시턴스 스타일러스이고 또한 동작 동안 TSA에게 무선 정보를 방출하기 때문이다. 도 32 (3200)에서 시스템이 스타일러스 입력들(S)과 비교하여 압력 입력들(이러한 도면들에서 타원들로서의 정의됨)(P) 사이를 구별하도록 구성될 수 있어서, 그에 의해 동일 TSA에의 상이한 차원의 입력들의 평면을 허용한다는 것을 유의한다. 정보의 이 추가적 평면은 응용 소프트웨어 내에서의 다양한 동작 모드들 또는 제어들에 영향을 미치도록 원격 컴퓨터 시스템상에서 실행되는 응용 소프트웨어에 의해 이용될 수 있다.
상세한 설명-IFSA 실시예 (3300)-(6400)
개요
본 발명은 VIA에서 다양한 센서 기술들을 이용하여 구현될 수 있기는 하지만, 예시적 실시예들의 하나의 양호한 모음은 감압 센서들을 활용하여 보간 힘 감지 어레이(interpolating force sensing array: IFSA)를 형성하는 것이다. 아래의 논의는 양호한 실시예들의 감압 부류를 상세화하고, 상세화된 예시적 구축 맥락들을 제공한다. IFSA 실시예들이 하기에서 상세히 설명되지만, 이들의 구축에 사용되는 기법은 용량성, 전자기적, 기타 등등과 같은 다른 유형의 센서 기술들에 동등하게 적용될 수 있다는 것을 유의한다.
상기 일반 설명에 따라서, 본 발명의 IFSA 실시예는 고 분해능 힘 감지 어레이, 구동 및 감지 회로가 힘 감지 어레이보다 더 낮은 분해능을 갖도록 허용하는 보간 회로, 센서를 스캐닝하고 결과로 생기는 신호들을 처리하기 위한 회로 및 부수 알고리듬들을 구축하기 위한 시스템들과 방법들, 및 이 센서를 다양한 디바이스에 통합하는 방법들을 설명한다.
IFSA 센서는 하기 컴포넌트들로 전형적으로 구성된다. 각각의 컴포넌트에 대한 추가적 상세 사항 및 명료화가 뒤따르는 상세한 설명에서 발견될 수 있다.
ㆍ 감지 지역. 행 및 열 전극들 및 각각의 소자가 하나의 행과 하나의 열 전극 사이에 접속되는 힘 감지 소자들의 그리드로 구성되는 감지 지역.
ㆍ 보간 저항기들. 열과 행 전극들 및 구동/감지 회로에 접속되는 보간 저항기들의 직렬 연결.
ㆍ 구동 회로. 디지털 및/또는 아날로그 스위치들의 직렬 연결과 활성 열들에 소속되는 연관 제어 로직으로 구성되는 구동 회로.
ㆍ 감지 회로. 디지털 및 아날로그 스위치들 직렬 연결과 활성 행들에 소속되는 연관 제어 로직으로 구성되는 감지 회로.
ㆍ 전압/ 전류원 . 구동 회로에게의 구동 전압/전류를 제공하는 전압 또는 전류원.
ㆍ 신호 조절. 감지 회로로부터 나오는 신호를 조절하고, 필터링하고, 또는 변환하는 선택적 신호 조절 컴포넌트.
ㆍ 제어 회로. 제어 회로, 일반적으로 마이크로컨트롤러 또는 ASIC, 이것은 센서를 스캐닝하는 데에 필요한 제어 신호들의 시퀀스를 발생한다. 제어 회로는 또한 아날로그-디지털 포맷으로의 센서 신호들의 변환을 위한 내부 또는 외부 ADC, 신호들을 처리하고 해석하기 위한 프로세서와 메모리, 및 호스트 프로세서와 같은 외부 컴포넌트들과 통신하기 위한 IO 로직을 포함할 수 있다.
회로의 행들과 열들이 교환될 수 있지만, 설명 목적을 위해 본 발명은 열들에게 구동 회로를 접속하고 행들에게 감지 회로를 접속한다는 것을 유의한다. 또한 컴포넌트들이 설명 목적을 위해 별개로 묘사된다는 것을 유의한다. 이러한 컴포넌트들의 기능들은 실제 구현에서 통합되고 및/또는 분리될 수 있다. 이것의 일부 예들은 보간 저항기들을 감지 지역과 통합하는 것, 전압원을 구동 회로에 포함하는 것, ADC를 제어 회로 외부에 두는 것, 기타 등등을 포함할 것이다. 명료성을 위해, 본 발명은 구동 및 감지 회로에 직접적으로 접속되는 열과 행 전극들을 활성 열과 활성 행 전극들이라고 부르는 한편, 보간 저항기들을 통하여 구동 및 감지 회로들에 접속되는 것들은 보간 열과 행 전극들이라고 부른다.
동작 동안, 제어 회로는 반복적으로 센서를 스캐닝하여 센서 상에서 힘 분포의 2차원 "이미지들"을 검색한다. 각각의 스캔 사이클은 프레임으로 불린다. 하기는 각각의 프레임 동안 일어나는 단계들의 개관이다. 각각의 단계에 대한 추가적 상세 사항과 명료화가 상세한 설명에서 발견될 수 있다.
(1) 제어 로직은 한 번에 하나의 활성 열 전극을 구동하는 한편, 모든 다른 활성 열 전극들을 접지시킨다.
(2) 각각의 전력 공급된 구동 전극에 대해, 제어 로직은 한 번에 하나의 감지 전극을 조절 회로에 접속하는 한편, 모든 다른 활성 행 전극들을 접지시킨다. 이것은 전력 공급된 구동 전극과 조절 회로에 접속되는 감지 전극의 교차점 근처에서 힘 감지 소자들을 통한 다중의 가능한 전류 경로를 만든다. 센서에 가해지는 힘은 힘 및 교차점에의 힘의 거리에 비례하는 신호를 만든다.
(3) 신호는 전류의 전압 변환, 필터링, 및/또는 증폭을 수행할 수 있는 조절 회로를 통과해 나아가고, 아날로그 출력 신호를 발생시킨다.
(4) ADC는 신호 조절 회로로부터의 신호 출력을 디지털 값으로 변환시키고, 이것을 메모리의 어레이에 저장한다. 이것은 활성 행과 활성 열 전극들 사이의 각각의 교차점에 대해 반복된다.
(5) 전체 센서가 스캐닝된 후, 제어 회로는 추가로 신호를 필터링하고, 신호를 알려진 단위들로 정규화하고, 터치들과 같은 특징들을 추출하고, 시간 경과에 따라 터치들을 추적하기 위해 메모리의 어레이를 처리할 수 있다.
(6) 제어 회로는 데이터를 교환하기 위해 외부 컴포넌트들과 상호 작용할 수 있다. 이것은 또한 힘, 속도, 또는 후속 스캔들을 위한 대기 시간을 최적화하기 위하여 스캔 파라미터들을 바꾸기로 결정할 수 있다. 이것은 또한 사용자 요청에 응답할 수 있거나 스캔들 사이에서 셧다운하거나 슬리프하기로 결정할 수 있다.
(7) 외부 회로에게 출력되어 보내지는 신호들은 IFSA가 요망 작업을 수행하는데 사용되는 제품에 특정적인 하드웨어 및/또는 소프트웨어에 의해 이용된다.
설명된 컴포넌트들과 프로세스들은 센서로 하여금 압력 분포들을 캡처하고, 데이터를 처리하고, 및 매우 다양한 응용들을 가능하게 하기 위한 의미 있는 정보를 출력할 수 있게 하기 위해 협력하여 일한다. 본 발명의 앞서의 목적들, 특징들과 장점들뿐만 아니라 본 발명의 상세한 설계, 구현과 제조 방식이 본 명세서에 제공되는 본 발명의 상세한 설명에서 명료화되고 더욱 상세히 논의된다.
동작 이론(3300)-(3600)
서론
하기 논의는 IFSA 센서가 구축되는 방식과 그 구축이 보간을 가능하게 하는 방식을 설명할 것이다. 일찍이 설명한 대로, IFSA 센서는 한 세트의 활성 행 및 열 전극들을 가지고, 이것은 구동 및 감지 회로에 접속된다. 활성 행 및 열 전극들의 각각의 쌍의 사이 내에, 하나 이상의 보간 전극들이 있다. 각각의 행과 열의 쌍 사이의 보간 전극들의 수가 다를 수 있기는 하지만, 대부분의 IFSA 센서 설계들은 이 수를 일정하게 유지할 것이고 이것을 N이라고 참조할 것이다.
도 33 (3300)은 네 개의 활성 열 전극들, 5개의 활성 행 전극들, 및 열과 행 전극들의 각각의 쌍 사이의 두 개의 보간 전극을 가진 IFSA 회로의 예를 묘사한다. 그러므로, 보통은 단지 4×5 센서를 판독할 수 있었을 뿐인 회로로, 본 발명은 힘 감지 소자들의 10×13 어레이로부터 힘들을 판독할 수 있다. 이 배열로, 본 발명은 판독 출력 전자 장치에 설치된 행들과 열들의 수에 견주어지는 센서의 실효 추적 분해능을 X 및 Y 차원들의 양쪽에서 3배로 증가시킨다. 게다가, 보간 행 및 열 전극들의 수 N을 증가시킴으로써, 본 발명은 센서의 추적 분해능을 추가로 증가시킬 수 있는데, 유일한 한계는 센서를 만드는데 사용되는 제조 공정의 능력일 뿐이다.
힘 감지 소자들
행 및 열 전극들의 각각의 쌍의 교차점에 힘 감지 소자가 있는데, 가변 저항기로서 본 발명 구성도에서 표현된다. 다양하고 상이한 물질들, 구성들, 및 제조 방법들이 힘 감지 소자들을 만들기 위해 이용될 수 있는데 이후의 섹션에서 설명된다. IFSA 센서들에 사용될 대부분의 힘 감지 소자들은 가해진 힘에 유사한 방식으로 응답하는데, 힘이 가해짐에 따라 저항이 감소한다. 그러나, 저항과 힘 간의 관계성은 전형적으로 비 선형적이다. 이러한 이유로, 저항을 측정하기 보다는, 저항의 역수인 센서의 컨덕턴스를 측정하는 것이 바람직하다. 압력이 가해짐에 따라, 컨덕턴스는 선형적으로 또는 근사 선형적으로 증가한다. 비례 상수(이것은 감도에 대응함)가 변수 k를 할당 받고, 특정 센서 소자에 가해지는 힘의 양은 F를 할당 받고, 및 센서 소자의 도전율은 C 를 할당받으면, 본 발명은 하기 수학식으로 힘 F에 관하여 센서의 도전율 C를 모델링할 수 있다:
Figure pct00006
전압이 힘 감지 소자의 양단에 걸쳐서 가해지면, 옴의 법칙은 힘 감지 소자를 통해 흐르게 될 전류 I의 양이 힘 × 전압 V에 비례할 것임을 진술한다:
Figure pct00007
보간 저항기들
이웃하는 전극들(활성과 보간 양쪽 모두)의 각각의 쌍 사이 내에 보간 저항기들이 접속된다. 일부 센서 실시예들이 보간 저항기들의 저항 값들에 대해 가변 값들을 가질 수 있기는 하지만, 이 예를 위해서 모든 보간 저항기들이 동일 저항 값 Ri를 갖는다고 가정한다. 이러한 저항기들은, 알 수 있을 것처럼, 센서의 보간 특성을 가능하게 하는 저항성 분할기 회로들의 직렬 연결을 형성한다.
작용 시의 보간
본 발명이 IFSA 센서의 교차점을 스캐닝할 때 일어나는 활동이 하기에서 상세히 설명된다. 센서의 스캔 시의 임의의 포인트에서, 하나의 활성 열 전극이 알려진 전압 Vd로 구동되는 한편, 그 이웃하는 열 전극들은 접지에 접속된다. 동시에, 하나의 활성 행 전극으로부터 흘러나오는 전류 Is가 측정되는 동안 이웃하는 행 전극들은 접지에 접속된다. 앞서 언급된 바와 같이, 활성 열 또는 행 전극들의 주어진 쌍 간의 보간 전극들의 수는 센서에 걸쳐서 변할 수 있지만, 설명 목적을 위해 본 발명 센서 실시예는 활성 열과 행 전극들의 각각의 쌍 사이의 보간 전극들의 일관된 수로 구축된다고 가정한다. 이 수는 N으로서 본 명세서에서 참조된다.
전압 Vd가 구동 전자 장치에 의해 인가될 때, 2개의 접지된 열 전극과 2개의 접지된 행 전극 사이의 지역에서의 각각의 힘 감지 소자는 소자상의 힘 및 행-열 교차점으로부터의 거리에 대하여 선형인 방식으로 총 감지된 출력 전류 Is에 일부 전류를 기여한다. 어떻게 각각의 이러한 힘 감지 소자들이 최종 출력 값에 기여하는 지를 이해하기 위해, 도 34 (3400)를 참조하는데, 이것은 도면의 중심에 있는 행/열 교차점이 스캐닝되고 있는 센서 스캔 시의 한 순간 동안 (도 33 (3300)에서의 센서와 같은) IFSA 센서의 부 섹션을 묘사한다. 이 센서는 활성 행 및 열 전극들의 각각의 쌍 사이에 두 개의 보간 전극을 갖는다(N = 2). 본 도면에서, 본 발명은 각각의 열 전극에게(이것이 활성이든 보간이든 간에) (이 예에서 열 전극 0 인) 전류로 전력 공급된 전극으로부터의 그것의 거리에 기초하여 x 좌표를 할당한다. 본 도면에서, 최좌측, 중앙, 및 최우측 전극들은 활성 전극들이다. 이들은 제각기 -3, 0, 및 3으로 번호가 매겨진다(상이한 N을 가진 일반적 센서에 대해, 이들은 -(N+1), 0 및 (N+1)로 번호 매겨질 것이다). 이들 사이 내에, 보간 전극들의 2개 그룹이 있다. 이러한 전극들은 -2 및 -1(일반적으로 -N 내지 -1)과 1 및 2(일반적으로 1 내지 N)로 번호 매겨진다. 우리는 유사한 방식으로 각각의 행 전극에게 현재 감지된 전극(이것은 이 예에서 행 전극 0임)으로부터의 그것의 거리에 기초하여 y 좌표를 할당한다. 최종적으로, 본 발명은 열 X와 행 Y의 교차점에 있는 각각의 힘 감지 소자에게 (X,Y)의 좌표를 할당한다.
구동된 및 감지된 전극 주위의 모든 이웃하는 열과 행 전극들이 접지에 구동된다는 것을 기억하시오. 그러므로, 열 전극들 -3 및 3이 접지되고, 행 전극들 -3과 3도 그렇게 된다. 이 섹션의 나머지에서, 본 발명은 이것이 열 0과 행 0의 교차점 주위에서의 감도의 분포를 셋업하는데, 이것은 X와 Y 양쪽 방향들을 따라 선형 방식으로 감퇴된다.
구동 측에 대해, 구동된 활성 전극과, 접지되는 이웃하는 활성 전극들의 사이 내에 보간 전극들을 상호 접속하는 보간 저항기들의 세트는 분압기들의 직렬 연결을 형성한다. 이러한 저항기들은 모두 Ri의 동일 저항 값을 갖는다. 그러므로, 본 발명은 다음과 같이 x의 함수로서 각각의 이러한 열 전극들에서의 전압 Vc를 표현할 수 있다:
Figure pct00008
각각의 행과 열 전극 사이에 앞서 설명한 대로 힘 감지 소자가 있다. 힘 감지 소자를 통한 전류 흐름은 가해진 힘과 인가 전압에 비례하여 변한다. 주어진 열 전극이 앞서 설명한 대로 Vc(X)의 전압에 있다면, 힘 감지 소자의 비례 상수는 k 이고, 본 발명이 힘 감지 소자의 감지 측이 0 볼트의 전위에 있다고 가정하면(왜 이것이 합리적 가정인지는 이후에 설명할 것이다), 로케이션(X,Y)에서 힘 감지 소자를 통해 흐르는 전류 If(X,Y)는 다음과 같다:
Figure pct00009
판독 출력 측에서, 활성 전극들의 각각의 쌍의 사이 내의 보간 저항기들은 또한 저항성 분할기들의 직렬 연결로서 작용하는데, 이 경우 외에, 이들은 둘 모두 접지 전위에 있는 이웃하는 활성 전극들 사이의 힘 감지 소자를 통하여 전극 내로 흐르는 전류를 나눈다. 이 예에서, 이러한 전극들 중 하나는 감지되고 있는 중이고, 이웃하는 활성 전극은 접지되고 있는 중이다. 힘 감지 소자(X,Y)로부터의 활성 감지 전극에서의 전류에 대한 기여는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00010
지금, If(X,Y)에 대한 수학식을 상기 수학식에 대입하고, 및 이후 Vc(X)에 대한 수학식을 결과적 수학식에 대입하면, 하기 수학식이 Ic(X,Y)에 대해 산출된다:
Figure pct00011
k, Vd, 및 N가 모두 상수이기 때문에, 활성 행과 열 전극의 교차점으로부터 판독 출력되는 출력 전류에 대한 기여가 로케이션(X,Y)에 가해지는 힘 F(X,Y) 및 행-열 교차점으로부터의 힘 감지 소자의 X와 Y에서의 거리에 비례한다는 것이 보여진다.
열들 사이의 분압기 회로와 행들 사이의 전류 분할기는 모두 선형으로 행동하기 때문에, 각각의 감지 소자로부터의 전류 기여는 가산적이고, 따라서 주어진 행-열 교차점에 대한 최종 감지된 전류 Is는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00012
이 공식은 각각의 행/열 교차점이 해당 교차점 주위의 감지 소자들에 가해지는 힘들의 분포에 대하여 어떻게 행동하는지를 모델링한다(이 공식에 의해 모델링되지 않는 일부 비선형성이 있지만, 그 효과들은 이후에 설명하는 대로 전형적으로 미미하다는 것을 유의한다). 무엇이 일어나고 있는지를 더 명확히 이해하기 위해, 본 발명은 각각의 감지 소자가 (0,0)에서의 요소에 상대적으로 활성 행과 열의 교차점에서의 판독에 기여하는 백분율 기여를 계산할 수 있다. 우리는 도 34 (3400)에서의 센서의 각각의 행/열 교차점에서 각각의 49개의 힘 감지 소자에 대해 이것을 계산한다. 도 35 (3500)는 도 34 (3400)에 묘사된 힘 감지 소자들의 7×7 어레이의 상대적 기여들인, 이러한 계산들의 결과들을 묘사한다. 이 감도 분포는 도 36 (3600)에서 3차원으로 시각화된다.
동일한 분포가 활성 행과 열의 모든 주사된 교차점마다 발생하기 때문에, 각각의 감지 소자는 그들 교차점들로부터의 그것의 거리에 선형적으로 관계되는 방식으로 그것 주위에서의 활성 행/열 전극 교차점들에게 그것의 신호를 기여한다. X와 Y에서의 기여들의 감퇴가 선형이기 때문에, 본 발명은 센서에 가해지는 힘 분포의 무게 중심을 정확하게 계산하기 위해 활성 행과 열의 각각의 교차점으로부터 판독 출력되는 힘 값들의 어레이에 적용되는, 선형 보간을 이용할 수 있다.
게다가, 본 발명이 해당 무게 중심(centroid)을 추적할 수 있는 분해능은 활성 감지 라인들의 분해능에 비례하지 않고, 보간 라인들의 분해능에 비례한다. 그러므로, 단순히 N을 증가시킴으로써, 본 발명은 본 발명 센서의 추적 분해능을 증가시킬 수 있다.
힘 감지 소자를 통한 전류 흐름에 기인한 비선형성
상기 수학식을 유도하는데 있어서, 힘 감지 소자를 통한 전류 흐름의 효과는 고려되지 않았다. 이 전류는 힘 감지 소자의 구동 측에서의 전압 Vc에서의 강하와 접지 전위를 넘는 힘 감지 소자의 감지 측에서의 전압의 증가를 야기한다. 그러므로, 수학식들에 의해 예상되는 것보다 더 적은 전류가 센서를 통하여 흐를 것이고, 약간 감소된 감도를 산출한다.
더 문제가 되는 것은 보간 저항기들을 통한 결과적 전류 흐름이 그들의 전압들을 왜곡하고(skew), 다른 근처의 힘 감지 소자들의 응답에 영향을 미친다는 것이다. 다행히, 이 문제는 보간 저항기들에 대해 낮은 저항 값들을 고르고 힘 감지 소자들이 자신들의 유용한 동작 범위에서 현저하게 더 높은 저항 값들을 갖도록 설계함으로써 완화될 수 있다. 이것은 이 효과의 규모가 비교적 작고, 센서의 정확도에 크게 영향을 미치지 않는 것을 보장한다. 유익하게도, 힘 감지 소자들의 저항을 증가시키는 것은 전체적인 전력 소비도 줄인다.
힘 감지 계산들
개요
다양한 양호한 발명 실시예들은 VIA 구조의 일부로서 감압 어레이를 활용한다. 본 출원의 맥락 내에서, 다양한 힘 계산들이 VIA의 다중 열 및 행의 전체에 걸쳐서 적용되는 전체적 보간 함수와 결합하여 제어 로직 내에 통합될 수 있다. 다음은 이러한 계산들을 상세히 논의하고, 보간 처리의 기초로서 VIA 구조의 이 형태를 활용하는 넓은 범위의 발명 실시예들의 구현을 위한 참조점을 제공한다.
터치의 힘과 위치는 센서로부터 판독 출력되는 센서 값들의 2차원 어레이에 대한 산술 연산들에 의해 계산된다. 힘 감지 센서에서, 센서 값들은 힘에 대응하고, 용량성 센서에서 이들은 용량성 신호에 대응할 수 있다. 이러한 계산들은 터치 센서들에 대한 신호 처리에 친숙한 자들에게 일반적으로 알려져 있다.
본 발명은 (활성 전극 분해능과 같은) 더 낮은 분해능으로 스캔을 한 후에 개개의 센서 소자들에 대한 힘들을 복원할 수 없는 반면, 본 발명은 센서의 (VIA 분해능과 같은) 전 분해능으로 터치의 힘과 위치와 같은 고차 정보를 복원할 수 있다. 본 발명이 이 결과를 달성하는 여러 이유들은 다음과 같다:
ㆍ 보간 네트워크가 센서로 하여금 선형 방식으로 다운샘플링되는 것을 허용한다; 및
ㆍ 터치의 힘과 위치를 계산하는데 사용되는 계산법들은 그 속성상 선형이다.
위의 동작 이론 부분은 본 발명 접근법이 센서 신호의 선형 다운샘플링을 생성한다는 것을 수학적으로 보여줌으로써 제1 능력을 설명하였다. 이 부분의 나머지는 터치의 힘과 위치를 계산하는데 사용되는 방법들에 대해 더 상세한 사항을 제공함으로써 제2 양태를 설명할 것이다.
다운샘플링이 하드웨어에서 발생하고 있고 계산을 위해 사용되는 수학이 모두 선형이기 때문에, 본 발명이 더 낮은 분해능으로 센서를 스캐닝하는 것으로부터 얻는 정확도는 마치 본 발명이 센서 소자들의 전 분해능으로 그것을 스캐닝 했더라면 얻었을 정확도와 동일하다. 게다가, 이것은 또한 (터치가 단일 센서 소자 또는 많은 센서 소자들을 커버하든지 아니든지 간에) 터치가 얼마나 작은지 또는 얼마나 큰지에 관계없이 사실이다. 본 발명이 상실하는 유일한 것은 본 발명 스캔의 "나이키스트 기간(Nyquist period)"보다 서로 더 가까운 2개의 터치를 구별하는 능력이다.
이것은 본 발명이 정확도의 희생 없이도 낮은 분해능 스캔 전자 장치를 이용하여 고 분해능으로 감지할 수 있다는 것을 의미하기 때문에 중요하다. 또는, 본 발명은 여분의 전자 장치를 도입하지 않고서 낮은 분해능 센서의 정확도를 상승시킬 수 있다.
수학적으로 보존되지 않는 유일한 계산은 면적이다(그 이유는 보간 후에, 얼마나 많은 센서 소자들이 활성화되었는지를 정확하게 알아보기 위한 어떤 방법도 없기 때문이다). 그러나, 이는 면적 계산을 근사화하기 위한 방법들이 있기 때문에 일반적으로 문제가 되지 않는다.
각각의 센서 소자들에 의해 감지되는 힘 값들을 근사적으로 복원하기 위해 스플라인 보간(spline interpolation)과 같은 방법을 이용하는 것이 가능하기는 하지만, 본 발명은 이것을 펌웨어로 하는 것을 선택할 수 없다. 그 이유는 이것이 계산상 비용이 매우 많이 들 것이고 또한 더 낮은 분해능으로 센서를 스캐닝하는 유용성들을 여러 가지 면에서 좌절시킬 것이기 때문이다. 그 대신에, 본 발명은 낮은 분해능 스캔 이미지에 대해 하기 기술되는 수학적 처리를 전형적으로 수행하고, 선형성 특성 덕분에 본 발명은 마치 본 발명이 전 분해능 스캔 이미지에 대해 수학적 처리를 했더라면 얻었을 것과 동일한 결과를 달성한다.
일부 양호한 발명 실시예들은 터치의 위치를 더 잘 추정하거나, 또는 다중 분해능 스캐닝을 구현하기 위해 펌웨어로 2차원 힘 어레이를 업샘플링한다. 그러나, PC 측상에서 본 발명은 VIA 데이터의 미적 시각화를 달성하기 위한 목적으로 낮은 분해능의 힘 이미지를 센서 소자들의 분해능으로 되돌리도록 업샘플링하기 위해 스플라인 보간을 활용한다. 다음은 본 발명이 터치의 힘과 위치를 계산하는 방법의 요약이다.
터치의 힘을 계산
터치의 힘은 터치의 모든 힘 값들의 합계이다. 이 부분에서, 센서로부터 판독 출력되는 TSM 데이터에 대한 수학적 계산들이 설명되고 있는 것을 유의한다. N, X 및 Y는 TSM 행렬의 차원과 행렬에서의 데이터의 (X,Y) 좌표들을 지칭하고, F(X,Y)는 TSM에서의 좌표 (X,Y)에 있는 데이터를 지칭한다. 이들은 보간 전극들을 지칭하지 않는다.
Figure pct00013
총 힘은 본 출원에서 Ftotal로서 지칭된다.
터치 위치를 계산
X 차원에서의 터치의 위치는 터치의 X 위치들의 힘 가중 평균이다. 유사하게, Y 차원에서의 터치의 위치는 터치의 Y 위치들의 힘 가중 평균이다.
Figure pct00014
Figure pct00015
X 및 Y 위치들은 본 문서의 나머지에서 μx 및 μy 로서 지칭된다
터치 형상 계산
터치의 형상은 터치를 둘러싸는 타원에 의해 추정된다. 타원의 계산은, 이것이 2차원으로 실행되는 것을 제외하고, 값들의 가우스 분포의 표준편차의 계산과 유사하다. 계산은 2×2 공분산 행렬을 계산함으로써 시작된다:
Figure pct00016
이 행렬에서, XX, YY, 및 XY는 X, Y, 및 XY 대각선을 따른 행렬의 분산들이다. 이 행렬로부터, 우리는 행렬의 장축(major axis)과 단축(minor axis)을 결정하는 고유벡터들, 및 장축과 단축의 길이를 결정하는 고유값들을 계산할 수 있다.
Figure pct00017
Figure pct00018
Figure pct00019
이것으로부터, 공분산 행렬의 고유벡터들과 고유값들은 임의의 선형 대수 교과서에서 찾을 수 있는 단순한 수학을 이용하여 찾아낼 수 있다. 중요하게 주목할 점으로는, 장축과 단축의 길이가 제1 및 제2 고유값들의 제곱근을 취하고 한 인수로 곱함으로써 계산될 수 있다는 점이다. 이 인수는 터치 중 어떤 백분율이 타원에 의해 둘러싸일지를 결정한다(2와 3 사이의 한 인수가 X 및 Y 차원을 따라 타원의 95% 내지 99%를 둘러싸도록 전형적으로 사용된다).
계산에서의 제곱근은 이 알고리듬에의 입력과 출력 값들 간의 근사적 선형 관계성 결과를 낳고, 본 발명 센서의 선형 거동의 유용성을 보존한다. 최종적으로, 장축과 단축의 길이들은 면적을 추정하기 위해 함께 곱해질 수 있다.
상기에 예시되는 것처럼, 힘, 위치, 및 터치의 형상을 계산하는데 사용되는 수학은 센서에 적용되는 보간의 레벨에 의해 영향을 받지 않는다.
다중 터치
다중 터치가 있을 때, 워터쉐드 알고리듬(watershed algorithm)이 센서의 지역을 분리된 영역들로 세그먼팅하는 데에 이용되는데, 각각의 영역은 단일 터치를 포함한다. 추상적으로, 앞서 설명된 알고리듬들은 각각의 터치에 대한 통계치를 계산하기 위해 각각의 영역에 대해 개별적으로 수행된다.
터치 면적 계산
터치 면적(area of a touch)은 바로, 소정 문턱값, t보다 더 큰 힘 값들의 수이다.
Figure pct00020
터치 면적은, 문턱값보다 더 큰 판독들의 수가 보간 레벨이 증가함에 따라 감소할 것이기 때문에 보간 레벨에 의해 영향을 받을 것이다. 이것은 작은 면적을 가진 터치들에 주로 영향을 미치는데, 이것에 대해 충분한 데이터 포인트들이 터치 면적을 정확하게 복원하는 데에 이용 가능하지 않다. 이것을 개선하기 위해, 본 명세서에서 "소프트 면적"이라고 칭하는 계산이 이용될 수 있는데, 이것은 t에 대한 하드 문턱값 대신에 소프트 컷오프를 이용한다. 이것은 상기 계산보다 면적에 대한 더 좋은 추정치를 제공한다. 일반적으로, 터치 면적은 힘과 위치만큼 사용자 인터페이스 응용들에 중요하지 않고, 그러므로 다운샘플링의 결과로서의 면적 계산들의 정확도의 감소는 사용자들에게 받아들일만한 것이다.
이익의 요약
요약하면, 감압에 대한 본 발명 접근법의 이익들은 두 가지 상이한 방식으로 볼 수 있다:
ㆍ높은 분해능 센서로 출발하는 센서 설계에 대해, 본 발명 접근법은 센서로 하여금 더 낮은 분해능 전자 장치로 스캐닝되게 허용하면서 (X,Y) 위치, 힘, 및 형상의 계산들의 정확도를 보존한다. 이 경우에, 시스템의 비용, 복잡도, 및 전력 소비는 터치 추적 성능을 희생하지 않고서 감소된다.
ㆍ본 발명 접근법을 보기 위한 또 다른 방식은 낮은 분해능 센서로 출발하는 설계에 대한 것이다. 이 경우에, 본 발명 접근법은 센서의 분해능이 증가되게 허용하면서 감지 전자 장치의 분해능이 동일하도록 유지한다. 그러므로, 센서의 정확도는 전자 장치의 비용, 복잡도, 및 전력 소비를 증가시키지 않고서 향상된다.
구축 상세 사항들(3700)-(5800)
힘 감지 물질들
FSM(force sensing material)을 만들기 위해 이용될 수 있는 다양하고 상이한 물질들이 있다. 이것들은 도전성 고무, 도전성 발포수지(foam), (KAPTON®과 같은) 도전성 플라스틱, 및 도전성 잉크를 포함한다. 이러한 물질들은 보통은 탄소 입자들과 같은 도전성 입자들을 중합체와 같은 절연성 입자들과 혼합함으로써 만들어진다. 도전성 입자들은 금속 입자들(이것은 은, 금과 니켈을 포함할)과 같은 물건들, 및 그래핀, 탄소 나노 튜브들, 은 나노와이어들들, 및 유기 도전체들과 같은 물질들을 포함할 수 있다.
투명 FSM들이 투명 도전성 물질을 투명 비도전성 운반체 내에 혼합함으로써 마찬가지로 만들어질 수 있다. 투명 도전성 물질들은 ITO(indium tin oxide), 투명 유기 도전성 입자들, 또는 그래핀, 탄소 나노 튜브들, 은 나노와이어들, 또는 금속 나노입자들(이것은 은, 금과 니켈을 포함함)과 같이 너무 작아서 볼 수 없는 물질을 포함한다. 투명 FSM들을 만들기 위한 투명 비도전성 물질들은 PET, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 또는 실리콘과 같은 투명 고무를 포함한다. 대안적으로, 투명 도전성 물질들은 중합체, 유리, 또는 초박 가요성 유리(ultra-thin flexible glass)와 같은 투명 기판의 표면 상으로 퇴적될 수 있다.
이러한 물질들이 공통으로 갖는 것은 (도전체와 절연체 사이의 수준에서의) 큰 벌크 저항, (현미경 눈금 규모에서의) 거친 표면, 및 어느 정도의 가요성이다. 그 결과, 물질이 도전체와 접촉할 때, 인터페이스에서의 저항은 도전체에 대하여 힘 감지 물질을 누르는 힘이 증가함에 따라 감소할 것이다.
이러한 물질들 중 몇몇은, 도전성 입자들이 함께 더 가까이 다가서는 결과로서 힘이 가해짐에 따라 벌크 저항에서의 변동을 또한 경험할 수 있다. 그러나, 이 효과는 표면 저항에서의 변동과 비교하여 전형적으로 작다. 본 개시의 목적들을 위해, 본 발명은 상기 기술된 특성들을 가진 모든 물질들을 힘 감지 물질(FSM)로 부를 것이고, 본 발명은 힘 감지 물질을 포함하고/지니는 층을 힘 감지 층(force sensing layer: FSL)으로 부를 것이다.
힘 감지 소자
각각의 행/열 전극 교차점 사이에 가변 저항을 생성하는 힘 감지 소자가 있다. 도 37 (3700) - 도 40 (4000)에 묘사된 것처럼 힘 감지 소자들에 대해 가능한 여러 다양한 구성들이 있다. 두 개의 가장 흔한 구성이 본 발명이 션트 모드(shunt-mode)와 쓰루 모드(thru-mode)로 부르는 것들이다.
션트 모드 구성에서, 2개의 기판이 있다. 상위 기판은 FSM으로 코팅되고 바닥 기판은 두 개의 전극으로 구성된다(도 37 (3700)). 2개의 기판이 함께 압착됨에 따라, FSM은 전류가 2개의 전극 사이에서 흐르게 허용하여, 저항에서의 가변 하락을 야기한다. 사실상, FSM이 2개의 전극 사이의 션트의 역할을 한다. 감도를 증가시키기 위해, 2개의 전극은 한 세트의 맞물림 형(inter-digitated) 도전성 핑거들을 형성하도록 패터닝될 수 있다.
제2 흔한 구성은 쓰루 모드로 불리며, 여기서 2개의 전극이 두 개의 분리된 기판 상으로 패터닝되고, FSM은 그들의 사이에 있다. 이 구성에 대한 세 가지 변형이 있다. 우리는 제1 변형을 이중 측면 쓰루 모드(double-sided thru-mode)로 부른다. 이 구성에서 상위와 바닥 기판상의 전극들이 FSM(도 38 (3800)))으로 코팅된다. 힘 감지 인터페이스가 FSM의 2개의 층 사이에 형성된다. 2개의 층을 함께 압착하는 것은 저항에서의 가변 하락을 야기한다.
단일 측면 쓰루 모드 변형은, 두 개의 전극 중 하나만이 FSM으로 코팅되는 것을 제외하고, 이중 측면 쓰루 모드와 유사하다(도 39 (3900)). 전형적으로, 상위 또는 바닥의 2개의 전극 중 어느 것이 FSM으로 코팅되는지는 중요하지 않다. 최종 변형은 샌드위치 쓰루 모드로 불린다. 이 변형에서, FSM은 전극들 상으로 퇴적되지 않는다.
그 대신에, 이것은 2개의 전극 사이 내에 층을 형성한다(도 40 (4000)). 그러므로, 상위 전극과 FSM 사이에, 및 바닥 전극과 FSM 사이에 형성되는 두 개의 힘 감지 인터페이스가 있다. 그러나, 센서 회로의 관점에서 보면, 이러한 2개의 힘 감지 소자는 단일 힘 감지 소자로서 동일하게 작동한다.
힘 감지 센서 어레이 구축 (3700)-(4000)
IFSA 센서들은 일반적으로 한 세트의 열과 행 전극들의 교차점에서 힘 감지 소자들의 2차원 어레이로서 구축된다. 보간 저항기들이 인접 열 전극들의 각각의 쌍과 인접 행 전극들의 각각의 쌍 사이에 접속된다. 활성 열과 행 전극들은 이후 구동 및 감지 회로에 접속된다(도 33 (3300)).
센서 소자들은 다양하고 상이한 쓰루 모드 또는 션트 모드 구성들을 이용하여 구축될 수 있다(도 37 (3700) - 도 40 (4000)). 센서 어레이가 서로에게 가까운 많은 센서 소자들을 갖기 때문에, 하나의 소자에서 발생되는 신호가 이웃하는 소자들에 대해 최소의 효과를 미치도록 센서 소자들을 전기적으로 절연시키는 것이 필요할 수 있다.
가능한 센서 구성들 간의 차이들은 주로, 전극들의 형상, 힘 감지 물질이 전극들 위에 걸쳐서 또는 그 사이에 도포되는 방식, 힘 감지 물질이 가까운 센서 소자들 간의 상호 작용을 회피하고/감소시키기 위해 패터닝되는 방식에 있다. 센서 소자 설계의 선택은 전반적 센서 구축에 영향을 미치며, 그 반대로도 마찬가지이다.
쓰루 모드 구성들(4100)-(4300)
몇몇 가능한 쓰루 모드 구성들이 도 41 (4100) - 도 43 (4300)에 묘사된다. 도 41 (4100)의 어레이는 샌드위치 쓰루 모드 구성으로 구축되며, 여기서 힘 감지 층은 힘 감지 층 안쪽으로 그를 향하여 대면하는 행 및 열 전극들을 지니는 2개의 기판 사이에 끼어진다. 힘 감지 소자는 행 및 열 전극들의 각각의 교차점에 형성된다. 이러한 도면들에서, 힘 감지 물질은 세그먼팅되어 각각의 힘 감지 소자가 그 자체로 전기적으로 절연된 힘 감지 물질의 패치를 가지도록 한다. 도 43 (4300)은 인접한 힘 감지 물질의 초박 층이 행 전극과 열 전극 사이에 끼어지는 대안 배치를 묘사한다. 대안적으로, 힘 감지 물질의 패턴(도 48 (4800)) 또는 의사 무작위 패턴(도 49 (4900))을 가진 물질이 도 43 (4300)에 묘사된 행 전극과 열 전극 사이에 끼어질 수 있다. 도 42 (4200)의 어레이는 이중 측면 쓰루 모드 구성으로 구축되며, 여기서 각각의 행과 열 전극은 힘 감지 물질로 코팅된다. 이것의 한 가지 가능한 변화(이는 도시되지 않음)는 상위 전극들만을 또는 바닥 전극들만을 힘 감지 물질로 코팅하는 것이다.
션트 모드 구성들(5000)-(5700)
몇몇 가능한 션트 모드 구성들이 도 50 (5000) - 도 57 (5700)에 묘사된다. 모든 이러한 구성들은 상위 측상의 노출된 전극들과 노출된 전극들의 위에 놓이는 힘 감지 층을 가진 이중 측면 회로 보드로 구성된다. 션트 모드 구성에서, 열과 행 전극들은 둘 모두가 동일 층에 완전히 거주할 수 없는데, 그 이유는 이들이 서로 교차하고 서로 전기적으로 단락할 것이기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위해, 이들 예들에서, 행 전극들은 PCB의 배후상에서의 수평 트레이스들과 상호 접속된다. 배후상에서의 트레이스들은 도 52 (5200), 도 55(5500), 및 도 57 (5700)에서 볼 수 있다. 비아들이 PCB의 전방상의 결과적 "패드들"과 배후상의 트레이스들까지 사이에서 접속하는데 사용된다. 이것은 각각의 행 전극의 일 부분을 전방 표면상의 각각의 열 전극과 병치시켜서, 션트 모드 힘 감지 소자의 2개의 전기적 단자를 만든다. 그 결과, 센서 소자들의 어레이가 회로 기판의 상부 표면상의 전극들의 패턴 및 이 패턴 위에 내려오는 힘 감지 물질 층에 의해 형성된다. 다양한 힘 감지 물질들 및 FSM의 패턴들이 이 후에 설명하는 대로 힘 감지 층을 만들기 위해 이용될 수 있다. 또한, 전극 패턴들 자체는 도 50 (5000)-도 57 (5700)에 묘사된 바와 같이 변경될 수 있다.
도 50 (5000)은 각각의 감지 소자가 노출된 도전체의 두 개의 장방형 지역들로 구성되는 단순한 패턴을 도해한다(힘 감지 층이 도전체 패턴 및 힘 감지 물질의 패치들의 패턴과의 정렬을 보여주기 위해 일부가 잘라졌다). 도 51 (5100)은 이것의 변형이며, 여기서 맞물리는(inter-digitating) 핑거들이 각각의 힘 감지 소자의 감도를 증가시키기 위해 2개의 장방형 지역들에 추가된다. 도 52 (5200)은 이러한 두 가지 설계의 배후 측상의 행 도전체들의 패턴을 묘사한다. 도 53 (5300)은 하나씩 걸러 있는 센서 소자가 수평 방향으로 플립되는 도 50 (5000)의 변형을 도해한다. 이것은 회로를 만드는 데에 필요한 비아들의 수를 절반으로 하고 비아들 간의 공간을 증대시키는 효과를 갖는데, 이는 제조 비용을 감소시키고 센서 밀도를 증가시키는 것을 도울 수 있다. 도 54 (5400)은 도 51 (5100)의 설계의 맞물리는 핑거들과 도 53 (5300)의 설계의 플립된 열들을 조합하는 설계를 묘사한다. 도 55 (5500)는 이러한 두 가지 설계의 배후 측을 묘사한다. 도 56 (5600)은 도 50 (5000)에서의 설계의 변형을 묘사하는데, 여기서 각각의 비아 주위의 지역이 다이아몬드 형상이 되도록 넓어진다. 이 설계는 각각의 비아 주위의 도전체 지역을 넓게 함으로써 제조 비용을 감소시키고 센서 밀도를 증가시킬 수 있다. 이것은 또한 센서를 터치 위치에 대하여 더 정확하게/더 선형으로 만드는 것을 도울 수 있다. 도 57 (5700)은 이 설계의 배후 측을 묘사한다.
힘 감지 층( FSL ) 설계
힘 감지 층(force sensing layer: FSL)은 힘 감지 물질로 그 성분이 구성되거나, 이것을 지닌다. 쓰루 모드와 션트 모드 구성들의 양쪽에 대해 이 층에 대한 다양한 가능한 설계들이 있다. 이러한 설계들 간의 주요 차이는 이것들이 인접한 센서 소자들 간의 전기적 절연을 제공하는 방식에 있다. 각각의 설계들에 따라, 제조의 어려움/비용, 다른 센서 층들과의 정렬/조립의 어려움, 및 인접 소자들 간의 전기적 절연 레벨의 관점에서 절충점들이 있다.
전기적으로 힘 감지 소자들을 절연시키기 위한 한가지 방식은 세그먼팅된 힘 감지 층을 만드는 것이다(도 46 (4600)). 이 배열에서, 각각의 감지 소자와 정렬되는 단일 패치의 FSM이 있다. 패치들 간의 갭은 전기적 상호 접속을 회피한다. 이 접근법은 최고의 절연을 제공하지만, 센서 층들 간의 정확한 정렬을 요구한다. 전기적으로 센서 소자들을 절연시키기 위한 또 다른 방식은 FSM 패치들의 미세 패턴을 갖는 패터닝된 힘 감지 층을 이용하는 것이다(도 48 (4800)). 이 패턴은 힘 감지 소자들 자체보다 더 작은 규모를 갖는다. 그러므로, FSM의 다중 패치가 각각의 센서 소자의 감도에 기여할 것이다. 이 구성은 센서의 FSL과 힘 감지 소자들 간의 정확한 정렬을 이룰 필요를 제거한다. 이 구성에서, 절연은 FSM 패치들 중 일부가 이웃하는 센서 소자들에의 전기적 접속들을 형성할 수 있어서 완전하지는 않지만, 이웃하는 센서 소자들 간의 상당한 정도의 누화를 방지하기에는 만족할 만큼 충분하다.
또 다른 비슷한 구성은 센서 소자들보다 더 작은 규모를 갖는 FSM 패치들의 의사 무작위 패턴을 사용한다(도 49 (4900)). 이 패턴은 센서 일관성을 향상시키는 것을 도울 수 있는 어떤 무작위성을 패터닝된 FSM 접근법에 도입한다. 힘 감지 층을 패터닝할 필요 없이 힘 감지 소자들의 어레이를 만들기 위한 또 다른 방법이 있다. 이 접근법은 FSM의 초박 층을 채택한다. 이 층이 매우 얇기 때문에, 이것은 층에 직교하는 방향에서의 저항과 비교하여 물질의 평면에서 높은 저항을 갖는다. 그러므로, FSM이 센서 소자들 간의 전류 경로들을 허용할지라도, 이들 사이의 저항은 너무 높아서 이 전류의 효과는 무시할만한 정도가 된다. FSM이 패터닝되지 않았기 때문에, 이것은 다른 센서 층들과 정렬될 필요가 없다.
센서 소자들을 절연하는 또 다른 방법은 행 및/또는 열 전극들을 힘 감지 물질로 코팅하는 것이다. 도 42 (4200)은 이것이 쓰루 모드 센서에 적용될 때 어떻게 보일지를 묘사한다. 이 설계가 행 전극과 열 전극 사이 내에 층을 필요로 하지 않는다는 것을 유의한다. 힘 감지 물질의 코팅은 세그먼팅되거나, 패터닝되거나, 또는 의사 무작위 패턴으로 패터닝된다. 대안적으로, 무시할만한 평면 내 저항을 가지는 힘 감지 물질의 초박 층은 전체 도전체들의 패턴에 걸쳐서 퇴적될 수 있다. 션트 모드 센서들에 대해, 비슷한 접근법은 PCB의 상부 층상의 전극들을 FSM으로 코팅하는 것일 것이다. 이 경우에, 상위 층이 앞서 설명된 FSM 패턴들 중 하나를 채택할 수 있거나, 또는 이것은 패터닝된 도전성 층을 그냥 이용할 수 있는데, 그 이유는 힘 감도가 바닥 층에 의해 제공될 것이기 때문이다.
최종적으로, 전극들 자체가 힘 감지 특징들을 갖는 센서를 만드는 것이 가능하다. 예를 들어, 탄소 나노 튜브들로부터 패터닝되는 전극은 매우 잘 도전할 수 있지만, 아날로그 압력 응답을 낳는 거친 표면 구조를 가질 수 있다.
행과 열들의 상호교환성
전기적 관점에서, 행 전극 또는 열 전극 중 어느 하나가 구동 측으로서 사용될 수 있고, 그 다른 측은 감지 측으로서 작용한다. 유사하게, 센서 구축의 관점에서 볼 때, 행 전극과 열 전극은 서로 교환될 수 있다. 그러므로, 쓰루 모드 구성들에서 행들은 상위 층상에 있을 수 있고 열들은 바닥 층상에 있을 수 있고, 유사하게 션트 모드 구성에서 열들은 배후 측을 통해 라우팅될 수 있고 행들은 회로 기판의 전방 측 상으로 패터닝될 수 있다. 이러한 선택들이 센서 성능에 어떤 영향을 미칠 수 있기는 하지만, 이들은 전형적으로 센서 레이아웃의 용이성, 기계적 고려사항들, 및 외부 컴포넌트들과의 전기적 상호 작용들과 같은 요인들에 기초할 것이다. 예를 들어, 디스플레이와 같은 전기적 잡음 원들로부터 구동 측을 더 가까이 놓고 감지 측을 더 멀리 놓는 것이 유리할 수 있다.
비 장방형 센서 어레이들 (5800)-(6000)
IFSA 기술에 의해, 도 58 (5800) - 도 60 (6000)에 묘사된 것과 같은 비 장방형 어레이들이 만들어질 수 있다. 도 58 (5800) - 도 60 (6000)에서의 어레이는 중심에 원형 개구부를 가지며 둥글게 된다. 그러한 비 장방형 어레이를 만들기 위해, 본 발명은 일찍이 설명된 정상 장방형 어레이로 시작하고, 요망된 최종 형상을 벗어나 있는 센서 소자들을 제거한다. 동시에, 모든 행 및 열 전극들이 전기적으로 접속된 채로 있어야만 한다; 그러나, 센서 소자들이 제거된 지역들에서, 본 발명은 그곳에 어떠한 센서 소자도 없으므로 형상의 윤곽을 형성하기(hug) 위해 행 전극과 열 전극을 압박 축소(squeeze down)할 수 있다. 비 장방형 쓰루 모드 센서도 동일 방식으로 만들어질 수 있다. 결과로 생기는 비 정방형 센서는 최초 정방형 센서와 동일한 방법으로 전기적으로 스캐닝되고, 이것은 또한 정방형 센서와 동일한 것을 수행할 것이어서, 전자 장치와 소프트웨어의 관점에서 어떤 차이도 없다. 유일한 차이는 이 새로운 센서가 그냥 센서 소자들이 제거된 지역들에서 터치들을 감지하지 않을 것이라는 점이다.
보간 저항기들
제조 비용을 줄이기 위한 목적으로, 인접 행 전극과 열 전극 사이의 고정 보간 저항기들의 세트가 감지 지역과 동일한 기판상에 전형적으로 자리 잡을 것이다. 그러나, 일부 실시예들은 별개의 로케이션에 자리 잡은 보간 저항기들을 가질 수도 있다.
저항들은 저항기 컴포넌트, 프린팅된 탄소 스트립, 또는 또 다른 유형의 저항성 물질을 포함하여, 저항기를 만드는 수많은 알려진 방법들 중 임의의 것에 의해 제공될 수 있다. 모든 저항기들의 값은 양호하게는 잘 제어되고 또한 알려진 목표 범위 내에 있다. 이것은, 매우 다양한 사이즈로 들어오고 또한 1% 또는 더 나은 정확도 레벨로 이용가능한 이산 표면 실장 저항기들로 하는 것이 특히 쉽다. 행과 열 보간 저항기들의 저항 레벨은 동일하거나 상이한 것일 수 있고, 구동 및 판독 출력 회로의 요구조건들에 의존하여 선택된다. 전형적으로, 더 높은 값의 보간 저항기들은 전력 소비를 줄이지만, 정확도의 손실을 야기하고(일찍이 언급한 비선형성들 때문임), 그 역으로도 된다.
탄소 스트립이 이용될 때, 이것은 인접한 전극들 양단에 걸쳐서 단순히 프린팅될 수 있다. 전극들 사이의 간격이 꽤 일정하고 스트립의 폭과 높이가 일관되는 한, 전극들 사이의 결과적 저항 값은 마찬가지로 일관될 것이다. 저항 레벨은 저항성 잉크의 조성을 변경시켜서 또는 프린팅된 스트립의 폭/높이를 변경함으로써 제어될 수 있다. 일관성은 제조 단계 후에 레이저 트리밍과 같은 방법으로 저항기들을 트리밍함으로써 추가로 개선될 수 있다.
설명들에서, 보간 저항기들은 감지 지역과 구동/감지 전자 장치 사이의 지역에 놓인다. 실제상, 보간 저항기들은, 이들이 인접 행 전극들과 인접 열 전극들을 전기적으로 상호 접속하는 한, 어디에라도 놓여질 수 있다. 예를 들어, 이들은 구동/감지 전자 장치로부터 떨어져서, 센서의 반대 측상에 놓여질 수 있다. 이들은 또한, 감지 소자들 사이의 감지 지역 내에 산재되고 또한 심지어 PCB 자체 내에 내장되어 (접속을 하기 위해 비아들을 이용하여) PCB의 배후 측상에 놓여질 수 있다. 최종적으로 이들은 단일 센서상에서의 상이한 로케이션들의 조합에 자리 잡을 수 있다. 예를 들어, 행 전극들에 대한 몇몇 보간 저항기들은 감지 지역의 좌측에 있을 수 있는 반면, 다른 것들은 우측 상에 있을 수 있다.
제조 공정들(6100)
센서들을 위한 도전층들은 매우 디양한 제조 공정들에 의해 제조될 수 있다. FSM을 포함하는 모든 물질들은 반복된 굽힘, 열, 및 습도와 같은 주어진 응용에 대한 예상된 환경적 기계적 조건들을 견디도록 선택된다.
아마 틀림없이, 가장 확실한 것은 기판상에 전극들을 형성하기 위해 표준 강성 및/또는 가요성 PCB 제조 공정을 이용하는 것이다. 공정은 전형적으로 연속 구리 층으로 코팅되는 FR4(강성에 대한 것) 또는 KAPTON®(가요성에 대한 것) 기반 물질로 시작한다. 구리는 이후 구리 도전체들의 패턴을 만들기 위해 에칭된다. 전형적으로 이것들은 산화를 회피하기 위해 금과 같은 불활성 물질로 도금될 필요가 있다.
ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold)와 같은 대안 도금 공정들 또는 스크린 프린팅된 탄소 층이 도금 비용을 줄이는데 사용될 수 있다. 그와 같은 회로들에서, SMT(standard surface-mounting) 공정들이 보간 저항기들을 부착시키는데 사용될 수 있다. 션트 모드 센서들을 위해, 비아들이, 구멍들을 뚫고 이후 2개의 층 간의 접속들을 형성하기 위해 도금하는 것을 수반하는 표준 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 비아 충전이 결과적 구멍들을 충전하고 평활 표면을 남기기 위해 사용될 수 있다.
또 다른 접근법은 인쇄 전자 장치(printed electronics: PE) 공정을 이용하는 것인데, 이 공정에서 도전성 입자들이 첨가 방식으로 PET 또는 폴리이미드(KAPTON®)와 같은 기판 상으로 퇴적된다. 이러한 응용들에 사용되는 몇몇 공통 도전성 물질들은 탄소 나노 튜브들, 은 나노와이어들, 및 도전성 입자들로 채워지는 중합체 잉크들로 구성된다. 인쇄 전자 장치를 위한 한가지 공통으로 사용되는 물질은 은 입자들로 로딩되는 중합체 잉크로 구성되는데, 이것은 전형적으로 스크린 프린팅 공정으로 퇴적된다. 이와 같은 물질들이 기계적 응력, 산화, 또는 다른 가스들/화합물들과의 반응의 결과로서 열화될 수 있기 때문에, 이들은 탄소 또는 힘 감지 물질에 의한 오버코팅에 의해 부동태화될 수 있다. 더욱이, 그러한 회로에 납땜하는 것은 어렵기 때문에, 프린팅된 탄소 스트립이 보간 저항기들을 만들기 위해 이용될 수 있다. 인쇄 전자 장치(PE) 공정에 의해 만들어지는 쓰루 모드 센서들에 대해, 강성/가요성 PCB 센서들에 대해 그런 것처럼 매우 비슷한 구축이 이용될 수 있다. 션트 모드 센서들에 대해, 비아들이, 비아들이 PCB상에 만들어지는 방식 - 드릴 또는 레이저로 기판을 통하여 구멍들을 뚫고 도전성 물질의 오버프린트가 이어지는 방식 - 과 유사한 방식으로 만들어질 수 있다. 대안은 바닥 도전체 층을 프린팅하고, 이어서 비아들이 강성/가요성 PCB 센서상에 있을 곳과 동등한 장소들에서의 구멍들을 가진 절연체 층을 프린팅하는 것이다. 다음으로, 상위 도전체 층이 프린팅된다. 절연체 층에서의 구멍들은 상위 도전체 층에서의 패드들이 바닥 층상의 도전성 트레이스들과 전기적으로 브리지하도록 허용한다. 이것은 동일한 전기적 구조를 만들지만, 양쪽 도전체 층들은 (비아들의 로케이션들에서의 구멍들을 가진) 절연체의 박층에 의해 분리되는 기판의 상위 측상에서 결국 끝난다.
션트 모드 센서들을 만들기 위한 또 하나의 방법은 먼저 센서 패턴의 상위 측을 프린팅하는 것인데, 이 패턴은 션트 모드 센서들을 만들기 위해 일찍이 설명한 패턴들 중 임의의 것과 유사할 수 있다. 이전과 같이, 열들은 패턴 자체 내에서 접속된다. 그러나, 행들은 소형 브리지들로 접속된다. 브리지들은 한 열 전극이 한 행 전극의 2개의 부분 사이 내에 놓여있는 각각의 지역에 절연체 물질의 작은 지역을 퇴적함으로써 만들어질 수 있다. 다음에, 소형 도전성 "브리지"가 절연체 위에 걸쳐서 퇴적되어, 한 행 전극의 2개의 인접 부분을 접속시킨다. 이 시퀀스(6101, 6102, 6103)는 일반적으로 도 61 (6100)에 묘사된다.
전극들을 형성하기 위한 다른 접근법들은 금속들 또는 탄소 나노 튜브들과 같은 도전성 물질들의 증착을 포함할 수 있다. 패터닝이 스텐실, 오프셋 프레스(offset press), 레이저 에칭, 또는 전사 공정들을 통하여 퇴적하는 것을 포함하여 다양한 방법들에 의해 행해질 수 있다. IFSA 센서들은 또한 직물을 만들기 위한 기법을 이용하여 만들어질 수 있다. FSM으로 코팅되는 도전성 스레드(conductive thread)가 행 및 열 전극들을 만들기 위해 이용될 수 있다. 행 전극들은 일 방향으로 뻗어가는 한편 열 전극들은 다른 방향으로 뻗어갈 것이어서, 직물 구조의 날실과 씨실(warp and weft)을 형성한다. 힘 감지 소자는 직각들로 서로 접촉하는 FSM으로 코팅되는 두 개 이상의 스레드들의 결과물로서 단순히 각각의 행과 열 전극의 교차점에 형성될 것이다. 직물의 에지들에서, 저항성 소자들은 행 전극과 열 전극을 상호 접속시키고, 전자 장치에의 접속은 힘 감지 어레이의 에지에 규칙적 구간들로 부착되는 도전성 물질을 이용하여 만들어진다. 이 설계에서, 저항성 소자들은 프린팅된 저항성 고무/페인트로, 또는 전기적 접속을 형성하도록 행 스레드들 위에 걸쳐서 및 열 스레드들 위에 걸쳐서 꽉 감겨지거나 매듭지어지는 저항성 스레드로 전형적으로 만들어질 것이다.
센서 어레이의 투명성
완전 투명 센서들을 만들기 위해, 투명 물질들이 센서 어레이의 힘 감지 물질들, 도전체들, 및 다양한 기판 층들을 위해 사용될 수 있다.
투명 힘 감지 물질들은 앞서 설명되었다. 투명 도전체들은 ITO, 탄소 나노 튜브들, 그래핀, 은 나노와이어, 미세 메시 구리, 및 유기 도전체들과 같은 물질들을 포함할 수 있다. 기판들은 유리, 가요성 유리, 및 PET, 폴리이미드, 또는 폴리카보네이트와 같은 중합체들을 포함할 수 있다.
모든 포함된 물질들이 투명하다는 것을 제외하고, 자신들의 비 투명 대응부들에 대해 동일한 션트 모드 구성과 쓰루 모드 구성 양쪽이 만들어질 수 있다. 이용가능한 제조 공정들로 생산하기에 분명한 한가지 주목할만한 구성은 션트 모드 다이아몬드 형상 센서 패턴인데, 이는 행들을 따라 다이아몬드들을 접속시키기 위한 브리지들을 갖는다. 도 61 (6100)을 보시오. IFSA 센서를 만들기 위해, 이 패턴은 그 위에 투명 힘 감지 물질로 덮일 것이다.
또 다른 옵션은 부분 투명 센서를 만드는 것이다. 이는 훨씬 더 통례적 물질들과 기법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 션트 모드 센서에 대해, 광이 비아들을 통해 비칠 것이고, 광이 통과하도록 하기 위해 개구부들이 힘 감지 층에 제공될 수 있다. 쓰루 모드 센서는, 광 투과를 허용하는 힘 감지 물질에서의 갭들을 가지며, 투명 기판상의 불투명 전극들로 제조될 수 있다. 광은 전극들 및 힘 감지 물질들에서의 갭들을 통하여 비칠 수 있을 것이다.
조립
IFSA 센서들의 최종 조립은 층들을 함께 라미네이팅하거나 홀딩하는 것으로 구성된다. 전형적으로, 감압 접착제가 층들의 주변부(들) 주위에 도포될 것이다. 능동 지역(active area)은 전형적으로 접착체 없이 남겨지는데, 이는 공기 또는 (광유와 같은) 몇몇 다른 비 도전성 유체가 힘 감지 물질이 동작하기 위해 능동 지역에서 필요하기 때문이다. 그러나, 작은 접착제 지역들이 상위 층이 바닥으로부터 라미네이팅 박탈(de-laminating)되는 것을 막기 위해 센서의 능동 지역 내에 제공될 수 있다. 에어 갭/공기 채널이 전형적으로 센서의 내부 및 외부에서의 공기압이 균일하게 되도록 허용하기 위해 제공된다. 입자들 또는 습기가 능동 지역에 진입하는 것을 방지하기 위해 필터가 공기 갭/공기 채널에 추가될 수 있다. 센서들은 가혹한 환경들에서의 동작을 위해 기밀 밀봉될 수 있다. 상위 및/또는 바닥 층은 디스플레이, 미드프레임, 또는 다른 센서와 같은 다른 층들에 라미네이팅될 수 있다. 센서 조립은, 입자들 또는 다른 오염 물질이 센서에 진입하여 비 일관된 성능을 야기하는 것을 회피하기 위해, 클린룸과 같은 깨끗한 환경에서 행해져야 한다.
만곡된 또는 가요성 센서들
IFSA 기술은 여러 상이한 방식들로 만곡된 또는 가요성 센서들을 만들기 위해 이용될 수 있다. 가요성 센서들은 폴리이미드(또한 KAPTON®으로 알려짐), PET, 또는 회로용의 폴리카보네이트와 같은 가요성 기판들을 이용하여, 및 FSM용의 가요성 물질들을 마찬가지로 이용하여 만들어질 수 있다.
영구적으로 만곡된 센서를 만들기 위해, 가요성 센서는 만곡된 강성 표면 상으로 라미네이팅될 수 있거나, 또는 평탄 센서로 시작하고 이것을 비 평탄 표면에/ 그 상으로 몰딩하는 것이 가능하다. 또한 LDS(Laser Direct Structuring)와 같은 알려진 기법을 이용하여 또는 도전성 및 절연 물질들의 양쪽을 이용하는 3D 프린팅에 의해 만곡된 표면 상에 센서 전극들을 직접적으로 제조하는 것이 가능하다. 션트 모드 센서들의 경우에, 힘 감지 층은 만곡 형상에 사전 몰딩되고, 몰딩된 실리콘과 같은 변형성 물질로부터 만들어질 수 있다. 이 경우에, 힘 감지 물질은 직접적으로 힘 감지 층 상으로 퇴적되거나, 이것에 몰딩될 수 있다. 대안적으로, 전체 힘 감지 층이 가요성/변형성 FSM으로부터 만들어질 수 있다.
센서가 가요성인 채로 남아 있는 것이 바람직한 많은 응용들이 있다. 예를 들어, 우리는 센서들을 가요성 전화기/태블릿에, 시계의 손목 밴드 또는 팔찌에, 신발의 밑창에, 또는 의류 내에 놓기를 원할 수 있다. 이러한 경우들에서, 가요성 기판상에 구축되는 센서들은 응용에 직접적으로 내장될 수 있다. 이들은 일찍이 설명한 대로, 직물이 제조되는 방식과 유사한 방식으로 제조될 수 있다.
센서들은, 이들로 하여금 랩어라운드하거나 또는 복잡한 형상들을 되게 접히는 것을 허용하기 위해 (트레이스들을 손상시키지 않고) 구부러지거나/잘라질 수 있도록 또한 설계될 수 있다. 예를 들어, 로봇 핑거팁이 센서 패턴에서 두 번의 절단을 이루고 에지들을 하나로 합침으로써 IFSA 센서에 커버될 수 있다(도 62 (6200)). 이 형상은 이후 로봇 핑거팁의 표면에 라미네이팅되거나 접착될 수 있다. 외측이 힘을 분산시키고 부드러운 터치를 제공하도록 고무 셸로 코팅될 수 있다. 션트 모드 센서의 경우에, 고무 셸의 내측은 FSM으로 코팅될 수 있어서 이것이 힘 감지 소자의 일 부분으로서 직접적으로 작용할 수 있도록 하거나, 또는 전체 고무 셸에 도전성 입자들이 첨착(impregnate)될 수 있어서 이것이 FSM 처럼 행동하도록 한다.
전자 장치 상세 사항
IFSA를 스캐닝하기 위한 전자 장치는 여러 컴포넌트들로 구성된다. 이러한 컴포넌트들은 본 발명의 일 실시예를 예시하기 위한 것이다. 컴포넌트들의 대한 변경들과 조합들이 본 개시의 사상과 조화되어 이용될 수 있다는 것이 독자들에게 명백할 것이다. 게다가, 몇몇 컴포넌트들은 (예를 들어, 집적 회로 또는 ASIC을 통해) 함께 통합될 수 있고, 소프트웨어에 구현될 수 있거나, 또는 센서를 스캐닝하기 위한 능력을 실질적으로 제한하지 않고서 모두 함께 제거될 수 있다.
전압원
전압원의 목적은 IFSA 센서를 구동하기 위한 일정 전압을 제공하는 것이다. 증폭기 또는 선형/스위칭 전압 조정기와 같은 능동 전자 장치가 일정 전압을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 전압원은 회로의 디지털 부분을 구동하는 데에 이용되는 전압원과는 별개의 소스일 수 있거나, 또는 이것은 같은 것일 수 있다. 또한 센서에 의해 도출되는 과잉 전류를 회피하기 위해 전압원에 빌트 인되는 어떤 전류 제한 능력이 있을 수 있다. 전류 제한 능력은 단순히 고정 저항기로 구현될 수 있거나, 전압원 회로 내에 설계되는 소프트 제한일 수 있거나, 또는 소정 전류 레벨이 도달될 때의 하드 컷오프(hard-cutoff)로서 구현될 수 있다. 전류 제한 능력은 또한 디지털 회로를 이용하여 구현될 수 있다. 마이크로컨트롤러가 과전류 조건을 검출할 때, 이것은 스캐닝을 정지시키도록 결정할 수 있거나, 또는 전력 소비를 줄이기 위해 스캐닝 하드웨어의 상태를 수정할 수 있다.
전압원에 의해 발생되는 전압을 모니터링하는데 사용될 수 있는 아날로그 라인이 제공될 수 있다. 이것은 과잉 전류 도출로 인한 전압 강하들을 검출하고 및/또는 보상하는데 이용될 수 있다. 보상은 아날로그 회로를 통해 행해질 수 있다. 이것을 하기 위한 한가지 방식은 이 전압을 센서를 스캐닝하는 데에 사용되는 ADC의 전압 기준에 피딩하는 것이다. 대안적으로, 이 보상은, ADC를 이용하여 전압원에 의해 발생되는 전압을 측정하고 이후 센서로부터 판독되는 값들을 측정된 전압에 의해 나눠지는 예상 구동 전압에 의해 곱함으로써 디지털로 행해질 수 있다.
구동 회로
구동 회로의 임무는 각각의 활성 열 전극을 접지에 또는 전압원에 의한 제공되는 전압 레벨에 구동하는 것이다. 이것은 각각의 활성 열 전극에 접속되는 아날로그/디지털 스위치들의 직렬 연결로 이것을 성취한다. 열 스위치들은 하나 이상의 열들을 접속 해제하여 (이들을 고 임피던스 상태에 밀어 넣는) 능력을 또한 제공받을 수 있다. 이것은 다중 분해능 스캐닝을 위해 사용될 수 있다. 구동 회로 내에서의 열 스위치들의 제어는 제어 로직에 의해 실행되는데, 제어 시퀀스들의 일부 양태들은 자동화되고/사전 프로그래밍될 수 있다. 전형적으로, 동작 동안, 한 번에 단 하나의 열이 전압원에 의해 제공되는 전압에 구동되는 한편, 모든 다른 열들은 접지에 구동되거나 접속 해제된다(고 임피던스 상태로 됨). 일 실시예에서, 구동 회로는 하이로 구동되고 있는 열을 전압원에 접속시키기 위해 아날로그 스위치들을 사용한다. 또 다른 실시예에서, 구동 회로는 동일 기능을 수행하기 위해 디지털 스위치들을 사용할 수도 있다. 또 하나의 구성에서, 구동 회로는 통합된 전압원을 포함할 수도 있다. 통합된 전압원은 모든 열 전극들 중에 공유될 수 있거나, 또는 (각각의 열에 대해 하나씩) 다중 전압원이 있을 수 있다.
감지 회로
감지 회로는 구동 회로와 유사하지만, 행들을 특정 전압에 구동하는 대신에, 이것은 측정될 행을 외부 회로에 접속시키거나 또는 행을 접지에 접속한다. 열 스위치들처럼, 행 스위치들은 또한 하나 이상의 행들을 접속 해제하여 (이들을 고 임피던스 상태에 놓는) 능력을 제공받을 수 있는데, 이것은 다중 분해능 스캐닝을 위해 사용될 수 있다. 감지 회로 내에서의 행 스위치들의 제어는 제어 로직에 의해 실행되는데, 제어 시퀀스들의 일부 양태들은 자동화되고/사전 프로그래밍될 수 있기는 하다. 동작 동안, 전형적으로 한번에 단 하나의 행이 외부 회로에 접속될 것이다. 그러나, 더 빠른 스캔들을 허용하기 위해, 몇몇 실시예들은 신호 조절 회로 및/또는 ADC들의 다중 복사본을 가질 수 있다. 이 경우에, 감지 회로가 또한 다중 행이 동시에 외부 회로에 접속되는 것을 허용할 수도 있다. 모든 다른 행들은 전형적으로 접지에 접속되거나 또 접속 해제될 수 있다(고 임피던스 상태로 됨).
감지 회로는 (다음 섹션에서 설명되는 대로) 터치로부터의 저 전력 웨이크 업을 지원하기 위한 추가 피처들을 가질 수 있다. 또한, 구동 및 감지 회로가 기능에 있어서 그렇게 비슷하기 때문에, 이것은 공통 설계를 이용하여 구현될 수 있다. 다시 말하면 동일한 칩, ASIC, 또는 회로가 구동 회로와 감지 회로의 양쪽으로서 이용될 수도 있다. 구동 및/또는 감지 회로는 또한 몇몇 고정된 수의 활성 행/열 전극들을 지원할 수 있는 모듈로서 설계될 수 있다. 대단히 많은 수의 행/열 전극들이 단순히 이러한 모듈들의 수를 증가시킴으로써 주어진 실시예에서 지원될 수 있다.
신호 조절 회로
신호 조절 회로(signal conditioning circuitry)가 감지 회로로부터 원시 신호를 취하고, ADC에 의해 판독되도록 하기 위해 이것을 준비시킨다. 센서에 의해 산출되는 신호의 선형성을 증가시키기 위해, 판독되는 행을 접지 전위에 구동하는 것이 바람직하다. 그러므로, 대부분의 선형 신호 조절 회로는 트랜스임피던스 증폭기를 포함할 것인데, 이 증폭기는 입력을 접지 전위에 구동하면서, 이렇게 하는 데에 필요한 전류의 양을 측정하는 한편 해당 값을 외부 ADC에 피딩한다. 전류를 측정하는 덜 정확하지만 더 단순한 방법은 접지에 접속되고 또한 저항기 양단에 걸친 전압을 측정하는 낮은 저항 값 풀다운 저항기를 이용하는 것이다. 이 전압이 너무 낮아서 ADC에 의해 판독되기 어려운 경우에, 이 전압은 출력 범위를 ADC의 범위와 매칭시키고 잡음을 감소시키기 위해 증폭될 수 있다. 센서 자체가 이미 (보간 저항기들을 통하여) 접지에의 저항성 경로를 갖고 있기 때문에, 심지어 접지에의 저항기가 제외되더라도, 결과적 출력 신호는 더욱 덜 선형적일 것이다.
신호 조절 회로는 또한 고주파 잡음을 감소시키기 위한 필터링을 포함할 수 있다. 이것은 수동 필터(RC 저역 통과 필터와 같은 것), 능동 필터(연산 증폭기 저역 통과 필터와 같은 것), 또는 (센서 자체가 RC 필터의 R 부분을 제공할 수 있으므로) 단순히 접지에의 커패시터의 형태에 있을 수 있다.
증폭기가 센서로부터 비교적 고 임피던스 신호를 취하고 이것을 ADC를 위한 낮은 임피던스 신호로 전환하기 위해, 또는 센서로부터의 저 전압들을 상승시키기 위해 또한 사용될 수 있다. 프로그램 가능 이득 증폭기가 감지 회로의 감도를 동적으로 조정하는데 사용될 수 있고, 저항성 분할기가 전압이 ADC에 대해 너무 높다면 전압을 감소시키는데 사용될 수 있다.
모든 이러한 상이한 접근법들은 신호를 ADC에 피딩하기 전에 신호를 사전 조절하기 위한 알려진 방법들이다. 이러한 요소들의 특정 선택과 배치는 필요한 센서 정확도 및 정확도, 복잡도, 전력 소비, 회로 사이즈와 비용 사이의 절충에 의존한다. 신호 조절 컴포넌트는 생략될 수 있지만, 이는 센서 성능 감소라는 결과를 낳을 수 있다. 신호 조절 회로가 독립적 회로일 수 있거나, 감지 회로에, ADC에 통합될 수 있거나, 또는 그 부분들이 상이한 컴포넌트들 중에 쪼개져 있을 수 있다는 것을 유의한다.
ADC
ADC(analog to digital converter)는 신호 조절 회로에 의해 산출되는 전압 레벨을 취하고, 마이크로컨트롤러에 의해 처리하기에 적합한 디지털 표현으로 이것을 변환한다. 전형적으로, 적어도 8 비트의 분해능을 가진 SAR(successive approximation register) ADC가 이용된다. 더 큰 ADC 분해능은 더 정확한 위치 및 힘 측정들을 낳는다. ADC의 변환 속도는 이것이 전형적으로 센서가 얼마나 빠르게 스캐닝될 수 있는지를 한정하는 인자임에 따라 또한 중요하다. 일찍이 설명한 대로, 다중 ADC는 (다중 조절 회로와 함께) 스캐닝 속도를 증가시키기 위해 병행적으로 이용될 수 있다. 센서 스캔 레이트에 영향을 미치는 또 다른 인자는 센서, 구동/감지 회로, 및 조절 회로에 대한 정착 시간이다. ADC에의 아날로그 입력 전압이 안착하기 위해서는 구동 또는 감지 회로의 상태를 스위칭한 후에 충분한 시간이 주어져야만 한다. 게다가, ADC 자체는 이전 측정된 전압으로부터의 잔류 전하를 지닐 수 있다. 특히 ADC에의 입력 임피던스가 높다면, ADC가 입력 전압을 샘플링하기 위해서는 충분한 획득 시간이 주어져야만 한다. 대안적으로, ADC 샘플링 커패시터는 이전 샘플링으로부터의 임의의 잔류 전하를 회피하기 위해 각각의 샘플링 후에 일관된 상태에 리셋될 수 있다.
디지털 필터링 기법이 ADC에 의해 판독되는 신호의 SNR(signal-to-noise-ratio)를 향상시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 다중 ADC 판독은, 평균화와 같은 기술로 조합될 수 있거나, 또는 잡음을 줄이기 위해 중간 값 필터와 같은 방법들로 필터링될 수 있다. 주파수 도메인으로의 변환이 요망 주파수들을 검출하거나 원치 않는 주파수들을 억제하는데 사용될 수 있다.
또한, ADC로부터의 디지털 전압 출력은, 신호를 더 유용한 범위로 변환시키기 위해 또는 전기적 시스템에서의 비 선형성을 보상하기 위해 룩업 테이블 또는 수학적 계산을 이용하여 상이한 값이 되도록 재매핑될 수 있다.
컨트롤러
컨트롤러는 스캔 시퀀스들을 수행하고, ADC로부터 디지털 값들을 수집하고, 선택적으로 그런 값들을 처리하고, 및 선택적으로 I2C, SPI, UART, USB, 블루투스, Wi-Fi, 기타 등등과 같은 IO 인터페이스를 통해 정보를 외부 시스템에게 보내는 컴포넌트이다. 전압원, 구동 회로, 스캔 회로, 신호 조절, 및/또는 ADC를 포함하는 스캐닝 회로의 부분들은 컨트롤러에 통합될 수 있다. 컨트롤러는 코드로 하여금 상이한 제어 시퀀스들/알고리듬들로 로딩되어 시스템의 거동을 바꾸도록 허용하는 프로그램 메모리를 가질 수 있다. 덧붙여, 컨트롤러는 센서로부터 판독되는 값들을 스캐닝하거나 처리하는 것과 같은 공통 동작들을 자동화하거나 가속화하는 고정 기능 로직을 이용할 수 있다.
스캐닝 상세 사항
일찍이 설명된 센서의 기본 전 분해능 스캔에 더하여, 스캔 속도, 분해능, 정밀도, 전력, 및 면적 간의 상이한 절충점들을 허용하는 IFSA 센서를 스캐닝하기 위한 여러 다른 방법들이 있다. 이러한 다른 접근법들 중 일부는 또한 저 전압 웨이크 업 모드를 구현하는데 사용될 수 있는데, 여기서 센서는 매우 낮은 전력 상태에 있을 수 있지만 여전히 터치의 존재를 검출할 수 있고, 이 터치의 존재는 시스템을 웨이크하거나 또는 고속의/높은 분해능 스캐닝 상태로의 전이를 트리거링하는 데에 사용될 수 있다. 이 섹션은 IFSA 센서가 스캐닝될 수 있는 몇몇 상이한 방식들을 기술하고, 이러한 접근법들과 연관되는 절충점들 중 일부를 언급한다.
기본 스캔
센서를 스캐닝하기 위한 가장 흔한 방식은 일찍이 기술된 방법이다. 이것은 한번에 하나의 열을 구동하는 것과, 하이로 구동되는 각각의 열에 대해 한번에 하나씩 각각의 행 상의 값을 감지하는 것으로 구성된다. 이것은 점진적으로 모든 활성 행마다와 모든 활성 열마다의 전극의 교차점을 스캐닝한다. 특정 행/열 교차점에서 센서 소자를 스캐닝할 때, 다른 모든 활성 열 전극과 행 전극은 접지되어, 해당 열과 행 전극 주위에서 인접한 활성 열들과 인접 행들 사이의 거리보다 2배 더 큰 보간 지역을 생성한다(도 34 (3400)). 기본 스캔에 필요한 시간은 활성 행 전극들의 수에 활성 열 전극들의 수를 곱한 것에 비례한다.
병렬 스캔
병렬 스캔은 분해능을 희생하지 않고 스캔 속도를 향상시키는 기본 스캔의 변형이다. 스캔 속도는 동시적으로 두 개 이상의 행들의 ADC 변환을 수행함으로써 향상된다. 이것을 하기 위해, 다중 행에 대해 병행적으로 동작하는 신호 조절 및 ADC 회로의 두 개 이상의 인스턴스가 있을 필요가 있다.
보간 특성을 보존하기 위해, 감지된 전극들의 각각의 쌍 사이 내에 적어도 하나의 접지된 활성 전극이 있어야만 한다. 그러나, 감지 전자 장치들이 감지된 전극을 접지하는 실시예들에서 (일찍이 설명된 대로, 이것은 트랜스임피던스 증폭기로 전극을 로우로 끌어내림으로써, 또는 낮은 저항 값을 가진 풀다운 저항기를 이용함으로써 성취될 수 있음), 각각의 전극은 이것이 스캐닝되고 있을 때 실효적으로 접지된다. 이것은, 한계 내에서, 동시적으로 모든 행들을 스캐닝하는 것을 허용한다.
병렬 스캔의 장점은, 스캔이 더 짧은 시간 프레임에서 일어날 수 있어서 센서로 하여금 더 짧은 시간 동안에 전력 공급되는 것을 허용하므로, 스캔 속도를 크게 증가시키고 전력 소비를 줄일 수 있다는 점이다. 단점은 더 많은 전자 장치가 이런 것을 지원하는 데에 필요할 수 있다는 점이다. 병렬 스캔에 필요한 시간은 활성 행 전극들의 수에, 병렬로 감지될 수 있는 행들의 수에 의해 나눠지는 활성 열 전극들의 수를 곱한 것에 비례한다.
스캔 레이트
센서가 스캐닝되는 레이트는 전력 소비를 줄이기 위해 동적으로 감소될 수 있거나, 입력 대기 시간을 감소시키기 위해 증가될 수 있다. 전력 소비를 줄이기 위한 한가지 전략은, 터치가 검출될 때까지 낮은 레이트로, 예를 들어 초당 10 프레임으로 스캔들을 수행하고, 이후 터치가 검출된 후에 더 높은 레이트, 예를 들어 초당 60 프레임까지 스캔 레이트를 증가시키고, 및 모든 터치들이 제거될 때까지 더 높은 레이트로 스캐닝을 계속하는 것이다.
감소된 분해능 스캔
전력을 줄이거나 스캔 속도를 감소시키는데 사용될 수 있는 또 다른 전략은, 일부 활성 전극들을 고 임피던스 상태에 밀어 넣고, 이들을 전기적으로 구동 및 감지 회로로부터 실효적으로 접속 해제함으로써, 활성 행들 및/또는 활성 열 전극들의 분해능을 동적으로 감소시키는 것이다. 이것은 접속 해제된 전극들이 추가적인 보간 전극들로서 실효적으로 작용하기 때문에 접촉이 감지될 수 있는 분해능을 현저하게 감소시키지는 않지만, 다중 터치가 구별될 수 있는 거리를 감소시킨다.
예를 들어, X와 Y 축들을 따른 분해능은 모든 다른 활성 행과 활성 열 전극마다를 고 임피던스 상태에 밀어 넣음으로써 절반으로 삭감될 수 있다. 분해능은 더 많은 수의 행과 열 전극들을 고 임피던스 상태에 밀어 넣음으로써 추가로 감소될 수 있다. 예를 들어, 1/4만큼 X와 Y 분해능을 감소시키기 위해, 우리는 매 4번째마다의 활성 전극을 전기적으로 접속되게 유지할 것이고, 이것들의 각각 사이의 세 개의 활성 전극의 각각의 세트는 고 임피던스 상태로 밀어 넣어질 것이다. 분해능이 감소함에 따라, 스캐닝되어야만 하는 행/열 정션들의 수는 마찬가지로 감소한다. 이것은 전력 소비를 감소시키고 스캔 속도를 증가시킨다. 몇몇의 경우에, 상이한 행 및 열 분해능들을 설정하거나, 또는 심지어 센서의 상이한 지역들에서 상이한 행 및/또는 열 분해능들을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이 접근법을 극단까지 취하면, 결과는 최저 분해능 스캔으로 끝나는데, 여기서 제1 및 최종 열을 제외한 모든 열들과 제1 및 최종 행을 제외한 모든 행들이 고 임피던스 상태에 밀어 넣어진다. 스캔 동안, 본 발명은 제1 열을 구동하고 이어서 최종 열을 구동하는 한편, 각각의 전력 공급된 열에 대해 제1 행과 최종 행에 대해 감지한다. 전부 합해도, 단지 네 개의 ADC 값이 수집될 것이다. 이러한 값들을 이용할 때, 본 발명은 모든 터치들의 평균 X 및 Y 위치와 모든 터치들의 총 힘을 계산할 수 있을 것이다.
본 발명이 이런 종류의 스캔을 함으로써 다중 터치 감지 능력을 포기하지만, 본 발명은 매우 적은 전력 소비로 믿을 수 없을 만큼 빨리 스캐닝하는 능력을 얻게 되고, 이것은 매우 고속의 이벤트들이 검출되는 상황들에서 또는 전력이 배터리 전원 디바이스에서와 같이 보존되고 있는 상황들에서 유용할 수 있다.
다중 분해능 스캔
스캔 분해능이 동적으로 변경될 수 있기 때문에, 흥미로운 방식으로 다중 분해능의 스캔들을 조합하는 것이 가능하다. 예를 들어, 더 높은 분해능의 최종 힘 이미지를 만들기 위해 다중의 낮은 분해능의 스캔들(X와 Y에서 상이한 양들로 오프셋됨)을 중첩하는 것이 가능하다. 낮은 분해능 스캔들이 웨이크 업 모드를 가능하게 하기 위해 또한 이용될 수 있는데, 여기서 센서는 터치가 검출되고 이후 분해능이 정확하게 터치의 위치를 결정하기 위해 상승될 수 있을 때까지 더 낮은 분해능으로 스캐닝된다. 낮은 분해능 스캔을 수행하고, 이후 터치들이 검출되는 지역들에서 더 높은 분해능 스캔들을 수행함으로써 이것을 정교화하는 것이 또한 가능하다. 이 방법론은 낮은 분해능 스캐닝의 전력 효율성과 고속 성능을 전 분해능 스캔의 정밀도와 조합한다는 이점이 있다.
윈도 지역 스캔
터치의 로케이션이 미리 알려지거나 또는 센서 지역의 일 부분에서의 터치들만이 관심 대상일 때, 단순히 관심 대상의 행들과 열들을 통하여 반복함으로써 전체 센서를 스캐닝하는 것이 아니라 작은 윈도에서 스캔을 수행하는 것이 가능하다. 윈도는 터치를 추종하기 위해 이동되고 및/또는 동적으로 크기가 정해질 수 있고, 심지어 센서상의 상이하고 가능하게는 중첩되는 로케이션들 위에 걸쳐서 동시에 스캐닝되는 다중 윈도우일 수 있다.
일 차원 및 제로 차원 스캔
이전에 설명된 모든 스캔 접근법들은 센서 행/열 정션들의 그리드를 스캐닝한다. 그러나, 위치에 관계 없이 터치가 발생했는지의 여부를 검출하는 것만이 필요한 경우, 또는 단지 1차원에서 접촉을 추적하는 것이 필요한 경우, 더욱 고속의 스캔을 수행하는 것이 가능하다. 이것을 성취하기 위한 한가지 방식은 모든 열들에 전력을 공급하고 이후 한번에 하나의 행 상에서 감지하는 것이다. 이것은 터치의 Y 위치만을 제공할 것이지만, 센서에서의 활성 행들의 수까지 취해질 필요가 있는 판독들의 수를 감소시킬 것이다. 이것은 또한, Y 분해능의 감소라는 대가를 치르고, 감지될 필요가 있는 활성 행들의 수를 감소시키기 위해 일찍이 제시된 감축 분해능 스캔 아이디어와 조합될 수 있다.
이것을 하기 위한 대안적 방법은 모든 행들을 접지시키고 또한 한번에 하나의 열에 전력을 공급하는 것이다. 전력 공급된 활성 열 전극 상의 또는 그 근처에서의 터치들은 전압원으로부터의 증가된 전류 흐름을 야기할 것이다. 이 증가된 전류 흐름을 측정하기 위한 한가지 방식은 전압원과 구동 전자 장치 간에 작은 값 저항기를 직렬로 배치하고 저항기 양단에 걸쳐 전압의 차분 전압 측정을 취하는 것이다.
대안적으로, 전압원 전압이 이것이 증가된 전류를 공급함에 따라 강하하는 경우, 본 발명은 전압원에 의한 전압 출력의 강하를 측정할 수 있다. 이것을 하는 것은 터치의 X 위치만을 제공할 것이고, 센서에서의 활성 열들의 수까지 취해질 필요가 있는 판독들의 수를 감소시킬 것이다. 이것은 또한, X 분해능의 감소라는 대가를 치르고, 감지될 필요가 있는 활성 열들의 수를 감소시키기 위해 일찍이 제시된 감축 분해능 스캔 아이디어와 조합될 수 있다.
게다가, 전체 센서가 하나의 대규모 감압 버튼의 역할을 하게 하는 것이 가능하다. 이것이 행해질 수 있는 한가지 방식은 모든 행들이 단일 아날로그 입력에 전기적으로 접속되게 하기 위해 감지 전자 장치를 수정하는 것이다. 모든 열들에 전력을 공급하고 동시에 모든 행들 상에서 감지함으로써, 전체 센서는 하나의 대형 감압 버튼이 된다. 대안적으로, 본 발명은 모든 열들에 전력을 공급하고 모든 행들을 접지할 수 있고, 열 전극들에 대한 전류의 증가된 흐름, 또는 전력 공급된 열들의 전압에서의 전압 강하를 단순히 측정할 수 있다. 이것을 하기 위한 또 하나의 방식은 전기적으로 힘 감지 물질에 전기적으로 접속하는 것이다(이것은 힘 감지 물질이 인접한 설계들에서 가장 잘 작동한다). 그러면 이것은 하나의 전극을 형성하는 한편, 모든 행들과 열들은 제2 전극을 형성한다. 이 경우에, 본 발명은 모든 행 및 열 전극들을 접지하고, FSM에 전력을 공급하고, 및 FSM에의 접속을 통한 전류 흐름, 또는 FSM에의 전기적 접속상에서의 전압 강하량을 측정할 수 있다.
이러한 3가지 방식의 많은 다른 변형들이 가능하다. 예를 들어, 모든 이러한 접근법들에 의해, 본 발명은 극성을 뒤집을 수 있고(접지된 것에 전력을 공급하고 전력이 공급되는 것을 접지시킴), 동일 결과를 여전히 달성한다. 임의의 이런 회로들 중 양쪽 측상에서의 전류 흐름/전압 변동을 측정하는 것이 또한 가능하고, 전력 공급된 라인상에서의 전류 흐름/전압 변동을 측정하는 대신에 본 발명은 접지된 라인상에서 이것을 측정할 수 있고, 반대의 경우도 마찬가지이다.
일반적으로, 모든 이러한 접근법들은 센서를 선형 위치 센서 또는 단일 감압 버튼 중 어느 하나로 전환시키는데, 이것은 2차원 힘 이미지를 획득하기 위한 능력을 희생시키기는 하지만 스캔 시간을 크게 감소시키고, 스캔 속도를 증가시킨다. 이러한 접근법들, 특히 전체 센서를 단일 감압 버튼으로 전환하는 접근법들은 저 전력 웨이크 업이 요망될 때 유용할 수 있다. 예를 들어, 배터리 전원 디바이스에 대해, 본 발명은 디바이스가 어느 정도의 시간 동안 터치되지 않았을 때마다 저 전력 상태에 디바이스가 들어가기를 원할 수 있다. 이 상태에서, 본 발명이 터치가 센서상의 어딘가 에서든 발생했는지를 결정하기 위해 단일 전기적 라인 또는 소수의 전기적 라인들의 값을 판독할 수 있도록 본 발명은 회로를 구성할 수 있다. 게다가, 이 신호는, 웨이크 업이 어떠한 소프트웨어의 개입 없이도 발생할 수 있도록 하드웨어 웨이크 업/비교 라인에 피딩될 수 있어서, 처리 유닛으로 하여금 센서가 어느 정도의 시간 동안 사용되지 않았을 때 완전히 셧다운되고, 및 터치가 발생할 때 곧바로 되돌려 웨이크 업하도록 허용한다.
처리 상세사항
터치 추적을 필요로 하는 응용들에서, 힘 이미지를 획득한 후에, 컨트롤러는 전형적으로, 센서상에서 힘의 국지화된 지역들인 접촉들을 검출하고 추적하기 위해 해당 이미지를 처리한다. 하기 한 세트의 단계들이 접촉들을 검출하고 추적하기 위해 수행될 수 있다.
정규화
또한 기준선 공제 단계(baseline subtraction step)(이후에 기술됨) 전에 또는 후에, 입력 값들을 알려진 규모로 다시 스케일링하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 센서로부터 원시 ADC 값들을 취하여 이들을 그램(gram)들과 같은 알려진 힘들로 매핑하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 조회 테이블들을 통해, 또는 수학적 공식들을 이용하여 행해질 수 있다. 교정 단계가 제조 시에 또는 매핑을 재교정하도록 요청받을 때 사용될 수 있다. 교정은 전역적일 수 있거나(전체 센서에 적용됨), 센서상의 다양한 로케이션들에서 행해질 수 있다. 후자의 경우, 교정 값들은, 변경이 센서의 표면 위에 걸쳐서 점진적이라는 가정 하에, 전체 센서 위에 걸쳐서 매끄럽게 보간될 수 있다.
기준선 공제
기준선 공제 단계의 목적은 센서에서의 불완전성들, 디바이스 조립에서의 불완전성들, 또는 물체가 센서상에서 정지하고 있었다면 그런 것처럼 지속적 압력 지점들에 의해 야기될 수 있는 비 제로 압력 지역들을 제거하는 것이다. 기준선 공제 알고리듬들은 한 번에 힘 이미지에서 데이터의 하나의 화소를 처리한다. 각각의 이런 화소들에 대하여, 이것은 기준선 값을 저장하는데, 이 값은 각각의 프레임에서의 힘 이미지로부터 공제된다. 전형적으로, 기준선은 센서가 턴 온된 후에 센서의 제1 스캔으로부터 판독 출력되는 값들로부터 설정된다. 기준선은 이후 현재 기준선 값과 특정 센서 로케이션에서의 현재 힘 센서 판독에 기초하여 때마다 갱신될 수 있다. 전형적으로, 기준선은 현재 기준선 값과 현재 센서 판독의 값 사이의 어딘가에 있는 값으로 갱신된다. 프레임당 기준선 값에서의 증가/감소량이 고정된다면, 기준선은 시간 경과에 따라 일정 비율로 변할 것이다. 대안적으로, 프레임당 증가/감소의 비율은 현재 압력 판독과 현재 기준선 값 사이의 차이의 백분율로서 설정될 수 있다. 이 경우에, 기준선은 차이가 더 크다면 더 빨리 변할 것이고, 차이가 작을 때 더 느리게 변할 것이다. 변화율은 힘 분포에서의 변화들이 제거되는 비율을 제어하도록 설정될 수 있다.
일부 응용들에서, 본 발명은, 기준선이 증가하고 있거나 감소하고 있는지의 여부에 의존하여, 각각의 센서 소자에서의 기준선 값에서의 변화율이 달라지기를 원할 수 있다. 이는 기준선이 더 느리게 증가하고 더 빨리 감소하여 사용자가 잠시 동안 센서상에서 꽉 누르고 있다면 기준선이 느리게 증가할 것이어서, 미래 측정들을 던져버릴 가능성을 회피하도록 하는 것이 종종 바람직하기 때문이다. 게다가, 기준선이 자신이 증가하는 것보다 더 빨리 감소한다면, 기준선은 일단 사용자가 센서상에서의 터치를 해제하면 더 신속하게 정상으로 돌아올 수 있을 것이다.
블롭 검출
전형적으로, 압력 분포를 처리하는 데 있어서의 기준선 공제 후의 다음 단계는 블롭 검출(blob detection)이다. 블롭 검출은 비 제로 압력을 갖는 압력 지점들의 연결된 지역들을 찾기 위해 행마다 또는 열마다 힘 분포를 처리하고 또한 이들에게 고유 식별자를 할당하는 알고리듬을 이용한다. 각각의 블롭에 대해, 무게 중심의 (X,Y) 위치, 면적, 총 힘, 압력, 및 일치하는 타원들의 형상과 같은 통계치가 계산된다.
피크 분리
피크 분리는 두 개 이상의 압력 피크를 갖는 블롭들을 추가로 하위분할하기 위해 이용될 수 있는 선택적 단계이다. 피크 분리는 각각의 블롭 내에서 피크들을 찾는 것으로 시작한다. 다음에, 각각의 피크 주위의 화소들에 대해 워터쉐드 알고리듬과 같은 폭 우선 검색 또는 알고리듬이 수행되며, 여기서 더 낮은 힘 값들을 가지고 또한 다른 블롭들의 부분이지 않은 화소들을 향하는 단(step)들만이 취해진다. 이는 각각의 피크 주위의 지역을 실효적으로 분리하고, 또한 이웃하는 피크들이 발견되게 허용한다. 블롭들에 대해 정의된 것과 비슷한 통계치들이 피크들에 대해 계산될 수 있다.
알고리듬들이 요망되는 대로 피크들을 적응적으로 분열시키거나 융합하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 함께 가까이 있는 두 개의 손가락에 의해 형성되는 피크들을 분열시켜서 손가락들이 독립적으로 추적될 수 있도록 하는 것이 종종 바람직하다. 동시에, 사용자 손바닥에서의 상이한 융기들에 의해 형성되는 피크들을 융합시키는 것이 보통은 바람직하다.
응용과 상황에 좌우되어, 본 발명은 블롭 검출, 피크 분리, 또는 터치들을 검출하기 위해 둘 모두의 알고리듬을 함께 수행하기로 결정할 수 있다. 본 발명이 터치들을 추적하는 데에 관심을 갖지 않는 몇몇의 경우에, 본 발명은 이러한 단계들 중 어느 것도 행하지 않고, 센서로부터 판독되는 힘 판독들의 어레이를 사용자에게 단순히 보고한다.
위치 보상
센서에 일부 본래적 비선형성이 있을 수 있기 때문에, 일단 본 발명이 블롭들, 피크들, 또는 접촉들에 대한 좌표들을 갖고 있다면, 추적 정확도를 증가시키기 위해 비선형성에 대한 보상을 적용하는 것이 바람직할 수 있다. 보상은 본질적으로 센서상의 로케이션에 의존하여 변하는 일련의 (X,Y) 위치 오프셋들이다.
이러한 오프셋들은 센서가 설계되거나 제조되는 시점에서 실험적으로 측정되거나 수학적으로 미리 계산될 수 있고, 센서의 메모리에 저장될 수 있다. 보상은 입력 (X,Y) 위치를 취하고 이것을 근처의 출력 (X,Y) 위치에 재 매핑할 것이다. 보상은 더 정확한 조정을 하기 위해 접촉의 힘 또는 면적과 같은 다른 인자들을 또한 고려할 수 있다. 이것은 또한 어떤 접촉들에는 적용되지만, 다른 것들에는 적용되지 않을 수 있다. 예를 들어, 사용자가 센서상에서 스타일러스로 쓰고 있다면, 본 발명은 최고로 가능한 정확도를 달성하기 위해 보상을 적용하기를 원할 수 있다. 그러나, 본 발명은 사용자가 그들의 손바닥으로 센서를 접촉하고 있다면 보상을 적용하지 않기로 결정할 수 있는데, 이는 본 발명이 이런 유형의 터치가 상대적으로 크고 부정확하므로 손바닥 위치의 정확도에 신경 쓰지 않을 수 있기 때문이다.
접촉 추적
소프트웨어로 하여금 시간 경과에 따른 터치들의 의미를 알도록 허용하기 위해, 연속적 프레임들 간에서 터치들을 추적하는 것이 필요하다. 접촉 추적 단계에서, 본 발명은 새로운 프레임으로부터의 접촉들을 오래된 프레임에서의 접촉들과 반복적으로 매칭시킨다. 전형적으로 접촉 무게 중심들 간의 (X,Y) 거리는 매칭을 수행하기 위해 이용되는 핵심 메트릭이다. 한 쌍의 접촉들이 매칭되는 때마다, 새로운 프레임에서의 접촉은 오래된 프레임에서의 접촉의 ID 가 부여되고, "접촉 이동됨" 이벤트가 발생된다. 새로운 프레임에서 검출되는 임의의 접촉들(오래된 프레임에 있지 않았음)은 새로운 접촉으로서 취급되고 새로운 ID가 주어져서, "접촉 시작" 이벤트를 발생한다. 오래된 프레임에 있었지만 새로운 프레임에서 발견되지 않는 임의의 접촉들은 "접촉 종료" 이벤트를 발생하고, ID는 다음 차례에 재활용된다.
터치 추적 알고리듬의 결과들은 피크 분리 알고리듬에 피드백될 수 있다. 이렇게 함으로써, 본 발명은 잡음, 센서에서의 변화, 및/또는 터치의 힘 분포에서의 비 평활성으로 인해 잘못된 피크들이 등장하는 결과로서 아무것도 없는데도 터치들이 가짜로 생멸하는 것을 회피할 수 있다. 이 정보는 또한 피크 분리 알고리듬이 어느 피크들을 분열시키거나 또는 융합할지를 결정하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 피크 분리 알고리듬에 있어서, 본 발명이 이전 프레임에서 터치를 검출했다면, 본 발명은 다음 프레임에서 해당 터치에 대응하는 피크를 발견하려고 시도하도록 피크 분리 알고리듬을 바이어싱할 수 있고, 및 이전 프레임에서의 특정 로케이션에 터치가 없었다면, 본 발명은 다음 프레임에서의 해당 로케이션에서 피크를 발견하려고 시도하지 않게 하거나, 또는 이것을 또 다른 피크와 융합하도록 피크 검출을 바이어싱할 수 있다. 그러나, 이 피드백 단계는, 사라져버린 터치가 계속 추적되는 상황, 또는 새로운 터치가 이것이 이전에 보이지 않았기 때문에 검출되지 않는 상황을 회피하기 위해 주의 깊게 구현되어야만 한다.
외부 컴포넌트들과의 통신
전형적으로, 외부 하드웨어 및/또는 소프트웨어 컴포넌트들은 힘 이미지들, 접촉 이벤트들, 또는 양쪽 모두를 수신하는 데에 관심이 있다. 통신 인터페이스가 센서의 구성, 및 힘 이미지들 및/또는 접촉 이벤트들의 전송을 다룬다. 전형적으로, 통신은, 외부 컴포넌트들에게 그 버전, 사이즈, 감지되는 힘들의 범위, 능력들, 기타 등등과 같은 센서에 대한 정보를 주고, 또한 센서의 작동 파라미터들을 확립하는 핸드쉐이크로 시작한다. 외부 컴포넌트들은 이후 자신들이 요청하기를 원하게 될 정보가 무엇인지를 확립한다. 다음에, 미리 결정된 프레임 레이트로 또는 미리 결정된 이벤트의 발생 시에 센서로부터 정보의 스트림을 전송하는 데이터 스트림이 확립된다. 이 구성은, 외부 하드웨어 및/또는 소프트웨어가 데이터 스트림의 종료, 또는 프레임 레이트, 분해능, 어떤 데이터가 보내지고 있는지, 기타 등등과 같은 스트림의 특성들에서의 변화를 요청할 때까지 지속되고, 그렇지 않으면 그 연결은 끊어진다.
다른 실시예들
능동 보간 전자 장치
행들 및/또는 열들을 따라 보간 특성을 만들기 위해 저항기들을 이용하는 것 대신에, 능동 전자 장치(트랜지스터들, 연산증폭기들, 기타 등등으로 구성됨)을 이용하여, 구동 측상에서의 전압들의 선형 감퇴(linear falloff) 및 감지 측상에서의 전류의 선형 분할(linear split)을 만드는 것이 가능하다. 능동 전자 장치의 이점은, 센서 소자들을 통한 전류 흐름의 결과로서 구동 및 감지 전극들상에서의 전위의 변화로부터 유래하는, 일찍이 설명된 비 선형 보간 거동을 감소시키거나 제거하는 능력이다. 능동 전자 장치는 열/행당 기준으로 인스턴스화될 수 있거나, 또는 행들 또는 열들의 직렬 연결에 걸쳐서 보간을 수행하는 특수 회로들이 만들어질 수 있다. 예를 들어, 인접한 활성 전극들의 각각의 쌍에, 및 또한 활성 전극들의 해당 쌍 간의 각각의 보간 저항기들에 접속되고, 그리고 전극들의 해당 세트에 걸쳐서 보간 특성(또한 전압 감퇴 또는 전류 분할)을 생성하게 될 IC가 설계될 수 있다.
구동 측상에서 보간 특성을 만들기 위한 능동 전자 장치는 저항성 분압기 회로(보간 저항기들과 유사함) 및 자신들의 출력에서 해당 동일 전압을 발생시키기 위해 전압 폴로워들로서 구성되는 연산 증폭기들의 직렬 연결로 만들어질 수 있다. 연산 증폭기들의 출력들은 구동 전극들(활성 및 보간 둘 모두)에 접속된다. 저항성 분할기 회로는 이런 방식으로 센서 어레이의 출력으로부터 전기적 절연될 것이어서, 센서 소자들을 통한 전류 흐름으로 인한 비선형성을 제거한다.
감지 측상에서 보간 특성을 생성하기 위한 능동 전자 장치는 감지 전극들(활성 및 보간 둘 모두)에 접속되는 트랜스임피던스 증폭기들의 직렬 연결로 생성될 수 있다. 각각의 트랜스임피던스 증폭기는 자신이 접속되는 감지 전극을 접지 전위에 유지하려고 시도할 것이다. 그 출력상에서, 이것은 감지 전극을 통해 흐르는 전류에 비례하는 전압을 산출할 것이다. 감지 전극들에 접속되는 트랜스임피던스 증폭기들의 출력 전압들은 평균화 회로를 이용하여 평균화될 수 있는데, 여기서 상이한 전극들의 기여들은 상이하게 가중되어 감도에서의 선형 감퇴를 생성하게 된다. 감지 측을 구현하기 위한 또 다른 방식은 각각의 감지 전극에서 트랜스컨덕턴스 증폭기에 피딩하는 트랜스임피던스 증폭기를 이용하는 것이다. 트랜스컨덕턴스 증폭기의 출력은 이후 정규 IFSA 센서상에서 발견되는 것들과 유사한 보간 저항기들의 직렬 연결에 피딩될 수 있다. 전류 미러로서 기술될 수 있는 이 조합은 접속된 감지 전극을 통하여 흐르는 전류에 비례하는 2개의 증폭기의 출력에서의 전류를 생성할 것이지만, 감지 전극은 접지 전위에 남아 있을 것이고, 그에 의해 비선형성을 제거한다.
부분 보간 힘 센서 어레이들
지금까지 기술된 실시예들이 행 전극과 열 전극의 각각의 쌍 사이의 보간을 가능하게 하지만, 보간을 가진 센서 영역들과 보간 없는 다른 센서 영역들을 혼합하거나, 또는 어느 한 센서 축을 따라 보간을 갖지만 다른 것에 대해서는 그렇지 않은 것이 바람직한 응용들이 있을 수 있다.
일 실시예에서, 행들상에서만 또는 열들상에서만 보간 저항기들을 갖는 것이 가능하다. 이것은, 보간에 의해 제공되는 구동/감지 전자 장치의 높아진 감지 정확도 또는 감소된 양이 어느 한 축에 대해서만 필요한 응용들을 위해, 어느 한 축을 따른 보간을 생성할 것이나 다른 것을 따라서는 그렇지 않을 것이다.
또 다른 실시예에서, 인접 열들의 일부 쌍들 또는 인접 행들의 일부 쌍들 사이에 보간 저항기들을 빠뜨리는 것이 가능하다. 이것은 보간이 발생하는 영역들을 분할하는 효과를 가질 것이어서, 서로 인접해 있는 분리된 보간 센서 구역들을 생성한다. 이 설계에서, 보간 저항기들에서의 "분할(break)"의 양쪽 측상에서의 전극들은 바람직하게는 활성 전극들일 것이어서 각각의 분리된 보간 구역이 그 에지까지 내내 스캐닝될 수 있도록 한다.
비 보간 힘 감지 어레이들
기술된 션트 모드와 쓰루 모드 센서 구성들 모두에 의해, 비 보간 스캐닝을 가능하게 하는 것이 또한 가능하다. 이 경우에, 어떠한 보간 저항기들도 있지 않을 것이다. 그 대신에, 다중화 회로는 구동 및 감지 전자 장치가 전극들 중 임의의 것과 접속하게 허용할 것이다. 다시 말하면, 모든 전극들은 비 보간이다. 다중화 전자 장치는 (더 낮은 분해능과 다중 분해능 스캔 모드들을 위해) 동시에 다중 전극에의 접속을 또한 허용할 수도 있다.
이 접근법으로, 더 정확하게 접촉의 위치를 측정하고, 다중 터치의 더 나은 중의성 해결(disambiguation)을 수행하고, 및 터치 면적을 더 잘 계산하는 것이 가능할 수 있다. 스타일러스와 손가락을 수반하는 응용들에 대해, 단순히 터치의 면적을 측정함으로써 센서를 터치하는 손가락로부터 스타일러스를 구별하는 것이 가능할 수 있다.
게다가, 다중화 전자 장치는 이들이 보간 모드와 비 보간 모드 간에 스위치할 수 있는 그러한 방식으로 설계될 수 있다. 보간 모드에서, 전극들의 서브셋만이 구동/감지 전자 장치에 접속될 것이고, 전극들의 나머지는 정상 IFSA에서와 같이 보간 저항기들을 통해 접속될 것이다. 비 보간 모드에서, 모든 전극들은 구동/감지 전자 장치에 접속될 것이다. 이것은 응용이 보간 센서들의 전력, 성능, 및 속도 이점들과, 비 보간 센서들의 증가된 분해능을 활용하는 것을 가능하게 할 것이다.
다른 컴포넌트들 (6300)-( 6400)과의 IFSA의 통합
가요성 오버레이들 및 언더레이들
IFSA 센서들의 보간 특성은 우리로 하여금 구동 전자 장치에 대하여 센서 의 분해능을 증가시키도록 허용한다. 전형적으로 감지 소자들/전극들 간의 거리보다 훨씬 더 클, 손가락들과 같은 추적 물체들에 대하여, 이 접근법은 매우 정확한 추적을 산출한다. 그러나, 스타일러스와 같은 물체들에 대해, 접촉 면적의 사이즈는 감지 전극들 사이의 거리보다 훨씬 더 작을 수 있다. 이 경우에, 스타일러스가 IFSA 센서 위에 걸쳐서 움직임에 따라, 스타일러스 추적이 불연속적인 (센서 소자들의 중심들 부근의) 영역들이 있을 수 있다.
그와 같은 물체들에 대한 추적 성능을 개선하기 위해, 본 발명은 센서 위에 걸쳐서 얇은 가요성/압축성 층을 추가할 수 있다. 이 층은 물체가 약간 층 내로 압축하는 것을 허용하여, 접촉의 표면적을 증가시키고, 그에 의해 더 연속적인 추적 응답을 생성한다. 이것을 더 명료화하기 위해, 본 발명이 1.25㎜ 지름의 팁을 가진 스타일러스를 사용하려고 시도하고, 본 발명이 이용하고 있는 센서는 가까운 센서 소자들 간에 대략 1㎜ 거리(0.25mm - 2.5mm)를 갖는다고 가정한다. 접촉이 직접적으로 스타일러스에 의해 센서와 이루어지면, 단지 점 접촉이 이루어질 것이고, 센서는 어느 센서 소자가 접촉되고 있는지 만을 말해줄 수 있을 것이고, 스타일러스가 센서 소자들 사이의 어디에 있는지를 말해 주지 못할 것이다. 이제, 본 발명이 센서 위에 두께가 0.625㎜ 인 가요성 물질을 추가하고 그리고 이것을 스타일러스로 터치하면, 스타일러스는 가요성 물질 내로 약간 압축할 수 있을 것이다. 이것이 물질 내로 압축함에 따라, 접촉의 표면적은 대략 1.25㎜의 지름까지 증가할 것이다. 이제, 스타일러스가 표면을 가로질러서 움직임에 따라, 이것은 항상 두 개 이상의 센서 소자를 활성화할 것이다. 그 결과, 본 발명은 센서 소자들 사이의 1㎜ 피치보다 상당히 더 큰 분해능으로 그것을 추적할 수 있을 것이다.
이 접근법의 유일한 단점은 가요성 층이 증가된 마찰 때문에 계속 필기하기에 어려울 수 있다는 것이다. 이것에 대처하기 위해, 본 발명은 표면 촉감을 향상시키기 위해 가요성 층 위에 또 다른 얇은 텍스처된 층을 둘 수 있다. 또 다른 실시예에서, 본 발명은 센서 아래에 마찬가지로 가요성 층을 추가하고, 스타일러스의 접촉 면적을 증가시키는 동일 효과를 달성할 수 있다.
디스플레이들과의 통합
IFSA 센서들이 터치 디스플레이를 만들기 위해 디스플레이들과 통합될 수 있다. 센서들의 투명 버전들이 디스플레이 위에 오버레이될 수 있다. 센서의 불투명 버전들이 디스플레이 아래에 놓여질 수 있다. 가능한 디스플레이 유형들은 OLED, (전자 종이 디스플레이들과 같은) 전기영동 디스플레이들, LCD, 및 반사성 LCD를 포함한다. 모든 이러한 조합들에서, 층들 사이에 범프들 또는 입자들이 가두어지는 것을 회피하도록 주의를 기울여야만 하는데, 이는 이러한 입자들이 센서 정확도를 저하시키는 압력 집중을 만들 수 있기 때문이다.
오늘날, 대부분의 디스플레이들은 유리와 같은 강성 기판들 위에 구축된다. 그러나, 강성 디스플레이는 정확한 터치를 허용하기에 충분하게끔 힘들을 전달하지 않을 수 있다. 그러므로, 가요성 디스플레이를 이용하는 것이 바람직하다. 유리하게는, 이러한 디스플레이 기술들은 가요성 중합체 필름 또는 가요성 유리와 같은 가요성 기판들 상에 또한 제조될 수 있어서, 가요성 디스플레이들을 생성한다. 이러한 가요성 디스플레이들은, IFSA 센서 상에 오버레이될 때, IFSA 센서 성능에 최소한으로 영향을 미친다.
IFSA 감지 기술을 디스플레이 자체의 층들에 통합시키는 것이 또한 가능할 수 있다. 예를 들어, LCD 디스플레이와 같은 디스플레이의 전극들과 IFSA의 전극들을 나란히 놓고, 컬러 필터/편광기와 같은 디스플레이의 다른 층들 중 일부와 FSM을 나란히 놓는 것이 가능할 수 있다. 또 다른 예로서, LCD의 TFT 패널과 백라이트 조명원 사이 내에 투명 IFSA 센서를 놓는 것이 가능하다.
션트 모드 IFSA 센서 위에 직접적으로 디스플레이를 갖는 것이 바람직한 경우에서, 디스플레이가 상위 층으로서 작용하는 것이 가능하다. 이것을 하기 위해, 디스플레이의 바닥 측은 프린팅 탄소 잉크와 같은 이미 언급된 FSM 물질들 중 임의의 것으로 직접적으로 코팅될 수 있다. 대안적으로, 탄소 첨착 필름과 같은 FSM 물질이 디스플레이의 배후 측 상으로 라미네이팅되거나, 본딩되거나, 또는 용융될 수 있다. 또한, 이미 FSM이 바닥 층 내에 첨착되게 한 디스플레이 기판을 만드는 것이 가능하여서, 디스플레이의 바닥 상으로 추가적 프린팅/라미네이션 단계가 있을 필요가 없도록 한다. 이 모든 경우들에서, 디스플레이는 IFSA의 상위 층의 역할을 하고, 이것은 디스플레이 + IFSA 센서 조합을 만들기 위해 션트 모드 전극 패턴을 가진 층 위에 단순히 놓여져 있어야 할 것이다. 대안적으로, 디스플레이 기판의 바닥은 쓰루 모드 센서의 상위 층 또는 션트 모드 센서의 바닥 층(전극들을 포함함)의 역할을 할 수 있다. 이 모든 옵션들의 이익은 증가된 수율, 감소된 비용, 및 감소된 전체 두께의 기회이다.
디스플레이 스택에서의 다양한 층들이 이전 섹션에서 설명된 대로 스타일러스 추적의 분해능을 향상시키기 위해 가요성을 갖도록 또한 설계될 수 있다. 예를 들어, 디스플레이가 전면 광 또는 배면 광(backlight)을 갖는 경우에, 실리콘과 같이 가요성이고 투명한 광 전송 물질을 선택하는 것이 가능할 수 있다. 이 경우에, 전면 광/배면 광은 센서 위에 걸친 더 나은 힘 분포를 생성하는 것을 도울 것이어서, 추적 정확도를 높인다. 덧붙여, 이 접근법은 우발적 충격들을 완화시킴으로써 디스플레이 및 센서 신뢰성을 향상시키는 것을 도울 수 있다.
다른 감지 기술들과의 통합
IFSA 센서들은, 용량성, 전자기 공진(EMR), 광학적, 음향적, 기타 등등을 포함하여 많은 다른 유형의 감지 기술들과 통합될 수 있다. 일부 가능한 센서와 디스플레이 조합들이 도 63 (6300)- 도 64 (6400)에 묘사된다. IFSA가 이러한 감지 기술들과 통합될 수 있는 몇몇 방법들이 아래에 상세히 설명된다.
용량성 터치
용량성 터치 센서는 IFSA 센서 위에 오버레이될 수 있다. IFSA 센서의 행들 및/또는 열들은 심지어 용량성 센서상의 행/열 라인들로서 이중의 의무를 다할 수 있다. 이 구성은 시스템의 감도를 매우 가벼운 터치까지 증가시키는데 사용될 수 있다. 용량성 센서는 또한 IFSA 센서 위의 손가락 "호버링"/"근접성"을 검출하는데 사용될 수 있다(이것은 또한 센서에의 손바닥들, 손들, 얼굴들, 또는 다른 몸 부위들/도전성 물체들의 근접성을 검출하는데 사용될 수도 있다). 이 구성의 또 다른 이익은 이것이 손가락들과 같은 도전성 물체들을 플라스틱 스타일러스와 같은 비 도전서 물체들로부터 구별하는 것이 가능할 것이라는 점이다.
이것은 도전성 물체가 (IFSA 센서를 통한) 힘 시그니처와 (용량성 센서를 통한) 용량성 시그니처 양쪽을 가질 것인 반면, 비 도전성 물체는 힘 시그니처만을 가질 것이고 용량성 센서에게 보이지 않을 것이기 때문이다. 게다가, 전체적 감지 정확도 및/또는 성능을 향상시키기 위해 용량성 센서와 IFSA의 조합 신호를 이용하는 것이 가능할 수 있다.
IFSA 센서들이 정밀한 터치 추적을 다룰 수 있기 때문에, 용량성 센서의 복잡도와 비용은 감소될 수 있고, 용량성 센서는 터치 검출이 아니라 (용량성 터치 센서를 통한) 호버링 및 (IFSA 힘 센서를 통한) 터치와 힘 감지 양쪽을 가능하게 하도록 호버링/근접성 검출을 위해 튜닝될 수 있다.
용량성 센서는 터치가 IFSA 센서에 의해 감지되기 전에 이 터치를 감지할 수 있기 때문에, 용량성 센서는 또한 웨이크업 소스로서 이용될 수 있다. 이것은 시스템으로 하여금 용량성 센서가 인에이블될 때마다 IFSA 센서를 차단함으로써 전력을 절감하게 허용할 것이다. 반대로, IFSA 센서는 용량성 센서를 교정하는데 사용될 수도 있다. "접촉 시작" 또는 "접촉 종료" 이벤트가 IFSA상에 등록될 때마다, 용량성 센서는 이러한 이벤트들을 이용하여 그것의 터치 감도를 교정할 수 있다. 이런 방식으로, 호버링/근접성을 측정하기 위한 용량성 센서의 능력은 실행 시간에 동적으로 정교화될 수 있다
상호 용량성(mutual-capacitive) 및 자기 용량성(self-capacitive) 스타일의 용량성 센서들 모두가 이용될 수 있다. 상호 용량성 센서들은 행 및 열 전극들의 세트로 구성되어, 각각의 열과 행의 교차점에서 커패시터를 형성한다. 각각의 이러한 커패시터들은 커패시턴스 값들의 그리드를 만들기 위해 용량성 감지 전자 장치에 의해 측정될 수 있다. 손가락의 존재는 행 전극과 열 전극 사이의 측정된 커패시턴스가 떨어지도록 야기하는 접지에의 용량성 결합을 생성한다. 자기 용량성 센서들은 하나 이상의 용량성 "패드들"로 구성된다. 각각의 것은 감지 전자 장치에의 접속을 갖는다. 자기 용량성 센서에 있어서, 접지에의 각각의 패드의 커패시턴스가 측정된다. 이 커패시턴스는 손가락이 접근함에 따라 증가한다. 상호 용량성 센서들은 전형적으로 더 정확하지만, 더 짧은 범위에서 작동하고 또한 전기적 잡음에 더 민감하다. 자기 용량성 센서들은 전형적으로 덜 정확하지만(높은 분해능 그리드를 만드는 것이 어렵기 때문임), 더 큰 범위에서 동작할 수 있고, 전형적으로 전기적 잡음에 덜 민감하다. 어느 것이든 IFSA와 함께 사용될 수 있다.
용량성 터치 센서들이 IFSA 센서들과 비슷한 기판상에 만들어질 수 있기 때문에, 용량성 터치 센서의 층들 중 전부 또는 일부를 IFSA 센서의 미사용 측들상에 패터닝하는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 쓰루 모드 IFSA 센서에 있어서, 캡 터치 감지 전극들의 세트를 상위 기판의 상위 측 상으로 패터닝하고 또한 상위 기판의 바닥 측상에 있는 전극들을 IFSA와 캡 터치 구동 전극들의 양쪽으로서 이용하는 것이 가능할 수 있다. 션트 모드 IFSA 센서에 있어서, 캡 터치 전극들 또는 지역들의 세트를 힘 감지 층의 상위 상으로 패터닝하는 것이 가능할 수 있다.
일 구성에서, IFSA 센서 자체의 FSM이 용량성 터치 센서로서 이용될 수 있다. 이 구성에서, 하나 이상의 접속들이 FSM에 대해 이뤄질 것이고, 센서는 용량성 감지 모드와 힘 감지 모드 간에서 교대로 스위치할 수 있다. 이는 실효적으로 FSM을 자기 용량성 센서로 전환할 것이고, 이는 호버링/근접성을 검출하는 데에 양호할 것이다. 용량성 감지 모드에서, IFSA 전극들은 접지되고/부동(floating)되어, FSM의 커패시턴스가 IFSA 행/열 전극들로부터의 영향 없이 측정되도록 허용한다. 힘 감지 모드에서, FSM은 접속해제될 수 있고(또는 고 임피던스 상태에 밀어넣어짐), IFSA는 보통과 같이 스캐닝될 수 있다.
또 다른 구성에서, IFSA의 전극들은 상호 용량성 센서를 만들기 위해 이용될 수 있다. 이 경우에, 동일 센서가 용량성과 저항성 감지의 양쪽을 위해 사용될 수 있다. 이 접근법은 용량성 스캔 모드를 통해 가벼운 터치 및 호버링/근접성 감지를 가능하게 하고, 저항성 IFSA 스캔 모드를 통해 더 정확하고 더 높은 압력 힘 감지를 가능하게 할 것이다. 이 구성에서의 주요 도전 과제는 FSM이 전계의 일부를 차단할 수 있다는 것이다. 이것을 회피하기 위해, FSM은 센서의 용량성 필드의 일부 부분에 투명하도록 설계될 수 있다. 대안적으로, 션트 모드 IFSA에서, 전체 센서가 위 아래가 뒤집힐 수 있어서, 전극들을 가진 측이 사용자에 더 가까운 측이 되며, 따라서 전적으로 문제를 회피한다.
용량성과 저항성 감지의 양쪽을 위해 전극들은 이용하는 것에 따른 또 다른 어려움은 보간 저항기들이 용량성 측정들을 방해할 수 있다는 것이다. 이 문제를 회피하기 위해, 본 발명은 보간 저항기들을 (페라이트 칩 인덕터들과 같은) 유도성 컴포넌트들로 대체할 수 있다. 저 주파수들에서(힘 감지 스캔) 이것들은 저항기들의 역할을 할 것이다. 고주파수들에서(용량성 스캔) 이것들은 자신들의 임피던스를 증가시키고 용량성 신호들이 통과하는 것을 차단할 것이다. 이것을 성취하기 위한 또 다른 방법은 인접한 활성 라인들 간에 저항성 네트워크들 대신에 소형 IC들을 이용하는 것일 것이다. IC들은, 보간 라인들이 저항기들을 통해 서로 고리로 걸리듯 접속되는(hook up) 저항성 모드와, 보간 라인들이 서로로부터 접속 해제되는 또는 각각의 활성 라인이 여러 인접한 보간 라인들에 접속하는 용량성 모드 사이에서 스위치할 수 있다. 모든 이러한 경우들에서, 본 발명은 저항성 스캔의 고 분해능과 보간을 보존할 것이다. 용량성 스캔 모드에서, 스캔 분해능은 활성 라인 분해능까지 아래로 감소할 것이다. 이 접근법에 따른 또 다른 도전 과제는 FSM의 존재가 용량성 스캐닝을 방해할 수 있다는 것이다. 다행히, 사용자들이 터치하지 않고 있거나 또는 단지 가볍게 터치하고 있을 때, FSM의 저항은 높다. 그러므로, 용량성 스캔 모드는 최소로 영향을 받을 것이다. 게다가, 본 발명은 센서의 상이한 지역들에서 저항성과 용량성 스캔 모드들 간에서 스위치할 수 있다. 어떤 터치도 검출되지 않는 지역들에서, 스캔은 용량성 모드로 스위치할 수 있다. 터치가 검출된 지역들에서, 스캔 모드는 저항성으로 스위치할 수 있다.
용량성 터치, IFSA ,및 디스플레이를 조합하는 것이 요망되는 경우에, 디스플레이는 또한 투명 용량성 터치 센서와 비 투명 IFSA 센서 사이 내에 놓여질 수 있어서, 용량성 터치의 호버링 및 경 터치 능력과 IFSA의 정밀도와 힘 감도의 양쪽을 가진 터치 디스플레이를 만든다.
투명 IFSA들을 이용하는 다른 구성들이 가능하며, 여기서 용량성 센서와 IFSA 센서의 양쪽 모두(또는 양쪽 요소들을 조합하는 센서)가 디스플레이 위에 놓여진다.
자성/전자기 감지
IFSA 센서들이 자계들에 투명하기 때문에, IFSA 센서 아래에 (종종 스타일러스 추적을 위해 사용되는) EMR(electromagnetic resonance) 센서와 같은 전자기 센서를 놓고 그를 통하여 감지하는 것이 가능하다. RFID/NFC가 전자기파 펄스들을 RFID/NFC 태그/송수신기에 보내는 비슷한 방식으로 작동하기 때문에, 센서 아래에 RFID/NFC 판독기/기입기 코일들을 놓는 것이 또한 가능하다. 자계들이 전력을 전송하는 데에 이용될 수 있기 때문에, 전력을 가까운 디바이스에게 전송하기 위해 IFSA 센서 아래에 있는 코일들을 이용하는 것이 또한 가능하다. 실제로, 모든 이러한 기술들(EMR, RFID, NFC, 및 무선 전력)은 이들 모두가 자계를 발생하기 위해 하나 이상의 코일들을 이용하기 때문에 조합될 수 있다. 이 섹션의 나머지에서, 본 발명은 EMR/RFID/NFC 감지를 그냥 EMR 감지로서 가능하게 하는 기술을 언급할 것이다.
EMR 감지를 IFSA와 조합함으로써, 센서 위에서 물체들의 로케이션과 힘을 검출하는 것이 가능하게 될 뿐만 아니라, EMR/RFID/NFC 태그/송수신기를 갖는 물체들을 고유하게 식별하는 것도 가능하게 된다. 물체들과 센서 사이에서 전력 또는 데이터를 전송하는 것이 또한 가능하게 된다. 이러한 물체들은 키보드들, 컴퓨터 마우스, 버튼들, 슬라이더들, 노브들, 스타일러스들, 및 심지어 이동 전화기와 태블릿들을 포함할 수 있다. 다중 EMR/RFID/NFC 송수신기를 이러한 물체들에 놓음으로써, 물체들의 단지 위치뿐만이 아니라 배향도 감지하는 것이 가능하게 된다(예를 들어, 스타일러스에 대해, 송수신기가 팁과 지우개 측들에 넣어지면, 사용자가 기입하고 있는지 지우고 있는지를 구분하는 것이 가능하다).
또한, 추가 정보를 추출하기 위해 IFSA 센서와 EMR 센서로부터 정보를 조합하는 것이 가능하다. 스타일러스의 경우에, 예를 들어, 스타일러스 터치의 위치와 EMR 송신기의 위치를 비교하는 것에 의해, 스타일러스의 경사각을 결정하는 것이 가능하다. 전체적 정확도 및/또는 성능을 향상시키기 위해 EMR 센서와 IFSA 센서의 신호를 조합하는 것이 또한 가능할 수 있다. 이는 EMR 센서가 더 나은 "상대적" 추적 성능을 가질 수 있는 반면(다시 말하면, 이것은 위치에서의 작은 변화를 측정하는데 있어서 더 나을 수 있음), IFSA 센서는 더 나은 "절대" 추적 성능을 가질 수 있다(다시 말하면, 이것은 물체 위치의 더 정확한 추정을 가질 수 있지만, 매우 작은 움직임들을 정확하게 측정하지 못할 수 있음). 이는 EMR 센서들이, 전형적으로 IFSA 센서들에 영향을 미치지 않는 철 함유 물체들과 외부 자계들의 존재에 의해서 영향을 받을 수 있기 때문이다.
EMR 센서가 전형적으로 PCB 층 상에 제조되기 때문에, IFSA 센서에 대해 사용되는 바닥 PCB를 EMR 센서에 대해 시용되는 PCB와 조합하여, 양쪽 기능성들을 가진 3-4 층 PCB를 만드는 것이 가능하다. IFSA 센서를 EMR 센서와 조합하기 위한 또 다른 방법은 EMR 센서의 일 부분(행 또는 열 자성 코일들을 포함함)을 IFSA 센서의 어느 한 미사용 측 상에 패터닝하고 또한 EMR 센서의 다른 부분을 IFSA 센서의 다른 미사용 측 상에 패터닝하는 것이다. 이것은 상위와 바닥 기판 양쪽 모두가 하나의 미사용 측을 갖는 쓰루 모드 IFSA 센서에 대해 가장 편리하게 행해진다.
IFSA 및 EMR의 센서 조합은 또한 디스플레이 아래에 놓여질 수 있어서 EMR 센서에 의해 허용되는 추가 능력들을 가진 터치 스크린을 만들 수 있는데, 이는 EMR 신호들과 IFSA 신호들 양쪽 모두가 디스플레이에 의해 차단되지 않기 때문이다. 대안적으로, 디스플레이 위에 투명 IFSA 센서를 놓는 한편, 디스플레이 아래에 EMR 센서를 놓는 것이 가능하다.
광학적 감지
손가락들 또는 물체들을 광학적으로 추적할 수 있는 광학적 감지 기술들이 증명되었다. 이러한 기술들의 일부는 표면 전체에 걸쳐서 광 빔들을 쏘고 빔들 중 하나 이상이 중단된 것을 검출함으로써 작용한다. 다른 것들은 이미터들과 수신기들의 어레이를 이용하고, 사용자로부터 튕겨 나온 광을 검출한다. 이런 유형의 센서는 심지어 OLED 또는 LCD 디스플레이와 같은 디스플레이에 통합될 수 있다. 다른 기술들은 사용자의 손의 로케이션을 보기 위해 카메라를 사용한다. 또한, 이런 유형의 센서들의 광 경로를 박막들 및 심지어 디스플레이 백라이트들에 압축할 수 있는 다양한 영리한 설계들이 보여졌다.
IFSA 감지 기술은, 광학적 센서 아래에 IFSA를 놓음으로써 또는 광학적 센서 위에 투명 IFSA를 놓음으로써 이러한 광학적 감지 기술들 중 대다수의 것과 통합될 수 있다. 설명된 광학적 감지 기술들 중 일부는 호버링 및 근접성을 감지하는데 양호하지만, 터치가 실제로 표면을 접촉한 때 또는 터치의 힘을 정확하게 검출하지 못할 수 있다. 이것은 야외 환경들에서 특히 사실일 수 있으며, 여기서 밝은 태양광이 광학적 센서 동작을 방해할 수 있다. IFSA 센서와 광학적 센서의 출력은 더 강건하고 그리고 터치 표면 위의 물체들을 추적하고, 정확하게 표면과의 접촉을 검출하고, 및 표면에 가해지는 힘을 측정할 수 있는 조합을 만들도록 조합될 수 있다.
용량성 , 전자기, 및 광학적 센서들의 조합
모든 네 가지 기술(IFSA, EMR, 용량성, 및 광학적 터치)은 함께 조합되어 이러한 기술들의 모든 특징들(힘 감지, 호버링과 경 터치, EMR/NFC/RFID 송수신기들의 추적/전력 공급)을 단일 센서에서 얻도록 할 수 있다. 앞서 설명한 대로, 이러한 센서들은 비용과 두께를 줄이기 위해 스택업(stackup)에서의 다양한 층들을 공유할 수 있다. 이것들은 또한 디스플레이들과 조합되어 새로운 사용자 인터페이스들, 하드웨어 디바이스들, 및 고유한 사용자 경험들을 만들 수 있다.
특징들 및 이점들
높은 정확도, 큰 사이즈로의 확장성, 및 터치당 힘 감도를 갖는 것에 더하여, 본 발명은 많은 다른 바람직한 특성들을 갖는다. 첫째로, 본 발명에 기초한 센서들은 전기적 잡음들에 둔감하고, 그러므로 이들은 상당한 정도의 전기적 실드를 필요로 하지 않고, 대다수의 환경들에서 강건하게 동작할 수 있다. 이것은 또한 신호들에 대해 행해져야만 하는 필터링과 후 처리의 양을 감소시키는데, 이는 아날로그 회로들과 필터링 알고리듬들의 복잡도를 감소시키고 전력 소비를 줄인다.
본 발명 센서들은 터치 지점당 몇 그램부터 몇 킬로그램까지의 힘으로부터의 높은 동적 범위의 힘 감도를 제공한다. 용량성 센서들과는 달리, 본 발명 센서들은 인간 손가락들과 같은 도전성 물체들만이 아니라 플라스틱 스타일러스와 같은 임의의 물체들도 감지할 수 있다. 이것은 또한 장갑들을 끼고 있거나 매우 거친 피부를 갖는 사용자들의 손가락들을 감지할 수 있다.
본 발명은 크게 설계 절차를 단순화한다. 본 발명 센서들의 터치 분리 분해능과 터치 추적 분해능은 개별적으로 제어될 수 있고, 특정 응용의 요구 사항들에 쉽게 맞춰질 수 있다. 주어진 센서 구성은 센서 특성들을 변경하지 않고서 그 사이즈가 증가되거나 감소될 수 있고, 그러므로, 특정 센서 설계가 넓은 범위의 제품들에 적용될 수 있어서 설계 비용을 줄이고 마케팅할 시간을 단축시킨다. 게다가, 심지어 본 발명 센서들의 형상은 센서 성능을 변경하지 않고서 바뀔 수 있다. 예를 들어, 장방형 센서 설계는 원통형, 장타원형, 도넛, 땅콩 형태 센서들, 및 2차원 표면에 매핑될 수 있는 임의의 다른 형상으로 쉽게 수정될 수 있다. 수정된 센서는 최초 장방형 센서 설계와 (터치 추적 정확도와 힘 감도를 포함하여) 동일 성능을 가질 것이다.
본 발명 센서들은 비 평탄 표면들로 둘러싸일 수 있고, 심지어 다양하고 상이한 제조 방법들을 이용하여 디바이스들의 외부 표면들상에 직접적으로 제조될 수 있다. 센서들은 심지어 직물 및 연질 재료들에 통합될 수 있다.
본 발명 센서들은 손쉬운 제조 공정들에 의해 제조될 수 있는데, 이 공정들은 표준 강성 또는 표준 가요성 인쇄회로기판(PCB) 제조 방법들을 포함하고, 이 방법들은 감법 공정(subtractive process) 또는 가법 공정(additive process)들을 이용한 도전성 잉크들의 프린팅을 수반하는 PE(printed electronics) 방법들을 보통 수반한다. 강성의 또는 가요성의 PCB상에 센서를 구축하는 능력의 한가지 주요 장점은 모든 감지 전자 장치(뿐만 아니라 다른 전자 장치)가 SMT(표면 장착)와 같은 표준 공정을 이용하여 센서 자체와 동일한 PCB 기판상에 직접적으로 부착될 수 있다는 것이다. 전자 장치는 센서와 동일 표면 상에 놓일 수 있거나, 또는 센서 표면의 배후 측상에 탑재될 수 있다. 또한, 일부 컴포넌트들(예를 들어, 레지스터들)은 심지어 센서 기판에 내장될 수 있다. 대안적으로, 센서는 센서가 되는 것 외에도 다른 기능성을 가질 수 있는 이미 존재하는 회로 기판 설계에 추가될 수 있다. 예를 들어, 우리는 TV 원격 또는 게임 컨트롤러 PCB(이것은 이미 이산 버튼들을 가진 PCB를 가짐), 마이크로컨트롤러, 송신기, 및 다른 회로를 취할 수 있고, 최소 설계 변경들로 해당 동일 PCB에 IFSA 센서 지역을 더할 수 있다.
스캐닝 전자 장치는 어떠한 이색적 컴포넌트들도 필요로 하지 않고, 기성품 부품들로 또는 주문형집적회로(ASIC)로 구축될 수 있다. 대부분의 경우에, 스캐닝 전자 장치는 단일 마이크로컨트롤러 및 (저항기들과 커패시터들과 같은) 몇몇 소형의 저렴한 이산 컴포넌트들에 의해 구현될 수 있다.
다른 터치 기술들과 비교해서, 본 발명 기술은 본래적으로 저 전력이고, 해당 전력을 추가로 감소시키기 위한 많은 방식들을 지원한다. 예를 들어, 본 발명은 다중 분해능 스캐닝을 지원하는데, 이것은 사용자, 또는 센서들을 이용하는 소프트웨어로 하여금 스캔 분해능을 감소시키는 한편, 동시에 실시간으로 속도를 증가시키고 전력 소비를 감소시키는 것을 허용한다. 센서 설계는 또한 센서의 완전 스캔을 수행하여야 하지 않고서도 단일의 또는 다중 터치의 존재 및/또는 근사적 로케이션을 검출할 수 있는 감소된 기능성에 의해 심지어 낮은 전력 모드들을 지원한다. 본 발명은 악기들과 같이, 고속의 피드백 또는 응답을 요구하는 응용들을 위한 매우 빠른 프레임 레이트들을 지원한다.
최종적으로, 본 발명은 강건하고, 또한 소비자, 군, 자동차, 및 산업 전자 장치의 엄격한 환경적 요건들을 극복하도록 설계될 수 있다. 이것이 커패시턴스의 변화들이 아니라 힘을 감지하기 때문에, 이것은 물 또는 다른 유체들의 존재 하에서 동작할 수 있고, 기밀 밀봉될 수 있어서, 이것이 수면 아래에서 또는 가장 적대적 환경들에서 기능하는 것을 허용한다.
예시적 응용 맥락
본 발명에서 제시된 센서들은 많은 상이한 응용들에 대해 사용될 수 있다. 이러한 응용들은 범용 다중 터치 입력을 포함하여, 버튼들 또는 슬라이더들과 같은 더 단순한 이산적 제어들을 대체하고, 압력 분포들을 측정하는 범주들에 속한다. 제1 범주에서, 응용들은 전화기, 태블릿, 랩톱, 및 디스플레이 터치 패널들 및 또한 기입 패드들, 디지타이저들, 서명 패드들, 트랙 패드들, 및 게임 컨트롤러들과 같은 응용들이 있다. 제2 범주에는, 장난감들, 악기들(전자 피아노들, 드럼들, 기타들, 및 키보드들과 같은 것), 디지털 카메라들, 손 도구들, 및 자동차와 기타 차량들상에서의 대시보드 제어들을 대체하는 것과 같은 응용들이 있다. 제3 범주에는, 과학적/산업적 측정(표면의 형상 또는 평탄성을 측정하는 것과 같은 것), 의료용 측정(침대에서 사람의 발 또는 이들의 움직임의 압력 분포를 측정하는 것과 같은 것), 및 로봇 공학 응용들(로봇에게 터치와 접촉을 느끼는 능력을 수여하기 위한 센서들로 로봇을 코팅하는 것과 같은 것)에서의 응용들이 있다.
게다가, 열거된 것들을 넘어서서 많은 다른 응용들이 있고, 많은 응용들은 상이한 방식들로 센서들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 일부 응용들에서, 센서는 범용 입력, 버튼들 또는 슬라이더들과 같은 단순 제어들의 세트, 및 지역 압력 센서로서 이용될 수 있다. 이러한 상이한 용도들은 동시발생적일 수 있거나, 시간상 분리될 수 있거나, 공간상 분리될 수 있다(센서의 상이한 지역들이 상이한 방식들로서 행동한다). 더 중요하게는, 센서의 상이한 용도들이 모두 소프트웨어로 가능해질 수 있어서, 설계자/개발자에게 이들이 센서를 사용하는 방식에 있어서 놀라울 정도의 융통성을 부여한다는 것이다.
사용자 인터페이스 응용들에서, 본 발명 센서들은 이들이 경 터치와 누름을 구별할 수 있기 때문에 매우 유용하다. 스마트폰 또는 태블릿과 같은 직접 조작 인터페이스들에서, 경 터치는 사용자들이 어느 한 지역에서 다른 지역으로 자신들의 손가락들을 움직이고 있을 때, 스크롤링할 때, 슬라이딩할 때, 또는 스크린상 아이템에 관한 더 많은 정보를 원할 때 사용자들에 의해 종종 이용된다. 중 터치는 드래깅, 선택, 활동화, 및 제어 참여를 위해 사용될 수 있다. 게다가, 상이한 레벨들의 중 터치가 상호 작용의 강도/진폭을 바꾸는데 사용될 수 있다. 트랙 패드들, 기입 패드들, 및 디지타이저 패드들과 같은 간접 조작 응용들에서, 경 터치는 커서를 화면상에서 이동시키고 또한 더 많은 정보를 얻기 위해 아이템 위에서 호버링하는 것을 위해 이용될 수 있는 한편, 중 터치는 드래깅, 선택, 활성화, 또는 조작을 위해 (클러치로서) 이용될 수 있다. 최종적으로, 압력은 사용자 의도를 평가하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 우리가 버튼들, 슬라이더들, 및 노브들과 같은 물리적 제어들을 시뮬레이팅하는 경우(예를 들어, 키보드, 녹음용 믹서, 또는 포괄 제어 패널을 에뮬레이팅할 때)의 응용들에서, 제어들은 사용자로 하여금 우연하게 어떤 것을 활성화하는 일 없이 자신들의 손들을 인터페이스상에 편하게 안착시키는 것을 허용하기 위해 경 터치를 무시할 수 있다.
본 발명 센서들의 높은 정확도 덕분에, 이들은 미세한 움직임을 캡처하는데 이용될 수 있다. 이것은 기입, 드로잉, 스케칭, 페인팅, 서예, 및 스타일러스를 수반하는 다른 상호 작용들을 가능하게 하기 위해 높은 정밀도로 스타일러스를 추적하는 것과 같은 응용들에서 매우 중요하다. 연질 층이 더 좋은 표면 촉감을 만들고 추적 정확도를 추가로 향상시키기 위해 센서 위에 또는 아래에 추가될 수 있다. 본 발명 센서들은 디스플레이들과 조합될 수 있다. 이것은 투명 센서를 만들고 디스플레이 위에 그것을 층화함으로써, 이 기술을 디스플레이 자체의 기판에 통합시킴으로써, 또는 디스플레이 배후에 센서를 층화하고 또한 디스플레이를 통해 힘을 느낌으로서 행해질 수 있다. 이것은 가요성 디스플레이들과 특히 잘 작용한다.
본 발명 센서는 또한 다른 감지 기술들과 조합될 수 있다. 예를 들어, 용량성 터치 센서는 본 발명 센서 위에 놓여져서 표면 위의 호버링 및 극도로 가벼운 터치의 검출을 가능하게 할 수 있다.
본 발명 센서가 자계들에 투명하기 때문에, EMR 센서와 같은 자성/전자기 센서가 본 발명 센서 아래에 놓여져서 능동 또는 수동 자성/전자기 태그들에 의한 스타일러스들 또는 다른 디바이스들의 검출/추적을 가능하게 할 수 있다. 디스플레이는 또한 이러한 스택업들 중 임의의 것에 층화될 수 있다. 이러한 상이한 센서 기술들의 조합은 더 풍부한 상호 작용들을 가능하게 할 수 있다.
본 발명 센서들이 압력을 느끼고 압력이 가장 변형 가능한 표면들을 통하여 쉽게 전송되기 때문에, 본 발명 센서들은 또한 다양한 변형 가능한 표면들 아래에 내장될 수 있다. 예를 들어, 이들은 가요성/변형 가능 마루 바로 아래에, 가요성 로봇 피부 밑에, 또는 벽상의 페인트 밑에 내장될 수 있다. 이들은 탁자들의 표면들에, 또는 탁자들 위에 깔린 매트상으로 내장될 수 있다.
본 발명 센서들은 또한 미사용 표면들에 감지 능력을 더하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이들은 디바이스의 배후를 터치함으로써 여분의 상호 작용을 허용하도록 하기 위해 전화기, 태블릿, 또는 게임 컨트롤러의 배후 상에 놓여질 수 있다
스크린상에서의 시각적 피드백이 사용자들에게 이들이 어디를 터치하고 있고 얼마나 단단히 터치하고 있는지에 대한 감각을 주기 위해 이용될 수 있다.
센서들은 또한 디지털 시계 또는 다른 소형 디바이스들의 배후상에 놓여질 수 있는데, 여기서 사용자 인터페이스 디바이스를 위한 공간이 매우 제한되고, 그에 의해 디바이스의 사이즈를 증가시키지 않고서 이용 가능한 터치 면적을 증가시킨다
본 발명 센서는 가요성 기판 상에 제조될 수 있어서, 이들이 가요성 디바이스들에 내장되는 것을 허용한다.
일부 예시적 응용들은, 가요성 전화기 또는 가요성 태블릿을 만들고, 디지털 시계의 손목 밴드 또는 팔찌에서 센서를 이용하고, 사용자의 움직임들을 추적하고, 충격들을 검출하고 또는 휴대용 사용자 인터페이스를 제공하기 위해 신발 또는 스니커의 밑창에 센서를 넣는 것을 포함한다.
본 발명 센서들은 이들이 로봇 핑거팁과 같은 복잡한 표면들 주위를 둘러싸기 위해 커팅되거나 접힐 수 있도록 또한 설계될 수 있다. 또는, 이들은 복잡한 표면들 상으로 직접적으로 제조될 수 있다. 간단히 말하면, 거의 어떠한 표면도 이것 상에, 그 배후에, 또는 그 내부에 본 발명 센서들 중 하나를 층화함으로써 터치 감도가 주입될 수 있다.
예시적 태블릿 인터페이스 실시예 (6500)-(8000)
태블릿 폼 팩터 개관 (6500)-(7600)
본 발명이 응용 맥락에 기초하여 매우 다양한 형태로 구체화될 수 있는 한편, 하나의 양호한 예시적 발명 실시예는 태블릿 폼 팩터에 적용된다. 이 사용자 인터페이스 맥락은 일반적으로 도 65 (6500) - 도 76 (7600)의 뷰들에서 묘사된다. 여기서 (도 65 (6500)에 조립되고 도 66 (6600)의 조립 뷰에서 묘사되는) 태블릿 사용자 인터페이스는 (도 68 (6800)-도 69 (6900))(VIA와 연관 제어 전자 장치를 포함하는) 인쇄회로기판(PCB)을 지지하는 태블릿 기부(도 67 (6700)), 압력 멤브레인(도 70 (7000)), 오버레이(도 71 (7100)), 및 백라이팅된(backlit) LOGO 표시를 가진 커버링 베젤(도 72 (7200))로 구성된다.
도 65 (6500) - 도 66 (6600)에 묘사된 것과 같은 본 발명의 이 예시적 실시예는 데스크톱/랩톱들 또는 태블릿 사용자 인터페이스들에서의 응용들을 목표로 하여 설계된다. 데스크톱/랩톱 용도를 위해, 이것은 전형적으로 USB 포트를 통해 컴퓨터에 이것을 접속함으로써 이용될 것이다. 태블릿 용도를 위해, 이것은 전형적으로 USB 포트를 통해 충전되고 및/또는 구성되지만, 블루투스/블루투스 LE을 통해 데이터를 전송할 것이다. 디바이스는 태블릿/태블릿 커버에 자성적으로 걸쇠 걸리도록 설계될 수 있고, 교환가능한 및 가능하게는 백라이팅된(back-lit) 오버레이들을 가질 수 있다.
조립 뷰(6600)
도 66 (6600)에 일반적으로 묘사된 것처럼, 이 양호한 예시적 실시예를 위한 조립 스택은 기부(도 67 (6700)), PCB/배터리(도 68 (6800) - 도 69 (6900)), 멤브레인(도 70 (7000)), 오버레이(도 71 (7100)), 및 베젤(도 72 (7200))을 통합한다.
기부(6700)
도 67 (6700)에 일반적으로 묘사된 것처럼, 이 양호한 예시적 실시예를 위한 기부는 바람직하게는, 정렬 핀들(6701, 6702, 6703, 6704)이 태블릿 시스템을 포함하는 층 스택을 정렬하는 것을 돕는데 활용되면서, 알루미늄과 같은 강성 물질로 만들어질 것이다.
PCB/배터리(6800)-(6900)
도 68 (6800) - 도 69 (6900)에 일반적으로 묘사된 것처럼, PCB(6910)/배터리(6920) 층은 다음을 포함한다:
ㆍ 마이크로컨트롤러, 아날로그 감지 회로들, 전력/배터리 관리, 블루투스 ®라디오, USB TX/RX, 및 다른 전자 장치를 위한 지역(6911);
ㆍ 마이크로-USB 커넥터(6912);
ㆍ 센서 활성 지역(6913);
ㆍ 배터리(리튬-폴리머 또는 비슷한 전원)(6920); 및
ㆍ 정렬 구멍들(x4)(6931, 6932, 6933, 6934).
힘 감지 멤브레인 (7000)
도 70 (7000)에 일반적으로 묘사된 것처럼, 힘 감지 멤브레인 층은 다음을 포함한다:
ㆍ 기판(PET 또는 KAPTON®과 같은 것);
ㆍ 기판의 하부측 상에 있는 FSR과 같은 힘-감지 물질; 및
ㆍ 정렬 구멍들(x4).
오버레이(7100)
도 71 (7100)에 일반적으로 묘사된 것처럼, 오버레이는 미끄러운 상부 표면을 가지며 휠 수 있다. 오버레이들이 다양한 그래픽들 또는 촉각적 양각 패턴들로 교체될 수 있다는 것이 예상된다. 오버레이들은 백릿 또는 사이드릿(side-lit)이 될 일부 구성들에서 또한 예상된다.
베젤 (7200)
도 72 (7200)에 일반적으로 묘사된 것처럼, 커버용 베젤은 다음을 포함할 수 있다:
ㆍ 그래픽/로고, 이것은 광 파이프일 수 있고, 일정한 또는 변화하는 조명 패턴들로 백라이팅될 수 있다;
ㆍ 오버레이를 위한 개구부; 및
ㆍ USB 포트 또는 다른 통신 인터페이스를 위한 개구부.
기계적 특성들(7300)-(7600)
일반적으로 도 73 (7300) - 도 76 (7600)의 단면과 상세 뷰들에 묘사된 것처럼, 기계적 구성은 널리 변할 수 있지만, 일부 양호한 발명 실시예들은 대략 4.25㎜의 두께로 구성될 수 있다는 것이 예상된다. VIA를 모니터링하는 데에 필요한 전자 장치의 감소된 복잡도는 전기적 컴포넌트들과 배터리 용량에 필요한 면적의 감소를 초래하고, 이와 같으므로, 경쟁 기술들보다 현저하게 얇은 일부 구성들을 가져올 수 있다.
디바이스는 기부와 베젤 간의 걸쇠들과, 기부와 PCB, PCB와 멤브레인, 및 멤브레인과 베젤 사이의 얇은 접착제 층들에 의해 함께 잡아 둘 수 있다. 오버레이는 단순히 꽂는 식으로 구성될 수 있거나, 또는 자석들 또는 걸쇠들을 포함할 수 있는, 기부 공동에 결합하기 위한 몇몇 수단을 가질 수 있다.
예시적 터치 패드 구성도/레이아웃 (7700)-(8000)
일반적으로 도 65 (6500) - 도 76 (7600)에 설명되는 대로의 예시적 구축 응용 맥락은, 도 77 (7700)의 구성 블록도에 일반적으로 묘사된 대로의 마이크로컨트롤러와 PCB 및 도 78 (7800)(상위 구리), 도 79 (7900)(바닥 구리), 및 도 80 (8000)(비아 패드들)의 PCB 레이아웃을 이용하여 구현될 수 있다. 이 레이아웃은 감압 물질과 메이팅되고 또한 일반적으로 도 65 (6500) - 도 76 (7600)에 의해 설명되는 것과 같은 태블릿 폼 팩터에 내장되는 전형적 VIA 어레이를 일반적으로 묘사한다. 도 77 (7700)에 묘사되는 구성도는, 통합 호스트 컴퓨터 통신(USB, I2C, SPI, 무선(블루투스®, 블루투스 LE®, 다른 2.4GHz 인터페이스, 기타 등등), UART), ADC 입력들, 이 문서에 묘사된 열 구동기들 및 행 감지 회로를 구현하기 위해 GPIO 확장기들 및 다중화기들과 결합된 범용 디지털 I/O(GPIO들)에 의한 통상적 마이크로컨트롤러 기술을 활용한다.
용량성 보간 센서(8100)-(8800)
개요
본 발명의 또 하나의 실시예는 도 81 (8100) - 도 88 (8800)에 묘사된 것과 같은 용량성 센서 어레이의 맥락에서 FSA와 연관되는 보간 개념들을 활용할 수 있다. 이런 도면들에 묘사된 설계들은 두 가지 예시적 구성을 설명한다:
ㆍ 브리지들을 가진 단일 측면 다이아몬드 패턴(일반적으로 도 81 (8100) -도 82 (8200) 에 묘사된 것과 같음); 및
ㆍ 직선형 행들과 열들을 가진 이중 측면(일반적으로 도 83 (8300) -도 84 (8400) 에 묘사된 것과 같음).
이러한 두 가지 설계는 특정적으로 투명 용량성 센서들을 목표로 한다. 이런 유형의 센서는 전형적으로 디스플레이와 보호용 상위 층(플라스틱 필름 또는 유리 층과 같은 것) 간에 거주한다. 또한 센서와 디스플레이 사이에 투명 실드 층들이 있을 수 있다. 다이아몬드형 패터닝된 센서의 경우에, 이것은 또한 위 아래가 뒤집혀서 이후 디스플레이에 라미네이팅될 수 있다는 것을 유의한다. 이 경우에, 기판은 사용자가 터치하는 층이 될 수도 있다. 이중 측면 센서의 경우에, 두 개의 측(행들과 열들)이 별개의 기판들상에 프린팅될 수 있고, 기판들은 이후 함께 라미네이팅될 수 있다. 이 경우에, 우리는 기판들 중 하나가 터치 표면의 역할을 하게 하기 위해, 센서의 위 아래를 뒤집는 동일한 계교를 부릴 수 있다.
브리지들(8100)- 8200)을 가진 단일 측면 다이아몬드 패턴
일반적으로 도 81 (8100) - 도 82 (8200)에 묘사된 것처럼, 단일 측면 다이아몬드 패턴을 채택하는 커패시터 센서가 유리 또는 플라스틱과 같은 기판(8101) 상에 형성되는 것으로 설명된다. 이 양호한 실시예에서, (열들과의 단락을 회피하기 위한 유전체를 아래에 둔) 도전성 브리지들(8102)이 VIA를 형성하기 위해 투명 도전체들(8103)(ITO, 탄소 나노 튜브들, 도전성 중합체, 나노와이어들, 패터닝된 도전체, 기타 등등) 간에 형성된다. 이 어레이는, 저항성 물질을 퇴적함으로써 또는 단순히 기판(8101) 표면 상에 투명 도전체의 얇은 브리지를 남김으로써 형성되는 열(8104) 및 행(8105) 보간 저항기들에 부착된다. 이러한 IIC 및 IIR 저항기들(8104, 8105)은 활성 열 트레이스 라인들(8108)과 활성 행 트레이스 라인들(8109)에의 열(8106) 및 행(8107) 접속들을 통해 전기적으로 결합된다. 이러한 열(8108) 및 행(8109) 트레이스 라인들은, 구동 및 감지 전자 장치와 상호 접속하는 도전성 플렉스들을 본딩하기 위한(또는 일부 경우에 기판(8101)에 전자 장치를 직접적으로 본딩하도록 구성되는) 지역들(8110)로 라우팅된다.
도 82 (8200)의 단면도를 참조할 때, 기판(8201)은 열 투명 도전체들(8203) 및 행 투명 도전체들(8213)을 지지하는 것으로 보여진다. 유전체 층(8212)이 열 투명 도전체들(8203) 및 행 투명 도전체들(8213)을 분리하고, 도전성 브리지들(8202)을 지지한다. 이 단면도에 또한 묘사된 것은, 에칭된 또는 프린팅된 도전성 물질을 이용하여 형성될 수 있는 행 트레이스 접속들(8207) 및 행 트레이스들(8209)이 있다.
직선형 행/열들(8300)-( 8400)을 가진 이중 측면 패턴
일반적으로 도 83 (8300)-도 84(8400) 에 묘사된 것처럼,직선형 행들 및 열들을 가진 이중 측면 패턴을 채택하는 커패시터 센서가 유리 또는 플라스틱과 같은 기판(8301) 상에 형성되는 것으로 예시된다. 이 양호한 실시예에서, 열들(8302) 및 행들(8303)은 센서의 대향 측들 상에 있고(그래서 이들이 단락하지 않는다), 대안적으로 별개의 기판들(행들을 위한 하나와 열들을 위한 하나) 상으로 퇴적될 수 있다. 열들(8302)과 행들(8303)은 VIA를 형성하기 위해 투명 도전체들(ITO, 탄소 나노 튜브들, 도전성 중합체, 나노와이어, 패터닝된 도전체, 기타 등등과 같은 것)로 형성된다. 이 어레이는, 저항성 물질을 퇴적함으로써 또는 단순히 기판(8301) 표면 상에 투명 도전체의 얇은 브리지를 남김으로써 형성되는 열(8304) 및 행(8305) 보간 저항기들에 부착된다. 이러한 IIC 및 IIR 저항기들(8304, 8305)은 활성 열 트레이스 라인들(8308)과 활성 행 트레이스 라인들(8309)에의 열(8306) 및 행(8307) 접속들을 통해 전기적으로 결합된다. 이러한 열(8308) 및 행(8309) 트레이스 라인들은, 구동 및 감지 전자 장치와 상호 접속하는 도전성 플렉스들을 본딩하기 위한(또는 일부 경우에 기판(8301)에 전자 장치를 직접적으로 본딩하도록 구성되는) 지역들(8310)로 라우팅된다.
도 84 (8400)의 단면도를 참조할 때, 기판(8401)은 열 투명 도전체들(8402) 및 행 투명 도전체들(8403)을 지지하는 것으로 보여진다. 이 단면도에 또한 묘사된 것은, 에칭된 또는 프린팅된 도전성 물질을 이용하여 형성될 수 있는 행 트레이스 접속들(8407) 및 행 트레이스들(8409)이 있다.
센서 제조
이러한 설계들 양쪽 모두의 장점은 이들이 용량성 터치 센서들을 만들기 위해 현행 이용되는 공정과 정확한 동일한 공정에 의해 제조될 수 있다는 것이다. 주요 차이는 본 발명 실시예가 사이 내(보간) 행들과 열들을 추가하고, 보간 저항기들의 역할을 하는 도전성 라인들을 거의 만들지 않기 위해 투명 도전성 물질(보통은 ITO)을 위한 마스크 패턴을 바꾼다는 것이다. 저항은 이러한 라인들의 폭을 바꿈으로써 조절될 수 있다. 마스크 패턴들을 바꾸는 것 (및 가능하게는 시험 절차들에의 일부 변화들) 외에는, 이러한 용량성 센서들을 제조하는 데에 수반되는 어떠한 여분의 단계들도 없다.
용량성 센서 이점들
이 개시된 설계에 기초한 보간 용량성 센서의 장점은 이것이 통상적 용량성 센서보다 훨씬 더 좋은 선형성을 갖는다는 것이다. 이는 다음의 결과를 가져온다:
ㆍ 센서를 교정할 필요 없이 훨씬 더 좋은 터치 및 스타일러스 추적;
ㆍ 터치 형상과 지역의 더 나은 추정;
ㆍ 더 좋은 신호; 및
ㆍ 사용자의 손가락과 센서 사이의 훨씬 더 얇은 커버 유리/플라스틱을 이용하여, 훨씬 더 얇은 디바이스들을 허용하는 능력.
마지막 점이 태블릿들, 휴대전화기들, 스마트 폰들, 및 기타 등등과 같은 모바일/포터블 디바이스들의 구축에 매우 중요하다.
불투명 용량성 센서에 대해, 이러한 설계들 중 하나를 이용하고, 이전에 논의된 IFSA 도전체 패턴들 중 하나의 패턴의 사용을 통합하고, 및 힘 감지 물질을 그냥 제거하는 것이 가능하다. 힘 감지 물질은 전형적으로 본 응용에서 얇은 플라스틱 필름 또는 유리와 같은 유전체로 대체될 것이다.
예시적 컵 압력 프로필들 (8500)-(8800)
압력 센서 태블릿 폼 팩터에 적용되는 본 발명의 예가 도 85 (8500)에 묘사되는데, 여기서 음료수 컵이 압력 센서 태블릿 표면과 접촉된다. 도 86 (8600)은 보간 없는 감지된 압력의 프로필 및 검출된 압력 영역들과 함께 TSA로부터 판독 출력되는 TSM과 연관되는 그리드를 묘사한다. 도 87 (8700)은 TSM의 업샘플링 연산을 수행하여 획득되는 VIA에서의 개개의 힘 감지 소자들에 의해 보이는 힘들의 근사 복원을 묘사한다. 도 88 (8800)은 도 86 (8600)에 묘사된 TSM 데이터에 기초하여 CCD에 의해 계산되는 개개의 검출된 타원형 데이터를 묘사한다. 도 86 (8600)에 묘사된 것과 같은 TSM 데이터가 도 87 (8700)에 묘사된 업샘플링된 데이터에서 보이는 미세한 상세 사항을 복원하고 또한 도 87 (8700)에서의 검출의 이산 영역들 및 도 88 (8800)에서의 타원들을 발생하기 위해 이용될 수 있다는 것을 유의한다.
예시적 화필 압력 프로필들(8900)-(9200)
압력 센서 태블릿 폼 팩터에 적용되는 본 발명의 예가 도 89 (8900)에 묘사되는데, 여기서 화필이 압력 센서 태블릿 표면과 접촉된다. 도 90 (9000)은 TSA를 스캐닝하는 것에 의해 CCD에 의해 획득되는 TSM의 압력 프로필을 묘사한다. 도 91 (9100)은 압력 프로필에 기초하여 검출되는 연관 압력 영역들을 묘사한다. 도 92 (9200)은 도 90 (9000)에 묘사되는 TSM 데이터에 기초하여 CCD에 의해 계산되는 개개의 검출된 타원형 데이터를 묘사한다.
이 예로부터 알 수 있는 것처럼, 압력 센서 VIA는 접촉 영역의 개개의 지역들과 연관되는 형상/타원형 데이터를 감지하고 또한 이를 검출하는 것 모두를 할 수 있다. 이 예는 또한 본 발명이 교시하는 보간 기술들을 이용한 시스템의 극단적 감도를 묘사한다.
용량성 터치 센서 설명 (9300)-(12500)
보간 용량성 센서 회로들의 개관
앞서 설명된 보간 힘 감지 센서들의 주요 이점은 이런 구성들에 의해 센서의 선형성 및 능동 전자 장치의 분해능보다 더 높은 분해능으로 터치들을 추적하기 위한 그 능력을 증가시키는 것이 가능하다는 것이다. 동일한 점이 보간 용량성 센서들에 대해서도 성립한다. 대부분의 기존 용량성 센서들이 (전기력선들이 센서 주위의 공간을 통해 퍼져있다는 사실로 인해) 이미 어느 정도의 보간을 갖기는 하지만, 용량성 센서들은 매우 비 선형인 보간 거동을 갖는 경향이 있다. 이는, 높은 정밀도가 중요한 경우들에서, 특히 터치 입력 또는 스타일러스 입력을 검출하기 위한 용도에 대해 문제가 된다. 현행으로는, 기존 용량성 터치 센서들의 설계자들은 비 선형 센서 (X,Y) 위치들을 선형 공간으로 수치적으로 매핑하는 룩업 테이블들을 만듦으로써 이런 비 선형성에 대처한다. 그러나, 이런 룩업 테이블들은 전형적으로 한 세트의 조건들 하에서 생성되며, 모든 조건들 하에서 센서들의 비 선형성을 충분히 보상하지는 못한다.
본 발명이 교시하는 기법을 이용하면, 전자 장치에 구동 및 감지 라인들의 수를 증가시킬 필요 없이 용량성 센서의 분해능을 증가시키는 것이 가능하다. 이렇게 하면, 훨씬 더 선형 및 예측 가능 센서 응답을 만들어서, 더 나은 손가락 터치 및 스타일러스 성능을 산출하게 된다. 그러나, 하기 기술되는 용량성 센서 및 힘 감지 센서에 보간을 더하는데 사용되는 기법들 간에 몇몇 차이들이 있다.
보간 저항기 값들(9300)
힘 감지 센서들을 보간하는 경우에, 본 발명은 요망 보간 거동을 달성하기 위해 활성 라인들 간의 대략 1KΩ의 저항을 목표로 한다(도 33 (3300)의 센서와 같은 활성 라인들의 각각의 쌍 사이의 세 개의 보간 저항기를 가진 센서에 대해, 각각의 보간 저항기의 값은 1K/3 = 333Ω 일 것이다).
보간 용량성 센서들에 대해, 수신 측상의 활성 라인들 간의 1KΩ의 저항이 너무 낮아서, 센서의 수신 측에서 매우 낮은 신호를 야기한다는 것이 일반적으로 결정되었다. 실험은 수신 측상의 활성 라인들 간의 10KΩ의 저항이 훨씬 더 강한 신호를 제공한다는 것이 결정되었다(도 93 (9300)의 센서와 같은 활성 라인들의 각각의 쌍 사이의 세 개의 보간 저항기를 가진 센서에 대해, 각각의 보간 저항기의 값은 10K/3 = 3.3KΩ 일 것이다).
일반적으로, 수신 측상의 더 높은 저항기들이 더 큰 신호를 산출했다는 것이 실험에 의해 발견되었다. 그러나, 소정 레벨에서, 더 높은 저항들은 센서 자체가 저역 통과 RC 필터의 역할을 시작하기를 야기하고, 그러므로 활성 라인들 간의 10K보다 더 높은 저항들은 신호 손실을 야기할 수 있다. 전송 측상의 더 높은 저항은 전력 소비를 줄이지만, 이 값이 너무 높아지면 유사하게 RC 손실들을 야기할 수 있다. 실험적 및 분석적 접근법들 모두가 주어진 센서 구성에 대해 최적의 전송 및 수신 저항기 값들을 찾는데 사용될 수 있다.
센서를 스캐닝
힘 감지 보간 센서와 용량성 보간 센서를 스캐닝하는 것 사이의 주요 차이는 용량성 보간 센서에 대해 본 발명이 구형파(square wave) 또는 사인파와 같은 AC 또는 진동 파형을 최적으로 전송하고 수신하는 한편, 힘 감지 보간 센서에 대해 본 발명은 DC 신호들을 최적으로 전송하고 수신한다는 점이다.
그 결과, 센서 시스템이 신호를 발생하고 캡처하기 위해 상이한 회로를 채택하는 것만이 요구된다. 이 회로는 이후의 부분들에서 설명된다.
센서 거동
힘 감지 센서들을 보간하는 경우에, 수신된 신호는 어떤 힘도 가해지지 않을 때 일반적으로 접지 전위에 있거나 그에 가깝고, 사용자가 힘을 가함에 따라 증가한다.
보간 용량성 센서들의 경우에, 수신된 신호는 어떤 터치들도 가해지지 않을 때 일반적으로 가장 높다. 이는 행과 열 전극들 사이의 용량성 결합 덕분이다. 손가락 또는 다른 도전성 물체가 센서에 접근할 때, 도전성 경로들이 전기력선들에 대해 생성되어 이 전기력선들이 센서의 전송부로부터 사용자의 몸을 통해서 접지까지 발산한다. 이것은 수신 전극들상에 수신되는 신호의 감소를 야기한다. 그러므로, 신호는 하이로 시작하고, 사용자가 접근함에 따라 감소한다. 실험들은 보간 용량성 센서들이 힘에 대해 매우 미미한 감도를 갖는 것으로 결정하였다. 이들은 대개는 센서와 접촉하는 각각의 터치 또는 도전성 물체의 형상 및 면적에 응답한다.
센서 데이터를 처리하기
보간 힘 감지 센서들애 대해 설명된 것들과 유사한 소프트웨어 알고리듬들이 보간 용량성 센서들이 어떤 터치들도 검출되지 않을 때 신호의 레벨을 기준선으로부터 멀어지게 하기 위한(감산하는) 기준선 레벨을 검출하는 데에 이용될 수 있다. 이전에 설명된 모든 처리 알고리듬들이 터치가 검출될 때 제로로부터 증가하는 신호 강도에 의존하기 때문에, 보간 용량성 센서로부터의 신호는 측정된 기준선으로부터 센서로부터 수신되는 신호를 감산함으로써 반전될 수 있다. 이는 효과적으로 신호의 부호를 반전시켜서 터치가 신호에서의 양의 증가라는 결과를 가져오게 한다. 이는 모든 후속 처리 국면들이 터치들이 있는 경우에 증가하는 신호를 다룰 수 있게 하고, 따라서 보간 힘 감지 센서들에 대한 모든 터치 처리 알고리듬들이 중요한 수정 없이 보간 용량성 센서들에 의해 산출되는 신호에 대하여 작용하도록 허용한다.
용량성 전송 전자 장치
앞서 논의한 바와 같이, 보간 용량성 센서는 AC 또는 진동 파형들로 구동되어야만 한다. 이것들은 보통 구형파 또는 사인파들의 모양을 갖는다. 다음 부분들에서, 다양한 방법들이 이러한 파형들을 발생하기 위해 제안된다. 이러한 방법들이 신호를 발생하기 위해 용량성 센서의 일부로서 또는 능동 스타일러스 내에서 이용될 수 있다는 것을 유의한다.
구형파 발생
구형파를 발생하기 위해, 우리는 가장 최신 마이크로컨트롤러들(MCU)상에서 발견되는 표준 PWM 모듈을 이용할 수 있다. 이러한 PWM 모듈들은 마이크로컨트롤러 내부에서 주기적 제어 신호를 발생하기 위해 이용될 수 있다. 표준 GPIO 모듈과 조합될 때, 고정 주파수로 GPIO상에서 구형파 출력을 생성하는 것이 가능하다. 이 주파수는, PWM 모듈들이 종종 넓은 범위의 주파수들을 발생할 수 있음에 따라, 펌웨어에 의해 튜닝될 수 있다. 유감스럽게도, 출력 전압은 보통 주어진 마이크로컨트롤러를 위한 로직 레벨(1.8V - 5V)에 제한된다. SNR을 증가시키기 위해, 전송된 신호의 진폭이 가능한 한 높은 것이 바람직하다. 그러므로, 더 높은 전압 레벨들을 발생할 수 있는 회로에 대해 PWM 출력을 제어 신호로서 사용하는 것이 유익하다.
아날로그 다중화기를 가진 PWM을 이용한 구형파 발생(10000)
도 100 (10000)은 어떻게 PWM 모듈이 높은 전압 구형파 출력을 발생하기 위해 아날로그 다중화기와 쌍을 이룰 수 있는지를 보여준다. 기본적으로, 아날로그 다중화기는 2개의 전압(고 전압과 저 전압)을 취하고, PWM을 제어 신호로서 사용한다. PWM 신호는 고 전압과 저 전압 레벨들 사이에서 다중화하여, PWM과 동일한 주파수로 고 전압 구형파를 생성한다. 많은 양호한 발명 실시예들에 사용되는 주파수는 200Khz 이지만, 다른 주파수들도 선택될 수 있다. 주파수들은 외주 잡음에의 민감성을 줄이기 위해 또는 동시에 다중 주파수를 전송하는 것이 바람직한 경우에 동적으로 변경될 수 있다.
이 회로는 본 발명이 센서를 구동하기 위해 이용되는 전압 레벨들로부터 MCU의 전압 레벨들을 분리하도록 허용한다. VHigh는 MCU가 동작하는 전압보다 높을 수 있다. 게다가, VLow는 MCU의 접지 레벨보다 더 낮을 수 있다. 예를 들어, 전형적 MCU가 3.3V 또는 1.8V에서 동작하는 반면, 본 발명은 +5V의 VHigh와 -5V의 VLow를 이용할 수 있어서, 10V의 진폭을 가진 전송된 신호를 초래한다. 대안 예로서, 본 발명은 심지어 12V의 더 높은 "고 전압"과 0V의 저 전압을 이용할 수 있어서, 12V의 진폭을 가진 신호를 초래한다.
비교기를 가진 PWM을 이용한 구형파 발생(10100)
도 101(10100)은 고 전압 구형파를 발생하기 위한 대안 방법을 보여준다. 이 구성에서, PWM 출력은 연산 증폭기(OPAMP)의 비 반전 입력에 피딩된다. OPAMP는 비교기가 되도록 구성되는데, 이는 PWM 신호가 Vref보다 더 클 때 출력은 VHigh 일 것이고, PWM 신호가 Vref보다 더 낮을 때 출력이 VLow 일 것이라는 것을 의미한다. 다이어그램으로 도시된 것처럼, 파형들은 도 100 (10000)에서 보이는 파형들과 거의 동일하다. R1 및 R2는 Vref를 만들기 위한 단순 분압기를 형성한다. 대부분의 실제 응용들에서, R1은 R2와 동일할 것이고, 이는 VDD/2에 있는 Vref를 생성할 것이다(도 101 (10100)의 "PWM 신호 출력" 그래프에서 보이는 바와 같음).
사인파 발생
때때로, 구형파들 대신에 사인파들을 전송하는 것은 유리할 수 있다. 구형파들은 여러 상이한 주파수들로 구성되는 반면, 사인파는 단일 주파수를 갖는다. 보간 용량성 터치 센서를 구동할 때, 동시에 다중 전극을 구동하는 것이 가능하다. 각각의 전극이 상이한 주파수로 구동되면, 이후 수신 측은 얼마나 많은 에너지가 각각의 주파수에서 수신되었는지를 결정할 수 있고, 또한 따라서 각각의 구동 전극으로부터의 기여를 결정할 수 있다. 구형파 대신에 사인파로 구동하는 것은 신호가 수신 측에서 필터링하고 해석하기에 더 깨끗하고 더 쉬워지도록 한다. 예를 들어, 사인파들은 저역 통과, 고역 통과 및 대역 통과 필터링으로 더 낫게 필터링될 수 있고, FFT와 같은 알고리듬들을 이용하여 성분 분해될 수 있다.
발진기를 이용한 사인파 발생(10200)
사인파를 발생하기 위한 다양한 방식들이 있다. 한가지 방식은 도 102 (10200)에서 볼 수 있는 것처럼, 위상 편이 발진기를 구축하는 것이다. OPAMP의 출력은 180도만큼 출력의 위상을 편이시키는 필터들의 직렬 연결에 피딩된다. 이것은 OPAMP가 양의 피드백을 경험하고 또한 발진하기를 시작하는 상태를 야기한다. 이 국면의 출력은 사인파일 것이다. 회로의 R 및 C 값들은 특정 진동 주파수를 선택하기 위해 튜닝될 수 있다. 도 102 (10200)에서, 전압 버퍼가 센서 전극에 의한 발진기 국면의 로딩을 방지하기 위해 발진기의 출력에 배치된다. 이는 발진기로 하여금 이것이 구동하고 있는 센서의 특정한 입력 임피던스 특성들에 관해 개의해야만 하지 않고서 튜닝되게 허용한다. 아날로그 다중화기는 사인파의 전송을 인에이블/디스에이블하기 위해 출력에 추가된다. 피드백 메커니즘들이 발진기 회로에 의해 발생되는 주파수의 즉석(on-the-fly) 변화를 허용하기 위해 추가될 수 있다.
고속 DAC 및 증폭기를 이용하여 발생되는 사인파(10300)
위상 편이 발진기들은 구축하기에 매우 수월하지만, 이들은 여러 결점들을 갖는다. 온도 변화들이 피드백 루프에서의 저항 값들에 크게 영향을 미칠 수 있고, 이것은 주파수가 표류하도록 야기할 것이다. 또한, 효율적 방식으로 발진기를 신뢰성 있게 인에이블/디스에이블하기 위한 쉬운 방법은 없다(발진기들은 종종 이들이 먼저 인에이블될 때 안정화하는 데에 시간이 걸린다).
그러므로, 디지털 접근법으로 사인파들을 발생하는 것이 종종 유리하다. 도 103 (10300)은 사인파의 디지털 표현을 발생하기 위해 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 이용하는 사인파 발생 기술을 보여준다. 이 구현에서, DAC 주변 장치는 메모리의 사인파 룩업 테이블에서 값들을 판독해 내기 위해 DMA(direct memory access)를 사용한다(메모리는 사인파의 디지털 표현으로 미리 로딩되어야만 한다). DAC는 이런 디지털 값들을 취하고 이들을 ("DAC 출력" 파형에서 보이는 것처럼) 아날로그로 변환한다. 그러나, DAC 출력은 전극을 구동하는 데에 직접적으로 사용될 수 없다. 그 이유는, DAC가 이산적 값들을 변환시키고 있으므로(이산적 계단 효과를 야기하므로) DAC에 의해 만들어지는 신호가 종종 들쭉날쭉하기 때문이다. 그러므로, DAC 출력을 저역 통과 필터링하여 더 평활한 사인파 신호를 만드는 것이 유리할 수 있다. 이 필터링 후에, 신호는 증폭기를 구동하는데 사용될 수 있는데, 이 증폭기는 전극을 구동하는 데에 사용될 신호의 진폭을 상승시키고, 그에 의해 시스템의 SNR을 증가시킨다. 이 회로에서, 전송 인에이블 신호가 DAC를 인에이블/디스에이블하기 위해 사용된다.
이 접근법의 가장 큰 이점들 중 하나는 이것이 회로로 하여금 쉽게 소프트웨어를 통하여 요망 전송 주파수 및 진폭을 선택하게 허용한다는 것이다. 이것은 주파수 호핑이 잡음을 회피하기 위해 이용되는 경우들에서 또는 상이한 전극들 또는 심지어 동일 전극상에서 동시적으로 다중 주파수를 전송하는 것이 바람직한 경우에 유용할 수 있다.
용량성 수신 전자 장치
앞서 언급한 대로, 보간 용량성 센서는 AC 또는 진동 파형들을 검출하여야만 한다. 이것들은 보통 구형파 또는 사인파의 모양을 가진다. 다음 부분들에서, 다양한 방법들이 이러한 파형들을 검출하기 위해 제안된다. 이러한 방법들이 진동 신호들을 검출하기 위해 용량성 센서의 일부로서 또는 능동 스타일러스 내에서 이용될 수 있다는 것을 유의한다.
전치 증폭기, 정류기, 및 적분기를 이용하는 수신 회로(10400)
본 발명이 보간 용량성 센서를 구동하기 위해 AC 주파수들을 전송하므로, 수신 전자 장치는 수신된 AC 신호의 강도를 신뢰성 잇게 검출할 수 있어야만 한다. 단일 전송 주파수를 이용하고 있는 시스템에서, 도 104 (10400)에 도시된 바와 같은 AC 검출기 회로를 구축하는 것이 가능하다. 이 회로는 수신된 AC 신호를 취하고, 이것을 ADC에 의해 판독될 수 있는 DC 신호로 변환한다. 그 결과로 생기는 DC 전압 레벨은 수신된 AC 신호의 강도를 표시한다. 이것은 하기 설명에서 다단 신호 처리 접근법을 통하여 달성된다.
제1 국면은 고주파 잡음을 거부하는데 사용되는 단순 RC 필터이다. 필터는 잡음이 충분히 낮은 경우들에서 필요하지 않을 수 있으므로 선택 사항이다. 이 필터에 대한 차단 주파수는 요망된 주파수 범위들만이 통과해 나아가도록 선택될 수 있다. 이 특정 회로 구성을 위해, 본 발명은 전송 신호용으로 200 KHz 주파수를 전송한다. 그러므로, 선택되는 컴포넌트 값들은 R1=1000Ω 및 C1=100pF 이엇다. 이것은 약 1.6MHz의 차단 주파수를 산출한다. 이 필터가 도면에 도시된 것처럼 반드시 RC 저역 통과 필터일 필요는 없다는 것을 주의하는 것이 중요하다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는 다양한 잡음 프로필들에 대처하기 위해서 고역 통과 필터, 대역 통과, 또는 노치 필터를 이용할 수 있다. 수동 필터가 회로에 필요한 컴포넌트들을 단순화하기 위해 여기서 이용된다. 이 필터는 더 효과적으로 잡음을 거부하기 위해서 능동 필터로 대체될 수 있다
이 제1 필터링 국면 후에, 신호는 비 반전, 가변 이득 증폭기(전치 증폭기)에 피딩된다. 이 특정 회로 구성을 위해, R2=100Ω과 R3=10KΩ이 이 예를 위해 선택된다. R3가 가변 저항기이므로, 최대 101x에 이르기까지 가변 이득을 달성하는 것이 가능하다. GBP(Gain-Bandwidth Product)를 가진 연산 증폭기(U1)를 선택하는 것이 중요하다. 이 회로 구성을 위해, GBP는 25 MHz이다. 이것은 101의 이득을 위해 이 증폭기 단이 약 248 KHz의 대역폭을 갖는다는 것을 의미하고, 이것은 본 발명의 200 KHz 신호가 통과해 나아가는 것을 허용할 것이다. 실제상, 이 국면에서의 증폭기의 전 이득이 보통은 필요하지 않고, 그래서 25 Mhz의 GBP가 이 국면에서는 충분하고도 넘친다. 증폭된 신호의 극성이 이후의 국면들에 현저하게 영향을 미치지는 않기 때문에, 반전 증폭기가 마찬가지로 이 국면에서 사용될 수 있다.
전치 증폭 국면 후에, 또 다른 선택 사항인 필터링 국면이 예시된다. 이 구성에서, R4=1KΩ 및 C4=510pF이 선택되고, 이것은 312 KHz의 차단 주파수를 산출한다. 앞서 언급했듯이, 이 필터는 능동 필터로 대체될 수 있고 또한 고역 통과, 대역 통과, 또는 노치 필터일 수 있다.
제2 필터링 국면 후에, 신호는 반파 정류기에 피딩된다. 이 국면은 파형의 양의 측(positive side)을 차단하고, 음의 측(negative side)만이 통과해 나아가도록 허용한다. 이것은 신호를 최종 국면, 적분기에 피딩하는 것을 허용한다. 정류기 전에서, 신호는 충전 균형화된다. 신호의 완전 버전이 적분기에 피딩되었다면, 그 결과는 제로를 산출할 것이다(파형의 각각의 기간 후의 충전의 합계는 대략 제로일 것이다). 파형의 양의 측을 차단하는 것은 적절히 적분될 수 있는 비 균형화된 신호를 제공한다. 본 발명이 신호의 음의 측만을 통과시키는 이유는 적분기가 반전 적분기라는 것 때문임을 유의하고, 적분기가 양의 신호를 산출하는 것이 바람직하다. 비 반전 적분기의 경우에, 우리는 반파 정류기의 극성을 바꾸어서 파형의 양의 측이 통과해 나아가도록 허용할 것이다.
이미 언급된 것처럼, 최종 국면은 아날로그 적분기이다. 이 적분기가 음의 이득을 취한다는 것을 주의하는 것이 중요하다. 정류기로부터의 음의 신호를 피딩함으로써, 적분기의 출력은 양의 값일 것이다. 이것은 양의 전압들만을 샘플링할 수 있는 ADC들의 사용을 허용한다. 이 회로 구성을 위해, R6=100Ω, R7=100Ω, 및 C7=10nF가 선택된다. C7은 가변 커패시터이고, 이것은 적분기의 충전율(charge rate)의 변경을 허용한다. 적분기 국면을 위해, 단일 이득 안정적(unity-gain stable)인 연산 증폭기(U2)를 선택하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면, 적분기는 불안정할 것이고 출력은 발진할 수 있다.
SW1은 CCD의 GPIO로부터 발생되는 신호에 의해 닫히고/열릴 수 있는 아날로그 스위치이다. 대부분의 표준 아날로그 스위치들은 SW1을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 텍사스 인스트루먼츠는 TS12A4516을 만드는데, 이것은 본 응용에 대해 완벽한 것이다. SW1이 닫힐 때, 적분기 커패시터에 의해 저장되는 전하는 클리어링된다. 이것은 근본적으로 적분기를 리셋한다. 이 스위치는 AC 신호 검출기의 중요 부분이다. SW1은 스캔 동안 접속되는 어느 행을 선택할 때 닫힌 채로 머물러야만 한다(적분기가 리셋 상태에 있다). 이것은 이 회로의 처음의 몇 개 국면들을 통해 얻어지는 임의의 스위칭 잡음들을 적분하는 것을 방지한다. 일단 정확한 행이 AC 검출기의 입력에 접속되면, SW1은 적분하기를 시작하기 위해 열린다. 이는 각각의 행에 대한 가장 신뢰성 있는 ADC 판독을 제공한다.
도 104 (10400)에서, ADC 샘플 윈도는 또한 적분기 출력 파형상에 도시된다. 적분기에 대해, 출력은 입력에서의 어떤 전압도 없을 때 한 DC 값에 안착한다. 이 시스템에 대해, 센서의 전송 측으로부터의 유한한 수의 주기들이 적분된다. 그러므로, 고정된 세트의 펄스들을 수신한 후, 적분기 출력은 한 DC 값에 안착할 것이다. 이것은 신호가 ADC로 샘플링되는 경우이다. ADC 샘플링이 완료된 후, 적분기는 리셋되고 회로는 다음 행을 수신하기 위해 준비된다.
이 회로에 대해, 2개의 파라미터가 시스템 성능(R3과 C7)을 튜닝하기 위해 변할 수 있다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 수신된 신호의 양은 종종 이 회로가 접속되는 센서의 구성에 의존한다. 그러므로, 주어진 센서에 대해, R3/C7은 그에 따라서 조정되어야만 한다. 전형적으로, 신호는 센서와 접촉하는 것이 아무것도 없을 때 가장 높을 것이고, 손가락이 센서에 접근할 때 감소할 것이다. ADC에 의해 캡처되는 신호 값들의 동적 범위를 최대화하기 위해서는, 어떤 터치도 없을 때 적분기에 의해 출력되는 신호가 잘림 없이 ADC의 상위 영역에 있는 것이 바람직하다. 게다가, 어떠한 증폭기도 그 이득 대역폭 곱을 넘어서도록 강요되지 않는 것을 보장하는 것이 바람직하다. R3 및 C7은 수작업으로 조정가능할 수 있거나(가변 저항기/가변 커패시터를 튜닝함으로써), 설계 국면에서 조정가능할 수 있거나, 또는 소프트웨어를 통해 디지털로 조정가능할 수 있다.
전치 증폭기 및 고속 ADC에 의한 다중 주파수 수신 회로(10500)
도 104 (10400)의 회로는 다중 수신된 주파수를 구분할 수 없다는 것을 주의하는 것이 중요하다. 다중 주파수가 단일 수신 전극상에서 캡처될 필요가 있는 경우에, 도 105 (10500)에 묘사되는 접근법을 이용하는 것이 가능하다. 이 회로는 고속 ADC에 피딩하는 증폭기이다. 이 고속 ADC는 시스템에 사용되는 최대 전송 주파수의 두 배보다 더 높은 샘플링 레이트를 가져야만 한다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 이것이 나이키스트 레이트를 넘게 샘플링 주파수를 유지하기 위한 것이고, 이는 에일리어스 효과들을 캡처된 신호에서 제거한다는 것을 알 것이다. 그러한 높은 비율로 캡처하기 위해, ADC가 DMA 인터페이스를 통하여 파형을 캡처하게 하는 것이 보통 필요하다. 이것은 ADC로 하여금 전용 CPU 주기들을 필요로 하지 않고서 직접적으로 메모리에 캡처된 값들을 기입하도록 허용한다.
소프트웨어 알고리듬들이 필터링(예를 들어, 소프트웨어에서의 고역 통과, 저역 통과, 대역 통과 또는 노치 필터링)을 수행하고 및 전송된 주파수 또는 주파수들에서 신호들의 진폭을 검출하기 위해 이후 신호에 적용될 수 있다. 일부 환경에서, 이 접근법은 심지어 단 하나의 주파수가 검출될 필요가 있는 경우들에서도 이전 접근법을 넘어서서 유리할 수 있는데, 그 이유는 이것이 캡처된 신호의 진폭을 절반으로 삭감하는 정류기를 제거하고 또한 이것이 튜닝하기에 어려울 수 있고 입력 신호가 너무 높으면 포화할 수 있는 적분기를 제거하기 때문이다.
FFT를 이용한 주파수들의 다중 주파수 분리(10600)
일단 파형이 정확하게 캡처되면, 시간 도메인으로부터의 신호를 주파수 도메인으로 변환시키기 위해 FFT 알고리듬(도 106 (10600))을 실행하는 것이 가능하다. 이것은 어느 특정 주파수들이 수신된 신호를 구성하는지를 드러낼 것이고 또한 얼마나 많은 에너지가 각각의 주파수 대역에서 수신되었는지를 표시할 것이다. 도 106 (10600)에서, FFT가 수신된 신호가 4개의 주파수(F1, F2, F4, 및 F4)로 구성되는 것을 드러낸다는 것을 알 수 있고, 각각이 어떤 강도로 수신되었는지를 알아보는 것도 가능하다.
신호를 디지털로 캡처하고 FFT를 수행하는 것은 상이한 주파수들로 다중 열 상의 센서를 동시적으로 구동하고 또한 각각의 열로부터 오는 신호의 기여를 디지털로 복원하는 것을 가능하게 한다. 이것은 또한 센서로 하여금 과도한 전기적 잡음이 있는 주파수들을 결정하고 또한 잡음을 덜 가질 수 있는 다른 채널들에게 주파수 호핑하는 것을 허용한다.
용량성 센서를 스캐닝
단일 송신기/수신기를 가진 스캔 회로(9300)
도 93 (9300)은 한번에 하나의 활성 행-열 교차점에서 보간 용량성 센서를 스캐닝하는 것을 지원하는 스캐닝 회로를 보여준다.
단일 송신기를 위한 예시적 스캐닝 방법(11600)+(11700)
이런 유형의 센서를 스캐닝하기 위한 예시적 방법이, 도 117 (11700)에 상세히 정의된 적절한 서브루틴들을 가지면서, 도 116 (11600)에 보여진다.
단일 송신기/다중 수신기를 가진 스캔 회로(9400)
도 94 (9400)는 동시적으로 보간 용량성 센서의 다중 행을 스캐닝하는 것을 지원하는 스캐닝 회로를 보여준다. 모든 활성 행들이 단일 AC 신호 검출기 및 ADC에 접속되게 하는 것 대신에, AC 신호 검출기의 다중 인스턴스 및 ADC들이 있다. 아날로그 스위치들은 각각의 AC 신호 검출기 및 ADC가 두 개 이상의 활성 행들에 접속되는 것을 허용한다. (텍사스 인스트루먼츠사 부품 TS12A12511 또는 적절한 수의 쓰로우 단자(throw terminal)들을 가진 유사한 부품이 이것을 위해 잘 작용할 것이다).
다중 수신기를 위한 예시적 스캐닝 방법(11600)+(11700)
이런 유형의 센서를 스캐닝하기 위한 방법은 단일 송신기 및 수신기를 가진 센서에 대해 도 117 (11700)에 묘사된 방법과 동일한데, 다만 각각의 스캔 주기에 대해 다중 AC 신호 검출기가 다중 활성 감지 전극들에 접속될 수 있고 또한 다중 ADC 샘플이 취해질 수 있어서, 전체적 스캔 시간을 감소시킨다.
다중 송신기(다중 주파수)를 가진 스캔 회로(9500)
도 95 (9500)는 열 라인들 상의 다중 송신기를 가진 스캐닝 회로를 보여준다. 이 회로를 이용하면, 상이한 열들상에서 동시적으로 상이한 주파수들을 전송하고 또한 주어진 행에 대해 각각의 활성 열로부터 오는 신호의 기여를 복원하는 것이 가능하다.
각각의 활성 열로부터의 신호 기여를 복원하기 위해, 신호들의 다중 샘플이 시간 경과에 따라 ADC에 의해 수집되어야만 한다. 그러면, FFT가 각각의 전송된 신호에서 진폭들을 결정하기 위해 신호에 적용될 수 있다. 이러한 신호 진폭들은 이후 이들이 발생되었고 TSM에 기입되었던 열 위치들로 돌아가서 매핑될 수 있다. 대안적으로, 상이한 주파수들에 튜닝되는 다중 AC 신호 검출기가 다중 주파수를 검출하기 위해 병행적으로 이용될 수 있다. 그러나, 이것은 전력 및 비용 관점에서 볼 때는 금지될 수도 있다.
시스템에 단일 AC 신호 증폭기/필터만 있다면, 이 절차는 전 용량성 센서 프로필이 복원될 때까지 각각의 행에 대해 한번 수행될 수 있다. 게다가, 주파수들 사이의 더 많은 분리와 구동된 열들 사이의 더 많은 공간 분리를 허용하기 위해서는, 열들의 서브셋만을 동시적으로 구동하는 것이 유리할 수 있다. 이 경우에, 열 다중화 회로가 활성으로 구동되고 있지 않은 열들을 접지하는데 사용될 수 있다. 그러면, 구동된 및 접지된 열들의 상이한 조합들을 가진 몇 개의 패스들이 전 용량성 센서 프로필을 복원하기 위해 수행될 수 있다
다중 송신기를 위한 예시적 스캐닝 방법(11600)+(11800)
이런 유형의 센서를 스캐닝하기 위한 방법이, 도 118 (11800)에 정의된 적절한 서브루틴들을 가지면서, 도 116 (11600)에 보여진다.
다중 송신기/수신기(다중 주파수)를 가진 스캔 회로
이런 것을 한 단계 심화시키면, 동시적으로 센서 소자들의 2차원 어레이를 스캐닝하기 위해 도 95 (9500)에 도시된 바와 같이 열들 상의 다중 송신기와 행들 상의 다중 수신기를 이용하는 것이 가능하다. 이 경우에, 다중 송신기는 동시적으로 상이한 주파수를 전송할 수 있는 한편, 다중 수신기는 동시적으로 다중 행을 샘플링할 수 있다. 이후 FFT들이 각각의 열에서의 송신기들로부터 각각의 행에서의 상이한 기여들을 복원하고 및 신호 값들의 2차원 어레이를 복원하기 위해 각각의 행에서의 신호들에 적용될 수 있다.
이전 설명에서 언급된 것처럼, 열들의 서브셋을 구동하고 및/또는 동시적으로 행들의 서브셋만을 스캐닝하는 것이 유리할 수 있다. 이 경우에, 모든 다른 행들 및/또는 열들이 열 및 행 다중화 회로를 이용하여 접지에 소속될 수 있다. 그러면, 몇 개의 패스(pass)들이 전 용량성 센서 프로필을 복원하기 위해 상이한 구동된 행/열 조합들로 실행될 수 있다. 예로서, 도 95 (9500)에서, 열 및 행 다중화 회로의 상태를 살펴봄으로써, 모든 열들이 동시적으로 구동되고 있는 반면, 하나씩 걸러 있는 행만이 동시적으로 스캐닝되고 있는 것을 알 수 있다.
능동 스타일러스 지원
용량성 터치 센서들은 일반적으로 3가지 유형의 스타일러스 중 하나에 의해 사용될 수 있다. 제1 유형의 스타일러스는 인간 손가락의 용량성 특성들을 흉내내기를 시도한다. 이런 유형들의 스타일러스들은 전형적으로 도전성 물질로 만들어지고, 크고 물렁물렁한(squishy)(휘기 쉬운(pliable)) 고무 팁을 갖는다. 이런 유형의 스타일러스의 단점은 이들이 매우 부정확하고 또한 어느 터치가 스타일러스로부터 유래하고 있고 어느 터치가 손가락/손바닥으로부터 유래하고 있는지를 결정하는 것이 어렵기 때문에 이런 유형의 스타일러스로 손바닥-거부 동작(palm-rejection)을 하기가 어렵다는 것이다.
제2 유형의 스타일러스는 자동적으로 센서의 송신 회로에게 동기화하고, 및 센서가 예상하는 신호에 대한 역 신호를 발생하는 능동 스타일러스이다. 이런 유형의 스타일러스들은 핵질적으로 손가락의 용량성 시그니처를 흉내 낸다. 이들이 용량성 센서와의 어떠한 특수 통신 모드도 필요로 하지 않기 때문에, 이런 유형의 능동 스타일러스들에 대한 어떤 추가적 논의도 여기서 제시되지 않는다.
제3 유형의 스타일러스들은 센서 그리드에 상대적인 자신의 로케이션을 결정하기 위해 센서와 통신할 수 있는 능동 스타일러스이다. 이런 유형의 스타일러스는 데이터를 센서에게 전송하고, 센서로부터 데이터를 수신하고, 또는 양쪽 모두를 하도록 구성될 수 있다. 이 접근법의 장점은, 이러한 접근법들 중 하나를 이용하는 능동 스타일러스가 훨씬 더 큰 정확도를 달성할 수 있고, 이런 유형의 능동 스타일러스가 손가락 또는 손바닥 간에 쉽게 구별하여, 사용자가 스타일러스를 이용하면서 자신들의 손을 센서의 표면상에 얹도록 허용하고 또한 다른 유형들의 상호작용을 용이하게 한다는 것이다. 이 부분의 나머지 내용은 보간 용량성 센서와 함께 이런 유형의 능동 스타일러스를 구현하는 방법들을 설명한다.
센서 및 스타일러스의 동기화
능동 스타일러스를 지원하기 위해서는, 센서를 스타일러스와 동기화하는 것이 중요할 수 있다. 센서가 스타일러스에게 신호들을 송신하고 있다면, 스타일러스는 특정 스캔에서 센서가 주어진 시간에 어디에 있는지를 알 필요가 있다. 스타일러스가 신호를 전송하고 있다면, 센서는 자신의 수신 회로를 언제 활성화할지를 알 필요가 있다. 게다가, 스타일러스가 센서가 그냥 터치들을 스캐닝하고 있는 동안 전송하려고 시도하면, 이것은 원치 않는 전기적 잡음을 야기할 수 있고 또한 센서를 혼동시킬 수 있다. 그러므로, 전송하는 능동 스타일러스는 센서가 스타일러스를 찾고 있는 때에만 전송하는 방법을 가져야 한다. 동기화 방법들이 상이한 유형의 스캔들의 각각에 대해 다음 부분에서 논의될 것이다.
스타일러스 스캔 수행하기(12400)
도 124 (12400)는 능동 스타일러스와 보간 용량성 센서 사이의 상호작용을 묘사한다. 센서가 일반적으로 한번에 하나의 스타일러스와만 통신하기 때문에, 스타일러스의 위치를 검출하기 위해 전체 매트릭스 스캔이 필요하지 않다. 그 대신에, 스타일러스의 위치를 결정하기 위해, 본 발명은 그것의 X 위치와 그것의 Y위치만을 결정할 필요가 있다. X 위치를 결정하기 위해, 열들을 따른 한 번의 스캔이 수행되어, 각각의 활성 열과 스타일러스 간의 신호 강도를 측정할 수 있다. 보간 알고리듬이 이후 X축을 따른 스타일러스의 좌표를 결정하기 이해 이용될 수 있다. 다음에, 동일 절차가 Y를 따라 수행될 수 있는데, 이번에는 스타일러스에 대한 각각의 활성 행 상의 신호 강도를 측정한다. 도 124 (12400)는 2개의 그래프(하나는 아래에 있고, 다른 하나는 센서의 우측에 있음)의 형태로 스타일러스와 센서 간의 결합 량을 보여준다. 스타일러스가 전송하고 있고 센서가 수신하는 구성에서, 그래프상의 점들은 (X와 Y를 따라) 각각의 활성 전극에 수신되는 신호의 양을 표시한다. 센서가 전송하고 있고 스타일러스가 수신하는 구성에서, 점들은 스타일러스가 각각의 활성 전극으로부터 수신할 신호의 양을 표시한다.
이런 유형의 스캔이 (모든 활성 열-행 교차점들 대신에) 활성 열들 및 행들을 따라서만 행해질 필요가 있기 때문에, 이런 유형의 스캔은 매우 신속하게 수행될 수 있다(다중 터치에 대한 스캐닝보다 훨씬 더 빠르다). 게다가, 스타일러스 대기 시간이 손가락 대기 시간보다 훨씬 더 주목할 만하기 때문에, 및 필기 및 스케칭이 매우 빠르고 정밀한 움직임들을 수반하기 때문에, 이런 유형의 스캔은 손가락들을 위한 스캔들보다 더 높은 빈도로 수행될 수 있다.
스타일러스 보간 알고리듬
능동 스타일러스가 무선으로 VIA와 신호들을 수신/전송하기 때문에, 비 제로 신호 강도가 전형적으로 센서의 각각의 활성 행과 활성 열에 대해 검출될 것이다(도 124 (12400)). 그러나, 시간상 주어진 포인트에서 스타일러스의 위치로부터 멀리 떨어져 있는 행/열들에 대해 보고되는 신호 강도들은 일반적으로 매우 낮다. 예를 들어, 도 124 (12400)의 최하부 활성 행이 매우 낮은 신호를 갖는 것을 유의하라. 그러므로, 보간된 X 또는 Y위치를 계산하기 전에, 본 발명은 먼저 어느 신호들이 보간 되어야 하는지를 결정해야만 한다.
한가지 바람직한 예시적 접근법에서, 2개의 최강 신호를 가진 두 개의 이웃 로케이션 및 이것들에 인접한 2개의 추가적 로케이션(총계하면 4개의 로케이션)이 보간된 위치를 계산하는데 사용된다. 도 124 (12400)를 참조하면, 활성 열들 2 및 3이 최강 신호들을 갖는 것을 알 수 있다. 2개의 이웃 로케이션은 활성 열들 1 미 4이다. 그러므로, 활성 열들 1, 2, 3 및 4는 X 스타일러스 로케이션을 계산하기 위해 이 경우에 사용될 것이다. 유사하게, 행들을 따라, 활성 행들 2 및 3이 최강 신호들을 가지고 이들의 이웃들은 활성 행들 1 및 4이다. 그러므로, 활성 행들 1, 2, 3 및 4는 Y 스타일러스 로케이션을 계산하기 위해 이 경우에 사용될 것이다.
X 및 Y 로케이션을 계산하기 위해, 4개의 선택된 열의 가중 평균 위치가 계산되며, 여기서 가중은 신호 강도이다. 보간된 위치는 4개의 위치가 자신들의 개개의 신호 강도들과 곱해진 것의 합이 4개의 위치에서의 신호 강도들의 총계에 의해 나누어진 값으로서 계산된다. 공식은 그러므로 다음과 같다:
Figure pct00021
예로서, 도 124 (12400)에서의 선택된 활성 열들 1, 2, 3 및 4의 신호 강도들이 제각기 0.1, 0.5, 0.8, 및 0.25이므로, 보간된 X 위치는 다음과 같이 계산된다: (1*0.1 + 2*0.5 + 3*0.8 + 4*0.25)/(0.1+0.5+0.8+0.25) = 2.73. 선택된 활성 행들 1, 2, 3, 및 4의 신호 강도들이 제각기 0.15, 0.6, 0.6, 및 0.15이므로, 보간된 평균 Y 위치는 (1*0.15, 2*0.6, 3*0.6, 4*0.15)/(0.15 + 0.6 + 0.6 + 0.15) = 2.5로서 계산된다.
스타일러스 팁 센서
지금까지 설명된 능동 스타일러스의 하나의 도전 과제는 스타일러스가 공중에 있는지 또는 감지 표면과 접촉하고 있는지를 결정하는 것이 어려울 수 있다는 것이다. 이것의 이유는 스타일러스가 심지어 자신이 센서 위에 있을 때에라도 감지 표면으로부터 신호들을 전송하고/수신하기를 계속할 것이고, 스타일러스가 표면과 접촉하고 있는지를 순수하게 신호들로부터 결정하는 것은 어려울 수 있기 때문이다. 게다가, 순수 용량성 터치 센서의 경우에, 스타일러스에 가해지고 있는 힘의 양을 결정하는 것은 어려울 수 있다.
이 문제를 해결하기 위해, 팁 센서(tip sensor)가 스타일러스에 포함되어 스타일러스가 센서 표면과 접촉 상태에 있는지를 결정하고 그리고 사용자에 의해 스타일러스상으로 행사되는 힘의 양을 결정할 수 있다. 스위치, 광학적 힘 센서, 용량성 힘 센서, 저항성 힘 센서, 유도성 힘 센서, 기타 등등과 같은 이런 유형의 팁 센서를 구현하기 위한 많은 알려진 방법들이 있다
스타일러스가 터치하고 있는지에 관한 정보 및 팁 상에 가해지는 힘의 양이 블루투스® 무선 통신을 통해 또는 스타일러스로부터 보간 용량성 센서까지 전송되는 신호를 통해 중계될 수 있다. 이 정보는 (예를 들어) 스크린에 렌더링되는 스타일러스 스트로크의 암흑도(darkness) 또는 폭을 변경하기 위해 애플리케이션 소프트웨어에서 사용될 수 있다.
팁에 있는 센서에 더하여, 스타일러스는 "지우개"의 모양으로 몸체에 또는 다른 단부에 내장되는 다른 센서들을 가질 수 있다. 모든 이런 유형의 센서들은 유사한 방식으로 구현될 수 있고, 블루투스® 무선 통신을 통해 또는 스타일러스로부터 보간 용량성 센서까지 전송되는 신호를 통해 디바이스에게/그로부터 데이터를 전송할 수 있다.
스타일러스 호버링
스타일러스가 표면과 접촉 상태에 있지 않은 경우들에서, 센서 위의 대략적 스타일러스 위치 및 높이를 결정하는 것이 가능할 수 있다. 이것은 디스플레이와 터치 센서가 함께 자리잡지 않은 응용들에서 매우 유용할 수 있어서, 사용자로 하여금 스타일러스를 착지(touch down)시키기 전에 이 스타일러스가 어디에 있는지를 알 수 있게 허용한다. 이것은 또한 에어브러시(airbrush)와 같은 가상 묘화 도구들을 구현하기에 유용할 수 있다(실제 에러브러시들이 그려지고 있는 표면 위의 공중에 있을 때 도료를 도포하므로).
호버링 스타일러스의 위치는 센서를 접촉하고 있는 스타일러스에 대한 위치에 대해 하는 방식과 동일한 방식으로 단순히 결정될 수 있다. 높이는 (이전에 설명한 대로) 최고 신호들을 가진 4개의 X 및 Y 활성 열들 및 행들에서 수신되는 총 신호 강도를 조사함으로써 결정될 수 있다. 센서의 표면과 접촉 상태에 있는 스타일러스에 대해, 이러한 신호 강도들의 합은 전형적으로 상수이다. 스타일러스가 센서의 표면으로부터 멀어지도록 움직임에 따라, 신호 강도들의 합은 반복 가능한 방식으로 감소할 것이다. 총 신호 강도와 센서 표면 위의 높이 간의 관계성은 분석적으로 측정되고 이후 룩업 테이블에 저장될 수 잇는데, 이것은 센서 표면 위의 스타일러스의 높이를 계산하기 위해 실행 시간에 접근될 수 있다.
다중 스타일러스
다중 능동 스타일러스가 보간 용량성 센서와 동시적으로(2개 이상의 스타일러스들이 동일 시간에 이용됨), 또는 비동시적으로(사용자는 많은 상이한 능동 스타일러스들을 갖지만, 한번에 이들 중 하나만을 이용할 수 있음) 사용될 수 있다.
각각의 스타일러스가 수신기/송신기를 갖고 있기 때문에, 다중 스타일러스와 주어진 보간 용량성 센서 간의 통신은 시간상 순서화될 수 있어서, 각각의 스타일러스가 개별적으로 X/Y 위치를 결정할 기회를 가질 수 있도록 한다. 게다가, 각각의 스타일러스는 블루투스® 무선 통신을 통해 통신되는 또는 스타일러스 팁으로부터 보간 용량성 센서까지 전송되는 고유 ID를 가질 수 있다. 고유 ID는 상이한 스타일러스들에게, 상이한 팁 형상들, 상이한 색들, 또는 상이한 사용자 ID들(디바이스는 어느 스타일러스가 이용되고 있는 지에 기초하여 어느 사용자가 필기하고 있는지를 결정할 수 있다)과 같은 상이한 기능들을 부여하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 다중 스타일러스와 보간 용량성 센서 간의 통신들이 상이한 AC 주파수 대역들에서 발생할 수 있다.
다중 수신기/송신기
단일 스타일러스가 (송수신기들로 지칭될) 다중 수신기/송신기를 가질 수 있어서, 스타일러스 배향의 더 미세하게 정밀도 조정된 결정을 허용한다. 예를 들어, 팁에 나란히 있는 두 개의 송수신기가 있다면, 스타일러스 회전이 2개의 송수신기의 상대적 (X,Y) 위치들에 기초하여 측정될 수 있다. 대안적으로, 팁 근처에서 하나가 다른 것 위에 있는 두 개의 송수신기가 있다면, 스타일러스 경사가 송수신기의 상대적 (X,Y) 위치들뿐만 아니라 상부 송수신기의 높이를 결정함으로써 결정될 수 있다. 또한 지우개 특징(erase feature)을 지원하기 위해, 스타일러스의 배후 측 상에 송수신기가 있을 수 있다.
스타일러스에의 전송을 위한 센서 회로/방법(9600)+(11900)+(12000)
도 96 (9600)은 센서가 AC 신호들을 수신하도록 구성되는 스타일러스에게 이런 신호들을 전송하는 회로 구성을 묘사한다. 이 스캐닝 회로와 연관되는 예시적 방법이 도 120 (12000)에 추가로 정의된 서브루틴들을 가지면서 도 119 (11900)에 설명된다.
센서/스타일러스 상호작용은 다음과 같다. 첫째로, 센서와 스타일러스는 서로 동기화해야만 한다. 이것을 달성하기 위해, 센서는 동시에 모든 센서 행/열들 상에서 고유 동기화 주파수를 전송한다. 스타일러스는 그 자신이 이 특정 주파수의 존재를 검출할 때까지 대기한다. 이것은 스캔의 시작을 마킹한다. 센서가 그 동기화 비콘을 송신한 후에, 센서는 한 번에 하나의 활성 전극을 AC 신호원에 접속하고 또한 미리 결정된 수의 펄스들을 전극에게 전송한다. 스타일러스와 센서가 동기화되었으므로, 스타일러스는 각각의 전극 전송이 얼마나 오래 걸릴 것인지를 안다.
스타일러스는 센서가 전송하고 있는 동안 수신 모드에 들어가고, 도 104 (10400)에 도시된 것과 같은 방법을 이용하여 신호 수신 강도를 디지털 값으로 변환한다. 스타일러스는 각각의 전극으로부터 이것이 스캔 동안 수신한 신호들의 수신 강도를 로깅한다. 스캔이 완료된 후, 스타일러스는 블루투스® 무선 통신 또는 다른 비슷한 무선 데이터 채널에 걸쳐서 센서에게 원시 데이터를 송신할 수 있어서, 센서가 데이터를 처리하고 스타일러스의 위치를 계산하도록 한다. 또 다른 실시예에서, 스타일러스는 자신의 온보드 마이크로컨트롤러를 이용하여 그 자신의 위치를 내부적으로 계산하고 계산된 위치를 센서에게 송신할 수 있다.
대안적으로, 동기화가 블루투스® 무선 통신을 이용하여 수행될 수 있다. 이것은 블루투스® 무선 통신 송신기 및 수신기가 정확한 시간 동기화를 필요로 한다는 사실 때문이고, 이 동일한 동기화가 스타일러스와 센서 사이의 공통 시간 기반 및 스케줄을 발생하기 위해 시용될 수 있고, 이는 각각의 열과 행 상에서 송신되는 신호들을 동기화하는 데에 사용될 수 있다. 동기화를 수행하기 위한 또 하나의 방법은 센서가 스캐닝되고 있는 각각의 행/열을 위한 동기화 펄스 시퀀스를 송신하는 것이다. 시퀀스는 진폭 변조, 주파수 변조, 위상 변조, 또는 다른 알려진 변조 방식을 이용하여 부호화될 수 있다.
전송 센서를 위한 센서 회로/방법(9700)+(11900)+(12100)
이 구성에서, 스타일러스는 AC 신호들을 수신하도록 구성되는 센서에게 AC 신호들을 전송하고 있을 것이다(도 97 (9700)를 참조). 이 스캔을 위한 방법은 도 121 (12100)에서 정의된 서브루틴들을 가지면서 도 119 (11900)에 예시된다.
이 예시적 실시예에서, 스타일러스는 센서가 스타일러스에 대해 스캐닝할 준비가 될 때까지 저 전력 모드에 있을 수 있다. 이것은 스타일러스가 터치들에 대한 스캔 동안 전송하는 것을 방지한다. 센서가 스타일러스 스캔을 시작할 준비가 될 때, 센서는 스타일러스에게 시그널링하여 블루투스® 무선 통신 연결을 이용하여 펄스들을 전송하기를 시작하도록 할 수 있다.
스타일러스가 주기적 구간으로 미리 결정된 수의 펄스들을 방출할 것이다. 센서가 각각의 이러한 펄스들이 얼마나 오래 걸리는지를 알기 때문에, 센서는 각각의 활성 전극을 차례로 AC 신호 검출기에 이르기까지 전기적으로 결합할 수 있고, 스타일러스가 전송하고 있음에 틀림없는 동안 수신할 수 있다. 센서는 스타일러스의 위치를 계산하기 위해 이용될 수 있는 수신된 신호 강도들의 리스트를 만들 것이다. 스캔 후에, 센서는 스타일러스로 하여금 다음 스캔을 위한 때가 될 때까지 저 전력 모드로 되돌아가도록 지시할 수 있다.
양방향 스타일러스를 위한 센서 회로/방법(9800)
이전의 두 가지 방법은 도 98 (9800)에 도시된 바와 같이 스타일러스와 센서 사이의 양방향 통신을 허용하기 위해 조합될 수 있다. 이것을 가능하게 하기 위해, 보간 센서가 열들과 행들의 양쪽상에 AC 신호 송신기들과 검출기들의 세트를 필요로 하고, 스타일러스가 유사하게 스타일러스 팁에 대한 AC 신호 송신기들과 검출기들의 세트를 필요로 한다. 이 구성의 한가지 장점은 양방향성 동기화가 블루투스® 무선 통신 없이 수행될 수 있다는 것이다. 게다가, 삼각 측량(triangulation)이 센서로부터 스타일러스로, 스타일러스로부터 센서로, 또는 양쪽 방향 모두로 신호를 전송함으로써 수행될 수 있다. 이것은 삼각 측량의 정확도를 높이는데 사용될 수 있다.
능동 추적을 가진 다른 유형의 물체들
스타일러스의 능동 추적을 위해 여기 제시된 송수신기 회로는 다른 유형의 물체들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 이들은 화필, 자, 장난감, 심지어 골무(thimble) 내에 내장되어, 보간 용량성 센서 표면의 그런 물체들의 추적을 허용할 수 있다.
힘 감지와 용량성 감지의 조합
힘/ 용량성 감지 회로(9900)
더 일찍이(도 41(4100) 도 64 (6400)) 도시된 모든 힘 감지 센서 구성들은, 가해진 힘을 측정하기 위해 DC 신호로 및 용량성 결합을 측정하기 위해 AC 신호로 둘 모두로 스캐닝될 수 있다. 도 99 (9900)는 AC 신호로 및 DC 신호로 둘 모두로 센서를 스캐닝하는 데에 필요한 전자 장치를 상세히 도해하는 회로도이다. 이것은 또한 각각의 센서 소자들이 가변 저항기와 가변 커패시터의 양쪽의 역할을 하는 센서 VIA를 보여준다.
비 연속적 힘 감지 층(도 41(4100) - 도 42(4200), 도 46(4600), 도 48(4800), 도 49(4900) 및 도 50(5000) - 도 60 (6000)에 도시된 것과 같은 것)을 갖는 센서들에서 전기력선들은 힘 감지 층을 통과해 나아갈 수 있고, 손가락들 및 도전성 물체들에 의해 영향을 받을 수 있다는 것이 실험적으로 결정되었다. 그러므로, 용량성 센서로서(도전성 물체들에 의한 가벼운 접촉을 감지) 및 저항성 센서로서(임의의 물체로부터의 압력을 감지)와 같이 둘 모두로서 센서를 작동시키는 것이 가능하다.
연속적 힘 감지 층(도 43(4300) 및 도 47 (4700)에 도시된 것과 같은 것)을 갖는 센서들에서 (힘 감지 층이 전기력선들을 차단하는 경향이 있으므로) 도전성 물체들을 검출하는 것이 가능하지 않다는 것이 실험적으로 결정되었다. 그러나, 몇몇의 경우들에서, DC 신호에서의 변화가 보이기 전에 AC 신호로 더 가벼운 힘들을 검출하는 것이 가능하다. 이것은 센서의 층들 간에 미세한 에어-갭이 있을 수 있기 때문이고, 용량성 스캐닝 접근법은 층들 사이의 도전율의 변화를 야기하기에 충분한 접촉이 있기 전에 에어 갭의 거리를 본질적으로 측정할 수 있다.
도 99 (9900)에 도시된 회로도는, DC 전압원을 인에이블하고 AC 신호원을 디스에이블하고, 및 DC 신호 조절 회로로부터 신호를 수신하기 위해 아날로그 스위치(TS12A12511 또는 그 등가물)를 스위칭함으로써, DC 신호로 센서를 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 회로는 AC 신호원을 인에이블하고, DC 전압원을 디스에이블하고, 및 AC 신호원으로부터 신호를 수신하기 위해 아날로그 스위치를 스위칭함으로써 AC 신호로 센서를 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 회로는 스캔당 기준으로 또는 스캐닝되는 각각의 센서 소자에 대해 이러한 2가지 모드 간에서 스위칭될 수 있다.
힘/ 커패시턴스 감지 방법들(12200)-(12300)
도 122 (12200)는 전 저항성 스캔(full resistive scan)과 이어지는 전 용량성 스캔을 수행하기 위한 방법을 도시한다. 도 123 (12300)은 스캔 동안 각각의 센서 소자에 대해 저항성 및 용량성 측정의 양쪽을 수행하는 것을 수반하는 제2 접근법을 보여준다.
힘 감지와 용량성 감지를 조합하는 것의 이점
센서가 힘 및 커패시턴스 변화들을 감지하는 능력을 가질 때, 센서 성능을 개선하기 위해 각각의 스캔으로부터의 데이터를 함께 사용하는 것이 가능하게 된다. 2번의 스캔을 함께 조합하는 것은 더 높은 정확도의 특징 추출을 허용하고, 터치 추적을 향상시킨다. 이것을 달성하기 위한 방법들이 하기 단락들에서 설명될 것이다. 각각의 스캔으로부터의 원시 데이터를 조합하는 것이 가능할지라도, 각각의 스캔으로부터의 원시 데이터에 대해 접촉 추적 알고리듬들(이 문서에서 일찍이 설명됨)을 실행하고 및 그 후에 접촉 데이터 세트들을 조합하는 것이 훨씬 더 실용적이라는 것을 주목한다. 그러므로, 아래의 논의는 힘 및 용량성 감지 접촉 데이터를 조합하기 위한 방법들에 초점을 맞출 것이다.
힘 및 용량성 스캔들의 각각은 값들의 어레이(TSM)를 발생한다. 이 문서에 일찍이 논의한 것처럼, 접촉 데이터는 각각의 이러한 어레이들로부터 추출될 수 있다. 이 접촉 추출 후에, 남겨진 잔여물이 용량성 센서에 의해 검출되는 접촉들의 리스트, 및 힘 센서에 의해 검출되는 접촉들의 리스트이다. 각각의 용량성 스캔 접촉에 대해, 힘 스캔으로부터의 각각의 접촉들에 대한 이 접촉의 거리를 계산하는 것이 가능하다. 단순한 거리 문턱값을 이용하면, 이러한 접촉들이 센서와 상호 작용하는 동일 물체로부터 유래하는지를 판정하는 것이 가능하다. 이 거리 계산/매칭 처리는 모든 용량성 스캔 접촉들에 대해 행해질 수 있다. 이것은 본질적으로 (몇몇 접촉들이 매칭을 갖지 않을지라도) 쌍을 이룬 접촉들의 리스트를 발생시킨다. 이 매칭 처리가 완료된 후, 높은 레벨의 접촉 리스트가 발생될 수 있고 또한 이것이 접촉이 용량성 스캔, 힘 스캔 또는 둘 모두의 스캔에서 발견되었는지에 대한 표시를 산출할 수 있다.
센서 상태들(12500)
도 125 (12500)는 어떻게 우리가 센서와 상호 작용하는 물체들에 관해 더 알기 위해 이 데이터를 이용할 수 있는지를 보여준다. 주어진 물체에 대해 두 가지 센서 유형에 대한 2가지 가능 상태가 있기 때문에, 각각의 물체에 대한 총 4가지 가능 상태가 있다:
상태 1: 물체는 저항성 힘 센서에 의해 검출되지 않고, 또한 물체는 용량성 센서에 의해 검출되지 않는다. 물체가 센서들 중 어느 것도 활성화하지 않으면, 아마도 2가지 가능성이 있다. 첫 번째는 실제로 센서와 상호 작용하는 어떤 물체도 없다는 것이다. 두 번째는 센서에 근접하여 호버링하는 비 도전성 물체가 있다는 것이다.
상태 2: 물체는 저항성 힘 센서에 의해 검출되지 않고, 또한 물체는 용량성 센서에 의해 검출된다. 이 상태에서, 물체가 용량성 터치 센서에 의해 검출되기 때문에, 물체는 어떤 유형의 도전성 물질로 만들어진 것이 알려진다. 또한, 물체는 (힘 센서가 활성화되지 않기 때문에) 호버링하고 있거나 매우 가벼운 힘으로 센서와 접촉하고 있다는 것이 알려진다.
상태 3: 물체는 저항성 힘 센서에 의해 검출되고 또한 물체는 용량성 센서에 의해 검출된다. 이 상태에서, 물체가 도전성 물질로 만들어지고 또한 물체가 센서에 힘을 가하고 있다는 것이 알려진다(호버링하지 않는다).
상태 4: 물체는 저항성 힘 센서에 의해 검출되고 또한 물체는 용량성 센서에 의해 검출되지 않는다. 이 상태에서, 접촉이 비 도전성 물질로 이뤄지고 또한 물체가 센서에 힘을 행사하고 있다는 것이 알려진다(호버링하지 않는다).
도 125 (12500)는 공통 유형들의 상호작용들을 위한 상태 변화들을 또한 보여준다. 경로 A는 센서와 접촉하는 도전성 물체(즉, 손가락 끝)에 대한 상태 천이들을 보여준다. 스캔 레이트가 충분하면, 손가락 터치는 항상 상태 1로부터 2를 거쳐 3으로 천이할 것이다. 더 낮은 프레임 레이트로 스캐닝하면, 상태 1로부터 상태 3으로 천이하는 것이 가능할 수 있다. 터치가 센서로부터 떨어지며 들려지면, 상태는 1로 (직접적으로 또는 상태 2를 경유해)되돌아가 변경될 것이다.
경로 B는 센서 위에 호버링하고 있지만 결코 표면을 터치하지 않는 도전성 물체(즉, 손가락 끝)에 대한 상태 변화들을 보여준다. 이것은 어떤 사람이 호버링을 통하여 배타적으로 센서와 상호 작용한다면 발생한다.
경로 C는 센서와 접촉하는 비 도전성 물체에 대한 상태 변화들을 보여준다. 용량성 센서로 비 도전성 물체들을 검출하는 것은 일반적으로 가능하지 않아서, 이러한 물체들에 대해 호버링 상태를 검출하는 것은 가능하지 않다.
물체들이 어떤 유형의 물질로 만들어졌는지를 말할 수 있다는 것은 매우 가치 있을 수 있다. 예를 들어, 사람이 센서상에서 그리기 위해 비 도전성 스타일러스를 이용하여 있다면, (피부가 도전성이므로) 스타일러스와 사용자의 손을 분명하게 구별하는 것이 가능하다. 사용자들의 손에 대한 접촉들은 상태 3에 있는 반면, 스타일러스로부터의 접촉은 상태 4에 있을 것이다. 이것은 스타일러스의 정확한 식별을 허용하고, 이것은 스타일러스 대 손바닥의 정확한 식별을 필요로 하는 드로잉 응용들에 중요하다. 상태 2는 또한 센서 가용성에 매우 중요하다. 시장에 나온 대다수의 용량성 터치 솔루션에 대해, 실제 터치로부터 호버링을 구분하는 것은 매우 어렵다. 기존 용량성 터치 솔루션들의 공급자들은 호버링이 터치로 전환되는 신호-강도 문턱값을 종종 이용한다. 그러나, 실제적 사용 동안, 이 문턱값은 종종 결국 너무 낮은 것으로 끝날 수 있어서 (사용자 손가락이 심지어 스크린에 접촉하기도 전에) 예기치 않은 터치들을 낳을 수 있거나, 또는 문턱값이 너무 높을 수 있어서 (터치에 응답하지 않는 스크린을 낳는다). 용량성 센서를 힘 센서와 조합함으로써, 이러한 2가지 호버링 대 터치 상태들(상태 2 대 상태 3)을 쉽게 구별하는 것이 가능하다.
정확도를 향상시키기
도전성 물체들이 센서와 상호 작용할 때(즉, 손가락들), 용량성 및 힘 데이터를 조합함으로써 센서의 정확도를 향상시키는 것이 실제로 가능하다. 도전성 물체가 센서와 접촉 상태에 있을 때, 물체는 2번 접촉을 생성할 것이다(하나는 힘 센서 데이터와의 것이고 다른 하나는 용량성 센서 데이터와의 것임). 이러한 2번의 접촉을 취하고 더 정확한 결과를 산출하기 위해 이들을 함께 평균하는 것이 가능하다. 이러한 2번의 판독을 평균화하는 것은 최종 접촉이 판독으로부터의 순간 잡음에 덜 민감하게 만들 것이고, 대부분의 경우에 결과를 더 정확하게 만들 것이다.
게다가, 터치들이 매우 가벼울 때, 용량성 신호가 더 정확한 터치 위치를 산출할 수 있다. 이러한 매우 가벼운 터치들의 정확도가 중요한 상황들에서, 용량성 신호로부터 추출되는 터치들을 그냥 이용하거나, 또는 용량성 및 힘 신호를 조합하기 위해 가중 평균을 이용하는 것이 양호할 수 있는데, 여기서 용량성 신호는 힘 신호보다 더 가중된다.
반대로, 힘 신호가 용량성 신호보다 더 강하거나 더 깨끗한 경우들이 있을 수 있다. 이는, 디바이스가 습기, 강한 전기적 잡음에 노출될 때, 또는 금속 스타일러스와 같은 끝이 뾰족한 물체가 이용되면, 일어날 수 있다. 이러한 경우들에서, 힘 신호로부터 추출되는 터치들을 그냥 이용하거나, 또는 용량성 및 힘 신호를 조합하기 위해 가중 평균을 이용하는 것이 양호할 수 있는데, 여기서 힘 신호는 용량성 신호보다 더 가중된다.
어느 한 신호(힘 또는 용량성)가 다른 신호보다 더 약하거나 더 잡음이 많은 상태들의 검출은 소프트웨어로 자동적으로 수행될 수 있고, 소프트웨어는 이후 더 깨끗한 신호를 그냥 이용함으로써 또는 더 큰 가중을 더 깨끗한 신호에 부여함으로써 자동적으로 보상할 수 있다.
자기 용량성 감지
대다수의 기존 용량성 터치 센서들은 터치들의 위치들을 검출하기 위해 상호 용량성(mutual-capacitive) 스캐닝 및 자기 용량성(self-capacitive) 스캐닝의 조합을 사용한다. 용량성 센서들에 대해 본 명세서에서 기술되는 대부분의 스캔 알고리듬들이 상호 용량성 스캐닝의 범주에 들기는 하지만, 본 발명 센서들은 자기 용량성 접근법으로도 스캐닝될 수 있다.
상호 용량성 스캔과 자기 용량성 스캔 간의 주요 차이는 상호 용량성 스캔은 각각의 행/열 교차점에서 터치의 존재를 찾아 보고, 자기 용량성 스캔은 주어진 행에서 또는 주어진 열에서 터치의 존재를 찾아 본다는 것이다. 이것은 터치들의 위치가 X축 또는 Y축을 따라 결정될 수 있다는 점에서 힘 감지 센서들을 보간하기 위해 설명된 1차원 스캔과 유사하다. 이것은 또한 스타일러스의 (X,Y) 위치를 결정하기 위해 사용한 1차원 스캔 방식들과 유사하다.
자기 용량성 스캐닝은 힘 감지 센서들을 보간하기 위한 1차원 스캔과 매우 유사한 방식으로 용량성 센서들을 보간하기 위해 실행될 수 있다. 자기 커패시턴스를 측정하는 것이 요망되는 각각의 열/행에 대해 모든 이웃하는 열/행들이 접지되어야만 하고 이후 요망된 행/열의 커패시턴스가 측정된다.
이 커패시턴스를 측정하기 위한 한가지 방식은 도 98 (9800)에 도시된 것과 같은 회로를 이용하는 것이다. 이 도면은 행들 및 열들 양쪽상에 있는 AC 신호원 및 AC 신호 검출기 양쪽을 묘사한다. 이 회로를 이용하여 행/열의 커패시턴스를 측정하기 위해, AC 신호를 전송하고 동일 행/열 상에서 이것을 수신하는 한편 이웃 행들/열들이 접지되는 것은 단순 과제이다. 손가락 또는 다른 도전성 물체가 구동된 행/열에 접근함에 따라, 커패시턴스가 증가할 것이어서, 검출된 신호의 크기가 감소하도록 야기한다.
대안으로, 다양하고 상이한 제조자들로부터 이용가능하고 또한 많은 가용 마이크로컨트롤러들에 통합되는 전용 커패시턴스 측정 모듈들이 주어진 행/열의 커패시턴스를 측정하기 위해 도 98 (9800)에서의 AC 신호원과 AC 신호 검출기의 조합을 대체하여 이용될 수 있다.
다중 분해능 용량성 스캔
바로 보간 힘 감지 센서들에 의해 그런 것처럼, 보간 용량성 센서들이 다중 분해능으로 스캐닝하기 위한 능력을 지원한다. 이것은 스캔 속도를 개선하고, 전력을 절감하고, 다중 분해능 스캔을 구현하기 위해 이용될 수 있다. 이것은 또한 상이한 크기의 물체들을 스캐닝할 때 매우 유용할 수 있다. 예를 들어, 더 낮은 분해능 스캔이 손가락들을 스캐닝하기 위해 이용될 수 있고, 더 높은 분해능 스캔이 스타일러스들을 스캐닝하기 위해 이용될 수 있다.
바로 보간 힘 감지 센서들에 의해 그런 것처럼, 더 낮은 분해능 스캔들은, VIA에서의 활성 전극들의 서브셋을 고 임피던스 상태에 설정하고 및 남아있는 활성 전극들을 그냥 스캐닝함으로써 이루어진다. 이것은 도 93 (9300) - 도 99 (9900)의 열 다중화 회로와 행 다중화 회로에서의 스위치들을 NC(접속 안됨) 상태에 설정함으로써 성취된다. 이는 효과적으로 더 낮은 활성 라인 분해능을 가진 센서를 만들지만, 센서의 선형성과 터치가 추적될 수 있는 정확도를 여전히 보존한다.
힘 감지 용량성 (10700)
지금까지 보여진 보간 센서 실시예들은 힘을 측정하기 위해 저항의 변화들을 이용했거나 또는 터치를 검출하기 위해 커패시턴스의 변화들을 이용했지만, 힘을 측정하기 위해 커패시턴스의 변화들을 이용하는 센서를 만드는 것도 가능하다. 이것은 도 93 (9300) 내지 도 98 (9800)에 도시된 것과 같은 전자 장치를 가진 용량성 보간 어레이 및 도 81 (8100) - 도 84 (8400)에 도시된 것과 같은 구조를 취하고 또한 VIA의 각각의 행-열 교차점에서의 각각의 센서 소자가 힘에 응답하여 커패시턴스를 변경하도록 이 구조를 수정함으로써 행해질 수 있다. 이것의 한 가지 가능한 실시예가 도 107 (10700)에 도시된다.
도 107 (10700)은 보간 용량성 센서 어레이로 구성되는 하부 층, 변형 가능 표면으로 구성되는 상부 층, 및 그 사이 내에 있는 물렁물렁한(휘기 쉬운) 층을 보여준다. 상부 층의 바닥 측은 도전성 물질로 코팅된다. 이 도전성 층은 손가락이 도 81 (8100) - 도 84 (8400)에서 용량성 감지 어레이들과 결합하는 것과 동일한 방식으로 용량성 센서 어레이와 용량성으로 결합한다. 그러나, 압력이 가해짐에 따라, 중간의 물렁물렁한(휘기 쉬운) 층은 변형되어, 상부 층이 용량성 센서 어레이에 더 가까이 가도록 허용한다. 이것이 일어남에 따라, 도전성 층과 전송 라인들 사이의 용량성 결합이 증가하여, 수신 라인상에서의 신호에서의 감소를 야기한다. 이것은 수신 라인들상에서 수신되는 신호에서의 감소를 야기하고, 이 변화는 사용자에 의해 행사되는 압력 량에 기초하여 변하는, 상위 층의 변형에 응답하여 달라진다.
디스플레이와의 통합과 같은 응용들을 위해 투명 센서를 갖는 것은 바람직한 경우들에서, 전체 센서 구조는 스택업 전부에서 투명 물질들을 이용함으로써 투명하게 만들어질 수 있다. 예를 들어, 상위 층은 플라스틱 또는 얇은 가요성 유리로 만들어질 수 있다. ITO, 탄소 나노 튜브들, 은 나노와이어들, 미세 배선 메시(fine-wire mesh), 또는 투명 도전성 중합체와 같은 투명 도전성 물질이 상위 층의 하측 상에 도전성 층을 형성하는데 사용될 수 있다. 중간 층은 실리콘, 폴리우레탄, 또는 투명 겔과 같은 투명하고 물렁물렁한(휘기 쉬운) 물질로 형성될 수 있다.
전기적 절연을 향상시키기 위해, 상위 층의 하측 상의 도전성 층이 전기적으로 접지에 접속될 수 있다.
디스플레이 및 다른 센서 유형들과의 통합(10800)
투명 용량성 센서들이 디스플레이의 상위에 센서를 라미네이팅하거나 부착함으로써 LCD, OLED, 또는 전기영동 디스플레이들과 같은 디스플레이들과 통합될 수 있다. 도 108(10800)은 디스플레이 위의 용량성 센서의 예를 보여준다. 보호용 상위 면이 센서와 디스플레이 양쪽을 보호하기 위해 터치 센서 위에 부착될 수 있다.
몇몇의 경우에, 조합된 스택업에 추가적 센서들을 더하는 것이 바람직할 수 있다. 도 108 (10800)은 또한 전자기 센서가 디스플레이 아래에 부착되는 하나의 대안 실시예를 보여준다. 이 센서는 특수 전자기 스타일러스, RFID 태그들의 존재를 감지하는데 사용될 수 있거나, 또는 스크린과 접촉하는 다른 디바이스들 간에서 전력/데이터를 무선으로 전송하는 데에 사용될 수 있다.
종래 기술과 비교한 보간 용량성 (10900)-(11500)
보간을 갖지 않는 기존 용량성 센서들과 비교하여, 본 발명 센서들은 매우 높은 정밀도와 선형성으로 손가락들과 스타일러스들을 추적할 수 있다. 도 109(10900) 및 도 110(11000)에서, 전형적 종래 기술의 용량성 터치 센서(보간 없음)의 평면도와 단면도가 묘사된다. 활성 전극 피치가 4㎜ 이고 감지 패턴의 피치가 또한 4㎜ 인 것을 유의한다. 도 110 (11000)에서의 단면을 볼 때, 전기력선들의 작은 세트만이 손가락과 교차하고, 이러한 선들의 패턴이 대단히 비선형적이라는 것을 알 수 있다. 손가락이 도 109 (10900)의 센서의 표면을 가로질러 직선을 따라 이동함에 따라, 센서가 손가락이 취했다고 생각하는 경로는 두꺼운 굽은 선에 의해 예시된 것처럼 물결 모양을 가지며 비선형적이다. 이것은 센서의 본래적 비선형성에 기인한 것인데, 많은 용량성 센서 설계들이 룩업 테이블들에 의해 이 비선형성을 보상하려고 시도하기는 하지만, 모든 크기와 형상의 터치들에 대해 충분히 보상하는 것은 불가능하다.
도 111(11100)과 도 112(11200)에서, 예시적 본 발명의 보간된 용량성 터치 센서들의 평면도와 단면도가 묘사된다. 활성 전극 피치가 여전히 4㎜ 이지만, 보간 소자들의 추가가 1㎜의 훨씬 더 빡빡한 감지 패턴 피치를 허용한다는 것을 유의한다(전형적 본 발명 행/열 피치들은 0.25㎜ 내지 2.5mm의 범위를 갖는다). 도 112 (11200)에서의 단면을 보면, 더 많은 전기력선들이 손가락과 교차하여, 손가락 표면 위에 걸쳐 더 많은 용량성 상호작용들 및 따라서 훨씬 더 많은 선형 응답을 야기한다는 것을 알 수 있다. 손가락이 도 111 (11100)에서 센서의 표면을 가로질러 직선을 따라 이동함에 따라, 센서는 손가락이 취했다고 생각하는 경로는 두꺼운 굽은 선에 의해 예시된 것처럼 매우 선형적이고 극소수의 불완전성들만을 가진다. 이런 더 선형인 응답은 보간된 센서의 센서 소자들의 더 높은 피치 덕분인데, 이런 증가된 선형성은 사용자가 그들의 손가락, 스타일러스, 또는 임의의 다른 도전성 물체를 이용하는 것을 불문하고 센서와의 모든 상호작용들에 이롭다. 게다가, 손가락 위치에서의 어떠한 불완전성들이라도 규모 면에서 매우 작고, 계산된 손가락 위치들에 적용되는 시간 도메인 필터링 알고리듬을 이용하여 쉽게 필터링될 수 있어서 출력에서 완전히 선형인 라인을 얻게 된다.
본 발명 보간 접근법이 다른 용량성 센서 구성들에 의한 이익과 유사한 성능상 이익을 제공한다는 것을 유의한다. 예를 들어, 도 83 (8300) - 도 84 (8400)에 도시된 것과 같은, 그리드 패턴을 가진 보간 용량성 센서는 본 발명 보간 방법을 지원하지 않는 그리드 패턴을 가진 센서보다 더 큰 정확도로 스타일러스/터치를 또한 추적할 것이다.
도 113 (11300) - 도 115(11500)에서, 4㎜ 활성 라인 피치와 1㎜ 감지 패턴 피치를 이용하여, 주요 터치 센서 제조사(MICROCHIP® Technology, Inc., 2355 West Chandler BLVD, Chandler, AZ 85224-6199 USA)에 의해 구축되는 기존 터치 센서로부터 획득되는 신호와 본 발명 센서로부터 획득되는 신호 간의 비교가 묘사된다. 도 113 (11300)은 MICROCHIP® 센서(이것은 다른 용량성 터치 센서들을 나타냄)에 의해 픽업되는 단일 터치에 대한 신호를 보여준다. 여기서 신호가 매우 비선형적이라는 것을 알 수 있다. 중심 성분은 매우 높은 피크를 가지고, 주변 성분들은 매우 빨리 감퇴한다. 도 114 (11400)는 단일 터치에 대한 본 발명 보간된 용량성 터치 센서로부터의 신호를 보여준다. 여기서 신호가 훨씬 더 매끄러운 프로필을 가져서, 이것에 접촉하는 손가락의 프로필과 더 잘 매칭된다. 게다가, 도 115 (11500)에서, 개개의 센서 소자들에 의해 픽업되는 신호를 추정하기 위해 신호의 업샘플링된 복원이 묘사된다. 여기서, 손가락 터치의 실제 모양을 복원하는 것이 가능하다는 것이 관찰될 수 있다. 이런 유형의 복원은 MICROCHIP® 센서에 의해서 산출되는 신호에 대해서는 그 신호에서의 본래의 비선형성 때문에 가능하지 않다.
시스템 요약
본 발명 시스템은 구성의 기본 주제에서 매우 다양한 변화들을 예상하지만, 하기를 포함하는 터치 센서 검출기 시스템으로서 일반화될 수 있다:
(a) 터치 센서 어레이(TSA);
(b) 어레이 열 구동기(ACD);
(c) 열 스위칭 레지스터(CSR);
(d) 열 구동 소스(CDS);
(e) 어레이 행 센서(ARS);
(f) 행 스위칭 레지스터(RSR);
(g) 아날로그-디지털 컨버터(ADC); 및
(h) 컴퓨팅 제어 디바이스(CCD);
여기서,
TSA는 VIA 열들과 VIA 행들을 포함하는 가변 임피던스 어레이(VIA)를 포함하고;
VIA는 VIA 열들과 VIA 행들을 인터링크하는 용량성 소자들을 포함하고;
VIA는 TSA 내의 복수의 인터링크된 임피던스 열(IIC)을 TSA 내의 복수의 인터링크된 임피던스 행(IIR)과 전기적으로 결합하도록 구성되고;
IIC는 VIA 열들 사이에 전기적으로 직렬로 접속되는 복수의 개개의 열 임피던스 소자(ICIE)를 추가로 포함하고;
IIR은 VIA 행들 사이에 전기적으로 직렬로 접속되는 복수의 개개의 행 임피던스 소자(IRIE)를 추가로 포함하고;
ACD는 CSR에 기초하여 TSA 내의 IIC를 선택하도록 구성되고;
ACD는 CDS를 이용하여 선택된 IIC를 전기적으로 구동하도록 구성되고;
ARS는 RSR에 기초하여 TSA 내의 IIR을 선택하도록 구성되고;
ADC는 선택된 IIR의 전기적 상태를 감지하고 이 전기적 상태를 감지된 디지털 값(SDV)으로 변환하도록 구성되고;
전기적 상태는 VIA 내의 가변 임피던스 소자들의 전류 기여들의 합에 의해 결정되고 - 각각의 소자의 전류 기여는 VIA의 열들 간에 형성되는 분압기, 비아의 행들 간에 형성되는 전류 분할기, 및 임피던스 소자의 상태에 의해 결정되어, VIA 내의 주어진 행열 교차점에 대한 감지된 전류를 생성함 -;
CCD는 터치 센서 행렬(TSM) 데이터 구조를 형성하기 위해 TSA 내의 복수의 위치에서 ADC로부터 SDV를 샘플링하도록 구성된다.
이 일반 시스템 요약은 이 전체적 설계 설명과 일치하는 매우 다양한 발명 실시예들을 산출하기 위해 본 명세서에서 기술되는 다양한 요소들에 의해 증대될 수 있다.
방법 요약
본 발명 방법은 구현의 기본 주제에서의 매우 다양한 변화들을 예상하지만, 터치 센서 검출기 방법으로서 일반화될 수 있는데, 여기서 방법은 하기를 포함하는 터치 센서 검출기 시스템 상에서 실행된다:
(a) 터치 센서 어레이(TSA);
(b) 어레이 열 구동기(ACD);
(c) 열 스위칭 레지스터(CSR);
(d) 열 구동 소스(CDS);
(e) 어레이 행 센서(ARS);
(f) 행 스위칭 레지스터(RSR);
(g) 아날로그-디지털 컨버터(ADC); 및
(h) 컴퓨팅 제어 디바이스(CCD);
여기서,
TSA는 VIA 열들과 VIA 행들을 포함하는 가변 임피던스 어레이(VIA)를 포함하고;
VIA는 VIA 열들과 VIA 행들을 인터링크하는 용량성 소자들을 포함하고;
VIA는 TSA 내의 복수의 인터링크된 임피던스 열(IIC)을 TSA 내의 복수의 인터링크된 임피던스 행(IIR)과 전기적으로 결합하도록 구성되고;
IIC는 VIA 열들 간에 전기적으로 직렬로 접속되는 복수의 개개의 열 임피던스 소자(ICIE)를 추가로 포함하고;
IIR은 VIA 행들 간에 전기적으로 직렬로 접속되는 복수의 개개의 행 임피던스 소자(IRIE)를 추가로 포함하고;
ACD는 CSR에 기초하여 TSA 내의 IIC를 선택하도록 구성되고;
ACD는 CDS를 이용하여 선택된 IIC를 전기적으로 구동하도록 구성되고;
ARS는 RSR에 기초하여 TSA 내의 IIR을 선택하도록 구성되고;
ADC는 선택된 IIR의 전기적 상태를 감지하고 이 전기적 상태를 감지된 디지털 값(SDV)으로 변환하도록 구성되고;
전기적 상태는 VIA 내의 가변 임피던스 소자들의 전류 기여들의 합에 의해 결정되고 - 각각의 소자의 전류 기여는 VIA의 열들 간에 형성되는 분압기, 비아의 행들 간에 형성되는 전류 분할기, 및 임피던스 소자의 상태에 의해 결정되어, VIA 내의 주어진 행열 교차점에 대한 감지된 전류를 생성함 -;
CCD는 터치 센서 행렬(TSM) 데이터 구조를 형성하기 위해 TSA 내의 복수의 위치에서 ADC로부터 SDV를 샘플링하도록 구성되고;
여기서, 방법은 하기 단계들을 포함한다:
(1) CCD의 제어 하에, VIA 내에 IIC를 구성하는 단계;
(2) CCD의 제어 하에, VIA 내에 IIR을 구성하는 단계;
(3) CCD의 제어 하에, CDS에 의해 IIC를 전기적으로 자극하는 단계;
(4) CCD의 제어 하에, ADC에 의해 IIR에서의 전기적 상태를 VIA 내의 주어진 행열 교차점에 대한 감지된 전류로서 감지하고 이 전기적 상태를 디지털 데이터로 변환하는 단계;
(5) CCD의 제어 하에, 디지털 데이터를 TSM에 저장하는 단계;
(6) CCD의 제어 하에, CDR, IIC, 및 IIR에서의 미리 결정된 변화들이 TSM에 로그되었는지를 결정하고, 만약 그렇다면, 단계 (8)로 진행하는 단계;
(7) CCD의 제어 하에, 새로운 VIA 감지 변형에 대해 CDS, IIC, 및 IIR을 재구성하고 단계 (3)으로 진행하는 단계;
(8) CCD의 제어 하에, VIA 내의 활성의 초점들을 결정하기 위해 TSM 값들을 보간하는 단계;
(9) CCD의 제어 하에, 초점 활성 정보를 사용자 인터페이스 입력 명령 시퀀스로 변환하는 단계; 및
(10) CCD의 제어 하에, 작용을 위해 컴퓨터 시스템에 사용자 인터페이스 입력 명령 시퀀스를 전송하고 단계 (1)로 진행하는 단계.
이 일반 방법 요약은 이 전체적 설계 설명과 일치하는 매우 다양한 발명 실시예들을 산출하기 위해 본 명세서에서 기술되는 다양한 요소들에 의해 증대될 수 있다.
시스템/방법 변형들
본 발명은 구성의 기본 주제에서 매우 다양한 변화들을 예상한다. 앞서 제시된 예들은 가능한 용법들의 전체 범위를 나타내지 않는다. 이들은 거의 무한한 가능성들 중 겨우 몇 개를 언급하기 위한 것일 뿐이다.
이 기본 시스템 및 방법은 다양한 보조 실시예들에 의해 확장될 수 있으며, 하기를 포함하지만 이것들에만 국한되지는 않는다:
ㆍ VIA가 TSA에 가해지는 압력에 응답하는 힘 감지 물질을 더 포함하고, CCD가 VIA에서의 저항들의 측정에 의해 TSA에 가해지는 압력을 결정하도록 구성되는 실시예.
ㆍ CCD가 TSA로부터의 용량성 및 힘 감지 데이터를 조합하여 TSA와 연관되는 평균 터치 감지 값을 형성하도록 구성되는 실시예
ㆍ CCD가 가중 평균을 이용하여 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되는 실시예.
ㆍ CCD가 가중 평균을 이용하여 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되는 실시예 - 용량성 감지 데이터와 연관되는 커패시턴스는 힘 감지 데이터와 연관되는 힘보다 더 가중됨 -.
ㆍ CCD가 가중 평균을 이용하여 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되는 실시예 - 힘 감지 데이터와 연관되는 힘은 용량성 감지 데이터와 연관되는 커패시턴스보다 더 가중됨 -.
ㆍ CCD가 VIA 내의 각각의 행/열 교차점에서의 터치의 존재를 결정하는 상호 용량성 스캔을 이용하여 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 실시예.
ㆍ CCD가 VIA 내의 주어진 행에서 또는 VIA 내의 주어진 열에서 터치의 존재를 결정하는 자기 용량성 스캔을 이용하여 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 실시예.
ㆍ CCD가 고 임피던스 상태에서 구성되는 VIA에서의 활성 전극들의 서브셋으로 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 실시예.
ㆍ VIA가 TSA에 가해지는 힘에 응답하여 커패시턴스를 변경하는 감지 소자들을 포함하는 실시예.
ㆍ CCD가 TSA로부터 CSD(capacitive sensing data) 및 FSD(force sensing data) 양자 모두를 수집하고 TSM에 CSD 및 FSD를 저장하도록 구성되는 실시예.
ㆍ CCD가 TSA로부터 능동 스타일러스와 연관되는 CSD 및 FSD를 수집하고 TSM에 CSD 및 FSD를 저장하도록 구성되는 실시예.
ㆍ ACD가 사인파를 발생하도록 구성되는 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 포함하는 실시예.
ㆍ ADC가 사인파를 검출하도록 구성되는 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 실시예.
ㆍ CCD가 SDV가 도전성 물체 또는 비 도전성 물체로부터 도출되는 터치 상태를 구성하는지를 결정하도록 구성되는 상태 머신을 포함하는 실시예.
ㆍ ACD가 한번에 하나의 활성 행열 교차점에 대해 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 단일 송신기를 포함하고, ARS가 한번에 VIA의 단일 행을 감지하도록 구성되는 수신기를 포함하는 실시예.
ㆍ ACD가 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는 다중 송신기들을 포함하는 실시예.
ㆍ ARS가 VIA의 다중 행을 감지하도록 구성되는 다중 수신기들을 포함하는 실시예.
ㆍ ACD가 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는, 다중 주파수에서 동작하는 다중 송신기들을 포함하는 실시예.
ㆍ ACD가 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는, 다중 주파수에서 동작하는 다중 송신기들을 포함하고, ARS가 다중 주파수에서 VIA의 다중 행을 감지하도록 구성되는 다중 수신기들을 포함하는 실시예.
ㆍ VIA가 동일 층 상에 배치되는 구동 전극들 및 감지 전극들과 한 세트의 구동 전극들, 및 감지 전극들이 단락 없이 다른 전극과 중첩하도록 허용하는 도전성 브리지들을 포함하는 실시예.
ㆍ VIA가 동일 층 상에 배치되는 구동 전극들 및 감지 전극들과 한 세트의 구동 전극들, 및 감지 전극들이 단락 없이 다른 전극과 중첩하도록 허용하는 도전성 브리지들을 가진 다이아몬드 패턴을 포함하는 실시예.
ㆍ VIA가 IIC 및 IIR을 포함하는 2층 구조를 포함하는 실시예.
ㆍ VIA가 0.25 내지 2.5 mm의 범위에서의 행열 피치를 갖는 센서 소자들을 포함하는 실시예.
ㆍ VIA가 저항성 센서 소자를 포함하는 실시예.
ㆍ VIA가 인덕터를 포함하는 센서 소자들을 포함하는 실시예.
ㆍ VIA가 저항기, 커패시터, 및 인덕터의 임의의 조합을 포함하는 센서 소자들을 포함하는 실시예.
ㆍ ICIE가 프린팅된 좁은 저항성 스트립을 포함하는 실시예.
ㆍ IRIE가 프린팅된 좁은 저항성 스트립을 포함하는 실시예.
ㆍ ICIE가 투명 도전성 물질로 된 얇은 브리지를 포함하는 실시예.
ㆍ IRIE가 투명 도전성 물질로 된 얇은 브리지를 포함하는 실시예.
ㆍ ICIE 및 IRIE가 VIA의 각각의 열들 및 행들과 동일한 물질로 구성되는 실시예.
ㆍ ICIE 및 IRIE가 레이저 트리밍된 저항기들로 구성되는 실시예.
ㆍ VIA가 얇은 유전체 층으로 덮이는 실시예.
ㆍ TSA가 실드 물질로 된 투명 도전성 층에 의해 VIA로부터 분리된 디스플레이를 더 포함하는 실시예.
ㆍ VIA가 투명 도전성 물질로부터 형성되는 열 전극들 및 행 전극들을 더 포함하는 실시예.
ㆍ VIA가 ITO; 투명 유기 도전성 입자들; 그래핀; 탄소 나노 튜브들; 은 나노와이어들; 마이크로 패터닝된 도전성 메시; 투명 도전성 중합체; 및 금속 나노 입자들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 투명 도전성 물질로부터 형성되는 열 전극들 및 행 전극들을 더 포함하는 실시예.
ㆍ VIA가 디스플레이의 상부에 형성되거나 또는 디스플레이에 라미네이팅되는 실시예.
ㆍ VIA가 디스플레이의 층들 내에 통합되는 실시예.
ㆍ TSA가 VIA에서의 각각의 행과 열로부터 스타일러스에게 신호를 전송하도록 구성되고, 스타일러스는 전송으로부터 신호 강도를 결정하고 이 신호 강도를 CCD에게 전송하도록 구성되는 실시예.
ㆍ TSA가 VIA에서의 각각의 행과 열에서 스타일러스로부터 신호를 수신하고 또한 수신된 신호의 분석에 의해 스타일러스의 로케이션을 결정하도록 구성되는 실시예.
ㆍ TSA가 VIA에서의 행들 및 열들을 통해 스타일러스와 양방향으로 통신함으로써 스타일러스의 위치를 결정하도록 구성되는 실시예.
ㆍ TSA가 VIA에서의 행들 및 열들을 통해 다중 스타일러스와 통신하도록 구성되는 실시예.
ㆍ TSA가 다중 송수신기들을 갖는 스타일러스와 통신하도록 구성되는 실시예.
ㆍ TSA가 블루투스® 무선 통신을 통해 호스트 컴퓨터와 통신하도록 구성되는 스타일러스와 통신하도록 구성되는 실시예.
본 기술분야의 통상의 기술자는 다른 실시예들이 상기 본 발명 설명 내에서 교시된 요소들의 조합들에 기초하여 가능하다는 것을 인식할 것이다.
일반화된 컴퓨터 이용 가능 매체
다양한 대안 실시예들에서, 본 발명은 전산화된 컴퓨팅 시스템에 의한 이용을 위해 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명에 의해 정의되는 기능들을 정의하는 프로그램들이, (a) 비 기입가능 스토리지 매체(예를 들어, ROM들 또는 CD-ROM 디스크들과 같은 판독 전용 메모리 디바이스들)상에 영구적으로 저장되는 정보;(b) 기입가능 스토리지 매체(예를 들어, 플로피 디스크들 및 하드 드라이브들)상에 변경 가능하게 저장되는 정보; 및/또는 (c) 근거리 통신망, 전화 네트워크, 또는 인터넷과 같은 공공 네트워크와 같은 통신 매체를 통하여 컴퓨터에게 전달되는 정보를 포함하지만, 이것들에만 제한되지는 않는 많은 형태들로 임의의 적절한 프로그래밍 언어로 작성되고 컴퓨터에 전해질 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 본 발명 방법들을 구현하는 컴퓨터 판독가능 명령어들을 전달할 때, 그와 같은 컴퓨터 판독가능 매체는 본 발명의 대안 실시예들을 나타낸다.
본 명세서에 일반적으로 설명되는 것처럼, 본 발명 시스템 실시예들은 그 가운데 구체화된 컴퓨터 판독가능 코드 수단을 갖는 컴퓨터 사용가능 매체를 포함하는 다양한 컴퓨터 판독가능 매체를 통합할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 명세서에 설명된 다양한 프로세스들이 소프트웨어가 그로부터 로딩되고 활성화되는 매우 다양한 컴퓨터 접근가능 매체에 구체화될 수 있다는 것을 인식할 것이다. In re Beauregard, 35 USPQ2d 1383 (미국 특허 번호 5,710,578)에 따라서, 본 발명은 본 발명의 범위 내에 이런 유형의 컴퓨터 판독 가능 매체를 예상하고 포함한다. In re Nuijten,500 F.3d 1346(Fed. Cir. 2007) (미국 특허 출원 번호 09/211,928)에 따라서, 본 발명은 매체가 유형적인 또한 비일시적인 것 모두가 되는 컴퓨터 판독가능 매체에 제한된다.
결론
보간된 센서 어레이를 통합한 용량성 터치 센서 시스템 및 방법이 개시되었다. 시스템 및 방법은, 어레이 열 구동기(ACD)에 결합되는 인터링크된 임피던스 열들(IIC) 및 어레이 행 센서(ARS)에 결합되는 인터링크된 임피던스 행들(IIR)을 전기적으로 결합하는 가변 임피던스 어레이(VIA)를 통해 근접성/접촉/압력(proximity/contact/pressure: PCP)을 검출하도록 구성되는 터치 센서 어레이(TSA)를 활용한다. ACD는 열 스위칭 레지스터(CSR)에 기초하여 IIC를 선택하고 및 열 구동 소스(CDS)를 이용하여 전기적으로 IIC를 구동하도록 구성된다. VIA는 구동된 IIC로부터 ARS에 의해 감지되는 IIC로 전류를 운반한다. ARS는 TSA 내의 IIR를 선택하고, 행 스위칭 레지스터(RSR)에 기초하여 IIR 상태를 전기적으로 감지한다. ARS 감지된 전류/전압의 보간은 TSA PCP 및/또는 공간 로케이션의 정확한 검출을 허용한다.
청구범위 해석
하기 규칙들은 본 발명의 청구범위를 해석할 때 적용된다:
ㆍ 청구항 전제부(preamble)는 청구된 발명의 범위를 제한하는 것으로서 고려되어야 한다.
ㆍ "여기서(WHEREIN)" 절들은 청구된 발명의 범위를 제한하는 것으로서 고려되어야 한다.
ㆍ "그에 의해(WHEREBY)" 절들은 청구된 발명의 범위를 제한하는 것으로서 고려되어야 한다.
ㆍ "하도록 구성된, 적응된(ADAPTED TO)" 절들은 청구된 발명의 범위를 제한하는 것으로서 고려되어야 한다.
ㆍ "를 위해 구성된, 적응된(ADAPTED FOR)" 절들은 청구된 발명의 범위를 제한하는 것으로서 고려되어야 한다.
ㆍ 표현 "X 및/또는 Y"의 맥락에서의 구 "및/또는(AND/OR)"은, Ex Parte Gross (USPTO PTAB(Patent Trial and Appeal Board), 항소 2011-004811, S/N 11/565,411)에 의해 해석된 대로 세트 "X 및 Y"와 세트 "(X 또는 Y)"의 합집합을 정의하는 것을 해석해야 한다 ('및/또는'은 요소 A만, B만, 또는 함께 취해진 요소들 A 및 B를 갖는 실시예들을 포괄한다).
청구범위들
본 발명의 양호한 실시예가 첨부된 도면에 예시되었고 상기 상세한 설명에 설명되었지만, 본 발명이 개시된 실시예에만 제한되지는 않으며, 하기 청구의 범위에 의해 제시되고 한정되는 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않으면서 수많은 재배열들, 수정들, 및 치환들이 가능하다는 것을 이해해야 한다.

Claims (132)

  1. 용량성 터치 센서 시스템으로서:
    (a) 터치 센서 어레이(TSA);
    (b) 어레이 열 구동기(ACD);
    (c) 열 스위칭 레지스터(CSR);
    (d) 열 구동 소스(CDS);
    (e) 어레이 행 센서(ARS);
    (f) 행 스위칭 레지스터(RSR);
    (g) 아날로그-디지털 컨버터(ADC); 및
    (h) 컴퓨팅 제어 디바이스(CCD)
    를 포함하고,
    상기 TSA는 VIA 열들과 VIA 행들을 포함하는 가변 임피던스 어레이(VIA)를 포함하고;
    상기 VIA는 상기 VIA 열들과 상기 VIA 행들을 인터링크하는 용량성 소자들을 포함하고;
    상기 VIA는 상기 TSA 내의 복수의 인터링크된 임피던스 열(IIC)을 상기 TSA 내의 복수의 인터링크된 임피던스 행(IIR)과 전기적으로 결합하도록 구성되고;
    상기 IIC는 상기 VIA 열들 사이에 전기적으로 직렬로 접속되는 복수의 개개의 열 임피던스 소자(ICIE)를 추가로 포함하고;
    상기 IIR은 상기 VIA 행들 사이에 전기적으로 직렬로 접속되는 복수의 개개의 행 임피던스 소자(IRIE)를 추가로 포함하고;
    상기 ACD는 상기 CSR에 기초하여 상기 TSA 내의 상기 IIC를 선택하도록 구성되고;
    상기 ACD는 상기 CDS를 이용하여 상기 선택된 IIC를 전기적으로 구동하도록 구성되고;
    상기 ARS는 상기 RSR에 기초하여 상기 TSA 내의 상기 IIR을 선택하도록 구성되고;
    상기 ADC는 상기 선택된 IIR의 전기적 상태를 감지하고 상기 전기적 상태를 감지된 디지털 값(SDV)으로 변환하도록 구성되고;
    상기 전기적 상태는 상기 VIA 내의 가변 임피던스 소자들의 전류 기여들의 합에 의해 결정되고, 각각의 소자의 상기 전류 기여는 상기 VIA의 열들 간에 형성되는 분압기, 상기 비아의 행들 간에 형성되는 전류 분할기, 및 상기 임피던스 소자의 상태에 의해 결정되어, 상기 VIA 내의 주어진 행열 교차점(row-column intersection)에 대한 감지된 전류를 생성하고,
    상기 CCD는 터치 센서 행렬(TSM) 데이터 구조를 형성하기 위해 상기 TSA 내의 복수의 위치에서 상기 ADC로부터 상기 SDV를 샘플링하도록 구성되는
    용량성 터치 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 상기 TSA에 가해지는 압력에 응답하는 힘 감지 물질을 더 포함하고, 상기 CCD는 상기 VIA에서의 저항들의 측정에 의해 상기 TSA에 가해지는 압력을 결정하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 CCD는 상기 TSA로부터의 용량성 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 평균 터치 감지 값을 형성하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 CCD는 가중 평균을 이용하여 상기 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 CCD는 가중 평균을 이용하여 상기 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되고, 상기 용량성 감지 데이터와 연관되는 커패시턴스는 상기 힘 감지 데이터와 연관되는 힘보다 더 가중되는 용량성 터치 센서 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 CCD는 가중 평균을 이용하여 상기 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되고, 상기 힘 감지 데이터와 연관되는 힘은 상기 용량성 감지 데이터와 연관되는 커패시턴스보다 더 가중되는 용량성 터치 센서 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 CCD는 상기 VIA 내의 각각의 행/열 교차점에서의 터치의 존재를 결정하는 상호 용량성 스캔(mutual-capacitance scan)을 이용하여 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 CCD는 상기 VIA 내의 주어진 행에서 또는 상기 VIA 내의 주어진 열에서 터치의 존재를 결정하는 자기 용량성 스캔(self-capacitance scan)을 이용하여 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 CCD는 고 임피던스 상태에서 구성되는 상기 VIA에서의 활성 전극들의 서브셋(subset)으로 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 상기 TSA에 가해지는 힘에 응답하여 커패시턴스를 변경하는 감지 소자들을 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 CCD는 상기 TSA로부터 CSD(capacitive sensing data) 및 FSD(force sensing data) 양자 모두를 수집하고 상기 TSM에 상기 CSD 및 상기 FSD를 저장하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 CCD는 상기 TSA로부터 능동 스타일러스(active stylus)와 연관되는 CSD 및 FSD를 수집하고 상기 TSM에 상기 CSD 및 상기 FSD를 저장하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 ACD는 사인파를 발생하도록 구성되는 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 ADC는 사인파를 검출하도록 구성되는 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 CCD는 상기 SDV가 도전성 물체 또는 비 도전성 물체로부터 도출되는 터치 상태를 구성하는지를 결정하도록 구성되는 상태 머신을 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 ACD는 한번에 하나의 활성 행열 교차점에 대해 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 단일 송신기를 포함하고, 상기 ARS는 한번에 상기 VIA의 단일 행을 감지하도록 구성되는 수신기를 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 ACD는 상기 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는 다중 송신기들을 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 ARS는 상기 VIA의 다중 행을 감지하도록 구성되는 다중 수신기들을 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 ACD는 상기 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는, 다중 주파수에서 동작하는 다중 송신기들을 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 ACD는 상기 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는, 다중 주파수에서 동작하는 다중 송신기들을 포함하고, 상기 ARS는 다중 주파수에서 상기 VIA의 다중 행을 감지하도록 구성되는 다중 수신기들을 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 동일 층 상에 배치되는 구동 전극들 및 감지 전극들, 및 한 세트의 상기 구동 전극들과 상기 감지 전극들이 단락 없이 다른 전극과 중첩(overlap)하도록 허용하는 도전성 브리지들을 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 동일 층 상에 배치되는 구동 전극들 및 감지 전극들, 및 한 세트의 상기 구동 전극들과 상기 감지 전극들이 단락 없이 다른 전극과 중첩하도록 허용하는 도전성 브리지들을 가진 다이아몬드 패턴을 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 상기 IIC 및 상기 IIR을 포함(incorporating)하는 2층 구조를 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  24. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 0.25 내지 2.5 mm의 범위에서의 행열 피치를 갖는 센서 소자들을 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 상기 IRIE는 저항성 센서 소자를 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  26. 제1항에 있어서, 상기 ICIE는 저항성 센서 소자를 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  27. 제1항에 있어서, 상기 ICIE는 프린팅된 좁은 저항성 스트립(printed narrow resistive strip)을 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  28. 제1항에 있어서, 상기 IRIE는 프린팅된 좁은 저항성 스트립을 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  29. 제1항에 있어서, 상기 ICIE는 투명 도전성 물질로 된 얇은 브리지를 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  30. 제1항에 있어서, 상기 IRIE는 투명 도전성 물질로 된 얇은 브리지를 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  31. 제1항에 있어서, 상기 ICIE 및 상기 IRIE는 상기 VIA의 각각의 열들 및 행들과 동일한 물질로 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  32. 제1항에 있어서, 상기 ICIE 및 상기 IRIE는 레이저 트리밍된 저항기들로 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  33. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 얇은 유전체 층으로 덮이는 용량성 터치 센서 시스템.
  34. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 실드 물질로 된 투명 도전성 층에 의해 전기적으로 실드되는 용량성 터치 센서 시스템.
  35. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 투명 도전성 물질로부터 형성되는 열 전극들 및 행 전극들을 더 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  36. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 ITO(indium tin oxide); 투명 유기 도전성 입자들; 그래핀; 탄소 나노 튜브들; 은 나노와이어들; 마이크로 패터닝된 도전성 메시; 투명 도전성 중합체; 및 금속 나노 입자들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 투명 도전성 물질로부터 형성되는 열 전극들 및 행 전극들을 더 포함하는 용량성 터치 센서 시스템.
  37. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 디스플레이의 상부에 형성되거나 또는 디스플레이에 라미네이팅되는 용량성 터치 센서 시스템.
  38. 제1항에 있어서, 상기 VIA는 디스플레이의 층들 내에 통합되는 용량성 터치 센서 시스템.
  39. 제1항에 있어서, 상기 TSA는 상기 VIA에서의 각각의 행과 열로부터 스타일러스에 신호를 전송하도록 구성되고, 상기 스타일러스는 상기 전송으로부터 신호 강도를 결정하고 상기 신호 강도를 상기 CCD에 전송하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  40. 제1항에 있어서, 상기 TSA는 상기 VIA에서의 각각의 행과 열에서 스타일러스로부터 신호를 수신하고 상기 수신된 신호의 분석에 의해 상기 스타일러스의 로케이션을 결정하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  41. 제1항에 있어서, 상기 TSA는 상기 VIA의 행들 및 열들을 통해 스타일러스와 양방향으로 통신함으로써 상기 스타일러스의 위치를 결정하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  42. 제1항에 있어서, 상기 TSA는 상기 VIA의 행들 및 열들을 통해 다중 스타일러스와 통신하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  43. 제1항에 있어서, 상기 TSA는 다중 송수신기들을 갖는 스타일러스와 통신하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  44. 제1항에 있어서, 상기 TSA는 블루투스® 무선 통신을 통해 호스트 컴퓨터와 통신하도록 구성되는 스타일러스와 통신하도록 구성되는 용량성 터치 센서 시스템.
  45. 용량성 터치 센서 시스템 상에서 동작하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법으로서,
    상기 용량성 터치 센서 시스템은:
    (a) 터치 센서 어레이(TSA);
    (b) 어레이 열 구동기(ACD);
    (c) 열 스위칭 레지스터(CSR);
    (d) 열 구동 소스(CDS);
    (e) 어레이 행 센서(ARS);
    (f) 행 스위칭 레지스터(RSR);
    (g) 아날로그-디지털 컨버터(ADC); 및
    (h) 컴퓨팅 제어 디바이스(CCD);
    를 포함하고,
    상기 TSA는 VIA 열들과 VIA 행들을 포함하는 가변 임피던스 어레이(VIA)를 포함하고;
    상기 VIA는 상기 VIA 열들과 상기 VIA 행들을 인터링크하는 용량성 소자들을 포함하고;
    상기 VIA는 상기 TSA 내의 복수의 인터링크된 임피던스 열(IIC)을 상기 TSA 내의 복수의 인터링크된 임피던스 행(IIR)과 전기적으로 결합하도록 구성되고;
    상기 IIC는 상기 VIA 열들 간에 전기적으로 직렬로 접속되는 복수의 개개의 열 임피던스 소자(ICIE)를 추가로 포함하고;
    상기 IIR은 상기 VIA 행들 간에 전기적으로 직렬로 접속되는 복수의 개개의 행 임피던스 소자(IRIE)를 추가로 포함하고;
    상기 ACD는 상기 CSR에 기초하여 상기 TSA 내의 상기 IIC를 선택하도록 구성되고;
    상기 ACD는 상기 CDS를 이용하여 상기 선택된 IIC를 전기적으로 구동하도록 구성되고;
    상기 ARS는 상기 RSR에 기초하여 상기 TSA 내의 상기 IIR을 선택하도록 구성되고;
    상기 ADC는 상기 선택된 IIR의 전기적 상태를 감지하고 상기 전기적 상태를 감지된 디지털 값(SDV)으로 변환하도록 구성되고;
    상기 전기적 상태는 상기 VIA 내의 가변 임피던스 소자들의 전류 기여들의 합에 의해 결정되고, 각각의 소자의 상기 전류 기여는 상기 VIA의 열들 간에 형성되는 분압기, 상기 비아의 행들 간에 형성되는 전류 분할기, 및 상기 임피던스 소자의 상태에 의해 결정되어, 상기 VIA 내의 주어진 행열 교차점에 대한 감지된 전류를 생성하고;
    상기 CCD는 터치 센서 행렬(TSM) 데이터 구조를 형성하기 위해 상기 TSA 내의 복수의 위치에서 상기 ADC로부터 상기 SDV를 샘플링하도록 구성되고;
    상기 방법은:
    (1) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 VIA 내에 상기 IIC를 구성하는 단계;
    (2) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 VIA 내에 상기 IIR을 구성하는 단계;
    (3) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 CDS에 의해 상기 IIC를 전기적으로 자극(electrically stimulating)하는 단계;
    (4) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 ADC에 의해 상기 IIR에서의 상기 전기적 상태를 상기 VIA 내의 주어진 행열 교차점에 대한 감지된 전류로서 감지하고 상기 전기적 상태를 디지털 데이터로 변환하는 단계;
    (5) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 디지털 데이터를 상기 TSM에 저장하는 단계;
    (6) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 CDR, 상기 IIC, 및 상기 IIR에서의 미리 결정된 변화들이 상기 TSM에 로그되었는지를 결정하고, 만약 그렇다면, 단계 (8)로 진행하는 단계;
    (7) 상기 CCD의 제어 하에, 새로운 VIA 감지 변형에 대해 상기 CDS, 상기 IIC, 및 상기 IIR을 재구성하고 단계 (3)으로 진행하는 단계;
    (8) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 VIA 내의 활성의 초점들을 결정하기 위해 상기 TSM 값들을 보간하는 단계;
    (9) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 초점 활성 정보를 사용자 인터페이스 입력 명령 시퀀스로 변환하는 단계; 및
    (10) 상기 CCD의 제어 하에, 작용을 위해 컴퓨터 시스템에 상기 사용자 인터페이스 입력 명령 시퀀스를 전송하고 단계 (1)로 진행하는 단계
    를 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 상기 TSA에 가해지는 압력에 응답하는 힘 감지 물질을 더 포함하고, 상기 CCD는 상기 VIA에서의 저항들의 측정에 의해 상기 TSA에 가해지는 압력을 결정하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  47. 제45항에 있어서, 상기 CCD는 상기 TSA로부터의 용량성 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 평균 터치 감지 값을 형성하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  48. 제45항에 있어서, 상기 CCD는 가중 평균을 이용하여 상기 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  49. 제45항에 있어서, 상기 CCD는 가중 평균을 이용하여 상기 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되고, 상기 용량성 감지 데이터와 연관되는 커패시턴스는 상기 힘 감지 데이터와 연관되는 힘보다 더 가중되는 용량성 터치 센서 방법.
  50. 제45항에 있어서, 상기 CCD는 가중 평균을 이용하여 상기 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되고, 상기 힘 감지 데이터와 연관되는 힘은 상기 용량성 감지 데이터와 연관되는 커패시턴스보다 더 가중되는 용량성 터치 센서 방법.
  51. 제45항에 있어서, 상기 CCD는 상기 VIA 내의 각각의 행/열 교차점에서의 터치의 존재를 결정하는 상호 용량성 스캔을 이용하여 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  52. 제45항에 있어서, 상기 CCD는 상기 VIA 내의 주어진 행에서 또는 상기 VIA 내의 주어진 열에서 터치의 존재를 결정하는 자기 용량성 스캔을 이용하여 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  53. 제45항에 있어서, 상기 CCD는 고 임피던스 상태에서 구성되는 상기 VIA에서의 활성 전극들의 서브셋으로 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  54. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 상기 TSA에 가해지는 힘에 응답하여 커패시턴스를 변경하는 감지 소자들을 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  55. 제45항에 있어서, 상기 CCD는 상기 TSA로부터 CSD(capacitive sensing data) 및 FSD(force sensing data) 양자 모두를 수집하고 상기 TSM에 상기 CSD 및 상기 FSD를 저장하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  56. 제45항에 있어서, 상기 CCD는 상기 TSA로부터 능동 스타일러스와 연관되는 CSD 및 FSD를 수집하고 상기 TSM에 상기 CSD 및 상기 FSD를 저장하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  57. 제45항에 있어서, 상기 ACD는 사인파를 발생하도록 구성되는 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  58. 제45항에 있어서, 상기 ADC는 사인파를 검출하도록 구성되는 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  59. 제45항에 있어서, 상기 CCD는 상기 SDV가 도전성 물체 또는 비 도전성 물체로부터 도출되는 터치 상태를 구성하는지를 결정하도록 구성되는 상태 머신을 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  60. 제45항에 있어서, 상기 ACD는 한번에 하나의 활성 행열 교차점에 대해 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 단일 송신기를 포함하고, 상기 ARS는 한번에 상기 VIA의 단일 행을 감지하도록 구성되는 수신기를 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  61. 제45항에 있어서, 상기 ACD는 상기 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는 다중 송신기들을 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  62. 제45항에 있어서, 상기 ARS는 상기 VIA의 다중 행을 감지하도록 구성되는 다중 수신기들을 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  63. 제45항에 있어서, 상기 ACD는 상기 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는, 다중 주파수에서 동작하는 다중 송신기들을 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  64. 제45항에 있어서, 상기 ACD는 상기 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는, 다중 주파수에서 동작하는 다중 송신기들을 포함하고, 상기 ARS는 다중 주파수에서 상기 VIA의 다중 행을 감지하도록 구성되는 다중 수신기들을 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  65. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 동일 층 상에 배치되는 구동 전극들 및 감지 전극들, 및 한 세트의 상기 구동 전극들과 상기 감지 전극들이 단락 없이 다른 전극과 중첩하도록 허용하는 도전성 브리지들을 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  66. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 동일 층 상에 배치되는 구동 전극들 및 감지 전극들, 및 한 세트의 상기 구동 전극들과 상기 감지 전극들이 단락 없이 다른 전극과 중첩하도록 허용하는 도전성 브리지들을 가진 다이아몬드 패턴을 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  67. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 상기 IIC 및 상기 IIR을 포함하는 2층 구조를 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  68. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 0.25 내지 2.5 mm의 범위에서의 행열 피치를 갖는 센서 소자들을 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  69. 제45항에 있어서, 상기 IRIE는 저항성 센서 소자를 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  70. 제45항에 있어서, 상기 ICIE는 저항성 센서 소자를 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  71. 제45항에 있어서, 상기 ICIE는 프린팅된 좁은 저항성 스트립을 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  72. 제45항에 있어서, 상기 IRIE는 프린팅된 좁은 저항성 스트립을 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  73. 제45항에 있어서, 상기 ICIE는 투명 도전성 물질로 된 얇은 브리지를 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  74. 제45항에 있어서, 상기 IRIE는 투명 도전성 물질로 된 얇은 브리지를 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  75. 제45항에 있어서, 상기 ICIE 및 상기 IRIE는 상기 VIA의 각각의 열들 및 행들과 동일한 물질로 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  76. 제45항에 있어서, 상기 ICIE 및 상기 IRIE는 레이저 트리밍된 저항기들로 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  77. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 얇은 유전체 층으로 덮이는 용량성 터치 센서 방법.
  78. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 실드 물질로 된 투명 도전성 층에 의해 전기적으로 실드되는 용량성 터치 센서 방법.
  79. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 투명 도전성 물질로부터 형성되는 열 전극들 및 행 전극들을 더 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  80. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 ITO; 투명 유기 도전성 입자들; 그래핀; 탄소 나노 튜브들; 은 나노와이어들; 마이크로 패터닝된 도전성 메시; 투명 도전성 중합체; 및 금속 나노 입자들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 투명 도전성 물질로부터 형성되는 열 전극들 및 행 전극들을 더 포함하는 용량성 터치 센서 방법.
  81. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 디스플레의 상부에 형성되거나 또는 디스플레이에 라미네이팅되는 용량성 터치 센서 방법.
  82. 제45항에 있어서, 상기 VIA는 디스플레이의 층들 내에 통합되는 용량성 터치 센서 방법.
  83. 제45항에 있어서, 상기 TSA는 상기 VIA에서의 각각의 행과 열로부터 스타일러스에 신호를 전송하도록 구성되고, 상기 스타일러스는 상기 전송으로부터 신호 강도를 결정하고 상기 신호 강도를 상기 CCD에 전송하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  84. 제45항에 있어서, 상기 TSA는 상기 VIA에서의 각각의 행과 열에서 스타일러스로부터 신호를 수신하고 상기 수신된 신호의 분석에 의해 상기 스타일러스의 로케이션을 결정하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  85. 제45항에 있어서, 상기 TSA는 상기 VIA의 행들 및 열들을 통해 스타일러스와 양방향으로 통신함으로써 상기 스타일러스의 위치를 결정하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  86. 제45항에 있어서, 상기 TSA는 상기 VIA의 행들 및 열들을 통해 다중 스타일러스와 통신하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  87. 제45항에 있어서, 상기 TSA는 다중 송수신기들을 갖는 스타일러스와 통신하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  88. 제45항에 있어서, 상기 TSA는 블루투스® 무선 통신을 통해 호스트 컴퓨터와 통신하도록 구성되는 스타일러스와 통신하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법.
  89. 용량성 터치 센서 시스템 상에서 동작하도록 구성되는 용량성 터치 센서 방법을 포함하는 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드 수단을 갖는 유형의 비 일시적 컴퓨터 이용가능 매체로서,
    상기 용량성 터치 센서 시스템은:
    (a) 터치 센서 어레이(TSA);
    (b) 어레이 열 구동기(ACD);
    (c) 열 스위칭 레지스터(CSR);
    (d) 열 구동 소스(CDS);
    (e) 어레이 행 센서(ARS);
    (f) 행 스위칭 레지스터(RSR);
    (g) 아날로그-디지털 컨버터(ADC); 및
    (h) 컴퓨팅 제어 디바이스(CCD);
    를 포함하고,
    상기 TSA는 VIA 열들과 VIA 행들을 포함하는 가변 임피던스 어레이(VIA)를 포함하고;
    상기 VIA는 상기 VIA 열들과 상기 VIA 행들을 인터링크하는 용량성 소자들을 포함하고;
    상기 VIA는 상기 TSA 내의 복수의 인터링크된 임피던스 열(IIC)을 상기 TSA 내의 복수의 인터링크된 임피던스 행(IIR)과 전기적으로 결합하도록 구성되고;
    상기 IIC는 상기 VIA 열들 간에 전기적으로 직렬로 접속되는 복수의 개개의 열 임피던스 소자(ICIE)를 추가로 포함하고;
    상기 IIR은 상기 VIA 행들 간에 전기적으로 직렬로 접속되는 복수의 개개의 행 임피던스 소자(IRIE)를 추가로 포함하고;
    상기 ACD는 상기 CSR에 기초하여 상기 TSA 내의 상기 IIC를 선택하도록 구성되고;
    상기 ACD는 상기 CDS를 이용하여 상기 선택된 IIC를 전기적으로 구동하도록 구성되고;
    상기 ARS는 상기 RSR에 기초하여 상기 TSA 내의 상기 IIR을 선택하도록 구성되고;
    상기 ADC는 상기 선택된 IIR의 전기적 상태를 감지하고 상기 전기적 상태를 감지된 디지털 값(SDV)으로 변환하도록 구성되고;
    상기 전기적 상태는 상기 VIA 내의 가변 임피던스 소자들의 전류 기여들의 합에 의해 결정되고, 각각의 소자의 상기 전류 기여는 상기 VIA의 열들 간에 형성되는 분압기, 상기 비아의 행들 간에 형성되는 전류 분할기, 및 상기 임피던스 소자의 상태에 의해 결정되어, 상기 VIA 내의 주어진 행열 교차점에 대한 감지된 전류를 생성하고;
    상기 CCD는 터치 센서 행렬(TSM) 데이터 구조를 형성하기 위해 상기 TSA 내의 복수의 위치에서 상기 ADC로부터 상기 SDV를 샘플링하도록 구성되고;
    상기 방법은:
    (1) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 VIA 내에 상기 IIC를 구성하는 단계;
    (2) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 VIA 내에 상기 IIR을 구성하는 단계;
    (3) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 CDS에 의해 상기 IIC를 전기적으로 자극하는 단계;
    (4) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 ADC에 의해 상기 IIR에서의 상기 전기적 상태를 상기 VIA 내의 주어진 행열 교차점에 대한 감지된 전류로서 감지하고 상기 전기적 상태를 디지털 데이터로 변환하는 단계;
    (5) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 디지털 데이터를 상기 TSM에 저장하는 단계;
    (6) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 CDR, 상기 IIC, 및 상기 IIR에서의 미리 결정된 변화들이 상기 TSM에 로그되었는지를 결정하고, 만약 그렇다면, 단계 (8)로 진행하는 단계;
    (7) 상기 CCD의 제어 하에, 새로운 VIA 감지 변형에 대해 상기 CDS, 상기 IIC, 및 상기 IIR을 재구성하고 단계 (3)으로 진행하는 단계;
    (8) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 VIA 내의 활성의 초점들을 결정하기 위해 상기 TSM 값들을 보간하는 단계;
    (9) 상기 CCD의 제어 하에, 상기 초점 활성 정보를 사용자 인터페이스 입력 명령 시퀀스로 변환하는 단계; 및
    (10) 상기 CCD의 제어 하에, 작용을 위해 컴퓨터 시스템에 상기 사용자 인터페이스 입력 명령 시퀀스를 전송하고 단계 (1)로 진행하는 단계
    를 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  90. 제89항에 있어서, 상기 VIA는 상기 TSA에 가해지는 압력에 응답하는 힘 감지 물질을 더 포함하고, 상기 CCD는 상기 VIA에서의 저항들의 측정에 의해 상기 TSA에게 가해지는 압력을 결정하도록 구성되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  91. 제89항에 있어서, 상기 CCD는 상기 TSA로부터의 용량성 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 평균 터치 감지 값을 형성하도록 구성되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  92. 제89항에 있어서, 상기 CCD는 가중 평균을 이용하여 상기 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  93. 제89항에 있어서, 상기 CCD는 가중 평균을 이용하여 상기 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되고, 상기 용량성 감지 데이터와 연관되는 커패시턴스는 상기 힘 감지 데이터와 연관되는 힘보다 더 가중되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  94. 제89항에 있어서, 상기 CCD는 가중 평균을 이용하여 상기 TSA로부터의 용량성 감지 데이터 및 힘 감지 데이터를 조합하여 상기 TSA와 연관되는 조합된 터치 감지 값을 형성하도록 구성되고, 상기 힘 감지 데이터와 연관되는 힘은 상기 용량성 감지 데이터와 연관되는 커패시턴스보다 더 가중되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  95. 제89항에 있어서, 상기 CCD는 상기 VIA 내의 각각의 행/열 교차점에서의 터치의 존재를 결정하는 상호 용량성 스캔을 이용하여 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  96. 제89항에 있어서, 상기 CCD는 상기 VIA 내의 주어진 행에서 또는 상기 VIA 내의 주어진 열에서 터치의 존재를 결정하는 자기 용량성 스캔을 이용하여 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  97. 제89항에 있어서, 상기 CCD는 고 임피던스 상태에서 구성되는 상기 VIA에서의 활성 전극들의 서브셋으로 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  98. 제89항에 있어서, 상기 VIA는 상기 TSA에 가해지는 힘에 응답하여 커패시턴스를 변경하는 감지 소자들을 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  99. 제89항에 있어서, 상기 CCD는 상기 TSA로부터 CSD(capacitive sensing data) 및 FSD(force sensing data) 양자 모두를 수집하고 상기 TSM에 상기 CSD 및 상기 FSD를 저장하도록 구성되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  100. 제89항에 있어서, 상기 CCD는 상기 TSA로부터 능동 스타일러스와 연관되는 CSD 및 FSD를 수집하고 상기 TSM에 상기 CSD 및 상기 FSD를 저장하도록 구성되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  101. 제89항에 있어서, 상기 ACD는 사인파를 발생하도록 구성되는 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  102. 제89항에 있어서, 상기 ADC는 사인파를 검출하도록 구성되는 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  103. 제89항에 있어서, 상기 CCD는 상기 SDV가 도전성 물체 또는 비 도전성 물체로부터 도출되는 터치 상태를 구성하는지를 결정하도록 구성되는 상태 머신을 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  104. 제89항에 있어서, 상기 ACD는 한번에 하나의 활성 행열 교차점에 대해 상기 VIA를 스캐닝하도록 구성되는 단일 송신기를 포함하고, 상기 ARS는 한번에 상기 VIA의 단일 행을 감지하도록 구성되는 수신기를 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  105. 제89항에 있어서, 상기 ACD는 상기 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는 다중 송신기들을 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  106. 제89항에 있어서, 상기 ARS는 상기 VIA의 다중 행을 감지하도록 구성되는 다중 수신기들을 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  107. 제89항에 있어서, 상기 ACD는 상기 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는, 다중 주파수에서 동작하는 다중 송신기들을 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  108. 제89항에 있어서, 상기 ACD는 상기 VIA의 다중 열을 구동하도록 구성되는, 다중 주파수에서 동작하는 다중 송신기들을 포함하고, 상기 ARS는 다중 주파수에서 상기 VIA의 다중 행을 감지하도록 구성되는 다중 수신기들을 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  109. 제89항에 있어서, 상기 VIA는 동일 층 상에 배치되는 구동 전극들 및 감지 전극들, 및 한 세트의 상기 구동 전극들과 상기 감지 전극들이 단락 없이 다른 전극과 중첩하도록 허용하는 도전성 브리지들을 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  110. 제89항에 있어서, 상기 VIA는 동일 층 상에 배치되는 구동 전극들 및 감지 전극들, 및 한 세트의 상기 구동 전극들과 상기 감지 전극들이 단락 없이 다른 전극과 중첩하도록 허용하는 도전성 브리지들을 가진 다이아몬드 패턴을 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  111. 제89항에 있어서, 상기 VIA는 상기 IIC 및 상기 IIR을 포함하는 2층 구조를 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  112. 제89항에 있어서, 상기 VIA는 0.25 내지 2.5 mm의 범위에서의 행열 피치를 갖는 센서 소자들을 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  113. 제89항에 있어서, 상기 IRIE는 저항성 센서 소자를 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  114. 제89항에 있어서, 상기 ICIE는 저항성 센서 소자를 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  115. 제89항에 있어서, 상기 ICIE는 프린팅된 좁은 저항성 스트립을 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  116. 제89항에 있어서, 상기 IRIE는 프린팅된 좁은 저항성 스트립을 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  117. 제89항에 있어서, 상기 ICIE는 투명 도전성 물질로 된 얇은 브리지를 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  118. 제89항에 있어서, 상기 IRIE는 투명 도전성 물질로 된 얇은 브리지를 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
  119. 제89항에 있어서, 상기 ICIE 및 상기 IRIE는 상기 VIA의 각각의 열들 및 행들과 동일한 물질로 구성되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  120. 제89항에 있어서, 상기 ICIE 및 상기 IRIE는 레이저 트리밍된 저항기들로 구성되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  121. 제89항에 있어서, 상기 VIA는 얇은 유전체 층으로 덮이는 컴퓨터 이용가능 매체.
  122. 제89항에 있어서, 상기 VIA는 실드 물질로 된 투명 도전성 층에 의해 전기적으로 실드되는 컴퓨터 이용가능 매체.
  123. 제89항에 있어서, 상기 VIA는 투명 도전성 물질로부터 형성되는 열 전극들 및 행 전극들을 더 포함하는 컴퓨터 이용가능 매체.
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  132. 제89항에 있어서, 상기 TSA는 블루투스® 무선 통신을 통해 호스트 컴퓨터와 통신하도록 구성되는 스타일러스와 통신하도록 구성되는 컴퓨터 이용가능 매체.

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