KR20180047675A - 지문 검출 장치의 리드아웃 회로 - Google Patents

지문 검출 장치의 리드아웃 회로 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따르면, 손가락과의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 복수개의 센싱 전극을 포함하는 지문 검출 장치에 구비되는 리드아웃 회로로서, 상기 센싱 전극과 선택적으로 병렬 연결되어 전하 공유를 하는 일 이상의 정전용량; 상기 일 이상의 정전용량에 기준 전압이 선택적으로 공급되도록 하는 제1 스위치; 상기 기준 전압과 상기 센싱 전극 출력단 전위 간의 차이를 증폭하여 전류값으로 출력하는 증폭기; 및 상기 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 증폭기로부터 출력되는 전류를 충전하는 전류 충전 정전용량을 포함하는, 리드아웃 회로가 제공된다.

Description

지문 검출 장치의 리드아웃 회로{READ-OUT CIRCUIT OF FINGERPRINT DETECTING APPARATUS}
본 발명은 지문 검출 장치의 리드아웃 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 지문 센싱의 정확도가 향상되고 외부 노이즈에 대한 영향이 최소화될 수 있도록 하는 리드아웃 회로에 관한 것이다.
지문의 무늬는 사람마다 다르기 때문에, 개인 식별 분야에 많이 이용되고 있다. 특히, 지문은 개인 인증 수단으로서 금융, 범죄수사, 보안 등의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
이러한 지문을 인식하여 개인을 식별하기 위해 지문 인식 센서가 개발되었다. 지문 인식 센서는 사람의 손가락을 접촉하고 손가락 지문을 인식하는 장치로서, 정당한 사용자인지 여부를 판단할 수 있는 수단으로 활용되고 있다.
최근에는 모바일 시장에서도 개인 인증 및 보안 강화의 필요성이 급격히 증대되고 있으며, 모바일을 통한 보안 관련 사업이 활발히 진행되고 있다.
종래에는 모바일 기기의 디스플레이를 제외한 일부 영역에 지문 센서가 장착되는 경우가 많았으나, 최근에는 모바일 기기의 디스플레이 영역에 지문 센서를 통합하고자 하는 노력이 행해지고 있다.
이를 위해 디스플레이의 휘도 등에 악영향을 미치지 않도록 투명한 지문 센서를 구현하기 위한 연구가 행해지고 있으며, 두꺼운 커버 글라스 상에 놓여지는 지문을 정확하게 검출하기 위해, 센서의 감도를 향상시키고 노이즈의 영향을 제거하기 위한 연구도 행해지고 있다.
그러나, 현재는 일정 두께 이상의 커버 글라스 하부에 지문 센서가 내장되는 경우, 지문 검출의 정확성이 보장되지 않고, 노이즈의 문제에서도 자유롭지 못한 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지문 센싱의 정확도가 향상되고, 외부 노이즈에 대한 영향이 최소화될 수 있도록 하는 리드아웃 회로를 포함하는 지문 검출 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 두꺼운 커버 글라스 하부에 내장되더라도 지문 검출의 정확도가 보장될 수 있는 지문 검출 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 손가락과의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 복수개의 센싱 전극을 포함하는 지문 검출 장치에 구비되는 리드아웃 회로로서, 상기 센싱 전극과 선택적으로 병렬 연결되어 전하 공유를 하는 일 이상의 정전용량; 상기 일 이상의 정전용량에 기준 전압이 선택적으로 공급되도록 하는 제1 스위치; 상기 기준 전압과 상기 센싱 전극 출력단 전위 간의 차이를 증폭하여 전류값으로 출력하는 증폭기; 및 상기 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 증폭기로부터 출력되는 전류를 충전하는 전류 충전 정전용량을 포함하는, 리드아웃 회로가 제공된다.
상기 제1 스위치가 온 상태로 유지되는 동안 상기 일 이상의 정전용량은 상기 기준 전압으로 충전되며, 상기 제1 스위치가 오프 상태로 유지되는 동안 상기 일 이상의 정전용량에 상기 기준 전압으로 충전된 전하가 상기 센싱 정전용량과 공유될 수 있다.
상기 일 이상의 정전용량은 기생 정전용량 및 가변 정전용량 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 가변 정전용량은, 상기 센싱 전극의 출력단과 선택적으로 연결되는 복수개의 정전용량을 포함할 수 있다.
상기 리드아웃 회로는, 상기 센싱 전극의 출력단과 그라운드 전위 사이에 연결되는 리셋 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 리드아웃 회로는, 상기 증폭기의 출력단 전압을 제어하는 포화 방지부를 더 포함할 수 있다.
상기 포화 방지부는, 상기 증폭기의 출력단과 전원 전압 공급단 사이에 선택적으로 연결되는 제1 트랜지스터; 및 상기 증폭기의 출력단과 그라운드 전위 사이에 선택적으로 연결되는 제2 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 증폭기의 출력단 전압이 기준값 이상인 경우, 상기 증폭기의 출력단이 상기 제2 트랜지스터를 통해 그라운드 전위와 연결될 수 있다.
상기 리드아웃 회로는, 상기 증폭기의 출력단 전압을 안정화된 형태로 출력하는 버퍼를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 손가락과의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 복수개의 센싱 전극을 포함하는 지문 검출 장치에 구비되는 리드아웃 회로로서, 상기 센싱 전극과 선택적으로 병렬 연결되는 일 이상의 정전용량; 기준 전압 공급단과 상기 센싱 전극의 출력단을 선택적으로 연결시키는 제1 스위치; 제1 입력단 및 제2 입력단이 각각 상기 기준 전압 공급단과 상기 센싱 전극의 출력단에 연결되며, 상기 제1 입력단 및 제2 입력단 간의 전위차를 증폭하여 전류 형태로 출력하는 증폭기; 및 상기 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 증폭기로부터 출력되는 전류를 충전하는 전류 충전 정전용량을 포함하는, 리드아웃 회로가 제공된다.
본 발명에 따르면, 지문 검출 장치에 포함되는 리드아웃 회로 내에서 지문의 골에 대응하는 센싱 신호 및 지문의 융선에 대응하는 센싱 신호간 차이가 증폭되기 때문에, 지문 검출의 정확도가 향상되고, 외부 노이즈에 대한 영향이 최소화될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 감도가 향상되고, 노이즈의 영향으로부터 자유로운 지문 검출 장치가 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 두꺼운 커버 글라스 하부에 장착되더라도, 지문 검출의 정확도가 보장되는 지문 검출 장치가 획득될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 인식 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 리드아웃 회로 각각의 구성을 상세하게 설명하는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 리드아웃 회로의 동작을 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 과정 중 리드아웃 회로의 출력 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 인식 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 지문 인식 장치는, 매트릭스 형태로 배치되는 복수개의 센싱 전극(110)을 포함하는 센서 패널(100), 센서패널(100)로부터 수신되는 신호를 선별적으로 출력하는 제1 멀티플렉서(200), 제1 멀티플렉서(200)로부터 수신되는 신호를 소정의 방식으로 변환하여 출력하는 복수개의 리드아웃 회로(300), 복수개의 리드아웃 회로(300)로부터 출력되는 신호들을 샘플링 및 유지한 후 출력하는 샘플 앤 홀드 회로(400), 샘플 앤 홀드 회로(400)로부터 출력되는 신호를 선별적으로 출력하는 제2 멀티플렉서(500), 제2 멀티플렉서(500)로부터 출력되는 신호를 디지털 형태로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(600)를 포함한다.
일 실시예에 따른 센서패널(100)은 n×m(n, m은 정수)의 매트릭스 형태로 배치되는 복수개의 센싱 전극(110)을 포함한다. 또한, 센서패널(100)은 각각의 센싱 전극(110)에 구동 신호를 제공하기 위한 복수개의 구동 라인(X1, ..., Xn), 상기 구동 신호 인가에 따른 센싱 전극(110)으로부터의 응답 신호를 수신하기 위한 복수개의 감지 라인(Y1, ..., Ym)을 포함한다. 복수개의 구동 라인(X1, ..., Xn)과 복수개의 감지 라인(Y1, ..., Ym)은 상호 직교하는 방향으로 배치된다. 각각의 구동 라인(X1, ..., Xn)은 동일한 행에 배치되는 복수개의 센싱 전극(110)에 구동 신호를 제공하고, 각각의 감지 라인(Y1, ..., Ym)은 동일한 열에 배치되는 복수개의 센싱 전극(110)으로부터의 출력 신호를 제1 멀티플렉서(200)로 전달한다. 복수개의 구동 라인(X1, ..., Xn) 중 특정 구동 라인(X1, ..., Xn)에 구동 신호가 인가되면, 해당 구동 라인(X1, ..., Xn)과 연결된 센싱 전극(110)들이 센싱 대상이 된다. 예를 들어, 지문 인식 장치가 정전용량 방식의 지문 인식 장치로 구현되는 경우, 각각의 센싱 전극(110)은 상부에 접촉된 피사체(사람의 손가락)와의 관계에서 정전용량을 형성하게 되는데, 해당 정전용량에 따른 전기적 신호가 각각의 감지 라인(Y1, ..., Ym)을 통해 제1 멀티플렉서(200)로 전달된다. 센서패널(100)이 200×200의 센싱 전극(110)으로 구성되는 경우, 센싱 전극(110)의 각 열마다 형성되는 구동 라인(X1, ..., X200), 즉, 200개의 구동 라인(X1, ..., X200)으로부터의 신호가 제1 멀티플렉서(200)로 전달된다.
한편, 지문 인식 장치를 전자 기기의 디스플레이부에 장착시키는 경우 등에 있어서는 지문 인식 장치가 투명하여야 하는데, 이를 위해, 센싱 전극(110), 구동 라인(X1, ..., Xn), 감지 라인(Y1, ..., Ym)은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), 은 나노와이어(Silver nanowire), 탄소나노튜브(CNT: Carbon nanotube), 그래핀(Graphene), 전도성 고분자(Conducting polymer) 등으로 형성되는 것이 바람직하나, 이에 제한되지는 않는다.
일 실시예에 따른 제1 멀티플렉서(200)는 센서패널(100)을 구성하는 복수개의 감지 라인(Y1, …, Ym)으로부터의 신호를 수신하고, 그 중 일부의 신호를 선별적으로 출력하는 기능을 한다.
제1 멀티플렉서(200)가 m×l의 멀티플렉서로 구현되는 경우, 제1 멀티플렉서(200)는 복수개의 감지 라인(Y1, …, Ym)으로부터 m개의 신호를 수신한 후, 1회에 l개씩의 신호를 출력해낸다. 예를 들어, 제1 멀티플렉서(200)가 200×8 멀티플렉서로 구현된다면, 제1 멀티플렉서(200)는 감지 라인(Y1, …, Ym)들로부터 200개의 신호를 수신한 후, 1회에 8개씩의 신호를 선택하여 출력한다. 즉, 제1 멀티플렉서(200)는 200개의 입력단과 8개의 출력단을 가지며, 1회에 8개씩의 신호를 총 25회에 걸쳐 출력해낸다. 이에 따르면, 제1 멀티플렉서(200)의 각 출력단을 통해서는 25개의 신호가 출력된다.
일 실시예에 따른 리드아웃 회로(300)는 제1 멀티플렉서(200)의 출력단 개수와 동일하게 구비되어, 각각 제1 멀티플렉서(200)의 출력단으로부터의 신호를 수신한다. 상기의 예에서, 리드아웃 회로(300)는 제1 멀티플렉서(200)의 출력단 개수, 즉, 8개가 구비되며, 각각 25개의 신호를 처리하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리드아웃 회로(300)는 제1 멀티플렉서(200)로부터 출력되는 신호를 처리하여, 샘플 앤 홀드부(400)로 전달한다. 센싱 전극(110)에 지문의 융선(Ridge)이 닿는 경우와 골(Valley)이 닿는 경우 각각에서 획득되는 신호의 크기는 상이하다. 일 실시예에 따른 리드아웃 회로(300)는 각 신호 간의 차이를 더욱 증폭시켜 출력함으로써, 각 센싱 전극(110)에 지문의 융선이 닿았는지 또는 골이 닿았는지를 정확하게 구분해낼 수 있도록 한다. 즉, 일 실시예에 따른 리드아웃 회로(300)는 지문 검출에 있어서의 감도가 향상될 수 있도록 한다. 이에 대해서는 후에 상세히 설명하기로 한다.
일 실시예에 따른 샘플 앤 홀드 회로(400)는 복수개의 리드아웃 회로(300)로부터 출력되는 복수개의 신호를 샘플링하고 유지한 후, 동시에 출력시키는 기능을 한다. 리드아웃 회로(300)가 8개로 구비되는 경우, 샘플 앤 홀드 회로(400)의 입력단 및 출력단도 각각 8개로 구현된다.
제2 멀티플렉서(500)는 샘플 앤 홀드 회로(400)로부터 출력되는 복수개의 신호를 수신하고, 그 중 하나의 신호를 선택하여 아날로그-디지털 변환 회로(600)로 출력하는 동작을 수행한다.
아날로그-디지털 변환 회로(600)는 제2 멀티플렉서(500)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 형태로 변환하여 출력하는 기능을 수행한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 리드아웃 회로 각각의 구성을 상세하게 설명하는 회로도이다.
도 2에서, 센싱 정전용량(Cf)은 특정 센싱 전극(110)과 피사체 간의 관계에서 형성되는 정전용량을 나타내고, 기생 정전용량(Cp)은 센싱 전극(110)의 주변 회로 또는 외부 환경에 의해 형성되는 기생 정전용량 성분을 나타낸다. 또한, 구동 라인 스위치(SWx)는 센서패널(100, 도 1 참조)에서 상기 특정 센싱 전극(110)과 연결된 특정 구동 라인에 구동 신호가 인가되는지 여부에 따라 온/오프되는 스위치이다. 즉, 상기 특정 구동 라인에 구동 신호가 인가되면, 구동 라인 스위치(SWx)는 온 상태로 전환되며, 반대로 해당 구동 라인에 구동 신호가 인가되지 않으면, 상기 구동 라인 스위치(SWx)는 오프 상태로 전환된다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 리드아웃 회로(300) 각각은 센싱부(310), 증폭 및 전하 충전부(320), 버퍼부(330)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 센싱부(310)는 센싱 전극(110)의 출력단(N1)과 연결되는 것으로 등가화될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 센싱 전극(110)은 제1 멀티플렉서(200)에 의해 리드아웃 회로(300)로 전달되는 신호를 출력하는 특정 센싱 전극(110)이다.
한편, 센싱부(310)는 기준 전압(Vb)이 공급되는 기준 전압 공급단(N2)과 선택적으로 연결되는 가변 정전용량부(311)를 포함한다. 가변 정전용량부(311)와 기준 전압 공급단(N2)은 제1 스위치(SW1)에 의해 선택적으로 연결된다. 가변 정전용량부(311)는 일단이 제2 스위치(SW2)에 의해 센싱 전극(110)의 출력단(N1)과 선택적으로 연결되고, 타단이 그라운드 전위와 연결되는 복수개의 서브 정전용량(Ct)을 포함할 수 있다. 복수개의 서브 정전용량(Ct)은 그 정전용량 크기가 서로 동일할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 가변 정전용량부(311)는 제2 스위치(SW2)가 온 상태로 유지되는 동안 센싱 정전용량(Cf) 및 기생 정전용량(Cp)과 전하를 공유하게 된다. 이러한 가변 정전용량부(311)는 센싱부(310)의 구성에서 생략될 수도 있다.
한편, 센싱부(310)는 센싱 전극(110)의 출력단(N1)과 그라운드 전위 간의 연결을 온/오프 하는 리셋 스위치(SWr)를 더 포함한다.
일 실시예에 따른 증폭 및 전하 충전부(320)는 증폭기(A), 전류 충전 정전용량(Cc), 포화 방지부(321)를 포함한다.
증폭기(A)의 제1 입력단(+)은 기준 전압 공급단(N2)과 연결되며, 제2 입력단(-)은 센싱 전극(110)의 출력단(N1)과 연결된다. 증폭기(A)의 제1 입력단(+) 및 제2 입력단(-)은 각각 비반적 입력단 및 반전 입력단일 수 있다.
증폭기(A)는 내부에 전류원(Is)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 증폭기(A)의 제1 입력단(+)과 제2 입력단(-) 간의 전위차는 소정 비율로 증폭된 후 전류값으로 변환되어 증폭기(A)로부터 출력될 수 있다.
즉, 증폭기(A)로부터 출력되는 전류값(I)은 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Gm은 증폭기(A)의 이득을 나타내며, V+ 및 V- 는 각각 증폭기(A)의 비반전 입력단(+) 전위 및 반전 입력단(-) 전위를 나타낸다.
한편, 증폭기(A)의 출력단(N3)과 그라운드 전위 사이에는 전류 충전 정전용량(Cc)이 연결되며, 이러한 전류 충전 정전용량(Cc)은 증폭기(A)로부터 출력되는 전류를 충전한다.
포화 방지부(321)는 상호 직렬로 연결된 2개의 트랜지스터(T1, T2)로 구성된다. 제1 트랜지스터(T1)의 드레인과 게이트는 전원 전압 공급단(N4)에 연결되고, 소스는 제3 스위치(SW3)를 통해 증폭기(A)의 출력단(N3)과 선택적으로 연결된다. 또한, 제2 트랜지스터(T2)의 드레인과 게이트는 제4 스위치(SW4)를 통해 증폭기(A)의 출력단(N3)과 선택적으로 연결되며, 소스는 그라운드 전위와 연결된다.
버퍼부(330)는 제1 입력단(+)이 증폭기(A)의 출력단(N3)과 연결되고, 제2 입력단(-)이 출력단(N5)과 연결되는 버퍼(B)를 포함한다. 버퍼(B)의 출력단(N5)으로부터 출력되는 신호는 샘플 앤 홀드 회로(400)로 입력된다. 증폭기(A)로부터 출력되는 전류가 전류 충전 정전용량(Cc)에 충전되는 동안, 전류 충전 정전용량(Cc) 양단의 전압, 즉, 증폭기(A)의 출력단(N3) 전압은 안정화된 형태로 버퍼(B)의 출력단(N5)으로 출력된다.
버퍼(B)의 출력단 전압은 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, t는 전류 충전 정전용량(Cc)에 전류 충전이 시작된 이후로부터 경과된 시간을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 리드아웃 회로의 동작을 설명하기 위한 회로도이다. 도 3에서 등가 정전용량(Cmux)은 가변 정전용량부(311)를 구성하는 복수개의 서브 정전용량(Ct) 중 제2 스위치(SW2, 도 2 참조)에 의해 센싱 전극(110)의 출력단(N1)과 연결된 서브 정전용량(Ct)들의 정전용량이 모두 합산된 정전용량을 나타낸다.
센싱 전극(110)의 특성 또는 주변 구성요소의 특성 등에 따라, 센싱 전극(110)과 피사체 간에 형성되는 센싱 정전용량(Cf)의 크기는 센싱 가능한 범위를 벗어날 수 있다. 후술할 바와 같이, 센싱 정전용량(Cf)과 등가 정전용량(Cmux)은 전하를 공유하게 되는데, 센싱 정전용량(Cf)의 크기가 소정값 이상으로 커지면 이에 충전되는 전하도 커질 것이므로 이에 비례하는 만큼의 전하 공유가 되어야 한다. 따라서, 이 경우에는, 등가 정전용량(Cmux)의 크기를 크게 하여, 센싱 정전용량(Cf)에 충전된 전하가 적절히 분배되도록 할 수 있다. 반대로, 센싱 정전용량(Cf)의 크기가 소정값 미만으로 작아지면 이에 충전되는 전하도 작을 것이므로 등가 정전용량(Cmux)의 크기를 작게 하여, 센싱 정전용량(Cf)에 충전된 전하가 적절히 분배되도록 할 수 있다.
즉, 각각의 서브 정전용량(Ct)을 센싱 전극(110)의 출력단(N1)에 연결시키는 복수개의 제2 스위치(SW2) 중 온 상태로 유지되는 제2 스위치(SW2)의 개수는 센싱 정전용량(Cf)의 크기에 비례하도록 제어될 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 과정 중 리드아웃 회로의 출력 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 지문 검출 과정에 있어서 리드아웃 회로의 동작에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 도 3의 (a) 및 도 4를 참조하면, 제1 구간(t1) 동안 리셋 과정이 수행될 수 있다.
리셋 동작 시에는, 특정 센싱 전극(110)과 연결된 특정 구동 라인에 구동 신호가 인가되며, 이에 따라, 구동 라인 스위치(SWx)는 온 상태로 전환된다. 또한, 센싱부(310)의 기준 전압 공급단(N2)과 센싱 전극(110)의 출력단(N1) 사이에 연결된 제1 스위치(SW1)는 오프 상태로 유지되며, 센싱 전극(110) 출력단(N1)과 그라운드 전위 사이에 연결된 리셋 스위치(SWr)는 온 상태로 전환된다.
이에 따라, 센싱 전극(110) 출력단(N1)의 전위는 그라운드 전위로 유지되며, 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 등가 정전용량(Cmux)에 충전된 전하가 방전되어 리셋된다. 따라서, 리드아웃 회로(300)의 증폭 및 전하 충전부(320)에 구비되는 증폭기(A)의 반전 입력단(-)의 전압은 그라운드 전위와 같아진다. 증폭기(A)의 비반전 입력단(+)전압은 기준 전압(Vb)으로 유지되기 때문에, 증폭기(A)로 출력되는 전류값(I)은 수학식 1에 따라 I=Gm·Vb가 된다. 해당 전류는 전류 충전 정전용량(Cc)에 충전되고, 충전 시작부터 경과된 시간을 t라고 한다면, 전류 충전 정전용량(Cc)의 일단(N3) 전압을 입력으로 수신하는 버퍼부(330)의 출력단(N5) 전압(Vout)은 수학식 2에 따라 Vout=(Gm·Vb·t)/Cc이 된다. 즉, 버퍼부(330)의 출력단(N5) 전압(Vout)은 시간(t)에 비례하여 상승하게 되고, 리셋 과정이 모두 종료되면, 제1 전압(Vr)이 된다.
리셋 과정이 완료되면, 도 3의 (b)에 도시되는 충전 과정이 수행된다.
도 3의 (b) 및 도 4를 참조하면, 제2 구간(t2) 동안의 충전 과정에서는 센싱 전극(110)에 연결된 구동 라인으로 구동 신호가 차단되며, 이에 따라, 구동 라인 스위치(SWx)는 오프 상태로 전환된다. 또한, 리셋 과정이 완료되었으므로, 리셋 스위치(SWr)도 오프 상태로 전환된다.
충전 과정에서는 기준 전압 공급단(N2)과 센싱 전극(110)의 출력단(N1) 사이에 연결된 제1 스위치(SW1)가 온 상태로 전환된다. 이에 따라, 증폭기(A)의 비반전 입력단(+)과 반전 입력단(-)이 함께 기준 전압 공급단(N2)에 연결된다.
제1 스위치(SW1)가 온 상태로 유지됨에 따라, 센싱 전극(110)의 출력단(N1)에 기준 전압(Vb)이 공급되기 때문에, 센싱 전극(110) 출력단(N1)에 상호 병렬로 연결된 기생 정전용량(Cp), 등가 정전용량(Cmux)이 기준 전압(Vb)에 의해 충전된다. 기생 정전용량(Cp) 및 등가 정전용량(Cmux)에 충전되는 전하량은 각각 Qpi=Cp·Vb, Qmi=Cmux·Vb 로 표현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 증폭기(A)로부터 출력되는 전류값은 증폭기(A)의 비반전 입력단(+)과 반전 입력단(-) 간의 전위차에 비례하는데, 충전 과정에서는 양 입력단(+, -) 간의 전위차가 0V 이므로, 증폭기(A)의 출력단(N3)에는 전류가 흐르지 않게 된다. 따라서, 버퍼부(330)로부터 출력되는 전압(Vout)은 리셋 과정이 완료되었을 시의 전압(Vr)으로 유지된다.
충전 과정이 완료되면, 도 3의 (c)에 도시되는 바와 같은 전하 공유 과정이 수행된다.
도 3의 (c) 및 도 4를 참조하면, 제3 구간(t3) 동안의 전하 공유 과정에서는 포화 방지부(321)가 동작하게 된다.
후술할 바와 같이, 전하 공유 과정에서는 전류 충전 정전용량(Cc)에 전하가 충전되게 되고, 이에 따라 증폭기(A)의 출력단(N3) 전압 및 리드아웃 회로의 출력 전압(Vout)은 시간 경과에 따라 증가하게 된다. 따라서, 증폭기(A) 및 버퍼(B)의 포화를 방지하기 위해서는 전하 공유 과정이 시작될 때 증폭기(A)의 출력단(N3) 전압 및 리드아웃 회로의 출력 전압(Vout)을 낮춰주는 것이 필요하다.
이를 위해, 포화 방지부(321)는 증폭기(A)의 출력단(N3) 전압 또는 리드아웃 회로의 출력 전압(Vout)이 제1 기준값 이상이 되는 경우, 제2 트랜지스터(T2)와 증폭기(A)의 출력단(N3) 사이에 구비된 제4 스위치(SW4)를 온 상태로 전환한다. 제4 스위치(SW4)가 온 상태로 전환됨에 따라, 증폭기(A)의 출력단(N3)은 제2 트랜지스터(T2)를 통해 그라운드 전위와 연결되게 되므로, 그 전위는 0V까지 떨어지게 된다.
반대로, 포화 방지부(321)는 증폭기(A)의 출력단(N3) 전압 또는 리드아웃 회로의 출력 전압(Vout)이 제2 기준값 이하가 되는 경우, 제1 트랜지스터(T1)와 증폭기(A)의 출력단(N3) 사이에 구비된 제3 스위치(SW3)를 온 상태로 전환할 수도 있다. 제3 스위치(SW3)가 온 상태로 전환됨에 따라, 증폭기(A)의 출력단(N3)은 제1 트랜지스터(T1)를 통해 전원 전압(VDD)과 연결될 수 있다. 전원 전압(VDD)은 전술한 기준 전압(Vb)과 동일한 전압일 수 있다.
한편, 전하 공유 과정에서는 센싱 전극(110)과 연결된 구동 라인에 구동 신호가 인가되어, 구동 라인 스위치(SWx)가 온 상태로 전환된다. 또한, 제1 스위치(SW1)가 오프 상태로 전환된다.
이에 따라, 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 등가 정전용량(Cmux)은 센싱 전극(110)의 출력단(N1)에 상호 병렬 연결된 형태가 되고, 전하를 공유하게 된다. 즉, 충전 과정에서, 기생 정전용량(Cp)과 등가 정전용량(Cmux)에 충전된 전하량이 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 등가 정전용량(Cmux)에 분배된다.
충전 과정에서 기생 정전용량(Cp)과 등가 정전용량(Cmux)에 충전된 전하량은 각각 Qpi=Cp·Vb, Qmi=Cmux·Vb 로 나타낼 수 있고, 전하 공유 전과 후의 총 전하량은 보존되므로 다음과 같은 수학식이 성립될 수 있다. 여기서, Qf, Qpf, Qmf 는 각각 전하 공유 후 센싱 정전용량(Cf), 기생 정전용량(Cp), 등가 정전용량(Cmux)에 충전되는 전하량이다.
Figure pat00003
Qf, Qpf, Qmf 는 각각 Qf=Cf·V1, Qpf=Cp·V1 Qmf=Cm·V1 (여기서, V1은 센싱 전극(110)의 출력단(N1) 전위)로 나타낼 수 있기 때문에, 이를 상기 수학식 3에 대입하면, 다음의 수학식이 도출된다.
Figure pat00004
센싱 전극(110)의 출력단(N1) 전위는 증폭 및 전하 충전부(320)에 구비되는 증폭기(A)의 반전 입력단(-)에 입력되고, 증폭기(A)로부터 출력되는 전류는 다음과 같아진다.
Figure pat00005
Figure pat00006
즉, 버퍼부(330)로부터의 출력 전압(Vout)은 시간(t)이 경과함에 따라 계속적으로 증가하게 된다.
한편, 수학식 6을 통해 알 수 있는 바와 같이, 출력 전압(Vout)의 시간(t) 경과에 따른 상승률은 센싱 정전용량(Cf)이 커질수록 증가하게 된다. 두 개의 도체 간에 형성되는 정전용량은 도체 간의 거리에 반비례하기 때문에, 센싱 전극(110)에 사람 손가락의 골(Valley)이 닿는 경우보다, 융선(Ridge)이 닿는 경우에 센싱 정전용량(Cf)이 더 커지게 된다. 따라서, 센싱 전극(110)에 융선(Ridge)이 닿는 경우에 상대적으로 출력 전압(Vout)의 시간(t) 경과에 따른 상승률은 커지게 된다.
또한, 센싱 전극(110)에 융선(Ridge)이 닿는 경우와 골(Valley)이 닿는 경우 각각에 있어서 출력 전압(Vout)의 시간(t) 경과에 따른 변화율이 상이한데, 그 차이는 전류 충전 정전용량(Cc), 등가 정전용량(Cm), 증폭기(A)의 이득 또는 기준 전압(Vb)을 적절히 선택한다면 더욱 명확해질 수 있다. 변화율이 상이하다면, 시간이 경과할수록 양 경우에서의 출력 전압(Vout) 간 차이(△Vout)는 증가하게 되므로, 제3 구간(t3)을 적절한 시간, 예를 들면, 약 10㎲ 정도의 시간 동안 유지하여, 센싱 전극(110)에 융선(Ridge)이 닿는 경우와 골(Valley)이 닿는 경우의 출력 전압(Vout) 간 차이(△Vout)를 더욱 명확하게 할 수 있다.
더욱이, 출력 전압(Vout)은 포화 방지부(321)에 의해 최소값으로 낮아진 후 상승을 시작하기 때문에, 제3 구간(t3)을 긴 시간 동안 유지하더라도, 증폭기(A) 또는 버퍼(B)가 포화되지 않고, 센싱 전극(110)에 융선(Ridge)이 닿는 경우와 골(Valley)이 닿는 경우 각각에서 얻어지는 출력 전압(Vout)의 차이(△Vout)는 더욱 커질 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 센싱 전극(110)에 융선(Ridge)이 닿는 경우와 골(Valley)이 닿는 경우 각각에서 리드아웃 회로(300)로부터 출력되는 출력 전압(Vout)의 차이(△Vout)가 명확해져 센싱 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 센싱 전극(110)에 지문이 어떠한 부분이 닿는지에 따른 리드아웃 회로로부터의 출력 전압(Vout) 간 차이(△Vout)가 크지 않다면, 노이즈가 개입될 시, 지문 검출이 어려워질 수 있는데, 본 발명에 따르면, 센싱 전극(110)에 융선(Ridge)이 닿는지 또는 골(Valley)이 닿는지 여부에 따라 리드아웃 회로로부터의 출력 전압(Vout) 간 차이(△Vout)가 커지기 때문에, 외부 노이즈에 따른 영향도 최소화될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 센서패널
110: 센싱 전극
200: 제1 멀티플렉서
300: 리드아웃 회로
400: 샘플 앤 홀드 회로
500: 제2 멀티플렉서
600: 아날로그-디지털 변환기

Claims (10)

  1. 손가락과의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 복수개의 센싱 전극을 포함하는 지문 검출 장치에 구비되는 리드아웃 회로로서,
    상기 센싱 전극과 선택적으로 병렬 연결되어 전하 공유를 하는 일 이상의 정전용량;
    상기 일 이상의 정전용량에 기준 전압이 선택적으로 공급되도록 하는 제1 스위치;
    상기 기준 전압과 상기 센싱 전극 출력단 전위 간의 차이를 증폭하여 전류값으로 출력하는 증폭기; 및
    상기 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 증폭기로부터 출력되는 전류를 충전하는 전류 충전 정전용량을 포함하는, 리드아웃 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스위치가 온 상태로 유지되는 동안 상기 일 이상의 정전용량은 상기 기준 전압으로 충전되며,
    상기 제1 스위치가 오프 상태로 유지되는 동안 상기 일 이상의 정전용량에 상기 기준 전압으로 충전된 전하가 상기 센싱 정전용량과 공유되는, 리드아웃 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 일 이상의 정전용량은 기생 정전용량 및 가변 정전용량 중 적어도 하나를 포함하는, 리드아웃 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가변 정전용량은,
    상기 센싱 전극의 출력단과 선택적으로 연결되는 복수개의 정전용량을 포함하는, 리드아웃 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 전극의 출력단과 그라운드 전위 사이에 연결되는 리셋 스위치를 더 포함하는, 리드아웃 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증폭기의 출력단 전압을 제어하는 포화 방지부를 더 포함하는, 리드아웃 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 포화 방지부는,
    상기 증폭기의 출력단과 전원 전압 공급단 사이에 선택적으로 연결되는 제1 트랜지스터; 및
    상기 증폭기의 출력단과 그라운드 전위 사이에 선택적으로 연결되는 제2 트랜지스터를 포함하는, 리드아웃 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 증폭기의 출력단 전압이 기준값 이상인 경우, 상기 증폭기의 출력단이 상기 제2 트랜지스터를 통해 그라운드 전위와 연결되는, 리드아웃 회로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 증폭기의 출력단 전압을 안정화된 형태로 출력하는 버퍼를 더 포함하는, 리드아웃 회로.
  10. 손가락과의 관계에서 센싱 정전용량을 형성하는 복수개의 센싱 전극을 포함하는 지문 검출 장치에 구비되는 리드아웃 회로로서,
    상기 센싱 전극과 선택적으로 병렬 연결되는 일 이상의 정전용량;
    기준 전압 공급단과 상기 센싱 전극의 출력단을 선택적으로 연결시키는 제1 스위치;
    제1 입력단 및 제2 입력단이 각각 상기 기준 전압 공급단과 상기 센싱 전극의 출력단에 연결되며, 상기 제1 입력단 및 제2 입력단 간의 전위차를 증폭하여 전류 형태로 출력하는 증폭기; 및
    상기 증폭기의 출력단에 연결되어 상기 증폭기로부터 출력되는 전류를 충전하는 전류 충전 정전용량을 포함하는, 리드아웃 회로.
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