KR20190009892A

KR20190009892A - 멀티 센싱 리드아웃 회로

Info

Publication number: KR20190009892A
Application number: KR1020170091809A
Authority: KR
Inventors: 김재준; 박경환
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2019-01-30
Also published as: KR101949390B1

Abstract

본 발명에 따르면, 멀티 센서 시스템에 있어서, TSP로부터 터치를 기반으로 입력되는 다양한 신호 또는 환경 센서로부터 입력되는 다양한 환경 센서 신호를 해당 신호에 대응되는 센싱 정보로 생성할 수 있는 리드아웃 회로를 통합하여 구현하고, 다양한 신호가 입력되는 경우 신호의 특성에 대응되는 리드아웃 회로를 통해 해당 신호가 처리되도록 하여 하나의 TSP를 이용하여 별도의 추가적인 장치 없이 터치 신호를 포함하여 생체 신호 및 환경센서 신호도 센싱할 수 있도록 한다.

Description

멀티 센싱 리드아웃 회로{A READOUT CIRCUIT FOR MULTI-SENSING}

본 발명은 멀티 센서 시스템에 관한 것으로, 특히 다양한 센서 신호를 처리할 수 있는 멀티 센서 시스템에 있어서, 터치스크린 패널(touch screen panel : TSP)로부터 터치를 기반으로 입력되는 다양한 신호 또는 환경 센서로부터 입력되는 다양한 환경 센서 신호를 해당 신호에 대응되는 센싱 정보로 생성할 수 있는 리드아웃 회로를 통합하여 구현하고, 다양한 신호가 입력되는 경우 신호의 특성에 대응되는 리드아웃 회로를 통해 해당 신호가 처리되도록 하여 하나의 터치스크린 패널을 이용하여 별도의 추가적인 장치 없이 터치 신호를 포함하여 생체 신호 및 환경센서 신호도 센싱할 수 있도록 하는 멀티 센싱 리드아웃회로에 관한 것이다.

일반적으로 디스플레이 기술에 대한 연구는 주로 디스플레이의 해상도나 크기에 집중되어 왔으나, 최근에는 디스플레이에 터치 센서를 이용하는 터치스크린 기술을 적용시키는 등의 부가 기능을 강화시키는 연구도 활발하게 진행되고 있다.

이러한 디스플레이는 예를 들어 스마트폰 또는 테블릿 PC, 스마트 TV 등의 디바이스에 구비되는 디스플레이가 될 수 있으며, 이러한 디바이스에 탑재된 다양한 애플리케이션을 터치를 통해 구동시키는 터치스크린 기술은 상호 캐패시턴스(mutual capacitance)를 이용한 터치 센싱(touch sensing) 방법이 가장 일반적이다.

위와 같은 터치스크린 기술은 디스플레이 패널의 상부에 터치를 센싱할 수 있는 TSP를 탑재하여 구현될 수 있으며, TSP에 사람의 손가락을 포함하는 피부가 접촉되는 경우 터치를 센싱하여 터치가 센싱된 위치의 애플리케이션을 구동시키는 등으로 동작하게 된다.

한편, 위와 같은 터치스크린 기술에 있어서, 최근 들어 TSP에 다양한 센서를 탑재하여 하나의 TSP을 통해 터치 신호를 센싱하는 것 이외에 사람의 생체 신호(ECG, BI), 사람의 움직임, 환경 센서 신호 등의 다양한 신호를 센싱하고자 하는 시도가 있어 왔다.

그러나, 종래에는 위와 같이 하나의 터치스크린 패널을 통해 다양한 신호를 센싱하기 위해서는 해당 신호의 센싱을 위한 별도의 센서와 리드아웃 회로가 구비되어야 함에 따라, 회로의 구성이 복잡해지고 전력 소모가 커지게 되는 문제점이 있었다.

(특허문헌)

대한민국 등록특허번호 10-1040925호(등록일자 2011년 06월 13일)

따라서, 본 발명에서는 멀티 센서 시스템에 있어서, TSP로부터 터치를 기반으로 입력되는 다양한 신호 또는 환경 센서로부터 입력되는 다양한 환경 센서 신호를 해당 신호에 대응되는 센싱 정보로 생성할 수 있는 리드아웃 회로를 통합하여 구현하고, 다양한 신호가 입력되는 경우 신호의 특성에 대응되는 리드아웃 회로를 통해 해당 신호가 처리되도록 하여 하나의 TSP를 이용하여 별도의 추가적인 장치 없이 터치 신호를 포함하여 생체 신호 및 환경센서 신호도 센싱할 수 있도록 하는 멀티 센싱 리드아웃회로를 제공하고자 한다.

상술한 본 발명은 멀티 센싱 리드아웃회로로서, TSP(touch screen panel)에 마련된 복수의 가로 전극 및 복수의 세로 전극에 의해 감지되는 신호를 처리하는 멀티 센싱 리드아웃회로에 있어서, 저항 또는 캐패시턴스의 변화를 센싱할 수 있는 환경 센싱 모드와, 상기 TSP가 상기 복수의 가로 전극의 각각이 모두 연결되고 상기 복수의 세로 전극의 각각이 모두 연결되는 BI 전극 구성을 갖도록 하여 상기 감지된 신호를 기초로 BI(body impedance)를 센싱할 수 있는 BI 센싱 모드로 동작 가능한 오실레이터 기반 리드아웃회로를 포함하고, 상기 오실레이터 기반 리드아웃회로는 유저의 선택에 의해 상기 환경 센싱 모드 및 상기 BI 신셍 모드 중 어느 하나로 동작한다.

또한, 상기 멀티 센싱 리드아웃회로는, 상기 TSP가 상기 기본 전극 구성을 갖도록 하여 상기 신호를 기초로 터치 이벤트(touch event)를 센싱할 수 있는 터치 이벤트 센싱 모드와, 상기 TSP가 상기 복수의 가로 전극 중 일부의 가로 전극끼리 연결되고 그 외 나머지 가로 전극끼리 연결되며 상기 복수의 세로 전극 중 일부의 세로 전극끼리 연결되고 그 외 나머지 세로 전극끼리 연결되는 ECG 전극 구성을 갖도록 하여, 상기 감지된 신호를 기초로 ECG(Electrocardiography)를 센싱할 수 있는 ECG 센싱 모드로 동작 가능한 엠프 기반 리드아웃 회로를 더 포함하되, 상기 유저의 선택에 의해 상기 오실레이터 기반 리드아웃 회로와 상기 엠프 기반 리드아웃 회로 중 하나만이 동작하고, 센싱 모드가 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 일부의 가로 전극은 상기 나머지 가로 전극과 소정의 가로선을 기준으로 서로 다른 방향에 위치하고, 상기 일부의 세로 전극은 상기 나머지 세로 전극과 소정의 세로선을 기준으로 서로 다른 방향에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 오실레이터 기반 리드아웃회로는, 상기 저항 또는 캐패시턴스의 변화에 따라 서로 다른 파장의 복수의 국부 발진 주파수를 발생시키는 RC 제어 오실레이터와, 상기 RC 제어 오실레이터로부터 출력되는 상기 복수의 국부 발진 주파수를 입력받아 증폭하는 증폭기와, 상기 BI 센싱 모드에서 상기 TSP를 통해 발생된 상기 BI 신호가 상기 복수의 국부 발진 주파수에 실려되어 입력되는 경우 상기 BI 신호를 일정 시간동안 버퍼링하는 버퍼와, 상기 BI 신호가 실린 상기 복수의 국부 발진 주파수의 피크값을 검출하는 피크 디텍터와, 상기 피크 디텍터에서 검출된 상기 피크값에 대해 대응되는 디지털 값으로 변환시켜 상기 BI 신호의 센싱 정보로 출력시키는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 오실레이터 기반 리드아웃회로는, 상기 저항 또는 캐패시턴스에 대응되는 특정 파장의 제1 국부 발진 주파수를 발생시키고, 상기 저항 또는 캐패시턴스의 변화에 따른 센싱 캐패시터에서의 충방전 시간을 검출하여 상기 충방전 시간에 대응되게 주파수 파장이 변환된 제2 국부 발진 주파수를 출력하는 RC 제어 오실레이터와, 상기 환경 센싱 모드에서, 상기 제2 국부 발진 주파수를 고정 주파수의 외부 클럭에 의해 카운팅하여 디지털 값으로 변환시켜 상기 환경 센서 신호의 센싱 정보로 출력시키는 주파수 디지털 변환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 엠프 기반 리드아웃 회로는, 상기 ECG 센싱모드에서 상기 TSP를 통해 입력되는 상기 ECG 신호를 소정 크기로 증폭하는 정전기적 증폭기와, 상기 ECG 신호에 포함된 고주파 성분을 제거하는 저역 통과 필터와, 상기 고주파 성분이 제거된 상기 ECG 신호상 포함된 특정 대역 주파수를 제거하는 대역 리젝트 필터와, 상기 특정 대역 주파수가 제거된 ECG 신호를 대응되는 디지털 값으로 변환하는 상기 ECG 신호의 센싱 정보로 출력시키는 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 아날로그 디지털 변환기는, 에러 정정 능력을 가지는 AS-SAR ADC인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 TSP(touch screen panel)에 마련된 복수의 가로 전극 및 복수의 세로 전극에 의해 감지되는 신호를 처리하는 멀티 센싱 리드아웃회로에 있어서, 상기 TSP가 상기 복수의 가로 전극의 각각이 모두 분리되고 상기 복수의 세로 전극의 각각이 모두 분리된 형태의 기본 전극 구성을 갖도록 하여 상기 신호를 기초로 터치 이벤트(touch event)를 센싱할 수 있는 터치 이벤트 센싱 모드와, 상기 TSP가 상기 복수의 가로 전극 중 일부의 가로 전극끼리 연결되고 그 외 나머지 가로 전극끼리 연결되며 상기 복수의 세로 전극 중 일부의 세로 전극끼리 연결되고 그 외 나머지 세로 전극끼리 연결되는 ECG 전극 구성을 갖도록 하여, 상기 감지된 신호를 기초로 ECG(Electrocardiography)를 센싱하는 ECG 센싱모드로 동작할 수 있는 앰프 기반 리드아웃 회로를 포함하고, 상기 앰프 기반 리드아웃 회로는 유저의 선택에 의해 상기 터치 이벤트 센싱 모드 및 상기 ECG 센싱 모드 중 어느 하나로 동작하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 일부의 가로 전극은, 상기 나머지 가로 전극과 소정의 가로선을 기준으로 서로 다른 방향에 위치하고, 상기 일부의 세로 전극은 상기 나머지 세로 전극과 소정의 세로선을 기준으로 서로 다른 방향에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 환경 센서는, 주변의 온도, 연기, 습기 또는 공기 오염도 중 어느 하나를 측정하는 센서이며, 상기 온도, 연기, 습기 또는 공기 오염도에 대해 측정한 정보를 상기 저항 또는 캐패시턴스로 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 멀티 센서 시스템에 있어서, TSP로부터 터치를 기반으로 입력되는 다양한 신호 또는 환경 센서로부터 입력되는 다양한 환경 센서 신호를 해당 신호에 대응되는 센싱 정보로 생성할 수 있는 리드아웃 회로를 통합하여 구현하고, 다양한 신호가 입력되는 경우 신호의 특성에 대응되는 리드아웃 회로를 통해 해당 신호가 처리되도록 하여 하나의 TSP를 이용하여 별도의 추가적인 장치 없이 터치 신호를 포함하여 생체 신호 및 환경센서 신호도 센싱할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 센싱 리드아웃회로 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반 리드아웃 회로의 상세 회로 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엠프 기반 리드아웃 회로의 상세 회로 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 AS-SAR ADC의 스펙트럼 분석 결과 예시도.
도 5는 AS와 에러 정정을 적용하지 않은 경우 센싱 신호에 대한 FFT(Fast Fourier Transform) 스펙트럼(spectrum) 예시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 AS와 에러 정정을 적용한 경우 센싱 신호에 대한 FFT의 스펙트럼 예시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 센싱 리드아웃회로의 성능을 요약한 테이블 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 센싱 리드아웃회로 구성도 이다.

위 도 1을 참조하면, 본 발명의 멀티 센싱 리드아웃회로(100)는 예를 들어 32 송신 라인(TX)과 8 수신 라인(RX)을 가지는 터치스크린 패널(touch screen panel : TSP)(190)을 포함할 수 있으며, TSP(190)를 다양한 이종의 센서로 구동하는 것을 통해 하나의 통합 리드아웃 회로(reconfigurable readout integrated circuit : ROIC)로 TSP(100)상 터치 신호(touch signal) 뿐만 아니라, 환경 센서 신호, ECG(electrocardiogram) 신호, BI(body impedance) 신호를 센싱(sensing)할 수 있다.

이때, 위와 같은 멀티 센싱 리드아웃회로(100)는 효과적인 센싱(sensing) 동작을 위해 발진기(oscillator) 기반의 오실레이터 기반 리드아웃회로(150)와 증폭기(amplifier) 기반의 엠프 기반 리드아웃회로(170)를 포함할 수 있다.

한편, 이러한 이종의 센서 동작은 애플리케이션(application)에 따라 스트레쳐블 UI(user Interface : UI)와 생체 신호 UI의 2가지 타입(type)으로 분류될 수 있다. 스트레쳐블 UI는 정전기적 변화 및 저항 변화를 검출하여 TSP(190) 상에서 사용자의 터치 신호, 스트레칭 또는 플렉서블 디스플레이 애플리케이션(flexible display application)에서의 벤딩(bending) 등과 같은 다양한 UI를 지원할 수 있다.

또한, 많은 환경 센서들은 환경 센서 신호로서 캐패시턴스 또는 저항을 발생시키는 정전기적 센서 또는 저항 센서 등을 의미할 수 있으며, 외부의 환경에 대한 정보로서 캐패시턴스값(capacitance) 또는 레지스턴스값(resistance)을 입력받는 특성을 가진다. 즉, 이러한 환경 센서는 예를 들어 주변의 온도, 연기, 습기 또는 공기 오염도 중 어느 하나를 측정하는 센서일 수 있으며, 온도, 연기, 습기 또는 공기 오염도에 대해 측정한 정보를 저항 또는 캐패시턴스로 출력할 수 있다.

따라서, 오실레이터 기반 리드아웃회로(150)는 환경 센서로부터 입력되는 캐패시턴스 또는 저항의 환경 센서 신호를 이용하여, RC 제어 오실레이터(RC controlled oscillator)(152)로부터 발생된 국부 발진 주파수를 환경 센서 신호에 대응되는 주파수 변위(frequency displacement)를 가지도록 변환하고, 이러한 주파수 변위를 고정 주파수 외부 클럭에 대한 카운팅 과정을 통해 디지털 값으로 변환시켜 주변 환경에 대한 센싱 정보로 생성할 수 있다.

이때, 오실레이터 기반 리드아웃회로(150)는 환경 센서로부터 입력되는 다양한 환경 센서 신호를 센싱 정보를 생성하기 위한 디지털 변환에서 있어서, XDC 방식을 이용하여 주파수 변위를 고정 주파수 외부 클럭에 대한 카운팅 과정을 통해 디지털 값으로 변환시킴으로써 별도의 ADC(analog-digital converter) 장치를 사용하지 않고, 센서 시스템의 크기를 증가시키지 않고도 이종의 센서로부터 입력되는 다양한 센서 신호를 센싱할 수 있다.

또한, 오실레이터 기반 리드아웃회로(150)는 BI 신호를 센싱하며, BI 신호는 서로 다른 파장의 복수의 주파수를 필요로 하기 때문에 BI 신호 센싱을 위해 RC 제어 오실레이터(152)로부터 복수의 발진 주파수를 생성하여 사용한다. 이때, RC 제어 오실레이터(152)는 저항과 캐패시턴스의 조정을 통해 다양한 파장의 복수의 국부 발진 주파수를 생성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

생체 신호 UI는 BI 신호와 ECG 신호 등과 같은 생리적인 신호를 검출하기 위한 인터페이스를 말한다.

즉, 오실레이터 기반 리드아웃회로(150)는 저항 또는 캐패시턴스의 변화를 센싱할 수 있는 환경 센싱 모드와, 상기 TSP가 상기 복수의 가로 전극의 각각이 모두 연결되고 복수의 세로 전극의 각각이 모두 연결되는 BI 전극 구성을 갖도록 하여 감지된 신호를 기초로 BI(body impedance)를 센싱할 수 있는 BI 센싱 모드로 동작 가능하며, 또한, 오실레이터 기반 리드아웃회로(150)는 유저(user)의 선택에 의해 환경 센싱 모드 및 BI 신셍 모드 중 어느 하나로 동작할 수 있다.

엠프 기반 리드아웃회로(170)는 TSP(190)의 셀(cell)을 ECG 신호를 검출하기 위한 전극으로 재구성하여 ECG 신호를 검출하며, 이때 ECG 신호의 크기가 작기 때문에 도 3에서 보여지는 바와 같이 TSP(190)의 복수의 TX와 RX 선로를 각각 반으로 나누어 연결하여 TSP(190)를 두 개의 전극으로 재구성하는 것을 통해 ECG 신호에 대응되는 전극(electrode)을 크게 함으로써 보다 정확한 ECG 신호를 센싱할 수 있다.

한편, 멀티 센싱 리드아웃회로(100)는 ADC(12)를 구성함에 있어서, 잡음 억제를 위해 에러 정정 능력(error-correction capability)을 가지는 교차 샘플링 연속 근사 레지스터 ADC(alternate sampling successive approximation register : AS-SAR ADC)를 ADC로 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 엠프 기반 리드아웃회로(170)는 TSP가 복수의 가로 전극의 각각이 모두 분리되고 복수의 세로 전극의 각각이 모두 분리된 형태의 기본 전극 구성을 갖도록 하여 신호를 기초로 터치 이벤트(touch event)를 센싱할 수 있는 터치 이벤트 센싱 모드로 동작할 수 있다. 또한, TSP가 복수의 가로 전극 중 일부의 가로 전극끼리 연결되고 그 외 나머지 가로 전극끼리 연결되며 복수의 세로 전극 중 일부의 세로 전극끼리 연결되고 그 외 나머지 세로 전극끼리 연결되는 ECG 전극 구성을 갖도록 하여, 감지된 신호를 기초로 ECG(Electrocardiography)를 센싱하는 ECG 센싱모드로 동작할 수도 있다. 이러한 앰프 기반 리드아웃 회로(170)는 유저의 선택에 의해 터치 이벤트 센싱 모드 및 ECG 센싱 모드 중 어느 하나로 동작할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반 리드아웃회로(150)의 상세 회로 구성을 도시한 것으로, RC 제어 오실레이터(152), 주파수 디지털 변환기(frequency to digital converter)(154), 증폭기(amplifier)(156), 버퍼(buffer)(158), 피크 디텍터(peak detector)(160), ADC(162) 등을 포함할 수 있다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 오실레이터 기반 리드아웃회로(150)의 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, RC 제어 오실레이터(152)는 환경 센서로부터 입력되는 환경 센서 신호인 저항 또는 캐패시턴스에 대응되는 특정 파장의 국부 발진 주파수를 발생시키고, 저항 또는 캐패시턴스의 변화에 따른 센싱 캐패시터(sensing capacitor)(200)에서의 충방전 시간을 검출하여 충방전 시간에 대응되게 주파수 파장이 변환된 국부 발진 주파수를 출력한다. 이러한 주파수 변위는 주파수 디지털 변환부(154)에서 고정 주파수 외부 클럭(CLK_REF)에 대한 카운팅(counting) 과정을 통해 디지털 값으로 변환될 수 있다.

즉, 저항과 캐패시턴스의 변화에 따라 전류 및 부하 조건(load condition)이 변화하며, 이에 따라 도 2에 도시된 노드 A에서 충전되는 시간이 변화된다. 이때, 위와 같이 변화되는 충전 시간을 주파수 디지털 변환부(154)에서 카운터 등을 이용하여 카운팅함으로써 디지털 값으로 변환시켜 환경 센서 신호에 대한 센싱 정보로 생성할 수 있으며, 이에 따라 별도의 ADC 없이도 환경 센서 등으로부터 입력되는 저항(resistance) 또는 캐패시턴스(capacitance)에 대응되는 디지털 값으로 변환할 수 있게 되어 저전력으로 구현이 가능하고 센서 시스템 크기를 줄일 수 있다.

주파수 디지털 변환기(154)는 저항과 캐패시턴스에 대응되게 주파수 변위가 적용된 주파수를 국부 발진 주파수를 고정 주파수의 외부 클럭에 대한 카운팅 과정을 통해 디지털 값으로 변환시켜 환경 센서 신호의 센싱 정보로 출력시킨다.

이에 따라, 환경 센싱 모드에서는 다양한 환경 센서로부터 입력되는 환경 센서 신호인 저항과 캐패시턴스가 환경 센서 신호의 센싱을 위한 별도의 국부 발진기와 ADC 장치 없이도 디지털 값으로 변환되어 멀티 센싱 리드아웃회로(100)의 오실레이터 기반 리드아웃회로(150)를 통해 환경 센싱 신호에 대한 센싱도 가능하게 되는 것이다.

한편, RC 제어 오실레이터(152)에서 발생된 주파수는 BI 신호 센싱을 위해 오실레이터 기반 리드아웃회로(150)의 BI 신호 센싱 경로상 존재하는 증폭기(158)로 제공될 수 있다. 이때, RC 제어 오실레이터(152)는 저항 또는 캐패시턴스의 변화에 따라 서로 다른 파장의 복수의 국부 발진 주파수를 발생시킬 수 있다.

또한, 오실레이터 기반 리드아웃회로(150)는 환경 센서 신호의 측정과 더불어 BI 센싱 모드에서는 BI 신호의 센싱도 가능하며, BI 신호의 센싱은 BI 신호가 실린 복수의 국부 발진 주파수의 피크(peak)를 검출하는 것에 의해 수행될 수 있다. 이때, BI 신호 센싱을 위해 RC 제어 오실레이터(152)에서 생성되는 국부 발진 주파수의 주파수 대역은 1K to 500kHz의 낮은 주파수 대역이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 인간의 신체는 세포막(cell membrane)으로부터 생성되는 저항 성분과 캐패시턴스 성분으로 구성되고, 신체 모델은 저항 성분과 캐패시턴스 성분의 병렬 혼합으로 구성될 수 있다.

도 2에서는 TSP(190)의 셀을 정전기적 전극으로서 사용하는 BI 신호의 센싱을 위해 재구성된 TSP(100)를 보여주고 있다. 이때 TSP(190)의 셀은 작은 캐패시턴스와 접촉 면적을 가지므로, 재구성된 TSP(190)에서 보여지는 바와 같이 복수의 TX 선로를 모두 연결하고 복수의 RX 선로를 모두 연결하여 TSP(190)를 하나의 전극으로 재구성함으로써 상호 캐패시턴스와 접촉 면적을 최대화시킨다.

이어, 증폭기(156)에서는 RC 제어 오실레이터(152)로부터 생성된 서로 다른 파장의 복수의 국부 발진 주파수를 증폭하여 출력하고, 증폭된 복수의 국부 발진 주파수는 하나의 전극으로 재구성된 TSP(190)로부터 접촉을 통해 측정되어 입력되는 BI 신호와 합해져서 BI 신호가 실린 주파수가 생성된다. 이러한 주파수는 버퍼(158)에 일정 시간동안 버퍼링된 후, 피크 디텍터(160)에서 각 주파수의 피크값이 검출되며, ADC(162)에서는 피크 디텍터(160)에서 검출된 피크값에 대응되는 값을 디지털 값으로 변환시켜 BI 신호의 센싱 정보로 출력시킨다. 이때, 위와 같은 ADC(162)는 에러 정정 능력을 가지는 AS-SAR ADC로 구성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 RC 제어 오실레이터(152)에서 저항과 캐패시턴스를 변화시키는 것을 통해 복수의 국부 발진 주파수를 생성할 수 있고, 이러한 주파수를 이용하여 BI 신호를 센싱함으로써 RC 제어 오실레이터(152)의 활용도를 높여 전체적으로 센서 시스템의 효율적인 구조 구현이 가능하도록 한다.

또한, BI 신호의 정확한 센싱을 위해서는 사람의 신체에 접촉하는 전극이 필요한데, 도 2의 하단에 도시된 재구성된 TSP(190)의 구성에서 보여지는 바와 같이 BI 신호 측정 모드에서는 TSP(190)의 TX 선로와 RX 선로가 각각 모두 연결되도록 TSP(190)가 재구성되도록 함으로써, 상호 캐패시터(mutual capacitor) 방식의 TSP(190)가 BI 신호 센싱을 위한 센서로 동작할 수 있도록 하는 것이다. 이때, 이러한 TSP(190)의 재구성은 TSP(190)가 채용되는 디바이스(device)의 제어장치(MCU : Micro Controller Unit)에 의해 수행되도록 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엠프 기반 리드아웃회로(170)의 상세 회로 구성을 도시한 것으로, 제1 먹스(MUX)(172), 제2 먹스(180), 정전기적 증폭기(capacitive amplifier)(174), 저역 통과 필터(low pas filter : LPF)(176), 대역 리젝트 필터(band reject filter : BRF)(178), ADC(162) 등을 포함할 수 있다.

이하, 도 1 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 엠프 기반 리드아웃회로(170)의 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.

제1 먹스(172)는 ECG 센싱 모드인 경우 소정 제어신호에 따라 제어되어 터치 이벤트 발생에 따라 TSP(190)의 TX 선로와 RX 선로로부터 입력되는 복수의 정전기전 신호를 조합하여 2개의 ECG 신호로 출력한다.

이때, ECG 센싱 모드에서는 도 3에 도시된 ECG 신호의 센싱을 위해 재구성된 TSP(100)(190)에서 보여지는 바와 같이 TSP(190)의 복수의 TX와 RX 선로를 각각 반으로 나누어 연결하여 TSP(190)가 두 개의 전극으로 재구성되도록 함으로써, TSP(190)상 두 개의 전극이 생기게 되어 ECG 신호 센싱을 위한 전극으로 사용 가능하게 된다. 이러한 TSP(190)의 재구성은 TSP(190)가 채용되는 디바이스의 제어장치(MCU : Micro Controller Unit)에 의해 수행되도록 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

정전기적 증폭기(174)는 제1먹스(172)로부터 출력되는 두 개의 ECG 신호를 입력받아 각각의 ECG 신호에 포함된 정전기적 성분을 소정의 크기로 증폭시켜 ECG 신호를 증폭시킨다. 이때, 정전기적 증폭기(174)는 rail-to-rail 동작을 지원하고 완전한 차동성(fully differential)을 지원하여 잡음에 강하도록 설계되는 것이 바람직하다.

저역 통과 필터(176)는 고정확도의 터치 센싱을 위해 정전기적 증폭기로부터 소정 크기로 증폭된 ECG 신호에 대해 저주파 성분 신호만을 통과시켜 다양한 환경적인 잡음을 제거한다. 이때, ECG 신호가 300Hz의 주파수 대역에 분포하는 것을 고려하여 저역 통과 필터는 300Hz 보다 높은 고주파 신호를 제거하도록 설계되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 저역 통과 필터(176)는 필터링(filtering) 주파수의 조절이 가능한 구조로 설계하여 ECG 신호 뿐만 아니라 단순 터치 신호에 대해서도 처리 가능하도록 할 수 있다.

밴드 리젝트 필터(178)는 저역 통과 필터(176)를 통해 고주파 성분이 제거된 ECG 신호에 대해 특정 주파수 대역의 신호 성분을 제거한다. 이때, 밴드 리젝트 필터(178)는 전원 공급 잡음에 대응되는 주파수 대역의 신호 성분을 제거하도록 설계되는 것이 바람직하며, 이러한 주파수 대역은 예를 들어 50-60Hz가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

저역 통과 필터(176)와 밴드 리젝트 필터(178)를 통해 잡음이 제거된 ECG 신호는 버퍼(179)와 제2먹스(180)를 통해 ADC(162)로 제공된 후, ECG 신호에 대응되는 디지털 값으로 변환되어 ECG 신호의 센싱 정보로 출력된다. 이때, 위와 같은 ADC(162)는 에러 정정 능력을 가지는 AS-SAR ADC로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 위와 같은 디지털 변환은 12비트 AS-SAR ADC에 의해 수행될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

위와 같은 구성 요소를 가지는 엠프 기반 리드아웃회로(170)에서는 정전기적 증폭기(172)와 저역 통과 필터(176), 밴드 리젝트 필터(178) 등을 이용하여 터치 신호 센싱과 ECG 신호 센싱을 모두 수행할 수 있도록 함으로써 전체적인 전력 소모 및 회로가 차지하는 면적을 줄일 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 AS-SAR ADC의 스펙트럼 분석 결과를 예시한 것이다.

위 도 4를 참조하면, 잡음이 증가하는 환경에서 싱글 엔디드(single ended) 입력 신호가 차동 입력 신호와 비교하여 ENOB(effective number of bits)이 상대적으로 적어지는 것을 알 수 있다.

이는 통상적인 싱글 엔디드 입력 구조는 커먼 모드 잡음(common mode noise)에 약한 반면, 차동 입력(differential input) 구조는 커먼 모드 잡음에 강하기 때문이다. 따라서, 본 발명에서는 싱글 엔디드 센서 인터페이스에 차동 입력 신호를 생성하는 AS(Alternate sampling) 기술을 적용한다.

위와 같이 AS를 적용하면 신호에 대한 에러 정정(error correction)이 가능하기 때문에 12 비트 AS-SAR ADC를 사용하는 경우 TSP를 이용한 터치 신호 센싱, ECG 신호 센싱, BI 신호 센싱 시 보다 정확한 센싱이 가능하게 된다.

도 5는 AS와 에러 정정을 적용하지 않은 경우 센싱 신호에 대한 FFT(Fast Fourier Transform) 스펙트럼(spectrum)을 도시한 것이고, 도 6DMS 본 발명의 실시예에 따라 AS와 에러 정정을 적용한 경우 센싱 신호에 대한 FFT의 스펙트럼을 도시한 것이다.

도 5와 도 6을 참조하면, AS와 에러 정정을 적용한 경우 측정된 SNDR(signal to noise and distortion ratio)이 45.2dB에서 71.17dB로 개선된 것을 알 수 있으며, ENOB도 7.25비트에서 11.53비트로 개선된 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 센싱 리드아웃회로의 성능을 요약한 테이블을 도시한 것이다.

위 도 7을 참조하면, 대부분 종래 기술에서는 하나 또는 두 개의 센싱 기능만 제공하는 것에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 멀티 센싱 리드아웃회로(100)에서는 터치 신호와 ECG 신호, BI 신호 등 생체 신호에 대한 센싱 기능도 제공하며, 환경 센서로서의 동작을 위한 넓은 범위의 캐패시턴스와 저항을 처리하는 것도 가능한 것을 알 수 있다.

또한, 추가의 센서 장치를 구비하지 않고 TSP 인터페이스를 이용하여 터치 이벤트와 ECG, BI 신호를 센싱할 수 있도록 구현함으로써 전력 소모를 줄일 수 있으며, 리드아웃 회로가 차지하는 물리적인 면적도 줄일 수 있는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 멀티 센서 시스템에 있어서, TSP로부터 터치를 기반으로 입력되는 다양한 신호 또는 환경 센서로부터 입력되는 다양한 환경 센서 신호를 해당 신호에 대응되는 센싱 정보로 생성할 수 있는 리드아웃 회로를 통합하여 구현하고, 다양한 신호가 입력되는 경우 신호의 특성에 대응되는 리드아웃 회로를 통해 해당 신호가 처리되도록 하여 하나의 TSP를 이용하여 별도의 추가적인 장치 없이 터치 신호를 포함하여 생체 신호 및 환경센서 신호도 센싱할 수 있도록 한다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.

150 : 오실레이터 기반 리드아웃회로 152 : RC 제어 오실레이터
154 : 주파수 디지털 변환기 156 : 증폭기
158 : 버퍼 160 : 피크 디텍터
162 : ADC 170 : 엠프 기반 리드아웃회로
174 : 정전기적 증폭기 176 : LPF
178 : BRF

Claims

TSP(touch screen panel)에 마련된 복수의 가로 전극 및 복수의 세로 전극에 의해 감지되는 신호를 처리하는 멀티 센싱 리드아웃회로에 있어서,
저항 또는 캐패시턴스의 변화를 센싱할 수 있는 환경 센싱 모드와, 상기 TSP가 상기 복수의 가로 전극의 각각이 모두 연결되고 상기 복수의 세로 전극의 각각이 모두 연결되는 BI 전극 구성을 갖도록 하여 상기 감지된 신호를 기초로 BI(body impedance)를 센싱할 수 있는 BI 센싱 모드로 동작 가능한 오실레이터 기반 리드아웃회로를 포함하고,
상기 오실레이터 기반 리드아웃회로는 유저의 선택에 의해 상기 환경 센싱 모드 및 상기 BI 신셍 모드 중 어느 하나로 동작하는
멀티 센싱 리드아웃회로.
제 1 항에 있어서,
상기 멀티 센싱 리드아웃회로는,
상기 TSP가 상기 기본 전극 구성을 갖도록 하여 상기 신호를 기초로 터치 이벤트(touch event)를 센싱할 수 있는 터치 이벤트 센싱 모드와, 상기 TSP가 상기 복수의 가로 전극 중 일부의 가로 전극끼리 연결되고 그 외 나머지 가로 전극끼리 연결되며 상기 복수의 세로 전극 중 일부의 세로 전극끼리 연결되고 그 외 나머지 세로 전극끼리 연결되는 ECG 전극 구성을 갖도록 하여, 상기 감지된 신호를 기초로 ECG(Electrocardiography)를 센싱할 수 있는 ECG 센싱 모드로 동작 가능한 엠프 기반 리드아웃 회로를 더 포함하되,
상기 유저의 선택에 의해 상기 오실레이터 기반 리드아웃 회로와 상기 엠프 기반 리드아웃 회로 중 하나만이 동작하고, 센싱 모드가 결정되는
멀티 센싱 리드아웃회로.
제 2 항에 있어서,
상기 일부의 가로 전극은 상기 나머지 가로 전극과 소정의 가로선을 기준으로 서로 다른 방향에 위치하고, 상기 일부의 세로 전극은 상기 나머지 세로 전극과 소정의 세로선을 기준으로 서로 다른 방향에 위치하는
멀티 센싱 리드아웃회로.
제 1 항에 있어서,
상기 오실레이터 기반 리드아웃회로는,
상기 저항 또는 캐패시턴스의 변화에 따라 서로 다른 파장의 복수의 국부 발진 주파수를 발생시키는 RC 제어 오실레이터와,
상기 RC 제어 오실레이터로부터 출력되는 상기 복수의 국부 발진 주파수를 입력받아 증폭하는 증폭기와,
상기 BI 센싱 모드에서 상기 TSP를 통해 발생된 상기 BI 신호가 상기 복수의 국부 발진 주파수에 실려되어 입력되는 경우 상기 BI 신호를 일정 시간동안 버퍼링하는 버퍼와,
상기 BI 신호가 실린 상기 복수의 국부 발진 주파수의 피크값을 검출하는 피크 디텍터와,
상기 피크 디텍터에서 검출된 상기 피크값에 대해 대응되는 디지털 값으로 변환시켜 상기 BI 신호의 센싱 정보로 출력시키는 아날로그 디지털 변환기
를 포함하는 멀티 센싱 리드아웃회로.
제 1 항에 있어서,
상기 오실레이터 기반 리드아웃회로는,
상기 저항 또는 캐패시턴스에 대응되는 특정 파장의 제1 국부 발진 주파수를 발생시키고, 상기 저항 또는 캐패시턴스의 변화에 따른 센싱 캐패시터에서의 충방전 시간을 검출하여 상기 충방전 시간에 대응되게 주파수 파장이 변환된 제2 국부 발진 주파수를 출력하는 RC 제어 오실레이터와,
상기 환경 센싱 모드에서, 상기 제2 국부 발진 주파수를 고정 주파수의 외부 클럭에 의해 카운팅하여 디지털 값으로 변환시켜 상기 환경 센서 신호의 센싱 정보로 출력시키는 주파수 디지털 변환기
를 포함하는 멀티 센싱 리드아웃회로.
제 2 항에 있어서,
상기 엠프 기반 리드아웃 회로는,
상기 ECG 센싱모드에서 상기 TSP를 통해 입력되는 상기 ECG 신호를 소정 크기로 증폭하는 정전기적 증폭기와,
상기 ECG 신호에 포함된 고주파 성분을 제거하는 저역 통과 필터와,
상기 고주파 성분이 제거된 상기 ECG 신호상 포함된 특정 대역 주파수를 제거하는 대역 리젝트 필터와,
상기 특정 대역 주파수가 제거된 ECG 신호를 대응되는 디지털 값으로 변환하는 상기 ECG 신호의 센싱 정보로 출력시키는 아날로그 디지털 변환기
를 포함하는 멀티 센싱 리드아웃회로.
제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 아날로그 디지털 변환기는,
에러 정정 능력을 가지는 AS-SAR ADC인 멀티 센싱 리드아웃회로.
TSP(touch screen panel)에 마련된 복수의 가로 전극 및 복수의 세로 전극에 의해 감지되는 신호를 처리하는 멀티 센싱 리드아웃회로에 있어서,
상기 TSP가 상기 복수의 가로 전극의 각각이 모두 분리되고 상기 복수의 세로 전극의 각각이 모두 분리된 형태의 기본 전극 구성을 갖도록 하여 상기 신호를 기초로 터치 이벤트(touch event)를 센싱할 수 있는 터치 이벤트 센싱 모드와, 상기 TSP가 상기 복수의 가로 전극 중 일부의 가로 전극끼리 연결되고 그 외 나머지 가로 전극끼리 연결되며 상기 복수의 세로 전극 중 일부의 세로 전극끼리 연결되고 그 외 나머지 세로 전극끼리 연결되는 ECG 전극 구성을 갖도록 하여, 상기 감지된 신호를 기초로 ECG(Electrocardiography)를 센싱하는 ECG 센싱모드로 동작할 수 있는 앰프 기반 리드아웃 회로를 포함하고,
상기 앰프 기반 리드아웃 회로는 유저의 선택에 의해 상기 터치 이벤트 센싱 모드 및 상기 ECG 센싱 모드 중 어느 하나로 동작하는
멀티 센싱 리드아웃회로.
제 8 항에 있어서,
상기 일부의 가로 전극은 상기 나머지 가로 전극과 소정의 가로선을 기준으로 서로 다른 방향에 위치하고, 상기 일부의 세로 전극은 상기 나머지 세로 전극과 소정의 세로선을 기준으로 서로 다른 방향에 위치하는
멀티 센싱 리드아웃회로.
제 1 항에 있어서,
상기 환경 센서는,
주변의 온도, 연기, 습기 또는 공기 오염도 중 어느 하나를 측정하는 센서이며, 상기 온도, 연기, 습기 또는 공기 오염도에 대해 측정한 정보를 상기 저항 또는 캐패시턴스로 출력하는 멀티 센싱 리드아웃회로.