KR20190099172A - 용량 결합 기반 센서 - Google Patents

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요제프 프로니브스키
제이 리
쳉-하오 첸
인-장 우
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사이레고 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

용량 결합 기반 센서가 공개된다. 몇몇 실시예들에서, 센서는 송신기에 의해 송신되는 송신 신호와 수신기에 의해 수신되는 수신 신호가 일치하는지 판정하도록 구성된 회로 및 커플링 조건이 만족될 때 용량 결합되게 구성되는 수신기와 송신기를 포함한다.

Description

용량 결합 기반 센서{Capacitive coupling based sensor}
본 발명은 용량 결합 기반 센서에 관한 것이다.
위치 검출 스위치들은 많은 응용예들을 갖는다. 예를 들어, 랩탑 또는 노트북 컴퓨터는 전형적으로 그 장치의 디스플레이를 전형적으로 포함하는, 장치의 뚜껑이 닫힐 때 잠자기 상태를 작동시키는 뚜껑(lid) 스위치를 전형적으로 포함한다. 도 1은 전형적인 조개껍질형(clamshell) 기계적 구성의 노트북 컴퓨터의 일 실시예를 예시한다. 예시된 바와 같이, 노트북 컴퓨터(100)는 디스플레이 평면(102)과 키보드/제어 전자장치 평면(104)을 포함한다. 평면(102, 104)들은 힌지(hinge)로 연결되어 있어, 노트북 컴퓨터가 사용되지 않을 때 디스플레이 평면(102)이 키보드 평면(104) 상에 내려가 닫힐 수 있게 한다. 노트북 컴퓨터(100)의 열린 또는 닫힌 상태는 전형적으로 평면(102, 104)들과 관련한 스위치의 상태에 의해 전형적으로 나타난다. 스위치의 상태는 서로에 대한 평면(102, 104)들의 위치들에 근거하여 변한다.
기존의 뚜껑 스위치들은 대부분 일반적으로 홀 효과(Hall Effect) 스위치들을 포함한다. 홀 효과 스위치들은 반대쪽 평면 상에 위치되는 센서와 평면(102) 또는 평면(104) 중 어느 하나 상에 배치되는 자석을 필요로 한다. 자석은 3차원 체적을 포함하고 특히 평면(102)에 배치될 때, 바람직하지 않은 형상 계수(form factor)를 포함할 수 있는데, 왜냐하면 디스플레이의 최대 달성가능한 활성 영역에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 그러나, 자석이 평면(104) 상에 대신에 배치되고 센서가 평면(102) 상에 배치되면 보다 어려운 경로배치(routing)가 발생될 수 있는데 왜냐하면 이러한 경우들에 평면(102) 상의 센서로부터의 신호가 조개껍질형 힌지를 통해 평면(104) 상의 전자장치로 거쳐갈 필요가 있기 때문이다. 또한, 홀 효과 스위치의 자석은 바람직하지 않은 자기장을 생성할 수 있다. 자기장은 나침반을 필요로 하는 것들과 같은, 노트북 컴퓨터(100)에 관련한 특정 기능들에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 또한, 자석들은 비교적 고가의 구성요소들이고 제조 중에 특수한 처리 및 취급을 필요로 한다. 다른 일반적으로 사용되는 스위치들에는 기계적 변위 스위치들과 광학 빔 차단 스위치들이 포함된다. 이러한 스위치들은 홀 효과 스위치들과 유사한 형상 계수, 경로, 및 제조 문제점들을 보일 수 있고, 외부 물체 오염에 의해 영항을 받을 수 있다.
용량 결합 기반 센서가 공개된다. 몇몇 실시예들에서, 센서는 송신기에 의해 송신되는 송신 신호와 수신기에 의해 수신되는 수신 신호가 일치하는지 판정하도록 구성된 회로 및 커플링 조건이 만족될 때 용량 결합되게 구성되는 수신기와 송신기를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예들은 하기의 상세한 설명과 첨부한 도면들에서 공개되어 있다.
도 1은 노트북 컴퓨터의 일반적인 조개껍질형 기계적 구성의 일 실시예의 예시도.
도 2a는 용량 결합에 의존하는 집적회로 기반의 센서의 일 실시예의 고-레벨 블록도.
도 2b는 상태를 나타내는 출력 신호를 생성하는 과정의 일 실시예의 예시도.
도 3a는 두 구성요소들이 상이한 평면들 상에 놓인 센서 구성의 송신기와 수신기 부분들의 일 실시예의 예시도.
도 3b는 도 3a의 센서 구성의 응용예의 일 실시예의 예시도.
도 4a는 커플러를 사용하는 센서 구성의 일 실시예의 예시도.
도 4b는 도 4a의 센서 구성의 응용예의 일 실시예의 예시도.
도 4c는 도 4a의 센서 구성의 응용예의 일 실시예의 예시도.
도 5a는 송신기들과 수신기들이 별개의 평면들 상에 배치된 차동 구성의 일 실시예의 예시도.
도 5b-도 5c는 송신기들과 수신기들이 동일한 평면에 배치되고 수동 커플러들을 통해 결합되는 차동 구성의 실시예들의 예시도들.
도 6a-도 6b는 공개된 센서 디자인의 집적 회로의 주요 구성요소들을 도시하는 2개의 상이한 센서 실시예들의 회로도들.
도 6c는 패턴 비교기의 일 실시예를 포함하는 주요 구성요소들의 회로도.
본 발명은 공정; 장치; 시스템; 물질의 조성; 컴퓨터 판독가능한 저장 매체에 구현된 컴퓨터 프로그램 제품; 및/또는 프로세서에 커플링된 메모리에 의해 제공되는 및/또는 상기 메모리에 저장된 명령들을 실시하도록 구성된 프로세서와 같은, 프로세서를 포함하는, 여러 방식으로 실시될 수 있다. 본 명세서에서, 이러한 실시들, 또는 본 발명이 취할 수 있는 임의의 다른 형태가 기술들로서 불릴 수 있다. 일반적으로, 공개된 공정들의 단계들의 순서는 본 발명의 범위 내에서 바뀔 수 있다. 달리 진술하지 않으면, 작업을 수행하게 구성되는 것으로 설명되는 프로세서 또는 메모리와 같은 구성요소는 작업을 수행하게 제조된 특정 구성요소 또는 주어진 시간에서 그 작업을 수행하게 일시적으로 구성되는 일반적인 구성요소로서 실시될 수 있다. 본원에서 사용될 때, 용어 '프로세서'는 컴퓨터 프로그램 명령들과 같은, 데이터를 처리하게 구성되는 하나 이상의 장치, 회로, 및/또는 처리용 코어(core)를 의미한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세한 설명이 본 발명의 원리들을 예시하는 첨부한 도면들과 함께 하기에 제공된다. 본 발명은 이러한 실시예들에 관련하여 설명되지만, 본 발명은 어떠한 실시예에도 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 한정되고, 본 발명은 다수의 변형예, 수정예, 및 등가물들을 포괄한다. 다수의 특정한 세부사항들이 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 하기의 설명에 제시된다. 이러한 세부사항들은 예시를 위해 제공되어 있고, 본 발명은 이러한 특정 세부사항들의 일부 또는 전부없이 청구범위에 따라 실시될 수 있다. 명확성을 위해, 본 발명에 관련한 기술분야에 공지된 기술 자료는 본 발명이 불필요하게 모호해지지 않도록 상세히 설명되지 않았다.
용량 결합을 사용하는 집적 회로 기반의 센서의 다양한 구성들이 공개되어 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 센서는 스위치로서 사용될 수 있다. 공개된 기술들은 예를 들어, 다수의 상태들(예를 들어, 참/거짓 상태들, 개/폐 상태들, 온/오프 상태들, 터치 또는 근접(close proximity) 상태들 등) 사이에서 구별되고 적절한 응답을 돕도록 사용될 수 있는 검출된 상태에 기반한 출력 신호를 생성하도록, 사용될 수 있다. 공개된 센서 디자인은 광범위한 산업용 응용예들에 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 센서는 위치 검출 스위치로서 사용될 수 있다. 이러한 스위치들의 응용예들에는 도 1의 노트북 컴퓨터(100)와 같은 랩탑 컴퓨터들, 휴대전화, PDA, 및 다른 전자 장치의 뚜껑 스위치들; 프린터 래치(latch) 및/또는 트레이 상태들을 검출하는 스위치들; 데이터 저장 시스템의 하드 드라이브들을 위한 것과 같은 시스템들을 위한 침입 검출 스위치들 등이 포함되지만 이에 한정되지 않는다. 몇몇 실시예들에서, 센서는 터치 또는 근접 검출 센서로서 사용될 수 있다. 이러한 센서들의 응용예들에는 기계적 버튼 또는 스위치들을 대체하는 터치 센서들; 터치 스크린 또는 트랙 패드들을 위한 터치 센서들; 예를 들어, 태블릿 컴퓨터, 휴대 전화, PDA, 또는 다른 전자장치들과 같은 시스템들을 잠자기 상태로부터 깨우는, 근접 또는 존재 검출 센서들 등이 포함되지만 이에 한정되지 않는다. 본원에 설명되는 용량 결합 기반의 센서 디자인은 저비용, 저전력 소모, 및 작은 형상 계수를 포함하는 많은 장점들을 제공한다. 비록 센서 구성들과 응용예들의 몇몇 예들이 본원에 제공되지만, 공개되는 기술은 임의의 다른 적절한 구성들 및 응용예들에 대해 유사하게 사용될 수 있다.
도 2a는 용량 결합에 의존하는 집적회로 기반의 센서의 일 실시예의 고-레벨 블록도를 예시한다. 예시된 바와 같이, 센서(200)는 집적회로(202), 송신기(204), 및 수신기(206)를 포함한다. 집적회로(202)는 송신기 안테나(204)에 의해 송신되는 신호(208)를 생성한다. 또한, 수신기 안테나(206)에 의해 수신되는 신호(210)는 집적회로(202)에 입력된다. 집적회로(202)는 상태를 판정하기 위해 송신 신호(208)와 수신 신호(210)를 비교한다. 예를 들어, 집적회로(202)는 수신 신호(210)가 송신 신호(208)와 일치하면 제 1 상태를 검출하고 수신 신호(210)가 송신 신호(208)와 일치하지 않으면 제 2 상태를 검출한다. 이러한 경우들에, 예를 들어, 제 1 상태는 송신기(204)에 의해 송신되는 신호가 수신기(206)에서 임계량의 에러 내 및/또는 적절한 출력 또는 강도로 수신되도록 송신기(204)와 수신기(206)가 충분히 용량 결합되면 집적회로(202)에 의해 검출되고, 제 2 상태는 송신기(204)에 의해 송신되는 신호가 수신되지 않거나 수신기(206)에서 임계량의 에러 내 및/또는 적절한 출력 또는 강도로 수신되지 않으면 집적회로(202)에 의해 검출된다. 송신기(204)와 수신기(206) 간의 결합의 변화들은 둘 이상의 상태들 사이에서 구별되도록 의존된다. 집적회로(202)는 송신 패턴(208)에 대해 수신 신호(210)를 능동적으로 스캔하고 검출된 상태에 기반하여 (도 2a에 도시되지 않은) 출력 신호를 생성한다. 몇몇 실시예들에서, 출력 신호는 2진 참/거짓 또는 1/0 신호를 포함한다. 출력 신호는 적절한 응답 또는 이벤트가 가능하도록 시스템 관리 또는 다른 회로에 의해 사용될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 센서(200)의 구성요소들은 임의의 적절한 기계적 구성들로 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 센서(200)의 구성요소들은 하나 이상의 방향에서 서로에 대해 이동될 수 있는 다수의 평면에 걸쳐 분포되어 있고, 이러한 상대 운동은 송신기(204)와 수신기(206) 간의 용량 결합의 변화를 일으킨다. 다른 실시예에서, 센서(200)의 능동 구성요소들(즉, 집적 회로(202), 송신기(204), 및 수신기(206))은 거의 같은 평면 상에 위치할 수 있고, 능동 구성요소에 대해 이동하는 (도 2a에 도시되지 않은) 수동 구성요소는 그 위치에 기반하여 송신기(204)와 수신기(206) 간의 용량 결합(존재하면)의 정도를 변화시킨다. 이러한 및 다른 실시예들이 하기에 보다 상세히 설명된다.
도 2b는 일정 상태를 나타내는 출력 신호를 생성하는 과정의 일 실시예를 예시한다. 몇몇 실시예들에서, 과정(220)은 도 2a의 센서(200)의 집적회로(202)에 의해 사용된다. 과정(220)은 신호가 생성되고 송신기에 제공되는 222에서 출발한다. 몇몇 실시예들에서 생성된 신호는 독특한 패턴화된 신호를 포함한다. 몇몇 경우들에서, 생성된 신호는 고정된 또는 구성가능한 개수의 비트(bit)를 포함하는 독특한 비트 스트림(stream)을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 생성된 신호는 직렬 8-비트 스트림을 포함한다. 신호의 패턴은 자동적으로 선택되거나 사용자 구성가능할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 신호는 와이파이, 블루투스, 무선 통신(wireless radio) 등과 같은 다른 응용예들과 실질적으로 간섭하지 않는 저 주파수(예를 들어, 41kHz) 및/또는 저 출력 신호를 포함한다. 224에서, 신호가 수신기로부터 수신된다. 226에서, 송신 신호 및 수신 신호는 두 신호들이 일치하는지를 판정하도록 비교된다. 임의의 적절한 일치(matching) 알고리즘 및 일치 기준 및/또는 임계값이 송신 신호 및 수신 신호가 일치하는지 여부를 판정하도록 226에서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 226은 수신 신호의 출력 또는 강도(예를 들어, 전압)가 임계값을 만족하는지 여부를 판정하는 것을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 226에서 송신 신호 및 수신 신호가 일치하는지 여부를 판정하는 것은 송신 신호 및 수신 신호 사이의 에러를 판정하는 것을 포함한다. 이러한 경우들에, 예를 들어, 송신 신호 및 수신 신호 사이의 에러의 임계량보다 많지 않음이 검출되면 일치 조건이 만족될 수 있다. 몇몇 실시예들에서 송신 신호 및 수신 신호가 226에서 일치하는지 여부를 판정하는 것은 적어도 사전에 설정한 개수의 샘플에 대해 연속적으로 및/또는 평균적으로 두 신호들이 일치하는지 여부를 판정하는 것을 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 송신 패턴의 8000개의 샘플이 일치 조건을 만족하기 위해 수신 신호에서 연속적으로 또는 거의 연속적으로(예를 들어, 평균적으로) 검출될 필요가 있다. 송신 신호 및 수신 신호가 일치하는 것이 226에서 검출되면, 센서의 제 1 상태를 나타내는 출력 신호가 228에서 생성된다. 송신 신호 및 수신 신호가 일치하는데 실패함이 226에서 검출되면, 센서의 제 2 상태를 나타내는 출력 신호가 230에서 생성된다. 228 및 230에서 생성된 출력 신호는 예를 들어, 센서가 관련한 시스템에 의해 사용되는 이벤트 또는 행위를 작동시키도록 사용될 수 있다.
도 3a는 두 구성요소들이 상이한 평면들 상에 배치되는 센서 구성의 송신기 및 수신기 부분들의 일 실시예를 예시한다. 비록 도 3a에 예시되지 않았지만, 센서의 집적회로가 도 2a에 예시된 바와 같이 송신기(302)와 수신기(304) 모두에 연결되어 있고 상이한 평면 상에 또는 송신기(302) 또는 수신기(304) 중 어느 하나와 같은 평면 상에 배치될 수 있다. 주어진 예에서, 송신기(302)와 수신기(304) 간의 결합(존재한다면)은 구성요소들 간의 하나 이상의 방향에서의 운동에 반응하여 변한다. 예를 들어, 상이한 실시예들에서, 송신기(302)와 수신기(304)는 x, y, z 방향들 중 하나 이상에서 서로에 대해 이동될 수 있다. 임의의 주어진 시간에서 송신기(302)와 수신기(304)의 상대 위치에 기반하여, 수신기(304)는 용량 결합을 통해 송신기(302)에 의해 송신되는 신호를 적절하게 잡아내거나(pick up) 잡아내지 않는다. 송신기(302)와 수신기(304) 간의 정전용량이 증가할 때, 예를 들어, 송신기(302)와 수신기(304) 간의 거리가 감소하거나 및/또는 이들이 보다 정렬될 때(예를 들어, 이들의 표면 영역이 보다 정렬될 때) 보다 강한 신호가 수신기(304)에 의해 수신된다. 몇몇 실시예들에서, 송신기(302)와 수신기(304)는 예를 들어, 두 구성요소들 간의 보다 나은 용량 결합이 가능하도록, 같거나 및/또는 유사한 형상 및/또는 기하학적 형상들을 갖는다. 상술한 바와 같이, 관련한 집적회로는 적절한 출력 신호를 생성하도록 송신 신호 및 수신 신호를 비교한다.
도 3b는 도 3a의 센서 구성의 응용예의 일 실시예를 예시한다. 예시된 바와 같이, 도 3b의 센서는 노트북 컴퓨터의 뚜껑 스위치로서 사용된다. 주어진 예에서, 송신기(302)는 디스플레이 면 상에 배치되고 수신기(304) 및 관련한 집적회로(306)는 노트북 컴퓨터의 키보드 평면 상에 배치된다. 집적회로(306)는 송신기(302)와 수신기(304) 모두에 연결되고, 송신기(302)에 대한 연결은 키보드 평면, 힌지, 및 노트북 컴퓨터의 디스플레이 평면을 통해 지나간다. 이 예에서, 송신기(302)와 수신기(304) 간의 용량 결합(존재한다면)의 정도는 노트북 컴퓨터의 키보드 평면과 디스플레이 평면 간의 각도에 의존한다. 일치 상태는 콘덴서(capacitor) 판의 수신기 측면과 콘덴서 판의 송신기 측면이 회로가 완성되도록, 즉 수신기(304)가 송신 신호를 적절히 수신하도록 충분히 근접하도록 근접하거나 밀접할 때 집적회로(306)에 의해 검출된다. 역으로, 이러한 경우들에서 송신기(302)와 수신기(304) 간의 용량 결합(존재하면)이 회로를 완성하기에, 즉, 수신기(304)가 송신 신호를 적절히 수신하기에 너무 약하므로, 노트북 조개껍질형 평면들이 열려 있을 때 불일치 상태가 집적회로(306)에 의해 검출된다. 이 예에서, 일치 상태는 노트북 컴퓨터가 대기 또는 잠자기 모드에 들어가도록 사용될 수 있고 불일치 상태는 노트북 컴퓨터가 깨어나도록 사용될 수 있다.
도 4a는 수동 커플러를 사용하는 센서 구성의 일 실시예를 예시한다. 이 예에서, 센서의 능동 구성요소들(송신기(402), 집적회로(404), 수신기(406))이 동일한 평면 상에 배치되므로 서로에 대해 고정되어 있다. 그러나, 이 실시예에서, 센서는 수동 구성요소-커플러(408)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 커플러(408)는 금속 편(strip) 또는 판과 같은 전도성 재료를 포함한다. 능동 구성요소들(402-406)과 커플러(408) 간에 물리적 연결 또는 접촉이 없고, 커플러(408)는 능동 구성요소들(402-406)과는 상이한 평면에 배치된다. 커플러와 능동 구성요소들 평면들 간의 운동은 송신기(402)와 수신기(406) 간의 결합 상태를 변화시킨다. 다양한 실시예들에서, 평면들은 x, y, z 방향들 중 하나 이상에서 서로에 대해 이동될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 송신기(402)와 수신기(406) 간의 결합을 돕도록[예를 들어, 송신기(402)와 수신기(406)를 정합시키도록] 커플러(408)의 형상 및/또는 기하학적 형상이 선택된다. 커플러(408)는 예를 들어, 송신기(402) 및 수신기(406)와 적절히 정렬되거나 및/또는 밀접할 때, 송신기(402)와 수신기(406) 간의 용량 결합을 돕는다. 커플러(408)가 송신기(402)와 수신기(406)를 연결하고 이 둘 사이의 회로를 용량 결합을 통해 닫는지 여부에 따라, 수신기(406)는 송신기(402)에 의해 송신되는 신호를 적절히 잡아내거나 잡아내지 않는다. 커플러(408)와 송신기(402) 및 수신기(406) 간의 정전용량이 증가할 때, 예를 들어, 커플러(408)와 능동 구성요소들 평면 간의 거리가 감소될 때 및/또는 커플러(408)가 송신기(402) 및 수신기(406)와 보다 정렬될 때 보다 강한 신호가 수신기(406)에 의해 수신된다. 상술한 바와 같이, 집적회로(404)는 적절한 출력 신호를 생성하도록 송신 신호 및 수신 신호를 비교한다.
도 4b는 도 4a의 센서 구성의 응용예의 일 실시예를 예시한다. 예시된 바와 같이, 도 4b의 센서는 노트북 컴퓨터의 뚜껑 스위치로서 사용된다. 주어진 예에서, 능동 구성요소(402-406)들은 키보드 평면 상에 배치되고 커플러(408)는 노트북 컴퓨터의 디스플레이 평면 상에 배치된다. 집적회로(404)는 송신기(402)와 수신기(406) 모두에 연결된다. 그러나, 커플러(408)는 센서의 유동(floating) 구성요소를 포함하는데 왜냐하면 능동 구성요소들(402-406) 중 어떤 것과도 물리적으로 연결되거나 및/또는 물리적으로 접촉하지 않기 때문이다. 이 예에서, 송신기(402)와 수신기(406) 간의 용량 결합의 정도(존재한다면)는 노트북 컴퓨터의 키보드 평면과 디스플레이 평면 간의 각도, 즉, 송신기(402)와 수신기(406)에 대한 커플러(408)의 근접 및/또는 정렬에 의존한다. 커플러(408)가 회로가 완성되도록, 즉 수신기(406)가 송신 신호를 적절히 수신하도록 충분히 근접하고 정렬되도록 노트북 조개껍질형 평면들이 닫히거나 거의 닫힐 때 일치 상태가 집적회로(404)에 의해 검출된다. 역으로, 이러한 경우들에서 커플러(408)가 송신기(402)와 수신기(406)를 용량 결합하고 회로를 완성하기에, 즉 수신기(406)가 송신 신호를 적절히 수신하기에 너무 멀리 떨어져 있기 때문에 노트북 조개껍질형 평면들이 열려 있을 때 불일치 상태가 집적회로(404)에 의해 검출된다. 이 예에서, 일치 상태는 노트북 컴퓨터가 대기 또는 잠자기 모드에 들어가도록 사용될 수 있고 불일치 상태는 노트북 컴퓨터가 깨어나도록 사용될 수 있다. 도 4c는 스마트폰의 슬라이딩되어 나오는 키보드의 개폐 상태를 검출하는데 사용되는 도 4a의 센서 구성의 다른 응용예의 일 실시예를 예시한다.
도 3a와 도 4a의 센서 실시예들은 단일-출력(single-ended) 구성들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 차동 구성이 바람직할 수 있다. 차동 구성은 예를 들어, 개선된 범위 및/또는 보안을 제공할 수 있다. 예를 들어, 차동 구성은 그렇지 않으면 틀린 결과를 유도할 수 있는 외부 환경과의 간섭 및/또는 노이즈에 대한 센서 민감도를 감소시킬 수 있다. 도 5a는 송신기들과 수신기들이 별개의 평면들 상에 배치되는 차동 구성의 일 실시예를 예시한다. 도 5a의 차동 구성이 도 3a의 단일-출력 구성과 유사하다. 도 5b와 도 5c는 송신기들과 수신기들이 동일한 평면 상에 배치되고 수동 커플러들을 통해 결합되는 차동 구성들의 실시예들을 예시한다. 도 5b-도 5c의 차동 구성들은 도 4a의 단일-출력 구성과 유사하다. 도 5b-도 5c의 교차된 또는 키 구성(keyed configuration) 실시예들의 커플러들 중 하나 또는 두 개가 와이어에 의해 전기적으로 함께 연결된 여러 부분들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 도 5a-도 5c의 Tx#와 Rx# 신호들은 각각 Tx와 Rx 신호들의 역전된 버전들이다. 도 5a-도 5c의 차동 구성들에서, 정확한 구성이 사용되지 않으면 상응하는 쌍들의 송신기들과 수신기들(즉, Tx와 Rx; Tx#와 Rx#)이 적절히 결합되지 않아, 노이즈와 다른 외부 요인들의 영향에 보다 영향을 받지 않는 디자인들이 된다. 비록 단일-출력 및 차동 구성들이 설명되었지만, 다른 실시예들에서, 센서는 임의의 개수의 송신기들, 수신기들, 및/또는 커플러들을 포함할 수 있고, 커플러는 임의의 개수의 연결된 커플러 부분들을 포함할 수 있다.
도 6a와 도 6b는 공개된 센서 디자인의 집적회로의 주요 구성요소들을 도시하는 2개의 상이한 센서 실시예들의 회로도들을 예시한다. 도 6a의 실시예는 도 4a의 것과 같은 단일-출력, 단일-평면/수동 커플러 구성에 대응하고 도 6b의 실시예는 도 5a의 것과 같은 차동-모드, 별개의 평면 구성에 대응한다. 집적회로(600)는 클럭 또는 기준 주파수를 제공하는, 발진기(602)를 포함한다. 집적회로(600)의 패턴 생성기(604)는 랜덤 노이즈에 의해 복제될 가능성이 적은 패턴화된 신호를 생성한다. 예를 들어, 패턴 생성기(604)는 n-비트 길이의 노이즈 제거 부호 워드(code word)를 생성할 수 있고, 여기서 n은 고정되거나 구성가능한 값이다. 패턴 생성기(604)에 의해 출력된 신호는 버퍼(606)에 의해 증폭된다. 버퍼(606)에 의해 출력된 증폭된 신호는 집적회로(600)에 의해 출력되고, 신호를 송신하는 송신기(608)를 구동한다. 수신기(610)에 의해 수신되는 신호는 집적회로(600)에 입력되고 증폭기(612)에 의해 증폭된다. 증폭된 수신 신호는 패턴 비교기(614)에 의해 송신되는 신호와 비교된다. 집적회로(600)의 출력(616)은 비교기(614)에 의해 이루어진 판정에 근거하여 송신 신호와 수신 신호가 일치하는지 여부를 나타낸다. 도 6a의 실시예에서, 부동 커플러(618)의 위치는 송신기(608)와 수신기(610) 간의 용량 결합(존재한다면)의 정도를 결정한다. 도 6b의 실시예에서, 상응하는 송신기(608)와 수신기(610)의 상대 위치들은 송신기(608)와 수신기(610) 쌍들 간의 용량 결합(존재한다면)의 정도를 결정하고, 이 쌍들은 예시된 콘덴서 판들에 의해 도 6b에 모델링되어 있다. 도 6c는 패턴 비교기(614)의 일 실시예를 포함하는 주요 구성요소들의 회로도를 예시한다. 예시된 바와 같이, 수신 신호 및 송신 신호의 각각의 비트는 계수기(620)가 n으로 계수될 때(n-비트 패턴에 대해) 비교되고, 리셋 펄스를 보내고, 반복된다. 비록 공개된 센서 디자인의 집적회로의 주요 구성요소들 중 일부가 도 6a-도 6c에 대해 설명되었지만, 집적회로는 적절한 방식으로 구성될 수 있고 디지털-대-아날로그 변환기, 아날로그-대-디지털 변환기 등과 같은 하나 이상의 임의의 다른 적절한 구성요소들 또는 회로를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 센서 디자인은 하나 이상의 임의의 적절한 선택적인 구성요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, (예를 들어, 1-10pF의 값을 갖는) 동조 콘덴서가 민감도를 조정하기 위해 수신기 출력부와 접지부 사이에 연결될 수 있다. 분로 콘덴서(shunting capacitor)는 감도 범위를 효과적으로 감소시킨다. 몇몇 경우들에서, 콘덴서는 센서의 집적회로 외부에 있다. 몇몇 실시예들에서, 민감도는 송신 신호의 강도를 증가시키는 집적회로에 부스트 회로(boost circuit) 및/또는 차지 펌프(charge pump)를 추가하여 조정될 수 있다. 송신 신호 전압을 증가시키는 것은 몇몇 경우들에서 센서의 민감도 범위를 증가시킨다. 몇몇 실시예들에서, 센서의 능동 전력 소모는 일정하게 작동하지 않도록 집적회로에 대한 슬립/웨이크 듀티 사이클(sleep/wake duty cycle)이 가능하게 하는 회로를 집적회로에 추가하여 감소될 수 있다. 예를 들어, 집적 회로는 매 1s마다 10㎳만 작동하게 구성될 수 있다. 이러한 경우들에, 잠자기/깨기 듀티 사이클은 사용자가 구성할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 송신 신호 주파수 근처에 중심을 갖는 통과대역을 갖는 수신 신호를 위한 증폭기와 수신기 사이에 아날로그 필터가 사용될 수 있다. 이러한 필터는 수신기가 잡아낸 노이즈가 집적회로에 의해 처리되는 것을 방지하는 것을 도와, 많은 경우들에서 집적회로에 의한 능동 전력 소모를 감소시킨다.
센서는 자동-보정 회로를 선택적으로 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 회로는 송신기와 수신기 간의 임의의 고유 자체-결합(self-coupling)에 대해 자동적으로 및 동적으로 보상하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 송신기와 수신기가 같은 평면(예를 들어, 도 4a, 도 5b, 도 5c)에 있는 실시예들에서, 송신기와 수신기 간의 근접은 이들이 커플링되지 않아야 하는 상태에서도 일정 정도의 자체-결합을 유도할 수 있다. 자체-결합 정도는 센서가 배치되는 환경(예를 들어, 근처의 전도성 물체들이 자체-결합을 증가시킬 수 있음) 및 비-이상적 제조 공차들(예를 들어, 안테나 패드 기하학적 형상, 재료 타입 등)에 근거하여 각각의 센서에서 다를 수 있다. 자동-보정은 송신기와 수신기가 커플링되지 않아야 할 때 센서의 불일치 상태 중에 수행될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 자동-보정 회로는 자체-결합 전압이 상쇄되거나 거의 상쇄될 때까지 수신 신호 증폭기의 기준 전압을 점진적으로 증가시키는 유한 상태 기계(finite state machine)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 자체-결합을 수정하기 위한 임의의 다른 적절한 회로가 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 센서의 자동-보정 특징을 사용가능하게 하거나 불가능하게 하는 선택이 제공된다.
공개된 센서 디자인은 터치 및/또는 존재 검출 센서로서 유사하게 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 센서는 도 2a의 구성을 포함하고, 송신기와 수신기는 자체-결합을 작동시키도록 서로 밀접하게 고의적으로 배치된다. 이러한 경우들에서, 자체-결합 또는 송신기와 수신기 사이의 자기장이 외부 물체에 의해 교란되지 않을 때 일치 상태가 발생하고, 자체-결합 또는 송신기와 수신기 사이의 자기장이 외부 물체에 의해 교란될 때 불일치 상태가 일어난다. 이러한 센서에 의해 선택적으로 사용되는 모든 자동-보정 회로는 상술한 것과 반대 방식으로 동작하고, 즉, 관련한 유한 상태 기계가 불일치 상태에서 존재할 수 있는 임의의 자체-결합에 대해 보상하도록 기준 전압을 점진적으로 감소시킨다. 휴대폰에 관한 이러한 센서의 예시적인 응용예는 터치 스크린에 사람이 밀접하게 존재함이 검출될 때 실제 통화 시간 중에 스마트폰의 터치 스크린을 비-활성화시키는 것을 포함한다. 이러한 센서는 시스템(예를 들어, 태블릿 컴퓨터 또는 다른 전자 장치)을 깨우기 위해 시스템에 사람이 근접하는 것을 검출하는데 사용될 수도 있다.
비록 상술한 실시예들이 이해의 명료성을 위해 다소 상세히 설명되었지만, 본 발명은 제공된 세부사항에 한정되지 않는다. 본 발명을 실시하는 다른 많은 방식들이 있다. 공개된 실시예들은 예시적인 것이고 제한적이지 않다.
200: 센서 202: 집적회로
204: 송신기 206: 수신기
208: 송신 신호 210: 수신 신호
220: 과정 302: 송신기
304: 수신기 306: 집적회로

Claims (35)

  1. 센서에 있어서,
    제 1 커플링 조건이 만족될 때 용량적으로 결합하도록 구성된 제 1 송신기 및 제 1 수신기와,
    제 2 커플링 조건이 만족될 때 용량적으로 결합하도록 구성된 제 2 송신기 및 제 2 수신기와,
    상기 제 1 수신기에 의해 수신되는 제 1 수신 신호가 상기 제 1 송신기에 의해 송신되는 제 1 송신 신호와 일치하는지 여부, 및 상기 제 2 수신기에 의해 수신되는 제 2 수신 신호가 상기 제 2 송신기에 의해 송신되는 제 2 송신 신호와 일치하는지 여부를 판정하도록 구성된 회로를 포함하는 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 또한, 출력 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 출력 신호는, 상기 제 1 수신 신호가 상기 제 1 송신 신호와 일치하고, 상기 제 2 수신 신호가 상기 제 2 송신 신호와 일치하는 경우에는 제 1 상태를 나타내는, 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 송신기와 상기 제 1 수신기가 근접할 때, 상기 제 1 커플링 조건이 만족되고, 상기 제 2 송신기와 상기 제 2 수신기가 근접할 때, 상기 제 2 커플링 조건이 만족되는, 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 송신기 및 상기 제 2 송신기와, 상기 제 1 수신기 및 상기 제 2 수신기가 상이한 평면들 상에 배치되는, 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 1 수동 커플러가 상기 제 1 송신기 및 상기 제 1 수신기에 근접할 때, 상기 제 1 커플링 조건이 만족되고, 제 2 수동 커플러가 상기 제 2 송신기 및 상기 제 2 수신기에 근접할 때, 상기 제 2 커플링 조건이 만족되는, 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 송신기 및 상기 제 2 송신기와, 상기 제 1 수신기 및 상기 제 2 수신기가, 단일 평면에 배치되는, 센서.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 수동 커플러와 상기 제 2 수동 커플러 각각은 도전체를 구비하는, 센서.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 수동 커플러와 상기 제 2 수동 커플러는, 십자(十字)형 또는 열쇠형으로 배치되어 있는, 센서.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 수동 커플러와 상기 제 2 수동 커플러의 한쪽은 복수의 부품을 갖는, 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 부품은 전기적으로 접속되어 있는, 센서.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 수동 커플러와 상기 제 2 수동 커플러 각각은 접속된 복수의 부품을 갖는, 센서.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 또한, 상기 제 1 송신 신호와 상기 제 2 송신 신호를 생성하도록 구성되는, 센서.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 또한, 상기 센서의 감도 범위를 조절하는 회로를 포함하는, 센서.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 또한, 듀티 사이클에 따라 상기 센서가 온/오프되도록, 슬립과 웨이크의 듀티 사이클을 이용하는, 센서.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 또한, 상기 제 1 송신기 및 상기 제 2 송신기와 상기 제 1 수신기 및 상기 제 2 수신기 사이의 용량 결합을 보상하도록 구성되어 있는, 센서.
  16. 제 1 항에 있어서,
    차동 구성을 포함하는, 센서.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는 집적 회로를 포함하는, 센서.
  18. 센서를 제공하는 방법에 있어서,
    제 1 커플링 조건이 만족될 때 용량적으로 결합하도록 제 1 송신기 및 제 1 수신기를 구성하는 단계와,
    제 2 커플링 조건이 만족될 때 용량적으로 결합하도록 제 2 송신기 및 제 2 수신기를 구성하는 단계와,
    상기 제 1 수신기에 의해 수신되는 제 1 수신 신호가 상기 제 1 송신기에 의해 송신되는 제 1 송신 신호에 일치하는지 여부, 및 상기 제 2 수신기에 의해 수신되는 제 2 수신 신호가 상기 제 2 송신기에 의해 송신되는 제 2 송신 신호와 일치하는지 여부를 판정하도록 회로를 구성하는 단계를 포함하는, 센서를 제공하는 방법.
  19. 센서를 제공하기 위한 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독가능한 기록 매체에 있어서,
    상기 컴퓨터 프로그램은,
    컴퓨터에, 제 1 커플링 조건이 만족될 때 용량적으로 결합하도록 제 1 송신기 및 제 1 수신기를 구성시키고,
    상기 컴퓨터에, 제 2 커플링 조건이 만족될 때 용량적으로 결합하도록 제 2 송신기 및 제 2 수신기를 구성시키고,
    상기 컴퓨터에, 상기 제 1 수신기에 의해 수신되는 제 1 수신 신호가 상기 제 1 송신기에 의해 송신되는 제 1 송신 신호에 일치하는지 여부, 및 상기 제 2 수신기에 의해 수신되는 제 2 수신 신호가 상기 제 2 송신기에 의해 송신되는 제 2 송신 신호와 일치하는지 여부를 판정시키는, 컴퓨터 명령들을 구비하는,
    컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독가능한 기록 매체.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 회로는 또한, 출력 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 출력 신호는, 상기 제 1 수신 신호가 상기 제 1 송신 신호와 일치하고, 상기 제 2 수신 신호가 상기 제 2 송신 신호와 일치하는 경우에는 제 1 상태를 나타내는, 센서를 제공하는 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 송신기와 상기 제 1 수신기가 근접할 때, 상기 제 1 커플링 조건이 만족되고, 상기 제 2 송신기와 상기 제 2 수신기가 근접할 때, 상기 제 2 커플링 조건이 만족되는, 센서를 제공하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 송신기 및 상기 제 2 송신기와, 상기 제 1 수신기 및 상기 제 2 수신기가 상이한 평면들 상에 배치되는, 센서를 제공하는 방법.
  23. 제 18 항에 있어서,
    제 1 수동 커플러가 상기 제 1 송신기 및 상기 제 1 수신기에 근접할 때, 상기 제 1 커플링 조건이 만족되고, 제 2 수동 커플러가 상기 제 2 송신기 및 상기 제 2 수신기에 근접할 때, 상기 제 2 커플링 조건이 만족되는, 센서를 제공하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 송신기 및 상기 제 2 송신기와, 상기 제 1 수신기 및 상기 제 2 수신기가, 단일 평면에 배치되는, 센서를 제공하는 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 수동 커플러와 상기 제 2 수동 커플러 각각은 도전체를 포함하는, 센서를 제공하는 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 수동 커플러와 상기 제 2 수동 커플러는, 십자형 또는 열쇠형으로 배치되어 있는, 센서를 제공하는 방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 수동 커플러와 상기 제 2 수동 커플러의 한쪽은 복수의 부품을 갖는, 센서를 제공하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 복수의 부품은 전기적으로 접속되어 있는, 센서를 제공하는 방법.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 수동 커플러와 상기 제 2 수동 커플러의 각각은 접속된 복수의 부품을 갖는, 센서를 제공하는 방법.
  30. 제 18 항에 있어서,
    상기 회로는 또한, 상기 제 1 송신 신호와 상기 제 2 송신 신호를 생성하도록 구성되는, 센서를 제공하는 방법.
  31. 제 18 항에 있어서,
    상기 회로는 또한, 상기 센서의 감도 범위를 조절하는 회로를 포함하는, 센서를 제공하는 방법.
  32. 제 18 항에 있어서,
    상기 회로는 또한, 듀티 사이클에 따라 상기 센서가 온/오프되도록, 슬립과 웨이크의 듀티 사이클을 이용하는, 센서를 제공하는 방법.
  33. 제 18 항에 있어서,
    상기 회로는 또한, 상기 제 1 송신기 및 상기 제 2 송신기와 상기 제 1 수신기 및 상기 제 2 수신기 사이의 용량 결합을 보상하도록 구성되어 있는, 센서를 제공하는 방법.
  34. 제 18 항에 있어서,
    차동 구성을 구비하는, 센서를 제공하는 방법.
  35. 제 18 항에 있어서,
    상기 회로는 집적 회로를 포함하는, 센서를 제공하는 방법.
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