KR20160014633A - 사람 손의 3d 위치와 제스처 센싱 - Google Patents

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리차오 후앙
워렌 리우토트-루이스
조슈 산즈-로빈슨
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시거드 와그너
제임스 씨. 스트럼
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더 트러스티즈 오브 프린스턴 유니버시티
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Abstract

터치 표면 위에 위치된 터치 입력을 검출하도록 구성된 터치 포면을 가진 3차원 터치 센싱 시스템이 개시된다. 시스템은 터치 표면상에 배치된 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극을 포함하고, 각각의 전극은 베이스라인 커패시턴스 및 터치 입력에 기초한 터치 커패시턴스를 가진다. 오실레이팅 평면은 터치 표면 아래에 배치된다. 터치 검출기는, 베이스라인 커패시턴스에서 터치 커패시턴스로 전극 커패시턴스에서의 변화에 기초하여, 베이스라인 주파수에서 터치 주파수로 시프트되는 주파수를 가진 AC 신호로 터치 센싱 전극들 중 하나를 구동하도록 구성된다. 터치 검출기는 오실레이팅 평면을 터치 주파수까지 구동하도록 구성된다.

Description

사람 손의 3D 위치와 제스처 센싱{3D POSITION AND GESTURE SENSING OF HUMAN HAND}
본원 발명의 정부 권리
본원 발명은 미국국립과학재단에 의해 수상된 No.ECCS-1202168 및 No. CCF-1218206하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 특정 권리를 가진다.
종래 출원된 출원과의 상호-참조
본 출원은 2013년 10월 18일에 출원된 미국 가출원 제61/892,516호 및 2013년 5월 7일에 출원된 미국 가출원 제61/820,242호 에 대한 우선권을 주장하고, 이 두 출원은 그 전체로서 본원에 참조로 포함된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 터치 센싱을 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로 3-차원 터치 센싱을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
커패시티브 터치 스크린은 디스플레이에 대해 강력한 인터페이스를 할 수 있게 하였다. 사용자 제스처가 약 20-30cm의 거리까지 평면외 차원(out-of-plane dimension) 사용될 수 있는 3-차원(3D) 센싱은 특히 큰 디스플레이를 사용하여, 사용자 경험을 실질적으로 질을 높일 수 있는 새로운 인터페이싱 가능성을 나타낸다. 이러한 과제는 센싱 전극과의 사용자 상호작용에 의해 야기된 작은 커패시티브 교란(perturbation)을 센싱할 때, 이러한 거리에서 민감도를 달성하는 것이다. 커패시티브-센싱 접근법 중에서, 자기-용량은 상호 용량(즉, 전극들 사이) 보다 실질적으로 더 먼 거리에서 작용할 수 있으나, 멀티 터치 동안에는 고스트 효과(ghost effect)가 발생할 수 있다. 이러한 시스템의 센싱 거리는 3D 센싱에서 여전히 너무 제한되었다. 특히, 제스처가 약 20-30cm의 거리까지 평면외 차원에서 센싱될 수 있는 3D 센싱을 할 수 있는 개선된 기법이 필요하다.
터치 표면 위에 위치된 터치 입력을 검출하도록 구성된 터치 포면을 가진 3차원 터치 센싱 시스템이 개시된다. 시스템은 터치 표면상에 배치된 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극을 포함하고, 각각의 전극은 베이스라인 커패시턴스 및 터치 입력에 기초한 터치 커패시턴스를 가진다. 오실레이팅 평면은 터치 표면 아래에 배치된다. 터치 검출기는, 베이스라인 커패시턴스에서 터치 커패시턴스로 전극 커패시턴스에서의 변화에 기초하여, 베이스라인 주파수에서 터치 주파수로 시프트되는 주파수를 가진 AC 신호로 터치 센싱 전극들 중 하나를 구동하도록 구성된다. 터치 검출기는 오실레이팅 평면을 터치 주파수까지 구동하도록 구성된다.
터치 표면은 오실레이팅 평면 아래에 위치된 공통 전극을 가진 디스플레이일 수 있다. 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 복수의 행 전극 및 복수의 열 전극을 포함할 수 있다. 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 2차원 어레이로 구성될 수 있다. 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 2차원 어레이로 구성될 수 있다. 오실레이팅 평면은 복수의 독립적으로 구동가능한 세그멘트로 구성될 수 있다.
터치 검출기는 베이스라인 커패시턴스에서 터치 커패시턴스로 전극 커패시턴스에서의 변화에 기초하여, 터치 표면으로부터 터치 입력까지의 거리(Z)를 결정하도록 구성될 수 있다. 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 터치 표면에 대한 X-Y 기하 관계를 가지고, 터치 검출기는 터치 표면에 대한 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극의 X-Y 기하 컨피규레이션에 기초하여 터치 입력의 X-Y 위치를 결정하도록 구성될 수 있다. 시스템은 주파수-리드아웃 집적회로(IC)로 구성되고, 터치 표면은 커패시턴스-투-주파수 전환 회로로 구성되고, 주파수-리드아웃 IC는 주파수 투 디지털 전환 회로로 구성될 수 있다. 유도성 루프는 커패시턴스-투-주파수 전환 회로에 결합될 수 있고, 주파수-리드아웃 IC는 유도성 루프에 유도적으로 결합될 수 있다.
터치 표면 위에 위치된 터치 입력을 검출하도록 구성된 터치 표면을 사용하기 위한 3차원 터치 센싱 방법도 개시된다. 본 방법은 터치 표면에 배치된 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극 - 각각의 전극은 베이스라인 커패시턴스 및 터치 입력에 기초한 터치 커패시턴스를 가짐 - 을 제공하는 단계를 포함한다. 오실레이팅 평면은 터치 표면 아래에 제공된다. 터치 센싱 전극들 중 하나는 베이스라인 커패시턴스에서 터치 커패시턴스로 전극 커패시턴스에서의 변화에 기초하여, 베이스라인 주파수에서 터치 주파수로 시프트되는 주파수를 가진 AC 신호로 구동된다. 오실레이팅 평면은 터치 주파수로 구동된다.
터치 표면은 터치 표면은 오실레이팅 평면 아래에 위치된 공통 전극을 가진 디스플레이일 수 있다. 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 복수의 행 전극 및 복수의 열 전극을 포함할 수 있다. 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 2차원 어레이로 구성될 수 있다. 오실레이팅 평면으로 직사각형으로 구성될 수 있다. 오실레이팅 평면은 복수의 독립적으로 구동가능한 세그멘트로 구성될 수 있다.
터치 표면에서 터치 입력까지의 거리(Z)는 베이스라인 커패시턴스에서 터치 커패시턴스로 전극 커패시턴스에서의 변화에 기초하여 결정될 수 있다. 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 터치 표면에 대한 X-Y 기하 관계를 가질 수 있다. 터치 입력의 X-Y 위치는 터치 표면에 대한 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극의 X-Y 기하 컨피규레이션에 기초하여 결정될 수 있다. 주파수-리드아웃 집적회로(IC)가 제공될 수 있다. 터치 표면은 커패시턴스-투-주파수 전환 회로로 구성되고, 주파수-리드아웃 IC는 주파수 투 디지털 전환 회로로 구성될 수 있다. 유도성 루프는 커패시턴스-투-주파수 전환 회로에 결합될 수 있고, 주파수-리드아웃 IC는 유도성 루프에 유도적으로 결합된다.
도 1a는 터치 센서 및 공통 전극을 포함하는 디스플레이의 블록도이다.
도 1b는 공통 전극의 평면으로부터 분리된 터치 센싱 전극을 포함하는 디스플레이의 블록도이다.
도 1c는 디스플레이나 다른 터치 표면과 통합될 수 있는 터치 센싱 시스템(50)의 블록도이다.
도 2a는 리드아웃 채널의 블록도이다.
도 2b는 인접한 손가락과 멀리 있는 손가락에 대한 리드아웃 채널(100)의 주파수-변조 응답을 나타내는 시뮬레이션 파형을 도시한 그래프이다.
도 3a는 센싱 오실레이터(SO) 및 믹서의 블록도이다.
도 3b는 SO 전압과 전류 대 주파수를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 fSENSE로부터 디지털 TDC 입력을 생성하기 위한 프리앰프(preamp) 및 비교기 체인의 블록도이다.
도 4b는 프리앰프 입력 및 비교기 출력 대 시간을 도시하는 그래프이다.
도 5a는 나타난 리드아웃 SNR 및 TDC 코드(RMS 막대를 사용하여) 대 센싱 전극 위에 위치된 손가락에 대한 거리를 도시한 그래프이다.
도 5b는 0에서 다양한 피크-피크 값으로 가변하는 디스플레이 노이즈가 직접 OP상에서 구동될 때, TDC 코드(RMS 막대를 사용하여)를 도시하는 그래프이다.
도 6은 측정치 요약 및 종래 기술과의 비교를 도시한 표이다.
도 7은 프로토 타입(prototype)의 주파수-리드아웃 IC의 도면이다.
도 8은 플렉서블 픽셀-기반의 대-면적 센싱 시트, 플렉서블 커패시턴스-투-주파수(C2F) 전환 시트 및 맞춤형 CMOS 리드아웃 IC를 포함하는 시스템 아키텍처를 도시한 블록도이다.
도 9는 C2F 시트 및 CMOS 리드아웃 IC의 추가적인 세부사항을 도시하는 블록도이다.
도 10은 센싱 오실레이터(SO)의 블록도이다.
도 11a는 표이고, 도 11b는 4개의 명목상 SO 주파수(3.0MHz, 2.4MHz, 1.7MHz, 1.3MHz)에 대한 인덕터 파라미터를 도시한 그래프이다.
도 12는 스캐닝 회로의 블록도이다.
도 13a 및 13b는 레벨 컨버터 및 체인 내의 NTH 스캔 요소에 대해 측정된 동작 파형을 도시한 그래프이다.
도 14는 프로토 타입의 터치 센싱 시스템의 도면이다.
도 15a는 나타난 리드아웃 SNR 및 TDC 코드(RMS 막대를 사용하여) 대 센싱 전극 위에 위치된 손에 대한 거리를 도시한 그래프이다.
도 15b는 리드아웃 SNR 및 TDC 코드 대 센싱 전극 5cm 위에 위치된 손에 대한 수평 변위를 도시한 그래프이다.
도 16a는 TFT 스캔 회로에 의해 생성된 라운드-로빈(round-robin) EN<1-4> 신호를 도시한 그래프이다.
도 16b는 6cm의 거리에서 전극의 행에 걸쳐서 손을 스와이프(swipe)하는 동안 CMOS 리드아웃 IC로부터 얻어진 주파수 시프트(shift)를 도시한 그래프이다.
도 17은 프로토 타입의 터치 센싱 시스템의 성능 요약을 도시한 표이다.
본 명세서에 개시된 것은 향상된 3D 터치 센싱 시스템이다. 하나의 실시예에서, 시스템은 40×40㎠의 센싱 면적 및 약 30cm의 센싱 거리를 가진다. 이러한 거리는, 여러 기법을 결합시켜서 달성된다. 예를 들어, 커패시턴스 센싱은 주파수 변조 및 디스플레이 커플링으로부터의 스트레이 노이즈(stray noise) 소스는 물론, 리드아웃 시스템 내의 노이즈 소스를 필터링할 수 있는 하이-Q 오실레이터에 의해 향상된 주파수 리드아웃의 민감도를 통해 수행될 수 있다. 커패시턴스 신호는 센싱 전극 및 주변 접지 평면 또는 접지된 특징부 사이의 정전기적 커플링을 제거함에 의해 향상될 수 있다.
도 1a는 터치 센싱 전극(22a-22c)을 포함하는 디스플레이(20)의 블록도이다. 디스플레이(20)는 상단 글라스(24), 하단 글라스(26) 및 공통-전극(28)을 포함한다. 이러한 예시에서, 터치 센싱 전극(22a-22c)은 인디움 주석 산화물(ITO)로 형성된다. 다른 물질도 본 개시물의 범위에서 벗어남 없이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 임의의 수의 터치 센싱 전극이 제공될 수 있다는 것도 이해해야 한다. 터치 센싱 전극이 이하에 자세힌 논의되는 바와 같이 다양한 모양으로 형성될 수 있다는 것도 이해해야 한다. 전형적인 디스플레이의 두께를 최소로 하기 위하여, 터치 센싱 전극(22a-22c)은 공통-전극(28)의 평면까지 점점 더 최소의 분리로 결합된다. 이는 센싱 전극에서 디스플레이(직접이나 인접한 전극을 통해)까지 큰 정전기적 커플링(프린징(fringing))을 야기하여, 멀리 있을 때 사용자까지의 달성할 수 있는 커플링을 퇴화시킨다.
도 1b는 터치 센싱 전극(32a-32c)을 포함하는 디스플레이(30)의 블록도이다. 디스프레이(30)는 도 1a와 유사하게, 상단 글라스(34), 하단 글라스(36) 및 공통-전극(38)을 포함한다. 다시 이러한 예시에서, 터치 센싱 전극(22a-22c)은 ITO로 형성된다. 다른 물질도 본 개시물의 범위에서 벗어남 없이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 도 1a와 관련하여 논의되는 바와 같이, 임의의 수의 터치 센싱 전극이 제공될 수 있고, 터치 센싱 전극은 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 이러한 예시에서, 터치 센싱 전극(32a-32c)은 오실레이팅 평면(OP, 40)에 의해 공통 전극(38)의 평면으로부터 분리된다. 일반적으로, 터치 센싱 전극(32a-32c)과 OP(40)사이의 커플링은 디스플레이의 접지 평면 아래에 둘레를 형성하는 전기장을 완화시킨다.
도 1c는 일반적으로 대시 라인으로 표시된 다른 터치 표면(60)이나 디스플레이와 통합될 수 있는 터치 센싱 시스템(50)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 터치 센싱 전극(62a-62d, 63a-63d)은 행/열 형식으로 막대로서 터치 표면상에 형성되고, 일반적으로 도면 번호 70으로 도시된 검출기에 하나씩 연결된다. 다양한 검출기가 본 개시물의 범위에서 벗어남 없이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 일반적으로, 검출기(70)는 하나 이상의 터치 센싱 전극에서 커패시턴스의 변화에 기초하여 주파수 시프트(frequency shift)를 결정한다. 사용자로부터의 터치가 없으면, 각각의 터치 센스형 전극은 베이스라인(baseline) 자기-커패시턴스를 가진다. 사용자, 가령, 사용자의 손가락이 터치 표면에 접근하면서, 하나 이상의 터치 센스형 전극이 손가락에 커플링되기 시작하고, 터치 커패시턴스까지 전극의 베이스라인 커패시턴스의 변화가 있다. 커패시턴스/주파수 시프트의 결과적인 변화는 거리 Z에 상관될 수 있다. 전극의 컨피규레이션(configuration)은 3D 터치 검출을 제공하기 위하여, 터치 표면 상의 X-Y 로케이션이나 면적을 식별하는데 사용될 수 있다.
이러한 예시에서, 검출기(70)는, 스위치(72)를 통해 터치 센스형 전극(62a-62d, 63a-63d)에 결합되는 LC 센싱 오실레이터(SO)를 포함한다. 일반적으로, SO는 탱크 커패시턴스(76) 및 탱크 인덕터(78)를 포함한다. 사용자의 근접성에 의존하여, 각각의 터치 센스형 전극의 자기-커패시턴스는 교란시키는데, 이는 주파수 시프트를 야기한다. 한 편, OP(64)는 소스 팔로워(source follwer)에 의해 실행되는 단위-이득 버퍼(79)에 의해 SO(74)(그래서, 연결된 전극)와 동일한 전압까지 구동된다. 결과적으로, 전극상의 진동하는 전하 재분배(redistribution)에 의한 전기장은 OP와 상호작용하지 않고, 이는 심지어 더 먼 거리에서 사용자까지 더욱 강한 커플링을 초래한다. 센싱 거리에 덧붙여서, 이는 여러가지 이익을 준다. 첫째로, 전극과 OP 사이의 커플링이 요소(factor)가 아니기 때문에, 이러한 분리된 거리는 과감하게 감소될 수 있다(본 작업에서 1mm 미만이 사용됨). 둘째로, OP와 디스플레이 공통 전극 사이의 분리는, 증가된 OP 커패시턴스의 가격에서 감소될 수 있어서, 단위-이득 버퍼에서 더 높은 전력으로 된다. 그러나, OP 구동부는 1mm의 분리를 사용하는 본 예시에서 19mW 미만을 소비하여 전반적으로 허용가능하게 한다. 또한, 주파수-변조된 리드아웃의 이익은, 거리가 늘어나서 진폭이 중요하지 않고, 따라서 값(0.75V)이 고정되기 때문에, 디스플레이에 최소의 노이즈가 생긴다. 셋째로, 확장된 센싱 거리는, 전극이 차후의-변위 정보(later-displacement information)(이하에서 특징됨)를 제공할 수 있도록 하고, 큰 디스플레이 면적을 커버하기 위해 더 적은 전극 채널을 가능하게 하여서, 전력 소비 및 스캔-속도 제약을 감소시킨다.
일부 경우에서, 복수의 특징부의 사용은 정확한 터치 위치를 해결하는데 어려움을 발생시킬 수 있다. OP(64)는 단일 평면으로서 실행될 수 있고, 또는 세분될 수 있다. 예를 들어, 도 1c는 대시 라인으로 볼 수 있는 바와 같이, OP(64)가 복수의 세그멘트, 가령 4개의 열-방식(column-wise)의 세그멘트(65a-65d)로 나누어질 수 있는 선택사항인 컨피규레이션을 도시한다. 각각의 OP 세그멘트(65a-65d)는 도면 번호 66에 의해 일반적으로 도시된 스위치에 결합될 수 있고, 터치 센싱 동안에 개별적으로 전압인가된다. 이는, 특히, 터치 센서에 대한 행/열 컨피규레이션을 사용할 때, 터치 로케이션의 좀 더 정확한 식별을 가능하게 한다.
도 2a는 리드아웃 채널(100)의 블록도이다. 도 2b는 인접한 손가락과 멀리 있는 손가락에 대한 리드아웃 채널(100)의 주파수-변조 응답을 나타내는 시뮬레이션 파형을 도시한 그래프이다. 이러한 예시에서, 터치 센싱 전극의 스캐닝은 시프트 레지스터(102)에 의해 제어된다. 가령, fC=5MHz이고, 가령, 버랙터를 통해 튜닝될 수 있는 SO(104)의 명목상 중심 주파수는 센싱된 커패시턴스에 의한 양 Δf에 의해 교란된다. SO(104) 출력은 믹서, 가령, 미분 길버트 믹서로 피드되고, 고정된 로컬 오실레이터(LO, 108)를 사용하여 아래로 변조된다. 낮은-주파수 출력(fSENSE, 112)은 로우-패스(110), 가령, 2차 필터로부터 파생된다. 명목상 SO 및 LO 주파수는 가령, 버랙터에 의해 튜닝될 수 있는 fOFFSET에 의해 오프셋되어서, 최소의 fSENSE를 주는데, 이는 최대 스캔 속도는 물론, 타임-투-디지털 컨버터(TDC, 118)의 최대 출력 범위를 설정한다. 이러한 예시에서, fOFFSET은 5kHz 내지 20kHz로 설정될 수 있다. fSENSE는, TDC(118)로 제공되기 이전에, 가령 2단 프리앰프인 프리앰프(114)와 비교기(116)을 통해 증폭된다. 결과로 나온 디지털 신호는 주기-제어 블록을 통해 16b 카운터에 대한 인에이블 신호(EN)를 제어한다. fSENSE가 센싱 거리에 걸쳐 매우 비선형적 함수이므로, 주기-제어 블록은 복수의 fSENSE 주기가 카운터 EN 신호에 대해 선택될 수 있도록 함에 의해 TDC 동적 범위를 해결하는데 도움을 주는데, fSENSE가 고주파수 일 때(짧은 센싱 거리 때문에), 복수의 N-2, 4, 8, 16이 선택될 수 있다. 이러한 경우는 TDC 코드로부터 결정될 수 있고, 더 높은 fSENSE 주파수가 감소된 리드아웃 지연과 일치하므로, 디지털 컨트롤러는 용이하게 응답할 수 있다. 그러므로, TDC 카운트 C에 대해 센싱된 주파수 시프트는 Δf=N×fC/C-fOFFSET으로 주어진다. 리드아웃 노이즈는 민감도를 결정하는데 중요한 요소이고, SO/LO, 믹서 및 프리앰프에 의해 지배된다.
도 3a는 센싱 오실레이터(SO, 122) 및 믹서(124)의 블록도이다. 다양한 SO 구조물이 본 개시물의 범위에서 벗어남 없이 이용될 수 있다. LO는 동일한 구조물 또는 상이한 구조물을 사용할 수 있다는 것도 이해해야 한다. 도 3b는 SO 전압 및 전류 대 주파수를 도시하는 그래프이다. 오실레이터 위상 노이즈는 중요한 양상이고, 디스플레이로부터의 스트레이 커플링은 물론 장치 노이즈(1/f 및 하얀색)에 의해 설정된다. 낮은 위상 노이즈는 탱크에 의해 제공된 모든 소스의 실질적인 필터링 덕분에 달성된다. 이는 인덕터에 의해 주로 제한되는 높은 탱크 품질 요소(Q)를 요한다. 이러한 예시에서, 33μΗ의 0805 인덕터가 사용되어, 5MHz에서 Q=400이다. 탱크 Q에 덧붙여서, 바이어싱-전류 노이즈도 중요한 요소이다. lOOpF 커패시터는 테일 장치(tail device)의 드레인에 추가되었고, 전압-제한 조건보다는 전류-제한 조건을 보장하기 위하여 테일-전류 크기를 설정하여, 21dB(fC로부터 100Hz에서)의 위상 노이즈 개선을 허여한다. 믹서 선형성도 민감도에 대해 중요한 요소이다. SO 및 LO 주파수가 오프셋되기에, 조화(harmonic)는 복수의 이상적인 fSENSE에서 출력 내의 대역 내(in-bnad) 비트 주파수의 확률을 높인다.
비선형성을 완화시키기 위해, SO는 도시된 바와 같이, 커패시터 디바이더를 통해 제공될 수 있어서, ~100mV까지의 SO의 스윙을 감소시킨다. 믹서 이후의 로우-패스 필터는 고주파수를 필터링하기 위해 50kHz의 컷-오프 주파수를 가지고, 믹서는 피드 스루(feed through)를 클록(clock)한다.
도 4a는 fSENSE로부터 디지털 TDC 입력을 생성하기 위한 프리앰프(preamp, 126) 및 비교기(128) 체인의 블록도이다. 도 4b는 프리앰프 입력 및 비교기 출력 대 시간을 도시하는 그래프이다. 다른 프리앰프와 비교기 설계가 본 개시물의 범위에서 벗어남 없이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 저주파수로 변조된 fSENSE를 사용하여, 제로-크로싱 레퍼런스(zero-crossing reference)에 대한 진폭 노이즈가 실질적으로 민감도를 퇴화시켜서, TDC 출력내의 노이즈를 야기한다. 진폭 노이즈를 완화시키기 위해, 다이오드-연결된 PMOS 부하에 기초한 2-단 프리앰프는 각각의 출력에서 5pF 커패시터에 의해 설정되고, 단(stage) 당 200kHz의 컷-오프 주파수에서 노이즈 필터링 하면서 단 당 6의 이득을 제공한다. 프리앰프는 히스테리시스의 비교기에 피드된다. 히스테리시스는 일시적인 글리치(glitch)가 없는 디지털 출력을 보장하기 위해 적용되는데, 이는 TDC 주기-제어 블록 및 카운터의 동작에 필수적이다. 믹서, 프리앰프 및 비교기 단의 전체 입력 언급된 노이즈는 1.4μVRMS이고, 이는 σf=16HzRMS의 주파수 리드아웃 노이즈에 해당한다.
시스템이 프로토 타입되었고, 주파수-리드아웃 IC(도 7)는 IBM으로부터 CMOS 130nm 공정에서 실행되며, 센싱 전극과 OP는 ITO-클래드 PET를 사용하여 인-하우스 패턴화된다. 센싱 전극은 1cm 너비이고, 10cm 피치 간격이다. 테스트를 위해, 우리는 X 및 Y 차원의 각각에서 4개의 채널(전체 8개의 채널)을 사용하여, 40×40㎠의 센싱 면적을 허여한다. 도 5a 및 5b는 나타난 리드아웃 SNR 및 TDC 코드(RMS 막대를 사용하여) 대 센싱 전극 위에 위치된 손가락에 대한 거리를 도시하는데, 도시된 실질적인 SNR은 30cm(16cm에서 30dB SNR을 사용함)외부에 유지된다. SNR이 널리 사용되는 측정 기준임에도 불구하고, 사실은 디스플레이로부터와 같은, 스트레이 노이즈의 존재에서 민감도를 나타내지는 못한다. 도 5b는 0에서 다양한 피크-피크 값으로 가변하는 디스플레이 노이즈가 (증폭기의 입력이 디스플레이의 공통 전극으로부터 피드되는 용량적으로 결합된 상기 증폭기에 의해) 직접 OP상에서 구동될 때, TDC 코드(RMS 막대를 사용하여)를 도시하는 그래프이고, 큰 노이즈 값임에도 리드아웃에 대한 최소의 영향이 관측된다. 도 6은 측정치 요약 및 종래 기술과의 비교를 도시한 표이다. 다른 시스템이 터치 기반인 반면, 제시된 시스템은 30cm까지의 거리에 대해 가장 높게 보고된 SNR을 달성한다. 측면-변위(lateral-displacement) 센싱에 대한 최악의 경우의 해결책은 전극 위의 다양한 거리에 대해 도시된다(해결책은 변위로서 정의되는데, 평균 TDC 코드에서의 차이는 코드 RMS와 동일함). 아날로그 회로는 2.5V로부터 전력을 공급받는 반면, 디지털 회로 및 OP 구동부는 1.2V로부터 전력을 공급받아서, 20mW 미만의(주파수 리드아웃에 대해 475μW, OP 구동부에 대해 19mW) 전체 전력 소비를 허여한다. 리드아웃 시간은 채널당 500μs이어서, 240Hz 스캔 속도를 가능하게 한다.
개시된 터치 센싱 접근법에 기초한 여러 변형예가 가능하다는 것을 이해해야 한다. 상기에서 설명된 바와 같이, 전통적인 커패시티브-기반의 터치 센싱은 1-2cm의 거리로 제한되었다. 본 명세서의 개시물은 행 및 열 전극에 대해 확장된 범위 (30cm 초과)를 달성한다. 밑에 있는 오실레이팅 평면은 아래에 있는 디스플레이의 접지 평면 때문에 야기되는 전기장 프린징(fringing)을 완화시키는데 사용된다. 일부 경우에서, 행 및 열 전극은 복수의 제스처를 동시에 센싱할 때(복수-터치 디스플레이에서와 같이), 고스트 효과가 발생할 수 있다. 이는 대-면적 상호작용-공간 애플리케이션에 대해 제한될 수 있고, 일상적인 물체(테이블 표면, 벽지, 가구) 내에 내장된 센싱 인터페이스를 통해 복수의 사용자에 걸쳐 공동의 상호 작용을 목표로할 수 있다.
고스트 효과를 극복하기 위하여, 이러한 작업은 픽셀 전극의 어레이를 사용하여 확장된-범위 커패시턴스 센싱 시스템을 제시한다. 확장된-범위 센싱은 높은-민감도 리드아웃을 요하고, 픽셀-기반의 센싱에 대해 여러 과제를 제기한다.
1) 어레이의 크기가 증가하면서, CMOS 리드아웃 IC와 인터페이스해야하는 신호의 수가 증가하는데, 박막 트랜지스터(TFT) 회로에 기초한 액티브-매트릭스 접근법이 고려될 수 있으나, 이들은 (TFT 스위칭 때문에) 노이즈를 높이고, (레지스턴스 상의 TFT 때문에) 민감도가 퇴화되며, (TFT 속도 때문에) 프레임 속도를 제한한다.
2) 어레이의 크기가 증가하면서, 프레임당 증가된 수의 전극 때문에 더 높은 리드아웃 속도가 필요하다.
3) 어레이 내의 각각의 픽셀에 요구되는 라우팅(routing)은 제스처에 기생 커패시티브 커플링을 증가시키고, 픽셀에서 센싱하는 커패시턴스의 국부화(localization)를 퇴화시킨다.
이들 과제를 극복하기 위하여, 시스템은 각각의 터치 센서(픽셀)를 위한 플렉스(flex) 상에 패턴화된 내장형 무정형-실리콘(a-Si) TFT 회로로 실행될 수 있다. 개시된 픽셀-기반의 터치 센서는, 공통 전극 및/또는 진동하는 평면 또는 공통 전극이나 진동하는 평면 없는 다른 터치 표면을 가진 디스플레이 내에 통합될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 회로는 커패시턴스-투-주파수 전환 및 픽셀 리드아웃의 제어를 수행하여, CMOS 리드아웃 IC와 인터페이싱과 달성가능한 리드아웃 속도를 매우 향상시킨다. 개시된 기법은 본 개시물의 범위에서 벗어남 없이 다양하고 통합된 회로 기법에 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 8은 플렉서블 픽셀-기반의 대-면적 센싱 시트(202), 플렉서블 커패시턴스-투-주파수(C2F) 전환 시트(204) 및 맞춤형 CMOS 리드아웃 IC(206)를 포함하는 시스템 아키텍처(200)를 도시한 블록도이다. 대-면적 센싱 시트(202)는 가령, 각각 5×5㎠인 전극 픽셀(210)의 4×4 어레이와 같은 터치 센서 또는 픽셀의 2차원 어레이를 포함한다. 터치 센서 전극은 다른 물질도 사용될 수 있지만, ITO와 구리를 사용하여 실행될 수 있다. 다양한 픽셀 컨피규레이션이 본 개시물의 범위에서 벗어남 없이 가능하다는 것을 이해해야 한다. 확장된 범위의 센싱은, 10cm의 픽셀 분리 피치를 가능하게 함에 의해, 3D 제스처뿐만 아니라, 전력 소비에도 실질적으로 이득을 준다. 따라서, 큰 센싱 면적(본 시스템에서 40×40㎠)은 비교적 적은 픽셀로 달성될 수 있다.
자기-커패시턴스 리드아웃에 대하여, 픽셀은 C2F 전환 시트(204)에 연결된다. 이러한 예시에서, C2F 전환 시트(204)는 각각의 픽셀에 대해 하나씩, TFT LC 센싱 오실레이터(SO, 214)의 어레이를 포함한다. 제스처는 픽셀의 자기-커패시턴스를 교란시키고, SO 내에서 주파수 시프트를 야기시킨다. 주파수-분할 멀티플렉싱은 리드아웃 프레임 속도를 증가시키는데 사용될 수 있다. 이러한 예시에서, 각각의 행에 4개의 픽셀에 해당하는 SO는 4개의 상이한 명목상 주파수(F1-4)로 설정한다. 이는 4개의 상이한 주파수 채널에서 각각의 행의 동시적 리드아웃을 가능하게 한다. 각각의 행의 SO는 픽-업 루프(pick-up loop, 216)에 의해 둘러싸이며, 4개의 행으로부터의 루프는 CMOS 리드아웃 IC(206)에 인터페이스되는 하나의 픽업 루프(218)에 병렬로 연결된다. 리드아웃 동안에, CMOS 리드아웃 IC(206)의 제어하에서, TFT 스캐닝 회로는 라운드-로빈 EN<1-4> 신호를 통해 SO의 각각의 행을 순차적으로 인에이블시킨다. 픽셀의 수의 확장성, 그래서 전반적인 센싱 영역의 확장성은 CMOS 리드아웃 IC로의 하나의 인터페이스의 사용에 의해 인에이블되고, 증가된 프레임 속도는 각각의 행에서 4개의 픽셀의 동시적 리드아웃에 의해 인에이블된다.
2차원 어레이 픽셀을 가진 확장된-범위 센싱을 추가적으로 인에이블시키기 위하여, 두 가지 접근법이 사용될 수 있다. 첫째로서, 패턴화된 인덕터에 의해 인에이블되는 고-Q TFT SO가 사용될 수 있다. 이는 스트레이 노이즈와 TFT 장치 노이즈를 모두 필터링함에 의해 민감도를 향상시킨다. SO 및 낮은 노이즈 CMOS 리드아웃 채널은 이하에 기술된다. 둘째로서, 대-면적 센싱 시트상에, 도면 번호 220에 의해 일반적으로 도시된 바와 같이, 상이한 라우팅이 SO를 픽셀에 연결하는 트레이스(trace)를 위해 사용될 수 있다. 단지 하나의 트레이스는 각각의 연결에 요구되지만, 제스처로부터 트레이스상의 어디에까지의 정전기적 커플링은 센싱된 커패시턴스에 영향을 줄 수 있어서, 픽셀에서 센싱 국부화를 퇴화시킨다. 픽셀에서 국부화된 센싱을 보장하기 위하여, 반대-위상의 신호가 각각의 트레이스에 인접하게 라우팅된다(도 8에 도시된 바와 같음). 이는 트레이스에 대해 강한 정전기적 커플링을 야기하고, 그 전기장을 가두어서, 픽셀 자기-커패시턴스를 제스처에 지배적인 커플링으로 만든다. 반대-위상 신호는 TFT SO로부터 용이하게 이용가능하다.
C2F 시트와 CMOS 리드아웃 IC의 추가적인 세부사항은 도 9에 도시된다. 이러한 예시에서, 각각의 행 내의 4개의 SO(222)는 최소의 400kHz(패턴화된 평면 인덕터에 의해 설정)에 의해 분리된 명목상 주파수를 가지도록 설계된다. 4개의 SO(222)는 픽-업 루프와 유도적으로 결합한다. CMOS 리드아웃 IC는 4개의 주파수-리드아웃 채널(230) 및 스캐닝-제어 구동부(232)를 포함한다.
4개의 CMOS 주파수-리드아웃 채널은 Y. Hu, L. Huang, W. Rieutort- Louis, J. Sanz-Robinson, S. Wagner, J. C. Sturm and N. Verma, "3D gesture-sensing system for interactive displays based on extended-range capacitive sensing," ISSCC Dige. Tech. papers, pp 212-213, Feb 2014에 개시된 것과 유사하고, 이는 그 전체가 참조로서 포함된다. 각각의 채널은 LC 로컬 오실레이터(각각의 명목상 SO 주파수에 대해 설정됨)를 포함한다. 주파수 다운 전환은 미분 길버트 믹서를 통해 수행되고, 주파수-채널 분리는 이차 로우-패스 필터(SPF)에 의해 다운-전환된 신호상에서 달성된다. LPF 컷오프 주파수는 20kHz에 설정되고, 이는 인접한 채널로부터 26dB의 최소 진폭 억제를 야기한다. 결과적인 출력은 2단 프리증폭기 및 연속적인-시간의 히스테리시스의 비교기를 사용하여 주파수-변조된 디지털 신호 내로 증폭된다. 노이즈를 줄이기 위하여, 두 가지 접근법이 채용되는데, (1) 프리앰프는 5pF 출력 커패시터에 의해 설정되고, 200kHz의 컷오프 주파수로 노이즈를 필터링하는 것과, (2) 비교기 내의 히스테리시스는 다운-전환된 신호의 교차점 근처의 노이즐 때문에 발생할 수 있는 이상있는 출력 에지를 방지한다. 그리고 나서, 주파수의 디지털화는 LO로부터 파생된 클록이 있는 16-b 시간-투-디지털 컨버터(TDC)를 사용하여 수행된다.
스캐닝-제어 구동부는 글로벌 리셋을 간단히 생성하고, 3.6V의 2개의 위상 클록 신호는 C2F 시트상의 TFT 회로에 의해 라운드-로빈 EN<i>의 생성을 제어하기 위해 스윙한다. 다음은 TFT 회로의 세부사항을 기술하는데, 이는 향상된 스캔 속도 및 픽셀 어레이에 대한 확장성을 가능하게 하는데 도움을 준다.
A. 박막 센싱 오실레이터 (SO)
도 10은 센싱 오실레이터(SO, 242)의 블록도이다. 다른 SO 컨피규레이션도 본 개시물의 범위에서 벗어남 없이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 고주파수 오실레이션이 4개의 주파수-리드아웃 채널에 적절하게 분리되도록 요구되고, 낮은 위상 노이즈(지터(jitter))는 채널 내에 적절한 커패시턴스-센싱 정확성을 보장하기 위해 요구된다. 1MHz 근처의 fT로서, TFT가 낮은 성능을 가짐에도 불구하고, fT 이상의 고주파수 오실레이션이 LC 오실레이터를 사용하여 달성된다. 이는 탱크 인덕터가 TFT 기생 커패시턴스와 공명하기 때문에 가능하여서, 주파수가 기생에 의해 제한되지 않도록 한다. 중요한 요구사항은 정귀환(positive-feedback) 오실레이션 조건이 충족(gmRtank > 1)되어야 한다는 것이다. 물리적으로 큰 나선을 패턴화하는 능력은 증가된 인덕터 Q (높은 Rtank)를 가능하게 하여, 낮은 TFT 성능에도 불구하고 강건한 오실레이션을 가능하게 한다. 도 11a는 표이고, 도 11b는 4개의 명목상 SO 주파수(3.0MHz, 2.4MHz, 1.7MHz, 1.3MHz)에 대한 인덕터 파라미터를 도시한 그래프이다. 4개의 병렬적인 SO 채널의 오실로스코프 파형(F1-4)도 도시된다. 결과로 나온 고 Q 탱크는 높은 TFT 노이즈에 대해 오실레이터 지터를 개선시킨다. 이러한 오실레이터 지터는 시스템 SNR에 대한 제한을 제기하므로 이는 중요한 요소이다. 측정된 지터는 모든 오실레이터에 대해 5.4sRMS 미만이다.
B. 박막 스캐닝 회로
TFT 스캐닝 회로는 많은 수의 행에 확장가능하고 순차적인 행-인에이블 신호(EN<i>)를 생성하도록 구성되고, CMOS 리드아웃 IC로부터의 최소의 수의 신호를 사용한다. EN<i> 신호는 SO(도 10 참조)의 테일 TFT를 구동한다. 스캐닝 회로에 대한 과제는, 한 편으로는, (정귀한 오실레이션 조건을 충족하기 위해) 크고 빠른 출력 전압 스윙이 SO 장치 내의 적합한 전류(트랜스컨덕턴스)를 위해, 그리고 높은 스캔 속도를 위해 요구된다는 것과, 다른 한 편으로는 특히, 대량 공급 전압 및 요구되는 스윙과 속도에 대한 장치를 사용할 때, 표준 a-Si 공정 내에 PMOS 장치의 부재가 크고 정적인 전류로 이어질 수 있고, 전력 소비를 높일 수 있다는 것이다.
도 12는 스캐닝 회로(252)의 블록도이다. 사용된 회로는 본원에 전체가 참조로서 포함되는, T. Moy, W. Rieutort- Louis, Y. Hu, L. Huang, J. Sanz-Robinson, J. C. Sturm, S. Wagner and N. Verma, "Thin-Film Circuits for Scalable Interfacing Between Large-Area Electronics and CMOS 7Cs ," Device Research Conference, June, 2014에 기술된 설계와 유사하다. 다른 스캐닝 회로가 본 개시물의 범위에서 벗어남 없이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 스캐닝 회로는 CMOS 리드아웃 IC로부터 오직 3개의 제어 신호만을 요구하는데, 이는 2-위상 클록 신호(CLK_IC,
Figure pct00001
) 및 글로벌 리셋(GRST _IC)이다. (CMOS 3.6V IO 전압을 ~15V로 전환시키는) 레벨 컨버터를 별론으로 하고, 정적인 전력 소모는 한 번에 하나의 스캔 요소(Scan[i])에 의해 소비된다. 이는 전체 전력 소비에서 최소의 스케일링(scaling)으로 복수의 행에서의 확장성(scalability)을 가능하게 한다. PMOS 장치의 부재에도 불구하고, TFT 공급 전압에 가까운 풀 스윙이 있는 EN<i> 출력이 생성된다.
도 13a 및 13b는 레벨 컨버터 및 체인 내의 NTH 스캔 요소에 대해 측정된 동작 파형을 도시한 그래프이다. 레벨 컨버터는 입력 AC-커플링 네트워크(도 12 참조)를 통한 적절한 이득을 위해 바이어스된 공통-소스 증폭기이다. AC-커플링 시상수는 클록 펄스를 보존하기에 충분히 느리게 설정된다. 빠른 상승 시간을 위해 선택된 낮은-값 부하 레지스터는 공통-소스 증폭기의 출력이 접지에 완전히 이르는 것을 막는다. 접지까지의 스윙을 달성하기 위하여, 출력 커패시터 및 NMOS가 포함되어서, 스캔 요소 내의 정전류의 최대 게이팅(gating)을 보장한다.
스캔 요소(도 12 참조)는 일반적으로 다음과 같이 동작한다. 처음에, 오직 EN<N> 노드가 글로벌-리셋 신호(GRST)를 통해 접지로 방전된다. 그리고 나서, 스캐닝 동안에, NTH 스캔 요소는 N-1 요소로부터 차지-인 신호(CIN)를 수신하여 CLK/
Figure pct00002
에 의해 구동된다. 이는 내부 커패시터 Cint의 두 플레이트를 방전시킨다. 이후에, CIN 이 로우로 가면, 풀-업 레지스터는 Cint의 하단 플레이트를 하이로 충전한다. Cint(470pF)가 출력에 로딩하는 기생 커패시터 보다 더 크게 설정되어서, EN<N>이 공급 전압에 가까운 값으로 상승하도록 한다. 그리고 나서, 이는, CLK/
Figure pct00003
에 의해 제어될 때, COUT이 하이로 갈 수 있게 한다. 이후에, Cint의 상단 플레이트가 N+1 요소로부터 수신된 리셋 신호(RST)를 통해 방전된다. 이후에, Cint의 상단 플레이트 상의 TFT에 의한 누설 전류는 이 상태에서 출력 전압을 유지시키는 역할을 한다. 이는, 동적인 출력 노드의 활성 리셋간의 더 긴 시간에도 불구하고, 스캔 요소의 수가 강건하게 증가되도록 한다. 추가적으로, CIN이 한 번에 하나의 스캔 요소만에 대해 어써트되기 때문에, 활성적이고 정적인 전력은 체인 내의 요소의 수로 스케일되지 아니한다.
실험 결과
도 14는 프로토 타입의 터치 센싱 시스템(262)의 다이어그램이다. 터치 센싱 시스템(252)은 IBM으로부터의 130nm으로 제작된 맞춤형 CMOS 리드아웃 IC(264) 및 50㎛ 폴리이미드(C2F 시트의 절반만 간결성을 위해 도시됨) 상의 하우스 내에 제작된 TFT 회로(266)를 포함한다. TFT 프로세싱은 180℃에서 하이드로제네이티드 a-Si(a-Si:H)에 기초한다. SO의 크로스-결합된 TFT는 저주파수 채널(F3 및 F4)에 대해 3600㎛/6㎛의 크기로 되고, 고주파수 채널(F1 및 F2)에 대해 1800㎛/6㎛의 크기로 된다. 스캔 회로의 TFT는 2000㎛/10㎛(CIN TFT) 및 1000㎛/10㎛(GRST, RST 및 CLKTFT)로 크기된다. 레벨 시프터의 TFT는 공통-소스 증폭기에 대해 7200㎛/10㎛ 및 출력 풀-다운 장치에 대해 3000㎛/10㎛의 크기로 된다.
도 15a 및 15b는 구리 전극을 사용하여 민감도 측정을 나타낸 그래프이다. 도 15a는 리드아웃 SNR 및 TDC 코드(RMS 막대를 사용하여)가 나타나고, 센싱 전극 위에 위치된 손에 대한 거리를 도시하는데, 도시된 바와 같이, 실질적인 SNR은 16cm 까지 유지된다(10cm에서 22dB SNR). 도 15b는 SNR 및 TDC 코드가 도시되는데, 센싱 전극 5cm 위에 위치된 손에 대한 수평 변위를 도시하는데, 22dB SNR은 5cm의 변위에 대해 달성된다(사용된 10cm 전극 피치에 대해 최악의 변위에 해당함).
도 16a 및 16b는 시간 도메인에서 측정된 파형 및 리드아웃 출력을 나타낸 그래프이다. 도 16a는 TFT 스캔 회로에 의해 생성된 라운드-로빈 EN<1-4> 신호를 도시한 그래프이다. 도 16b는 6cm의 거리에서 전극의 행에 걸쳐서 손을 스와이프(swipe)하는 동안 CMOS 리드아웃 IC로부터 얻어진 주파수 시프트(shift)를 도시한 그래프이다(도시된 주파수 변화 Δf는 얻어진 TDC 코드로부터 파생됨).
도 17은 프로토 타입의 터치 센싱 시스템의 성능 요약을 도시한 표이다. 시스템은 10cm 거리에서의 손으로 22dB의 SNR을 달성한다. 10cm의 거리에서, x,y-방향 분해능은 1.8cm이고, z-방향 분해능은 1cm이다. 4-채널 CMOS 리드아웃 회로는 1.8mW를 소비한다. TFT SO 어레이와 스캐닝 회로는 20V 공급으로부터 24mW를 소비한다. 1kHz에서 실행되는 스캐닝 회로로, 리드아웃 시간은 행 당 1ms여서, 240Hz 스캔 속도를 가능하게 한다.
3D 제스처 센싱은 인간-컴퓨터 인터페이스를 하도록 한다. 전형적인 생활권에서 물체와 표면 내에 통합될 수 있는 잠재력 때문에, 대-면적 시트로 확장할 수 있고, 플렉서블 폼 팩터(form factor)에 기초한 시스템이 특히 관심있다. 커패시티브-센싱 시스템은 확장된 범위를 달성하는 능력을 최근에 시연하여서, 이들이 3D 제스처 센싱에 실행가능하도록 하였다. 본 명세서에 기술된 것은 프린징(fringing)을 줄이거나 제거하도록 구성되고, 또한, 픽셀-기반의 터치 센싱 시스템을 위해 제공하도록 구성된 구조물이다. 이전에 시스템은 고스트 효과 없이 복수의 제스처를 동시에 검출하고 분리시키는 제한된 능력을 가졌다. 개시된 구조물은 프린징이 감소되면서, 확장된-범위 커패시티브 센싱(>16cm)을 구조화하고, 확장가능한 픽셀의 어레이도 포함할 수 있다. 센싱에 기초한 이전의 픽셀은 리드아웃 IC에 대해 증가된 수의 인터페이스에 대한 필요성 때문에 과제를 제기하였다. 개시된 시스템은 픽셀 커패시턴스-투-주파수 전환을 위한 TFT 센싱 오실레이터(SO) 및 픽셀 SO의 행을 순차적으로 인에이블하기 위한 TFT 스캐닝 회로를 사용함에 의해, 상기 과제를 극복한다. 따라서, 모든 픽셀은 유도성 커플링을 통해 하나의 인터페이스를 통한 리드아웃 IC에 인터페이스를 한다. 모든 TFT 회로는 플렉스 상의 인-하우스 제작되고, IC는 IBM으로부터 130nm CMOS 공정을 사용하여 제작된다. 픽셀의 4×4 어레이를 사용하여, 40cm×40cm의 센싱 면적에 걸치고, 시스템은 IC에 대해 1.8mW 및 TFT 회로에 대해 24mW의 전력 소비로 초당 240 프레임 이상의 스캔 속도를 달성한다.
개시된 장치의 추가 설명은 Y. Hu, L. Huang, W. Rieutort-Louis, J. Sanz Robinson, S. Wagner, J. C. Sturm, and N. Verma, "3D Gesture Sensing System for Interactive Displays Based on Extended-range Capacitive Sensing," Int'l Solid-State Circuits Conf. (ISSCC), Feb. 2014 및 Yingzhe Hu, Tiffany Moy, Liechao Huang, Warren Rieutort-Louis, Josue Sanz Robinson, Sigurd Wagner, James C. Sturm, Naveen Verma, "3D Multi-Gesture Sensing System for Large Areas based on Pixel Self -Capacitance Readout using TFT Scanning and Frequency-Conversion Circuits."라는 논문에 있다. 또한, 이들 참조 문헌은 본 출원의 일부이고, 본 명세서에 전체가 제시된 것과 같이 참조로서 포함된다.
본 명세서에 나열된 임의의 그리고 모든 참조문헌은 본 출원의 일부이고, 본 명세서에 전체가 제시된 것과 같이 참조로서 포함된다. 많은 변형예가 본 명세서에 개시된 것에 기초하여 가능하다는 것을 이해해야 한다. 특징 및 요소가 특정 조합으로 상기에 기술되지만, 각각의 특징 또는 요소가 다른 특징 및 요소 없이 단독으로 사용될 수 있고, 또는 다른 특징과 요소가 있거나 없거나 다양한 조합으로 사용될 수 있다. 본 명세서에 제공된 방법이나 흐름은 컴퓨터 프로그램, 소프트웨어 또는 일반 목적의 컴퓨터나 프로세서에 의한 실행을 위한 비-일시적 컴퓨터-리드가능한 저장소에 포함된 펌웨어에서 실행될 수 있다. 컴퓨터-리드가능한 저장 매체의 예시는 리드 온리 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 레지스터, 캐시 메모리, 반도체 메모리 장치, 내부 하드 디스크와 제거가능한 디스크와 같은 자기 매체, 자기-광학 매체 및 CD-ROM 디스크와 같은 광학 매체 및 디지털 다목적 디스크(DVD)를 포함한다.

Claims (20)

  1. 터치 표면 위에 위치된 터치 입력을 검출하도록 구성된 터치 표면을 가진 3차원 터치 센싱 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    터치 표면에 배치된 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극 - 각각의 전극은 베이스라인 커패시턴스 및 터치 입력에 기초한 터치 커패시턴스를 가짐 - 과,
    터치 표면 아래에 배치된 오실레이팅 평면과,
    베이스라인 커패시턴스에서 터치 커패시턴스로 전극 커패시턴스에서의 변화에 기초하여, 베이스라인 주파수에서 터치 주파수로 시프트되는 주파수를 가진 AC 신호로 터치 센싱 전극들 중 하나를 구동하도록 구성되는 터치 검출기 - 상기 터치 검출기는 오실레이팅 평면을 터치 주파수로 구동하도록 구성됨 - 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 터치 표면은 오실레이팅 평면 아래에 위치된 공통 전극을 가진 디스플레이인 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 복수의 행 전극 및 복수의 열 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 2차원 어레이로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 오실레이팅 평면으로 직사각형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 오실레이팅 평면은 복수의 독립적으로 구동가능한 세그멘트로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 터치 검출기는 베이스라인 커패시턴스에서 터치 커패시턴스로 전극 커패시턴스에서의 변화에 기초하여, 터치 표면으로부터 터치 입력까지의 거리(Z)를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 터치 표면에 대한 X-Y 기하 관계를 가지고, 터치 검출기는 터치 표면에 대한 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극의 X-Y 기하 컨피규레이션에 기초하여 터치 입력의 X-Y 위치를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    시스템은 주파수-리드아웃 집적회로(IC)를 더 포함하고, 터치 표면은 커패시턴스-투-주파수 전환 회로로 구성되고, 주파수-리드아웃 IC는 주파수 투 디지털 전환 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 커패시턴스-투-주파수 전환 회로망에 결합된 유도성 루프를 더 포함하되, 주파수-리드아웃 IC는 유도성 루프에 유도적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 시스템.
  11. 터치 표면 위에 위치된 터치 입력을 검출하도록 구성된 터치 표면을 사용하기 위한 3차원 터치 센싱 방법에 있어서, 상기 방법은,
    터치 표면에 배치된 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극 - 각각의 전극은 베이스라인 커패시턴스 및 터치 입력에 기초한 터치 커패시턴스를 가짐 - 을 제공하는 단계와,
    터치 표면 아래에 배치된 오실레이팅 평면을 제공하는 단계와,
    베이스라인 커패시턴스에서 터치 커패시턴스로 전극 커패시턴스에서의 변화에 기초하여, 베이스라인 주파수에서 터치 주파수로 시프트되는 주파수를 가진 AC 신호로 터치 센싱 전극들 중 하나를 구동하고, 오실레이팅 평면을 터치 주파수로 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 터치 표면은 오실레이팅 평면 아래에 위치된 공통 전극을 가진 디스플레이인 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 복수의 행 전극 및 복수의 열 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 2차원 어레이로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 오실레이팅 평면으로 직사각형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 오실레이팅 평면은 복수의 독립적으로 구동가능한 세그멘트로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 베이스라인 커패시턴스에서 터치 커패시턴스로 전극 커패시턴스에서의 변화에 기초하여, 터치 표면으로부터 터치 입력까지의 거리(Z)를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 방법.
  18. 제 11 항에 있어서, 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극은 터치 표면에 대한 X-Y 기하 관계를 가지고, 터치 표면에 대한 복수의 커패시티브 터치 센싱 전극의 X-Y 기하 컨피규레이션에 기초하여 터치 입력의 X-Y 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 방법.
  19. 제 11 항에 있어서, 주파수-리드아웃 집적회로(IC)를 제공하는 단계를 더 포함하고, 터치 표면은 커패시턴스-투-주파수 전환 회로로 구성되고, 주파수-리드아웃 IC는 주파수 투 디지털 전환 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 커패시턴스-투-주파수 전환 회로망에 결합된 유도성 루프를 제공하는 단계를 더 포함하되, 주파수-리드아웃 IC는 유도성 루프에 유도적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 3차원 터치 센싱 방법.
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