壓力傳感裝置、壓力檢測器及包括這些的裝置的制作方法

本發明涉及壓力傳感裝置、壓力檢測器及包括這些的裝置。更詳細地涉及能夠提供根據壓力大小而以線性變化的信號的壓力傳感裝置、壓力檢測器及包括這些的裝置。
背景技術：
：為了操作計算系統，使用多種輸入裝置。例如，按鈕(button)、鍵(key)、控制桿(joystick)及觸摸屏等輸入裝置正被使用。由于觸摸屏的簡單又方便的操作，操作計算系統時的觸摸屏的使用正在增加。觸摸屏可以包含可以為具備觸摸感應表面(touch-sensitivesurface)的透明面板的觸摸傳感器面板(touchsensorpanel)。這種觸摸傳感器面板附著在顯示器屏的整個表面，從而觸摸感應表面可以覆蓋顯示器屏的可視表面。對于觸摸屏而言，使用者用手指等單純地接觸顯示器屏，由此使用者能夠操作計算系統。一般而言，觸摸屏識別顯示器屏上的接觸及接觸位置，計算系統通過對這種接觸進行解析，據此執行演算。此外，除對觸摸輸入裝置的觸摸表面的觸摸位置之外，用于檢測觸摸壓力的研究也一直持續著。此時，壓力傳感器可以另行于所適用的觸摸輸入裝置等而制作，但為了均勻的壓力大小的檢測，需要按所適用的各應用(application)修正壓力檢測電路。這是因為所適用的每個應用，壓力電極和基準電位層之間的距離等均不同。由此，產生了與所適用的應用無關，無需修正并且能夠簡單地檢測壓力大小的壓力檢測方法的需求。技術實現要素：本發明的目的在于，提供能夠提供根據壓力大小而線性變化的信號的壓力傳感裝置、壓力檢測器及包括這些的裝置。本發明的又一目的在于，提供能夠與所適用的應用無關的、不進行 電路修正就能夠簡單地檢測壓力大小的壓力傳感裝置及壓力檢測器。根據實施例的壓力傳感裝置可包括：電極；驅動部，其對上述電極施加驅動信號；檢測部，其通過上述電極接收包含如下信息在內的接收信號，上述信息是有關根據與上述電極分隔的基準電位層和上述電極之間的相對距離而變化的靜電容量的信息；以及上述驅動部和上述電極之間的第一阻抗、上述檢測部和上述電極之間的第二阻抗。根據實施例的壓力檢測器可包括：驅動部，其對上述電極施加驅動信號；和檢測部，其通過上述電極接收包含如下信息在內的接收信號，上述信息是有關根據與上述電極分隔的基準電位層和上述電極之間的相對距離而變化的靜電容量的信息，上述驅動信號可以在通過位于上述驅動部和上述電極之間的第一阻抗之后施加于上述電極，上述接收信號可以在通過位于上述檢測部和上述電極之間的第二阻抗之后被上述檢測部接收。根據實施例的裝置可被構成為包括基準電位層和壓力傳感裝置。根據本發明，可提供能夠提供根據壓力大小而線性變化的信號的壓力傳感裝置、壓力檢測器及包括這些的裝置。另外，根據本發明，能夠提供與所適用的應用無關的、不進行電路修正就能簡單地檢測壓力大小的壓力傳感裝置及壓力檢測器。附圖說明圖1是根據實施例的壓力傳感裝置的結構圖。圖2例示出根據實施例的壓力傳感裝置所適用的裝置的剖面。圖3示出根據第一例的壓力傳感裝置的等效電路。圖4是示出根據實施例的壓力傳感裝置的電極和基準電位層之間的距離變化所帶來的壓力檢測器的輸出信號的圖表。圖5是根據第二例的壓力傳感裝置的等效電路。圖6例示出不適合適用第二例的驅動信號的頻率變化。圖7a至圖7d分別例示出根據第三例的根據電極和基準電位層之間的距離變化而輸出非線性變化的信號的情況下的、電極結構、等效電路、距離變化所帶來的壓力電容的變化的圖表、以及距離變化所帶來的輸出信號的變化的圖表。圖8a至圖8d分別例示出根據第四例的電極和基準電位層之間的距離變化而輸出非線性變化的信號的情況下的、電極結構、等效電路、用于檢測壓力電容的時間圖、以及距離變化所帶來的輸出信號的變化的圖表。附圖標記說明100：壓力傳感裝置；10：電極；20：驅動部；30：檢測部；1000：觸摸輸入裝置；200：顯示器面板；300：基準電位層。具體實施方式以能夠實施本發明的特定實施例為示例參照附圖而進行下述的對本發明的詳細說明。對這些實施例進行詳細說明以能夠使本領域技術人員充分實施本發明。本發明的多種實施例雖然不同但應理解不存在相互排他的需要。例如，此處記載的特定形狀、結構及特性與一實施例相關，從而可以在不脫離本發明的構思及范圍內以其他實施例實現。此外，應理解：所示出的各實施例中的各構成要素的位置或者配置在不脫離本發明的構思及范圍的情況下可進行變更。因此，下述的詳細說明并不旨于限定含義，適當地說明本發明的范圍，則為包括權利要求所主張的和與此等同的所有范圍而僅由權利要求限定。附圖中類似的附圖標記指代在多個側面上相同或類似的功能。下文中，參照隨附的附圖對本發明的實施例的壓力傳感裝置100進行說明。圖1是根據實施例的壓力傳感裝置100的結構圖。參照圖1，根據實施例的壓力傳感裝置100可包括：電極10；驅動部20，其對電極10施加驅動信號；以及檢測部30，其從電極10接收包括有關靜電容量的信息在內的信號而檢測有關觸摸壓力的信息。在根據實施例的壓力傳感裝置100中，驅動部20對電極10施加驅 動信號，檢測部30通過上述電極10測定電極10和基準電位層300之間的靜電容量，由此能夠檢測壓力的大小。驅動部20可包括例如時鐘發生器(未圖示)及緩沖器(buffer，未圖示)，以脈沖形式生成驅動信號而將其施加于電極10。這僅僅是例示，可以通過多種元件實現驅動部20，并且驅動信號的形態也可以進行多種變形。根據實施例，驅動部20及檢測部30可以由集成電路(IntegratedCircuit)實現，可以形成在一個芯片(chip)上。驅動部20及檢測部30可以構成壓力檢測器。根據實施例的電極10可以由透明導電性物質(例如，由氧化錫(SnO2)及氧化銦(In2O3)等構成的ITO(IndiumTinOxide)或者ATO(AntimonyTinOxide))等形成。根據實施例，電極10也可以由透明導電性物質或不透明導電性物質形成。例如，電極10可包含銀墨(silverink)、銅(copper)和碳納米管(CNT，CarbonNanotube)中的至少任一個而構成。電極10可以以電極10和基準電位層300之間面對的表面較大的方式形成，以容易在與基準電位層300之間檢測靜電容量變化量。例如，可以以如圖8a所示的板狀圖案形成。下文中，以壓力傳感裝置100從一個電極10檢測壓力大小的情況為例進行說明，但根據實施例，壓力傳感裝置100可被構成為包括多個電極10而構成多個通道，從而根據多重觸摸(multitouch)可檢測多重壓力大小。根據實施例所涉及的電極10和基準電位層300的距離變化，電極10和基準電位層之間的靜電容量發生改變，在檢測部30檢知有關這種靜電容量變化的信息，由此能夠通過實施例所涉及的壓力傳感裝置100檢測壓力大小。根據實施例的壓力傳感裝置100，可以從電極10的自電容(selfcapacitance)值檢測壓力大小。圖2例示出根據實施例的壓力傳感裝置100所適用的裝置1000的剖面。圖2例示出通過根據實施例的壓力傳感裝置100檢測壓力的簡化的物理結構。根據實施例的壓力傳感裝置100可被構成為適用于包括基 準電位層300的裝置1000，從而能夠檢測對裝置1000施加的壓力大小。例如，電極10可在與基準電位層300之間隔開略微空間d而配置。此時，電極10和基準電位層300之間，可配置根據通過客體400進行的壓力的施加而可變形的(deformable)物質。例如，配置在電極10和基準電位層300之間的可變形的物質可以是空氣(air)、電介質、彈性體及/或減震物質。若客體400按壓形成觸摸表面的結構200的觸摸表面，則根據壓力大小，電極10和基準電位層300之間的距離減小。基準電位層300可以是由裝置1000所包括的任意的電位層。在實施例中，基準電位層可以是具有接地(ground)電位的接地層。隨著距離d的減小，在電極10和基準電位層300之間生成的電容器(Cp)的靜電容量值增加。即，隨著距離d的減小，電極10相對于基準電位層300的自電容值增加。可適用根據實施例的壓力傳感裝置100的裝置1000，可以是包括可檢測觸摸位置的觸摸傳感器面板及/或顯示器面板的觸摸輸入裝置1000。根據實施例的壓力傳感裝置100的電極10可以位于觸摸輸入裝置1000內的任意位置。例如，在圖2中電極10可配置在顯示器面板200下部。此時，基準電位層300可以是顯示器面板200的噪聲(noise)屏蔽層。或者，基準電位層300是為了屏蔽從用于啟動觸摸輸入裝置1000的主板(mainboard)上的中央處理器(CPU)或AP(ApplicationProcessor，應用處理器)等產生的噪聲的屏蔽層。此時，基準電位層300可以是在觸摸輸入裝置1000中用于將顯示器面板200和主板區分/支撐的中框架(mid-frame)。圖2中例示了電極10配置在顯示器面板200下部的情況，但這僅僅是例示，可以在觸摸輸入裝置1000內配置于與基準電位層300分隔規定距離的位置。另外，例示了在觸摸輸入裝置1000中，顯示器面板200的上部表面構成觸摸表面的情況，但這僅僅是例示，觸摸表面可以是任意的其他結構，只要隨著對觸摸表面的壓力施加，電極10和基準電位層300之間的距離發生變化即可。參照圖1，根據實施例的壓力傳感裝置100還包括驅動部20和電極10之間的第一阻抗12(Z1)、及檢測部30和電極10之間的第二阻抗13(Z2)。在下文中，對第一阻抗12及第二阻抗13進行詳細說明。圖3示出根據第一例的壓力傳感裝置100的等效電路。在圖3中例示了壓力傳感裝置100的電極10及檢測部30區域的等效電路。Vs是施加于電極10的驅動信號。例如，作為施加于電極10的驅動信號，可以是根據時間的電壓信號。例如，驅動信號Vs可以以一連串脈沖(pulse)形式施加。在驅動部20用于將驅動信號Vs施加于電極10的驅動端Tx、和在檢測部30用于從電極10檢知接收信號的接收端Rx之間，設置壓力電容器11(Cp)。可以將壓力電容器11以位于結合部14和作為基準電位層300的接地端之間的方式示出。此時，由于靜電容量根據電極10和基準電位層300之間的距離改變，故壓力電容器11可以以可變的形式表示。為了通過實施例所涉及的壓力傳感裝置100的壓力電容器11檢測壓力，電極10可以在第一阻抗12和第二阻抗13之間構成。在圖3中，例示了第一阻抗12和第二阻抗13均是單純的電容器(C1及C2)的情況。如圖3所示，通過將第一阻抗12和第二阻抗13均由電容器構成，能夠提供壓力傳感裝置100不依賴于驅動信號Vs的動作頻率的性能。在圖1及圖3中，可解釋成第一阻抗12和第二阻抗13作為在驅動部20和電極10之間及檢測部30和電極10之間，形成在集成有壓力檢測器的芯片(chip)的外部的情況。例如，第一阻抗12和第二阻抗13作為芯片外部可以形成在將芯片和電極連結的導電性線路(trace)等上。此時，第一阻抗12和第二阻抗13可被構成為與芯片非常接近。但這僅僅是結構上的實施例，第一阻抗12和第二阻抗13中一個或兩個都可以在集成有壓力檢測器的芯片上一起集成。通過將第一阻抗12和第二阻抗13在芯片內構成，無需另追加外部元件，從而能夠降低單價。另外，還與任意的用于壓力檢測的電極連結，從而能夠提供均勻的壓力檢測性能。在圖3中，根據實施例的檢測部30可包括電容傳感器而構成，該電容傳感器包括放大器31及反饋電容器32而構成。反饋電容器32是結合于放大器31的負(-)輸入端和放大器31的輸出端之間、即反饋路徑的電容器。此時，放大器的正(+)輸入端可以與接地(Ground) 端或基準電位Vref連接。另外，電容傳感器還可包括與反饋電容器32并聯連結的復位開關(resetswitch，未圖示)。復位開關可以對通過電容傳感器執行的從電流到電壓的轉換進行復位。放大器31的負輸入端通過接收端RX從電極10接收包括有關壓力電容器11的靜電容量的信息在內的電流信號之后，對該電流信號進行積分而轉換成電壓信號Vo。檢測部30還可包括能夠將通過了電容傳感器的模擬數據信號Vo轉換成數字化數據的ADC33(AnalogtoDigital，模數轉換器)。之后，數字化數據被輸入于AP或CPU等處理器等中而進行處理以獲得觸摸壓力的大小。根據實施例的檢測部30還可以進一步包括處理器而構成。參照圖2，若通過客體400施加壓力，從而電極10和基準電位層300之間的距離d減小，則壓力電容器11的靜電容量值增加。參照圖3的等效電路，電容傳感器的輸出信號Vo和驅動信號Vs之間的關系，可以由數學式(1)來表示。vo=-(C1C1+C2+Cp)·C2CFB·vs]]>數學式(1)參照數學式(1)，可知輸出信號Vo與驅動信號Vs的頻率無關。此時，假設Cp>>C1+C2的情況，則可以將數學式(1)簡化成下述數學式(2)。vo=-C1Cp·C2CFB·vsvo=-C1C2ϵACFB·d·vs]]>數學式(2)此時，可以用來表示。其中，ε是填充在電極10和基準電位層300之間的物質的電容率(εoεr)，A是電極10的面積，d是電極 10和基準電位層300之間的距離。由數學式(2)可知，輸出信號Vo與距離d成比例地線性變化。Cp、C1及C2的靜電容量值根據實施例/環境改變是顯而易見的，Cp使用幾百pF(picoFarad，皮法)范圍內的靜電容量值，C1及C2使用幾十pF范圍內的靜電容量值進行試驗，其結果能夠導出輸出信號Vo和距離d之間的線性關系。圖4是示出實施例所涉及的壓力傳感裝置100的根據電極和基準電位層之間的距離變化而產生的壓力檢測器的輸出信號的圖表。圖4的圖表是去除偏移(offset)等之后的圖表。參照圖4，可知：即使壓力電容器11的靜電容量的絕對值產生偏差，若基于壓力的距離d的變化量相同，則由此發生的輸出信號Vo的變化量也保持一定。例如，根據壓力傳感裝置100所適用的第一應用P-1和第二應用P-2，電極10和基準電位層300之間的距離d可能不同。但在使用根據實施例的壓力傳感裝置100的情況下，若根據所施加的壓力，電極10和基準電位層300之間的距離d的變化量相同(d1＝d2)，則輸出信號Vo的變化量也可以保持相同(Vo1＝Vo2)。圖5示出根據第二例的壓力傳感裝置的等效電路。在圖5中，第一阻抗12使用阻抗R1的情況下的驅動信號Vs和輸出信號Vo之間的等效電路。除了作為第一阻抗使用阻抗R1這一點之外，與圖3相同，省略重復說明。在圖5所示的壓力傳感裝置100中，驅動信號Vs和輸出信號Vo之間的傳遞函數，可以由下述數學式(3)來表示。vo=-{1/jω(C2+Cp)R1+1/jω(C2+Cp)}·C2CFB·vs]]>數學式(3)其中，假設Cp>>C2，則可以將數學式(3)簡化成數學式(4)。vo=-(11+jωCpR1)·C2CFB·vs]]>數學式(4)其中，ω＝2πf，f是驅動信號Vs的頻率。由數學式(4)可知，輸出信號Vo的大小隨著驅動信號Vs的頻率的增加而逐漸減小。此時，雖然根據數學式(4)，在輸出信號Vo和距離d之間并未形成完全的線性關系，但在固定的頻率下在輸出信號Vo和距離d之間具有幾乎線性的特性，因此在根據實施例的整體系統中，與第一例相同，能夠簡化信號處理。以上，以第一阻抗12是電阻性元件而第二阻抗13是靜電容量性元件的情況為例進行了說明，但在第一阻抗12是靜電容量性元件而第二阻抗13是電阻性元件的情況下也能適用。參照圖5可知，在根據實施例的壓力傳感裝置100中，第一阻抗12和第二阻抗13中至少一個不是單純的電容器元件，而是由電阻性元件構成的情況下，獲得根據驅動信號Vs的頻率，特性變化的輸出信號。Cp及C2的靜電容量值可以根據實施例/環境改變是顯而易見的，Cp使用幾百pF(picoFarad，皮法)范圍內的靜電容量值，C2使用幾十pF范圍內的靜電容量值進行試驗，其結果能夠導出輸出信號Vo和距離d之間的線性關系及根據頻率變化的特性。如上所述的使特性根據頻率變化的壓力傳感裝置100的結構可能不適合一部分應用。圖6例示出不適合使用第二例的驅動信號的頻率變化。例如，如圖6所示，壓力傳感裝置100在頻率f1下動作時，若輸入與頻率f1類似的波段的噪聲信號，則壓力傳感裝置100的SNR(SignaltoNoiseRatio，信噪比)可能下降。在這種情況下，為了避開噪聲，需要改變驅動信號Vs的驅動頻率。例如，若驅動信號Vs的驅動頻率改變成f2，則由數學式(4)可知，輸出信號Vo的大小減小。例如，如圖5所示，將第一阻抗12和第二阻抗13中至少一個由電阻性元件來代替的電路結構，可能不適合需要對驅動信號Vs的驅動頻率進行動態地改變的應用。下文中，根據實施例，對壓力傳感裝置100不包括第一阻抗12及第二阻抗13的情況進行說明。圖7a至圖7d分別示出根據第三例的根據電極和基準電位層之間的距離變化輸出非線性地變化的輸出信號的情況下的、電極結構、等效電路、距離變化所帶來的壓力電容變化的圖表、以及距離變化所帶來的輸出信號的變化的圖表。圖7示出以不包括第一阻抗12和第二阻抗13的方式檢測壓力的情況。如圖7a所示，電極10由第一電極10-1和第二電極10-2構成，從而能夠由第一電極10-1和第二電極10-2之間的靜電容量的變化檢測壓力。如圖7a所示的第一電極10-1和第二電極10-2與例如圖2的電極10相同，可以與基準電位層300分隔規定距離而配置。在通過客體400施加壓力的情況下，第一電極10-1及第二電極10-2與基準電位層300之間的距離減小。此時，在第一電極10-1和第二電極10-2之間發生的電場被基準電位層300吸收，因此第一電極10-1和第二電極10-2之間的壓力電容器11的靜電容量大小減小。圖7b例示圖7a所示的第一電極10-1和第二電極10-2之間的壓力靜電容量11在驅動端和檢知端之間串聯連結的等效電路。其中，驅動信號Vs和輸出信號Vo之間的關系式可由數學式(5)來表示。vo=-CPCFB·vs]]>數學式(5)此時，第一電極10-1和第二電極10-2之間的靜電容量中被基準電位層300奪去的靜電容量是邊緣(fringing)靜電容量。此時，壓力靜電容量11可由下述式來表示。CP＝CO+Cfringing＝CO+ad數學式(6)其中，Co是在第一電極10-1和第二電極10-2之間生成的固定靜電容量值，Cfringing是第一電極10-1和第二電極10-2之間的由邊緣現象產 生的靜電容量值。固定靜電容量是指與基準電位層300的距離d無關的、由第一電極10-1和第二電極10-2生成的靜電容量。在圖7c的電路中，具有電極10越接近基準電位層300，在第一電極10-1和第二電極10-2之間生成的邊緣場(fringingfield)越被基準電位層300奪去的結構，因此Cfringing值隨著距離d的增加而增加。數學式(6)將這種Cfringing值由距離d和系數α來表示。由數學式(5)及數學式(6)可知，輸出信號Vo的大小相對于距離d不具有線性關系，因此即使距離d的變化量相同(d1＝d2)，輸出電壓的變化量也不相同(Vo1<Vo2)。這種現象是導致壓力傳感裝置的信號處理過程復雜化的原因。由于相對于距離d變化量的壓力大小的解析，可能按各應用而不同，需要按各應用修正數值解析而適用。另外，這種結構的壓力傳感裝置100的壓力檢測性能受在制造過程中產生的壓力電容器11的絕對值的偏差的影響大。在上述情況下，例如需要按各應用調節電源電壓(例如，圖8b的VDD)及/或反饋電容器(CFB)值而調節增益(gain)，及/或在信號處理過程中需要單獨的校準(calibration)。另外，為了獲得適當大小的輸出信號Vo，例如發生壓力電容器11的值應具有與反饋電容器32(CFB)相似程度的小值的限制事項。圖8a至圖8d分別例示出根據第四例的電極和基準電位層之間的距離變化輸出非線性地變化的電壓信號的情況下的、電極結構、等效電路、用于檢測壓力電容的時間圖、以及距離變化所帶來的輸出電壓的變化的圖表。圖8示出以不包括第一阻抗12和第二阻抗13的方式檢測壓力的又一情況。在圖8a中示出作為第四例可用于壓力檢測的電極10。圖8a所示的電極10可以是與用于例如根據實施例的壓力傳感裝置100的電極10相同的電極。如圖2所示，電極10可以與基準電位層300分隔規定距離而配置。此時，電極10和基準電位層300之間的靜電容量可被用作壓力電容器11值。在圖8中，可不通過驅動部20施加另外的驅動信號Vs，而通過充電/放電開關21、22、23對電極10進行驅動。圖8b示出根據第二例的壓力傳感裝置的等效電路，圖8c示出用于由此檢測壓力的信號的時間圖。參照圖8b及圖8c，若第一開關21被接通，則壓力電容器11被充電至與第一開關21的一端連結的電源電壓VDD。若第一開關21被斷開后緊接著第三開關23被接通，則充入壓力電容器11的電荷被傳遞到放大器31，從而能夠獲得與該電荷相應的輸出信號Vo。若第二開關22被接通，則殘留在壓力電容器11的所有電荷被放出，若第二開關22被斷開后緊接著第三開關23被接通，則通過反饋電容器32電荷被傳遞到壓力電容器11，從而能夠獲得與該電荷相應的輸出信號。此時，用圖8b表示的電路的輸出信號Vo可由下述式表示。vo=-CPCFB·VDDvo=-ϵACFB·1d·VDD]]>數學式(7)由數學式(7)可知，輸出信號Vo與距離d成反比，因此如圖8d所示，具有輸出信號Vo相對于距離d不是線性的特性。這與在有關圖7中的描述相同，是導致壓力傳感裝置的信號處理過程復雜化的原因。另外，這種結構的壓力傳感裝置100的壓力檢測性能受在制造過程中產生的壓力電容器11的絕對值的偏差的影響大。另外，為了獲得適當大小的輸出信號Vo，例如發生壓力電容器11的值應具有與反饋電容器32(CFB)相似程度的小值的限制事項。根據本發明的實施例的壓力傳感裝置100包括第一阻抗12和第二阻抗13而構成，由此即使是電極10和基準電位層300之間的距離d在壓力傳感裝置100所適用的每個應用不同的情況下，也能夠不對電路進行修正就適用。這是因為，根據實施例的壓力傳感裝置100的檢測部30能夠提供根據距離d變化量線性變化的信號。此時，通過將第一阻抗12和第二阻抗13均由靜電容量性元件構成，能夠提供與驅動信號的頻率無關的輸出性能。此外，上文中以實施例為中心進行了說明，但這僅僅是示例，并不旨 于限定本發明，若為本發明所屬的領域中具有常規知識的人，則可知在不脫離本實施例的本質特性的范圍內可以進行在上文中未示出的各種變形及應用。例如，可以對實施例中具體示出的各構成要素進行變形而實施。此外，與這種變形及應用相關的不同點應被解釋為包含在隨附的權利要求書所規定的本發明的范圍內。當前第1頁1 2 3