A capacitive touch screen technology introduces new concept in user interface such as the multi touch, pinch zoom-in/out gestures, thus expanding smart phone market bigger and wider. However, the capacitive touch screen technology still is suffering from the performance degradation like low frame scan rate, poor accuracy, etc. One of the key performance factors is the immunity to the external noise which is intruding randomly into the touch screen system. HUM, display noise, SMPS can be such noise sources. Main electricity power gives HUM, one of the huge noise, which has 50 or 60Hz. Display noise is emitted when LCD or OLED is driven by the internal timing controller which generates the driving signal with tens of KHz range. The touch performance of On-Cell or In-Cell touch display is affected much seriously by this kind of noise because the distance between the display pixel layer and the capacitive touch screen panel is getting closer. SMPS is another noise source which ranges up to 300KHz. The charger for smart phone, USB port in the computer, tri-phosphor fluorescent light bulb can be examples of SMPS.
A time-interleaving sensing method is adopted in conventional noise reduction techniques. The access time to measure Cm of each node is stretched longer to reduce the noise. As more sensing nodes with bigger display size, however, the time-interleaving sensing method cannot avoid the degradation of the frame scan rate. This work proposes code-division multiple sensing (CDMS) method to solve all of the above problems. By Parseval’s theorem, to get higher SNR for the touch screen system with the wide band noise distribution, the power spectral density of the signal should be higher, which necessitates longer access time inevitably. Thus there is trade-off between SNR and access time in the time-interleaving sensing method. This can be overcome, however by adopting CDMA technique, a well-established method in RF communication system. The proposed CDMS method can emit higher excitation signal power than the time-interleaving method does, because it allows driving multiple TX electrodes simultaneously in a given time. By this simultaneous multiple stimulus and sensing characteristic of CDMA, a high frame scan rate can be achieved with low noise.
This work also proposes a double sampling switched-capacitor (DS-SC). This circuit is consisted of 2 integrators. One is conventional non-inverting switched-capacitor and the other is inverting switched-capacitor. By its characteristics, the circuit can remove external low frequency noise (such as HUM) by its double-sampling characteristics and also can remove internal low frequency noise (such as input-referred flicker noise of OPAMP) by additional chopping operation. The circuit is free from offset and mismatch of 2 integrators and higher yield rate can be achieved.
The prototype for CDMS touch sensor read-out IC is fabricated in a 0.18-um EEPROM/MIM CMOS technology. By adopting newly proposed CDMS DS-SC for 30 $\times$ 24 touch screen panel, this work obtained 55dB SNR for finger, 35dB SNR for ø1mm round-tip metal pillar with 240Hz frame scan rate. This performance is 2 times faster and 10 times better SNR than the time-interleaving sensing method.
정전하 터치 센서는 저항막 방식에 비하여 멀티 터치와 제스처가 가능하다는 장점 때문에 유저 인터페이스의 큰 혁신을 가져옴으로써 스마트폰 시장이 폭발적으로 증가하는데 큰 역할을 하였다. 하지만 전기적인 노이즈에 취약하기 때문에 저항막 방식에 비하여 속도가 느리고 정확도가 떨어진다는 단점이 있다.
정전하 캐패시턴스는 다수의 TX 전극과 다수의 RX 전극이 서로 교차하여 만나는 2차원으로 분포된 캐패시터의 정전용량을 측정해야 하는데, 이를 측정하기 위한 기존 방법은 다수의 TX 전극중 단일 전극만을 구동시켜 동작하는 시분할 방법이 사용되었다. 여러 전기적인 노이즈가 존재하는 정전하 터치 센서에서 신호대 잡음비를 높이기 위해서는 더욱 긴 센싱 시간을 요구한다. 또한 디스플레이의 크기가 커지고 Windows 8과 같은 규격이 등장함에 따라 요구되는 정확도의 증가로 인하여 정전하 터치 센서의 센싱 전극수가 급격히 늘어나는 추세이다. 기존의 시분할 방식을 이용한 센싱 방법에서는 요구되는 신호대 잡음비를 유지하면서 늘어나는 센싱 노드를 측정하기 위해서 응답 속도의 희생이 불가피 했다.
본 논문에서는 이러한 기존의 문제점을 근본적으로 극복하기 위하여 기존 통신분야에서 잘 정의된 코드분할 다중 접속방식(CDMA)을 활용한 코드분할 다중센싱(CDMS) 방법의 정전하 터치 센서를 제안한다. 이를 이용하면, 직교 성분을 갖는 수열을 이용하여 다수의 TX 전극에 동시에 구동함으로써 센싱 시간을 극적으로 줄일 수 있으며 특히 요구되는 센싱 노드가 많아져도 성능 저하가 없다는 큰 장점이 있다.
또한 본 논문에서는 기존의 스위치드 캐패시터 회로가 갖는 한계를 극복하고 제안하는 코드분할 다중 센싱 방법을 효과적으로 적용하기 위하여 더블-샘플링 스위치드 캐패시터(DS-SC) 회로를 제안한다. OPAPMP 두 개로 이루어진 제안된 회로를 통해 DC 근처의 노이즈를 효과적으로 제안할 수 있는 장점이 있다. 하지만 제안된 회로는 두 OPAMP의 편차에 의해 양산시 수율에 큰 문제가 될 수 있는데, 이를 해결하기 위한 chopping 방법도 제안한다. 결과적으로 제안하는 DS-SC회로는 두 OPAMP의 편차에 영향이 없고 HUM과 같은 외부의 DC 노이즈를 제거할 수 있으며 OPAMP 자체의 flicker 노이즈 또한 제거할 수 있다.
본 논문에서는 제안된 성능을 확인하기 위하여 30 TXs, 24RXs를 갖는 시제품 IC를 설계하고 측정하였다. 만들어진 chip은 제안된 회로뿐만이 아니라 EEPROM, MCU, I2C, LDO, 주파수 발진기 등 터치 센서부터 좌표 계산을 위한 DSP 그리고 이를 휴대폰과 같은 휴대장치로 보내기 위한 호스트 인터페이스 등을 모두 갖추고 있다.
5” ITO TSP를 이용하여 진행된 측정결과에서, 제안하는 CDMS DS-SC 방식은 단일 손가락에서 55dB, 1mm 팁을 갖는 금속 스타일러스 펜에서는 35dB의 SNR을 240Hz의 동작속도에서 얻을 수 있었다. 이는 동일 칩에서 기존의 시분할 방식을 이용하여 DS-SC 를 구동 후 얻은 결과보다 응답속도는 2배 빠르며 신호대 잡음비는 10배가 높다.
