커패시턴스 센서는 인간과 기계 간 인터페이스를 위한 새롭게 등장하고 있는 기술이며 다양한 제품들과 기기에 걸쳐 선호하는 기술로 빠르게 자리잡고 있다. 커패시턴스 센서는 광범위한 휴대형 제품 및 컨수머 제품에서 혁신적이면서 사용하기 쉬운 인터페이스를 가능하게 한다. 설계하기 쉬운 커패시턴스 센서는 PCB 제조 기법을 사용하고있으며 기계식 스위치 보다 더욱 신뢰성이 높다.
글│수잔 프랫(Susan Pratt), 아나로그디바이스

Q1 커패시턴스 센서는 무엇인가?

A1 커패시턴스 센서는 어떤 사물이나 누군가가 센서에 가까이 오거나 건드렸을 때 커패시턴스에서 발생하는 변화를 감지한다. 이 기술은 액체의 수위, 습도 및 재료 구성 등을 측정하기 위해 수년간 산업용 애플리케이션 분야에서 사용되어 왔다. 최근 들어 가장 폭넓게 사용되고 있는 새로운 애플리케이션은 휴먼-기계 인터페이스이다. 기계식 버튼, 스위치, 조그 휠(Jog Wheel) 등은 사용자와 기계 간의 인터페이스로 오랫동안 사용되어 왔다. 그러나 이 장치들이 갖고 있는 수많은 단점 때문에, 인터페이스 설계자들은 좀 더 안정적인 솔루션을 요구해왔다. 커패시턴스 센서는 버튼과 동일한 방식으로 사용될 수 있으나, 이것 또한 128개의 위치 스크롤 바가 함께 구현될 때 더욱더 다양한 기능들을 발휘할 수 있다.

현재 아나로그디바이스는 휴먼-기계 인터페이스 애플리케이션에서 커패시턴스 센스를 구현하도록 특별히 설계된 집적회로(IC)를 갖고 있다. 예를 들어, AD-7142와 AD7143은 각각 최대 14개의 커패시터 센서, 8개 커패시터 센서를 자극하고 반응할 수 있다. 이 제품들은 커패시턴스 센서에 여기(勵起․excitation)를 제공해 사용자가 접근함에 따라 발생되는 커패시턴스 내의 변화를 감지하여, 디지털 출력을 제공한다.

Q2 커패시턴스 센스는 어떻게 동작하는가?

A2 기본적인 센서는 수신기와 발신기(Transmitter)를 포함하고 있으며, 이들 각각은 PCB층에서 형성된 금속 트레이스로 구성되어 있다. 그림 1에서 보는 것처럼, AD714x는 온-칩 여기 소스를 갖추고 있으며, 이것은 센서의 발신기 트레이스로 연결된다. 수신기와 발신기 트레이스 사이에서는 전기장이 형성된다. 대부분의 전기장은 센서 PCB의 2개의 층 사이로 밀집된다.

그러나 주변 전기장은 PCB 외부에서 발신기로 확대되며, 수신기로 다시 되돌아가 끝난다. 수신기에서의 전기장 세기는 온-칩 시그마 델타 커패시턴스-투-디지털 컨버터에 의해 측정된다. 전기 환경은 사람 손이 주변 전기장을 침범했을 때 변경되며, 전기장의 일부분은 수신기에서 종결되는 대신 접지 상태로 연결된다. 그 결과로 인한 커패시턴스의 감소는 - 대부분의 전기장을 위한 피코패럿(Picofarad)과 비교해 팸토패럿(Femtofarad)의 명령으로 - 컨버터에 의해 감지된다.

일반적으로, 커패시턴스 센스 솔루션에는 3가지의 영역이 있으며, 아나로그디바이스는 이 3가지 영역 모두를 지원한다.(그림 2)

드라이버 IC는 여기, 커패시턴스-투-디지털 컨버터, 모든 환경에서 정확한 결과를 보장하는 보정 회로 기능을 제공한다.

센서 - 버튼, 스크롤 바, 스크롤 휠, 혹은 혼합된 상태의 트레이스 패턴을 갖춘 PCB. 이 트레이스는 구리, 탄소 또는 은이 될 수 있으며, 반면 PCB는 FR4, 플렉스(Flex), PET, 혹은 ITO가 될 수 있다.

호스트 마이크로컨트롤러에 대한 소프트웨어는 시리얼 인터페이스, 디바이스 셋업을 비롯해 인터럽트 서비스 루틴을 구현한다. 스크롤 바 및 휠과 같은 고해상도 센서의 경우, 호스트는 소프트웨어 알고리즘을 동작시켜 높은 해상도 출력을 달성시킨다. 모든 소프트웨어는 버튼이 필요없다.

Q3 커패시턴스 센스의 장점은 무엇인가?

A3 커패시턴스 센서는 여러 가지 이유에서 기계식 센서보다 신뢰성이 높다. 움직이는 부품(Moving Part)이 없기 때문에 센서에 휴대시키거나 구멍을 낼 필요가 없고, 센서는 예를 들어 MP3의 플라스틱 커버와 같은 피복재에 의해 보호된다. 사람이 센서를 직접 만지지 못하므로 먼지나 유출로부터도 보호 가능하다. 이러한 점은 커패시턴스 센서가 항상 깨끗한 상태를 유지해야 하는 기기들(센서는 아주 강한 세척제를 사용해도 무방하기 때문에) 및 휴대용 기기처럼 커피를 엎지르는 등 사고가 발생할 수 있는 기기들에 매우 적합하다.

Q4 AD714x IC가 어떻게 동작하는지 자세한 설명을 말해 달라.

A4 이 커패시턴스-디지털 컨버터들은 휴먼 인터페이스 애플리케이션에서 사용되는 커패시턴스 센스를 위해 특별히 고안된 것이다. 이 디바이스의 핵심은 16비트 시그마 델타 CDC이고, 이 CDC가(스위치 매트릭스를 통해 라우팅된) 커패시티브 입력 신호를 디지털 값으로 변환시킨다. 변환 값은 온-칩 레지스터에 저장된다. 온-칩 여기 소스는 250kHz 구형파(Square Wave)이다.

이 호스트는 시리얼 인터페이스에 대한 결과를 읽는다. SPI£- 혹은 I2C£- 호환 가능한 인터페이스를 이용할 수 있는 AD7142는 14개의 커패시턴스 입력 핀을 갖고 있다. I2C 인터페이스를 갖춘 AD7143은 8개의 커패시턴스 입력 핀을 가지고 있다. 시리얼 인터페이스는 인터럽트 출력과 더불어, 디바이스들이 어떤 시스템에서도 호스트 마이크로컨트롤러에 쉽게 접속할 수 있게 한다.(그림 3)

이러한 디바이스들은 최대 14개의 외부 커패시턴스 센서와 인터페이스 하며, 버튼, 바, 휠 또는 혼합된 센서 유형으로 조정된다. 이 외부 센서들은 IC와 직접 인터페이스하는 2개 혹은 4개 층의 PCB에서 전극으로 구성된다.

이러한 디바이스들은 온-칩 레지스터를 프로그램 함으로써 입력 센서 세트와 인터페이스 할 수 있도록 설정될 수 있다. 레지스터들은 외부 센서 각각에 대해 평균을 내거나 오프셋 조정과 같은 기능을 제어하도록 설계될 수 있다. 온-칩 씨퀀서는 각각의 커패시턴스 입력이 어떤 방식으로 폴링 되는지를 관장한다.

AD714x는 온-칩 디지털 로직과 환경 보정을 위해 사용되는 528 단어의 RAM도 포함한다.

습도, 온도 및 기타 환경적 요인들은 커패시턴스 센서 동작에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이 디바이스들은 이러한 영향을 미치는 요소를 보정할 수 있도록 연속적인 측정을 수행하고, 항상 오류 없는 결과를 제공한다.

AD714x의 중요한 기능들 중의 하나는 감도 제어(Sensitivity Control)이다. 이것은 각 센서에 설정된 다른 감도를 전달해, 사용자의 터치가 얼마나 약한지 또는 강한지를 제어해 센서를 활성화시킨다. 구동 임계값(Activation Threshold)에 대한 독립적인 설정은 다른 크기의 센서 동작을 고려할 때 중요하다. 구동 임계값은 센서가 구동할 때 결정된다.

직경이 10mm인 대형 버튼과 5mm 직경의 소형 버튼을 가진 애플리케이션을 예로 들어보자. 사용자는 이 두 가지가 동일한 터치 압력으로 구동할 것으로 기대하나, 커패시턴스는 센서 영역과 관계가 있다. 따라서 더 작은 센서는 구동하기 위해 더 강한 터치가 필요하다. 최종 사용자는 동일한 효과를 위해 다른 것 보다 더 강하게 버튼을 누르지 말아야 한다. 따라서 각 센서에 대한 독립적인 감도 설정이 이 문제를 해결한다.

Q5 환경을 어떻게 고려해야 하는가?

A5 AD714x는 센서에서 커패시턴스 레벨을 지속적으로 측정한다. 센서가 구동하지 않을 때, 측정된 커패시턴스 값은 주변 값으로 저장된다. 사용자가 커패시턴스에 가깝게 다가가거나 접촉할 때, 측정된 커패시턴스는 감소하거나 증가한다. 임계값 커패시턴스 레벨은 온-칩 레지스터에 저장된다. 측정된 커패시턴스 값이 더 높거나 더 낮은 임계값 한계를 초과할 때, 센서는 그림 4에서 보는 것처럼 구동하는 것으로 간주하여, 입력 출력을 나타낸다.

그림 4는 주변 커패시턴스 값이 변화되지 않을 경우의 이상적인 상황을 제시한다. 실제로, 주변 커패시턴스는 항상 변화하며 온도 및 습도의 변화에 따라 예측할 수 없이 변화된다. 주변 커패시턴스 값이 충분히 변화되었다면, 이것은 센서 구동에 영향을 미칠 것이다. 그림 5에서, 주변 커패시턴스 값은 증가하고 있다; 센서 1은 정확하게 구동하고 있으나, 사용자가 센서 2를 구동하려고 시도할 때 오류가 발생한다. 주변 값은 증가하고 있다.

그러나, 센서 2에서 측정된 커패시턴스의 변화는 더 낮은 임계값 이하로 값을 변동시키기에 충분히 크지 않다. 센서 2는 사용자가 무엇을 하든지 간에 이제 구동될 수 없으며, 이 때 이 커패시턴스는 이러한 환경에서 더 낮은 임계값 이하로 감소될 수 없다. 최악의 가능성은 주변 커패시턴스 레벨이 더 높은 임계값 이상이 될 때까지 계속 증가하는 것이다. 이런 경우, 센서 1은 사용자가 구동하지 않으려고 해도 구동될 것이며, 주변 커패시턴스가 하락할 때까지 구동 상태로 남아 있게 될 것이다 - 이 센서는 `떨어지지 않을` 것이다.

온-칩 로직 회로는 변화 하는 주변 커패시턴스 레벨의 영향을 다루고 있다. 그림 6에서 보는 것처럼, 임계값 수치는 항상 일정하지 않으며, 주변 커패시턴스 레벨에서 변경을 추적해, 주변 레벨에서 떨어진 고정 거리를 유지시킨다. 이를 통해 사용자 구동으로 인한 커패시턴스 변경은 임계값 수치를 초과하기에 항상 충분하도록 보장된다. 임계값 수치는 온-칩 로직에 의해 자동으로 조정되며 온-칩 RAM에 저장된다. 사용자나 호스트 프로세서가 요구하는 입력은 없다.

Q6 커패시턴스 센스는 어떻게 적용되는가?

A6 위에서 언급했듯이, 센서 트레이스는 수많은 다른 유형과 크기로 사용할 수 있다. 버튼, 휠, 스크롤-바, 조이패드, 터치패드 유형은 센서 PCB에 트레이스로 놓여질 수 있다. 그림 7은 선택적인 커패시턴스 센서 레이아웃을 보여준다.

사용자 인터페이스를 구현하기 위한 수많은 옵션들은 커패시티브 버튼 센서를 이용한 기계식 버튼을 단순히 배치하는 것에서부터 8개의 출력 포지션을 갖춘 조이패드나 128개의 출력 포지션을 제공하는 스크롤 휠을 사용함으로써 버튼을 제거하는 방식에 이르기까지 다양하며, 설계자들이 이용할 수 있다.

하나의 디바이스를 사용해 구현될 수 있는 센서의 수는 어떤 유형의 센서이냐에 따라 달라진다. AD7142는 14개의 커패시턴스 입력 핀과 12개의 변환 채널을 가지고 있다. AD7143은 8개의 커패시턴스 입력과 8개의 변환 채널을 갖추고 있다. 위에 표는 각 센서 유형에 따라 요구되는 입력 핀과 변환단의 수를 보여준다. 센서의 수는 통합될 수 있으며 이용 가능한 입력과 채널 수에 따라 최고 제한을 둘 수 있다.

측정은 `라운드 로빈(Round-Robin)` 방식으로 순차적으로 연결된 모든 센서에서 수행된다. 모든 센서는 36ms 이내에 측정될 수 있으며, 각 센서 상태의 동시 감지도 가능하다. 이 때, 매우 신속한 사용자에게 40ms 이내에 센서를 구동시키거나 구동시키지 않게 할 것이다.

Q7 최초 사용자에게 어떤 설계를 제공할 수 있는가?

A7 아나로그디바이스는 커패시턴스 센서 설계자들이 이용할 수 있는 수많은 리소스를 보유하고 있다. 설계 과정의 첫 번째 단계는 애플리케이션에서 어떠한 유형의 센서를 요구하는 가를 결정하는 것이다. 사용자들이 핸드셋으로 교신이나 MP3 플레이어의 노래처럼 긴 리스트를 신속하게 살펴봐야 할 것인가? 만약 그렇다면, 사용자들이 이러한 리스트를 빠르고 효율적으로 살펴 볼 수 있는 있도록 스크롤 바나 스크롤 휠을 사용하는 것을 고려해 보자. 사용자들이 스크린 주위에 움직이는 커서를 제어해야 할 것인가? 그렇다면, X-Y 조이패드가 이 애플리케이션에 아주 적합할 것이다. 일단 필요로 하는 센서의 유형, 수, 크기가 결정되면, 센서 PCB 설계를 시작할 수 있다.

멘토 그래픽스 PADs 레이아웃 라이브러리는 커패시턴스 센스로 이용 가능한 설계 리소스의 일부로써 온라인을 통해 이용할 수 있다. 센서의 서로 다른 수많은 유형과 크기는 컴포넌트로 이 라이브러리에서 이용 가능하다. 이것은 PCB 레이아웃으로 직접 드래그 하여 드롭할 수 있다. 이 라이브러리는 터치 컨트롤러 시스템 블록 다이어그램(Touch Controller System Block Diagram)의 양방향 부품으로 이용 할 수 있다. 또한 애플리케이션 노트인 AN-854도 이용 가능하다. 이 애플리케이션 노트는 희망하는 센서를 신속하게 레이아웃 하기 위해 센서 라이브러리를 이용하는 방법에 대한 세부 사항, 팁, 요령을 제공한다.

PCB를 설계할 때, 구동 커넥터 및 변화하는 커패시턴스로 시스템 오류의 변화를 최소화시키는 센서로써 동일 보드에 AD7142나 AD7143을 배치하자. 다른 부품들, 예를 들어 LED, 커넥터, 기타 IC들은 커패시턴스 센서로써 동일 PCB에 올려질 수 있다. 그러나 센서 PCB는 센서 위의 에어 갭(Air Gap)을 보호하기 위해 피복재에 부착되거나 연결되어야 한다. 따라서 PCB 상의 다른 부품들의 배치는 이 점을 고려해야 한다.

RF 잡음이 중요한 애플리케이션의 경우, 이 때 RC 필터는 센서와의 간섭을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 센서 주위의 접지 면의 사용은 간섭을 최소화할 것이다. PCB는 2개 또는 4개의 층을 가질 수 있다. 4층식 설계는 IC와 센서 사이에서 라우트 할 수 있는 센서 구동 영역 외부에 공간이 없을 때 이용되어야 한다. 그러나 2층식 설계는 충분한 라우팅 공간이 존재할 경우 사용될 수 있다.

센서 트레이스와 커패시턴스 입력 핀 간 허용되는 최대 거리는 10cm이다. 그러나 하나의 센서는 한 방향에서 핀으로부터 10cm가 될 수 있으며, 또 다른 센서는 반대 방향의 핀에서 10cm가 될 수 있어 센서 간의 거리는 20cm가 허용된다.

Q8 나의 센서 PCB는 준비완료인가, 지금 무엇을 해야 하는가?

A8 커패시턴스는 자극시키기가 매우 어렵기 때문에 각 애플리케이션에서의 센서 반응은 AD7142/AD7143이 애플리케이션에 최적으로 설정되도록 보장하기 위해 특성화 되어야 한다. 이 특성화 과정은 애플리케이션 하나당 발생해야만 한다. 이 때 동일한 설정 값으로 각 개별적인 제품으로 사용된다.

센서들은 애플리케이션에서 특성화 된다. 이것은 모든 피복재가 센서의 상단 부분에 위치되어야 한다는 것을 의미하며, 센서 성능에 영향을 미칠 수 있는 다른 PCB나 부품들은 센서 주위에 배치시켜야 한다.

각 변환 채널의 경우, 우리는 다음과 같이 구성해야 한다:

디바이스의 CIN 입력 핀에서 컨버터에 이르는 내부 접속. 이것은 각 센서가 하나의 변환 채널을 사용해 컨버터에 연결되는 것을 보장한다.

센서 오프셋 값, CBULK를 위한 오프셋. 이것은 발송기와 수신기 전극 사이의 PCB 내에서 제한된 전기장과 관련된 커패시턴스이다. 이 값은 센서가 구동할 때 변경되지 않으나, 대신 측정 주변 커패시턴스 값에 대한 일정한 오프셋을 제공한다.

상위 및 하위 오프셋 레지스터에 대한 초기 값. 이 값들은 온-칩 로직에 의해 사용되어 각 센서에 대한 구동 임계값을 결정한다.

특성화를 수행하는 가장 쉬운 방법은 센서 PCB를 아나로그디바이스가 공급하는 AD7142/AD7143 평가 보드에 연결시키는 것이다. 평가보드에 포함되어 있는 마이크로컨트롤러와 소프트웨어는 센서 반응을 특성화 하고 설정 값을 저장하기 위해 사용될 수 있다.

Q9 어떤 종류의 반응을 예상할 수 있는가?

A9 센서의 실질적인 반응은 컨버터의 출력 변경으로 제한된다. 이 때 센서는 비활성에서 활성으로 진행한다. 이 변화는 센서의 영역에 따라 달라질 것이다 ? 센서 크기가 더 크면 클수록 센서가 활성화 될 때 더욱 많이 변경할 것이다. 센서 반응은 피복재의 두께에 따라 달라질 것이다 - 피복재의 두께가 매우 두꺼울 경우(4mm 또는 그 이상), 센서 반응은 최소가 될 것이다. 이 반응은 전기장이 매우 두꺼운 피복재를 통해 통과하지 않는 것으로, 사용자는 대규모 반응을 생성하는 접지에 대한 전기장을 충분히 연결하지 못할 것이다. 그림 8은 버튼 센서의 일반적인 센서 반응이다. 이것은 활성화된 센서와 비활성화된 센서 사이에서 약 250 LSB의 변화를 보여준다.

Q10 소프트웨어에 대해 언급하자면?

A10 호스트 프로세서와 AD7142/AD-7143간의 상호작용은 인터럽트 구동식이다. 호스트는 시리얼 인터페이스 SPI 또는 I2C를 구현한다. AD7142/AD7143은 센서가 감지되었을 때 호스트를 인터럽트 할 것이다. 호스트는 이 때 온-칩 레지스터에서 백 데이터를 읽을 수 있다. 이 센서가 버튼식이거나 기타 간단한 온/오프 유형의 센서라면, 호스트는 온-칩 상태의 레지스터에서 다시 간단히 읽으며, 활성 버튼은 상태 레지스터에서 설정되도록 유인된다.

그러나, 이 센서가 고해상도 출력을 가지고 있다면, 소프트웨어 알고리즘은 AD7142/AD7143 데이터를 처리하기 위해 호스트 인터럽트 루틴에서 작동해야 한다.

이 코드는 아나로그디바이스와 라이센스 계약을 맺은 고객들에게 로열티 없이 무료로 제공된다. 스크롤 바의 경우, 코드는 500바이트의 데이터 메모리와 8k바이트의 코드 메모리를 일반적으로 차지한다. 스크롤 휠의 경우, 이 코드는 600바이트의 데이터 메모리와 10k바이트의 코드 메모리를 일반적으로 차지한다.

아나로그디바이스는 기본 구성, 버튼 센서, SPI- 및 I2C 호환 인터페이스를 사용한 8-웨이 스위치에 적합한 C-코드로 쓰여진 샘플 드라이버를 제공한다. 스크롤 휠과 스크롤 바를 위한 샘플 드라이버는 소프트웨어 라이센스 체결을 맺은 후 이용할 수 있다.

Q11 완성 제품 조립에 대한 견해는?

A11 센서 PCB와 피복재 혹은 제품 케이스 간의 에어 갭이 허용되지 않는다. 왜냐하면 에어 갭이 플라스틱 상부로 확장할 수 있는 전기장을 덜 발생시켜, 센서 반응을 감소시킬 수 있기 때문이다. 또한 플라스틱이나 피복재는 접촉시 휘어질 수 있어, 사용자들이 변동할 수 있는 전기장과 상호작용을 일으켜, 비선형 센서 반응을 초래하게 된다. 따라서, 센서 PCB는 에어 갭이 형성되는 것을 막기 위해 피복재를 붙여야 한다.

또한, 센서 주위에 유동적인 금속이 존재하지 않을 수 있다. 5cm 거리 `간격을 유지`하는 것이 필요하다. 금속은 5cm 보다 더 가깝게 센서에 위치시켜 접지되어야 한다. 그러나, 금속이 센서에 0.2mm 보다 더 가깝게 있을 수 없다. 마지막으로, 센서의 활성 면적을 커버하는 플라스틱은 2mm 두께가 되어야 한다. 더 큰 센서 면적은 더 큰 플라스틱을 사용해야 한다. 최대 4mm 두께의 플라스틱이 지원될 수 있다.

결론

커패시턴스 센서는 인간과 기계 간 인터페이스를 위한 새롭게 등장하고 있는 기술이며 다양한 제품들과 기기에 걸쳐 선호하는 기술로 빠르게 자리잡고 있다. 커패시턴스 센서는 광범위한 휴대형 제품 및 컨수머 제품에서 혁신적이면서 사용하기 쉬운 인터페이스를 가능하게 한다. 설계하기 쉬운 커패시턴스 센서는 PCB 제조 기법을 사용하고 있으며 기계식 스위치 보다 더욱 신뢰성이 높다.

커패시턴스 센서는 산업 설계자들에게 스타일에 초점을 맞출 수 있는 자유를 제공하며, 설계자들은 커패시턴스 센서가 설계에 딱 맞을 고성능 인터페이스를 제공하기 위해 의존될 수 있다는 것을 안다. 설계자들은 아나로그디바이스의 IC 기술 및 제품 포트폴리오를 비롯해 전문 기술, 이용할 수 있는 하드웨어 및 소프트웨어에서 이점을 얻을 수 있으며, 가능한 쉽고 빠르게 디자인-인(Design-In) 커패시턴스 센서를 만들 수 있다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 02월호>