CN105389014A - 一种三维人机交互系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维人机交互系统，包括惯性追踪模块。惯性追踪模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴磁传感器以及控制器；三轴加速度传感器包括两个加速计；两个加速计相隔一定距离设置在人体上；三轴陀螺仪设置在人体上；三轴传感器设置在人体上；三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴磁传感器以及控制器均与控制器连接。与现有技术相比，单芯片三轴磁场传感器能直接输出X、Y、Z三个方向的磁信号，无需使用算法来进行计算。此外，其制备无需刻槽形成斜坡，直接通过双次沉积便能得到该三轴磁场传感器，其含有的X轴传感器和Y轴传感器相互垂直，它们含有的磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向也相互垂直。

Description

一种三维人机交互系统

技术领域

本发明涉及人机交互技术领域，具体来说是一种三维人机交互系统。

背景技术

人机交互技术在很多领域得到广泛应用，如电子产品、游戏、医疗等。然而，在人机交互系统中，经常因为噪音原因，会导致最终结构不精确。

在人机交互技术中，项目产品通过对构成惯性追踪模块的三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴磁传感器及外围电路设计，成功将惯性导航系统应用到体感互动健身系统，以精确确定运动载体的方位、姿态和速度，且具有在较小范围内测量精度高，误差小，响应快，抗干扰强等优点。

其中传统的三轴磁传感器会因为其他磁场的干扰而导致位置不精确，所以，一种抗干扰能力强的三轴磁传感器是保证人机交互结构的重要环节。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中三维目标定位易受噪音干扰的缺陷，提供一种三维人机交互系统，来解决上述问题。

本发明通过以下技术方案实现上述技术内容：

一种三维人机交互系统，包括惯性追踪模块；所述惯性追踪模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴磁传感器以及控制器；所述三轴加速度传感器包括两个加速计；所述两个加速计相隔一定距离设置在人体上；所述三轴陀螺仪设置在人体上；所述三轴传感器设置在人体上；所述三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴磁传感器以及控制器均与所述控制器连接；

所述三轴磁传感器为单芯片三轴磁场传感器，所述单芯片三轴磁场传感器传感器包括：一位于XY平面内的基片，所述基片上集成设置有一X轴传感器、一Y轴传感器和一Z轴传感器，分别用于检测磁场在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上的分量；所述X轴传感器和所述Y轴传感器各自均包含有一参考电桥和至少两个磁通量控制器，所述参考电桥的参考臂和感应臂均包含有一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件，所述参考臂上的磁电阻传感元件位于所述磁通量控制器的上方或下方，并沿着所述磁通量控制器的长度方向排列形成参考元件串，所述感应臂上的磁电阻传感元件位于相邻两个所述磁通量控制器之间的间隙处，并沿着所述磁通量控制器的长度方向排列形成感应元件串；所述参考元件串和所述感应元件串相互交错排放，每个所述参考元件串至少与一个所述感应元件串相邻，每个所述感应元件串也至少与一个所述参考元件串相邻；所述Y轴传感器中的各元件和所述X轴传感器中对应的元件排布方向相互垂直；所述X轴传感器和所述Y轴传感器中各自两个相邻所述磁通量控制器之间的间隙处的磁场的增益系数均为1<Asns<100，所述X轴传感器和所述Y轴传感器的磁通量控制器的上方或者下方处的磁场的衰减系数均为0<Aref<1；所述Z轴传感器包含有一推挽电桥和至少一个磁通量控制器，所述推挽电桥的推臂和挽臂交替排列，各自均包含有所述一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件均沿着所述Z轴传感器中磁通量控制器的长度方向排列，分别位于所述Z轴传感器中磁通量控制器的下方两侧或上方两侧；所述X轴传感器和所述Y轴传感器上的磁电阻传感元件的钉扎层的材料不同，并且钉扎层的磁化方向垂直；所述Z轴传感器和所述X轴传感器的钉扎层的磁化方向相同；在没有外加磁场时，所有所述磁电阻传感元件的磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向均垂直；其中，X轴、Y轴和Z轴两两相互正交。

优选的，所述磁电阻传感元件为GMR自旋阀元件或者TMR传感元件。

优选的，所述磁通量控制器为矩形长条阵列，其在垂直于所述磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向上的长度大于沿着所述磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向的长度，并且其组成材料为软铁磁合金。

优选的，所述X轴传感器和所述Y轴传感器各自的所述感应臂和所述参考臂上的磁电阻传感元件的数量相同；所述Z轴传感器的所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同。

优选的，所述磁电阻传感元件在垂直于钉扎层磁化方向上的长度大于沿着钉扎层磁化方向的长度。

优选的，所述Z轴传感器的相邻两个所述磁通量控制器之间的间距S不小于所述Z轴传感器的所述磁通量控制器的三维尺寸中最小的一个。

优选的，在没有外加磁场时，所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来实现磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向垂直。

优选的，所述参考电桥和所述推挽电桥均为半桥、全桥或者准桥结构。

优选的，所述基片上集成有一ASIC芯片，或所述基片与一独立的ASIC芯片相电连接。

优选的，所述单芯片三轴磁场传感器还包含有至少3个焊盘或所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器上各自至少有3个硅通孔。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的三维人机交互系统结构简单，采用了本发明提供的单芯片三轴磁感应器，该单芯片三轴磁场传感器能直接输出X、Y、Z三个方向的磁信号，无需使用算法来进行计算。此外，其制备无需刻槽形成斜坡，直接通过双次沉积便能得到该三轴磁场传感器，其含有的X轴传感器和Y轴传感器相互垂直，它们含有的磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向也相互垂直。

附图说明

图1为本发明中的单芯片三轴磁场传感器的结构示意图；

图2为本发明中的单芯片三轴磁场传感器的数字信号处理电路原理图；

图3为X轴传感器和Y轴传感器的结构示意图；

图4为X轴传感器中磁电阻元件周围的磁场分布图；

图5为X轴传感器中MTJ元件所在位置与所感应磁场强度的关系曲线；

图6为X轴传感器的响应曲线；

图7为X轴传感器的电路示意图；

图8为Z轴传感器的结构示意图；

图9为Z轴传感器在Z方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图；

图10为Z轴传感器的电路原理示意图；

图11为Z轴传感器在X方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图；

图12为Z轴传感器在Y方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图；

图13为Z轴传感器的响应曲线。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

一种三维人机交互系统，包括惯性追踪模块；所述惯性追踪模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴磁传感器以及控制器；所述三轴加速度传感器包括两个加速计；所述两个加速计相隔一定距离设置在人体上；所述三轴陀螺仪设置在人体上；所述三轴传感器设置在人体上；所述三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴磁传感器以及控制器均与所述控制器连接。

本发明中的三轴磁传感器为单芯片三轴磁场传感器。图1为单芯片三轴磁场传感器在XY平面内的结构示意图。该传感器包括基片1，在基片1上集成设置有X轴传感器3、Y轴传感器4、Z轴传感器5以及多个用于输入输出的焊盘2，其中，X轴传感器3和Y轴传感器4的结构相同，只是排布方向不同，二者相互垂直。在图1中，X轴传感器3中的元件纵向排布，而Y轴传感器4中的元件横向排布，但X轴传感器3中的元件也可以横向排布，此时Y轴传感器4中元件纵向排布即可。X轴传感器3包括感应元件串11、参考元件串12以及X-磁通量控制器8，Y轴传感器4包括感应元件串13、参考元件串14以及Y-磁通量控制器9，其中参考元件串12,14分别位于X-磁通量控制器8、Y-磁通量控制器9的下方，感应元件串11,13分别位于相邻两个X-磁通量控制器8之间的间隙处和相邻两个Y-磁通量控制器的间隙处，感应元件串11,13和参考元件串12,14均由一个或多个相同的磁电阻传感元件电连接构成。Z轴传感器包括Z-磁通量控制器10、磁电阻传感元件15,16，其中磁电阻传感元件15,16分别电连接成列，排布于Z-磁通量控制器10下方的两侧。此外，构成参考元件串12,14的磁电阻传感元件也可以分别位于X-磁通量控制器8和Y-磁通量控制器9的上方，此时，Z轴传感器中的磁电阻传感元件15,16位于Z-磁通量控制器10上方的两侧。

所有磁电阻传感元件为GMR自旋阀或者TMR传感元件，其形状可以为方形、菱形或者椭圆形，但并不限于以上形状。X轴传感器3和Z轴传感器5中磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向6相同，均沿X轴方向，但X轴传感器3和Y轴传感器4中磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向6和7相互垂直。在没有外加磁场时，所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来使磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向垂直。所有磁通量控制器均为矩形长条阵列，它们在垂直于磁电阻传感元件钉扎层磁化方向上的长度大于沿着磁电阻传感元件钉扎层磁化方向的长度，并且其组成材料均为软铁磁合金，该合金可包括Ni、Fe、Co、Si、B、Ni、Zr和Al中的一种元素或几种元素，但并不限于以上元素。焊盘2里包括了X轴传感器3、Y轴传感器4和Z轴传感器5中的输入输出连接焊盘。基片1上可含有ASIC，或者与另外的独立的ASIC芯片相电连接，图中未示出ASIC。在本实施例中，采用的是焊盘引线键合来进行封装，也可采用硅通孔、倒装芯片、球栅阵列封装(BGA)、晶圆级封装(WLP)以及板上芯片封装(COB)等技术对该单芯片三轴线性磁场传感器进行封装。图2为单芯片三轴线性磁场传感器的数字信号处理电路原理图。X轴传感器3、Y轴传感器4和Z轴传感器5感测到的磁场信号通过数字信号处理电路50中的ADC41进行模拟数字信号转换，并将转换后的数字信号输送给数据处理器42，处理后的信号通过I/O输出，从而实现对外磁场的测量。该数字信号处理电路50可能位于基片1上，也有可能位于另外一个ASIC芯片上，该ASIC芯片与基片1相互电连接。

图3为图1中X轴传感器的结构示意图。该X轴传感器为参考全桥结构，包括参考臂和感应臂，其中参考臂上包括多个位于X-磁通量控制器下方的参考元件串12，感应臂上包括多个对于X-磁通量控制器间隙9处的感应元件串11，感应元件串11和参考元件串相互交错排放，沿着X-磁通量控制器的长度方向排布，每个参考元件串12至少与一个感应元件串11相邻，每个感应元件串11也至少与一个参考元件串12相邻。每个感应元件串11与相邻的参考元件串12之间均相隔间距L，间距L很小，优选地为20～100微米。感应臂、参考臂和焊盘17-20之间可以用电连接导体21连接。焊盘17-20分别作为输入端Vbias、接地端GND以及输出端V1,V2，对应于图1中最左边的四个焊盘。图4为图3中的感应元件串11和参考元件串12周围的磁场分布。从图中可以看出，位于X-磁通量控制器8间隙处的感应元件串11所感应到的磁场幅度增强，而位于X-磁通量控制器8下方的参考元件串12所感应到的磁场幅度降低，由此可见，X-磁通量控制器8能起到衰减磁场的作用。

图5为图3中的感应元件串11与参考元件串12的所在位置与所感应磁场强度的关系曲线，其中，Bsns34为感应元件串11所感应的磁场强度，Bref35为参考元件串12所感应的磁场强度，外加磁场的强度Bext＝100G。从图中可以得到：Bsns＝160G，Bref＝25G。根据下面的公式(1)与(2)，便可得知相应的增益系数Asns和衰减系数Aref的大小。

Bsns＝Asns*Bext(1)

Bref＝Aref*Bext(2)

将Bext＝100G,Bsns＝160G,Bref＝25G代入上面两式中，便可算出：

1<Asns＝1.6<100，0<Aref＝0.25<1。Asns/Aref的比值越大，则意味着传感器的灵敏度越高，一般理想的是Asns/Aref>5，此时传感器就有高灵敏度。本设计中Asns/Aref＝1.6/0.25＝6.4>5，由此可见本申请中的X轴传感器具有高灵敏度。

图6为图3中X轴传感器的输出电压和外加磁场的关系曲线。从图中可以看出，X轴传感器只能感测到X轴方向的磁场分量，输出电压Vx36，对Y轴和Z轴方向的磁场分量没有响应，电压Vy37和Vz38均为零，并且Vx36关于原点0对称。图7为图3中X轴传感器的电路示意图。图中，两个感应臂52,52’和两个参考臂53,53’相间隔连接构成一全桥，该全桥的输出电压为

$V=V1-V2=\frac{R_{sns}}{R_{sns+R_{ref}}}{V}_{bias}-\frac{R_{ref}}{R_{sns+R_{ref}}}{V}_{bias}=\frac{(A_{sns}-A_{ref})\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}R}{\mathrm{\&Delta;}B}\right)B}{2R_L+(A_{sns}+A_{ref})\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}R}{\mathrm{\&Delta;}B}\right)B}{V}_{bias}---\left(3\right)$

则此X轴传感器的灵敏度可表示为

$\frac{V}{V_{bias}}=\frac{(A_{sns}-A_{ref})\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}R}{\mathrm{\&Delta;}B}\right)B}{2R_L+(A_{sns}+A_{ref})\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}R}{\mathrm{\&Delta;}B}\right)B}---\left(4\right)$

对于很小的外加磁场，即磁场强度B很小，则上式(4)可近似化为

$\frac{V}{V_{bias}}\&ap;\frac{(A_{sns}-A_{ref})}{2R_L}\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}R}{\mathrm{\&Delta;}B}\right)B---\left(5\right)$

Y轴传感器4和X轴传感器3的结构相同，所以其工作原理、周围的磁场分布、响应曲线均与X轴传感器3相同，在此就不再赘叙。

图8为Z轴传感器的结构示意图。该Z轴传感器为推挽全桥结构，该Z轴传感器包括多个磁电阻传感元件15和16，多个Z-磁通量控制器10，电连接导体27以及焊盘28-30，焊盘28-30分别作为电源供应端VBias，接地端GND，电压输出端V+，V-，对应于图1中的焊盘2中最右边的四个焊盘。所有磁电阻传感元件15相互电连接构成了全桥的推臂，所有磁电阻传感元件16相互电连接构成了全桥的挽臂，推臂与挽臂相间隔排列，推臂、挽臂以及焊盘28-30之间通过电连接导体27连接形成推挽全桥。磁电阻传感元件15,16沿着Z-磁通量控制器10的长度方向排列。在图8中，磁电阻传感元件15,16分别成行排布于Z-磁通量控制器10下方的两侧，被Z-磁通量控制器10覆盖。除了上下两端和最中间的这三个Z-磁通量控制器10，每一Z-磁通量控制器10下方两侧均排布有一行推臂磁电阻传感元件15和一行挽臂磁电阻传感元件16，如果有必要，这三个Z-磁通量控制器10下方也可以排布有磁电阻传感元件15,16。

图9为Z轴传感器在Z轴方向的外加磁场106中的磁场分布图。从图中磁力线的分布情况可以看出，外加磁场在Z-磁通量控制器10附近产生扭曲，从而产生了X轴方向的磁场分量，位于Z-磁通量控制器10下方的磁电阻传感元件15和16正好能检测到此分量，但二者所检测到的磁场分量的方向相反，分别为107和108。通过所检测到的X轴磁场分量，便能得知所施加的外加磁场的大小。

图10为Z轴传感器的电路示意图。若干个磁电阻传感元件15电连接构成等效磁电阻R2和R2’，若干个磁电阻传感元件16电连接构成两个等效磁电阻R3和R3’，这四个磁电阻连接构成全桥。当施加Z轴方向的外磁场时，磁电阻R2、R2’和R3、R3’的阻值变化情况会相反，从而构成推挽输出。一般来说，R2’＝R2,R3’＝R3。

从图10中可以得到，该电路的输出电压：

$V_{out}=V_{+}-V_{-}=\frac{R2-R3}{R2+R3}{V}_{Bias}---\left(9\right)$

则其灵敏度为

$\frac{V_{out}}{V_{Bias}}=\frac{R2-R3}{R2+R3}---\left(10\right)$

图11为Z轴传感器在X轴方向的外加磁场100中的磁场分布图。从图中可以看出，磁电阻传感元件15和16所检测到的磁场相同，这样就会导致磁电阻R2、R2’和R3、R3’的阻值变化情况相同，从而不能形成推挽输出，这样传感器就不会产生响应。

图12为Z轴传感器在Y轴方向的外加磁场101中的磁场分布图。从图中可以看出，Z-磁通量控制器10将Y轴方向的外加磁场完全屏蔽，并且磁电阻传感元件15,16对Y轴方向的磁场不敏感，所以磁电阻传感元件15,16没有检测到任何磁场分量，从而Z轴传感器也不会产生任何响应。

图13为Z轴传感器的输出电压与外加磁场的关系曲线。从图中可以看出，Z轴传感器只能感测到Z轴方向的磁场分量，输出电压Vz38，对X轴和Y轴方向的磁场分量不产生响应，电压Vx36和Vy37均为0，并且Vz38关于原点0对称。

以上讨论的是X轴传感器、Y轴传感器和Z轴传感器中的电桥为全桥的情形，由于半桥和准桥的工作原理与全桥相同，在此就不再赘述，上述所得到的结论也同样适用于半桥和准桥结构的单芯片三轴线性磁场传感器。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种三维人机交互系统，包括惯性追踪模块；其特征在于：所述惯性追踪模块包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴磁传感器以及控制器；所述三轴加速度传感器包括两个加速计；所述两个加速计相隔一定距离设置在人体上；所述三轴陀螺仪设置在人体上；所述三轴传感器设置在人体上；所述三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴磁传感器以及控制器均与所述控制器连接；

所述三轴磁传感器为单芯片三轴磁场传感器，所述单芯片三轴磁场传感器传感器包括：一位于XY平面内的基片，所述基片上集成设置有一X轴传感器、一Y轴传感器和一Z轴传感器，分别用于检测磁场在X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上的分量；所述X轴传感器和所述Y轴传感器各自均包含有一参考电桥和至少两个磁通量控制器，所述参考电桥的参考臂和感应臂均包含有一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件，所述参考臂上的磁电阻传感元件位于所述磁通量控制器的上方或下方，并沿着所述磁通量控制器的长度方向排列形成参考元件串，所述感应臂上的磁电阻传感元件位于相邻两个所述磁通量控制器之间的间隙处，并沿着所述磁通量控制器的长度方向排列形成感应元件串；所述参考元件串和所述感应元件串相互交错排放，每个所述参考元件串至少与一个所述感应元件串相邻，每个所述感应元件串也至少与一个所述参考元件串相邻；所述Y轴传感器中的各元件和所述X轴传感器中对应的元件排布方向相互垂直；所述X轴传感器和所述Y轴传感器中各自两个相邻所述磁通量控制器之间的间隙处的磁场的增益系数均为1<Asns<100，所述X轴传感器和所述Y轴传感器的磁通量控制器的上方或者下方处的磁场的衰减系数均为0<Aref<1；所述Z轴传感器包含有一推挽电桥和至少一个磁通量控制器，所述推挽电桥的推臂和挽臂交替排列，各自均包含有所述一个或多个相同的相互电连接的磁电阻传感元件，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件均沿着所述Z轴传感器中磁通量控制器的长度方向排列，分别位于所述Z轴传感器中磁通量控制器的下方两侧或上方两侧；所述X轴传感器和所述Y轴传感器上的磁电阻传感元件的钉扎层的材料不同，并且钉扎层的磁化方向垂直；所述Z轴传感器和所述X轴传感器的钉扎层的磁化方向相同；在没有外加磁场时，所有所述磁电阻传感元件的磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向均垂直；其中，X轴、Y轴和Z轴两两相互正交。

2.根据权利要求1所述的一种三维人机交互系统，其特征在于：所述磁电阻传感元件为GMR自旋阀元件或者TMR传感元件。

3.根据权利要求1所述的一种三维人机交互系统，其特征在于：所述磁通量控制器为矩形长条阵列，其在垂直于所述磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向上的长度大于沿着所述磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向的长度，并且其组成材料为软铁磁合金。

4.根据权利要求1-3中的任一项一种三维人机交互系统，其特征在于，所述X轴传感器和所述Y轴传感器各自的所述感应臂和所述参考臂上的磁电阻传感元件的数量相同；所述Z轴传感器的所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的一种三维人机交互系统，其特征在于，所述磁电阻传感元件在垂直于钉扎层磁化方向上的长度大于沿着钉扎层磁化方向的长度。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的一种三维人机交互系统，其特征在于：所述Z轴传感器的相邻两个所述磁通量控制器之间的间距S不小于所述Z轴传感器的所述磁通量控制器的三维尺寸中最小的一个。

7.根据权利要求1-3中的任一项所述的一种三维人机交互系统，其特征在于：在没有外加磁场时，所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来实现磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向垂直。

8.根据权利要求1-3中的任一项所述的一种三维人机交互系统，其特征在于：所述参考电桥和所述推挽电桥均为半桥、全桥或者准桥结构。

9.根据权利要求1-3中的任一项所述的一种三维人机交互系统，其特征在于，所述基片上集成有一ASIC芯片，或所述基片与一独立的ASIC芯片相电连接。

10.根据权利要求1-3中的任一项所述的一种三维人机交互系统，其特征在于，所述单芯片三轴磁场传感器还包含有至少3个焊盘或所述X轴传感器、所述Y轴传感器和所述Z轴传感器上各自至少有3个硅通孔。