CN106482755A - 多轴磁阻传感器封装 - Google Patents

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Abstract

公开用于提供在至少一个维度上具有减小大小的位置和取向传感器封装的系统和方法。该位置和取向传感器封装包含电介质衬底以及附连到电介质衬底的第一磁阻传感器芯片，第一磁阻传感器芯片包含至少一个磁阻传感器电路。位置和取向传感器封装还包含附连到电介质衬底并且定位成与第一磁阻传感器芯片相邻的第二磁阻传感器芯片，第二磁阻传感器芯片包含至少一个磁阻传感器电路。位置和取向传感器封装被构造,使得第一磁阻传感器芯片的至少一个磁阻传感器电路在与第二磁阻传感器芯片的至少一个磁阻传感器电路不同的方向上定向。

Description

多轴磁阻传感器封装
技术领域
本发明的实施例一般涉及可用来提供医疗上下文中、例如外科手术或介入上下文中使用的仪器、植入物或装置的位置/取向信息的传感器，以及具体来说涉及多轴封装磁阻传感器。
背景技术
在各种医疗上下文中，可期望获取相对于患者来导航或定位(外部或内部)的医疗仪器、植入物或装置的位置和/或取向信息。例如，在外科手术和/或介入上下文中，获取医疗装置或者医疗装置的一部分的位置和/或取向信息可以是有用的，甚至当装置或相关部分以另外方式不在视野中、例如在患者体内。同样，在其中成像技术用来观察位置和取向信息的全部或部分的某些程序中，具有从能够与被跟踪装置本身所得出的位置和取向信息(其能够与可同期获取的其他数据、例如图像数据相关)可以是有用的。
在这类医疗上下文中，可实现电磁(EM)传感器，以提供医疗仪器、植入物或装置的位置/取向信息。EM传感器可用作位置/取向跟踪系统的部分，位置/取向跟踪系统包含：控制器；磁场源发射器，其生成具有空间变化特性的磁场(因此磁场在不同位置处是不同的)；以及EM传感器，其与被跟踪医疗仪器、植入物或装置相集成。可通过计算其中EM传感器观测与来自发射器的所计算磁场一致的位置—即通过测量发射器与EM传感器之间的互电感并且处理测量值以解析EM传感器相对于发射器的位置和取向，来确定EM传感器的位置。
相对于适合于按照这种方式获取位置和取向信息的导航传感器能够产生的一个问题是相对于将要跟踪的装置的位置和取向传感器的大小。具体来说，在外科手术和介入上下文中，由于经受该程序的解剖的大小和/或脆弱性或者以另外方式使与该程序关联的损伤为最小，可预期使用尽可能小的仪器、植入物或装置。因此，还可期望使用导航传感器，其针对所采用的仪器、植入物或装置来适当地确定大小。但是，可能难以构造适当的位置和取向传感器组合件(其以预期准确性和精度来提供预期位置和取向信息，并且具有适当大小供与所讨论的仪器、植入物或装置使用或者在其中使用)。例如，现有位置和取向传感器组合件常常可构成为包含两个正交放置感测电路、校准线圈和初始化线圈的单个芯片，其中这类组合件的大小为大约1 mm2。虽然这个大小的位置和取向传感器组合件在神经、心脏和整形外科空间的许多应用中是可使用的，但是它无法集成到小于1 mm的许多标准导管管腔和针中。
因此，期望提供一种位置和取向传感器组合件，其大小与现有位置和取向传感器组合件选项相比被减小。还期望这种位置和取向传感器组合件将仍然以充分准确性和精度并且以六自由度中的感测来提供位置和取向信息。
发明内容
按照本发明的一个方面，一种位置和取向传感器封装包含电介质衬底以及附连到电介质衬底的第一磁阻传感器芯片，第一磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路。该位置和取向传感器封装还包含附连到电介质衬底并且定位成与第一磁阻传感器芯片相邻的第二磁阻传感器芯片，第二磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路。第一磁阻传感器芯片的至少一个磁阻传感器电路在与第二磁阻传感器芯片的至少一个磁阻传感器电路不同的方向上定向。
按照本发明的另一方面，一种制造位置和取向传感器封装的方法包含提供电介质衬底并且将第一磁阻传感器芯片附连到电介质衬底，第一磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路。该方法还包含将第二磁阻传感器芯片附连到电介质衬底，使得第二磁阻传感器芯片定位成与第一磁阻传感器芯片相邻，第二磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路。第一和第二磁阻传感器芯片附连到电介质衬底，以建立第一磁阻传感器芯片的至少一个磁阻传感器电路与第二磁阻传感器芯片的至少一个磁阻传感器电路之间的已知角度。
按照本发明的又一方面，一种多轴磁阻传感器封装包含：柔性电路，其包括电介质衬底和传导互连；第一磁阻传感器芯片，其附连到电介质衬底，以便电耦合到传导互连；以及第二磁阻传感器芯片，其附连到电介质衬底，以便电耦合到传导互连。第一和第二磁阻传感器芯片的每个包含至少一个磁阻传感器电路，其中第一和第二磁阻传感器芯片附连到柔性电路，使得第一磁阻传感器芯片上的至少一个磁阻传感器电路的取向与第二磁阻传感器芯片上的至少一个磁阻传感器电路的取向相差已知角度。
从下面详细描述和附图，将使各种其他特征和优点显而易见。
本发明提供一组技术方案如下:
1. 一种位置和取向传感器封装，包括：
电介质衬底；
第一磁阻传感器芯片，附连到所述电介质衬底，所述第一磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路；以及
第二磁阻传感器芯片，附连到所述电介质衬底并且定位成与所述第一磁阻传感器芯片相邻，所述第二磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路；
其中所述第一磁阻传感器芯片的所述至少一个磁阻传感器电路在与所述第二磁阻传感器芯片的所述至少一个磁阻传感器电路不同的方向上定向。
2. 如技术方案1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述第一和第二磁阻传感器芯片附连到所述电介质衬底，使得所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个的所述至少一个磁阻传感器电路之间的所述取向是已知的。
3. 如技术方案1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述第二磁阻传感器芯片沿所述电介质衬底的纵向方向与所述第一磁阻传感器芯片对齐。
4. 如技术方案1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个上的所述至少一个磁阻传感器电路包括单个磁阻传感器电路。
5. 如技术方案1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个上的所述至少一个磁阻传感器电路包括：
第一磁阻传感器电路；以及
第二磁阻传感器电路，与所述第一磁阻传感器电路正交地布置；
其中所述第一和第二磁阻传感器芯片因而包括二轴传感器芯片。
6. 如技术方案1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个还包括校准线圈，其定位成离所述至少一个磁阻传感器电路固定距离，所述校准线圈配置成生成校准磁场，其提供相应磁阻传感器芯片的校准。
7. 如技术方案1所述的位置和取向传感器封装，还包括公共校准线圈，其定位成离所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个上的所述至少一个磁阻传感器电路固定距离，所述公共校准线圈配置成生成校准磁场，其提供所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个的校准。
8. 如技术方案1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述电介质衬底包括：
第一衬底部分，沿第一平面定位；以及
第二衬底部分，沿与所述第一平面正交的第二平面定位；
其中所述第一磁阻传感器芯片附连到第一衬底部分，并且所述第二磁阻传感器芯片附连到所述第二衬底部分。
9. 如技术方案8所述的位置和取向传感器封装，还包括第三磁阻传感器芯片，其与所述第一磁阻传感器芯片相邻地附连到所述第一衬底部分，所述第三磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路；
其中所述第一、第二和第三磁阻传感器芯片形成三轴传感器封装。
10. 如技术方案1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述电介质衬底包括在其上形成的多个连接焊盘，并且其中所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个包括在其上形成的多个芯片焊盘；以及
其中所述位置和取向传感器封装还包括经由倒装芯片附连将所述第一和第二磁阻传感器芯片的相应芯片焊盘接合到所述电介质衬底的相应连接焊盘的焊料。
11. 如技术方案1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述电介质衬底包括FR4、陶瓷或聚酰亚胺材料其中之一，并且其中所述电介质衬底包括在其上形成并且连接到所述第一和第二磁阻传感器芯片以从其中接收和传送信号的多个电引线。
12. 一种制造位置和取向传感器封装的方法，包括：
提供电介质衬底；
将第一磁阻传感器芯片附连到所述电介质衬底，所述第一磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路；以及
将第二磁阻传感器芯片附连到所述电介质衬底，使得所述第二磁阻传感器芯片定位成与所述第一磁阻传感器芯片相邻，所述第二磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路；
其中将所述第一和第二磁阻传感器芯片附连到所述电介质衬底包括将所述第一和第二磁阻传感器芯片附连到所述电介质衬底，以建立所述第一磁阻传感器芯片的所述至少一个磁阻传感器电路与所述第二磁阻传感器芯片的所述至少一个磁阻传感器电路之间的已知角度。
13. 如技术方案12所述的方法，其中，将所述第一和第二磁阻传感器芯片附连到所述电介质衬底包括所述第一和第二磁阻传感器芯片到所述电介质衬底的倒装芯片附连，其中回流焊接提供所述第一和第二磁阻传感器芯片的芯片焊盘与所述电介质衬底的连接焊盘之间的电连接。
14. 如技术方案12所述的方法，其中，将所述第一和第二磁阻传感器芯片附连到所述电介质衬底包括将所述第一和第二磁阻传感器芯片附连到所述电介质衬底，使得所述第一和第二磁阻传感器芯片沿所述电介质衬底的纵向方向对齐。
15. 如技术方案12所述的方法，其中，所述电介质衬底包括沿第一平面所定位的第一衬底部分和沿与所述第一平面正交的第二平面所定位的第二衬底部分；以及
其中附连所述第一和第二磁阻传感器芯片包括：
将所述第一磁阻传感器芯片附连到所述第一衬底部分；以及
将所述第二磁阻传感器芯片附连到所述第二衬底部分。
16. 如技术方案15所述的方法，还包括将第三磁阻传感器芯片附连到所述第一衬底部分，使得所述第三磁阻传感器芯片沿所述电介质衬底的纵向方向与所述第一磁阻传感器芯片对齐，所述第三磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路；
其中所述第一、第二和第三磁阻传感器芯片形成三轴传感器封装。
17. 如技术方案12所述的方法，还包括在所述电介质衬底上形成公共校准线圈，所述公共校准线圈定位成离所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个上的所述至少一个磁阻传感器电路固定距离，所述公共校准线圈配置成生成校准磁场，其提供所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个的校准。
18. 一种多轴磁阻传感器封装，包括：
柔性电路，包括电介质衬底底和传导互连；
第一磁阻传感器芯片，附连到所述电介质衬底，以便电耦合到所述传导互连；以及
第二磁阻传感器芯片，附连到所述电介质衬底，以便电耦合到所述传导互连；
其中所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个包括至少一个磁阻传感器电路，其中所述第一和第二磁阻传感器芯片附连到所述柔性电路，使得所述第一磁阻传感器芯片上的所述至少一个磁阻传感器电路的取向与所述第二磁阻传感器芯片上的所述至少一个磁阻传感器电路的取向相差已知角度。
19. 如技术方案18所述的多轴磁阻传感器封装，其中，所述第二磁阻传感器芯片沿所述柔性电路的纵向方向与所述第一磁阻传感器芯片对齐，使得所述多轴磁阻传感器封装的宽度近似等于所述第一和第二磁阻传感器芯片的宽度。
20. 如技术方案18所述的多轴磁阻传感器封装，其中，所述柔性电路包括彼此正交地定向的第一和第二衬底部分，使得所述柔性电路包括L形状；
以及其中所述第一磁阻传感器芯片附连到第一衬底部分，并且所述第二磁阻传感器芯片附连到所述第二衬底部分。
附图说明
附图图示当前预期用于执行本发明的实施例。
附图包括：
图1A和图1B分别描绘按照本发明的实施例的位置和取向传感器封装的顶视图和底视图。
图2描绘图1A和图1B的位置和取向传感器封装的侧视图。
图3描绘按照本发明的实施例、图1A、图1B和图2的位置和取向传感器封装中可使用的磁阻传感器芯片。
图4描绘按照本发明的实施例、图1A、图1B和图2的位置和取向传感器封装中可使用的磁阻传感器芯片。
图5和图6描绘按照本发明的另一个实施例的位置和取向传感器封装。
图7描绘按照本发明的实施例的其中可结合位置和取向传感器封装的介入装置的示例。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种多轴磁阻传感器封装，其提供位置/取向信息。该封装包含多个芯片，其各包含在其上形成的一个或多个感测电路，其中芯片按照与现有位置和取向传感器组合件相比在至少一个维度上减小封装的大小的方式来安装在公共衬底上。
如本文所论述，位置/取向系统的组件一般可附连到各种类型的外科手术或介入仪器、植入物、装置或者在外科手术或介入上下文期间对其可预期位置和取向信息的任何其他适当装置。位置/取向系统适合于校正和跟踪各种外科手术或介入装置的位置和取向。具体来说，在本文所公开的某些实施例中，位置/取向系统包含多个电磁(EM)传感器，其测量或响应外部磁场，并且可用来确定空间性质、例如位置坐标和/或取向(即，角)信息。在示范实施例中，EM传感器可以是一个一轴或二轴磁阻传感器，其配置成在外部施加磁场存在的情况下生成位置和取向信息。
现在参照图1A和图1B以及图2，按照本发明的实施例图示提供位置和取向信息的多轴磁阻传感器封装10(即，位置和取向传感器封装)。封装10一般包含电介质衬底12以及附连到衬底12的第一磁阻传感器芯片14和第二磁阻传感器芯片16的布置。已知附连/封装技术可用来将第一和第二磁阻传感器芯片14、16附连到衬底12(如下面将更详细说明)，其中电连通性在芯片14、16与衬底12之间提供，使得在衬底12之上或之中形成的引线或互连18(即，形成“柔性电路”)能够从芯片14、16接收信号，并且将信号路由到封装10的输入/输出(I/O)20。
按照本发明的实施例，封装10的衬底12由电介质材料来形成，电介质材料选择成在使用期间向封装提供机械稳定性以及提供适当电介质性质。相应地，按照本发明的实施例，电介质衬底12可由多种适当电介质材料的任何来形成，电介质材料包含陶瓷(例如BaTi(钛钡))、FR4、聚酰亚胺或高分子膜(例如Kapton®、Ultem®、聚四氟乙烯(PTFE)、Upilex®)。多个连接焊盘22在衬底12上形成，以提供磁阻传感器芯片14、16到衬底的机械和电连接，其中引线/互连18从连接焊盘22伸出(run out)，并且经由多种已知技术的任何在衬底12上形成。按照各个实施例，引线/互连18可作为迹线在衬底12的表面上形成，以提供封装10上的电通路。例如，互连18可经由施加初始溅射粘合层(钛、铬等)和溅射铜种子层(在其上能够电镀附加铜)来形成。互连18可图案化并且蚀刻成预期形状，例如以便提供连接焊盘22与封装的I/O连接20之间的电连接。附加特征、例如通孔(未示出)也可在衬底12中形成，其中互连18在通孔中形成并且向外形成到衬底12的表面上，以增加封装10中的路由选项。
按照本发明的实施例，封装10的第一和第二磁阻传感器芯片14、16是固态(即，基于硅的)装置，其包含在其上的电路系统,其提供芯片的位置和取向的确定。更具体来说，第一和第二磁阻传感器芯片14、16的每个可形成为在其上具有一个或多个磁阻传感器电路24(或者微型表面安装传感器)。一个或多个磁阻传感器电路24各在施加磁场以及传感器电路24相对于外部施加磁场来移动或改变取向时生成指示导体或半导体的电阻中的变化的信号。也就是说，在传感器芯片14、16中，在各种传感器电路24处的芯片的电阻取决于所施加的磁场。按照本发明的实施例，第一和第二磁阻传感器芯片14、16的每个可包含在其上形成的单个磁阻传感器电路24，或者可包含在其上形成的两个磁阻传感器电路24。
转向图3，并且图示磁阻传感器芯片14、16放大顶视图-其中图3针对在其上仅包含单个磁阻传感器电路24(即，一轴传感器)的传感器芯片，以及其中图4针对在其上包含彼此正交布置的两个磁阻传感器电路24(即，二轴传感器)的传感器芯片14、16。(一个或多个)传感器电路24是充分灵敏的，以便在磁场存在的情况下生成位置(即，x、y和/或z位置数据)和取向数据(即，滚动、俯仰和偏航取向数据)。在某些实现中，磁阻传感器芯片14、16以低电压(例如2.0 V或更小)并且在宽磁场范围(例如±10 Oe)内进行操作。此外，在某些实现中，磁阻传感器芯片14、16在金属容差频率具有极低噪声最低限度(例如比微线圈要低10-1000倍)。
主要基于芯片作为一轴还是二轴传感器来形成,磁阻传感器芯片14、16的维度和定大小是决定性的。包含一个单个磁阻传感器电路24的图3的一轴传感器芯片例如可具有0.4 mm × 0.4 mm至0.5 mm × 0.5 mm的维度，而包含一对正交布置的磁阻传感器电路24的图4的二轴传感器芯片例如可具有0.9 mm × 0.9 mm至1.0 mm × 1.0 mm的维度。相应地，能够看到，一轴传感器芯片的小型形状因数可提供其采用其中二轴传感器芯片可能是不可行的某些仪器或装置(例如导管管腔、针等)的实现。
实际上，磁阻传感器芯片14、16可以是多层设计，例如具有(在一个实施例中)与用来校准传感器芯片的偏移或校准线圈26对应的层、允许(一个或多个)磁传感器电路24被重置的设置-重置带(未示出)以及用来测量磁场的电阻器桥接器(未示出)。在一个实现中，校准线圈26形成为金属线圈，其可用于动态校准操作，以便降低产生于其中磁阻传感器芯片14、16进行操作的环境中与温度、磁场等相关的不可预测变化的位置和/或取向的误差。具体来说，校准线圈26配置成在所指定频率生成已知磁场，其然后可外推以便在其他频率校准传感器芯片14、16。在某些实施例中，校准系统在操作传感器芯片14、16之前提供初始校准或者在其中传感器芯片操作中的位置处提供单个校准，而在其他实施例中，校准系统可作为反馈环路的一部分运行，其用来在使用期间连续或间断地校准传感器芯片14、16。在一些实施例中，校准线圈26基于校准线圈26相对于(一个或多个)传感器电路24的结构设计来校准磁阻传感器芯片14、16。例如，校准线圈26可处于相对于二轴磁阻传感器芯片14、16(图4)的两个传感器电路24的固定位置处。因此，相对于由校准线圈26所生成的电阻的外部磁场(例如B/I值)始终是恒定的。此外，B/I值是几何量，其与由磁阻传感器芯片14、16所生成的激励电流(例如，其可创建电阻)无关。在算法中将B/I值用于校准磁阻传感器芯片14、16可以是有用的，因为校准线圈26的B/I值一般不随温度、磁场或者磁阻传感器芯片环境中的类似变化而变化。
在一个实施例中，并且作为如图3和图4所示和所述各具有其自己的校准线圈26的第一和第二磁阻传感器芯片14、16的备选方案，认识到，封装10能够包含用来校准第一和第二磁阻传感器芯片14、16的每个的公共校准线圈28。又参照图1B，其中示出，在封装10中提供公共校准线圈28，其在衬底12上形成，并且连接到封装I/O连接20。在示范实施例中，公共校准线圈28在衬底12中与附连第一和第二磁阻传感器芯片14、16的一侧相对的一侧上形成。公共校准线圈28可处于相对于磁阻传感器芯片14、16的传感器电路24的固定位置，使得相对于由公共校准线圈28所生成的电阻的外部磁场始终是恒定的。有益地，封装10中的公共校准线圈28对于两种传感器芯片14、16的使用减少封装10中所要求的引线/互连18的数量(与将会对于各传感器芯片14、16的单独校准线圈所要求的引线/互连相比)。另外，封装10中的公共校准线圈28的使用保存电流，其中与如果采用分隔校准线圈/在采用分隔校准线圈时两次相比，与公共校准线圈28的使用关联的电流必须仅测量一次。
在将第一和第二磁阻传感器芯片14、16用于确定多轴磁阻传感器封装10的位置和取向中，必要的是相应第一磁阻传感器芯片14的(一个或多个)磁阻传感器电路24在与第二磁阻传感器芯片16的(一个或多个)磁阻传感器电路24不同的方向上定向，以便封装10能够在磁场存在的情况下生成位置(即，x、y和/或z位置数据)和取向数据(即，滚动、俯仰和偏航取向数据)。因此，在其中第一和第二磁阻传感器芯片14、16的每个包括一轴传感器(其仅包含单个传感器电路24)的实施例中，第一磁阻传感器芯片14的传感器电路24将在与第二磁阻传感器芯片16的传感器电路24不同的方向上定向。在示范实施例中，并且如图1A所示，第一和第二磁阻传感器芯片14、16附连到衬底12，使得其相应传感器电路24彼此正交地定向(即，彼此相对90°定向)。
虽然图1A、图1B和图2所图示的多轴磁阻传感器封装10被构造,使得第一和第二磁阻传感器芯片14、16的传感器电路24彼此正交地定向，但是认识到，芯片14、16的传感器电路24彼此相对可以以除了90°之外的角度来定向。也就是说，封装10能够运行来在磁场存在的情况下生成位置和取向数据，其中传感器电路24彼此相对以除了90°之外的角度来定向-其中重要的限制在于，第一和第二磁阻传感器芯片14、16的每个的磁阻传感器电路24之间的取向在封装10的组装期间是已知的和控制的。由于第一和第二磁阻传感器芯片14、16的传感器电路24之间的角度是已知的，能够处理由传感器电路24所生成的信号，以便准确地确定封装10的位置和取向。
关于第一和第二磁阻传感器芯片14、16附连到衬底12,以便提供第一和第二磁阻传感器芯片14、16的传感器电路24之间的已知取向/角度，本发明的示范实施例针对第一和第二磁阻传感器芯片14、16经由倒装芯片应用附连到衬底12。如图2所示，在经由倒装芯片过程将第一和第二磁阻传感器芯片14、16附连到衬底12中，在接近其制造过程结束时，小焊接点30沉积在磁阻传感器芯片14、16的芯片焊盘32(对应于(一个或多个)传感器电路的传感器输入和输出、(一个或多个)传感器电路的设置-重置操作、(一个或多个)传感器电路的偏移或校准操作、功率、接地等)上。然后通过倒置芯片以使焊接块30下落到基础衬底12的连接焊盘22上，将第一和第二磁阻传感器芯片14、16附连到衬底12。焊接块30然后通常使用回流焊接过程或者备选地使用热超声接合来重新熔化，以产生电连接，其中电绝缘粘合剂(未示出)则通常在芯片的电路系统与基础安装衬底12之间的剩余间隙中“未充满”，以提供更强的机械连接，提供热桥，并且确保焊接接头没有因芯片14、16和封装10的其余部分的差分加热而受压。通过使用倒装芯片应用，第一和第二磁阻传感器芯片14、16在衬底12上的放置/附连的位置精度能够控制在0.25°之内，使得第一和第二磁阻传感器芯片14、16的传感器电路24之间的取向/角度能够是充分已知的和控制的。
如图1A、图1B和图2所示，进一步关于第一和第二磁阻传感器芯片14、16到衬底12的附连，能够看到，第一和第二磁阻传感器芯片14、16定位在其上，以便使封装10在一个维度的大小为最小。也就是说，第一和第二磁阻传感器芯片14、16附连到衬底12以使得彼此相邻，其中第一和第二磁阻传感器芯片14、16沿电介质衬底的纵向方向(通过箭头34所示)，使得封装的宽度(通过箭头36所示)为最小。在其中第一和第二磁阻传感器芯片14、16的每个构造为一轴传感器(即，各芯片仅包含单个磁阻传感器电路24)的实施例中，总封装10的宽度因而可保持低至大约0.5 mm(以及封装的高度低至大约0.25 mm)—这允许将封装10放置在例如导管管腔和细针的医疗装置/仪器中。
现在参照图5和图6，按照本发明的另一个实施例图示提供位置和取向信息的多轴磁阻传感器封装40，其中封装40构造为三轴封装。封装40的功能/操作与图1A、图1B和图2所示和所述的封装10类似，除了其中的电介质衬底42的构造提供在其上的磁阻传感器芯片的布置，使得芯片的传感器电路可沿三个轴来布置/定向，以便提供三轴感测封装以外。如图5和图6所示，衬底42由沿第一平面所定位的第一衬底部分44以及沿第二平面(其与第一平面正交，使得衬底42具有L形构造)所定位的第二衬底部分46来形成。
按照本发明的实施例，三轴磁阻传感器封装40中包含的磁阻传感器芯片的数量可基于封装中包含的芯片的类型—即芯片配置为一轴传感器还是二轴传感器来变化。在示范实施例中，并且如图5所示，多个一轴传感器包含在封装40中-其中第一磁阻传感器芯片48、第二磁阻传感器芯片50和第三磁阻传感器芯片52的每个作为一轴传感器来提供，一轴传感器在其上包含单个传感器电路24(但是认识到，第二磁阻传感器芯片能够替代为二轴传感器)。第一和第三磁阻传感器芯片48、52附连到第一衬底部分44，以使得彼此相邻并且在衬底42的纵向方向(通过箭头54所示)上对齐，而第二磁阻传感器芯片50在某个位置附连到第二衬底部分46，以便与第一和第三磁阻传感器芯片48、52其中之一相邻。第一、第二和第三磁阻传感器芯片48、50、52附连到衬底部分44、46，使得各芯片上的传感器电路24以与其他相应传感器电路24不同的角度来定向-其中示范实施例将芯片48、50、52附连到衬底部分44、46，使得传感器电路24彼此正交地定向。但是，如上文详细阐述，认识到，芯片48、50、52的传感器电路24能够彼此相对以除了90°之外的角度来定向，只要芯片48、50、52的每个的磁阻传感器电路24之间的取向是已知的(即，在封装的组装期间被控制)-其中倒装芯片制造和放置技术用来将第一、第二和第三磁阻传感器芯片48、50、52附连到衬底42，以便将衬底上的芯片的位置精度控制在预期取向的0.25°之内。
在其他实施例中，三轴磁阻传感器封装40中包含的磁阻传感器芯片的数量能够小于图5和图6所图示的三个芯片48、50、52。例如，三轴磁阻传感器封装40能够构造以仅包含两个磁阻传感器芯片-其中第一磁阻传感器芯片附连到第一衬底部分44并且采取二轴传感器的形式(在其上两个正交定向的传感器电路)，以及其中第二磁阻传感器芯片附连到第二衬底部分46并且采取一轴或二轴传感器的形式(其中在其上的至少一个传感器电路按照与第一磁阻传感器芯片的两个传感器电路不同的方式(例如正交地)定向)。
如图6所示，封装10还包含多个公共校准线圈56、58，其用来校准第一、第二和第三磁阻传感器芯片48、50、52。公共校准线圈56可提供在第一衬底部分44(在其后侧)上，用于校准第一和第三磁阻传感器芯片48、52，而单独公共校准线圈58可提供在第二衬底部分46(在其后侧)上，用于校准第二磁阻传感器芯片50。校准线圈56、58可用于动态校准操作，以便降低产生于其中磁阻传感器芯片48、50、52进行操作的环境中与温度、磁场等相关的不可预测变化的位置和/或取向的误差-其中校准线圈56、58配置成在所指定频率生成已知磁场，其然后可外推以便在其他频率校准传感器电路24。
现在参照图7，示出适合与多轴磁阻传感器封装10(图1)使用的医疗装置100的示例。在这个示例中，医疗装置100是适合于插入到患者的脉管系统中并且经过其中导航的导管。虽然导管作为示例来提供，但是本文所论述的多轴磁阻传感器封装10、40可提供在各种其他类型的外科手术或介入仪器、植入物或装置之上或之中。这类仪器、植入物或装置的示例包含但不限于：植入物、探头、尖锥、钻头、吸引器、钳状骨针、刀片、螺杆、钉子、销、克氏针(k-wire)、针、插管、导引器、导管、导丝、血管内支架、心瓣膜、过滤器、内窥镜、腹腔镜或电极、内窥镜或其他体内照相装置或者在外科手术或介入使用期间对其可预期位置和取向信息的任何其他适当装置。
所描绘医疗装置100(例如导管)包含远端或尖头102，多轴磁阻传感器封装10、40可定位在其中。在一个实施例中，多轴磁阻传感器封装可以是二轴磁阻传感器封装10，其配置成在外部施加磁场存在的情况下生成位置和取向信息，如图1A、图1B和图2所示和所述。在另一个实施例中，多轴磁阻传感器封装可以是三轴磁阻传感器封装40，其配置成在外部施加磁场存在的情况下生成位置和取向信息，如图5和图6所示和所述。轴104与尖头102进行通信，以及轴104将尖头102与手柄组合件106(其可用来操纵和操作医疗装置100(例如导管))连接。在某些情况下，手柄组合件106可例如经由电缆108与操作员控制台110(其允许用户控制导管功能和操作的某些方面)进行通信。
在操作中，与医疗装置100关联(并且相对于医疗装置100固定在已知位置中)的磁场发射器112通过包含传感器封装10、40的体积来传送具有空间变化特性的磁场。虽然发射器112在图7中示为单个发射器元件，但是认识到，按照其他实施例，在间隔开的位置处的若干发射器可用于生成由传感器封装10、40所感测的磁场。由多轴磁阻传感器封装10、40的传感器芯片所感测的、由发射器112所生成的磁场(即，磁场的强度)用来确定医疗装置100的空间性质，例如位置(例如X-、Y-和Z-坐标)和取向(例如俯视、偏航和滚动角)。可处理从医疗装置100中的多轴磁阻传感器封装10、40所获取的信号，以便例如经由控制台110中的处理电路系统和/或存储器来生成与医疗装置100相关的位置/取向信息。
有益地，本发明的实施例因而提供一种多轴磁阻传感器封装，其提供位置/取向信息。该封装包含多个芯片，其各包含在其上形成的一个或多个感测电路，其中芯片按照与现有位置和取向传感器组合件相比在至少一维度上减小封装的大小的方式来安装在公共衬底上。在制造封装中，芯片使用控制放置技术来附连到衬底，使得相应芯片上的磁阻传感器电路相对于一个或多个其他相应芯片的磁阻传感器电路的取向是已知的。
因此，按照本发明的一个实施例，一种位置和取向传感器封装包含电介质衬底以及附连到电介质衬底的第一磁阻传感器芯片，第一磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路。该位置和取向传感器封装还包含附连到电介质衬底并且定位成与第一磁阻传感器芯片相邻的第二磁阻传感器芯片，第二磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路。第一磁阻传感器芯片的至少一个磁阻传感器电路在与第二磁阻传感器芯片的至少一个磁阻传感器电路不同的方向上定向。
按照本发明的另一个实施例，一种制造位置和取向传感器封装的方法包含提供电介质衬底并且将第一磁阻传感器芯片附连到电介质衬底，第一磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路。该方法还包含将第二磁阻传感器芯片附连到电介质衬底，使得第二磁阻传感器芯片定位成与第一磁阻传感器芯片相邻，第二磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路。第一和第二磁阻传感器芯片附连到电介质衬底，以建立第一磁阻传感器芯片的至少一个磁阻传感器电路与第二磁阻传感器芯片的至少一个磁阻传感器电路之间的已知角度。
按照本发明的又一个实施例，一种多轴磁阻传感器封装包含：柔性电路，其包括电介质衬底和传导互连；第一磁阻传感器芯片，其附连到电介质衬底，以便电耦合到传导互连；以及第二磁阻传感器芯片，其附连到电介质衬底，以便电耦合到传导互连。第一和第二磁阻传感器芯片的每个包含至少一个磁阻传感器电路，其中第一和第二磁阻传感器芯片附连到柔性电路，使得第一磁阻传感器芯片上的至少一个磁阻传感器电路的取向与第二磁阻传感器芯片上的至少一个磁阻传感器电路的取向相差已知角度。
本书面描述使用包含最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包含制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的可取得专利范围由权利要求书来定义，并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包含具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意图处于权利要求书的范围之内。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当易于理解，本发明并不局限于这类所公开实施例。本发明而是能够修改为结合迄今没有描述的任何数量的变化、变更、替换或等效布置，但是它们与本发明的精神和范围相称。另外，虽然描述了本发明的各个实施例，但是要理解，本发明的方面可以仅包含所述实施例的一些。相应地，本发明不要被看作受到前面描述限制，而仅由所附权利要求书的范围来限制。

Claims (10)

1.一种位置和取向传感器封装，包括：
电介质衬底；
第一磁阻传感器芯片，附连到所述电介质衬底，所述第一磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路；以及
第二磁阻传感器芯片，附连到所述电介质衬底并且定位成与所述第一磁阻传感器芯片相邻，所述第二磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路；
其中所述第一磁阻传感器芯片的所述至少一个磁阻传感器电路在与所述第二磁阻传感器芯片的所述至少一个磁阻传感器电路不同的方向上定向。
2.如权利要求1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述第一和第二磁阻传感器芯片附连到所述电介质衬底，使得所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个的所述至少一个磁阻传感器电路之间的所述取向是已知的。
3.如权利要求1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述第二磁阻传感器芯片沿所述电介质衬底的纵向方向与所述第一磁阻传感器芯片对齐。
4.如权利要求1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个上的所述至少一个磁阻传感器电路包括单个磁阻传感器电路。
5. 如权利要求1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个上的所述至少一个磁阻传感器电路包括：
第一磁阻传感器电路；以及
第二磁阻传感器电路，与所述第一磁阻传感器电路正交地布置；
其中所述第一和第二磁阻传感器芯片因而包括二轴传感器芯片。
6.如权利要求1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个还包括校准线圈，其定位成离所述至少一个磁阻传感器电路固定距离，所述校准线圈配置成生成校准磁场，其提供相应磁阻传感器芯片的校准。
7.如权利要求1所述的位置和取向传感器封装，还包括公共校准线圈，其定位成离所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个上的所述至少一个磁阻传感器电路固定距离，所述公共校准线圈配置成生成校准磁场，其提供所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个的校准。
8. 如权利要求1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述电介质衬底包括：
第一衬底部分，沿第一平面定位；以及
第二衬底部分，沿与所述第一平面正交的第二平面定位；
其中所述第一磁阻传感器芯片附连到第一衬底部分，并且所述第二磁阻传感器芯片附连到所述第二衬底部分。
9.如权利要求8所述的位置和取向传感器封装，还包括第三磁阻传感器芯片，其与所述第一磁阻传感器芯片相邻地附连到所述第一衬底部分，所述第三磁阻传感器芯片包括至少一个磁阻传感器电路；
其中所述第一、第二和第三磁阻传感器芯片形成三轴传感器封装。
10.如权利要求1所述的位置和取向传感器封装，其中，所述电介质衬底包括在其上形成的多个连接焊盘，并且其中所述第一和第二磁阻传感器芯片的每个包括在其上形成的多个芯片焊盘；以及
其中所述位置和取向传感器封装还包括经由倒装芯片附连将所述第一和第二磁阻传感器芯片的相应芯片焊盘接合到所述电介质衬底的相应连接焊盘的焊料。
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