CN109975725B - 改善的tas传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对用作三轴传感器(TAS)的改善的磁性传感器的系统和方法。TAS提供最佳传感器，是同心的并且三个线圈是相同的，其中产生更高的灵敏度，多个层。更具体地，传感器由多个印刷电路板(PCB)层制成。多个PCB层根据各种几何形状堆叠，以形成增强位置感知的传感器。同心传感器能以立方体、堆叠正方形或尺寸减小的堆叠正方形的形式布置以形成锥体结构。

Description

改善的TAS传感器

发明内容

为了通过三轴传感器(TAS)提供准确的磁场测量，需要具有已知灵敏度的灵敏传感器。这种传感器用于例如外科医生想要以更高的精确度和准确度执行微创手术的外科规程中。磁性导航工具的使用提供了一种执行这些类型的手术的机制(例如，ElectroPhysiology和Ear Nose Trots)。传感器的另一用途包括在头盔单片眼镜上以准确的方式投射目标所需的飞行员头盔位置跟踪。

最佳的TAS是同心的、对称的并且同质的。这意味，三个轴(X、Y、Z)中的灵敏度和电阻类似。其他设计考虑因素包括制造，包括规范性和成本。

在设计本发明的TAS时，传感器由印刷电路板(PCB)制成，与由标准卷绕线圈建立的传统传感器相比，改善了可制造性。所描述的基于PCB的TAS线圈包括两个重要方面：TAS由六个PCB锥体建立，这六个PCB锥体附接在一起以形成立方体；并且这六个PCB锥体中的每个PCB锥体均由若干呈“锥体切口”的形状的PCB建立，这些PCB由根据各种几何形状堆叠的层建立，以形成传感器。相比于其它PCB技术，所描述的传感器表现出高的每体积灵敏度密度。同心传感器可以立方体、堆叠正方形或尺寸减小的堆叠正方形的形式布置以形成提供立方体构造的锥体结构。

公开了一种TAS装置、系统和方法以及一种单轴传感器(SAS)装置、系统和方法。TAS包括六个SAS，每个SAS包括多个形成为锥体结构的层，其中连续层中的每个层均被配置为面积小于该层被装配所在的层，其中该多个层中的每个层均在该层上形成至少一个线圈，所述至少一个线圈中的每个线圈均基本上涵盖形成线圈所在的层内可用的横截面积；以及多个互连件，该多个互连件将每个连续层互连到该连续层的相邻的其它层，其中六个SAS形成为类似立方体的结构。

SAS包括多个形成为锥体结构的层，其中连续层中的每个层均被配置为面积小于该层被装配所在的层，其中该多个层中的每个层均在该层上形成至少一个线圈，所述至少一个线圈中的每个线圈均基本上涵盖可形成的线圈所在的层内可用的横截面积；以及多个互连件，该多个互连件将每个连续层互连到该连续层的相邻的其它层。

还公开了一种形成TAS的方法。该方法包括：确定待包括在每个SAS中作为三轴传感器的锥体的层的数目；在该数目的层中的每个层上制造线圈，其中每个连续层的占有面积减小；互连每个层内的线圈；从最大到最小堆叠制造的线圈以形成锥体结构；将每个连续层互连到相邻的其它层；以及将六个形成的SAS装配成类似立方体的结构以形成TAS。

附图说明

通过以举例的方式结合附图提供的以下具体实施方式可得到更详细地理解，其中：

图1示出根据本发明的第一实施方案的形成为多层传感器的磁性传感器；

图2描绘可用于形成图1的多层传感器的锥体传感器。

图3A-3C示出提供图2中所描绘的传感器的附加细节的锥体结构，包括图3A中的锥体结构的顶视图、图3B中的锥体结构的等轴视图和图3C中的锥体结构的侧视图；

图4描绘根据本发明的第二实施方案的同心传感器的另一种设计；

图5示出本发明中的传感器的比例；并且

图6示出形成三轴传感器(TAS)的方法。

具体实施方式

在以下描述中，列出许多具体细节，诸如特定结构、部件、材料、尺寸、工序和技术，以提供对本发明的实施方案的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员应当理解，能在没有这些具体细节的情况下实践实施方案。在其它情况下，没有详细描述熟知的结构或工序，以避免模糊实施方案。应当理解，当一个元件诸如层、区或基板被称为在另一个元件“上”或“上方”时，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居间元件。相比之下，当一个元件被称为“直接在”另一个元件“上”或“上方”时，不存在居间元件。还应当理解，当一个元件被称为在另一个元件“下方”、“以下”或“下面”时，它可以直接在另一个元件下方或下面，或者可以存在居间元件。相比之下，当一个元件被称为“直接在”另一个元件“下方”或“下面”时，不存在居间元件。

为了在以下详细描述中不模糊实施方案的呈现，本领域中已知的一些结构、部件、材料、尺寸、工序和技术可出于呈现并且出于说明目的而组合在一起，并且在一些情况下可能没有详细描述。在其它情况下，可能根本不描述本领域中已知的一些结构、部件、材料、尺寸、工序和技术。应当理解，以下描述集中于本文所述的各种实施方案的独特特征部或元件。

公开了一种针对用作三轴传感器(TAS)的改善的磁性传感器的系统和方法。TAS通过使用PCB层来提供高灵敏度。所描绘的TAS传感器是基于线圈。接收线圈将磁场转换成电子设备可检测的模拟信号，并且根据已知的参数和算法，磁性传感器的位置被确定。将磁场转换成模拟电压的能力被定义为线圈的灵敏度。

灵敏度与环(也称为线圈)的横截面积成正比。这种横截面积被限制在给定体积内。通过设计，并且为了保持系统的动态范围，每个轴可以彼此类似。传感器的灵敏度是所形成的环的表面积的线性函数。因此，本发明的传感器使环的数目和限定体积中环的表面积最大化，以利用可能的最大面积。如本领域中的具有普通技术的人员已知，表面积以函数的形式被定义为π(П)乘以环半径的平方。因此，通过保持每个轴的对称性，环能在每个轴中提供相同的灵敏度。

以举例的方式，本发明的TAS传感器能用于利用磁性传感器感测的任何系统，包括但不限于已知的导航系统和新的ACCLARENT ENT导航系统。

磁性传感器通常可由若干印刷电路板(PCB)层制成；这些PCB层根据各种几何形状堆叠成若干层以形成增强位置感知的磁性传感器。所得配置提供增加的灵敏度和更大的准确度。例如，六面同心并且对称的传感器增加感测准确度以使位置发现更精确。同心传感器可以立方体、堆叠正方形或尺寸减小的堆叠正方形的形式布置以形成锥体结构。最终，锥体结构可组合以构造立方体。立方体形状在所有三个轴中提供大约相同的灵敏度。由于PCB技术的使用和PCB技术的一般平坦表面格式，容易形成诸如立方体形状的几何形状。

图1示出形成为多层传感器100的磁性传感器。多层传感器100可形成为立方体。多层传感器100可包括六个环锥体110、112、114、116、118、120，每个锥体构成立方体结构的一个侧面。每个环锥体110、112、114、116、118、120均可为SAS。每个环锥体110、112、114、116、118、120可包括多个呈锥体结构的环层。为了制造每个单独的锥体，将越来越小的PCB件堆叠起来以形成锥体，如下文关于图2和图3更详细描述。每个附加层的尺寸减小提供锥体结构。形成锥体结构的叠堆中的每个层可包括一系列环。

由于环(线圈)的数目增加，多层传感器100的灵敏度大大增加，因为多层传感器100将磁场转换成电子设备能够检测的模拟信号。因为多层传感器100的灵敏度与环的横截面积成比例，所以多层结构使立方体的限定体积内环的横截面积最大化。传感器的灵敏度是所形成的环的表面积的线性函数。因此，使环的面积最大化使灵敏度最大化。本发明的传感器使环和限定体积中环的表面积最大化，以提供可能的最大面积。相比于现有的传感器生产方法，多层传感器100的设计提供每限定体积大大约10倍的灵敏度。此外，通过设计，并且为了保持系统的动态范围，每个轴可以是类似的。通过保持每个轴的对称性，环可在每个轴中提供相同的灵敏度。

图2描绘可用于形成图1的多层传感器100的锥体传感器200。锥体传感器200是SAS。锥体传感器200自身可被认为是多层传感器。每个层均可由PCB制成，并且这些层可以例如通过将一个层放置在另一个层上方并将它们电耦合在一起进行互连。为了制造锥体200，将越来越小的PCB件堆叠起来以形成锥体200。

以举例的方式，锥体200可包括多个层210。多个层210可包括任何数目的层。为清楚和讨论起见，图2包括五层锥体。然而，可以使用任何数目的层，并且五个层的示例仅仅出于讨论和理解的清楚性而使用。在这种五层配置中，多个层210可以包括基底或第一层231、第二层233、和第三层235、第四层237以及顶部或第五层239。基底层231可为最大层，如通过面积所定义，并且形成锥体的基底。第二层233可为第二大层并且可堆叠在基底层231上。第三层235可为第三大层并且可堆叠在第二层233上。第四层237的尺寸可设定成小于第三层235并且可堆叠在第三层235上。第五层239可为最小层并且可堆叠在第四层237上。

虽然图2在锥体200的尖端处描绘第五层239，但是第五层239可以不是尖端，并且根据层的数目和顶层的尺寸，锥体200可不包括尖端。事实上，在设计中，不包括形成尖端的层可允许锥体传感器组合成TAS，从而通过为六个待组合在一起的锥体提供一些间距来形成立方体。

通过装配六个锥体，使基底层231形成立方体的侧面，立方体可以形成为其中六个锥体200中的每个锥体均延伸到立方体的主体中，如图1所示。这种朝向立方体中心的延伸可例如侵占立方体的中心。即，每个锥体的顶层可基本上与立方体内部中的每个其它顶层接触。另选地，锥体200可以仅部分地延伸到形成的立方体的中心，在立方体的中心留下空间。这项具体实施方案提供如所讨论的提供精确位置读数的高灵敏度。

图3A-3C示出锥体结构300，提供图1和图2中所描绘的锥体的附加细节。图3A是锥体结构300的顶视图301；图3B是锥体结构300的等轴视图302；并且图3C是锥体结构300的侧视图303。形成图3A-3C的描绘示出环或线圈，同时从视线隐藏了PCB和其它结构材料。

具体地参考图3A，顶视图301的锥体结构300和PCB锥体310的描绘是锥体。锥体结构300包括PCB锥体310。所制造的传感器包括八个层，当外部正方形尺寸为4.8mm×4.8mm时，更大的层含有7个直径从4.11mm至2.28mm的环。内部层具有3个直径从2.87mm至2.26mm的环。锥体310包括第一层312、第二层314、第三层316、第四层318和第五层322。如关于图2所描述，第一层312可为锥体310的基底。第二层314可以堆叠在第一层312上。第三层316可以堆叠在第二层314上。第四层318可以堆叠在第三层316上。第五层322可以堆叠在第四层318上。虽然每个层312、314、316、318、322被描述为具有单个环或线圈，但是每个层312、314、316、318、322可以替代地每层包括多个卷绕。

每个层312、314、316、318、322均使用一系列互连件320中的一个电连接到上方和下方的相应层312、314、316、318、322。这些互连件320可以包括任何类型的电连接不同层的方法，包括焊点、线材、插座、通过迹线或任何其它传统的连接方法。互连件320也可以用于电耦合层312、314、316、318、322内的环。虽然本发明的附图和描述讨论包括焊点的互连件320，但是也可以使用其它连接元件来代替或辅助焊料连接。电连接件然后被耦合到多层线圈以便使用传感器。

每个层312、314、316、318、322均可以设计在多层PCB上。如应当理解，多层设计允许更高的环密度并且因此允许更高的灵敏度。如图3A所示，锥体结构300形成大约4.8平方毫米占有面积，这是根据Acclarent导航系统中的需要的设计示例。

图3B提供等轴视图302的锥体结构300和PCB锥体310的描绘。如上所述，锥体310包括第一双层312、第二双层314、第三双层316和第四双层318。如关于图2所描述，第一层312可为锥体310的基底。第二层314可以堆叠在第一层312上。第三层316可以堆叠在第二层314上。第四层318可以堆叠在第三层316上。每个层312、314、316连接到上方和下方的层，并且层内的环可以使用一系列焊点320中的一个互连。

图3C示出锥体结构300和锥体310的侧视图303。如上所述，锥体310包括第一双层312、第二双层314、第三双层316和第四双层318。如关于图2所描述，第一层312可为锥体310的基底。第二层314可以堆叠在第一层312上。第三层316可以堆叠在第二层314上。第四层318可以堆叠在第三层316上。在堆叠层312、314、316、318中，每个堆叠起来的层变成越来越小的PCB件以形成锥体310。连续层312、314、316、318之间尺寸的减小可以形成连续函数。即，每个连续层312、314、316、318的尺寸可以减小与堆叠进展大约相同的量。这种减小角度如图3C所示，诸如为锥体310的边缘上的45°角。锥体结构300中的这种设计允许当将锥体结构中的六个组合以形成图1的传感器100时形成适当的配置，而在锥体310之间没有干扰，并且在形成图1的传感器100的锥体310之间中没有间隙(间隙表示在使用可用面积增加灵敏度时未利用的面积)。

如图3C所示，每个层312、314、316、318可以由完整的环或线圈形成。完整的线圈或环的形成如每个层312、314、316、318是两个环的外观所示。所制造的传感器包括八个层，当外部正方形尺寸为4.8mm×4.8mm时，更大的层含有7个直径从4.11mm至2.28mm的环。内部层具有3个直径从2.87mm至2.26mm的环。

每个层312、314、316、318均连接到上方和下方的层。层内的环可以使用一系列互连件320b中的一个互连。层312、314、316、318内多个层的互连利用一系列互连件320a中的一个。互连件320a和互连件320b可为任何所描述的互连件320中的一个。这些互连件被单独地编号以突出层内和层间连接件，而不是通过形成的连接的机械类型。

此外，可利用对准机构340以形成锥体310。这种对准机构340提供内线圈与外表面的电连接。这样继而可以连接到线材或任何其它外部连接。虽然图3中示出层和连接点的具体几何形状，但是可利用任何几何形状。

图4描绘根据本发明的同心传感器400的另一种设计。同心传感器400包括折叠成立方体420的六个传感器圆，统称为传感器圆410。在形成同心传感器400时，传感器圆410可包括六个传感器圆，包括第一同心圆412、第二同心圆414、第三同心圆416、第四同心圆418、第五同心圆422和第六同心圆424。在形成传感器圆410时，第一同心圆412可以联接到第二同心圆414，第二同心圆414继而联接到第三同心圆416，第三同心圆416继而联接到第四同心圆418，第四同心圆418继而联接到第五同心圆422，第五同心圆422继而联接到第六同心圆424。传感器圆410可以由例如单个PCB层形成。在某些实施方案中，传感器圆410可为单个PCB层，并且在其它实施方案中，传感器圆410可在每个圆中包括多个圆圈层。例如，附加层可以如上文关于锥体实施方案所述进行配置。

在几何上，第二同心圆414、第三同心圆416、第四同心圆418和第五同心圆422可以线性配置进行配置，如基于每个圆414、416、418、422的近似中心所定义。圆414、416、418、422的这种模式可提供由单个PCB件形成圆414、416、418、422的能力。第一同心圆412可以在与由圆414、416、418、422的中心形成的线成直角下形成。第六同心圆424可以在与由圆414、416、418、422的中心形成的线成直角下形成。第六同心圆424可以在与第一同心圆412相反的方向上成直角下进行配置。第一同心圆412和第六同心圆424可以在基本上线性的圆414、416、418、422的远侧端部处形成。

如上所述的传感器圆410的配置可以使传感器圆410能够操纵成立方体420。两个相邻圆中的每个圆的相交可以提供折叠以使每个圆形成为立方体的侧面。以举例的方式，第一同心圆412可以被定位，或形成立方体420的第一侧面432，第二同心圆414可以被定位，或形成立方体420的第二侧面434，第三同心圆416可以被定位，或形成立方体420的第三侧面436，第四同心圆418可以被定位，或形成立方体420的第四侧面438，第五同心圆422可以被定位，或形成立方体420的第五侧面442，并且第六同心圆424可以被定位，或形成立方体420的第六侧面444。一旦被装配，传感器圆410就形成传感器圆的立方体420，形成同心传感器。

图5示出本发明中的传感器的比例的一个示例。例如，如图所示的第一传感器510大约为5平方毫米。如根据上文关于图1-3的描述所理解，立方体的单个侧面被描绘为图5中的传感器510。即，第一传感器510被描绘成仅示出图1中所描述的立方体的单个边缘。如图所示的第二传感器520也是5平方毫米。仅以举例的方式，本文所述的传感器提供大约4-5mV/G的灵敏度，其对应于增益为20-25V/G的灵敏度。此类配置利用3-4欧姆的电阻并提供大约40dB的信噪比(SNR)。可以使用侧面大约5mm的8层锥体立方体结构来实现所提供的灵敏度。

图6示出了形成TAS的方法600。方法600包括在步骤610确定待包括在三轴传感器的每个SAS或锥体中的层的数目。在步骤620，方法600包括在该数目的层中的每个层上制造线圈或环，其中每个连续层的尺寸减小。在步骤630，提供每个层内的互连。在步骤640，从最大到最小堆叠每个制造的线圈层以形成锥体结构。在步骤650，提供各层与其它层的互连。在步骤660，可将形成的锥体结构中的六个装配成类似立方体的结构以形成TAS。

虽然上文具体地描述了特征和元件，但本领域的普通技术人员将会知道，每个特征或元件均可以单独使用或以与或不与其它特征和元件的任何组合使用。此外，本文所述的方法可在被结合在计算机可读介质中的计算机程序、软件或固件中实现，以供计算机或处理器执行。

Claims (18)

1.一种三轴传感器(TAS)装置，所述装置包括：

六个单轴传感器(SAS)，每个SAS包括：

多个层，所述多个层形成为锥体结构，其中连续层中的每个层均被配置为面积小于该层被装配所在的层；所述多个层中的每个层均包括至少一个线圈，所述至少一个线圈基本上涵盖形成所述线圈所在的所述层的横截面积；以及多个互连件，所述多个互连件将每个连续层互连到该连续层的相邻的层，其中所述六个SAS形成为类似立方体的结构。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述类似立方体的结构的每个边长为5mm。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所提供的灵敏度在4至5mV/G的范围内。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述TAS将磁场转换为模拟信号。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个层包括8个层。

6.根据权利要求1所述的装置，其中基本上涵盖所述层的横截面积包括使所述线圈中环的数目最大化。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述层由印刷电路板(PCB)形成。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是基本上对称的、基本上同心的并且基本上同质的。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个层中的最大层包括7个环。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述环包括从最大环的4.11mm到最小环的2.28mm的直径。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个层中的最小层包括3个环。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述环包括从最大环的2.87mm到最小环的2.26mm的直径。

13.一种形成三轴传感器(TAS)的方法，所述方法包括：

确定待包括在每个单轴传感器(SAS)中作为所述三轴传感器的锥体的层的数目；

在所述数目的层中的每个层上制造线圈，其中每个连续层的占有面积减小；

将所述层中的每个层内的所述线圈互连；

从最大到最小堆叠所述制造的线圈以形成锥体结构；

将每个连续层互连到相邻的其它层；以及

将六个所形成的SAS装配成类似立方体的结构以形成所述TAS。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述层的数目包括8。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述层由印刷电路板(PCB)形成。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所提供的灵敏度在4至5mV/G的范围内。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述TAS将磁场转换为模拟信号。

18.一种单轴传感器(SAS)装置，所述装置包括：

形成为锥体结构的多个层，其中连续层中的每个层均被配置为面积小于该层被装配所在的层，其中所述多个层中的每个层均在该层上形成至少一个线圈，所述至少一个线圈中的每个线圈均基本上涵盖形成所述线圈所在的所述层内可用的横截面积；以及

多个互连件，所述多个互连件将每个连续层互连到该连续层的相邻的其它层。