一种具有惯性追踪模块的三维人机交互系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及人机交互技术领域，具体来说是一种具有惯性追踪模块的Ξ维人机交 互系统。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 在人机交互技术中，项目产品通过对构成惯性追踪模块的Ξ轴巧螺仪、Ξ轴加速 度传感器、Ξ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， W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。
[0004] 其中传统的Ξ轴磁传感器会因为其他磁场的干扰而导致位置不精确，所W，一种 抗干扰能力强的Ξ轴磁传感器是保证人机交互结构的重要环节。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术中Ξ维目标定位易受噪音干扰的缺陷，提供一 种具有惯性追踪模块的=维人机交互系统，来解决上述问题。
[0006] 本发明通过W下技术方案实现上述技术内容：
[0007] -种具有惯性追踪模块的Ξ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Ξ轴巧螺仪、Ξ轴加速度传感器、Ξ轴磁传感器W及控制器;所述Ξ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Ξ轴巧螺仪设置在 人体上;所述Ξ轴传感器设置在人体上;所述Ξ轴巧螺仪、Ξ轴加速度传感器、Ξ轴磁传感 器W及控制器均与所述控制器连接；
[000引所述Ξ轴巧螺仪为MEMSS轴巧螺仪，所述MEMSS轴巧螺仪包括衬底，W及通过错 点弹性支撑在衬底上方的主质量块，所述衬底上设有与主质量块构成驱动电容并驱动主质 量块转动的驱动电极；W主质量块的横向方向为X轴方向，W主质量块的竖向方向为Υ轴方 向，W垂直于主质量块所在平面的方向为巧由方向；还包括ΧΥ轴检测结构，所述ΧΥ轴检测结 构包括通过错点弹性支撑在所述衬底上方的随动质量块，其中，所述随动质量块的侧壁通 过驱动弹性梁与主质量块连接;在所述随动质量块上还设置有X轴检测质量块、Υ轴检测质 量块，其中，其中X轴检测质量块位于随动质量块的Υ轴方向上，并通过沿Υ轴方向的第一连 接梁与随动质量块连接;所述Υ轴检测质量块位于随动质量块的X轴方向上，且通过沿X轴方 向的第二连接梁与随动质量块连接;所述X轴检测质量块、Υ轴检测质量块的两端具有分别 沿对应的第一连接梁、第二连接梁对称的第一可动电极、第二可动电极;所述衬底上设置有 与第一可动电极、第二可动电极构成差分检测电容的相应的固定电极;还包括Ζ轴检测结 构，所述Ζ轴检测结构包括通过第Ξ连接梁与主质量块连接的Ζ轴解禪质量块，还包括与Ζ轴 解禪质量块平行布置的Ζ轴检测质量块，其中所述Ζ轴检测质量块通过位于其两侧的第四连 接梁与z轴解禪质量块连接;所述z轴检测质量块通过第五连接梁连接在固定于衬底的错点 上，且第四连接梁与第五连接梁垂直;所述Z轴检测质量块上设置有第Ξ可动电极、第四可 动电极，所述衬底上设置有与第Ξ可动电极、第四可动电极构成差分电容的固定电极；
[0009] 所述Ξ轴磁传感器为单忍片Ξ轴磁场传感器，所述单忍片Ξ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KAsns<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〇<Aref<l;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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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Ξ维尺寸中最小的一个。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 优选的，所述基片上集成有一ASIC忍片，或所述基片与一独立的ASIC忍片相电连 接。
[0018] 优选的，所述单忍片Ξ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Υ轴传感器和所述Ζ轴传感器上各自至少有3个娃通孔。
[0019] 本发明与现有技术相比，具有W下有益效果：
[0020] 本发明提供的Ξ维人机交互系统结构简单，采用了本发明提供的单忍片Ξ轴磁感 应器，该单忍片Ξ轴磁场传感器能直接输出Χ、Υ、ΖΞ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Ξ轴磁场传感器，其 含有的X轴传感器和Υ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】
[0021] 图1为本发明中的单忍片Ξ轴磁场传感器的结构示意图；
[0022] 图2为本发明中的单忍片Ξ轴磁场传感器的数字信号处理电路原理图；
[0023] 图3为X轴传感器和Υ轴传感器的结构示意图；
[0024] 图4为X轴传感器中磁电阻元件周围的磁场分布图；
[0025] 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；
[0026] 图6为X轴传感器的响应曲线；
[0027] 图7为X轴传感器的电路示意图；
[00%]图8为巧由传感器的结构示意图；
[0029] 图9为巧由传感器在Ζ方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图；
[0030] 图10为巧由传感器的电路原理示意图；
[0031] 图11为巧由传感器在X方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图；
[0032] 图12为巧由传感器在Υ方向磁场中的磁通量控制器周围的磁场分布图；
[0033] 图13为巧由传感器的响应曲线。
【具体实施方式】
[0034] 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W较佳的 实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
[0035] 一种具有惯性追踪模块的Ξ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Ξ轴巧螺仪、Ξ轴加速度传感器、Ξ轴磁传感器W及控制器;所述Ξ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Ξ轴巧螺仪设置在 人体上;所述Ξ轴传感器设置在人体上;所述Ξ轴巧螺仪、Ξ轴加速度传感器、Ξ轴磁传感 器W及控制器均与所述控制器连接。
[0036] 本发明中的Ξ轴磁传感器为单忍片Ξ轴磁场传感器。图1为单忍片Ξ轴磁场传感 器在ΧΥ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、Υ轴 传感器4、Ζ轴传感器5W及多个用于输入输出的焊