专利名称：热运动传感指示器的制作方法
技术领域：
本发明是关于指示器，特别是关于使用热运动传感器对运动目标进行跟踪的指示器。
指示器广泛用于计算机和其它电子器件的指令输入，指示器测出的运动转变成屏幕上的光标，图符，或目标的运动。有时这种运动也可以解释为某种特殊的指令，比如指示器向上和向下表示对问询的正面回复。
指示器的应用可以扩展到监测目标，人群，或人体各部分的运动。空间指示器已普遍用于游戏机，录像，电影，以及虚拟外景的特技动作捕捉。空间指示器还在与运动分析相关的物理治疗和体育运动中找到不少应用。
跟踪目标运动的指示器已随处可见。这种器件通过测定目标在各个时刻的位置并根据一连串位置变动计算目标速度，以此跟踪目标的运动。目标位置跟踪的类型包括电磁系统，声波系统，图像系统，惯性系统，以及光学系统。
电磁器件利用产生三维正交的电磁场的发射器和包括三组正交线圈的探测器。声波系统测定声波从一只或多只发射器渡越到三只或更多探测器的时间。图像系统利用摄像机产生的图像并经计算机处理对特定目标定位。惯性系统利用加速度传感器和陀螺仪确定目标的运动。
光学系统采用两种不同的运行原理。一种涉及到对光源扫描，计算被扫描光源的探测时间用以确定光源的位置。另一种用到多只探测器，同时监测连续或不断闪烁的光源。
某些指示器通过添加加速度传感器和陀螺仪而发展出跟踪更多维数的运动。跟踪球，操纵杆，以及数字底垫也可用以监测运动。
虽然如此，现有的指示器还是需要进一步发展，一方面为了完善其性能，另一方面为了扩充其功能。因此本发明提出热运动传感指示器，这种指示器利用运动的加热元产生非对称的热场，与加热元一同运动的温度传感元检测热场的对称部位温度变化，从而确定运动的方向，速度，以及加速度，并且可以转换成需要控制的目标的运动。
本发明的第一个目的是提出一种可以用来制造指示器的热运动传感器，其工作原理是依靠运动的加热元产生向运动反方向发生歪斜的热场，随同加热元运动的温度传感元能够测出热场对称部位的温度变化，从而定出运动的方向，速度，以及加速度。
本发明的第二个目的是提出一种热运动传感指示器，利用热运动传感器测定其运动在各坐标轴方向产生的分速度，进而计算其合成速度并定出其方向，从而实现对运动轨迹的跟踪。
本发明的第三个目的是利用一只二维热运动传感器组成二维桌面热运动传感指示器。
本发明的第四个目的是利用一只二维热运动传感器和一只一维热运动传感器组成三维桌面热运动传感指示器。
本发明的第五个目的是利用三只一维热运动传感器组成三维空间热运动传感指示器。
上述目的的实现都涉及到热运动传感器，而这种传感器的物理基础就是运动的加热元产生的热场的对称部位的温度差异性，可测性，及其与运动密切相关性。
如果启动一个点热源，并且让热能向静止的空气中散播，一直到稳定为止，就会看到一座温度影响山峰从热源所处在位置扩散开来。这个温度影响山峰以点热源为中心对称分布。其垂直截面为一系列纵向等温线，其横截面为一系列横向等温线。这些等温线沿径向方向疏远，表明温度梯度逐渐变小。直觉看来，愈远离热源热流愈小。更严格说来，根据热传导的傅立叶定律，热流正比于温度梯度，由于沿径向方向温度梯度逐渐变小，因而热流也随之变小。
如果由脉冲加热的点热源处于运动状态，就会沿运动轨迹产生一系列温度影响山峰。如果将这一系列的温度影响山峰进行线性叠加，就可产生一个稳定的温度场。这个温度场已经不再是对称分布，而是朝向与运动相反的方向歪斜。其纵向温度分布和横向温度分布也都发生歪斜。歪斜的横向温度分布被穿过热源且与运动方向垂直的直线划分为两个截然不同的部分，迎向运动的一部分，等温线列被压缩，远向运动的一部分，等温线列被扩展。如果在这个横截面上布置一组温度传感元阵列，就可以实时重现截面上的所有的等温线。根据这个重现的温度分布，特别是各对称点上温度差异的分析和计算，可以提取许多有关运动的信息，包括方向，速度，以及加速度等。
本发明基于上述原理设计出热运动传感器，进而利用热运动传感器发展出二维桌面热运动传感指示器，三维桌面热运动传感指示器，以及三维空间热运动传感指示器。
先通过如下附图对本发明作简要说明。
图1A表示处于静止状态的电阻加热元产生的温度影响山峰。
图1B表示图1A所示的静止电阻加热元产生的温度影响山峰的纵向截面。
图1C表示产生图1A所示的温度影响山峰所用的电阻加热元。
图1D表示产生图1A所示的温度影响山峰所用的加热电流脉冲。
图2A表示处于运动状态的脉冲电阻加热元产生的系列离散纵向温度影响曲线。
图2B表示产生图2A所示的离散纵向温度影响曲线所用的电阻加热元。
图2C表示产生图2A所示的离散纵向温度影响曲线所用的加热电流脉冲。
图3A表示由温度传感元阵列围绕，处于静止状态的电阻加热元产生的稳态纵向温度分布图。
图3B表示由温度传感元阵列围绕，处于静止状态的电阻加热元产生的稳态横向温度分布图。
图4A表示由温度传感元阵列围绕，处于运动状态的电阻加热元产生的稳态纵向温度分布图。
图4B表示由温度传感元阵列围绕，处于运动状态的电阻加热元产生的稳态横向温度分布图。
图5A表示本发明提供的一维热运动传感器。
图5B表示本发明提供的二维热运动传感器。
图6A表示本发明提供的二维桌面热运动传感指示器离开桌面的示意图。
图6B表示本发明提供的二维桌面热运动传感指示器处于桌面的示意图。
图6C表示图6A所示的三维桌面热运动传感指示器所用的二维热运动传感器及其圆形框架示意图。
图6D表示配合图6C所示的二维热运动传感器及其圆形框架所用的圆形外罩示意图。
图7A表示本发明提供的三维桌面热运动传感指示器处于桌面的示意图。
图7B表示图7A所示三维桌面热运动传感指示器所用的一维热运动传感器及其矩形框架示意图。
图7C表示配合图7B所示的一维桌面热运动传感器及其矩形框架所用的矩形外罩示意图。
图8A表示本发明提供的三维空间热运动传感指示器的示意图。
图8B表示图8A所示的三维空间热运动传感指示器所用的六只一维热运动传感器及其球形框架的示意图。
图8C表示图8B所示的一维热运动传感器的基本单元之一。
图8D表示图8B所示的一维热运动传感器的基本单元之二。
图9A表示本发明提供的热运动传感指示器所用信号处理电路的方块图。
图9B表示本发明提供的热运动传感指示器所用信号发射电路的方块图。
在上述附图的基础上，对本发明进行更详细的说明。
本发明提供的所有热运动传感指示器都是利用热运动传感器对运动物体进行跟踪。而热运动传感器的设计依据是处于运动状态的电阻加热元产生的非对称热场与其运动状况存在密切关系，并且通过随同运动的温度传感元的实时测量，可以揭示运动状况。
参考图1A，图1B，图1C，和图1D，以考察处于静止状态的电阻加热元产生的温度场特性。图1A表示静止电阻加热元产生的温度影响山峰104。图1B表示静止脉冲加热电阻元产生的一系列纵向温度影响曲线105，106，和107。图1C和图1D表示产生上述温度场所用的电阻加热元101，载体102，和电流脉冲103。每个脉冲都产生一个相应的纵向温度影响曲线，105和106是前两个脉冲产生的纵向温度影响曲线，107是后一个脉冲产生的纵向温度影响曲线。由于热量不断向远处扩散，纵向温度影响曲线会持续扩张，直至热能耗尽为止。上述各图清楚地表明，不论是温度影响山峰和纵向温度影响曲线都是以电阻加热元为中心对称分布。如果测量热场中各个对称点的温度，温度值应该是严格相等的。
再参考图2A，图2B，和图2C，以考察处于运动状态的电阻加热元产生的温度场特性。图2A表示处于运动状态的脉冲电阻加热元产生的系列纵向温度影响曲线205，206，和207。图2C和图2D表示用于产生系列纵向温度影响曲线的电阻加热元201，载体202及其运动方向203，电流脉冲204。每个脉冲都产生一个相应的纵向温度影响曲线，其中205和206是前两个脉冲产生的纵向温度影响曲线，207是后一个脉冲产生的纵向温度影响曲线。要特别注意的是，这些纵向温度影响曲线不再是以电阻加热元为中心对称分布，而是彼此之间相隔一定的距离，该距离严格等于电阻加热元的运动速度乘以加热脉冲周期。实际上，这些分离的纵向温度影响曲线是想象的，是假定脉冲周期足够长，彼此之间影响不大。实际上，能够观测到的是这些曲线的线性叠加，是一条向与运动相反的方向歪斜的纵向温度影响曲线。
下面参考图3A和图3B，以进一步考察上述电阻加热元产生的温度分布特性。图3A表示静止电阻加热元产生的稳态纵向温度分布。图3B表示静止电阻加热元产生的稳态横向温度分布。图中301表示电阻加热元，302表示围绕电阻加热元的温度传感元阵列，303表示承载电阻加热元和温度传感元阵列的载体，304表示纵向等温线系列，305表示横向等温线系列。由图可见，等温线之间的径向间隔随着远离电阻加热元而逐渐拉开，这表明温度梯度逐渐变小。根据直觉就可以判断，离开电阻加热元愈远，热流愈小。而按照严格的有关热传导的傅立叶定律，热流与温度梯度成正比，沿径向方向温度梯度不断减小，因而热流也随之变小。
实际上，横向截面各处的温度都可以通过与电阻加热元共面的温度传感元测出，如果温度传感元阵列的规模足够大，传感元足够小，可以实时测出各处的温度，并可建立温度分布图。不过，测出的结果应该表明，温度场中各对称点的温度是完全一样的。
只是当电阻加热元处于运动状态时，情况就发生变化了。图4A表示由处于运动状态的电阻加热元产生的稳态纵向温度分布曲线。图4B表示由处于运动状态的电阻加热元产生的稳态横向温度分布曲线。图中401表示电阻加热元，405表示温度传感元阵列，402表示承载电阻加热元和温度传感元阵列的载体，403a和403b表示载体在静止空气中运动的方向，404表示纵向等温线系列，406表示横向等温线系列。
由图4A和图4B可见，处于运动状态的电阻加热元产生的纵向温度分布曲线和横向温度分布曲线均向与运动相反的方向歪斜。被歪斜的横向温度分布曲线图由穿过电阻加热元且与运动方向垂直的一条直线划分成两个截然不同的两个区域，在前向运动的部分区域，等温线系列被压缩，而后向运动的区域，等温线系列被扩展。这表明被压缩的区域温度梯度变大，而被扩展的区域温度梯度变小。此时由温度传感元阵列测出的温度数值分布不再是对称的，特别是在前后两区域的对称位置上，测出的温度出现明显的差别。这种对称位置上表现出来的温度差，正好可为热运动传感器所利用，因为温度差反应了运动的状况，可以由此定出运动的方向，速度，以及加速度。
根据上述原理本发明设计出一种一维热运动传感器和一种二维热运动传感器。一维热运动传感器包含两个基本单元，二维热运动传感器包含四个基本单元。每个基本单元由一个电阻加热元和至少一个温度传感元组成，其排列的规则是电阻加热元须与一条一维的坐标轴垂直。故一维热运动传感器的两个基本单元相对排列成直线，而二维热运动传感器的四个基本单元排列成正方形，每组相对排列的两个基本单元瞄准一条坐标轴，相互成正交状态。
图5A表示本发明提供的一维热运动传感器，其两个基本单元分别由电阻加热元501a和501b，温度传感元502a和502b，以及焊接块503a和503b组成。图5B表示本发明提供的二维热运动传感器，其四个基本单元分别由电阻加热元504a，504b，504c，504d，温度传感元505a，505b，505c，505d，以及焊接块506a，506b，506c，506d组成。
由于任何方向的二维运动都可以分解成两个正交坐标轴上的分运动，只要分别测出两条坐标轴上的分速度，然后通过矢量相加，即可求出二维运动的速度及方向。同样的道理，任何方向的三维运动可以分解成三条正交坐标轴上的分运动，只要分别测出三条坐标轴上的分速度，然后通过矢量相加，即可求出三维运动的速度及方向。因此用三只一维的热运动传感器可以传感三维运动，其步骤是先分别测出三条坐标轴上的分速度，然后进行矢量相加，即得出三维运动的速度和方向。如果用这种方法求出速度与时间的关系，则可进一步计算出运动的加速度。
本发明提供的热运动传感器由微电子技术制造，每只传感器的传感元至少有一个集成在同一块芯片上，因此具有集成电路的诸多优点，包括微型，灵敏，反应快，以及省电等。其电阻加热元可以用硅薄膜材料制造，包括多晶硅薄膜和单晶硅薄膜等，也可用金属薄膜材料制造，包括铂薄膜等。温度传感元可以为热敏电阻器，可用的制造材料包括铂薄膜和多晶硅薄膜。也可以为热偶堆，包括铝/多晶硅热偶堆和多晶硅/单晶硅热偶堆。为减少电阻加热元的热传导引起的热量损耗，须用低热导的材料作为电阻加热元和温度传感元的支撑垫片。本发明用的低热导材料为未氧化的多晶硅层。这种材料可在硅片内部形成，其制造技术与微电子技术兼容。未氧化的多晶硅层不仅热导率低，其机械应力也低，因而可以在硅片内产生比较厚的未氧化的多晶硅层，这对提高传感器的性能，特别是增强可靠性极为有利。
热运动传感器可以安装到任何运动物体上，用于跟踪运动物体的运动轨迹。也可用作指示器的跟踪元件，将指示器的指挥动作转换成电信号，以对指挥目标进行控制。
本发明的第一个实施方案是二维桌面热运动传感指示器，也就是常见的鼠标器。参考图6A和6B，图6A表示该指示器离开桌面的状态，图6B表示该指示器处于桌面的状态。该指示器包括手握壳体601，密布细孔的下部侧面602a和602b，底部平板603，圆形框架604，圆形外罩605，圆形外罩的弧形底边606，二维热运动传感器607，和信号处理电路608。壳体601的顶部和上部侧面都成圆弧形状，以适合人手操纵。下部侧面602a和602b密布细孔，以使壳体601的内部与大气连通。壳体601在人手的操纵下可以通过底部平板603沿桌面609滑移作二维运动。圆形框架604的顶部和底部为平板状，均与底部平板603保持平行，其侧面开有均匀间隔分布的孔洞，孔洞部位与细孔侧面602a和602b对齐，以使框架604的内部也与大气连通。圆形外罩605的侧面上下分成两部分，上部侧面封闭，下部侧面开放。下部侧面的部分底边成突出圆弧形状，其突出部分606可以通过底部平板603的开缝伸出底部。正如图6A和6B所示，当壳体601提起时，圆形外罩605底部的突出圆弧606从底部平板603的开缝伸出，使外罩的封闭侧面正好阻挡住圆形框架604侧面的孔洞，使框架内部与大气连接隔断。当壳体601放下时，圆形外罩605底部的突出圆弧606被桌面609顶回底部平板603的开缝，外罩的开放侧面对准圆形框架604侧面的孔洞部位，使框架内部与大气连通。
圆形框架604和圆形外罩605的详细结构如图6C和图6D所示。参考图6C，框架侧面的下半部排列有均匀分布的矩形孔洞611。框架内部安置一只二维热运动传感器，其内含四个基本单元，分别为607a，607b，607c，和607d，每个单元包括一个电阻加热元和至少一个温度传感元。四个基本单元排成一个迎向孔洞611的平面上，成正方形构架，电阻加热元处于外侧，温度传感元处于内侧。也可以反过来排列，即温度传感元处于外侧，电阻加热元处于内侧，其作用应该是一样的。四个基本单元都由金属窄条连接起来，并且由导线610连接到信号处理电路上去。参考图6D，外罩侧面的顶部有横向伸出的突环612，下半部有均匀分布的矩形孔洞613，底部有向下突出的圆弧606。外罩相对框架的位置由圆弧606与桌面609接触与否决定。如不接触，则由于外罩自身重量的作用，使其自然下坠，直至突环606被壳体601的底部平板603挡住为止。此时框架的侧面孔洞部位对准外罩的封闭侧面，因而框架内部被阻止与大气连通。如圆弧606与桌面609接触，圆弧606被桌面609顶回壳体601底部平板603的开缝，此时框架的侧面孔洞部位对准外罩的侧面孔洞部位，框架内部可与大气连通。
如果框架内部与大气是连通的，则装置于框架内部的热运动传感器处于运动状态时，其面对的空气是静止不动的，从而可以实现其传感运动的功能。如果框架内部与大气的通道被阻隔，则储存在框架内部的空气会随装置于框架内部的热运动传感器一同运动，此时热运动传感器就不再具有传感运动的功能。因此外罩实际上起机械开关的作用，可以根据需要随时关闭和开启热运动传感器。操纵这种机械开关的动力不只限于重力，也可以改用其它驱动力，如电磁力和静电力等。
根据空气动力学原理，运动物体的表面会形成主要由雷诺数决定其厚度的边界层，在这个边界层内，紧贴物体表面的空气层会以运动物体相同的速度随同运动，而随着离开物体表面距离增加，空气层的运动速度会逐渐减小，直至离开边界层变为零。显然，从传感器的性能考虑，热运动传感器应安置在这个边界层的外面，以避免边界层的影响。也可将热运动传感器安置在运动物体的前沿或靠近前沿，因为边界层是从运动物体的前沿开始形成的，沿着物体表面向后推移而逐渐变厚。由于前沿部位边界层比较薄，可以认为在此安置的热运动传感器的主体由静止的空气所笼罩，因而边界层产生的影响比较小。由图6C可见，本发明基于上述考虑，传感器的基本单元被安置在框架的四周边缘。
本发明的第二个实施方案是三维桌面热运动传感指示器。参考图7A，该指示器包括手握壳体701，密布细孔的下部侧面704a和704b，底部中后段主平板702，底部前段副平板703，圆形框架705，圆形外罩706，圆形外罩的弧形底边707，二维热运动传感器708，矩形框架709，矩形外罩710，矩形外罩斜坡底边711，一维热运动传感器712，信号处理电路713。壳体701的顶部和上部侧面都成圆弧形状，以适合人手操纵。下部侧面704a和704b密布细孔，以使壳体701的内部与大气连通。壳体701在人手的操纵下可以通过底部主平板702沿桌面滑移作二维运动。也可以向前稍微翘起，以通过底部副平板703沿桌面滑移作一维运动。
圆形框架705的顶部和底部为平板状，均与底部主平板702保持平行，其侧面开有均匀间隔分布的孔洞，孔洞的位置与密布细孔侧面704a和704b部位对齐，以使框架705的内部也与大气连通。圆形外罩706的侧面上下分成两部分，上部侧面封闭，下部侧面开放。下部侧面的部分底边成突出的圆弧形状707，可以通过底部主平板702的开缝伸出底部。当壳体701提起离开桌面，圆形外罩706底部的突出圆弧707从底部主平板702的底部伸出，外罩的封闭侧面阻挡住圆形框架705侧面的孔洞部位，使框架内部与大气隔断。如图7A所示，当壳体701放下立于桌面，圆形外罩706底部的突出圆弧707被桌面714顶回底部主平板702的开缝，外罩的开放侧面对准圆形框架705侧面的孔洞部位，使框架内部与大气连接起来。
圆形框架705和圆形外罩706的详细结构与图6C和图6D所示的圆形框架604和圆形外罩605完全相似。框架705内部安置的二维热运动传感器708的结构和排布也与框架604内的二维热运动传感器607完全相似。
两端开口的矩形框架709的顶壁较厚，底壁较薄，都与底部副平板703平行。矩形外罩710的端面分成上下两部分，上面部分由矩形块封闭，下面部分对外敞开。外罩710的两侧面的下半部分成斜坡状，其突出底边711可以插入底部副平板703的开缝。如壳体701只通过底部主平板702沿桌面714滑移，则突出底边711碰不到桌面714，整个矩形框架709处于自由落体状态，在自身重力的作用下向下坠落，一直到其两端面的矩形封块被底部副平板703挡住为止。如图7A所示，此时矩形框架709的两端面恰好被矩形外罩710的封块堵住，因而其内部不能与大气连通。如果壳体701向前翘起而通过底部副平板703沿桌面714滑移，则伸出副平板703的突出底边711被桌面714顶回副平板703的开缝。此时矩形框架709的两端面恰好对准矩形外罩710的开口部位，因而其内部可通过开口与大气相通。
矩形框架709和矩形外罩710的详细结构可参考图7B和图7C。矩形框架顶部内壁安置有热运动传感器712，其包含的两个基本单元为712a和712b，通过导线715与信号处理电路连接。传感器的二个基本单元712a和712b沿着框架的纵向排列，使其电阻加热元与框架的纵轴垂直。矩形外罩的两侧面的下部从一端向另一端倾斜形成斜坡711。斜坡711的窄端直接与端面堵块716连接，而宽端与端面堵块716形成一个向下的台阶717。台阶717须与壳体701底部副平板703的开缝端部密切配合，使其在上下滑动时，能保持矩形外罩710与矩形框架709配合恰当。
本发明的第三个实施方案是三维空间热运动传感指示器。参考图8A，该指示器包括球形壳体801，柱形手柄802，球形框架803，信号处理和发射电路804，以及功能开关805。球形壳体801的外壳为孔网结构，空气可以从中穿透。球形框架803的外壳也为透气的孔网结构，通过金属拉杆固定于球形壳体801之内，并使框架803和壳体801环绕同一中心。柱形手柄802支持球形壳体801，通过人手操纵，可以使球形壳体801作三维空间运动。信号处理和发射电路804安装在柱形手柄802内，其运行功能可通过操纵功能开关805随时予以中断。
球形框架803的内部构架由图8B表示。由图可见，有六根圆管806xa和806xb，808ya和808yb，810za和810zb装置其内，每两根管子合并为一组，共分成三组。每组管子同时瞄准笛卡尔坐标的一条坐标轴，但分列于坐标轴原点的两侧，并且其内部端面保持与坐标轴原点距离相等，而其外部端面处于同一球面上。每组管子配置一只一维热运动传感器，只是其包含的两个基本单元807xa和807xb，或者809ya和809yb，或者811za和811zb分别安置于两根管子的内部。
三只热运动传感器的组装如图8C和图8D所示。图中表示的是配置在x轴上的传感器，配置在其它两根轴上的传感器也是一样。由图8C可见，基本单元807xa包括电阻加热元807a1，热偶堆807a2，和支持硬片812a。柔性电路带813a将该单元连接到外部信号处理电路上。基本单元807xb包括电阻加热元807b1，热偶堆807b2，和支持硬片812b。柔性电路带813b将该单元连接到外部信号处理电路上。组装好的传感器沿着管子的纵向方向插入管内，使传感器的灵敏部位处于管子的中心轴线附近。如此安排是为了使传感器的灵敏部位尽可能远离边界层，以使传感器具有较高的灵敏度。
三维热运动传感指示器的信号处理电路方块图如图9A所示，该电路由三个独立的单元组成，每个单元单独处理一个一维热运动传感的输入信号。每个单元包括前置放大器903x，或903y，或903z，Sigma Delta模拟/数字转换器904x，或904y，或904z，数字运算电路905x，或905y，或905z，以及输出调制电路906x，或906y，或906z。上述转换器，数字运算电路，和输出调制电路都由相同的时钟脉冲控制。输入前置放大器的信号为一个一维传感器的两个基本单元的热偶堆产生的电压差，三只一维热运动传感器的热偶堆分别为902xa和902xb，902ya和902yb，902za和902zb。三个一维传感器的电阻加热元都由稳定功率输出电源901供电，为节省能源和降低热效应，应采用脉冲工作模式。
经过处理的信号可以通过电缆输出，以对运动目标进行控制。也可以通过发射装置将处理的信号输出，运动目标接收信号后随时调整自身的运动状态。一组发射电路方块图如图9B所示。该电路由控制器907，调制器908，以及发射天线909组成。控制器907将信号处理电路送来的数字信号分别转换成模拟信号，然后由调制器908对模拟信号进行高频调制，最后由天线909发射出去。
二维热运动传感指示器的信号处理电路，除了所含的处理单元由三个改成二个以外，其它均与图9A和9B所示的方块图相似。其与控制运动目标的连接可以直接通过电缆。
上述说明只限于阐述本发明的热运动传感指示器的基本结构以及实施方案。在此说明的指导下，熟悉本专业的技术人员是很容易进行局部的补充，修改和调整，但是都还在本发明的权利要求所涉及的范围。
权利要求
1.一种二维桌面热运动传感指示器，其特征包括一只手握壳体，其顶部和上侧面成圆弧状形，其下侧面密布细孔，底部为平板，壳体可通过其底部平板沿桌面滑移作两维运动；一只圆形框架，装于壳体之内，上下各有一块平板，均与底部平板平行，周围侧面排布均匀分隔的开孔，其开孔部位对准壳体侧面细孔部位，由此使框架内部与大气连通；一只可以上下移动的圆形外罩，环绕圆形框架，外罩侧面的下半部有均匀分布的开孔，侧面的底部有突出的弧形底边，可插入底部平板的开缝，如壳体提升离开桌面，外罩可在自身重力作用下穿过平板开缝下落，将圆形框架的开孔堵塞，使框架内部与大气隔离，如壳体放下立于桌面，外罩的弧形底边会被桌面挤进平板的开缝，使其开孔部位正好对准圆形框架的开孔部位，从而将框架内部通向大气的通道打开；一只二维热运动传感器，装于圆形框架顶部平板的内部表面上，由四个基本单元组成，每个单元包括一个电阻加热元和至少一个温度传感元，传感器的工作原理为在静止空气中运动的加热元会产生一个向运动的反方向歪斜的热场，由此引起各对称位置之间的温度差，该温差可由与加热元处于同一平面且随同运动的温度传感元阵列测出，转换成电信号后，运动的方向，速度，以及加速度均可导出；以及一组信号处理电路，内含二个单元，分别处理二维热运动传感器提供的两个一维方向的运动信号，并将处理后的信号输出以控制二维运动目标。
2.按照权利要求1所述的一种二维桌面热运动传感指示器，其特征是所述的热运动传感器为集成电路器件，至少一只传感单元的电阻加热元和温度传感元集成在同一块芯片上。
3.按照权利要求1所述的一种二维桌面热运动传感指示器，其特征是所述的温度传感元为对温度敏感的电阻器。
4.按照权利要求1所述的一种二维桌面热运动传感指示器，其特征是所述的温度传感元为热电偶堆。
5.一种三维桌面热运动传感指示器，其特征包括一只手握壳体，其顶部和上部侧面成圆弧形状，其侧面下半部密布细孔，底部的中后段为主平板，底部的前段为倾斜的副平板，壳体可通过其底部的主平板沿桌面滑移作两维运动，也可将壳体向前翘起，通过底部的副平板沿桌面滑移作一维运动；一只圆形框架，装于壳体之内，上下各有一块平板，均与底部主平板平行，周围侧面排布均匀分隔的开孔，其开孔部位对准壳体侧面细孔部位，由此使框架内部与大气连通；一只可以上下移动的圆形外罩，环绕圆形框架，外罩侧面排布均匀分隔的开孔，侧面的底部有突出的弧形底边，可插入底部主平板的开缝，如壳体提升离开桌面，外罩在自身重力作用下穿过主平板的开缝下落，将圆形框架的开孔堵塞，使其与大气隔离；如壳体放下立于桌面，外罩的弧形底边被桌面挤进平板的开缝，使其开孔部位正好对准圆形框架的开孔部位，从而将框架内部通向大气的通道打开；一只二维热运动传感器，安置于圆形框架上平板的内部表面，由四个基本单元组成，每个单元包括一个电阻加热元和至少一个温度传感元，传感器的工作原理为在静止空气中运动的加热元会产生一个向运动的反方向歪斜的热场，由此引起各对称位置之间的温度差，该温差可由与加热元处于同一平面且随同运动的温度传感元阵列测出，转换成电信号后，运动方向，速度，以及加速度均可导出；一只两端敞开的矩形框架，上部管壁与下部管壁均与底部副平板平行；一只可以上下移动的矩形外罩，套在矩形框架的外面，外罩端面的上半部由横块封闭，下半部敞开，外罩两侧面的下部为斜坡状底边，其突出部分可以插入副平板的开缝，如壳体沿主平板运动，外罩在自身重力作用下其斜坡突出部分穿过副平板开缝露出，将矩形框架的端面堵塞，使其与大气隔离，如壳体沿副平板滑移，外罩的斜坡突出部分被桌面挤进副平板的开缝，使外罩的开口部位正好对准矩形框架的开口部位，从而将矩形框架内部与大气的通道打开；一只一维热运动传感器，安置于矩形框架上部管壁的内部表面，由二个基本单元组成，每个单元包括一个电阻加热元和至少一个温度传感元，传感器的工作原理为在静止空气中运动的加热元会产生一个向运动的反方向歪斜的热场，由此引起各对称位置之间的温度差，该温差可由与加热元处于同一平面且随同运动的温度传感元阵列测出，转换成电信号后，运动方向，速度，以及加速度均可导出；以及一组信号处理电路，内含三个单元，分别处理三个一维方向的运动信号，其中二个一维运动信号由二维热运动传感器提供的，一个一维运动信号由一维热运动传感器提供的，并将处理后的信号输出以控制三维运动目标。
6.按照权利要求5所述的一种三维桌面热运动传感指示器，其特征是所述的热运动传感器为集成电路器件，至少一只传感单元的电阻加热元和温度传感元集成在同一块芯片上。
7.按照权利要求5所述的一种三维桌面热运动传感指示器，其特征是所述的温度传感元为对温度敏感的电阻器。
8.按照权利要求5所述的一种三维桌面热运动传感指示器，其特征是所述的温度传感元为热电偶堆。
9.一种三维空间热运动传感指示器，其特征包括一只球形壳体，其外壳密布细孔，由一只手握圆柱体支撑；一只球形框架，装于球形壳体之内，其外壳密布细孔，由此球形框架内部可与外部大气连通；六根细管装于球形框架内，分成三组，每组有两根管子，排成直线状，对准笛卡尔坐标系的一条坐标轴，并分列于坐标原点的两侧，所有管子的外部端面处于同一球面上；三只热运动传感器，每只由两个基本单元组成，每个单元含一个电阻加热元和至少一个温度传感元，每只传感器的两个基本单元分别插入一组细管的两根管子内部，三只传感器通过导线与信号处理电路连接；一组信号处理电路和无线发射电路，装于手握圆柱体内，共含三个单元，分别与一条坐标轴的传感器连接，并对其输出信号进行处理和发送；以及一只开关，装在手握圆柱体侧面，可以瞬时停止和启动信号电路的运行功能。
10.按照权利要求9所述的一种三维空间热运动传感指示器，其特征是所述的热运动传感器为集成电路器件，至少一只传感单元的电阻加热元和温度传感元集成在同一块芯片上。
全文摘要
一种热运动传感指示器，利用热运动传感器对运动目标进行跟踪。热运动传感器的运行依赖处于运动状态的加热元产生向与运动相反方向歪斜的热场，使以加热元为中心的各对称位置上出现温度差，对此差值进行测量，并转换成电信号，即可导出运动方向，速度，以及加速度。以热运动传感器为基础，设计了三种热运动传感指示器二维桌面热运动传感指示器或鼠标器，三维桌面热运动传感指示器，以及三维空间热运动传感指示器。热运动传感器用集成电路技术制造，结构简单，成本低廉，性能优异。
文档编号G01K3/14GK1667382SQ20041000648
公开日2005年9月14日 申请日期2004年3月10日 优先权日2004年3月10日
发明者涂相征, 李韫言 申请人:李韫言