一种应用于三维人机交互系统中的惯性追踪模块技术方案

本发明专利技术提供一种应用于三维人机交互系统中的惯性追踪模块，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及人机交互
，具体来说是一种应用于三维人机交互系统中的惯性追踪模块。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，提供一种应用于三维人机交互系统中的惯性追踪模块，来解决上述问题。本专利技术通过以下技术方案实现上述
技术实现思路
：一种应用于三维人机交互系统中的惯性追踪模块，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；所述三轴加速度传感器包括MEMS加速度芯片、用于过滤干扰信号并处理感应信号的信号处理芯片和基板，所述MEMS加速度芯片由盖体、微机械系统和用于产生感应信号的电路基片组成，该微机械系统由X轴加速度感应区、Y轴加速度感应区和用于感应外界Z轴运动的Z轴加速度感应区组成，所述盖体与电路基片四周边缘通过密封胶层粘接从而形成一密封腔，所述微机械系统位于密封腔内且在电路基片上表面，该密封腔的高度为45～55μm；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。本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果：本专利技术提供的三维人机交互系统结构简单，采用了本专利技术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为本专利技术中的单芯片三轴磁场传感器的结构示意图；图2为本专利技术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专利技术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：一种应用于三维人本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于三维人机交互系统中的惯性追踪模块，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；所述三轴加速度传感器包括MEMS加速度芯片、用于过滤干扰信号并处理感应信号的信号处理芯片和基板，所述MEMS加速度芯片由盖体、微机械系统和用于产生感应信号的电路基片组成，该微机械系统由X轴加速度感应区、Y轴加速度感应区和用于感应外界Z轴运动的Z轴加速度感应区组成，所述盖体与电路基片四周边缘通过密封胶层粘接从而形成一密封腔，所述微机械系统位于密封腔内且在电路基片上表面，该密封腔的高度为45～55μm；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。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于三维人机交互系统中的惯性追踪模块，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；
所述三轴加速度传感器包括MEMS加速度芯片、用于过滤干扰信号并处理感应信号的信号
处理芯片和基板，所述MEMS加速度芯片由盖体、微机械系统和用于产生感应信号的电路基片
组成，该微机械系统由X轴加速度感应区、Y轴加速度感应区和用于感应外界Z轴运动的Z
轴加速度感应区组成，所述盖体与电路基片四周边缘通过密封胶层粘接从而形成一密封腔，
所述微机械系统位于密封腔内且在电路基片上表面，该密封腔的高度为45～55μm；
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈拥权，李建中，郑荣稳，鲁加旺，
申请(专利权)人：安徽寰智信息科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34