[发明专利]用于确定位置和方向的磁阻传感器

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于确定位置和方向的磁阻传感器，且更具体地涉及使用磁场确定对象的位置和方向的位置和方向跟踪系统。 

背景技术

位置和方向跟踪系统被用于各种行业和应用中，以提供关于对象的位置和方向信息。例如，位置和方向跟踪系统可在航空应用、工业应用、安全应用、游戏应用、动画应用、运动感测应用以及医学应用中是有用的。这些系统使用的技术多种多样，包括电磁(EM)、射频(RF)、光学(视线)和机械技术。 

在医学应用中，位置和方向跟踪系统用于向操作者(例如，医生或者其他医学专业人员)提供信息，以帮助准确和快速地定位处于病人身体内或附近的医疗设备。通常，图像可以显示在监测器上，以提供定位信息给操作者。该图像可包括病人的解剖体的可视化表示，医疗设备的图形表示显示在该图像上。当医疗设备关于病人身体被定位时，显示的图像被更新以反映正确的设备坐标。病人的解剖体的基础图像可在医疗过程之前或者在医疗过程中生成。例如，任何适合的医疗成像技术，诸如X射线、计算机断层摄影术(CT)、磁共振(MR)、正电子发射断层摄影术(PET)、超声、或者任何其他合适的成像技术、以及其任意组合，可被利用以提供在跟踪过程中显示的基础图像。在将基础图像与病人的位置和方向对准，或者与感兴趣区域或解剖特征的位置和方向对准之后，基础图像和被跟踪医疗设备的图形表示的组合提供位置和方向信息，该信息允许医疗工作人员将设备操纵到希望的位置和方向。 

为了确定设备的方位(location)，位置(position)和方向跟踪系统可利用实施磁场产生和检测的EM传感器。至少一个磁场从一个或者多个EM传感器(例如磁场发生器或者发射器)产生，并且该至少一个磁场被一个或者多个互补的EM传感器(例如磁场接收器)检测。在此系统中，该磁场可以通 过测量EM传感器之间的互感而被检测。测量值被处理以解出EM传感器相对彼此的位置和方向。 

通常，EM传感器带有线圈以产生和检测磁场。尽管基于线圈的EM传感器已被成功实现，随着发射线圈频率降低和/或接收线圈容量降低，这种EM传感器信噪比(SNR)低。信噪比(SNR)降低意味着EM传感器的范围(从发送器到接收器的距离)减小，这会导致在临床上有意义的位置误差。 

与基于线圈的EM传感器相关的一个问题是，它们易受附近导电体中的涡电流引起的磁场畸变影响。使用基于线圈的EM传感器的跟踪技术依赖于稳定的磁场或者已知的磁场图。因此，由于磁场中的金属物体导致的不可预知的干扰降低了准确性，或者甚至可能使跟踪技术失效。选择与应用同样低的磁场频率使得能够减少涡电流引起的问题，然而这样也降低了基于线圈的EM传感器的灵敏度，因为它们基于电感。 

与基于线圈的EM传感器相关的其他问题是，它们一般制造昂贵，而且也固有地对来自线缆、连接器和电子设备的寄生电感和电容敏感，因为传感器信号成比例地变小而寄生信号保持不变。虽然使用更昂贵的部件和制造过程可部分地消除某些寄生成分，但是剩余的寄生电感和电容导致范围减小。 

除了基于线圈的EM传感器之外，还有很多种类的具有不同价格和性能属性的磁传感器。霍尔(Hall)效应传感器通常被用于检测低至大约10^-6特斯拉(Tesla)的场。这些传感器稳定、紧凑、相对便宜，并且有大的动态范围。各向异性磁阻(AMR)传感器能够检测低至大约10^-9特斯拉的场。虽然这些传感器紧凑且相对不昂贵，但是它们很容易漂移并且具有小的动态范围。因此，AMR传感器需要使用高电流脉冲来频繁地重新初始化。磁通门磁强计能够检测低至大约10^-11特斯拉的场。然而这些传感器价格昂贵，体积大并且有相对小的动态范围。SQUID磁强计能够检测低至大约10^-15特斯拉的场。因为这些传感器需要制冷剂或者大功率闭环冷却系统，所以它们由于显著的操作成本而也是昂贵的。 

因此，需要具有小的形状系数、极好的信噪比、极好的低频操作、对寄生电感和电容的更低灵敏度、对畸变的更低灵敏度以及非常低的制造成本的具有磁阻传感器的位置和方向跟踪系统。 

发明内容

根据本发明的一个方面，用于位置和方向跟踪系统的磁阻传感器包括：绝缘衬底；沉积在绝缘衬底表面上的金属材料和半导体材料的交替图案；沉积在金属材料和半导体材料的交替图案上的偏磁材料(bias magnet material)。