專利名稱：熱運動傳感指示器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于指示器，特別是關于使用熱運動傳感器對運動目標進行跟蹤的指示器。
指示器廣泛用于計算機和其它電子器件的指令輸入，指示器測出的運動轉變成屏幕上的光標，圖符，或目標的運動。有時這種運動也可以解釋為某種特殊的指令，比如指示器向上和向下表示對問詢的正面回復。
指示器的應用可以擴展到監(jiān)測目標，人群，或人體各部分的運動?？臻g指示器已普遍用于游戲機，錄像，電影，以及虛擬外景的特技動作捕捉。空間指示器還在與運動分析相關的物理治療和體育運動中找到不少應用。
跟蹤目標運動的指示器已隨處可見。這種器件通過測定目標在各個時刻的位置并根據一連串位置變動計算目標速度，以此跟蹤目標的運動。目標位置跟蹤的類型包括電磁系統，聲波系統，圖像系統，慣性系統，以及光學系統。
電磁器件利用產生三維正交的電磁場的發(fā)射器和包括三組正交線圈的探測器。聲波系統測定聲波從一只或多只發(fā)射器渡越到三只或更多探測器的時間。圖像系統利用攝像機產生的圖像并經計算機處理對特定目標定位。慣性系統利用加速度傳感器和陀螺儀確定目標的運動。
光學系統采用兩種不同的運行原理。一種涉及到對光源掃描，計算被掃描光源的探測時間用以確定光源的位置。另一種用到多只探測器，同時監(jiān)測連續(xù)或不斷閃爍的光源。
某些指示器通過添加加速度傳感器和陀螺儀而發(fā)展出跟蹤更多維數的運動。跟蹤球，操縱桿，以及數字底墊也可用以監(jiān)測運動。
雖然如此，現有的指示器還是需要進一步發(fā)展，一方面為了完善其性能，另一方面為了擴充其功能。因此本發(fā)明提出熱運動傳感指示器，這種指示器利用運動的加熱元產生非對稱的熱場，與加熱元一同運動的溫度傳感元檢測熱場的對稱部位溫度變化，從而確定運動的方向，速度，以及加速度，并且可以轉換成需要控制的目標的運動。
本發(fā)明的第一個目的是提出一種可以用來制造指示器的熱運動傳感器，其工作原理是依靠運動的加熱元產生向運動反方向發(fā)生歪斜的熱場，隨同加熱元運動的溫度傳感元能夠測出熱場對稱部位的溫度變化，從而定出運動的方向，速度，以及加速度。
本發(fā)明的第二個目的是提出一種熱運動傳感指示器，利用熱運動傳感器測定其運動在各坐標軸方向產生的分速度，進而計算其合成速度并定出其方向，從而實現對運動軌跡的跟蹤。
本發(fā)明的第三個目的是利用一只二維熱運動傳感器組成二維桌面熱運動傳感指示器。
本發(fā)明的第四個目的是利用一只二維熱運動傳感器和一只一維熱運動傳感器組成三維桌面熱運動傳感指示器。
本發(fā)明的第五個目的是利用三只一維熱運動傳感器組成三維空間熱運動傳感指示器。
上述目的的實現都涉及到熱運動傳感器，而這種傳感器的物理基礎就是運動的加熱元產生的熱場的對稱部位的溫度差異性，可測性，及其與運動密切相關性。
如果啟動一個點熱源，并且讓熱能向靜止的空氣中散播，一直到穩(wěn)定為止，就會看到一座溫度影響山峰從熱源所處在位置擴散開來。這個溫度影響山峰以點熱源為中心對稱分布。其垂直截面為一系列縱向等溫線，其橫截面為一系列橫向等溫線。這些等溫線沿徑向方向疏遠，表明溫度梯度逐漸變小。直覺看來，愈遠離熱源熱流愈小。更嚴格說來，根據熱傳導的傅立葉定律，熱流正比于溫度梯度，由于沿徑向方向溫度梯度逐漸變小，因而熱流也隨之變小。
如果由脈沖加熱的點熱源處于運動狀態(tài)，就會沿運動軌跡產生一系列溫度影響山峰。如果將這一系列的溫度影響山峰進行線性疊加，就可產生一個穩(wěn)定的溫度場。這個溫度場已經不再是對稱分布，而是朝向與運動相反的方向歪斜。其縱向溫度分布和橫向溫度分布也都發(fā)生歪斜。歪斜的橫向溫度分布被穿過熱源且與運動方向垂直的直線劃分為兩個截然不同的部分，迎向運動的一部分，等溫線列被壓縮，遠向運動的一部分，等溫線列被擴展。如果在這個橫截面上布置一組溫度傳感元陣列，就可以實時重現截面上的所有的等溫線。根據這個重現的溫度分布，特別是各對稱點上溫度差異的分析和計算，可以提取許多有關運動的信息，包括方向，速度，以及加速度等。
本發(fā)明基于上述原理設計出熱運動傳感器，進而利用熱運動傳感器發(fā)展出二維桌面熱運動傳感指示器，三維桌面熱運動傳感指示器，以及三維空間熱運動傳感指示器。
先通過如下附圖對本發(fā)明作簡要說明。


圖1A表示處于靜止狀態(tài)的電阻加熱元產生的溫度影響山峰。
圖1B表示圖1A所示的靜止電阻加熱元產生的溫度影響山峰的縱向截面。
圖1C表示產生圖1A所示的溫度影響山峰所用的電阻加熱元。
圖1D表示產生圖1A所示的溫度影響山峰所用的加熱電流脈沖。
圖2A表示處于運動狀態(tài)的脈沖電阻加熱元產生的系列離散縱向溫度影響曲線。
圖2B表示產生圖2A所示的離散縱向溫度影響曲線所用的電阻加熱元。
圖2C表示產生圖2A所示的離散縱向溫度影響曲線所用的加熱電流脈沖。
圖3A表示由溫度傳感元陣列圍繞，處于靜止狀態(tài)的電阻加熱元產生的穩(wěn)態(tài)縱向溫度分布圖。
圖3B表示由溫度傳感元陣列圍繞，處于靜止狀態(tài)的電阻加熱元產生的穩(wěn)態(tài)橫向溫度分布圖。
圖4A表示由溫度傳感元陣列圍繞，處于運動狀態(tài)的電阻加熱元產生的穩(wěn)態(tài)縱向溫度分布圖。
圖4B表示由溫度傳感元陣列圍繞，處于運動狀態(tài)的電阻加熱元產生的穩(wěn)態(tài)橫向溫度分布圖。
圖5A表示本發(fā)明提供的一維熱運動傳感器。
圖5B表示本發(fā)明提供的二維熱運動傳感器。
圖6A表示本發(fā)明提供的二維桌面熱運動傳感指示器離開桌面的示意圖。
圖6B表示本發(fā)明提供的二維桌面熱運動傳感指示器處于桌面的示意圖。
圖6C表示圖6A所示的三維桌面熱運動傳感指示器所用的二維熱運動傳感器及其圓形框架示意圖。
圖6D表示配合圖6C所示的二維熱運動傳感器及其圓形框架所用的圓形外罩示意圖。
圖7A表示本發(fā)明提供的三維桌面熱運動傳感指示器處于桌面的示意圖。
圖7B表示圖7A所示三維桌面熱運動傳感指示器所用的一維熱運動傳感器及其矩形框架示意圖。
圖7C表示配合圖7B所示的一維桌面熱運動傳感器及其矩形框架所用的矩形外罩示意圖。
圖8A表示本發(fā)明提供的三維空間熱運動傳感指示器的示意圖。
圖8B表示圖8A所示的三維空間熱運動傳感指示器所用的六只一維熱運動傳感器及其球形框架的示意圖。
圖8C表示圖8B所示的一維熱運動傳感器的基本單元之一。
圖8D表示圖8B所示的一維熱運動傳感器的基本單元之二。
圖9A表示本發(fā)明提供的熱運動傳感指示器所用信號處理電路的方塊圖。
圖9B表示本發(fā)明提供的熱運動傳感指示器所用信號發(fā)射電路的方塊圖。
在上述附圖的基礎上，對本發(fā)明進行更詳細的說明。
本發(fā)明提供的所有熱運動傳感指示器都是利用熱運動傳感器對運動物體進行跟蹤。而熱運動傳感器的設計依據是處于運動狀態(tài)的電阻加熱元產生的非對稱熱場與其運動狀況存在密切關系，并且通過隨同運動的溫度傳感元的實時測量，可以揭示運動狀況。
參考圖1A，圖1B，圖1C，和圖1D，以考察處于靜止狀態(tài)的電阻加熱元產生的溫度場特性。圖1A表示靜止電阻加熱元產生的溫度影響山峰104。圖1B表示靜止脈沖加熱電阻元產生的一系列縱向溫度影響曲線105，106，和107。圖1C和圖1D表示產生上述溫度場所用的電阻加熱元101，載體102，和電流脈沖103。每個脈沖都產生一個相應的縱向溫度影響曲線，105和106是前兩個脈沖產生的縱向溫度影響曲線，107是后一個脈沖產生的縱向溫度影響曲線。由于熱量不斷向遠處擴散，縱向溫度影響曲線會持續(xù)擴張，直至熱能耗盡為止。上述各圖清楚地表明，不論是溫度影響山峰和縱向溫度影響曲線都是以電阻加熱元為中心對稱分布。如果測量熱場中各個對稱點的溫度，溫度值應該是嚴格相等的。
再參考圖2A，圖2B，和圖2C，以考察處于運動狀態(tài)的電阻加熱元產生的溫度場特性。圖2A表示處于運動狀態(tài)的脈沖電阻加熱元產生的系列縱向溫度影響曲線205，206，和207。圖2C和圖2D表示用于產生系列縱向溫度影響曲線的電阻加熱元201，載體202及其運動方向203，電流脈沖204。每個脈沖都產生一個相應的縱向溫度影響曲線，其中205和206是前兩個脈沖產生的縱向溫度影響曲線，207是后一個脈沖產生的縱向溫度影響曲線。要特別注意的是，這些縱向溫度影響曲線不再是以電阻加熱元為中心對稱分布，而是彼此之間相隔一定的距離，該距離嚴格等于電阻加熱元的運動速度乘以加熱脈沖周期。實際上，這些分離的縱向溫度影響曲線是想象的，是假定脈沖周期足夠長，彼此之間影響不大。實際上，能夠觀測到的是這些曲線的線性疊加，是一條向與運動相反的方向歪斜的縱向溫度影響曲線。
下面參考圖3A和圖3B，以進一步考察上述電阻加熱元產生的溫度分布特性。圖3A表示靜止電阻加熱元產生的穩(wěn)態(tài)縱向溫度分布。圖3B表示靜止電阻加熱元產生的穩(wěn)態(tài)橫向溫度分布。圖中301表示電阻加熱元，302表示圍繞電阻加熱元的溫度傳感元陣列，303表示承載電阻加熱元和溫度傳感元陣列的載體，304表示縱向等溫線系列，305表示橫向等溫線系列。由圖可見，等溫線之間的徑向間隔隨著遠離電阻加熱元而逐漸拉開，這表明溫度梯度逐漸變小。根據直覺就可以判斷，離開電阻加熱元愈遠，熱流愈小。而按照嚴格的有關熱傳導的傅立葉定律，熱流與溫度梯度成正比，沿徑向方向溫度梯度不斷減小，因而熱流也隨之變小。
實際上，橫向截面各處的溫度都可以通過與電阻加熱元共面的溫度傳感元測出，如果溫度傳感元陣列的規(guī)模足夠大，傳感元足夠小，可以實時測出各處的溫度，并可建立溫度分布圖。不過，測出的結果應該表明，溫度場中各對稱點的溫度是完全一樣的。
只是當電阻加熱元處于運動狀態(tài)時，情況就發(fā)生變化了。圖4A表示由處于運動狀態(tài)的電阻加熱元產生的穩(wěn)態(tài)縱向溫度分布曲線。圖4B表示由處于運動狀態(tài)的電阻加熱元產生的穩(wěn)態(tài)橫向溫度分布曲線。圖中401表示電阻加熱元，405表示溫度傳感元陣列，402表示承載電阻加熱元和溫度傳感元陣列的載體，403a和403b表示載體在靜止空氣中運動的方向，404表示縱向等溫線系列，406表示橫向等溫線系列。
由圖4A和圖4B可見，處于運動狀態(tài)的電阻加熱元產生的縱向溫度分布曲線和橫向溫度分布曲線均向與運動相反的方向歪斜。被歪斜的橫向溫度分布曲線圖由穿過電阻加熱元且與運動方向垂直的一條直線劃分成兩個截然不同的兩個區(qū)域，在前向運動的部分區(qū)域，等溫線系列被壓縮，而后向運動的區(qū)域，等溫線系列被擴展。這表明被壓縮的區(qū)域溫度梯度變大，而被擴展的區(qū)域溫度梯度變小。此時由溫度傳感元陣列測出的溫度數值分布不再是對稱的，特別是在前后兩區(qū)域的對稱位置上，測出的溫度出現明顯的差別。這種對稱位置上表現出來的溫度差，正好可為熱運動傳感器所利用，因為溫度差反應了運動的狀況，可以由此定出運動的方向，速度，以及加速度。
根據上述原理本發(fā)明設計出一種一維熱運動傳感器和一種二維熱運動傳感器。一維熱運動傳感器包含兩個基本單元，二維熱運動傳感器包含四個基本單元。每個基本單元由一個電阻加熱元和至少一個溫度傳感元組成，其排列的規(guī)則是電阻加熱元須與一條一維的坐標軸垂直。故一維熱運動傳感器的兩個基本單元相對排列成直線，而二維熱運動傳感器的四個基本單元排列成正方形，每組相對排列的兩個基本單元瞄準一條坐標軸，相互成正交狀態(tài)。
圖5A表示本發(fā)明提供的一維熱運動傳感器，其兩個基本單元分別由電阻加熱元501a和501b，溫度傳感元502a和502b，以及焊接塊503a和503b組成。圖5B表示本發(fā)明提供的二維熱運動傳感器，其四個基本單元分別由電阻加熱元504a，504b，504c，504d，溫度傳感元505a，505b，505c，505d，以及焊接塊506a，506b，506c，506d組成。
由于任何方向的二維運動都可以分解成兩個正交坐標軸上的分運動，只要分別測出兩條坐標軸上的分速度，然后通過矢量相加，即可求出二維運動的速度及方向。同樣的道理，任何方向的三維運動可以分解成三條正交坐標軸上的分運動，只要分別測出三條坐標軸上的分速度，然后通過矢量相加，即可求出三維運動的速度及方向。因此用三只一維的熱運動傳感器可以傳感三維運動，其步驟是先分別測出三條坐標軸上的分速度，然后進行矢量相加，即得出三維運動的速度和方向。如果用這種方法求出速度與時間的關系，則可進一步計算出運動的加速度。
本發(fā)明提供的熱運動傳感器由微電子技術制造，每只傳感器的傳感元至少有一個集成在同一塊芯片上，因此具有集成電路的諸多優(yōu)點，包括微型，靈敏，反應快，以及省電等。其電阻加熱元可以用硅薄膜材料制造，包括多晶硅薄膜和單晶硅薄膜等，也可用金屬薄膜材料制造，包括鉑薄膜等。溫度傳感元可以為熱敏電阻器，可用的制造材料包括鉑薄膜和多晶硅薄膜。也可以為熱偶堆，包括鋁/多晶硅熱偶堆和多晶硅/單晶硅熱偶堆。為減少電阻加熱元的熱傳導引起的熱量損耗，須用低熱導的材料作為電阻加熱元和溫度傳感元的支撐墊片。本發(fā)明用的低熱導材料為未氧化的多晶硅層。這種材料可在硅片內部形成，其制造技術與微電子技術兼容。未氧化的多晶硅層不僅熱導率低，其機械應力也低，因而可以在硅片內產生比較厚的未氧化的多晶硅層，這對提高傳感器的性能，特別是增強可靠性極為有利。
熱運動傳感器可以安裝到任何運動物體上，用于跟蹤運動物體的運動軌跡。也可用作指示器的跟蹤元件，將指示器的指揮動作轉換成電信號，以對指揮目標進行控制。
本發(fā)明的第一個實施方案是二維桌面熱運動傳感指示器，也就是常見的鼠標器。參考圖6A和6B，圖6A表示該指示器離開桌面的狀態(tài)，圖6B表示該指示器處于桌面的狀態(tài)。該指示器包括手握殼體601，密布細孔的下部側面602a和602b，底部平板603，圓形框架604，圓形外罩605，圓形外罩的弧形底邊606，二維熱運動傳感器607，和信號處理電路608。殼體601的頂部和上部側面都成圓弧形狀，以適合人手操縱。下部側面602a和602b密布細孔，以使殼體601的內部與大氣連通。殼體601在人手的操縱下可以通過底部平板603沿桌面609滑移作二維運動。圓形框架604的頂部和底部為平板狀，均與底部平板603保持平行，其側面開有均勻間隔分布的孔洞，孔洞部位與細孔側面602a和602b對齊，以使框架604的內部也與大氣連通。圓形外罩605的側面上下分成兩部分，上部側面封閉，下部側面開放。下部側面的部分底邊成突出圓弧形狀，其突出部分606可以通過底部平板603的開縫伸出底部。正如圖6A和6B所示，當殼體601提起時，圓形外罩605底部的突出圓弧606從底部平板603的開縫伸出，使外罩的封閉側面正好阻擋住圓形框架604側面的孔洞，使框架內部與大氣連接隔斷。當殼體601放下時，圓形外罩605底部的突出圓弧606被桌面609頂回底部平板603的開縫，外罩的開放側面對準圓形框架604側面的孔洞部位，使框架內部與大氣連通。
圓形框架604和圓形外罩605的詳細結構如圖6C和圖6D所示。參考圖6C，框架側面的下半部排列有均勻分布的矩形孔洞611?？蚣軆炔堪仓靡恢欢S熱運動傳感器，其內含四個基本單元，分別為607a，607b，607c，和607d，每個單元包括一個電阻加熱元和至少一個溫度傳感元。四個基本單元排成一個迎向孔洞611的平面上，成正方形構架，電阻加熱元處于外側，溫度傳感元處于內側。也可以反過來排列，即溫度傳感元處于外側，電阻加熱元處于內側，其作用應該是一樣的。四個基本單元都由金屬窄條連接起來，并且由導線610連接到信號處理電路上去。參考圖6D，外罩側面的頂部有橫向伸出的突環(huán)612，下半部有均勻分布的矩形孔洞613，底部有向下突出的圓弧606。外罩相對框架的位置由圓弧606與桌面609接觸與否決定。如不接觸，則由于外罩自身重量的作用，使其自然下墜，直至突環(huán)606被殼體601的底部平板603擋住為止。此時框架的側面孔洞部位對準外罩的封閉側面，因而框架內部被阻止與大氣連通。如圓弧606與桌面609接觸，圓弧606被桌面609頂回殼體601底部平板603的開縫，此時框架的側面孔洞部位對準外罩的側面孔洞部位，框架內部可與大氣連通。
如果框架內部與大氣是連通的，則裝置于框架內部的熱運動傳感器處于運動狀態(tài)時，其面對的空氣是靜止不動的，從而可以實現其傳感運動的功能。如果框架內部與大氣的通道被阻隔，則儲存在框架內部的空氣會隨裝置于框架內部的熱運動傳感器一同運動，此時熱運動傳感器就不再具有傳感運動的功能。因此外罩實際上起機械開關的作用，可以根據需要隨時關閉和開啟熱運動傳感器。操縱這種機械開關的動力不只限于重力，也可以改用其它驅動力，如電磁力和靜電力等。
根據空氣動力學原理，運動物體的表面會形成主要由雷諾數決定其厚度的邊界層，在這個邊界層內，緊貼物體表面的空氣層會以運動物體相同的速度隨同運動，而隨著離開物體表面距離增加，空氣層的運動速度會逐漸減小，直至離開邊界層變?yōu)榱?。顯然，從傳感器的性能考慮，熱運動傳感器應安置在這個邊界層的外面，以避免邊界層的影響。也可將熱運動傳感器安置在運動物體的前沿或靠近前沿，因為邊界層是從運動物體的前沿開始形成的，沿著物體表面向后推移而逐漸變厚。由于前沿部位邊界層比較薄，可以認為在此安置的熱運動傳感器的主體由靜止的空氣所籠罩，因而邊界層產生的影響比較小。由圖6C可見，本發(fā)明基于上述考慮，傳感器的基本單元被安置在框架的四周邊緣。
本發(fā)明的第二個實施方案是三維桌面熱運動傳感指示器。參考圖7A，該指示器包括手握殼體701，密布細孔的下部側面704a和704b，底部中后段主平板702，底部前段副平板703，圓形框架705，圓形外罩706，圓形外罩的弧形底邊707，二維熱運動傳感器708，矩形框架709，矩形外罩710，矩形外罩斜坡底邊711，一維熱運動傳感器712，信號處理電路713。殼體701的頂部和上部側面都成圓弧形狀，以適合人手操縱。下部側面704a和704b密布細孔，以使殼體701的內部與大氣連通。殼體701在人手的操縱下可以通過底部主平板702沿桌面滑移作二維運動。也可以向前稍微翹起，以通過底部副平板703沿桌面滑移作一維運動。
圓形框架705的頂部和底部為平板狀，均與底部主平板702保持平行，其側面開有均勻間隔分布的孔洞，孔洞的位置與密布細孔側面704a和704b部位對齊，以使框架705的內部也與大氣連通。圓形外罩706的側面上下分成兩部分，上部側面封閉，下部側面開放。下部側面的部分底邊成突出的圓弧形狀707，可以通過底部主平板702的開縫伸出底部。當殼體701提起離開桌面，圓形外罩706底部的突出圓弧707從底部主平板702的底部伸出，外罩的封閉側面阻擋住圓形框架705側面的孔洞部位，使框架內部與大氣隔斷。如圖7A所示，當殼體701放下立于桌面，圓形外罩706底部的突出圓弧707被桌面714頂回底部主平板702的開縫，外罩的開放側面對準圓形框架705側面的孔洞部位，使框架內部與大氣連接起來。
圓形框架705和圓形外罩706的詳細結構與圖6C和圖6D所示的圓形框架604和圓形外罩605完全相似。框架705內部安置的二維熱運動傳感器708的結構和排布也與框架604內的二維熱運動傳感器607完全相似。
兩端開口的矩形框架709的頂壁較厚，底壁較薄，都與底部副平板703平行。矩形外罩710的端面分成上下兩部分，上面部分由矩形塊封閉，下面部分對外敞開。外罩710的兩側面的下半部分成斜坡狀，其突出底邊711可以插入底部副平板703的開縫。如殼體701只通過底部主平板702沿桌面714滑移，則突出底邊711碰不到桌面714，整個矩形框架709處于自由落體狀態(tài)，在自身重力的作用下向下墜落，一直到其兩端面的矩形封塊被底部副平板703擋住為止。如圖7A所示，此時矩形框架709的兩端面恰好被矩形外罩710的封塊堵住，因而其內部不能與大氣連通。如果殼體701向前翹起而通過底部副平板703沿桌面714滑移，則伸出副平板703的突出底邊711被桌面714頂回副平板703的開縫。此時矩形框架709的兩端面恰好對準矩形外罩710的開口部位，因而其內部可通過開口與大氣相通。
矩形框架709和矩形外罩710的詳細結構可參考圖7B和圖7C。矩形框架頂部內壁安置有熱運動傳感器712，其包含的兩個基本單元為712a和712b，通過導線715與信號處理電路連接。傳感器的二個基本單元712a和712b沿著框架的縱向排列，使其電阻加熱元與框架的縱軸垂直。矩形外罩的兩側面的下部從一端向另一端傾斜形成斜坡711。斜坡711的窄端直接與端面堵塊716連接，而寬端與端面堵塊716形成一個向下的臺階717。臺階717須與殼體701底部副平板703的開縫端部密切配合，使其在上下滑動時，能保持矩形外罩710與矩形框架709配合恰當。
本發(fā)明的第三個實施方案是三維空間熱運動傳感指示器。參考圖8A，該指示器包括球形殼體801，柱形手柄802，球形框架803，信號處理和發(fā)射電路804，以及功能開關805。球形殼體801的外殼為孔網結構，空氣可以從中穿透。球形框架803的外殼也為透氣的孔網結構，通過金屬拉桿固定于球形殼體801之內，并使框架803和殼體801環(huán)繞同一中心。柱形手柄802支持球形殼體801，通過人手操縱，可以使球形殼體801作三維空間運動。信號處理和發(fā)射電路804安裝在柱形手柄802內，其運行功能可通過操縱功能開關805隨時予以中斷。
球形框架803的內部構架由圖8B表示。由圖可見，有六根圓管806xa和806xb，808ya和808yb，810za和810zb裝置其內，每兩根管子合并為一組，共分成三組。每組管子同時瞄準笛卡爾坐標的一條坐標軸，但分列于坐標軸原點的兩側，并且其內部端面保持與坐標軸原點距離相等，而其外部端面處于同一球面上。每組管子配置一只一維熱運動傳感器，只是其包含的兩個基本單元807xa和807xb，或者809ya和809yb，或者811za和811zb分別安置于兩根管子的內部。
三只熱運動傳感器的組裝如圖8C和圖8D所示。圖中表示的是配置在x軸上的傳感器，配置在其它兩根軸上的傳感器也是一樣。由圖8C可見，基本單元807xa包括電阻加熱元807a1，熱偶堆807a2，和支持硬片812a。柔性電路帶813a將該單元連接到外部信號處理電路上?；締卧?07xb包括電阻加熱元807b1，熱偶堆807b2，和支持硬片812b。柔性電路帶813b將該單元連接到外部信號處理電路上。組裝好的傳感器沿著管子的縱向方向插入管內，使傳感器的靈敏部位處于管子的中心軸線附近。如此安排是為了使傳感器的靈敏部位盡可能遠離邊界層，以使傳感器具有較高的靈敏度。
三維熱運動傳感指示器的信號處理電路方塊圖如圖9A所示，該電路由三個獨立的單元組成，每個單元單獨處理一個一維熱運動傳感的輸入信號。每個單元包括前置放大器903x，或903y，或903z，Sigma Delta模擬/數字轉換器904x，或904y，或904z，數字運算電路905x，或905y，或905z，以及輸出調制電路906x，或906y，或906z。上述轉換器，數字運算電路，和輸出調制電路都由相同的時鐘脈沖控制。輸入前置放大器的信號為一個一維傳感器的兩個基本單元的熱偶堆產生的電壓差，三只一維熱運動傳感器的熱偶堆分別為902xa和902xb，902ya和902yb，902za和902zb。三個一維傳感器的電阻加熱元都由穩(wěn)定功率輸出電源901供電，為節(jié)省能源和降低熱效應，應采用脈沖工作模式。
經過處理的信號可以通過電纜輸出，以對運動目標進行控制。也可以通過發(fā)射裝置將處理的信號輸出，運動目標接收信號后隨時調整自身的運動狀態(tài)。一組發(fā)射電路方塊圖如圖9B所示。該電路由控制器907，調制器908，以及發(fā)射天線909組成?？刂破?07將信號處理電路送來的數字信號分別轉換成模擬信號，然后由調制器908對模擬信號進行高頻調制，最后由天線909發(fā)射出去。
二維熱運動傳感指示器的信號處理電路，除了所含的處理單元由三個改成二個以外，其它均與圖9A和9B所示的方塊圖相似。其與控制運動目標的連接可以直接通過電纜。
上述說明只限于闡述本發(fā)明的熱運動傳感指示器的基本結構以及實施方案。在此說明的指導下，熟悉本專業(yè)的技術人員是很容易進行局部的補充，修改和調整，但是都還在本發(fā)明的權利要求所涉及的范圍。
權利要求
1.一種二維桌面熱運動傳感指示器，其特征包括一只手握殼體，其頂部和上側面成圓弧狀形，其下側面密布細孔，底部為平板，殼體可通過其底部平板沿桌面滑移作兩維運動；一只圓形框架，裝于殼體之內，上下各有一塊平板，均與底部平板平行，周圍側面排布均勻分隔的開孔，其開孔部位對準殼體側面細孔部位，由此使框架內部與大氣連通；一只可以上下移動的圓形外罩，環(huán)繞圓形框架，外罩側面的下半部有均勻分布的開孔，側面的底部有突出的弧形底邊，可插入底部平板的開縫，如殼體提升離開桌面，外罩可在自身重力作用下穿過平板開縫下落，將圓形框架的開孔堵塞，使框架內部與大氣隔離，如殼體放下立于桌面，外罩的弧形底邊會被桌面擠進平板的開縫，使其開孔部位正好對準圓形框架的開孔部位，從而將框架內部通向大氣的通道打開；一只二維熱運動傳感器，裝于圓形框架頂部平板的內部表面上，由四個基本單元組成，每個單元包括一個電阻加熱元和至少一個溫度傳感元，傳感器的工作原理為在靜止空氣中運動的加熱元會產生一個向運動的反方向歪斜的熱場，由此引起各對稱位置之間的溫度差，該溫差可由與加熱元處于同一平面且隨同運動的溫度傳感元陣列測出，轉換成電信號后，運動的方向，速度，以及加速度均可導出；以及一組信號處理電路，內含二個單元，分別處理二維熱運動傳感器提供的兩個一維方向的運動信號，并將處理后的信號輸出以控制二維運動目標。
2.按照權利要求1所述的一種二維桌面熱運動傳感指示器，其特征是所述的熱運動傳感器為集成電路器件，至少一只傳感單元的電阻加熱元和溫度傳感元集成在同一塊芯片上。
3.按照權利要求1所述的一種二維桌面熱運動傳感指示器，其特征是所述的溫度傳感元為對溫度敏感的電阻器。
4.按照權利要求1所述的一種二維桌面熱運動傳感指示器，其特征是所述的溫度傳感元為熱電偶堆。
5.一種三維桌面熱運動傳感指示器，其特征包括一只手握殼體，其頂部和上部側面成圓弧形狀，其側面下半部密布細孔，底部的中后段為主平板，底部的前段為傾斜的副平板，殼體可通過其底部的主平板沿桌面滑移作兩維運動，也可將殼體向前翹起，通過底部的副平板沿桌面滑移作一維運動；一只圓形框架，裝于殼體之內，上下各有一塊平板，均與底部主平板平行，周圍側面排布均勻分隔的開孔，其開孔部位對準殼體側面細孔部位，由此使框架內部與大氣連通；一只可以上下移動的圓形外罩，環(huán)繞圓形框架，外罩側面排布均勻分隔的開孔，側面的底部有突出的弧形底邊，可插入底部主平板的開縫，如殼體提升離開桌面，外罩在自身重力作用下穿過主平板的開縫下落，將圓形框架的開孔堵塞，使其與大氣隔離；如殼體放下立于桌面，外罩的弧形底邊被桌面擠進平板的開縫，使其開孔部位正好對準圓形框架的開孔部位，從而將框架內部通向大氣的通道打開；一只二維熱運動傳感器，安置于圓形框架上平板的內部表面，由四個基本單元組成，每個單元包括一個電阻加熱元和至少一個溫度傳感元，傳感器的工作原理為在靜止空氣中運動的加熱元會產生一個向運動的反方向歪斜的熱場，由此引起各對稱位置之間的溫度差，該溫差可由與加熱元處于同一平面且隨同運動的溫度傳感元陣列測出，轉換成電信號后，運動方向，速度，以及加速度均可導出；一只兩端敞開的矩形框架，上部管壁與下部管壁均與底部副平板平行；一只可以上下移動的矩形外罩，套在矩形框架的外面，外罩端面的上半部由橫塊封閉，下半部敞開，外罩兩側面的下部為斜坡狀底邊，其突出部分可以插入副平板的開縫，如殼體沿主平板運動，外罩在自身重力作用下其斜坡突出部分穿過副平板開縫露出，將矩形框架的端面堵塞，使其與大氣隔離，如殼體沿副平板滑移，外罩的斜坡突出部分被桌面擠進副平板的開縫，使外罩的開口部位正好對準矩形框架的開口部位，從而將矩形框架內部與大氣的通道打開；一只一維熱運動傳感器，安置于矩形框架上部管壁的內部表面，由二個基本單元組成，每個單元包括一個電阻加熱元和至少一個溫度傳感元，傳感器的工作原理為在靜止空氣中運動的加熱元會產生一個向運動的反方向歪斜的熱場，由此引起各對稱位置之間的溫度差，該溫差可由與加熱元處于同一平面且隨同運動的溫度傳感元陣列測出，轉換成電信號后，運動方向，速度，以及加速度均可導出；以及一組信號處理電路，內含三個單元，分別處理三個一維方向的運動信號，其中二個一維運動信號由二維熱運動傳感器提供的，一個一維運動信號由一維熱運動傳感器提供的，并將處理后的信號輸出以控制三維運動目標。
6.按照權利要求5所述的一種三維桌面熱運動傳感指示器，其特征是所述的熱運動傳感器為集成電路器件，至少一只傳感單元的電阻加熱元和溫度傳感元集成在同一塊芯片上。
7.按照權利要求5所述的一種三維桌面熱運動傳感指示器，其特征是所述的溫度傳感元為對溫度敏感的電阻器。
8.按照權利要求5所述的一種三維桌面熱運動傳感指示器，其特征是所述的溫度傳感元為熱電偶堆。
9.一種三維空間熱運動傳感指示器，其特征包括一只球形殼體，其外殼密布細孔，由一只手握圓柱體支撐；一只球形框架，裝于球形殼體之內，其外殼密布細孔，由此球形框架內部可與外部大氣連通；六根細管裝于球形框架內，分成三組，每組有兩根管子，排成直線狀，對準笛卡爾坐標系的一條坐標軸，并分列于坐標原點的兩側，所有管子的外部端面處于同一球面上；三只熱運動傳感器，每只由兩個基本單元組成，每個單元含一個電阻加熱元和至少一個溫度傳感元，每只傳感器的兩個基本單元分別插入一組細管的兩根管子內部，三只傳感器通過導線與信號處理電路連接；一組信號處理電路和無線發(fā)射電路，裝于手握圓柱體內，共含三個單元，分別與一條坐標軸的傳感器連接，并對其輸出信號進行處理和發(fā)送；以及一只開關，裝在手握圓柱體側面，可以瞬時停止和啟動信號電路的運行功能。
10.按照權利要求9所述的一種三維空間熱運動傳感指示器，其特征是所述的熱運動傳感器為集成電路器件，至少一只傳感單元的電阻加熱元和溫度傳感元集成在同一塊芯片上。
全文摘要
一種熱運動傳感指示器，利用熱運動傳感器對運動目標進行跟蹤。熱運動傳感器的運行依賴處于運動狀態(tài)的加熱元產生向與運動相反方向歪斜的熱場，使以加熱元為中心的各對稱位置上出現溫度差，對此差值進行測量，并轉換成電信號，即可導出運動方向，速度，以及加速度。以熱運動傳感器為基礎，設計了三種熱運動傳感指示器二維桌面熱運動傳感指示器或鼠標器，三維桌面熱運動傳感指示器，以及三維空間熱運動傳感指示器。熱運動傳感器用集成電路技術制造，結構簡單，成本低廉，性能優(yōu)異。
文檔編號G01K3/14GK1667382SQ20041000648
公開日2005年9月14日 申請日期2004年3月10日 優(yōu)先權日2004年3月10日
發(fā)明者涂相征, 李韞言 申請人:李韞言