CN116859298A - 多轴磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种多轴磁场传感器，该多轴磁场传感器包括：第一方向的第一导磁体、和所述第一导磁体位于同一平面内的第二导磁体、在所述平面上的投影位于所述第一气隙区域内的第一磁感应单元、以及在所述平面上的投影位于所述第二气隙区域内的第二磁感应单元。其中，所述第二导磁体包括：位于所述第二导磁体两端的所述第二方向的磁场输入区以及位于所述第二导磁体两端之间的磁场转换区，所述磁场转换区包括所述第一方向的转换磁路。该多轴磁场传感器通过磁感应灵敏度方向相同的第一磁感应单元以及第二磁感应单元即可实现对第一方向以及第二方向的磁感应强度的测量，无需对磁感应单元进行旋转，使得封装工艺更加简单。

Description

多轴磁场传感器

技术领域

本申请涉及磁感应技术领域，具体而言，涉及一种多轴磁场传感器。

背景技术

磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件，它被广泛应用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度变化来测量电流、位置、方向等物理参数。

现有的多轴磁场传感器，大多采用芯片封装的方式获得。具体地，以两轴磁性罗盘芯片为例，它是通过将具有X轴磁敏感方向的磁感应单元旋转90°来获得Y轴磁敏感方向的磁感应单元，再将具有X轴磁敏感方向的磁感应单元以及所获得的具有Y轴磁敏感方向的磁感应单元封装在一起所得到的。现有的多轴磁场传感器在封装过程中容易产生角度偏差，对封装工艺的要求较高。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种多轴磁场传感器，用以解决现有的多轴磁场传感器在封装过程中容易产生角度偏差，对封装工艺的要求较高的技术问题。

具体地，本申请实施例提供了一种多轴磁场传感器，该多轴磁场传感器包括：第一方向的第一导磁体，所述第一导磁体具有第二方向的第一气隙；其中，所述第一方向和所述第二方向相互垂直；

和所述第一导磁体位于同一平面内的第二导磁体，所述第二导磁体包括：位于所述第二导磁体两端的所述第二方向的磁场输入区以及位于所述第二导磁体两端之间的磁场转换区；所述磁场转换区包括所述第一方向的转换磁路；其中，所述转换磁路具有所述第二方向的第二气隙；

第一磁感应单元，所述第一磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第一气隙区域内；所述传感器基于所述第一磁感应单元形成用于测量所述第一方向的磁感应强度的第一磁信号输出电路；

第二磁感应单元，所述第二磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第二气隙区域内；所述传感器基于所述第二磁感应单元形成用于测量所述第二方向的磁感应强度的第二磁信号输出电路；

其中，所述第一磁感应单元和所述第二磁感应单元的磁感应灵敏度方向相同且平行于所述第一方向。

在上述的实现过程中，该多轴磁场传感器包括第一方向的第一导磁体、和所述第一导磁体位于同一平面内的第二导磁体、第一磁感应单元以及第二磁感应单元，且第二导磁体包括：位于所述第二导磁体两端的所述第二方向的磁场输入区以及位于所述第二导磁体两端之间的磁场转换区。基于磁场转换区对磁场输入区所输入的第二方向的待测磁场进行转换，在第一方向的转换磁路形成第一方向的待测磁场分量，进而通过“磁感应灵敏度方向平行于第一方向，且在平面上的投影位于第二气隙区域内”的第二磁感应单元形成用于测量第二方向的磁感应强度的第二磁信号输出电路。此外，还通过“磁感应灵敏度方向平行于第一方向，且在平面上的投影位于第一气隙区域内”的第一磁感应单元形成用于测量第一方向的磁感应强度的第一磁信号输出电路。该多轴磁场传感器通过磁感应灵敏度方向相同的第一磁感应单元以及第二磁感应单元即可实现对第一方向以及第二方向的磁感应强度的测量，无需对磁感应单元进行旋转，使得封装工艺更加简单。解决了现有技术中“采用不同磁感应灵敏度方向的磁感应单元制作的多轴磁场传感器”在封装过程中容易产生角度偏差，对封装工艺的要求较高的技术问题。

可选地，在本申请实施例中，所述转换磁路包括相邻的第一转换磁路和第二转换磁路；所述第一转换磁路具有所述第二方向的第一转换气隙，所述第二转换磁路具有所述第二方向的第二转换气隙；所述第二磁感应单元包括：第一转换磁感应单元和第二转换磁感应单元；所述第一转换磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第一转换气隙区域内，所述第二转换磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第二转换气隙区域内；所述传感器基于所述第一转换磁感应单元以及所述第二转换磁感应单元形成所述第二磁信号输出电路。

在上述的实现过程中，由于第一转换磁路和第二转换磁路是相邻的第一方向的转换磁路，待测磁场从“第二导磁体两端的磁场输入区”进入之后，会在第一转换气隙和第二转换气隙处形成方向相反的磁场分量，第一转换磁感应单元和第二转换磁感应单元的阻值会发生相反的变化，进而可以更加灵敏地反映出磁场的变化情况，提高了该多轴磁场传感器的检测灵敏度。

可选地，在本申请实施例中，所述传感器还包括：第一磁屏蔽磁感应单元；所述第一磁屏蔽磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第一导磁体的导磁区域内；其中，所述第一磁屏蔽磁感应单元的磁感应灵敏度方向和所述第一磁感应单元或所述第二磁感应单元的磁感应灵敏度方向相同；所述传感器基于所述第一磁感应单元以及所述第一磁屏蔽磁感应单元形成所述第一磁信号输出电路。

在上述的实现过程中，由于第一磁屏蔽感应单元在平面上的投影位于第一导磁体的导磁区域内，第一磁屏蔽感应单元所检测到的为被第一导磁体削弱后的磁场信号，可将第一磁屏蔽感应单元看作定值电阻，并基于第一磁感应单元以及第一磁屏蔽磁感应单元形成用于测量所述第一方向的磁感应强度的第一磁信号输出电路。通过第一磁感应单元以及第一磁屏蔽磁感应单元所形成的第一磁信号输出电路的灵敏度较低，可以具备更大的磁场强度检测范围，实现对第一方向的磁感应强度的大范围低灵敏度测量。

可选地，在本申请实施例中，所述传感器还包括：第二磁屏蔽磁感应单元；所述第二磁屏蔽磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第二导磁体的导磁区域内；其中，所述第二磁屏蔽磁感应单元的磁感应灵敏度方向和所述第一磁感应单元或所述第二磁感应单元的磁感应灵敏度方向相同；所述传感器基于所述第二磁感应单元以及所述第二磁屏蔽磁感应单元形成所述第二磁信号输出电路。

在上述的实现过程中，由于第二磁屏蔽感应单元在平面上的投影位于第二导磁体的导磁区域内，第二磁屏蔽感应单元所检测到的为被第二导磁体削弱后的磁场信号，可将第二磁屏蔽感应单元看作电阻，并基于第二磁感应单元以及第二磁屏蔽磁感应单元形成用于测量所述第二方向的磁感应强度的第二磁信号输出电路。通过第二磁感应单元以及第二磁屏蔽磁感应单元所形成的第二磁信号输出电路的灵敏度较低，可以具备更大的磁场强度检测范围，实现对第二方向的磁感应强度的大范围低灵敏度测量。

可选地，在本申请实施例中，所述传感器还包括：置于所述平面上的所述第一方向的第一分磁体；所述第一分磁体具有所述第二方向的第一分磁气隙；所述传感器通过调节所述第一分磁气隙的宽度和/或所述第一分磁气隙的数量实现对所述第一方向的磁感应强度的测量灵敏度的调节。

在上述的实现过程中，第一方向的第一分磁体具有第一方向的磁路，第一方向的磁路会对第一导磁体产生第一方向的分磁，通过改变第一分磁气隙的宽度或者第一分磁气隙的数量可以调节第一方向的分磁作用的强弱，进而调节进入第一导磁体的第一方向磁场的强弱，实现对该传感器的第一方向的磁感应强度的测量灵敏度的调节。具体地，通过增加第一分磁气隙的宽度，可以减弱对第一方向的分磁作用，进而增强进入第一导磁体的第一方向磁场的强度，以提高该传感器的第一方向的磁感应强度的测量灵敏度；通过减小第一分磁气隙的宽度，可以增强对第一方向的分磁作用，进而减弱进入第一导磁体的第一方向磁场的强度，以降低该传感器的第一方向的磁感应强度的测量灵敏度。或者，通过增加第一分磁气隙的数量，可以减弱对第一方向的分磁作用，进而增强进入第一导磁体的第一方向磁场的强度，以提高该传感器的第一方向的磁感应强度的测量灵敏度；通过减少第一分磁气隙的数量，可以增强对第一方向的分磁作用，进而减弱进入第一导磁体的第一方向磁场的强度，以降低该传感器的第一方向的磁感应强度的测量灵敏度。

可选地，在本申请实施例中，所述第二导磁体还包括：连接所述第二导磁体两端的磁场输入区的分磁磁路；所述分磁磁路具有所述第二方向的第二分磁气隙；所述传感器通过调节所述第二分磁气隙的宽度和/或所述第二分磁气隙的数量实现对所述第二方向的磁感应强度的测量灵敏度的调节。

在上述的实现过程中，连接第二导磁体两端的磁场输入区的分磁磁路为第二方向的分磁磁路，第二方向的分磁磁路会对第二导磁体产生第二方向的分磁，通过改变第二分磁气隙的宽度或者改变第二分磁气隙的数量可以调节第二方向的分磁作用的强弱，进而调节进入第二导磁体的第二方向磁场的强弱，实现对该传感器的第二方向的磁感应强度的测量灵敏度的调节。具体地，通过增加第二分磁气隙的宽度，可以减弱对第二方向的分磁作用，进而增强进入第二导磁体的第二方向磁场的强度，以提高该传感器的第二方向的磁感应强度的测量灵敏度；通过减小第二分磁气隙的宽度，可以增强对第二方向的分磁作用，进而减弱进入第二导磁体的第二方向磁场的强度，以降低该传感器的第二方向的磁感应强度的测量灵敏度。或者，通过增加第二分磁气隙的数量，可以减弱对第二方向的分磁作用，进而增强进入第二导磁体的第二方向磁场的强度，以提高该传感器的第二方向的磁感应强度的测量灵敏度；通过减少第二分磁气隙的数量，可以增强对第二方向的分磁作用，进而减弱进入第二导磁体的第二方向磁场的强度，以降低该传感器的第二方向的磁感应强度的测量灵敏度。

可选地，在本申请实施例中，所述第一磁感应单元与所述第一导磁体以及所述第二导磁体之间的距离均大于第一预设距离；所述传感器还包括：第三磁感应单元；其中，所述第三磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第一导磁体的导磁区域内且邻近所述第一气隙区域，或者，在所述平面上的投影位于所述第一气隙区域内且邻近所述第一导磁体的导磁区域，或者，在所述平面上的投影位于所述第二导磁体的导磁区域内且邻近所述第二气隙区域，或者，在所述平面上的投影位于所述第二气隙区域内且邻近所述第二导磁体的导磁区域；所述第三磁感应单元的磁感应灵敏度方向和所述第一磁感应单元或所述第二磁感应单元的磁感应灵敏度方向相同；其中，所述第三磁感应单元和所述第一导磁体或者所述第二导磁体之间的距离小于第二预设距离；所述第二预设距离小于所述第一预设距离；所述传感器基于所述第三磁感应单元形成用于测量第三方向的磁感应强度的第三磁信号输出电路；其中，所述第三方向垂直于所述平面。

在上述的实现过程中，由于第一导磁体或第二导磁体对于第三方向磁场的聚磁作用，磁场在进出第一导磁体或第二磁导体的导磁区域时，会在导磁区域边缘处产生扭曲；因此，第三方向的待测磁场在第一导磁体和第二磁导体的导磁区域边缘处会产生第一方向或第二方向的磁场分量。由于“第三磁感应单元的磁感应灵敏度方向和第一磁感应单元或第二磁感应单元的磁感应灵敏度方向相同”，且“第三方向的待测磁场在第一导磁体和第二磁导体的导磁区域边缘处会产生第一方向或第二方向的磁场分量”，第三磁感应单元邻近导磁区域的边缘处，会受到第一方向或第二方向的磁场分量的影响，通过第三磁感应单元便可形成用于测量第三方向的磁感应强度的第三磁信号输出电路。该多轴磁场传感器通过磁感应灵敏度方向相同的第一磁感应单元、第二磁感应单元以及第三磁感应单元即可实现对第一方向、第二方向以及第三方向的磁感应强度的测量，无需对磁感应单元进行旋转，使得封装工艺更加简单。

可选地，在本申请实施例中，所述传感器还包括：外磁场磁感应单元；所述外磁场磁感应单元的磁感应灵敏度方向和所述第一磁感应单元或所述第二磁感应单元的磁感应灵敏度方向相同，所述外磁场磁感应单元与所述第一导磁体以及所述第二导磁体之间的距离均大于第三预设距离；所述传感器基于所述外磁场磁感应单元以及所述第一磁感应单元形成所述第一磁信号输出电路；所述传感器基于所述外磁场磁感应单元以及所述第二磁感应单元形成所述第二磁信号输出电路。

在上述的实现过程中，由于外磁场磁感应单元与第一导磁体和第二导磁体之间的距离较远，外磁场磁感应单元会直接受到外磁场(相较于第一导磁体和第二导磁体内部的磁场而言，外磁场指的是外部的待测磁场)的影响。通过外磁场磁感应单元和第一磁感应单元所形成的第一磁信号输出电路的灵敏度较低，可以具备更大的磁场强度检测范围，实现对第一方向的磁感应强度的大范围低灵敏度测量。同样地，通过外磁场磁感应单元和第二磁感应单元所形成的第二磁信号输出，可以实现对第二方向的磁感应强度的大范围低灵敏度测量。

可选地，在本申请实施例中，所述传感器还包括：电阻(优选地为定值电阻)；所述传感器基于所述电阻以及所述第一磁感应单元形成所述第一磁信号输出电路；所述传感器基于所述电阻以及所述第二磁感应单元形成所述第二磁信号输出电路。

在上述的实现过程中，通过电阻和第一磁感应单元便可以形成用于测量第一方向的磁感应强度的第一磁信号输出电路，通过电阻和第二磁感应单元便可以形成用于测量第二方向的磁感应强度的第二磁信号输出电路。该多轴磁场传感器的输出电路结构更加简单，可以降低实际的工艺封装难度。此外，通过电阻和第一磁感应单元所形成的第一磁信号输出电路的灵敏度较低，可以具备更大的磁场强度检测范围，实现对第一方向的磁感应强度的大范围低灵敏度测量。同样地，通过电阻和第二磁感应单元所形成的第二磁信号输出，可以实现对第二方向的磁感应强度的大范围低灵敏度测量。

可选地，在本申请实施例中，所述传感器还包括：开环信号调理电路；所述开环信号调理电路分别和所述第一磁信号输出电路以及所述第二磁信号输出电路电连接；所述传感器基于所述开环信号调理电路对所述第一磁信号输出电路以及所述第二磁信号输出电路所输出的电信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正，得到第一调理信号；并输出所述第一调理信号；或者，所述传感器还包括：闭环信号调理电路以及磁场反馈线圈；所述传感器基于所述闭环信号调理电路、所述磁场反馈线圈以及磁感应单元形成闭环磁场反馈结构；所述传感器基于所述闭环磁场反馈结构对所述第一磁信号输出电路以及所述第二磁信号输出电路所输出的电信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正，并产生反馈磁场达到磁场动态平衡，得到第二调理信号；并输出所述第二调理信号；其中，所述第二调理信号表征达到磁场动态平衡状态下的所述磁场反馈线圈的反馈电流。

在上述的实现过程中，通过信号调理电路(开环信号调理电路/闭环信号调理电路和磁场反馈线圈)对第一磁信号输出电路以及第二磁信号输出电路所输出的电信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正后，可以获得调理后的标准信号，以保证调理后的标准信号可以更准确地被相应的磁检测系统识别，以基于该多轴磁场传感器获得更加准确的磁场检测结果。

采用本申请提供的一种多轴磁场传感器，通过磁感应灵敏度方向相同的第一磁感应单元以及第二磁感应单元即可实现对第一方向以及第二方向的磁感应强度的测量，无需对磁感应单元进行旋转，使得封装工艺更加简单。解决了现有技术中“采用不同灵敏度方向的磁感应单元制作的多轴磁场传感器”在封装过程中容易产生角度偏差，对封装工艺的要求较高的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的第一种多轴磁场传感器在平面上的投影结构示意图；

图2为本申请实施例提供的第一种磁通路径仿真示意图；

图3为本申请实施例提供的第二种磁通路径仿真示意图；

图4为本申请实施例提供的第二种多轴磁场传感器在平面上的投影结构示意图；

图5为本申请实施例提供的第三种磁通路径仿真示意图；

图6为本申请实施例提供的第四种磁通路径仿真示意图；

图7为本申请实施例提供的第三种多轴磁场传感器在平面上的投影结构示意图；

图8为本申请实施例提供的第五种磁通路径仿真示意图；

图9为本申请实施例提供的第六种磁通路径仿真示意图；

图10为本申请实施例提供的第四种多轴磁场传感器在平面上的投影结构示意图；

图11为本申请实施例提供的第五种多轴磁场传感器在平面上的投影结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”、“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个及以上，除非另有明确具体的限定。

请参照图1，图1为本申请实施例提供的第一种多轴磁场传感器在平面上的投影结构示意图。该多轴磁场传感器包括：

第一方向的第一导磁体1D，第一导磁体1D具有第二方向的第一气隙；其中，所述第一方向和所述第二方向相互垂直；

和第一导磁体1D位于同一平面(基板3)内的第二导磁体2D，第二导磁体2D包括：位于第二导磁体2D两端的所述第二方向的磁场输入区(1A和1B)以及位于第二导磁体2D两端之间的磁场转换区(1Ca、1Cb、1Cc、1Cd、1Ea、1Eb和1Ec)；磁场转换区(1Ca、1Cb、1Cc、1Cd、1Ea、1Eb和1Ec)包括第一方向的转换磁路；其中，转换磁路具有所述第二方向的第二气隙；

第一磁感应单元2Ya，第一磁感应单元2Ya在平面1上的投影位于第一气隙区域内；所述传感器基于第一磁感应单元2Ya形成用于测量所述第一方向的磁感应强度的第一磁信号输出电路；

第二磁感应单元2X，第二磁感应单元2X在平面(基板3)上的投影位于第二气隙区域内；所述传感器基于第二磁感应单元2X形成用于测量所述第二方向的磁感应强度的第二磁信号输出电路；

其中，第一磁感应单元2Ya和第二磁感应单元2X的磁感应灵敏度方向相同且平行于所述第一方向。

其中，上述平面可以是PCB基板(例如，图1所示出的基板3)，也可以是晶圆基底。第一导磁体1D和第二导磁体2D可以是由软磁材料，例如，硅钢片、低碳钢或者铁硅系合金等，在平面上所形成的导磁区域。具体地，第一导磁体1D和第二导磁体2D分别是由至少两段软磁材料形成的导磁区域，第一气隙和第二气隙指的是两段软磁材料之间的间隙；第一气隙和第二气隙可以是由空气或者其它非导磁材料所形成的间隙。第一气隙的数量可以是一个或多个，第二气隙的数量也可以是一个或多个，本申请对此不作具体限定。第一磁感应单元2Ya和第二磁感应单元2X可以由巨磁阻抗(GMI)、磁通门(Fluxgate)或磁电阻敏感元件实现；其中，磁电阻敏感元件包括各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)、隧道磁电阻(TMR)以及庞磁电阻等。

其中，可以基于第一磁感应单元2Ya和电阻形成第一磁信号输出电路，也可以基于第一磁感应单元2Ya和“在平面上的投影位于第一导磁体的导磁区域内的磁感应单元”形成第一磁信号输出电路。相应地，可以基于第二磁感应单元2X和电阻形成第一磁信号输出电路，也可以基于第二磁感应单元2X和“在平面上的投影位于第二导磁体的导磁区域内的磁感应单元”形成第二磁信号输出电路。第一磁信号输出电路和第二磁信号输出电路可以是差分半桥或差分全桥输出电路。

以图1中所示出的基板3所在平面为X-Y平面，第一方向为Y轴方向，左侧为X轴方向的磁场测量区4x，右侧为Y轴方向的磁场测量区4y。XY方向转换区1Ca为指向X轴负方向和Y轴正方向的拐角，XY方向转换区1Cb为指向X轴正方向和Y轴负方向的拐角，XY方向转换区1Cc为指向X轴负方向和Y轴负方向的拐角，XY方向转换区1Cd为指向X轴正方向和Y轴正方向的拐角；磁通路径连接区1Ea在Y轴方向上连通XY方向转换区1Ca和1Cb，磁通路径连接区1Eb在X轴方向上连通XY方向转换区1Cb和1Cc，磁通路径连接区1Ec在Y轴方向上连通XY方向转换区1Cc和1Cd。磁通路径连接区1Ea和1Ec分别设有两条沿X轴方向贯通软磁材料的第二气隙；第一导磁体1D设有沿X轴方向贯通软磁材料的第一气隙。

其中，第二导磁体2D包括：位于第二导磁体2D两端的第二方向(X轴方向)的磁场输入区(1A和1B)。具体地，1A作为外磁场为X轴正方向的情况下的磁场输入区，1B作为外磁场为X轴负方向的情况下的磁场输入区。在外磁场为X轴正方向的情况下，1A作为X轴正方向的磁场输入区，此时，磁场输入区1B充当该磁场(X轴正方向的外磁场)的磁场输出区；在外磁场为X轴负方向的情况下，1B作为X轴负方向的磁场输入区，此时，磁场输入区1A充当该磁场(X轴负方向的外磁场)的磁场输出区。

具体地，以外磁场方向为X轴正方向，第一导磁体1D和第二导磁体2D由金属软磁材料制成为例，进行说明。此时，外磁场从磁场输入区1A进入第二导磁体2D，金属软磁材料对外磁场进行聚集放大并形成磁通路径，该磁路由X轴磁场测量区4x的X轴负方向一端的磁场输入区1A进入，之后XY方向转换区1Ca将磁路扭曲至Y轴正方向，随后沿Y轴正方向通过设有第二气隙的磁通路径连接区1Ea，并在第二气隙中产生Y轴正方向的磁场分量；并在通过XY方向转换区1Cb、磁通路径连接区1Eb、XY方向转换区1Cc后，将磁路由Y轴正方向扭曲反向至Y轴负方向，通过设有气隙的磁通路径连接区1Ec，并在气隙中产生Y轴负方向的磁场分量；之后磁路被XY方向转换区1Cd扭曲回X轴正方向，最后通过磁场输入区1B返回外磁场。由此，便可令X轴正方向上的待测磁场在不同位置的气隙处产生Y轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场。

当外磁场方向为X轴负方向，会从磁场输入区1B进入，经磁场转换区(1Ca、1Cb、1Cc、1Cd、1Ea、1Eb和1Ec)至磁场输入区1A，并从磁场输入区1A返回外磁场。并具体通过转换磁路在不同位置的气隙处产生Y轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场。

具体地，对于磁场感应方向为X轴方向的X轴磁场测量区4x，第二磁感应单元包括磁感应单元2Xa、磁感应单元2Xb。以磁感应单元2Xa、2Xb的灵敏度方向均为Y轴正方向，且外磁场为X轴正方向为例，经过聚集放大的磁路沿Y轴正方向通过设有气隙的磁通路径连接区1Ea，之后又沿Y轴负方向通过设有气隙的磁通路径连接区1Ec；此时，磁通路径连接区1Ea的气隙中产生Y轴正方向的磁场分量，磁通路径连接区1Ec的气隙中产生Y轴负方向的磁场分量。由于磁感应单元2Xa、2Xb的灵敏度方向均为Y轴正方向，磁感应单元2Xa电阻值减小，磁感应单元2Xb电阻值增大。进而可以采用推挽半桥结构(第二磁信号输出电路)感应X轴正方向的磁场，产生差分电压信号。此外，还可以采用开环信号调理电路，对所产生的差分电压信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正后形成用于检测第二方向(即X轴方向)的第二磁信号输出电路的输出信号；或者采用闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和第二磁感应单元2X构成闭环磁场反馈结构；对所产生的差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡，磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成用于检测第二方向(即X轴方向)的第二磁信号输出电路的输出信号。请参照图2，图2为本申请实施例提供的第一种磁通路径仿真示意图。具体地，图2为在图1所提供实施例中的X轴磁场测量区4x加上X轴正方向待测磁场后的磁通路径仿真图。可以看出待测磁场被金属软磁材料聚集放大形成磁路，并依次在XY方向转换区1Ca、1Cb、1Cc、1Cd处发生扭曲。在磁通路径连接区1Ea、1Ec的气隙处能够产生明显的Y轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场，且通过上述气隙处的磁通路径为串联关系。请参照图3，图3为本申请实施例提供的第二种磁通路径仿真示意图。具体地，图3为在图1所提供实施例中的Y轴磁场测量区4y加上Y轴正方向待测磁场后的磁通路径仿真图；能够看出，待测磁场被金属软磁材料聚集放大后形成磁路并沿Y轴方向通过Y方向导磁区1D的气隙。

由于本实施例所提供的一种多轴磁场传感器的所有磁感应单元的灵敏度方向相同，磁感应单元(第一磁感应单元2Ya或者第二磁感应单元2X)可以选取以隧道磁电阻TMR为例的灵敏度方向平行于自身所在平面的磁电阻敏感元件结合引线焊盘和机械支架外壳，并采用单一芯片集成制备工艺。

由此可见，本申请提供的一种多轴磁场传感器，通过磁感应灵敏度方向相同的第一磁感应单元2Ya以及第二磁感应单元2X即可实现对第一方向以及第二方向的磁感应强度的测量，无需对磁感应单元进行旋转，使得封装工艺更加简单。具体地，可以通过“第一磁感应单元2Ya和电阻”或者“第一磁感应单元2Ya和用于检测外磁场磁感应强度的外磁场磁感应单元”实现对第一方向的磁感应强度的测量。解决了现有技术中“采用不同灵敏度方向的磁感应单元制作的多轴磁场传感器”在封装过程中容易产生角度偏差，对封装工艺的要求较高的技术问题。

需要说明的是，对于同一金属软磁材料结构，实际对于磁通路径连接区1E(1Ea、1Eb、1Ec)的界定可能存在多种情况；如前述情况下，图1中的磁场输入区1A和XY方向转换区1Ca视为直接相连，也可视为其中有一段磁通路径连接区1E；又如图1中XY方向转换区1Cb、磁通路径连接区1Eb、XY方向转换区1Cc依次相连，当XY方向转换区1Cb、XY方向转换区1Cc的拐角距离过近时，可视为XY方向转换区1Cb、1Cc直接相连；同理，金属软磁材料中设有气隙的部分除了视为位于磁通路径连接区1E(1Ea或1Ec)，也可视为位于XY方向转换区1C(1Ca、1Cb、1Cc或1Cd)上。以上情况皆为以示意方式描述本申请实施例结构时的叙述方式，本申请实施例的描述仅选取其中一种相对清晰的界定方式便于进行作图说明，对实施例的叙述方式也仅选取了其中的一种。

在一些可选的实施例中，转换磁路包括相邻的第一转换磁路1Ea和第二转换磁路1Ec；第一转换磁路1Ea具有所述第二方向的第一转换气隙，第二转换磁路1Ec具有所述第二方向的第二转换气隙；第二磁感应单元2X包括：第一转换磁感应单元2Xa和第二转换磁感应单元2Xb；第一转换磁感应单元2Xa在平面(基板3)上的投影位于第一转换气隙区域内，第二转换磁感应单元2Xb在平面(基板3)上的投影位于第二转换气隙区域内；所述传感器基于第一转换磁感应单元2Xa以及第二转换磁感应单元2Xb形成所述第二磁信号输出电路。

请参照图4，图4为本申请实施例提供的第二种多轴磁场传感器在平面上的投影结构示意图。

在一些可选的实施例中，所述传感器还包括：第一磁屏蔽磁感应单元2Yb；第一磁屏蔽磁感应单元2Yb在平面(基板3)上的投影位于第一导磁体1D的导磁区域内；其中，第一磁屏蔽磁感应单元2Yb的磁感应灵敏度方向和第一磁感应单元2Ya或第二磁感应单元2X的磁感应灵敏度方向相同；所述传感器基于第一磁感应单元2Ya以及第一磁屏蔽磁感应单元2Yb形成所述第一磁信号输出电路。

其中，参照图1、图4，对于磁场感应方向为Y轴方向的Y轴磁场测量区4y，以第一磁感应单元2Ya、第一磁屏蔽磁感应单元2Yb的灵敏度方向为Y轴正方向，且外磁场为Y轴正方向为例，经过聚集放大的磁路沿Y轴正方向通过设有气隙的Y方向导磁区(第一导磁体)1D，并在气隙中产生Y轴正方向的磁场分量。由于第一磁感应单元2Ya和第一磁屏蔽磁感应单元2Yb的灵敏度方向均为Y轴正方向，第一磁感应单元2Ya电阻值减小，而第一磁屏蔽磁感应单元2Yb检测的为被金属软磁材料屏蔽削弱后的磁场，因而第一磁屏蔽磁感应单元2Yb的电阻值可视为近似不变。因此，可以基于第一磁感应单元2Ya和第一磁屏蔽磁感应单元2Yb，采用差分半桥结构感应Y轴正方向的磁场，产生差分电压信号。此外，还可以采用开环信号调理电路，对所产生的差分电压信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正后形成用于检测第一方向(即Y轴方向)的第一磁信号输出电路的输出信号；或者采用闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元(第一磁感应单元2Ya、第一磁屏蔽磁感应单元2Yb)构成闭环磁场反馈结构；对所产生的差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡，磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成用于检测第一方向(即Y轴方向)的第一磁信号输出电路的输出信号。

由此可见，本申请提供的一种多轴磁场传感器，通过磁感应灵敏度方向相同的第一磁感应单元2Ya、第一磁屏蔽磁感应单元2Yb以及第二磁感应单元2X即可实现对第一方向以及第二方向的磁感应强度的测量，无需对磁感应单元进行旋转，使得封装工艺更加简单。解决了现有技术中“采用不同灵敏度方向的磁感应单元制作的多轴磁场传感器”在封装过程中容易产生角度偏差，对封装工艺的要求较高的技术问题。

在一些可选的实施例中，所述传感器还包括：第二磁屏蔽磁感应单元2B；第二磁屏蔽磁感应单元2B在平面(基板3)上的投影位于第二导磁体2D的导磁区域内；其中，第二磁屏蔽磁感应单元2B的磁感应灵敏度方向和第一磁感应单元2Y或第二磁感应单元2X的磁感应灵敏度方向相同；所述传感器基于第二磁感应单元2X以及第二磁屏蔽磁感应单元2B形成所述第二磁信号输出电路。

其中，参照图4，第二导磁体2D包括磁场输入区(1Ax、1Bx)、XY方向转换区(1Ca、1Cb、1Cc、1Cd、1Ce、1Cf)以及磁通路径连接区(1Ea、1Eb、1Ec、1Ed、1Ee、1Ef)。第一导磁体1D包括磁场输入区(1Ay、1By)以及与第二导磁体2D共用的磁通路径连接区(1Eb、1Ee)。

其中，第一导磁体1D和第二导磁体2D可以由金属软磁材料制成，XY方向转换区1Ca包含指向X轴负方向、Y轴正方向、Y轴负方向的三个端口且与磁场输入区1Ax相连，XY方向转换区1Cb为指向X轴正方向和Y轴负方向的拐角，XY方向转换区1Cc为指向X轴负方向和Y轴负方向的拐角，XY方向转换区1Cd包含指向X轴正方向、Y轴正方向、Y轴负方向的三个端口且与磁场输入区1Bx相连，XY方向转换区1Ce为指向X轴正方向和Y轴正方向的拐角，XY方向转换区1Cf为指向X轴负方向和Y轴正方向的拐角。磁通路径连接区1Ea在Y轴方向上连通XY方向转换区1Ca、1Cb；磁通路径连接区1Eb在X轴方向上连通XY方向转换区1Cb、1Cc，并在Y轴方向上连通磁场输入区1Ay、Y方向导磁区1D；磁通路径连接区1Ec在Y轴方向上连通XY方向转换区1Cc、1Cd；磁通路径连接区1Ed在Y轴方向上连通XY方向转换区1Ca、1Ce；磁通路径连接区1Ee在X轴方向上连通XY方向转换区1Ce、1Cf，并在Y轴方向上连通磁场输入区1By、Y方向导磁区1D；磁通路径连接区1Ef在Y轴方向上连通XY方向转换区1Cd、1Cf；且其中磁通路径连接区1Ea、1Ec、1Ed、1Ef以及Y方向导磁区1D分别设有两条沿X轴方向贯通金属软磁材料的气隙。

具体地，以外磁场方向为X轴正方向进行说明。此时，金属软磁材料对外磁场进行聚集放大并形成磁通路径，该磁路由磁场输入区1Ax进入，之后XY方向转换区1Ca将磁路分两侧扭曲至Y轴正方向和Y轴负方向，所述两条磁路关于X轴镜像对称且呈并联关系。其中一条磁路沿Y轴正方向通过设有第二气隙的磁通路径连接区1Ea，并在第二气隙中产生Y轴正方向的磁场分量；该磁路之后依次通过XY方向转换区1Cb、磁通路径连接区1Eb、XY方向转换区1Cc，将磁路由Y轴正方向扭曲反向至Y轴负方向后，再通过设有第二气隙的磁通路径连接区1Ec，并在第二气隙中产生Y轴负方向的磁场分量。另一条磁路沿Y轴负方向通过设有第二气隙的磁通路径连接区1Ed，并在第二气隙中产生Y轴负方向的磁场分量；该磁路之后依次通过XY方向转换区1Ce、磁通路径连接区1Ee、XY方向转换区1Cf，将磁路由Y轴负方向扭曲反向至Y轴正方向后，再通过设有第二气隙的磁通路径连接区1Ef，并在第二气隙中产生Y轴正方向的磁场分量。由此，便可令X轴方向上的待测磁场在不同位置的第二气隙处产生Y轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场；最后，Y轴正、负方向的两条磁路被XY方向转换区1Cd扭曲回X轴正方向，随后通过磁场输入区1Bx进行外磁场。

当外磁场方向为X轴负方向，会从磁场输入区1Bx进入，经XY方向转换区(1Ca、1Cb、1Cc、1Cd、1Ce、1Cf)以及磁通路径连接区(1Ea、1Eb、1Ec、1Ed、1Ee、1Ef)至磁场输入区1Ax，并从磁场输入区1Ax返回外磁场。并具体通过转换磁路在不同位置的第二气隙处产生Y轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场。

具体地，对于磁场感应方向为X轴方向的X轴磁场测量区4x，第二磁感应单元包括磁感应单元2Xa、磁感应单元2Xb、磁感应单元2Xc、磁感应单元2Xd。以第二磁感应单元的灵敏度方向均为Y轴正方向，且外磁场为X轴正方向为例，磁通路径连接区1Ea、1Ef的气隙中产生Y轴正方向的磁场分量，磁通路径连接区1Ec、1Ed的气隙中产生Y轴负方向的磁场分量。由于第二磁感应单元2Xa、2Xb、2Xc、2Xd的灵敏度方向均为Y轴正方向，第二磁感应单元2Xa、2Xd电阻值减小，第二磁感应单元2Xb、2Xc电阻值增大。因此，可以选取串并联第二磁感应单元2Xa、2Xb、2Xc、2Xd形成推挽半桥或推挽全桥结构感应X轴正方向的磁场，产生差分电压信号；也可以选取第二磁感应单元2Xa、2Xb、2Xc或2Xd与第二磁屏蔽磁感应单元2B形成差分半桥或差分全桥结构感应X轴正方向的磁场，产生差分电压信号。此外，还可以采用开环信号调理电路，对所产生的差分电压信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正后形成用于检测第二方向(即X轴方向)的第二磁信号输出电路的输出信号；或者采用闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元(第二磁感应单元2Xa、2Xb、2Xc、2Xd、第二磁屏蔽磁感应单元2B)构成闭环磁场反馈结构；对所产生的差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡，磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成用于检测第二方向(即X轴方向)的第二磁信号输出电路的输出信号。

请参照图5，图5为本申请实施例提供的第三种磁通路径仿真示意图。具体地，图5为在图4所提供实施例中的X轴磁场测量区4x加上X轴正方向待测磁场后的磁通路径仿真图；可以看出待测磁场被金属软磁材料聚集放大形成磁路，并分两侧扭曲至Y轴正方向和Y轴负方向形成两条呈并联关系的磁通路径；之后将两条磁路分别在Y轴方向上扭曲反向后再扭曲回X轴正方向。并在磁通路径连接区1Ea、1Ec、1Ed、1Ef的气隙处能够产生明显的Y轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场，且磁路基本不通过第一导磁体1D。由于X轴方向外磁场产生的磁路基本不通过第一导磁体1D，因此X轴方向外磁场对于Y轴测量的影响可忽略不计。

请参照图6，图6为本申请实施例提供的第四种磁通路径仿真示意图。具体地，图6为在图4所提供实施例中的Y轴磁场测量区4y加上Y轴负方向待测磁场后的磁通路径仿真图。经过聚集放大的磁路沿Y轴负方向通过设有气隙的第一导磁体1D，并在第一气隙中产生Y轴负方向的磁场分量。由于第一磁感应单元2Ya和第一磁屏蔽磁感应单元2Yb的灵敏度方向均为Y轴正方向，第一磁感应单元2Ya电阻值增大，而第一磁屏蔽磁感应单元2Yb检测的为被金属软磁材料屏蔽削弱后的磁场，因而电阻值可视为近似不变。因此，可以采用差分半桥或差分全桥结构感应Y轴负方向的磁场，产生差分电压信号。此外，还可以采用开环信号调理电路，对所产生的差分电压信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正后形成用于检测第一方向(即Y轴方向)的第一磁信号输出电路的输出信号；或者采用闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元(第一磁感应单元2Ya、第一磁屏蔽磁感应单元2Yb)构成闭环磁场反馈结构；对所产生的差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡，磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成用于检测第一方向(即Y轴方向)的第一磁信号输出电路的输出信号。

由前述图6分析可知，Y轴方向外磁场产生的磁路在用于X轴测量的磁通路径连接区1Ea、1Ec、1Ed、1Ef气隙处产生的磁场均为Y轴负方向，因此当磁通路径连接区1Ea、1Ec、1Ed、1Ef形成推挽半桥或推挽全桥结构时，Y轴方向外磁场基本不会对电桥产生的差分电压信号造成影响，因而该多轴磁场传感器具有抗干扰能力强的特点。

请参照图7，图7为本申请实施例提供的第三种多轴磁场传感器在平面上的投影结构示意图。

在一些可选的实施例中，所述传感器还包括：置于平面(基板3)上的所述第一方向的第一分磁体1F；第一分磁体1F具有所述第二方向的第一分磁气隙；所述传感器通过调节第一分磁气隙的宽度实现对所述第一方向的磁感应强度的测量灵敏度的调节。

其中，参照图7，第二导磁体2D包括磁场输入区(1Axa、1Axb、1Bxa、1Bxb)、XY方向转换区(1Ca、1Cb、1Cc、1Cd、1Ce、1Cf、1Cg、1Ch)以及磁通路径连接区(1Ea、1Eb、1Ec、1Ed、1Ee、1Ef)。第一导磁体1D包括与第二导磁体2D共用的磁场输入区(1Axa、1Axb)。

其中，第一导磁体1D和第二导磁体2D可以由金属软磁材料制成，XY方向转换区1Ca、1Cg为指向X轴负方向和Y轴负方向的拐角，XY方向转换区1Cb、1Ch为指向X轴正方向和Y轴正方向的拐角，XY方向转换区1Cc、1Ce为指向X轴负方向和Y轴正方向的拐角，XY方向转换区1Cd、1Cf为指向X轴正方向和Y轴负方向的拐角。磁通路径连接区1Ea在Y轴方向上连通XY方向转换区1Ca、1Cb，磁通路径连接区1Eb在X轴方向上连通XY方向转换区1Cb、1Cc，磁通路径连接区1Ec在Y轴方向上连通XY方向转换区1Cc、1Cd，磁通路径连接区1Ed在Y轴方向上连通XY方向转换区1Ce、1Cf，磁通路径连接区1Ee在X轴方向上连通XY方向转换区1Cf、1Cg，磁通路径连接区1Ef在Y轴方向上连通XY方向转换区1Cg、1Ch。且其中磁通路径连接区1Ea、1Ec、1Ed、1Ef以及第一导磁体1D分别设有两条沿X轴方向贯通金属软磁材料的气隙。

具体地，以外磁场方向为X轴正方向进行说明。此时，金属软磁材料对外磁场进行聚集放大并形成两条关于X轴镜像对称且呈并联关系的磁通路径。两条磁路各自通过磁场输入区1Axa、1Axb后分别沿X轴正方向进入XY方向转换区1Ca、1Ce，之后XY方向转换区1Ca、1Ce将磁路分两侧扭曲至Y轴负方向和Y轴正方向。其中一条磁路沿Y轴负方向通过设有气隙的磁通路径连接区1Ea，并在气隙中产生Y轴负方向的磁场分量；该磁路之后依次通过XY方向转换区1Cb、磁通路径连接区1Eb、XY方向转换区1Cc，将磁路由Y轴负方向扭曲反向至Y轴正方向后，再通过设有气隙的磁通路径连接区1Ec，并在气隙中产生Y轴正方向的磁场分量。另一条磁路沿Y轴正方向通过设有气隙的磁通路径连接区1Ed，并在气隙中产生Y轴正方向的磁场分量；该磁路之后依次通过XY方向转换区1Cf、磁通路径连接区1Ee、XY方向转换区1Cg，将磁路由Y轴正方向扭曲反向至Y轴负方向后，再通过设有气隙的磁通路径连接区1Ef，并在气隙中产生Y轴负方向的磁场分量。由此，便可令X轴方向上的待测磁场在不同位置的气隙处产生Y轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场；最后，Y轴正、负方向的两条磁路被XY方向转换区1Cd、1Ch扭曲回X轴正方向，随后通过磁场输入区1Bxa、1Bxb到达外磁场。

当外磁场方向为X轴负方向，会从磁场输入区1Bxa、1Bxb进入，经XY方向转换区(1Ca、1Cb、1Cc、1Cd、1Ce、1Cf、1Cg、1Ch)以及磁通路径连接区(1Ea、1Eb、1Ec、1Ed、1Ee、1Ef)至磁场输入区1Ax，并从磁场输入区1Axa、1Axb返回外磁场。并具体通过转换磁路在不同位置的第二气隙处产生Y轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场。

具体地，对于磁场感应方向为X轴方向的X轴磁场测量区4x，第二磁感应单元包括磁感应单元2Xa、磁感应单元2Xb、磁感应单元2Xc、磁感应单元2Xd。以第二磁感应单元的灵敏度方向均为Y轴正方向，且外磁场为X轴正方向为例，磁通路径连接区1Ea、1Ef的气隙中产生Y轴负方向的磁场分量，磁通路径连接区1Ec、1Ed的气隙中产生Y轴正方向的磁场分量。由于磁感应单元2Xa、2Xb、2Xc、2Xd的灵敏度方向均为Y轴正方向，磁感应单元2Xa、2Xd电阻值增大，磁感应单元2Xb、2Xc电阻值减小。因此，可以选取串并联磁感应单元2Xa、2Xb、2Xc、2Xd形成推挽半桥或推挽全桥结构感应X轴正方向的磁场，产生差分电压信号；也可以选取磁感应单元2Xa、2Xb、2Xc、2Xd与电阻值为定值的参考电阻形成差分半桥或差分全桥结构感应X轴正方向的磁场，产生差分电压信号。此外，还可以采用开环信号调理电路，对所产生的差分电压信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正后形成用于检测第二方向(即X轴方向)的第二磁信号输出电路的输出信号；或者采用闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元(磁感应单元2Xa、2Xb、2Xc、2Xd)构成闭环磁场反馈结构；对所产生的差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡，磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成用于检测第二方向(即X轴方向)的第二磁信号输出电路的输出信号。

请参照图8，图8为本申请实施例提供的第五种磁通路径仿真示意图。具体地，图8为在图7所提供实施例中的X轴磁场测量区4x加上X轴正方向待测磁场后的磁通路径仿真图；可以看出待测磁场被金属软磁材料聚集放大并形成两条关于X轴镜像对称且呈并联关系的磁通路径。在磁通路径连接区1Ea、1Ec、1Ed、1Ef的气隙处能够产生明显的Y轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场，且磁路基本不通过第一导磁体1D和第一分磁体1F。因此X轴方向外磁场对于Y轴测量的影响可忽略不计。

请参照图9，图9为本申请实施例提供的第六种磁通路径仿真示意图。具体地，图9为在图7所提供实施例中的Y轴磁场测量区4y加上Y轴正方向待测磁场后的磁通路径仿真图。经过聚集放大的磁路沿Y轴正方向对半通过设有气隙的第一导磁体1D和第一分磁体1F，并在气隙中产生Y轴正方向的磁场分量。由于第一磁感应单元2Ya和第一磁屏蔽磁感应单元2Yb的灵敏度方向均为Y轴正方向，第一磁感应单元2Ya电阻值减小，而第一磁屏蔽磁感应单元2Yb检测的为被金属软磁材料屏蔽削弱后的磁场，因而电阻值可视为近似不变。因此，可以采用差分半桥或差分全桥结构感应Y轴正方向的磁场，产生差分电压信号。此外，还可以采用开环信号调理电路，对所产生的差分电压信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正后形成用于检测第一方向(即Y轴方向)的第一磁信号输出电路的输出信号；或者采用闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元(第一磁感应单元2Ya、第一磁屏蔽磁感应单元2Yb)构成闭环磁场反馈结构；对所产生的差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡，磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成用于检测第一方向(即Y轴方向)的第一磁信号输出电路的输出信号。

由前述图9分析可知，Y轴方向外磁场产生的磁路在用于X轴测量的磁通路径连接区1Ea、1Ec、1Ed、1Ef气隙处产生的磁场极小，且均为Y轴正方向，因此当磁通路径连接区1Ea、1Ec、1Ed、1Ef形成推挽半桥或推挽全桥结构时，Y轴方向外磁场基本不会对电桥产生的差分电压信号造成影响，因而具有抗干扰能力强的特点。

请参照图10，图10为本申请实施例提供的第四种多轴磁场传感器在平面上的投影结构示意图。

在一些可选的实施例中，第二导磁体2D还包括：连接第二导磁体2D两端的磁场输入区(1Axa、1Axb、1Bxa、1Bxb)的分磁磁路(1Fa、1Fb)；分磁磁路(1Fa、1Fb)具有所述第二方向的第二分磁气隙；所述传感器通过调节第二分磁气隙的宽度实现对所述第二方向的磁感应强度的测量灵敏度的调节。

在一些可选的实施例中，第一磁感应单元1Ya与第一导磁体1D以及第二导磁体2D之间的距离均大于第一预设距离；所述传感器还包括：第三磁感应单元2Z(2Za、2Zb、2Zc、2Zd)；其中，第三磁感应单元2Z在平面上的投影位于第一导磁体1D的导磁区域内且邻近第一气隙区域，或者，在平面上的投影位于第一气隙区域内且邻近第一导磁体1D的导磁区域，或者，在平面上的投影位于第二导磁体2D的导磁区域内且邻近第二气隙区域，或者，在平面上的投影位于第二气隙区域内且邻近第二导磁体2D的导磁区域；第三磁感应单元2Z的磁感应灵敏度方向和第一磁感应单元2Ya或第二磁感应单元2X的磁感应灵敏度方向相同；其中，第三磁感应单元2Z和第一导磁体1D或者第二导磁体2D之间的距离小于第二预设距离；所述第二预设距离小于所述第一预设距离；所述传感器基于第三磁感应单元2Z形成用于测量第三方向的磁感应强度的第三磁信号输出电路；其中，所述第三方向垂直于平面(基板3)。

其中，第一磁屏蔽磁感应单元2Yb与第一导磁体1D以及第二导磁体2D之间的距离也均大于上述第一预设距离。具体地，在第三磁感应单元2Z在平面上的投影位于第一导磁体1D的导磁区域内且邻近第一气隙区域，或者，在平面上的投影位于第一气隙区域内且邻近第一导磁体1D的导磁区域的情况下，第三磁感应单元2Z和第一导磁体1D之间的距离小于第二预设距离。在第三磁感应单元2Z在平面上的投影位于第二导磁体2D的导磁区域内且邻近第二气隙区域，或者，在平面上的投影位于第二气隙区域内且邻近第二导磁体2D的导磁区域的情况下，第三磁感应单元2Z和第二导磁体2D之间的距离小于第二预设距离。

其中，参照图10，第二导磁体2D包括磁场输入区(1Axa、1Axb、1Bxa、1Bxb)、XY方向转换区(1Ca、1Cb、1Cc、1Cd、1Ce、1Cf、1Cg、1Ch)、磁通路径连接区(1Ea、1Eb、1Ec、1Ed、1Ee、1Ef)以及分磁磁路(1Fa、1Fb)。第一导磁体1D包括与第二导磁体2D共用的磁场输入区(1Axa、1Axb)。第一导磁体1D和第二导磁体2D可以由金属软磁材料制成，XY方向转换区1Ca包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向的三个端口且与磁场输入区1Axa相连，XY方向转换区1Cb为指向X轴正方向和Y轴负方向的拐角，XY方向转换区1Cc为指向X轴负方向和Y轴负方向的拐角，XY方向转换区1Cd包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向的三个端口且与磁场输出区1Bxa相连，XY方向转换区1Ce包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴负方向的三个端口且与磁场输入区1Axb相连，XY方向转换区1Cf为指向X轴正方向和Y轴正方向的拐角，XY方向转换区1Cg为指向X轴负方向和Y轴正方向的拐角，XY方向转换区1Ch包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴负方向的三个端口且与磁场输出区1Bxb相连。磁通路径连接区1Ea在Y轴方向上连通XY方向转换区1Ca、1Cb，磁通路径连接区1Eb在X轴方向上连通XY方向转换区1Cb、1Cc，磁通路径连接区1Ec在Y轴方向上连通XY方向转换区1Cc、1Cd，磁通路径连接区1Ed在Y轴方向上连通XY方向转换区1Ce、1Cf，磁通路径连接区1Ee在X轴方向上连通XY方向转换区1Cf、1Cg，磁通路径连接区1Ef在Y轴方向上连通XY方向转换区1Cg、1Ch。且其中磁通路径连接区1Ea、1Ec、1Ed、1Ef分别设有两条沿X轴方向贯通金属软磁材料的气隙。

本实施例中分磁磁路(1Fa、1Fb)对X轴待测输入磁场的磁路进行分磁。分磁磁路(1Fa、1Fb)对X轴待测输入磁场的磁路进行分磁，进而对通过磁通路径连接区1Ea、1Ec、1Ed、1Ef气隙处的磁场大小进行调控。当分磁磁路(1Fa、1Fb)不包含气隙时，磁路将大多通过分磁磁路(1Fa、1Fb)，而当分磁磁路(1Fa、1Fb)包含气隙时，可通过调整气隙的数量和宽度控制分磁比例，调节多轴磁场传感器整体的灵敏度。

具体地，以外磁场方向为X轴正方向进行说明。此时，金磁通路径连接区1Ea、1Ef的气隙中产生Y轴正方向的磁场分量，磁通路径连接区1Ec、1Ed的气隙中产生Y轴负方向的磁场分量。由于磁感应单元第二2Xa、2Xb、2Xc、2Xd的灵敏度方向均为Y轴正方向，第二磁感应单元2Xa、2Xd电阻值减小，第二磁感应单元2Xb、2Xc电阻值增大。因此，可以选取串并联第二磁感应单元2Xa、2Xb、2Xc、2Xd形成推挽半桥或推挽全桥结构感应X轴正方向的磁场，产生差分电压信号；也可以选取第二磁感应单元2Xa、2Xb、2Xc、2Xd与电阻值为定值的参考电阻形成差分半桥或差分全桥结构感应X轴正方向的磁场，产生差分电压信号。此外，还可以采用开环信号调理电路，对所产生的差分电压信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正后形成用于检测第二方向(即X轴方向)的第二磁信号输出电路的输出信号；或者采用闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元(磁感应单元2Xa、2Xb、2Xc、2Xd)构成闭环磁场反馈结构；对所产生的差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡，磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成用于检测第二方向(即X轴方向)的第二磁信号输出电路的输出信号。

其中，第一磁感应单元2Ya和第一磁屏蔽磁感应单元2Yb用于测量Y轴方向待测磁场。以外磁场为Y轴正方向时为例，经过聚集放大的磁路沿Y轴正方向通过设有气隙的第一导磁体1D，并在第一气隙中产生Y轴正方向的磁场分量。由于第一磁感应单元2Ya和第一磁屏蔽磁感应单元2Yb的灵敏度方向均为Y轴正方向，第一磁感应单元2Ya电阻值减小，而第一磁屏蔽磁感应单元2Yb检测的为被金属软磁材料屏蔽削弱后的磁场，因而电阻值可视为近似不变。因此，可以采用差分半桥或差分全桥结构感应Y轴正方向的磁场，产生差分电压信号。

其中，第三磁感应单元2Za、2Zb、2Zc、2Zd用于测量Z轴方向待测磁场。以外磁场为Z轴正方向时为例，由于金属软磁材料的聚磁作用，磁场在进出金属软磁材料时会在金属软磁材料边缘处产生扭曲，在第三磁感应单元2Za、2Zc处产生Y轴负方向的磁场分量因而电阻值增加，在第三磁感应单元2Zb、2Zd处产生Y轴正方向的磁场分量因而电阻值减小；且第三磁感应单元2Zc、2Zd处的磁场扭曲程度大于第三磁感应单元2Za、2Zb处的磁场扭曲程度。因此可以根据需求选取第三磁感应单元2Za、2Zb形成推挽半桥或推挽全桥结构，或者选取第三磁感应单元2Zc、2Zd形成推挽半桥或推挽全桥结构感应Z轴正方向的磁场，产生差分电压信号。此外，还可以采用开环信号调理电路，对所产生的差分电压信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正后形成用于检测第三方向(即Z轴方向)的第二磁信号输出电路的输出信号；或者采用闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元(第三磁感应单元2Za、2Zb、2Zc、2Zd)构成闭环磁场反馈结构；对所产生的差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡，磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成用于检测第三方向(即Z轴方向)的第三磁信号输出电路的输出信号。

具体地，Y轴Z轴磁场测量区4yz的磁场感应方向为Y轴和Z轴方向。本实施例中Y轴Z轴磁场测量区4yz包含独立放置的第一导磁体1D，且第一导磁体1D设有沿X轴方向贯通金属软磁材料的第一气隙，也可以将第一导磁体1D视为间隔一定距离分布的软磁阵列。当外磁场为Y轴正方向时，Y轴Z轴磁场测量区4yz的工作原理与图1所对应实施例中的Y轴磁场测量区4y基本相同，经过聚集放大的磁路沿Y轴正方向通过设有第一气隙的第一导磁体1D，并在第一气隙中产生Y轴正方向的磁场分量。当外磁场为Z轴正方向时，Y轴Z轴磁场测量区4yz可视为间隔一定距离分布的软磁阵列。由于金属软磁材料的聚磁作用，磁场在进出金属软磁材料时会在金属软磁材料边缘处产生扭曲，即Z轴方向的待测磁场会在X轴和Y轴方向产生磁场分量。对于磁场进入金属软磁材料一端，磁场分量趋向于指向金属软磁材料内部；对于磁场离开金属软磁材料一端，磁场分量趋向于指向金属软磁材料外部。

在工业生产中，金属软磁材料的实际厚度远大于磁感应单元的实际厚度，且磁感应单元通常临近金属软磁材料的上平面(Z轴正方向一侧)或下平面(Z轴负方向一侧)。假设本实施例中磁感应单元的所在平面临近金属软磁材料的上平面(Z轴正方向一侧)，即图10中的磁感应单元均位于金属软磁材料的上方(Z轴正方向一侧)。对于用于Z轴测量的第三磁感应单元2Z，位于Y轴Z轴磁场测量区4yz内软磁阵列竖直投影覆盖区，且如图10所示，第三磁感应单元2Za临近所在金属软磁材料Y轴负方向边沿处，第三磁感应单元2Zb临近所在金属软磁材料Y轴正方向边沿处。第三磁感应单元2Zc、2Zd位于Y轴Z轴磁场测量区4yz内软磁阵列的气隙位置处，且如图10所示，第三磁感应单元2Zc临近金属软磁材料Y轴负方向边沿处，磁感应单元2Zd临近金属软磁材料Y轴正方向边沿处。需要说明的是，与第三磁感应单元2Za、2Zb、2Zc、2Zd相比，第一磁感应单元2Ya、第一磁屏蔽磁感应单元2Yb(距离金属软磁材料的距离大于第一预设距离)距离金属软磁材料Y轴边沿较远，因而Z轴方向待测磁场对磁路的聚集扭曲基本不对第一磁感应单元2Ya、第一磁屏蔽磁感应单元2Yb产生影响；同样地，Y轴方向待测磁场在第三磁感应单元2Za、2Zb处近似都产生相同的Y轴方向磁场，在第三磁感应单元2Zc、2Zd处近似也都产生相同的Y轴方向磁场，因而不会产生干扰Z轴测量的差分磁场。

请参照图11，图11为本申请实施例提供的第五种多轴磁场传感器在平面上的投影结构示意图。

其中，参照图11，对于Z轴测量，由于金属软磁材料的聚磁作用，磁场在进出金属软磁材料时会在金属软磁材料边缘处产生扭曲，即Z轴方向的待测磁场会在X轴和Y轴方向产生磁场分量。对于磁场进入金属软磁材料一端，磁场分量趋向于指向金属软磁材料内部；对于磁场离开金属软磁材料一端，磁场分量趋向于指向金属软磁材料外部；因此可以采用间隔一定距离对称分布的软磁阵列实现Z轴测量。本实施例提供了三种不同的Z轴磁场测量结构作为Z方向转换区。其中一种Z方向转换区结构位于图11中间位置的Y方向导磁区1D，其Z轴测量原理与上述与图10所对应的实施例的Z轴方向磁感应强度的测量原理基本相同，等效于将Y轴Z轴磁场测量区4yz的金属软磁材料与X轴磁场测量区4x的金属软磁材料合并；本实施例相当于采用了关于X轴对称分布的具有两个间隙的软磁阵列，实际应用中可以根据需要调整间隙数量和软磁材料形状，在不影响Y轴测量的同时实现Z轴测量。另一种Z方向转换区结构位于图11左侧，与磁场输入区(1Axa、1Axb)共用金属软磁材料。最后一种Z方向转换区结构位于图11右侧，与磁场输出区(1Bxa、1Bxb、1Bxc)共用金属软磁材料，相当于采用了关于X轴对称分布的具有两个间隙的软磁材料。实际应用中可以根据需要调整磁场输入区或磁场输出区的间隙数量和软磁材料形状，在不影响X轴测量的同时实现Z轴测量。

其中，可以根据实际需求选取位于第一导磁体1D或第二导磁体的磁场输入区的其中一种或多种结构测量Z轴磁场。此外，由于第三磁感应单元2Zc、2Zd处的磁场扭曲程度大于第三磁感应单元2Za、2Zb处的磁场扭曲程度。可以根据需求选取磁感应单元2Za、2Zb形成推挽半桥或推挽全桥结构，或者选取磁感应单元2Zc、2Zd形成推挽半桥或推挽全桥结构感应Z轴正方向的磁场，产生差分电压信号。此外，还可以采用开环信号调理电路，对所产生的差分电压信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正后形成用于检测第三方向(即Z轴方向)的第二磁信号输出电路的输出信号；或者采用闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元(磁感应单元2Za、2Zb或者磁感应单元2Zc、2Zd)构成闭环磁场反馈结构；对所产生的差分电压信号经闭环信号调理电路放大后，通过磁场反馈线圈产生反馈磁场达到磁场动态平衡，磁场反馈线圈的反馈电流进行取样后形成用于检测第三方向(即Z轴方向)的第三磁信号输出电路的输出信号。

在一些可选的实施例中，所述传感器还包括：外磁场磁感应单元2A；外磁场磁感应单元2A的磁感应灵敏度方向和第一磁感应单元2Ya或第二磁感应单元2X的磁感应灵敏度方向相同，外磁场磁感应单元2A与第一导磁体1D以及第二导磁体2D之间的距离均大于第三预设距离；所述传感器基于外磁场磁感应单元2A以及第一磁感应单元2Ya形成所述第一磁信号输出电路；所述传感器基于外磁场磁感应单元2A以及第二磁感应单元2X形成所述第二磁信号输出电路。

其中，如图4所示，多轴磁场传感器还包含“在基板3上的投影位于第一导磁体和第二导磁体的导磁区域外”的外磁场磁感应单元2A，外磁场磁感应单元2A选取的位置距离金属软磁材料较远，直接受外磁场影响，因而在低灵敏度大测量范围检测时，可以选取第一气隙处的第一磁感应单元2Ya与外磁场磁感应单元2A形成差分半桥或差分全桥结构感应Y轴方向的磁场，产生差分电压信号。还可以选取第二气隙处的第二磁感应单元2X与外磁场磁感应单元2A形成差分半桥或差分全桥结构感应X轴方向的磁场，产生差分电压信号。需要说明的是，在外磁场磁感应单元2A与金属软磁材料之间的距离大于第三预设距离的情况下，外磁场磁感应单元2A就会直接受外磁场影响，第三预设距离可以根据实际的磁感应范围进行确定。

在一些可选的实施例中，所述传感器还包括：电阻；所述传感器基于电阻以及第一磁感应单元1Ya形成所述第一磁信号输出电路；所述传感器基于电阻以及第二磁感应单元2X形成所述第二磁信号输出电路。

由于本申请实施例所提供的多轴磁场传感器的所有磁感应单元灵敏度方向相同，磁感应单元可以选取以隧道磁电阻TMR为例的灵敏度方向平行于自身所在平面的磁电阻敏感元件结合引线焊盘和机械支架外壳，并采用单一芯片集成制备工艺。

在本申请实施例各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

以上的描述，仅为本申请实施例的可选实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多轴磁场传感器，其特征在于，所述传感器包括：

第一方向的第一导磁体，所述第一导磁体具有第二方向的第一气隙；其中，所述第一方向和所述第二方向相互垂直；

和所述第一导磁体位于同一平面内的第二导磁体，所述第二导磁体包括：位于所述第二导磁体两端的所述第二方向的磁场输入区以及位于所述第二导磁体两端之间的磁场转换区；所述磁场转换区包括所述第一方向的转换磁路；其中，所述转换磁路具有所述第二方向的第二气隙；

第一磁感应单元，所述第一磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第一气隙区域内；所述传感器基于所述第一磁感应单元形成用于测量所述第一方向的磁感应强度的第一磁信号输出电路；

第二磁感应单元，所述第二磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第二气隙区域内；所述传感器基于所述第二磁感应单元形成用于测量所述第二方向的磁感应强度的第二磁信号输出电路；

其中，所述第一磁感应单元和所述第二磁感应单元的磁感应灵敏度方向相同且平行于所述第一方向。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，其中，所述转换磁路包括相邻的第一转换磁路和第二转换磁路；所述第一转换磁路具有所述第二方向的第一转换气隙，所述第二转换磁路具有所述第二方向的第二转换气隙；

所述第二磁感应单元包括：第一转换磁感应单元和第二转换磁感应单元；所述第一转换磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第一转换气隙区域内，所述第二转换磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第二转换气隙区域内；

所述传感器基于所述第一转换磁感应单元以及所述第二转换磁感应单元形成所述第二磁信号输出电路。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：第一磁屏蔽磁感应单元；所述第一磁屏蔽磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第一导磁体的导磁区域内；其中，所述第一磁屏蔽磁感应单元的磁感应灵敏度方向和所述第一磁感应单元或所述第二磁感应单元的磁感应灵敏度方向相同；

所述传感器基于所述第一磁感应单元以及所述第一磁屏蔽磁感应单元形成所述第一磁信号输出电路。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：第二磁屏蔽磁感应单元；所述第二磁屏蔽磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第二导磁体的导磁区域内；其中，所述第二磁屏蔽磁感应单元的磁感应灵敏度方向和所述第一磁感应单元或所述第二磁感应单元的磁感应灵敏度方向相同；

所述传感器基于所述第二磁感应单元以及所述第二磁屏蔽磁感应单元形成所述第二磁信号输出电路。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：置于所述平面上的所述第一方向的第一分磁体；所述第一分磁体具有所述第二方向的第一分磁气隙；所述传感器通过调节所述第一分磁气隙的宽度和/或所述第一分磁气隙的数量实现对所述第一方向的磁感应强度的测量灵敏度的调节。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，其中，所述第二导磁体还包括：连接所述第二导磁体两端的磁场输入区的分磁磁路；所述分磁磁路具有所述第二方向的第二分磁气隙；所述传感器通过调节所述第二分磁气隙的宽度和/或所述第二分磁气隙的数量实现对所述第二方向的磁感应强度的测量灵敏度的调节。

7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，其中，所述第一磁感应单元与所述第一导磁体以及所述第二导磁体之间的距离均大于第一预设距离；

所述传感器还包括：第三磁感应单元；其中，所述第三磁感应单元在所述平面上的投影位于所述第一导磁体的导磁区域内且邻近所述第一气隙区域，或者，在所述平面上的投影位于所述第一气隙区域内且邻近所述第一导磁体的导磁区域，或者，在所述平面上的投影位于所述第二导磁体的导磁区域内且邻近所述第二气隙区域，或者，在所述平面上的投影位于所述第二气隙区域内且邻近所述第二导磁体的导磁区域；所述第三磁感应单元的磁感应灵敏度方向和所述第一磁感应单元或所述第二磁感应单元的磁感应灵敏度方向相同；

其中，所述第三磁感应单元和所述第一导磁体或者所述第二导磁体之间的距离小于第二预设距离；所述第二预设距离小于所述第一预设距离；所述传感器基于所述第三磁感应单元形成用于测量第三方向的磁感应强度的第三磁信号输出电路；其中，所述第三方向垂直于所述平面。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：外磁场磁感应单元；所述外磁场磁感应单元的磁感应灵敏度方向和所述第一磁感应单元或所述第二磁感应单元的磁感应灵敏度方向相同，所述外磁场磁感应单元与所述第一导磁体以及所述第二导磁体之间的距离均大于第三预设距离；

所述传感器基于所述外磁场磁感应单元以及所述第一磁感应单元形成所述第一磁信号输出电路；

所述传感器基于所述外磁场磁感应单元以及所述第二磁感应单元形成所述第二磁信号输出电路。

9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：电阻；

所述传感器基于所述电阻以及所述第一磁感应单元形成所述第一磁信号输出电路；

所述传感器基于所述电阻以及所述第二磁感应单元形成所述第二磁信号输出电路。

10.根据权利要求1-9任一所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括：开环信号调理电路；所述开环信号调理电路分别和所述第一磁信号输出电路以及所述第二磁信号输出电路电连接；所述传感器基于所述开环信号调理电路对所述第一磁信号输出电路以及所述第二磁信号输出电路所输出的电信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正，得到第一调理信号；并输出所述第一调理信号；或者，

所述传感器还包括：闭环信号调理电路以及磁场反馈线圈；所述传感器基于所述闭环信号调理电路、所述磁场反馈线圈以及磁感应单元形成闭环磁场反馈结构；所述传感器基于所述闭环磁场反馈结构对所述第一磁信号输出电路以及所述第二磁信号输出电路所输出的电信号进行调理放大、温度补偿和/或线性度修正，并产生反馈磁场达到磁场动态平衡，得到第二调理信号；并输出所述第二调理信号；其中，所述第二调理信号表征达到磁场动态平衡状态下的所述磁场反馈线圈的反馈电流。