CN117075009A - 一种磁场传感器及多轴磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种磁场传感器及多轴磁场传感器，涉及磁场测量技术领域，该磁场传感器包括：磁通转换模块、磁感应模块和差分检测模块；磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区和磁通路径连接区；磁通转换模块将磁场感应方向上的待测磁场进行聚集放大，并转换为与待测磁场方向夹角为0‑90度的空间立体角方向的磁场分量；磁感应模块感应磁通转换模块气隙处的磁场，产生差分电压信号并通过差分检测模块形成待测的输出电信号，能够实现将待测磁场在气隙处转化为相反方向的磁场分量，从而用同一个灵敏度方向的磁感应模块实现推挽电桥结构的差分检测，能够采用集成制造，工艺简单，灵敏度一致性好，便于生产。

Description

一种磁场传感器及多轴磁场传感器

技术领域

本申请涉及磁场测量技术领域，具体而言，涉及一种磁场传感器及多轴磁场传感器。

背景技术

磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中，通过感应磁场强度变化来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场及其他参数，例如采用巨磁阻抗GMI、磁通门Fluxgate、霍尔元件Hall、反常霍尔元件AHE的传感器，或者采用各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR、隧道磁电阻TMR、垂直隧道磁电阻PTMR、庞磁电阻CMR等磁电阻敏感元件的传感器。磁传感器的常用测量方式为采用电桥结构进行差分检测产生电压输出，通过差分全桥、差分半桥、推挽全桥、推挽半桥感应待测磁场。

目前，为了构成差分检测结构，现有传感器采用的磁感应模块通常具有两个相反的灵敏度方向，其实现方式包含：(1)采用分立的推臂和腕臂切片，需要操作两个切片在同一平面内进行精确定位，容易产生角度偏差和零点偏移，影响灵敏度一致性和测量精度。(2)采用多层薄膜结构的铁磁参考层的设计，由于在沉积多层薄膜时需要引入至少两种多层薄膜结构，增加了微加工工艺的复杂性。(3)采用激光程控加热磁场退火的方法，需要特定设备，工艺复杂，成本高。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种磁场传感器及多轴磁场传感器，该磁场传感器包括：磁通转换模块、磁感应模块和差分检测模块；磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区和磁通路径连接区；磁通转换模块将磁场感应方向上的待测磁场进行聚集放大，并转换为与待测磁场方向夹角为0-90度的空间立体角方向的磁场分量；磁感应模块感应磁通转换模块气隙处的磁场，产生差分电压信号并通过差分检测模块形成待测的输出电信号，能够实现将待测磁场在气隙处转化为相反方向的磁场分量，从而用同一个灵敏度方向的磁感应模块实现推挽电桥结构的差分检测，能够采用集成制造，工艺简单，灵敏度一致性好，便于生产，从而解决了现有磁场传感器工艺复杂、成本高、灵敏度一致性差等问题。

第一方面，本申请实施例提供一种磁场传感器，所述传感器包括：磁通转换模块、磁感应模块和差分检测模块；所述差分检测模块与所述磁感应模块电连接；所述磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区和磁通路径连接区；所述磁通路径连接区包括：位于不同位置的至少两个气隙；所述磁感应模块包括：至少两个磁感应单元；所述磁通路径连接区对所述磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区进行磁路连接，并形成在磁感应方向上从所述磁场输入区进入，所述磁场输出区输出并连通的磁通路径；所述至少两个磁感应单元对应设置于所述至少两个气隙位置处，且所述磁感应单元的灵敏度方向垂直于所述气隙的竖直投影方向；其中，所述磁通转换模块用于将待测磁场沿所述磁感应方向导磁至所述磁通路径，并在所述磁通路径的气隙中产生差分磁场分量；所述磁感应模块用于根据所述差分磁场分量产生差分电压信号；所述差分检测模块用于对所述差分电压信号进行处理并输出待测电信号。

在上述实现过程中，通过磁通转换模块将磁场感应方向上的待测磁场进行聚集放大，并转换为与待测磁场方向夹角为0-90度的空间立体角方向的磁场分量；磁感应模块感应磁通转换模块气隙处的磁场，产生差分电压信号并通过差分检测模块形成待测的输出电信号，能够实现将待测磁场在气隙处转化为相反方向的磁场分量，从而用同一个灵敏度方向的磁感应模块实现推挽电桥结构的差分检测，能够采用集成制造，工艺简单，灵敏度一致性好，便于生产。

可选地，所述磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、至少三个磁通方向转换区和至少两个磁通路径连接区；所述至少三个磁通方向转换区位于所述磁通转换模块的拐角区域，所述至少两个磁通路径连接区连接相邻的两个所述拐角区域，并与所述磁场输入区、磁场输出区在磁感应方向上形成单条连通的磁通路径；其中，所述至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

在上述实现过程中，通过将待测磁场经过聚集放大和磁路扭曲后，通过同一条(单条)串联的磁通路径在两处不同位置的气隙处产生正、负方向相反的磁场分量，形成差分磁场，并采用推挽半桥结构产生差分电压信号，通过开环信号调理电路形成输出电信号。优势在于可以仅采用同一个灵敏度方向的磁感应单元实现推挽半桥测量，避免了现有技术中采用不同灵敏度方向导致的角度偏差和零点偏移问题，灵敏度一致性好，测量精度高；且工艺简单，成本低，能够实现单芯片集成制造，具有体积小，稳定性好的特点。

可选地，所述磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、至少四个磁通方向转换区和至少四个磁通路径连接区；所述至少四个磁通方向转换区位于所述磁通转换模块的拐角区域，所述至少四个磁通路径连接区连接相邻的两个所述拐角区域，并与所述磁场输入区、磁场输出区在磁感应方向上形成两条连通的磁通路径；其中，所述至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

在上述实现过程中，通过采用两个呈镜相对称的单条磁通路径的磁通转换模块结构进行并联叠加，待测磁场经过聚集放大和磁路扭曲后，形成镜像对称的两条呈并联关系的磁通路径，在四处不同位置的气隙处产生正、负方向相反的磁场分量，形成差分磁场，并采用推挽全桥结构产生差分电压信号，通过开环信号调理电路形成输出电信号。其优点在于，可以仅采用同一个灵敏度方向的磁感应单元实现推挽全桥测量，能够实现单芯片集成制造，进一步增强了聚磁效果，提高灵敏度，降低了噪声。

可选地，所述磁感应模块还包括：磁屏蔽参考磁感应单元；所述磁屏蔽参考磁感应单元位于磁通转换模块的竖直投影范围内；所述至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号；或所述至少一个磁感应单元与所述磁屏蔽参考磁感应单元用于形成差分半桥或差分全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

在上述实现过程中，通过将两条并联磁路所在的分立的金属软磁材料进行部分合并，有助于增加稳定性、减小体积。同时，增加了作为磁屏蔽参考磁感应单元的位于磁通转换模块金属软磁材料竖直投影范围内的磁感应单元，可形成差分半桥或差分全桥结构感应待测磁场，有助于调整和扩大磁场传感器的测量范围。其中，磁屏蔽参考磁感应单元与气隙投影处的磁感应单元相邻分布，都设置于磁通路径连接区的气隙附近，有助于增强一致性，减少零点漂移。

可选地，所述磁通转换模块还包括：磁通屏蔽软磁路径；所述磁通屏蔽软磁路径连通所述至少四个磁通路径连接区中沿所述磁感应方向相对设置的两个磁通路径连接区；所述磁通屏蔽软磁路径用于对带有气隙的磁通路径连接区进行屏蔽或分磁。

在上述实现过程中，通过新增了磁通屏蔽软磁路径，解决了待测磁场对磁场传感器工作范围的影响，显著增加了待测磁场下磁场传感器的工作范围，提升了磁感应单元的灵敏度一致性。同时，作为磁屏蔽参考磁感应单元的磁感应单元不再与气隙投影处的磁感应单元相邻分布，而是选取了金属软磁材料覆盖范围较大的位置，增加了磁屏蔽效果，使其电阻值更稳定。

可选地，所述磁通转换模块包括：至少两个磁场输入区以及至少两个磁场输出区；所述磁通屏蔽软磁路径连通所述至少两个磁场输入区中相邻的两个磁场输入区，以及所述磁通屏蔽软磁路径连通所述至少两个磁场输出区中相邻的两个磁场输出区；所述磁通屏蔽软磁路径用于对带有气隙的磁通路径连接区进行屏蔽或分磁。

在上述实现过程中，通过新增磁通屏蔽软磁路径，并增加了经过磁感应模块所在处软磁材料间的间隔距离，因而能进一步增加待测磁场的隔离效果，加强屏蔽或分磁，解决了待测磁场对磁场传感器工作范围的影响，显著增加了待测磁场下磁场传感器的工作范围，提升了磁感应模块的灵敏度一致性。

可选地，所述磁通转换模块与所述磁感应模块采用芯片集成工艺设置于同一块电路芯片上。

在上述实现过程中，通过采用单一芯片集成制备工艺将磁通转换模块与磁感应单元加工在同一芯片上，降低了成本。

可选地，所述磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区、磁通路径连接区中任意两者的软磁材料设置于同一平面上。

在上述实现过程中，通过将磁通转换模块中构成磁通路径的任意两个部分软磁材料设置于同一平面上，降低了艺难度，能够匹配更多场景需要。

可选地，所述差分检测模块包括：开环信号调理电路；所述开环信号调理电路与所述磁感应单元电连接；所述开环信号调理电路用于对所述差分电压信号进行调理放大和/或温度补偿和/或线性度修正。

在上述实现过程中，通过采用开环信号调理电路进行调理放大、温度补偿和线性度修正，实现了开环检测，提升了检测精度，取得了较好的线性度。

可选地，所述差分检测模块包括：闭环信号调理电路和磁场反馈线圈；所述闭环信号调理电路与所述磁感应单元电连接；所述闭环信号调理电路、磁场反馈线圈与所述磁感应单元构成闭环磁场反馈结构；所述闭环信号调理电路用于对所述差分电压信号进行调理放大；所述磁场反馈线圈用于根据调理放大后的信号产生反馈磁场达到磁场动态平衡，对所述磁场反馈线圈内的电流取样形成所述待测电信号。

在上述实现过程中，通过采用闭环信号调理电路和磁场反馈线圈进行差分检测，实现了闭环负反馈，提升了精度，取得了较好的线性度。

第二方面，本申请实施例提供了一种多轴磁场传感器，所述传感器包括：多个组合的任一上述的磁场传感器；所述多个组合的任一上述的磁场传感器中的磁通转换模块的磁场感应方向为多个；所述磁通转换模块用于对在任一所述磁场感应方向上相应的待测磁场进行差分检测。

在上述实现过程中，通过设置多轴传感器，不仅能够灵活独立选取多轴方向各自的磁感应模块和测量方式，同时任意方向的磁通转换模块对自身磁场感应方向上的待测磁场具有聚集放大和磁路引导作用，因而能够对其他磁场感应方向的磁感应模块起到屏蔽或分磁的作用，能够增加磁场传感器的工作范围，提高了灵活性。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

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一种磁场传感器的模块结构示意图；

图2为本申请实施例提供的第一种磁场传感器的部分剖面示意图；

图3为本申请实施例提供的第二种磁场传感器的部分剖面示意图；

图4为本申请实施例提供的第二种磁场传感器施加Y轴方向待测磁场的磁通路径仿真图；

图5为本申请实施例提供的第三种磁场传感器的部分剖面示意图；

图6为本申请实施例提供的第三种磁场传感器施加X轴方向待测磁场的磁通路径仿真图；

图7为本申请实施例提供的第四种磁场传感器的部分剖面示意图；

图8为本申请实施例提供的第五种磁场传感器的部分剖面示意图；

图9为本申请实施例提供的第六种磁场传感器的部分剖面示意图；

图10为本申请实施例提供的第七种磁场传感器的部分剖面示意图；

图11为本申请实施例提供的第七种磁场传感器施加X轴方向待测磁场的磁通路径仿真图；

图12为本申请实施例提供的第七种磁场传感器施加Y轴方向磁场的磁通路径仿真图；

图13为本申请实施例提供的第八种磁场传感器的部分剖面示意图；

图14为本申请实施例提供的第八种磁场传感器施加Y轴方向磁场的磁通路径仿真图；

图15为本申请实施例提供的一种隧道磁电阻TMR的电压-磁场曲线示意图；

图16为本申请实施例提供的第九种磁场传感器的部分剖面示意图；

图17为本申请实施例提供的第一种多轴磁场传感器的结构示意图；

图18为本申请实施例提供的第二种多轴磁场传感器的结构示意图及三视图；

图19为本申请实施例提供的第三种多轴磁场传感器的结构示意图及三视图。

图标：01-磁场传感器；10-磁通转换模块；20-磁感应模块；30-差分检测模块；02-多轴磁场传感器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请发明人注意到，磁场传感器的常用测量方式为采用电桥结构进行差分检测产生电压输出，通过差分全桥、差分半桥、推挽全桥、推挽半桥感应待测磁场。其中，推挽电桥磁传感器比采用单电阻或采用参考电阻的差分电桥磁传感器具有更高的灵敏度和更低的温度漂移。而为了构成差分检测结构，现有传感器采用的磁感应单元通常具有两个相反的灵敏度方向，实现方式包含：(1)采用分立的推臂和腕臂切片并采用特定位置设置，即先制造单一灵敏度方向的磁感应单元，并将其中的一个切片相对于另一个切片相对旋转180度，形成灵敏度方向相反的推臂和腕臂，然后在推臂和腕臂的切片之间采用飞线的形式进行连接；其优点在于制备方法简单，成本较低，但缺点在于，需要操作两个切片在同一平面内进行精确定位，容易产生角度偏差和零点偏移，影响灵敏度一致性和测量精度。(2)采用多层薄膜结构的铁磁参考层的设计，通过改变与反铁磁层交互耦合的铁磁层和金属间隔层构成的多层薄膜的层数，其中一个为奇数层，另一个为偶数层的方法，可以实现相反铁磁参考层的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的制造，其缺点在于，由于在沉积多层薄膜时需要引入至少两种多层薄膜结构，增加了微加工工艺的复杂性。(3)采用激光程控加热磁场退火的方法，实现对磁电阻传感单元进行扫描、快速加热反铁磁层到阻塞温度以上，同时在冷却过程中可以沿任意方向施加磁场，逐个扫描实现磁电阻传感单元沿任一方向的磁场敏感方向的定向，采用该方法可以实现在单一切片上的双轴磁电阻传感单元的四种具有正交取向的磁电阻传感单元及其阵列的制造，但缺点在于需要特定设备，工艺复杂，成本高。此外，为了提高磁传感器的灵敏度，降低噪声，还会采用软磁通量集中器对待测磁场进行聚集放大，以增强信号输出，同时软磁通量集中器对待测磁场也有扭曲磁场方向的作用。有鉴于此，本申请实施例提供了一种如下介绍的磁场传感器01及多轴磁场传感器02。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种磁场传感器01的模块结构示意图。下面对本申请实施例作详细阐释。该传感器包括：磁通转换模块10、磁感应模块20和差分检测模块30；磁通转换模块10包括：磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区和磁通路径连接区；磁通路径连接区包括：位于不同位置的至少两个气隙；磁感应模块20包括：至少两个磁感应单元；

该差分检测模块30与磁感应模块20电连接；磁通路径连接区对磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区进行磁路连接，并形成在磁感应方向上从磁场输入区进入，磁场输出区输出并连通的磁通路径；至少两个磁感应单元对应设置于至少两个气隙位置处，且磁感应单元的灵敏度方向垂直于气隙的竖直投影方向；其中，磁通转换模块10用于将待测磁场沿磁感应方向导磁至磁通路径，并在磁通路径的气隙中产生差分磁场分量；磁感应模块20用于根据差分磁场分量产生差分电压信号；差分检测模块30用于对差分电压信号进行处理并输出待测电信号。

示例性地，磁通转换模块10可以是：采用高磁导率的金属软磁材料构成，并通过高磁导率的软磁材料的导磁作用形成磁通转换模块10的磁通路径，磁场感应方向上的待测磁场经过磁通路径会进行磁场方向的转换；磁通转换模块10可具体包括磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区、磁通路径连接区，磁通路径连接区对磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区的软磁磁通路径进行磁路连接；在磁场感应方向上，磁通路径平行于磁通转换模块10所在平面且由磁场输入区进入，由磁场输出区输出，进行磁场方向的转换时，磁通方向转换区、磁通路径连接区的磁通路径与待测磁场的夹角为0-90度的空间立体角；磁通方向转换区和/或磁通路径连接区设有一条或一条以上气隙，气隙与磁通方向转换区和/或磁通路径连接区的磁场方向相交，气隙形成的磁通路径与软磁材料形成的磁通路径共同构成磁通方向转换区和/或磁通路径连接区的磁通路径，磁通路径连接区的磁路方向垂直于气隙。其中，磁场输入区的数量可以是一个或多个，磁场输出区的数量是一个或多个，磁通方向转换区的数量为一个或多个，磁通路径连接区的数量为一个或多个；磁场输入区、磁场输出区相互独立或者构成串并联磁路连接，磁通方向转换区的结构相同或相异。磁感应模块20可以是：两个或两个以上竖直投影位于磁通转换模块10气隙位置的巨磁阻抗GMI、磁通门Fluxgate、霍尔元件Hall、反常霍尔元件AHE、或磁电阻敏感元件(磁感应单元)；对于磁电阻敏感元件，该磁感应模块20可分别由一个或一个以上磁电阻敏感元件串并联构成，磁电阻敏感元件为各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR、隧道磁电阻TMR、垂直隧道磁电阻PTMR和庞磁电阻CMR中的一种。差分检测模块30可以是：开环信号调理电路或闭环信号调理电路，对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成该磁场传感器01的待测的输出电信号。

可选地，如图2所示，该磁场传感器01包括磁通转换模块10、磁感应模块20、差分检测模块30，该磁场传感器01中磁通转换模块10为单平面单磁场感应方向，磁场感应方向与磁通转换模块10相同，为X轴方向。磁通转换模块10可采用：图2所示实施例中的两个磁场输入区1a、1b、两个磁场输出区2a、2b、八个磁通方向转换区3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h、六个磁通路径连接区4a、4b、4c、4d、4e、4f，并可增设一个磁通屏蔽软磁路径6；磁感应模块20可采用：四个磁感应单元5a、5b、5c、5d，所有磁感应单元的灵敏度方向均为Y轴正方向，磁感应单元5a、5b、5c、5d的竖直投影分别位于磁通转换模块10磁通路径连接区4a、4c、4d、4f的气隙位置处。构成磁通转换模块10的金属软磁材料分布于XY平面，以待测磁场为X轴正方向为例进行说明，此情况下磁场输入区1a、1b位于X轴负方向一端，磁场输出区2a、2b位于X轴正方向一端；磁通方向转换区3a、3g为指向X轴负方向和Y轴正方向的拐角，磁通方向转换区3b、3h为指向X轴正方向和Y轴负方向的拐角，磁通方向转换区3c、3e为指向X轴负方向和Y轴负方向的拐角，磁通方向转换区3d、3f为指向X轴正方向和Y轴正方向的拐角。磁通路径连接区4a在Y轴方向上连通磁通方向转换区3a、3b，磁通路径连接区4b包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴负方向的三个端口，磁通路径连接区4c在Y轴方向上连通磁通方向转换区3c、3d，磁通路径连接区4d在Y轴方向上连通磁通方向转换区3e、3f，磁通路径连接区4e包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向的三个端口，磁通路径连接区4f在Y轴方向上连通磁通方向转换区3g、3h；磁通屏蔽软磁路径6在Y轴方向上连通磁通路径连接区4b、4e；且其中磁通路径连接区4a、4c、4d、4f分别设有两条沿X轴方向贯通金属软磁材料的气隙。

待测磁场被磁通转换模块10的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。待测磁场在磁通路径连接区4a、4f的气隙处产生Y轴正方向的磁场分量，在磁通路径连接区4c、4d的气隙处产生Y轴负方向的磁场分量，因而能够形成差分磁场，由于磁感应单元5a、5b、5c、5d的灵敏度方向均为Y轴正方向，磁感应单元5a、5d电阻值减小，磁感应单元5b、5c电阻值增大。因此，可以选取串并联磁感应单元5a、5b、5c、5d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。可采用开环信号调理电路，对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成该磁场传感器01的输出电信号。特别地，当待测磁场为Y轴正方向时，磁通屏蔽软磁路径6可对Y轴方向的磁场进行聚集和引导，实现对带有气隙的磁通路径连接区的屏蔽或分磁作用。

其中，本申请磁通转换模块10及其磁场传感器01既适用于灵敏度方向平行于所在平面的磁感应单元，也适用于灵敏度方向垂直于所在平面的磁感应单元。采用的磁感应单元可以为灵敏度方向(图2中“Sen”箭头指向的方向)垂直于所在平面的霍尔元件。在此种情况下，霍尔元件位于XZ平面，其灵敏度方向为Y轴正方向。采用垂直隧道磁电阻PTMR等其他灵敏度方向垂直于所在平面的磁感应单元均可采用类似结构，沿XZ平面与位于XY平面的磁通转换模块10气隙垂直固定，构成磁场传感器01。采用的磁感应单元也可以为灵敏度方向(图2中“Sen”箭头指向的方向)平行于所在平面的隧道磁电阻TMR。在此种情况下，隧道磁电阻TMR位于XY平面，其灵敏度方向为Y轴正方向。采用巨磁电阻GMR等其他灵敏度方向垂直于所在平面的磁感应单元均可采用类似结构，磁感应单元与磁通转换模块10所在平面平行设置，构成磁场传感器01。

通过磁通转换模块10将磁场感应方向上的待测磁场进行聚集放大，并转换为与待测磁场方向的夹角为0-90度的空间立体角方向的磁场分量；磁感应模块20感应磁通转换模块10气隙处的磁场，产生差分电压信号并通过差分检测模块30形成待测的输出电信号，能够实现将待测磁场在气隙处转化为相反方向的磁场分量，从而用同一个灵敏度方向的磁感应模块20实现推挽电桥结构的差分检测，能够采用集成制造，工艺简单，灵敏度一致性好，便于生产。

在一个实施例中，该磁通转换模块10包括：磁场输入区、磁场输出区、至少三个磁通方向转换区和至少两个磁通路径连接区；至少三个磁通方向转换区位于磁通转换模块10的拐角区域，至少两个磁通路径连接区连接相邻的两个拐角区域，并与磁场输入区、磁场输出区在磁感应方向上形成单条连通的磁通路径；其中，至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

示例性地，如图3所示，该磁场传感器01包括磁通转换模块10、磁感应模块20、差分检测模块30，磁场传感器01的磁场感应方向与磁通转换模块10相同，为Y轴方向。磁通转换模块10为采用高磁导率的金属软磁材料构成的单平面单磁场感应方向的结构，可包括：一个磁场输入区1、一个磁场输出区2、四个磁通方向转换区3a、3b、3c、3d、三个磁通路径连接区4a、4b、4c，它们共同构成了沿磁场感应方向(Y轴方向)单条连通的磁通路径，构成磁通转换模块10的金属软磁材料可分布于XY平面，以待测磁场为Y轴负方向为例进行说明。磁感应模块20可包含磁感应单元5a、磁感应单元5b。磁感应单元5a、5b的灵敏度方向均为X轴正方向，且磁感应单元5a的竖直投影位于磁通转换模块10磁通路径连接区4a的气隙位置处，磁感应单元5b的竖直投影位于前述磁通转换模块10磁通路径连接区4c的气隙位置处，因而磁感应单元5的灵敏度方向垂直于所在气隙。此情况下磁场输入区1、磁场输出区2分别位于Y轴正方向一端和Y轴负方向一端；磁通方向转换区3a为指向X轴正方向和Y轴正方向的拐角，磁通方向转换区3b为指向X轴负方向和Y轴负方向的拐角，磁通方向转换区3c为指向X轴负方向和Y轴正方向的拐角，磁通方向转换区3d为指向X轴正方向和Y轴负方向的拐角；磁通路径连接区4a在X轴方向上连通磁通方向转换区3a、3b，磁通路径连接区4b在Y轴方向上连通磁通方向转换区3b、3c，磁通路径连接区4c在X轴方向上连通磁通方向转换区3c、3d，且其中磁通路径连接区4a、4c分别设有两条沿Y轴方向贯通金属软磁材料的气隙。

当待测磁场为Y轴负方向时，金属软磁材料对待测磁场进行聚集放大并形成磁通路径，该磁路由Y轴正方向一端的磁场输入区1进入，之后被磁通方向转换区3a将磁路扭曲至X轴正方向，随后沿X轴正方向通过设有气隙的磁通路径连接区4a，并在气隙中产生X轴正方向的磁场分量；该磁路之后依次通过磁通方向转换区3b、磁通路径连接区4b、磁通方向转换区3c，将磁路由X轴正方向扭曲反向至X轴负方向后，再通过设有气隙的磁通路径连接区4c，并在气隙中产生X轴负方向的磁场分量；由此，便可令Y轴方向上的待测磁场在不同位置的气隙处产生X轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场。为了实现Y轴正负方向磁场测量的对称性，磁路经过磁通路径连接区4c后，被磁通方向转换区3d扭曲回Y轴负方向，随后通过磁场输出区2。其中，磁场输入区1、磁场输出区2完全等价，根据待测磁场的方向变化可以互换；即对于同一金属软磁材料结构，磁场输入区1、磁场输出区2仅用于指示和描述待测磁场进出磁通转换模块10的方向；当待测磁场反向时，可视为原先的磁场输入区1、磁场输出区2互换。此外，虽然磁通路径连接区对磁场输入区1、磁场输出区2、磁通方向转换区的软磁磁通路径进行磁路连接，但对于同一金属软磁材料结构，实际对于磁通路径连接区的界定可能存在多种情况；如图3中的磁场输入区1和磁通方向转换区3a界定为直接相连，也可界定为其中有一段磁通路径连接区；又如图3中磁通方向转换区3b、磁通路径连接区4b、磁通方向转换区3c依次相连，当磁通方向转换区3b、磁通方向转换区3c的拐角距离过近时，可视为磁通方向转换区3b、3c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，也可视为位于磁通方向转换区上。

如图4所示，从图3实施例中的磁通转换模块10加上Y轴负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，并依次在磁通方向转换区3a、3b、3c、3d处发生0-90度空间立体角的导磁偏移，能够看出在磁通路径连接区4a、4c的气隙处能够产生明显的X轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场，且通过气隙处的磁通路径为串联关系。同样以待测磁场为Y轴负方向时为例，经过聚集放大的磁路沿X轴正方向通过设有气隙的磁通路径连接区4a，之后又沿X轴负方向通过设有气隙的磁通路径连接区4c；此时磁通路径连接区4a的气隙中产生X轴正方向的磁场分量，磁通路径连接区4c的气隙中产生X轴负方向的磁场分量。由于磁感应单元5a、5b的灵敏度方向均为X轴正方向，磁感应单元5a电阻值减小，磁感应单元5b电阻值增大。因此，可以采用推挽半桥结构感应Y轴负方向的磁场，产生差分电压信号。可采用开环信号调理电路，对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成该磁场传感器01待测的输出电信号。

其中，磁感应单元5根据放置位置和方向的不同，可以采用巨磁阻抗GMI、磁通门Fluxgate、霍尔元件Hall、反常霍尔元件AHE或者磁电阻敏感元件；其中磁电阻敏感元件可以为一个或一个以上串并联的各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR、隧道磁电阻TMR、垂直隧道磁电阻PTMR和庞磁电阻CMR。具体的，当磁感应单元5灵敏度方向垂直于自身所在平面时，磁感应单元5所在基底与磁通转换模块10所在平面垂直，例如若位于XY平面的图1所示磁通转换模块10以霍尔元件为例进行测量，则每处霍尔元件所在基底各自平行于YZ平面，之后通过基板、引线焊盘、机械支架外壳等基础部件进行连接固定。当磁感应单元5灵敏度方向平行于自身所在平面时，其所在基底与磁通转换模块10所在平面平行，由于所有磁感应单元仅用同一个方向的灵敏度便可构成差分电桥或推挽电桥，因而采用以隧道磁电阻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时，可以一次性在同一层制备磁阻薄膜，结合基板、引线焊盘和机械支架外壳，可实现单芯片制备。

通过将待测磁场经过聚集放大和磁路扭曲后，通过同一条(单条)串联的磁通路径在两处不同位置的气隙处产生正、负方向相反的磁场分量，形成差分磁场，并采用推挽半桥结构产生差分电压信号，通过开环信号调理电路形成输出电信号。优势在于可以仅采用同一个灵敏度方向的磁感应单元5实现推挽半桥测量，避免了现有技术中采用不同灵敏度方向导致的角度偏差和零点偏移问题，灵敏度一致性好，测量精度高；且工艺简单，成本低，能够实现单芯片集成制造，具有体积小，稳定性好的特点。

在一个实施例中，该磁通转换模块10包括：磁场输入区、磁场输出区、至少四个磁通方向转换区和至少四个磁通路径连接区；至少四个磁通方向转换区位于磁通转换模块10的拐角区域，至少四个磁通路径连接区连接相邻的两个拐角区域，并与磁场输入区、磁场输出区在磁感应方向上形成两条连通的磁通路径；其中，至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

示例性地，如图5所示，该磁场传感器01包括磁通转换模块10、磁感应模块20、差分检测模块30，磁场传感器01的磁场感应方向与磁通转换模块10相同，为X轴方向。磁通转换模块10相当于两个呈镜相对称的图3中磁通转换模块10结构的并联叠加，磁通转换模块10为单平面单磁场感应方向，可具体包括：两个磁场输入区1a、1b、两个磁场输出区2a、2b、八个磁通方向转换区3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h、六个磁通路径连接区4a、4b、4c、4d、4e、4f，它们共同构成了沿磁场感应方向(X轴方向)两条连通的磁通路径。磁感应模块20可包含四个磁感应单元5a、5b、5c、5d，所有磁感应单元5a、5b、5c、5d的灵敏度方向均为Y轴正方向，且磁感应单元5a、5b、5c、5d的竖直投影分别位于磁通转换模块10磁通路径连接区4a、4c、4d、4f的气隙位置处，因而磁感应单元5的灵敏度方向垂直于所在气隙。构成磁通转换模块10的金属软磁材料分布于XY平面，以待测磁场为X轴正方向为例进行说明，此情况下磁场输入区1a、1b位于X轴负方向一端，磁场输出区2a、2b位于X轴正方向一端。磁通方向转换区3a、3g为指向X轴负方向和Y轴正方向的拐角，磁通方向转换区3b、3h为指向X轴正方向和Y轴负方向的拐角，磁通方向转换区3c、3e为指向X轴负方向和Y轴负方向的拐角，磁通方向转换区3d、3f为指向X轴正方向和Y轴正方向的拐角。磁通路径连接区4a在Y轴方向上连通磁通方向转换区3a、3b，磁通路径连接区4b在X轴方向上连通磁通方向转换区3b、3c，磁通路径连接区4c在Y轴方向上连通磁通方向转换区3c、3d，磁通路径连接区4d在Y轴方向上连通磁通方向转换区3e、3f，磁通路径连接区4e在X轴方向上连通磁通方向转换区3f、3g，磁通路径连接区4f在Y轴方向上连通磁通方向转换区3g、3h；且其中磁通路径连接区4a、4c、4d、4f分别设有两条沿X轴方向贯通金属软磁材料的气隙。

当待测磁场为X轴正方向时，金属软磁材料对待测磁场进行聚集放大，并形成关于X轴镜像对称的两条呈并联关系的磁通路径。其中一条磁路由X轴负方向一端的磁场输入区1a进入，之后被磁通方向转换区3a将磁路扭曲至Y轴正方向，随后沿Y轴正方向通过设有气隙的磁通路径连接区4a，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磁通方向转换区3b、磁通路径连接区4b、磁通方向转换区3c，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4c，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。为了实现X轴正负方向磁场测量的对称性，磁路经过磁通路径连接区4c后，被磁通方向转换区3d扭曲回X轴正方向，随后通过磁场输出区2a。类似地，另一条磁路由X轴负方向一端的磁场输入区1b进入，之后被磁通方向转换区3e将磁路扭曲至Y轴负方向，随后沿Y轴负方向通过设有气隙的磁通路径连接区4d，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磁通方向转换区3f、磁通路径连接区4e、磁通方向转换区3g，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4f，并在气隙中产生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气隙处产生Y轴正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场；磁路经过磁通路径连接区4f后，被磁通方向转换区3h扭曲回X轴正方向，随后通过磁场输出区2a。

如图6所示，从图5实施例中的磁通转换模块10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，并依次在磁通方向转换区3a、3b、3c、3d处以及磁通方向转换区3e、3f、3g、3h处发生0-90度空间立体角的导磁偏移，能够看出在磁通路径连接区4a、4f的气隙处能够产生明显的Y轴正方向的磁场分量，在磁通路径连接区4c、4d的气隙处能够产生明显的Y轴负方向的磁场分量，因而能够形成差分磁场，且通过气隙处的磁通路径关于X轴镜像对称且为呈并联关系的两条磁通路径。经过聚集放大的其中一条磁路沿Y轴正方向通过设有气隙的磁通路径连接区4a，之后又沿Y轴负方向通过设有气隙的磁通路径连接区4c；另一条磁路沿Y轴负方向通过设有气隙的磁通路径连接区4d，之后又沿Y轴正方向通过设有气隙的磁通路径连接区4f；此时磁通路径连接区4a、4f的气隙中产生Y轴正方向的磁场分量，磁通路径连接区4c、4d的气隙中产生Y轴负方向的磁场分量。由于磁感应单元5a、5b、5c、5d的灵敏度方向均为Y轴正方向，磁感应单元5a、5d电阻值减小，磁感应单元5b、5c电阻值增大，因此，可以采用推挽全桥结构感应X轴正方向的磁场，产生差分电压信号。可采用开环信号调理电路，对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成该磁场传感器01待测的输出电信号。

可选地，如图7所示，示出了关于X轴镜像对称的另一种结构的磁通转换模块10及其磁场传感器01示意图，该结构的测量原理与如图5所示结构基本相同，同样相当于两个呈镜相对称的图3中磁通转换模块10结构的并联叠加，仅叠加位置在Y轴方向进行平移交换，测量原理不再赘述。假定待测磁场为X轴正方向，则Y轴正方向一侧的磁路依次通过磁场输入区1a、磁通方向转换区3a、磁通路径连接区4a、磁通方向转换区3b、磁通路径连接区4b、磁通方向转换区3c、磁通路径连接区4c、磁通方向转换区3d、磁场输出区2a；Y轴负方向一侧的磁路依次通过磁场输入区1b、磁通方向转换区3e、磁通路径连接区4d、磁通方向转换区3f、磁通路径连接区4e、磁通方向转换区3g、磁通路径连接区4f、磁通方向转换区3h、磁场输出区2b；且磁感应单元5a、5b、5c、5d的竖直投影分别位于通路径连接区4a、4c、4d、4f的气隙位置处。

通过采用两个呈镜相对称的单条磁通路径的磁通转换模块10结构进行并联叠加，待测磁场经过聚集放大和磁路扭曲后，形成镜像对称的两条呈并联关系的磁通路径，在四处不同位置的气隙处产生正、负方向相反的磁场分量，形成差分磁场，并采用推挽全桥结构产生差分电压信号，通过开环信号调理电路形成输出电信号。其优点在于，可以仅采用同一个灵敏度方向的磁感应单元实现推挽全桥测量，能够实现单芯片集成制造，进一步增强了聚磁效果，提高灵敏度，降低了噪声。

在一个实施例中，该磁感应模块20还包括：磁屏蔽参考磁感应单元；磁屏蔽参考磁感应单元位于磁通转换模块10的竖直投影范围内；至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号；或至少一个磁感应单元与磁屏蔽参考磁感应单元用于形成差分半桥或差分全桥结构电路的磁电阻，感应磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

示例性地，如图8所示，该磁场传感器01包括磁通转换模块10、磁感应模块20、差分检测模块30，磁场传感器01的磁场感应方向与磁通转换模块10相同，为X轴方向。磁通转换模块10为单平面单磁场感应方向，可包括：一个磁场输入区1、一个磁场输出区2、六个磁通方向转换区3a、3b、3c、3d、3e、3f六个磁通路径连接区4a、4b、4c、4d、4e、4f，它们共同构成了沿磁场感应方向(X轴方向)两条连通的磁通路径。磁感应模块20可包含磁感应单元5a1、5b1、5c1、5d1、5a2、5b2、5c2、5d2，所有磁感应单元5的灵敏度方向均为Y轴正方向，其中磁感应单元5a1、5b1、5c1、5d1的竖直投影分别位于前述磁通转换模块10磁通路径连接区4a、4c、4d、4f的气隙位置处，磁感应单元5a2、5b2、5c2、5d2位于磁通转换模块10金属软磁材料竖直投影范围内，作为磁屏蔽参考磁感应单元，磁屏蔽参考磁感应单元与气隙投影处的磁感应单元相邻分布，都设置于磁通路径连接区的气隙附近。磁场感应方向为X轴方向，构成磁通转换模块10的金属软磁材料分布于XY平面，以待测磁场为X轴正方向为例进行说明，此情况下磁场输入区1位于X轴负方向一端。磁场输出区2位于X轴正方向一端；磁通方向转换区3a包含指向X轴负方向、Y轴正方向、Y轴负方向的三个端口，磁通方向转换区3b为指向X轴正方向和Y轴负方向的拐角，磁通方向转换区3c为指向X轴负方向和Y轴负方向的拐角，磁通方向转换区3d包含指向X轴正方向、Y轴正方向、Y轴负方向的三个端口，磁通方向转换区3e为指向X轴正方向和Y轴正方向的拐角，磁通方向转换区3f为指向X轴负方向和Y轴正方向的拐角。磁通路径连接区4a在Y轴方向上连通磁通方向转换区3a、3b，磁通路径连接区4b在X轴方向上连通磁通方向转换区3b、3c，磁通路径连接区4c在Y轴方向上连通磁通方向转换区3c、3d，磁通路径连接区4d在Y轴方向上连通磁通方向转换区3a、3e，磁通路径连接区4e在X轴方向上连通磁通方向转换区3e、3f，磁通路径连接区4f在Y轴方向上连通磁通方向转换区3d、3f；且其中磁通路径连接区4a、4c、4d、4f分别设有两条沿X轴方向贯通金属软磁材料的气隙。

当待测磁场为X轴正方向时，金属软磁材料对待测磁场进行聚集放大并由磁场输入区1进入，之后在磁通方向转换区3a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。其中一条磁路沿Y轴正方向通过设有气隙的磁通路径连接区4a，并在气隙中产生Y轴正方向的磁场分量，之后依次通过磁通方向转换区3b、磁通路径连接区4b、磁通方向转换区3c，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4c，并在气隙中产生Y轴负方向的磁场分量。另一条磁路沿Y轴负方向通过设有气隙的磁通路径连接区4d，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磁通方向转换区3e、磁通路径连接区4e、磁通方向转换区3f，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4f，并在气隙中产生Y轴正方向的磁场分量；最后，两条磁路分别从磁通路径连接区4c沿Y轴负方向、磁通路径连接区4f沿Y轴正方向进入磁通方向转换区3d，并后扭曲回X轴正方向，随后通过磁场输出区2。同样以待测磁场为X轴正方向时为例，经过聚集放大的其中一条磁路沿Y轴正方向通过设有气隙的磁通路径连接区4a，之后又沿Y轴负方向通过设有气隙的磁通路径连接区4c；另一条磁路沿Y轴负方向通过设有气隙的磁通路径连接区4d，之后又沿Y轴正方向通过设有气隙的磁通路径连接区4f；此时磁通路径连接区4a、4f的气隙中产生Y轴正方向的磁场分量，磁通路径连接区4c、4d的气隙中产生Y轴负方向的磁场分量。由于磁感应单元5a、5b、5c、5d的灵敏度方向均为Y轴正方向，磁感应单元5a、5d电阻值减小，磁感应单元5b、5c电阻值增大。磁感应单元5a2、5b2、5c2、5d2由于作为磁屏蔽参考磁感应单元位于磁通转换模块10金属软磁材料竖直投影范围内，其电阻值视为近似不变。因此，可以选取串并联磁感应单元5a1、5b1、5c1、5d1形成推挽半桥或推挽全桥结构，也可以选取磁感应单元5a1、5b1、5c1、5d1与磁感应单元5a2、5b2、5c2、5d2或者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。可采用开环信号调理电路，对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成该磁场传感器01的输出电信号。

可选地，如图9所示，示出了另一种结构的磁通转换模块10及其磁场传感器01示意图，相当于将图8磁通转换模块10金属软磁材料结构沿X轴对称分割并在Y轴方向进行平移交换，同时也可视为于将图7中Y轴正方向一侧和负方向一侧的磁通转换模块10结构平移并连接，原本的磁场输入区1和磁场输出区2对称分割为磁场输入区1a、1b和磁场输出区2a、2b，且原本的磁通方向转换区3b、3h合并，磁通路径连接区4b、4e合并，磁通方向转换区3c、3g合并。其测量原理与如图7所示结构基本相同，仅Y轴两侧的软磁材料靠近合并，因而对其测量原理不再赘述。假定待测磁场为X轴正方向，则Y轴正方向一侧的磁路依次通过磁场输入区1a、磁通方向转换区3a、磁通路径连接区4a、磁通方向转换区3b、磁通路径连接区4b、磁通方向转换区3c、磁通路径连接区4c、磁通方向转换区3d、磁场输出区2a；Y轴负方向一侧的磁路依次通过磁场输入区1b、磁通方向转换区3e、磁通路径连接区4d、磁通方向转换区3b、磁通路径连接区4b、磁通方向转换区3c、磁通路径连接区4e、磁通方向转换区3f、磁场输出区2b；且磁感应单元5a、5b、5c、5d的竖直投影分别位于通路径连接区4a、4c、4d、4e的气隙位置处。

通过将两条并联磁路所在的分立的金属软磁材料进行部分合并，有助于增加稳定性、减小体积。同时，增加了作为磁屏蔽参考磁感应单元的位于磁通转换模块10金属软磁材料竖直投影范围内的磁感应单元，可形成差分半桥或差分全桥结构感应待测磁场，有助于调整和扩大磁场传感器01的测量范围。其中，磁屏蔽参考磁感应单元与气隙投影处的磁感应单元相邻分布，都设置于磁通路径连接区的气隙附近，有助于增强一致性，减少零点漂移。

在一个实施例中，磁通转换模块10还包括：磁通屏蔽软磁路径；磁通屏蔽软磁路径连通至少四个磁通路径连接区中沿所述磁感应方向相对设置的两个磁通路径连接区；磁通屏蔽软磁路径用于对带有气隙的磁通路径连接区进行屏蔽或分磁。

示例性地，如图10所示，该磁场传感器01包括磁通转换模块10、磁感应模块20、差分检测模块30，磁场传感器01的磁场感应方向与磁通转换模块10相同，为X轴方向。磁通转换模块10为单平面单磁场感应方向，可包括：一个磁场输入区1、一个磁场输出区2、六个磁通方向转换区3a、3b、3c、3d、3e、3f、六个磁通路径连接区4a、4b、4c、4d、4e、4f，和一个磁通屏蔽软磁路径6。磁感应模块20可包含：磁感应单元5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g，所有磁感应单元5的灵敏度方向均为Y轴正方向，其中磁感应单元5a、5b、5c、5d的竖直投影分别位于前述磁通转换模块10磁通路径连接区4a、4c、4d、4f的气隙位置处，磁感应单元5e、5f、5g位于磁通转换模块10金属软磁材料竖直投影范围内，作为磁屏蔽参考磁感应单元，分别设置在磁通方向转换区3a、3d和磁通屏蔽软磁路径6位置处，作为磁屏蔽参考磁感应单元的磁感应单元不再与气隙投影处的磁感应单元相邻分布，而选取金属软磁材料覆盖范围较大的位置。磁场感应方向为X轴方向，构成磁通转换模块10的金属软磁材料分布于XY平面，以待测磁场为X轴正方向为例进行说明，此情况下磁场输入区1位于X轴负方向一端，磁场输出区2位于X轴正方向一端；磁通方向转换区3a包含指向X轴负方向、Y轴正方向、Y轴负方向的三个端口，磁通方向转换区3b为指向X轴正方向和Y轴负方向的拐角，磁通方向转换区3c为指向X轴负方向和Y轴负方向的拐角，磁通方向转换区3d包含指向X轴正方向、Y轴正方向、Y轴负方向的三个端口，磁通方向转换区3e为指向X轴正方向和Y轴正方向的拐角，磁通方向转换区3f为指向X轴负方向和Y轴正方向的拐角。磁通路径连接区4a在Y轴方向上连通磁通方向转换区3a、3b，磁通路径连接区4b包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴负方向的三个端口，磁通路径连接区4c在Y轴方向上连通磁通路径连接区4b、3d，磁通路径连接区4d在Y轴方向上连通磁通方向转换区3a、3e，磁通路径连接区4e包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向的三个端口，磁通路径连接区4f在Y轴方向上连通磁通方向转换区3d、3f；磁通屏蔽软磁路径6在Y轴方向上连通磁通路径连接区4b、4e；且其中磁通路径连接区4a、4c、4d、4f分别设有两条沿X轴方向贯通金属软磁材料的气隙。

如图11所示，从图10实施例中的磁通转换模块10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。能够看出待测磁场在磁通路径连接区4a、4f的气隙处能够产生明显的Y轴正方向的磁场分量，在磁通路径连接区4c、4d的气隙处能够产生明显的Y轴负方向的磁场分量，因而能够形成差分磁场，且通过气隙处的磁通路径关于X轴镜像对称且为呈并联关系的两条磁通路径。而当待测磁场为Y轴正方向时，磁通屏蔽软磁路径6对Y轴方向的磁场进行聚集和引导，实现对带有气隙的磁通路径连接区的屏蔽或分磁作用。

如图12所示，从图10实施例中的磁通转换模块10加上Y轴正方向待测磁场后的磁通路径仿真图可以看出：大部分沿Y轴方向的待测磁场沿磁通屏蔽软磁路径6形成Y轴方向上的磁路，对带有气隙的磁通路径连接区形成屏蔽或分磁。同样以待测磁场为X轴正方向时为例，磁通路径连接区4a、4f的气隙中产生Y轴正方向的磁场分量，磁通路径连接区4c、4d的气隙中产生Y轴负方向的磁场分量。由于磁感应单元5a、5b、5c、5d的灵敏度方向均为Y轴正方向，磁感应单元5a、5d电阻值减小，磁感应单元5b、5c电阻值增大。磁感应单元5e、5f、5g由于作为磁屏蔽参考磁感应单元位于磁通转换模块10金属软磁材料竖直投影范围内，其电阻值视为近似不变。因此，可以选取串并联磁感应单元5a、5b、5c、5d形成推挽半桥或推挽全桥结构，也可以选取磁感应单元5a、5b、5c、5d与磁感应单元5e、5f、5g或者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。可采用开环信号调理电路，对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成该磁场传感器01的输出电信号。该磁场传感器01还可包括基板、引线焊盘和机械支架外壳，采用的制备工艺为单一芯片集成，采用的磁感应单元5为以隧道磁电阻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。

通过新增了磁通屏蔽软磁路径，解决了待测磁场对磁场传感器01工作范围的影响，显著增加了待测磁场下磁场传感器01的工作范围，提升了磁感应单元的灵敏度一致性。同时，作为磁屏蔽参考磁感应单元的磁感应单元不再与气隙投影处的磁感应单元相邻分布，而是选取了金属软磁材料覆盖范围较大的位置，增加了磁屏蔽效果，使其电阻值更稳定。

在一个实施例中，磁通转换模块10包括：至少两个磁场输入区以及至少两个磁场输出区；磁通屏蔽软磁路径连通至少两个磁场输入区中相邻的两个磁场输入区，以及磁通屏蔽软磁路径连通至少两个磁场输出区中相邻的两个磁场输出区；磁通屏蔽软磁路径用于对带有气隙的磁通路径连接区进行屏蔽或分磁。

示例性地，如图13所示，该结构可在图9磁通转换模块10的基础上分别在X轴负方向一端和X轴正方向一端，采用金属软磁材料沿Y轴方向连通磁场输入区1a和1b形成磁通屏蔽软磁路径6a，连通磁场输出区2a、2b形成磁通屏蔽软磁路径6b；由此磁场输入区1a、磁场输出区2a包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴负方向的三个端口，磁场输入区1b、磁场输出区2b包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向的三个端口。如图14所示，从图13磁通转换模块10加上Y轴正方向待测磁场后的磁通路径仿真图可以看出：大部分沿Y轴方向的待测磁场沿磁通屏蔽软磁路径6a、6b形成Y轴方向上的磁路，对带有气隙的磁通路径连接区形成屏蔽或分磁。特别地，对于磁场感应方向上的待测磁场(本实施例中为X轴方向)，磁通转换模块10已经能够将该磁场感应方向上的磁场转化为垂直于磁场感应方向的正、负方向的相反磁场分量，形成差分磁场，再通过灵敏度方向为垂直于磁场感应方向的磁感应单元进行测量。且理想状况下，由于所有磁感应单元都视为受到垂直于磁场感应方向上的待测磁场相同的影响，因而只有磁场感应方向上的待测磁场会反应到输出电信号。但实际测量中，该检测方式会缩小磁场传感器01的工作范围。具体的，以隧道磁电阻TMR为例。

如图15所示，示出了一种隧道磁电阻TMR的电压-磁场曲线示意图。可以看出，在磁场零点两侧存在一定范围的线性区间，该线性区间可视为单个磁感应单元的正常工作范围。在线性区间内工作时，TMR的灵敏度可视为定值，具有较好的灵敏度一致性。假设TMR灵敏度方向为Y轴，给图8中的磁场感应方向为X轴方向的磁场传感器01的Y轴方向施加为0的磁场，则磁感应单元工作点为图15中的A点，当引入X轴方向待测待测磁场时，磁通转换模块10将X轴方向的磁场转化为Y轴正、负方向的相反磁场分量，即磁感应单元的工作点分别移动到图15中的A1和A2；只要A1和A2位于线性区间，便可认为所有磁感应单元灵敏度大小相同，因而Y轴磁场为0时，X轴方向的磁场测量范围可以横跨整个线性区间。而当Y轴磁场不为0时，在未引入X轴磁场前，磁感应单元工作点便从A点发生移动，为了保持在线性区间工作，X轴方向的磁场测量范围相应受到缩减。极端情况下，当Y轴磁场已经使工作点移动至B点或者C点的非线性区间时，无论X轴磁场如何缩减，磁感应单元的灵敏度都不再是定值，且灵敏度失去一致性。为了避免上述情况下Y轴磁场对磁场传感器01工作范围的影响，对于图10和图13中磁通转换模块10结构的磁场传感器01，引入磁通屏蔽软磁路径6，可以看出大部分沿Y轴方向的待测磁场沿磁通屏蔽软磁路径6形成Y轴方向上的磁路，对带有气隙的磁通路径连接区形成屏蔽或分磁，大大减少了Y轴待测磁场对磁感应单元的影响。磁感应单元检测到的Y轴磁场几乎都来源于磁通转换模块10对X轴磁场的扭曲和转化，因而即使位于较大Y轴待测磁场下，磁感应单元的工作点依旧能够位于零点(A点)附近，显著增加了Y轴待测磁场下磁场传感器01的工作范围。

可选地，如图16所示，示出了另一种结构的磁通转换模块10及其磁场传感器01示意图，该结构在图7磁通转换模块10的基础上分别在X轴负方向一端和X轴正方向一端，采用金属软磁材料沿Y轴方向连通磁场输入区1a和1b形成磁通屏蔽软磁路径6a、连通磁场输出区2a、2b形成磁通屏蔽软磁路径6b。由此磁场输入区1a、磁场输出区2a包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴负方向的三个端口，磁场输入区1b、磁场输出区2b包含指向X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向的三个端口。大部分沿Y轴方向的待测磁场沿磁通屏蔽软磁路径6a、6b形成Y轴方向上的磁路，对带有气隙的磁通路径连接区形成屏蔽或分磁。

通过新增磁通屏蔽软磁路径，并增加了经过磁感应模块20所在处软磁材料间的间隔距离，因而能进一步增加待测磁场的隔离效果，加强屏蔽或分磁，解决了待测磁场对磁场传感器01工作范围的影响，显著增加了待测磁场下磁场传感器01的工作范围，提升了磁感应模块20的灵敏度一致性。

在一个实施例中，磁通转换模块10与所述磁感应模块20采用芯片集成工艺设置于同一块电路芯片上。

示例性地，磁通转换模块10与磁感应模块20可位于同一电路芯片上，磁通转换模块10采用高磁导率的金属软磁材料构成，且金属软磁材料沉积于电路芯片内部基底上。芯片内磁通转换模块10中沉积于基底上的金属软磁材料通过导磁作用形成单条或两条磁通路径，在不同位置的气隙处产生方向相反的磁场分量，形成差分磁场，从而能够形成推挽电桥结构。

通过采用单一芯片集成制备工艺将磁通转换模块10与磁感应单元加工在同一芯片上，降低了成本。

在一个实施例中，磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区、磁通路径连接区中任意两者的软磁材料设置于同一平面上。

示例性地，上述实施例中的磁通转换模块10及其磁场传感器01均为单平面单磁场感应方向，即磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区、磁通路径连接区的软磁材料全部设置于同一平面上，其优势在于，仅需采用同一个灵敏度方向的磁感应单元，可以采用单一芯片集成制备工艺。同时，实际生产中，磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区、磁通路径连接区的软磁材料中有两者设置于同一平面上或不在同一平面上均能满足要求，而对于具有多个磁场感应方向的多轴磁场传感器02，任意一个磁场感应方向均可采用前述单平面单磁场感应方向磁通转换模块10及其磁场传感器01的结构，再进行合并。通过将磁通转换模块10中构成磁通路径的任意两个部分软磁材料设置于同一平面上，降低了艺难度，能够匹配更多场景需要。

在一个实施例中，该差分检测模块30包括：开环信号调理电路；开环信号调理电路与所述磁感应单元电连接；开环信号调理电路用于对所述差分电压信号进行调理放大和/或温度补偿和/或线性度修正。

示例性地，磁感应单元根据放置位置和方向的不同，可以采用多种敏感元件。具体的，当磁感应单元灵敏度方向垂直于自身所在平面时，磁感应单元所在基板与磁通转换模块10所在平面垂直，例如若位于YZ平面的磁通转换模块10选取霍尔元件进行测量，则每处霍尔元件所在基板各自平行于XZ平面，之后通过基板、引线焊盘、机械支架外壳等基础部件与磁感应模块20共同构成磁场传感器01，其中基板上布置开环信号调理电路。采用开环信号调理电路，对差分电压信号进行调理放大、温度补偿和线性度修正后形成该电流传感器的输出电信号。当磁感应单元灵敏度方向平行于自身所在平面时，其所在基板与磁通转换模块10所在平面平行。由于所有磁感应单元仅用同一个方向的灵敏度便可构成差分电桥或推挽电桥，因而采用以隧道磁电阻TMR为例的灵敏度平行于自身所在平面的磁感应单元时，可以实现一次性制备，并结合磁通转换模块10、开环信号调理电路共同构成该磁场传感器01。通过采用开环信号调理电路进行调理放大、温度补偿和线性度修正，实现了开环检测，提升了检测精度，取得了较好的线性度。

在一个实施例中，该差分检测模块30包括：闭环信号调理电路和磁场反馈线圈；闭环信号调理电路与磁感应单元电连接；闭环信号调理电路、磁场反馈线圈与磁感应单元构成闭环磁场反馈结构；该闭环信号调理电路用于对差分电压信号进行调理放大；磁场反馈线圈用于根据调理放大后的信号产生反馈磁场达到磁场动态平衡，对磁场反馈线圈内的电流取样形成待测电信号。

示例性地，作为输出的差分检测模块30可采用闭环信号调理电路和磁场反馈线圈，其中，闭环信号调理电路、磁场反馈线圈和磁感应单元构成闭环磁场反馈结构；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；对磁场反馈线圈内的电流进行取样后形成该磁场传感器01待测的输出电信号。磁场反馈线圈可以绕线设置于磁通转换模块10外部，也可以集成于磁感应单元的内部。该磁场传感器01还可包括基板、引线焊盘和机械支架外壳，采用的制备工艺可为单一芯片集成，采用的磁感应单元为以巨磁电阻GMR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。通过采用闭环信号调理电路和磁场反馈线圈进行差分检测，实现了闭环负反馈，提升了精度，取得了较好的线性度。

请参阅图17，图17为本申请实施例提供的一种多轴磁场传感器02的结构示意图，该传感器包括：多个上述实施例组合的磁场传感器01；多个组合的磁场传感器01中的磁通转换模块10的磁场感应方向为多个；磁通转换模块10用于对在任一所述磁场感应方向上相应的待测磁场进行差分检测。

示例性地，上述磁通转换模块10及其磁场传感器01均为单平面单磁场感应方向，而对于具有多个磁场感应方向的多轴磁场传感器02，任意一个磁场感应方向均可采用上述单平面单磁场感应方向磁通转换模块10及其磁场传感器01的结构，再进行合并组合。可选地，如图17所示，为Y轴Z轴双磁场感应方向的双轴磁场传感器01的结构示意图，Y轴磁场感应方向的磁通转换模块10采用与图5磁通转换模块10类似的结构，其磁感应模块20可采用位于XY平面内且灵敏度方向位于XY平面内X轴正方向的磁感应单元，构成推挽全桥结构。而Z轴磁场感应方向的磁通转换模块10采用Y轴磁场感应方向的磁通转换模块10沿X轴分割后其中一半的磁通转换模块10结构，其磁感应模块20可采用位于XY平面内且灵敏度方向位于XY平面内X轴正方向的磁感应单元，构成推挽半桥结构。由于所有磁感应单元的灵敏度方向均为X轴正方向，为了对X轴方向的待测磁场进行屏蔽或分磁，还在X轴方向上增加了磁通屏蔽软磁路径6。磁通转换模块10及其磁场传感器01不仅能够实现Y轴Z轴双磁场感应方向的测量，还能够实现仅采用同一个灵敏度方向的磁感应单元实现两个磁场感应方向的推挽电桥测量，能够实现磁感应单元的一次性制备，避免了现有技术中采用不同灵敏度方向导致的角度偏差和零点偏移问题，灵敏度一致性好，测量精度高。

可选地，如图18和图19所示，两种XYZ三轴磁场感应方向磁通转换模块10及其磁场传感器01的结构示意图和三视图，图18所示结构为XYZ三轴均采用图7磁通转换模块10类似结构，并进行合并后的其中一种磁通转换模块10及其磁场传感器01示意图；图19所示结构为XYZ三轴均采用实施例二中图5磁通转换模块10类似结构，并进行合并后的其中一种磁通转换模块10及其磁场传感器01示意图。对于以上两种结构，其中任意磁场感应方向的磁感应单元位于不同平面上，因而可根据实际情况选取不同类型的磁感应模块20和电桥结构，对XYZ三轴分别实现测量。

通过设置多轴传感器，不仅能够灵活独立选取多轴方向各自的磁感应模块20和测量方式，同时任意方向的磁通转换模块10对自身磁场感应方向上的待测磁场具有聚集放大和磁路引导作用，因而能够对其他磁场感应方向的磁感应模块20起到屏蔽或分磁的作用，能够增加磁场传感器01的工作范围，提高了灵活性。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种磁场传感器，其特征在于，所述传感器包括：磁通转换模块、磁感应模块和差分检测模块；所述差分检测模块与所述磁感应模块电连接；

所述磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区和磁通路径连接区；所述磁通路径连接区包括：位于不同位置的至少两个气隙；所述磁感应模块包括：至少两个磁感应单元；

所述磁通路径连接区对所述磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区进行磁路连接，并形成在磁感应方向上从所述磁场输入区进入，所述磁场输出区输出并连通的磁通路径；所述至少两个磁感应单元对应设置于所述至少两个气隙位置处，且所述磁感应单元的灵敏度方向垂直于所述气隙的竖直投影方向；

其中，所述磁通转换模块用于将待测磁场沿所述磁感应方向导磁至所述磁通路径，并在所述磁通路径的气隙中产生差分磁场分量；所述磁感应模块用于根据所述差分磁场分量产生差分电压信号；所述差分检测模块用于对所述差分电压信号进行处理并输出待测电信号。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、至少三个磁通方向转换区和至少两个磁通路径连接区；

所述至少三个磁通方向转换区位于所述磁通转换模块的拐角区域，所述至少两个磁通路径连接区连接相邻的两个所述拐角区域，并与所述磁场输入区、磁场输出区在磁感应方向上形成单条连通的磁通路径；

其中，所述至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述磁通转换模块包括：磁场输入区、磁场输出区、至少四个磁通方向转换区和至少四个磁通路径连接区；

所述至少四个磁通方向转换区位于所述磁通转换模块的拐角区域，所述至少四个磁通路径连接区连接相邻的两个所述拐角区域，并与所述磁场输入区、磁场输出区在磁感应方向上形成两条连通的磁通路径；

其中，所述至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，其中，所述磁感应模块还包括：磁屏蔽参考磁感应单元；所述磁屏蔽参考磁感应单元位于磁通转换模块的竖直投影范围内；

所述至少两个磁感应单元用于形成推挽半桥或推挽全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号；或

所述至少一个磁感应单元与所述磁屏蔽参考磁感应单元用于形成差分半桥或差分全桥结构电路的磁电阻，感应所述磁感应方向上的待测磁场产生差分电压信号。

5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，其中，所述磁通转换模块还包括：磁通屏蔽软磁路径；

所述磁通屏蔽软磁路径连通所述至少四个磁通路径连接区中沿所述磁感应方向相对设置的两个磁通路径连接区；所述磁通屏蔽软磁路径用于对带有气隙的磁通路径连接区进行屏蔽或分磁。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，其中，所述磁通转换模块包括：至少两个磁场输入区以及至少两个磁场输出区；

所述磁通屏蔽软磁路径连通所述至少两个磁场输入区中相邻的两个磁场输入区，以及所述磁通屏蔽软磁路径连通所述至少两个磁场输出区中相邻的两个磁场输出区；所述磁通屏蔽软磁路径用于对带有气隙的磁通路径连接区进行屏蔽或分磁。

7.根据权利要求1-6任一所述的传感器，其特征在于，所述磁通转换模块与所述磁感应模块采用芯片集成工艺设置于同一块电路芯片上。

8.根据权利要求1-6任一所述的传感器，其特征在于，所述磁场输入区、磁场输出区、磁通方向转换区、磁通路径连接区中任意两者的软磁材料设置于同一平面上。

9.根据权利要求1-6任一所述的传感器，其特征在于，所述差分检测模块包括：开环信号调理电路；所述开环信号调理电路与所述磁感应单元电连接；

所述开环信号调理电路用于对所述差分电压信号进行调理放大和/或温度补偿和/或线性度修正。

10.根据权利要求1-6任一所述的传感器，其特征在于，所述差分检测模块包括：闭环信号调理电路和磁场反馈线圈；所述闭环信号调理电路与所述磁感应单元电连接；所述闭环信号调理电路、磁场反馈线圈与所述磁感应单元构成闭环磁场反馈结构；

所述闭环信号调理电路用于对所述差分电压信号进行调理放大；所述磁场反馈线圈用于根据调理放大后的信号产生反馈磁场达到磁场动态平衡，对所述磁场反馈线圈内的电流取样形成所述待测电信号。

11.一种多轴磁场传感器，其特征在于，所述传感器包括：多个组合的权利要求1-10任一所述的磁场传感器；

所述多个组合的权利要求1-10任一所述的磁场传感器中的磁通转换模块的磁场感应方向为多个；

所述磁通转换模块用于对在任一所述磁场感应方向上相应的待测磁场进行差分检测。