(57)【要約】【課題】位置センシングのためのセンサ装置を提供する。【解決手段】位置センシングのためのセンサ装置は、第１の磁気抵抗素子（１）と第２の磁気抵抗素子（２）とを含む。磁場源（３）は、第１の磁極（Ｎ）および第２の磁極（Ｓ）によって磁場を提供する。磁場源（３）は、第１の磁気抵抗素子（１）と第２の磁気抵抗素子（２）との間に配置され、第１の磁極（Ｎ）は第１の磁気抵抗素子（１）に面し、第２の磁極（Ｓ）は第２の磁気抵抗素子（２）に面している。第１の磁気抵抗素子（１）は、磁場に配置され、磁場源（３）に対する第１の磁気抵抗素子（１）の位置に応じて第１の出力信号（Ｒ１）を提供する。第２の磁気抵抗素子（２）は、磁場に配置され、磁場源（３）に対する第２の磁気抵抗素子（２）の位置に応じて第２の出力信号（Ｒ２）を提供する。測定ユニットは、第１の出力信号（Ｒ１）および第２の出力信号（Ｒ２）に応じて、第１および第２の磁気抵抗素子（１、２）に対する磁場源（３）の位置を決定するように構成される。【選択図】図４
2018513355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置センシングのためのセンサ装置であって、
第１の磁気抵抗素子および第２の磁気抵抗素子と、
第１の磁極（Ｎ）および第２の磁極（Ｓ）によって磁場を提供する磁場源と、
測定ユニットと
を含み、
前記磁場源は、前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との間に配置され、前記第１の磁極（Ｎ）は前記第１の磁気抵抗素子に面し、前記第２の磁極（Ｓ）は前記第２の磁気抵抗素子に面しており、
前記第１の磁気抵抗素子は、前記磁場に配置され、前記磁場源に対する前記第１の磁気抵抗素子の位置に応じて第１の出力信号（Ｒ１）を提供し、
前記第２の磁気抵抗素子は、前記磁場に配置され、前記磁場源に対する前記第２の磁気抵抗素子の位置に応じて第２の出力信号（Ｒ２）を提供し、
前記測定ユニットは、前記第１の出力信号（Ｒ１）および前記第２の出力信号（Ｒ２）に応じて、前記第１および前記第２の磁気抵抗素子に対する前記磁場源の位置を決定するように構成される、
位置センシングのためのセンサ装置。
【請求項２】
前記磁気抵抗素子の各々は、２つの磁気層の間に少なくとも導電層を含む層のスタックを含み、前記層は、長手方向軸（Ｘ）に沿った長手方向の延長（Ｌ）および横軸（Ｙ）に沿った横方向の延長を有し、
前記磁場源は、前記第１および前記第２の磁極（Ｎ、Ｓ）により規定される、前記長手方向軸（Ｘ）と前記横軸（Ｙ）とにより画定される平面に直交する垂直軸（Ｚ）に沿って延びる双極子軸（ＤＡ）を有する、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記磁場源は、前記長手方向軸（Ｘ）に沿って前記第１および前記第２の磁気抵抗素子に対して移動可能であり、前記長手方向軸（Ｘ）に沿ったその位置（ｘ）は、前記センサ装置によってセンシングされ、
前記測定ユニットは、前記第１の出力信号（Ｒ１）と前記第２の出力信号（Ｒ２）とを加算することによって、前記長手方向軸（Ｘ）に沿った前記位置（ｘ）を決定するように構成される、請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記磁場源は、前記垂直軸（Ｚ）に沿って前記第１および前記第２の磁気抵抗素子に対して移動可能であり、前記垂直軸（Ｚ）に沿ったその位置（ｚ）は、前記センサ装置によってセンシングされ、
前記測定ユニットは、前記第１の出力信号（Ｒ１）と前記第２の出力信号（Ｒ２）の差分を計算することによって、前記垂直軸（Ｚ）に沿った前記位置（ｚ）を決定するように構成される、請求項２または３に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記長手方向軸（Ｘ）に沿って前記磁場に一列に配置され前記第１の磁極（Ｎ）に面する複数の第１の磁気抵抗素子と、
特に追加して、前記長手方向軸（Ｘ）に沿って前記磁場に一列に配置され前記第２の磁極（Ｓ）に面する複数の第２の磁気抵抗素子と
を含む、請求項２ないし４のいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記磁場源は、前記磁場が、前記複数の第１の磁気抵抗素子のうちの単一の第１の磁気抵抗素子にしか一度に影響を及ぼさず、隣接する第１の磁気抵抗素子には影響を及ぼさないように、前記複数の第１の磁気抵抗素子に対して寸法決めされ、
特に、前記磁場源は、前記第１の磁気抵抗素子の前記長手方向の延長（Ｌ）よりも小さい幅（Ｗ）を有する永久磁石である、請求項５に記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記測定ユニットは、前記磁場源が前記単一の第１の磁気抵抗素子を通過する結果生じる前記第１の出力信号（Ｒ１）の変化を示す、前記複数の磁気抵抗素子のうちの前記単一の第１の磁気抵抗素子を識別するように構成され、
前記測定ユニットは、前記複数の第１の磁気抵抗素子の前記一列内の前記単一の第１の磁気抵抗素子の既知の位置から前記長手方向の軸（Ｘ）に沿った前記位置（ｘ）を導出するように構成される、請求項６に記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記磁場源は、前記磁場が、前記複数の第１の磁気抵抗素子のうちの単一の第１の磁気抵抗素子だけではなく、隣接する第１の磁気抵抗素子にも影響を及ぼすように、前記複数の第１の磁気抵抗素子に対して寸法決めされ、
特に、前記磁場源は、前記第１の磁気抵抗素子の前記長手方向の延長（Ｌ）を上回る前記長手方向軸（Ｘ）に沿った幅（Ｗ）を有する永久磁石である、請求項５に記載のセンサ装置。
【請求項９】
前記複数の第１の磁気抵抗素子の両方の前記磁気層の磁化方向は、ピン止めされておらず、
前記測定ユニットは、隣接する第１の磁気抵抗素子の第１の出力信号（Ｒ１）をそれぞれ互いから減算するように構成され、
前記測定ユニットは、結果として得られる差分信号に応じて前記長手方向軸（Ｘ）に沿った前記位置（ｘ）を決定するように構成される、請求項８に記載のセンサ装置。
【請求項１０】
前記複数の第１の磁気抵抗素子の前記磁気層の１つの磁化方向はピン止めされており、
前記測定ユニットは、隣接する第１の磁気抵抗素子の前記第１の出力信号（Ｒ１）を加算するように構成され、
前記測定ユニットは、結果として得られる合計信号に応じて前記長手方向軸（Ｘ）に沿った前記位置（ｘ）を決定するように構成される、請求項８に記載のセンサ装置。
【請求項１１】
前記一列に配置された前記複数の第１の磁気抵抗素子は、前記垂直軸（Ｚ）に沿って互いにずらされている、請求項５に記載のセンサ装置。
【請求項１２】
前記一列の前記複数の第１の磁気抵抗素子のうちの中央の第１の磁気抵抗素子は、前記磁場源から最も近い垂直距離で配置され、
前記一列の前記複数の第１の磁気抵抗素子のうちの最も外側の第１の磁気抵抗素子は、前記磁場源から最も遠い垂直距離で配置される、請求項６、８または１０のいずれかに記載のセンサ装置。
【請求項１３】
前記磁気抵抗素子および前記磁場源のうちの１つは、オブジェクトに連結され、前記オブジェクトの位置が前記センサ装置によってセンシングされる、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項１４】
オブジェクトの位置を決定することをサポートするための方法であって、
第１の磁極（Ｎ）および第２の磁極（Ｓ）によって磁場を提供する磁場源、ならびに
第１および第２の磁気抵抗素子
のうちの１つを前記オブジェクトと連結することと、
前記第１の磁極（Ｎ）は前記第１の磁気抵抗素子に面し、前記第２の磁極（Ｓ）は前記第２の磁気抵抗素子に面した、前記第１の磁気抵抗素子と前記第２の磁気抵抗素子との間に、前記磁場源を配置することと、
出力信号（Ｒ１、Ｒ２）を、前記第１および前記第２の磁気抵抗素子から、前記磁場源に対するそれらの位置（ｘ）に応じて受け取ることと、
前記オブジェクトの位置を、前記第１の出力信号（Ｒ１）および前記第２の出力信号（Ｒ２）に応じて決定することと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は位置センシング（sensing）のためのセンサ装置（sensor arrangement）、およびオブジェクトの位置を決定することをサポートするための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高帯域幅、高分解能のナノスケール・センシングは、ナノスケール科学技術のための技術を可能にする鍵となる。適用領域は、ライフ・サイエンス、走査型プローブ顕微鏡、半導体製造および材料科学を含む。光学部品、コンデンサまたは誘導コイルに基づく現在利用可能な位置センサは、正確で高速ではあるが、マイクロ構造用、または、マクロ構造の大規模なポイント的位置センシングにおける使用に対してマイクロスケールにスケールダウンしていない。一方で、熱電式位置センサはマイクロスケールにスケールダウンしているが、低分解能および低帯域幅という難点がある。
【０００３】
知られている位置センシング概念は、磁気抵抗効果（ＭＲ）の特性に基づいている。磁気抵抗効果は、強磁性層の間に挟まれた導電層の電気抵抗が層に印加される磁界に応じて変化する特性である。磁気抵抗センサは、一般的には、この特性を用いて磁場を検知する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高分解能のナノスケール・センシングに対応可能な、磁気抵抗効果に基づく位置センサ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様の一実施形態によれば、位置センシングのためのセンサ装置が提供される。センサ装置は、第１の磁気抵抗素子、第２の磁気抵抗素子、ならびに第１の磁極および第２の磁極によって磁場を提供する磁場源を含む。磁場源は、第１の磁気抵抗素子と第２の磁気抵抗素子との間に配置され、第１の磁極は第１の磁気抵抗素子に面し、第２の磁極は第２の磁気抵抗素子に面している。第１の磁気抵抗素子は、当該磁場に配置され、磁場源に対する第１の磁気抵抗素子の位置に応じて第１の出力信号を提供する。第２の磁気抵抗素子は、当該磁場に配置され、磁場源に対する第２の磁気抵抗素子の位置に応じて第２の出力信号を提供する。測定ユニットは、第１の出力信号および第２の出力信号に応じて、第１および第２の磁気抵抗素子に対する磁場源の位置を決定するように構成される。
【０００６】
各実施形態において、センサ装置は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。
−    磁気抵抗素子の各々は、２つの磁気層の間に少なくとも導電層を含む層のスタックを含み、これらの層は、長手方向軸に沿った長手方向の延長および横軸に沿った横方向の延長を有する。
−    磁場源は、第１および第２の磁極により規定される、長手方向軸と横軸とにより画定される平面に直交する垂直軸に沿って延びる双極子軸を有する
−    磁場源は、長手方向軸に沿って第１および第２の磁気抵抗素子に対して移動可能であり、長手方向軸に沿ったその位置は、センサ装置によってセンシングされる。
−    測定ユニットは、第１の出力信号と第２の出力信号とを加算することによって、長手方向軸に沿った位置を決定するように構成される。
−    磁場源は、垂直軸に沿って第１および第２の磁気抵抗素子に対して移動可能であり、垂直軸に沿ったその位置は、センサ装置によって、センシングされる。
−    測定ユニットは、第１の出力信号と第２の出力信号の差分を計算することによって、垂直軸に沿った位置を決定するように構成される。
−    複数の第１の磁気抵抗素子は長手方向軸に沿って磁場に一列に配置され第１の磁極に面する。
−    複数の第２の磁気抵抗素子は長手方向軸に沿って磁場に一列に配置され第２の磁極に面する。
−    磁場源は、磁場が、複数の第１の磁気抵抗素子のうちの単一の第１の磁気抵抗素子にしか一度に影響を及ぼさず、隣接する第１の磁気抵抗素子には影響を及ばさないように、複数の第１の磁気抵抗素子に対して寸法決めされる。
−    磁場源は、第１の磁気抵抗素子の長手方向の延長よりも小さい幅を有する永久磁石である。
−    測定ユニットは、磁場源が単一の第１の磁気抵抗素子を通過する結果生じるその第１の出力信号の変化を示す、複数の磁気抵抗素子のうちの単一の第１の磁気抵抗素子を識別するように構成される。
−    測定ユニットは、複数の第１の磁気抵抗素子の一列内の単一の第１の磁気抵抗素子の既知の位置から長手方向の軸に沿った位置を導出するように構成される。
−    磁場源は、磁場が、複数の第１の磁気抵抗素子のうちの単一の第１の磁気抵抗素子だけではなく、隣接する第１の磁気抵抗素子にも影響を及ぼすように、複数の第１の磁気抵抗素子に対して寸法決めされる。
−    磁場源は、第１の磁気抵抗素子の長手方向の延長を上回る長手方向軸に沿った幅を有する永久磁石である。
−    複数の第１の磁気抵抗素子の両方の磁気層の磁化方向は、ピン止めされていない（unpinned）。
−    測定ユニットは、隣接する第１の磁気抵抗素子の第１の出力信号をそれぞれ互いから減算するように構成される。
−    測定ユニットは、結果として得られる差分信号に応じて長手方向軸に沿った位置を決定するように構成される。
−    複数の第１の磁気抵抗素子の磁気層の１つの磁化方向はピン止めされている（pinned）。
−    測定ユニットは、隣接する第１の磁気抵抗素子の第１の出力信号を加算するように構成される。
−    測定ユニットは、結果として得られる合計信号に応じて長手方向軸に沿った位置を決定するように構成される。
−    一列に配置された複数の第１の磁気抵抗素子は、垂直軸に沿って互いにずらされている。
−    一列の複数の第１の磁気抵抗素子のうち中央の第１の磁気抵抗素子は、磁場源から最も近い垂直距離で配置される。
−    列の複数の第１の磁気抵抗素子のうち最も外側の第１の磁気抵抗素子は、磁場源から最も遠い垂直距離で配置される。
−    磁気抵抗素子および磁場源のうちの１つは、オブジェクトに連結され、そのオブジェクトの位置がセンサ装置によってセンシングされる。
【０００７】
本発明の別の態様の実施形態によれば、オブジェクトの位置を決定することをサポートするための方法が提供される。第１の磁極および第２の磁極によって磁場を提供する磁場源ならびに第１および第２の磁気抵抗素子のうちの１つは、オブジェクトに連結される。磁場源は、第１の磁極が第１の磁気抵抗素子に面し、第２の磁極が第２の磁気抵抗素子に面している状態で、第１の磁気抵抗素子および第２の磁気抵抗素子の間に配置される。出力信号は、第１および第２の磁気抵抗素子から、磁場源に対するそれらの位置に応じて受け取られる。オブジェクトの位置は、第１の出力信号および第２の出力信号に応じて決定される。
【０００８】
位置センサの態様に関して記載されている実施形態も、方法などの他のカテゴリのいずれかに関連して開示される実施形態と考えるべきである。
【０００９】
本発明およびその実施形態は、添付の図面と併せて参照すると、本発明による現在の好ましいが、それにもかかわらず例証的な実施形態の以下の詳細な説明を参照することで、より完全に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるセンサ装置のブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による磁気抵抗素子上の磁場の影響を説明する図である。
【図３】本発明の一実施形態による磁気抵抗素子上の磁場の影響を説明する図である。
【図４】本発明の一実施形態によるセンサ装置のブロック図である。
【図５】図４のセンサ装置において実行される、第１および第２のＭＲ素子の出力信号を加算する効果を説明する図である。
【図６】本発明の別の実施形態によるセンサ装置のブロック図である。
【図７】図６のセンサ装置において実行される、第１および第２のＭＲ素子の出力信号を減算する効果を説明する図である。
【図８】本発明のさらなる実施形態によるセンサ装置のブロック図である。
【図９】図８のセンサ装置において実行される、第１のＭＲ素子の出力信号を減算する効果を説明する図である。
【図１０】本発明のさらなる実施形態によるセンサ装置のブロック図である。
【図１１】図１０のセンサ装置において実行される、第１のＭＲ素子の出力信号を減算する効果を説明する図である。
【図１２】ピン止めされた磁気層を有するＭＲ素子およびそれを有していないＭＲ素子の特性の図である。
【図１３】ピン止めされた磁気層を有する複数の第１のＭＲ素子の出力信号を減算する効果を説明する図である。
【図１４】本発明のさらなる実施形態によるセンサ装置のブロック図である。
【図１５】図１４のセンサ装置の特性である。
【図１６】本発明の別の実施形態によるセンサ装置のブロック図である。
【図１７】本発明の別の実施形態によるセンサ装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の記述への導入として、磁気抵抗効果に基づくセンサ装置に関して、まず本発明の一般的な態様について述べる。
【００１２】
磁気抵抗センサは、２つの磁気層の間に、好ましくは２つの強磁性層の間に、少なくとも導電層を含む層のスタックを含む、磁気抵抗素子を含むのが好ましい。具体的には、磁気抵抗素子は、２つの強磁性層の間に挟まれている非磁性導電層を含む層スタックにおいて、電気抵抗の変化を強磁性層の磁化方向に従って観察できる、基本的な効果に基づく巨大な磁気抵抗素子である。外部磁場がない場合、対応する強磁性層の磁化方向は、反平行である。外部磁場を強磁性層の少なくとも１つに印加することによって、主磁化方向が変えられ、それにより２つの強磁性層の磁化方向が平行となるのにつながり、次にそれが層スタックの電気抵抗を変化させる。層スタックの電気抵抗は、磁気抵抗素子の電気抵抗としても示される。電気抵抗の変化は監視されて、印加される外部磁場の存在に対する計測として用いることができる。このような外部磁場がオブジェクトに取り付けられた磁場源によって、発生するときに、このようなオブジェクトの位置は磁気抵抗素子に対して決定できる。具体的には、強磁性層の磁化方向が平行アラインメントと反平行アラインメントとの間で、またはその逆に変化すると、導電層の電気抵抗の大きな変化を観察できる。強磁性層の磁化方向の平行アライメントにおいて、導電層の電気抵抗はかなり低く、一方で、強磁性層の磁化方向の反平行アライメントにおいて、導電層の電気抵抗はかなり高い。導電率の変化は、スピン依存界面電子散乱に基づく。磁気抵抗素子を通過する電子は、導電層と強磁性層との間の界面におけるスピン依存電子散乱の増加により、強磁性層での反平行な磁化方向における短い平均自由行程を示す一方で、電子は、強磁性層が平行な磁化方向を示すとき、より少ないスピン依存界面電子散乱によって、より長い平均自由主行程を示す。
【００１３】
したがって、磁気抵抗素子は、好ましくは、２つの強磁性層の間に少なくとも１つの導電層を含む層のスタックを含むが、層のスタックは、隣接する強磁性層の間に挟まれた複数の導電層を含むことができ、そこにおいて、層のスタックの全体の電気抵抗は、最終的に測定することができて、磁気抵抗素子に対する磁場発生磁石の位置の決定を可能にする。印加される外部磁場は、これらの強磁性層の磁化方向を反平行アライメントから平行アライメントへ、またはその逆へ切り替える場合がある。一般的に、特に本発明の現在の実施形態では、両方の強磁性層の磁化方向は変動可能であるか、あるいは、強磁性層のうちの１つの磁化方向は、その磁化方向が外部磁場の印加の下でさえ変化することができないようにピン止めすることができる。それから、外部磁場は、他方の強磁性層に作用することだけができて、その磁化方向を磁石がとる位置に従って変化させることができる。
【００１４】
本発明の実施形態の前後関係において、次の幾何学的な定義が用いられる。層スタックの層は、長手方向軸に沿った長手方向の延長を有し、横軸に沿った横方向の延長を有し得る。したがって、スタックの高さは、垂直軸に沿った長手方向軸および横軸により画定される平面に直交して延びる。磁気抵抗素子のセンサ中心線は、垂直軸に沿った、層の長手方向の延長の半分の軸として規定される。好ましくは、磁場源または磁場源を含むオブジェクトあるいはその両方が長手方向軸に沿って少なくとも移動可能であると仮定され、それは、磁場源が層スタックの層の長手方向の延長に沿って移動可能なことを意味する。好ましくは、磁場源は、磁場源および磁気抵抗素子の上側表面が距離Ｄだけ垂直軸に沿って離れているように、磁気抵抗素子から垂直距離Ｄ＞０に配置される。さらに、磁場源は、Ｎ極およびＳ極によって磁場を提供する。双極子軸は、Ｎ極とＳ極との間の直線の接続であると仮定される。
【００１５】
従来の磁気抵抗の位置センシング概念において、磁石の磁気双極子の双極子軸は、磁気抵抗素子に寄与する層スタックの層の長手方向の延長と平行して、整列配置される。磁場の勾配が１つまたは複数の強磁性層の磁化方向の変化を起こす役割を果たすと想定すれば、従来の概念では、スタックの層の長手方向の延長に沿った磁場の勾配がかなり小さいことが観察された。勾配は、任意の位置における磁束の変化として定義される。しかし、磁石の位置の小さい変化が大きい勾配による磁束のかなりの変化に依然としてつながるので、磁石の位置のほんの小さい変化が強磁性層の磁化方向への影響を生じさせることを考え合わせると、磁場の勾配がスタックの層の長手方向の延長に沿って高くなるほど、センシングスキームの感度／分解能は高くなる。加えて、矩形の永久磁石のような典型的な磁石の幾何学的形状に対して、磁石から所定の距離にある磁場の絶対強度が勾配と共に増加することが観察された。磁気抵抗素子が飽和した後の磁場の強さには上限があるので、センシングのために効果的に使用できる磁場の勾配は制限される。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、磁場源の双極子軸は、長手方向軸および横軸により画定される平面に直交するように整列される。したがって、双極子軸は、センシング方向が長手方向軸の方向のスタックの層の長手方向の延長により規定される、磁気抵抗素子のセンシング方向にも直交している。この文脈における直行とは、＋／−２０°の許容度を含み、すなわち、双極子軸は、長手方向軸および横軸により画定される平面に対して７０°〜１１０°の範囲で配置されると想定される。
【００１７】
本発明の一実施形態では、磁場源は、層のスタックのサイズと同等のサイズの永久磁石である。これは、スタックの層の長手方向の延長と同等の長手方向軸に沿った永久磁石の幅を含む。この文脈において、同等とは、好ましくは、スタックの層の長手方向の延長の１０倍以下で、またスタックの層の長手方向の延長の、好ましくは半分以上である永久磁石の幅を含む。非常に好ましい実施形態においては、磁石は長手方向軸および垂直軸により画定される平面の矩形の形状であり、別の非常に好ましい実施形態では、立方体形状であるか、または、直角プリズム形状の立方体形状である。本発明の別の実施形態によれば、磁場源は電磁石として実装される。
【００１８】
本発明の着想は、磁気双極子の両極に磁気抵抗素子を配置することである。こうすることによって、全く新しいセンシングレジームを達成できる。一実施形態において、磁場源の両極に配置されるセンサを使用して、垂直方向の動作に対する磁気抵抗素子の固有の感度を抑制できる。これは、一次元のセンシング応用製品で非常に重要である特に強力な技術であり得る。別の実施形態では、二重極センシングが、別の読出し構成において使われて、垂直軸での感度を増加させ、そのため、２つの方向の同時センシングが可能となる。したがって、二重極センシングの概念には、多くの利点がある。
【００１９】
図において、同一または類似の要素には、同一の参照符号を付している。
【００２０】
図１は、短い第１のＭＲ素子１の第１の磁気抵抗素子１と、短い第２のＭＲ素子２の第２の磁気抵抗素子２と、磁場源３とを含む、本発明の一実施形態によるセンサ装置の概略側面切断図を示す。
【００２１】
第１および第２のＭＲ素子１および２は、具体的には、巨大磁気抵抗効果現象の基礎をなしている素子であり、ここで、間に１つまたは複数の導電層を有する薄い磁気多層膜で、スピン結合が発生する。第１のＭＲ素子１は、少なくとも第１の強磁性層１１１と、導電性非磁性層１１２と、第２の強磁性層１１３とを含む、基板１２上に配置された層スタックを含む。強磁性層１１１および１１３の磁気モーメントは、外部磁場が印加されないときには、自然にそれぞれ互いに関して反平行に整列配置される。十分な強度の外部磁場が印加される場合、磁気モーメントは、強磁性層１１１および１１３において平行になり、すなわち強磁性層１１１および１１３の磁化方向は平行に整列される。強磁性層１１１および１１３の反平行な磁化方向は、層スタックを通過する電子の平均自由行程がかなり短くなり、層スタック内のかなり高い電気抵抗につながる。他方で、強磁性層１１１および１１３における平行な磁化方向は、層スタックを通過する電子の平均自由行程がかなり長くなり、層スタック内のかなり低い電気抵抗につながる。この効果は、層１１１、１１２および１１３の界面で、スピン配向上の電子散乱の依存性に基づく。基板２２上に配置された層スタックを含み、層スタックは少なくとも第１の強磁性層２１１、導電性および非磁性層２１２ならびに第２の強磁性層２１３を含む第２のＭＲ素子２についても同様である。
【００２２】
層スタックの各層は、長手方向軸Ｘに沿って長手方向の延長Ｌを示す。層はまた、横軸Ｙに沿って投射面に延びる。電流Ｉは、位置センシング中に、各層スタックに印加される。スタックの層は垂直に、すなわち互いの上に垂直軸Ｚに沿って、配置される。
【００２３】
磁場源３は、本実施形態では、永久磁石であってもよい。好ましくは、非常に大きい勾配を有する磁場にさらされている層のスタックを可能とするために、小型の超薄型磁気双極子を使うことができる。１００ｋＨｚを超えると、２００ｐｍ未満の位置センシング分解能が達成され得る。磁場源３は、現在長手方向軸Ｘに沿った幅Ｗ、横軸ｙに沿った図示されない深さ、および垂直軸Ｚに沿った高さＨを有する、矩形の形状である。磁石の幅Ｗは、層スタックの長手方向の延長Ｌを上回る。
【００２４】
現在の位置において、磁場源３の双極子軸ＤＡは、好ましくは機械的に連結されて、それぞれ互いに対して位置を変えない、ＭＲ素子１および２のセンサ中心軸線ＳＡと、一致する。これは、磁場源３がＭＲ素子１および２上の中心に配置されることを意味する。磁場源３は、第１の部分Ｂ１および第２の部分Ｂ２に仮想的に分けることができる、破線において例示される磁場を提供する。図１から導出されるように、部分Ｂ１およびＢ２の両方からの磁力線は、第１および第２のＭＲ素子１および２の層スタックに影響を及ぼすことができて、したがって強磁性層１１３または１１１あるいはその両方および２１３または２１１あるいはその両方の磁化方向に影響を与えることができる。対応する磁場源３の位置のさらに小さい変化によって、強磁性層１１１、１１３の磁区方向の再配置が生じ、それにより層スタックの導電率に影響を及ぼし得るので、第１のＭＲ素子１と会ったときに、両部分Ｂ１およびＢ２は大きい勾配を有し、高分解能を達成するのに望ましい。同じことが、第２のＭＲ素子２に関して言える。
【００２５】
それ故、従来の位置センサの装置においては、磁場源は層の長手方向の延長と一致しているＭＲ素子１のセンシング方向Ｘと平行なその双極子軸ＤＡに整列されるが、本実施形態では、磁場源３は第１および第２の磁気抵抗素子１および２のセンシング方向Ｘに直交するその双極子軸ＤＡに整列される。このために、磁場の大きい勾配と低い強度とは、同時に達成できる。磁場の低い強度は、対象部分の磁場がセンシング方向に投射されるときに方向が変わるので、磁力線が大きさゼロを通過する、という事実によるものである。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態において、ＭＲ素子への磁場源３の磁場の影響を説明する図である。図２ａにおいて、第１の磁極Ｎと第２の磁極Ｓを含む磁気双極子の磁力線が示されており、この効果は、単一のＭＲ素子に関してだけ示され、その長手方向の延長は、二重矢印により示されているように、ＭＲ素子が磁石から様々な距離Ｄで配置され得る線Ｂ−Ｂにより示される。磁力線は、長手方向軸Ｘおよび垂直軸Ｚにより画定される平面に示される。図２ｂにおいて、磁場の強さとしても表される対応する磁束密度は、長手方向軸Ｘ上に示されて、特に磁場源３とＭＲ素子の間の異なる距離Ｄに対して示される。磁束は双極子軸Ｘ＝ＸＤの位置でゼロであり、一方ＸＤの外側のＸでは非ゼロであることを、図２ｂから導出できる。図２ｃにおいて、磁場の対応する勾配は、長手方向軸Ｘ上に示されて、特にＤ１＞Ｄである磁石と磁気抵抗素子の間の異なる距離Ｄに対して示される。双極子軸Ｘ＝ＸＤの位置では、勾配が最大値を有し、一方、双極子軸Ｘ＝ＸＤの外側では勾配はその絶対値がより低いということを、図２ｃから導出できる。距離Ｄが大きいほど磁束密度が低く、ＭＲ素子が磁石に対して近く配置されるほど磁束密度が高くなるということを、図２ｂからさらに導出できる。他方で、ＭＲ素子が磁石に近づくほど、Ｘ＝ＸＤにおいて、最大勾配値が大きくなることを、図２ｃから導出できる。
【００２７】
分解能に関しては、大きい勾配と低い磁束密度とが同時に望まれる。さらに図２ｃは、距離Ｄは、好ましくは勾配の線形性を考慮して決定できることを示す。センシング範囲にわたってかなり線形の特性を有する位置センサのセンシングを提供することが、同時に望ましい。しかし、磁気抵抗素子が磁場源３に対して近くに配置されるほど、最大勾配は大きくなるが、あるポイントの後、勾配はセンシング範囲全体にわたって線形にならないことが、図２ｃから導出できる。
【００２８】
図３は、本発明の一実施形態による磁気抵抗素子上の磁場の影響を説明する図を表す。ｘ＝０の長手方向位置で、磁気双極子は、図１に示されるように、磁気抵抗素子１の中心に配置され、すなわち、双極子軸ＤＡはセンサ軸ＳＡと一致する。図３から導出されるように、ｘ＝０の左右の領域で、抵抗値変化とｘとの間に線形関係がある。しかし、ある長手方向位置ｘで、抵抗値変化が長手方向位置ｘを表さないような、磁気飽和が発生する。だがそれは、ｘのかなり短いセンシング範囲だけであり、ここで、線形性は与えられている。通常、センシング範囲という用語は、飽和が発生しない寸法Ｘの範囲として定義される。
【００２９】
一方、図３は、磁気抵抗素子と磁気双極子との間の垂直距離を変化させる効果を示す。短い垂直距離に対しては高い感度／傾斜が達成され、より長い垂直距離に対しては感度が低下することが導出される。一方、より長い垂直距離の場合、ｘのセンシング範囲は広がり、飽和は発生しない。磁気双極子は、センシング範囲内に印加された磁場の大きな勾配が達成されると同時に、センシング範囲にわたって良好な線形特性が提供されるように、垂直距離で磁気抵抗要素に対して配置されてもよい。このような配置は、帯域幅の高いセンシングをもたらすが、一方で、磁気飽和に起因する限定されたセンシング範囲につながる可能性がある。
【００３０】
この洞察をもって図１に戻ると、センシング方向が長手方向軸Ｘに沿っており、したがって決定すべき位置がＸ内の位置である第１の実施形態では、垂直軸Ｚに沿った位置の変化は測定結果に重大な影響を及ぼし得る。例えば、磁場源３はオブジェクトに取り付けられており、第１および第２のＭＲ素子１、２が静止していてもよい。長手方向軸Ｘに沿ったオブジェクトの位置が決定されるべきであるが、オブジェクトは必ずしも固定されたｚ位置をとるとは限らず、垂直軸Ｚに沿った変調を被り得る。このため、第１のＭＲ素子１が磁場源３の第１の磁極Ｎに面しており、磁場源３の反対側の端部、すなわち第２の磁極Ｓに面して第２のＭＲ要素２を提供することが提案される。
【００３１】
図１の例において、第１のＭＲ素子１と磁場源３との間の距離Ｄ１が第２のＭＲ素子２と磁場源３との間の距離Ｄ２未満であると仮定する。しかし、第１および第２のＭＲ素子１、２の間の距離は固定されている。第１および第２のＭＲ素子１、２の出力信号を結合することによって、磁場源３と第１および第２のＭＲ素子１、２との間の垂直軸Ｚにおけるいかなる変化も、平準化できる。
【００３２】
これは、図５の図で説明できる。図５ａは、磁場源３からの変化する距離Ｄ１に対する、図１の第１のＭＲ素子１の出力信号Ｒ１を例示し、そこにおいて、より暗い（外側の）曲線ＤＣは、より大きい距離Ｄ１を表し、例えば最も外側の暗い曲線が４００μｍの距離Ｄ１を表すことができ、一方で、より明るい(内側の)曲線ＢＣは、より小さい距離Ｄ１を表すことができ、例えば最も内側の明るい曲線が１００μｍの距離Ｄ１を表すことができる。同じことが、図５ｂにおいて、第２のＭＲ素子２に対して示され、ここでは、変化する曲線が異なる距離Ｄ１に対してプロットされ、一方ではこれが結果として変化する距離Ｄ２になる。最も内側の暗い曲線ＤＣは、４００μｍの距離Ｄ１、すなわち小さい距離Ｄ２を表し、その一方で、最も外側の明るい曲線ＢＣは、１００μｍの距離Ｄ１を表し、それが結果としてより大きい距離Ｄ２になる。図５ｃは、また暗い（急俊な）曲線ＤＣがＤ１＝４００μｍを表し、明るい（急俊ではない）曲線ＢＣがＤ１＝１００μｍを表すという仮定の下で、変化する距離Ｄ１に対する出力信号Ｒ１＋Ｒ２の加算を示す。したがって、３７５μｍと３８５μｍおよび、４１５μｍと４２５μｍの間のセンシング範囲における本例では、出力信号Ｒ１＋Ｒ２は線形であり、ｚ方向の磁場源のバリエーションに依存しないということが、図５ｃから導出できる。
【００３３】
この実施形態のブロック図は、磁場源３ならびに磁極ＮおよびＳに面している第１および第２のＭＲ素子１、２を含む図４に示され、ここで、第１のＭＲ素子１の第１の出力信号Ｒ１および第２のＭＲ素子２の第２の出力信号Ｒ２は、単純な加算器をこの例で含む測定ユニット４により加算される。
【００３４】
図７の図は磁場源３の変化する垂直位置に対する曲線を示し、それは、出力信号Ｒ２およびＲ１を互いから減算するときの、図１の変化する距離Ｄ１に等しい。３８５μｍから４１５μｍのｘ範囲において、センサ装置は特に垂直軸Ｚに沿った変化に対する感度が良い。したがって、センシングされるべき位置はｘ位置の代わりに、ｚ位置でもよく、または、別の実施形態では、ｘ位置およびｚ位置を同時にセンシングすることができる。
【００３５】
対応するセンサ装置のブロック図が図６に示され、これは、測定ユニット４が第２の出力信号Ｒ２を第１の出力信号Ｒ１から減算するための減算素子を含むという点で、図４の実施形態と異なる。
【００３６】
図８の概要図において、センサ装置の下部だけが、磁場源３を含んで示される。単一の第１のＭＲ素子１の代わりに、２つの第１のＭＲ素子１１および１２が長手方向軸Ｘに沿って一列に配置され、ＭＲ素子１１および１２の両方が磁場源３、特にその第１の磁極Ｎに面している。この例で、好ましくは永久磁石である磁場源３の寸法は、磁場が第１のＭＲ素子１１だけでなく、隣接する他の第１のＭＲ素子１２にも影響するというものである。この目的のために、磁場源３が第１のＭＲ素子１１、１２の長手方向の延長Ｌを上回る長手方向軸Ｘに沿った幅Ｗを有することが好ましい。
【００３７】
図９ａは、その磁場源３が通過する際の２つのインパルスとしての第１のＭＲ素子１１、１２の、２つの対応する出力信号Ｒ１１およびＲ１２を示す。減算によって、例えば図８に示すように、Ｒ１２をＲ１１から減算することによって、出力信号Ｒ１１およびＲ１２を結合するときに、結果として得られる測定信号Ｒ１１−Ｒ１２（「センサ差分」）は図９ａの上側のグラフとして描写される。単一のＭＲ素子１１のみを使用する場合に比べて、ｘ方向の線形センシング範囲が強化されることが導出される。
【００３８】
図９ａの曲線は、例えば間にすきまを残すｘ方向の図８のＭＲ素子１１および１２の配置から生じる。したがって、個々の曲線はわずかな重なりしか示さず、単一のＭＲ素子のセンシング範囲と比較して約２倍のセンシング範囲の延長をもたらす。図９ｂの曲線は、その代わりに、図９ａの場合よりもｘ方向のＭＲ素子１１および１２のより近い配置から生じる。したがって、個々の曲線の重なりはより大きくなり、単一のＭＲ素子のセンシング範囲と比較して、約２分の１より小さいセンシング範囲となる。しかしながら、感度は、図９ａの１つを超える。したがって、一列のＭＲ素子がどれだけ互いに近接して配置されるかによって、感度およびセンシング範囲が調整され得ることが分かる。
【００３９】
図１１は、本例５の複数のＭＲ素子が、センシング範囲を強化するためにどのように一列に配置されることを可能とするか、したがって、個々のＭＲ素子によるより広いセンシング範囲ｘの位置センシングを可能とするか、ということを示す。
【００４０】
図１０のブロック図において、このセンシング概念は、４つの第１のＭＲ素子１１、１２、１３および１４に対して示され、ここで、出力信号Ｒ１３およびＲ１４のスカラ乗算４１を含む関連出力信号Ｒ１２、Ｒ１３およびＲ１４の、出力信号Ｒ１１からの減算は、強化されたセンシング範囲をサポートする測定信号につながる。
【００４１】
図１２において、個々のＭＲ素子のセンシング特性が示され、一方ではピン止めされていない磁気層を実線として、他方では１つのピン止めされた磁気層を破線として示す。ピン止めされた磁気層を有するＭＲ素子の特性から、複数の第１のＭＲ素子の出力信号を追加することによって、この例４で、線形センシング範囲が強化できる、ということを導出できる。これを図１３に示す。
【００４２】
図１４は、本発明の他の実施形態によるセンサ装置の下部を示す。ここで、複数の第１のＭＲ素子１１〜１Ｎの列が提供されている。しかしながら、ＭＲ素子１１〜１Ｎは、垂直軸Ｚに沿ってそれらの配置が異なる。列の中央の磁気抵抗素子１ｍは、全ての第１の磁気抵抗素子１１〜１Ｎのうちで、磁場源３から最も近い垂直距離に配置される。対照的に、列の最も外側の磁気抵抗の第１の要素１１および１Ｎの列は、磁場源３から最も遠い垂直距離で配置される。したがって、個々の第１のＭＲ素子１１〜１Ｎの配置は、特に図１４に示される中央のＭＲ素子１ｍの上の磁場源３の中心位置が動作位置と考えられている場合、磁場の形状に適応する。したがって、ＭＲ素子１１〜１Ｎは、垂直方向の配置の高さプロファイルに従う。図１５は、高さプロファイルを有するセンシング配置のための対応する特性を説明する。
【００４３】
図８から図１３による実施形態は、センシング範囲または感度あるいはその両方を強化するために導入される。基礎をなす着想は、磁極の１つに隣接して一列に配置されてセンサ装置の範囲または分解能あるいはその両方を増大させるために複数のＭＲ素子を使用することである。もちろん、第２の磁極の反対側の第２のＭＲ素子の配置は、第１のＭＲ素子の配置を反映させることが好ましい。
【００４４】
しかし、複数の第１のＭＲ素子の配置、および図８〜１３において導入されるそれぞれの出力信号を結合するという対応する概念は、１つまたは複数の第２のＭＲ素子２とは独立して適用することもでき、すなわち、反対側の磁極にある１つまたは複数の第２のＭＲ素子２無しで適用できる。したがって、一実施形態で、ピン止めされていないＧＭＲバルブの特性を利用することによって、センシング範囲または分解能あるいはその両方を増大させる、差分読出しを備える２つ以上のセンサの構成が提案される。さらに、高さプロファイルのあるセンサおよびセンシング素子の概念が導入され、これにより磁場に従った垂直方向のセンサの整形を可能とし、センシング素子の飽和を回避する。こうすることによって、センサの範囲は、感度および分解能を失わずに、著しく増大させることができる。さらにまた、ピン止めされたＧＭＲバルブを有する広範囲センシングのための概念が示される。ここで、ピン止めされたＧＭＲバルブの特定のセンサ特性は、付加読出し方式のセンシング範囲を大幅に延長するために用いる。
【００４５】
図１６は、本発明によるセンサ装置の別の実施形態を説明する。現在、センサ装置は、４つの第１のＭＲ素子１１〜１４および４つの第２のＭＲ素子２１〜２４を含む。しかしながら、その数は容易に拡張できる。再び、永久磁石の形の磁場源３は、第１および第２のＭＲ素子１ｍと２ｎの間に配置され、ｘ方向において移動可能である。本実施形態において、磁場源３は、磁場が第１のＭＲ素子のただ１つおよび第２のＭＲ素子のただ１つにしか影響を与えないように、磁気抵抗素子１ｍ、２ｎに対して寸法決めされ、すなわち、正確には、これらの第１および第２のＭＲ素子１ｍおよび２ｎとは、ｘ方向での通過中に磁場源３がその間に位置する、図１６のＭＲ素子１３および２３である。これは、磁場源の幅ＷをＭＲ素子１ｍ、２ｎのいずれか１つの長さＬより小さくすることによって、達成される。このような配置において、磁場源３が通過するときに、現在パルスの形の抵抗値変化をモニタしている第１および第２のＭＲ素子１３および２３に隣接したＭＲ素子１２、１４および２２、２４は、それらの出力信号にそれほど大きな変化を与えない。したがって、一列の様々なＭＲ素子の出力信号は、互いに混合されず、磁場源３の通過を示しているパルスの出現に関して、それぞれが個々に評価される。第１または第２のＭＲ素子１ｍ、２ｎの順次配置での個々のＭＲ素子の位置について知ることにより、長手方向軸Ｘに沿った磁場源３の位置を導出できる。
【００４６】
図１７は、本発明の他の実施形態によるセンサ装置のブロック図を説明する。ここで、図４および８の実施形態の概念が組み合わされる。したがって、２つの第１のＭＲ素子１１および１２は第１の磁極Ｎに面して一列に配置され、その一方で、２つの第２のＭＲ素子２１および２２は第２の磁極Ｓに面して一列に配置される。共通の列のＭＲ素子からの出力信号は互いに減算され、その一方で、これらの減算の結果は加算される。したがって、全体の測定信号は、Ｚの変化／障害を補償されるＸの位置信号を表し、それと同時に、２つの第１および２つの第２のＭＲ素子１１、１２および２１、２２を互いの隣に提供することによって、Ｘのセンシング範囲が増加する。
【００４７】
本発明の実施形態は、工業の位置センシングに、リソグラフィに、特に半導体デバイス、中でもマイクロ電気機械デバイスまたはナノ電気機械デバイスあるいはその両方の製造、ＥＤＡおよびテストなど、半導体と関連して適用できる。このようなの位置センサのいずれも、その結果を有線または無線の接続で評価ユニットに送信できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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