Title:
Sensoranordnung zur Positionserfassung
Document Type and Number:
Kind Code:
T5

Abstract:

Eine Sensoranordnung zur Positionserfassung weist ein erstes magnetoresistives Element (1) und ein zweites magnetoresistives Element (2) auf. Eine Magnetfeldquelle (3) stellt ein Magnetfeld mit einem ersten Magnetpol (N) und einem zweiten Magnetpol (S) bereit. Die Magnetfeldquelle (3) ist zwischen dem ersten magnetoresistiven Element (1) und dem zweiten magnetoresistiven Element (2) angeordnet, wobei der erste Magnetpol (N) dem ersten magnetoresistiven Element (1) zugewandt ist und der zweite Magnetpol (S) dem zweiten magnetoresistiven Element (2) zugewandt ist. Das erste magnetoresistive Element (1) ist in dem Magnetfeld angeordnet und stellt ein erstes Ausgangssignal (R1) bereit, das von einer Position des ersten magnetoresistiven Elements (1) in Bezug auf die Magnetfeldquelle (3) abhängt. Das zweite magnetoresistive Element (2) ist in dem Magnetfeld angeordnet und stellt ein zweites Ausgangssignal (R2) bereit, das von einer Position des zweiten magnetoresistiven Elements (2) in Bezug auf die Magnetfeldquelle (3) abhängt. Eine Messeinheit ist dafür ausgelegt, eine Position der Magnetfeldquelle (3) in Bezug auf die ersten und die zweiten magnetoresistiven Elemente (1, 2) abhängig von dem ersten Ausgangssignal (R1) und dem zweiten Ausgangssignal (R2) zu bestimmen.





Inventors:
Haeberle, Walter (Rüschlikon, CH)
Pantazi, Angeliki (Rüschlikon, CH)
Sebastian, Abu (Rüschlikon, CH)
Tuma, Tomas (Rueschlikon, CH)
Application Number:
DE112016000720T
Publication Date:
11/02/2017
Filing Date:
03/09/2016
Assignee:
International Business Machines Corporation (N.Y., Armonk, US)
International Classes:
G01V3/08; A61B5/06; G01R33/09
Attorney, Agent or Firm:
Richardt Patentanwälte PartG mbB, 65185, Wiesbaden, DE
Claims:
1. Sensoranordnung zur Positionserfassung, aufweisend
ein erstes magnetoresistives Element (1) und ein zweites magnetoresistives Element (2),
eine Magnetfeldquelle (3), die ein Magnetfeld mit einem ersten Magnetpol (N) und einem zweiten Magnetpol (S) bereitstellt, und
eine Messeinheit,
wobei die Magnetfeldquelle (3) zwischen dem ersten magnetoresistiven Element (1) und dem zweiten magnetoresistiven Element (2) angeordnet ist, wobei der erste Magnetpol (N) dem ersten magnetoresistiven Element (1) zugewandt ist und der zweite Magnetpol (S) dem zweiten magnetoresistiven Element (2) zugewandt ist,
wobei das erste magnetoresistive Element (1) in dem Magnetfeld angeordnet ist und ein erstes Ausgangssignal (R1) bereitstellt, das von einer Position des ersten magnetoresistiven Elements (1) in Bezug auf die Magnetfeldquelle (3) abhängt,
wobei das zweite magnetoresistive Element (2) in dem Magnetfeld angeordnet ist und ein zweites Ausgangssignal (R2) bereitstellt, das von einer Position des zweiten magnetoresistiven Elements (2) in Bezug auf die Magnetfeldquelle (3) abhängt,
wobei die Messeinheit dafür ausgelegt ist, eine Position der Magnetfeldquelle (3) in Bezug auf das erste und das zweite magnetoresistive Element (1, 2) abhängig von dem ersten Ausgangssignal (R1) und dem zweiten Ausgangssignal (R2) zu bestimmen.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1,
wobei jedes der magnetoresistiven Elemente (1, 2) einen Stapel (11) von Schichten aufweist, einschließlich mindestens einer leitenden Schicht (112) zwischen zwei magnetischen Schichten (111, 113), wobei diese Schichten eine Längsausdehnung (L) entlang einer Längsachse (X) und eine seitliche Ausdehnung entlang einer Querachse (Y) haben,
wobei die Magnetfeldquelle eine Dipolachse (DA) hat, die durch den ersten und den zweiten Magnetpol (N, S) definiert wird, die sich entlang einer vertikalen Achse (Z) senkrecht zu einer Ebene erstreckt, die durch die Längsachse (X) und die Querachse (Y) definiert wird.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2,
wobei die Magnetfeldquelle (3) in Bezug auf das erste und zweite magnetoresistive Element (1, 2) entlang der Längsachse (X) bewegbar ist, wobei eine Position (x) von dieser entlang der Längsachse (X) durch die Sensoranordnung erfasst werden soll, und
wobei die Messeinheit dafür ausgelegt ist, die Position (x) entlang der Längsachse (X) durch Addieren des ersten Ausgangssignals (R1) und des zweiten Ausgangssignals (R2) zu bestimmen.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3,
wobei die Magnetfeldquelle (3) in Bezug auf das erste und zweite magnetoresistive Element (1, 2) entlang der vertikalen Achse (Z) bewegbar ist, wobei eine Position (z) von dieser entlang der vertikalen Achse (Z) durch die Sensoranordnung erfasst werden soll, und
wobei die Messeinheit dafür ausgelegt ist, die Position (z) entlang der vertikalen Achse (Z) durch Berechnen einer Differenz zwischen dem ersten Ausgangssignal (R1) und dem zweiten Ausgangssignal (R2) zu bestimmen.

5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, aufweisend
mehrere erste magnetoresistive Elemente (1), die in dem Magnetfeld in einer Reihe entlang der Längsachse (X) angeordnet sind und dem ersten Magnetpol (N) zugewandt sind, und
insbesondere zusätzlich mehrere zweite magnetoresistive Elemente (2), die in dem Magnetfeld in einer Reihe entlang der Längsachse (X) angeordnet sind und dem zweiten Magnetpol (S) zugewandt sind,

6. Sensoranordnung nach Anspruch 5,
wobei die Magnetfeldquelle (3) in Bezug auf die mehreren ersten magnetoresistiven Elemente (1) so dimensioniert ist, dass das Magnetfeld gleichzeitig immer nur ein einziges (1a) der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente (1) beeinflusst, aber nicht die angrenzenden ersten magnetoresistiven Elemente (1b, 1c), und
wobei insbesondere die Magnetfeldquelle (3) ein Dauermagnet ist, der eine Breite (W) hat, die kleiner als die Längsausdehnung (L) der ersten magnetoresistiven Elemente (1) ist.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 6,
wobei die Messeinheit dafür ausgelegt ist, das einzelne erste magnetoresistive Element (1a) von den mehreren magnetoresistiven Elementen (1) zu identifizieren, das eine Änderung in seinem ersten Ausgangssignal (R1) zeigt, wobei sich diese Änderung daraus ergibt, dass sich die Magnetfeldquelle (3) an dem einzelnen ersten magnetoresistiven Element (1a) vorbeibewegt,
wobei die Messeinheit dafür ausgelegt ist, die Position (x) entlang der Längsachse (X) von einer bekannten Position des einzelnen ersten magnetoresistiven Elements (1a) in der Reihe der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente (1) abzuleiten.

8. Sensoranordnung nach Anspruch 5,
wobei die Magnetfeldquelle (3) in Bezug auf die mehreren ersten magnetoresistiven Elemente (1) so dimensioniert ist, dass das Magnetfeld nicht nur ein einziges (1 a) der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente (1) beeinflusst, sondern auch die angrenzenden ersten magnetoresistiven Elemente (1b, 1c), und
wobei insbesondere die Magnetfeldquelle (3) ein Dauermagnet ist, der eine Breite (W) entlang der Längsachse (X) hat, die die Längsausdehnung (L) des ersten magnetoresistiven Elements (1) überschreitet.

9. Sensoranordnung nach Anspruch 8,
wobei eine Magnetisierungsausrichtung von beiden der magnetischen Schichten (111, 113) der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente (1) nicht festgelegt ist,
wobei die Messeinheit dafür ausgelegt ist, erste Ausgangssignale (R1) von angrenzenden ersten magnetoresistiven Elementen (1) voneinander zu subtrahieren, und
wobei die Messeinheit dafür ausgelegt ist, die Position (x) entlang der Längsachse (X) abhängig von einem sich daraus ergebenden Differenzsignal zu bestimmen.

10. Sensoranordnung nach Anspruch 8,
wobei eine Magnetisierungsausrichtung von einer der magnetischen Schichten (111, 113) der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente (1) festgelegt ist,
wobei die Messeinheit dafür ausgelegt ist, die ersten Ausgangssignale (R1) von angrenzenden ersten magnetoresistiven Elementen (1) zu addieren, und
wobei die Messeinheit dafür ausgelegt ist, die Position (x) entlang der Längsachse (X) abhängig von einem sich daraus ergebenden Summensignal zu bestimmen.

11. Sensoranordnung nach Anspruch 5, wobei die mehreren ersten magnetoresistiven Elemente (1), die in der Reihe angeordnet sind, entlang der vertikalen Achse (Z) voneinander versetzt sind.

12. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6, 8 oder 10,
wobei ein mittleres erstes magnetoresistives Element (1m) von den mehreren ersten magnetoresistiven Elementen (1) der Reihe in einem engsten vertikalen Abstand von der Magnetfeldquelle (3) angeordnet ist, und
wobei ganz außen befindliche erste magnetoresistive Elemente (1) von den mehreren ersten magnetoresistiven Elementen (1) der Reihe in einem weitesten vertikalen Abstand von der Magnetfeldquelle (3) angeordnet sind.

13. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der magnetoresistiven Elemente (1, 2) und die Magnetfeldquelle (3) mit einem Objekt (5) verbunden sind, wobei die Position dieses Objekts (5) durch die Sensoranordnung erfasst werden soll.

14. Verfahren zum Unterstützen des Bestimmens der Position eines Objekts, aufweisend ein Verbinden von einem von
– einer Magnetfeldquelle (3), die ein Magnetfeld mit einem ersten Magnetpol (N) und einem zweiten Magnetpol (S) bereitstellt, und
– einem ersten und einem zweiten magnetoresistiven Element (1, 2) mit dem Objekt (5),
Anordnen der Magnetfeldquelle (3) zwischen dem ersten magnetoresistiven Element (1) und dem zweiten magnetoresistiven Element (2), wobei der erste Magnetpol (N) dem ersten magnetoresistiven Element (1) zugewandt ist und der zweite Magnetpol (S) dem zweiten magnetoresistiven Element (2) zugewandt ist,
Empfangen von Ausgangssignalen (R1, R2) von den ersten und den zweiten magnetoresistiven Elementen (1, 2), abhängig von ihrer Position (x) in Bezug auf die Magnetfeldquelle (3), und
Bestimmen einer Position des Objekts (5) abhängig von dem ersten Ausgangssignal (R1) und dem zweiten Ausgangssignal (R2).

Description:
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Positionserfassung und ein Verfahren zum Unterstützen des Bestimmens der Position eines Objekts.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Erfassung mit hoher Bandbreite und hoher Auflösung im Nanobereich ist eine Schlüsseltechnologie für Nanowissenschaft und -technik. Zu Anwendungsbereichen zählen Biowissenschaften, Rastersondenmikroskopie, Halbleiterfertigung und Materialwissenschaft. Zwar sind derzeit verfügbare Positionssensoren auf Grundlage von Optik, Kondensatoren oder induktiven Spulen präzise und schnell, aber sie lassen sich nicht auf Mikromaßstäbe verkleinern, um in Mikrostrukturen oder in großmaßstäblicher punktweiser Positionserfassung von Makrostrukturen verwendet zu werden. Thermoelektrische Positionssensoren andererseits lassen sich auf Mikromaßstab verkleinern, leiden aber unter niedriger Auflösung und geringer Bandbreite.

Ein bekanntes Positionserfassungskonzept beruht auf der Eigenschaft von Magnetowiderstand (MR). Magnetowiderstand ist die Eigenschaft, dass sich ein elektrischer Widerstand einer leitenden Schicht, die zwischen ferromagnetischen Schichten eingebettet ist, abhängig von einem an die Schichten angelegten Magnetfeld ändert. Ein magnetoresistiver Sensor verwendet diese Eigenschaft typischerweise zum Erfassen des Magnetfelds.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einer Ausführungsform eines Aspekts der Erfindung wird eine Sensoranordnung zur Positionserfassung bereitgestellt. Die Sensoranordnung weist ein erstes magnetoresistives Element, ein zweites magnetoresistives Element und eine Magnetfeldquelle auf, die ein Magnetfeld mit einem ersten Magnetpol und einem zweiten Magnetpol bereitstellt. Die Magnetfeldquelle ist zwischen dem ersten magnetoresistiven Element und dem zweiten magnetoresistiven Element angeordnet, wobei der erste Magnetpol dem ersten magnetoresistiven Element zugewandt ist und der zweite Magnetpol dem zweiten magnetoresistiven Element zugewandt ist. Das erste magnetoresistive Element ist in dem Magnetfeld angeordnet und stellt ein erstes Ausgangssignal bereit, das von einer Position des ersten magnetoresistiven Elements in Bezug auf die Magnetfeldquelle abhängt. Das zweite magnetoresistive Element ist in dem Magnetfeld angeordnet und stellt ein zweites Ausgangssignal bereit, das von einer Position des zweiten magnetoresistiven Elements in Bezug auf die Magnetfeldquelle abhängt. Eine Messeinheit ist dafür ausgelegt, eine Position der Magnetfeldquelle in Bezug auf das erste und das zweite magnetoresistive Element abhängig von dem ersten Ausgangssignal und dem zweiten Ausgangssignal zu bestimmen.

In Ausführungsformen kann die Sensoranordnung eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:

  • – jedes der magnetoresistiven Elemente weist einen Stapel von Schichten auf, einschließlich mindestens einer leitenden Schicht zwischen zwei magnetischen Schichten, wobei diese Schichten eine Längsausdehnung entlang einer Längsachse und eine seitliche Ausdehnung entlang einer Querachse haben,
  • – die Magnetfeldquelle hat eine Dipolachse, die durch den ersten und den zweiten Magnetpol definiert wird, die sich entlang einer vertikalen Achse senkrecht zu einer Ebene erstreckt, die durch die Längsachse und die Querachse definiert wird,
  • – die Magnetfeldquelle ist in Bezug auf das erste und das zweite magnetoresistive Element entlang der Längsachse bewegbar, wobei eine Position von dieser entlang der Längsachse durch die Sensoranordnung erfasst werden soll,
  • – die Messeinheit ist dafür ausgelegt, die Position entlang der Längsachse durch Addieren des ersten Ausgangssignals und des zweiten Ausgangssignals zu bestimmen,
  • – die Magnetfeldquelle ist in Bezug auf das erste und das zweite magnetoresistive Element entlang der vertikalen Achse bewegbar, wobei eine Position von dieser entlang der vertikalen Achse durch die Sensoranordnung erfasst werden soll,
  • – die Messeinheit ist dafür ausgelegt, die Position entlang der vertikalen Achse durch Berechnen einer Differenz zwischen dem ersten Ausgangssignal und dem zweiten Ausgangssignal zu bestimmen,
  • – mehrere erste magnetoresistive Elemente sind in dem Magnetfeld in einer Reihe entlang der Längsachse angeordnet und sind dem ersten Magnetpol zugewandt,
  • – mehrere zweite magnetoresistive Elemente sind in dem Magnetfeld in einer Reihe entlang der Längsachse angeordnet und sind dem zweiten Magnetpol zugewandt,
  • – die Magnetfeldquelle ist in Bezug auf die mehreren ersten magnetoresistiven Elemente so dimensioniert, dass sich das Magnetfeld gleichzeitig immer nur auf ein einziges der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente auswirkt, aber nicht auf die angrenzenden ersten magnetoresistiven Elemente,
  • – die Magnetfeldquelle ist ein Dauermagnet, der eine Breite hat, die kleiner als die Längsausdehnung der ersten magnetoresistiven Elemente ist,
  • – die Messeinheit ist dafür ausgelegt, das einzelne erste magnetoresistive Element von den mehreren magnetoresistiven Elementen zu identifizieren, das eine Änderung in seinem ersten Ausgangssignal zeigt, wobei sich diese Änderung daraus ergibt, dass sich die Magnetfeldquelle an dem einzelnen ersten magnetoresistiven Element vorbeibewegt,
  • – die Messeinheit ist dafür ausgelegt, die Position entlang der Längsachse von einer bekannten Position des einzelnen ersten magnetoresistiven Elements in der Reihe der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente abzuleiten,
  • – die Magnetfeldquelle ist in Bezug auf die mehreren ersten magnetoresistiven Elemente so dimensioniert, dass sich das Magnetfeld nicht nur auf ein einziges der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente auswirkt, sondern auch auf die angrenzenden ersten magnetoresistiven Elemente,
  • – die Magnetfeldquelle ist ein Dauermagnet, der eine Breite entlang der Längsachse hat, die die Längsausdehnung des ersten magnetoresistiven Elements überschreitet,
  • – eine Magnetisierungsausrichtung der beiden magnetischen Schichten der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente ist nicht festgelegt,
  • – die Messeinheit ist dafür ausgelegt, erste Ausgangssignale von angrenzenden ersten magnetoresistiven Elementen voneinander zu subtrahieren,
  • – die Messeinheit ist dafür ausgelegt, die Position entlang der Längsachse abhängig von einem sich daraus ergebenden Differenzsignal zu bestimmen,
  • – eine Magnetisierungsausrichtung von einer der magnetischen Schichten der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente ist festgelegt,
  • – die Messeinheit ist dafür ausgelegt, die ersten Ausgangssignale von angrenzenden ersten magnetoresistiven Elementen zu addieren,
  • – die Messeinheit ist dafür ausgelegt, die Position entlang der Längsachse abhängig von einem sich daraus ergebenden Summensignal zu bestimmen,
  • – die mehreren ersten magnetoresistiven Elemente, die in der Reihe angeordnet sind, sind entlang der vertikalen Achse voneinander versetzt,
  • – ein mittleres erstes magnetoresistives Element von den mehreren ersten magnetoresistiven Elementen der Reihe ist in einem engsten vertikalen Abstand von der Magnetfeldquelle angeordnet,
  • – ganz außen befindliche erste magnetoresistive Elemente von den mehreren ersten magnetoresistiven Elementen der Reihe sind in einem weitesten vertikalen Abstand von der Magnetfeldquelle angeordnet,
  • – eines der magnetoresistiven Elemente und die Magnetfeldquelle sind mit einem Objekt verbunden, wobei die Position dieses Objekts durch die Sensoranordnung erfasst werden soll.

Gemäß einer Ausführungsform eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Unterstützen des Bestimmens der Position eines Objekts bereitgestellt. Eine Magnetfeldquelle, die ein Magnetfeld mit einem ersten Magnetpol und einem zweiten Magnetpol und einem ersten und einem zweiten magnetoresistiven Element bereitstellt, ist mit dem Objekt verbunden. Die Magnetfeldquelle ist zwischen dem ersten magnetoresistiven Element und dem zweiten magnetoresistiven Element angeordnet, wobei der erste Magnetpol dem ersten magnetoresistiven Element zugewandt ist und der zweite Magnetpol dem zweiten magnetoresistiven Element zugewandt ist. Ausgangssignale werden von den ersten und den zweiten magnetoresistiven Elementen abhängig von ihrer Position in Bezug auf die Magnetfeldquelle empfangen. Eine Position des Objekts wird abhängig von dem ersten Ausgangssignal und dem zweiten Ausgangssignal bestimmt.

Ausführungsformen, die in Bezug auf den Aspekt des Positionssensors beschrieben werden, sind auch als Ausführungsformen zu betrachten, die in Verbindung mit irgendeiner der anderen Kategorien offenbart werden, wie beispielsweise das Verfahren.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind besser unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten, allerdings nur veranschaulichenden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu verstehen. Die Figuren veranschaulichen in:

1 ein Blockschaubild einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 Diagramme, die eine Auswirkung eines Magnetfelds auf ein magnetoresistives Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen,

3 ein Diagramm, das eine Auswirkung eines Magnetfelds auf ein magnetoresistives Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,

4 ein Blockschaubild einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

5 ein Diagramm, das den Effekt eines Addierens der Ausgangssignale der ersten und der zweiten MR-Elemente veranschaulicht, wie in der Sensoranordnung von 4 ausgeführt,

6 ein Blockschaubild einer Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

7 ein Diagramm, das den Effekt eines Subtrahierens der Ausgangssignale der ersten und der zweiten MR-Elemente veranschaulicht, wie in der Sensoranordnung von 6 ausgeführt,

8 ein Blockschaubild einer Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

9 ein Diagramm, das den Effekt eines Subtrahierens der Ausgangssignale der ersten MR-Elemente veranschaulicht, wie in der Sensoranordnung von 8 ausgeführt,

10 ein Blockschaubild einer Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

11 ein Diagramm, das den Effekt eines Subtrahierens der Ausgangssignale der ersten MR-Elemente veranschaulicht, wie in der Sensoranordnung von 11 ausgeführt,

12 ein Merkmal eines MR-Elements mit und ohne eine festgelegte magnetische Schicht,

13 ein Diagramm, das den Effekt eines Subtrahierens der Ausgangssignale von mehreren ersten MR-Elementen mit einer festgelegten magnetischen Schicht veranschaulicht,

14 ein Blockschaubild einer Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

15 ein Merkmal der Sensoranordnung von 14,

16 ein Blockschaubild einer Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

17 ein Blockschaubild einer Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Als Einführung zu der folgenden Beschreibung wird zunächst auf einen allgemeinen Aspekt der Erfindung hingewiesen, der eine Sensoranordnung auf Grundlage des magnetoresistiven Effekts betrifft.

Ein magnetoresistiver Sensor weist bevorzugt ein magnetoresistives Element auf, das einen Stapel von Schichten aufweist, wobei der Stapel von Schichten mindestens eine leitende Schicht zwischen zwei magnetischen Schichten und bevorzugt zwischen zwei ferromagnetischen Schichten enthält. Insbesondere ist das magnetoresistive Element ein riesenmagnetoresistives Element auf Grundlage des zugrunde liegenden Effekts, wobei in einem Schichtstapel, der eine nichtmagnetische leitende Schicht zwischen zwei ferromagnetischen Schichten aufweist, eine Änderung des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von einer Magnetisierungsausrichtung der ferromagnetischen Schichten beobachtet werden kann. In Abwesenheit eines externen Magnetfelds verläuft die Magnetisierungsausrichtung der entsprechenden ferromagnetischen Schichten antiparallel. Durch Anlegen eines externen Magnetfelds an mindestens eine der ferromagnetischen Schichten ändert sich die betreffende Magnetisierungsausrichtung, was wiederum dazu führt, dass die Magnetisierungsausrichtung in den beiden ferromagnetischen Schichten parallel wird, was wiederum verursacht, dass sich der elektrische Widerstand des Schichtstapels ändert. Der elektrische Widerstand des Schichtstapels wird auch als elektrischer Widerstand des magnetoresistiven Elements bezeichnet. Die Änderung des elektrischen Widerstands kann überwacht werden und als Maß für das Vorhandensein eines angelegten externen Magnetfelds verwendet werden. Wenn ein derartiges Magnetfeld durch eine Magnetfeldquelle generiert wird, die mit einem Objekt verbunden ist, kann eine Position eines derartigen Objekts in Bezug auf das magnetoresistive Element bestimmt werden. Insbesondere kann eine bedeutende Änderung des elektrischen Widerstands in der leitenden Schicht beobachtet werden, wenn sich die Magnetisierungsausrichtung der ferromagnetischen Schichten von einer parallelen Ausrichtung in eine antiparallele Ausrichtung ändert und umgekehrt. In einer parallelen Ausrichtung der Magnetisierungsausrichtung der ferromagnetischen Schichten ist der elektrische Widerstand in der leitenden Schicht ziemlich niedrig, wogegen der elektrische Widerstand in der leitenden Schicht in einer antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungsausrichtung der ferromagnetischen Schichten ziemlich hoch ist. Die Änderung der Leitfähigkeit beruht auf einer spinabhängigen Grenzflächen-Elektronenstreuung. Elektronen, die sich an dem magnetoresistiven Element vorbeibewegen, können einen kurzen mittleren freien Weg bei antiparalleler Magnetisierungsausrichtung in den ferromagnetischen Schichten zeigen, was auf eine erhöhte spinabhängige Elektronenstreuung an den Grenzflächen zwischen der leitenden Schicht und den ferromagnetischen Schichten zurückzuführen ist, wogegen Elektronen eine längere mittlere freie Hauptweglänge zeigen können, was auf eine geringere spinabhängige Grenzflächen-Elektronenstreuung zurückzuführen ist, wenn die ferromagnetischen Schichten eine parallele Magnetisierungsausrichtung zeigen.

Das magnetoresistive Element weist daher bevorzugt einen Stapel von Schichten auf, der mindestens eine leitende Schicht zwischen zwei ferromagnetischen Schichten enthält, wobei der Stapel von Schichten aber mehrere leitende Schichten zwischen angrenzenden ferromagnetischen Schichten enthalten kann, wobei ein gesamter elektrischer Widerstand des Stapels von Schichten letztendlich gemessen werden kann und eine Bestimmung der Position des feldgenerierenden Magnets in Bezug auf das magnetoresistive Element ermöglicht. Ein angelegtes externes Magnetfeld kann verursachen, dass die Magnetisierungsausrichtung in diesen ferromagnetischen Schichten von einer antiparallelen Ausrichtung in eine parallele Ausrichtung wechselt und umgekehrt. Im Allgemeinen und insbesondere für die vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung kann die Magnetisierungsausrichtung von beiden ferromagnetischen Schichten fließend sein, oder die Magnetisierungsausrichtung von einer der ferromagnetischen Schichten kann alternativ festgelegt sein, sodass ihre Magnetisierungsausrichtung sich nicht ändern kann, auch wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird. Das externe Magnetfeld kann sich dann nur auf die andere ferromagnetische Schicht auswirken und verursachen, dass sich ihre Magnetisierungsausrichtung in Abhängigkeit von einer Position ändert, die der Magnet einnimmt.

Im Kontext der vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung werden die folgenden geometrischen Definitionen verwendet: Die Schichten des Schichtstapels haben eine Längsausdehnung entlang einer Längsachse und eine seitliche Ausdehnung entlang einer Querachse. Dementsprechend erstreckt sich eine Höhe des Stapels senkrecht zu einer Ebene, die durch die Längs- und die Querachse entlang einer vertikalen Achse definiert wird. Eine Sensormittelachse des magnetoresistiven Elements wird als eine Achse entlang der vertikalen Achse und bei halber Längsausdehnung der Schichten definiert. Es wird bevorzugt angenommen, dass eine Magnetfeldquelle und/oder ein Objekt, das die Magnetfeldquelle aufweist, mindestens entlang der Längsachse bewegbar ist, was bedeutet, dass die Magnetfeldquelle entlang der Längsausdehnung der Schichten des Schichtstapels bewegbar ist. Bevorzugt ist die Magnetfeldquelle in einem vertikalen Abstand D > 0 von dem magnetoresistiven Element angeordnet, sodass die Magnetfeldquelle und eine obere Fläche des magnetoresistiven Elements entlang der vertikalen Achse um den Abstand D beabstandet sind. Des Weiteren stellt die Magnetfeldquelle ein Magnetfeld mit einem Nord-(N) und einem Süd-(S)Pol bereit. Eine Dipolachse wird als gerade Verbindung zwischen dem N-Pol und dem S-Pol angenommen.

In Konzepten von herkömmlicher magnetoresistiver Positionserfassung ist eine Dipolachse des magnetischen Dipols des Magneten parallel zu einer Längsausdehnung der Schichten des Schichtstapels ausgerichtet, die zu dem magnetoresistiven Element beitragen. In Anbetracht dessen, dass ein Gradient des Magnetfelds für ein Erzeugen einer Änderung in der Magnetisierungsausrichtung der einen oder der mehreren ferromagnetischen Schichten verantwortlich ist, wurde beobachtet, dass bei dem herkömmlichen Konzept der Gradient des Magnetfelds entlang der Längsausdehnung der Schichten des Stapels ziemlich niedrig ist. Der Gradient wird als eine Änderung im Kraftlinienfluss an jeder Stelle definiert. Je höher jedoch der Gradient des Magnetfelds entlang der Längsausdehnung der Schichten des Stapels ist, umso höher ist die Empfindlichkeit/Auflösung des Erfassungskonzepts in Anbetracht dessen, dass eine nur kleine Veränderung der Position des Magneten eine Auswirkung auf die Magnetisierungsausrichtung der ferromagnetischen Schichten verursachen kann, da eine derartige kleine Positionsveränderungen immer noch zu einer wesentlichen Änderung des Kraftlinienflusses führen kann, die auf den hohen Gradienten zurückzuführen ist. Außerdem wurde beobachtet, dass bei typischen Magnetgeometrien, wie beispielsweise rechteckigen Dauermagneten, eine absolute Stärke des Magnetfelds in einem bestimmten Abstand von dem Magneten mit dem Gradienten zunimmt. Da für die Stärke des Magnetfelds eine Obergrenze besteht, nach der das magnetoresistive Element gesättigt ist, ist der Gradient des Magnetfelds begrenzt, der effektiv zur Erfassung verwendet werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Dipolachse der Magnetfeldquelle senkrecht zu der Ebene ausgerichtet, die durch die Längsachse und die Querachse definiert wird. Daher ist die Dipolachse auch senkrecht zu einer Erfassungsrichtung des magnetoresistiven Elements, wobei die Erfassungsrichtung durch die Längsausdehnung der Schichten des Stapels in Richtung der Längsachse definiert wird. „Senkrecht” soll in diesem Kontext Toleranzen von +/–20 Grad enthalten, d. h. die Dipolachse soll in einem Bereich von 70 bis 110 Grad in Bezug auf die Ebene angeordnet sein, die durch die Längsachse und die Querachse definiert wird.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Magnetfeldquelle ein Dauermagnet mit einer Größe, die mit der Größe des Stapels von Schichten vergleichbar ist. Diese umfasst eine Breite des Dauermagneten entlang der Längsachse, die mit der Längsausdehnung der Schichten des Stapels vergleichbar ist. In diesem Kontext umfasst die Vergleichbarkeit bevorzugt eine Breite des Dauermagneten von nicht mehr als dem Zehnfachen der Längsausdehnung der Schichten des Stapels und bevorzugt nicht weniger als die Hälfte der Längsausdehnung der Schichten des Stapels. In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet von rechteckiger Form in einer Ebene, die durch die Längsachse und die vertikale Achse definiert wird, und in einer weiteren äußerst bevorzugten Ausführungsform ist er von quaderförmiger Form oder rechtwinkliger Prismenform oder Würfelform. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Magnetfeldquelle als Elektromagnet verkörpert.

Der vorliegende Erfindungsgedanke besteht darin, die magnetoresistiven Elemente an beiden Polen des magnetischen Dipols zu platzieren. Damit lassen sich völlig neue Erfassungsbereiche erzielen. In einer Ausführungsform können die an den gegenüberliegenden Polen der Magnetfeldquelle platzierten Sensoren zum Unterdrücken einer inhärenten Anfälligkeit der magnetoresistiven Elemente verwendet werden, sich in einer vertikalen Richtung zu bewegen. Dies kann eine besonders leistungsstarke Technik sein, die für eindimensionale Erfassungsanwendungen von großer Bedeutung ist. In einer weiteren Ausführungsform wird die zweipolige Erfassung in einer anderen Auslesekonfiguration verwendet, um die Empfindlichkeit in der vertikalen Achse zu erhöhen, wodurch eine gleichzeitige Erfassung in zwei Richtungen ermöglicht wird. Daher hat das Konzept einer zweipoligen Erfassung viele Vorteile.

In den Figuren werden gleiche oder ähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.

1 veranschaulicht eine schematische Seitenschnittansicht einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein erstes magnetoresistives Element 1 – kurz erstes MR-Element 1, ein zweites magnetoresistives Element 2 – kurz zweites MR-Element 2, und eine Magnetfeldquelle 3 aufweist.

Das erste und zweite MR-Element 1 und 2 sind Elemente, denen insbesondere das Phänomen des Riesenmagnetowiderstands zugrunde liegt, wobei in dünnen magnetischen Mehrfachschichten mit einer oder mehreren dazwischenliegenden leitenden Schichten eine Spin-Kopplung auftritt. Das erste MR-Element 1 weist einen Schichtstapel auf, der auf einem Substrat 12 angeordnet ist, wobei der Schichtstapel mindestens eine erste ferromagnetische Schicht 111, eine leitende und nichtmagnetische Schicht 112 und eine zweite ferromagnetische Schicht 113 aufweist. Magnetische Momente der ferromagnetischen Schichten 111 und 113 sind naturgemäß in Bezug zueinander antiparallel ausgerichtet, wenn kein externes Magnetfeld angelegt ist. Falls ein externes Magnetfeld von ausreichender Stärke angelegt ist, werden die magnetischen Momente in den ferromagnetischen Schichten 111 und 113 parallel, d. h. die Magnetisierungsausrichtungen in den ferromagnetischen Schichten 111 und 113 werden parallel ausgerichtet. Eine antiparallele Magnetisierungsausrichtung in den ferromagnetischen Schichten 111 und 113 führt zu einem ziemlich kleinen mittleren freien Weg von Elektronen, die sich an dem Schichtstapel vorbeibewegen, was zu einem ziemlich hohen elektrischen Widerstand in dem Schichtstapel führt. Andererseits führt eine parallele Magnetisierungsausrichtung in den ferromagnetischen Schichten 111 und 113 zu einem ziemlich hohen mittleren freien Weg von Elektronen, die sich an dem Schichtstapel vorbeibewegen, was zu einem ziemlich niedrigen elektrischen Widerstand in dem Schichtstapel führt. Dieser Effekt beruht auf der Abhängigkeit von Elektronenstreuung in der Spin-Ausrichtung an den Schnittstellen der Schichten 111, 112 und 113. Dasselbe gilt für das zweite MR-Element 2, das einen Schichtstapel aufweist, der auf einem Substrat 22 angeordnet ist, wobei der Schichtstapel mindestens eine erste ferromagnetische Schicht 211, eine leitende und nichtmagnetische Schicht 212 und eine zweite ferromagnetische Schicht 213 aufweist.

Die Schichten jedes Schichtstapels weisen eine Längsausdehnung L entlang der Längsachse X auf. Die Schichten erstrecken sich ebenfalls entlang der Querachse Y in die Projektionsebene. Ein Strom I kann während der Positionserfassung an jeden Schichtstapel angelegt werden. Die Schichten der Stapel sind vertikal angeordnet, d. h. übereinander entlang einer vertikalen Achse Z.

Die Magnetfeldquelle 3 kann in der vorliegenden Ausführungsform ein Dauermagnet sein. Bevorzugt können ultradünne magnetische Miniatur-Dipole verwendet werden, um zu ermöglichen, den Stapel von Schichten magnetischen Feldern mit einem sehr hohen Gradienten auszusetzen. Eine Positionserfassungsauflösung von weniger als < 200 pm über 100 kHz kann erreicht werden. Die Magnetfeldquelle 3 ist im vorliegenden Fall von rechtwinkliger Form mit einer Breite W entlang der Längsachse X, einer nicht sichtbaren Tiefe entlang der Querachse Y und einer Höhe H entlang der vertikalen Achse Z. Die Breite W des Magneten überschreitet die Längsausdehnung L des Schichtstapels.

In der vorliegenden Position fällt eine Dipolachse DA der Magnetfeldquelle 3 mit einer zentralen Sensorachse SA der MR-Elemente 1 und 2 zusammen, die bevorzugt mechanisch gekuppelt sind und ihre Position in Bezug zueinander nicht ändern. Das bedeutet, dass die Magnetfeldquelle 3 über den MR-Elementen 1 und 2 zentriert ist. Die Magnetfeldquelle 3 stellt ein Magnetfeld bereit, das mit gestrichelten Linien veranschaulicht wird und praktisch in einen ersten Abschnitt B1 und einen zweiten Abschnitt B2 getrennt werden kann. Wie aus 1 abgeleitet werden kann, können die Magnetfeldlinien von beiden Abschnitten B1 und B2 die Schichtstapel der ersten und der zweiten MR-Elemente 1 und 2 beeinflussen und sich daher auf die Magnetisierungsausrichtung der ferromagnetischen Schichten 113 und/oder 111 oder 213 und/oder 211 auswirken. Beide Abschnitte B1 und B2 sind beim Auftreffen auf das erste MR-Element 1 durch einen hohen Gradienten gekennzeichnet, was zum Erzielen einer hohen Auflösung erwünscht ist, da schon kleine Änderungen der Position der entsprechenden Magnetfeldquelle 3 eine Neuausrichtung der magnetischen Domänenausrichtung in den ferromagnetischen Schichten 111, 113 verursachen können, was wiederum die Leitfähigkeit des Schichtstapels beeinflussen kann. Dasselbe gilt in Bezug auf das zweite MR-Element 2.

Während daher in herkömmlichen Positionssensoranordnungen die Magnetfeldquelle mit ihrer Dipolachse DA parallel zu einer Erfassungsrichtung X des MR-Elements 1 ausgerichtet ist, die mit der Längsausdehnung der Schichten zusammenfällt, ist in der vorliegenden Ausführungsform die Magnetfeldquelle 3 mit ihrer Dipolachse DA senkrecht zur Erfassungsrichtung X der ersten und zweiten magnetoresistiven Elemente 1 und 2 ausgerichtet. Aus diesem Grund können sowohl ein hoher Gradient und eine geringe Stärke des Magnetfelds gleichzeitig erreicht werden. Die geringe Stärke des Magnetfelds ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Magnetfeldlinien durch eine Größe von Null verlaufen, da das Magnetfeld in dem betreffenden Abschnitt die Richtung wechselt, wenn es in Erfassungsrichtung projiziert wird.

2 zeigt Diagramme, die eine Auswirkung eines Magnetfelds einer Magnetfeldquelle 3 auf ein MR-Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Im Diagramm 2a) werden die Magnetfeldlinien eines magnetischen Dipols gezeigt, der einen ersten Magnetpol N und einen zweiten Magnetpol S aufweist, wobei der Effekt nur in Bezug auf ein einzelnes MR-Element gezeigt wird, dessen Längsausdehnung durch eine Linie B-B angegeben wird, wobei das MR-Element in verschiedenen Abständen D von dem Magneten positioniert werden kann, wie durch den Doppelpfeil angegeben. Die Magnetfeldlinien werden in einer Ebene gezeigt, die durch die Längsachse X und die vertikale Achse Z definiert wird. Im Diagramm 2b) wird eine entsprechende Flussdichte – auch als Stärke des Magnetfelds bezeichnet – über die Längsachse X gezeigt und wird insbesondere für verschiedene Abstände D zwischen der Magnetfeldquelle 3 und dem MR-Element gezeigt. Aus dem Diagramm 2b) kann abgeleitet werden, dass der Kraftlinienfluss an der Stelle der Dipolachse X = XD Null ist, während er für X außerhalb XD ungleich Null ist. Im Diagramm 2c) wird der entsprechende Gradient des Magnetfelds über die Längsachse X gezeigt und wird insbesondere für verschiedene Abstände D zwischen dem Magneten und dem magnetoresistiven Element mit D1 > D2 gezeigt. Aus dem Diagramm 2c) kann abgeleitet werden, dass an der Stelle der Dipolachse X = XD der Gradient einen Maximalwert hat, während der Gradient außerhalb der Dipolachse X = XD in seinem Absolutwert niedriger ist. Ferner kann aus dem Diagramm 2b) abgeleitet werden, das die magnetische Flussdichte umso niedriger ist, je größer der Abstand D ist, wogegen die magnetische Flussdichte umso höher ist, je näher das MR-Element in Bezug auf den Magneten angeordnet ist. Andererseits kann aus dem Diagramm 2c) abgeleitet werden, dass der maximale Gradientenwert bei X = XD umso höher wird, je näher das MR-Element an den Magneten herankommt.

In Bezug auf die Auflösung sind ein hoher Gradient und eine niedrige Flussdichte zur gleichen Zeit wünschenswert. Das Diagramm 2c) zeigt außerdem, dass eine Bestimmung des Abstands D bevorzugt auch die Linearität des Gradienten berücksichtigen kann. Es kann gleichzeitig wünschenswert sein, eine Positionssensorerfassung mit einer eher linearen Eigenschaft über den Erfassungsbereich bereitzustellen. Aus dem Diagramm 2c) kann jedoch abgeleitet werden, dass der maximale Gradient umso höher wird, je näher das magnetoresistive Element in Bezug auf die Magnetfeldquelle 3 angeordnet wird, der Gradient aber nach einem Punkt über den Erfassungsbereich weniger linear wird.

3 stellt ein Diagramm dar, das eine Auswirkung eines Magnetfelds auf elf magnetoresistives Element gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Es wird angenommen, dass der magnetische Dipol in der Längsposition x = 0 mittig auf dem magnetoresistiven Element 1 angeordnet ist, wie in 1 gezeigt, d. h. die Dipolachse DA fällt mit der Sensorachse SA zusammen. Wie aus 3 abgeleitet werden kann, besteht in einem Bereich links und rechts von x = 0 eine lineare Beziehung zwischen der Widerstandsänderung und x. An einer bestimmten Längsposition x tritt jedoch eine magnetische Sättigung ein, sodass die Widerstandsänderung für die Längsposition x nicht indikativ ist. Es ist jedoch nur elf ziemlich kurzer Erfassungsbereich um x, in dem Linearität besteht. Im Allgemeinen wird der Begriff Erfassungsbereich als der Bereich in der Ausdehnung X definiert, in dem keine Sättigung eintritt.

Andererseits zeigt das Diagramm in 3 den Effekt einer Veränderung des vertikalen Abstands zwischen dem magnetoresistiven Element und dem magnetischen Dipol: Es kann abgeleitet werden, dass bei kurzen vertikalen Abständen eine hohe Empfindlichkeit/ein hoher Anstieg erreicht werden kann, während bei längeren vertikalen Abständen die Empfindlichkeit abfällt. Andererseits wird der Erfassungsbereich um x bei längeren vertikalen Abständen breiter und eine Sättigung tritt nicht ein. Der magnetische Dipol kann in Bezug auf das magnetoresistive Element in einem vertikalen Abstand positioniert werden, sodass ein großer Gradient des angelegten Magnetfelds in dem Erfassungsbereich erreicht wird, während gleichzeitig über den Erfassungsbereich gute Linearitätseigenschaften bereitgestellt werden. Eine derartige Anordnung kann zu einer hohen Bandbreitenerfassung führen, andererseits aber zu einem begrenzten Erfassungsbereich aufgrund der magnetischen Sättigung.

Mit dieser Erkenntnis und unter erneuter Bezugnahme auf 1 folgt daraus, dass in einer ersten Ausführungsform, in der die Erfassungsrichtung entlang der Längsachse X verläuft und daher die zu bestimmende Position eine Position in X ist, Veränderungen der Position entlang der vertikalen Achse Z eine schwerwiegende Auswirkung auf das Messergebnis haben können. Zum Beispiel kann die Magnetfeldquelle 3 an einem Objekt befestigt sein, während das erste und zweite MR-Element 1 und 2 ortsfest sind. Die Position dieses Objekts entlang der Längsachse X soll bestimmt werden, allerdings ist es möglich, dass das Objekt nicht immer eine feste z-Position einnimmt, sondern entlang der vertikalen Achse Z Störungen erfährt. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, das zweite MR-Element 2 am gegenüberliegenden Ende der Magnetfeldquelle 3 bereitzustellen, d. h. dem zweiten Magnetpol S zugewandt, während das erste MR-Element 1 dem ersten Magnetpol N der Magnetfeldquelle 3 zugewandt ist.

In dem Beispiel von 1 wird angenommen, dass ein Abstand D1 zwischen dem ersten MR-Element 1 und der Magnetfeldquelle 3 kleiner als ein Abstand D2 zwischen dem zweiten MR-Element 2 und der Magnetfeldquelle 3 ist. Ein Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten MR-Element 1, 2 ist jedoch fest. Durch Kombinieren von Ausgangssignalen des ersten und des zweiten MR-Elements 1, 2 können alle Veränderungen in der vertikalen Achse Z zwischen der Magnetfeldquelle 3 und dem ersten und dem zweiten MR-Element 1, 2 ausgeglichen werden.

Dies kann durch die Diagramme in 5 veranschaulicht werden. Diagramm 5a) veranschaulicht ein Ausgangssignal R1 des ersten MR-Elements 1 von 1 für variierende Abstände D1 von der Magnetfeldquelle 3, wobei die dunkleren Kurven DC größere Abstände D1 darstellen, z. B. kann die dunkle Kurve ganz außen einen Abstand D1 von 400 μm darstellen, während die helleren Kurven BC kleinere Abstände D1 darstellen, z. B. kann die helle Kurve ganz innen einen Abstand D1 von 100 μm darstellen. Dasselbe wird im Diagramm 5b) für das zweite MR-Element 2 gezeigt, wobei die verschiedenen Kurven hier für variierende Abstände D1 abgebildet sind, was andererseits zu variierenden Abständen D2 führt. Die dunkle Kurve DC ganz innen stellt einen Abstand D1 von 400 μm dar, d. h. einen kleinen Abstand D2, während die helle Kurve BC ganz außen einen Abstand D1 von 100 μm darstellt, was zu einem größeren Abstand D2 führt. Das Diagramm 5c) veranschaulicht eine Addition von Ausgangssignalen R1 + R2 für variierende Abstände D1, wiederum unter der Annahme, dass die dunkle Kurve DC D1 = 400 μm darstellt und die helle Kurve BC D1 = 100 μm darstellt. Daher kann aus dem Diagramm 5c) abgeleitet werden, dass in dem vorliegenden Beispiel das Ausgangssignal R1 + R2 in einem Erfassungsbereich zwischen 375 μm und 385 μm und 415 μm und 425 μm linear und unabhängig von Veränderungen der Magnetfeldquelle in z-Richtung ist.

Ein Blockschaubild dieser Ausführungsform ist in 4 gezeigt, das die Magnetfeldquelle 3 und ein erstes und ein zweites MR-Element 1, 2 aufweist, die den Magnetpolen N(orden) und S(üden) zugewandt sind, wobei das erste Ausgangssignal R1 des ersten MR-Elements 1 und das zweite Ausgangssignal R2 des zweiten MR-Elements 2 durch eine Messeinheit 4 addiert werden, die in diesem Beispiel einen einfachen Addierer aufweist.

Das Diagramm in 7 zeigt die Kurven für variierende vertikale Positionen der Magnetfeldquelle 3, was dem variierenden Abstand D1 von 1 entspricht, wenn die Ausgangssignale R2 und R1 voneinander subtrahiert werden. In einem x-Bereich von 385 μm bis 415 μm ist die Sensoranordnung besonders empfindlich gegenüber Veränderungen entlang der vertikalen Achse Z. Daher kann die zu erfassende Position auch eine z-Position statt einer in x-Position sein, oder in einer anderen Ausführungsform können sowohl x-Position als auch z-Position gleichzeitig erfasst werden.

Ein Blockschaubild einer entsprechenden Sensoranordnung wird in 6 gezeigt, die sich von der Ausführungsform in 4 dadurch unterscheidet, dass die Messeinheit 4 ein Subtraktionselement zum Subtrahieren des zweiten Ausgangssignals R2 von dem ersten Ausgangssignal R1 enthält.

In dem schematischen Schaubild von 8 wird nur ein unterer Abschnitt der Sensoranordnung gezeigt, die eine Magnetfeldquelle 3 aufweist. Statt eines einzelnen ersten MR-Elements 1 sind zwei erste MR-Elemente 11 und 12 in einer Reihe entlang der Längsachse X angeordnet, wobei beide MR-Elemente 11 und 12 der Magnetfeldquelle 3 und insbesondere deren erstem Magnetpol N zugewandt sind. In diesem Beispiel ist die Dimension der Magnetfeldquelle 3, die bevorzugt ein Dauermagnet ist, derart, dass sich das Magnetfeld nicht nur auf das erste MR-Element 11, sondern auch auf das angrenzende andere erste MR-Element 12 auswirkt. Zu diesem Zweck wird bevorzugt, dass die Magnetfeldquelle 3 eine Breite W entlang der Längsachse X aufweist, die die Längsausdehnung L der ersten MR-Elemente 11, 12 überschreitet.

Das Diagramm 9a) zeigt zwei entsprechende Ausgangssignale R11 und R12 der ersten MR-Elemente 11, 12 als zwei Impulse, wenn sich diese Magnetfeldquelle 3 vorbeibewegt. Wenn die Ausgangssignale R11 und R12 durch Subtraktion kombiniert werden, z. B. durch Subtrahieren von R12 von R111, wie in 8 veranschaulicht, wird das sich daraus ergebende Messsignal R11–R12 („Sensordifferenz”) als das obere Diagramm im Diagramm 9a) dargestellt. Es kann abgeleitet werden, dass der lineare Erfassungsbereich in der x-Richtung im Vergleich zur Verwendung nur eines einzigen MR-Elements 11 erweitert ist.

Die Kurven im Diagramm 9a) stammen aus einer Anordnung der MR-Elemente 11 und 12 von 8 in x-Richtung, die z. B. eine Lücke dazwischen lässt. Daher zeigen die einzelnen Kurven nur eine kleine Überlappung, was im Vergleich mit dem Erfassungsbereich eines einzelnen MR-Elements zu einer Erweiterung des Erfassungsbereichs um einen Faktor ~2 führt. Die Kurven im Diagramm 9b) stammen aus einer engeren Anordnung der MR-Elemente 11 und 12 in x-Richtung als im Diagramm 9a). Daher ist die Überlappung der einzelnen Kurven größer, was im Vergleich mit dem Erfassungsbereich eines einzelnen MR-Elements zu einem Erfassungsbereichs führt, der kleiner als um einen Faktor ~2 ist. Die Empfindlichkeit übertrifft jedoch diejenige von Diagramm 9a). Daher ist ersichtlich, dass die Empfindlichkeit und der Erfassungsbereich dadurch abgestimmt werden können, wie nahe die MR-Elemente einer Reihe in Bezug zueinander angeordnet sind.

Das Diagramm 11 zeigt, wie mehrere MR-Elemente – in dem vorliegenden Beispiel fünf – zum Erweitern des Erfassungsbereichs in einer Reihe angeordnet werden können und deshalb eine Positionserfassung in einem breiteren Erfassungsbereich x als mit einem einzelnen MR-Element ermöglichen können.

Im Blockschaubild von 10 wird dieses Erfassungskonzept für vier erste MR-Elemente 11, 12, 13 und 14 gezeigt, wobei die Subtraktion der zugehörigen Ausgangssignale R12, R13 und R14 vom Ausgangssignal R11 – einschließlich einer skalaren Multiplikation 41 der Ausgangssignale R13 und R14 – zu einem Messsignal führt, das einen erweiterten Erfassungsbereich unterstützt.

In 12 wird das Erfassungsmerkmal eines einzelnen MR-Elements gezeigt, einerseits mit nicht-festgelegten magnetischen Schichten als durchgezogene Linie und andererseits mit einer festgelegten magnetischen Schicht als gestrichelte Linie. Aus dem Merkmal des MR-Elements mit der festgelegten magnetischen Schicht kann abgeleitet werden, dass durch Addieren der Ausgangssignale von mehreren ersten MR-Elementen, in diesem Beispiel vier, der lineare Erfassungsbereich erweitert werden kann. Dies ist in 13 gezeigt.

14 veranschaulicht einen unteren Abschnitt einer Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier wird eine Reihe von mehreren ersten MR-Elementen 11 bis 1N bereitgestellt. Die MR-Elemente 11 bis 1N unterscheiden sich jedoch in ihrer Anordnung entlang der vertikalen Achse Z. Ein mittleres magnetoresistives Element 1m der Reihe ist von allen ersten magnetoresistiven Elementen 11 bis 1N in einem engsten vertikalen Abstand von der Magnetfeldquelle 3 angeordnet. Im Gegensatz dazu sind die magnetoresistiven ersten Elemente 11 und 1N ganz außen der Reihe in einem weitesten vertikalen Abstand von der Magnetfeldquelle 3 angeordnet. Daher passt sich die Anordnung der einzelnen ersten MR-Elemente 11 bis 1N der Form des Magnetfelds an, insbesondere, wenn eine Mittenposition der Magnetfeldquelle 3 über das mittlere MR-Element 1m, wie in 14 gezeigt, als Arbeitsposition betrachtet wird. Daher folgen die MR-Elemente 11 bis 1N einem Höhenprofil in der Anordnung in vertikaler Richtung. 15 veranschaulicht ein entsprechendes Merkmal für eine Erfassungsanordnung mit einem Höhenprofil.

Die Ausführungsformen gemäß 8 bis 13 werden zum Erweitern des Erfassungsbereichs und/oder der Empfindlichkeit eingebracht. Der zugrunde liegende Erfindungsgedanke ist, mehrere MR-Elemente zu verwenden, die in einer Reihe in nächster Nähe zu einem der Magnetpole positioniert werden, um den Bereich und/oder die Auflösung der Sensoranordnung zu vergrößern. Natürlich wird bevorzugt, dass die Anordnung der zweiten MR-Elemente gegenüber dem zweiten Magnetpol die Anordnung der ersten MR-Elemente spiegelt.

Die Anordnung von mehreren ersten MR-Elementen und die entsprechenden Konzepte zum Kombinieren der jeweiligen Ausgangssignale, wie in 8 bis 13 vorgestellt, kann auch unabhängig von einem oder mehreren zweiten MR-Elementen 2 angewendet werden, d. h. sie kann ohne ein oder mehrere MR-Elemente 2 an dem gegenüberliegenden Magnetpol angewendet werden. Daher wird in einer Ausführungsform eine Auslegung mit zwei oder mehr Sensoren mit einer anderen Auslesekonfiguration vorgeschlagen, die den Erfassungsbereich und/oder die Auflösung durch Nutzung der Merkmale von nicht festgelegten GMR-Spinventilen erhöht. Ferner wird ein Konzept von höhenprofilierten Sensoren und Erfassungselementen eingebracht, das ein Formen des Sensors in der vertikalen Richtung dem Magnetfeld entsprechend ermöglicht und die Sättigung der Erfassungselemente vermeidet. Dadurch kann der Bereich des Sensors ohne Verlust von Empfindlichkeit und Auflösung beträchtlich erhöht werden. Ferner wird ein Konzept für eine breite Erfassung mit festgelegten GMR-Spinventilen vorgestellt. Hier werden die besonderen Sensormerkmale von festgelegten GMR-Spinventilen dazu verwendet, den Erfassungsbereich in einem zusätzliche Auslesekonzept zu erweitern.

16 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Im vorliegenden Fall weist die Sensoranordnung vier erste MR-Elemente 11 bis 14 und vier zweite MR-Elemente 21 bis 24 auf. Die Anzahl lässt sich jedoch problemlos erweitern. Wiederum ist die Magnetfeldquelle 3 in Form eines Dauermagneten zwischen den ersten und zweiten MR-Elementen 1m und 2n angeordnet und in x-Richtung bewegbar. In dieser Ausführungsform ist die Magnetfeldquelle 3 in Bezug auf die magnetoresistiven Elemente 1m, 2n so dimensioniert, dass das Magnetfeld nur ein einziges der ersten und ein einziges der zweiten MR-Elemente beeinflusst, d. h. genau dieses erste und zweite MR-Element 1m und 1n, zwischen denen sich die Magnetfeldquelle 3 während des Vorbeibewegens in x-Richtung befindet, wobei es sich um die MR-Elemente 13 und 23 in 16 handelt. Dies wird durch eine Dimensionierung einer Breite W der Magnetfeldquelle auf weniger als eine Länge L von jedem der MR-Elemente 1m, 2n erreicht. In einer derartigen Anordnung stellen die MR-Elemente 12, 14 und 22, 24, die an das erste und zweite MR-Element 13 und 23 angrenzen, die im vorliegenden Fall eine Widerstandsänderung in Form eines Impulses überwachen, wenn sich die Magnetfeldquelle 3 vorbeibewegt, keine bedeutende Änderung in ihren Ausgangssignalen bereit. Daher werden die Ausgangssignale der verschiedenen MR-Elemente einer Reihe nicht miteinander gemischt, sondern jeweils einzeln hinsichtlich des Auftretens eines Impulses ausgewertet, der ein Vorbeibewegen der Magnetfeldquelle 3 angibt. Mit der Kenntnis der Positionen der einzelnen MR-Elemente in der Abfolgeanordnung des ersten oder des zweiten MR-Elements 1m, 2n kann eine Position der Magnetfeldquelle 3 entlang der Längsachse X abgeleitet werden.

17 veranschaulicht ein Blockschaubild einer Sensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier werden die Konzepte der Ausführungsformen von 4 und 8 zusammengeführt. Dementsprechend werden zwei erste MR-Elemente 11 und 12 in einer Reihe angeordnet, die dem ersten Magnetpol N zugewandt ist, während zwei zweite MR-Elemente 21 und 22 in einer Reihe angeordnet werden, die dem zweiten Magnetpol S zugewandt ist. Die Ausgangssignale von den MR-Elementen einer gemeinsamen Reihe werden voneinander subtrahiert, während die Ergebnisse dieser Subtraktionen addiert werden. Daher stellt das Gesamtmesssignal ein Positionssignal in X dar, bei dem Abweichungen/Störungen in Z ausgeglichen werden, während gleichzeitig ein Erfassungsbereich in X durch Bereitstellen von zwei ersten und zwei zweiten MR-Elementen 11, 12 und 21, 22 nebeneinander erhöht wird.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lassen sich auf Positionserfassung in der Industrie, auf Lithografie und insbesondere in Verbindung mit Halbleitern anwenden, wie beispielsweise die Fertigung, EDA (Electronic Design Automation) und Testen von Halbleitereinheiten, und insbesondere elektromechanische Mikro- und/oder Nanoeinheiten. Jeder derartige Positionssensor kann sein Ergebnis drahtgebunden oder drahtlos an eine Auswertungseinheit übermitteln.