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用于位置感测的传感器装置和方法

阅读：671发布：2021-03-02

IPRDB可以提供用于位置感测的传感器装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开涉及一种用于位置感测的传感器布置，其包括第一磁阻元件(1)和第二磁阻元件(2)。磁场源(3)提供具有第一磁极(N)和第二磁极(S)的磁场。磁场源(3)布置在第一磁阻元件(1)和第二磁阻元件(2)之间，并使第一磁极(N)面向第一磁阻元件(1)并且使第二磁极(S)面向第二磁阻元件(2)。第一磁阻元件(1)布置在磁场中并且根据第一磁阻元件(1)相对于磁场源(3)的位置来提供第一输出信号(R1)。第二磁阻元件(2)布置在磁场中并且根据第二磁阻元件(2)相对于磁场源(3)的位置来提供第二输出信号(R2)。测量单元被配置成根据第一输出信号(R1)和第二输出信号(R2)来确定磁场源(3)相对于第一磁阻元件(1)和第二磁阻元件(2)的位置。，下面是用于位置感测的传感器装置和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于位置感测的传感器装置，包括：

第一磁阻元件(1)和第二磁阻元件(2)，所述磁阻元件(1、2)中的每一个包括层的堆叠(11)，所述堆叠(11)包括介于两个磁性层(111、113)之间的至少一个导电层(112)，所述磁性层具有沿着纵轴(X)的纵向延伸(L)和沿着横轴(Y)的横向延伸，磁场源(3)，其提供具有第一磁极(N)和第二磁极(S)的磁场，所述磁场源具有由沿着垂直轴(Z)延伸的所述第一和第二磁极(N、S)限定的偶极轴(DA)，所述垂直轴(Z)与由所述纵轴(X)和所述横轴(Y)限定的平面正交，以及测量单元，

其中，所述磁场源(3)布置在所述第一磁阻元件(1)和所述第二磁阻元件(2)之间，并使所述第一磁极(N)面向所述第一磁阻元件(1)并且使所述第二磁极(S)面向所述第二磁阻元件(2)，所述磁场源(3)能沿着所述垂直轴(Z)相对于所述第一磁阻元件(1)和第二磁阻元件(1)移动，所述磁场源(3)沿着所述垂直轴(Z)的位置(z)将由所述传感器装置来感测，其中，所述第一磁阻元件(1)布置在所述磁场中并且根据所述第一磁阻元件(1)相对于所述磁场源(3)的位置来提供第一输出信号(R1)，其中，所述第二磁阻元件(2)布置在所述磁场中并且根据所述第二磁阻元件(2)相对于所述磁场源(3)的位置来提供第二输出信号(R2)，其中，所述测量单元被配置成通过计算所述第一输出信号(R1)和所述第二输出信号(R2)之差来确定所述磁场源(3)沿着所述垂直轴(Z)的位置(z)相对于所述第一磁阻元件(1)和所述第二磁阻元件(2)的位置。

2.根据权利要求1所述的传感器装置，

其中，所述磁场源(3)能沿着所述纵轴(X)相对于所述第一磁阻元件(1)和第二磁阻元件(2)移动，所述磁场源(3)沿着所述纵轴(X)的位置(x)将由所述传感器装置来感测，并且其中，所述测量单元被配置成通过将所述第一输出信号(R1)和所述第二输出信号(R2)相加来确定沿着所述纵轴(X)的位置(x)。

3.根据权利要求1所述的传感器装置，包括：

多个第一磁阻元件(1)，其沿着所述纵轴(X)成行地布置在所述磁场中并且面向所述第一磁极(N)，和多个第二磁阻元件(2)，其沿着所述纵轴(X)成行地布置在磁场中并且面向所述第二磁极(S)。

4.根据权利要求3所述的传感器装置，

其中，所述磁场源(3)的尺寸相对于所述多个第一磁阻元件(1)被确定，使得所述磁场一次只影响所述多个第一磁阻元件(1)中的单个(1a)，而不影响相邻的第一磁阻元件(1b、

1c)，以及

其中所述磁场源(3)是永磁体，其宽度(W)小于所述第一磁阻元件(1)的纵向延伸(L)。

5.根据权利要求4所述的传感器装置，

其中，所述测量单元被配置成识别所述多个第一磁阻元件(1)中的单个第一磁阻元件(1a)，所述单个第一磁阻元件(1a)显示其第一输出信号(R1)中的改变，所述改变是由于磁场源(3)经过所述单个第一磁阻元件(1a)而导致的，以及其中，所述测量单元被配置成由单个第一磁阻元件(1a)在所述多个第一磁阻元件(1)的一行内的已知位置来得出沿着所述纵轴(X)的位置(x)。

6.根据权利要求3所述的传感器装置，

其中，所述磁场源(3)的尺寸相对于所述多个第一磁阻元件(1)被确定，使得所述磁场不仅影响所述多个第一磁阻元件(1)中的单个(1a)，而且影响相邻的第一磁阻元件(1b、

1c)，以及

尤其是其中所述磁场源(3)是永磁体，其沿着所述纵轴(X)的宽度(W)超过所述第一磁阻元件(1)的纵向延伸(L)。

7.根据权利要求6所述的传感器装置，

其中，所述多个第一磁阻元件(1)的所述磁性层(111、113)二者的磁化取向被解除固定，其中，所述测量单元被配置成将相邻的第一磁阻元件(1)的第一输出信号(R1)彼此相减，并且其中，所述测量单元被配置成根据所得的差信号来确定沿着所述纵轴(X)的位置(x)。

8.根据权利要求6所述的传感器装置，

其中，所述多个第一磁阻元件(1)的所述磁性层(111、113)中的一个的磁化取向被固定，其中，所述测量单元被配置成将相邻的第一磁阻元件(1)的第一输出信号(R1)相加，并且其中，所述测量单元被配置成根据所得的和信号来确定沿着所述纵轴(X)的位置(x)。

9.根据权利要求3所述的传感器装置，

其中，成行地布置的所述多个第一磁阻元件(1)沿着所述垂直轴(Z)彼此偏离。

10.根据权利要求4、6、8中任一项所述的传感器装置，

其中，中间的第一磁阻元件(1m)布置在一行所述多个第一磁阻元件(1)之中的离所述磁场源(3)最近的垂直距离处，并且其中，最靠外的第一磁阻元件(1)布置在一行所述多个第一磁阻元件(1)之中的离所述磁场源(3)最远的垂直距离处。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器装置，

其中，所述磁阻元件(1、2)和所述磁场源(3)中的一个被耦合到物体(5)，所述物体(5)的位置将由所述传感器装置来感测。

12.根据权利要求10所述的传感器装置，

其中，所述磁阻元件(1、2)和所述磁场源(3)中的一个被耦合到物体(5)，所述物体(5)的位置将由所述传感器装置来感测。

13.一种用于支持确定物体的位置的方法，包括：

将以下中的一个与所述物体(5)耦合：

-磁场源(3)，其提供具有第一磁极(N)和第二磁极(S)的磁场，以及-第一磁阻元件(1)和第二磁阻元件(2)，所述磁阻元件(1、2)中的每一个包括层的堆叠(11)，所述堆叠(11)包括介于两个磁性层(111、113)之间的至少一个导电层(112)，所述磁性层具有沿着纵轴(X)的纵向延伸(L)和沿着横轴(Y)的横向延伸，将所述磁场源(3)布置在所述第一磁阻元件(1)和所述第二磁阻元件(2)之间，所述磁场源具有由沿着垂直轴(Z)延伸的所述第一和第二磁极(N、S)限定的偶极轴(DA)，所述垂直轴(Z)与由所述纵轴(X)和所述横轴(Y)限定的平面正交，并使所述第一磁极(N)面向所述第一磁阻元件(1)并且使所述第二磁极(S)面向所述第二磁阻元件(2)以形成传感器装置，在测量单元接收根据所述第一磁阻元件(1)和第二磁阻元件(2)相对于所述磁场源(3)的位置(x)的、来自所述第一磁阻元件(1)和第二磁阻元件(2)的输出信号(R1、R2)，以及由测量单元通过计算第一输出信号(R1)和第二输出信号(R2)之差来确定所述物体(5)沿着所述垂直轴(Z)的位置(z)。

说明书全文

用于位置感测的传感器装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于位置感测的传感器布置和用于支持确定物体的位置的方法。

背景技术

[0002] 高带宽、高分辨率纳米级感测是纳米级科学与工程技术的关键使能技术。应用领域包括生命科学、扫描探针显微镜、半导体制造和材料科学。虽然目前可用的基于光学器件、电容器或感应线圈的位置传感器准确且快速，但它们不能缩小到用于微观结构或宏观结构的大规模逐点位置感测的微尺度。另一方面，热电位置传感器缩小到微尺度，但是它们具有低分辨率和带宽。

[0003] 已知的位置感测构思是基于磁阻(MR)属性。磁阻是夹在铁磁性层之间的导电层的电阻随着施加到这些层的磁场的改变而改变的属性。磁阻传感器通常使用该属性来感测磁场。

发明内容

[0004] 根据本发明一方面的实施例，提供了一种用于位置感测的传感器布置。该传感器布置包括第一磁阻元件、第二磁阻元件以及磁场源，其提供具有第一磁极和第二磁极的磁场。磁场源布置在所述第一磁阻元件和所述第二磁阻元件之间，并使所述第一磁极面向所述第一磁阻元件并且使所述第二磁极面向所述第二磁阻元件。所述第一磁阻元件布置在所述磁场中并且根据所述第一磁阻元件相对于所述磁场源的位置来提供第一输出信号。所述第二磁阻元件布置在所述磁场中并且根据所述第二磁阻元件相对于所述磁场源的位置来提供第二输出信号。测量单元被配置成根据所述第一输出信号和所述第二输出信号来确定所述磁场源相对于所述第一和第二磁阻元件的位置。

[0005] 在实施例中，所述传感器布置可包括以下特征中的一个或多个：

[0006] -所述磁阻元件中的每一个包括层的堆叠，所述堆叠包括介于两个磁性层之间的至少一个导电层，所述磁性层具有沿着纵轴的纵向延伸和沿着横轴的横向延伸，[0007] -所述磁场源具有由沿着垂直轴延伸的所述第一和第二磁极限定的偶极轴，所述垂直轴与由所述纵轴和所述横轴限定的平面正交，

[0008] -所述磁场源能沿着所述纵轴相对于所述第一和第二磁阻元件移动，所述磁场源沿着所述纵轴的位置将由所述传感器布置来感测，

[0009] -所述测量单元被配置成通过将所述第一输出信号和所述第二输出信号相加来确定沿着所述纵轴的位置，

[0010] -所述磁场源能沿着所述垂直轴相对于所述第一和第二磁阻元件移动，所述磁场源沿着所述垂直轴的位置将由所述传感器布置来感测，

[0011] -所述测量单元被配置成通过计算所述第一输出信号和所述第二输出信号之差来确定沿着所述垂直轴的位置，

[0012] -多个第一磁阻元件，其沿着所述纵轴成行地布置在所述磁场中并且面向所述第一磁极，

[0013] -多个第二磁阻元件，其沿着所述纵轴成行地布置在所述磁场中并且面向所述第二磁极，

[0014] -所述磁场源的尺寸相对于所述多个第一磁阻元件被确定，使得所述磁场一次只影响所述多个第一磁阻元件中的单个，而不影响相邻的第一磁阻元件，

[0015] -所述磁场源是永磁体，其宽度小于所述第一磁阻元件的纵向延伸，[0016] -所述测量单元被配置成识别所述多个磁阻元件中的单个第一磁阻元件，所述单个第一磁阻元件显示其第一输出信号中的改变，所述改变是由于磁场源经过所述单个第一磁阻元件而导致的，

[0017] -所述测量单元被配置成由单个第一磁阻元件在所述多个第一磁阻元件的一行内的已知位置来得出沿着所述纵轴的位置，

[0018] -所述磁场源的尺寸相对于所述多个第一磁阻元件被确定，使得所述磁场不仅影响所述多个第一磁阻元件中的单个，而且影响相邻的第一磁阻元件，

[0019] -所述磁场源是永磁体，其沿着所述纵轴的宽度超过所述第一磁阻元件的纵向延伸，

[0020] -所述多个第一磁阻元件的所述磁性层二者的磁化取向被解除固定(unpinned)，[0021] -所述测量单元被配置成将相邻的第一磁阻元件的第一输出信号彼此相减，[0022] -所述测量单元被配置成根据所得的差信号来确定沿着所述纵轴的位置，[0023] -所述多个第一磁阻元件的所述磁性层中的一个的磁化取向被固定(pinned)，[0024] -所述测量单元被配置成将相邻的第一磁阻元件的第一输出信号相加，[0025] -所述测量单元被配置成根据所得的和信号来确定沿着所述纵轴的位置，[0026] -成行地布置的所述多个第一磁阻元件沿着所述垂直轴彼此偏离，

[0027] -中间的第一磁阻元件布置在一行所述多个第一磁阻元件之中的离所述磁场源最近的垂直距离处，

[0028] -最靠外的第一磁阻元件布置在一行所述多个第一磁阻元件之中的离所述磁场源最远的垂直距离处，

[0029] -所述磁阻元件和所述磁场源中的一个被耦合到物体，所述物体的位置将由所述传感器布置来感测。

[0030] 根据本发明另一方面的实施例，提供了一种用于支持确定物体的位置的方法。将以下中的一个与所述物体耦合：磁场源，其提供具有第一磁极和第二磁极的磁场，以及第一和第二磁阻元件。将所述磁场源布置在所述第一磁阻元件和所述第二磁阻元件之间，并使所述第一磁极面向所述第一磁阻元件并且使所述第二磁极面向所述第二磁阻元件。接收根据所述第一和第二磁阻元件相对于所述磁场源的位置的、来自所述第一和第二磁阻元件的输出信号。根据第一输出信号和第二输出信号来确定所述物体的位置。

[0031] 针对位置传感器的方面描述的实施例还应当被视为结合诸如方法的其他类别中的任一个公开的实施例。

附图说明

[0032] 当结合附图参照下面对根据本发明的目前优选但说明性的实施例的详细描述，将更充分地了解本发明及其实施例。附图图示了：

[0033] 图1是根据本发明的实施例的传感器布置的框图，

[0034] 图2是图示根据本发明的实施例的磁场对磁阻元件的影响的示意图，[0035] 图3是图示根据本发明的实施例的磁场对磁阻元件的影响的示意图，[0036] 图4是根据本发明的实施例的传感器布置的框图，

[0037] 图5是图示如图4的传感器布置中执行的使第一和第二MR元件的输出信号相加的效果的示意图，

[0038] 图6是根据本发明的另一个实施例的传感器布置的框图，

[0039] 图7是图示如图6的传感器布置中执行的减去第一和第二MR元件的输出信号的效果的示意图，

[0040] 图8是根据本发明的其他实施例的传感器布置的框图，

[0041] 图9是图示如图8的传感器布置中执行的减去第一MR元件的输出信号的效果的示意图，

[0042] 图10是根据本发明的其他实施例的传感器布置的框图，

[0043] 图11是图示如图11的传感器布置中执行的减去第一MR元件的输出信号的效果的示意图，

[0044] 图12是带有和不带有固定的磁性层的MR元件的特性，

[0045] 图13是图示减去带有固定的磁性层的多个第一MR元件的输出信号的效果的示意图，

[0046] 图14是根据本发明的其他实施例的传感器布置的框图，

[0047] 图15是图14的传感器布置的特性，

[0048] 图16是根据本发明的另一个实施例的传感器布置的框图，以及

[0049] 图17是根据本发明的另一个实施例的传感器布置的框图。

具体实施方式

[0050] 作为对以下描述的介绍，首先指向关于基于磁阻效果的传感器布置的本发明的总体方面。

[0051] 磁阻传感器优选地包括含有层堆叠的磁阻元件，该层堆叠包括介于两个磁性层之间(优选地，介于两个铁磁性层之间)的至少一个导电层。具体地，磁阻元件是基于潜在效应的巨磁阻元件，其中，在包括夹在两个铁磁性层之间的非磁性导电层的层堆叠中，可观察到受铁磁性层中的磁化取向影响的电阻的改变。在没有外部磁场的情况下，对应铁磁性层的磁化取向是反平行的。通过向铁磁性层中的至少一个施加外部磁场，所涉及的磁化取向被改变，这进而导致两个铁磁性层中的磁化取向变得平行，从而造成层堆叠的电阻改变。层堆叠的电阻也被表示为磁阻元件的电阻。可监视电阻的改变并且将其当作存在施加的外部磁场的度量。当此外部磁场由附接于物体的磁场源产生时，可相对于磁阻元件来确定此物体的位置。具体地，当铁磁性层的磁化取向在平行对准到反平行对准之间或在反平行对准到平行对准之间改变时，可观察到导电层中的电阻显著改变。在铁磁性层的磁化取向的平行对准中，导电层中的电阻相当低，而在铁磁性层的磁化取向的反平行对准中，导电层中的电阻相当高。电导率的改变是基于自旋相关的界面电子散射。穿过磁阻元件的电子会显现由于导电层和铁磁性层之间界面处的自旋相关电子散射的增加而导致的铁磁性层中的反平行磁化取向上的短平均自由程，而电子会显现由于在铁磁性层显现平行磁化取向时自旋相关界面电子散射的减少而导致的较长的平均自由主程。

[0052] 磁阻元件因此优选地包括层堆叠，该层堆叠至少包括介于两个铁磁性层之间的一个导电层，但是该层堆叠可包括夹在相邻的铁磁性层之间的多个导电层，其中，可最终测量层堆叠的整体电阻并且允许确定场产生磁体相对于磁阻元件的位置。所施加的外部磁场会造成这些铁磁性层中的磁化取向从反平行对准切换成平行对准或反之亦然。一般而言，并且对于本发明的目前实施例具体而言，两个铁磁性层的磁化取向可以是浮动的，或者可供选择地，铁磁性层中的一个的磁化取向可被固定，使得其磁化取向即使在施加了外部磁场的情况下也不会改变。然后，外部磁场只可作用在另一个铁磁性层上并且造成其磁化取向随着磁体占据的位置而改变。

[0053] 在本发明的目前实施例的背景下，使用以下几何定义：层堆叠中的层可具有沿着纵轴的纵向延伸和沿着横轴的横向延伸。因此，堆叠的高度沿着垂直轴与由纵轴和横轴所限定的平面正交。磁阻元件的传感器中心轴被定义为沿着垂直轴的轴线，并且位于层的纵向延伸的一半处。优选地，假设磁场源和/或包括磁场源的物体至少能沿着纵轴移动，这意味着磁场源能沿着层堆叠中的层的纵向延伸移动。优选地，磁场源布置在与磁阻元件相距垂直距离D＞0处，使得磁场源和磁阻元件的上表面沿着垂直轴分隔距离D。此外，磁场源提供了带有北(N)极和南(S)极的磁场。假设偶极轴是N极和S极之间的直线连接。

[0054] 在常规的磁阻位置感测构思中，磁体的磁偶极子的偶极轴平行于促成磁阻元件的层堆叠中的层的纵向延伸地被对准。假定磁场的梯度导致产生一个或多个铁磁性层的磁化取向改变，则观察到在常规构思中，沿着堆叠中的各层的纵向延伸的磁场梯度相当低。梯度被定义为任何位置处的磁通量变化。然而，假定沿着堆叠中的各层的纵向延伸的磁场的梯度越高，感测方案的灵敏度/分辨率越高，则仅仅磁体位置的小改变会对铁磁性层的磁化取向造成影响，这是因为这种位置的小改变仍然因高梯度而造成磁通量的大幅改变。另外，观察到对于诸如矩形永磁体的典型磁体几何形状而言，在与磁体相距给定距离处的磁场的绝对强度随着梯度而增加。由于磁场强度有上限，达到该上限之后磁阻元件饱和，所以可有效用于感测的磁场梯度受到限制。

[0055] 根据本发明的实施例，磁场源的偶极轴与由纵轴和横轴限定的平面正交地对准。因此，偶极轴也与磁阻元件的感测方向正交，该感测方向是由纵轴方向上的堆叠中的各层的纵向延伸限定的。在该本文背景下，正交应当包括+/-20°度的容差，即，假定偶极轴被布置成相对于由纵轴和横轴限定的平面在70°至110°度的范围。

[0056] 在本发明的一个实施例中，磁场源是大小与层堆叠的大小相当的永磁体。这包括沿着纵轴的永磁体宽度，该宽度与堆叠中的各层的纵向延伸相当。在该上下文中，“相当”优选地包括不超过堆叠中的各层的纵向延伸十倍并且优选地不小于堆叠中的各层的纵向延伸一半的永磁体宽度。在非常优选的实施例中，磁体在由纵轴和垂直轴限定的平面中为矩形形状，而在另一非常优选的实施例中，为立方体形状或直角棱柱形立方体形状。根据本发明的另一个实施例，磁体源被实施为电磁体。

[0057] 本思路是将磁阻元件置于磁偶极子的两个极。通过这样做，可实现全新的感测方案。在一个实施例中，可使用布置在磁场源的相反极处的传感器来抑制磁阻元件对垂直方向上的运动的固有灵敏度。这可以是在一维感测应用中非常重要的特别强大的技术。在另一个实施例中，在不同的读出配置中使用双极感测来增加垂直轴上的灵敏度，因此能够在两个方向上同时进行感测。因此，双极感测的构思具有许多优点。

[0058] 在附图中，用相同的参考符号来表示相同或相似的元件。

[0059] 图1图示了根据本发明的实施例的传感器布置的示意性侧剖图，该传感器布置包括第一磁阻元件1(简言之，第一MR元件1)、第二磁阻元件2(简言之，第二MR元件2)和磁场源3。

[0060] 第一MR元件1和第二MR元件2是特别导致巨磁阻现象的元件，其中，在薄磁性多层中一个或多个导电层之间发生自旋耦合。第一MR元件1包括布置在基板12上的层堆叠，该层堆叠至少包括第一铁磁性层111、导电非磁性层112和第二铁磁性层113。当没有施加外部磁场时，铁磁性层111和113的磁矩自然地相对于彼此反平行地对准。在施加足够强度的外部磁场的情况下，铁磁性层111和113中的磁矩变得平行，即，铁磁性层111和113中的磁化取向被平行对准。铁磁性层111和113中的反平行磁化取向导致穿过层堆叠的电子的平均自由程相当低，从而造成层堆叠中的电阻相当高。另一方面，铁磁性层111和113中的平行磁化取向导致穿过层堆叠的电子的平均自由程相当高，从而造成层堆叠中的电阻相当低。该效应是基于电子散射对层111、112和113的界面处的自旋取向的依赖性。对于包括布置在基板22上的层堆叠的第二MR元件2，同样如此，该层堆叠至少包括第一铁磁性层211、导电非磁性层212和第二铁磁性层213。

[0061] 每个层堆叠中的各层显现沿着纵轴X的纵向伸上L。这些层还沿着横轴Y延伸到投影平面中。在位置感测期间，可向每个层堆叠施加电流I。堆叠中的各层被垂直布置，即，沿垂直轴Z一个叠一个地布置。

[0062] 在本实施例中，磁场源3可以是永磁体。优选地，可使用微型超薄磁偶极子使层的堆叠能够暴露于具有非常高梯度的磁场。可实现在100kHz上小于＜200pm的位置感测分辨率。磁场源3目前是矩形形状，具有沿着纵轴X的宽度W、沿着横轴y不可见的深度以及沿垂直轴Z的高度H。磁体的宽度W超过层堆叠的纵向延伸L。

[0063] 在当前位置，磁场源3的偶极轴DA与MR元件1和2的传感器中心轴SA重合，MR元件1和2优选地被机械耦合并且不改变相对于彼此的位置。这意味着，磁场源3在MR元件1和2上方居中。磁场源3提供用虚线图示的磁场，该虚线可实质上被分成第一部分B1和第二部分B2。从可从图1中推导出的，来自部分B1和B2二者的磁场线会影响第一MR元件1和第二MR元件2的层堆叠，如此，影响铁磁性层113和/或111、和213和/或211的磁化取向。当满足实现高分辨率所期望的第一MR元件1时，两个部分B1和B2符合高梯度，这是因为对应磁场源3的位置的小改变却可能造成磁畴取向在铁磁性层111、113中重新对准，进而会影响层堆叠的导电性。相对于第二MR元件2，同样如此。

[0064] 因此，虽然在传统位置传感器布置中，将磁场源平行于与层的纵向延伸一致的MR元件1的感测方向X地对准其偶极轴DA，但在本实施例中，将磁场源3与第一磁阻元件1和第二磁阻元件2的感测方向X正交地对准其偶极轴DA。出于此原因，可同时实现磁场的高梯度和低强度二者。磁场的强度低是归因于磁场线穿过零幅度的事实，这是因为当投影到感测方向时所涉及的部分中的磁场改变方向。

[0065] 图2是示出图示了根据本发明的实施例的磁场源3的磁场对MR元件的影响的示意图。在图2a)中，示出了包括第一磁极N和第二磁极S的磁偶极子的磁场线，其中，只示出针对单个MR元件的效果，该MR元件的纵向延伸由线B-B指示，该MR元件可设置在与磁体相距不同的距离D处，如双箭头所指示的。示出由纵轴X和垂直轴Z限定的平面中的磁场线。在示意图2b)中，在纵轴X上示出对应的磁通密度(也被表示为磁场强度)，并且具体地，针对磁场源3和MR元件之间的不同距离D，示出磁通密度。可从示意图2b)中推导出，在偶极轴X＝XD的位置处，磁通量为零，而对于XD外部的X，磁通量不为零。在示意图2c)中，在纵轴X上示出磁场的对应梯度，并且具体地，针对磁体和磁阻元件的不同距离D(D1＞D2)，示出磁场的对应梯度。可从示意图2c)中推导出，在偶极轴X＝XD的位置处，梯度具有最大值，而在偶极轴X＝XD的外部，梯度的绝对值较小。还可从示意图2b中推导出，距离D越大，磁通密度越小，而MR元件相对于磁体布置地越近，磁通密度越高。另一方面，可从示意图2c)中推导出，MR元件离磁体越近，在X＝XD处，最大梯度值变得越高。

[0066] 就分辨率而言，同时期望高梯度和低磁通密度。另外，示意图2c)示出距离D的确定还可优选地考虑到梯度的线性。同时可能期望提供在感测范围内以相当的线性性质进行感测的位置传感器。然而，从示意图2c中，可推导出磁阻元件相对于磁场源3布置得越近，最大梯度变得越高，但在某一点之后，整个感测范围内的梯度变得线性较低。

[0067] 图3描绘图示了根据本发明的实施例的磁场对磁阻元件的影响的示意图。假定在X＝0纵向位置时，磁偶极子居中布置在诸如图1中示出的磁阻元件1上，即，偶极轴DA与传感器轴SA重合。如可从图3中推导出的，在x＝0左右的区域中，电阻改变与x之间存在线性关系。然而，在某个纵向位置x，发生磁饱和，使得电阻的改变并不指示纵向位置x。然而，在其中给定了线性的x中，只有相当短的感测范围。通常，术语“感测范围”被定义为其中没有发生饱和的维度X中的范围。

[0068] 另一方面，图3中的示意图示出变化磁阻元件和磁偶极子之间的垂直距离的效果。可推导出，对于短垂直距离，可实现高灵敏度/斜率，而对于较长垂直距离，灵敏度下降。另一方面，对于较长垂直距离，x中的感测范围加宽，并且不发生饱和。磁偶极子可相对于磁阻元件以垂直距离设置，使得在感测范围中实现被施加的磁场的大梯度，而同时，提供感测范围内的良好线性性质。此布置可导致高带宽感测，但另一方面，导致归因于磁饱和的有限感测范围。

[0069] 基于这种认识并返回到图1，由此断定，在第一实施例中，其中感测方向是沿着纵轴X并且因此要确定的位置是X中的位置，沿着垂直轴Z的位置的变化可对测量结果产生大影响。例如，在第一MR元件1和第二MR元件2静止的同时，将磁场源3附接于物体。然而，要确定沿着纵轴X的物体的位置，但是物体可能不总是占据固定的z位置，而是可能沿着垂直轴Z受到干扰。为此原因，建议将第二MR元件2设置在磁场源3的相对端，即，面向第二磁极S，而第一MR元件1面向磁场源3的第一磁极N。

[0070] 在图1的示例中，假设第一MR元件1和磁场源3之间的距离D1小于第二MR元件2和磁场源3之间的距离D2。然而，第一MR元件1和第二MR元件2之间的距离是固定的。通过组合第一MR元件1和第二MR元件2的输出信号，可以使磁场源3与第一MR元件1和第二MR元件2之间的垂直轴Z上的任何变化变平缓。

[0071] 这是用图5中的示意图图示的。示意图5a)针对与磁场源3相距不同的距离D1图示了图1的第一MR元件1的输出信号R1，其中，较深的曲线DC代表较大的距离D1，例如，最靠外的暗曲线可代表400μm的距离D1，而较亮曲线BC代表较小的距离D1，例如，最靠内的亮曲线可代表100μm的距离D1。对于第二MR元件2，示意图5b)中示出的相同，其中，这里，针对不同的距离D1绘制了各种曲线，不同的距离D1另一方面导致了不同的距离D2。最靠内的暗曲线DC代表距离D1为400μm，即，小距离D2，而最靠外的亮曲线BC代表距离D1为100μm，100μm的距离D1导致较大的距离D2。图5c)图示了同样在假设暗曲线DC代表D1＝400μm而亮曲线BC代表D1＝100μm的情况下针对不同距离D1的相加的输出信号R1+R2。因此，可从图5c)中推导出，在本示例中，在375μm和385μm以及415μm和425μm之间的感测范围内，输出信号R1+R2是线性的并且与磁场源在z方向上的变化无关。

[0072] 在图4中示出了该实施例的框图，该框图包括磁场源3和面向磁极N(北)和S(南)的第一MR元件1和第二MR元件2，其中，第一MR元件1的第一输出信号R1和第二MR元件2的第二输出信号R2由测量单元4相加，在该示例中，测量单元4包括简单的加法器。

[0073] 图7中的示意图示出了针对磁场源3的不同垂直位置的曲线，其等同于在将输出信号R2和R1彼此相减时图1的不同距离D1。在385μm至415μm的x范围中，传感器布置对于沿着垂直轴Z的变化特别敏感。因此，待感测的位置还可以是z位置而非x位置，或者在另一个实施例中，可同时感测x位置和z位置二者。

[0074] 图6中示出了对应的传感器布置的框图，其与图4中的实施例的不同之处在于，测量单元4包含用于将第一输出信号R1减去第二输出信号R2的减法元件。

[0075] 在图8的示意图中，只示出包括磁场源3的传感器布置的下部部分。作为单个第一MR元件1的替代，将两个第一MR元件11和12沿着纵轴X布置成一行，MR元件11和12二者都面向磁场源3，具体地，面向其第一磁极N。在该示例中，优选地为永磁体的磁场源3的尺寸使得磁场不仅影响第一MR元件11，而且影响相邻的另一个第一MR元件12。为此，优选地，磁场源3沿着纵轴X的宽度W超过第一MR元件11、12的纵向延伸L。

[0076] 示意图9a)将当该磁场源3经过时第一MR元件11、12的两个对应输出信号R11和R12示出为两个脉冲。当通过减法将输出信号R11和R12组合(例如，通过如图8中所示的那样从R11中减去R12)时，所得到的测量信号R11-R12(“传感器之差”)被描绘为示意图9a)中的上部曲线图。可推导出，与只使用单个MR元件11相比，x方向上的线性感测范围被增强。

[0077] 示意图9a)中的曲线源于图8的MR元件11和12在x方向上的布置，例如，在其间留有间隙。因此，个体曲线只显现出小的重叠，该小的重叠造成与单个MR元件的感测范围相比，感测范围延伸了约2倍。替代地，示意图9b)中的曲线源于MR元件11和12在x方向上比示意图9a)的更靠近的布置。因此，个体曲线的重叠较大，这造成与单个MR元件的感测范围相比，感测范围小了约2倍。然而，灵敏度超过示意图9a)的灵敏度。因此，可看出，可通过将一行MR元件相对于彼此布置地多近来调节灵敏度和感测范围。

[0078] 示意图11示出了多个MR元件(在本示例中，五个)可如何布置成行以提高感测范围，并因此允许相比于使用个体MR元件，在更宽的感测范围x内进行位置感测。

[0079] 在图10的框图中，示出了将该感测构思用于四个第一MR元件11、12、13和14，其中，将关联输出信号R12、R13和R14从输出信号R11中减去(包括输出信号R13和R14的标量乘41)导致支持提高的感测范围的测量信号。

[0080] 在图12中，一方面用解除固定磁性层作为直线，另一方面用一个固定磁性层作为虚线，示出个体MR元件的感测特性。根据具有固定磁性层的MR元件的特性，可推导出，通过将多个第一MR元件(在该示例中，为四个)的输出信号相加，可提高线性感测范围。这在图13中示出。

[0081] 图14图示了按照本发明的另一个实施例的传感器布置的下部部分。这里，提供一行多个第一MR元件11至1N。然而，MR元件11至1N在其沿着垂直轴Z的布置上有所不同。该行中的中间磁阻元件1m布置在所有第一磁阻元件11至1N之中的相距磁场源3最近的垂直距离处。相比之下，该行中的最靠外磁阻第一元件11和1N布置在相距磁场源3最远的垂直距离处。因此，个体第一MR元件11至1N的布置调节成磁场的形状，尤其是在如图14中所示的中间MR元件1m上方的磁场源3的中心位置被视为操作位置。因此，MR元件11至1N符合垂直方向上的布置中的高度分布。图15图示了用于具有高度分布的感测布置的对应特性。

[0082] 为了提高感测范围和/或灵敏度而引入了根据图8至图13的实施例。基本思路是要使用处于与磁极中的一个紧邻的一行中的多个MR元件来增加传感器装置的范围和/或分辨率。当然，优选地，与第二磁极相对的第二MR元件的布置是第一MR元件的布置的镜像。

[0083] 然而，多个第一MR元件的布置和组合如图8至图13中介绍的相应输出信号的对应构思也可与一个或多个第二MR元件独立地应用，即，可在相对的磁极处没有一个或多个第二MR元件2的情况下应用。因此，在一个实施例中，提出了具有差分读出的两个或更多个传感器的配置，该配置通过利用解除固定的GMR阀的特性来增加感测范围和/或分辨率。另外，引入高度分布传感器和感测元件的构思，该构思能够根据磁场将传感器在垂直方向上塑形并且避免感测元件饱和。通过这样做，可在不损失灵敏度和分辨率的情况下，显著增加传感器的范围。此外，提出了具有固定的GMR阀的大范围感测构思。这里，使用固定的GMR阀的特定传感器特性来显著提高加法读出方案中的感测范围。

[0084] 图16图示了根据本发明的传感器布置的另一个实施例。目前，传感器布置包括四个第一MR元件11至14和四个第二MR元件21至24。然而，可容易地提高该数量。同样，永磁体形式的磁场源3布置在第一MR元件1m和第二MR元件2n之间，并且能在x方向上移动。在该实施例中，相对于磁阻元件1m、2n确定磁场源3的尺寸，使得磁场只影响第一MR元件中的单个和第二MR元件中的单个，即，精确地，在沿x方向经过期间磁场源3位于其间的这些第一MR元件1m和第二MR元件1n中的单个第一和第二MR元件，其是图16中的MR元件13和23。这可通过确定磁场源的宽度W的尺寸使其小于MR元件1m、2n中的任一个的长度L来实现。在此布置中，与目前在磁场源3经过时监视脉冲形式的电阻改变的第一MR元件13和第二MR元件23相邻的MR元件12、14和22、24没有提供其输出信号的此显著改变。因此，一行中的各个MR元件的输出信号没有相互混合，而是针对每一个独立地评价指示磁场源3经过的脉冲的外观。在获知个体MR元件在第一MR元件1m或第二MR元件2n的顺序布置中的位置的情况下，可推导出磁场源3沿着纵轴X的位置。

[0085] 图17图示了根据本发明的另一个实施例的传感器布置的框图。这里，合并图4和图8的实施例的构思。因此，两个第一MR元件11和12布置成行，面向第一磁极N，而两个第二MR元件21和22布置成行，面向第二磁极S。来自同一行中的MR元件的输出信号被彼此相减，而这些减法的结果被相加。因此，整体测量信号代表用于补偿Z中的变化/干扰的X中的位置信号，而同时，通过提供彼此靠近的两个第一MR元件11、12和两个第二MR元件21、22来增加X中的感测范围。

[0086] 本发明的实施例可适用于工业中的位置感测、光刻，并且具体地，可结合半导体(诸如，半导体器件和具体地，微和/或纳米机电器件的制造、EDA和测试)应用。任何此位置传感器可将其结果有线或无线地发送到评价单元。

标题	发布/更新时间	阅读量
位置传感器-专利编号CN105027047B	2020-05-11	781
位置传感器-专利编号CN105917195A	2020-05-12	1012
位置传感器-专利编号CN107430207A	2020-05-12	965
位置传感器-专利编号CN109324352A	2020-05-11	885
位置传感器-专利编号CN108574430A	2020-05-11	99
位置传感器-专利编号CN105408844A	2020-05-13	346
位置传感器-专利编号CN105074638A	2020-05-13	336
位置传感器-专利编号CN106482622A	2020-05-12	690
位置传感器-专利编号CN102822633B	2020-05-13	216
位置传感器-专利编号CN109313043A	2020-05-11	1025

用于位置感测的传感器装置和方法

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