JP2009503858A - 磁気トンネル接合センサ - Google Patents

Abstract

物理パラメータを検知するための方法および装置。装置（１３０）は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）（３２）および磁界源（３４）を備え、磁界源（３４）の磁界（３５）は、ＭＴＪにオーバラップし、また、ＭＴＪと磁界源（３４）との近接性は、センサの入力に応答して変動する。ＭＴＪは、第１電極と第２電極（３６，３８）を備え、第１電極と第２電極は、第１電極と第２電極との間にかなりのトンネリング伝導を可能にするように構成された誘電体（３７）によって分離される。第１磁性電極は、そのスピン軸が留められており、第２磁性電極は、スピン軸が自由である。磁界源は、第１磁性電極よりも第２磁性電極の近くに配向される。同じ入力を受け取るが異なる個々の応答曲線を有し、かつ、本質的ではないが望ましいことには、同じ基板上に形成された複数の電気結合されたセンサを設けることによって、センサの全ダイナミックレンジが拡張される。

Description

本発明は検知に関し、より詳細には、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を使用するセンサに関する。

現代のシステムにおいて、位置、運動、力、加速度、温度、圧力などのような物理パラメータを測定するか、または、検出するセンサが広く使用されている。これらや他のパラメータを測定するための多くの種々のタイプのセンサが、従来技術に存在する。しかし、それらの従来技術は全て、たとえば、過剰なサイズと重量、不適切な感度および／またはダイナミックレンジ、コスト、信頼性、ならびに他の因子等で、種々の制限があることは周知である。そのため、改良されたセンサ、特に、半導体デバイスおよび集積回路と容易に一体化できるセンサおよびそのための製造方法についての必要性が存在し続けている。

したがって、種々の物理パラメータを測定するようになっている改良されたセンサおよび方法を提供することが望ましい。さらに、センサおよび方法が、単純で、頑健で、信頼性があり、さらに、半導体デバイスおよび集積回路ならびに作製方法に適合し、本質的ではないが好ましくは、同じ基板上に形成されるようになることが望ましい。

改良されたセンサおよび方法は、測定される物理パラメータを電気信号に変換することがさらに望ましい。本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付図面と前述の技術分野と背景技術とを結びつけて、後続の詳細な説明および添付特許請求の範囲から明らかになるであろう。本発明を、以下の図面に関連して述べる。図面では、同じ数字は同じ要素を示す。

以下の詳細な説明は、例示であるに過ぎず、本発明または本発明の適用および使用を制限することを意図しない。さらに、先の技術分野、背景技術、短い要約、または以下の詳細な説明において提示される、明示されるかまたは示唆される理論によって拘束されることはない。

図示の簡略化および明確化のために、図面は一般的な構成を示し、よく知られている特徴および技法の説明および詳細は、本発明を不必要に曖昧にすることを避けるために省略される場合がある。さらに、図面の要素は、必ずしも一定比例尺で描かれていない。たとえば、本発明の実施形態の理解を向上させるのに役立つために、図の要素または領域の一部の寸法は、他の要素または領域に対して誇張される場合がある。

説明および請求項内の「第１の(first)」、「第２の(second)」、「第３の(third)」、「第４の(fourth)」などの用語は、類似の要素を区別するために使用され、必ずしも、特定の順次のまたは年代順の順序を記述するために使用されるわけではない。こうして使用される用語は、本明細書に述べる本発明の実施形態が、たとえば、本明細書で示すかまたは述べたシーケンス以外のシーケンスで動作可能であるように、適切な状況下で交換可能である。さらに、「備える(comprise)」、「含む(include)」、「有する(have)」という用語およびそのいずれの変形も、非排他的に包含するように意図され、それにより、要素の一覧を含むプロセス、方法、商品、装置は、こうした要素に必ずも限定されるのではなく、明示的には挙げられないか、または、こうしたプロセス、方法、商品、または装置に固有の他の要素を含んでもよい。

説明および請求項内の「左(left)」、「右(right)」、「中(in)」、「外(out)」、「前(front)」、「後(back)」、「上方(up)」、「下方(down)」、「上部(top)」、「底部(bottom)」、「覆って(over)」、「下に(under)」「上に(above)」、「下に(below)」などの用語は、記述のために使用され、必ずしも固定的な相対位置を記述するために使用されるわけではない。こうして使用される用語は、本明細書に述べる本発明の実施形態が、たとえば、本明細書で示すかまたは述べた配向以外の配向で動作可能であるように、適切な状況下で交換可能であることが理解される。本明細書で使用される「結合した(coupled)」という用語は、電気的または非電気的な方法で直接的にまたは間接的に接続されるものと定義される。

図１は、本発明の例示的な実施形態による、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）３２および移動可能な磁界源（ＭＦＳ）３４を使用するセンサ３０の略図および電気回路である。磁界源（ＭＦＳ）３４は、矢印４４−１、４４−２（ひとまとめに４４）に示すように自由に移動でき、また、ＭＴＪ３２に対して移動し、それにより、ＭＦＳ３４とＭＴＪ３２の相対位置に応じて、ＭＴＪ３２における磁界Ｈの強度および／または方向が変わる磁界３５を提供する。ＭＴＪ３２は、第１電極３６、絶縁トンネリング誘電体３７、および第２電極３８を備える。電圧Ｖ_ｔが、ＭＴＪ３２の両端に印加されると、印加される電圧の極性に応じて、量子力学トンネリングによって、絶縁体３７を通って電極３６から電極３８へ、または、その逆へ、電流Ｉ_ｔが流れる。

電極３６、３８は、望ましくは、たとえば、磁性材料、限定はしないが、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅなど、または、より一般的には、その電子スピン軸が、ひとまとめに整列することができる材料である。適した電極材料および配置構成の例は、当技術分野でよく知られており、また、とりわけ、強磁性材料を含む、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスの電極に一般に使用される材料および構造である。電極３６、３８が、異なる保磁力を有する、すなわち、電極３６は、そのスピン軸配向が、ＭＦＳ３４の移動によって実質的に影響を受けないように留めることができるように高い保磁力を有するべきであり、また、電極３８は、そのスピン軸配向が、ＭＦＳ３４の移動によって変わるように比較的低い保磁力を有するべきであることが望ましい。電極３６の保磁力は、電極３８の保磁力より約１００倍大きいが、より大きいかまたはより小さい比も使用されることが望ましい。電極の保磁力は、当技術分野でよく知られている手段に従ってその組成を変えることによって調整することができる。例示的なスピン軸整列状態は、図１に示され、電極３６のベクトル４０（以降で、スピン軸４０）は、電極３６の電子スピン軸が、図１の図面の平面に垂直に整列し、かつ、その平面内に向かうことを示し、電極３８のベクトル４２（以降で、スピン軸４２）は、電極３８の電子スピン軸が、図面の平面に平行に整列し、かつ、図１で右に向かう、すなわち、スピン軸４０に直交することを示す。スピン軸配向は、磁界の存在下での適切な熱処理によって、および、他の手段によって、一方向または別の方向に留められることができることが当技術分野で周知である。下方電極３６、すなわち、磁界源３４から最も遠い電極内のスピン軸は留められるのが望ましい。

スピン軸は、たとえば、磁界源３４の磁界方向に応じて任意の好都合な方向に留められてもよい。上方（ＭＦＳ３４に最も近い）電極３８内のスピン軸４２は自由である、すなわち、留められず、磁界源３４によって提供される磁界３５に応答して、電極３６内の留められたスピン軸４０に対して配向を変える。磁界源導体３４Ａは、ＭＴＪ３２の近くであるが、ＭＦＳ３４の反対側に設けられ、磁界に関して、ＭＦＳ３４に直角になるように配向する。ＭＦＳ３４のみの場合に可能であるのに比べて別の方向にスピン軸４２をフリップするのを補助するために、または、ＭＦＳ３４に対する近接性によってフリップされた後に、以前の状態にスピン軸４２を回復させるために、電流Ｉ_ｆが、好都合には、ＭＦＳ導体３４Ａ内に提供される。

図２は、電極３６、３８内の磁気スピン軸４０、４２の異なる相対配向を示す、図１の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）３２、すなわち、ＭＴＪ３２−１、…、３２−５の側面図の集合体である。ＭＴＪ３２−１では、自由スピン軸４２−１と留められたスピン軸４０−１は、平行であり、かつ、図２の図面の平面内にあり、両方共右に向かう。ＭＴＪ３２−２では、自由スピン軸４２−２と留められたスピン軸４０−２は、平行であり、かつ、図面の平面内にあるが、反対（反平行）方向に向かい、軸４２−２は左に向かい、軸４０−２は右に向かう。ＭＴＪ３２−３では、スピン軸は、図面の平面内にあり、かつ、右に向かう、電極３８内の直交した自由スピン軸４２−３と、図面の平面に垂直で、かつ、その平面内に向かう電極３６の留められたスピン軸４０−３である。ＭＴＪ３２−４では、スピン軸は、反平行であり、スピン軸４２−４は、図面の平面内に向かい、スピン軸４０−４は、図面の平面から出るように向かう。ＭＴＪ３２−５では、スピン軸４２−５および４０−５は、平行で、図面の平面に垂直で、かつ、その平面内に向かう。図２の例は、網羅的であることを意味するのではなく、種々の相対スピン軸配向が可能であることを単に示すことを意味する。他の相対配向も可能である。

図３は、図２に対して垂直に見たときの、磁気スピン軸の異なる配向を示す、図１の磁気トンネル接合３２の分解平面図３２−６、３２−７、３２−８の集合体である。図１〜２では、電極３８は、トンネリング誘電体３７によって電極３８から分離された電極３６の上に存在するが、図３では、電極３６、３８の平面に存在するスピン軸の方位配向がより容易に見られるように、電極３６、３８は、こうした整列状態から変位する。たとえば、図３のＭＪＴ３２−６では、スピン軸４２−６および４０−６は、図２のＭＴＪ３２−１のスピン軸４２−１および４０−１と同じ配向を有し、図３のＭＪＴ３２−７では、スピン軸４２−７および４０−７は、図２のＭＴＪ３２−３のスピン軸４２−３および４０−３と同じ配向を有する。しかし、図３のＭＴＪ３２−８は、別の可能性を示す、すなわち、スピン軸４２−８は、スピン軸４０−８に対して平行でもなく、直交もしない方位配向を有するが、スピン軸４２−８に対して中間の方位角にある。上記において、電極３６、３８が、十分に薄いため、スピン軸４０、４２は、電極３６、３８の平面内に常に存在するが、電極３６、３８の平面内で異なる相対方位角に配向する場合があることが推定される。

電極３６および３８内のスピン軸の相対配向は、ＭＴＪ３２の電気特性に影響を及ぼす。これは、スピン配向が、ほとんどのトンネリングが起こるフェルミ準位に近い電子状態の密度に影響を及ぼし、したがって、一定のバリアの厚さにおける同じ印加電界または同じ印加電圧についてのトンネリング確率に影響を及ぼすからである。図４は、磁気スピン軸４０、４２の２つの異なる配向についての、磁気トンネル接合３２の、代表的な電流対電圧プロット５０を示す。トレース５１は、スピン軸４０、４２が平行である場合に相当し、トレース５２は、スピン軸４０、４２が反平行である場合に相当する。ＭＴＪ３２の両端の所与の電圧Ｖ_ｔ＝Ｖ_ｔ（１）について、ＭＴＪ３２は、Ｉ_ｔ対Ｖ_ｔ特性がトレース５１に相当するとき、コンダクタンスＣ_ｔ（１）を、Ｉ_ｔ対Ｖ_ｔ特性がトレース５２に相当するとき、異なるコンダクタンスＣ_ｔ（２）を有する。換言すれば、ＭＴＪ３２がトレース５１を特徴とする状態にあるとき、Ｖ_ｔ＝Ｖ_ｔ（１）について、Ｉ_ｔ＝Ｉ_ｔ（１）であり、ＭＴＪ３２がトレース５２を特徴とする状態にあるとき、同じ電圧Ｖ_ｔ＝Ｖ_ｔ（１）について、Ｉ_ｔ＝Ｉ_ｔ（２）＜Ｉ_ｔ（１）である。一定電圧における、コンダクタンスＣ_ｔまたは抵抗Ｒ_ｔまたは電流Ｉ_ｔの差は、電極３６、３８内のスピン軸４０、４２の相対配向の変化を検出するのに使用されてもよい。電極３８内のスピン配向は、印加される磁界Ｈ（たとえば、図１を参照されたい）に依存するため、一定電圧における、コンダクタンスまたは抵抗または電流の変化は、Ｈの変化またはＨの変動を引き起こす可能性がある任意の物理パラメータの変化を検出するのに使用されてもよい。図１に示すように、（たとえば、矢印４４−１および４４−２で示す）ＭＴＪ３２に対するＭＦＳ３４のロケーションまたは配向の変化は、ＭＴＪ３２におけるＨを変動させ、したがって、ＭＴＪ３２の電気特性が、予測可能な方法で変動するようにさせる可能性がある。図４に示すように、２つの場合についてのトンネリング抵抗Ｒ_ｔは、関係Ｒ_ｔ（２）＝Ｖ_ｔ（１）／Ｉ_ｔ（２）およびＲ_ｔ（１）＝Ｖ_ｔ（１）／Ｉ_ｔ（１）から計算されてもよい。

図５〜７は、印加電界Ｈの関数としてのＭＴＪ３２のトンネリング抵抗Ｒ_ｔの略プロット６０、６２、６４である。図５のプロット６０は、電極３８が、単一磁気ドメインのように切換わる、すなわち、そのスピン軸４２が、臨界磁界Ｈ_ｃまたは−Ｈ_ｃに達し、そこで、新しい配向に実質的にスナップするまたはフリップするまで実質的に変化しないままである。たとえば、ＭＴＪ３２は、Ｖ_ｔ＝Ｖ_ｔ（１）においてＲ_ｔ＝Ｒ_ｔ（１）を特徴とする状態にある場合、Ｈ＝Ｈ_ｃになるまでこの状態にとどまり、次に、Ｒ_ｔ＝Ｒ_ｔ（２）を特徴とする状態にフリップする。ＭＴＪ３２は、Ｈ＝−Ｈ_ｃになるまでこの状態にとどまり、その時、フリップバックする。センサ３０が、加速度、力、温度、位置、圧力、または、たとえば、ＭＦＳ３４がＭＴＪ３２に対して移動するようにさせることによってＨを変化させる他の物理パラメータが何であれ、その物理パラメータの変化に応答して２値出力を有することが望ましいときに、このタイプのヒステリシス挙動は非常に有用である。フリップバックするのに必要とされる磁界−Ｈ_ｃは、好都合には、図１に示す電流リード線３４Ａによって提供される。

図６のプロット６２は、電極３８が、複数の磁気ドメインになるものを示す場合を示し、わずかに異なる磁界Ｈ_ｃ’≦Ｈ≦Ｈ_ｃ’’で、個々に切換わることができる。説明のために、ＭＴＪ３２が、Ｒ_ｔ＝Ｒ_ｔ（１）を特徴とする状態にあり、その後、Ｈが増加するにつれて、Ｒ_ｔは、Ｈ＝Ｈ_ｃ’になるまで不変のままであり、Ｒ_ｔは、Ｈ＝Ｈ_ｃ’’になるまで一定電圧で徐々に増加し始め、Ｒ_ｔは、Ｒ_ｔ＝Ｒ_ｔ（２）でロックする。ヒステリシスループ６２は、傾斜した平行六面体形状を有する。図７は、電極３８の材料および配向が、Ｈの増減に応答して磁化が連続して回転することができるようなもの（たとえば、互いに直角）である状況を示す。そのため、ヒステリシスループは、２つの極値をＲ_ｔ＝Ｒ_ｔ（１）とＲ_ｔ＝Ｒ_ｔ（２）に持つＲ_ｔ対Ｈプロット６４によって示すように、事実上圧壊してほぼ直線になる。この状況は、図３のＭＴＪ３２−８において例として示すように、スピン軸４２が、スピン軸４０に対して連続して回転することができるときに起きる。図１に示す電流ライン３４Ａは、好都合には、プロット６０、６２によって示される配置構成と共に使用されて、スピン軸４２が、磁界３５によって乱される前に、リセットされる、すなわち、初期配向にフリップバックされるように、磁界−Ｈ_ｃが提供される。

図８は、その位置がセンサ７０への入力に依存する磁界源８６を有する偏向可能な片持ち梁８４を使用する、本発明の例示的な実施形態による磁気トンネル接合センサ７０の略側面図である。ＭＴＪセンサ（ＭＴＪＳ）７０は、基板７２、好都合には、半導体基板を備え、その上に、ＭＴＪ３２および磁界源８６を有する片持ち梁８４が形成される。基板７２は、望ましくは、ＭＴＪ３２の電気特性の変化を測定するための電子回路要素が設けられる部分７４を有するが、これは必須ではない。能動磁界源が使用されるとき（たとえば、図９を参照されたい）、回路要素７３は、磁界源（ＭＦＳ）部分８６用の電流ドライバも含むが、これは必須ではない。導体７６は、好都合には、ＭＴＪ電極３６に対する電気接点を作り、導体７８は、ＭＴＪ電極３８に対する電気接点を作る。導体７６、７８は、好都合には、Ｔａ／ＴａＮであるが、これは、制限的であることを意図されず、適度に導電性のある任意の材料が使用されてもよい。絶縁層（図示せず）が、導体７６と部分７４との間に設けられてもよい。図８〜１０を過度に混乱させることを回避するため示さないが、図１の電流ライン３４Ａは、ＭＴＪ３２の下に、すなわち、基板７２の導体７６と部分７４とに間に設けられてもよいが、これは必須ではない。誘電体領域７５は、電極７８を支持するために設けられる。トンネリング誘電体３７は、好都合には、酸化アルミニウムであるが、ＭｇＯなどの、非常に薄い実質的に均一なピンホールの無い層内で作製することができる、他の絶縁性の高い材料が使用されてもよい。誘電体平坦化層７７は、導体７６、７８の上に設けられる。片持ち梁８４の領域８２は、層７７の領域９２によって支持される。片持ち梁８４の部分８５および８６は、自由である、すなわち、矢印８８で示すように移動することができる。梁８４の磁界源（ＭＦＳ）部分８６は、ＭＴＪ３２の上に存在する。片持ち梁８４の部分８５およびＭＦＳ部分８６が、たとえば、矢印８８で示すように、ＭＴＪ３２に向かって、また、ＭＴＪ３２から離れて偏向することを可能にするために、層７７内に凹所または開口８０が設けられる。図９および図１０に関連して説明したように、ＭＦＳ８６は、能動的である、すなわち、電流を搬送する（たとえば、図８〜９を参照されたい）か、または、受動的である、すなわち、永久磁石８７を含んでもよい（たとえば、図８、１０を参照されたい）。どんな物理パラメータが、センサ７０によって測定されるように所望されようと、こうした物理パラメータは、片持ち梁８４に結合して、こうした物理パラメータの変化に応答して矢印８８で示すように、片持ち梁８４が偏向させられる。

図９は、図８のセンサ７０の例示的な実施形態による、磁気トンネル接合７０−１の略平面図９０−１であり、片持ち梁８４は、図９を見てわかるように、Ｕ形状を有する。電流搬送偏向可能片持ち梁８４は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）３２に対して変動する磁界を提供するＭＦＳ部分８６−１を有する。ＭＴＪ３２は、電極３８が観察者の最も近くにある状態で、平面図９０−１に見られる。Ｕ形状の片持ち梁８４−１は、層７７の領域９２−１上に固定された端領域８２−１、および、層７７内の窪んだエリアまたは開口８０−１を覆って延在する部分８５−１および８６−１を有する。ＭＦＳ部分８６−１は、「Ｕ」の底部を形成し、ＭＴＪ３２の上にある。電流９６は、ＭＦＳ部分８６−１を含むＵ形状片持ち梁８４−１を通って流れ、ＭＴＪ３２の近傍に、図１のセンサ３０の磁界３５と同様の磁界を生成する。こうした配置構成は、能動磁界源（ＭＦＳ）を有していると言われる、すなわち、磁界は、永久磁石ではなく電流によって生成される。片持ち梁８４−１は、「Ｕ」形状の真っ直ぐで幅が一定の脚部分を有するものとして示されるが、こうした真っ直ぐで幅が一定の脚部分は、図示の都合のためのものに過ぎず、制限的であることを意図されず、また、所望の電流を受容し、矢印８８の方向への所望の偏向特性を提供するのに適した任意のＵ形状が使用されてもよいことを、当業者は本明細書の説明に基づいて理解するであろう。

図１０は、図８のセンサ７０のさらなる例示的な実施形態による、磁気トンネル接合７０−２の略平面図９０−２であり、永久磁石８７が上にあるＭＦＳ部分８６−２を有する片持ち梁８４−２は、センサ７０−２に対する入力の変化に応答して、磁気トンネル接合３２に対して変動する磁界を提供する。こうした配置構成は、受動磁界源を有していると言われる、すなわち、磁界は、電流搬送ワイヤまたはコイルではなく永久磁石によって生成される。ＭＴＪ３２は、電極３８が観察者の最も近くにある状態で、平面図９０−２に見られる。Ｕ形状の片持ち梁８４−２は、好都合には、層７７の領域９２−２上に固定された端領域８２−２、および、層７７内の凹所または開口８０−２を覆って延在した部分８５−２および８６−２を有する単一梁である。ＭＴＪ３２を覆ってＭＦＳ部分８６−２に対して、任意の好都合な手段によって、取り付けられた永久磁石８７が設けられる。磁石８７は、好都合ではあるが、本質的ではないことには、部分８６−２の下の梁８４−２の下面上に搭載されるが、部分８６−２の上または他のどこかに搭載されることができる。磁石８７は、ＭＴＪ３２の近傍に、図１のセンサ３０の磁界３５と同様の磁界を生成する。片持ち梁８４−２は、固定領域８２−２とＭＦＳ部分８６−２との間にテーパ付き幅９３を有するものとして図１０に示されるが、これは、図示の都合のためのものに過ぎず、矢印８８の方向に、片持ち梁８４−２についての所望の偏向特性を提供するために、任意のＵ形状が使用されてもよいことを、当業者は理解するであろう。

図１１〜１６は、種々の物理パラメータを検出することができるセンサを提供するために、ＭＴＪ３２がどのように使用されてよいかを示す。図１１〜１６は、非制限的な例として意図され、また、本明細書のこれらのまた他の例が教示する基本原理に従って、多くの他の実施態様が可能であることを、当業者は本明細書の説明に基づいて理解するであろう。説明の都合のために、図１１〜１６のセンサは、検知および／または駆動回路要素を含む集積回路の一部ではなく、ディスクリートな自立形態であるとして示されるが、それは排除されない。図１１〜１６および関連する説明は、説明を容易にすることを意図するに過ぎず、制限的であることを意図しない。こうした種々の例において教示される原理が、離散形態または統合形態で使用されてもよいことを、当業者は本明細書の説明に基づいて理解するであろう。

図１１は、本発明のさらなる例示的な実施形態による磁気トンネル接合センサ１００の略断面図である。図１２は、図１１のセンサ１００の略部分切り取り平面図である。図１２において容易に見られるようにし、また、制限的であることを意図しないようにするため、ＭＴＪ３２は、平面図で実質的に正方形であると仮定され、また、磁界源１０４は、平面図で円であると仮定されるが、これは、説明の都合のためのものに過ぎない。センサ１００は、本体１０１内に搭載されたリード線または導体７６、７８と共にＭＴＪ３２を備える。再び図１１を参照すると、磁界源１０４を有する隔壁１０２が、ＭＴＪ３２の上に配置され、ＭＦＳ１０４は、図８および図１０の磁界源８７ならびに図１の磁界源３４に似ている。磁界源１０４を有する隔壁１０２は、種々の外部刺激に応答して矢印１０６で示すように移動する。これは、図１〜７に関連して説明したように、ＭＴＪ３２の磁界を変動させ、それにより、その電気特性を変化させる作用がある。こうして、センサ１００は、磁界源（ＭＦＳ）１０４とＭＴＪ３２の相対位置を変えることができる任意の物理パラメータまたは機能の変化を検出することができる。こうした物理現象の非制限的な例は、運動、加速度、力、圧力、温度などである。

図１３は、図１１のセンサ１００と似ているが、本発明のなおさらなる例示的な実施形態による、センサ１１１の略断面図である。センサ１１１は、遠隔入力、たとえば、制限的であることを意図しないが、その位置または加速度が監視されるか、または、検出される物体に、ＭＦＳ１０４を有する隔壁１０２を結合するのを容易にするための、あるいは、そのサイズまたは距離が、温度、圧力、または他の物理パラメータに伴って変化するデバイスに結合するための、取り付け穴１０７を有する取り付けラグ１０５を含むことによって、センサ１００と異なる。

図１４は、全体が図１１のセンサに似ているが、図８〜９の磁界源片持ち梁８４、８６と同様の能動磁界源片持ち梁１０８および図１の磁界源３４を使用する本発明のなおさらなる例示的な実施形態による、センサ１１２の略断面図である。

図１５は、さらなる詳細を示す、図１４のセンサ１１２の略部分切り取り平面図である。隔壁１０２とＭＴＪ３２との間には、図８〜９の片持ち梁８４と同様の片持ち梁１０８が搭載され、磁界源８６と同様の端部１１０が、ＭＴＪ３２の上に配置される。片持ち梁１０８に対する隔壁１０２の結合運動１０６を容易にするために、ボスまたは結合手段１０９が、好都合には、隔壁１０２の下面、すなわち、片持ち梁１０８の方に向かう面上に設けられる。片持ち梁１０８の第１端は、本体１０１内で領域１０１−１に固定され、遠位端１１０は、ＭＴＪ３２の方へ、または、ＭＴＪ３２から離れるように、図１４の垂直方向に自由に移動することができる。図１５を見るとより容易にわかるように、片持ち梁１０８は、望ましくは、Ｕ形状で、図８〜９のＭＦＳ８６と同様の遠位端１１０が、ＭＴＪ３２の上に配置される「Ｕ」の「底部」を形成する。片持ち梁１０８は、図９の電流９６と同様の電流１１４を流すようになっており、電流１１４は、ＭＴＪ３２の近傍に、図１の磁界３５と同様の磁界Ｈを生成する。図１〜７に関連して説明したように、ボスまたは結合手段１０９による、片持ち梁１０８に結合する隔壁１０２の位置の変化は、ＭＴＪ３２における磁界Ｈを変化させ、それにより、その電気特性を変化させる。こうして、図１４〜１５の配置構成は、既に述べた物理パラメータのうちの任意のパラメータ用のセンサの役をし、この時、駆動電流１１４を変動させることによって、センサ１１２が、２値出力（たとえば、図５を参照されたい）か、アナログ出力（たとえば、図７を参照されたい）か、または、その組合せ（たとえば、図６を参照されたい）のいずれが望ましいかに応じて、最も有利な範囲で動作するように、ＭＴＪ３２の周囲磁界Ｈを調整することができるというさらなる利点がある。これは重要な利点である。

図１６は、図１４のセンサ１１２と似ているが、本発明のなおさらなる例示的な実施形態による、センサ１１６の略断面図である。センサ１１６は、特に、圧力および／または温度を測定するようになっている。センサ１１６は、隔壁１０２の上に内部チャンバ１２０を有するハウジング１１８を含むことによってセンサ１１４と異なる。センサ１１６が、主に、圧力センサとして機能することを望まれるとき、任意選択のＩ／Ｏポート１１９が、ハウジング１１８に設けられ、その圧力が求められるチャンバまたはラインまたは領域に結合される。チャンバ１２０内の圧力の増加は、隔壁１０２および片持ち梁１０８の遠位端１１０が、ＭＴＪ３２の方へ移動するようにさせ、それにより、ＭＴＪ３２における磁界Ｈが増加する。チャンバ１２０内の圧力が減少するとき、逆が起こり、ＭＴＪ３２における磁界Ｈが減少する。磁界Ｈの変化に応答する対応する電気特性の変化は、圧力変化を反映する電気出力を提供する。先に説明したように、この出力は、２値であってもアナログであっても、または、両者の混合物であってもよい。

センサ１１６が、主に、温度センサとして機能することを望まれるとき、任意選択のＩ／Ｏポート１１９は、省かれるか、または、シールされ、それにより、チャンバ１２０内に既知の量のガスを捕捉する。チャンバ１２０内のガスの温度が、ハウジング１１８の温度の変化に応答して上昇または下降するにつれて、チャンバ１２０内のガスの圧力が、相応して応答し、隔壁１０２が、ＭＴＪ３２の方へまたはＭＴＪ３２から離れるように移動し、ＭＴＪ３２の電気特性が、圧力センサの場合について既に述べたのと同じ方法で変化する。基準温度において初期ガス圧を、任意選択で、ドライブ電流１１４を調整することによって、ＭＴＪ３２から出力される基準温度が、所望の値に設定される。同様に、センサ１１６のダイナミックレンジは、片持ち梁１０８と隔壁１０２のばね定数を選択することによって変わってもよい。隔壁１０２および／または片持ち梁１０８の適切な設計によって、センサ１１６の応答は、所望の用途に応じて、線形または非線形にされてもよい。線形応答または非線形応答を有する片持ち梁または隔壁を作る方法を当業者は理解する。これらは、本発明のさらなる利点である。Ｕ形状の能動磁界源を使用する図１６の圧力および温度センサ１１６が示されたが、これは、制限的であることを意図せず、受動磁界源および単一腕片持ち梁が使用されてもよい。ＭＴＪ３２自体の特性の温度変動が、ＭＦＳ１０４または１１０の運動によって誘導される変化と比較して顕著でなくするように、ＭＴＪ３２について温度安定化を提供することが望ましい場合がある。

図１７は、本発明のセンサの製造方法１２２の略フロー図である。方法１２２は、ＳＴＡＲＴ １２３および初期ＦＯＲＭ ＭＴＪステップ１２４で始まり、図１の導体３４Ａが有る状態または無い状態で、たとえば、図１および図８〜１８のＭＴＪ３２と同様の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が調製される。ＭＴＪ３２の幾何形状および配置構成は、例示に過ぎず、制限的であることを意図しないことを当業者は理解するであろう。他のＭＴＪ構成が使用されてもよい。後続のステップ１２５にて、たとえば、図１および図８〜１６に示すＭＦＳ３４、８６、８７、１０４、１１０などの移動可能磁界源（ＭＦＳ）は、ＭＴＪ３２における磁界が、対応するＭＦＳの移動によって変更されるように、ＭＴＪ３２に移動可能に結合される。任意のタイプの磁界源が使用されてもよい。図１１〜１６に示す構成のセンサの場合、ＭＦＳ１０４、１１０を含む隔壁１０２は、ＭＴＪ３２の上に取り付けられる。その後、方法１２２は、一般的に、ＥＮＤ １２６で完了する。

図１８は、図１７の方法１２２に似ているが、さらなる詳細を示す方法１２２’の略フロー図である。ＳＴＡＲＴ １２３’およびＦＯＲＭ ＭＴＪステップ１２４は、方法１２２と同じである。図１８では、ステップ１２５は、ＡＤＤ ＰＬＡＮＡＲＩＺＩＮＧ ＳＰＡＣＥＲ ＯＶＥＲ ＭＴＪステップ１２７と、それに続く、ＦＯＲＭ ＭＦＳ ＯＮ ＰＬＡＮＡＲＩＺＩＮＧ ＳＰＡＣＥＲステップ１２８、およびその後のステップ１２９に細分され、ステップ１２９にて、検知されるか、または、測定されることを望まれる物理パラメータの変化に応答して、ＭＦＳ（たとえば、ＭＦＳ３４、８６、８７、１０４、１１０）がＭＴＪ（たとえば、ＭＴＪ３２）に対して移動することができるように、ステップ１２８で設けられる平坦化スペーサの一部分が、キャビティまたは開口８０を形成するために除去され、それにより、移動が、ＭＴＪ（たとえば、ＭＴＪ３２）における磁界を変動させる。方法１２２’は、センサ３０、７０が、集積回路技術を使用して作製される状況に適するが、その状況に限定されない。方法１２２’は、その後、ＥＮＤ １２６’に進む。

図１９は、図１７から１８の方法の実施形態のなおさらなる詳細を、ステップ１３２〜１４８によって示す断面図の概略的なセット（以降で方法１３０）である。方法１３０は、図１７〜１８のステップ１２４に相当するステップ１３２〜１３８および図１７〜１８のステップ１２５と同様のステップ１４０〜１４８（ひとまとめに１２５−１）に細分されることができる。方法１３０は、好都合には、ＭＴＪセンサ３２が、集積回路の一部として作製される場合について述べられるが、自立素子としてセンサを作製しようとする方法を、当業者は理解するであろう。最初のステップ１３２にて、基板１５０、好ましくは、集積回路の調製に適した半導体基板（たとえば、Ｓｉ、ＧａＡｓなど）が設けられる。ステップ１３４にて、トランジスタおよび／または他の素子が、よく知られている半導体集積回路処理技法を使用して形成されて、ＭＴＪセンサ用の測定回路要素および／または駆動回路要素１５２、ならびに、望むなら電流リード線が、基板１５０の中に、かつ／または、上に設けられる。これを行う方法を当業者は理解するであろう。これは、本発明にとって必須ではない。ステップ１３６にて、たとえば、酸化ケイ素および／または窒化ケイ素あるいは他の絶縁材料の誘電体層１５４が、成長するか、または、堆積し、たとえば、アルミニウム、銅、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、または同様なものの第１導体７６が、誘電体層１５４上に堆積するか、または、形成され、任意選択で、回路１５２の適切な素子との領域１５７内での接点を作るためにパターニングされる。たとえば、イリジウムマンガン、プラチナマンガン、コバルト鉄、コバルト鉄ボロン、ルテニウム、および、同様なもの、ならびに、それらの組合せの第１電極３６が、導体７６上で、かつ、導体７６に電気接触して堆積して、ＭＴＪ３２の第１電極３６が形成される（図８を参照されたい）。選択される材料の組合せは、比較的高い保磁力を有するべきである。今までに設けられた、種々の半導体、誘電体、および導体領域または層、ならびに、基板１５０は、電極３６内のスピン軸４０を所定の配向で留めるのに使用することができるアニーリング温度（たとえば、２００〜３５０℃）に耐えるのに十分に耐火性があることは、望ましいが、必須ではない。しかし、スピン軸４０を留める他の手段が使用されてもよい。ステップ１３８にて、たとえば、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムのトンネリング誘電体３７が、電極３６上で成長するか、または、堆積され、そして、たとえば、ニッケル鉄、コバルト鉄、コバルト鉄ボロン、ルテニウム、および／または、同様なものの導電性電極３８であって、おそらく、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタンなどのような導電性材料で覆われた、導電性電極３８が、トンネリング誘電体３７上に成長するか、または、堆積される。電極３８内で使用される材料の組合せは、電極３６を構成する材料に比べて低い保磁力を有するべきである。電極３６、誘電体３７、および電極３８は、図１および図８に示すＭＴＪ３２を形成する。導体７６、７８は、好都合には、それぞれ、電極３６、３８に対する接点を作るために設けられる。導体７６、７８は、ロケーション１５７、１６９において回路１５２の適切な素子に接触しているものとして示されるが、これは必須ではなく、導体７６、７８は、任意の好都合な方法で、ドライブ電子回路に結合してもよい。

たとえば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、リンをドープした二酸化ケイ素などの第１平坦化層１６６は、電極３８の上側表面が露出するように、既存の構造を覆って堆積されるか、成長するか、または、その他の方法で形成される。あるいは、第１平坦化層１６６は、堆積され、次に、たとえば、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスまたは一連のフォトリソグラフィとエッチによって、電極３８の上側表面の全てまたは一部から選択的に除去されてもよい。たとえば、アルミニウム、銅、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、および同様なもの、または、さらに、これらのタイプの材料の組合せの導体７８が、その後、電極３８上に堆積されるか、成長するか、または、その他の方法で形成されて、電極３８との、また、任意選択で、ロケーション１６９における回路１５２の適切な素子との電気接点が作られる。導体７８からロケーション１６９まで延在するシンカ１６３は、導体７８の形成の前か後に、導体７８と同時に、かつ、導体７８の一部として形成されてもよく、または、別々に形成されてもよい。いずれの配置構成も有用である。しかし、シンカ１６３（および、ステップ１３６のシンカ１５５）は、必須ではなく、導体７８（および導体７６）は、埋め込まれた回路１５２ではなくどこか他のところに経路制御されてもよい。ステップ１４０にて、上側表面１７１を有する、たとえば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、リンをドープした二酸化ケイ素などの第２平坦化層１７０が、第１平坦化層１６６および導体７８を覆って堆積されるか、成長するか、または、その他の方法で形成される。第２平坦化層１７０の厚さ１７３は、片持ち梁８４とＭＴＪ３２の周囲距離を部分的に決定するであろう。厚さ１７３は、役立つことには、０．１〜１．０ミクロンの範囲、好都合には、０．１〜０．５ミクロンの範囲、好ましくは、０．２〜０．４ミクロンの範囲にある。永久磁石８７が、ＭＴＪ３２に面する片持ち梁８４の下側面に搭載される場合、その厚さが考慮される必要がある。

ＭＦＳ領域８６、１１０（図８〜１２を参照されたい）が、ＭＴＪ３２を覆って配置され、固定領域８２（図８〜１２を参照されたい）が、所望の梁の長さだけ、ＭＦＳ領域８６、１１０から離間した層１７０上に配置されるように、梁８４について望まれる材料が、その後、表面１７１上で適切なロケーションで成長するか、堆積するか、または、その他の方法で形成される。純粋であれ、合金であれ、複合物であれ、積層構造であれ、いろいろな材料が、梁８４の材料について使用されてもよい。Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、および種々の混合物、ならびにそれらの合金は、適した材料の非制限的な例であるが、他の材料も使用することができる。こうした材料は、好都合であるが、本質的ではないことには、スパッタリング、同時スパッタリング、蒸着、電気メッキ、無電解メッキ、または化学気相堆積によって形成されるか、または、堆積される、あるいは、それらの組合せが使用されてもよい。おそらく、電気メッキと組合せた、スパッタリングおよび同時スパッタリングが、好ましいが、他の材料およびプロセスが使用されてもよい。重要なことは、梁８４が、所望の用途について適切なサイズと剛性を有することである。その用途のための、所望の特性の片持ち梁を設計し、作製する方法を当業者は本明細書の説明に基づいて理解するであろう。図９に示すタイプの例示的な梁構造は、Ｃｕを使用して作製され、約０．３〜１．０ミクロンの範囲の梁厚さと、約１００ミクロンのＵ形状腕幅を持ち、約５ミクロン幅のＭＦＳ領域８６（図８〜１０を参照されたい）を持つ。

ステップ１４４にて、たとえば、二酸化ケイ素または窒化ケイ素の付加的なマスキング層１７４が、好都合には、第２平坦化層１７０および支持された梁８４を覆って成長するか、堆積するか、または、その他の方法で形成される。当技術分野でよく知られている手段、たとえば、一連のリソグラフィとエッチを使用して、マスキング層１７４内に、穴または開口１７５が設けられる。片持ち梁８４の部分８２（図８〜１２を参照されたい）になることになるものは、マスキング層１７４によって覆われたままにされる。穴または開口１７５は、普通なら、梁８４の残りの周縁をわずかに超えて延在し、その結果、方法ステップ１４６にて、開口１７５の下にある平坦化層１７０の部分１７８が、たとえば、ウェットエッチプロセスによって除去されることができ、それにより、その場所にキャビティまたは凹所８０が生成される。キャビティが形成される前に、エッチストップ層（図示せず）が、キャビティ８０の内壁に沿って垂直に設けられると共に、キャビティ８０の底部に沿って設けられる場合、このプロセスのよりよい制御が達成されることが、当業者によって認識されるであろう。この時、梁８４は、平坦化層１７０（たとえば、図８の領域７７）の一部分（たとえば、図８の部分９２）に固定された部分（たとえば、図８の部分８２）を除いて自由である。方法ステップ１４８にて、マスキング層１７４の残りは、（望ましいが、本質的ではないことには）除去され、任意選択で、電流９６（図８〜９を参照されたい）を供給するリード線（複数可）１７９が、梁８４の部分８２に接合されるか、または、その他の方法で結合される。図１１の構成が、受動ＭＦＳ８７と共に使用される場合、リード線（複数可）１７９は必要とされない。

図２０は、図１９の方法１３０のステップ１３２〜１４８に似ているが、本発明の方法のさらなる例示的な実施形態による、断面図１３２〜１３８、１４０’〜１４８’の概略的なセット（ひとまとめに方法１３０’）である。方法１３０’は、図１７〜１８のステップ１２４に相当するステップ１３２〜１３８および図１７〜１８のステップ１２５と同様のステップ１４０’〜１４８’（ひとまとめに１２５−２）に細分されることができる。同じ領域または層を特定するために、同じ参照数字が、図１９〜２０で使用され、また、領域または層が、必ずしも同じであるわけではないが、似ている場合、プライム記号（’）が付加された同じ参照数字を使用して特定される。たとえば、図２０のステップ１４０’は、図１９のステップ１４０に似ており、図２０の表面１７１’は、図１９の表面１７１に似ているなどである。方法１３０と１３０’との間の共用性が意味を持つため、方法１３０の説明が、参照により本明細書に組み込まれ、意味のある差だけが本明細書で説明される。方法１３０’のステップ１３２〜１３８は、実質的に方法１３０と同じであり、本明細書ではさらには述べられない。ステップ１４０’〜１４８’は、いくつかの点で異なる。ステップ１４０’にて、片持ち梁８４の下に設けられるキャビティ８０（図８を参照されたい）について所望されるのと実質的に同じ形状、ロケーション、および厚さ１７３’を有するように、たとえば、リンをドープした二酸化ケイ素の犠牲領域１７２が、堆積され、パターニングされる。領域１７２および第２平坦化層１７０’が、差別的に、エッチング可能であるか、または、溶解可能である、すなわち、その領域１７２が、第２平坦化層１７０’あるいは下にある任意の層または領域に実質的に影響を及ぼすことなく、溶解除去されることができることが重要である。たとえば、二酸化ケイ素または窒化ケイ素の第２平坦化層１７０’は、犠牲層１７２の上側表面１７１’’と実質的に同じ高さの上側表面１７１’を有するように、ステップ１４２’にて形成される。これは、たとえば、第２平坦化層１７０’を堆積するシーケンスと、それに続く、ＣＭＰ工程または他の平坦化プロセスによって達成されてもよい。ステップ１４４’にて、片持ち梁８４は、方法１３０で先に述べたものと、実質的に同じ方法で、また、実質的に同じ材料および形状およびサイズで形成される。ステップ１４６’にて、犠牲層１７２が、エッチング除去され、図８のキャビティまたは凹所に相当する、片持ち梁８４の下のキャビティまたは凹所８０が残る。ステップ１４８’にて、方法１３０のステップ１４８に関連して先に述べたように、リード線１７９が、任意選択で、梁８４に取り付けられる。方法１３０'の最終結果は、方法１３０によって得られる結果に似ている。方法１３０'が好ましい。

図２１は、図１９〜２０の方法に似ているが、本発明の方法のなおさらなる例示的な実施形態２００による、断面図１３２〜１３８、１４０’、２０２〜２０６の概略的なセットである。方法２００は、図１７〜１８のステップ１２４に相当するステップ１３２〜１３８および図１７〜１８のステップ１２５と同様のステップ１４０’ 、２０２〜２０６（ひとまとめに１２５−３）に細分されることができる。同じ領域または層を特定するために、同じ参照数字が、図１９〜２１で使用され、また、領域または層が、必ずしも同じであるわけではないが、似ている場合、プライム記号（’）が付加された同じ参照数字を使用することによって、領域または層を特定する方法１３０’に関連して使用されたように、同じ変換が遵守される。方法２００のステップ１３２〜１３８は、方法１３０、１３０’と実質的に同じあり、本明細書ではさらには述べられない。ステップ１４０’およびステップ２０２〜２０６は、いくつかの点で異なる。ステップ１４０’にて、片持ち梁８４’の下に設けられるキャビティ８０（図８を参照されたい）について所望されるのと実質的に同じ形状、ロケーション、および厚さ１７３’を有するように、犠牲領域１７２が、堆積され、パターニングされる。領域１７２および第１平坦化層１６６が、差別的に、エッチング可能であるか、または、溶解可能である、すなわち、その領域１７２が、第１平坦化層１６６または電極７８に実質的に影響を及ぼすことなく、溶解除去されることができることが重要である。ステップ２０２にて、片持ち梁８４’が、方法１３０、１３０’で先に述べたものと、実質的に同じ方法で、また、実質的に同じ材料で形成される。ステップ２０２にて、片持ち梁８４’が、好都合には、平坦化層１６６に固定されるが、これは必須ではなく、また、方法１３０’で使用されるものと似た第２平坦化層を使用する構造を使用することもできる。ステップ２０４にて、犠牲層１７２が、溶解されるか、または、エッチング除去され、片持ち梁８４’の下にキャビティまたは凹所８０’が残る。ステップ２０４にて、方法１３０のステップ１４８に関連して先に述べたように、リード線１７９が、任意選択で、梁８４’に取り付けられる。方法２００の最終結果は、方法１３０によって得られる結果に似ている。

図２２は、電極の少なくとも１つの電極が正方形である、本発明の実施形態による、ＭＴＪ３２の電極３６、３８の分解平面図３００を示す。電極３６、３８は、相対的な形状およびサイズが、より容易に見られるように、図２３では、横方向に変位する。ＭＴＪ２３を形成するように組み立てられると、電極３６、３８は、重なる、すなわち、電極３６の上に電極３８がある。電極３８は、ＭＦＳ３４、８６に最も近い。電極３６−１、３８−１は、実質的に正方形である、すなわち、ＸおよびＹ寸法、Ｙ_３６−１＝Ｘ_３６−１＝Ｙ_３８−１＝Ｘ_３８−１を有するものとして示される。説明の都合のために、これは、今までたいてい使用されてきた表示であるが、それは必須ではない。電極３６−２、３８−２は異なり、電極３６−２は長方形であり、Ｙ_３６−２＞Ｘ_３６−２であり、かつ、Ｙ_３８−２＝Ｘ_３８−２である。やはり、これは、電極の種々の可能性のある形状を示すことだけを意図し、網羅的であるか、または、制限的であることを意図しない。

図２３は、いずれかの、または、両方の電極が、種々の例示的な非正方形形状を有する、本発明の実施形態による、ＭＴＪの電極３６、３８の平面図３１０を示す。たとえば、３１０−１では、電極３６、３８のいずれか、または、両方が、長方形でかつ細長く、寸法ＸはＹより著しく大きく、３１０−２では、電極３６、３８のいずれか、または、両方が、細長く、Ｘ≫Ｙであり、かつ、三角形端部を有し、また、３１０−３では、電極３６、３８のいずれか、または、両方が、細長く、Ｘ≫Ｙであり、かつ、丸い端部を有する。ＭＴＪ３２を形成するために、電極が重ねて設置されると、電極の長い寸法が、図２４に概略的に示すように、互いに対して種々の角度をなすことができる。電子スピン軸が回転することができる容易さまたは難しさに、薄い電極の平面図非対称が影響を及ぼすため、著しく非対称である電極形状を使用することが一定の状況下では有用である。たとえば、第１電極の電子スピン軸を、磁界の存在下で熱処理によって留めることが当技術分野で知られているが、別の手法は、電極形状を、著しく非対称に、たとえば、平面図内で長くかつ狭くすることである。それは、電子スピン軸を、こうした非対称形状の長い方向から離れて回転させることが難しいからである。しかし、スピン軸を留めるためのいずれの配置構成が使用されてもよい。

図２４は、電極３６、３８の少なくとも一方が、他の電極に対して種々の角度配置を有する、本発明の実施形態によるＭＴＪの電極の平面図３２０を示す。図示の都合のために、第１電極３６−４は、単一の連続電極として示され、種々の区分化された第２電極３８−４−１、…、３８−４−４が、異なる角度で第１電極３６−４を横切る。しかし、これは、制限的であることを意図せず、電極３６−４は、それぞれが、第２電極３８−４−１、…、３８−４−４の１つの下にある、別個のセグメントからなることができる。第２電極３８−４−１は、電極３６−４に対して角度（α３）の、たとえば、第１電極３６−４の長い寸法に実質的に直交する長い寸法によって配向する。第２電極３８−４−２は、第１電極３６−４の長い寸法に関して実質的に平行な（または、反平行な）長い寸法によって配向する。電極３６−４の長い寸法に対して、第２電極３８−４−３は、角度（α１）の長い寸法によって配向し、第２電極３８−４−４は、角度（α２）の長い寸法によって配向する。ここで、０°≦α≦９０°である。こうして、第１および第２電極３６、３８について、いろいろの異なる相対角度配向が使用されてもよい。

図２５は、複数のＭＴＪ３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃに近接して配置される磁界源８６Ａ、８６Ｂ、８６Ｃを支持するのに使用される異なる長さ３３３、３３５、３３７の複数の片持ち梁３３２、３３４、３３６の略平面図３３０を示す。断面が同じであるが長さが異なる（または、断面が異なりかつ長さが同じ、または、他のサイズおよび形状の変化の）片持ち梁を使用することによって、異なる梁を偏向させるのに必要とされる力または加速度を、異なるようにさせることができる。こうして、各梁は、異なる範囲の力か、加速度か、圧力か、温度か、または、他の物理パラメータにわたって応答させられることができる。単一センサ内でこれらを組合せることによって、センサの全ダイナミックレンジを、任意に拡張することができる。図２５の例では、センサ３３２、３３４、３３６間の唯一の差は、梁の長さ３３３、３３５、３３７である。こうした複数のセンサは、同じ基板上で同じプロセスによって実質的に同時に製造されてもよく、個々のセンサの異なる幾何形状は、プロセスの変化ではなくマスクの変化によって可能になる。これは、本発明のかなりの利点である。

図２６は、図２５の複数のＭＴＪ３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃが、端子３４３、３４５にそれぞれつながる、リード線３４２、３４４によって並列に電気結合されているものとして示される略電気回路図３４０である。図２７は、ＭＴＪ３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの並列配置構成についての、Ｒ_ｔ対Ｆの略プロット３５０であり、Ｒ_ｔは、個々のＭＴＪ３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの抵抗Ｒ_ｔの並列結合であり、Ｆは、複数のセンサ３３２、３３４、３３６の片持ち梁８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃに同時に加えられる加速度または力である。説明の都合にために、ＭＴＪ３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは、実質的に同Ｒ_ｔ対Ｈ特性を有するが、センサ３３６の場合、Ｆ＝１単位においてＨ＝Ｈ_ｃが生じ、センサ３３４の場合、Ｆ＝２単位においてＨ＝Ｈ_ｃが生じ、センサ３３２の場合、Ｆ＝３単位においてＨ＝Ｈ_ｃが生じるように、片持ち梁８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃが、異なる剛性を有すると仮定する。換言すれば、Ｆ＝１では、梁８４Ｃが、完全に偏向し（そのストップに当たるか、または、領域８６−３がＭＴＪ３２に接触する）、Ｆ＝２では、梁８４Ｂが、完全に偏向し（そのストップに当たるか、または、領域８６−２がＭＴＪ３２に当たる）、Ｆ＝３では、梁８４Ａが、完全に偏向し（そのストップに当たるか、または、領域８６−２がＭＴＪ３２に接触する）、それぞれの場合の限界位置が、関連するＭＴＪにおいてＨを生成する。こうして、図５に示す特性に似た、個々のＲ_ｔ対Ｈ特性について、この３つの梁配置構成は、プロット３５２、３５４、３５６用の、図２７に概略的に示すＲ_ｔ対Ｈ応答を与える。プロット３５２のトレース３５８は、Ｆ＝１の力（または加速度）が、センサ３３０に加えられ、最も容易に偏向したセンサ（たとえば、センサ３３６）が、ＭＴＪ３２ＣにおいてＨ_ｃを提供する状況に相当する。プロット３５４のトレース３６０は、Ｆ＝２の力（または加速度）が、センサ３３０に加えられ、次に最も容易に偏向したセンサ（たとえば、センサ３３４）が、ＭＴＪ３２ＢにおいてＨ_ｃを提供する状況に相当する。プロット３５６のトレース３６２は、Ｆ＝３の力（または加速度）が、センサ３３０に加えられ、容易さの程度が最も低く偏向したセンサ（たとえば、センサ３３２）が、ＭＴＪ３２ＡにおいてＨ_ｃを提供する状況に相当する。この例では、ＭＴＪが全て、最初は、低い抵抗状態にあると仮定すると、回路３４０において測定される総抵抗Ｒ_ｔは、センサ３３０が、それにさらされる力または加速度が増加するにつれて、段階的に増加する。図１の導体３４Ａと同様の電流リード線（本明細書では示さず）が、好都合には含まれ、Ｆが取り除かれると、各センサは、−Ｈ_ｃを提供して、電極３８内のスピン軸を初期状態にフリップバックする。こうして、異なるばね定数と偏向範囲を有する複数のセンサを使用することによって、図２７に示すように量子化されようが、その応答が、図６または図７に似たＭＴＪを使用することによってアナログであろうが、より広い全体のダイナミックレンジが達成される。図２６に示す並列結合した電気的配置構成が有用であるが、直列配置構成も使用することができる。いずれの配置構成もうまく働く。個々のセンサの幾何形状を変更するのにマスクの差だけを用いて、同じ製造プロセスを使用して同じ基板上で、異なる応答を有するセンサを容易に構築することができることは、本発明のかなりの利点である。ダイナミックレンジを拡張するための複数のセンサの使用が、片持ち梁センサによって述べられたが、これは、具体的に示すために過ぎず、制限的であることを意図しない。図１１〜１６に示すような隔壁タイプのセンサ、ならびに、複数のＭＴＪ、および、その相対位置が、センサ入力に応答して変化する複数のＭＦＳを組合せる他の物理配置構成を使用することができることを、当業者は本明細書の説明に基づいて理解するであろう。

第１の例示的な実施形態では、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と、ＭＴＪに移動可能に結合し、かつ、センサの入力に応答して変動する磁界をＭＴＪに提供する磁界源（ＭＦＳ）とを備えるセンサが提供される。さらなる例示的な実施形態では、ＭＴＪは、その電子スピン軸が留められている第１電極と、ＭＦＳに対して、第１電極より近くに配置され、かつ、その電子スピン軸が自由である第２電極とを備える。なおさらなる例示的な実施形態では、ＭＴＪは、さらに、第１電極と第２電極を分離し、かつ、第１電極と第２電極との間にかなりのトンネリング伝導を可能にするように構成された誘電体を備える。なおさらなる例示的な実施形態では、第１電極は、第１の保磁力を有する第１磁性材料であり、第２電極が、第１の保磁力より小さい第２の保磁力を有する第２磁性材料である。なおさらなる例示的な実施形態では、ＭＴＪとＭＦＳの第１の相対位置について、第１電極および第２電極のスピン軸は、実質的に直交し、ＭＴＪとＭＦＳの第２の相対位置について、第１電極および第２電極のスピン軸は、実質的に直交しない。別の例示的な実施形態では、ＭＴＪとＭＦＳの第１の相対位置について、第１電極および第２電極のスピン軸は、第１の相対配向を有し、ＭＴＪとＭＦＳの第２の相対位置について、第１電極および第２電極のスピン軸は、第１の相対配向と異なる第２の相対配向を有する。なお別の例示的な実施形態では、ＭＦＳは、電流を搬送するようになっており、かつ、ＭＴＪを横切る第１の配向を有する第１導体を備え、センサは、さらに、ＭＴＪの下にあり、電流を搬送するようになっており、第１の配向に対して実質的に直交する第２の配向を有する第２導体を備える。

第２の例示的な実施形態では、第１磁性電極と、第２磁性電極と、第１電極と第２電極を分離し、かつ、第１電極と第２電極との間にトンネリング伝導を可能にするようになっている誘電体とを有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を備えるセンサが提供され、センサは、さらに、磁界を提供するための磁界源（ＭＦＳ）であって、第２磁性電極に近接して移動可能に懸垂保持され、その結果、センサの入力に応答するＭＴＪとＭＦＳとの間の距離の変動が、ＭＴＪにおけるＭＦＳの磁界を変動させ、それにより、ＭＴＪの電気特性が変わる、磁界源を備える。別の例示的な実施形態では、ＭＦＳは電流搬送導体である。なおさらに別の例示的な実施形態では、電流搬送導体はＵ形状である。さらなる例示的な実施形態では、ＭＦＳは永久磁石である。なおさらなる例示的な実施形態では、センサは、さらに、ＭＦＳが、そこから懸垂保持される片持ち梁を備える。なおさらに付加的な例示的な実施形態では、センサは、第１磁性電極の下にあり、かつ、第１磁性電極を支持する基板を備え、ＭＦＳは、第２磁性電極から離間した片持ち梁の第１端内に組み込まれ、片持ち梁の第２の遠位端は、基板に結合される。別の例示的な実施形態では、第１磁性電極は、第１方向に配向した電子スピン軸を有し、第２磁性電極は、第２方向に配向した電子スピン軸を有し、ＭＦＳとＭＴＪの第１の相対位置について、第１方向と第２方向が、第１角度だけ異なり、ＭＦＳとＭＴＪの第２の相対位置について、第１方向と第２方向が、第１角度と異なる第２角度だけ異なる。別のさらなる例示的な実施形態では、ＭＦＳとＭＴＪの第１の相対位置について、第１方向と第２方向が、実質的に平行であり、第２の相対位置について、第１方向と第２方向が、実質的に反平行である。別のさらなる例示的な実施形態では、第１磁性電極と第２磁性電極は、細長く、それぞれが、長い寸法を有し、第１電極の長い寸法が、第２電極の長い寸法に対して角度αをなし、ここで、０≦α≦９０°である。

第３の例示的な実施形態では、マルチレンジセンサが提供され、マルチレンジセンサは、複数の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と、それぞれが、１つのＭＴＪに関連し、かつ、関連するＭＴＪにオーバラップする磁界を提供する複数の磁界源（ＭＦＳ）とを備え、それぞれのＭＦＳが、マルチレンジセンサの入力を受け取り、関連するＭＴＪに対するそれぞれのＭＦＳの近接性が、複数のＭＦＳに共通するマルチレンジセンサの入力に応答して異なる方法で変動する。さらなる例示的な実施形態では、それぞれが、関連するＭＴＪに近接して複数のＭＦＳのうちの１つのＭＦＳを支持する、複数の片持ち梁が設けられる。なおさらなる例示的な実施形態では、ＭＦＳを支持する複数の片持ち梁が、マルチレンジセンサへの共通入力に応答して異なる偏向特性を有する。なおさらなる例示的な実施形態では、複数のＭＴＪは、直列に、並列に、または、その組合せで電気結合される。

少なくとも１つの例示的な実施形態が先の詳細な説明で提示されたが、多数の変形が存在することが理解されるべきである。１つまたは複数の例示的な実施形態は、例に過ぎず、本発明の範囲、適応性、または構成を制限することを全く意図しないことも理解されるべきである。むしろ、先の詳細な説明は、１つまたは複数の例示的な実施形態を実施するための好都合なロードマップを当業者に提供するであろう。添付特許請求の範囲およびその法的な等価物に述べられる本発明の範囲から逸脱することなく、要素の機能および配置構成において、種々の変更を行うことができることが理解されるべきである。

本発明の例示的な実施形態による、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を使用するセンサの略図および電気回路。 磁気スピン軸の異なる相対配向を示す、図１の磁気トンネル接合の側面図の集合体。 磁気スピン軸の異なる配向を示す、図１の磁気トンネル接合の分解平面図の集合体。 磁気スピン軸の２つの異なる配向についての、磁気トンネル接合の電流対電圧の略プロット。 印加された電界の関数としての磁気トンネル接合の抵抗の略プロット。 印加された電界の関数としての磁気トンネル接合の抵抗の略プロット。 印加された電界の関数としての磁気トンネル接合の抵抗の略プロット。 その位置がセンサ入力に依存する磁界源を支持する移動可能な片持ち梁を使用する、本発明の別の例示的な実施形態による磁気トンネル接合センサの略側面図。 電流搬送可撓性Ｕ形状片持ち梁が、センサ入力に応じて、磁気トンネル接合に変動する磁界を提供する、図８の磁気トンネル接合センサの略平面図。 可撓性片持ち梁が、単一センサ入力に応じて磁気トンネル接合に変動する磁界を提供する永久磁石を支持する、図８の磁気トンネル接合センサの略平面図。 本発明のさらなる例示的な実施形態による磁気トンネル接合センサの略断面図。 図１１のセンサの略部分切り取り平面図。 図１１のセンサに似ているが、本発明のなおさらなる例示的な実施形態による、センサの略断面図。 図１１のセンサに似ているが、能動磁界源を使用する本発明のなおさらなる例示的な実施形態による、センサの略断面図。 図１４のセンサの略部分切り取り平面図。 図１４のセンサに似ているが、温度または圧力を測定するようになっている、本発明のなおさらなる例示的な実施形態によるセンサの略断面図。 本発明のセンサの製造方法の略フロー図。 図１７のフロー図に似ているが、さらなる詳細を示す略フロー図。 図１７から１８の方法の実施形態のなおさらなる詳細を、断面図の概略的なセット。 図１９の断面図に似ているが、本発明の方法のさらなる例示的な実施形態による、断面図の概略的なセット。 図１９〜２０の断面図に似ているが、本発明の方法のさらなる例示的な実施形態による、断面図の概略的なセット。 電極の少なくとも１つの電極が正方形である、本発明の実施形態による、ＭＴＪの電極の分解平面図。 いずれかの、または、両方の電極が、種々の例示的な非正方形形状を有する、本発明の実施形態による、ＭＴＪの電極の分解平面図。 電極の少なくとも一方が、他の電極に対して種々の角度配置を有する、本発明の実施形態による電極の平面図。 複数のＭＴＪに近接する磁界源を支持する、異なるサイズの複数の片持ち梁を有する複数のセンサの略平面図。 図２５の複数のＭＴＪが、並列に電気結合されているものとして示される略電気回路図。 図２６の並列配置構成についての、Ｒ_ｔ対Ｆの略プロットであり、Ｒ_ｔは、複数のトンネル接合を通るトンネリング抵抗の並列結合であり、Ｆは、複数のセンサに同時に加えられる加速度または力。

Claims (20)

1. センサであって、
   磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と、
   同ＭＴＪに移動可能に結合し、かつ、センサの入力に応答して変動する磁界を同ＭＴＪに提供する磁界源（ＭＦＳ）と、を備えるセンサ。
2. 前記ＭＴＪが、
   その電子スピン軸が留められている第１電極と、
   前記ＭＦＳに対して、前記第１電極よりも近くに配置され、かつ、その電子スピン軸が自由である第２電極と、を備える請求項１に記載のセンサ。
3. 前記ＭＴＪが、
   前記第１電極と第２電極を分離し、かつ、前記第１電極と第２電極との間のトンネリング伝導を可能にするように構成された誘電体をさらに備える請求項２に記載のセンサ。
4. 前記第１電極が、第１の保磁力を有する第１磁性材料であり、前記第２電極が、前記第１の保磁力より小さい第２の保磁力を有する第２磁性材料である請求項２に記載のセンサ。
5. 前記ＭＴＪと前記ＭＦＳの第１の相対位置について、前記第１電極および前記第２電極のスピン軸は実質的に直交し、前記ＭＴＪと前記ＭＦＳの第２の相対位置について、前記第１電極および前記第２電極のスピン軸は実質的に直交しない請求項３に記載のセンサ。
6. 前記ＭＴＪと前記ＭＦＳの第１の相対位置について、前記第１電極および前記第２電極のスピン軸は、第１の相対配向を有し、前記ＭＴＪと前記ＭＦＳの第２の相対位置について、前記第１電極および前記第２電極のスピン軸は、前記第１の相対配向と異なる第２の相対配向を有する請求項３に記載のセンサ。
7. センサであって、
   電流を搬送するようになっており、かつ、前記ＭＴＪを横切る第１の配向を有する第１導体を、前記ＭＦＳが備え、
   前記ＭＴＪの下にあり、電流を搬送するようになっており、前記第１の配向に対して実質的に直交する第２の配向を有する第２導体を、センサがさらに備える請求項１に記載のセンサ。
8. 第１磁性電極、第２磁性電極、および、前記第１電極と前記第２電極を分離し、前記第１電極と前記第２電極との間にトンネリング伝導を提供するようになっている誘電体、を備える磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と、
   前記２磁性電極に近接して移動可能に懸垂保持され、その結果、センサの入力に応答して、前記ＭＴＪと前記ＭＦＳとの距離が変動して、前記ＭＴＪにおける前記ＭＦＳの磁界を変動させ、それにより前記ＭＴＪの電気特性を変える、磁界を提供するための磁界源（ＭＦＳ）と、を備えるセンサ。
9. 前記ＭＦＳが電流搬送導体である請求項８に記載のセンサ。
10. 前記電流搬送導体がＵ字形状である請求項９に記載のセンサ。
11. 前記ＭＦＳが永久磁石である請求項８に記載のセンサ。
12. 前記ＭＦＳが、そこから懸垂保持される片持ち梁をさらに備える請求項８に記載のセンサ。
13. 前記第１磁性電極の下にあって、同第１磁性電極を支持する基板をさらに備え、
    前記ＭＦＳが、前記第２磁性電極から離間した前記片持ち梁の第１端内に組み込まれ、前記片持ち梁の第２の遠位端が、前記基板に結合される請求項１２に記載のセンサ。
14. 前記第１磁性電極が、第１方向に配向した電子スピン軸を有し、前記第２磁性電極が、第２方向に配向した電子スピン軸を有し、前記ＭＦＳと前記ＭＴＪの第１の相対位置について、前記第１方向と前記第２方向が、第１角度だけ異なり、前記ＭＦＳと前記ＭＴＪの第２の相対位置について、前記第１方向と前記第２方向が、第１角度と異なる第２角度だけ異なる請求項８に記載のセンサ。
15. 前記ＭＦＳと前記ＭＴＪの前記第１の相対位置について、前記第１方向と前記第２方向が、実質的に平行であり、前記第２の相対位置について、前記第１方向と前記第２方向が、実質的に反平行である請求項１４に記載のセンサ。
16. 前記第１磁性電極と前記第２磁性電極が、細長く、それぞれが、長い寸法を有し、前記第１電極の長い寸法が、前記第２電極の長い寸法に対して角度αをなし、ここで、０≦α≦９０°である請求項８に記載のセンサ。
17. マルチレンジセンサであって、
    複数の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と、
    それぞれが、１つのＭＴＪに関連し、かつ、前記関連するＭＴＪにオーバラップする磁界を提供する複数の磁界源（ＭＦＳ）と、を備え、それぞれのＭＦＳが、マルチレンジセンサの入力を受け取り、前記関連するＭＴＪに対するそれぞれのＭＦＳの近接性が、前記複数のＭＦＳに共通するマルチレンジセンサの入力に応答して異なる方法で変動するマルチレンジセンサ。
18. それぞれが、前記関連するＭＴＪに近接して前記複数のＭＦＳのうちの１つのＭＦＳを支持する、複数の片持ち梁をさらに備える請求項１７に記載のマルチレンジセンサ。
19. 前記ＭＦＳを支持する前記複数の片持ち梁が、マルチレンジセンサへの共通入力に応答して異なる偏向特性を有する請求項１８に記載のマルチレンジセンサ。
20. 前記複数のＭＴＪが、直列に、並列に、または、その組合せで電気結合される請求項１９に記載のマルチレンジセンサ。

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