JP4411223B2 - 車載用ｇｍｒ角度センサ - Google Patents

Description

本発明は、外部磁界変化に応じて大きな抵抗変化を示す巨大磁気抵抗効果素子を用いた車載用ＧＭＲ角度センサに関する。

ＧＭＲ角度センサは、外部磁界変化に応じて抵抗値が大きく変化する巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を用いた角度センサである。ＧＭＲ素子は、周知のようにフリー磁性層／非磁性導電層／固定磁性層／反強磁性層の積層構造をもち、固定磁性層の磁化方向は反強磁性層との間に生じる交換結合磁界により一方向に固定され、この固定磁性層に非磁性導電層を介して対向するフリー磁性層の磁化方向が外部磁界に応じて回転し、固定磁性層の磁化方向とフリー磁性層の磁化方向とのなす角度によって抵抗値が変化する。このＧＭＲ角度センサは、ＧＭＲ素子の両端に接続した電極層を有し、この電極層を介して一定の電流をＧＭＲ素子に与えることにより、ＧＭＲ素子の抵抗変化を電圧変化として検出する。ＧＭＲ素子及び電極層（電極パッドは除く）は保護層によって封止されており、この保護層は従来一般にＳｉＯ₂で形成されている。

上記ＧＭＲ角度センサは、可動部（回転部）との接触なしに角度検出可能であるから、摺動抵抗を用いた接触式の角度センサよりも信頼性及び耐久性が非常に高く、例えばステアリングホイールの操舵角検出用など車載用角度センサとしての活用が期待されている。
特開平８−７０１４８号公報 特開平８−２６４８６１号公報 特開平１１−２８７６６９号公報 特開２００２−１０７４３３号公報 特開２０００−２１３９５７号公報 特開２０００−１８０５２４号公報 特開平７−６３５０５号公報

車載用ＧＭＲ角度センサは、少なくとも摂氏−４０度から摂氏１６０度程度の広域温度環境下での使用が想定されており、使用環境温度によってＧＭＲ素子の出力特性が変動しないこと、すなわち、ＧＭＲ素子の素子抵抗値が使用環境温度によらず安定していることが要求される。しかしながら、一定の温度環境下に長時間おいて時間経過に対する素子抵抗値の変化を測定する耐熱試験を実施したところ、従来構造のＧＭＲ角度センサでは、使用環境温度が約摂氏８５度以上に設定すると、試験時間経過とともにＧＭＲ素子の抵抗値が増大してしまうことが判明した。

本発明は、使用環境温度による出力特性変動を低減し、耐熱性に優れた車載用ＧＭＲ角度センサを得ることを目的としている。

本発明は、高温になると、ＧＭＲ素子を封止する保護層（ＳｉＯ₂膜）から進入した酸素によりＧＭＲ素子の表面が酸化し、これが素子抵抗を増大させる要因ではないかとの推測に基づいてなされたもので、ＧＭＲ素子と酸素の接触を防ぐことにより、使用環境温度による素子抵抗変動の低減を実現する。

すなわち、本発明は、外部磁界に応じて素子抵抗が変化する巨大磁気抵抗効果素子と、該巨大磁気抵抗効果素子の両端に接続したリード導体と、巨大磁気抵抗効果素子及びリード導体を封止する保護層とを備えた車載用ＧＭＲ角度センサにおいて、保護層は、非磁性の絶縁多層膜であって、巨大磁気抵抗効果素子及びリード導体の絶縁性を確保するＳｉＯ₂膜と、このＳｉＯ₂膜の上及び下の少なくとも一方に積層した非磁性且つ絶縁性の酸化防止層とにより形成されていることを特徴としている。

上記態様によれば、ＧＭＲ素子とＳｉＯ₂膜の間に介在する酸化防止層によってＧＭＲ素子の表面酸化が防止されるので、高温環境におけるＧＭＲ素子の素子抵抗を安定に維持することができ、ＧＭＲ角度センサの耐熱性が向上する。また酸化防止層は、非磁性であるから、ＧＭＲ角度センサの外部磁界が大きくても磁化されることがなく、ＧＭＲ角度センサの出力特性を劣化させない。

酸化防止層は、ＳｉＯ₂膜の下に積層形成され、巨大磁気抵抗効果素子及びリード導体を覆うＡｌ₂Ｏ₃膜であることが好ましい。このＡｌ₂Ｏ₃膜からなる酸化防止層が存在することにより、使用環境温度によるＧＭＲ素子の素子抵抗値の変化は低減する。これは、Ａｌ₂Ｏ₃膜が化学結合的に安定していて酸素の透過性がほとんどなく、また、ＧＭＲ素子との界面で拡散しづらいことから、酸素がＧＭＲ素子に触れずに済み、ＧＭＲ素子の表面酸化を防止できるためだと推測される。

酸化防止層は、別の態様によれば、ＳｉＯ₂膜の下に積層形成した、巨大磁気抵抗効果素子及びリード導体を覆うＡｌ₂Ｏ₃膜と、ＳｉＯ₂膜の上に順に積層形成したシリコン膜及び絶縁性カーボン膜の積層膜とであることが好ましい。シリコン膜と絶縁性カーボン膜による積層膜は、Ａｌ₂Ｏ₃膜と同様に酸素の透過性がほとんどなく、素子外の酸素からＧＭＲ素子を保護することができる。この積層膜とＡｌ₂Ｏ₃膜の両方により、さらに効果的にＧＭＲ素子の使用環境温度による素子抵抗値の変化を低減することができる。

酸化防止層は、さらに別の態様によれば、ＳｉＯ₂膜の上に順に積層形成したシリコン膜及び絶縁性カーボン膜の積層膜であることが好ましい。この積層膜が存在することにより、ＧＭＲ素子に触れる酸素が減るので、ＧＭＲ素子の使用環境温度による素子抵抗値の変化を低減可能である。

酸化防止層は、ＳｉＯ₂膜よりも薄く形成されていることが実際的である。保護層全体としての絶縁性はＳｉＯ₂膜で確保し、酸化防止層は必要最小限の膜厚であればよい。酸化防止層がＡｌ₂Ｏ₃膜である場合には、Ａｌ₂Ｏ₃膜の膜厚は約１０００Å、ＳｉＯ₂膜の膜厚は約３０００〜４０００Åとすることが好ましい。

本発明によれば、使用環境温度による出力特性変動を低減し、耐熱性に優れた車載用ＧＭＲ角度センサを得ることができる。

以下、図面に基づき、本発明の車載用ＧＭＲ角度センサをステアリングホイールの操舵角を検出する角度センサとして具体化した実施形態について説明する。

図１に示すように一対のＧＭＲ角度センサ１は、回転軸２を介してステアリングシャフトと一体に回転する円筒状の回転磁石３と互いに平行に対向し、且つ、回転磁石３による磁場方向と該ＧＭＲ角度センサ１内の磁場方向とが反平行状態となる位置関係で、自動車のステアリングコラム内に固定されている。この一対のＧＭＲ角度センサ１は、回転磁石３に対する回転位置を互いに９０度ずらして配置されている。回転磁石３は、Ｎ極とＳ極が分極されて着磁されており、Ｎ極とＳ極を結ぶ方向が径方向である。ステアリングホイールが回転操作されると、該操作に応じてステアリングシャフトが回転し、ステアリングシャフトの回転に応じて回転軸２及び回転磁石３が回転する。このとき、一対のＧＭＲ角度センサ１の位置は変化しないため、回転磁石３とＧＭＲ角度センサ１との相対位置が変化し、ＧＭＲ角度センサ１にかかる外部磁界の大きさが変わる。ＧＭＲ角度センサ１は、外部磁界変化に応じて素子抵抗が変化するＧＭＲ素子１０を有しており、このＧＭＲ素子１０に一定の電流を与えることにより、外部磁界変化を電圧変化として読み出す。この一対のＧＭＲ角度センサ１からの出力（電圧変化信号）に基づいて所定の演算を行なうことにより、ステアリングホイールの操舵角が一義的に検出される。

図２及び図３は、ＧＭＲ角度センサ１の概略構成を示す平面図及び断面図である。ＧＭＲ角度センサ１は、巨大磁気抵抗効果を発揮する一対のＧＭＲ素子１０と、各ＧＭＲ素子１０の両端に接続したリード導体３０と、リード導体３０の素子接続側とは反対側の端部に形成したＡｕ電極パッド３１と、ＧＭＲ素子１０とリード導体３０を覆って封止し、同時にＡｕ電極パッド３１を露出させる保護層４０とを備えている。ＧＭＲ素子１０は、素子出力（磁気抵抗変化量）をできるだけ大きく確保するため、図２に示されるように蛇行形状をなして細長く形成されている。本ＧＭＲ角度センサ１はＧＭＲ素子１０を２つ備えているが、備えるＧＭＲ素子１０の数は任意である。

ＧＭＲ素子１０は、図３に示されるように、基板１１側から順に反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性導電層１４、フリー磁性層１５及びキャップ層１６を有し、膜面に対して平行に電流が流れるＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎ Ｐｌａｎｅ）構造をなしている。

反強磁性層１２は、ＩｒＭｎ系合金やＰｔＭｎ系合金からなり、熱処理されることで固定磁性層１３との間に大きな交換結合磁界を発生させ、固定磁性層１３の磁化方向を図示Ｙ方向に固定する。固定磁性層１３は、Ｃｏ、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金等からなる第１固定磁性層１３Ａと第２固定磁性層１３Ｂの間に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｃｕ等からなる非磁性層１３Ｃを介在させた積層フェリ構造で形成されている。第１固定磁性層１３Ａは、反強磁性層１２との界面に生じた交換結合磁界により磁化が図示Ｙ方向に固定され、この第１固定磁性層１３Ａに非磁性層１３Ｃを介して磁気的に結合している第２固定磁性層Ｂは、第１固定磁性層１３Ａの磁化方向と反平行状態をなす方向に磁化が固定されている。このように人工的なフェリ磁性状態にある磁化は、外部磁界や高い環境温度によっても変動することがなく熱的により安定し、固定磁性層１３の磁化方向は変動する虞がない。固定磁性層１３は、Ｃｏ、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金等の強磁性材料からなる単層構造あるいは多層構造の磁性膜で形成してもよい。非磁性導電層１４は、例えばＣｕ等の良導電材料で形成され、固定磁性層１３とフリー磁性層１５を磁気的に分離する役割を果たしている。フリー磁性層１５は、ＮｉＦｅ合金やＣｏＮｉＦｅ合金からなる第１軟磁性層１５Ａと第２軟磁性層１５ＢがＲｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｃｒ等からなる非磁性層１５Ｃを介して対向した積層フェリ構造で形成されている。この積層フェリ構造のフリー磁性層１５によれば、外部磁界によって磁化が回転し易くなり、センサ検出精度をより向上させることができる。フリー磁性層１５は、ＮｉＦｅ等からなる単層構造の軟磁性膜であってもよい。あるいは、ＦｅＮｉ合金またはＣｏＦｅＮｉ合金からなる軟磁性層と、この軟磁性層と非磁性導電層１４の間に介在して軟磁性層のＮｉ原子が非磁性導電層１４に相互拡散することを防止する、ＣｏやＣｏＦｅ合金からなる拡散防止層との二層構造で形成してもよい。ただし、拡散防止層は、軟磁性層の磁気特性を阻害しないように薄く形成する。キャップ層１６は、ＧＭＲ素子１０の最上層であり、Ｔａ等により形成されている。

上記構成のＧＭＲ角度センサ１は、ＧＭＲ素子１０及びリード導体３０を封止する保護層４０に特徴を有している。以下では、図４〜図１０を参照し、保護層４０について説明する。

図４は、第１実施形態による保護層４０の構成を示す拡大断面図である。保護層４０は、非磁性の絶縁多層膜であり、ＧＭＲ素子１０のキャップ層１６及びリード導体３０を覆うＡｌ₂Ｏ₃膜４１と、このＡｌ₂Ｏ₃膜４１の上に積層したＳｉＯ₂膜４２とにより構成されている。Ａｌ₂Ｏ₃膜４１は、ＧＭＲ素子１０とＳｉＯ₂膜４２とを物理的に離し、ＧＭＲ素子１０の表面酸化を防止する酸化防止層として機能する。ＳｉＯ₂膜４２は、ＧＭＲ素子１０及びリード導体３０の絶縁性を確保する役割を果たす。

図５〜図８は、一定温度の使用環境下にＧＭＲ角度センサをおき、時間経過に対するＧＭＲ角度センサの抵抗値変化率及び磁気抵抗変化量ΔＭＲの変化率を測定した耐熱試験結果を示すグラフである。使用環境温度は摂氏２００度であり、外部磁界をゼロとしてＧＭＲ角度センサに一定電流を与えたときの電圧変化から抵抗変化率（％）を算出してある。また、ＧＭＲ角度センサに一定電流を与え、外部磁界をゼロとしたときの電圧変化と所定強さの外部磁界を加えたときの電圧変化から磁気抵抗変化量ΔＭＲ変化率（％）を算出してある。ＧＭＲ角度センサには、この耐熱試験において抵抗変化率が±０．２％未満、ΔＭＲ変化率が±５％未満であることが望ましい。

この耐熱試験では、ＧＭＲ角度センサのＧＭＲ素子、リード導体およびＡｕ電極パッドは同一構成であって保護層のみ構成が異なる、サンプルＳ１〜Ｓ６を用いた。各サンプルＳ１〜Ｓ６における保護層の具体的構成を表１に示す。各サンプルＳ１、Ｓ３〜Ｓ６において、ＧＭＲ素子の最上層は５０Åで形成されたＴａ膜からなるキャップ層である。サンプルＳ２（表１では＊を付した）は、ＧＭＲ素子と最上層Ｔａ膜５０Åとの間にＴａ−Ｏ膜を有している。このＴａ―Ｏ膜は磁気抵抗変化に寄与するアップスピン電子を鏡面反射させ、アップスピン電子の平均自由行程とダウンスピン電子の平均自由行程の差が増大することによりＧＭＲ素子１０の磁気抵抗変化率（感度）を上げる、いわゆるスペキュラー層として機能する。
（表１）
Ｎｏ． 保護層
Ｓ１ ＳｉＯ₂ （4000Å）
Ｓ２ *ＳｉＯ₂ （4000Å）
Ｓ３ Ａｌ₂Ｏ₃（1000Å）＋ＳｉＯ₂（4000Å）
Ｓ４ Ａｌ₂Ｏ₃（2000Å）＋ＳｉＯ₂（2000Å）
Ｓ５ Ａｌ₂Ｏ₃（1000Å）＋ＳｉＯ₂（1500Å）
Ｓ６ Ａｌ₂Ｏ₃（1500Å）＋ＳｉＯ₂（1500Å）

図５は、時間経過に対するＧＭＲ角度センサの抵抗値変化率の推移を示すグラフである。図５を見ると、保護層がＳｉＯ₂膜からなるサンプルＳ１は、時間経過とともに抵抗値の変化率が増大しており、試験開始後２４時間で０．１％を超えている。これは、ＳｉＯ₂膜が熱せられて該ＳｉＯ₂膜中の酸素原子がＧＭＲ素子との界面で拡散を起こしたことによって、あるいは、外部から入り込んだ酸素原子がＳｉＯ₂膜を透過してＧＭＲ素子１０まで達したことによって、ＧＭＲ素子の最上面であるＴａ膜を酸化させたためだと推測される。ＳｉＯ₂膜は、製造条件によっては該ＳｉＯ₂膜中の酸素原子が拡散しやすい状態に形成されることがあり、高温環境下ではＧＭＲ素子との界面で相互拡散を起こしやすいことが経験的にわかっている。

サンプルＳ１と同様に保護層はＳｉＯ₂膜からなるが、ＧＭＲ素子と最上面Ｔａ膜との間にスペキュラー膜を有するサンプルＳ２では、時間経過とともに素子抵抗が大幅に減少していき、試験開始後２４時間で抵抗値の変化率は−０．５％を超えてしまう。そして試験開始後１９２時間経過すると、試験開始後９２時間のときよりも素子抵抗が増大し、抵抗値の変化率が試験開始後２４時間のときとほぼ同等まで回復している。これは、アニール効果により素子抵抗が一旦は減少するが、時間経過と共に酸化が進み、スペキュラー膜の下のフリー磁性層まで酸化され、素子抵抗が増加したためだと推測される。

保護層がＡｌ₂Ｏ₃膜とＳｉＯ₂膜の積層構造をなすサンプルＳ３〜Ｓ６では、時間経過とともに素子抵抗が若干減少しているものの、その抵抗値の変化率はすべて−０．１％未満におさまっている。これは、ＧＭＲ素子とＳｉＯ₂膜との間にＡｌ₂Ｏ₃膜が存在することにより、ＳｉＯ₂膜とＡｌ₂Ｏ₃膜の界面で該ＳｉＯ₂膜中の酸素原子が熱拡散を起こしてもＧＭＲ素子まで達せず、あるいは、外部から入り込んだ酸素原子がＳｉＯ₂膜は透過してもＡｌ₂Ｏ₃膜を透過できずに、ＧＭＲ素子の酸化が抑制されたためだと推測される。Ａｌ₂Ｏ₃膜は、酸素原子の透過性がほとんどなく、製造条件によらずＡｌ原子と酸素原子の結合状態がＳｉＯ₂膜よりも安定していて形成しやすく、さらにＧＭＲ素子との界面における酸素原子の拡散が少ないことが経験的にわかっている。

この耐熱試験結果によれば、Ａｌ₂Ｏ₃膜とＳｉＯ₂膜の積層構造で形成された保護層を有するＧＭＲ角度センサは、高温環境下でもＧＭＲ素子の素子抵抗を安定に維持できることが明らかである。

さらに図５を一部拡大した図６を用いて、サンプルＳ４〜Ｓ６を比較検討してみると、Ａｌ₂Ｏ₃膜がＳｉＯ₂膜よりも薄く、その膜厚をＳｉＯ₂膜の膜厚の（１／３）倍にしたサンプルＳ３では、抵抗値の変化率が試験開始後４８時間までは単調減少し、試験開始後４８時間に約−０．０６％となった以降は時間が経過しても変化せず、約−０．０６％でほぼ安定していることがわかる。また、Ａｌ₂Ｏ₃膜がＳｉＯ₂膜よりも薄く、その膜厚をＳｉＯ₂膜の膜厚の（１／２）倍にしたサンプルＳ５では、抵抗値の変化率は時間経過とともに単調減少しているが、試験開始後１４４時間まではサンプルＳ１〜Ｓ６の中で最も小さく、試験開始後１９２時間経過しても−０．０７％以内におさまっている。一方、ＳｉＯ₂膜とＡｌ₂Ｏ₃膜の膜厚を同一としたサンプルＳ４、Ｓ６では、時間経過とともに抵抗値の変化率が単調減少していて、試験開始後１９２時間では−０．０８％程度となっている。

図７及び図８は、時間経過に対するＧＭＲ角度センサのΔＭＲ変化率の推移を示すグラフである。図７及び図８を見ると、ΔＭＲ変化率は時間経過とともに減少しているが、全サンプルＳ１〜Ｓ６において−１．５％以内におさまっており、問題ない。

以上の結果に基づき、図４に示すＧＭＲ角度センサ１の保護層４０は、Ａｌ₂Ｏ₃膜４１をＳｉＯ₂膜４２よりも薄く形成し、さらにＳｉＯ₂膜４２の膜厚は３０００〜４０００Å程度、Ａｌ₂Ｏ₃膜４１の膜厚は１０００Å程度とすることが望ましい。

次に、図２〜図４に示される、第１実施形態の保護層４０を備えたＧＭＲ角度センサ１の製造方法について説明する。

先ず、基板上に巨大磁気抵抗効果を発揮する多層膜を全面成膜し、この多層膜を図２に示すような蛇行形状にパターニングして、ＧＭＲ素子１０を得る。多層膜は、基板側から順に反強磁性層１２、固定磁性層１３、非磁性導電層１４、フリー磁性層１５及びキャップ層１６を形成してなる。

次に、ＧＭＲ素子１の長手方向の両端に、例えばＣｕのような良導電材料からリード導体３０をそれぞれ形成する。

続いて、ＧＭＲ素子１０及びリード導体３０を含む基板表面上に全面的にＡｌ₂Ｏ₃膜４１とＳｉＯ₂膜４２とを順に積層形成し、これにより保護層４０を得る。このとき、Ａｌ₂Ｏ₃膜４１は１０００Å程度の膜厚で薄く形成し、ＳｉＯ₂膜４２は、ＧＭＲ素子１０及びリード導体３０の絶縁性を確実に確保できるように３０００〜４０００Å程度の膜厚で形成する。

続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて保護層４０に開口部を形成し、この開口部からリード導体３０の素子接続側とは反対側の端部を露出させる。具体的には、ＳｉＯ₂膜４２の上に、リード導体３０の素子接続側とは反対側の端部の上方に位置する領域以外を覆うレジストを形成し、このレジストに覆われていないＳｉＯ₂膜４２及びＡｌ₂Ｏ₃膜４１を例えばエッチングにより除去することで、リード導体３０の端部表面を露出させる。ＳｉＯ₂膜４２はレジストとの密着性に優れているため、上記開放部を位置精度良く形成することができる。また上述したように、硬質なＡｌ₂Ｏ₃膜４１は１０００Å程度の薄い膜厚で形成され、比較的軟らかいＳｉＯ₂膜４２が３０００〜４０００Å程度の厚い膜で形成されているので、Ａｌ₂Ｏ₃膜のみを保護層として用いる場合よりも上記開口部の形成が容易である。

続いて、露出しているリード導体３０の端部の上にＡｕ膜を部分メッキ法により形成し、Ａｕ電極パッド３１を得る。これにより、図２〜図４に示すＧＭＲ角度センサ１が完成する。

以上のように第１実施形態では、ＧＭＲ素子１０及びリード導体３０を覆うＡｌ₂Ｏ₃膜４１と、このＡｌ₂Ｏ₃膜４１の上に積層したＳｉＯ₂膜４２との積層構造により保護層４０が形成されているので、ＧＭＲ素子１０とＳｉＯ₂膜４２の間に介在するＡｌ₂Ｏ₃膜４１がＧＭＲ素子１０の酸化防止層として機能し、摂氏２００度程度の高温環境下であってもＧＭＲ素子１０の素子抵抗値を安定に、つまり使用環境温度による素子抵抗値の変化率を規定範囲内に抑えることができる。これにより、ＧＭＲ角度センサ１の出力特性の使用環境温度による変動は低減し、耐熱性が向上する。

図９は第２実施形態による保護層２４０の構成を示す断面図である。第２実施形態による保護層２４０は、非磁性の絶縁多層膜であり、ＧＭＲ素子１０のキャップ層１６及びリード導体３０を覆うＳｉＯ₂膜４２と、このＳｉＯ₂膜４２の上に積層したシリコン膜４３と、このシリコン膜４３の上に積層した絶縁性カーボン膜４４とにより構成されている。別言すれば、第１実施形態のＡｌ₂Ｏ₃膜４１に替えて、ＳｉＯ₂膜４２の上に、シリコン膜４３と絶縁性カーボン膜４４による積層膜４５を形成したものである。

シリコン膜４３は、例えばスパッタ法により形成され、ＳｉＯ₂膜上にカーボン膜を密着させるために備えられる密着層である。絶縁性カーボン膜４４は、いわゆるダイヤモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ）である。このシリコン膜４３と絶縁性カーボン膜４４による積層膜４５は、酸素原子の透過性がほとんどなく、高温環境下であっても外部から酸素原子を進入させないことから、ＧＭＲ素子１０の表面酸化を防止する酸化防止層として機能する。この積層膜４５はＳｉＯ₂膜４０よりも薄く形成され、シリコン膜４３の膜厚は２０Å程度、絶縁性カーボン膜４４の膜厚は３０Å程度で形成する。

図１０は、一定温度の使用環境下にＧＭＲ角度センサをおき、時間経過に対するＧＭＲ角度センサの抵抗値変化率を測定した耐熱試験結果を示すグラフである。使用環境温度は摂氏２００度であり、外部磁界をゼロとしてＧＭＲ角度センサに一定電流を与えたときの電圧変化から抵抗変化率（％）を算出してある。上述したようにＧＭＲ角度センサは、この耐熱試験において抵抗変化率が±０．２％未満であることが望ましい。

この耐熱試験では、保護層及び該保護層に接するＧＭＲ素子の最上層（キャップ層）の構成が異なる、サンプルＳ７〜Ｓ１２を用いた。各サンプルＳ７〜Ｓ１２における保護層及びキャップ層の具体的構成を表２に示す。
（表２）
Ｎｏ． キャップ層／保護層
Ｓ７ Ｔａ（50Å）／ＳｉＯ₂（4000Å）
Ｓ８ Ｔａ（50Å）／ＳｉＯ₂（4000Å）+Ｓｉ（20Å）+Ｃ（30Å）
Ｓ９ Ｔａ（100Å）／ＳｉＯ₂（4000Å）
Ｓ１０ Ｔａ（100Å）／ＳｉＯ₂（4000Å）＋Ｓｉ（20Å）＋Ｃ（30Å）
Ｓ１１ Ｔａ（50Å）＋Ｒｕ（50Å）／ＳｉＯ₂（4000Å）
Ｓ１２ Ｔａ（50Å）＋Ｒｕ（50Å）／
ＳｉＯ₂（4000Å）＋Ｓｉ（20Å）＋Ｃ（30Å）

図１０を見ると、保護層がＳｉＯ₂膜からなるサンプルＳ７、Ｓ９、Ｓ１１では、時間経過とともに抵抗値の変化率が増大し、試験開始後２４時間で０．２％を超えている。この抵抗値の変化率の変動は、キャップ層（キャップ層を構成するＴａ膜）の膜厚が大きいほど大きくなっており、キャップ層中のＴａ膜の膜厚が同じであれば、キャップ層の構成（Ｔａ単層膜（Ｓ７）かＴａ膜とＲｕ膜の積層膜（Ｓ１１）か）にかかわらずほぼ同じになっている。一方、保護層がＳｉＯ₂膜とシリコン膜と絶縁性カーボン膜の積層構造をなすサンプルＳ８、Ｓ１０、Ｓ１２では、時間経過とともに素子抵抗が若干増えてはいるものの、その抵抗値の変化率はすべて０．１％未満におさまっており、ＧＭＲ素子の素子抵抗は安定していることがわかる。

以上の結果から明らかなように、本第２実施形態によれば、シリコン膜４３と絶縁性カーボン膜４４による積層膜４５がＧＭＲ素子１０の表面酸化を防止する酸化防止層として機能し、摂氏２００度程度の高温環境下におけるＧＭＲ素子１０の素子抵抗変化が低減する。特に、ＧＭＲ素子のキャップ層がスペキュラー層として機能する場合であっても、高温環境下におけるＧＭＲ素子１０の素子抵抗変化は低減する。これにより、ＧＭＲ角度センサ１の耐熱性を向上させることができる。

図１１は第３実施形態による保護層３４０の構成を示す断面図である。この第３実施形態による保護層３４０は、ＧＭＲ素子１０のキャップ層１６及びリード導体３０を覆うＡｌ₂Ｏ₃膜４１と、このＡｌ₂Ｏ₃膜４１の上に積層したＳｉＯ₂膜４２と、このＳｉＯ₂膜４２の上に積層したシリコン膜４３と、このシリコン膜４３の上に積層した絶縁性カーボン膜４４とにより構成されている。別言すれば、第１実施形態のＡｌ₂Ｏ₃膜４１とＳｉＯ₂膜４２の上にさらに、第２実施形態のシリコン膜４３と絶縁性カーボン膜４４による積層膜４５を形成したものである。

この第３実施形態によれば、Ａｌ₂Ｏ₃膜４１とシリコン膜４３と絶縁性カーボン膜４４による積層膜４５の両方によって酸素原子のＧＭＲ素子１０への進入が防止されるので、摂氏２００度程度の高温環境におけるＧＭＲ素子１０の素子抵抗変化を第１実施形態及び第２実施形態よりもさらに低減し、ＧＭＲ角度センサ１の耐熱性が更に向上する。

以上の各実施形態では、保護層４０（２４０、３４０）の一部を構成する酸化防止層として、Ａｌ₂Ｏ₃膜４１またはシリコン膜４３と絶縁性カーボン膜４４による積層膜４５を用いたが、このＡｌ₂Ｏ₃膜４１及び積層膜４５だけに限らず、酸素透過性がほとんどない非磁性絶縁膜であれば用いることができる。ただし、Ｓｉ−Ｎ等の窒化物系の非磁性絶縁膜は、上記酸化防止層の要件を満たしているが、製造が困難である。なお、酸化防止層の要件に非磁性であることが含まれるのは、ＧＭＲ角度センサ１では外部磁界が大きいほど高出力が得られることから一般にＧＭＲヘッドの外部磁界よりも強大な外部磁界が使用されており、保護層が磁性であると外部磁界によって磁化され、センサとして機能しなくなってしまうからである。上記理由から、従来のＧＭＲ角度センサではＳｉＯ₂膜のみで保護層を形成するしかなく、高温環境下でのダメージが大きかった。

以上、説明したように本発明はＧＭＲ角度センサ１の保護層に特徴を有するものであり、ＣＩＰ型のＧＭＲ素子１０自体の構造は問わない。ＧＭＲ素子１０は、本実施形態のようにシングルスピンバルブ構造であってもデュアルスピンバルブ構造であってもよく、また、トップスピンバルブでもボトムスピンバルブでもよい。スペキュラー層を備えるＧＭＲ素子には、図５〜図８及び図１０の耐熱試験結果からも分かるように、本発明の第２実施形態または第３実施形態の態様で適用することが好ましい。

本発明の車載用ＧＭＲ角度センサによる角度検出を説明する模式図である。 図１のＧＭＲ角度センサの概略構成を示す平面図である。 図１のＧＭＲ角度センサの概略構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による保護層の構成を示す断面図である。 一定温度環境下で、時間経過に対するＧＭＲ角度センサの抵抗値変化率を測定した耐熱試験結果を示すグラフである。 図５の一部を拡大して示すグラフである。 一定温度環境下で、時間経過に対するＧＭＲ角度センサのΔＭＲ変化率を測定した耐熱試験結果を示すグラフである。 図７の一部を拡大して示すグラフである。 本発明の第２実施形態による保護層の構成を示す断面図である。 一定温度環境下で、第２実施形態によるＧＭＲ角度センサの抵抗値変化率を測定した耐熱試験結果を示すグラフである。 本発明の第３実施形態による保護層の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ ＧＭＲ角度センサ
２ 回転軸
３ 回転磁石
１０ ＧＭＲ素子
１１ 基板
１２ 反強磁性層
１３ 固定磁性層
１４ 非磁性導電層
１５ フリー磁性層
１６ キャップ層
３０ リード導体
３１ Ａｕ電極パッド
４０、２４０、３４０ 保護層
４１ Ａｌ₂Ｏ₃膜
４２ ＳｉＯ₂膜
４３ シリコン膜
４４ 絶縁性カーボン膜
４５ 積層膜

Claims (5)

1. 外部磁界に応じて素子抵抗が変化する巨大磁気抵抗効果素子と、該巨大磁気抵抗効果素子の両端に接続したリード導体と、前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記リード導体を封止する保護層とを備えた車載用ＧＭＲ角度センサにおいて、
   前記保護層は、非磁性の絶縁多層膜であって、前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記リード導体の絶縁性を確保するＳｉＯ₂膜と、このＳｉＯ₂膜の上及び下の少なくとも一方に積層した非磁性且つ絶縁性の酸化防止層とにより形成されていることを特徴とする車載用ＧＭＲ角度センサ。
2. 請求項１記載の車載用ＧＭＲ角度センサにおいて、前記酸化防止層は、前記ＳｉＯ₂膜の下に積層形成され、前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記リード導体を覆うＡｌ₂Ｏ₃膜である車載用ＧＭＲ角度センサ。
3. 請求項１記載の車載用ＧＭＲ角度センサにおいて、前記酸化防止層は、前記ＳｉＯ₂膜の下に積層形成した、前記巨大磁気抵抗効果素子及び前記リード導体を覆うＡｌ₂Ｏ₃膜と、前記ＳｉＯ₂膜の上に順に積層形成したシリコン膜及び絶縁性カーボン膜の積層膜とである車載用ＧＭＲ角度センサ。
4. 請求項１記載の車載用ＧＭＲ角度センサにおいて、前記酸化防止層は、前記ＳｉＯ₂膜の上に順に積層形成したシリコン膜及び絶縁性カーボン膜の積層膜である車載用ＧＭＲ角度センサ。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の車載用ＧＭＲ角度センサにおいて、前記酸化防止層は、前記ＳｉＯ₂膜よりも薄く形成されている車載用ＧＭＲ角度センサ。
   

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