1、今天与您分享什么？今天与您分享什么？一、一、巨磁电阻（巨磁电阻（GMR）效应来源及磁电子学的提出）效应来源及磁电子学的提出二、二、GMR技术的核心技术技术的核心技术三、三、GMR技术应用领域及技术应用领域及GMR磁传感器的应用磁传感器的应用四、四、库万军博士海外留学的主要成果库万军博士海外留学的主要成果五、五、项目提出的背景项目提出的背景六、六、立项的动机及意义立项的动机及意义七、七、项目的主要历程及进展项目的主要历程及进展八、八、GMR传感器应用的市场前景传感器应用的市场前景九、九、愿与您携手共创未来愿与您携手共创未来十、十、致谢致谢GMR效应的发现及效应的发现及磁电子学的确立磁电子学的确立
2、 1988年，法国巴黎大学，在纳米结构的层间反铁年，法国巴黎大学，在纳米结构的层间反铁磁偶合的磁偶合的Fe(2nm)/Cr(0.9nm)多层膜中，发现电阻多层膜中，发现电阻随外磁场而发生巨大变化的现象，此现象定义为随外磁场而发生巨大变化的现象，此现象定义为巨磁电阻（巨磁电阻（GMR）效应。其物理机制是与传导电）效应。其物理机制是与传导电子自旋有关散射。子自旋有关散射。 1995年，基于年，基于GMR研究而发展成为一门新型的学研究而发展成为一门新型的学科科-磁电子学磁电子学。超导材料。超导材料(CMR)和绝缘材料和绝缘材料(TMR)。GMR效应的来源效应的来源-800-4000400800-20
3、2468101214161820M R ratio: 18%Linear range: 600O eH ysteresis freeSi/SiO2/N i80Fe20(4nm )N i80Fe20(1.8nm )/C o90Fe10(1nm )/C u (0.9nm )10MR ratio (%)External Field (O e)层间偶合多层膜层间偶合多层膜GMR效应特性曲线效应特性曲线-400-2000200400-1012345678T he S econd L ayerM R : 7.69% , H f:16O eH c:0.2O e, :6.146*10-5cmMR(%)M ag
4、netic F ield (O e)-400-2000200400-6-5-4-3-2-10123T a (2 n m )/N iF e (3 n m )/C o F e (2 n m )/C u (2 .2 n m )/C o F e (2 .5 n m )/M n Ir(6 n m )/T a (4 n m )25sv1-2T he F irst L ayerM R : 7.52% , H f:16O eH c:0.2O e, : 6.102*10-5cm自旋阀（自旋阀（spin-valve)多层膜多层膜GMR效应特性曲线效应特性曲线v优越的优越的GMR磁性薄膜磁性薄膜v先进的集成电路设计
5、先进的集成电路设计v合理的半导体集成工艺合理的半导体集成工艺GMR技术的核心技术的核心GMR技术的应用技术的应用A. 计算机领域计算机领域(硬盘驱动器作为读出磁头硬盘驱动器作为读出磁头) 1998年，IBM. 2000年, 磁头市场占有率95%, 10亿美元/季度B. 磁随机存储器磁随机存储器 2001年，摩托罗拉及IBM公司. 1000亿美元/每年的市场容量C. 磁场传感器磁场传感器 1994年，NVE. 测量磁场电流位移及角速度。电子电力及自动化控制D. 全金属计算机及逻辑元件全金属计算机及逻辑元件 正在研制GMR磁传感器应用领域磁传感器应用领域A. 电机（电机（2000年，深圳年，深圳3
6、亿只），无刷电机亿只），无刷电机转子磁极位置，定子电枢电流转向器，转速检测，过载保护器B. 电子电力技术电子电力技术开关电源（1999年，DC-DC转换器，30亿美元）电流传感器检测，控制及保护。2010年，0.3V120A变频器过流保护器等C. 能源管理能源管理电度表，电网的自动检测. 磁信息读写磁信息读写磁性编码器，读出磁头，验钞机及高级罗盘等. 汽车工业汽车工业BS刹车系统，里程表，点火系统。高级轿车需60只. 工业自动控制，机器人，办公自动化，家电及安全工业自动控制，机器人，办公自动化，家电及安全GMR硬盘驱动器磁头结构硬盘驱动器磁头结构Word lineInsulatorSense
7、lineInsulatorSense Current0 State1 StateRWord currentRWord current* Non-volatility, Low time constants (less than 1ns)GMR磁随机存储器的原理磁随机存储器的原理GMR RAM和半导体和半导体RAM的比较的比较技术半导体存储器（DRAM） GMR存储器 （MRAM）结构及密度10-20集成掩膜板2-3集成掩膜板单元大小25F2/bit2F2/bit写入时间10ns10ns取数时间10ns2ns非易失性10年永久美国国防部2000年报R1R1R2R2V inputV outputV
8、 output = V input (R1-R2)/(R1+R2) 无外磁场 外磁场R2R1+BIAS-BIASR2R1GMR惠斯登电桥磁传感器原理惠斯登电桥磁传感器原理-200-150-100-50050100150200-0,6-0,4-0,20,00,20,40,6Sensitivity:0.17mV/(V*Oe)Linearity: 0.99993Linear range:+-200OeOff-set: 40mVI:20mA, R:9003X190m2Output (V)Magnetic Field (Oe)层间偶合多层膜层间偶合多层膜GMR磁传感器磁传感器 磁 场 传 感 器 技术
9、探 测 磁 场 的 范 围 （ 奥 斯 特 O e） 10-8 10-4 100 10+4 10+8 单 个 价 格（ 人 民 币元 ） SQID （ 超 导 量 子 磁 强 计 ） FLU X GATE （ 磁 通 门 ） H A LL SEN SO R （ 霍 尔 元 件 ） A M R （ 各 向 异 性 传 感 器 ） 10,000- 1,000,000 1,000- 100,000 10- 10,000 10- 100 G M R （ 巨 磁 电 阻 传 感 器 ） 10- 1000 GMR传感器优越的性能价格比传感器优越的性能价格比国内外对国内外对GMR磁场传感器研究及应用磁场传感
10、器研究及应用1. 国外的研究及产业化国外的研究及产业化美国：美国：IBM，HONEYWELL，NVE，Seagate，Read-write，Motorola欧洲：欧洲：PHILIPS，SIMENS，BOSCH日本：日立制作所，日本：日立制作所，TDK，松下，松下，SONY，东芝等在进行研究，东芝等在进行研究 仅有仅有NVE公司生产和销售。公司生产和销售。1. 国外的研究及产业化国外的研究及产业化2. 国内的研究国内的研究九十年代初开始，中科院物理所，北京大学，南京大学，兰州大九十年代初开始，中科院物理所，北京大学，南京大学，兰州大学，山东大学，电子科技大学，华中理工大学，上海交通大学等学，山东
11、大学，电子科技大学，华中理工大学，上海交通大学等。国内仅仅局限于科学研究及材料制备，最近中科院物理所和中。国内仅仅局限于科学研究及材料制备，最近中科院物理所和中科半导体联合进行磁随机存储器（科半导体联合进行磁随机存储器（MRAM）的研究和开发。）的研究和开发。GMR磁传感器在车辆监控方面应用磁传感器在车辆监控方面应用E arth field （ north）Y （ w est）XS chem atic layout of N avigation S ystem sshipboardsensorGMR磁传感器在航运方面应用磁传感器在航运方面应用Voltage outputMovement X,Y
12、X,Y directionLinear rangeSchematic layout of displacement sensorSensorGMR位移传感器的原理位移传感器的原理Robot armSensorNSxydGMR位移传感器的具体应用位移传感器的具体应用020406080100-80-4004080120traypositionhome positionI:9.5mAR:500d:3.5mm17V/m (X)d:6.5mm10V/m (X)d:6.5mm10V/m (Y)-8mV(offset)75mV (offset)Output (mV)X,Y (mm)GMR二维位移磁传感器二维
13、位移磁传感器检测距离(mm)价格温度使用范围（C）霍尔元件 5-840不大于100 20300GMR元件 50-200 可调20可到300磁接近开关性能价格的比较磁接近开关性能价格的比较reference magnetsensorwheelAngular Position SensingGMR角度磁传感器角度磁传感器-10-8-6-4-20246810-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4Idriving current: 5mAResistance: 1.6KDimension: 3X190m2Output (Volt)External Field (Oe)GMR角度磁传感器
14、的输出特性角度磁传感器的输出特性GMR SENSORBank noteMagnetic InkGMR磁传感器在验钞机方面应用磁传感器在验钞机方面应用AntibodyAntigensMagnetic Particle-LabeledAntibodyResearchers can detect antigens by flowing them over a sensor coated with antibodies. The magnetic, particle-labeled antibodies bind to the antigens, providing a magnetic indica
15、tion of the presence of the antigens GMR生物传感器生物传感器GMR磁传感器在检测电流方面应用磁传感器在检测电流方面应用-120-80-4004080120-0.6-0.4-0.20.00.20.40.63*150m2I:10m A, R :1.85KO ffset:2.5m VSensitivity:0.913m V/(V*O e)Linear range:+-20O eOutput (Volt)-20-1001020-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4M agnetic Field (O e)SPIN-VALVE型磁传感器特性
16、型磁传感器特性GMR磁传感器在开关电源方面的应用磁传感器在开关电源方面的应用几种电流传感器的性能及价格比较几种电流传感器的性能及价格比较 电流种类可测范围耐压范围线性度价格互感线圈 交流(100KHz)0 40A高，超高压0.05%15元/只HALL元件（国产）交，直流(100KHz)0.01-35000A 低压（1KV）0.1-1%180-15000元/只HALL元件（BELL）交，直流(150KHz)5-3000A 低压（1KV）0.1-0.2%15-280美元/只GMR元件交，直流 (1MHz)0.001-10000A高，超高压0.05-0.001%10元/只互感线圈用量无法估计，三相电
17、度表年用量600万只。用HALL测电流的年需求量1亿元左右。另外，电流互感器主要用在电源及变頻器。 灵敏度灵敏度(mV/V*Oe)线性范围线性范围(Oe)结构及材料结构及材料偏磁技术偏磁技术INESC(库万军库万军)0.21135NiFe/CoFe/Cu多层膜多层膜CoFe/CoPt双层膜双层膜INESC(库万军库万军)0.17200NiFe/CoFe/Cu多层膜多层膜CoPt膜膜(两矫顽力两矫顽力)INESC(库万军库万军)1.320SPIN-VALVE两次沉积两次沉积INESC(库万军库万军)探测磁场探测磁场X-Y分量的集成元件分量的集成元件INESC(库万军库万军)数字、脉冲型数字、脉冲
18、型库万军博士海外留学的主要成果库万军博士海外留学的主要成果21世纪人类跨入信息时代世纪人类跨入信息时代世界信息电子产品将到世界信息电子产品将到18000亿美元亿美元美国制定美国制定“为了为了21世纪的信息技术世纪的信息技术”（IT2）及纳米计）及纳米计划等划等信息技术三大支柱信息技术三大支柱传感器技术传感器技术通信技术通信技术计算机技术计算机技术国家国家“十五十五”规划：实现规划：实现“中国芯中国芯”到到2005年，国内信息电子产品将到年，国内信息电子产品将到20000亿元亿元传感器技术列为国家鼓励重点发展产业传感器技术列为国家鼓励重点发展产业项目提出背景项目提出背景GMR传感器市场前景传感器
19、市场前景世界：2000年电子信息产品市场13000亿美元到2005年市场规模达到18000亿美元，其中计算机类产品为5200亿美元，通信类产品为1800亿美元，消费类电子产品为1600亿美元，元器件类产品为5000亿美元。 日本：1998年磁传感器年产量达17.18亿只，占传感器产量的39.1%，数量在各类传感器中居首位；年产值1268亿日元，占总份额的25.2%，位居第二位。磁传感器在信息领域里产量占63.8%，产值占75.7%，产量产值均居第一位；在家电领域里产量占38.4%，居第一位；在医疗领域产量占56.7%，居第一位我国：1990年传感器产量已达1亿只，产值5.8亿元，利税1.7亿元
20、；1999年，我国传感器的产量达8.7亿只，产值52亿元，2000年产量达10亿只，产量达60亿元 国内磁场传感器市场需求预测国内磁场传感器市场需求预测产品类别 主要应用领域1998年产量（万只）2000年需求2005年需求2010年需求其它传感器类（压温湿气）主要用于工业自动控制系统，自动化仪表，汽车，仓储，交通，航天航空，环保，科研及医疗144230489690磁敏传感器2000300045006000计数器类自动化仪器仪表，汽车，摩托车，自动控制系统，电工仪表及商业674084301060012870中国机电日报2001年3月14日GMR传感器立项的动机传感器立项的动机v磁性薄膜半导体集
21、成在国内发展仅仅是一个迟早问题，磁性薄膜半导体集成在国内发展仅仅是一个迟早问题，“国国产化产化”责无旁贷。责无旁贷。vGMR磁场传感器为磁性芯片国产化找到了突破点。磁场传感器为磁性芯片国产化找到了突破点。建立一个平台，聚集海内外人才，共同发展民族工业v经济利益可观经济利益可观优越的性能价格比巨大市场容量vGMR技术是磁性行业发展的前沿科技技术是磁性行业发展的前沿科技GMR传感器立项的意义传感器立项的意义v意味着意味着“中国磁性芯片中国磁性芯片”这一新型产业的确立这一新型产业的确立GMR磁场传感器=磁性薄膜+纳米技术+半导体集成v“磁电子学磁电子学”方兴未艾方兴未艾奠定我国磁电子学的应用基础为G
22、MR磁头，随机存储器，薄膜电感，薄膜变压器的国产化奠定基础半导体器件与磁性器件集成在一起，成为可能vGMR磁场传感器已列入国家的重点发展项目磁场传感器已列入国家的重点发展项目科技部“香山科技会议”和国家计委“中国纳米计划”v2000年年12月月11日，成立深圳市华夏日，成立深圳市华夏磁电子技术开发有限公司，注册资磁电子技术开发有限公司，注册资金金100万人民币。留学博士两名，万人民币。留学博士两名，中科院研究员一名，高级工程师多中科院研究员一名，高级工程师多名。名。v2001年年6月，融资月，融资2000万人民币，万人民币，增资扩股到增资扩股到3030万人民币。建立国万人民币。建立国内首条巨磁
23、电阻（内首条巨磁电阻（GMR）磁场传）磁场传感器芯片生产线，将实现磁性芯片感器芯片生产线，将实现磁性芯片的国产化。的国产化。项目实施主要历程项目实施主要历程项目进展情况项目进展情况（一）获得证书（一）获得证书v2000年年11月月24日，获得深圳市科技局成果日，获得深圳市科技局成果处科技成果鉴定处科技成果鉴定 v2000年年12月月27日，获得深圳市民营高科技日，获得深圳市民营高科技企业证书企业证书 v2001年年1月月16日，日，“GMR电流传感器及次电流传感器及次级产品开发项目级产品开发项目”获得获得“深圳市高新技术深圳市高新技术项目认定证书项目认定证书” v2001年年5月，月，“巨磁电
24、阻（巨磁电阻（GMR）传感器）传感器芯片在深圳市计划局及盐田区立项。芯片在深圳市计划局及盐田区立项。（二）项目申报（二）项目申报v2001年年2月月12日，申报深圳市科技计划支持日，申报深圳市科技计划支持项目，已得到市科技三项经费项目，已得到市科技三项经费 50万的无偿万的无偿资助。资助。v2001年年2月月20日，深圳市科技局推荐申报日，深圳市科技局推荐申报“国家科技成果重点推广计划国家科技成果重点推广计划”。v2001年年5月，月，“巨磁电阻（巨磁电阻（GMR）传感器）传感器芯片芯片”申报国家计委立项。申报国家计委立项。项目进展情况项目进展情况华夏公司情况（三）次级产品开发（三）次级产品开发vGMR电流传感器电流传感器专利申请中专利申请中/客户使用客户使用 vGMR电流过载保护器电流过载保护器专利申请专利申请 vGMR位移传感器位移传感器客户使用客户使用 vGMR磁敏接近开关磁敏接近开关客户使用客户使用/定单定单v数字脉冲传感器数字脉冲传感器新型新型/远程抄表远程抄表项目进展情况项目进展情况华夏磁电子全体同仁愿与您携手共创未来华夏磁电子全体同仁愿与您携手共创未来致致 谢谢 ！
