磁电子学及其应用

1、磁电子学及其应用 磁电子学及其应用磁电子学及其应用 2001年8月5日 磁电子学及其应用 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

2、与您携手共创未来愿与您携手共创未来 十、十、致谢致谢 磁电子学及其应用 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 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

3、-磁电子学。超导材料磁电子学。超导材料(CMR)和绝缘材料和绝缘材料 (TMR)。 磁电子学及其应用 GMR效应的来源效应的来源 磁电子学及其应用 -800-4000400800 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 M R ratio: 18% Linear range: 600O e H ysteresis free Si/SiO 2/N i80Fe20(4nm ) N i80Fe 20(1.8nm )/Co90Fe10(1nm )/Cu (0.9nm )10 MR ratio (%) External Field (O e) 层间偶合多层膜层间偶合多层膜GMR效应

4、特性曲线效应特性曲线 磁电子学及其应用 -400-2000200400 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 T he S econd L ayer M R : 7.69% , H f:16O e H c:0.2O e, :6.146*10 -5cm MR(%) M agnetic F ield (O e) -400-2000200400 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 T 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

5、(4 n m ) 25sv1-2 T he F irst L ayer M R : 7.52% , H f:16O e H 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 磁电子学及其应用 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 磁电子学及其应用 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

6、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 磁电子学及其应用 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。2

7、010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 磁电子学及其应用 GMR硬盘驱动器磁头结构硬盘驱动器磁头结构 磁电子学及其应用 Word line Insulator Sense line Insulator Sense Current 0 State1 State R Word current R Word cur

8、rent * 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 磁电子学及其应用 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 磁电子学及其应用 R1 R1R2 R2 V input V output V output = V input (R1-R2)/(

9、R1+R2) 无外磁场 外磁场 R2 R1 +BIAS-BIAS R2 R1 GMR惠斯登电桥磁传感器原理惠斯登电桥磁传感器原理 磁电子学及其应用 -200-150-100-50050100150200 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 Sensitivity:0.17mV/(V*Oe) Linearity: 0.99993 Linear range:+-200Oe Off-set: 40mV I:20mA, R:900 3X190m 2 Output (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 磁电子学及其应

10、用 磁 场 传 感 器 技 术 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 ） SQ ID （ 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 磁电子

11、学及其应用 国内外对国内外对GMR磁场传感器研究及应用磁场传感器研究及应用 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。 国外的研究及产业化国外的研究及产业化 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

12、，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。 磁电子学及其应用 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 磁电子学及其应用 E arth field （ north） Y （ w est） X S chem atic layout of N avigation S ystem s shipboard

13、 sensor GMR磁传感器在航运方面应用磁传感器在航运方面应用 磁电子学及其应用 Voltage output Movement X,Y X,Y direction Linear range Schematic layout of displacement sensor Sensor GMR位移传感器的原理位移传感器的原理 磁电子学及其应用 Robot arm Sensor N S x y d GMR位移传感器的具体应用位移传感器的具体应用 磁电子学及其应用 020406080100 -80 -40 0 40 80 120 tray position home position I:9.5

14、mA R:500 d:3.5mm 17V/m (X) d:6.5mm 10V/m (X) d:6.5mm 10V/m (Y) -8mV(offset) 75mV (offset) Output (mV) X,Y (mm) GMR二维位移磁传感器二维位移磁传感器 磁电子学及其应用 检测距离(mm)价格温度使用范围 （C） 霍尔元件 5-840不大于100 20300 GMR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 磁电子学及其应用 reference magnet sensor wheel Angular Position Sensing GMR

15、角度磁传感器角度磁传感器 磁电子学及其应用 -10-8-6-4-20246810 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Idriving current: 5mA Resistance: 1.6K Dimension: 3X190m 2 Output (Volt) External Field (Oe) GMR角度磁传感器的输出特性角度磁传感器的输出特性 磁电子学及其应用 GMR SENSOR Bank note Magnetic Ink GMR磁传感器在验钞机方面应用磁传感器在验钞机方面应用 磁电子学及其应用 AntibodyAntigens Magnetic

16、 Particle-Labeled Antibody Researchers can detect antigens by flowing them over a sensor coated with antibodies. The magnetic, particle-labeled antibodies bind to the antigens, providing a magnetic indication of the presence of the antigens GMR生物传感器生物传感器 磁电子学及其应用 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 磁电子学及其

17、应用 -120-80-4004080120 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 3*150m 2 I:10m A, R :1.85K O ffset:2.5m V Sensitivity:0.913m V/(V*O e) Linear range:+-20O e Output (Volt) -20-1001020 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 M agnetic Field (O e) SPIN-VALVE型磁传感器特性型磁传感器特性 磁电子学及其应用 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 磁

18、电子学及其应用 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

19、量无法估计，三相电度表年用量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。 磁电子学及其应用 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/C u 多层膜多层膜 CoFe/CoPt 双层膜双层膜 INESC (库万军库万军) 0.17200NiFe/CoFe/C u 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

20、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 磁电子学及其应用 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

21、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 磁电子学及其应用 GMR传感器市场前景传感器市场前景 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7

22、5.7%，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；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 磁电子学及其应用 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 14423048

23、9690 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 磁电子学及其应用 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

24、 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 磁电子学及其应用 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GMR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” 磁电子学及其应用 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 内首条巨磁电阻（内首条巨磁电阻（GMR）磁场传）磁场传 感器芯片生产线