深圳市华夏磁电子技术开发有限公司课件

今天与您分享什么？一、巨磁电阻（GMR）效应来源及磁电子学的提出二、GMR技术的核心技术三、GMR技术应用领域及GMR磁传感器的应用四、库万军博士海外留学的主要成果五、项目提出的背景六、立项的动机及意义七、项目的主要历程及进展八、GMR传感器应用的市场前景九、愿与您携手共创未来十、致谢今天与您分享什么？一、巨磁电阻（GMR）效应来源及磁电子学的1GMR效应的发现及磁电子学的确立1988年，法国巴黎大学，在纳米结构的层间反铁磁偶合的Fe(2nm)/Cr(0.9nm)多层膜中，发现电阻随外磁场而发生巨大变化的现象，此现象定义为巨磁电阻（GMR）效应。其物理机制是与传导电子自旋有关散射。1995年，基于GMR研究而发展成为一门新型的学科---磁电子学。超导材料(CMR)和绝缘材料(TMR)。

GMR效应的发现及1988年，法国巴黎大学，在纳米结构的层间2GMR效应的来源GMR效应的来源3层间偶合多层膜GMR效应特性曲线层间偶合多层膜GMR效应特性曲线4自旋阀（spin-valve)多层膜GMR效应特性曲线自旋阀（spin-valve)多层膜GMR5优越的GMR磁性薄膜先进的集成电路设计合理的半导体集成工艺GMR技术的核心优越的GMR磁性薄膜GMR技术的核心6GMR技术的应用

A.计算机领域(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

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

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

正在研制GMR技术的应用 A.计算机领域(硬盘驱动器作为读出磁头)7GMR磁传感器应用领域A.电机（2000年，深圳3亿只），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，0.3V—120A变频器过流保护器等C.能源管理电度表，电网的自动检测Ｄ.磁信息读写磁性编码器，读出磁头，验钞机及高级罗盘等Ｅ.汽车工业ＡBS刹车系统，里程表，点火系统。高级轿车需60只Ｆ.工业自动控制，机器人，办公自动化，家电及安全GMR磁传感器应用领域A.电机（2000年，深圳3亿只8GMR硬盘驱动器磁头结构GMR硬盘驱动器磁头结构9⊙×WordlineInsulatorSenselineInsulatorSenseCurrent××0State1StateRWordcurrentRWordcurrent*Non-volatility,Lowtimeconstants(lessthan1ns)GMR磁随机存储器的原理⊙×Wordline××0State1StateRWo10GMRRAM和半导体RAM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10ns<10ns取数时间10ns2ns非易失性10年永久美国国防部2000年报GMRRAM和半导体RAM的比较技术半导体存储器（DRA11R1R1R2R2VinputVoutputVoutput=Vinput(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R1R1R2R2VinputVoutputVoutpu12层间偶合多层膜GMR磁传感器层间偶合多层膜GMR磁传感器13

GMR传感器优越的性能价格比

GMR传感器优越的性能价格比14国内外对GMR磁场传感器研究及应用国外的研究及产业化

美国：IBM，HONEYWELL，NVE，Seagate，Read-write，Motorola

欧洲：PHILIPS，SIMENS，BOSCH

日本：日立制作所，TDK，松下，SONY，东芝等在进行研究 仅有NVE公司生产和销售。国外的研究及产业化国内的研究

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科半导体联合进行磁随机存储器（MRAM）的研究和开发。国内外对GMR磁场传感器研究及应用国外的研究及产业化 国外的15GMR磁传感器在车辆监控方面应用GMR磁传感器在车辆监控方面应用16GMR磁传感器在航运方面应用GMR磁传感器在航运方面应用17GMR位移传感器的原理GMR位移传感器的原理18GMR位移传感器的具体应用GMR位移传感器的具体应用19GMR二维位移磁传感器GMR二维位移磁传感器20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检测距离(mm)价格温度使用范围霍尔元件5----21GMR角度磁传感器GMR角度磁传感器22GMR角度磁传感器的输出特性GMR角度磁传感器的输出特性23GMR磁传感器在验钞机方面应用GMR磁传感器在验钞机方面应用24GMR生物传感器GMR生物传感器25GMR磁传感器在检测电流方面应用GMR磁传感器在检测电流方面应用26SPIN-VALVE型磁传感器特性SPIN-VALVE型磁传感器特性27GMR磁传感器在开关电源方面的应用GMR磁传感器在开关电源方面的应用28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。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线性度价29

灵敏度(mV/V*Oe)线性范围(Oe)结构及材料偏磁技术INESC(库万军)0.21±135NiFe/CoFe/Cu多层膜CoFe/CoPt双层膜INESC(库万军)0.17±200NiFe/CoFe/Cu多层膜CoPt膜(两矫顽力)INESC(库万军)1.3±20SPIN-VALVE两次沉积INESC(库万军)探测磁场X-Y分量的集成元件INESC(库万军)数字、脉冲型库万军博士海外留学的主要成果

灵敏度线性范围结构及材料偏磁技术INESC0.21±1353021世纪人类跨入信息时代世界信息电子产品将到18000亿美元美国制定“为了21世纪的信息技术”（IT2）及纳米计划等信息技术三大支柱传感器技术通信技术计算机技术国家“十五”规划：实现“中国芯”到2005年，国内信息电子产品将到20000亿元传感器技术列为国家鼓励重点发展产业项目提出背景21世纪人类跨入信息时代项目提出背景31GMR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；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GMR传感器市场前景世界：2000年电子信息产品市场130032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日国内磁场传感器市场需求预测产品主要应用领域1998年233GMR传感器立项的动机磁性薄膜半导体集成在国内发展仅仅是一个迟早问题，“国产化”责无旁贷。GMR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，共同发展民族工业经济利益可观优越的性能价格比巨大市场容量GMR技术是磁性行业发展的前沿科技GMR传感器立项的动机磁性薄膜半导体集成在国内发展仅仅是一个34GMR传感器立项的意义意味着“中国磁性芯片”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“磁电子学”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GMR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”GMR传感器立项的意义意味着“中国磁性芯片”这一新型产业的确352000年12月11日，成立深圳市华夏磁电子技术开发有限公司，注册资金100万人民币。留学博士两名，中科院研究员一名，高级工程师多名。2001年6月，融资2000万人民币，增资扩股到3030万人民币。建立国内首条巨磁电阻（GMR）磁场传感器芯片生产线，将实现磁性芯片的国产化。项目实施主要历程2000年12月11日，成立深圳市华夏磁电子技术开发有限公司36项目进展情况（一）获得证书2000年11月24日，获得深圳市科技局成果处科技成果鉴定2000年12月27日，获得深圳市民营高科技企业证书2001年1月16日，“GMR电流传感器及次级产品开发项目”获得“深圳市高新技术项目认定证书”2001年5月，“巨磁电阻（GMR）传感器芯片在深圳市计划局及盐田区立项。项目进展情况（一）获得证书37（二）项目申报2001年2月12日，申报深圳市科技计划支持项目，已得到市科技三项经费50万的无偿资助。2001年2月20日，深圳市科技局推荐申报“国家科技成果重点推广计划”。2001年5月，“巨磁电阻（GMR）传感器芯片”申报国家计委立项。项目进展情况华夏公司情况（二）项目申报项目进展情况华夏公司情况38（三）次级产品开发GMR电流传感器——专利申请中/客户使用GMR电流过载保护器——专利申请GMR位移传感器——客户使用GMR磁敏接近开关——客户使用/定单数字脉冲传感器——新型/远程抄表项目进展情况（三）次级产品开发项目进展情况39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40致谢！致谢！41今天与您分享什么？一、巨磁电阻（GMR）效应来源及磁电子学的提出二、GMR技术的核心技术三、GMR技术应用领域及GMR磁传感器的应用四、库万军博士海外留学的主要成果五、项目提出的背景六、立项的动机及意义七、项目的主要历程及进展八、GMR传感器应用的市场前景九、愿与您携手共创未来十、致谢今天与您分享什么？一、巨磁电阻（GMR）效应来源及磁电子学的42GMR效应的发现及磁电子学的确立1988年，法国巴黎大学，在纳米结构的层间反铁磁偶合的Fe(2nm)/Cr(0.9nm)多层膜中，发现电阻随外磁场而发生巨大变化的现象，此现象定义为巨磁电阻（GMR）效应。其物理机制是与传导电子自旋有关散射。1995年，基于GMR研究而发展成为一门新型的学科---磁电子学。超导材料(CMR)和绝缘材料(TMR)。

GMR效应的发现及1988年，法国巴黎大学，在纳米结构的层间43GMR效应的来源GMR效应的来源44层间偶合多层膜GMR效应特性曲线层间偶合多层膜GMR效应特性曲线45自旋阀（spin-valve)多层膜GMR效应特性曲线自旋阀（spin-valve)多层膜GMR46优越的GMR磁性薄膜先进的集成电路设计合理的半导体集成工艺GMR技术的核心优越的GMR磁性薄膜GMR技术的核心47GMR技术的应用

A.计算机领域(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

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

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

正在研制GMR技术的应用 A.计算机领域(硬盘驱动器作为读出磁头)48GMR磁传感器应用领域A.电机（2000年，深圳3亿只），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，0.3V—120A变频器过流保护器等C.能源管理电度表，电网的自动检测Ｄ.磁信息读写磁性编码器，读出磁头，验钞机及高级罗盘等Ｅ.汽车工业ＡBS刹车系统，里程表，点火系统。高级轿车需60只Ｆ.工业自动控制，机器人，办公自动化，家电及安全GMR磁传感器应用领域A.电机（2000年，深圳3亿只49GMR硬盘驱动器磁头结构GMR硬盘驱动器磁头结构50⊙×WordlineInsulatorSenselineInsulatorSenseCurrent××0State1StateRWordcurrentRWordcurrent*Non-volatility,Lowtimeconstants(lessthan1ns)GMR磁随机存储器的原理⊙×Wordline××0State1StateRWo51GMRRAM和半导体RAM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10ns<10ns取数时间10ns2ns非易失性10年永久美国国防部2000年报GMRRAM和半导体RAM的比较技术半导体存储器（DRA52R1R1R2R2VinputVoutputVoutput=Vinput(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R1R1R2R2VinputVoutputVoutpu53层间偶合多层膜GMR磁传感器层间偶合多层膜GMR磁传感器54

GMR传感器优越的性能价格比

GMR传感器优越的性能价格比55国内外对GMR磁场传感器研究及应用国外的研究及产业化

美国：IBM，HONEYWELL，NVE，Seagate，Read-write，Motorola

欧洲：PHILIPS，SIMENS，BOSCH

日本：日立制作所，TDK，松下，SONY，东芝等在进行研究 仅有NVE公司生产和销售。国外的研究及产业化国内的研究

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科半导体联合进行磁随机存储器（MRAM）的研究和开发。国内外对GMR磁场传感器研究及应用国外的研究及产业化 国外的56GMR磁传感器在车辆监控方面应用GMR磁传感器在车辆监控方面应用57GMR磁传感器在航运方面应用GMR磁传感器在航运方面应用58GMR位移传感器的原理GMR位移传感器的原理59GMR位移传感器的具体应用GMR位移传感器的具体应用60GMR二维位移磁传感器GMR二维位移磁传感器61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检测距离(mm)价格温度使用范围霍尔元件5----62GMR角度磁传感器GMR角度磁传感器63GMR角度磁传感器的输出特性GMR角度磁传感器的输出特性64GMR磁传感器在验钞机方面应用GMR磁传感器在验钞机方面应用65GMR生物传感器GMR生物传感器66GMR磁传感器在检测电流方面应用GMR磁传感器在检测电流方面应用67SPIN-VALVE型磁传感器特性SPIN-VALVE型磁传感器特性68GMR磁传感器在开关电源方面的应用GMR磁传感器在开关电源方面的应用69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。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线性度价70

灵敏度(mV/V*Oe)线性范围(Oe)结构及材料偏磁技术INESC(库万军)0.21±135NiFe/CoFe/Cu多层膜CoFe/CoPt双层膜INESC(库万军)0.17±200NiFe/CoFe/Cu多层膜CoPt膜(两矫顽力)INESC(库万军)1.3±20SPIN-VALVE两次沉积INESC(库万军)探测磁场X-Y分量的集成元件INESC(库万军)数字、脉冲型库万军博士海外留学的主要成果

灵敏度线性范围结构及材料偏磁技术INESC0.21±1357121世纪人类跨入信息时代世界信息电子产品将到18000亿美元美国制定“为了21世纪的信息技术”（IT2）及纳米计划等信息技术三大支柱传感器技术通信技术计算机技术国家“十五”规划：实现“中国芯”到2005年，国内信息电子产品将到20000亿元传感器技术列为国家鼓励重点发展产业项目提出背景21世纪人类跨入信息时代项目提出背景72GMR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；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GMR传感器市场前景世界：2000年电子信息产品市场130073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日国内磁场传感器市场需求预测产品主要应用领域1998年274GMR传感器立项的动机磁性薄膜半导体集成在国内发展仅仅是一个迟早问题，“国产化”责无旁贷。GMR磁场传感器为磁性芯