磁电子学及其应用

深圳市华夏磁电子技术开发有限公司磁电子学及其应用2001年8月5日今天与您分享什么？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GMR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效应的来源-800-4000400800-202468101214161820MRratio:18%Linearrange:600OeHysteresisfreeSi/SiO2/Ni80Fe20(4nm)[Ni80Fe20(1.8nm)/Co90Fe10(1nm)/Cu(0.9nm)]10MRratio(%)ExternalField(Oe)层间偶合多层膜GMR效应特性曲线-400-2000200400-1012345678TheSecondLayerMR:7.69%,Hf:16OeHc:0.2Oe,:6.146*10-5cmMR(%)MagneticField(Oe)-400-2000200400-6-5-4-3-2-10123Ta(2nm)/NiFe(3nm)/CoFe(2nm)/Cu(2.2nm)/CoFe(2.5nm)/MnIr(6nm)/Ta(4nm)25sv1-2TheFirstLayerMR:7.52%,Hf:16OeHc:0.2Oe,:6.102*10-5cm自旋阀（spin-valve)多层膜GMR效应特性曲线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GMR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硬盘驱动器磁头结构⊙×WordlineInsulatorSenselineInsulatorSenseCurrent××0State1StateRWordcurrentRWordcurrent*Non-volatility,Lowtimeconstants(lessthan1ns)GMR磁随机存储器的原理GMRRAM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10ns10ns取数时间10ns2ns非易失性10年永久美国国防部2000年报R1R1R2R2VinputVoutputVoutput=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-200-150-100-50050100150200-0,6-0,4-0,20,00,20,40,6Sensitivity:0.17mV/(V*Oe)Linearity:0.99993Linearrange:+-200OeOff-set:40mVI:20mA,R:9003X190m2Output(V)MagneticField(Oe)层间偶合多层膜GMR磁传感器磁场传感器技术探测磁场的范围（奥斯特Oe）10-810-410010+410+8单个价格（人民币元）SQID（超导量子磁强计）FLUXGATE（磁通门）HALLSENSOR（霍尔元件）AMR（各向异性传感器）10,000-1,000,0001,000-100,00010-10,00010-100GMR（巨磁电阻传感器）10-1000GMR传感器优越的性能价格比国内外对GMR磁场传感器研究及应用1.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。1.国外的研究及产业化2.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。GMR磁传感器在车辆监控方面应用Earthfield（north）Y（west）XSchematiclayoutofNavigationSystemsshipboardsensorGMR磁传感器在航运方面应用ＳＮVoltageoutputMovementX,YX,YdirectionLinearrangeSchematiclayoutofdisplacementsensorSensorGMR位移传感器的原理RobotarmSensorNSxydGMR位移传感器的具体应用020406080100-80-4004080120traypositionhomepositionI:9.5mAR:500d:3.5mm17V/m(X)d:6.5mm10V/m(X)d:6.5mm10V/m(Y)-8mV(offset)75mV(offset)Output(mV)X,Y(mm)GMR二维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10020300GMR元件50----200可调20可到300磁接近开关性能价格的比较referencemagnetsensorwheelAngularPositionSensingGMR角度磁传感器-10-8-6-4-20246810-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4Idrivingcurrent:5mAResistance:1.6KDimension:3X190m2Output(Volt)ExternalField(Oe)GMR角度磁传感器的输出特性GMRSENSORBanknoteMagneticInkGMR磁传感器在验钞机方面应用ＧＭＲＧＭＲＧＭＲAntibodyAntigensMagneticParticle-LabeledAntibodyResearcherscandetectantigensbyflowingthemoverasensorcoatedwithantibodies.Themagnetic,particle-labeledantibodiesbindtotheantigens,providingamagneticindicationofthepresenceoftheantigensGMR生物传感器GMR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*150m2I:10mA,R:1.85KOffset:2.5mVSensitivity:0.913mV/(V*Oe)Linearrange:+-20OeOutput(Volt)-20-1001020-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4MagneticField(Oe)SPIN-VALVE型磁传感器特性GMR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。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21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GMR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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“