深圳市华夏磁电子技术开发有限公司课件.ppt
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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
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