非晶智芯

团队负责人:张超

职务/职称

◆北京市弱磁检测与应用工程技术中心副主任
◆科大天工智能装备研究院副院长
◆非晶智芯团队负责人

研究方向

◆磁敏元器件及磁敏智能传感器

团队成员

李建华,博士,科大天工智能装备研究院 MEMS 分中心主任, 1996 年至 2002年在哈尔滨工业大学先后获得学士和硕士学位,2006 年 2 月在上海交通大学获得微电子学与固体电子学博士学位。同年加入三星电子韩国总部工作,从事先进封装技术研究。现任 MEMS 中心主任、技术总监,MEMS 科技带头人,负责 MEMS 发展规划、技术和产品开发、人才培养和工艺线管理等工作。长期从事磁敏传感器技术、MEMS 技术、先进封装技术研究。在三星电子公司工作期间,主要从事先进封装技术研究。承担并完成了“超薄 wafer 激光划片工艺研究”和“超小间距倒装焊工艺研究”项目研究。在超薄 wafer 激光划片工艺研究中,针对激光划片过程中的热效应对硅片的热损伤导致芯片力学性能下降的难题,创造性的提出了采用后处理的方法去除热损伤层,使芯片力学性能大幅提高,该研究成果在封装领域顶级学术会议第 57 届 ECTC(Electronic Components and TechnologyConference)上做口头报告。2008 年 3 月作为特聘人才加入兵器工业淮海工业集团有限工作,任公司 MEMS 中心主任。带领团队开发出多套 MEMS 标准工艺。研发成功 MEMS 陀螺、MEMS 惯性开关、亚毫米波微带电路等多种 MEMS 器件。主要研究领域为 MEMS 微型磁传感器、MEMS 惯性传感器、圆片级真空封装工艺等技术研究。在 MEMS 和微电子国际期刊和学术会议 Sensors and Actuators,Microreliability, Sensors, Micromachines, IEEE ECTC 等发表学术论文 20多篇。

毛思宁,博士,科大天工智能装备研究院首席科学家,IEEE Fellow,宁波希磁电子科技有限公司合伙创始人之一,中国科学院宁波材料和工程研究所客座 研究员,是国际知名磁学和磁工程技术专家,被誉为国际硬盘界的隧道磁阻TMR“磁头之父”。2012 年底,毛思宁被聘为“国家千人”计划特聘专家,将 TMR磁头技术,跨界到物联网的基础核心技术——磁性传感芯片的研发,致力于在国内打造世界一流的 TMR 磁性传感芯片及其下游物联网传感器研发和制造基地,填补了我国在磁性传感器的核心技术方面的空白。两年多的时间,毛思宁带领团队成功研发出数十款 TMR 电流传感器,其中的多功能电流传感器、“一美元解决方案”等,不仅在技术上打破了国外企业的垄断,达到全球领先,更让中国磁技术取得了跨越式的发展和突破。

姜勇,博士,科大天工智能装备研究院院长,国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者奖励计划特聘教授、教育部创新团队负责人。美国电气与电子工程学会(IEEE)高级会员、中国稀土学会固体科学与新材料专业委员会委员、中国电子学会应用磁学分会委员会委员、中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事等。姜勇教授具有较高的学术造诣,磁随机存储器的研究方面,运用独特的“反对称自旋阀结构”,将有效降低了高密度存储所需要的写电流密度。该成果被收录入 2005 年底最新修订的《国际半导体技术蓝图》(ITRS 2005),并被日本《读卖新闻》、《日经产业新闻》、《日本工业》以及《日刊工业》等新闻刊物专题报道。在 Nature Materials, Physical Review Letters,Applied Physics Letters等杂志发表论文。近年承担的国家重点研发计划,国家自然科学基金重点项目等
各项研究计划 10 余项,共 3000 余万元。

万亚东,科大天工智能装备研究院 CPS 分中心主任,北京科技大学计算机与通信工程学院副教授,主要研究方向包括磁通信技术、透地地位技术、磁敏传感器技术、工业无线传感器网络可靠性技术、工业无线标准化、算法研究、FPGA 及集成电路设计等,承担、参与完成国家自然基金 3 项,863 重点 3 项,十三五材料基因组课题 1 项。

张波,科大天工研究院传感器分中心主任,北京市弱磁检测及应用工程技术研究中心磁性材料研究室主任,主要从事磁敏传感器研究,包括巨磁阻抗型(GMI)磁敏传感器技术、TMR 磁敏传感器技术、GMR 磁敏传感器技术等,以及磁路设计、电路设计、程序算法研究、结构设计等。承担、参与完成国家级 2 项,国防项目3 项,省部级项目 5 项,发表文章 10 余篇,申报国家发明专利 5 项。在产业化方面,牵头组织了装甲车辆底盘悬架升降控制系统开发,该整车项目获得了国家发明技术二等奖,直接带动经济效益 5000 万元。牵头组织了 99 式新型坦克非接触式油路控制系统研究,并已在 300 辆坦克上成功应用,创造直接经济效益 3000万元。在航空航天、兵器、电子、船舶、冶金、港口、煤炭等国防及重要工业领域提供了多项技术解决方案。

罗新强,博士,主要从事处理器设计、IC 集成电路设计和安全技术研发,参与完成中科院先导专项《万亿次极光系列代数运算微处理器》的模拟器及软硬件调试平台。参与完成面向过程自动化和工厂自动化的工业无线网络标准的安全设计、硬件 AES 加密设计、863 面上《负载自适应的低功耗异构多核网络处理器研究》硬件多线程设计与实现。作为项目安全技术负责人完成华为 3 项系统分布式
互联安全项目的业务设计与研发,涉及、远程签名、跨平台跨系统的安全算法库、系统鉴权安全等,2018 年获得华为明日之星称号。

王鹏,博士,长期从事低频无线通信、无线定位研究,熟悉电磁场与电磁波、无线通信系统的技术研发,主持博士后基金“面向浅海环境的电磁传播模型及目标探测技术研究”,针对浅层海底障碍物的电磁探测技术问题,研究电磁探测系统在浅层海洋环境的定位识别应用,参与国家自然基金“地表下物联网低频通信传输模型与降噪关键技术研究”、“地表下无线传感网自适应中长波天线及磁通信技术研究“等项目,在透地通信、地下定位、无线传输协议、ToA 近场磁定位等方面的高水平期刊发表论文 15 篇,申请专利 7 项。

卢志才,博士,从事传感、控制模组技术的研发,主持武器装备预研基金“***用磁粉制动器技术研究”项目,参与 “基于微磁技术的**快速定向研究”项目获军队科技进步奖二等奖一次,在武器系统总体设计与评估、精确制导技术方面有深入研究,参与了武器装备预研基金、预先研究、军内科研、探索一代等6 项科研项目,发表学术论文 20 余篇,在传感器、控制器设计,气动计算,飞行参数测试(卫星+地磁、卫星+惯组、捷联激光半主动导引头解耦)等方面有丰富的研发经验。

团队简介

项目介绍

当前磁敏传感器主要功能材料及工艺包括 CMOS/双极型霍尔类、多层膜磁敏电阻类(各向异性/巨磁阻/隧道结磁阻)等几种类型,现已基本实现规模化使用,在工业检测、汽车电子、硬盘存储等,这些领域的工作磁场测量范围一般是μT-mT 量级,也有报道少量 TMR 芯片做到 nT 量级。而在电网微/漏电流精密检测、生物磁检测、目标探测等领域对 nT/pT 量级的更高灵敏度的低成本高可靠磁传感器技术需求日益迫切,常规的磁敏传感器由于受灵敏度制约已无法满足要求。Co基非晶丝作为在磁场环境下具备高阻抗变化率的功能材料,具有明显的巨磁阻抗效应(Giant Magneto-impedance, GMI),具备可以研制 pT 级超高灵敏度磁传感器的潜力,同时具有更宽的磁场测量范围和更快的频率响应。目前 pT 级的磁传感器较为常见的是低温超导量子干涉仪(SQUID)、光泵(铯光泵、氦光泵等)等,而这些技术均无法实现低成本、小型化。利用非晶丝制备的高灵敏度 GMI 弱磁传感器既可用在匹配制导、水下目标检测、UXO 检测、航空航天等领域,也可用在智能电网、电力基础施、铁路检测等核心民用领域,具有极高的应用价值和潜在经济效益。

 

图 1 各类磁敏传感器性能参数比较

目前 GMI 弱磁传感器领域,国际上日本爱知钢铁公司联合罗姆公司合作较为深入,经过近十年的研究,已于 2020 年初发布一款 GMI 集成封装的电流传感器芯片,也验证了 GMI 弱磁芯片批量生产的可能性。而我国 GMI 弱磁传感芯片主要问题在于材料研究与芯片设计及半导体产业严重脱节,使之无法形成科研试制到产业的闭环。从制造 GMI 弱磁芯片的角度来看,客观上存在以下问题:第一、对非晶丝材料磁性能设计缺乏体系化的优化,工艺表征弱,制造批次稳定性差;第二、半导体技术相关的非硅 MEMS 工艺和封测条件不足,缺乏有效的中试,国内可借鉴的案例不多;第三、配套 GMI 弱磁传感器应用的数字电路和算法技术欠缺,难以在终端应用支撑弱磁传感器的数字化和智能化需求。

本项目团队针对高阻抗变化率非晶丝材料及其磁性能优化工艺、GMI-MEMS制造工艺以及 SoC 集成方面进行了深入研发。通过多年攻关,开发出了磁场环境下高阻抗变化率的非晶丝材料(灵敏度已达到 nT 级别),并具备了小批量试制能力;利用该高性能非晶丝材料,配合精密线圈绕组及装配工艺,结合低噪声模拟电路设计,开发出了极高灵敏度弱磁传感器模组,并在智能电网、铁路检测、航 空航天、智慧交通、石油石化、高端医疗等领域进行了项目应用;尤为重要的是本团队研发了国内首个非硅 MEMS 工艺的 GMI 弱磁传感芯片,该芯片通过典型的非硅 MEMS 工艺,在 4 英寸晶元上通过电镀结合 LIGA 深刻蚀技术以及 GMI 非晶丝高精度装配,实现了首只 GMI-MEMS 弱磁芯片的制备。结合团队在信号处理、硅级 SoC 集成和 CPS 系统集成方面的积累,为 GMI 型弱磁传感器芯片化奠定了技术及工艺基础。

 

 

高阻抗变换率非晶丝材料

 

巨磁阻抗型弱磁传感器模组

 

图 2 GMI-MEMS 型模拟量弱磁传感器芯片样机

为了突破关键工艺技术,实现 GMI 型弱磁传感器芯片的工艺定型及工程化,本项目拟依托松山湖材料实验室完备的材料分析、表征条件及国内外顶尖的物理学和材料学专家资源,结合本团队在电子工程、半导体技术、数字信号处理方面的优势,进一步完善高阻抗变化率非晶丝材料成分体系化设计,固化非晶丝材料批量制备及磁性能优化工艺,研究采用非硅 MEMS 工艺,结合 ASIC 集成电路,完 成 GMI-MEMS+ASIC 混合封装,最终实现智能化 GMI 弱磁传感器芯片的批产能力。重点在智能电网电学量检测和高速铁路桥梁健康检测等核心技术领域推广产业应用。