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巨磁电阻效应及其传感器的原理


巨磁阻效应及其传感器的原理和应用
一、 概述 对于物质磁电阻特性的研究由来已久, 早在 20 世纪 40 年代人们就发现了 磁电阻效应。所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化,通常用电阻变化率Δ r/r 描述。研究发现,一般金属导体的Δ r/r 很小,只有约 10-5%;对于磁性金属或合 金材料(例如坡莫合金) ,Δ r/r 可达(3~5)%。所谓巨磁电阻(GMR)效应,

是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小,而Δ r/r 急剧增 大的特性,一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高 10 倍。利用 这一效应制成的传感器称为 GMR 传感器。 1、分类 GMR 材料按其结构可分为具有层间偶 合特性的多层膜(例如 Fe/Cr) 、自旋阀多层膜 (例如 FeMn/FeNi/Cu/FeNi) 颗粒型多层膜 、 (例 如 Fe-Co)和钙钛矿氧化物型多层膜(例如 AMnO3)等结构;其中自旋阀(spin valve)多层膜又分为简单型和对称型两 类; 也有将其分为钉扎(pinning)和非钉扎型两类 的。 2、巨磁电阻材料的进展 1986 年德国的 Grunberg 和 C.F.Majkrgak 等人发现了 Y/Gd、Y/Dy 和 Fe/Cr/Fe 多层膜中 的层间偶合现象。1988 年法国的 M.N.Baibich 等人首次在纳米级的 Fe/Cr 多层膜中发现其Δ r/r 在 4.2K 低温下可达 50%以上,由此提出了 GMR 效应的概念,在学术界引起了很大的反 响。由此与之相关的研究工作相继展开,陆续 研制出 Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、 Co/Ag、Co/Au??等具有显著 GMR 效应的层 间偶合多层膜。自 1988 年发现 GMR 效应后仅 3 年,人们便研制出可在低磁场(10-2~10-6T) 出 现 GMR 效 应 的 多 层 膜 ( 如 [CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]n) 。 1992 年人们利用两种磁矫顽力差别大的 材料(例如 Co 和 Fe20Ni80)制成 Co/Cu/ Fe20Ni80/Cu 多层膜,他们发现,当 Cu 层厚度大于 5nm 时,层间偶合较弱,此时利用 磁场的强弱可改变磁矩的方向,以自旋取向的 不同来控制膜电阻的大小,从而获得 GMR 效 应,故称为自旋阀。

与此同时,1992 年 A.E. Berkowitz 和 Chien 等人首次发现了 Fe、Co 与 Cu、Ag 分别形成二元合金 颗粒膜中的磁电阻效应, 在低温下其Δ r/r 可达 (40~60) 随后陆续出现了 Fe-Ag、 %。 Fe-Cu、CoxAg1-x/Ag 等颗粒多层膜。 1993 年人们在钙钛矿型稀土锰氧化物中发现了比 GMR 更大的磁电阻效 应,即 colossal magnetoresistance(CMR)庞磁电阻效应,开拓了 GMR 研究的新领域。 GMR 效应的理论是复杂的,许多机理至今还不清楚;对于这些理论也分 为层间交换偶合(IEC) 、磁性多层膜的 GMR、隧道磁电阻(TMR)等类型,详 情可参阅有关文献。 3、巨磁电阻传感器的进展 在发现低磁场 GMR 效应之后, 1994 年 C.Tsang 等研制出全集成化的 GMR 器件—自旋阀。同年,美国的 IBM 公司研制出利用自旋阀原理的数据读出磁头, 它将磁盘记录密度提高了 17 倍, 5Gbit/6.45cm2 in2)目前已达 11Gbit/6.45cm2 达 ( , (in2) 。这种效应也开始用于制造角度、位置传感器;用于数控机床、汽车测速、 非接触开关、 旋转编码器等领域。 作为传感器它具有功耗小、 可靠性高、 体积小、 价格便宜和更强的输出信号等优点。 最近已研制出利用 CMR 效应的位置传感器。 2000 年 7 月在德国的德雷斯顿举行的第 3 届欧洲磁场传感器和驱动器学术会议 上,关于 GMR 传感器的论文占论文总数的 1/3 以上,可见人们的关注程度。 表 1 自旋阀 GMR 代表值特性表
样品膜结构 [Fe (4.5)/Cr (12)]50 [Co(15)/Cu(9)]30 [Co(8)/Cu(8.3)]60 [Co(10)/Cu(10)]100 Co(25)/Cu(19)/Co (4) (19) (25) /Cu /Co Co(3)/Cu(19)/Co (25) Co90/Fe10 40) (25) ( /Cu /Co90Fe10(8) NiFe(100)/Cu(25) /Co(22) CoFe/AgCu(15)/CoFe Fe(60)Co(8)/Cu (23)/AAF/Cu(23) /Co(8)Fe(60) [Co 30) (50) ( /Cu /NiFe (30)/Cu(50)]15 [Co(15)/Cu(12)]n [Co(12)/Cu(11)]180 NAF/SAFCoFe(25)/Cu (20)/CoFe(25) 结构形式 多层 多层 多层 多层 多层 对称自旋阀 底部自旋阀 顶部自旋阀。 3 层结构 平行双自旋阀 Δ ρ /ρ (%) 220 42 78 48 115 65 80 24.8 19 7 4.6 4-7 6 温度(K) 1.5 300 4.2 300 4.2 4.2 300 300 300 300 300 300 300 Philips 公司 IBM 公司 NVE 公司 Siemens 公司 备注

多层 多层 多层 底部自旋阀

9.9 170 55 13

300 4.2 300 300

二、磁性多层膜的巨磁电阻效应 1、磁性层间偶合多层膜

图 4 Cu-Co 合金颗粒膜 GMR 效应 图 5 钙钛矿氧化物的 CMR 效应特性曲线 图 6 La-Y-Ca-Mn-OCMR 效应曲线

磁性层间偶合多层膜和自旋阀多层膜的主要区别是: 前者采用层间偶合方 式进行信号传递;后者采用控制磁矩取向方式进行信号传递。 层间偶合多层膜结构通常由铁磁金属(FM)层和非磁性金属(NM)层交 替生成,其通式为:CM/FM/NM?/FM/CM(1) 式中:CM—上下两侧的覆盖层(或称缓冲层)为金属材料,有无皆可。 1988 年法国的 M.N.Baibich 等人在美国物理学会主办的 Physical Review Letters 上发表了有关 Fe/Cr 巨磁电阻效应的著名论文,首次报告了采用分 子外延生长工艺(MBE)制成 Fe(100)/Cr(100)规则型点阵多层膜结构。在 这种(Fe/Cr)n 结构中,Fe 为强铁磁性金属,Cr 为反铁磁性金属,n 为 Fe 和 Cr 的总层数。它是采用 MBE 工艺将 Fe(100)/Cr(100)生长在 GaAs 芯片上, 其工艺条件是, 保持 MBE 室内剩余压力为 6.7´10-9Pa, 芯片温度约 20°C, 淀积速率:对于 Fe 为 0.06nm/s;对于 Cr 为 0.1nm/s。它们每层的厚度约(0.9~ 9)nm,通常为 30 层。为获得上述淀积速率,还专门设计了坩埚蒸发器。经实 验发现,当 Cr 的厚度小于(0.9~3)nm 时,它与 Fe 层之间偶合的一个反向铁 磁特性(AF)的磁滞回线斜率逐渐增大。图 1 显示了 Fe 层为 3nm,Cr 层分别为 0.9nm、 1.2nm 和 1.8nm, 磁感应强度 B 在±2T 范围内, 热力学温度 T=4.2K, n=30、 35、60 时,3 个不同样本的特性。随着 Cr 厚度的增加和总层数的降低,Δ r/r 也 升高, 而且高斯磁场强度 HS 越弱, r/r 越高, HS≈2T 时, (3nm) Δ 当 [Fe /Cr0.9nm]60 膜的Δ r/r 可达 50%以上。实验还发现,即使温度升至室温,HS 降低了 30%,Δ r/r 也可达到低温值的一半,这一结论具有十分大的实用价值。 随后人们发现了大量层间偶合多层膜中 GMR 效, (Co/Cu) (Co/Ru) 如 n、 n、 (CoFe/Co)n、 (Co/Ag)n、 (NiFe/Cu)n、 (NiCo/Cr)n、 (NiFeCo/Cu/Co)n、 (NiFeCo/Cu/Co)n 和(NiFeCo/Al+Al2O3/Co)n 等材料。这些材料在室温下的 Δ r/r 也都达到 10%以上甚至更高 。 2.自旋阀多层膜 简单型自旋阀通常是由一层 NM(例如 Cu)和两层 FM 组成。与多层结 构不同,具有扎钉磁化取向特性的第一 FM 层作为参考层,适当的选择 Cu 层的 厚度,使它仅将微弱的磁场信号偶合到作为敏感层的第二 FM 层。通常的扎钉功

能是指在磁场作用下,向参考层上淀积一层反铁磁性(AFM)材料(例如 NiO) 获得的,为了改进扎钉结构的性能,在其和 AFM 层之间可以附加一个三层层间 偶合系统,与它的第一层为 AFM 层的材料偶合。如果采用 FeMn 作为 AFM 层, 就会出现如图 2 所示的磁电阻特性, 图中第一条低磁场强度曲线的斜率是因敏感 层旋转所致;第二条高磁场强度的斜率曲线是由参考层旋转所致;参考层旋转使 得场强通常发生在与交换偏置场(Hex)的相关处。如果我们将一个磁电阻作为 磁场方向的函数,可以获得接近正弦波形的曲线。在低于 Hex 一定范围内(图中的工作范围内) ,该特性与磁场强度无关,Δ r/r 与旋转 角度相关,因此可用于角度传感器。与霍尔元件和非均质磁电阻(AMR)元件 不同,这种磁电阻元件测量角度仅需要几十毫特斯拉的磁感应强度,信号周期为 360° 。 根据扎钉层(NiO)相对于 Si 芯片的位置,简单自旋阀可分为“顶结构” 和“底结构”两种。图 3 是具有不同层数多层膜的各种排列方式。图 3(a)是 3 层 对称自旋阀结构,由 3 层磁性膜组成,中间的膜为自由层,两侧的 NiO 为扎钉 层。图 3(b)是一个对称多层自旋阀结构,2 个扎钉层之间是一个 Co/Cu/Co/Cu/Co 多层膜。图 3(d)是一个底结构自旋阀,将一个 Co/Cu/Co 多层膜放在扎钉层 NiO 的上面。 为了在 3 层或多层磁性膜内获得 GMR 效应或 AFM 层间的交换和偶合效 应;加工多层膜结构必须采用图 3(c)软硬材料相间的方式。表 1 是简单和对称自 旋阀的 GMR 特性表 。 3. 颗粒多层膜 颗粒多层膜通常是由二元金属形成的合金颗粒膜,在低温状态下,它具有 GMR 效应,其Δ r/r 也可达到(40~60)%。1992 年 A.E.Berkowitz 和 Chien 等 首次发现了 Cu-Co 合金颗粒膜的 GMR 效应。他们采用磁控溅射工艺,将 Cu、 Co 分别溅射到 Si(100)芯片上,形成 Co-Cu 薄膜;该芯片以 1r.p.s.的速度转, 背景压力为调整溅射速率可生成 8´10-4Pa, 含量分别为 12%、 Co 19%、 28%, 厚度为 300nm 的薄膜。图 4 是 Cu-Co 合金颗粒膜的特性曲线图,曲线 a、b 为 19Co、28Co 的样品,是采用淀积方法,在 T≥100K 时获得的,可以看出曲线 b 已经产生振荡, 它们的Δ r/r 分别达到 8%和 2%; 而曲线 c 是在 T≥10K 时的 19Co 样品的特性,它的Δ r/r 达 22%以上,可见还是相当高。实验证实,对于这种薄 膜经热处理退火后,即使在室温下也可以获得 20%以上的Δ r/r。 近年来,不断出现了对于 Fe-Ag、Fe-Cu 等颗粒多层膜 GMR 特性的研究, 发现材料的磁性成分较小时,颗粒间作用也较小;成分增至(25~30)%时,其 颗粒间具有较强的磁偶合。 颗粒多层膜的另一特点是其磁性饱和场比磁电阻饱和 场低得多; 它在零磁场条件下电阻随温度的变化比在磁场中电阻随温度的变化要 小得多。

图 8.自旋阀角度传感器 4.钙钛矿氧化物多层膜 1993 年, R.Von.Helmholt 等人首次在 La2/3Ba1/3MnOx 铁磁多层膜中发现 了巨大的 CMR 效应,该多层膜在磁性转变温度(居里点 Tc)附近,Δ r/r 高达 (106~108)%,即使在室温下的Δ r/r 也可达 60%。这类多层膜采用外延生长、 离轴(off—axis)激光淀积和退火等工艺,将膜生长在 SnTiO3 芯片上。图 5 是 在 T=300K 条件下,淀积和退火后电阻率与温度的相关曲线。从图中看出,随着 磁场的增大 Δ r/r 减少,Δ r/r 的峰值发生在零磁场附近。 图 6 是 1995 年 S.Jin 等人对 La0.60Y0.07Ca0.33MnOx 多层膜进行研究, 采用多晶硅芯片,在 T=140K,Hs≈6T 条件下,生成钙钛矿氧化物多层膜,获得 的 CMR 效应曲线,它的Δ r/r 高达 10000%。

三、巨磁电阻传感器 通常,轮速或增量位置传感器由磁场激励和检测传感器或电桥两部分组 成。为了产生一个周期性变化的磁场,激励部分可采用一个永磁铁多极轮,也可 由一个铁磁轮和一个外加磁场组成。检测传感器包括磁场传感器、GMR 传感器 等。这类传感器可用作反时针刹车系统的轮速传感器,控制汽车发动机的速度和 位置传感器以及各种角度增量编码器等。 1.磁性层间偶合多层膜传感器 由于 Co/Cu 多层膜或在其基础上研制的 CoCu/Co 多层膜的磁电阻特性无 迟滞效应,而且使用温度已达到 200℃以上,长期稳定性也高于 500h,因此,将 它用于传感器的较多。图 7 是 C.P.O.Treutlerba 研制的一种用于测量车轮速的多 层膜传感器的电路框图,采用 Co/Cu 或 CoCu/Cu 多层膜制成的 4 个 GMR 敏感 电阻,组成一个电桥型场强计(gradiometer) 。图中 d 是电桥的 2 个半桥之间的 距离,实际上就是磁极轮的磁极距。当极轮的旋转速度不同时,GMR 传感器的 桥路阻值将改变,使电桥产生并输出一个与轮速相关的输出信号,从而获得被测 速度。 2.自旋阀多层膜传感器 图 8 是一个与层间偶合多层膜传感器类似的自旋阀角度传感器的框图, 它 的敏感电阻为 FeMn/Co/Cu/NiFe 多层膜。这种传感器也将 4 个敏感 GMR 放在电 桥内。为了从均匀磁场内的桥路中获得信号,应使与 2 个半桥相关的参考层的方 向相反。因此,该传感器采用了一种所谓二次淀积工艺形成自旋阀,即在磁场旋

转下进行第一次淀积;利用第二次淀积期间除去中间介质层,以获得方向相反的 小尺寸参考层。该传感器具有造价低、批量加工和采用微机械加工工艺等优点, 可以满足汽车传感器对环境温度在 200℃左右的要求,与极轮或外加磁场配合使 用。

图 9 是 G.Rieger 等人报告的另一种非接触式自旋阀位置传感器, 它由可旋 转磁铁和自旋阀多层膜系统两部分组成。通常将可旋转磁铁固定在被测对象上, 使其能够随旋转对象一起转动。多层膜结构包括顶、底两层 Fe 作为检测层,为 软磁性材料;两检测层之间是一个 Cu、Co 相间的子系统作为反磁性(AAF)层, 是硬磁性材料;由此形成一个软硬相间的自旋阀系统。该传感器的测量原 理是, 在一个与 Cu/Co 多层膜系统的固定磁化率相关的外加磁场作用下, 软磁性 检测层的磁化率的方向将随之改变, 输出一个与外加磁场角度的余弦变化量相关 的敏感信号。 如果软材料层和硬材料层的磁化排列相互平行,则 GMR 值最小;如果它 们反向平行,则 GMR 值最大。该传感器多层膜的Δ r/r 约为 5%;由于其检测层 达不到完全的软磁性,仍存在各向异性, 因此产生的迟滞为±1°; 为 2.5~30kA/m, H 温度系数Δ r/Tr 为-0.25%/K。 与 Hall、AMR 磁场传感器不同,该传感器仅对位置敏感,由此测量出所加磁场 的方向,而与所加磁场的强度在很大的范围内无关。因此在被测对象及旋转磁铁 与多层膜系统之间可形成一个巨大的空气间隙,以调节非相关方向的力矩。图中 的 M1、M2 说明角度与自旋阀检测层和多膜系统之间的力矩相关。该传感器采 用热氧化淀积工艺将每个敏感薄膜形成在 Si 片上,构成单个传感器;或者采用 标准光刻工艺将多层膜电阻桥路形成在 Si 片上,制成 GMR 全桥传感器。每个

GMR 元 件 均 呈 曲 线 形 状 , 阻 值 为 800W 。 全 桥 传 感 器 的 外 型 尺 寸 为 0.5mm´1mm,封入标准的 SMD 壳内。 基于上述 GMR 传感器的输出信号为正弦曲线,因此适于制造低造价、非 接触式传感器。下面是 3 个非接触式绝对位置传感器的实例,图 10(a)是一个前 轮角度传感器,它将旋转永久磁铁放在 GMR 之上,由 GMR 传感器检测出旋转 磁铁的位置,从而获得车轮的角度。图 10(b)是采用相同原理的角度传感器,它 将 GMR 元件放在磁化 2 极磁轮的侧面。图 10(c)利用了一个可至几厘米的偶极 场的角度变化,由一根单独的棒形磁铁产生的离散磁场的 GMR 来测量出线性位 置。 上述 3 例采用复校电路, 可获得最大位移为 10mm 时, 电路的分辨率达 20mm。 图 11(a)是一种铁磁轮式传感器,它的被测对象可以是一个机械齿轮,将 GMR 元件放在磁铁和齿轮之间,当齿轮旋转时,磁场的分布将发生改变,从而 在 GMR 元件内产生相应的数字化输出信号。图 11(b)是一种磁极轮式传感器, 磁极轮的旋转将改变磁场的分布,GMR 元件内产生 GMR 效应,输出相应的数 字化信号。C.Giebeler 等人也报告了类似的 GMR 角度和 旋转速度传感器。 最近 Werner.Ricken 等报告了一种采用 GMR 和涡流传感器进行混凝土无 损试验的研究。 他们将 4 个 GMR 元件组成的惠斯登电桥形成在 Si 芯片上。 然后 密封入一块 8 针 SOIC 壳内。在|B|的线性范围≤1.1mV 条件下,温度灵敏度为 3.79%/mT。 3.颗粒膜传感器 最近,M.Angelakeris 等人报告了一种 Ag-Co 颗粒多层膜磁场传感器,它 的加工是在超高真空条件下,采用电子束溅射工艺,将其淀积在 Si、聚烯亚胺、 玻璃等芯片上。它的加工工艺如图 12 分 4 步,首先采用平板印刷工艺将聚烯亚 胺膜淀积在 Si(100)芯片上,该模由 8 个传感器形成 2×4 传感器阵列组成。第 二步是选择 Ag-Co 多层系统淀积在该芯片上。第三步是淀积后除去未覆盖聚烯 亚胺膜部分,只将传感器的 Ag-Co 多层膜系统保留在 Si 芯片上。最后,将作为 电气引线的 Al 接点预制在传感器元件之间, 这种二维传感器可以扩展为 16、 32、 64 个元件,加工更多的元件应采用三维结构,但这将使电气引线变得更复杂。 这种传感器适用于稳定、均匀的小磁场测量领域。

图 12.Ag—Co 颗粒多层膜磁场传感器的加工工艺 4.庞磁电阻传感器

图 13 是 O.J.Gonzalez 等人最近研制的 GMR 位置传感器,它的敏感多层膜是一 种钙钛矿氧化物,其主要成分是 La0.67Sr0.33MnO3 ( LSMO ) 形 成 在 , Al2O2 芯片上,呈 4 个环型电阻形状,作 为惠斯登电桥的 4 个敏感臂,它们在磁场 中阻值将减少。该传感器工作原理是,当 两个磁电阻相对变化时(R1 和 R3、R2 和 R4) ,非平衡电桥受永久磁场影响,输出 最大值;当所有磁电阻对桥路的影响相平 衡时,桥路输出为零。磁电阻电桥与旋转 角度相关的灵敏度可表示为:
图 13.庞磁电阻位置传感器原理和芯片布置图

Sb=∣DVo(Q)/ Vi/DQ∣ (2) 式中:Δ Vo(Θ )—桥路不平衡时输出电压变化率; Vi—桥路输入电压; Δ Θ —敏感角度变化率。 该传感器的加工工艺包括形成 Al2O3 芯片、光刻 LSMO 形成电桥以及最 后进行退火热处理等 12 步。芯片总尺寸为 17mm´17mm´20mm,Sb 为 70.66mV,电路接口灵敏度为 4.26mV/V/ º。[12] 5.半磁性半导体传感器 最近,A.I.Savchuk 等人采用改进型 Bridgman 方法,生长出 Hg1-x CrxSe 和 Hg1-xEu1-xTe 单晶体薄膜,实验发现这两种材料具有显著的 GMR 效应。在 x>0.05 的 Hg1-x CrxSe 晶体内, 存在与温度相关的针状不规则的 GMR 特性。 室温下, Hg1-x CrxSe 晶体的 Dr/r 值可达 100%。此材料已用作磁场传感器。正在研究采 用激光淀积工艺制造这种薄膜。 四、结束语 综上所述,磁性材料的 GMR 效应及传感器的发展,有以下几个特点: 1. 对于各种 GMR 材料的研究方兴未艾,不断有新材料或新的 GMR 效应出 现, 例如, CMR 材料、 Hg1-xEu1-xTe 晶体等, 有些材料室温下的 Dr/r 竟达 100%; 其应用前景诱人。就目前的研究成果而言,自旋阀多层膜成果最多;Co-Cu 类颗 粒多层膜应用也较多 。 2. 与 GMR 效应类似,人们自 1992 年开始还发现了微晶或非晶软磁合 金薄膜中的巨磁电感、巨磁阻抗效应(GMI) ;M.Vazquez 等人已制成 Co-Fe 非晶软磁合金薄膜磁场传感器, 这一领域有进一步发展 的潜力。 3. 对于 GMR 效应的应用,集中在数据读出磁头及存储器、弱磁场检测 和位置类传感器等方面。 GMR 传感器的应用大都用多层膜电阻形成惠斯登电桥,

利用被测量引起的磁场变化,导致桥路产生相关输出电压。这种传感器最早用于 弱磁场检测;目前更多的是用于测量位置、速度、角度、位移等领域。就 GMR 效应的温度的特性而言 ,它也应当能够用于特定场合的温度测量。 4. GMR 传感器芯片在军事装备上的应用是广泛的,主要有: A. 超微磁场探测器 由于 GMR 在微磁场测量方面的性能是相当优越的,用 GMR 元件研制的超 微磁场探测器可以探测到几十公里范围内金属物体的存在和移动,结合其它红 外、热成像、温度等传感器可以在战场上得到敌我双方军队分布即时信息,即战 场虚拟实景。 B. 地磁场探测传感器 用 GMR 传感器测出所在地周围的地磁以及变化,为舰船、坦克、车辆的磁 隐形提供信息数据,作为这些军事装备的磁隐形系统的微磁场探测器。 C. 航天器磁场方位传感器 利用天体的微弱磁场进行航天器的太空定位,即卫星、飞船的姿态参照,以 前是采用磁通门来实现,如用 GMR 传感器可以做到体积小、灵敏度高等优点。 D. 核潜艇和飞机自动导航系统 由于 GMR 的磁灵敏度高,所以利用地磁来做核潜艇和飞机的自动导航系统 是非常理想的。 E. 电子罗盘 利用 GMR 的磁场方向性的特点,可以研制出三维电子罗盘,在军事上有着 广泛的应用。 F. 对各种军用磁敏传感器都可以研制出新一代的产品。 5. 我们有理由相信:无论对 GMR 效应还是对 GMR 传感器的研究都还处 于探索阶段,但是由于与其它薄膜相比它们具有加工简单、造价低、灵敏度高等 特点,其发展前景不可限量。

南京中旭电子科技有限公司 2003.9


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