CN105449096A - 磁性薄膜结构及其制造、使用方法和磁敏传感单元、阵列 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁敏传感器制造领域。具体本发明涉及磁性薄膜结构及其制造、使用方法和磁敏传感单元、阵列。本发明提供的纳米磁性薄膜结构及三维磁敏传感单元或三维磁敏传感器，采用单一结构一次沉积成膜，仅一次微纳米图形加工就可获得集成三维磁敏传感单元和磁敏传感器，不仅具有加工简单、成本低的优点还大大提高了三维磁性传感器的集成度、器件稳定性和重复性，显著优于现有三维磁敏传感器的技术。

Description

磁性薄膜结构及其制造、使用方法和磁敏传感单元、阵列

技术领域

本发明属于磁敏传感器制造领域。具体本发明涉及磁性薄膜结构及其制造、使用方法和磁敏传感单元、阵列。

背景技术

基于磁电阻效应(Magnetoresistance，MR)的磁敏传感器主要通过以下几种物理原理实现：(1)利用材料，特别是半导体材料的霍尔(Hall)磁电阻，(2)利用磁性材料的各向异性磁电阻(AnisotropyMagnetoresistance,AMR)效应，(3)以及利用近几年新兴发展起来的巨磁电阻效应(GiantMagnetoresistance，GMR)和隧穿磁电阻效应(TunnelMagnetoresistance，TMR)等。其中基于磁性金属自旋阀和磁性隧道结的巨磁电阻效应和隧穿磁电阻效应的磁敏传感器具有磁电阻效应显著、灵敏度高、探测范围宽、抗辐射、稳定性好和加工集成度高的优点。

在现有技术中，三维(X,Y,Z)磁敏传感器通常由三个独立的磁敏传感单元构成，每个磁敏传感单元只能探测一个维度方向的磁场，其对每个传感器的一致性要求很高。这种将具有不同探测敏感方向的磁敏传感单元组合在一起实现三维磁敏探测的方法加工复杂、集成度低，成本较高，得到的三维传感器体积大、集成度差、稳定性和重复性差，而且制成的三维磁敏传感器的稳定性和一致性也较难得到保证。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中进行三维磁场测量需采用多个磁敏传感器的不足，提供一种通过改进结构，可实现通过一个传感器结构即可测量三维空间内各个方向的磁场强度的测量。为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种纳米磁性薄膜结构，依次包括：第一磁性层、第一绝缘层、第二磁性层、第二绝缘层和第三磁性层；

所述第一磁性层和第三磁性层具有自发面内磁各向异性，同时所述第一磁性层和所述第三磁性层的易磁化方向相互正交；

所述第二磁性层具有自发垂直磁各向异性，同时，所述第二磁性层可根据施加于其上的电压的变化实现易磁化方向在垂直膜面和膜面内的转变；

所述第一磁性层具有面内磁化矫顽力Hc1^∥，第二磁性层具有垂直磁化矫顽力Hc2^⊥；第三磁性层具有面内磁化矫顽力Hc3^∥；所述第二磁性层易磁化方向转为面内时具有面内磁化矫顽力Hc2^∥；其满足关系：Hc1^∥>Hc2^⊥>Hc3^∥>Hc2^∥。

进一步的，当第二磁性层易磁化方向在电压调控下处于面内时，其面内易磁化轴由薄膜的形状各向异性控制。

进一步的，所述第二磁性层俯视截面长轴与短轴的比值r>1；所述长轴的方向与所述第一磁性层的易磁化方向相同。这样，当所述第二磁性层受到反向电压时(该反向电压施加在在第二磁性层与第一磁性层之间；通过将第二磁性层接一电源负极，第一磁性层接该电源正极实现)，所述第二磁性层的易磁化方向会从垂直于薄膜表面变为沿薄膜面内长轴方向。

进一步的，所述第二磁性层俯视截面形状为矩形或椭圆形；所述矩形或椭圆形的长轴方向与所述第一磁性层的易磁化方向相同。

进一步的，所述第一磁性层和所述第三磁性层为直接钉扎结构或间接钉扎结构，所述第一磁性层和第三磁性层的面内易磁化方向为生长时施加诱导磁场和/或生长完毕后在诱导磁场下退火的方式控制实现。

进一步的，所述第一磁性层、第三磁性层为单一铁磁层构成，或，

所述第一磁性层、第三磁性层为铁磁层(FM)、反铁磁层(AFM)和非磁层(NM)构成的直接钉扎结构、间接钉扎结构或人工反铁磁复合结构；

所述直接钉扎是指反铁磁层直接和铁磁层接触FM/AFM；所述的间接钉扎是指在反铁磁层和铁磁层之间插一层很薄的非磁性金属层FM/NM/AFM或者插入复合层FM/NM/FM/AFM；所述的人工反铁磁复合结构是指FM/NM/FM。

优选的，所述反铁磁材料为PtMn、IrMn、FeMn、NiMn、或者具有反铁磁性的氧化物；所述具有反铁磁性氧化物为CoO、NiO、Cr₂O₃、BiFeO₃或者BiFe_xCo_1-xO₃；

所述反铁磁材料的厚度为3～30nm；

所述具有反铁磁性的氧化物的厚度为2～50nm。

优选的，所述非磁金属为Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为0.2～10nm。

进一步的，所述第一磁性层、第二磁性层及第三磁性层根据其磁各向异性需求厚度为0.2～20nm。

优选的，所述第一磁性层、第二磁性层及第三磁性层的材料为Co、Fe、Ni或者铁磁性金属合金材料，或者半金属材料。

优选的，铁磁性金属合金为CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeBSi、NiFeCr或NiFeCrSi；

所述半金属材料为CoFeAl、CoMnAl、CoMnGe或CoMnGa。

进一步的，所述第一绝缘层和第二绝缘层，为单一的无机绝缘材料或有机绝缘材料构成；或，

所述第一绝缘层和第二绝缘层为无机绝缘材料和有机绝缘材料构成的多层或颗粒复合薄膜结构；

所述复合多层薄膜结构是指[Ii/Io]_n/Ii(1≦n≦10)；所述复合颗粒薄膜结构是指无机氧化物纳米颗粒均匀分散于有机基质或有机绝缘材料颗粒均匀分散于无机基质中形成的复合颗粒薄膜。

优选的，所述无机绝缘材料为AlO_i、MgO、Mg_1-jZn_jO、Mg_jAl_2/3(1-j)O、BaTiO₃、AlN、Ta₂O₅、ZnO、ZrO₂、HfO₂、TiO₂及SiO₂中的一种或几种；单一无机绝缘材料构成第一绝缘层或第二绝缘层时层厚度为0.5～5nm；其中，0<i<3/2，0<j<1；

所述有机绝缘材料为聚酰亚胺、聚酰胺、聚西弗碱及聚砜中的一种或几种，单一有机绝缘材料构成第一绝缘层或第二绝缘层时层厚度为3nm～100nm；

所述多层或颗粒复合薄膜结构绝缘层薄膜厚度为1nm～100nm。

所述纳米磁性薄膜结构还包括基片、缓冲层以及覆盖层；

所述缓冲层位于基片之上，所述第一磁性层位于缓冲层之上；

所述覆盖层位于第三磁性层之上。

进一步的，所述缓冲层为电阻较大且与衬底紧密接触的金属材料，所述的缓冲层厚度为3～50nm。

优选的，所述缓冲层为Ta、Ru、Cu、Cr、Au、Ag及Pt中的一种或几种。

所述覆盖层为不易被氧化和腐蚀且导电性较好的金属层，用于保护结构不被氧化和腐蚀；所述覆盖层的厚度为1～100nm。

优选的，所述覆盖层为Al、Ta、Ru、Cu、Cr、Au、Ag及Pt中的一种或几种；所述覆盖层为上述金属的单层薄膜，或者为上述金属的多层薄膜；

所述基片为无机衬底或有机衬底；所述衬底的厚度为0.1～1mm。

优选的，所述无机衬底为玻璃衬底、Si衬底、Si/SiO2衬底或SiC衬底；

所述有机衬底为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、据对苯二甲酸二醇酯、聚酰亚胺或聚碳酸酯；

本发明还提供一种三维磁敏传感单元，包含如上所述的纳米磁性薄膜结构；同时，所述纳米磁性薄膜结构中的第一磁性层连接有第一磁性层第一电极P11及第一磁性层第二电极P12；所述第二磁性层连接有第二磁性层第一电极P21及第二磁性层第二电极P22；所述第三磁性层连接有第三磁性层第一电极P31及第三磁性层第二电极P32；

进一步的，所述三维磁敏传感单元还可包括桥式或半桥式外围电路。

进一步的，所述第一磁性层第一电极P11通过第三开关S3与第二Y方向电阻R^Y2的一端连接；所述第二Y方向电阻P^Y2的另一端与所述三维磁敏传感单元的Py输入端连接；所述第一磁性层第二电极P12通过第一开关S1与反向电源V^∥的正极连接；所述反向电源V^∥的负极与所述第二磁性层第二电极P22连接；

所述第二磁性层第一电极P21与所述三维磁敏传感单元的P2输入口连接；所述第二磁性层第一电极P21还依次通过第二开关S2、第三Y方向电阻R^Y3、第四Y方向电阻R^Y4、第六开关S6与所述三维磁敏传感单元的Py输入端连接；同时，所述第二磁性层第一电极P21还依次通过第四开关S4、第三X方向电阻R^X3、第四X方向电阻R^X4、第二X方向电阻R^X2与所述第三磁性层第一电极P31连接；

所述第三磁性层第一电极P31还同时依次通过第二Z方向电阻R^Z2、第四Z方向电阻R^Z4、第五开关S5、第三Z方向电阻R^Z3与第二开关S2及第三Y方向电阻R^Y3之间连接；

所述第三X方向电阻R^X3与第四X方向电阻R^X4连接的一端和所述第三磁性层第一电极P31之间留有第三测量接口；

所述第三Y方向电阻R^Y3与第四Y方向电阻R^Y4连接的一端和第二Y方向电阻R^Y2与第三开关S3连接的一端之间留有第一测量接口；

所述第四Z方向电阻R^Z4与第五开关S5连接的一端和第二Z方向电阻R^Z2与第三磁性层第一电极P31连接的一端之间留有第二测量接口；

所述第四Z方向电阻R^Z4与所述第二Z方向电阻R^Z2连接的一端还同时与所述三维磁敏传感单元的Pz输入端连接；

所述第四X方向电阻R^X4与所述第二X方向电阻R^X2连接的一端还同时与所述三维磁敏传感单元的Px输入端连接。

本发明同时提供一种三维磁敏传感阵列，所述三维磁敏传感阵列包含2个以上如上所述的三维磁敏传感单元；所述2个以上的三维磁敏传感单元按阵列方式排列。

本发明同时提供一种如上所述的纳米磁性薄膜结构的使用方法，将空间分为X、Y、Z三个方向，其中，X、Y方向共面正交，Z与X、Y所在平面垂直；所述纳米磁性薄膜结构的第一磁性层的易磁化方向为Y方向，第二磁性层的易磁化方向为Z方向，第三磁性层的易磁化方向为X方向；

测量X方向时，对第二磁性层施加反向电压(该反向电压施加在在第二磁性层与第一磁性层之间；通过将第二磁性层接一电源负极，第一磁性层接该电源正极实现)，使得第二磁性层易磁化方向转变为薄膜面内并与Y方向相同；此时第二磁性层与第三磁性层磁化方向共面正交，通过在第三磁性层与第二磁性层之间接通给定电流，测量第二磁性层与第三磁性层之间的磁电阻，进而得出X方向磁场大小及方向；

测量Y方向时，通过在第一磁性层与第二磁性层之间接通给定电流，测量第一磁性层与第二磁性层之间的磁电阻；进而得出Y方向磁场大小及方向；

测量Z方向时，通过在第二磁性层与第三磁性层之间接通给定电流，测量第二磁性层与第三磁性层之间的磁电阻；进而得出Z方向磁场大小及方向；

本发明还提供一种纳米磁性薄膜结构的制作方法，包括，在清洁后的基片上依次沉积缓冲层、第一磁性层、第一绝缘层、第二磁性层、第二绝缘层、第三磁性层和覆盖层；

其中沉积第一磁性层时施加面内诱导磁场Hdep1^∥，沉积第三磁性层时施加加面内诱导磁场Hdep3^∥，Hdep1^∥与Hdep3^∥的磁场方向在面内相互正交；沉积第二磁性层时施加诱导磁场Hdep2^⊥，Hdep2^⊥的方向垂直于面内；

控制所述第二磁性层生长为俯视截面的长轴与短轴的比值为r>1的规则形状；

所述第一磁性层、第二磁性层及第三磁性层分别设置有两个电极；

优选的，所述三维磁敏传感单元的薄膜生长采用磁控溅射的方式进行。

进一步的，所述第一磁性层为直接钉扎结构或间接钉扎结构；其待第一磁性层薄膜积结束后可在高于其中反铁磁(AFM)材料的奈尔温度(T_N)下施加与沉积时的面内诱导磁场方向(Y+)一致的外磁场Ha退火实现钉扎。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的纳米磁性薄膜结构及三维磁敏传感单元或三维磁敏传感器，采用单一结构一次沉积成膜，仅一次微纳米图形加工就可获得集成三维磁敏传感单元和磁敏传感器，不仅具有加工简单、成本低的优点还大大提高了三维磁性传感器的集成度、器件稳定性和重复性，显著优于现有三维磁敏传感器的技术。

附图说明：

图1为本发明提供的纳米磁性薄膜结构示意图。

图2a为本发明提供的磁性薄膜结构或磁敏传感单元测量X方向示意图。

图2b为本发明提供的磁性薄膜结构或磁敏传感单元测量Y方向示意图。

图2c为本发明提供的磁性薄膜结构或磁敏传感单元测量Z方向示意图。

图3a为本发明实施例2中提供的三维磁敏传感单元俯视图。

图3b为本发明中三维磁敏传感单元电路符号表示图。

图4为本发明提供的一种三维磁敏传感单元结构示意图。

图5本发明实施例4中提供的三维磁敏传感单元阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1：如图1所示，图1中符号⊙，→和↑分别标志X，Y和Z方向；本实施例提供一种纳米磁性薄膜结构，依次包括：基片(Sub)和其上的缓冲层(BL)，第一磁性层(M1)、第一绝缘层(I1)、第二磁性层(M2)、第二绝缘层(I2)、第三磁性层(M3)和覆盖层(CL)；

第一磁性层和第三磁性层具有自发面内磁各向异性，同时所述第一磁性层和所述第三磁性层的易磁化方向相互正交；

第二磁性层具有自发垂直磁各向异性(PMA)，同时，第二磁性层的易磁化方向可根据施加于其上的电压进行调节；根据电压调控垂直磁各向异性薄膜易磁化方向的原理，当第二磁性层受到反向电压时(本实施例中，该反向电压施加在在第二磁性层与第一磁性层之间；通过将第二磁性层接一电源负极，第一磁性层接该电源正极实现)，第二磁性层的易磁化方向会从垂直于薄膜表面变为沿薄膜面内长轴方向，即如图1所示的XOY面内(该XOY面与第一磁性层、第三磁性层易磁化方向所在平面平行)。第一磁性层具有面内磁化矫顽力Hc1^∥，第二磁性层具有垂直磁化矫顽力Hc2^⊥；第三磁性层具有面内磁化矫顽力Hc3^∥；第二磁性层易磁化方向转为面内时具有面内磁化矫顽力Hc2^∥；其满足关系：Hc1^∥>Hc2^⊥>Hc3^∥>Hc2^∥。

进一步的，第二磁性层俯视截面的长轴与短轴的比值r>1；所述长轴的方向与第一磁性层的易磁化方向相同。这样，当第二磁性层受到反向电压(该反向电压施加在在第二磁性层与第一磁性层之间；通过将第二磁性层接一电源负极，第一磁性层接该电源正极实现)时，第二磁性层的易磁化方向会从垂直于薄膜表面变为沿薄膜面内长轴方向。

一些实施例中，第二磁性层俯视截面的形状为矩形或椭圆形；矩形或椭圆形的长轴方向与第一磁性层的易磁化方向相同。

进一步的，所述第一磁性层和所述第三磁性层为直接钉扎结构或间接钉扎结构，所述第一磁性层和第三磁性层的面内易磁化方向为生长时施加诱导磁场和/或生长完毕后在诱导磁场下退火的方式控制实现。

进一步的，当第二磁性层易磁化方向在电压调控下处于面内时，其面内易磁化轴由薄膜的形状各向异性控制。

进一步的，第一磁性层、第三磁性层为单一铁磁层(FM3)构成，或，

第一磁性层、第三磁性层为铁磁层(FM)、反铁磁层(AFM)和非磁层(NM)构成的直接钉扎结构、间接钉扎结构或人工反铁磁复合结构；

直接钉扎是指反铁磁层直接和铁磁层接触FM/AFM；间接钉扎是指在反铁磁层和铁磁层之间插一层很薄的非磁性金属层FM/NM/AFM或者插入复合层FM/NM/FM/AFM；人工反铁磁复合结构是指FM/NM/FM。

优选的，反铁磁材料为PtMn、IrMn、FeMn、NiMn、或者具有反铁磁性的氧化物；具有反铁磁性氧化物为CoO、NiO、Cr₂O₃、BiFeO₃或者BiFe_xCo_1-xO₃；

反铁磁材料的厚度为3～30nm；

具有反铁磁性的氧化物的厚度为2～50nm。

优选的，非磁金属为Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为0.2～10nm。

进一步的，所述第一磁性层、第二磁性层及第三磁性层根据其磁各向异性需求厚度为0.2～20nm。

优选的，第一磁性层、第二磁性层及第三磁性层的材料为Co、Fe、Ni或者铁磁性金属合金材料，或者半金属材料。

优选的，铁磁性金属合金为CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeBSi、NiFeCr或NiFeCrSi；

所述半金属材料为CoFeAl、CoMnAl、CoMnGe或CoMnGa。

进一步的，第一绝缘层和第二绝缘层，为单一的无机绝缘材料或有机绝缘材料构成；或，

第一绝缘层和第二绝缘层为无机绝缘材料和有机绝缘材料构成的多层或颗粒复合薄膜结构；

复合多层薄膜结构是指[Ii/Io]_n/Ii(1≦n≦10)；复合颗粒薄膜结构是指无机氧化物纳米颗粒均匀分散于有机基质或有机绝缘材料颗粒均匀分散于无机基质中形成的复合颗粒薄膜。

优选的，无机绝缘材料为AlO_i、MgO、Mg_1-jZn_jO、Mg_jAl_2/3(1-j)O、BaTiO₃、AlN、Ta₂O₅、ZnO、ZrO₂、HfO₂、TiO₂及SiO₂中的一种或几种；单一无机绝缘材料构成第一绝缘层或第二绝缘层时层厚度为0.5～5nm；其中，0<i<3/2，0<j<1；

有机绝缘材料为聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PAI)、聚西弗碱(PA)、聚砜(PS)中的一种或几种，单一有机绝缘材料构成第一绝缘层或第二绝缘层时层厚度为3nm～100nm；

多层或颗粒复合薄膜结构绝缘层薄膜厚度为1nm～100nm。

进一步的，缓冲层为电阻较大且与衬底紧密接触的金属材料，缓冲层厚度为3～50nm。

优选的，缓冲层为Ta、Ru、Cu、Cr、Au、Ag及Pt中的一种或几种。

覆盖层为不易被氧化和腐蚀且导电性较好的金属层，用于保护结构不被氧化和腐蚀；覆盖层的厚度为1～100nm。

满足上述方案的磁性纳米多层膜结构包括但不限于以下几种：

Sub/BL/FM1/I1/FM2/I2/FM3/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM1/I1/FM2/I2/FM3/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM1/I1/FM2/I2/FM31/NM3/FM32/CL；

或Sub/BL/AFM1/NM1/FM11/I1/FM2/I2/FM3/CL；

或Sub/BL/AFM1/NM1/FM11/I1/FM2/I2/FM31/NM3/FM32/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM11/NM1/FM12/I1/FM2/I2/FM3/CL；

或Sub/BL/AFM1/FM11/NM1/FM12/I1/FM2/I2/FM31/NM3/FM32/CL；

优选的，覆盖层为Al、Ta、Ru、Cu、Cr、Au、Ag及Pt中的一种或几种；覆盖层为上述金属的单层薄膜，或者为上述金属的多层薄膜；

基片为无机衬底或有机衬底；衬底的厚度为0.1～1mm。

优选的，无机衬底为玻璃衬底、Si衬底、Si/SiO2衬底或SiC衬底；

有机衬底为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、据对苯二甲酸二醇酯、聚酰亚胺或聚碳酸酯；

本实施例提供的纳米磁性薄膜结构可构成三电极双势垒磁性隧道结结构，三个电极分别与第一磁性层、第二磁性层和第三磁性层导通；第一绝缘层和第二绝缘层分别构成所述三电极双势垒磁性隧道结的两个势垒。

表1中给出了纳米磁性薄膜结构优选的17个示例。

表1

表1中单位为纳米。

实施例2：如图3a、图3b、图4所示，本实施例提供一种基于实施例1所提供的纳米磁性薄膜结构的三维磁敏传感单元。本实施例纳米磁性薄膜结构如图3a所示，其俯视截面为椭圆形，当第二磁性层受到反向电压时(该反向电压施加在在第二磁性层与第一磁性层之间；通过将第二磁性层接一电源负极，第一磁性层接该电源正极实现)，第二磁性层的易磁化方向会从垂直于薄膜表面变为沿薄膜面内长轴方向，图3a中a即为第二磁性层的长轴，b为第二磁性层的短轴，同时，本实施例中，满足Hc1^∥>Hc2^⊥>Hc3^∥>Hc2^∥；所述纳米磁性薄膜结构中的第一磁性层连接有第一磁性层第一电极P11及第一磁性层第二电极P12；所述第二磁性层连接有第二磁性层第一电极P21及第二磁性层第二电极P22；所述第三磁性层连接有第三磁性层第一电极P31及第三磁性层第二电极P32；

如图2a所示。当探测X方向磁场时，在第二磁性层施加反向电压,本实施例中，通过在第二磁性层第一电极P21接一电源负极，第一磁性层第一电极P11接该电源正极实现；此时，所述第二磁性层的易磁化方向会从垂直于薄膜表面(Z+)变为沿薄膜面内长轴方向(Y)。由于Hc3^∥>Hc2^∥，第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定工作电流I_0x下的电压MRV23^∥或磁电阻MR23^∥随X方向磁场的线性变化可以确定X方向磁场的大小和方向；应注意的是，在对X方向进行测量时，所测量磁场的方向有可能是沿着X方向或背对X方向；电压MRV23^∥或磁电阻MR23^∥通过在第二磁性层第二电极P22与第三磁性层第二电极P32之间测量获得。

如图2b所示，当探测Y方向磁场时，在第二磁性层与第一磁性层之间施加正向电压，本实施例中，通过将第二磁性层第一电极P21接一电源正极，同时，第一磁性层第一电极P11接该电源负极实现，此时，第二磁性层的易磁化方向保持与薄膜平面垂直，由于Hc1^∥>Hc2^⊥，通过测量第一磁性层和第二磁性层在给定工作电流I_0Y下的电压MRV12^⊥或磁电阻MR12^⊥随Y方向磁场的线性变化可以确定Y方向磁场的大小和方向；应注意的是，在对Y方向进行测量时，所测量磁场的方向有可能是沿着Y方向或背对Y方向；电压MRV12^⊥或磁电阻MR12^⊥通过在第一磁性层第二电极P12与第二磁性层第二电极P22之间测量获得。

同理，如图2c所示。当探测Z方向的磁场时，第二磁性层对第三磁性层施加正向电压使得第二磁性层的易磁化方向保持垂直；即，将第二磁性层第一电极P21接一电源正极，同时，第三磁性层第一电极P31接该电源负极实现；注意到Hc2^⊥>Hc3^∥，此时第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定工作电流I_0Z下的电压MRV23^⊥或者磁电阻MR23^⊥表征Z方向的磁场大小和方向；应注意的是，在对Z方向进行测量时，所测量磁场的方向有可能是沿着Z方向或背对Z方向；该电压MRV23^⊥或者磁电阻MR23^⊥通过在第三磁性层第二电极P32与第二磁性层第二电极P22之间测量获得。

利用上述电压调控磁各向异性的复合纳米磁性薄膜加工制备的集成三维磁敏传感单元通过两次施加不同的电压实现第二磁性层的易磁化方向在垂直膜面和膜面内的转变，就可以由单个磁敏传感单元测定全空间三维(X,Y,Z)的磁场大小与方向。

实施例3：本实施例提供一种基于实施例2的的单桥式电路三维磁敏传感器方案，即，在实施例2提供的三维磁敏传感单元基础上设置如下的外围电路：

第一磁性层第一电极P11通过第三开关S3与第二Y方向电阻R^Y2的一端连接；第二Y方向电阻R^Y2的另一端与三维磁敏传感单元的Py输入端连接；第一磁性层第二电极P12通过第一开关S1与反向电源V^∥的正极连接；反向电源V^∥的负极与第二磁性层第二电极P22连接；

第二磁性层第一电极P21与三维磁敏传感单元的P2输入口连接；第二磁性层第一电极P21还依次通过第二开关S2、第三Y方向电阻R^Y3、第四Y方向电阻R^Y4、第六开关S6与三维磁敏传感单元的Py输入端连接；同时，第二磁性层第一电极P21还依次通过第四开关S4、第三X方向电阻R^X3、第四X方向电阻R^X4、第二X方向电阻R^x2与第三磁性层第一电极P31连接；

第三磁性层第一电极P31还同时依次通过第二Z方向电阻R^Z2、第四Z方向电阻R^Z4、第五开关S5、第三Z方向电阻R^Z3与第二开关S2及第三Y方向电阻R^Y3之间连接；

第三X方向电阻R^X3与第四X方向电阻R^X4连接的一端和第三磁性层第一电极P31之间留有第三测量接口；

第三Y方向电阻R^Y3与第四Y方向电阻R^Y4连接的一端和第二Y方向电阻R^Y2与第三开关S3连接的一端之间留有第一测量接口；

第四Z方向电阻R^Z4与第五开关S5连接的一端和第二Z方向电阻R^Z2与第三磁性层第一电极P31连接的一端之间留有第二测量接口；

第四Z方向电阻R^Z4与所述第二Z方向电阻R^Z2连接的一端还同时与三维磁敏传感单元的Pz输入端连接；

第四X方向电阻R^X4与所述第二X方向电阻R^X2连接的一端还同时与三维磁敏传感单元的Px输入端连接。

三维磁敏传感单元在零磁场下的特征电阻R^x ₀＝MRV23^∥/I_0x、R^y ₀＝MRV12^⊥/I_0y和、R^z ₀＝MRV23^⊥/I_0z满足：这里e＝x,y,z。

应注意的是，上述外围电路可根据实际需要选择与磁敏传感单元集成至同一芯片或，

将上述外围电路单独设置为外置电路后与磁敏传感单元连接使用。

当测量X方向的磁场时，闭合第一开关S1、第四开关S4，断开第二开关S2、第三开关S3，在P2输入口与Px输入口接一电压源，设该电压大小为V^x _S；其中正极接P2输入口，负极接Px输入口，此时在第一磁性层和第二磁性层之间电压为负，使得第二磁性层磁化方向转变为面内且受形状各向异性制约只能处于面内Y+方向，第二磁性层与第三磁性层磁化方向共面正交；由于Hc3^∥>Hc2^∥第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定工作电压V^x _S下的磁电阻MR23^∥随X方向磁场H_x具有线性变化关系，根据电桥电路原理可以推得所测电压MRV23^∥(记为V₀₁)与V^x _S的关系为其中，k_x为第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结磁电阻灵敏度，可由实验测出。

当测量Y方向的磁场时，闭合第二开关S2、第三开关S3、第六开关S6，断开第一开关S1、第四开关S4、第五开关S5，在P2输入口与Py输入口接一电压源，设该电压大小为V^y _S，其中正极接P2输入口，负极接Py输入口，由于第一开关S1断开，第二磁性层的易磁化方向保持垂直，注意到Hc1^∥>Hc2^⊥，此时第一磁性层与第二磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定工作电压V^y _S下的磁电阻MR12^⊥随Y方向磁场H_y具有线性变化关系，根据电桥电路原理可以推得所测电压MRV12^⊥(记为V₀₂)与V^y _S的关系为并由此可求出Y方向磁场强度H_y。其中，k_y为第一磁性层与第二磁性层构成的单势垒磁性隧道结磁电阻灵敏度，可由实验测出。

当测量Z方向的磁场时，闭合第二开关S2、第五开关S5，断开第一开关S1、第三开关S3、第四开关S4、第六开关S6，在P2输入端与Pz输入端接一电压源，设该电压大小为V^z _S，其中正极接P2，负极接Pz，由于S1断开，第二磁性层的易磁化方向保持垂直，注意到Hc2^⊥>Hc3^∥，此时第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定工作电压V^z _S下的磁电阻MR23^⊥随Z方向磁场H_Z具有线性变化关系，根据电桥电路原理可以推得所测电压MRV23^⊥(记为V₀₃)与V^z _S的关系为并由此可求出Z方向磁场强度H_Z。其中，k_Z为第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结磁电阻灵敏度，可由实验测出。

实施例4：如图5所示，本实施例提供一种由m×n个实施例2提供的单个磁敏传感单元构成的三维磁敏传感阵列。该阵列具有m行，n列，每个三电极双势垒磁性隧道结构成本专利所述的一个磁敏传感单元，记为“单元ij”(1≦i≦m,1≦j≦n)；与“单元ij”第一磁性层、第二磁性层和第三磁性层导通的电极分别标记为P^ij11、P^ij12，P^ij21、P^ij22和P^ij31、P^ij32。

实施例5：本实施例提供一种如实施例1所提供的纳米磁性薄膜结构的使用方法，将空间分为X、Y、Z三个方向，其中，X、Y方向共面正交，Z与X、Y所在平面垂直；纳米磁性薄膜的第一磁性层和第三磁性层具有自发面内磁各向异性，同时所述第一磁性层的易磁化方向为Y方向，第三磁性层的易磁化方向为X方向；所述第二磁性层具有自发垂直磁各向异性，其易磁化方向为Z方向，同时，所述第二磁性层可根据施加于其上的电压的变化实现易磁化方向在垂直膜面和膜面内的转变；纳米磁性薄膜结构中第二磁性层的易磁化方向根据需要，可通过施加于其上的电压的变化实现易磁化方向在垂直膜面和膜面内的转变，具体而言：当第二磁性层受到反向电压时(该反向电压施加在在第二磁性层与第一磁性层之间；通过将第二磁性层接一电源负极，第一磁性层接该电源正极实现)，所述第二磁性层的易磁化方向会从垂直于薄膜表面(Z+)变为沿薄膜面内长轴方向(Y)。本实施例中，Hc1^∥>Hc2^⊥>Hc3^∥>Hc2^∥，如图2a、图2b、图2c所示：

如图2a所示。当探测X方向磁场时，在第二磁性层施加反向电压(如，该反向电压施加在在第二磁性层与第一磁性层之间；通过将第二磁性层接一电源负极，第一磁性层接该电源正极实现)，所述第二磁性层的易磁化方向会从垂直于薄膜表面(Z+)变为沿薄膜面内长轴方向(Y)。由于Hc3^∥>Hc2^∥，第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定工作电流I_0x下的电压MRV23^∥或磁电阻MR23^∥随X方向磁场的线性变化可以确定X方向磁场的大小和方向。

如图2b、图2c所示。当探测Y和Z方向的磁场时，第二磁性层对第一磁性层和第三磁性层均施加正向电压使得第二磁性层的易磁化方向保持垂直。注意到Hc1^∥>Hc2^⊥>Hc3^∥，此时第一磁性层与第二磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定工作电流I_0y下的电压MRV12^⊥或者磁电阻MR12^⊥表征Y方向的磁场大小和方向；同样的，第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定工作电流I_0z下的电压MRV23^⊥或者磁电阻MR23^⊥表征Z方向的磁场大小和方向。

利用上述电压调控磁各向异性的复合纳米磁性薄膜加工制备的集成三维磁敏传感单元通过两次施加不同的电压实现第二磁性层的易磁化方向在垂直膜面和膜面内的转变，就可以由单个磁敏传感单元测定全空间三维(X,Y,Z)的磁场大小与方向。

实施例6：本实施例提供一种具有间接钉扎结构第一磁性层和人工反铁磁复合结构第三磁性层的复合纳米磁性薄膜结构的制备方案。

1)选择一个厚度为1mm的Si/SiO₂衬底作为基片并按常规半导体清洁工艺处理。

2)处理后的基片在磁控溅射设备中，在背底真空度优于2×10^-6Pa，沉积氩气压为0.07Pa，沉积速率为0.1nm/s的条件，在该基片上沉积Ta5nm/Ru20nm/Ta5nm的缓冲层(BL)。

3)在磁控溅射设备上以背底真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.08nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层上沉积反铁磁材料IrMn15nm，即本专利所述AFM1层；沉积时在给定的方向上施加Hdep1^∥＝100Oe的诱导磁场，设该给定的磁场方向为Y+。

4)在磁控溅射设备上以背底真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁IrMn层上沉积铁磁层NiFe4nm，沉积时在Y+方向上施加Hdep1^∥＝100Oe的诱导磁场，该层即本专利所述FM11层；在上述NiFe层上，以沉积速率为0.04nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，沉积非磁金属Ru0.85nm，沉积时在Y+方向上施加Hdep1^∥＝100Oe的诱导磁场，该层即本专利前述NM1层；在上述Ru层上以沉积速率为0.06nm/s，氩气压为0.07Pa为条件，沉积铁磁层CoFeB3nm，沉积时在Y+方向上施加Hdep1^∥＝100Oe的诱导磁场，该层即本专利前述FM12层。上述反铁磁层AFM1、铁磁层FM11、非磁层NM1和铁磁层FM12构成本专利所述的具有间接钉扎结构的第一铁磁层(M1)。

5)第一磁性层沉积结束后，原位保持磁场Hdep1^∥＝Ha＝100Oe不变，或者转移到真空磁场退火炉中施加Y+方向磁场Ha＝100Oe，在高于IrMn奈尔温度(T_N ^IrMn＝975K)的Ta＝980K下保持温度及磁场一小时后带场降温至室温。

6)在磁控溅射设备上以背底真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.07nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层CoFeB上沉积2.5nm的MgO第一绝缘层(I1)。

7)在磁控溅射设备上以背底真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第一绝缘层上沉积铁磁层CoFeB0.9nm；沉积时在垂直膜面的特定方向Z+上施加Hdep2^⊥＝300Oe的诱导磁场。该铁磁性层即为本专利所述第二磁性磁性层(M2)。

8)在磁控溅射设备上以背底真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.07nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层CoFeB上沉积1.2nm的MgO，即为本专利所述的第二绝缘层(I2)。

9)在磁控溅射设备上以真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.07nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第二绝缘层上沉积1.5nmCoFeB，沉积时施加Hdep3^∥＝100Oe的诱导磁场，该诱导磁场在薄膜面内且垂直前述Y+方向，即为X+方向，该层即本专利所述FM31层；在上述CoFeB层上，以沉积速率为0.04nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，沉积非磁金属Ru1.2nm，沉积时保持诱导磁场Hdep3^∥，该层即本专利前述NM3层；在上述Ru层上，以沉积速率为0.07nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，沉积1.2nmCoFe，沉积时保持诱导磁场Hdep3^∥。上述铁磁层FM31、非磁层NM3和铁磁层FM32构成本专利所述第三磁性层(M3)。

10)在磁控溅射设备上以真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第三磁性层上沉积覆盖层(CL)：Ta5nm/Ru5nm。

进一步的，上述薄膜制作过程中采用常规的半导体微纳加工工艺，包括：涂胶、前烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝光或采用电子束曝光、显影、定影、后烘，离子束刻蚀、丙酮去胶等，获得专利所述三电极双势垒磁性隧道结。

进一步的，当探测X方向磁场时，如图2a所示，在集成三维传感器的各个磁敏传感单元的第一磁性层和第二磁性层间施加反向电压使得第二磁性层的易磁化方向在电压调制下转变为面内，此时第二磁性层由于受形状各向异性制约其易磁化方向只能处于面内Y方向，故第二磁性层与第三磁性层易磁化方向共面正交，由于Hc3^∥>Hc2^∥第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定工作电流I_0x的电压MRV23^∥或磁电阻MR23^∥随X方向磁场的线性变化可以确定X方向磁场的大小和方向；如图2b、图2c所示，当探测Y和Z方向的磁场时，在集成三维传感器的各个磁敏传感单元的第二磁性层对第一磁性层和第三磁性层均施加正向电压使得第二磁性层的易磁化方向保持垂直。注意到Hc1^∥>Hc2^⊥>Hc3^∥，此时第一磁性层与第二磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定工作电流I_0y下的电压MRV12^⊥或磁电阻MR12^⊥反映出Y方向的磁场大小和方向；同理，第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定工作电流I_0z下的电压MRV23^⊥或磁电阻MR23^⊥反映出Z方向的磁场大小和方向。

实施例7：本实施例说明本专利提供的制备集成三维磁敏传感器阵列的方案。

1)选择一个长宽高为30mm×30mm×1mm的Si/SiO₂为衬底作为基片并按常规半导体清洁工艺处理。

2)在磁控溅射设备背底真空优于2×10^-6Pa，沉积氩气压为0.07Pa，沉积速率为0.1nm/s的条件，在该基片上沉积Ta5nm/Ru20nm/Ta5nm的缓冲层(BL)。

3)在磁控溅射设备上以背底真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.08nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层上沉积反铁磁材料IrMn15nm，沉积时在给定的方向上施加Hdep1^∥＝100Oe的诱导磁场，设给定的磁场方向为Y+；在上述IrMn层上以沉积速率为0.06nm/s，氩气压为0.07Pa为条件，沉积铁磁层CoFeB3nm,沉积时在Y+方向上保持Hdep1^∥＝100Oe的诱导磁场。上述反铁磁层IrMn、铁磁层CoFeB构成本专利所述的具有直接钉扎结构的第一磁性层(M1)。

4)第一磁性层沉积结束后，原为保持磁场Hdep1^∥＝Ha＝100Oe不变，或者转移到真空磁场退火炉中施加Y+方向磁场Ha＝100Oe,在高于IrMn奈尔温度(T_N ^IrMn＝975K)的Ta＝980K下保持温度及磁场一小时后带场降温至室温。

5)在磁控溅射设备上以背底真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.07nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层CoFeB上沉积2.5nm的MgO第一绝缘层(I1)。

6)在磁控溅射设备上以背底真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第一绝缘层上沉积铁磁层CoFeB0.85nm；沉积时在垂直膜面的特定方向Z+上施加Hdep2^⊥＝300Oe的诱导磁场。该铁磁层即为本专利所述第二磁性层(M2)。

7)在磁控溅射设备上以背底真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.07nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层CoFeB上沉积1.2nm的MgO,即为本专利所述的第二绝缘层(I2)。

8)在磁控溅射设备上以背底真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.07nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第二绝缘层上沉积1.5nmCoFeB,沉积时施加Hdep3^∥＝90Oe的诱导磁场，该诱导磁场在薄膜面内且垂直于Y+方向，即为X+方向，该层即本专利所述第三磁性层(M3)。

9)在磁控溅射设备上以真空度优于2×10^-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第三磁性层上沉积覆盖层(CL)：Ta5nm/Ru5nm。

对上述沉积了磁敏传感器薄膜的基片采用常规的半导体微加工工艺，包括：涂胶、前烘、采用带有待加工图形的光刻板进行紫外曝光或采用电子束曝光、显影、定影、后烘，离子束刻蚀、丙酮去胶等，获得本专利前述三电极双势垒磁性隧道结阵列：该阵列具有m行，n列，每个三电极双势垒磁性隧道结构成本专利所述的一个磁敏传感单元，记为“单元ij”(1≦i≦m,1≦j≦n)；与“单元ij”第一磁性层、第二磁性层和第三磁性层导通的电极分别标记为P^ij11、P^ij12，P^ij21、P^ij22和P^ij31、P^ij32；各个电极之间的连接如附图5所示。

当探测X方向磁场时，在图4所示的集成三维磁敏传感器阵列的电极P1和电极P2间施加反向电压V^∥使得第二磁性层的易磁化方向在电压调制下转变为面内，此时各磁敏传感单元第二磁性层由于受形状各向异性制约其易磁化轴方向只能处于面内Y方向，故各磁敏传感单元的第二磁性层与第三磁性层易磁化方向共面正交，由于Hc3^∥>Hc2^∥，磁敏传感单元ij的第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定的工作电流I_OX的下的电压MRV^ij23^∥或磁电阻MR^ij23^∥可由P^ij12和P^ij22读出，其随X方向磁场的线性变化可以确定各磁敏传感单元处X方向磁场的大小和方向，从而得到磁敏传感器阵列中单元ij所处空间点处X方向磁场的大小和方向，进而对于集成三维磁敏传感器阵列得到集成三维磁敏传感器阵列所覆盖范围内的磁场X方向分布。

当探测Y和Z方向的磁场时，使图5所示的集成三维磁敏传感器阵列中电极P1对电极P2为正向电压且电极P1对电极P3也为正向电压，此时各磁敏传感单元第二磁性层的易磁化方向保持垂直。注意到Hc1^∥>Hc2^⊥>Hc3^∥,此时，磁敏传感单元ij的第一磁性层与第二磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定的工作电流I_OY下的电压MRV^ij12^⊥或磁电阻MR^ij12^⊥可由P^ij12和P^ij22读出，其反映出磁敏传感单元ij所处空间处Y方向磁场的大小和方向，进而对于整个集成三维磁敏传感器阵列可得到集成三维磁敏传感器阵列所覆盖范围内的磁场Y方向分布；同理，磁敏传感单元ij的第二磁性层与第三磁性层构成的单势垒磁性隧道结在给定的工作电流I_OZ下的电压MRV^ij23^⊥或磁电阻MR^ij23^⊥，可由第ij个磁敏传感单元的P^ij22和P^ij32读出，其反映出磁敏传感单元ij所处空间处Z方向磁场的大小和方向，进而对于整个集成三维磁敏传感器阵列可得到集成三维磁敏传感器阵列所覆盖范围内的磁场Z方向分布。

应该说明的是，此处提出的各个实施例是为了更好地解释本发明的实际应用，并使得本技术领域的熟练人员可以利用本发明。但是本领域的一般熟练人员可以理解，上面的描述和实施例仅仅是为了说明而举的例子。本发明的核心内容包括：提供一种基于隧穿磁电阻效应和电压调控垂直磁各向异性薄膜易磁化方向的用于集成三维磁敏传感器的复合纳米磁性薄膜结构、基于上述复合纳米磁性薄膜结构制备集成三维磁敏传感单元及其阵列以及利用上述集成三维磁敏传感单元、三维磁敏传感器及其阵列测定空间三维(X,Y,Z)磁场的方法；其核心设计原理是：利用垂直磁各向异性薄膜易磁化轴方向受电场调制效应、形状各向异性人工调制垂直磁各向异性薄膜的易磁化轴方向，同时利用直接和间接钉扎控制面内磁化薄膜的磁各向异性，以及磁性隧道结中的隧穿磁电阻效应。

Claims (20)

1.一种纳米磁性薄膜结构，依次包括：第一磁性层、第一绝缘层、第二磁性层、第二绝缘层和第三磁性层；

其特征在于，所述第一磁性层和第三磁性层具有自发面内磁各向异性，同时所述第一磁性层和所述第三磁性层的易磁化方向相互正交；

所述第二磁性层具有自发垂直磁各向异性，同时，所述第二磁性层可根据施加于其上的电压的变化实现易磁化方向在垂直膜面和膜面内的转变；

所述第一磁性层具有面内磁化矫顽力Hc1^∥，第二磁性层具有垂直磁化矫顽力Hc2^⊥；第三磁性层具有面内磁化矫顽力Hc3^∥；所述第二磁性层易磁化方向转为面内时具有面内磁化矫顽力Hc2^∥；其满足关系：Hc1^∥>Hc2^⊥>Hc3^∥>Hc2^∥。

2.根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，当第二磁性层易磁化方向在电压调控下处于面内时，其面内易磁化轴由薄膜的形状各向异性控制。

3.根据权利要求2所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述第二磁性层俯视截面长轴与短轴比值r>1；所述长轴的方向与所述第一磁性层的易磁化方向相同。

4.根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述第一磁性层和所述第三磁性层为直接钉扎结构或间接钉扎结构，所述第一磁性层和第三磁性层的面内易磁化方向为生长时施加诱导磁场和/或生长完毕后在诱导磁场下退火的方式控制实现。

5.根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述第一磁性层、第三磁性层为单一铁磁层构成，或，

所述第一磁性层、第三磁性层为铁磁层、反铁磁层和非磁层构成的直接钉扎结构、间接钉扎结构或人工反铁磁复合结构；

所述直接钉扎是指反铁磁层直接和铁磁层接触FM/AFM；所述的间接钉扎是指在反铁磁层和铁磁层之间插一层很薄的非磁性金属层FM/NM/AFM或者插入复合层FM/NM/FM/AFM；所述的人工反铁磁复合结构是指FM/NM/FM。

6.根据权利要求5所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述反铁磁材料为PtMn、IrMn、FeMn、NiMn、或者具有反铁磁性的氧化物；所述具有反铁磁性氧化物为CoO、NiO、Cr₂O₃、BiFeO₃或者BiFe_xCo_1-xO₃；

所述反铁磁材料的厚度为3～30nm；

所述具有反铁磁性的氧化物的厚度为2～50nm。

7.根据权利要求5所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述非磁金属为Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为0.2～10nm。

8.根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述第一磁性层、第二磁性层及第三磁性层根据其磁各向异性需求厚度为0.2～20nm。

9.根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述第一磁性层、第二磁性层及第三磁性层的材料为Co、Fe、Ni或者铁磁性金属合金材料，或者半金属材料。

10.根据权利要求9所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，铁磁性金属合金为CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeBSi、NiFeCr或NiFeCrSi；

所述半金属材料为CoFeAl、CoMnAl、CoMnGe或CoMnGa。

11.根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述第一绝缘层和第二绝缘层，为单一的无机绝缘材料或有机绝缘材料构成；或，

所述第一绝缘层和第二绝缘层为无机绝缘材料和有机绝缘材料构成的多层或颗粒复合薄膜结构；

所述复合多层薄膜结构是指[Ii/Io]_n/Ii（1≦n≦10）；所述复合颗粒薄膜结构是指无机氧化物纳米颗粒均匀分散于有机基质或有机绝缘材料颗粒均匀分散于无机基质中形成的复合颗粒薄膜。

12.根据权利要求11所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述无机绝缘材料为AlO_i、MgO、Mg_1-jZn_jO、Mg_jAl_2/3（1-j）O、BaTiO₃、AlN、Ta₂O₅、ZnO、ZrO₂、HfO₂、TiO₂及SiO₂中的一种或几种；单一无机绝缘材料构成第一绝缘层或第二绝缘层时层厚度为0.5～5nm；其中，0<i<3/2，0<j<1；

所述有机绝缘材料为聚酰亚胺、聚酰胺、聚西弗碱及聚砜中的一种或几种，单一有机绝缘材料构成第一绝缘层或第二绝缘层时层厚度为3nm～100nm；

所述多层或颗粒复合薄膜结构绝缘层薄膜厚度为1nm～100nm。

13.根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述纳米磁性薄膜结构还包括基片、缓冲层以及覆盖层；

所述缓冲层位于基片之上，所述第一磁性层位于缓冲层之上；

所述覆盖层位于第三磁性层之上。

14.根据权利要求13所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述缓冲层为电阻较大且与衬底紧密接触的金属材料，所述的缓冲层厚度为3～50nm；

所述缓冲层为Ta、Ru、Cu、Cr、Au、Ag及Pt中的一种或几种；

所述覆盖层为不易被氧化和腐蚀且导电性较好的金属层，用于保护结构不被氧化和腐蚀；所述覆盖层的厚度为1～100nm；

所述覆盖层为Al、Ta、Ru、Cu、Cr、Au、Ag及Pt中的一种或几种；所述覆盖层为上述金属的单层薄膜，或者为上述金属的多层薄膜；

所述基片为无机衬底或有机衬底；所述衬底的厚度为0.1～1mm；

所述无机衬底为玻璃衬底、Si衬底、Si/SiO₂衬底或SiC衬底；

所述有机衬底为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、据对苯二甲酸二醇酯、聚酰亚胺或聚碳酸酯。

15.一种三维磁敏传感单元，其特征在于，包含如权利要求1至15任一项所述的纳米磁性薄膜结构；同时，所述纳米磁性薄膜结构中的第一磁性层连接有第一磁性层第一电极P11及第一磁性层第二电极P12；所述第二磁性层连接有第二磁性层第一电极P21及第二磁性层第二电极P22；所述第三磁性层连接有第三磁性层第一电极P31及第三磁性层第二电极P32。

16.如权利要求15所述的三维磁敏传感单元，其特征在于，所述三维磁敏传感单元还包括桥式或半桥式外围电路。

17.一种三维磁敏传感阵列，其特征在于，包含2个以上如权利要求15或16所述的三维磁敏传感单元，所述2个以上的三维磁敏传感单元按阵列方式排列。

18.一种如权利要求1至14任一项所述的纳米磁性薄膜结构的使用方法，将空间分为X、Y、Z三个方向，其中，X、Y方向共面正交，Z与X、Y所在平面垂直；所述纳米磁性薄膜结构的第一磁性层的易磁化方向为Y方向，第二磁性层的易磁化方向为Z方向，第三磁性层的易磁化方向为X方向；其特征在于，

测量X方向时，在第二磁性层与第一磁性层之间施加一反向电压，使得第二磁性层易磁化方向转变为薄膜面内并与Y方向相同；通过在第三磁性层与第二磁性层之间接通给定电流，测量第二磁性层与第三磁性层之间的磁电阻，进而得出X方向磁场大小及方向；

测量Y方向时，通过在第一磁性层与第二磁性层之间接通给定电流，测量第一磁性层与第二磁性层之间的磁电阻；进而得出Y方向磁场大小及方向；

测量Z方向时，通过在第二磁性层与第三磁性层之间接通给定电流，测量第二磁性层与第三磁性层之间的磁电阻；进而得出Z方向磁场大小及方向。

19.一种纳米磁性薄膜结构的制作方法，其特征在于，

在清洁后的基片上依次沉积缓冲层、第一磁性层、第一绝缘层、第二磁性层、第二绝缘层、第三磁性层和覆盖层；

其中沉积第一磁性层时施加面内诱导磁场Hdep1^∥，沉积第三磁性层时施加加面内诱导磁场Hdep3^∥，Hdep1^∥与Hdep3^∥的磁场方向在面内相互正交；沉积第二磁性层时施加诱导磁场Hdep2^⊥，Hdep2^⊥的方向垂直于面内；

控制所述第二磁性层生长为俯视截面长轴与短轴的比值为r>1的形状；

所述第一磁性层、第二磁性层及第三磁性层分别设置有两个电极。

20.如权利19所述的纳米磁性薄膜结构制作方法，其特征在于，

所述第一磁性层、第三磁性层为直接钉扎结构或间接钉扎结构；待第一磁性层和/或第三磁性层薄膜生长结束后在高于其中反铁磁（AFM）材料的奈尔温度（T _N ）下施加与沉积时的面内诱导磁场方向一致的外磁场Ha退火实现钉扎。