CN109507617A - 基于自旋轨道耦合的矢量探测器及未知磁场的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自旋轨道耦合的矢量探测器及未知磁场的探测方法，矢量探测器从下到上依次是：自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层；或者从上到下依次是自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性材料层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层。自旋流生成层用于产生自旋极化电子，绝缘层用于使相邻的磁性材料层具有垂直磁各向异性。该矢量探测器抗干扰能力强，抗辐射能力强，使用寿命长，速度快，灵敏度高，可同时探测空间矢量微弱磁场的大小和方向；使用时利用反常霍尔效应或者隧道磁电阻效应测量电阻特性，计算得出空间微弱磁场的三个分量值，从而得到空间微弱磁场的大小和方向，操作简单，无需大量测量和反复测试，且可同时测得磁方向，测量精确度也更高。

Description

基于自旋轨道耦合的矢量探测器及未知磁场的探测方法

技术领域

本发明涉及空间磁场探测技术领域，更具体地，涉及基于自旋轨道耦合的矢量探测器及未知磁场的探测方法。

背景技术

探测磁场的传感器可分为：能同时探测磁场强度和方向的矢量探测器，其工作原理主要有法拉第电磁感应定律、超导线圈的约瑟夫效应、超导体的迈斯纳效应、霍尔效应、磁阻效应等等；仅探测磁场强度不能分辨方向的标量探测器，其工作原理是利用某些电子或原子核自旋能级能量差随磁场而变(如塞曼效应)来实现测量。

专利CN102024904A公开了一种高灵敏度金属霍尔传感器薄膜材料，其结构为：绝缘层/Pt₁/[Co/Pt₂]_n/绝缘层。其反常霍尔效应曲线(R-H曲线)是线性的，可用做霍尔传感器。然而，该材料结构的传感器膜层太多，制备工艺复杂，只能测大小未知、方向已知的一维线性磁场，无法测量微弱磁场的大小。专利CN104600193A公开了一种超高反常霍尔灵敏度薄膜材料可测量测量范围为-4～+4Oe的微弱磁场，其结构由下往上依次为：第一Ta层、Co_xFe_y层、金属氧化层、第二Ta层，原理也是利用了反常霍尔效应。然而，该材料结构的传感器只能测大小未知、方向已知的一维线性磁场，，测量时磁场必须垂直穿过器件。专利CN103904211A提供了一种基于垂直交换耦合的磁场探测器及其使用方法，其可测量空间磁场的方向和大小，其结构由下往上依次为：基片、底电极(Pt电极)、铁磁层([Co/Pt]_n、[Co/Pd]_n、[Co/Ni]_n多层膜或者CoFeB)、非磁性层(反磁层或氧化层)和顶电极(Pt电极)。其使用方法为：(1)确定方向。在第一端点与第二端点之间通电流I，在第三端点与第四端点之间测霍尔电阻；转动磁场探测器，在某一角度下分别读取任意六个不同磁场大小下的电阻值。其中，三个正磁场下的霍尔电阻值R₁、R₂和R₃；三个负磁场下的霍尔电阻值R₄、R₅和R₆，并根据各霍尔电阻值之间的关系确定磁场方向。(2)确定磁场大小。a)将磁场探测器放置在方向确定的磁场中，使x轴平行于该磁场方向，将磁场探测器绕z轴旋转360°，测量并记录磁场探测器绕z轴旋转过程中的霍尔电阻值；根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制一条电阻-角度曲线；将磁场探测器放置在若干方向和大小已知的磁场中，根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制若干条标准电阻-角度曲线；将绘制的一条电阻-角度曲线与若干条标准电阻-角度曲线进行比对，找出与绘制的电阻-角度曲线相同的标准电阻-角度曲线，这条标准电阻-角度曲线对应的磁场大小即为该待确定磁场的大小。b)将带有铁电几片的磁场探测器置于未知大小的磁场中，让磁场方向垂直于磁场探测器的薄膜表面，在铁电基片上施加-10KV～10KV变化的电压，记录第三端点与第四端点之间的霍尔电阻发生转变时的电压值，此时的电压值对应的该垂直交换耦合体系的矫顽力即为磁场大小。然而，其利用的原理是反常霍尔效应和平面霍尔效应，在确定磁场的方向时，不仅需要转动传感器测6个电阻值，还需要进行大量微小的方向调节，使得6个电阻值相等，测量工作量巨大，时间太长，过程复杂；在确定磁场的大小时，需要测量大量的电阻-角度曲线，然后用未知磁场下的电阻-角度曲线去和大量曲线进行对比，从相似性的角度确定未知磁场，这其中不仅工作量巨大，并且还存在着不可估计的误差。

综上所述，现有的磁探测器均无法实现矢量磁场大小和方向的简单快速测量，尤其是微弱磁场。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有的磁探测器均无法实现矢量磁场大小和方向的简单快速测量的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种基于自旋轨道耦合的矢量探测器，所述矢量探测器从下到上依次是：自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层，四者依次重叠排列；所述自旋流生成层为重金属或者拓扑绝缘体材料，用于产生自旋极化电子；所述磁性材料层为具有铁磁性可以实现垂直磁化的磁性材料；所述绝缘层用于使相邻的磁性材料层具有垂直磁各向异性。

具体地，各层是从下到上依次排列的十字形Hall Bar结构。

具体地，自旋流生成层为Hall Bar十字形结构，磁性材料层、绝缘层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的中心位置。

具体地，所述矢量探测器基于SOT效应，利用AHE效应来读取霍尔电阻。

为实现上述目的，第二方面，本发明提供一种基于自旋轨道耦合的矢量探测器，所述矢量探测器从下到上依次是：自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性材料层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层；所述自旋流生成层为重金属或者拓扑绝缘体材料，用于产生自旋极化电子；第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形；自旋流生成层的膜面大于其他层膜面且为十字形状的Hall Bar结构；自旋流生成层之上的各层薄膜依次重叠于自旋流生成层十字交叉部分的中心位置。

具体地，所述矢量探测器基于SOT效应，利用TMR效应来读取磁性隧道结MTJ或者自旋阀结构的电阻。

为实现上述目的，第三方面，本发明提供一种未知磁场的探测方法，其特征在于，所述探测方法基于上述的基于自旋轨道耦合的矢量探测器，所述方法包括以下步骤：

S1.用大小和方向已知的磁场对矢量探测器进行标定，在所述矢量探测器施加电流，得到单独x磁场、单独y磁场、单独z磁场的R-H曲线；

S2.将所述矢量探测器置于大小和方向未知的待测磁场中，在x方向上加与标定电流大小相同的正电流，在y方向上测量电压，用电压除以电流得到电阻值R₁；

S3.保持矢量探测器位置不变，在x方向上加与标定电流大小相同的负电流，在y方向上测量电压，用电压除以电流得到电阻值R₂；

S4.基于电阻值R₁和R₂，计算单独z方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hz和单独x方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hx；

S5.将贡献值R_Hx、R_Hz分别代入单独x磁场和单独z磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x和z方向分量H_z；

S6.保持矢量探测器位置不变，在y方向分别加与标定电流大小相同的正负电流，x方向测电压，得到两个电阻值R₃和R₄；

S7.基于电阻值R₃和R₄，计算单独y方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hy；

S8.将贡献值R_Hy代入单独y磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y；

S9.由三个分量H_x、H_y、H_z计算得到未知磁场的大小和方向；

其中，所述自旋流生成层的四个端依次为器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，以第一电极指向第三电极的方向为x轴方向，以第二电极指向第四电极的方向为y轴方向，以垂直xy平面向上为z轴方向。

具体地，步骤S1包括以下步骤：

S101.将所述矢量探测器置于大小H_x变化、方向为x方向的磁场中，在x方向施加正电流，在y方向测量其电压，电压除以正电流得到电阻R，得到单独x磁场正电流下R-H_x曲线；

S102.将所述矢量探测器置于大小H_x变化、方向为x方向的磁场中，在x方向施加相同大小的负电流，在y方向测量其电压，电压除以负电流得到电阻R，得到单独x磁场负电流下R-H_x曲线；

S103.将所述矢量探测器置于大小H_z变化、方向为z方向的磁场中，在x方向施加相同大小的正电流，在y方向测量其电压，电压除以正电流得到电阻R，得到单独z磁场正电流下R-H_z曲线；

S104.将所述矢量探测器置于大小H_z变化、方向为z方向的磁场中，在x方向施加相同大小的负电流，在y方向测量其电压，电压除以负电流得到电阻R，得到单独z磁场负电流下R-H_z曲线；

S105.将所述矢量探测器置于大小H_y变化、方向为y方向的磁场中，在y方向施加相同大小的正电流，在x方向测量其电压，电压除以正电流得到电阻R，得到单独y磁场正电流下R-H_y曲线；

S106.将所述矢量探测器置于大小H_y变化、方向为y方向的磁场中，在y方向施加相同大小的负电流，在x方向测量其电压，电压除以负电流得到电阻R，得到单独y磁场负电流下R-H_y曲线。

具体地，所述基于电阻值R₁和R₂，计算单独z方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hz和单独x方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hx，具体如下：R_Hz＝(R₁+R₂)/2；R_Hx＝(R₁-R₂)/2或者R_Hx＝(R₂-R₁)/2；

所述将贡献值R_Hx、R_Hz分别代入单独x磁场和单独z磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x和z方向分量H_z，具体包括：

若R_Hx＝(R₁-R₂)/2，则将贡献值R_Hx代入单独x磁场正电流下R-H_x曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x；

若R_Hx＝(R₂-R₁)/2，则将贡献值R_Hx代入单独x磁场负电流下R-H_x曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x；

将贡献值R_Hx代入单独z磁场正电流下R-H_z曲线或者负电流下R-H_z曲线中，得到未知磁场的z方向分量H_z。

具体地，所述基于电阻值R₃和R₄，计算单独y方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hy，具体如下：R_Hy＝(R₃-R₄)/2或者R_Hy＝(R₄-R₃)/2；

所述将贡献值R_Hy代入单独y磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y，具体包括：

若R_Hy＝(R₃-R₄)/2，则将贡献值R_Hy代入单独y磁场正电流下R-H_y曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y；

若R_Hy＝(R₄-R₃)/2，则将贡献值R_Hy代入单独y磁场负电流下R-H_y曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提出一种基于自旋轨道耦合的矢量探测器，其结构从下到上依次是：自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层；或者其结构从下到上依次为自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性材料层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层。自旋流生成层必须为重金属或者拓扑绝缘体材料，用于产生自旋极化电子，绝缘层用于使相邻的磁性材料层具有垂直磁各向异性，即为垂直膜，钉扎层用于固定第二铁磁层的磁化状态，使得其磁化方向不发生改变。所述器件的抗干扰能力强，抗辐射能力强，器件的使用寿命长，速度快，本发明的磁场探测器灵敏度高，可同时探测空间矢量微弱磁场的大小和方向。

(2)本发明提出了一种未知磁场的探测方法，利用磁性材料的电子自旋法测得反常霍尔效应曲线的特点，计算得出空间微弱磁场的三个分量值，从而得到空间微弱磁场的大小和方向，操作简单，无需大量测量和反复测试，且可同时测得磁场的大小和方向，测量精确度也更高。

附图说明

图1为本发明提供基于SOT效应、利用AHE效应(Anomalous Hall effect，反常霍尔效应)来读取霍尔电阻的矢量探测器立体结构一示意图；

图2为本发明提供基于SOT效应、利用AHE效应来读取霍尔电阻的矢量探测器立体结构二示意图；

图3为本发明提供基于SOT效应、利用TMR效应(Tunneling Magneto Resistance，隧道磁电阻效应)来读取MTJ或者自旋阀结构的电阻的矢量探测器立体结构三示意图；

图4为本发明提供的基于SOT效应、利用AHE效应来读取霍尔电阻的矢量探测器的俯视图；

图5为本发明实施例一提供的x方向通电流、单独加x方向和单独加z方向磁场时，在正负电流下的R-H曲线图；

图6为本发明实施例二提供的y方向通电流、单独加y方向和单独z方向磁场时，在正负电流下的R-H曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一般来说，对于热稳定性较好的垂直易磁化的磁学体系，AHE传感器是人们关注的热点，采用AHE传感器对信号进行探测时多集中在垂直于薄膜表面方向，而不能探测矢量空间内的其他方向。本发明单独利用AHE效应或者TMR效应，但是可以准确而简单地确定空间矢量磁场的大小和方向。本发明提出了一种基于自旋轨道耦合的矢量探测器及其使用方法，基于SOT效应利用磁性材料AHE效应或者TMR效应测出相应曲线，计算得出空间微弱磁场的三个分量值，从而得到空间微弱磁场的大小和方向。

本发明提出的一种矢量探测器基于SOT效应，利用AHE效应或者TMR效应来读取电阻。AHE效应指的是磁场并不是霍尔效应的必要条件，在发现霍尔效应以后人们发现了电流和磁矩之间的自旋轨道耦合相互作用也可以导致的霍尔效应。只要破坏时间反演对称性这种霍尔效应就可以存在，称为反常霍尔效应。基于SOT效应实现产生自旋流改变磁性材料层的磁化状态，利用反常霍尔效应读取因磁化状态不同而发生变化的电阻值。TMR效应指的是当第一铁磁层、非磁性材料层和第二铁磁层构成MTJ(Magnetic Tunnel Junction，磁性隧道结)或自旋阀结构，第二铁磁层方向被钉扎，第一铁磁层的磁化方向可以基于SOT效应在外磁场的控制下被独立的切换。如果两铁磁层极化方向平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性会更大，其宏观表现为电阻小；如果极化方向反平行，那么电子隧穿过绝缘层的可能性较小，其宏观表现是电阻极大。因此，这种结可以在两种电阻状态中切换，即高阻态和低阻态。利用电子隧穿的这种效应可以读取器件由于第一铁磁层磁化状态不同而发生变化的电阻值。

图1为本发明提供基于SOT效应、利用AHE效应来读取霍尔电阻的矢量探测器立体结构一示意图。如图1所示，矢量探测器的结构为：从下到上依次是自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层，四者依次重叠排列。各层是从下到上依次排列的十字形Hall Bar结构。

图2为本发明提供基于SOT效应、利用AHE效应来读取霍尔电阻的矢量探测器立体结构二示意图。如图2所示，矢量探测器的结构为：从下到上依次是自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层，四者依次重叠排列。自旋流生成层为Hall Bar十字形结构，磁性材料层、绝缘层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的中心位置。

自旋流生成层必须为重金属或者拓扑绝缘体材料，用于产生自旋极化电子。优选地，作为自旋流生成层的材料包括钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、Bi₂Se₃或者Sb₂Te₃。

磁性材料层为具有铁磁性可以实现垂直磁化的磁性材料。优选地，作为磁性材料层的材料包括CoFeB或者Co。

绝缘层为绝缘材料，用于使相邻的磁性材料层具有垂直磁各向异性，即为垂直膜，从而，可利用SOT效应、热效应以及磁场作用实现未知矢量磁场大小和方向的检测。优选地，作为绝缘层的材料包括MgO或者AlO_x。

盖帽层为金属材料，用于保护盖帽层下面的各层。优选地，作为盖帽层的材料包括钽(Ta)或者钛(Ti)。

矢量探测器立体结构一和矢量探测器立体结构二具有4个电极：自旋流生成层的四个端分别为器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极。在电极1和电极3或者电极2和电极4之间通一个较大的写电流，由于自旋霍尔效应在自旋流生成层产生自旋流，自旋流由于SOT作用于磁性材料层的磁畴，使其磁化状态发生改变，同时结合热效应或者外磁场作用完成写操作；相对应地，在电极1和电极3或者电极2和电极4之间通一个较小的写电流，在电极2和电极4或者电极1和电极3之间测电压，并计算霍尔电阻值，完成读操作。

进一步地，写电流的电流密度大于或等于10⁶A/cm²；读电流的电流密度小于10⁶A/cm²。

图3为本发明提供基于SOT效应、利用TMR效应来读取MTJ或者自旋阀结构的电阻的矢量探测器立体结构三示意图。如图3所示，磁场探测器的结构为：从下到上依次是自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性材料层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层。第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，自旋流生成层的膜面大于其他层膜面且为十字形状的Hall Bar结构；自旋流生成层之上的各层薄膜依次重叠于自旋流生成层十字交叉部分的中心位置。

矢量探测器立体结构三具有5个电极：自旋流生成层的四个端分别为器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，盖帽层为器件的第五电极。在电极1和电极3或者电极2和电极4之间通一个较大的写电流，由于自旋霍尔效应在自旋流生成层产生自旋流，自旋流由于SOT作用于第一铁磁层的磁畴，使其磁化状态发生改变，第二铁磁层的磁化状态固定不变，器件的阻值会发生改变。同时结合热效应或者外磁场作用完成写操作；相对应地，在电极1和电极5或者电极2和电极5或者电极3和电极5或者电极4和电极5之间通一个较小的写电流，并在相同的两电极之间测电压，并计算电阻值，完成读操作。

进一步地，写电流的电流密度大于或等于10⁶A/cm²；读电流的电流密度小于10⁶A/cm²。

优选地，第一铁磁层的常用材料为CoFeB；第二铁磁层的常用材料为CoFeB。

优选地，非磁性层的常用材料为MgO、Al₂O₃或Cu。

优选地，盖帽层的常用材料为钽(Ta)或者钛(Ti)。

钉扎层的作用是固定第二铁磁层的磁化方向，使得其磁化状态不发生改变。

图4为本发明提供的基于SOT效应、利用AHE效应读取电阻的矢量探测器的俯视图。如图4所示，本发明建立的xyz坐标系方向如下：以电极1→电极3的方向为x轴方向，以电极2→电极4的方向为y轴方向，以垂直xy平面向上为z轴方向。

矢量探测器中，电极1和电极3组成第一电极对，电极2和电极4组成第二电极对。x方向通电流即电流方向是从电极1流向电极3，y方向通电流即电流方向是从电极2流向电极4。

图5为本发明实施例一提供的x方向通电流、单独加x方向和单独加z方向磁场时，在正负电流下的R-H曲线图。其中，磁场从正到负再到正为一个曲线周期。如图5所示，当单独施加z方向的磁场H_z时，分别在x方向施加+55mA和-55mA的电流，然后测得其电阻随磁场的变化曲线，发现二者是重合的(如图5中实线曲线和点线曲线所示)。当单独施加x方向的磁场H_x时，分别在x方向施加+65mA和-65mA的电流，然后测得其电阻随磁场的变化曲线，发现二者是对称相反的(如图5中短线曲线和短点线曲线所示)。当在第一电极对之间通过合适的电流，并且加H_z方向的磁场时，当磁场大于临界磁场值时，磁场作用在起主要作用，热效应作用可以忽略，所以器件处于高阻态。当磁场在零到临界磁场值之间时，热效应和磁场作用共同作用，热效应作用使得磁化状态趋于中间态，即电阻趋于零，磁场减小时，磁场作用减弱，热效应增强，电阻趋于零，在磁场为零时，只存在热效应，电阻为零。磁场为负时与磁场的正半部分是中心对称的。所以得到了H_z时的R-H曲线。当加H_x方向的磁场时，是SOT作用和热效应作用在共同决定磁化状态。当磁场大于临界磁场值时，由于自旋霍尔效应(SpinHall Effect，SHE)产生自旋极化电子，在平面磁场H_x的作用下，使得器件的磁化状态保持一致，处于高阻态。当磁场处于零到临界磁场值之间时，热效应和SOT作用共同决定器件的磁化状态，热效应的作用使磁化状态趋于中间态，即电阻为零。磁场为零时，电阻为零，只有热效应作用。磁场为负值时的曲线与磁场为正值的曲线是中心对称的。即，单独加z方向磁场H_z时，正负电流下，电阻是不变的；单独加x方向磁场H_x时，正负电流下，电阻是取相反数的。

图6为本发明实施例二提供的y方向通电流、单独加y方向和单独z方向磁场时，在正负电流下的R-H曲线图。其中，磁场从正到负再到正为一个曲线周期。如图6所示，当单独施加z方向的磁场H_z时，分别在y方向施加+55mA和-55mA的电流，然后测得其电阻随磁场的变化曲线，发现二者是重合的(如图6中实线曲线和点线曲线所示)。当单独施加y方向的磁场H_y时，分别在y方向施加+65mA和-65mA的电流，然后测得其电阻随磁场的变化曲线，发现二者是对称相反的(如图6中短线曲线和短点线曲线所示)。单独加z方向磁场H_z时，正负电流下，电阻是不发生变化的；单独加y方向磁场H_y时，正负电流下，电阻是取相反数的。

通过测试和理论分析发现，对于空间磁场的三个分量H_x、H_y、H_z，H_y对电阻的贡献没有作用；当所加电流值分别为正负值时，H_y对电阻的贡献值不发生变化；当所加电流值分别为正负值时，H_x对电阻的贡献值取相反数。本发明中矢量探测器有如下特性：在x方向通特定值电流，y方向测电压时，当只存在x方向的磁场时，改变所加电流的正负，电阻值取相反数；当只存在y方向的磁场时，改变所加电流的正负，电阻值为零；当只存在z方向的磁场时，改变所加电流的正负，电阻值不变。所以，可以得到如下结论：正负电流下，单独y方向的磁场对电阻值不产生贡献，单独x方向对电阻的贡献值取相反数，单独z方向磁场值对电阻的贡献值相同。

所以，根据这一现象，我们可以在x方向加电流，分别用正负电流(±65mA)值得到两个R值，相减得到x方向磁场单独对R_l的贡献，相加得到z方向磁场单独对R的贡献；在y方向加电流，分别用正负电流(±65mA)值得到两个R值，相减得到y方向磁场单独对R的贡献，相加得到z方向磁场单独对R的贡献。从而根据器件所测曲线得出的公式得到三个方向的磁场分量值H_x、H_y、H_z，最后可以由计算得到空间磁场的三个分量H_x、H_y、H_z，进而得到空间磁场的方向。

综上，本发明提供了一种上述基于自旋轨道耦合的矢量探测器探测未知磁场的方法，该方法包括以下步骤：

S1.用大小和方向已知的磁场对矢量探测器进行标定，在所述矢量探测器施加电流，得到单独x磁场、单独y磁场、单独z磁场的R-H曲线；

S2.将所述矢量探测器置于大小和方向未知的待测磁场中，在x方向上加与标定电流大小相同的正电流，在y方向上测量电压，用电压除以电流得到电阻值R₁；

S3.保持矢量探测器位置不变，在x方向上加与标定电流大小相同的负电流，在y方向上测量电压，用电压除以电流得到电阻值R₂；

S4.基于电阻值R₁和R₂，计算单独z方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hz和单独x方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hx；

S5.将贡献值R_Hx、R_Hz分别代入单独x磁场和单独z磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x和z方向分量H_z；

S6.保持矢量探测器位置不变，在y方向分别加与标定电流大小相同的正负电流，x方向测电压，得到两个电阻值R₃和R₄；

S7.基于电阻值R₃和R₄，计算单独y方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hy；

S8.将贡献值R_Hy代入单独y磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y；

S9.由三个分量H_x、H_y、H_z计算得到未知磁场的大小和方向；

其中，所述自旋流生成层的四个端依次为器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，以第一电极指向第三电极的方向为x轴方向，以第二电极指向第四电极的方向为y轴方向，以垂直xy平面向上为z轴方向。

步骤S1.用大小和方向已知的磁场对矢量探测器进行标定，在所述矢量探测器加电流，得到单独x磁场、单独y磁场、单独z磁场的R-H曲线，包括以下步骤：

S101.将所述矢量探测器置于大小H_x变化、方向为x方向的磁场中，在x方向施加正电流，在y方向测量其电压，电压除以正电流得到电阻R，得到单独x磁场正电流下R-H_x曲线。

磁场大小的变化范围是根据器件的矫顽力确定的，即在正负矫顽力范围内变化。通过在一个大磁场范围内先测量得到一个反常霍尔效应曲线，然后从曲线上确定矫顽力大小，从而确定扫描磁场的范围大小。

施加的正电流取值需要满足既能使得测得的反常霍尔效应曲线loop接近重合，且尽量小以保证功耗较低。确定电流值时，电流从小到大逐渐增大，直至各个方向的反常霍尔效应曲线loop接近重合为止。

S102.将所述矢量探测器置于大小H_x变化、方向为x方向的磁场中，在x方向施加相同大小的负电流，在y方向测量其电压，电压除以负电流得到电阻R，得到单独x磁场负电流下R-H_x曲线；

S103.将所述矢量探测器置于大小H_z变化、方向为z方向的磁场中，在x方向施加相同大小的正电流，在y方向测量其电压，电压除以正电流得到电阻R，得到单独z磁场正电流下R-H_z曲线；

S104.将所述矢量探测器置于大小H_z变化、方向为z方向的磁场中，在x方向施加相同大小的负电流，在y方向测量其电压，电压除以负电流得到电阻R，得到单独z磁场负电流下R-H_z曲线；

S105.将所述矢量探测器置于大小H_y变化、方向为y方向的磁场中，在y方向施加相同大小的正电流，在x方向测量其电压，电压除以正电流得到电阻R，得到单独y磁场正电流下R-H_y曲线；

S106.将所述矢量探测器置于大小H_y变化、方向为y方向的磁场中，在y方向施加相同大小的负电流，在x方向测量其电压，电压除以负电流得到电阻R，得到单独y磁场负电流下R-H_y曲线。

步骤S2.将所述矢量探测器置于大小和方向未知的待测磁场中，在x方向上加与标定电流大小相同的正电流，在y方向上测量电压，用电压除以电流得到电阻值R₁。

电阻值根据矢量探测器结构的不同，分别为霍尔电阻、MTJ或自旋阀结构的电阻。

步骤S4.基于电阻值R₁和R₂，计算单独z方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hz和单独x方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hx。

由于R₁＝R_Hx+R_Hz,R₂＝-R_Hx+R_Hz，因此，R_Hz＝(R₁+R₂)/2,R_Hx＝(R₁-R₂)/2或者R_Hx＝(R₂-R₁)/2。

步骤S5.将贡献值R_Hx、R_Hz分别代入单独x磁场和单独z磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x和z方向分量H_z。

若R_Hx＝(R₁-R₂)/2，则将贡献值R_Hx代入单独x磁场正电流下R-H_x曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x；

若R_Hx＝(R₂-R₁)/2，则将贡献值R_Hx代入单独x磁场负电流下R-H_x曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x；

将贡献值R_Hx代入单独z磁场正电流下R-H_z曲线或者负电流下R-H_z曲线中，得到未知磁场的z方向分量H_z。

步骤S7.基于电阻值R₃和R₄，计算单独y方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hy。

由于R₃＝R_Hy+R_Hz,R₄＝-R_Hy+R_Hz，因此,R_Hy＝(R₃-R₄)/2或者R_Hy＝(R₄-R₃)/2。

步骤S8.将贡献值R_Hy代入单独y磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y。

若R_Hy＝(R₃-R₄)/2，则将贡献值R_Hy代入单独y磁场正电流下R-H_y曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y；

若R_Hy＝(R₄-R₃)/2，则将贡献值R_Hy代入单独y磁场负电流下R-H_y曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自旋轨道耦合的矢量探测器，其特征在于，所述矢量探测器从下到上依次是：自旋流生成层、磁性材料层、绝缘层、盖帽层，四者依次重叠排列；

所述自旋流生成层为重金属或者拓扑绝缘体材料，用于产生自旋极化电子；所述磁性材料层为具有铁磁性可以实现垂直磁化的磁性材料；所述绝缘层用于使相邻的磁性材料层具有垂直磁各向异性。

2.如权利要求1所述的矢量探测器，其特征在于，各层是从下到上依次排列的十字形Hall Bar结构。

3.如权利要求1所述的矢量探测器，其特征在于，自旋流生成层为Hall Bar十字形结构，磁性材料层、绝缘层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，并且依次重叠于自旋流生成层十字形状的中心位置。

4.如权利要求1所述的矢量探测器，其特征在于，所述矢量探测器基于SOT效应，利用AHE效应来读取霍尔电阻。

5.一种基于自旋轨道耦合的矢量探测器，其特征在于，所述矢量探测器从下到上依次是：自旋流生成层、第一铁磁层、非磁性材料层、第二铁磁层、钉扎层、盖帽层；

所述自旋流生成层为重金属或者拓扑绝缘体材料，用于产生自旋极化电子；第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层、钉扎层以及盖帽层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形；自旋流生成层的膜面大于其他层膜面且为十字形状的Hall Bar结构；自旋流生成层之上的各层薄膜依次重叠于自旋流生成层十字交叉部分的中心位置。

6.如权利要求5所述的矢量探测器，其特征在于，所述矢量探测器基于SOT效应，利用TMR效应来读取磁性隧道结MTJ或者自旋阀结构的电阻。

7.一种未知磁场的探测方法，其特征在于，所述探测方法基于权利要求1至6任一项所述的基于自旋轨道耦合的矢量探测器，所述方法包括以下步骤：

S1.用大小和方向已知的磁场对矢量探测器进行标定，在所述矢量探测器施加电流，得到单独x磁场、单独y磁场、单独z磁场的R-H曲线；

S2.将所述矢量探测器置于大小和方向未知的待测磁场中，在x方向上加与标定电流大小相同的正电流，在y方向上测量电压，用电压除以电流得到电阻值R₁；

S3.保持矢量探测器位置不变，在x方向上加与标定电流大小相同的负电流，在y方向上测量电压，用电压除以电流得到电阻值R₂；

S4.基于电阻值R₁和R₂，计算单独z方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hz和单独x方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hx；

S5.将贡献值R_Hx、R_Hz分别代入单独x磁场和单独z磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x和z方向分量H_z；

S6.保持矢量探测器位置不变，在y方向分别加与标定电流大小相同的正负电流，x方向测电压，得到两个电阻值R₃和R₄；

S7.基于电阻值R₃和R₄，计算单独y方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hy；

S8.将贡献值R_Hy代入单独y磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y；

S9.由三个分量H_x、H_y、H_z计算得到未知磁场的大小和方向；

其中，所述自旋流生成层的四个端依次为器件的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，以第一电极指向第三电极的方向为x轴方向，以第二电极指向第四电极的方向为y轴方向，以垂直xy平面向上为z轴方向。

8.如权利要求7所述的未知磁场的探测方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：

S101.将所述矢量探测器置于大小H_x变化、方向为x方向的磁场中，在x方向施加正电流，在y方向测量其电压，电压除以正电流得到电阻R，得到单独x磁场正电流下R-H_x曲线；

S102.将所述矢量探测器置于大小H_x变化、方向为x方向的磁场中，在x方向施加相同大小的负电流，在y方向测量其电压，电压除以负电流得到电阻R，得到单独x磁场负电流下R-H_x曲线；

S103.将所述矢量探测器置于大小H_z变化、方向为z方向的磁场中，在x方向施加相同大小的正电流，在y方向测量其电压，电压除以正电流得到电阻R，得到单独z磁场正电流下R-H_z曲线；

S104.将所述矢量探测器置于大小H_z变化、方向为z方向的磁场中，在x方向施加相同大小的负电流，在y方向测量其电压，电压除以负电流得到电阻R，得到单独z磁场负电流下R-H_z曲线；

S105.将所述矢量探测器置于大小H_y变化、方向为y方向的磁场中，在y方向施加相同大小的正电流，在x方向测量其电压，电压除以正电流得到电阻R，得到单独y磁场正电流下R-H_y曲线；

S106.将所述矢量探测器置于大小H_y变化、方向为y方向的磁场中，在y方向施加相同大小的负电流，在x方向测量其电压，电压除以负电流得到电阻R，得到单独y磁场负电流下R-H_y曲线。

9.如权利要求8所述的未知磁场的探测方法，其特征在于，所述基于电阻值R₁和R₂，计算单独z方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hz和单独x方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hx，具体如下：R_Hz＝(R₁+R₂)/2；R_Hx＝(R₁-R₂)/2或者R_Hx＝(R₂-R₁)/2；

所述将贡献值R_Hx、R_Hz分别代入单独x磁场和单独z磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x和z方向分量H_z，具体包括：

若R_Hx＝(R₁-R₂)/2，则将贡献值R_Hx代入单独x磁场正电流下R-H_x曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x；

若R_Hx＝(R₂-R₁)/2，则将贡献值R_Hx代入单独x磁场负电流下R-H_x曲线中，得到未知磁场的x方向分量H_x；

将贡献值R_Hx代入单独z磁场正电流下R-H_z曲线或者负电流下R-H_z曲线中，得到未知磁场的z方向分量H_z。

10.如权利要求8所述的未知磁场的探测方法，其特征在于，所述基于电阻值R₃和R₄，计算单独y方向磁场对电阻产生的贡献值R_Hy，具体如下：R_Hy＝(R₃-R₄)/2或者R_Hy＝(R₄-R₃)/2；

所述将贡献值R_Hy代入单独y磁场的R-H曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y，具体包括：

若R_Hy＝(R₃-R₄)/2，则将贡献值R_Hy代入单独y磁场正电流下R-H_y曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y；

若R_Hy＝(R₄-R₃)/2，则将贡献值R_Hy代入单独y磁场负电流下R-H_y曲线中，得到未知磁场的y方向分量H_y。