CN109959882A - 基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法及磁性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用磁畴壁测量磁场领域，尤其是是一种基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法及磁性传感器。磁场测量方法包括以下步骤：(1)在传感器器件内形成磁畴壁；(2)磁畴壁弯曲扩张；(3)测量磁场；(4)磁畴壁自发恢复。其集成度高，能够准确表征磁场大小或者待测磁性物体的磁性。

Description

基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法及磁性传感器

技术领域

本发明涉及利用磁畴壁测量磁场领域，尤其是是一种基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法及磁性传感器。

背景技术

磁性传感器在现代生活，尤其是高度发达的信息和智能社会，有着非常重要应用，如硬盘信息的读取，方向识别、定位、导航，及自动驾驶等方面。现在磁场的探测和测量可以通过以下一些方法或者原理实现，如：霍尔效应传感器，磁通门传感器，各向异性磁电阻效应传感器等。近三十年来，基于巨磁阻效应的巨磁阻传感器(GMR Sensor)、基于隧穿磁阻效应的隧穿磁阻传感器(TMR sensor)兴起并得到应用。巨磁阻传感器和隧穿磁阻传感器在测量精度、可集成性方面具有突出优势，其中隧穿磁阻传感器的测量精度可以达到皮特斯拉(pT) 量级。

目前，在磁性传感器领域比较先进的技术有：巨磁阻效应传感器，隧穿磁阻效应传感器，利用磁畴壁在交变电流中运动的磁性传感器，以及利用环形纳米线中磁畴壁解钉扎的传感器。上述磁性传感器分别存在以下缺陷：

首先，巨磁阻传感器或者隧穿磁阻传感器具有典型的多层膜结构，巨磁阻传感器或者隧穿磁阻传感器的工作原理是：自由层的磁化方向在待测磁场中，会出现偏离易磁化轴的现象，从而导致整个传感器器件的电阻发生变化。这种电阻的变化幅值与外加磁场成对应关系，从而能够实现磁场的测量。此种传感器虽然精度高，但是在生产用于测量垂直磁场(即待测磁场与器件表面垂直)或者磁场的垂直分量的传感器器件时，难以对器件的性能进行灵活的调节。尤其是灵敏度和量程这两种性能，经常出现此消彼长的矛盾关系，很难通过调节器件的尺寸，几何形状等参数进行性能方面的有效调节。所以，难以实现在同一个器件中把不同性能的传感器集成起来。

其次，基于磁畴壁在交变电流中作用下运动的传感器由于需要持续通高频电流，驱动磁畴壁振荡移动，功耗大。而利用磁畴壁在环形纳米线中解钉扎的效应的传感器，只能测量磁场的角度，不能测量磁场的大小。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法及磁性传感器，集成度高，能够准确表征磁场大小或者待测磁性物体的磁性。

本发明的技术方案是：一种基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法，包括以下步骤：

(1)在传感器器件内形成磁畴壁：所述传感器包括钉扎层、间隔层和自由层，间隔层位于钉扎层和自由层之间，所述钉扎层采用矫顽场比自由层的矫顽场大的磁性材料或者磁性结构，所述间隔层为绝缘体或金属导体，自由层采用磁性随外加磁场或电流方向改变的磁性材料或磁性结构，在自由层内形成磁畴壁；

(2)磁畴壁弯曲扩张：将形成磁畴壁的传感器器件置于磁场中或待测磁性物体处，磁畴壁在磁场的作用下移动，磁畴壁的两端停止继续前进后，磁畴壁的中间段在磁场作用下继续扩张，使磁畴壁出现弯曲，由于磁畴壁表面张力的作用，磁畴壁弯曲扩张的深度受到表面张力的限制，直至磁畴壁在表面张力与磁场力的作用下达到平衡状态；

(3)测量磁场：磁畴壁的中间段扩张过程中，传感器器件的磁化状态发生变化，从而使传感器器件的电阻值发生改变，测量传感器器件的平均电阻值，来表征磁场的大小或待测磁性物体的磁性；

(4)磁畴壁自发恢复：由于磁畴壁的表面张力造成的弹性，当磁场减小或撤去时，磁畴壁的位置自发恢复。该测量方法利用了磁畴壁具有表面张力即弹性这一性质，在待测磁场中，磁畴壁出现可逆性的弯曲扩张，从而造成传感器器件电阻值的改变，最终实现磁场的测量。

本发明中，在传感器器件内形成磁畴壁可以采用以下两种方法：

第一种方法是，所述传感器器件包括至少两个依次连接的磁性隧道结或自旋阀，在相邻两个磁性隧道结或自旋阀中分别通入方向相反的电流，在相邻两磁性隧道结或自旋阀之间的自由层内形成磁畴壁；

第二种方法是，所述传感器器件的自由层附近放置平行于自由层的金属导线，在金属导线中施加电流脉冲，在金属导线的周围会产生奥斯特磁场。由于在导线两侧的自由层中，奥斯特磁场在垂直于自由层的方向上分量相反，奥斯特磁场在自由层中激发出磁畴壁。

在磁畴壁弯曲扩张的过程中，使磁畴壁的两端停止继续前进、同时磁畴壁的中间段在磁场作用下继续扩张可以采用的方法是，所述传感器器件的产生磁畴壁处的尺寸小于传感器器件其他位置的尺寸，这样在外加磁场的作用下，虽然磁畴壁倾向于移动，但是磁畴壁的两端由于受到传感器器件尺寸的限制，两端部的运动受到阻碍。

具体的，上述传感器器件的尺寸变化可以为突变，也可以为渐变。尺寸变化为突变的传感器器件可以采用以下结构：所述相邻两磁性隧道结或自旋阀之间通过连接桥连接，在连接桥的自由层内形成磁畴壁，在连接桥与磁性隧道结或自旋阀的连接处，连接桥的尺寸小于磁性隧道结或自旋阀的尺寸，连接桥和磁性隧道结或自旋阀的连接处形成一个拐点；或者直接在传感器器件上设置拐点。当传感器器件的尺寸具有一定的梯度时，传感器器件的尺寸为渐变。

本发明还包括一种采用上述磁场测量方法的磁性传感器，所述传感器包括钉扎层、间隔层和自由层，间隔层位于钉扎层和自由层之间，所述钉扎层采用矫顽场比自由层的矫顽场大的磁性材料或者磁性结构，所述间隔层为绝缘体或金属导体，自由层采用磁性随外加磁场或电流方向改变的磁性材料或磁性结构，自由层内形成磁畴壁，磁畴壁处对应的传感器的尺寸不大于传感器其他位置的尺寸。

上述磁性传感器可以采用以下两种具体的结构。第一种结构是，所述磁性传感器包括至少两个磁性隧道结和连接相邻两磁性隧道结的连接桥，所述磁性隧道结包括钉扎层、间隔层和自由层，间隔层位于钉扎层和自由层之间，各磁性隧道结内钉扎层的磁化方向固定，连接桥包括连接相邻两磁性隧道结的间隔层和自由层，在连接桥与磁性隧道结的连接处，连接桥的尺寸小于磁性隧道结的尺寸。

所述磁性隧道结还包括顶电极和底电极，其中顶电极位于钉扎层的上方，底电极位于自由层的下方，对应的，所述连接桥还包括底电极，用于连接两磁性隧道结中的底电极。另外，顶电极也可以位于自由层的上方，此时底电极位于钉扎层的下方，对应的，所述连接桥还包括顶电极，用于连接两磁性隧道结中的顶电极。其中底电极和顶电极的作用是：第一，在利用上述第一种方法产生磁畴壁时，可以通过顶电极和底电极施加电流；第二，在测量传感器器件的电阻值或表征磁场时，有电流通过顶电极和底电极。

上述磁性隧道结也可以由自旋阀代替：当间隔层为绝缘材料，此时钉扎层、间隔层和自由层组成的结构称为磁性隧道结；当间隔层为金属导体，则组成的结构称为自旋阀。

第二种结构是，磁性传感器为一个整体式的结构，同时所述传感器产生磁畴壁处的的尺寸小于传感器其他位置的尺寸，传感器的尺寸可以具有梯度，即传感器的尺寸是逐渐变化的；或者在传感器上设置由于尺寸变化形成的拐角。

具体的，所述传感器中部的尺寸小于传感器两端的尺寸，且传感器的尺寸具有梯度。

本发明的有益效果：

(1)与现有的磁场测量方法相比，本发明的磁场测量原理是利用了磁畴壁的表面张力即弹性这一性质，在待测磁场中磁畴壁出现可逆性的弯曲扩张，从而造成传感器器件电阻值的改变，最终实现磁场的测量，能够准确表征磁场大小或者待测磁性物体的磁性；

(2)在制造过程中，通过调节传感器的几何形状或者尺寸，从而调节传感器的测量量程、灵敏度等性能参数，而不需改变传感器器件的薄膜结构等本征参数，例如自由层、间隔层、钉扎层的厚度和结构等，因此，采用本发明所述磁场测量方法的磁性传感器，可以在同一个薄膜结构的基础上刻蚀出不同形状或尺寸的传感器器件，以满足不同的测量量程、灵敏度等性能要求，从而制造出不同性能的分立器件，使整个传感器器件能够实现不同性能，满足不同的需求，可以大大提高产品的集成度；

(3)由于自由层采用磁性随外加磁场或电流方向改变的磁性材料或磁性结构，因此自由层内磁畴壁的运动矫顽场很小，可以测量微弱的磁场，灵敏度很高；

(4)在待测磁场减小、消失或者完成一次测量后，磁畴壁的位置可以通过自身的表面张力即弹性自发恢复，本申请与基于磁畴壁在交变电流中作用下运动的传感器相比，无需持续施加交变电流，功耗小。

附图说明

图1是实施例3中磁性传感器的结构示意图；

图2是实施例3中磁性传感器的工作原理图；

图3是实施例3中传感器电阻值与磁场变化的趋势图；

图4是实施例5中磁性传感器的工作原理图；

图中：1磁性隧道结Ⅰ；2连接桥；3磁性隧道结Ⅱ；4顶电极；5针扎层；6间隔层；7 自由层；8底电极；9衬底；10磁畴壁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本发明包括一种基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法，该方法包括以下步骤：

第一步，在传感器器件内形成磁畴壁。

本发明的传感器器件采用具有隧穿磁阻效应的多层膜结构，包括钉扎层、间隔层和自由层，间隔层位于钉扎层和自由层之间，钉扎层采用矫顽场比自由层的矫顽场大的磁性材料或者磁性结构，例如铂钴(PtCo)多层膜结构，铂锰(PtMn)多层膜结构，人工反铁磁结构等，所述间隔层为绝缘体，例如氧化镁(MgO),氧化铝(Al₂O₃)，自由层采用磁性随外加磁场或电流方向改变的磁性材料或磁性结构，例如钴铁硼(CoFeB)合金，钴(Co)，钴镍(CoNi)多层膜等，在自由层内形成磁畴壁。

形成磁畴壁，即对传感器器件进行初始化，可以采用以下两种方法：

第一种方法是，该传感器器件包括至少两个依次连接的磁性隧道结，在相邻两个磁性隧道结中分别通入方向相反的电流，在相邻磁性隧道结之间的自由层内形成磁畴壁。

第二种方法是，在传感器器件的自由层附近放置平行于自由层的金属导线，在金属导线中施加电流脉冲，在金属导线的周围会产生奥斯特磁场。由于在导线两侧的自由层中，奥斯特磁场在垂直于自由层的方向上分量相反，电流产生的奥斯特磁场，会在自由层中激发出磁畴壁。

第二步，实现磁畴壁的弯曲扩张。

将形成磁畴壁的上述传感器器件置于磁场或待测磁性物体中，磁畴壁在磁场的作用下移动，在移动过程中，当磁畴壁的两端停止继续前进后，磁畴壁的中间段在外加磁场的作用下继续扩张，使磁畴壁出现弯曲。由于磁畴壁表面张力的作用，也就是说磁畴壁弯曲扩张过程其本身会产生弹力，磁畴壁弯曲扩张的深度受到表面张力的限制，直至磁畴壁在表面张力与磁场力的共同作用下达到平衡状态。

磁畴壁弯曲扩张的方向由磁场的方向决定，磁畴壁弯曲扩张的深度与磁场大小呈相关关系，磁场越大，弯曲扩张的深度越大。

在磁畴壁弯曲扩张的过程中，使磁畴壁的两端停止继续前进、同时磁畴壁的中间段在磁场作用下继续扩张可以采用的方法是：产生磁畴壁处的传感器器件的尺寸小于传感器其他位置的尺寸，这样在外加磁场的作用下，虽然磁畴壁倾向于移动，但是磁畴壁的两端由于受到传感器器件尺寸的限制，两端部的运动受到阻碍。

因此，传感器器件的尺寸必要要有所变化。传感器器件的尺寸变化可以为突变，也可以为渐变。尺寸变化为突变的传感器器件可以采用以下结构：相邻两磁性隧道结之间通过连接桥连接，在连接桥的自由层内形成磁畴壁，在连接桥与磁性隧道结的连接处，连接桥的尺寸小于磁性隧道结的尺寸，因此在连接桥和磁性隧道结的连接处形成一个拐点，该拐点造成了尺寸的突变。除此之外，也可以在传感器器件上直接加工拐点。

当传感器器件的尺寸具有一定的梯度时，传感器器件的尺寸为渐变，此时传感器器件的优选结构是传感器器件中部的尺寸小于其两端的尺寸。

第三步，测量磁场。

由于传感器器件具有隧穿磁阻效应，因此其电阻值的大小由自由层相对于钉扎层的磁化状态决定。磁畴壁的中间段在扩张过程中，传感器器件中自由层的磁化状态发生变化，从而使整个传感器器件的电阻值发生改变。通过外围电路等方式读取传感器器件的电阻值，就可以实现磁场大小的测量；同时还可以通过该电阻值表征待测磁性物体的磁性，如待测物体是否带有磁性，以及待测物体的周围的磁场分布特征、强弱等。

第四步，磁畴壁的自发恢复。

由于磁畴壁在弯曲扩张过程中，其表面形成张力，该张力使磁畴壁形成与扩张方向相反的弹力。当外加磁场减小或撤去时，在自身的弹力作用下，磁畴壁的位置自发恢复，即磁畴壁的弯曲扩张具有可逆性。

综上所述，本发明所述的测量方法利用了磁畴壁在自身表面张力的作用下，置于外加磁场中时，会出现可逆性扩张的工作原理。在磁畴壁利用自身张力进行可逆性的扩张过程中，实现磁场的测量。

基于本测量方法的上述工作原理，因此，在制造本方法使用的传感器器件的过程中，通过调节传感器器件的几何形状或者尺寸，从而调节器件的测量量程、灵敏度等性能参数，而无需改变器件的薄膜结构等本征参数。因此，可以在同一个薄膜结构的基础上，制造出不同性能的分立器件，使整个器件能够实现不同性能，满足不同的需求。因此，大大提高产品的集成度。

实施例2

与实施例1不同的是，间隔层的材料为金属导体，例如铜(Cu)，金(Au)，铝(Al)，钒(V)，铬(Cr)，钌(Ru)等，此时钉扎层、间隔层和自由层组成的多层结构称为自旋阀。与此对应的，该传感器器件则具有巨磁阻效应，自由层中的磁场变化因为巨磁阻效应引起整个器件的电阻值的变化，从而表征待测磁场的大小或者待测磁性物体的磁性。

其它同实施例1。

实施例3

本发明还包括一种基于磁畴壁可逆性运动的磁性传感器。如图2所示，该磁性传感器包括两个磁性隧道结和连接相邻两磁性隧道结的连接桥2，磁性隧道结包括磁性隧道结Ⅰ1和磁性隧道结Ⅱ3，每一个磁性隧道结均包括钉扎层5、间隔层6和自由层7，间隔层6位于钉扎层5和自由层7之间。钉扎层5由矫顽场比自由层的矫顽场大的磁性材料或者磁性结构制成，因此其磁化方向较难通过电流或者外界磁场等条件改变，两个磁性隧道结内钉扎层的磁化方向固定。间隔层6由绝缘体制成，其厚度为0.5nm-5nm。自由层7由磁性随外加磁场或电流方向改变的磁性材料或磁性结构制成，因此自由层的磁化方向可以随着外加磁场、或者通过电流的方向，较容易的被改变。连接桥2包括连接相邻两磁性隧道结的间隔层6和自由层7，连接桥的长度不限，连接桥2的宽度小于磁性隧道结的宽度，因此在连接桥2与磁性隧道结的连接处形成拐角。

本实施例中，在钉扎层5的上方设有顶电极4，自由层7的底部设有底电极8，其中顶电极4和底电极8由金属导体制成，例如金(Au)，铝(Al)，钽(Ta)等。设置顶电极和底电极的作用是：第一，在利用上述第一种方法产生磁畴壁时，可以通过顶电极和底电极施加电流；第二，在测量传感器器件的电阻值或表征磁场时，有电流通过顶电极和底电极。整个磁性传感器设置在衬底9上，衬底9用于固定磁性传感器。此时，连接桥2还包括底电极8，用于连接两磁性隧道结中的底电极。

本发明中，顶电极和底电极的位置并不限于本实施例中的所述方式。顶电极也可以位于自由层的上方，对应的，底电极位于钉扎层的下方，此时，连接桥还包括顶电极，用于连接两磁性隧道结中的顶电极。

该磁性传感器实现磁场测量的方法包括以下步骤：

第一步，对该传感器进行初始化。使用前，需要对器件进行初始化，在两个磁性隧道结中，通入方向相反的电流。由于钉扎层的磁化方向很难被改变，而自由层相对于钉扎层的磁化方向，由施加电流的方向决定。初始化时，相反方向施加的电流会将两个磁性隧道结中自由层的磁化方向变为相反。于是，在两个磁性隧道结之间的连接桥中的自由层里，形成磁畴壁。

第二步，磁畴壁弯曲扩张。将该传感器器件置于外加磁场中或者待测磁性物体处，磁畴壁在磁场的作用下出现移动，移动的方向由待测磁场的方向决定。如图2所示，当磁畴壁移动到连接桥与其中一个磁性隧道结相连的位置时，由于连接桥的尺寸小于磁性隧道结的尺寸，磁畴壁的运动在此处将会受到阻碍。磁畴壁的两端将会被卡顿在拐角处，不能继续前进。而外加磁场会使磁畴壁的中间段继续向磁性隧道结中扩张，使得磁畴壁出现弯曲。由于磁畴壁本身的表面张力作用，即磁畴壁本身产生与扩张方向相反的弹力，磁畴壁向磁性隧道结中弯曲扩张的深度受到表面张力的限制，最终磁畴壁会在表面张力与外加磁场力的作用下达到平衡状态。磁畴壁弯曲扩张的深度与磁场大小成相关关系，磁场越大，扩张的深度越大。

图2是本实施例的工作原理图。初始化后，磁性隧道结Ⅰ和磁性隧道结Ⅱ的磁化方向相反，两个磁性隧道结之间形成磁畴壁。当器件置于外界磁场后，磁畴壁向左边或者右边扩张，扩张方向取决于外界磁场的方向。本实施例中，磁场方向Ⅰ施加的磁场，与磁性隧道结Ⅱ的方向相同，或者在磁性隧道结Ⅱ的磁化方向上的投影为正值。磁场方向Ⅱ的磁场与磁性隧道结Ⅰ的磁化方向相同，或者在磁性隧道结Ⅰ的磁化方向上的投影分量为正值。

第三步，由于磁性隧道结具有隧穿磁阻效应，因此其电阻值的大小由自由层相对于钉扎层的磁化状态决定。磁畴壁在其中一个隧道结中的扩张，会使相应的磁性隧道结的磁化状态发生变化，从而使器件的电阻值发生改变。通过测量其中一个磁性隧道的电阻值或者两个磁性隧道结的平均电阻值，就可以表征外加磁场的大小或者待测磁性物体的磁性。

图3是本实施例中传感器器件的电阻值随着待测磁场变化的趋势图。当本实施例所述的传感器器件置于待测磁场中，器件的电阻值会随着待测磁场的变化而出现单调相关的变化。因此，该传感器器件能够用电阻值的变化来表征磁场的大小。

最后，由于磁畴壁表面张力造成的弹性，使得外加磁场减小或者撤去时，磁畴壁的位置能够自发恢复，即磁畴壁的扩张具有可逆性。

本实施例中，磁性隧道结的形状并不限于本实施例中的形状，可以设计为其他形状，根据具体的应用场合和实际需要的性能来决定，但是要保证连接桥的尺寸小于磁性隧道结的尺寸。另外，磁性隧道结的数量并不限于本实施例中的两个，也可以设置多个，相邻两磁性隧道结之间通过连接桥连接。

其它同实施例1。

实施例4

与实施例3不同的是：实施例3中的磁性隧道结由本实施例中的自旋阀代替。自旋阀包括自旋阀Ⅰ1和自旋阀Ⅱ3，每一个自旋阀均包括钉扎层5、间隔层6和自由层7，间隔层6位于钉扎层5和自由层7之间。钉扎层5由矫顽场比自由层的矫顽场大的磁性材料或者磁性结构制成，因此其磁化方向较难通过电流或者外界磁场等条件改变，两个自旋阀内钉扎层的磁化方向固定。间隔层6由金属导体制成，例如铜(Cu)，金(Au)，铝(Al)，钒(V)，铬(Cr)，钌(Ru)等。自由层7由磁性随外加磁场或电流方向改变的磁性材料或磁性结构制成，因此自由层的磁化方向可以随着外加磁场、或者通过电流的方向，较容易的被改变。连接桥2包括连接相邻两自旋阀的间隔层6和自由层7，连接桥的长度不限，连接桥2的宽度小于自旋阀的宽度，因此在连接桥2与自旋阀的连接处形成拐角。

其它同实施例3。

实施例5

如图4所示，本实施例所述的基于磁畴壁可逆性运动的磁性传感器为整体式结构，传感器中部的宽度小于传感器两端的宽度，且传感器的宽度具有梯度。该磁性传感器包括钉扎层、间隔层和自由层，间隔层位于钉扎层和自由层之间，间隔层位于钉扎层和自由层之间。钉扎层由矫顽场大的磁性材料或者磁性结构制成，因此其磁化方向很难通过电流或者外界磁场等条件改变。间隔层由绝缘体或金属导体制成，其厚度为0.5nm-5nm。自由层由磁性随外加磁场或电流方向改变的磁性材料或磁性结构制成，因此自由层的磁性可以随着外加磁场、或者通过电流的方向，较容易的被改变，自由层内形成磁畴壁。

在自由层附近放置一根平行于自由层的金属导线，在金属导线中施加电流脉冲，在金属导线的周围会产生奥斯特磁场。由于在导线两侧的自由层中，奥斯特磁场在垂直于自由层的方向上分量相反，电流产生的奥斯特磁场，会在自由层中激发出磁畴壁。由于传感器器件的宽度方向具有梯度，磁畴壁在自身表面张力的作用下，会自发地倾向向宽度较小的方向移动，当驱动磁畴壁向宽度较大的方向运动时，则会受到阻碍。

在外加磁场的作用下，磁畴壁会倾向于移动，移动方向由外加磁场的方向决定。由于传感器器件的梯度会阻碍磁畴壁的两端继续运动，而磁畴壁的中间段在磁场的作用下继续扩张，所以磁畴壁会出现弯曲。最终，磁畴壁会在外加磁场力和弯曲的磁畴壁的表面张力的共同作用下达到平衡状态。这时，磁畴壁停留的位置与外加磁场呈现单调对应的关系。磁畴壁的运动会带来自由层中磁化状态的改变，这种改变又会引起整个器件的电阻值的改变，通过外围电路读取电阻值，即可实现磁场的大小的测量。当外加磁场消失或者减退，磁畴壁会自发趋向于向器件宽度较小的方向移动，即磁畴壁的运动具有可逆性。

图4是本实施例中传感器的工作原理图，其中的w代表传感器器件的宽度。如图所示，传感器器件的宽度有梯度变化。当器件置于待测磁场中，磁畴壁的位置会发生变化，向左或者右侧扩张。当磁场减弱，磁畴壁会自发向平衡位置的方向移动。当磁场完全消失，磁畴壁会自发回复到初始位置。

本发明中，磁性传感器并不限于本实施例所述的形状，只要传感器的的宽度有梯度变化即可，并不限于本实施例所公开的梯度变化方式。

其它同实施例1。

实施例6

本实施例中，所述的磁性隧道结或自旋阀和连接桥为一体式结构，此时，可以在自由层附近放置一根平行于自由层的金属导线，在金属导线中施加电流脉冲，由于在导线两侧的自由层中，奥斯特磁场在垂直于自由层的方向上分量相反，电流产生的奥斯特磁场会在自由层中激发出磁畴壁。

其它同实施例3。

实施例7

与实施例5不同的是：本实施例中，磁性传感器由两个磁性隧道结或自旋阀连接而成，两磁性隧道结或自旋阀的宽度具有梯度，两磁性隧道结或自旋阀宽度较小的端部相互连接。初始化过程中，在两个磁性隧道结或自旋阀中，通入方向相反的电流，由于钉扎层的磁化方向很难被改变，而自由层相对于钉扎层的磁化方向，由施加电流的方向决定。初始化时，相反方向施加的电流会将两个磁性隧道结或自旋阀中自由层的磁化方向变为相反。于是，在两个磁性隧道结或自旋阀连接处的自由层里，会形成磁畴壁。也可以采用多个磁性隧道结或自旋阀依次连接的结构。

其它同实施例5。

Claims (9)

1.一种基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在传感器器件内形成磁畴壁：所述传感器包括钉扎层、间隔层和自由层，间隔层位于钉扎层和自由层之间，所述钉扎层采用矫顽场比自由层的矫顽场大的磁性材料或者磁性结构，所述间隔层为绝缘体或金属导体，自由层采用磁性随外加磁场或电流方向改变的磁性材料或磁性结构，在自由层内形成磁畴壁；

(2)磁畴壁弯曲扩张：将形成磁畴壁的传感器器件置于磁场中或待测磁性物体处，磁畴壁在磁场的作用下移动，磁畴壁的两端停止继续前进后，磁畴壁的中间段在磁场作用下继续扩张，使磁畴壁出现弯曲，由于磁畴壁表面张力的作用，磁畴壁弯曲扩张的深度受到表面张力的限制，直至磁畴壁在表面张力与磁场力的作用下达到平衡状态；

(3)测量磁场：磁畴壁的中间段扩张过程中，传感器器件的磁化状态发生变化，从而使传感器器件的电阻值发生改变，测量传感器器件的电阻值，来表征磁场的大小或待测磁性物体的磁性；

(4)磁畴壁自发恢复：由于磁畴壁的表面张力造成的弹性，当磁场减小或撤去时，磁畴壁的位置自发恢复。

2.根据权利要求1所述的基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法，其特征在于：所述传感器器件包括至少两个依次连接的磁性隧道结或自旋阀，在相邻两个磁性隧道结或自旋阀中分别通入方向相反的电流，在相邻两磁性隧道结或自旋阀之间的自由层内形成磁畴壁。

3.根据权利要求1所述的基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法，其特征在于：所述传感器器件的自由层附近放置平行于自由层的金属导线，在金属导线中施加电流脉冲，电流产生的奥斯特磁场在自由层中激发出磁畴壁。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法，其特征在于：所述传感器器件的产生磁畴壁处的尺寸小于传感器器件其他位置的尺寸。

5.根据权利要求2所述的基于磁畴壁可逆性运动的磁场测量方法，其特征在于：所述相邻两磁性隧道结或自旋阀之间通过连接桥连接，在连接桥的自由层内形成磁畴壁，连接桥的尺寸小于磁性隧道结或自旋阀的尺寸。

6.一种采用权利要求1所述磁场测量方法的磁性传感器，其特征在于：所述传感器包括钉扎层、间隔层和自由层，间隔层位于钉扎层和自由层之间，所述钉扎层采用矫顽场比自由层的矫顽场大的磁性材料或者磁性结构，所述间隔层为绝缘体或金属导体，自由层采用磁性随外加磁场或电流方向改变的磁性材料或磁性结构，自由层内形成磁畴壁，磁畴壁处对应的传感器的尺寸小于传感器其他位置的尺寸。

7.根据权利要求6所述的基于磁畴壁可逆性运动的磁性传感器，其特征在于：所述传感器包括至少两个磁性隧道结和连接相邻两磁性隧道结的连接桥，所述磁性隧道结包括钉扎层、间隔层和自由层，间隔层位于钉扎层和自由层之间，各磁性隧道结内钉扎层的磁化方向固定，连接桥包括连接相邻两磁性隧道结的间隔层和自由层，在连接桥与磁性隧道结的连接处，连接桥的尺寸小于磁性隧道结的尺寸。

8.根据权利要求7所述的基于磁畴壁可逆性运动的磁性传感器，其特征在于：所述磁性隧道结由自旋阀代替。

9.根据权利要求6所述磁场测量方法的磁性传感器，其特征在于：所述传感器中部的尺寸小于传感器两端的尺寸，且传感器的尺寸具有梯度。