CN1955754B - 用于检测物理量、特别是磁场的薄膜器件及相应检测方法 - Google Patents

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Abstract

这里描述的是一种用于检测物理量、尤其是磁场的、包括包含一个或多个敏感元件(10；20；30)的电路的类型的薄膜器件，其被设计用于改变它们自己的电阻(R)作为要被检测的物理量的函数，所述一个或多个敏感元件(10；20；30)包括至少一个纳米收缩(10；20；30)，所述纳米收缩(10；20；30)包括由磁性材料制成的至少两个垫片(12，13；22，23)，与其相关联的是取向于基本上彼此相反的方向并通过纳米通道(11；21；21′；21″)被连接的相应磁化(16，17；M1，M2)，所述纳米通道(11；21；21′；21″)能够建立畴壁(15；25)，其确定所述纳米收缩(10；20；30)的电阻(R)作为相对于形成在所述传感器件中的所述畴壁(15；25)的所述纳米通道(11；21；21′；21″)的位置的函数。配置所述纳米通道(21；21′；21″)的至少一个截面，以便沿着一个或多个轴(x)展示可变的延伸(LDw)，作为要被检测的所述物理量的不同值的函数。

Description

用于检测物理量、特别是磁场的薄膜器件及相应检测方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测物理量、尤其是用于检测磁场的、包括包含一个或多个敏感元件的电路的类型的薄膜器件，所述器件被设计用于改变它自己的电阻作为要被检测的物理量的函数，所述一个或多个敏感元件包括至少一个纳米收缩(nanoconstriction)，所述纳米收缩包括由磁性材料、尤其是铁磁性材料制成的至少两个垫片，与其相关联的是取向于彼此基本相反的方向并通过纳米通道被连接的相应磁化，所述纳米通道能够建立畴壁，其确定所述纳米收缩的电阻作为相对于形成在所述传感器件内的所述畴壁的所述纳米通道的位置的函数。
背景技术
在金属铁磁性材料中存在磁畴壁(DW)是公知的，所述壁对所述材料的电阻的影响同样也是公知的。近来在纳米技术领域的进展已经能够有助于测量由单个畴壁确定的电阻，确定DW电阻是负的的情况以及DW电阻是正的的其它情况。关于镍断裂连接的研究已经表明由于在限定空间中，尤其是在纳米通道中存在磁壁导致产生大量磁阻；参见，例如J.D.Burton等人的Applied Physics Letters，85，2，(2004)。
可以用电子束光刻技术或者用具有大约10nm的尺寸的聚焦离子束制造所述结构。
特别是，如已经所说的，在这里参考由在纳米通道中即在磁性材料构成的电路径中限定的畴壁确定的电阻，其非常薄并具有纳米尺寸的截面。
在下面，代替地，使用术语“纳米收缩”来表示包括所述纳米通道的结构，该纳米通道基本上采用在具有较宽截面或者尺寸的垫片之间的纳米尺寸的收缩的形式，也就是，例如，由纳米长度的磁性线连接并具有只有几个纳米的截面的两个磁性电极构成的结构。已知的是，实际上，在通过各向异性的磁性材料，例如钴、铁、镍和诸如LSMO(镧和锶的锰酸盐)的α金属制成的纳米收缩中，可能会中断畴壁，这导致了纳米收缩本身电导的降低，事实是其确定了正DW电阻。
图1a表示作为整体由参考数字10表示的纳米收缩结构器件，其包括通过纳米通道11连接的第一铁磁垫片12和第二铁磁垫片13。在纳米通道11中的突出显示是存在位于纳米通道的中心的磁畴壁15。图1b示出了在取向于方向x的外场的作用下磁畴壁15的位置。通常，在纳米通道11内的壁15的位置是外磁场的强度和方向的函数。在纳米通道11中成核的磁壁15沿外磁场的方向移动。
器件10具有可以例如通过借助于电流发生器18强加测量电流Is并使用电压表19测量由器件10确定的电压降来测量的电阻。
如上面已经所述的，可以将还被称为DW电阻的电阻归因于磁畴壁15。首先，该电阻是由于电子散射或者扩散现象引起的，其更大程度上发生在具有取向于特定方向的自旋的电子穿过沿不同于自旋的方向的方向被磁化的材料时。在畴壁中，局部磁化改变方向，使得图1a所示的畴壁15精确地构成了沿不同方向被磁化的两部分材料之间的连接区域。电子散射是磁化梯度的函数，所述磁化梯度也就是磁化沿着电子的路径线如何快速地变化。如果磁化梯度高，则局部磁化变化快，因此，磁畴壁的厚度小。如已经在前面说明的，壁的电阻和它的厚度成反比。壁越薄，它的电阻越高；在这方面，参见例如在1974年的Phys.Status Solidi(b)61，59中由G.G.Cabrera和L.M.Falicov发表的论文。
图1c示出了纳米通道11的细节，从该图中可以注意到畴壁15的厚度WDW，也就是在轴x的方向上的畴壁15的尺寸，以及畴壁15的长度LDW，也就是垂直于轴x的方向和测量电流的方向的畴壁15的尺寸。已知的是，在纳米通道中，畴壁15的长度LDW实际上等于纳米通道11的宽度LNC。在这个例子中，不考虑膜的厚度方向(垂直于图1c的平面)上的尺寸，并且清楚的是，壁15的截面的变化基本上跟随宽度LNC的变化。实际上它是决定畴壁15的长度LDW的纳米通道11的宽度；如果纳米通道更宽，则畴壁将更长-参见P.Bruno Phys.Rev.Lett.83，12，第2425-2428页(1999)。
除了上述由于在壁处的电子散射，也就是因而由于畴壁的电阻的效果之外，还存在由壁15产生的另外的效果，称作“自旋累积”。对于自旋阀器件所述现象也是已知的。
在单一的均质材料中，其各端例如沿相反的方向被磁化，如同在具有垫片12和13的图1a中发生的，其中用箭头16和17表示磁化的相反方向，自然地形成磁壁，也就是对于电子的运动呈现电阻的壁15。从左边进入垫片12的电子沿由箭头16表示的方向偏移。当它们碰到壁15时，它们被散射，因为它们进入了沿相反方向磁化的区域。由于电子散射，所以这构成了对磁壁15的电阻率的贡献。而且，在磁壁15的附近由于壁15的电阻迫使在垫片12中偏移的电子减速的事实决定了在壁本身附近电荷的累积，其被称作“自旋累积”。然后通过相同符号的电荷的累积进一步减速随后的电子。由于自旋累积现象，所以这是对磁壁15的电阻率的贡献。例如，用实验方法在具有35nm的截面的钴线中的磁阻的磁滞周期中，已经观察到了所述的效果，如由U.Ebels等人在Phys.Rev.Lett.84，5，第983-986页(2000)发表的论文中所示的。
在图2的图中示意性地示出图1a的器件10的磁化周期，其示出了沿着平行于外磁场Hextx的纳米通道11的方向的轴x，纳米收缩10的磁化强度Mx。Ms表示纳米通道11的饱和磁化强度的值，对应于以下条件，即其中磁矩都取向于外场的方向，每个磁矩对应于单一的磁偶极子。Hswitch表示切换场的值，也就是，用于将纳米通道的磁化从一个方向反转到另一个方向必需的场(在具有恒定截面的纳米通道的情况下，参见图1)。对应于图1a的器件的图2的磁化周期围绕切换场呈现陡坡的事实表明，当达到切换场时，完全再磁化具有恒定截面的纳米通道。
为了给磁场传感器提供给定的特性，在图2所示的磁滞周期的侧面，重要的是估计磁阻周期，其描述了器件的、尤其是纳米通道的电导率作为外磁场的函数如何变化，纳米通道的电导率在很大程度上决定了器件的电导率。
在图3的图中，其给出了作为外磁场Hextx的函数的纳米收缩10的电阻，示出了器件的电阻值RDWin，对应于磁壁15位于纳米通道11内的条件，如图1a所示。代替地，当如图1b所示磁壁15位于纳米通道11外面时，值RDWout对应于器件的电阻，其中仍然在纳米通道11内示出该壁，但是当随后在沿着轴x的相同方向上进一步增加外磁场Hextx时，该壁将从那里出来。
然而，类似于关于图1a-1c所述的那种的、通过图3所示的磁阻特性区分的器件，就其在电阻值RDWin和RDWout之间切换来说，远远不适于用作磁场传感器；因此，就其是双稳态的来说，它更适合用作基本存储器件。为了获得能够以连续方式测量磁场强度变化的磁场传感器，期望的是，具有可用的磁阻特性，其在电阻值RDWin和RDWout之间具有较小的急剧转换，例如图4中所示出的。
发明内容
本发明的目的是提出一种解决方案，该解决方案能够提供一种用于检测物理量的薄膜器件，尤其是用薄膜技术制造的磁场传感器，其适于连续地改变它自己的磁阻作为施加的外磁场的函数。
根据本发明，上述目的的实现归功于用于检测物理量的器件，以及检测磁场的系统，其具有在随后的权利要求中被具体记起的特性。
附图说明
现在将参考完全借助于非限定性的例子提供的附图描述本发明，其中：
图1a、1b、1c、2、3、4已经在前面描述了；
图5a和5b示出了根据本发明的磁场传感器件的实施例的工作图；
图6a、6b示出了根据本发明的磁场传感器件的实施例的变型的工作图；
图6c、6d、6e示出了说明根据本发明的磁场传感器件的实施例的变型的工作条件的图；
图7a、7b、7c示出了在图5a的实施例中使用的纳米通道的三种可能变型；和
图8a和8b示出了在图5a的实施例中使用的纳米通道的另外的变型。
具体实施方式
提出的用于检测物理量的薄膜器件基本上以观察为基础，因此，它是决定畴壁的长度的纳米通道的宽度；越宽的纳米通道决定越长的畴壁。因此，以所示的可变幅度作为要被检测的所述物理量的不同值的函数的方式，在纳米收缩中的纳米通道的至少一个截面的结构能够以不同于单一急剧转换的情况的方式控制纳米收缩的电阻的曲线。在磁场的情况下，这仅沿着具有可变截面的纳米收缩移动壁，因此由于其位移而使壁变形，而其它量，例如压力，在没有必要移动它的情况下使纳米通道且实际上使壁变形。
因此，提出的磁场传感器件基本上设想获得这样的磁阻曲线，该磁阻曲线借助于纳米通道的截面的适当成形连续地改变作为外磁场的函数，由此相对于已知的具有恒定截面的纳米通道，其被提供在纳米通道的长度方向上具有可变截面的纳米通道。
磁场传感器件包括，特别是由任何适当设计的形状的铁磁材料构成的纳米通道，其具有30nm和1000nm之间的长度、1nm和100nm之间的宽度、以及1nm和100nm之间的厚度，应用微磁性模型(Landau-Lifshitz-Gilbert方程)，以便在优选0到5特斯拉的范围内将壁定位在纳米通道内，作为外磁场的函数。作为外场的函数，磁畴壁必须能够将本身定位于对应于不同表面截面的纳米通道的不同点。
如在前面所述的，参考图1a描述的器件10具有磁特性，例如在图2的图中示出的磁特性。如从图中所给出的磁滞周期可以表明的，明显的是，磁化强度Mx怎样从壁15在纳米通道11的一端或者另外在纳米通道11的中心的结构瞬时地转到壁15在所述纳米通道11的另一端的结构；也就是，器件在切换场Hswitch的非常受限的邻域中(几百A/m)切换。该宏观行为对应于微观行为，由此发现在切换场Hswitch的邻域中磁壁15在外场Hextx的非常轻微的变化下从纳米通道11的一端转到另一端。
代替地，通过在形状和尺寸方面适当地设计根据本发明的传感器件(通常，就强制的、饱和、和剩磁场以及所述周期的每一段的斜率和形状而言，在限定磁化强度和磁阻周期的特性范围中，纳米通道的形状和尺寸，还有垫片的形状和尺寸，所有的都起一部分作用)，该传感器件能够在外磁场的大得多的变化(宽动态范围)下沿着纳米通道移动畴壁。
在这种连接中，图5a示出了作为整体由参考数字20表示的纳米收缩结构器件，其包括由可变截面的纳米通道21连接的第一铁磁垫片22和第二铁磁垫片23(只在图5a中示意性地示出)，其宽度LNC和长度LDW一致；也就是，它从在纳米通道21的中心的最小值变化到在纳米通道21的两端的最大值，其中所述纳米通道21分配在第一铁磁垫片22上和第二铁磁垫片23上。在纳米通道21中的突出显示是存在磁畴壁15。
由于纳米通道21的轮廓不是线性的，也就是，它的截面或者宽度LNC(其和壁的长度LDW一致)是可变化的，因此即使在纳米通道21的中心处的位置仍然对应于能量最小值(稳定的条件)，在外场Hextx的应力下，壁25可以在外场Hextx的引导下缓慢地移动离开中心，然后外场Hextx一停止就自己返回到纳米通道21的中心。
由磁壁产生的电子散射和自旋累积都依赖于壁本身的厚度，尤其是，由壁产生的电阻和壁的厚度成反比。磁壁的厚度WDW还依赖于它的长度LDW，其对应于纳米通道的厚度或者宽度LNC，这可以参考图1c看出；因此，当壁25沿着纳米通道21移动时，截面可变的纳米通道，类似于纳米通道21，借助于外场Hextx，能够改变壁25的厚度WDW。
图5a和5b示出了，当器件20经受通过微磁性模拟获得的不同强度的外磁场Hextx时，磁壁25所呈现的两个各自不同的位置和相应尺寸。在图5a和5b中的每个小箭头表示具有9nm2(3nm×3nm)的方形区域的均匀磁化单元。
从图5a，可以得出图5a和图5b中所示的几何形状的尺寸，本申请人已经对其进行了微磁性模拟，所述模拟表明，由于壁25沿着具有由外磁场产生的可变截面的纳米通道移动而导致壁25扩大。
图5a表示具有厚度WDW＝12nm的零外磁场Hextx的状态，而图5b表示具有在最小值WDW-min＝18nm和33nm的最大值WDW-max之间变化的厚度WDW、沿轴x从左到右定向的外磁场Hextx的状态，其中WDW-min对应于约30nm的壁长度，以及WDW-max对应于约50nm的壁长度(在所示模拟的非限定几何形状的情况下)。可以用具有并行设置的可变电阻的无穷多组电阻器来表示具有可变厚度的壁。如果为了简单将壁分成恒定厚度的基本壁，则具有较高电阻的电阻器对应于具有较小厚度的元件，反之亦然。在图5b的特定情况下，具有较低电阻的基本壁并行地支配具有较小厚度的那些。因此，在所示的情况下，定位在更远离纳米通道的中心的区域中的壁将对应于较低的总电阻。可以设计这种结构以获得具有图4所示的形式的磁阻周期。
因此，磁阻的磁滞周期还显著地依赖于纳米通道的几何形状。
应当注意的是，还可以通过以恒定宽度LNC改变纳米通道的厚度，特别是通过沉积厚度可变的膜，来限定具有可变截面的纳米通道的几何形状。可替换地，可以改变限定纳米通道本身的截面的两个尺寸，也就是，其宽度LNC和厚度TNC。图7a示出了纳米通道21的平面图，其中所述宽度LNC变化，而对应于磁性膜的厚度的厚度TNC没有在图7a中示出，但是恒定的。代替地，图7b表示纳米通道21′的截面图，其中厚度TNC变化，而宽度LNC(没有示出)保持恒定。显然，宽度LNC和厚度TNC还可以同时变化，如在图7c的纳米通道21″的透视图中所示的，其中宽度LNC和厚度TNC在纳米通道21″的中心处都是最小的，并在垫片22、23的方向上增加。
特别地，可以例如使用通过电沉积获得的电流垂直于平面(CPP)类型的器件来实现纳米通道的三维调节。在这种连接中，图8a是包括圆锥孔205的多孔基体200的示意图。通过在衬底230上工作的非校准的离子束可以产生圆锥孔205。如图8b所示，所述多孔基体200可以插入到电沉积单元210中，其包括阳极215和阴极220，以及电解质225，以便在孔205中沉积所需的铁磁材料并因此获得具有可变截面、尤其是具有圆锥截面的纳米通道。
不仅纳米通道21的形状，而且纳米通道21和第一铁磁垫片22和第二铁磁垫片23的材料可以有助于控制磁滞周期的形式，以便限定磁化和磁阻周期的特性范围、所述磁滞周期的每一段的矫顽性的饱和与剩磁场、以及斜率和形状。通过作用于所述参数，还可以获得决定线性的、非线性的、或者任意图形的磁阻曲线的磁滞周期的形式。
特别地，第一铁磁垫片22和第二铁磁垫片23的尺寸及它们之间的距离影响存在于纳米通道21中的磁偶极子的矩的移动性，以及由此的纳米通道本身的再磁化的特性。
图6a和6b分别示出了磁性传感器件20的实施例的变型30的示意图和截面图，其包括钉扎线(pinning line)31和32，也就是设置在垫片22和23顶部的导电路径，其中沿垂直于纳米通道21的方向x的方向强加相应的钉扎电流(pinning current)i1和i2。钉扎电流i1和i2的垂直布置是优选的，即使对于本领域技术人员来说清楚的是，从所述的垂直条件的偏离是可接受的，假设在垂直于轴x的方向上存在充足的电流分量。实际上，围绕电流i1和i2产生磁场环，其在垫片22和23中引起钉扎磁化强度M1和M2。钉扎线31和32还可以设置在垫片22和23之下，以及可能的话，在衬底本身的下面。可以通过电介质、尤其是氧化硅、氧化铝、碳化硅等来分开钉扎线31和32。
图6c示出了沿着图设置的基本上类似于图6b的截面图，其给出在器件30中的外场Hextx和总磁场Htot，作为沿着轴x的方向的函数。示出低钉扎电流i1＝i2＝I/2的情形，其在各端处产生具有最大值HpI2＝I/2和HI1＝I/2的磁场，以及更高的钉扎电流i1＝i2＝I的情形，其在各端处产生具有最大值HpI2＝I和HpI1＝I的磁场。
例如在i1＝i2＝I/2的情形下，钉扎线31和32中的电流应当是低的，由此产生的场Hpi2＝I/2和Hi1＝I/2也是低的。由于由钉扎线产生的磁场随距离的平方而衰减，并且呈现出外场均匀地贯穿整个器件30，因此在纳米接触的每单个点上的总场Htot和局部场依赖于钉扎线31和32中的电流。这意味着，对于例如在i1＝i2＝I的情形下的较高电流来说，需要更强烈的外场沿着纳米通道21移动壁25。根据钉扎线31和32中的电流，以及纳米通道21与垫片22和23的尺寸和形状，可以移动切换场Hswitch，因此其是器件的形状和电流的所述参数的函数。换句话说，可以沿着纳米通道21逐渐地移动壁25，而不必改变器件的电阻。如果参考图6e的图，则可以理解这些情况，其给出了器件30的电阻作为外场Hextx的函数。当壁25在纳米通道21的两端之一处时，电阻按照图3所示类型的曲线衰减。
器件30还能够解决磁畴壁的成核问题。实际上，畴壁不能最初存在或者在器件的工作期间消失。在图1a的器件10的情形下和图5a的器件20的情形下，起始于器件的磁化的精确配置，例如器件在一个方向上或者在另一个方向上饱和的配置，在存在取向于和器件的磁化的方向相反的方向的可变外场的情况下，可能发生的是，该磁化将它自己部分或者全部地取向于场的方向上，而没有形成任何磁壁。同样，已经形成的壁可能消失，因为外场使器件饱和，使得器件将不再能够检测磁场。
为了保证在工作期间在器件中存在磁壁，必需通过成核方法产生它，也就是产生壁成核的条件，其将基本上呈现稳定性位置。借助于钉扎线31和32，器件30能够迫使成核。在钉扎线31和32中的电流通道产生磁场，其以一种方式或者以另一种方式(如果电流沿相反的方向通过)磁化相应的铁磁垫片22或23。因此，可以将两个垫片22和23磁化成反铁磁结构。在这种结构中，存在磁壁25的强迫成核，其将在不存在外场的情况下精确地呈现稳定性位置。如果结构是完全对称的，并且电流完全相等，则该壁将它自己定位在通道的中心处。
由于用于获得纳米通道21的膜是由铁磁材料制成的，它的磁导率大于零；因此，两个垫片22和23将场线集中在垫片本身内并平行于垫片本身。由于场线平行地集中在每个垫片中，所以沿平行于平面的方向磁化垫片22或者垫片23。如图6a所示，由于相反方向的电流i1和i2穿过两个钉扎线31和32，所以两个垫片22和23处于磁化的反平行结构。
灵敏性和动态范围是钉扎线31和32中的电流以及它们的形状的函数，因此可以总是工作在相同的线性区域中，通过改变钉扎线31和32的钉扎电流i1和i2来补偿系统测量误差。例如，如果使用所述的磁场传感器来构成定位系统，则在钉扎电流i1和i2的情况下可以致使系统不依赖于空气隙的、也就是磁场源和器件之间的距离的变化。
借助于钉扎电流的磁化提供了重要的优点。实际上，电流越高，钉扎场越高。在两个电流相等和相反的条件下，由钉扎线产生的场用依赖于由此产生的场的磁力阻碍对垫片的磁化。形成的壁被两个垫片的磁化挤压和压缩。如果垫片的磁化饱和，则在磁壁上获得最大的压缩力；实际上，除了磁化垫片之外，还将由钉扎线产生的场添加到由磁化垫片产生的场。由钉扎线产生的场以及由磁化垫片引起的场都作用在壁本身上，压缩它。实际上，更大压缩的壁越薄，越不能自由移动。当壁受到更大约束时，需要更高的外磁场来移动壁本身，并且这导致测量的更宽的动态范围和更低的灵敏性。对应于更薄的壁是更高的磁化梯度；实际上，两个连续的磁偶极矩可以在它们之间形成90°角；由所述偶极矩形成的角度越宽，移动壁所需的外场越高。
根据本发明的一个方面，因此设想控制动态范围、切换场、和磁化曲线的斜率，作为钉扎电流的函数。
这证明了在改变工作期间传感器的响应曲线的目的的情况下是特别有利的。在不同情形中这可能是有用的，例如，在安置传感器的地方的温度变化的情况下，其引起传感器的特性改变：通过改变钉扎电流，因此可以将曲线恢复到最佳值。还可能有利的是，适应空气隙的变化。通常，使用磁性传感器检测外部磁场源的存在。例如，在应用到定位系统的情况下，其中测量沿平行于纳米通道所在的平面的方向移动的可移动磁性部分的位置，还可以在垂直于可移动部分的移动的方向上进行移动，其是例如通过振动引起的。如果例如源和传感器之间的距离增加，则由纳米通道中的源产生的场必然更小。在这种情况下，可能有用的是，通过减少钉扎电流使得传感器更灵敏。在所述的调节之后，壁变得更加可移动，并且对于更低的场，可以表现出更低的电阻。
借助于钉扎电流i1和i2，钉扎场，也就是钉扎磁化强度M1和M2、壁的形状和厚度、以及由此畴壁25的电阻、和切换场Hswitch改变。器件的所有电和磁参数都是可以控制的。电流越高，壁在纳米通道中的移动性越低。
电流线可以具有不同的形状(它们甚至可以是平面的、二维线圈或者三维线圈)和方向。
根据本发明的传感器的应用可以是纳米磁致伸缩桥的形式。实际上，如果传感器是由磁致伸缩材料(镍、terphenol或者磁致伸缩系数大于1的任何材料)制成的，则它变成压力传感器、应变传感器、或者扭转传感器。借助于力的机械场可以改变由这种材料制成的纳米通道的尺寸。
还可以使用具有图5a中所示的形状的纳米通道，虽然在检测的陡特性的限制内，本申请还对于线性纳米通道有效，例如在图1a中所示的那种。如果例如纳米通道经受压应力(如在压力传感器的情况下)，则在特殊的结构中，它可以经受随后发生的变长。还可以通过衬底的变长(如在应变传感器的情况下)或者通过它的扭转(如在扭转传感器的情况下)产生纳米通道的变长。衬底还可以包括弹性材料(例如，塑料)或者仅仅是柔性材料。
纳米通道的变长和它的变薄的结果，以及导致的磁壁的变薄，其引起了电导率的特性的变化，根据本发明的主要特性，其设想了所述纳米通道的截面的结构，以便于展示出可变的幅度作为要被检测的物理量的不同值的函数；在这种情况下，所述物理量是力，其本身决定了截面的变化，而在磁场传感器的情况下，由器件的设计利用的几何形状决定了沿着轴x的截面的变化。
应当注意的是，在每一个基本器件中，纳米通道和由纳米通道、垫片和线的整体构成的完整器件的尺寸之间的比例必须尽可能地高，以便于不引起磁阻比率的显著降低，磁阻比率定义为在存在外磁场的情况下的完整器件的电阻R(H)和不存在外场的情况下的电阻R(O)之间的相对差。
如果我们定义为比率MRratio＝(R(O)-R(H))/R(O)，那么分子只依赖于包含纳米通道的现象。
纳米通道的尺寸将和磁壁的尺寸相比较，其是DW磁阻的真正原因。纳米通道必须尽可能地短。所述参数必须定义为比率MRratio的高值(纳米通道越短，所述比率越高)和宽的动态范围(在长纳米通道的情况下，壁具有更大的空间用于其变形)之间的折中。
可以根据至少两种结构制造器件：
-电流在平面内(CIP)，其中纳米通道是平面的；可以通过离子铣削、聚焦离子束技术、电子束光刻、深度光刻、或者x射线光刻获得所述结构；以及
-电流垂直于平面(CPP)；为了实现这个，必要的是具有可用的多孔基体和用于填充孔以获得垂直通道的工艺。
后者可以通过电沉积铁磁金属、磁性半导体、和非多孔基体中的稀土元素获得。所述基体可以通过下述获得：
-聚合的径迹蚀刻模板，通过在例如聚碳酸酯或聚酰胺的材料上进行高能量离子轰击获得；
-阳极化处理的多孔氧化铝；
-光致抗蚀剂导致的纳米多孔，通过离子铣削、聚焦离子束技术、电子束光刻、深度光刻、或者x射线光刻实现；和
-纳米压痕，使用原子力显微镜或者扫描隧道显微镜获得。
孔的密度可以变化，并且直径在1nm和500nm之间，以及孔深度在30nm和1000nm之间。
通过在如上所述的相同基体中溅射和CVD相同的材料，可以实现沉积。
一旦获得了纳米通道，则用氧化物涂敷它，并通过离子铣削、聚焦离子束技术、电子束光刻、深度光刻、和典型光刻在顶部上制作钉扎线。
对于最初的封装，根据本申请可以使用盖层，例如SiC、氧化铝、氧化硅或者其它的难熔氧化物。
和已知的解决方案相比，刚刚描述的解决方案能够获得相当多的优点。
根据本发明的用于检测物理量的薄膜器件有利地能连续改变它自身的磁阻作为外部施加的磁场的函数，就磁壁的截面来说还改变并调节了磁阻。
和钉扎线结合使用的接头有利地使得在工作期间传感器的响应曲线能够改变。
当然，在不损害本发明的原理的情况下，相对于这里仅借助例子所述和所示出的，构造和实施例的细节可以大大地改变，而没有因此脱离本发明的范围。
例如，铁磁垫片可以具有与其相关的永久磁化，其例如通过在取向磁场中沉积的工艺来提供。特别地，通过弹簧磁体的多层，也就是，基本上由借助于层-层交换相互作用被耦合的具有高矫顽力和低饱和的第一层、以及具有高饱和和低矫顽力的第二层构成的双层，可以获得永久磁体形式的所述垫片。高矫顽力层磁化高饱和层并抑制其磁化强度，即使当整个双层经受其强度远远大于高饱和层的矫顽场的相反场时。结果是具有高磁感应的薄膜永久磁体。所得到的磁滞周期在双层的矫顽场和它的剩磁场之间具有高能量产物。定义“弹簧磁体”包括反铁磁层(IrMn、FeMn等)和高剩磁层(FeCo、FeCoB等)的系统，在本领域中它们通常用作自旋阀器件中的硬层。而且在这种情况下，这些层可以通过层-层交换相互作用而彼此耦合。

Claims (41)

1.一种用于检测物理量的、包括包含一个或多个敏感元件(10；20；30)的电路的类型的薄膜器件，所述薄膜器件被设计用于改变它自己的电阻(R)作为要被检测的物理量的函数，所述一个或多个敏感元件(10；20；30)包括至少一个纳米收缩(10；20；30)，所述纳米收缩(10；20；30)包括由磁性材料制成的至少两个垫片(12，13；22，23)，与其相关联的是取向于基本上彼此相反的方向并通过纳米通道(11；21；21′；21″)被连接的相应磁化(16，17；M1，M2)，所述纳米通道(11；21；21′；21″)建立畴壁(15；25)，其确定所述纳米收缩(10；20；30)的电阻(R)作为形成在传感器件中的所述畴壁(15；25)的尺寸(LDW，WDW)的函数，所述薄膜器件的特征在于，所述纳米通道(21；21′；21″)的至少一个截面被配置成沿着一个或多个轴(x)呈现可变的幅度(LNC；TNC)，作为要被检测的所述物理量的不同值的函数。
2.根据权利要求1的器件，其特征在于，通过沉积将所述纳米通道(21)配置成具有可变延伸的截面(TNC；LNC)。
3.根据权利要求2的器件，其特征在于，所述可变截面(LNC；TNC)在纳米通道(21；21′；21″)的端处呈现最大值，并且在纳米通道(21；21′；21″)的所述端之间的基本中间的点呈现最小值。
4.根据权利要求2或权利要求3的器件，其特征在于，所述纳米收缩(30)包括运送钉扎电流(i1，i2)的钉扎线(31，32)，其包括垂直于纳米通道的轴(x)的至少一个分量。
5.根据权利要求4的器件，其特征在于，通过永磁材料获得所述垫片(22，23)。
6.根据权利要求1的器件，其特征在于，其被配置用于在所述垫片(22，23)中接收测量电流(Is)，以及与所述垫片(22，23)相关联的是用于测量电压降的装置(19)。
7.根据权利要求1的器件，其特征在于，第一垫片(22)和第二垫片(23)和/或所述纳米通道(21；21′；21″)被配置用于用几何学控制磁滞周期的另外的参数，磁滞周期的所述参数包括斜率和/或曲率和/或矫顽场和/或饱和场和/或剩磁场。
8.根据权利要求1的器件，其特征在于，将第一垫片(22)和/或第二垫片(23)配置成彼此之间的距离和/或尺寸的值被计算作为存在于纳米通道(21；21′；21″)中的磁偶极矩的所需移动性的函数。
9.根据权利要求4的器件，其特征在于，其被配置用于调节钉扎电流(i1，i2)的强度(I，I/2)，以改变切换场(Hswitch)的值。
10.根据权利要求4的器件，其特征在于，其被配置用于在所述钉扎线(31，32)中强加电流，所述电流被设计用于磁化反铁磁结构中的纳米收缩(20，30)的垫片(22，23)，以引起畴壁(25)的成核。
11.根据权利要求4的器件，其特征在于，其被配置用于在工作期间调节钉扎电流(i1，i2)，以补偿温度的变化和/或空气隙的变化。
12.根据权利要求4的器件，其特征在于，其被配置用于调节钉扎电流(i1，i2)，用于控制所述传感器件的动态范围和/或切换场和/或它的磁化曲线的斜率。
13.根据权利要求1的器件，其特征在于，所述器件是电流在平面内(CIP)类型的且纳米通道是平面的。
14.根据权利要求1的器件，其特征在于，所述器件是电流垂直于平面(CPP)类型的，并且纳米通道是垂直的并在多孔基体(200)中被获得，所述多孔基体的孔(205)具有任意形状和尺寸。
15.根据权利要求14的器件，其特征在于，所述孔(205)是圆锥孔，用非校准的离子束制造，以引起纳米通道的三维调节。
16.根据权利要求1的器件，其特征在于，通过施加构成要被测量的物理量的力将所述纳米通道(11；21；21′；21″)配置成具有可变截面。
17.根据权利要求16的器件，其特征在于，将纳米通道(11；21；21′；21″)配置成具有经受压应力之后的变长的形状。
18.根据权利要求16或权利要求17的器件，其特征在于，纳米通道(11；21；21′；21″)被配置用于通过与可变形的衬底相关联而经受变长和/或扭转。
19.根据权利要求18的器件，其特征在于，所述可变形的衬底是弹性可变形的衬底。
20.根据权利要求16的器件，其特征在于，所述纳米通道(11；21；21′；21″)形成在显示出磁致伸缩特性的磁性材料中。
21.根据权利要求16的器件，其特征在于，所述纳米收缩(30)包括运送钉扎电流(i1，i2)的钉扎线(31，32)，其包括垂直于纳米通道的轴(x)的至少一个分量。
22.根据权利要求1的器件，其特征在于，通过弹簧磁体的多层获得磁性材料的所述垫片(12，13；22，23)。
23.根据权利要求21的器件，其特征在于，将运送钉扎电流(i1，i2)的所述钉扎线(31，32)定位在所述垫片的顶部上和/或下面。
24.根据权利要求21的器件，其特征在于，运送钉扎电流(i1，i2)的所述钉扎线(31，32)借助电介质来分开。
25.根据权利要求24的器件，其特征在于，所述电介质是氧化硅。
26.根据权利要求1的器件，其特征在于所述物理量是磁场。
27.一种用于检测磁场的方法，其设想：使用包括由磁性材料制成的至少两个垫片(12，13；22，23)的纳米收缩(10；20；30)形式的薄膜磁阻元件；和所述垫片(12，13；22，23)相关联的是取向于基本相反的方向的相应磁化(16，17；M1，M2)和纳米通道(11；21；21′；21″)，其连接所述垫片(12，13；22，23)，在所述纳米通道(11；21；21′；21″)中建立畴壁(15；25)，其确定所述纳米收缩(10；20；30)的电阻作为所述畴壁(15；25)的尺寸(LDW，WDW)的函数；以及测量所述电阻(R)作为外磁场(Hextx)的函数，所述方法的特征在于，它包括使用具有所述纳米通道(21；21′；21″)的纳米收缩(20；30)的操作，所述纳米通道具有沿着纳米通道(21；21′；21″)的轴(x)可变的截面(LNC；TNC)。
28.根据权利要求27的方法，其特征在于，具有可变截面(LNC；TNC)的所述纳米通道(21；21′；21″)在纳米通道(21；21′；21″)的端处具有最大值以及在所述纳米通道(21；21′；21″)的基本中间点具有最小值。
29.根据权利要求27或权利要求28的方法，其特征在于，其设想与所述纳米收缩(30)相关联地提供钉扎线(31，32)，其运送具有垂直于纳米通道(21；21′；21″)的轴(x)的至少一个分量的钉扎电流(i1，i2)。
30.根据权利要求27或权利要求28的方法，其特征在于，其设想使用永磁材料提供所述垫片(22，23)。
31.根据权利要求27或权利要求28的方法，其特征在于，其设想在所述纳米收缩(20，30)中强加(18，19)测量电流(Is)，并测量跨越所述纳米收缩(20，30)的电压降。
32.根据权利要求27或权利要求28的方法，其特征在于，其设想通过几何参数和/或对应于第一垫片(22)和第二垫片(23)的材料的参数，进一步控制磁滞周期的参数，磁滞周期的所述参数包括斜率和/或曲率和/或矫顽场和/或饱和磁场和/或剩磁场。
33.根据权利要求27或权利要求28的方法，其特征在于，其设想改变第一垫片(22)和/或第二垫片(23)的尺寸，和/或它们之间的相应距离，以便改变存在于纳米通道(21)中的磁偶极子的矩的移动性。
34.根据权利要求29的方法，其特征在于，其设想在钉扎线(31，32)中强加相应的钉扎电流(i1，i2)以产生磁场环，其在纳米收缩的垫片(22，23)中引起相应的磁化强度(M1，M2)。
35.根据权利要求29的方法，其特征在于，其设想调节所述钉扎电流(i1，i2)的强度(I，I/2)，以便改变切换场(Hswitch)的值。
36.根据权利要求29的方法，其特征在于，其包括畴壁(25)的成核过程，其包括在所述钉扎线(31，32)中强加电流，所述电流被设计用于磁化反铁磁结构中的纳米收缩(20，30)的垫片(22，23)。
37.根据权利要求29的方法，其特征在于，其包括在工作期间调节钉扎电流(i1，i2)以便补偿温度的变化和/或空气隙的变化的操作。
38.根据权利要求29的方法，其特征在于，其包括调节钉扎电流(i1，i2)，用于控制传感器的动态范围和/或切换场和/或磁化曲线的斜率。
39.根据权利要求37的方法，其特征在于，所述在工作期间调节钉扎电流(i1，i2)以补偿温度的变化和/或空气隙的变化的操作包括改变钉扎电流(i1，i2)的值，以便改变定位系统的灵敏性。
40.一种用于检测磁场的、包括纳米收缩(10；20；30)形式的磁阻元件的类型的传感器件，所述纳米收缩(10；20；30)包括由磁性材料制成的至少两个垫片(12，13；22，23)，与其相关联的是取向于基本上彼此相反的方向并通过纳米通道(11；21；21′；21″)被连接的相应磁化(16，17；M1，M2)，所述纳米通道(11；21；21′；21″)建立畴壁(15；25)，其确定所述纳米收缩(10；20；30)的电阻(R)作为形成在所述传感器件中的所述畴壁(15；25)的尺寸(LDW，WDW)的函数，所述传感器件的特征在于，所述纳米通道(21；21′；21″)具有沿着纳米通道的轴(x)可变的截面(TNC；LNC)。
41.一种力传感器件，包括纳米收缩(10；20；30)形式的磁阻元件，所述纳米收缩(10；20；30)包括由磁性材料制成的至少两个垫片(12，13；22，23)，与其相关联的是取向于基本上彼此相反的方向并通过纳米通道(11；21；21′；21″)被连接的相应磁化(16，17；M1，M2)，所述纳米通道(11；21；21′；21″)建立畴壁(15；25)，其确定所述纳米收缩(10；20；30)的电阻(R)作为形成在所述传感器件中的所述畴壁(15；25)的尺寸(LDW，WDW)的函数，所述纳米通道(21；21′；21″)被配置用于在施加力之后沿着纳米通道的轴(x)改变其截面(TNC；LNC)。
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