近年来,移动互联网和物联网引领了新的产业浪潮,互联互通的智能设备和海量的信息使得日常生活变得更加智能化、便捷化。与此同时,设备之间频繁的信息传输也引发了人们对信息安全的担忧。为了确保信息安全,传统的方法采用非易性存储器存储密钥对信息进行加密。然而,非易失性存储器容易受到外部攻击而造成密钥的泄露。为了解决密钥泄露的问题,物理不可克隆函数（Physical Uncloneable Function,PUF）作为一种安全的硬件加密技术被提出。PUF利用制造过程不可控的随机差异构造实现,提供了一种安全地产生和存储密钥的方法。本论文主要设计了基于磁性多层膜的PUF,可用于密钥生成和身份认证,为发展自旋电子技术在信息安全领域的应用提供了指导。首先,通过对垂直磁化的Ta/CoFeB/MgO磁性器件阵列进行刻蚀,由于刻蚀的不均匀性,不同位置磁性器件的界面各向异性能发生随机的分布,实现了一种界面磁性PUF。经过评估,界面磁性PUF具有接近0.5的标准片间汉明距离和小于0.14的标准片内汉明距离,表明其优异的安全性和良好的稳定性。在模糊提取器的处理下,界面磁性PUF可获得稳定均匀的密钥,从而应用于密钥生成领域。然而,界面磁性PUF的响应数量与PUF器件的数量成正比,属于弱PUF。在这一弱PUF基础上,通过进一步引入真随机数发生器、哈希函数和误差纠正模块,构造了一种新的强界面磁性PUF。其中,真随机数发生器极大地扩展了密钥的数量;哈希函数仅支持单向计算,可以防止外部的逆向工程,提高了不可克隆性和不可预测性;误差纠正模块可以纠正响应中的随机误差。性能评估表明,该PUF可以产生指数级的挑战响应对,属于强PUF,适合应用于身份认证。最后,提出了一种基于强界面磁性PUF的身份认证协议可行性方案。