مركز مغناطيسي رقيق مُطوَّق بخضوع منخفض ونفاذية نسبية عالية لتعديل التدفق بكفاءة في مجسات مغناطيسية مقاومية على شرائح MEMS

الاستماع إلى إشارات مغناطيسية شديدة الضعف

من رسم خرائط الدماغ البشري إلى توجيه المركبات الفضائية، تعتمد العديد من التقنيات الحديثة على اكتشاف حقول مغناطيسية ضعيفة جداً. تُعد مجسات وصلة النفق المغناطيسية (MTJ) من الأدوات الواعدة لهذه المهمة، لكن نوعاً من «الهمهمة» عند الترددات المنخفضة المعروف بضوضاء 1/f يحدّ من مدى حساسية هذه المجسات. تُبلغ الورقة عن طريقة جديدة للسيطرة على هذه الضوضاء بربط مجسات MTJ بملحقات مغناطيسية مُهندَسة بعناية تقوم بتركيز وتعديل الحقول المغناطيسية، ما يفتح احتمال تطوير كواشف مدمجة فائقة الحساسية تعمل في درجة حرارة الغرفة.

لماذا تهم الحقول المغناطيسية الضعيفة

تظهر المجسات المغناطيسية في أماكن غير متوقعة: تساعد في توجيه الطائرات والأقمار الصناعية، وقياس تدفق الحركة، وحتى رصد إشارات مغناطيسية دقيقة من القلب أو الدماغ. لدخول تطبيقات أكثر تطلباً—مثل مراقبة تذبذبات طفيفة في الفضاء أو داخل الجسم البشري—يجب على المجسات التمييز بين إشارات أضعافاً مضاعفة من مجال الأرض المغناطيسي. تبدو مجسات MTJ جذابة لأنها صغيرة وموفرة للطاقة وحسّاسة بطبيعتها. ومع ذلك، في الترددات المنخفضة تتعرض أداؤها للتدهور بسبب ضوضاء 1/f، وهي تقلبات خلفية تزداد قوة كلما انخفض تردد الإشارة. تتطلب الحيل الحالية لتجنب هذه الضوضاء في كثير من الأحيان دروعاً ضخمة أو لفات إضافية تُدخل تشويشها الخاص أو تبريداً تبريدياً فائق البرودة، وكلها تقيد الانتشار العملي للتقنية.

تركيز وتحويل الإشارة المغناطيسية

يركز الباحثون على استراتيجية تستخدم مركِّزات تدفق مغناطيسي—قطع صغيرة من مادة مغناطيسية رخوة موضوعة بجانب مجس MTJ—لجمع وتكثيف خطوط الحقل المغناطيسي الواردة. في تصميمهم، تُثبت هذه المركِّزات على بنية ميكرو-كهروميكانيكية (MEMS) متحركة جنباً إلى جنب مع MTJ. عند اهتزاز الأجزاء بنمط منسّق يُسمى تعديل الحركة التزامني ثنائي الأبعاد (TDSMM)، يتحول حقل خارجي ثابت أو متغير ببطء إلى إشارة متذبذبة ذات تردد عالٍ عند المجس. هذا النقل إلى نطاق تردد أعلى يساعد في تجاوز ضوضاء 1/f، بينما تعزز المركِّزات نفسها الحقل الفعال عند الـMTJ بأكثر من عاملين. تُظهر المحاكاة أنه مع أبعاد ومسافات مناسبة يمكن للجهاز المحافظة على كل من كسب حقل قوي وإشارة معدلة نقية شبه جيبية.

تصميم «عدسة» مغناطيسية أفضل

يعتمد تحقيق هذا الأداء على خصائص مادة المركِّز. لكي تعمل جيداً، يجب أن توجه الحقول المغناطيسية بسهولة (نفاذية نسبية عالية) مع استجابة داخلية قليلة الاحتكاك المغناطيسي (قوة قسر منخفضة أو قسوة مغناطيسية منخفضة). طوّر الفريق طبقة مُطوّقة تتألف من طبقات متبدلة من سبيكة رخوة (Ni77Fe14Cu5Mo4) وفواصل رقيقة من التانتالوم. من خلال اختيار سماكة كل طبقة مغناطيسية وعدد التكرارات بعناية، قمعوا النطاقات المغناطيسية الشريطية العادية التي تجعل المادة بطيئة ومسببة للخسائر. كشفت القياسات أن تكديس ستة أزواج من هذه الطبقات خفّض القسوة المغناطيسية بأكثر من ترتيبٍ واحد مقارنة بطبقة مفردة، مع المحافظة على رخاوة مغناطيسية ممتازة. كما ضبط الباحثون طاقة الرش المستخدمة لترسيب الأفلام، موزنين بين الإجهاد الداخلي ونعومة السطح للوصول إلى نفاذية نسبية عالية جداً تقارب 3200 في الاتجاه المفضل.

من الأغشية الرقيقة إلى مجسات عملية

بعد تحسين المادة، صُنّع الفريق مركّزات تدفق بسماكة 400 نانومتر مدمجة مباشرة بجانب MTJ على شريحة سيليكون على عزلة (SOI). ونظراً لأن الأغشية السميكة قد تتشقق أو تتقشر أثناء المعالجة، بنوا المركِّزات على خطوتين كل منهما 200 نانومتر باستخدام طريقة الرفع-أوف لضمان التصاق جيد ودقة في الشكل. عندما وُضعت هذه المركِّزات على بعد 12 ميكرومتراً فقط من الـMTJ، ارتفعت استجابة المجس لحقل مغناطيسي صغير—حساسيته—بعامل 2.2. أظهرت قياسات الضوضاء داخل درع مغناطيسي أنه عند ترددات منخفضة حول 1 هرتز، يمكن للجهاز الكشف عن حقول بحوالي 10 نانوتسلا لكل جذر هيرتز. عند تردد أعلى مرتبط بالاهتزاز المخطط للـMEMS (نحو 11.6 كيلوهرتز)، انخفضت قدرة الضوضاء بمقدار 686 مرة مقارنة بالنطاق منخفض التردد، مما يبرز كيف أن نقل الإشارة إلى هذا النطاق ينظف القياس بشكل كبير.

نحو آذان مغناطيسية مدمجة فائقة الحساسية

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة كيفية بناء «عدسة» مغناطيسية صغيرة تضخم وتعيد تشكيل الإشارات الضعيفة لكي تسمعها مجسات MTJ بوضوح أكبر. من خلال هندسة مادة مغناطيسية رخوة مطوَّقة ذات قسوة منخفضة للغاية ونفاذية عالية جداً، ثم دمجها مع MTJ على مسافات ميكرومترية، يحقق المؤلفون كسب حقل قوي وكفاءة تعديل محاكاة تقارب 65%، متفوقة على تصميمات هجينة مشابهة. عند دمج هذا المركِّز المحسن مع مخطط حركة MEMS المخطط له، تشير الحسابات إلى أن قاع الضوضاء للمجس قد يُدنى إلى عشرات من البيكوتسلا—صغير بما يكفي للمنافسة مع أدوات أكبر وأكثر تعقيداً. تجعل هذه الإمكانية مجسات الهجين القائمة على MTJ مرشحة واعدة لأجهزة محمولة في المستقبل تستمع بصمت لبعض أضعف الهمسات المغناطيسية في الطبيعة.

الاستشهاد: Jiao, Q., Peng, G., Jin, Z. et al. A laminated magnetic flux concentrator with low coercivity and high relative permeability for efficient flux modulation in MEMS magnetoresistive sensors. Microsyst Nanoeng 12, 88 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01202-7

الكلمات المفتاحية: مجسات وصلة النفق المغناطيسية, مركِّز التدفق المغناطيسي, تعديل MEMS, تقليل الضوضاء عند الترددات المنخفضة, كشف المجالات المغناطيسية ضعيفة جداً