Ein laminierter Magnetflusskonzentrator mit niedriger Koerzitivfeldstärke und hoher relativer Permeabilität zur effizienten Flussmodulation in magnetoresistiven MEMS-Sensoren

Extrem schwache Magnetsignale wahrnehmen

Vom Vermessen des menschlichen Gehirns bis zur Navigation von Raumfahrzeugen: Viele moderne Technologien sind darauf angewiesen, äußerst schwache Magnetfelder zu detektieren. Magnet-Tunnel-Barriere-(MTJ-)Sensoren gehören bereits zu den vielversprechendsten Werkzeugen für diese Aufgabe, doch eine Art niederfrequentes „Rauschen“ namens 1/f-Rauschen begrenzt, wie leise Signale sie noch erfassen können. Dieser Artikel berichtet über einen neuen Ansatz, dieses Rauschen zu bändigen, indem MTJs mit sorgfältig entwickelten magnetischen Zusatzkomponenten kombiniert werden, die Magnetfelder konzentrieren und modulieren und damit möglicherweise den Weg zu kompakten, hochempfindlichen Detektoren bei Raumtemperatur öffnen.

Warum schwache Magnetfelder wichtig sind

Magnetische Sensoren finden sich an überraschenden Orten: Sie unterstützen die Navigation von Flugzeugen und Satelliten, messen Verkehrsflüsse und überwachen sogar winzige Magnetfelder des Herzens oder Gehirns. Um anspruchsvollere Anwendungen zu erschließen — etwa das Beobachten feinster Fluktuationen im Weltraum oder im menschlichen Körper — müssen Sensoren Signale erkennen, die millionenfach schwächer sind als das Erdmagnetfeld. MTJ-Sensoren sind attraktiv, weil sie klein, energieeffizient und von Natur aus empfindlich sind. Bei niedrigen Frequenzen wird ihre Leistung jedoch durch 1/f-Rauschen beeinträchtigt, eine Hintergrundschwankung, die stärker wird, je langsamer das Signal ist. Bestehende Methoden, dieses Rauschen zu umgehen, erfordern oft sperrige Abschirmungen, zusätzliche Spulen, die neue Störungen einführen, oder kryogene Kühlung — alles Faktoren, die die praktische Einsetzbarkeit einschränken.

Das Magnetfeld konzentrieren und verschieben

Die Autorinnen und Autoren konzentrieren sich auf eine Strategie mit Magnetflusskonzentratoren — miniaturisierten Stücken aus weichmagnetischem Material, die neben dem MTJ platziert werden, um einfallende Magnetfeldlinien zu sammeln und zu verstärken. In ihrem Konzept sind diese Konzentratoren zusammen mit dem MTJ auf einer beweglichen mikro-elektromechanischen (MEMS-)Struktur montiert. Wenn sich die Teile in einem koordinierten Muster bewegen, das als zweidimensionale synchrone Bewegungsmodulation (TDSMM) bezeichnet wird, wird ein stationäres oder langsam schwankendes externes Feld in ein hochfrequentes, oszillierendes Signal am Sensor umgewandelt. Diese Verschiebung in ein höheres Frequenzband hilft, das 1/f-Rauschen zu umgehen, während die Konzentratoren selbst das effektive Feld am MTJ um mehr als den Faktor zwei verstärken. Simulationen zeigen, dass bei geeigneter Wahl von Abmessungen und Abstand das Gerät sowohl hohen Feldgewinn als auch ein sauberes, nahezu sinusförmiges moduliertes Signal beibehalten kann.

Entwurf einer besseren magnetischen „Linse“

Die Erzielung dieser Leistung hängt von den Eigenschaften des Konzentratormaterials ab. Es muss Magnetfelder leicht leiten (hohe relative Permeabilität) und zugleich mit minimaler innerer Reibung reagieren (niedrige Koerzitivfeldstärke). Das Team entwickelte einen laminierten Film aus alternierenden Schichten einer weichen Legierung (Ni77Fe14Cu5Mo4) und dünnen Tantalschichten als Abstandshalter. Durch sorgfältige Wahl der Dicke jeder magnetischen Schicht und der Anzahl der Wiederholungen unterdrückten sie streifenartige magnetische Domänen, die das Material normalerweise träger und verlustbehaftet machen. Messungen zeigten, dass das Stapeln von sechs solchen Bilanzen die Koerzitivfeldstärke um mehr als eine Zehnerpotenz gegenüber einer einzelnen Schicht verringerte, ohne die magnetische Weichheit zu beeinträchtigen. Die Forschenden passten außerdem die Sputterleistung bei der Abscheidung der Filme an, um inneren Stress und Oberflächenglätte auszubalancieren und so eine sehr hohe relative Permeabilität von etwa 3200 in der bevorzugten Richtung zu erreichen.

Von dünnen Filmen zu funktionierenden Sensoren

Mit optimiertem Material fertigte das Team 400 Nanometer dicke Flusskonzentratoren, die direkt neben einem MTJ auf einem Silizium-on-Insulator-Chip integriert wurden. Da dicke Filme während der Verarbeitung reißen oder sich ablösen können, bauten sie die Konzentratoren in zwei Schritten zu je 200 Nanometern mittels Lift-off-Verfahren auf, um gute Haftung und Mustertreue zu gewährleisten. Als diese Konzentratoren nur 12 Mikrometer vom MTJ entfernt positioniert wurden, stieg die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber einem kleinen Magnetfeld um den Faktor 2,2. Rauschmessungen innerhalb einer magnetischen Abschirmung zeigten, dass das Gerät bei niedrigen Frequenzen um etwa 1 Hertz Felder von etwa 10 Nanotesla pro Wurzel-Hertz detektieren konnte. Bei einer höheren Frequenz, die mit der geplanten MEMS-Vibration verbunden ist (etwa 11,6 Kilohertz), sank die Rauschleistung um den Faktor 686 im Vergleich zum Niederfrequenzbereich — ein deutlicher Beleg dafür, wie das Verschieben des Signals in dieses Band die Messung erheblich bereinigt.

Auf dem Weg zu kompakten, hochempfindlichen magnetischen Empfängern

Vereinfacht gesagt zeigt diese Arbeit, wie sich eine winzige magnetische „Linse“ bauen lässt, die schwache Magnetsignale sowohl verstärkt als auch umformt, sodass MTJ-Sensoren sie klarer wahrnehmen können. Durch das Engineering eines laminierten weichmagnetischen Materials mit extrem niedriger Koerzitivfeldstärke und sehr hoher Permeabilität und dessen Integration mit einem MTJ im Mikrometerbereich erreichen die Autorinnen und Autoren starken Feldgewinn und eine simulierte Modulationseffizienz von etwa 65 %, womit ähnliche Hybriddesigns übertroffen werden. Kombiniert man diesen verbesserten Konzentrator mit dem geplanten MEMS-Bewegungsschema, deuten Rechnungen darauf hin, dass der Rauschboden des Sensors auf nur einige zehn Pikotesla gesenkt werden könnte — klein genug, um mit deutlich größeren und komplexeren Instrumenten zu konkurrieren. Diese Aussicht macht MTJ-basierte Hybride zu vielversprechenden Kandidaten für künftige tragbare Geräte, die leise einige der schwächsten magnetischen Flüstertöne der Natur abhören können.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Magnet-Tunnel-Barriere-Sensoren, Magnetflusskonzentrator, MEMS-Modulation, Niedrigfrequente Rauschreduktion, Erkennung äußerst schwacher Magnetfelder