מרוכז מגנטי רב-שכבתי בעל כפייתיות נמוכה וחדירות יחסית גבוהה לשיפור המודולציה של השדה ביישומי חיישני מגננטורזיסטיביות MEMS

להאזין לאותות מגנטיים זעירים במיוחד

ממיפוי מוח האדם ועד לכיוונון כלי חלל — טכנולוגיות מודרניות רבות תלויות בזיהוי שדות מגנטיים זעירים באופן מדויק. חיישני מחיצה מגנטית (MTJ) כבר נחשבים לאחד הכלים המבטיחים למשימה זו, אך סוג של 'שריקה' בתדר נמוך הידועה כרעש 1/f מגבילה את הרגישות המינימלית שניתן להשיג. המאמר מדווח על שיטה חדשה לרסן רעש זה באמצעות שילוב של MTJ עם רכיבים מגנטיים מהונדסים שמרכזים ומודלים את השדה, מה שיכול לפתוח את הדרך לגלאים קומפקטיים רגישים מאוד הפועלים בטמפרטורת החדר.

מדוע שדות מגנטיים חלשים חשובים

חיישנים מגנטיים מופיעים במקומות מפתיעים: הם מסייעים בניווט מטוסים ולוויינים, במדידת תנועת דרכים, ואפילו במעקב אחר אותות מגנטיים זעירים מהלב או מהמוח. כדי להתקדם ליישומים תובעניים יותר — כגון מעקב אחרי תנודות זעירות בחלל או בתוך גוף האדם — החיישנים חייבים לזהות אותות החלשים פי מיליוני מזו של שדה כדור הארץ. חיישני MTJ מושכים כי הם זעירים, חסכוניים באנרגיה ורגישים מטבעם. עם זאת, בתדרים נמוכים הביצועים שלהם נפגעים על ידי רעש 1/f, תנודה רקעית שמתחזקת ככל שהאות איטי יותר. טריקים קיימים כדי להימנע מרעש זה דורשים לעתים מיגון נפח, סלילים נוספים שיוצרים הפרעות משלהם, או קירור בקריואגניקי — כולם מגבילים שימוש מעשי.

מריכוז והסטת האות המגנטי

המחברים מתמקדים באסטרטגיה המשתמשת במרכזי שדה מגנטי — חתיכות זעירות של חומר מגנטי רך הממוקמות לצד ה-MTJ — כדי לאסוף ולחזק קווי שדה נכנסים. בעיצוב שלהם, המרכזים מותקנים על מבנה מיקרו-אלקטרו-מכאני (MEMS) נייד יחד עם ה-MTJ. כאשר החלקים רוטטים בתבנית מתואמת הנקראת מודולציית תנועה סינכרונית דו-ממדית (TDSMM), שדה חיצוני קבוע או משתנה לאט מומר לאות תנודתי בתדר גבוה בחיישן. ההסטה לרצועת תדר גבוהה יותר מסייעת לעקוף את רעש 1/f, בעוד שהמרכזים עצמם מגבירים את השדה האפקטיבי ב-MTJ ביותר מפקטור של שניים. סימולציות מראות שבעת בחירת מידות ורווחים מתאימים המכשיר יכול לשמור על רווח שדה חזק ואות מודולצי מוקטן כמעט סינוסואידלי ונקי.

עיצוב "עדשה" מגנטית משופרת

השגת ביצועים אלה תלויה בתכונות החומר של המרכז. כדי לפעול היטב הוא חייב לכוון שדות מגנטיים בקלות (חדירות יחסית גבוהה) ובו בזמן להגיב עם חיכוך פנימי מינימלי (כפייתיות נמוכה). הצוות פיתח סרט רב-שכבתי המורכב משכבות מתחלפות של סגסוגת רכה (Ni77Fe14Cu5Mo4) ומרווחי טנטלום דקים. על ידי בחירה מדוקדקת בעובי כל שכבה מגנטית ובמספר החזרות, הם דיכאו דומיינים מגנטיים בצורת פסים שבדרך כלל גורמים לחומר להיות איטי ומבזבז אנרגיה. מדידות הראו כי חבילה של שישה זוגות שכבות הפחיתה את הכפייתיות ביותר מסדר גודל ביחס לשכבה בודדת, תוך שמירה על רכות מגנטית מצוינת. החוקרים גם כיוונו את הספק ההשתקעה (sputtering) שבאמצעותו הושקעו הסרטים, איזנו בין מתחים פנימיים וחלקות פני השטח כדי להגיע לחדירות יחסית מאוד גבוהה של כ-3200 לאורך הכיוון המועדף.

מסרטים דקים לחיישנים עובדים

עם חומרים מותאמים, הצוות ייצר מרככי שדה בעובי 400 ננומטר המשולבים ישירות לצד MTJ על שבב סיליקון-על-מבודד. מאחר שסרטים עבים עלולים לסדוק או להיפרד במהלך העיבוד, הם בנו את המרכזים בשני שלבים של 200 ננומטר באמצעות שיטת lift-off, להבטחת הדבקה טובה ונאמנות לדפוס. כאשר המרכזים מונחו במרחק של 12 מיקרומטר בלבד מה-MTJ, תגובת החיישן לשדה מגנטי קטן — הרגישות שלו — עלתה בפקטור של 2.2. מדידות רעש בתוך מיגון מגנטי הראו שבתדרים נמוכים סביב 1 הרץ המכשיר יכול לזהות שדות של בערך 10 ננו-טסלה לשורש הרץ. בתדר גבוה יותר הקשור לתנודתיות ה-MEMS המתוכננת (כ-11.6 קילוהרץ), עוצמת הרעש ירדה בפקטור של 686 בהשוואה לטווח התדרים הנמוך, מה שמדגיש כיצד העברת האות לרצועת תדר זו מנקה בצורה דרמטית את המדידה.

לקראת "אוזניים" מגנטיות קומפקטיות רגישות במיוחד

במילים פשוטות, עבודה זו מראה כיצד לבנות "עדשה" מגנטית זעירה שמגבירה ומשנה את צורתם של אותות מגנטיים חלשים כך שחיישני MTJ יוכלו לשמוע אותם בבירור רב יותר. על ידי הנדסה של חומר מגנטי רך רב-שכבתי עם כפייתיות מאוד נמוכה וחדירות גבוהה מאוד, ואינטגרציה שלו עם MTJ במרחקים בסדר המיקרומטרים, המחברים משיגים רווח שדה חזק ויעילות מודולציה מדומה של כ-65%, העולה על עיצובים היברידיים דומים. כאשר מרכיב זה משולב עם סכמת תנועת ה-MEMS המתוכננת, חישובים מצביעים על כך שרמת רעש החיישן עשויה להידחס לעשרות פיקו-טסלה — קטנה דיה להתחרות במכשירים גדולים ומורכבים הרבה יותר. הסיכוי הזה הופך היברידים מבוססי MTJ למועמדים מבטיחים למכשירים ניידים עתידיים שמאזינים בשקט לחלק מהלחישות המגנטיות החלשות ביותר בטבע.

ציטוט: 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

מילות מפתח: חיישני מחיצה מגנטית (MTJ), מרכז מבזר שדה מגנטי, מודולציית MEMS, הפחתת רעש בתדר נמוך, גילוי שדות מגנטיים חלשים ביותר