MEMS磁気抵抗センサーの効率的なフラックス変調のための低保磁力・高相対透磁率を持つ積層磁束集中器

極めて微弱な磁気信号を聴く

脳のマッピングから宇宙船の航行支援まで、多くの現代技術は非常に弱い磁場の検出に依存しています。磁気トンネル接合（MTJ）センサーはその用途で有望なツールの一つですが、1/f雑音として知られる低周波の“ヒス”が検出限界を制約します。本稿は、MTJに対して磁場を集めて変調するよう設計した磁気付属体を組み合わせることでその雑音を抑える新しい手法を報告し、室温で動作するコンパクトで超高感度な検出器の実現可能性を示しています。

微弱な磁場が重要な理由

磁気センサーは意外な場面で使われています：航空機や衛星の航法、交通流の計測、さらには心臓や脳からの微小な磁気信号のモニタリングなどです。より過酷な用途、たとえば宇宙や人体内の微小変動を観測するためには、地球磁場より何百万倍も弱い信号を識別できる必要があります。MTJセンサーは小型で省エネ、かつ本質的に高感度という利点がありますが、低周波では1/f雑音により性能が大きく低下します。従来の雑音回避策は、かさばるシールド、独自の攪乱を生む追加コイル、あるいは極低温冷却を必要とすることが多く、実用性を制限してきました。

磁気信号の集中と周波数シフト

著者らは磁束集中器という戦略に注目しました。これはMTJの横に配置した小型の軟磁性材料片で、入射する磁力線を集めて強めます。本設計では、これらの集中器をMTJとともに動作するマイクロ電気機械システム（MEMS）構造に搭載しています。部材が二次元同期運動変調（TDSMM）と呼ばれる協調振動をすると、定常またはゆっくり変動する外部磁場がセンサーで高周波の振動信号に変換されます。この高周波帯へのシフトにより1/f雑音を回避でき、集中器自体もMTJに作用する有効磁場を2倍以上に増幅します。シミュレーションでは、適切な寸法と間隔を選べば高い増幅率とほぼ正弦波に近いクリーンな変調信号の両立が可能であることが示されています。

より良い磁気“レンズ”の設計

この性能を得るには、集中器材料の特性が重要です。磁場を容易に導く（高い相対透磁率）と同時に内部摩擦が小さい（低保磁力）必要があります。研究チームは、軟磁性合金（Ni77Fe14Cu5Mo4）の薄層と薄いタンタルのスペーサーを交互に積層したフィルムを開発しました。各磁性層の厚さと繰り返し回数を慎重に選ぶことで、通常は材料を鈍く損失の大きい斑状ドメイン（ストライプ状磁区）を抑制しました。測定では、同じ単層と比べて6つのバイレイヤーを積んだ構成で保磁力が1桁以上低下し、優れた磁気的軟らかさを維持することが示されました。さらにスパッタリングの電力を調整して内部応力と表面平滑性のバランスを取り、所望の方向に沿って約3200という非常に高い相対透磁率を達成しました。

薄膜から動作センサーへ

材料が最適化されると、チームはシリコンオンインシュレーターチップ上でMTJの横に直接統合した厚さ400ナノメートルの磁束集中器を作製しました。厚膜はプロセス中に亀裂や剥離を起こしやすいため、リフトオフ法を用いて200ナノメートルずつ2回で積層し、良好な付着性とパターン再現性を確保しました。これらの集中器をMTJからわずか12マイクロメートル離して配置したところ、微小磁場に対するセンサーの応答（感度）は2.2倍に向上しました。磁気シールド内での雑音測定では、1ヘルツ付近の低周波で約10ナノテスラ／√Hzの検出が可能であることが示されました。計画されているMEMS振動に対応する約11.6キロヘルツの高周波では、低周波帯と比べて雑音電力が686倍低下し、信号をこの帯域に移すことで測定が劇的にクリーンになることが際立ちました。

コンパクトな超高感度の磁気“耳”へ

簡潔に言えば、本研究は微弱な磁気信号を増幅し形を整える小さな磁気“レンズ”を作る方法を示しています。極めて低い保磁力と非常に高い透磁率を備えた積層軟磁性材料を設計し、それをマイクロメートルスケールの距離でMTJと統合することで、強い磁場利得と約65%のシミュレートされた変調効率を達成し、同種のハイブリッド設計を上回りました。この改良型集中器を計画されたMEMS運動方式と組み合わせると、計算上はセンサーの雑音床を数十ピコテスラレベルまで下げられる可能性があり、はるかに大きく複雑な装置と競合し得る性能を示します。この見通しは、MTJベースのハイブリッドが自然界の極めて微細な磁気のささやきを静かに聴く将来の携帯機器の有望な候補であることを示しています。

引用: 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

キーワード: 磁気トンネル接合センサー, 磁束集中器, MEMS変調, 低周波雑音低減, 超微弱磁場検出