Een gelamineerde magnetische fluxconcentrator met lage coërciviteit en hoge relatieve permeabiliteit voor efficiënte fluxmodulatie in MEMS-magnetoresistieve sensoren

Luisteren naar extreem zwakke magnetische signalen

Van het in kaart brengen van de menselijke hersenen tot het navigeren van ruimtevaartuigen: veel moderne technologieën vertrouwen op het detecteren van ongelooflijk zwakke magnetische velden. Magnetische tunnelkoppelingssensoren (MTJ) behoren al tot de meest veelbelovende instrumenten voor dit werk, maar een laagfrequente "sis" die bekendstaat als 1/f-ruis beperkt hoe zwak een signaal ze kunnen oppikken. Dit artikel beschrijft een nieuwe manier om die ruis te temmen door MTJ’s te combineren met zorgvuldig ontworpen magnetische opzetstukken die velden concentreren en moduleren, wat mogelijk de weg vrijmaakt voor compacte, ultrasensitieve detectors die bij kamertemperatuur werken.

Waarom zwakke magnetische velden ertoe doen

Magnetische sensoren verschijnen op verrassende plekken: ze helpen bij de navigatie van vliegtuigen en satellieten, meten verkeersstromen en monitoren zelfs minuscule magnetische signalen van hart of hersenen. Om veeleisender toepassingen te bereiken — zoals het waarnemen van kleine fluctuaties in de ruimte of in het menselijk lichaam — moeten sensoren signalen onderscheiden die miljoenen keren zwakker zijn dan het aardmagnetisch veld. MTJ-sensoren zijn aantrekkelijk omdat ze klein, energiezuinig en intrinsiek gevoelig zijn. Bij lage frequenties wordt hun prestatie echter verlamd door 1/f-ruis, een achtergrondfluctuatie die sterker wordt naarmate het signaal trager is. Bestaande trucs om deze ruis te omzeilen vereisen vaak omvangrijke afscherming, extra spoelen die hun eigen storingen introduceren, of cryogene koeling, wat de praktische inzet beperkt.

Het concentreren en verschuiven van het magnetische signaal

De auteurs richten zich op een strategie die magnetische fluxconcentratoren gebruikt — miniatuurstukjes zacht magnetisch materiaal naast de MTJ — om binnenkomende magnetische veldlijnen te verzamelen en te versterken. In hun ontwerp zijn deze concentratoren gemonteerd op een bewegende micro-elektromechanische (MEMS-)structuur samen met de MTJ. Terwijl de onderdelen vibreren in een gecoördineerd patroon dat tweedimensionale synchrone bewegingsmodulatie (TDSMM) wordt genoemd, wordt een constant of langzaam variërend extern veld omgezet in een hoogfrequent oscillerend signaal bij de sensor. Deze verschuiving naar een hogere frequentieband helpt 1/f-ruis te omzeilen, terwijl de concentratoren zelf het effectieve veld bij de MTJ met meer dan een factor twee versterken. Simulaties tonen aan dat, met zorgvuldig gekozen afmetingen en afstand, het apparaat zowel sterke veldversterking als een zuiver, bijna sinusoïdaal gemoduleerd signaal kan behouden.

Het ontwerpen van een betere magnetische "lens"

Het bereiken van deze prestatie hangt af van de eigenschappen van het concentratormateriaal. Om goed te werken moet het magnetische velden gemakkelijk geleiden (hoge relatieve permeabiliteit) en reageren met minimale interne wrijving (lage coërciviteit). Het team ontwikkelde een gelamineerde film bestaande uit afwisselende lagen van een zachte legering (Ni77Fe14Cu5Mo4) en dunne tantaal-spacers. Door zorgvuldig de dikte van elke magnetische laag en het aantal herhalingen te kiezen, onderdrukten ze streepachtige magnetische domeinen die het materiaal normaal traag en verliesgevend maken. Metingen toonden aan dat het stapelen van zes dergelijke bilagen de coërciviteit met meer dan een orde van grootte verlaagde vergeleken met een enkele laag, terwijl de magnetische zachtheid behouden bleef. De onderzoekers stemden ook het sputtervermogen af dat werd gebruikt om de films te deponeren, waarbij ze interne spanning en oppervlaktesoeplheid in balans brachten om een zeer hoge relatieve permeabiliteit van ongeveer 3200 in de voorkeurrichting te bereiken.

Van dunne films naar werkende sensoren

Met het materiaal geoptimaliseerd, vervaardigde het team 400-nanometer dikke fluxconcentratoren die direct naast een MTJ op een silicon-on-insulator-chip werden geïntegreerd. Omdat dikke films kunnen barsten of losschilferen tijdens verwerking, bouwden ze de concentratoren op in twee stappen van 200 nanometer met een lift-off methode, wat zorgde voor goede hechting en patroongetrouwheid. Toen deze concentratoren op slechts 12 micrometer van de MTJ waren gepositioneerd, nam de gevoeligheid van de sensor voor een klein magnetisch veld toe met een factor 2,2. Ruismetingen binnen een magnetische afscherming toonden aan dat het apparaat bij lage frequenties rond 1 hertz velden van ongeveer 10 nanotesla per vierkantswortel hertz kon detecteren. Bij een hogere frequentie die samenhangt met de geplande MEMS-trilling (ongeveer 11,6 kilohertz) daalde het ruisvermogen met een factor 686 vergeleken met het laagfrequente bereik, wat benadrukt hoe het verplaatsen van het signaal naar deze band de meting dramatisch zuivert.

Op weg naar compacte ultrasensitieve magnetische oren

In eenvoudige bewoordingen laat dit werk zien hoe je een kleine magnetische "lens" bouwt die zwakke magnetische signalen zowel versterkt als hervormt zodat MTJ-sensoren ze helderder kunnen waarnemen. Door een gelamineerd zacht-magnetisch materiaal met extreem lage coërciviteit en zeer hoge permeabiliteit te ontwerpen en het vervolgens op micrometerschaal afstand met een MTJ te integreren, bereiken de auteurs sterke veldversterking en een gesimuleerde modulatie-efficiëntie van ongeveer 65%, beter dan vergelijkbare hybride ontwerpen. Wanneer deze verbeterde concentrator wordt gecombineerd met het geplande MEMS-bewegingsschema, suggereren berekeningen dat de ruisvloer van de sensor kan worden teruggedrongen tot slechts enkele tientallen picotesla — klein genoeg om te concurreren met veel grotere en complexere instrumenten. Dat vooruitzicht maakt MTJ-gebaseerde hybriden veelbelovend voor toekomstige draagbare apparaten die stilletjes naar enkele van de zwakste magnetische fluisteringen in de natuur luisteren.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: magnetische tunnelkoppelingssensoren, magnetische fluxconcentrator, MEMS-modulatie, reductie van laagfrequente ruis, detectie van ultraslabe magnetische velden