Ламинированный концентратор магнитного потока с низкой коэрцитивностью и высокой относительной проницаемостью для эффективной модуляции потока в магниторезистивных датчиках MEMS

Прослушивание чрезвычайно слабых магнитных сигналов

От картирования человеческого мозга до навигации космических аппаратов — многие современные технологии зависят от обнаружения чрезвычайно слабых магнитных полей. Датчики на магнитных туннельных переходах (MTJ) уже считаются одним из наиболее перспективных инструментов для этой задачи, но тип низкочастотного «шороха», известный как 1/f-шум, ограничивает чувствительность — то есть то, насколько слабый сигнал они могут распознать. В этой работе описан новый подход к подавлению этого шума: сочетание MTJ с тщательно сконструированными магнитными элементами, которые концентрируют и модулируют магнитное поле, что потенциально открывает путь к компактным сверхчувствительным детекторам, работающим при комнатной температуре.

Почему важны слабые магнитные поля

Магнитные датчики используются в самых разных областях: они помогают навигации самолётов и спутников, измеряют поток транспорта и даже регистрируют крошечные магнитные сигналы от сердца или мозга. Для перехода к более требовательным приложениям — например, наблюдению мелких флуктуаций в космосе или внутри тела человека — датчики должны выделять сигналы, в миллионы раз слабее земного магнитного поля. MTJ привлекательны тем, что они компактны, энергоэффективны и по своей природе чувствительны. Однако на низких частотах их работу ухудшает 1/f-шум — фоновые флуктуации, усиливающиеся по мере уменьшения частоты сигнала. Существующие способы обхода этого шума часто требуют громоздкой экранировки, добавления катушек, вносящих собственные помехи, или криохолодильного оборудования, что ограничивает практическое применение.

Концентрация и перенос магнитного сигнала

Авторы сосредоточились на стратегии с использованием концентраторов магнитного потока — миниатюрных кусков мягкого магнитного материала, размещённых рядом с MTJ, чтобы собирать и усиливать линии магнитного поля. В их конструкции эти концентраторы смонтированы на подвижной микромеханической (MEMS) структуре вместе с MTJ. Когда части вибрируют в скоординированном режиме, называемом двухмерной синхронной модуляцией движения (TDSMM), постоянное или медленно меняющееся внешнее поле преобразуется в высокочастотный колеблющийся сигнал на датчике. Такое смещение в более высокую частотную полосу помогает уйти от 1/f-шума, а сами концентраторы увеличивают эффективное поле у MTJ более чем в два раза. Симуляции показывают, что при правильно подобранных размерах и зазорах устройство может одновременно обеспечивать сильное усиление поля и чистую, почти синусоидальную модуляцию сигнала.

Проектирование лучшей магнитной «линзы»

Достижение таких характеристик зависит от свойств материала концентратора. Для эффективной работы он должен легко направлять магнитные поля (высокая относительная проницаемость) и при этом иметь минимальное внутреннее трение магнитного отклика (низкая коэрцитивность). Команда разработала ламинированную плёнку, состоящую из чередующихся слоёв мягкого сплава (Ni77Fe14Cu5Mo4) и тонких прослоек из тантала. Тщательно подбирая толщину каждого магнитного слоя и число повторений, они подавили полосчатые магнитные домены, которые обычно делают материал инертным и потерями. Измерения показали, что укладка шести таких билислоев снизила коэрцитивность более чем на порядок по сравнению с одиночным слоем, сохранив при этом отличную магнитную мягкость. Исследователи также регулировали мощность распыления при осаждении плёнок, уравновешивая внутренние напряжения и гладкость поверхности, что позволило достичь очень высокой относительной проницаемости примерно 3200 вдоль предпочтительного направления.

От тонких плёнок к рабочим датчикам

Оптимизировав материал, команда изготовила концентраторы потока толщиной 400 нанометров, интегрированные непосредственно рядом с MTJ на кремний-на-изоляторе (SOI) чипе. Поскольку толстые плёнки могут трескаться или отслаиваться в процессе обработки, концентраторы формировали в два этапа по 200 нанометров методом lift-off, обеспечивая хорошую адгезию и точность рисунка. Когда эти концентраторы разместили всего в 12 микрометрах от MTJ, чувствительность датчика к маленькому магнитному полю возросла в 2,2 раза. Измерения шума внутри магнитного экрана показали, что на низких частотах около 1 герца устройство способно обнаруживать поля порядка 10 нанотесла в расчёте на корень из герца. На более высокой частоте, связанной с планируемыми колебаниями MEMS (примерно 11,6 килогерц), мощность шума уменьшилась в 686 раз по сравнению с низкочастотным диапазоном, подчёркивая, как перенос сигнала в эту полосу значительно очищает измерение.

К компактным сверхчувствительным магнитным «ухам»

Проще говоря, работа демонстрирует, как построить крошечную магнитную «линзу», которая одновременно усиливает и преобразует слабые магнитные сигналы, чтобы MTJ-датчики могли слышать их яснее. За счёт разработки ламинированного мягко-магнитного материала с исключительно низкой коэрцитивностью и очень высокой проницаемостью и интеграции его с MTJ на микрометровых расстояниях авторы достигают значительного усиления поля и смоделированной эффективности модуляции около 65%, что превосходит аналогичные гибридные конструкции. Когда этот улучшенный концентратор объединят с планируемой схемой движения MEMS, расчёты указывают, что уровень шума датчика может быть опущен до нескольких десятков пикотесла — достаточно мало, чтобы конкурировать с гораздо более крупными и сложными приборами. Такая перспектива делает гибриды на основе MTJ многообещающими кандидатами для портативных устройств, которые тихо «прислушиваются» к одним из самых слабых магнитных шёпотов в природе.

Цитирование: 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

Ключевые слова: датчики на магнитных туннельных переходах, концентратор магнитного потока, модуляция MEMS, снижение шума на низких частотах, детекция сверхслабых магнитных полей