En laminerad magnetisk flödeskonsentrator med låg koercivitet och hög relativ permeabilitet för effektiv flödesmodulering i MEMS-magnetoresistiva sensorer

Lyssna på extremt svaga magnetsignaler

Från kartläggning av människans hjärna till styrning av rymdfarkoster förlitar sig många moderna tekniker på att detektera otroligt svaga magnetfält. Magnetiska tunnelkopplingssensorer (MTJ) är redan bland de mest lovande verktygen för detta ändamål, men en typ av lågfrekvent "sus" känd som 1/f-brus begränsar hur svagt ett signal de kan uppfatta. Den här artikeln rapporterar en ny metod för att tygla det bruset genom att para ihop MTJ med noggrant konstruerade magnetiska tillägg som koncentrerar och modulerar magnetfältet, vilket potentiellt öppnar dörren till kompakta, ultrasensitiva detektorer som fungerar vid rumstemperatur.

Varför svaga magnetfält spelar roll

Magnetiska sensorer dyker upp på oväntade platser: de hjälper till att navigera flygplan och satelliter, mäta trafikflöden och övervaka små magnetiska signaler från hjärta eller hjärna. För att nå mer krävande tillämpningar — som att observera minutiösa fluktuationer i rymden eller inne i människokroppen — måste sensorer urskilja signaler miljoner gånger svagare än jordens magnetfält. MTJ-sensorer är attraktiva eftersom de är små, energieffektiva och intrinsikt känsliga. Vid låga frekvenser försämras dock deras prestanda av 1/f-brus, en bakgrundsfluktuation som blir starkare när signalen saktar ner. Befintliga knep för att undvika detta brus kräver ofta skrymmande skärmning, extra spolar som introducerar egna störningar eller kryogen kylning, vilket alla begränsar praktisk användning.

Koncentrera och förskjuta magnetsignalen

Författarna fokuserar på en strategi som använder magnetiska flödeskonsentratorer — miniatyrbitar av mjukt magnetiskt material placerade vid sidan av MTJ — för att samla och förstärka inkommande magnetfältlinjer. I deras konstruktion är dessa koncentratorer monterade på en rörlig mikro-elektromekanisk (MEMS) struktur tillsammans med MTJ. När delarna vibrerar i ett koordinerat mönster kallat tvådimensionell synkron rörelsemodulering (TDSMM) omvandlas ett stabilt eller långsamt varierande yttre fält till en högfrekvent oscillerande signal vid sensorn. Denna förskjutning in i ett högre frekvensband hjälper till att kringgå 1/f-bruset, samtidigt som koncentratorerna själva ökar det effektiva fältet vid MTJ med mer än en faktor två. Simuleringar visar att, med lämpligt valda dimensioner och avstånd, kan enheten bibehålla både hög fältförstärkning och en ren, i stort sett sinusformad modulerad signal.

Utforma en bättre magnetisk "lins"

Att uppnå denna prestanda hänger på egenskaperna hos koncentratormaterialet. För att fungera väl måste det vägleda magnetfält lätt (hög relativ permeabilitet) samtidigt som det reagerar med minimal intern friktion (låg koercivitet). Teamet utvecklade en laminerad film bestående av alternerande lager av en mjuk legering (Ni77Fe14Cu5Mo4) och tunna tantallager som mellanlägg. Genom att noggrant välja tjockleken på varje magnetiskt lager och antalet upprepningar undertryckte de randliknande magnetiska domäner som normalt gör materialet trögt och förlustfyllt. Mätningar visade att stapling av sex sådana bilager sänkte koerciviteten med mer än en storleksordning jämfört med ett enda lager, samtidigt som utmärkt magnetisk mjukhet bibehölls. Forskarna justerade också sputtringseffekten som användes för att avsätta filmerna, och balanserade intern stress och ytjämnhet för att nå en mycket hög relativ permeabilitet på cirka 3200 längs den föredragna riktningen.

Från tunna filmer till fungerande sensorer

Med materialet optimerat tillverkade teamet 400 nanometer tjocka flödeskonsentratorer integrerade direkt vid sidan av en MTJ på en kisel-on-isolator-chip. Eftersom tjocka filmer kan spricka eller flagna under bearbetning byggde de upp koncentratorerna i två steg om 200 nanometer med en lift-off-metod, vilket säkerställde god vidhäftning och mönsternoggrannhet. När dessa koncentratorer positionerades bara 12 mikrometer från MTJ ökade sensorens respons på ett litet magnetfält — dess känslighet — med en faktor 2,2. Brusmätningar inuti en magnetisk skärm visade att enheten vid låga frekvenser runt 1 hertz kunde detektera fält på cirka 10 nanotesla per roten ur hertz. Vid en högre frekvens kopplad till den planerade MEMS-vibrationen (runt 11,6 kilohertz) minskade bruseffekten med en faktor 686 jämfört med lågfrekvensområdet, vilket framhåller hur förflyttningen av signalen till detta band dramatiskt renar mätningen.

Mot kompakta ultrasensitiva magnetiska lyssnare

Förenklat visar detta arbete hur man bygger en liten magnetisk "lins" som både förstärker och omformar svaga magnetsignaler så att MTJ-sensorer kan uppfatta dem tydligare. Genom att konstruera ett laminerat mjukt magnetiskt material med extremt låg koercivitet och mycket hög permeabilitet, och sedan integrera det med en MTJ på mikrometeravstånd, uppnår författarna stark fältförstärkning och en simulerad modulerings-effektivitet på cirka 65 %, vilket överträffar liknande hybriddesigner. När denna förbättrade koncentrator kombineras med den planerade MEMS-rörelseschemat tyder beräkningar på att sensorernas brusgolv kan pressas ner till bara tiotals pikotesla — tillräckligt lågt för att konkurrera med mycket större och mer komplexa instrument. Den utsikten gör MTJ-baserade hybrider till lovande kandidater för framtida portabla enheter som tyst hör några av naturens svagaste magnetiska viskningar.

Citering: 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

Nyckelord: magnetiska tunnelkopplingssensorer, magnetisk flödeskonsentrator, MEMS-modulering, reduktion av lågfrekvent brus, detektion av ultrasvaga magnetfält