一种具有低矫顽力和高相对磁导率的层状磁通集中器，用于MEMS磁阻传感器的高效磁通调制

倾听极微弱的磁信号

从描绘人脑活动到引导航天器，许多现代技术依赖于检测极其微弱的磁场。磁隧道结（MTJ）传感器已是执行此类任务的有力工具之一，但一种称为1/f噪声的低频“嘶声”限制了它们能听到的最弱信号。本文报道了一种新的抑制该噪声的方法：将MTJ与经过精心设计的磁性附加件配对，这些附加件能够集中和调制磁场，有望使紧凑、在室温下工作的超灵敏探测器成为可能。

为什么微弱磁场很重要

磁传感器出现在许多意想不到的领域：它们帮助飞机和卫星导航、测量交通流量，甚至监测来自心脏或大脑的微弱磁信号。要进入更苛刻的应用场景——例如观测太空或人体内部的细微波动——传感器必须识别比地球磁场弱数百万倍的信号。MTJ传感器令人感兴趣的原因在于它们体积小、能耗低且固有灵敏。然而，在低频段，它们的性能被1/f噪声严重削弱，这种背景波动随着信号变慢而变强。现有绕开该噪声的方法通常需要笨重的屏蔽、引入自身干扰的附加线圈或低温制冷，这些都限制了实际部署。

集中并移频磁信号

作者着眼于一种策略：使用磁通集中器——放置在MTJ旁的微小软磁材料构件——来收集并增强入射磁力线。在他们的设计中，这些集中器与MTJ一起安装在一个运动的微机电（MEMS）结构上。当各部件以称为二维同步运动调制（TDSMM）的协调模式振动时，恒定或缓慢变化的外部场会被转换成传感器上的高频振荡信号。这个向更高频段的移频有助于避开1/f噪声，同时集中器本身将作用于MTJ的有效磁场增强了两倍以上。仿真表明，通过合理选择尺寸和间距，器件可以在保持较强场增益的同时，输出干净、近似正弦的调制信号。

设计更优的磁“透镜”

实现这种性能依赖于集中器材料的特性。要发挥良好作用，材料必须易于引导磁场（高相对磁导率），同时内部耗散要小（低矫顽力）。团队开发了一种层状薄膜，由交替的软合金层（Ni77Fe14Cu5Mo4）和薄钽间隔层构成。通过精心选择每个磁性层的厚度和重复次数，他们抑制了通常会使材料迟滞且有损耗的条纹状磁畴。测量显示，与单层相比，堆叠六个这样的双层将矫顽力降低了一个数量级以上，同时保持出色的磁柔软性。研究人员还调节了溅射沉积薄膜时的功率，平衡内应力和表面平整度，沿优选方向实现了约3200的极高相对磁导率。

从薄膜到可工作的传感器

在材料优化后，团队在绝缘体上硅片（SOI）芯片上直接在MTJ旁集成了厚400纳米的磁通集中器。由于厚膜在加工过程中可能开裂或剥离，他们采用两次各200纳米的分步提升法制作集中器，以确保良好的黏附性和图形保真度。当这些集中器与MTJ仅相距12微米时，传感器对微小磁场的响应——即灵敏度——提高了2.2倍。在磁屏蔽内的噪声测量显示，在大约1赫兹的低频处，该器件的检测能力约为10纳特斯拉每根赫兹平方根。在与计划中MEMS振动相关的更高频率（约11.6千赫）处，噪声功率相比低频段降低了约686倍，强调了将信号移到该频带能显著净化测量结果。

走向紧凑的超灵敏“磁之耳”

简言之，这项工作展示了如何构建一个微小的磁“透镜”，既放大又重塑微弱磁信号，使MTJ传感器能够更清晰地“听见”它们。通过工程化一种具有极低矫顽力和极高磁导率的层状软磁材料，并将其以微米尺度距MTJ集成，作者实现了强场增益和约65%的仿真调制效率，优于类似的混合设计。将这种改进的集中器与计划中的MEMS运动方案结合，计算表明传感器的噪声底可能被压低到仅数十皮特斯拉——足以与体积更大、结构更复杂的仪器竞争。这一前景使基于MTJ的混合器件成为未来便携设备的有力候选，可用于静静倾听自然界一些最微弱的磁性低语。

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

关键词: 磁隧道结传感器, 磁通集中器, MEMS 调制, 低频噪声抑制, 超弱磁场检测