磁傳感器已廣泛應用于消費電子、汽車電子、工業控制、生物醫療、軍事國防等眾多領域。近幾十年來，人們已研發出種類繁多的磁傳感器。其中，磁隧道結（MTJ）憑借小體積、低功耗和高靈敏度的優勢，在弱磁場檢測中脫穎而出。然而，1/f噪聲對MTJ的影響極大，導致其在低頻下的檢測靈敏度較低。
近些年，科研界一直高度關注能夠在室溫下工作的磁通聚集器（MFC）。這種由高磁導率軟磁材料制成的磁通聚集器，可放大磁阻傳感器附近的磁通量，進而提高其靈敏度。鑒于當前微米級磁通聚集器的磁場增益已達瓶頸，研究人員提出將MEMS與磁通聚集器集成，可使磁阻傳感器的噪聲降低數百倍，進而將磁阻傳感器的噪聲水平壓制到皮特斯拉（pT）量級。然而，目前已有報道的多數基于MEMS的磁通聚集器，其調制效率相對較低。
據麥姆斯咨詢介紹，中國科學院空天信息創新研究院和中國科學院大學的聯合研究團隊基于此前為提升MTJ低頻磁場檢測能力而提出的二維同步運動調制（TDSMM）方案，探索了將磁通聚集器與MTJ結合以進行磁通量調制。該研究采用新型Ta/Ni??Fe??Cu?Mo?層疊結構，將磁性薄膜的矯頑力降低了數十倍。同時，通過優化濺射功率，獲得了3246的相對磁導率。仿真結果表明，采用該磁性薄膜的MTJ-MEMS混合磁傳感器調制效率達65.4%，在同類磁傳感器中具備競爭優勢。通過優化制備工藝，成功制備出采用400 nm厚磁通聚集器的傳感器原型，使MTJ的靈敏度提升了2.2倍。與低頻噪聲相比，MTJ的高頻噪聲功率譜密度降低了686倍?；谶@些研究成果，MTJ傳感器有望成為超弱磁場檢測領域極具競爭力的候選方案。
相關研究成果已經以“A laminated magnetic flux concentrator with low coercivity and high relative permeability for efficient flux modulation in MEMS magnetoresistive sensors”為題發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
設計與仿真
圖1展示了該傳感器模型。模型中有兩個磁通聚集器，其短邊尺寸為30 μm，長邊尺寸為492 μm。兩個磁通聚集器之間的空間內設有一個MTJ，MTJ與磁通聚集器之間的間距為12 μm。在TDSMM調制過程中，MTJ沿x軸、磁通聚集器沿y軸方向分別做振蕩運動和周期性運動。通過這種調制機制將目標直流或低頻磁信號移至高頻頻段，進而實現對低頻磁場信號的高效檢測。
圖1 集成MTJ-MEMS混合器件的示意圖
鑒于磁通聚集器對磁通量密度的放大作用與其尺寸及相對磁導率相關，研究人員首先探討了尺寸和相對磁導率對磁通聚集器磁場增益的影響。圖2a展示了間隙內磁場放大倍數隨磁通聚集器厚度的變化曲線。從結果可以看出，磁場放大與磁通聚集器的厚度呈一定比例關系。當磁通聚集器厚度增加至4 μm時，磁場增益的增長速率放緩，并呈現出趨于飽和的趨勢。此外，過大的厚度會增加器件制備的復雜度。因此，在實際制備過程中，將磁通聚集器的厚度設定為400 nm。
圖2 磁通聚集器間隙內的磁場放大系數
此外，研究人員采用有限元法對TDSMM方案的調制效率進行了仿真。在此條件下，磁通聚集器的厚度為400 nm，相對磁導率為3246，磁通聚集器與MTJ之間的距離設定為12 μm。當磁通聚集器與MTJ之間的距離發生變化時，磁場增益的變化情況如圖3a所示。
圖3 調制磁場的有限元仿真
從圖3a中可以看出，隨著間距減小，磁場增益呈急劇上升趨勢；但間距過小會對諧振器的振蕩幅度造成固有約束，進而降低調制磁場的幅值，削弱調制效率。相反，間距過大不僅會使靜磁場增益大幅降低，還會削弱連接梁的耦合效應——該部件是專門用于同步兩個橫向振子運動的核心組件。這種耦合作用的減弱會導致橫向振子運動不同步，最終造成調制磁場波形發生畸變。因此，將12 μm選為最佳間距，是對諧振器振蕩幅度、磁場增益以及調制磁場波形完整性這三項關鍵性能指標的綜合權衡。
制造與評估
考慮到TDSMM結構包含兩組諧振器，需要對其進行隔離。因此，研究人員選擇絕緣體上硅（SOI）晶圓作為MTJ多層膜的基底。該研究采用的MTJ層疊結構從下到上由以下各層組成：Ta / Ru / Ta / Ru / Ta / Ru / IrMn / CoFe / Ru / CoFeB / MgO / CoFeB / Ru / NiFe / Ta / Ru。
MTJ的制造過程需要四個光刻階段：首先通過離子束蝕刻對底部電極進行初始構圖，隨后完成柱狀結構的定義。完成前兩道光刻工藝后，采用感應耦合等離子體化學氣相沉積（ICP-CVD）沉積300 nm厚的氮化硅（Si?N?），以保護MTJ。接下來，利用反應離子蝕刻（RIE）工藝為MTJ的底部和頂部電極開通連接。最后，通過濺射工藝沉積Cr（30 nm）/Au（300 nm）作為電極。完整的工藝步驟如圖4所示。
圖4 MTJ傳感器的工藝流程
研究人員采用Ni??Fe??Cu?Mo?層疊結構，成功制備出適用于磁通聚集器的磁膜。與單層Ni??Fe??Cu?Mo?相比，Ta（5 nm）/Ni??Fe??Cu?Mo?（50 nm）層疊結構表現出更優異的磁滯回線，矯頑力降低了10倍。
圖5 層疊薄膜厚度對磁滯回線的影響
圖6 功率對磁滯回線的影響
本研究還探究了濺射功率對磁膜磁滯特性的影響，確定了磁通聚集器的最佳制備條件。當濺射功率為100 W時，磁膜沿易磁化軸的相對磁導率達到3246，可使磁通聚集器有效放大間隙內的磁場。通過優化制備工藝，本研究成功制備出厚度為400 nm的磁通聚集器，并將其與MTJ集成，制得的傳感器原型增益達到2.2。
圖7 磁通聚集器制備示意圖
圖8 MTJ傳感器的傳輸曲線
圖9 MTJ傳感器的功率譜密度
對集成磁通聚集器的MTJ進行噪聲測試發現，該傳感器在1 Hz下的探測靈敏度為10 nT/√Hz。此外，在更高頻率下，傳感器的噪聲水平降低了686倍，這表明未來集成MEMS調制結構有望將MTJ元件的噪聲降低至數十pT量級。
總結而言，本研究探索了基于TDSMM調制的MTJ-MEMS磁傳感器的研制方法。基于上述研究成果，MTJ傳感器有望成為超弱磁場檢測領域極具競爭力的候選方案，為腦磁圖、心磁圖、空間磁場探測以及高靈敏生物傳感等應用提供新的技術基礎。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-026-01202-7
