在微弱磁场检测领域，磁隧道结（MTJ）传感器因其体积小、功耗低、灵敏度高等优势备受瞩目，但低频1/f噪声问题一直制约其性能提升。近日，西班牙研究团队在《 Microsystems & Nanoengineering》发表最新成果，通过创新设计多层磁膜结构，成功解决了这一瓶颈，为MEMS磁传感器技术带来突破性进展。
磁传感器广泛应用于国防、交通、医疗等领域，其中磁隧道结（MTJ）在弱磁场检测方面表现突出。然而，MTJ传感器在低频段存在严重的1/f噪声，导致探测能力受限。为抑制噪声，研究人员尝试了斩波调制、交流极性反转、超导环等多种方案，但这些方法往往需要复杂的外部设备或极端低温环境，限制了实际应用。近年来，集成磁通集中器（MFC）成为解决这一问题的有效途径，但现有方案的调制效率普遍偏低，难以满足高精度检测需求。
针对这一挑战，西班牙IEEC实验室团队提出了一种基于梳齿驱动谐振器的二维同步运动调制（TDSMM）方案。该方案的核心在于设计一种高性能磁通集中器，通过优化磁膜材料结构和制备工艺，显著提升传感器的灵敏度。研究团队采用Ta/Ni77Fe14Cu5Mo4多层叠层结构，通过调整溅射功率和层数，成功将磁膜的矫顽力降低数十倍，相对磁导率提升至3246。仿真结果显示，该磁通集中器在400纳米厚度下，调制效率达到65.4%，在同类传感器中具有显著竞争优势。
实验过程中，团队采用绝缘体上硅（SOI）晶圆作为基底，通过离子束刻蚀和反应离子刻蚀等工艺，成功制备了厚度为400纳米的磁通集中器。通过透射电子显微镜（TEM）分析，确认了Ta与Ni77Fe14Cu5Mo4层的交替堆叠结构，每层厚度分别为5纳米和50纳米。实验发现，当层数达到6层时，矫顽力降至最低（0.027 Oe），但超过19层后，由于应力积累导致矫顽力回升。此外，通过原子力显微镜（AFM）分析表面形貌，确定了100瓦溅射功率为**工艺参数，此时磁膜相对磁导率最高。
最终，团队成功将400纳米厚的磁通集中器与MTJ集成，传感器原型在零磁场下的灵敏度从6.1%/Oe提升至13.5%/Oe，增益达2.2倍。噪声测试显示，在1赫兹频率下，探测灵敏度达到10纳特斯拉/根号赫兹，而在高频段（11570赫兹），噪声功率谱密度降低了686倍。这一成果表明，通过优化磁通集中器结构和制备工艺，MTJ-MEMS混合传感器在微弱磁场检测领域具有巨大潜力。
该研究对全球MEMS传感器行业具有重要启示。首先，多层磁