原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2026 年第 9期《微弱磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器中的磁通聚集技術(shù)》

磁通聚集器通過(guò)提高局部磁場(chǎng)密度和優(yōu)化磁信號(hào)耦合效率，可顯著增強(qiáng)傳感器的靈敏度與信噪比，因而成為微弱磁場(chǎng)高精度檢測(cè)系統(tǒng)中的重要器件。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、傳感器技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金珍虎、陳嘉民團(tuán)隊(duì)撰寫(xiě)文章，綜述了磁通聚集技術(shù)的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了磁路理論、高磁導(dǎo)率與低矯頑力磁性材料的設(shè)計(jì)思路及高磁場(chǎng)增益磁通聚集器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。同時(shí)，探討了磁通聚集效應(yīng)在微弱磁場(chǎng)傳感技術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢(shì)，提出未來(lái)可依托微納集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高磁場(chǎng)分辨率與器件微型化的協(xié)同提升，為突破微弱磁信號(hào)檢測(cè)的信噪比瓶頸提供重要的參考與發(fā)展方向。

微弱磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)賦予人類感知極其微弱磁信號(hào)的能力，在生物醫(yī)學(xué)成像、地磁測(cè)量、無(wú)損檢測(cè)及空間探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。隨著物聯(lián)網(wǎng)、全屋智能與新能源汽車等新興數(shù)字化系統(tǒng)的快速發(fā)展，磁傳感器的角色由單一物理量測(cè)量技術(shù)提升為連接電能、運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)的關(guān)鍵感知技術(shù)。然而，在極弱磁場(chǎng)檢測(cè)場(chǎng)景中，這些基于經(jīng)典磁電轉(zhuǎn)換機(jī)理的傳感器仍受限于固有噪聲與工作機(jī)理，導(dǎo)致磁場(chǎng)分辨率受限、信噪比偏低。因此，在微弱磁場(chǎng)檢測(cè)中如何實(shí)現(xiàn)靈敏度提升、噪聲抑制與系統(tǒng)穩(wěn)定性的協(xié)同提升，已成為目前各類磁傳感器面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

磁通聚集技術(shù)通過(guò)在傳感芯片周圍引入高磁導(dǎo)率軟磁結(jié)構(gòu)，將外部磁場(chǎng)聚集至傳感單元，從而顯著提高局部磁通密度與磁信號(hào)耦合效率，是提升磁傳感器靈敏度與線性度的核心技術(shù)之一。我們將圍繞磁路理論、高磁導(dǎo)率與低矯頑力材料選擇、磁通聚集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備方法及其在高靈敏磁傳感器中的應(yīng)用展開(kāi)系統(tǒng)論述，展示該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

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基于磁路理論的磁通聚集器性能提升方法

1.1 磁通聚集技術(shù)原理與靜態(tài)磁場(chǎng)增益

磁通聚集技術(shù)是基于高磁導(dǎo)率材料的磁通聚集器利用重構(gòu)空間磁場(chǎng)分布，使磁通在傳感器處更加密集，從而增強(qiáng)局部磁感應(yīng)強(qiáng)度，達(dá)到提升對(duì)微弱磁場(chǎng)變化感知靈敏度的技術(shù)。磁通?可表示為

基于經(jīng)典磁路理論，磁通聚集器置于待測(cè)磁場(chǎng)中，其周圍磁場(chǎng)分布主要由磁通聚集器自身磁阻與外部磁動(dòng)勢(shì)決定。磁動(dòng)勢(shì)F可表示為

而磁阻R為表征磁通在磁通聚集器材料中通過(guò)難易程度的物理量，類比于電路中的電阻，是磁通聚集器兩端磁動(dòng)勢(shì)與流經(jīng)磁通的比值，可表示為

由于磁通聚集器材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于空氣磁導(dǎo)率，磁力線將優(yōu)先沿磁阻更小的路徑通過(guò)磁通聚集器，并在傳感器敏感區(qū)域內(nèi)集中；而磁通聚集器的磁場(chǎng)增益系數(shù)則與材料特性及幾何結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)傳感器感知外界均勻磁場(chǎng)H0時(shí)，空氣中磁感應(yīng)強(qiáng)度Bair為

磁通聚集器內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度Hin滿足

其中

式中，N為磁通聚集器沿外界H0磁場(chǎng)方向退磁系數(shù)，與磁通聚集器幾何尺寸和結(jié)構(gòu)相關(guān)；M為磁通聚集器的磁化強(qiáng)度；χ為磁通聚集器材料的磁化率。

由式（4）~式（6）可得

則磁通聚集器內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度Bin為

相對(duì)空氣來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)增益放大系數(shù)GMFC可表示為

因此，GMFC不僅取決于材料相關(guān)的μr，還受到磁通聚集器幾何尺寸、形狀等因素的影響。

1.2 磁通聚集器幾何結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)增益的影響

通過(guò)增大磁通聚集器的磁通輸入與輸出截面積比，可以有效提高氣隙處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而采用對(duì)稱型磁通聚集器并將其置于傳感器磁敏感單元區(qū)周圍，則可使傳感器獲得穩(wěn)定、線性的局部磁場(chǎng)增強(qiáng)效果。若在理想假設(shè)條件下可忽略漏磁，則根據(jù)磁通守恒可知

其中

式中，Sin為磁通進(jìn)入磁通聚集器有效截面積，Sout為氣隙處磁通聚集器的有效截面積，Bgap為氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖1展示了對(duì)稱結(jié)構(gòu)磁通聚集器的等效磁路模型，用于說(shuō)明其通過(guò)改變磁阻分配而增強(qiáng)氣隙處磁場(chǎng)的機(jī)理。磁通聚集器利用高磁導(dǎo)率材料的低磁阻特性（通常RMFC?Rair）形成優(yōu)先導(dǎo)磁通道，從外界吸納磁力線。因此，通過(guò)低磁阻材料設(shè)計(jì)與幾何截面積比優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)磁場(chǎng)的高效放大，氣隙處磁場(chǎng)增益Ggap可表示為

圖1 采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)磁通聚集器的磁路等效模型

除了考慮磁通聚集器材料的磁導(dǎo)率之外，還需關(guān)注其磁化反轉(zhuǎn)的難易程度，即矯頑力Hc的影響。對(duì)于大部分軟磁材料，初始磁導(dǎo)率與矯頑力近似成反比關(guān)系。尤其在微弱磁場(chǎng)檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景下，高磁導(dǎo)率且低矯頑力的鐵磁材料能夠形成低磁阻路徑，更高效地聚集磁通，從而提升氣隙處磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度提高的目的。

1.3 高頻磁場(chǎng)檢測(cè)中的磁通聚集器損耗機(jī)制、材料選型及幾何參數(shù)優(yōu)化

對(duì)于高頻磁場(chǎng)檢測(cè)需求，還需要考慮外界磁場(chǎng)頻域?qū)Υ磐ň奂鞔艑?dǎo)率的影響。當(dāng)待測(cè)磁場(chǎng)為交流磁場(chǎng)時(shí)，交流磁導(dǎo)率μr(ω)可表示為

為提升交流磁場(chǎng)檢測(cè)時(shí)的磁通增益，應(yīng)選用具有高實(shí)部磁導(dǎo)率μ′r(ω)鐵磁材料，同時(shí)充分考慮jμ′′r(ω)項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的磁滯損耗對(duì)μr(ω)的抑制作用。磁滯損耗本質(zhì)上取決于一個(gè)磁化周期內(nèi)的能量積分，即材料磁滯回線的面積，而矯頑力Hc越小，磁滯回線越窄，表明每次磁化翻轉(zhuǎn)需要克服的能量越小，相應(yīng)損耗也越小。因此，材料矯頑力是面向交流磁場(chǎng)檢測(cè)時(shí)磁通聚集器選材過(guò)程中重要的權(quán)衡指標(biāo)之一。

此外，還需要通過(guò)優(yōu)化磁路相關(guān)尺寸及結(jié)構(gòu)來(lái)降低磁通聚集器的磁阻

由于趨膚效應(yīng)，隨外部磁場(chǎng)頻率的升高，磁性材料內(nèi)部感應(yīng)的渦電流趨向于在材料表面聚集，從而導(dǎo)致有效導(dǎo)磁截面減小，此時(shí)導(dǎo)磁截面可近似表示為

其中

式中，t為磁通聚集器鐵磁材料有效厚度，δ為趨膚深度，σ為材料導(dǎo)電率。

對(duì)于高頻條件下工作的磁通聚集器，應(yīng)選擇磁導(dǎo)率較高、矯頑力較低且電阻率較高的鐵磁材料，以減小磁滯及渦流損耗的影響。同時(shí)，可采用薄片化、疊層結(jié)構(gòu)或小截面結(jié)構(gòu)的磁通聚集器設(shè)計(jì)，使其幾何尺寸小于趨膚深度，用于抑制渦流損耗帶來(lái)的不利影響。

在材料體系確定的前提下，磁通聚集器的磁場(chǎng)增益與工作頻率范圍在很大程度上取決于其幾何參數(shù)，包括長(zhǎng)度與寬度、截面形狀、氣隙尺寸與數(shù)量、三維構(gòu)型及與傳感單元的相對(duì)位置等。磁路理論表明，聚集器在目標(biāo)氣隙區(qū)域的磁場(chǎng)放大倍數(shù)可近似表示為

綜上所述，對(duì)于微弱磁場(chǎng)檢測(cè)需求，磁通聚集器在選材上應(yīng)優(yōu)先采用高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低噪聲的軟磁材料，并在幾何設(shè)計(jì)上適當(dāng)采用較大導(dǎo)磁截面、較厚，甚至塊體結(jié)構(gòu)，以降低磁阻、提高磁通聚集增益。而對(duì)于交流磁場(chǎng)檢測(cè)場(chǎng)景，還必須綜合考慮材料電阻率、磁滯損耗及渦流損耗等因素，幾何結(jié)構(gòu)宜采用薄片化、疊層化及平面化設(shè)計(jì)，有效抑制磁滯和渦流損耗，兼顧磁場(chǎng)增益與工作頻率范圍，以滿足高頻磁場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用需求。

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高磁通增益磁通聚集器材料

2.1 高磁導(dǎo)率軟磁合金

目前廣泛研究和應(yīng)用的磁通聚集材料主要包括高磁導(dǎo)率軟磁合金、非晶與納米晶軟磁材料、鐵氧體及石榴石類高電阻軟磁材料、軟磁復(fù)合材料，以及近年來(lái)快速發(fā)展的超導(dǎo)磁通聚集器。不同材料體系在磁導(dǎo)率、矯頑力、磁滯損耗及導(dǎo)電率等方面存在顯著差異，在弱磁檢測(cè)與寬頻段磁場(chǎng)測(cè)量中呈現(xiàn)出各自不同的優(yōu)勢(shì)。軟磁合金是早期磁通聚集器研究中應(yīng)用較為廣泛的材料體系。此類材料具有較高磁導(dǎo)率、低矯頑力及良好的磁疇結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可在直流至千赫茲頻段顯著降低磁通聚集器磁阻，提供有效的磁場(chǎng)增益。然而，由于此類合金材料導(dǎo)電率較高，在高頻磁場(chǎng)作用下易在材料表面產(chǎn)生較強(qiáng)渦電流，導(dǎo)致μ′r(ω)下降和μ′′r(ω)增大，從而限制了其在高頻磁場(chǎng)檢測(cè)中的磁場(chǎng)增益效果。

2.2 非晶與納米晶軟磁材料

針對(duì)交流磁場(chǎng)檢測(cè)與弱磁增益需求，人們開(kāi)始采用非晶與納米晶軟磁合金（如Fe–Si–B系、Co–Fe–Si–B系及Finemet類）作為磁通聚集器材料。該類材料不僅兼具高磁導(dǎo)率與極低矯頑力等軟磁優(yōu)勢(shì)，且電阻率顯著高于傳統(tǒng)軟磁合金，因而能夠有效降低交流磁場(chǎng)作用下的磁滯與渦流損耗影響。

2.3 鐵氧體與石榴石材料

鐵氧體（MnZnFe2O4、Ni0.5Zn0.5Fe2O4）與釔鐵石榴石（YIG）等軟磁材料，憑借其高電阻率（10~106Ω·cm）成為具有重要潛力的磁通聚集材料。部分研究表明，MnZn鐵氧體與YIG石榴石分別從低頻高導(dǎo)磁低損耗被動(dòng)聚磁和高頻低損耗集成磁通調(diào)控2個(gè)方向，為磁通聚集器關(guān)鍵材料基礎(chǔ)與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化提供了科研依據(jù)。

2.4 軟磁復(fù)合材料

基于Fe–Si–Insulated型軟磁復(fù)合材料的磁通聚集器在交流磁場(chǎng)檢測(cè)場(chǎng)景下可展現(xiàn)良好磁學(xué)性能。此類材料具有10量級(jí)的初始磁導(dǎo)率、幾十至數(shù)百安培/米的矯頑力，并在10 kHz~1 MHz頻段內(nèi)兼具較低渦流損耗和相對(duì)穩(wěn)定的交流磁導(dǎo)率，可提供平穩(wěn)可靠的磁場(chǎng)增益，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得數(shù)倍至數(shù)十倍的磁場(chǎng)增益效果。

2.5 超導(dǎo)磁通聚集器

在更高端的弱磁檢測(cè)領(lǐng)域，超導(dǎo)型磁通聚集器依托邁斯納效應(yīng)與磁通守恒原理，可在結(jié)構(gòu)收縮區(qū)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)百倍的磁場(chǎng)增益，使巨磁電阻（GMR）、隧穿磁電阻（TMR）等磁阻式傳感器磁場(chǎng)分辨率逼近皮特斯拉量級(jí)水平。Yang等、Wu等和Han等的系列研究證明了磁阻式?超導(dǎo)復(fù)合磁傳感器在低頻微弱磁場(chǎng)檢測(cè)中的優(yōu)異性能。為顯著提升該類傳感器性能，高溫超導(dǎo)材料需要具備更高臨界溫度、臨界電流密度、更低的表面粗糙度及更低交流損耗特性，從而在磁通聚集器的收縮區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高磁場(chǎng)增益、穩(wěn)定、低噪聲的磁場(chǎng)放大效果。

總之，磁通聚集器性能主要取決于其材料磁學(xué)參數(shù)，并呈現(xiàn)一定磁場(chǎng)頻率范圍的依賴性。低頻應(yīng)用更偏向采用高磁導(dǎo)率軟磁合金，中頻段更適合非晶與納米晶軟磁材料，高頻段則以鐵氧體和石榴石類高電阻軟磁材料為主，而追求超高靈敏度時(shí)可以依賴超導(dǎo)材料（表1）。磁通增益效果受材料的復(fù)雜磁導(dǎo)率頻響特性、矯頑力及導(dǎo)電率等因素的綜合制約。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)將主要集中在高電阻率、高磁導(dǎo)率的新型復(fù)合磁性材料制備，結(jié)合薄片化結(jié)構(gòu)、三維微結(jié)構(gòu)磁路設(shè)計(jì)或超導(dǎo)–固態(tài)混合集成方案，提升直流至高頻范圍的磁通增益效果，為改善傳感器磁場(chǎng)分辨率提供材料基礎(chǔ)。

表1 各類型磁通聚集器鐵磁材料的相關(guān)參數(shù)、磁場(chǎng)增益及應(yīng)用場(chǎng)景

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磁通聚集器幾何參數(shù)優(yōu)化

基于磁路理論，磁通聚集器的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)及形狀對(duì)磁場(chǎng)增益具有顯著影響。在導(dǎo)磁材料確定的前提下，磁通聚集器的磁場(chǎng)增益與工作頻率范圍很大程度上取決于其幾何參數(shù)，包括長(zhǎng)度與寬度、截面形狀、氣隙尺寸與數(shù)量、三維構(gòu)型及與傳感單元的相對(duì)距離等參數(shù)。

3.1 磁通聚集器有限元仿真研究

近年來(lái)，針對(duì)磁通聚集器磁路有效長(zhǎng)度、氣隙以及導(dǎo)磁截面積比等參數(shù)的優(yōu)化，普遍采用有限元仿真（FEM）、參數(shù)掃描、靈敏度分析，以及多目標(biāo)優(yōu)化算法等方法，對(duì)磁通聚集器結(jié)構(gòu)開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)。基于FEM，通過(guò)改變長(zhǎng)度、厚度、錐角、氣隙寬度及曲率半徑等參數(shù)，計(jì)算磁場(chǎng)增益、線性度和飽和場(chǎng)，進(jìn)而選取磁通聚集器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，使用FEM軟件建立了包含T字型、漏斗型、寬條型等8種典型形狀的二維模型，對(duì)比不同外形尺寸、導(dǎo)磁截面積比及氣隙長(zhǎng)度等因素對(duì)磁場(chǎng)增益的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性。結(jié)果表明，磁通聚集器幾何形狀的變化，尤其是導(dǎo)入端有效截面積及等效磁路相關(guān)幾何參數(shù)，會(huì)顯著影響氣隙內(nèi)磁通密度的空間分布。圖3顯示，T字型磁通聚集器在氣隙處可獲得最高的磁場(chǎng)增益峰值，但分布起伏顯著，導(dǎo)致磁敏感單元的定位對(duì)靈敏度高度敏感；而寬條型等結(jié)構(gòu)的增益較低但更平緩，可在氣隙區(qū)域形成相對(duì)均勻的磁場(chǎng)分布。因此，磁通聚集器幾何構(gòu)型決定了氣隙處最大磁場(chǎng)增益與空間分布均勻性之間的權(quán)衡關(guān)系。此外，圍繞微型傳感器與MEMS器件的研究開(kāi)始探索通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化與各向異性超材料對(duì)有效磁導(dǎo)率張量進(jìn)行調(diào)控，以在有限體積內(nèi)獲得更高的方向性磁通聚集能力。

圖2 基于坡莫合金磁通聚集器形狀的FEM結(jié)果及磁通密度分布

圖3 不同形狀磁通聚集器氣隙處磁場(chǎng)增益倍數(shù)

3.2 磁通聚集器導(dǎo)磁截面與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用錐形或雙層結(jié)構(gòu)壓縮磁通聚集器的導(dǎo)磁截面，是提升氣隙處磁場(chǎng)增益的有效途徑之一。Guedes等利用條形磁通導(dǎo)軌集成自旋閥傳感器，實(shí)現(xiàn)了約20倍的磁場(chǎng)增益，驗(yàn)證了高磁導(dǎo)率條形導(dǎo)軌與窄氣隙結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)增益及傳感器靈敏度提升的可行性。Marinho等提出三維錐形磁通聚集器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三維錐形結(jié)構(gòu)可將平面磁通聚集器的磁場(chǎng)增益提升2個(gè)數(shù)量級(jí)。Valadeiro等設(shè)計(jì)的一種雙層縱向錐形結(jié)構(gòu)，在保持較低飽和場(chǎng)的前提下在氣隙處實(shí)現(xiàn)了提升磁通密度的目的。Yang等提出了一種層疊化微型磁通聚集器與TMR傳感器元件相耦合的磁通導(dǎo)引架構(gòu)，可提供24倍的磁場(chǎng)增益。Li等提出納米尺度球體構(gòu)成的磁通聚集結(jié)構(gòu)，用于提升傳感單元磁場(chǎng)探測(cè)能力。

3.3 磁通聚集器氣隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化

氣隙是磁通聚集器磁路中磁阻最大的一部分，其尺寸和形狀直接決定磁場(chǎng)增益倍數(shù)與傳感器的線性工作范圍。Hu等針對(duì)TMR傳感器提出雙縫隙結(jié)構(gòu)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了優(yōu)化后的雙縫隙結(jié)構(gòu)可使傳感器靈敏度提升約10倍，且對(duì)本底噪聲影響較小。多縫隙的對(duì)稱結(jié)構(gòu)在電力電流測(cè)量與復(fù)雜場(chǎng)分布檢測(cè)中同樣被證明是有效的磁通聚集器設(shè)計(jì)方法之一。Zhu等提出彎曲梯形磁通聚集器，優(yōu)化后的幾何設(shè)計(jì)顯著提高了多芯電纜電流測(cè)量的靈敏度與線性范圍，并改善了頻率響應(yīng)。Manceau等通過(guò)微米級(jí)厚度坡莫合金結(jié)構(gòu)結(jié)合極窄氣隙的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了通過(guò)微納工藝來(lái)調(diào)控磁通聚集器氣隙相關(guān)參數(shù)的方法是提升磁場(chǎng)增益的重要手段。

3.4 復(fù)雜場(chǎng)源環(huán)境下三維磁通聚集器設(shè)計(jì)

對(duì)于非均勻分布以及電纜、電機(jī)、人體生物磁源等產(chǎn)生的三維復(fù)雜場(chǎng)源，簡(jiǎn)單的平面條形磁通聚集器往往難以實(shí)現(xiàn)高效磁通聚集效果。Zhao等提出在硅片上采用各向異性刻蝕工藝形成V形溝槽，并在坡面和底部沉積坡莫軟磁薄膜用于形成斜坡式磁通導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可有效提升氣隙處GMR傳感器的靈敏度。Fescenko等利用2枚錐形鐵氧體構(gòu)成蝴蝶結(jié)形磁通聚集結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了約250倍的磁場(chǎng)增益效果，使該磁力計(jì)在10 Hz~1 kHz 頻段的靈敏度改善至皮特斯拉量級(jí)。Han等在軟磁與超導(dǎo)磁通聚集器技術(shù)的研究中指出多級(jí)聚磁結(jié)構(gòu)既能在保證片上集成度的同時(shí)顯著提高整體磁場(chǎng)增益，還為低溫環(huán)境下超導(dǎo)–磁阻復(fù)合磁傳感器的設(shè)計(jì)提供了更大的自由度。

以上研究表明了在材料參數(shù)既定的條件下，基于FEM與拓?fù)鋬?yōu)化的幾何設(shè)計(jì)策略，通過(guò)截面壓縮與錐形設(shè)計(jì)、氣隙尺寸與多縫隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化、三維共形結(jié)構(gòu)與多級(jí)磁通聚集結(jié)構(gòu)組合等手段，可將磁通聚集器的有效磁場(chǎng)增益提升至數(shù)十倍甚至數(shù)百倍，并在兼顧頻率響應(yīng)與線性范圍的前提下實(shí)現(xiàn)磁傳感器整體性能的全面提升。

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集成磁通聚集器的各類磁傳感技術(shù)研究

4.1 磁通聚集器在傳統(tǒng)及主流磁傳感器技術(shù)中的應(yīng)用

磁通聚集器是改善各類磁傳感器靈敏度和磁場(chǎng)分辨率的核心手段。對(duì)于傳統(tǒng)感應(yīng)式線圈或通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)磁場(chǎng)的電流傳感器而言，利用高磁導(dǎo)率軟磁材料構(gòu)成環(huán)形或梯形磁芯，可以顯著放大導(dǎo)線周圍的泄漏磁通，實(shí)現(xiàn)對(duì)多芯電力電纜和復(fù)雜磁路的非接觸測(cè)量。而曲折梯形磁通聚集器被用于多芯電纜電流測(cè)量，提升信噪比，為電流反演和空間分布重建提供技術(shù)基礎(chǔ)。針對(duì)高靈敏磁傳感器應(yīng)用的磁通聚集技術(shù)得到了系統(tǒng)化發(fā)展。在磁阻式傳感技術(shù)中，基于自旋電子學(xué)的磁阻式傳感器充分結(jié)合了鐵磁材料薄膜制備、微納加工工藝及多維異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)，拓展了微納磁通聚集器應(yīng)用范圍。進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化雙層錐形或雙間隙結(jié)構(gòu)，整體磁場(chǎng)增益倍數(shù)可達(dá)10量級(jí)；在此基礎(chǔ)上，采用多級(jí)片上與片外聚集器級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)方法，有利于實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的面掃描與生物磁標(biāo)記檢測(cè)。Oogane等、Kurashima等面向生物磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域研制了一款高靈敏TMR傳感器，結(jié)合MEMS諧振結(jié)構(gòu)的交流調(diào)制型磁通聚集器，還可以將準(zhǔn)直流信號(hào)搬移到10~105 Hz的低噪聲頻段，顯著改善弱磁與低頻信號(hào)的分辨率。

4.2 磁通聚集器在量子磁傳感器技術(shù)中的應(yīng)用

對(duì)于量子磁傳感技術(shù)，磁通聚集器更多承擔(dān)磁通—磁場(chǎng)變換器的角色。在NV色心磁強(qiáng)計(jì)領(lǐng)域，基于MnZn/NiZn系鐵氧體或高磁導(dǎo)率合金制備的錐形、喇叭形磁通聚集器，能夠在NV色心磁強(qiáng)計(jì)附近實(shí)現(xiàn)約250倍的局域磁場(chǎng)放大；集成式微型磁通聚集器還可將NV核自旋磁共振的檢測(cè)靈敏度提升約4倍。Shao等采用小型化光纖化NV磁強(qiáng)計(jì)與錐形磁通聚集器相結(jié)合的方法提升磁場(chǎng)靈敏度約200倍。對(duì)于光泵原子磁力儀與SERF磁力儀，可以在不顯著增加本底噪聲的前提下壓縮有效感應(yīng)體積、提高局域磁場(chǎng)幅值，有利于提升弱磁檢測(cè)應(yīng)用的空間分辨率。對(duì)于超高靈敏度的超導(dǎo)–磁阻集成式磁敏傳感器，其超導(dǎo)環(huán)形結(jié)構(gòu)可為傳統(tǒng)磁阻式傳感芯片提供102~105倍的磁通增益效果。然而，超導(dǎo)磁通聚集器的磁通聚集機(jī)制依賴低溫環(huán)境，低溫制冷與系統(tǒng)集成的復(fù)雜性仍在一定程度上限制了該類型傳感器的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

集成磁通聚集器的各類磁傳感器磁場(chǎng)分辨率如圖4所示。圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)旁數(shù)字為參考文獻(xiàn)編號(hào)。在聚集器微納化趨勢(shì)下，采用錐形、喇叭形及多級(jí)級(jí)聯(lián)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能顯著提升系統(tǒng)信噪比，還能有效調(diào)控磁敏感單元的等效體積，從而實(shí)現(xiàn)極弱信號(hào)探測(cè)能力與空間分辨率的協(xié)同優(yōu)化。

圖4 集成磁通聚集器的各類磁傳感器磁場(chǎng)分辨率

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結(jié)論

基于磁路理論的分析表明，提升磁通聚集器性能的核心在于選用高磁導(dǎo)率、低矯頑力、高電阻率、低損耗的軟磁材料，進(jìn)一步優(yōu)化材料與結(jié)構(gòu)的等效磁阻，以最大化磁通收集效率，同時(shí)抑制高頻渦流損耗。近年來(lái)，隨著軟磁合金、非晶與納米晶帶材、鐵氧體及超導(dǎo)材料等高磁導(dǎo)率功能材料的持續(xù)發(fā)展，為構(gòu)建低損耗、高增益的磁通聚集系統(tǒng)提供了多樣化的材料選擇。通過(guò)錐形、雙氣隙、盤(pán)狀端面及三維復(fù)合結(jié)構(gòu)等幾何構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可顯著提升聚磁效率、磁場(chǎng)均勻性與有效工作帶寬，在弱磁場(chǎng)條件下實(shí)現(xiàn)接近3個(gè)數(shù)量級(jí)的磁場(chǎng)增益。目前，磁通聚集器已在多種磁傳感技術(shù)中展現(xiàn)出顯著的增益效果：在感應(yīng)式與霍爾式傳感器中，有效提升靈敏度并降低系統(tǒng)噪聲；在磁阻式傳感器中，助力實(shí)現(xiàn)皮特斯拉乃至飛特斯拉量級(jí)的磁場(chǎng)分辨率；在NV色心磁強(qiáng)計(jì)與光泵原子磁力儀等量子磁傳感器中，更可將系統(tǒng)探測(cè)極限推進(jìn)至飛特斯拉量級(jí)。總體而言，磁通聚集技術(shù)正逐步成為突破弱磁檢測(cè)靈敏度瓶頸的關(guān)鍵支撐手段。未來(lái)，有望通過(guò)材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控、低損耗高頻磁響應(yīng)設(shè)計(jì)、超導(dǎo)?軟磁異質(zhì)集成以及微納尺度幾何工程等方向的協(xié)同創(chuàng)新，推動(dòng)磁傳感器在靈敏度、磁場(chǎng)分辨率與長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面的全面躍升。

本文作者：金珍虎、張成龍、陳嘉民

作者簡(jiǎn)介：金珍虎，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、傳感器技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，副研究員，研究方向?yàn)榇抛枋絺鞲衅鏖_(kāi)發(fā)及應(yīng)用技術(shù)；陳嘉民（通信作者），中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、傳感器技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，研究員，研究方向?yàn)樽孕娮訉W(xué)器件及應(yīng)用技術(shù)。

文章來(lái) 源 ： 金珍虎, 張成龍, 陳嘉民. 微弱磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器中的磁通聚集技術(shù)[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2026, 44(9): 75?87.

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