磁通聚集技术在微弱磁场传感技术中的应用

微弱磁场检测技术赋予人类感知极其微弱磁信号的能力，在生物医学成像、地磁测量、无损检测及空间探测等领域具有重要应用价值。随着物联网、全屋智能与新能源汽车等新兴数字化系统的快速发展，磁传感器的角色由单一物理量测量技术提升为连接电能、运动与结构状态的关键感知技术。然而，在极弱磁场检测场景中，这些基于经典磁电转换机理的传感器仍受限于固有噪声与工作机理，导致磁场分辨率受限、信噪比偏低。因此，在微弱磁场检测中如何实现灵敏度提升、噪声抑制与系统稳定性的协同提升，已成为目前各类磁传感器面临的关键问题。

磁通聚集技术通过在传感芯片周围引入高磁导率软磁结构，将外部磁场聚集至传感单元，从而显著提高局部磁通密度与磁信号耦合效率，是提升磁传感器灵敏度与线性度的核心技术之一。我们将围绕磁路理论、高磁导率与低矫顽力材料选择、磁通聚集器结构设计与制备方法及其在高灵敏磁传感器中的应用展开系统论述，展示该领域的研究现状、关键技术挑战及未来发展趋势。

磁通聚集技术是基于高磁导率材料的磁通聚集器利用重构空间磁场分布，使磁通在传感器处更加密集，从而增强局部磁感应强度，达到提升对微弱磁场变化感知灵敏度的技术。磁通ϕ可表示为

基于经典磁路理论，磁通聚集器置于待测磁场中，其周围磁场分布主要由磁通聚集器自身磁阻与外部磁动势决定。磁动势F可表示为

而磁阻R为表征磁通在磁通聚集器材料中通过难易程度的物理量，类比于电路中的电阻，是磁通聚集器两端磁动势与流经磁通的比值，可表示为

由于磁通聚集器材料的磁导率远高于空气磁导率，磁力线将优先沿磁阻更小的路径通过磁通聚集器，并在传感器敏感区域内集中；而磁通聚集器的磁场增益系数则与材料特性及几何结构密切相关。当传感器感知外界均匀磁场H₀时，空气中磁感应强度B_air为

磁通聚集器内磁场强度H_in满足

其中

式中，N为磁通聚集器沿外界H₀磁场方向退磁系数，与磁通聚集器几何尺寸和结构相关；M为磁通聚集器的磁化强度；χ为磁通聚集器材料的磁化率。

由式（4）~式（6）可得

则磁通聚集器内部磁感应强度B_in为

相对空气来说，磁场增益放大系数G_MFC可表示为

因此，G_MFC不仅取决于材料相关的μ_r，还受到磁通聚集器几何尺寸、形状等因素的影响。

通过增大磁通聚集器的磁通输入与输出截面积比，可以有效提高气隙处的磁场强度，而采用对称型磁通聚集器并将其置于传感器磁敏感单元区周围，则可使传感器获得稳定、线性的局部磁场增强效果。若在理想假设条件下可忽略漏磁，则根据磁通守恒可知

其中

式中，S_in为磁通进入磁通聚集器有效截面积，S_out为气隙处磁通聚集器的有效截面积，B_gap为气隙处磁感应强度。

图1展示了对称结构磁通聚集器的等效磁路模型，用于说明其通过改变磁阻分配而增强气隙处磁场的机理。磁通聚集器利用高磁导率材料的低磁阻特性（通常R_MFC≪R_air）形成优先导磁通道，从外界吸纳磁力线。因此，通过低磁阻材料设计与几何截面积比优化，可实现对待测磁场的高效放大，气隙处磁场增益G_gap可表示为

图1 采用对称结构磁通聚集器的磁路等效模型

除了考虑磁通聚集器材料的磁导率之外，还需关注其磁化反转的难易程度，即矫顽力H_c的影响。对于大部分软磁材料，初始磁导率与矫顽力近似成反比关系。尤其在微弱磁场检测的应用场景下，高磁导率且低矫顽力的铁磁材料能够形成低磁阻路径，更高效地聚集磁通，从而提升气隙处磁场强度，实现传感器灵敏度提高的目的。

对于高频磁场检测需求，还需要考虑外界磁场频域对磁通聚集器磁导率的影响。当待测磁场为交流磁场时，交流磁导率μ_r(ω)可表示为

为提升交流磁场检测时的磁通增益，应选用具有高实部磁导率μ′_r(ω)铁磁材料，同时充分考虑jμ′′_r(ω)项所对应的磁滞损耗对μ_r(ω)的抑制作用。磁滞损耗本质上取决于一个磁化周期内的能量积分，即材料磁滞回线的面积，而矫顽力H_c越小，磁滞回线越窄，表明每次磁化翻转需要克服的能量越小，相应损耗也越小。因此，材料矫顽力是面向交流磁场检测时磁通聚集器选材过程中重要的权衡指标之一。

此外，还需要通过优化磁路相关尺寸及结构来降低磁通聚集器的磁阻

由于趋肤效应，随外部磁场频率的升高，磁性材料内部感应的涡电流趋向于在材料表面聚集，从而导致有效导磁截面减小，此时导磁截面可近似表示为

其中

式中，t为磁通聚集器铁磁材料有效厚度，δ为趋肤深度，σ为材料导电率。

对于高频条件下工作的磁通聚集器，应选择磁导率较高、矫顽力较低且电阻率较高的铁磁材料，以减小磁滞及涡流损耗的影响。同时，可采用薄片化、叠层结构或小截面结构的磁通聚集器设计，使其几何尺寸小于趋肤深度，用于抑制涡流损耗带来的不利影响。

在材料体系确定的前提下，磁通聚集器的磁场增益与工作频率范围在很大程度上取决于其几何参数，包括长度与宽度、截面形状、气隙尺寸与数量、三维构型及与传感单元的相对位置等。磁路理论表明，聚集器在目标气隙区域的磁场放大倍数可近似表示为

综上所述，对于微弱磁场检测需求，磁通聚集器在选材上应优先采用高磁导率、低矫顽力、低噪声的软磁材料，并在几何设计上适当采用较大导磁截面、较厚，甚至块体结构，以降低磁阻、提高磁通聚集增益。而对于交流磁场检测场景，还必须综合考虑材料电阻率、磁滞损耗及涡流损耗等因素，几何结构宜采用薄片化、叠层化及平面化设计，有效抑制磁滞和涡流损耗，兼顾磁场增益与工作频率范围，以满足高频磁场检测应用需求。

目前广泛研究和应用的磁通聚集材料主要包括高磁导率软磁合金、非晶与纳米晶软磁材料、铁氧体及石榴石类高电阻软磁材料、软磁复合材料，以及近年来快速发展的超导磁通聚集器。不同材料体系在磁导率、矫顽力、磁滞损耗及导电率等方面存在显著差异，在弱磁检测与宽频段磁场测量中呈现出各自不同的优势。软磁合金是早期磁通聚集器研究中应用较为广泛的材料体系。此类材料具有较高磁导率、低矫顽力及良好的磁畴结构稳定性，可在直流至千赫兹频段显著降低磁通聚集器磁阻，提供有效的磁场增益。然而，由于此类合金材料导电率较高，在高频磁场作用下易在材料表面产生较强涡电流，导致μ′_r(ω)下降和μ′′_r(ω)增大，从而限制了其在高频磁场检测中的磁场增益效果。

针对交流磁场检测与弱磁增益需求，人们开始采用非晶与纳米晶软磁合金（如Fe–Si–B系、Co–Fe–Si–B系及Finemet类）作为磁通聚集器材料。该类材料不仅兼具高磁导率与极低矫顽力等软磁优势，且电阻率显著高于传统软磁合金，因而能够有效降低交流磁场作用下的磁滞与涡流损耗影响。

铁氧体（MnZnFe₂O₄、Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄）与钇铁石榴石（YIG）等软磁材料，凭借其高电阻率（10~10⁶ Ω·cm）成为具有重要潜力的磁通聚集材料。部分研究表明，MnZn铁氧体与YIG石榴石分别从低频高导磁低损耗被动聚磁和高频低损耗集成磁通调控2个方向，为磁通聚集器关键材料基础与器件结构设计的协同优化提供了科研依据。

基于Fe–Si–Insulated型软磁复合材料的磁通聚集器在交流磁场检测场景下可展现良好磁学性能。此类材料具有10量级的初始磁导率、几十至数百安培/米的矫顽力，并在10 kHz~1 MHz频段内兼具较低涡流损耗和相对稳定的交流磁导率，可提供平稳可靠的磁场增益，进一步优化结构设计，获得数倍至数十倍的磁场增益效果。

在更高端的弱磁检测领域，超导型磁通聚集器依托迈斯纳效应与磁通守恒原理，可在结构收缩区域实现数百倍的磁场增益，使巨磁电阻（GMR）、隧穿磁电阻（TMR）等磁阻式传感器磁场分辨率逼近皮特斯拉量级水平。Yang等、Wu等和Han等的系列研究证明了磁阻式−超导复合磁传感器在低频微弱磁场检测中的优异性能。为显著提升该类传感器性能，高温超导材料需要具备更高临界温度、临界电流密度、更低的表面粗糙度及更低交流损耗特性，从而在磁通聚集器的收缩区域实现高磁场增益、稳定、低噪声的磁场放大效果。

总之，磁通聚集器性能主要取决于其材料磁学参数，并呈现一定磁场频率范围的依赖性。低频应用更偏向采用高磁导率软磁合金，中频段更适合非晶与纳米晶软磁材料，高频段则以铁氧体和石榴石类高电阻软磁材料为主，而追求超高灵敏度时可以依赖超导材料（表1）。磁通增益效果受材料的复杂磁导率频响特性、矫顽力及导电率等因素的综合制约。未来发展趋势将主要集中在高电阻率、高磁导率的新型复合磁性材料制备，结合薄片化结构、三维微结构磁路设计或超导–固态混合集成方案，提升直流至高频范围的磁通增益效果，为改善传感器磁场分辨率提供材料基础。

表1 各类型磁通聚集器铁磁材料的相关参数、磁场增益及应用场景

基于磁路理论，磁通聚集器的几何尺寸、结构及形状对磁场增益具有显著影响。在导磁材料确定的前提下，磁通聚集器的磁场增益与工作频率范围很大程度上取决于其几何参数，包括长度与宽度、截面形状、气隙尺寸与数量、三维构型及与传感单元的相对距离等参数。

近年来，针对磁通聚集器磁路有效长度、气隙以及导磁截面积比等参数的优化，普遍采用有限元仿真（FEM）、参数扫描、灵敏度分析，以及多目标优化算法等方法，对磁通聚集器结构开展系统设计。基于FEM，通过改变长度、厚度、锥角、气隙宽度及曲率半径等参数，计算磁场增益、线性度和饱和场，进而选取磁通聚集器的最优结构。如图2所示，使用FEM软件建立了包含T字型、漏斗型、宽条型等8种典型形状的二维模型，对比不同外形尺寸、导磁截面积比及气隙长度等因素对磁场增益的影响，通过实验验证仿真结果的有效性。结果表明，磁通聚集器几何形状的变化，尤其是导入端有效截面积及等效磁路相关几何参数，会显著影响气隙内磁通密度的空间分布。图3显示，T字型磁通聚集器在气隙处可获得最高的磁场增益峰值，但分布起伏显著，导致磁敏感单元的定位对灵敏度高度敏感；而宽条型等结构的增益较低但更平缓，可在气隙区域形成相对均匀的磁场分布。因此，磁通聚集器几何构型决定了气隙处最大磁场增益与空间分布均匀性之间的权衡关系。此外，围绕微型传感器与MEMS器件的研究开始探索通过拓扑优化与各向异性超材料对有效磁导率张量进行调控，以在有限体积内获得更高的方向性磁通聚集能力。

图2 基于坡莫合金磁通聚集器形状的FEM结果及磁通密度分布

图3 不同形状磁通聚集器气隙处磁场增益倍数

采用锥形或双层结构压缩磁通聚集器的导磁截面，是提升气隙处磁场增益的有效途径之一。Guedes等利用条形磁通导轨集成自旋阀传感器，实现了约20倍的磁场增益，验证了高磁导率条形导轨与窄气隙结构对磁场增益及传感器灵敏度提升的可行性。Marinho等提出三维锥形磁通聚集器，实验结果表明三维锥形结构可将平面磁通聚集器的磁场增益提升2个数量级。Valadeiro等设计的一种双层纵向锥形结构，在保持较低饱和场的前提下在气隙处实现了提升磁通密度的目的。Yang等提出了一种层叠化微型磁通聚集器与TMR传感器元件相耦合的磁通导引架构，可提供24倍的磁场增益。Li等提出纳米尺度球体构成的磁通聚集结构，用于提升传感单元磁场探测能力。

气隙是磁通聚集器磁路中磁阻最大的一部分，其尺寸和形状直接决定磁场增益倍数与传感器的线性工作范围。Hu等针对TMR传感器提出双缝隙结构，该实验结果展示了优化后的双缝隙结构可使传感器灵敏度提升约10倍，且对本底噪声影响较小。多缝隙的对称结构在电力电流测量与复杂场分布检测中同样被证明是有效的磁通聚集器设计方法之一。Zhu等提出弯曲梯形磁通聚集器，优化后的几何设计显著提高了多芯电缆电流测量的灵敏度与线性范围，并改善了频率响应。Manceau等通过微米级厚度坡莫合金结构结合极窄气隙的设计，验证了通过微纳工艺来调控磁通聚集器气隙相关参数的方法是提升磁场增益的重要手段。

对于非均匀分布以及电缆、电机、人体生物磁源等产生的三维复杂场源，简单的平面条形磁通聚集器往往难以实现高效磁通聚集效果。Zhao等提出在硅片上采用各向异性刻蚀工艺形成V形沟槽，并在坡面和底部沉积坡莫软磁薄膜用于形成斜坡式磁通导向结构，可有效提升气隙处GMR传感器的灵敏度。Fescenko等利用2枚锥形铁氧体构成蝴蝶结形磁通聚集结构，实现了约250倍的磁场增益效果，使该磁力计在10 Hz~1 kHz 频段的灵敏度改善至皮特斯拉量级。Han等在软磁与超导磁通聚集器技术的研究中指出多级聚磁结构既能在保证片上集成度的同时显著提高整体磁场增益，还为低温环境下超导–磁阻复合磁传感器的设计提供了更大的自由度。

以上研究表明了在材料参数既定的条件下，基于FEM与拓扑优化的几何设计策略，通过截面压缩与锥形设计、气隙尺寸与多缝隙结构优化、三维共形结构与多级磁通聚集结构组合等手段，可将磁通聚集器的有效磁场增益提升至数十倍甚至数百倍，并在兼顾频率响应与线性范围的前提下实现磁传感器整体性能的全面提升。

磁通聚集器是改善各类磁传感器灵敏度和磁场分辨率的核心手段。对于传统感应式线圈或通过检测感应磁场的电流传感器而言，利用高磁导率软磁材料构成环形或梯形磁芯，可以显著放大导线周围的泄漏磁通，实现对多芯电力电缆和复杂磁路的非接触测量。而曲折梯形磁通聚集器被用于多芯电缆电流测量，提升信噪比，为电流反演和空间分布重建提供技术基础。针对高灵敏磁传感器应用的磁通聚集技术得到了系统化发展。在磁阻式传感技术中，基于自旋电子学的磁阻式传感器充分结合了铁磁材料薄膜制备、微纳加工工艺及多维异质异构集成技术，拓展了微纳磁通聚集器应用范围。进一步通过优化双层锥形或双间隙结构，整体磁场增益倍数可达10量级；在此基础上，采用多级片上与片外聚集器级联的结构方法，有利于实现高空间分辨率的面扫描与生物磁标记检测。Oogane等、Kurashima等面向生物磁场检测领域研制了一款高灵敏TMR传感器，结合MEMS谐振结构的交流调制型磁通聚集器，还可以将准直流信号搬移到10~10⁵ Hz的低噪声频段，显著改善弱磁与低频信号的分辨率。

对于量子磁传感技术，磁通聚集器更多承担磁通—磁场变换器的角色。在NV色心磁强计领域，基于MnZn/NiZn系铁氧体或高磁导率合金制备的锥形、喇叭形磁通聚集器，能够在NV色心磁强计附近实现约250倍的局域磁场放大；集成式微型磁通聚集器还可将NV核自旋磁共振的检测灵敏度提升约4倍。Shao等采用小型化光纤化NV磁强计与锥形磁通聚集器相结合的方法提升磁场灵敏度约200倍。对于光泵原子磁力仪与SERF磁力仪，可以在不显著增加本底噪声的前提下压缩有效感应体积、提高局域磁场幅值，有利于提升弱磁检测应用的空间分辨率。对于超高灵敏度的超导–磁阻集成式磁敏传感器，其超导环形结构可为传统磁阻式传感芯片提供10²~10⁵倍的磁通增益效果。然而，超导磁通聚集器的磁通聚集机制依赖低温环境，低温制冷与系统集成的复杂性仍在一定程度上限制了该类型传感器的实际应用场景。

集成磁通聚集器的各类磁传感器磁场分辨率如图4所示。图中数据点旁数字为参考文献编号。在聚集器微纳化趋势下，采用锥形、喇叭形及多级级联等结构设计，不仅能显著提升系统信噪比，还能有效调控磁敏感单元的等效体积，从而实现极弱信号探测能力与空间分辨率的协同优化。

图4 集成磁通聚集器的各类磁传感器磁场分辨率

基于磁路理论的分析表明，提升磁通聚集器性能的核心在于选用高磁导率、低矫顽力、高电阻率、低损耗的软磁材料，进一步优化材料与结构的等效磁阻，以最大化磁通收集效率，同时抑制高频涡流损耗。近年来，随着软磁合金、非晶与纳米晶带材、铁氧体及超导材料等高磁导率功能材料的持续发展，为构建低损耗、高增益的磁通聚集系统提供了多样化的材料选择。通过锥形、双气隙、盘状端面及三维复合结构等几何构型的优化设计，可显著提升聚磁效率、磁场均匀性与有效工作带宽，在弱磁场条件下实现接近3个数量级的磁场增益。目前，磁通聚集器已在多种磁传感技术中展现出显著的增益效果：在感应式与霍尔式传感器中，有效提升灵敏度并降低系统噪声；在磁阻式传感器中，助力实现皮特斯拉乃至飞特斯拉量级的磁场分辨率；在NV色心磁强计与光泵原子磁力仪等量子磁传感器中，更可将系统探测极限推进至飞特斯拉量级。总体而言，磁通聚集技术正逐步成为突破弱磁检测灵敏度瓶颈的关键支撑手段。未来，有望通过材料微结构调控、低损耗高频磁响应设计、超导−软磁异质集成以及微纳尺度几何工程等方向的协同创新，推动磁传感器在灵敏度、磁场分辨率与长期稳定性等方面的全面跃升。

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