磁通聚集技術在微弱磁場傳感技術中的應用

原文發表于《科技導報》2026 年第 9期《微弱磁場檢測傳感器中的磁通聚集技術》

磁通聚集器通過提高局部磁場密度和優化磁信號耦合效率，可顯著增強傳感器的靈敏度與信噪比，因而成為微弱磁場高精度檢測系統中的重要器件。《科技導報》邀請中國科學院空天信息創新研究院、傳感器技術全國重點實驗室金珍虎、陳嘉民團隊撰寫文章，綜述了磁通聚集技術的最新研究進展，重點介紹了磁路理論、高磁導率與低矯頑力磁性材料的設計思路及高磁場增益磁通聚集器結構的優化方法。同時，探討了磁通聚集效應在微弱磁場傳感技術中的應用現狀與趨勢，提出未來可依托微納集成技術，實現高磁場分辨率與器件微型化的協同提升，為突破微弱磁信號檢測的信噪比瓶頸提供重要的參考與發展方向。

微弱磁場檢測技術賦予人類感知極其微弱磁信號的能力，在生物醫學成像、地磁測量、無損檢測及空間探測等領域具有重要應用價值。隨著物聯網、全屋智能與新能源汽車等新興數字化系統的快速發展，磁傳感器的角色由單一物理量測量技術提升為連接電能、運動與結構狀態的關鍵感知技術。然而，在極弱磁場檢測場景中，這些基于經典磁電轉換機理的傳感器仍受限于固有噪聲與工作機理，導致磁場分辨率受限、信噪比偏低。因此，在微弱磁場檢測中如何實現靈敏度提升、噪聲抑制與系統穩定性的協同提升，已成為目前各類磁傳感器面臨的關鍵問題。

磁通聚集技術通過在傳感芯片周圍引入高磁導率軟磁結構，將外部磁場聚集至傳感單元，從而顯著提高局部磁通密度與磁信號耦合效率，是提升磁傳感器靈敏度與線性度的核心技術之一。我們將圍繞磁路理論、高磁導率與低矯頑力材料選擇、磁通聚集器結構設計與制備方法及其在高靈敏磁傳感器中的應用展開系統論述，展示該領域的研究現狀、關鍵技術挑戰及未來發展趨勢。

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基于磁路理論的磁通聚集器性能提升方法

1.1 磁通聚集技術原理與靜態磁場增益

磁通聚集技術是基于高磁導率材料的磁通聚集器利用重構空間磁場分布，使磁通在傳感器處更加密集，從而增強局部磁感應強度，達到提升對微弱磁場變化感知靈敏度的技術。磁通?可表示為

基于經典磁路理論，磁通聚集器置于待測磁場中，其周圍磁場分布主要由磁通聚集器自身磁阻與外部磁動勢決定。磁動勢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勢與流經磁通的比值，可表示為

由于磁通聚集器材料的磁導率遠高于空氣磁導率，磁力線將優先沿磁阻更小的路徑通過磁通聚集器，并在傳感器敏感區域內集中；而磁通聚集器的磁場增益系數則與材料特性及幾何結構密切相關。當傳感器感知外界均勻磁場H0時，空氣中磁感應強度Bair為

磁通聚集器內磁場強度Hin滿足

其中

式中，N為磁通聚集器沿外界H0磁場方向退磁系數，與磁通聚集器幾何尺寸和結構相關；M為磁通聚集器的磁化強度；χ為磁通聚集器材料的磁化率。

由式（4）~式（6）可得

則磁通聚集器內部磁感應強度Bin為

相對空氣來說，磁場增益放大系數GMFC可表示為

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

1.2 磁通聚集器幾何結構對磁場增益的影響

通過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強度，而采用對稱型磁通聚集器并將其置于傳感器磁敏感單元區周圍，則可使傳感器獲得穩定、線性的局部磁場增強效果。若在理想假設條件下可忽略漏磁，則根據磁通守恒可知

其中

式中，Sin為磁通進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為氣隙處磁感應強度。

圖1展示了對稱結構磁通聚集器的等效磁路模型，用于說明其通過改變磁阻分配而增強氣隙處磁場的機理。磁通聚集器利用高磁導率材料的低磁阻特性（通常RMFC?Rair）形成優先導磁通道，從外界吸納磁力線。因此，通過低磁阻材料設計與幾何截面積比優化，可實現對待測磁場的高效放大，氣隙處磁場增益Ggap可表示為

圖1 采用對稱結構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率之外，還需關注其磁化反轉的難易程度，即矯頑力Hc的影響。對于大部分軟磁材料，初始磁導率與矯頑力近似成反比關系。尤其在微弱磁場檢測的應用場景下，高磁導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強度，實現傳感器靈敏度提高的目的。

1.3 高頻磁場檢測中的磁通聚集器損耗機制、材料選型及幾何參數優化

對于高頻磁場檢測需求，還需要考慮外界磁場頻域對磁通聚集器磁導率的影響。當待測磁場為交流磁場時，交流磁導率μr(ω)可表示為

為提升交流磁場檢測時的磁通增益，應選用具有高實部磁導率μ′r(ω)鐵磁材料，同時充分考慮jμ′′r(ω)項所對應的磁滯損耗對μr(ω)的抑制作用。磁滯損耗本質上取決于一個磁化周期內的能量積分，即材料磁滯回線的面積，而矯頑力Hc越小，磁滯回線越窄，表明每次磁化翻轉需要克服的能量越小，相應損耗也越小。因此，材料矯頑力是面向交流磁場檢測時磁通聚集器選材過程中重要的權衡指標之一。

此外，還需要通過優化磁路相關尺寸及結構來降低磁通聚集器的磁阻

由于趨膚效應，隨外部磁場頻率的升高，磁性材料內部感應的渦電流趨向于在材料表面聚集，從而導致有效導磁截面減小，此時導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為材料導電率。

對于高頻條件下工作的磁通聚集器，應選擇磁導率較高、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，可采用薄片化、疊層結構或小截面結構的磁通聚集器設計，使其幾何尺寸小于趨膚深度，用于抑制渦流損耗帶來的不利影響。

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

綜上所述，對于微弱磁場檢測需求，磁通聚集器在選材上應優先采用高磁導率、低矯頑力、低噪聲的軟磁材料，并在幾何設計上適當采用較大導磁截面、較厚，甚至塊體結構，以降低磁阻、提高磁通聚集增益。而對于交流磁場檢測場景，還必須綜合考慮材料電阻率、磁滯損耗及渦流損耗等因素，幾何結構宜采用薄片化、疊層化及平面化設計，有效抑制磁滯和渦流損耗，兼顧磁場增益與工作頻率范圍，以滿足高頻磁場檢測應用需求。

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高磁通增益磁通聚集器材料

2.1 高磁導率軟磁合金

目前廣泛研究和應用的磁通聚集材料主要包括高磁導率軟磁合金、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、軟磁復合材料，以及近年來快速發展的超導磁通聚集器。不同材料體系在磁導率、矯頑力、磁滯損耗及導電率等方面存在顯著差異，在弱磁檢測與寬頻段磁場測量中呈現出各自不同的優勢。軟磁合金是早期磁通聚集器研究中應用較為廣泛的材料體系。此類材料具有較高磁導率、低矯頑力及良好的磁疇結構穩定性，可在直流至千赫茲頻段顯著降低磁通聚集器磁阻，提供有效的磁場增益。然而，由于此類合金材料導電率較高，在高頻磁場作用下易在材料表面產生較強渦電流，導致μ′r(ω)下降和μ′′r(ω)增大，從而限制了其在高頻磁場檢測中的磁場增益效果。

2.2 非晶與納米晶軟磁材料

針對交流磁場檢測與弱磁增益需求，人們開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率與極低矯頑力等軟磁優勢，且電阻率顯著高于傳統軟磁合金，因而能夠有效降低交流磁場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磁低損耗被動聚磁和高頻低損耗集成磁通調控2個方向，為磁通聚集器關鍵材料基礎與器件結構設計的協同優化提供了科研依據。

2.4 軟磁復合材料

基于Fe–Si–Insulated型軟磁復合材料的磁通聚集器在交流磁場檢測場景下可展現良好磁學性能。此類材料具有10量級的初始磁導率、幾十至數百安培/米的矯頑力，并在10 kHz~1 MHz頻段內兼具較低渦流損耗和相對穩定的交流磁導率，可提供平穩可靠的磁場增益，進一步優化結構設計，獲得數倍至數十倍的磁場增益效果。

2.5 超導磁通聚集器

在更高端的弱磁檢測領域，超導型磁通聚集器依托邁斯納效應與磁通守恒原理，可在結構收縮區域實現數百倍的磁場增益，使巨磁電阻（GMR）、隧穿磁電阻（TMR）等磁阻式傳感器磁場分辨率逼近皮特斯拉量級水平。Yang等、Wu等和Han等的系列研究證明了磁阻式?超導復合磁傳感器在低頻微弱磁場檢測中的優異性能。為顯著提升該類傳感器性能，高溫超導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域實現高磁場增益、穩定、低噪聲的磁場放大效果。

總之，磁通聚集器性能主要取決于其材料磁學參數，并呈現一定磁場頻率范圍的依賴性。低頻應用更偏向采用高磁導率軟磁合金，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可以依賴超導材料（表1）。磁通增益效果受材料的復雜磁導率頻響特性、矯頑力及導電率等因素的綜合制約。未來發展趨勢將主要集中在高電阻率、高磁導率的新型復合磁性材料制備，結合薄片化結構、三維微結構磁路設計或超導–固態混合集成方案，提升直流至高頻范圍的磁通增益效果，為改善傳感器磁場分辨率提供材料基礎。

表1 各類型磁通聚集器鐵磁材料的相關參數、磁場增益及應用場景

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磁通聚集器幾何參數優化

基于磁路理論，磁通聚集器的幾何尺寸、結構及形狀對磁場增益具有顯著影響。在導磁材料確定的前提下，磁通聚集器的磁場增益與工作頻率范圍很大程度上取決于其幾何參數，包括長度與寬度、截面形狀、氣隙尺寸與數量、三維構型及與傳感單元的相對距離等參數。

3.1 磁通聚集器有限元仿真研究

近年來，針對磁通聚集器磁路有效長度、氣隙以及導磁截面積比等參數的優化，普遍采用有限元仿真（FEM）、參數掃描、靈敏度分析，以及多目標優化算法等方法，對磁通聚集器結構開展系統設計。基于FEM，通過改變長度、厚度、錐角、氣隙寬度及曲率半徑等參數，計算磁場增益、線性度和飽和場，進而選取磁通聚集器的最優結構。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，對比不同外形尺寸、導磁截面積比及氣隙長度等因素對磁場增益的影響，通過實驗驗證仿真結果的有效性。結果表明，磁通聚集器幾何形狀的變化，尤其是導入端有效截面積及等效磁路相關幾何參數，會顯著影響氣隙內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增益峰值，但分布起伏顯著，導致磁敏感單元的定位對靈敏度高度敏感；而寬條型等結構的增益較低但更平緩，可在氣隙區域形成相對均勻的磁場分布。因此，磁通聚集器幾何構型決定了氣隙處最大磁場增益與空間分布均勻性之間的權衡關系。此外，圍繞微型傳感器與MEMS器件的研究開始探索通過拓撲優化與各向異性超材料對有效磁導率張量進行調控，以在有限體積內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結果及磁通密度分布

圖3 不同形狀磁通聚集器氣隙處磁場增益倍數

3.2 磁通聚集器導磁截面與結構設計

采用錐形或雙層結構壓縮磁通聚集器的導磁截面，是提升氣隙處磁場增益的有效途徑之一。Guedes等利用條形磁通導軌集成自旋閥傳感器，實現了約20倍的磁場增益，驗證了高磁導率條形導軌與窄氣隙結構對磁場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，實驗結果表明三維錐形結構可將平面磁通聚集器的磁場增益提升2個數量級。Valadeiro等設計的一種雙層縱向錐形結構，在保持較低飽和場的前提下在氣隙處實現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引架構，可提供24倍的磁場增益。Li等提出納米尺度球體構成的磁通聚集結構，用于提升傳感單元磁場探測能力。

3.3 磁通聚集器氣隙結構優化

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增益倍數與傳感器的線性工作范圍。Hu等針對TMR傳感器提出雙縫隙結構，該實驗結果展示了優化后的雙縫隙結構可使傳感器靈敏度提升約10倍，且對本底噪聲影響較小。多縫隙的對稱結構在電力電流測量與復雜場分布檢測中同樣被證明是有效的磁通聚集器設計方法之一。Zhu等提出彎曲梯形磁通聚集器，優化后的幾何設計顯著提高了多芯電纜電流測量的靈敏度與線性范圍，并改善了頻率響應。Manceau等通過微米級厚度坡莫合金結構結合極窄氣隙的設計，驗證了通過微納工藝來調控磁通聚集器氣隙相關參數的方法是提升磁場增益的重要手段。

3.4 復雜場源環境下三維磁通聚集器設計

對于非均勻分布以及電纜、電機、人體生物磁源等產生的三維復雜場源，簡單的平面條形磁通聚集器往往難以實現高效磁通聚集效果。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向結構，可有效提升氣隙處GMR傳感器的靈敏度。Fescenko等利用2枚錐形鐵氧體構成蝴蝶結形磁通聚集結構，實現了約250倍的磁場增益效果，使該磁力計在10 Hz~1 kHz 頻段的靈敏度改善至皮特斯拉量級。Han等在軟磁與超導磁通聚集器技術的研究中指出多級聚磁結構既能在保證片上集成度的同時顯著提高整體磁場增益，還為低溫環境下超導–磁阻復合磁傳感器的設計提供了更大的自由度。

以上研究表明了在材料參數既定的條件下，基于FEM與拓撲優化的幾何設計策略，通過截面壓縮與錐形設計、氣隙尺寸與多縫隙結構優化、三維共形結構與多級磁通聚集結構組合等手段，可將磁通聚集器的有效磁場增益提升至數十倍甚至數百倍，并在兼顧頻率響應與線性范圍的前提下實現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研究

4.1 磁通聚集器在傳統及主流磁傳感器技術中的應用

磁通聚集器是改善各類磁傳感器靈敏度和磁場分辨率的核心手段。對于傳統感應式線圈或通過檢測感應磁場的電流傳感器而言，利用高磁導率軟磁材料構成環形或梯形磁芯，可以顯著放大導線周圍的泄漏磁通，實現對多芯電力電纜和復雜磁路的非接觸測量。而曲折梯形磁通聚集器被用于多芯電纜電流測量，提升信噪比，為電流反演和空間分布重建提供技術基礎。針對高靈敏磁傳感器應用的磁通聚集技術得到了系統化發展。在磁阻式傳感技術中，基于自旋電子學的磁阻式傳感器充分結合了鐵磁材料薄膜制備、微納加工工藝及多維異質異構集成技術，拓展了微納磁通聚集器應用范圍。進一步通過優化雙層錐形或雙間隙結構，整體磁場增益倍數可達10量級；在此基礎上，采用多級片上與片外聚集器級聯的結構方法，有利于實現高空間分辨率的面掃描與生物磁標記檢測。Oogane等、Kurashima等面向生物磁場檢測領域研制了一款高靈敏TMR傳感器，結合MEMS諧振結構的交流調制型磁通聚集器，還可以將準直流信號搬移到10~105 Hz的低噪聲頻段，顯著改善弱磁與低頻信號的分辨率。

4.2 磁通聚集器在量子磁傳感器技術中的應用

對于量子磁傳感技術，磁通聚集器更多承擔磁通—磁場變換器的角色。在NV色心磁強計領域，基于MnZn/NiZn系鐵氧體或高磁導率合金制備的錐形、喇叭形磁通聚集器，能夠在NV色心磁強計附近實現約250倍的局域磁場放大；集成式微型磁通聚集器還可將NV核自旋磁共振的檢測靈敏度提升約4倍。Shao等采用小型化光纖化NV磁強計與錐形磁通聚集器相結合的方法提升磁場靈敏度約200倍。對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體積、提高局域磁場幅值，有利于提升弱磁檢測應用的空間分辨率。對于超高靈敏度的超導–磁阻集成式磁敏傳感器，其超導環形結構可為傳統磁阻式傳感芯片提供102~105倍的磁通增益效果。然而，超導磁通聚集器的磁通聚集機制依賴低溫環境，低溫制冷與系統集成的復雜性仍在一定程度上限制了該類型傳感器的實際應用場景。

集成磁通聚集器的各類磁傳感器磁場分辨率如圖4所示。圖中數據點旁數字為參考文獻編號。在聚集器微納化趨勢下，采用錐形、喇叭形及多級級聯等結構設計，不僅能顯著提升系統信噪比，還能有效調控磁敏感單元的等效體積，從而實現極弱信號探測能力與空間分辨率的協同優化。

圖4 集成磁通聚集器的各類磁傳感器磁場分辨率

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結論

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率、低矯頑力、高電阻率、低損耗的軟磁材料，進一步優化材料與結構的等效磁阻，以最大化磁通收集效率，同時抑制高頻渦流損耗。近年來，隨著軟磁合金、非晶與納米晶帶材、鐵氧體及超導材料等高磁導率功能材料的持續發展，為構建低損耗、高增益的磁通聚集系統提供了多樣化的材料選擇。通過錐形、雙氣隙、盤狀端面及三維復合結構等幾何構型的優化設計，可顯著提升聚磁效率、磁場均勻性與有效工作帶寬，在弱磁場條件下實現接近3個數量級的磁場增益。目前，磁通聚集器已在多種磁傳感技術中展現出顯著的增益效果：在感應式與霍爾式傳感器中，有效提升靈敏度并降低系統噪聲；在磁阻式傳感器中，助力實現皮特斯拉乃至飛特斯拉量級的磁場分辨率；在NV色心磁強計與光泵原子磁力儀等量子磁傳感器中，更可將系統探測極限推進至飛特斯拉量級。總體而言，磁通聚集技術正逐步成為突破弱磁檢測靈敏度瓶頸的關鍵支撐手段。未來，有望通過材料微結構調控、低損耗高頻磁響應設計、超導?軟磁異質集成以及微納尺度幾何工程等方向的協同創新，推動磁傳感器在靈敏度、磁場分辨率與長期穩定性等方面的全面躍升。

本文作者：金珍虎、張成龍、陳嘉民

作者簡介：金珍虎，中國科學院空天信息創新研究院、傳感器技術全國重點實驗室、中國科學院大學電子電氣與通信工程學院，副研究員，研究方向為磁阻式傳感器開發及應用技術；陳嘉民（通信作者），中國科學院空天信息創新研究院、傳感器技術全國重點實驗室、中國科學院大學電子電氣與通信工程學院，研究員，研究方向為自旋電子學器件及應用技術。

文章來 源 ： 金珍虎, 張成龍, 陳嘉民. 微弱磁場檢測傳感器中的磁通聚集技術[J]. 科技導報, 2026, 44(9): 75?87.

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