Ученые достигли рекордной чувствительности в 100 пТл/см с помощью MEMS-градиентометра из коммерческого акселерометра

В июне 2020 года в журнале Microsystems & Nanoengineering (издательство Springer Nature) была опубликована революционная работа группы американских ученых под руководством Джоша Явора. Им удалось создать магнитометр на основе микроэлектромеханической системы (MEMS), который по чувствительности приближается к громоздким и дорогим сверхпроводящим квантовым интерферометрам (СКВИД), использующимся для измерения магнитных полей мозга и сердца .

В основе разработки лежит нестандартный подход: исследователи не стали создавать чип с нуля, а использовали серийный коммерческий MEMS-акселерометр ADXL203 производства Analog Devices. Методом «pick-and-place» на чувствительный элемент акселерометра был установлен постоянный микромагнит. При воздействии внешнего магнитного поля магнит испытывает силу Лоренца, которая передается на структуру акселерометра, позволяя измерять градиент поля с беспрецедентной точностью .

В вакуумной среде (1 мТорр) и при наличии магнитного экранирования датчик показал разрешение 100 пикотесла на сантиметр (пТл/см) на резонансной частоте. Это в 30 раз лучше, чем у предыдущих MEMS-магнитометров, и в 1000 раз лучше, чем у MEMS-градиентометров. В обычных условиях (на воздухе) устройство сохраняет линейность в широком динамическом диапазоне до 4.6 мкТл/см .

Технической особенностью стала высокая пространственная разрешающая способность: размер чувствительного элемента составляет всего 0.25 мм вдоль измерительной оси, что в четыре раза меньше, чем у существующих градиентометров. Расчетный уровень собственного шума платформы достигает 110 фТл·см⁻¹·Гц⁻¹/², что открывает дорогу к созданию недорогих и компактных устройств для магнитокардиографии (МКГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ).

По словам авторов, работа демонстрирует огромный потенциал гибридной сборки микрообъектов. Использование готовых инерциальных датчиков в качестве основы для магнитных измерений может значительно удешевить производство медицинской диагностической техники и сделать её доступной для массовых клиник, заменив криогенное охлаждение, необходимое для работы СКВИДов.