《Sensors and Actuators A: Physical》：An Ultra-High Sensitivity Magnetic Sensing Mechanism with A Sliding Nanoelectromechanical Resonator
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纳米机电磁传感器灵敏度提升机制研究|硬磁块替代|耦合纳米鼓共振检测|石墨烯膜结构优化|三维振动模态分析
童玲|叶云豪|王浩然|曹霞|张丽佳|赵竹洁|韩明磊|黄宇博|夏远林|王东锋|刘晓宇|王竹青
四川大学机械工程学院，中国成都610065
摘要
磁力计在导航、地理勘探和航空航天等多个领域发挥着重要作用。为了突破灵敏度的限制，本文首次提出了一种采用创新滑动纳米机电谐振器的超高灵敏度传感机制。通过使用硬磁块替代软磁薄膜来更灵敏地感知磁场，并采用耦合谐振纳米鼓将磁场转换为可测量的谐振频率变化。利用滑动耦合原理，实现了“磁场感知与谐振检测的分离”，从而克服了硬磁块对纳米鼓谐振频率的显著负面影响。理论和有限元仿真结果表明，在0~1.1 T的磁场强度范围内，所提出机制的灵敏度高达3310.384 MHz/T，比目前最高的灵敏度（1.91 MHz/T）提高了三个数量级。进一步开发了宏观原型以验证该机制的可行性，并研究了关键结构参数（如几何尺寸、内置张力和二维膜原子层）对灵敏度的影响。这项工作为超高灵敏度纳米机电磁力计的发展开辟了新的途径。
部分内容
引言：
磁力计是一种用于测量磁场强度的传感器，其基本工作原理是通过感知环境中的磁感应强度来获取磁场信息。磁力计广泛应用于导航、地球物理勘探、航空航天、消费电子、医疗健康等领域。
目前，有许多类型的磁场传感器用于测量磁场，其中大多数基于磁性和电现象。
结构设计与理论考虑
所提出的NEMS磁场传感器的示意图如图1a所示。该传感器由经过表面氧化处理的SOI晶片制成，主要包括三个关键部件：一个中央石墨烯纳米鼓、一个带有环形磁块的悬挂式环形石墨烯膜，以及一个通过滑动耦合机制将这两个元件机械连接的滑动石墨烯膜。此外，还包含一个源电极S和一个漏电极。
所提出传感机制的FE分析
使用COMSOL Multiphysics软件对不同谐振模式下滑动2D石墨烯纳米鼓的传感曲线进行了FE仿真，结果如图3所示。当使用第1至第3个中心对称振动模式的谐振频率作为检测量时，磁力计的模态灵敏度分别为916.24 MHz/T、2104.59 MHz/T和3310.384 MHz/T，且线性度始终高于0.9875。因此，谐振模式的阶数越高，灵敏度也越高。
等效实验
考虑到滑动石墨烯纳米鼓的加工和测试挑战，为了进一步验证本文描述的传感机制，如图7a所示，我们开发了一个宏观原型，该原型包括一个波形发生器（JUNTEK PSG9080，中国）、一个示波器（GWinstek GDS-2104A，中国台湾）以及用于等效实验演示的宏观原型。该宏观原型用于固定薄膜，使其能够在环形支撑结构上滑动。
COMSOL有限元（FE）仿真分析
为了更直观地观察两种不同结构的磁场传感器在磁场作用下的应力变化、位移变化和谐振模式变化，对滑动2D石墨烯纳米鼓磁场传感器和滑动2D石墨烯带状磁场传感器在磁场作用下的应力分布图、垂直位移分布图和模态图进行了仿真。如图10b所示，
结论
总之，本研究提出了一种创新的超高灵敏度磁场检测机制，该机制采用硬磁块配置替代了传统的软磁薄膜，显著提高了磁响应性，而耦合谐振纳米鼓换能器则有效地将磁通量变化转换为可量化的频率变化。
作者贡献声明
叶云豪：撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件开发、方法论研究、数据分析、概念化。张丽佳：数据分析、形式化分析。曹霞：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。刘晓宇：撰写——审稿与编辑、监督、方法论研究。王东锋：监督。童玲：撰写——初稿、可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据分析
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本论文的过程中，作者使用了DeepSeek工具来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号62404144）和四川省科技计划（项目编号2025YFHZ0289）的支持。部分工作还得到了“中央高校基本科研业务费”（项目编号1082204112E78）的资助。
童玲目前在中国成都的四川大学攻读学士学位，主要从事谐振纳米机电传感器的研究。
