原子磁傳感器原子氣室無磁控溫技術*

張 鵬， 陳洪娟， 桂永雷， 孫立凱， 邵志強， 崔洪亮

(1.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；3.中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

原子磁傳感器原子氣室無磁控溫技術*

張 鵬1,2,3， 陳洪娟1,2， 桂永雷3， 孫立凱3， 邵志強3， 崔洪亮3

(1.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；3.中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對原子磁傳感器堿金屬原子氣室對無磁加熱的需求，解決磁力儀共振譜線信號信噪比低的問題，使用了差分對的布線方法，采用微加工膜工藝，在陶瓷基板上制備了方形純銅材質的無磁加熱線圈。使用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件分析了線圈在2.2 mA直流條件下產生的附加穩(wěn)態(tài)磁場分布情況，結合Pro/Engineer軟件構建的銅質氣室固定支架及其熱仿真分析結果，得到了比較理想的加熱線圈固定位置。進一步分析確定了20 kHz交流加熱方案，最終制作完成了具有3W加熱功率和0.1℃控溫精度的無磁加熱器。實驗結果表明：該加熱器瞬時磁擾動為2.24 pT，滿足原子氣室無磁加熱要求。其結果對原子磁傳感器氣室的設計及工作參數(shù)的優(yōu)化改進具有一定的參考意義。

原子磁傳感器； 原子氣室； 無磁加熱； 加熱線圈； 磁擾動

0 引 言

高靈敏度磁力儀具有在地球物理勘探[1]、輔助導航[2]、醫(yī)學疾病診斷[3]、生物磁信號檢測[4]、物質分析[5]、水下探測[6]到深空探測[7]的廣泛應用前景，近年來已經獲得越來越多的關注。其中，光學泵浦原子磁力儀(optically pumped atomic magnetometers,OPAMs)更是引起了相當大的關注。其在自旋—交換—弛豫自由(spin-exchange relaxation free,SERF)條件下具有高達0.01 fT/Hz1/2的理論靈敏度[8～10]，并且不需要低溫冷卻，使得測量系統(tǒng)具有更小的體積和更低的成本，很有希望替代先前的超導量子干涉裝置(superconducting quantum interference devices,SQUID)磁力儀，用于諸如腦磁圖(magnetoencephalo-graphy,MEG)和磁心動描記(magnetocardiography,MCG)等生物磁測量[11]領域。在超低磁場磁共振成像(ultra-low-field magnetic resonance imaging,ULF-MRI)測量[12]中，必須檢測微弱的低頻磁場(magnetic resonance,MR)信號，需要在低頻范圍內具有高度靈敏的磁傳感器，高靈敏度的OPAMs自然也成了ULF-MRI首選方式。同時，高靈敏度OPAMs也受到了國內學者及研究機構的廣泛關注，并開展了一系列的相關研究工作[13，14]。然而OPAMs傳感器目前依然存在著很多問題,其中,敏感結構無磁加熱、無磁封裝等關鍵技術制約著原子磁傳感器的發(fā)展。

高靈敏度磁力儀具有在地球物理勘探[1]、輔助導航[2]、醫(yī)學疾病診斷[3]、生物磁信號檢測[4]、物質分析[5]、水下探測[6]到深空探測[7]的廣泛應用前景，近年來已經獲得越來越多的關注。其中，光學泵浦原子磁力儀(optically pumped atomic magnetometers,OPAMs)更是引起了相當大的關注。其在自旋—交換—弛豫自由(spin-exchange relaxation free,SERF)條件下具有高達0.01 fT/Hz1/2的理論靈敏度[8～10]，并且不需要低溫冷卻，使得測量系統(tǒng)具有更小的體積和更低的成本，很有希望替代先前的超導量子干涉裝置(superconducting quantum interference devices,SQUID)磁力儀，用于諸如腦磁圖(magnetoencephalo-graphy,MEG)和磁心動描記(magnetocardiography,MCG)等生物磁測量[11]領域。在超低磁場磁共振成像(ultra-low-field magnetic resonance imaging,ULF-MRI)測量[12]中，必須檢測微弱的低頻磁場(magnetic resonance,MR)信號，需要在低頻范圍內具有高度靈敏的磁傳感器，高靈敏度的OPAMs自然也成了ULF-MRI首選方式。同時，高靈敏度OPAMs也受到了國內學者及研究機構的廣泛關注，并開展了一系列的相關研究工作[13，14]。然而OPAMs傳感器目前依然存在著很多問題,其中,敏感結構無磁加熱、無磁封裝等關鍵技術制約著原子磁傳感器的發(fā)展。

本文針對原子氣室無磁加熱問題開展了研究，通過在陶瓷基板上采用差分對布線的方法，獲得了擾動為2.24pT的無磁加熱平面線圈，為高靈敏度小型化OPAMs用無磁加熱器的設計做出了有益的探索。

1 原子氣室加熱方式的提出

原子磁傳感器中的原子氣室是敏感單元，其正常工作需要合適的工作溫度。通過提高原子氣室溫度，增加原子數(shù)密度，這已經被證明是一種提高靈敏度的有效方式。對原子氣室加熱要保證加熱方式對待測量的磁場無干擾，因此，無磁控溫是原子磁傳感器氣室結構的關鍵。2012年，德國耶拿光子技術研究所(Institute of Photonic Technology,Jena)Jsselsteijn R I 等人采用激光加熱的方式，通過光纖對磁力儀實現(xiàn)了弱磁加熱集成化[15]。Shah V教授采用間斷加熱方式，實現(xiàn)了將尺寸為5 mm×5 mm×5 mm的銣原子氣室加熱至200 ℃[16]。Schwindt P D D[17]教授通過將制作有銦錫氧化物(ITO)薄膜電阻的鏡像圖案的兩個玻璃基板與非導電環(huán)氧樹脂膠合在一起制成具有抵消磁場作用的ITO加熱器，加熱器被放置在體積為1 mm×2 mm×1 mm的87Rb原子氣室上方和下方，其交流加熱功率為175 mW。可將氣室加熱至110 ℃而在氣室處產生的磁場估計為3.5 nT。Kitching J等人[17]提出了“光子”磁力計的設計構想，采用光加熱磁力計原子氣室，通過使用對腔壁具有低熱傳導率的懸架將MEMS原子氣室保持在空腔中，實現(xiàn)以最小的加熱功率使氣室升高到其工作溫度。然而，激光加熱器電流會產生附加擾動磁場，只有使用與ITO加熱器相同頻率的交流加熱方式，才能比較容易地減輕激光加熱器電流的影響。另外，激光加熱的方案還增加了系統(tǒng)復雜度且不利于系統(tǒng)小型化。最終，本文采用了電流加熱方案，設計了具有磁場抵消效果的無磁加熱線圈,研制了可用于原子氣室的無磁加熱器。

2 無磁加熱部件設計

由于原子磁力儀系統(tǒng)的小型化設計要求，對無磁加熱器面積及厚度都提出了比較嚴格的要求。另外，由于文獻[18]中提到的鏡像圖案膠合方案可能會出現(xiàn)對齊誤差，從而導致消磁效果不好。因此，本文使用了平面差分布線方案，以期在更薄的厚度上實現(xiàn)更好的磁場抵消效果。為了進一步減弱加熱電流產生的附加磁場，在加熱線圈與原子氣室之間加入了純銅固定支架，以熱傳導的方式對氣室進行加熱。

2.1 無磁加熱線圈的設計

無磁加熱線圈整體設計為方形差分布線樣式，基板選擇4 cm×4 cm的方形陶瓷板，厚度為1 mm。采用微加工平膜設計方法，首先，在陶瓷基片上濺射金屬薄膜。再采用微加工的光刻腐蝕工藝形成平行柵格差分對加熱器結構，利用平行柵格差分對中電流相反的特性來抵消附加磁場。布線寬度和線間距均為5 mil(1 mil=25.4 μm)，每邊布約為36條，考慮到加熱效率及附加磁場效應，基板中心留出2 cm×2 cm空白區(qū)。通過對加熱線圈材料控制可使其具備較小的剩磁特性，本文使用無磁性的銅形成3 μm的薄膜，加熱線圈設計電阻阻值約為310 kΩ，加熱器設計板圖如圖1所示。

圖1 加熱線圈平面差分對布線

2.2 線圈直流加熱時產生的附加磁場分析

設計中線圈每邊有18對差分對，直接用公式計算比較復雜，難以處理線圈拐角的磁場強度。這里使用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件對整個線圈在直流穩(wěn)態(tài)工作時在周圍空間產生的磁感應強度進行了仿真分析，如圖2所示。方形線圈位于XY平面內，求解域區(qū)域設定為以線圈中心點為零點，半徑3 cm的球形區(qū)域，覆蓋了半徑為1.5 cm的Cs原子氣室所在空間，線圈的工作電流設定為2.2 mA。

圖2 加熱線圈垂直方向和水平方向磁場分布圖

在球形區(qū)域內磁通密度分布特點為赤道區(qū)域的磁通密度最強，從赤道向兩極磁通密度開始顯著衰減，兩極區(qū)域磁通密度最弱。

由圖2(a)可以更清楚地看到,磁通密度沿Z軸的分布情況，赤道區(qū)域磁通密度強其數(shù)值約在(6～8)×10-9T，在線圈對角線方向上磁通密度甚至達到了最大值9.09×10-9T；在距離線圈平面垂直高度3 cm(Z=3 cm)處的磁通密度低至1.03×10-11T。

圖3(a)給出了空間磁通密度隨Z軸的分布曲線，可以看出：磁場以Z=0對稱分布。由于Cs原子氣室位于線圈上方，因此,重點分析曲線右半部分即可。可以看出，曲線上的Z=1.25 cm為一個重要轉折點：在Z∈(0,1.25)時，磁場梯度約為2×10-8T/cm；而在Z∈(1.25,3)時，磁場梯度顯著減小，約為3.3×10-10T/cm。由于原子氣室中氣態(tài)堿金屬原子對磁場梯度的變化敏感，為了減小磁場梯度對其影響，需要將氣室與線圈保持一定距離。通過上述分析，氣室最低點與線圈平面的垂直距離應該選擇1.25 cm，同時，還需分析線圈在氣室球心部分水平方向上產生的附加磁場。

圖3 磁通密度沿Z軸和X軸分布圖

如圖2(b)所示，線圈在水平方向上產生的附加磁場分布特點為中心磁場弱，外部磁場強。具體數(shù)值與圖2(a)的分析一致。為了確定線圈在過球心的水平方向上的磁場分布，繪制了Z=2.75 cm處的磁通密度沿X軸的分布曲線如圖3(b)所示。

由圖3(b)可以看出，沿X軸的磁通密度分布以X=0對稱。在Z∈(-1,1)范圍內，磁場梯度較小，對氣室內原子狀態(tài)的影響不大。沿X軸的磁場梯度分布大致可以分為6個區(qū)間分析，如表1所示。

表1 磁感應強度分布區(qū)間

2.3 無磁加熱線圈制作

加熱線圈采用Al2O3陶瓷作為基片，經濺射，在基片表面形成金屬薄膜。再經離子束刻蝕，得到加熱器柵條結構，最后，經熱處理，使金屬膜結構更加穩(wěn)定。

2.4 無磁純銅固定支架結構熱仿真

氣室的加熱結構采用無磁純銅制成，加熱線圈緊貼在其上下兩個平面上。為了驗證溫控系統(tǒng)的測溫監(jiān)控點以及線圈的加熱效果，對加熱結構進行了熱仿真分析。由圖4可以看出，加熱線圈所在處的溫度和氣室內部中心溫度變化不大，垂直方向上溫度梯度為10-3℃/mm，因此，將加熱部分的中點作為測溫點以提供加熱溫控的反饋信號。

圖4 氣室加熱結構熱仿真結果

3 無磁加熱器電路設計與制作

無磁加熱器電路部分如圖5所示。為了減小附加磁場對原子氣室的影響，加熱器以交流加熱方式工作，采用信號發(fā)生器作為其驅動源。當Cs原子處于20～100 pT的地磁場中時，其拉莫爾頻率范圍約為70～350 kHz。文中加熱頻率選擇20 kHz，該頻率可以滿足加熱需求并且遠離上述拉莫爾頻率范圍，不會對磁力儀系統(tǒng)形成干擾。信號發(fā)生器輸出20 kHz標準正弦信號，并通過功率放大電路實現(xiàn)對無磁加熱器的交流驅動。

圖5 無磁加熱溫控器

為了精確控制無磁加熱溫度，引入了閉環(huán)反饋。采用PID溫度控制器實現(xiàn)對氣室內氣體溫度控制，通過高精度Pt100鉑電阻傳感器，將測溫點測得的溫度信號反饋至PID控制器，并與設定的控制溫度進行比較，自動計算激勵信號的幅度，形成閉環(huán)控制，達到自動調節(jié)控制的目的。無磁溫度控制器樣機如圖6所示。

圖6 無磁溫度控制器樣機

4 無磁加熱器性能測試

經過實測，正常工作時的加熱功率為3.0 W，控溫精度為0.1 ℃。為了驗證交流加熱對磁力儀產生的電流磁擾動，在中國計量院穩(wěn)磁平臺上采用標準光泵磁力儀進行對比測試。首先,將小型化原子磁傳感器的無磁加熱部分外壁緊貼在標準光泵磁力儀測試點上,此時,無磁加熱線圈固定在小型化原子磁場傳感器的加熱部分的內壁上，此處壁厚為5 mm，測試點與無磁加熱線圈中心的垂直距離小于10 mm。

實驗時，先開啟信號發(fā)生器的信號輸出，再迅速關斷，從標準光泵磁力儀上讀取信號發(fā)生器輸出開關打開和關閉后瞬間的示數(shù)。重復開關動作10次，并記錄測試記錄數(shù)據(jù)見表2。使用開通和關斷激勵電流時標準光泵磁力儀輸出差值來表征無磁加熱器產生的最大磁擾動，將10次差值取平均，得出其磁擾動為2.24 pT。

表2 電流擾動測試記錄

5 結 論

針對原子磁傳感器對無磁加熱的需要，本文采用微加工膜工藝制備了無磁加熱線圈，通過對膜線圈的工藝設計，并對加熱腔體進行了熱分布仿真計算，制作完成了具有3 W加熱功率,0.1 ℃控溫精度的無磁加熱線圈。為了抑制附加磁場對原子態(tài)的干擾，采用了交流加熱驅動方案，最終獲得了具有2.24 pT磁擾動的無磁加熱器，其結果對原子磁傳感器的氣室設計和工作過程參數(shù)優(yōu)化具有一定的參考意義。

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Non-magnetic temperature control technology of atomic vapor cell in atomic magnetic sensors*

ZHANG Peng1,2,3, CHEN Hong-juan1,2, GUI Yong-lei3, SUN Li-kai3, SHAO Zhi-qiang3, CUI Hong-liang3

(1.College of Underwater Acoustic Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.Key Laboratory of Underwater Acoustic Technology,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;3.The 49th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

Aiming at requirement of non-magnetic heating for atomic vapor cell of atomic magnetic sensor and solving the problem of low signal-to-noise ratio (SNR) of resonant spectrum signal of magnetometer,a method of differential pair wiring is used and a square copper non-magnetic heating coil is fabricated on a ceramic substrate by adopting a micro-machined film process.Steady-state magnetic field intensity distribution of the coil is analyzed by COMSOL Multiphysics under 2.2mA DC condition and combined with copper vapor cell fixed bracket model and thermal simulation analysis result from Pro/Engineer software are used to obtain the ideal heating position.Further analyze and determine on 20 kHz AC current heating program and complete non-magnetic heater with 3 W heating power and temperature control precision of 0.1 ℃.The experimental results show that the instantaneous magnetic disturbance of the heater is 2.24 pT,which satisfies the non-magnetic heating requirement of atomic vapor cell,and the result has reference meaning for vapor cell design and optimization of operation parameters of atomic magnetic sensor.

atomic magnetic sensor; atomic vapor cell; non-magnetic heating; heating coil; magnetic distur-bance

2017—05—02

國家“863”高技術研究發(fā)展計劃資助項目(2015AA8112005)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0018—04

TP 271；O 441.5

A

1000—9787(2017)06—0018—04

張 鵬(1981-)，男，碩士，高級工程師，從事磁傳感器技術、光學傳感器技術及水聽器技術等方向研究工作，E-mail:zhangpeng1319@126.com。

陳洪娟(1969-)，女，通訊作者，博士，教授，從事水聲傳感器設計研究工作，E-mail:chenhongjuan@hrbeu.edu.cn。