原子磁传感器原子气室无磁控温技术*

张 鹏， 陈洪娟， 桂永雷， 孙立凯， 邵志强， 崔洪亮

(1.哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；3.中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

原子磁传感器原子气室无磁控温技术*

张 鹏1,2,3， 陈洪娟1,2， 桂永雷3， 孙立凯3， 邵志强3， 崔洪亮3

(1.哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；3.中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

针对原子磁传感器碱金属原子气室对无磁加热的需求，解决磁力仪共振谱线信号信噪比低的问题，使用了差分对的布线方法，采用微加工膜工艺，在陶瓷基板上制备了方形纯铜材质的无磁加热线圈。使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件分析了线圈在2.2 mA直流条件下产生的附加稳态磁场分布情况，结合Pro/Engineer软件构建的铜质气室固定支架及其热仿真分析结果，得到了比较理想的加热线圈固定位置。进一步分析确定了20 kHz交流加热方案，最终制作完成了具有3W加热功率和0.1℃控温精度的无磁加热器。实验结果表明：该加热器瞬时磁扰动为2.24 pT，满足原子气室无磁加热要求。其结果对原子磁传感器气室的设计及工作参数的优化改进具有一定的参考意义。

原子磁传感器； 原子气室； 无磁加热； 加热线圈； 磁扰动

0 引 言

高灵敏度磁力仪具有在地球物理勘探[1]、辅助导航[2]、医学疾病诊断[3]、生物磁信号检测[4]、物质分析[5]、水下探测[6]到深空探测[7]的广泛应用前景，近年来已经获得越来越多的关注。其中，光学泵浦原子磁力仪(optically pumped atomic magnetometers,OPAMs)更是引起了相当大的关注。其在自旋—交换—弛豫自由(spin-exchange relaxation free,SERF)条件下具有高达0.01 fT/Hz1/2的理论灵敏度[8～10]，并且不需要低温冷却，使得测量系统具有更小的体积和更低的成本，很有希望替代先前的超导量子干涉装置(superconducting quantum interference devices,SQUID)磁力仪，用于诸如脑磁图(magnetoencephalo-graphy,MEG)和磁心动描记(magnetocardiography,MCG)等生物磁测量[11]领域。在超低磁场磁共振成像(ultra-low-field magnetic resonance imaging,ULF-MRI)测量[12]中，必须检测微弱的低频磁场(magnetic resonance,MR)信号，需要在低频范围内具有高度灵敏的磁传感器，高灵敏度的OPAMs自然也成了ULF-MRI首选方式。同时，高灵敏度OPAMs也受到了国内学者及研究机构的广泛关注，并开展了一系列的相关研究工作[13，14]。然而OPAMs传感器目前依然存在着很多问题,其中,敏感结构无磁加热、无磁封装等关键技术制约着原子磁传感器的发展。

高灵敏度磁力仪具有在地球物理勘探[1]、辅助导航[2]、医学疾病诊断[3]、生物磁信号检测[4]、物质分析[5]、水下探测[6]到深空探测[7]的广泛应用前景，近年来已经获得越来越多的关注。其中，光学泵浦原子磁力仪(optically pumped atomic magnetometers,OPAMs)更是引起了相当大的关注。其在自旋—交换—弛豫自由(spin-exchange relaxation free,SERF)条件下具有高达0.01 fT/Hz1/2的理论灵敏度[8～10]，并且不需要低温冷却，使得测量系统具有更小的体积和更低的成本，很有希望替代先前的超导量子干涉装置(superconducting quantum interference devices,SQUID)磁力仪，用于诸如脑磁图(magnetoencephalo-graphy,MEG)和磁心动描记(magnetocardiography,MCG)等生物磁测量[11]领域。在超低磁场磁共振成像(ultra-low-field magnetic resonance imaging,ULF-MRI)测量[12]中，必须检测微弱的低频磁场(magnetic resonance,MR)信号，需要在低频范围内具有高度灵敏的磁传感器，高灵敏度的OPAMs自然也成了ULF-MRI首选方式。同时，高灵敏度OPAMs也受到了国内学者及研究机构的广泛关注，并开展了一系列的相关研究工作[13，14]。然而OPAMs传感器目前依然存在着很多问题,其中,敏感结构无磁加热、无磁封装等关键技术制约着原子磁传感器的发展。

本文针对原子气室无磁加热问题开展了研究，通过在陶瓷基板上采用差分对布线的方法，获得了扰动为2.24pT的无磁加热平面线圈，为高灵敏度小型化OPAMs用无磁加热器的设计做出了有益的探索。

1 原子气室加热方式的提出

原子磁传感器中的原子气室是敏感单元，其正常工作需要合适的工作温度。通过提高原子气室温度，增加原子数密度，这已经被证明是一种提高灵敏度的有效方式。对原子气室加热要保证加热方式对待测量的磁场无干扰，因此，无磁控温是原子磁传感器气室结构的关键。2012年，德国耶拿光子技术研究所(Institute of Photonic Technology,Jena)Jsselsteijn R I 等人采用激光加热的方式，通过光纤对磁力仪实现了弱磁加热集成化[15]。Shah V教授采用间断加热方式，实现了将尺寸为5 mm×5 mm×5 mm的铷原子气室加热至200 ℃[16]。Schwindt P D D[17]教授通过将制作有铟锡氧化物(ITO)薄膜电阻的镜像图案的两个玻璃基板与非导电环氧树脂胶合在一起制成具有抵消磁场作用的ITO加热器，加热器被放置在体积为1 mm×2 mm×1 mm的87Rb原子气室上方和下方，其交流加热功率为175 mW。可将气室加热至110 ℃而在气室处产生的磁场估计为3.5 nT。Kitching J等人[17]提出了“光子”磁力计的设计构想，采用光加热磁力计原子气室，通过使用对腔壁具有低热传导率的悬架将MEMS原子气室保持在空腔中，实现以最小的加热功率使气室升高到其工作温度。然而，激光加热器电流会产生附加扰动磁场，只有使用与ITO加热器相同频率的交流加热方式，才能比较容易地减轻激光加热器电流的影响。另外，激光加热的方案还增加了系统复杂度且不利于系统小型化。最终，本文采用了电流加热方案，设计了具有磁场抵消效果的无磁加热线圈,研制了可用于原子气室的无磁加热器。

2 无磁加热部件设计

由于原子磁力仪系统的小型化设计要求，对无磁加热器面积及厚度都提出了比较严格的要求。另外，由于文献[18]中提到的镜像图案胶合方案可能会出现对齐误差，从而导致消磁效果不好。因此，本文使用了平面差分布线方案，以期在更薄的厚度上实现更好的磁场抵消效果。为了进一步减弱加热电流产生的附加磁场，在加热线圈与原子气室之间加入了纯铜固定支架，以热传导的方式对气室进行加热。

2.1 无磁加热线圈的设计

无磁加热线圈整体设计为方形差分布线样式，基板选择4 cm×4 cm的方形陶瓷板，厚度为1 mm。采用微加工平膜设计方法，首先，在陶瓷基片上溅射金属薄膜。再采用微加工的光刻腐蚀工艺形成平行栅格差分对加热器结构，利用平行栅格差分对中电流相反的特性来抵消附加磁场。布线宽度和线间距均为5 mil(1 mil=25.4 μm)，每边布约为36条，考虑到加热效率及附加磁场效应，基板中心留出2 cm×2 cm空白区。通过对加热线圈材料控制可使其具备较小的剩磁特性，本文使用无磁性的铜形成3 μm的薄膜，加热线圈设计电阻阻值约为310 kΩ，加热器设计板图如图1所示。

图1 加热线圈平面差分对布线

2.2 线圈直流加热时产生的附加磁场分析

设计中线圈每边有18对差分对，直接用公式计算比较复杂，难以处理线圈拐角的磁场强度。这里使用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对整个线圈在直流稳态工作时在周围空间产生的磁感应强度进行了仿真分析，如图2所示。方形线圈位于XY平面内，求解域区域设定为以线圈中心点为零点，半径3 cm的球形区域，覆盖了半径为1.5 cm的Cs原子气室所在空间，线圈的工作电流设定为2.2 mA。

图2 加热线圈垂直方向和水平方向磁场分布图

在球形区域内磁通密度分布特点为赤道区域的磁通密度最强，从赤道向两极磁通密度开始显著衰减，两极区域磁通密度最弱。

由图2(a)可以更清楚地看到,磁通密度沿Z轴的分布情况，赤道区域磁通密度强其数值约在(6～8)×10-9T，在线圈对角线方向上磁通密度甚至达到了最大值9.09×10-9T；在距离线圈平面垂直高度3 cm(Z=3 cm)处的磁通密度低至1.03×10-11T。

图3(a)给出了空间磁通密度随Z轴的分布曲线，可以看出：磁场以Z=0对称分布。由于Cs原子气室位于线圈上方，因此,重点分析曲线右半部分即可。可以看出，曲线上的Z=1.25 cm为一个重要转折点：在Z∈(0,1.25)时，磁场梯度约为2×10-8T/cm；而在Z∈(1.25,3)时，磁场梯度显著减小，约为3.3×10-10T/cm。由于原子气室中气态碱金属原子对磁场梯度的变化敏感，为了减小磁场梯度对其影响，需要将气室与线圈保持一定距离。通过上述分析，气室最低点与线圈平面的垂直距离应该选择1.25 cm，同时，还需分析线圈在气室球心部分水平方向上产生的附加磁场。

图3 磁通密度沿Z轴和X轴分布图

如图2(b)所示，线圈在水平方向上产生的附加磁场分布特点为中心磁场弱，外部磁场强。具体数值与图2(a)的分析一致。为了确定线圈在过球心的水平方向上的磁场分布，绘制了Z=2.75 cm处的磁通密度沿X轴的分布曲线如图3(b)所示。

由图3(b)可以看出，沿X轴的磁通密度分布以X=0对称。在Z∈(-1,1)范围内，磁场梯度较小，对气室内原子状态的影响不大。沿X轴的磁场梯度分布大致可以分为6个区间分析，如表1所示。

表1 磁感应强度分布区间

2.3 无磁加热线圈制作

加热线圈采用Al2O3陶瓷作为基片，经溅射，在基片表面形成金属薄膜。再经离子束刻蚀，得到加热器栅条结构，最后，经热处理，使金属膜结构更加稳定。

2.4 无磁纯铜固定支架结构热仿真

气室的加热结构采用无磁纯铜制成，加热线圈紧贴在其上下两个平面上。为了验证温控系统的测温监控点以及线圈的加热效果，对加热结构进行了热仿真分析。由图4可以看出，加热线圈所在处的温度和气室内部中心温度变化不大，垂直方向上温度梯度为10-3℃/mm，因此，将加热部分的中点作为测温点以提供加热温控的反馈信号。

图4 气室加热结构热仿真结果

3 无磁加热器电路设计与制作

无磁加热器电路部分如图5所示。为了减小附加磁场对原子气室的影响，加热器以交流加热方式工作，采用信号发生器作为其驱动源。当Cs原子处于20～100 pT的地磁场中时，其拉莫尔频率范围约为70～350 kHz。文中加热频率选择20 kHz，该频率可以满足加热需求并且远离上述拉莫尔频率范围，不会对磁力仪系统形成干扰。信号发生器输出20 kHz标准正弦信号，并通过功率放大电路实现对无磁加热器的交流驱动。

图5 无磁加热温控器

为了精确控制无磁加热温度，引入了闭环反馈。采用PID温度控制器实现对气室内气体温度控制，通过高精度Pt100铂电阻传感器，将测温点测得的温度信号反馈至PID控制器，并与设定的控制温度进行比较，自动计算激励信号的幅度，形成闭环控制，达到自动调节控制的目的。无磁温度控制器样机如图6所示。

图6 无磁温度控制器样机

4 无磁加热器性能测试

经过实测，正常工作时的加热功率为3.0 W，控温精度为0.1 ℃。为了验证交流加热对磁力仪产生的电流磁扰动，在中国计量院稳磁平台上采用标准光泵磁力仪进行对比测试。首先,将小型化原子磁传感器的无磁加热部分外壁紧贴在标准光泵磁力仪测试点上,此时,无磁加热线圈固定在小型化原子磁场传感器的加热部分的内壁上，此处壁厚为5 mm，测试点与无磁加热线圈中心的垂直距离小于10 mm。

实验时，先开启信号发生器的信号输出，再迅速关断，从标准光泵磁力仪上读取信号发生器输出开关打开和关闭后瞬间的示数。重复开关动作10次，并记录测试记录数据见表2。使用开通和关断激励电流时标准光泵磁力仪输出差值来表征无磁加热器产生的最大磁扰动，将10次差值取平均，得出其磁扰动为2.24 pT。

表2 电流扰动测试记录

5 结 论

针对原子磁传感器对无磁加热的需要，本文采用微加工膜工艺制备了无磁加热线圈，通过对膜线圈的工艺设计，并对加热腔体进行了热分布仿真计算，制作完成了具有3 W加热功率,0.1 ℃控温精度的无磁加热线圈。为了抑制附加磁场对原子态的干扰，采用了交流加热驱动方案，最终获得了具有2.24 pT磁扰动的无磁加热器，其结果对原子磁传感器的气室设计和工作过程参数优化具有一定的参考意义。

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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

国家“863”高技术研究发展计划资助项目(2015AA8112005)

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0018—04

TP 271；O 441.5

A

1000—9787(2017)06—0018—04

张 鹏(1981-)，男，硕士，高级工程师，从事磁传感器技术、光学传感器技术及水听器技术等方向研究工作，E-mail:zhangpeng1319@126.com。

陈洪娟(1969-)，女，通讯作者，博士，教授，从事水声传感器设计研究工作，E-mail:chenhongjuan@hrbeu.edu.cn。