閆曉燕, 梁時(shí)碩, 劉雨奇, 郭 琦

(中北大學(xué)，山西太原030051)

1 引 言

近年來,原子探測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的微波測(cè)量技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。Simons 等[1]通過改變諧振頻率的失諧來提高電場(chǎng)測(cè)量的靈敏度,與通過諧振奧特勒-湯斯(AT)分裂進(jìn)行的測(cè)量相比,檢測(cè)靈敏度提高了2倍。在超寬的頻率范圍內(nèi)原子探測(cè)技術(shù)表現(xiàn)出較好的極化性和靈敏度[2]。其中,原子探測(cè)技術(shù)是基于能級(jí)偏移等原子內(nèi)部效應(yīng)產(chǎn)生的光強(qiáng)吸收特性改變而工作[3],是進(jìn)行弱磁檢測(cè)的重要設(shè)備,在如腦磁圖(magnetoencephalography,MEG)[4],心電圖(electrocardiogram,ECG)[5]和新物理量研究[6]等方面具有極大的應(yīng)用前景,鑒于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可微型化以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),成為近年來的研究熱點(diǎn)。然而原子磁力儀目前依然存在著很多問題,如敏感結(jié)構(gòu)無磁加熱、無磁封裝等關(guān)鍵技術(shù)均制約著原子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

高靈敏原子磁力儀的實(shí)現(xiàn)是由于其原子氣室中堿金屬電子自旋的高效極化,而溫度直接影響原子氣室中極化堿金屬原子的密度,從而影響磁力儀的靈敏度[7],因此精確、快速地提高并控制原子氣室的溫度成為了原子磁力儀擁有高靈敏度的必要條件。由于原子氣室的尺寸和氣壓比例不同,每個(gè)原子氣室的最佳工作溫度點(diǎn)存在差異,故需對(duì)不同原子氣室最佳工作溫度點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)敏感介質(zhì)的不同,氣室加熱的溫度不同,通常在70～200 ℃之間[8,9]。在高精度原子磁力儀中,常采用熱空氣加熱[10～12]、光學(xué)加熱[13～15]和電加熱[16～17]3種方式對(duì)原子氣室進(jìn)行加熱。Allred J C等最早將流動(dòng)的熱空氣用于加熱原子氣室,絕對(duì)無磁性,易于實(shí)現(xiàn)高加熱功率,但采用此方法熱氣流的波動(dòng)會(huì)影響光路,進(jìn)而影響磁力儀的工作[10]。Sheng D等選用光加熱方式,通過使用對(duì)腔壁具有低熱傳導(dǎo)率的懸架將微機(jī)械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)原子氣室保持在空腔中,實(shí)現(xiàn)以最小的加熱功率使氣室升高到其工作溫度[14]。然而,激光加熱器電流會(huì)產(chǎn)生附加擾動(dòng)磁場(chǎng),且增加了系統(tǒng)復(fù)雜度,不利于系統(tǒng)小型化。電加熱方式通過將電阻絲通入直流或高頻的電信號(hào)進(jìn)行加熱,該方式的溫度穩(wěn)定性高,可以實(shí)現(xiàn)磁力儀連續(xù)性測(cè)量而不中斷。雖然電加熱避免不了由于通電給磁測(cè)系統(tǒng)帶來的磁噪聲,但通過合理控制參數(shù),可以在不影響磁力儀工作靈敏度的前提下實(shí)現(xiàn)極弱磁電加熱。

本文采用電加熱方案,設(shè)計(jì)并制備了具有磁場(chǎng)抵消效果的弱磁加熱結(jié)構(gòu)。面向適用于高精度量子傳感精密單元的弱磁電加熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用展開,通過采用MEMS技術(shù)回折差分布線的方法,獲得了磁場(chǎng)變化率為0.4978 nT/mA的弱磁電加熱結(jié)構(gòu)(距電加熱結(jié)構(gòu)5 mm處),在高靈敏度小型化量子傳感器件弱磁加熱的設(shè)計(jì)方面做出了積極探索。

2 加熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造

2.1 加熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

弱磁加熱結(jié)構(gòu)采用加熱絲進(jìn)行設(shè)計(jì),將加熱絲平行靠近布置,由于相鄰的加熱絲流過的電流方向相反,大小相等,產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空間上相互抵消,抑制了加熱電流引入的磁場(chǎng)噪聲。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律[19](Biot-Savart law),若在電流I的閉合方形線圈中,設(shè)AB段導(dǎo)線微長(zhǎng)度元為dl,該段電流元指向軸線上任意一點(diǎn)P點(diǎn)的單位向量為r,可知此電流在P處產(chǎn)生的單位磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量為:

(1)

已知:

(2)

r2=R2+x2

(3)

將(2)沿線圈路徑積分,得出方形線圈在軸線上距離其中心y的P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小為:

(4)

如圖1(b)所示,若將2個(gè)方形線圈臨近距離放置,外圈邊長(zhǎng)2a1,內(nèi)圈邊長(zhǎng)2a2,且通入大小同為I,方向相反的電流,則這2個(gè)方形線圈在軸線上距離其中心y的P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為:

(5)

圖1 單雙線圈示意圖Fig.1 Schematic diagram of single and double coils

從式(4)和式(5)可知,將2個(gè)方形線圈臨近距離放置,通入大小相等、方向相反的電流,可在P點(diǎn)處產(chǎn)生比單一方形線圈更小的磁場(chǎng)。用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件建立(圖1(b))邊長(zhǎng)為1 mm、寬度為50 μm、內(nèi)外相距50 μm、材質(zhì)為固態(tài)Au的2個(gè)臨近放置的線圈模型,當(dāng)通以大小為50 mA、方向相反的電流時(shí),內(nèi)匝線圈、外匝線圈以及全部線圈在軸向上0.1～1.5 mm范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁通密度曲線如圖2所示。在距線圈中心z=1.5 mm處,內(nèi)匝線圈與外匝線圈分別產(chǎn)生的磁通密度約為-611 nT和919 nT(以向右為正方向),全部線圈產(chǎn)生的總磁通密度約為62.05 nT,是來自一個(gè)線圈的磁通密度的1/10～1/15?？梢娀卣鄯胖镁€圈在平行于線圈的方向上會(huì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生抵消作用。

圖2 內(nèi)匝線圈、外匝線圈及全部線圈產(chǎn)生的磁通密度Fig...2 Magnetic flux density generated by the inner turn coil,the outer turn coil and all the coils placed at a close distance

依據(jù)臨近放置的2個(gè)方形線圈對(duì)外部任意點(diǎn)處磁場(chǎng)的抵消原理,同時(shí)考慮磁場(chǎng)的疊加原理與線圈對(duì)氣室的快速加熱,設(shè)計(jì)的加熱結(jié)構(gòu)采用4對(duì)回折型線圈,如圖3(a)所示,線圈寬度為70 μm、間距為50 μm,抵消原理如圖3(b)所示。使用COMSOL multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件對(duì)回折線圈進(jìn)行磁場(chǎng)仿真,得到如圖4(a)所示的不同電流下的表面磁場(chǎng)分布。圖4(b)為距電加熱結(jié)構(gòu)中心 1～7 mm的磁場(chǎng)衰減曲線,此時(shí)電加熱結(jié)構(gòu)工作電流為50 mA。圖4(c)為距電加熱結(jié)構(gòu)中心5 mm處的磁場(chǎng)隨電流增大的遞增曲線,從圖中可以看出,在距電加熱結(jié)構(gòu)中心5 mm處,結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)變化率為0.4874 nT/mA,所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有較高的剩磁抑制效果。

圖3 電加熱結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of electric heating film

圖4 電加熱結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)仿真結(jié)果Fig...4 Magnetic Field simulation results of electrically heated film

2.2 加熱結(jié)構(gòu)制造

為保證加熱結(jié)構(gòu)適用于量子精密傳感實(shí)驗(yàn),使用了MEMS技術(shù)制造總面積12.25 mm2,線圈部分面積為9 mm2,實(shí)物如圖5(a)所示的加熱結(jié)構(gòu)。工藝流程中的主要步驟包括:1) 首先在 500 μm 的單面拋光硅片上,熱氧化出700 nm的氧化硅;2) 在氧化硅上,利用光致抗蝕劑覆蓋基板并進(jìn)行光刻,直至露出硅;3) 磁控濺射金屬Cr和Au厚度分別為20 nm和500 nm;4) 剝離多余的光致抗蝕劑即可形成最終的金屬圖案;5)光刻硅片正面濺射Au,用同樣剝離的方法制作出加熱器Au引線圖形;6)對(duì)濺射的金屬進(jìn)行合金化,再利用50%KOH水溶液腐蝕反面體硅,直至形成氧化硅、Cr和Au形成復(fù)合膜組成的封閉膜。

圖5 線圈制備流程及實(shí)物圖圖Fig.5 Coil preparation process and physical drawing

實(shí)驗(yàn)采用了剝離技術(shù)制作細(xì)線條電極結(jié)構(gòu),其優(yōu)點(diǎn)在于不需要使用干法刻蝕這樣十分昂貴的設(shè)備,并且在制作金屬圖形的過程無機(jī)械損傷,表面也不易受污染,能更好地完成實(shí)驗(yàn)所需的電加熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。剝離技術(shù)制作電子器件微細(xì)電極金屬圖形方法與常規(guī)光刻方法是不同的,常規(guī)光刻方法是在潔凈的晶片材料表面上先濺射或蒸發(fā)金屬結(jié)構(gòu)層,然后涂制光刻膠,再通過曝光、顯影、腐蝕、除膠等步驟獲得微細(xì)電極圖形。而剝離技術(shù)的基本順序是首先在潔凈的晶片表面上涂上一層或多層光刻掩膜層;再進(jìn)行曝光、烘烤等不同工藝處理后在基片上得到呈“方形”光刻膠的幾何圖形;然后通過蒸發(fā)、濺射等方法,在基片表面獲得不連續(xù)的金屬層;最后去掉掩膜層及其上金屬層,而與基片緊密接觸的金屬電極圖形保留了下來。

通過此制作工藝得到所需的電加熱板并進(jìn)行仿真分析,依據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)利用COMSOL軟件對(duì)線圈部分進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真得到仿真結(jié)果如圖6(a)所示,并得出線圈表面溫度與電流之間的曲線關(guān)系如圖6(b) 所示。

圖6 電加熱結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果Fig...6 Temperature field simulation results of electrically heated film

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在完成加熱結(jié)構(gòu)制造后,對(duì)其實(shí)際的工作特性進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量。在如圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置中,將設(shè)計(jì)的電加熱結(jié)構(gòu)置于高穩(wěn)定屏蔽系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量(背景剩磁抖動(dòng)0.1 nT),采用分辨率為0.01 nT的磁通門磁力儀對(duì)加熱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試。將磁力儀探頭分別置于結(jié)構(gòu)3、4、5、6和7 mm的位置處,并將探頭和結(jié)構(gòu)置于磁屏蔽筒中,磁屏蔽筒剩磁約為1 nT,將電加熱結(jié)構(gòu)的輸入電流由10 mA步進(jìn)至60 mA,記錄磁力儀的讀數(shù)。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.7 Experimental setup

圖8(a)為電加熱結(jié)構(gòu)在不同距離處測(cè)試的磁通密度擬合而成的函數(shù)曲線,當(dāng)磁力儀探頭距電加熱結(jié)構(gòu)表面5 mm處時(shí),結(jié)構(gòu)的實(shí)際磁場(chǎng)變化率為0.5 nT/mA,與仿真結(jié)果誤差不大,其微小誤差可能來源于結(jié)構(gòu)連接導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)。圖8(b)為不同電流下磁場(chǎng)隨距離變化的衰減曲線,可以看出固定距離處磁通密度模隨電流的增大而線性增大,同時(shí)磁探測(cè)器距離電加熱結(jié)構(gòu)越大磁場(chǎng)變化率越小。當(dāng)電流為50 mA時(shí),將磁探頭與結(jié)構(gòu)距離從5 mm變化至6 mm,磁通密度模減小11.55 nT;磁探頭與結(jié)構(gòu)距離從6 mm變化至7 mm,磁通密度模減小 4.34 nT。依據(jù)這一特點(diǎn),可以將電加熱結(jié)構(gòu)放置于最合適的位置進(jìn)行加熱,并可以得到相對(duì)最優(yōu)的溫度及最小的干擾磁場(chǎng)。同時(shí)將Pt1000溫度傳感器在室溫狀態(tài)下放置于電加熱結(jié)構(gòu)表面,改變電流 1 min 后溫度即可穩(wěn)定,記錄電加熱結(jié)構(gòu)在不同電流下的表面溫度,測(cè)試結(jié)果如圖8(c)所示。電加熱結(jié)構(gòu)具有較快的溫度響應(yīng),50 mA的電流下通電 1 min ,即可加熱至120 ℃左右。

圖8 電加熱結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)與溫度響應(yīng)Fig...8 Magnetic field and temperature response of electric heating chip

4 結(jié) 論

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律的原理推導(dǎo)與簡(jiǎn)化模型仿真,驗(yàn)證了回折結(jié)構(gòu)對(duì)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的抑制作用,進(jìn)而設(shè)計(jì)加工了微型弱磁電加熱結(jié)構(gòu)。使用MEMS技術(shù)制造,采用4對(duì)寬度為70 μm的回折型線圈以抵消水平方向產(chǎn)生的磁場(chǎng)并產(chǎn)生足夠的熱量來給原子氣室進(jìn)行加熱。經(jīng)測(cè)試,距電加熱結(jié)構(gòu)表面5 mm處時(shí)的磁場(chǎng)變化率為0.5 nT/mA,并且具有較快的溫度響應(yīng)。由于測(cè)量裝置磁力儀精度與外部測(cè)試導(dǎo)線的影響,其對(duì)比仿真結(jié)果有一定差距。研究表明,所設(shè)計(jì)的弱磁電加熱結(jié)構(gòu)為需要低磁噪聲的電加熱系統(tǒng)提供了有效參考。