小型核磁共振陀螺無磁加熱線圈設計與仿真

梁曙嵐,汪寶旭,朱明智,鄧東閣

(1.中國工程物理研究院研究生院, 北京 100193;2.中國工程物理研究院總體工程研究所, 四川 綿陽 621999)

0 引言

核磁共振陀螺具有高精度和小體積的優勢,在慣性導航技術中具有良好的發展前景。核磁共振陀螺的無磁加熱系統是限制其微型化發展的重要因素,同時也是影響其精度提升的因素[1]。核磁共振陀螺要能夠正常工作,首先需將原子氣室加熱至特定溫度,使氣室內堿金屬氣化,再利用被泵浦光極化后的堿金屬原子與惰性氣體原子發生自旋交換使惰性氣體原子極化,通過測量惰性氣體原子在磁場中的拉莫爾進動頻率,獲得載體轉動角速率[2]。目前常見的原子氣室加熱方式主要有兩類[3]:一類是非電流加熱,主要有熱氣流加熱[3]和激光加熱[4];另一類是電流加熱,主要有雙向電流加熱[5-6]、間斷電流加熱[7]和高頻電流加熱[8-14]。其中,高頻電流加熱因其高精度和高帶寬的特點,是目前最為常用的加熱方式。由于高頻電流加熱過程中將不可避免的引入干擾磁場,進而導致附加磁場噪聲。因此,需要通過合理的線圈結構和方案設計在保證原子氣室加熱效果的同時,降低附加磁場噪聲。目前,面向小型核磁共振陀螺原子氣室的加熱片設計鮮有報道。本文中針對小型核磁共振陀螺樣機研制需求,圍繞其毫米級原子氣室(邊長5 mm)的加熱與剩磁抑制開展無磁雙層加熱線圈設計。通過熱-磁仿真,研究線圈結構參數和加熱電流對氣室加熱溫度和剩磁的影響規律,并開展線圈設計和參數優化,從而為小型核磁共振陀螺毫米級原子氣室的無磁加熱提供可行的加熱片設計方案和結構。

1 加熱片設計

將氣室加熱至一定溫度以維持氣室內較高的堿金屬原子(如鉀、銣和銫等)氣體密度是核磁共振陀螺穩定工作的重要條件。為保證氣室內較高原子數密度,核磁共振陀螺儀工作溫度通常需維持在100 ℃以上[15]。基于印制電路工藝的傳統柔性PCB加熱片存在基底耐熱性不高、布線密度較低而加熱剩磁較大的問題,圖1所示為小型核磁共振陀螺用毫米級原子氣室及其加熱組件(柔性PCB加熱片已熔毀)。

圖1 5 mm原子氣室及其加熱組件(PCB加熱片已熔毀)

為克服上述問題,本文中提出基于MEMS工藝的加熱片設計方案,如圖2所示。加熱片采用雙層導線布局,其上下兩層導線間有一定厚度的氮化硅絕緣層。兩層導線串聯且電流反向,可有效抑制和抵消加熱剩磁。改變導線間距和絕緣層厚度可改變加熱電阻和優化剩磁抑制效果。

根據畢奧-薩伐爾定律:

可知,電流在距離導線r處產生的磁場與電流大小成正比,而且上式也表明產生的磁場與加熱電流、加熱片結構和布局有關,而與加熱片導線材料無關。在相鄰加熱絲通入等大反向的電流,產生的磁場等大反向,可相互抵消。通常的核磁共振陀螺加熱線圈的設計以相鄰兩根導線為一組,通入等大反向電流,形成“+-+-…”的電流流向。因此,相鄰兩導線電流產生的磁場反向,抵消后剩下一個高階無窮小量剩磁,而每組導線抵消后的高階無窮小量剩磁則因等大同向而相互疊加,從而增大加熱引入的附加磁場[16]。為抑制相鄰兩組產生的剩磁,本文中采用以截面電流為“+--+-++-”的布線方式,如圖2(a)所示。此種方式無論相鄰兩根導線一組或者四根導線一組,相鄰兩組產生的剩磁都是等大反向的,可以進一步抵消抑制加熱電流引入的剩磁。

2 熱仿真和磁仿真

2.1 熱仿真

原子氣室加熱過程中,氣室與外部環境主要存在3種傳熱途徑:一是通過導線和氣室接觸發生的熱傳導,二是氣室及組件與周圍空氣對流換熱,三是氣室的熱輻射。因熱輻射相對較小,對流換熱是氣室加熱組件熱損耗主要因素。因此,熱仿真主要考慮原子氣室及加熱片與空氣的對流換熱。對流換熱功率的理論計算公式可以表示為:

P=h×S×ΔT

(2)

其中:h為對流換熱系數,大小取25W/(m2K);S為換熱截面積,約235mm2;ΔT為溫度差,根據氣室加熱需求取為 130K。據此,可估算P為760mW。

小型核磁共振陀螺樣機原子氣室加熱單元結構如圖3所示。為提升氣室加熱效率,減小溫度梯度,采用了4片加熱布局方式。其中,氣室外尺寸為5mm×5mm×5mm,內腔尺寸為3mm×3mm×3mm。加熱片采用MEMS工藝,以石英玻璃為基底,加熱電阻絲可以采用銅導線或鉑導線,絕緣層采用氮化硅。石英玻璃基底長寬均為5mm,厚度為0.5mm,石英玻璃基底中心2.5mm×2.5mm的區域為通光孔。首先,在石英玻璃基底上通過濺射金屬制備第一層加熱導線,其寬度和厚度均為10μm。在線間距為10μm的情況下,每邊布線約為64條。然后,在第一層導線上制備出氮化硅薄膜作為絕緣層,其厚度為20μm。最后,在氮化硅薄膜上制備出與第一層排布相同的第二層加熱導線。為減少加熱引線數量,減小氣室加熱單元體積,可以采用半導體折疊工藝[17-18]實現各加熱片的串聯。

圖3 小型核磁共振陀螺氣室加熱單元三維模型

導線截面尺寸一定時,線間距是影響加熱電阻最直接的因素。因此,熱仿真過程中,首先給定加熱電流,并通過改變線間距,確定合適的線間距;然后分析電流變化對加熱效果的影響,并對比分析銅導線和鉑導線的加熱效果,最終得到滿足加熱要求的加熱片設計方案。圖4反映了截面尺寸給定時,銅基和鉑基加熱片阻值隨導線間距的變化規律。由圖4中可知截面尺寸和導線間距一定時,鉑導線電阻值遠高于銅導線電阻值,且同種材料時截面尺寸越小電阻值越大,截面尺寸一定時導線間距越小,電阻值越大。因此當加熱片加熱面積一定時,可以通過減小導線間距以增大加熱電阻;當需要的加熱功率一定時,可以減小導線間距以減小加熱電流,進而有利于減小線圈電流產生的磁場。

圖4 導線間距對線圈阻值的影響

加熱片參數對氣室加熱效果的熱仿真結果如圖5所示。圖5(a)和(b)為不同截面尺寸銅導線加熱片的加熱電流和線間距對加熱效果的影響;圖5(c)和(d)為不同截面尺寸鉑導線加熱片的加熱電流和線間距對加熱效果的影響。

可以看出:① 導線截面尺寸一定時,導線材料、間距和加熱電流均是影響氣室加熱性能的重要因素;② 給定加熱電流,減小導線間距,可以增大加熱電阻和功率,進而提高氣室溫度;③ 給定導線間距,加熱電阻不變,加熱功率隨電流增加而增大,氣室溫度隨之提高;④ 給定氣室加熱溫度,即所需加熱功率一定,減小導線間距可以降低所需加熱電流,從而有利于減小加熱磁場;⑤ 金屬鉑能夠提供更大的加熱電阻,在滿足加熱溫度要求的同時,有利于減小加熱電流,抑制加熱磁場。

圖6是導線截面尺寸為10 μm×10 μm、間距10 μm的鉑加熱片,在8 mA直流加熱條件下的氣室溫度分布云圖?？梢钥闯?四面加熱布局條件下,氣室主體部分溫度分布較為均勻,而在氣室充氣封口處形成冷端。雖然冷端附近存在較大的溫度梯度,但其有利于氣室冷卻過程中收集堿金屬,避免其沉積在氣室壁面而影響光束質量。

圖6 氣室溫度分布云圖

2.2 磁仿真

圖5的熱仿真結果表明,對于給定氣室加熱溫度要求,存在多種加熱片結構和加熱電流的參數組合來滿足加熱需求。給定加熱片導線截面尺寸為10 μm×10 μm、絕緣層厚度為20 μm時,將氣室加熱至平均溫度為154.5±0.5 ℃時,不同導線材料及間距對所需加熱電流及其附加的氣室剩磁的仿真分析結果如圖7所示。圖中,所取導線間距分別為9、30、43和70 μm,其對應的線圈匝數分別為64、32、24和16?？梢钥闯?① 給定加熱溫度時,隨著導線間距增大加熱片電阻減小。為達到相同的加熱功率,需要更大的加熱電流,且所需加熱電流與導線間距呈近似線性關系;② 加熱電流的增加,直接導致加熱剩磁增大,且與導線間距正相關;③ 采用鉑導線能夠有效增大加熱電阻,從而減小所需加熱電流,降低加熱剩磁;④ 圖7中加熱剩磁>20 nT,因此,上述導線截面尺寸和絕緣層厚度導線參數難以滿足150 ℃的加熱條件下的加熱剩磁要求。

圖7 導線間距對加熱電流和剩磁影響

為實現優于nT級的加熱剩磁要求,一方面可以增大加熱電阻從而減小加熱電流,即“大電阻小電流”的加熱方式;另一方面可以減小絕緣層厚度,從而增強加熱片上下層磁場的相互抑制作用。

為研究絕緣層厚度對加熱剩磁的影響,對單位加熱電流(1 mA直流)情況下,對特征尺寸(截面尺寸和導線間距)分別為10 μm和5 μm的2種規格鉑加熱片,分別采用單片布局和4片布局條件下的氣室加熱剩磁進行了仿真分析,結果如圖8所示。圖中,絕緣層厚度最小值設置為0.25 μm(與實驗室之前使用的MEMS加熱片一致),此時,2種規格的加熱片所產生的剩磁最小。其中,加熱片的單位電流剩磁分別為0.025、1.07 nT/mA,4片布局則分別為0.028、1.20 nT/mA。

分析結果表明:① 隨著絕緣層厚度的減小,加熱片上下兩層線圈產生的磁場的相互抑制作用增強,能夠有效削弱加熱剩磁;② 雖然4片加熱布局剩磁較單片布局略大,但綜合2.1節的熱仿真結果可知,4片加熱布局能夠提升加熱效率,減小氣室溫度梯度,因而綜合性能更優;③ 5 μm規格加熱片的加熱剩磁遠小于10 μm規格的加熱片。

考慮到加熱電流在數mA量級,特征尺寸為10 μm的加熱片剩磁不能滿足加熱剩磁要求。為此,將加熱片特征尺寸確定為5 μm(導線截面尺寸為5 μm×5 μm、間距為5 μm),匝數為16,且采用鉑導線以進一步增大加熱電阻,減小加熱電流。此外,為避免絕緣層厚度過薄帶來的加熱片結構強度低、易損壞等問題,確定絕緣層厚度為5 μm,在此模型參數條件下進行熱場和磁場仿真。

熱仿真結果顯示,4片加熱條件下,加熱電流為6.3 mA時,氣室溫度可達170.95 ℃,滿足150 ℃的氣室加熱要求。進一步的磁場仿真結果表明,加熱引入的氣室內部敏感區域(3 mm×3 mm×3 mm)的最大剩磁為0.256 nT,顯著優于nT級的設計要求。氣室內部敏感區域中心截面的剩磁分布云圖如圖9所示。加熱引入的最大剩磁位置與加熱線圈回路的非對稱轉角相對應。

圖9 磁場仿真結果

此外,鑒于原子氣室采用高頻電流加熱,其頻率通常為數十乃至上百kHz(遠高于核自旋進動頻率),考慮到樣機信號處理系統的高通濾波作用,加熱引入的剩磁可以進一步得到數量級幅度的降低。因此,所提出的加熱片設計方案能夠滿足mini-NMRG樣機中毫米級原子氣室的無磁加熱要求。

3 結論

1) 基于MEMS工藝,采用“+--+-++-”的雙層導線排布方式設計了一種小型核磁共振陀螺毫米級原子氣室的無磁加熱線圈。

2) 加熱線圈仿真結果表明,影響加熱片性能的因素眾多:導線材料、截面尺寸和間距通過直接影響加熱電阻而進一步影響加熱功率;線圈絕緣層厚度則直接影響上下兩層加熱線圈磁場抵消效果;加熱電流則直接影響加熱功率和加熱剩磁。當加熱功率一定,給定加熱線圈截面尺寸,減小導線間距和絕緣層厚度是抑制加熱剩磁的有效方式。

3) 加熱線圈結構和電流參數優化結果表明,在四面加熱布局和6.3 mA直流直流加熱條件下,氣室平均溫度可達170.95 ℃,直流加熱剩磁為0.256 nT,能夠滿足小型核磁共振陀螺樣機毫米級原子氣室剩磁要求。