[发明专利]一种芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法

权利要求书

1.一种芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采用目标场法对毫米级尺寸的平面线圈进行逆向设计，推导出线圈的几何形状和线圈参数；

步骤2，采用优化算法对线圈的权重系数进行优化，利用优化后的权重系数得到流函数，通过等高线对流函数进行离散化得到参数优化后的线圈结构；

步骤3，通过仿真验证权重系数优化对目标区域磁场均匀度产生的影响，所述目标区域是双平面磁场线圈夹持空间中心的正方体区域；

步骤4，采用微纳加工工艺完成微型双平面磁场线圈的制作，实现线圈的片上集成。

2.根据权利要求1所述的芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法，其特征在于，所述步骤2中的优化算法采用粒子群算法程序优化Tikhonov矩阵的权重系数，所述粒子群算法程序包括以下步骤：

步骤2a，设置最大迭代次数；

步骤2b，初始化位置和速度的限制范围，设置粒子群数量，初始化位置和速度；

步骤2c，计算每个粒子的适应度函数，将最小值作为个体最优解；

步骤2d，找到全局最优解并记录它的位置；

步骤2e，更新粒子的位置和速度；

步骤2f，是否达到最大迭代次数，如果否，则返回步骤2c，如果是，则进入步骤2g；

步骤2g，输出最优解。

3.根据权利要求2所述的芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法，其特征在于，所述Tikhonov矩阵设为Γ，Tikhonov矩阵的权重系数设为λ，目标区域磁感应强度值矩阵设为B，包含双平面线圈边长L的矩阵设为A，流函数二维傅里叶级数展开系数乘积矩阵设为w，则得到以下表达式：

w＝(A^TA+λΓ^TΓ)^-1A^TB

将粒子的位置和速度信息代入下式，在每一次迭代之后，粒子的位置和速度的更新结果为：

其中是第i个粒子在第t次迭代中的速度，t是迭代次数序号数，是第i个粒子在第t次迭代中的位置，表示第i个粒子在第t+1次迭代中的速度，表示第i个粒子在第t+1次迭代中的位置，ω是惯性权重，r₁和r₂均是0到1之间的任意数，C₁和C₂均是学习因子，P_i^t是个体最优位置，是全局最优位置。

4.根据权利要求1所述的芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法，其特征在于，所述步骤1中包括：针对双平面线圈设计，引入线圈流函数，将流函数在XOY平面坐标系中进行二维傅里叶级数展开；分别设置流函数参数和目标区域各点磁感应强度的设定值，将电流密度代入毕奥-萨伐尔定律得到目标区域磁感应强度计算值，令目标区域各点磁场强度的计算值和设定值相等构建矩阵方程。针对有限尺寸线圈设计中遇到的方程病态解问题，引入Tikhonov正则化方法解决方程病态解问题，将正则化矩阵的权重系数和惩罚函数代入使用最小二乘法构建的误差方程，设置误差函数的微分等于零，对矩阵方程进行求解得到流函数的未知参数。

5.根据权利要求2所述的芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法，其特征在于，所述步骤2c中的适应度函数表示为双平面线圈的最大不均匀度误差：

其中ΔB是不均匀度误差，B_θ(x,y,z)表示线圈在目标区域任一点产生磁场的磁通密度，B_θ(0,0,0)表示线圈在目标区域中心位置产生磁场的磁通密度。

6.根据权利要求1所述的芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法，其特征在于，所述步骤3中包括：利用COMSOL Multiphysics 6.0有限元法FEM仿真软件求解线圈产生的磁场均匀度，将设计的一对边长为10mm×10mm的正方形平面线圈间隔10mm平行放置，计算微型双平面磁场线圈在中心位置体积为4mm×4mm×4mm的目标区域内产生磁场的均匀度为4.6％，线圈常数为17.101nT/mA。

7.根据权利要求1所述的芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法，其特征在于，所述步骤4中的微纳加工工艺包括：将双平面磁场线圈设计为两个10mm×10mm的正方形平面线圈，线圈走线材料用Au、Ag或Cu金属材料，依据线圈构型确定微型磁场线圈的走线宽度以及线与线之间的最短距离；采用500um的SiO₂作为基底层，400nm的金属材料作为走线，为了避免走线交叉短路，每个平面线圈的走线采用双层设计，使用400nm厚的SiO₂作为两层金属走线之间的绝缘层，依次经过沉积、涂胶、曝光、显影、刻蚀和剥离工艺完成线圈的制作。