[发明专利]一种芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法

说明书

一种芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法，首先，采用目标场法对线圈进行逆向设计，将流函数进行二维傅里叶级数展开，根据流函数与电流密度关系，将电流密度表达式代入毕奥‑萨伐尔定律得到矩阵方程，引入正则化矩阵解决方程病态解问题，对流函数等高线进行离散得到线圈结构；其次，采用智能算法优化线圈权重系数，保证可加工的前提下，得到实现最佳磁场均匀度的线圈构型；然后，对设计的线圈进行有限元仿真分析，分析线圈磁场均匀性、线圈常数等指标；最后使用微加工工艺完成磁场线圈制作，实现了芯片集成的毫米级高均匀度特性的磁场线圈设计。

技术领域

本发明属于芯片级磁场线圈设计技术领域，具体涉及一种芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法。

背景技术

近些年来，随着量子精密测量理论的深入研究和工程技术的不断进步，各种基于光、磁场与原子相互作用原理的量子传感器得到蓬勃发展。其中，SERF原子磁强计作为一种具备高精度、小体积潜力的磁场传感器，对于基础物理研究、深空深海探测、生物磁测量等领域具有重大意义，成为近年来国际国内的研究热点。

SERF原子磁强计由原子气室、激光光源、气室无磁加热组件、磁场线圈等几个关键部分构成，其中，磁场线圈可以产生均匀的空间磁场，磁场线圈既是原子磁强计中补偿空间剩余磁场的执行机构，又是产生调制磁场的媒介。

当前的磁强计是基于传统光学器件实现，系统的成本和体积已经接近极限，如果要进一步提升磁场测量的空间分辨率，磁强计探头的体积必须进一步缩小。使用微纳加工工艺进行芯片级磁强计的研究，可以使磁强计进一步减小体积的同时有效降低成本。对于采用微纳加工工艺研制的芯片级原子磁强计来说，设计的磁场线圈要与微型气室、微纳平面准直透镜、微纳偏振片等微纳光学元器件实现片上集成，因此在进行微纳磁场线圈的设计时，要充分考虑线圈的尺寸、线圈几何形状是否能够使用微纳加工工艺实现片上集成等相关因素。

因此，为了解决上述问题，本发明设计了一种用于芯片化磁强计的毫米级双平面磁场线圈，依次进行了线圈的理论计算、参数优化和仿真验证，最后采用微纳加工工艺完成线圈制作，进一步提升了芯片化磁强计探头区域的磁场均匀度，本发明也为其他用于芯片级微系统的片上集成磁场线圈设计提供了一种新方法。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提出一种芯片集成的微型双平面磁场线圈设计方法，通过线圈的理论计算、参数优化和仿真验证线圈的可行性，最后采用微纳加工工艺完成线圈制作，提升了芯片化磁强计探头区域的空间均匀度，本发明也为其他芯片级微系统的片上集成磁场线圈设计提供了一种新方法。

本发明的技术解决方案如下：

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。

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；