一种基于分形设计加热膜的原子传感器气室无磁加热方法

本发明涉及原子传感器无磁电加热设计，特别是一种基于分形设计加热膜的原子传感器气室无磁加热方法，通过磁控溅射技术在具有柔性透明的聚酰亚胺薄膜上沉积基于分形设计的氧化铟锡图案用于原子磁强计气室无磁电加热，能够在加热时使原子磁强计气室受热均匀，使气室内部的碱金属原子处于相同的能级和极化状态，有利于在超高灵敏磁强计测量中提供稳定均匀的加热以提高系统的稳定性。

背景技术：

1、在原子磁强计中，核心的器部件之一是碱金属气室，整个磁强计系统的检测机制是利用气室中碱金属原子的相关性能运行的。针对原子磁强计本身，为满足碱金属工作所需的饱和蒸气原子数密度，需要将加热源放置在气室的周围将其加热至100-200℃，从而将碱金属原子转化为气态。

2、原子磁强计作为一种磁场检测装置，需要降低或消除额外磁场的引入，而气室对环境磁场强度大小异常敏感，要求热源本身不产生额外的磁场，因此通常采用无磁加热技术来实现对碱金属气室的加热。目前，对于原子磁强计的气室加热主要有三种常用的无磁加热方法：热气流加热，激光加热和电加热。其中，热气流加热是一种采用高温气体对气室进行加热的方法。这种方法是将加热装置放置于传感系统的磁屏蔽层外，仅输入热气流，可以从源头上避免额外磁场的引入且结构简单易于实现。但是它的温控精度低，难以小型化，并且气流引入会对传感器内其它部件产生机械扰动，不适用于小型化原子磁强计；激光加热是一种采用红外激光辐射对碱金属气室进行加热的方法。采用非共振波长的激光射入气室，通过气室壁吸收激光能量以实现无磁加热的功能，也可以从源头避免额外磁场的引入。但是射入的加热激光光源的不稳定性也会造成干扰，并且加热功率较低以及光路设计复杂，在实际小型化原子磁强计的应用中具有局限性；而无磁电加热是目前最常用的加热方法，它采用电流驱动电加热器产生热量以实现对气室的加热，由于其操作便捷、易于集成、温控精度高等优点，目前广泛应用于各种类型的原子磁强计研究中。但是，该方法是通过电流驱动的，其本身必会产生磁场，因此需要对加热丝的走线构型进行精细化设计使电流产生的额外磁场尽可能的相互抵消，最大幅度的降低电流驱动产生的磁场影响。

3、其中无磁电加热所用的加热膜需要满足加热的稳定性和均匀性这两个条件。目前，基于微纳制造工艺制备的加热膜往往在玻璃或硅衬底上制备，制作的样品难以直接贴附在气室表面，常规的应用是单面加热且不贴附在气室表面，这样的结果就是加热均匀性无法得到满足。此外，一些基于柔性透明衬底制备的加热膜，由于导电材料选择了如镍铬合金等而导致气室的透光性不好，对原子传感器检测机理中的泵浦光和检测光的功率影响很大，从而影响系统的检测灵敏度。

4、随着市场需求和研究的深入，小型化甚至芯片化原子磁强计不断被研发出来。由于原子磁强计体积的缩小，会引发气室电加热磁场噪声、气室温度波动噪声等一系列问题从而影响系统的检测灵敏度和准确性，因此保障气室的加热均匀性和稳定性显得至关重要。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于分形设计加热膜的原子传感器气室无磁加热方法，通过磁控溅射技术在具有柔性透明的聚酰亚胺薄膜上沉积基于分形设计的氧化铟锡图案用于原子磁强计气室无磁电加热，能够在加热时使原子磁强计气室受热均匀，使气室内部的碱金属原子处于相同的能级和极化状态，能够克服传统单面加热膜温度不均匀以及四面加热膜对光束透过率低的影响，减小光路中光功率的衰减以及温度不均匀对磁场检测灵敏度的干扰，有利于在超高灵敏磁强计测量中提供稳定均匀的加热以提高系统的稳定性。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于分形设计加热膜的原子传感器气室无磁加热方法，其特征在于，包括利用磁控溅射技术在具有绝缘性的聚酰亚胺柔性透明薄膜上沉积基于分形设计的氧化铟锡导线以形成贴附方形气室左前右后四个面连续的无磁电加热膜，所述氧化铟锡导线从第一面左下角起以双线绕行方式接连分布到第四面右下角电流出入端口，承载正向流入电流的氧化铟锡导线段与其同步并行的承载负向流出电流的氧化铟锡导线段之间的相对内外位置依次轮替变化。

4、所述分形设计的图案预先采用光刻设计技术制作在聚酰亚胺薄膜上，经过磁控溅射法沉积氧化铟锡后去胶形成所述氧化铟锡导线。

5、所述聚酰亚胺薄膜是通过旋涂法制备，所述旋涂法是在玻璃衬底上旋涂聚酰亚胺前驱体溶液，所述聚酰亚胺前驱体溶液中聚酰亚胺质量分数为12.0±0.5wt％，余量为混合溶剂，所述混合溶剂由80wt％n-甲基吡咯烷酮和20wt％二甲苯组成，所述旋涂的速度为1000rpm，旋涂时间为30s，旋涂次数为5次。

6、所述光刻设计技术中包括使用紫外光刻正胶旋涂在聚酰亚胺薄膜上，使用紫外光作为曝光光源，使用紫外光刻胶显影液ar300-26进行显影。

7、所述氧化铟锡导线在所述第一面左下角形成双线封闭连接端，所述双线封闭连接端为内直径为50um和外直径为150um的半圆环，所述半圆环的两脚同步延伸出弧角30°双扇环，双扇环由同心大扇环和小扇环组成，大扇环外半径355um，大扇环内半径305um，小扇环外半径255um，小扇环内半径205um，从所述弧角30°双扇环延伸出弧角90°双扇环，从所述弧角90°双扇环延伸出两个弧角270°双扇环，第一个弧角270°双扇环从弧角90°双扇环延伸而得，第二个弧角270°双扇环从第一个弧角270°双扇环延伸而得，所述两个弧角270°双扇环延伸出弧角180°双扇环，所述弧角180°双扇环延伸出弧角90°双扇环，所述弧角90°双扇环延伸出两个弧角270°双扇环，所述两个弧角270°双扇环延伸出弧角90°双扇环，所述弧角90°双扇环延伸出弧角180°双扇环，所述弧角180°双扇环延伸出双弧角270°双扇环…，所述电加热氧化铟锡导线到达所述第一面右上角时以弧角45°双扇环连接跨面直线段的左端，所述跨面直线段的右端在第二面左上角延伸出弧角45°双扇环，所述弧角45°双扇环延伸出弧角90°双扇环…，所述第四面右下角电流出入端口的电加热氧化铟锡导线延伸到加热膜底边。

8、所述分形设计的图案是利用数学上的peano曲线并进行弧角化设计的，分形设计的结构单元由内外半径分别为205um，255um和305um，355um以及弧角分别为90°，180°和270°的双扇环组合得到，所述弧角180°和270°的双扇环分别由2个和3个弧角为90°的双扇环组成，导电图案是通过分形设计的结构单元经旋转组合而成，所述导电图案的线宽和线间距均为50um。

9、所述导电图案是通过双扇环结构单元组合连接而成，所述导电图案的结构单元之间通过两个弧角45°的双扇环和直线段组成的过渡结构连接，所述过渡结构连接后的导电图案一端用一个半圆环和弧角30°的双扇环连接起来，所述半圆环的内外直径分别为50um和150um，另一端与温度控制系统连接作为电源输入输出端，所述分形设计图案的在半圆环封闭连接后形成类似双绞线的构型，其相邻导电之间的电流方向相反。

10、所述去胶是将沉积氧化铟锡后的样品在丙酮溶液中浸泡以去除光刻胶部分。

11、所述加热膜的尺寸为4mm*16.12mm，所述方形气室的尺寸为4mm*4mm*4mm且一面有一小截梯形锥体气柄。

12、本发明的技术效果如下：本发明一种基于分形设计加热膜的原子传感器气室无磁加热方法，通过磁控溅射技术在具有柔性透明性能的聚酰亚胺薄膜上沉积出分形结构的微导电图案用于在原子气室四周进行无磁化电加热，克服传统单面加热膜温度不均匀以及四面加热膜对光束透过率低的影响，能够减小光路中光功率的衰减以及温度不均匀对磁场检测灵敏度的干扰，有利于在超高灵敏磁强计测量中提供稳定均匀的加热装置以提高系统的稳定性。

13、本发明具有以下特点：(1)本发明方案采用的无磁电加热膜具有柔性和高透过率，其柔性可以抵消因加热温度上升对薄膜产生的热应力，高透过率能够减小光路中光功率的衰减。(2)本发明方案可以使原子磁强计气室受热均匀，温度梯度小，并且尽可能的减小由于电驱动加热膜所带来的额外磁场，提高了系统的稳定性和准确性。