弱磁测量传感器的发展与应用

银 鸿，杨生胜，郑阔海，文 轩，庄建宏，王 俊

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

弱磁测量传感器的发展与应用

银 鸿，杨生胜，郑阔海，文 轩，庄建宏，王 俊

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

弱磁测量技术在许多诸如生物医学、资源勘测、军事工程和空间探测等重要领域中占有不可或缺的地位，磁场测量也代表了国家磁测技术的发展水平。当前国内外弱磁测量主要用到质子磁力仪、光泵磁力仪、原子磁力仪、磁通门、SQUID、光纤磁力仪和磁电阻传感器，按照测量磁场的类型将其分为标量和矢量型，通过其基本原理、特性、研究和应用现状的分析，对其发展方向和应用前景进行了综述，为后续的理论研究和工程实践提供参考。

弱磁测量；磁传感器；灵敏度

0 引言

从磁场感应范围的角度出发，可以将磁场传感器分为三类：低强度磁场传感器、中强度磁场传感器、高强度磁场传感器。低强度磁场传感器又称弱磁测量传感器，通常被用来探测0.1 nT以下的磁场[1]，常涉及到军事领域、资源勘探、地震预警、科学研究、工业检测、医疗等方面。如军事上舰艇的消磁、探潜、鱼雷制导及卫星测距等用到弱磁测量仪器；航磁、地磁测量使用的是弱磁测量仪器；高精度的磁测仪器是资源勘查的主要设备；生物医疗工程中如核磁共振CT、肺磁、胃磁和脑磁的诊断离不开弱磁测量仪器。弱磁传感器技术在很大程度上代表了国家磁测技术的发展水平，是当今高新技术的一个热点[2]，分析当前弱磁测量传感器的发展与应用状况，研制高性能、小型化、低功耗、低成本的弱磁测量传感器，对我国国防建设等领域的发展具有重要意义。

弱磁传感器种类繁多，性能和应用场合各异，当前弱磁测量主要是利用超导效应法、磁共振法、磁光效应法、磁电阻效应法等测量方法，其采用的弱磁传感器主要有磁通门磁力仪、光泵磁力仪、原子磁力仪、光纤磁力仪、质子磁力仪、超导量子干涉仪和磁电阻传感器。根据测量磁场的类型可将其分为标量磁传感器和矢量磁传感器，就其的原理、性能、发展趋势和应用范围展开详细论述。

1 标量磁传感器及其应用

磁场是一个矢量场，在磁场探测系统中，标量磁传感器能获得磁场的模量大小，常被用于测量磁场模量（或模量之差）和模量梯度（水平梯度和垂直梯度）[3]。在磁梯度张量系统出现之前其是主要的航空磁测仪器，通过绘制地磁分布图、磁异常图和磁梯度异常图来确定地下或水下磁场的分布和矿体、金属物的位置；而在梯度张量系统出现后常作为矢量磁测系统重要的系统校正和标定的仪器，在地质探测、反潜作战、金属探测中具有重要意义。弱磁标量传感器主要有质子磁力仪、光泵磁力仪和原子磁力仪等三类量子磁力仪。

1.1 质子磁力仪（Proton magnetometer）

质子磁力仪是美国于1955年研制的，又被称为核子旋进或质子旋进磁力仪[4]，是利用水、酒精、煤油、苯、丙酮等工作介质中的氢质子磁矩在磁场中自由旋进的频率来测量磁场。如图1所示，在强磁场激励下，氢质子的核磁矩会出现顺磁性，核磁矩沿强磁场方向定向排列呈现宏观磁性；而当强励磁场撤消后，由于核磁矩和外磁场的相互作用，使得质子产生自旋轴线沿磁场方向的拉莫尔进动并具有固定夹角（进动角）[5-6]，该拉莫尔进动频率f与外磁场B有关，且满足式（1）的关系[7]：

式中：γ0是质子旋磁比，只需测量质子的进动频率就可得到外磁场值。

质子磁力仪因极化方式不同而分为常规质子磁力仪和欧弗豪泽效应质子磁力仪（Overhauser），常规质子磁力仪采用直流极化或静态极化的方式，分辨率约0.1 nT/Hz1/2，但具有极化频率高，存在进向误差，功耗较大，且由于受励磁极化时间的限制而不能长期连续测量的缺点；Overhauser质子磁力仪采用动态极化的方式，具有更高的灵敏度（达到10 pT/Hz1/2），更低的功耗和信噪比，因不需要周期性的激励，能够连续的探测磁场，但价格较高，约为常规磁力仪的2倍[8-9]。

图1 质子磁力仪的原理图Fig.1 Fundamental diagram of proton magnetometer

质子磁力仪由于以原子与磁场作用的固有进动频率作为测量基准，因此稳定性高，可靠性强，工作时不受温度、湿度等气象因素的影响[5]。同时技术较为成熟，被广泛应用于海洋、陆地、空中的探测工作，尤其在野外地质勘察、地震台站的地震预报、水文工程勘测等方面有很大的用途。一个典型的应用是地下未爆炸物（Unexploded Ordnance，UXO）的排查[9]，无论是在作战时期还是在战后和平时期，UXO都严重威胁着人们的生命安全。UXO埋藏深度一般在0～5 m，很难用磁探测之外的手段对其进行排查，但随着炮弹小型化技术的发展，其产生的磁信号非常微弱，Overhauser磁力仪凭着高灵敏度和高稳定性成为UXO探测的首选仪器[10-11]，此外还可以用来探测地下埋藏的未知金属管道和矿藏等。

1.2 光泵磁力仪（Optical pumping magnetometer）

光泵磁力仪是利用某些元素的原子（3He、4He、39K、85Rb、87Rb、133Cs、Hg）在外磁场作用下的塞曼分裂效应和能级跃迁原理来进行磁场测量的。当原子处于外磁场中时，其能级将会分裂为等间距的子能级（塞曼子能级），原能级上的原子会平均分布在塞曼子能级上，当加入射频磁场后，透射光强与射频磁场频率存在相关性，从而实现磁场强度的测量[13-14]，该效应发现于上世纪50年代中期。图2为光泵磁力仪的典型原理。

光泵磁力仪的突出优点是：（1）灵敏度高（达fT量级），如美国Polatomic公司利用单一激光源设计的氦光泵磁仪P-2000磁力仪的灵敏度达100 fT/Hz1/2，是氦光泵磁力仪的代表；美国Geometrics公司的G858的灵敏度达到10fT/Hz1/2，基本代表了铯光泵的技术水平[12]；（2）响应频率高，可以进行高速测量，对于军事目标动态信号探测有着绝对的优势。

图2 光泵磁力仪原理图Fig.2 Fundamental diagram of optical pumping magnetometer

光泵磁力仪的主要缺点是由于光学系统和气室体积大，导致体积、质量和功耗都较大，在应用上受限[2]。所以小型化是光泵磁力仪当前的发展方向，如近些年美国NIST利用MEMS技术成功研制出一种毫米级别的光泵磁力仪，大幅降低了体积、功耗和成本，分辨率约6 pT/Hz1/2（10 Hz～1 kHz）。当前基于“自旋交换-释放自由”（SERF）机制的光泵磁力仪可以提升自旋一致性，其低频弱磁场分辨率可达几十fT/Hz1/2（@1 Hz）[15]，为高性能的光泵磁力仪研制提供了一种新的思路。

在弱磁测量方面，光泵磁力仪更适合在大型平台装备，目前是航空磁测最常用的磁强计[16]，用来进行地质勘探、军事反潜。如当前世界各国的反潜机上几乎都装有光泵磁力仪来进行反潜。

1.3 原子磁力仪（Atomic magnetometer）

原子磁力仪是通过测量原子在弱磁场中能级移动、退极化过程中光强吸收特性的改变来进行微弱磁场的测量，如图3所示，一束圆偏振的泵浦激光使原子自旋沿泵浦光传播方向极化，一束线偏振的检测激光沿垂直于泵浦光的方向检测原子的极化投影。当有垂直于泵浦光和检测光平面的外磁场存在时，原子自旋磁矩在磁场的作用下会作拉莫进动，拉莫进动频率与磁场大小呈正比，通过确定频率即可测得磁场[17]。

图3 原子磁力仪原理图Fig.3 Fundamental diagram of atomic magnetometer

原子磁力仪具有非常高的极限灵敏度，美国NIST在2004年研制的原子磁力仪的灵敏度达40 pT/Hz1/2，采用聚磁技术改进后，其灵敏度达10 fT/Hz1/2；普林斯顿大学研制的原子磁力仪的灵敏度可达0.54 fT/Hz1/2，有望达到aT量级，是目前灵敏度最高的磁强计[8，18]。国内浙江大学利用单激光搭建了一种原子磁力仪样机，其灵敏度达到0.5 pT/Hz1/2；兰州空间技术物理研究所研制的激光抽运铷原子磁力仪，其灵敏度达到1 pT/Hz1/2，磁场波动范围优于0.4 nT。

原子磁力仪具有灵敏度高、能耗低、体积小等优势，在生物磁场探测、核磁共振成像、质量控制、化学反应的监测等领域有着广泛的应用潜力[18]。此外，原子磁力仪在空间与地球物理、空间磁场探测、军事中也有着广泛的应用前景。

1.4 标量磁传感器的应用

在军事中，磁探测是反潜、反水雷的有力手段，美国陆军实验室研究表明：铁磁性目标在地磁场中引起的磁异常信号与探测距离成三次方反比，常规潜艇在500 m处的感应磁场强度约为10 nT量级，实现潜艇探测所用磁传感器的测量精度至少应在纳特数量级[19]。在标量磁传感器中，分辨率和频响高的光泵磁力仪能实现局部区域的快速测量，一直被搭载在反潜机或舰艇上进行磁异探测；原子磁力仪作为新型磁力仪，比光泵磁力仪具有更高的灵敏度和较小的体积、功耗，在反潜方面很有潜力。美国Tristan公司研发了一种新型飞特级的原子磁力仪，并拟定了开发机载磁异探测系统的计划，预计其探测距离约达2 743 m[20]。此外，在磁引信方面，原子磁力仪的应用优势很突出，1辆坦克在1 000 m处的磁异信号仅几pT[19]，微小的高灵敏度原子磁力仪能很好地集成于弹药引信装置中，能实现远距离的目标捕获并摧毁诸如坦克、舰艇等高价值目标。

在资源勘探中，利用标量磁传感器绘制区域磁异常分布图来确定矿体的方位是其常用的办法，磁传感器的分辨率决定了探测的准确程度，光泵磁力仪和质子磁力仪较为常用，光泵磁力仪较质子磁力仪有更高的分辨率，但体积较大、稳定性略差，常搭载在飞机上或拖拽在舰艇上工作，而质子磁力仪因便携性适合于更多场合的勘测。

在医疗中，大脑产生的磁场在0.1 pT左右，光泵磁力仪存在测量死区，远不能满足需求；微小原子磁力仪的发展有望改善脑磁测试条件，测试时用导磁合金作屏蔽室，形成零磁空间来测量极微弱的磁场，NIST将其用于动物脑磁研究，已取得良好的效果[12]。

2 矢量磁传感器及其应用

相对于标量磁传感器，矢量磁传感器能同时获得磁场的模量大小和方向信息，在磁探测系统中常被用来测量磁场分量、分量梯度和梯度张量，通过矢量测量可有效减少磁测反演中的多解性，有助于对磁性体的定性和定量解释，能提高弱磁探测的分辨率、定位精度和导航精度。在军事反潜、磁引信、地球物理勘测、空间磁场探测、生物医疗、工业检测等领域中具有重要的应用。目前，反潜技术中的梯度张量反潜系统，导航技术中的地磁匹配导航系统以及地球物理技术中的航空全张量磁力梯度系统都是各国研究的热点[21-23]，而高性能的弱磁矢量传感器是关键仪器。弱磁矢量传感器主要有磁通门磁力仪、超导量子干涉仪、光纤传感器和磁电阻传感器。

2.1 磁通门磁力仪（Fluxgate）

磁通门磁力仪又称磁饱和磁力仪，是相对最为成熟的矢量磁传感器，基本原理是基于高磁导率软磁材料磁芯的非线性磁化特性，在交变激励磁场中磁芯的导磁特性会发生周期性饱和与非饱和的变化，从而在感应线圈中感应出与外磁场成正比的调制信号，信号中的二次谐波对应着外磁场的信息，通过特定的检测电路可提取外磁场信息[23-24]。

磁通门磁力仪最大特点是良好的低频弱磁场测量能力，灵敏度高达0.1 pT/Hz1/2，并具有宽量程（10-12～10-3T）和恒定/变化磁场的测试能力。目前，德国的STL公司（DM系列）和英国的Bartington公司（SN系列）是世界级磁通门供货商其中DM-005的分辨率达0.1 pT/Hz1/2，带宽可达3 kHz，具有极大的动态范围和极高的稳定性[8]。

磁通门作为一种通量传感器，其灵敏度由线圈中包裹磁芯的磁场渗透性和线圈的测量面积决定，所以高分辨率磁通门的体积和重量都较大，大幅限制了应用[25]。磁通门磁力仪的应用范围十分广泛：在宇航工程方面，磁通门磁力仪是进行空间磁场测绘的重要磁测仪器之一[26-27]；在地磁导航领域具有巨大的军事潜力，地磁导航是通过磁传感器测得的实时地磁数据与存储在计算机中的地磁基准图进行匹配来导航，弱磁传感器是决定导航精度的关键，高稳定性的磁通门在地磁导航中倍受青睐[28]。此外，磁通门磁力仪在反潜、舰艇磁场测量、磁性检测站的磁场测量、水上救援、金属物探测、地震预报、磁探伤等场合均有应用。

2.2 超导量子干涉仪（SQUID）

SQUID是基于超导状态下物质的量子隧穿特性，并通过使用超导回路与一对约瑟弗森结实现微弱磁场绝对测量的仪器。如图4所示，一对由超导材料制作的闭合环，环中间有一个很薄的绝缘隧道结（约瑟弗森结），在超导态下电子由于隧穿效应可通过该绝缘层形成电流，当电流通过隧道结时，结区会出现高频周期性振荡电流，这种高频电流会向外辐射电磁波，根据电磁波的特性可实现对垂直于超导环路平面磁场的测量[29-30]。

图4 SQUD工作原理图Fig.4 Fundamental diagram of SQUID

SQUID分为低温SQUID和高温SQUID[4]，低温SQUID的超导介质是10%的金或铟的铅合金，整个超导介质需工作在4.2 K以下的液氦环境。20世纪80年代出现了高温SQUID，其采用钇钡铜氧YBCO（YBa2Cu3O7-x）为介质，工作在77 K的液氮环境，用液氮比用液氦要便宜且易于实现。

SQUID的优点就是灵敏度高（达1 fT/Hz1/2）；测量范围宽，可从零场测量到数千特斯拉，并能测量恒定磁场和交变磁场；响应频率也高，可从直流到几千兆赫兹；这些特性是其应用范围远远超过常用的磁通门磁力仪和质子磁力仪。

由于SQUID工作需要冷却装置，导致系统的体积、功耗和成本都较大。所以，基于微纳加工技术的SQUID探头微型化一直是研究的热点[31]。据报道，一种MEMS平面线圈和YBaCuO薄膜相结合的SQUID已问世，其灵敏度达到50 fT/Hz1/2，这推动了SQUID向微型化和高温化的发展。

SQUID目前多使用于医疗、军事和科学研究等大平台。在军事方面，利用三轴SQUID制成的航磁全张量系统可对地下或水下隐藏目标进行准确探测并定位，如美国橡树岭国家实验室利用多个高温SQUID组成磁梯度探测系统，安装在直升机上进行UXO排查；德国海军则利用SQUID探测潜水艇；澳大利亚联邦科学工业研究组织（CSIRO）则用来地质调查和矿藏普查[32]。

2.3 光纤传感器（Fiber-optic）

光纤传感器出现时间相对较晚，是利用磁场对光和介质的相互作用来测量磁场的，多用于测量直流或者频率不超过60 kHz的交流磁场。光纤传感器的磁测量方法可分为三类：法拉第磁光效应法、洛仑兹力法、磁致伸缩法。其中，基于磁致伸缩法的干涉型光纤传感器具有较高的灵敏度和潜力，是利用附着在光纤上的材料在外磁场中的磁致伸缩效应引起光纤长度改变，导致两干涉光纤内光相位差的变化进行磁场测量[33-34]。

干涉型光纤磁场传感器的主要优点有：（1）灵敏度较高（达0.7 fT/Hz1/2）；（2）体积小、重量轻；（3）耐腐蚀，电绝缘性好，可工作于易爆或者强腐蚀性环境。其缺点是稳定性差，易受外界环境因素的干扰会出现“随机相位漂移”，研究者提出了一些提高光纤稳定性方法，如输入光波偏振态反馈控制技术、分集检测消偏振衰落技术等[35-36]。

虽然干涉型光纤磁传感器发展历史较短，很多目前仍在研究中，但由于存在灵敏度极高、精度高、体积小、耐腐蚀等特点，在弱磁探测中具有广阔的应用前景，目前已应用于地质探矿、军事制导和反潜、物联网的传感器节点、车辆检测等场合，随着以后稳定性和其他性能的提升，必将在更多空间探测等弱磁探测领域中崭露头角。

2.4 磁电阻传感器（Magnetoresistance）

磁电阻传感器是利用某些金属或半导体材料在磁场中的电阻变化来进行磁场测量的，不仅适于测量恒定磁场，还能测量梯度较大的不均匀磁场和随时间快速变化的磁场，具有广阔的前景。基于20世纪70年代问世的薄膜技术，陆续出现了各向异性磁电阻（AMR）、巨磁电阻（GMR）以及隧道结磁电阻（TMR）等传感器。其中AMR传感器是利用磁性材料的磁各向异性制备而得，灵敏度取决于磁致电阻效应（＜5%）的大小，目前能达到50 pT/Hz1/2左右，其低频噪声较GMR和TMR低，但是由于磁电阻效应低导致输出信号弱小；GMR是利用相邻磁性层间磁化方向发生改变而导致磁电阻发生巨大变化的现象而制得，磁电阻效应达70%，灵敏度达1 nT/Hz1/2，具有很宽的动态范围，但缺点是低频噪声高；TMR是最新一代的磁电阻传感器，是利用两电极电子遂穿电阻的变化而制成的器件，磁致电阻高达604%，灵敏度可达1 pT/Hz1/2，并兼AMR和GMR器件的优点于一身，具有很广泛的应用市场，不过低频噪声依然是其技术难点[27，37-39]。近年，美国陆军实验室提出了磁通聚集调制技术（图5），利用MEMS结构驱动磁通聚集器使其磁场增益发生周期性变化，使GMR/TMR内部敏感单元检测到调制后的交流磁场信号，可有效降低其低频噪声[40]；美国Nebraska大学也通过改善隧道结工艺和磁通聚集器来研制低噪声高灵敏度TMR，该项研究目前仍在继续，其目标是研制飞特量级磁噪声的磁传感器。

图5 磁通调制技术原理图Fig.6 Fundamental diagram of flux modulation

磁电阻传感器具有灵敏度高、小型化、低成本、低功耗、可集成、频响高且不需要特殊的测量环境等一系列特点，在许多领域都具有应用潜力[37]，目前新型的磁电阻传感器TMR的应用研究正处于探索阶段，如军事、空间等重要领域的应用也正在推进，随着其应用验证的深入，相信以后高性能的磁电阻传感器将占有更大的市场。

2.5 矢量传感器的应用

矢量传感器能测量磁场方向，比标量传感器有更广泛的应用。典型的梯度张量系统无需严格定向就能充分获取磁异常信息并能有效消除地磁场的影响，多用于军事探潜、探爆、和资源勘探，受到各国研究者的重视。其中所用到的矢量磁传感器有SQUID、磁通门磁力仪和磁电阻传感器，基于SQUID和磁通门的梯度张量系统出现较早，技术成熟，但体积较大。目前利用磁阻传感器配置微型低耗的梯度张量系统成为研究的热点。

在空间探测中，磁传感器作为航天器的重要载荷，不仅可提供航天器姿态控制和内部结构评价所需要的磁信息，而且还能同步监测磁场，为空间天气学、深空探测和空间环境预警提供关键参数。航天器对磁传感器的质量、体积和功耗有严格的要求，目前常用到的磁传感器有磁通门和磁电阻传感器，磁通门在空间应用技术成熟；磁电阻传感器比磁通门虽然稳定性稍差，但在质量、功耗及尺寸方面占据绝对优势，阵列化的磁阻传感器适合于空间磁场的精确测量以实现航天器的姿态控制和航天器关键部位的无损探伤。如2003年美国发射的Ion-f卫星，加拿大发射的CanX-1卫星都搭载了AMR来执行空间磁场测量或姿态控制任务[27]。

在生物医疗中，利用生物磁性与器官组织结构和生理病相关的特性，通过高灵敏度的磁传感器可实现疾病诊断，目前占主导地位的是SQUID，具有极限灵敏度，可以检测脑磁场和胎儿心磁，SQUID能抑制母体的心磁信号而准确地把微弱的胎儿心磁信号检测出来；但SQUID体积较大，不利于微小局部的探测。目前发展的TMR传感器能够检测纳米级别的磁性粒子，通过磁性纳米颗粒和生物分子的合理配置，实现超高灵敏度、定量的生物检测技术，具有较大的潜力。

在工业中，磁传感器广泛用于仪器仪表、无损探伤、数字罗盘、伪钞鉴别、车辆检测、位置检测等方面，较为常见的是磁通门和磁电阻传感器。磁电阻传感器出现比磁通门较晚，但体积微小，易集成在电路中制成如汽车速度表、里程表、液体检测器、角度或电流传感器等仪器。

3 结论

通过分析当前弱磁场测量主要用到的磁传感器，可以看出：（1）在标量传感器中，质子磁力仪的突出特点是高稳定性和小巧，尤其适合在野外勘探作业，动态极化方式的磁力仪是其研究方向；光泵磁力仪的突出优点是灵敏度高和响应频率高，特别适合航空高速磁测，小型化是当前的发展方向；原子磁力仪的分辨率极高，体积和功耗很小，作为新型的磁力仪最具应用潜力；（2）在矢量传感器中，磁通门磁力仪技术应用广泛，特别在空间磁场测量和地磁导航中技术较为成熟；SQUID的突出特点是灵敏度高、体积大、成本高，目前在医学诊断和军事反潜中占有重要地位，且随着高温SQUID技术的发展，其应用范围将进一步扩大；干涉型光纤磁力仪的特点是分辨率高、耐腐蚀，稳定性一般，在军事、物联网中有重要应用，提高稳定性并研制高性能的光纤磁力仪是其发展的方向；新型的磁电阻传感器具有体积小、灵敏度高、线性好、线性范围宽，成本低等一系列的优点，在弱磁测量领域已显现出了巨大的应用潜力，随着低噪声高灵敏度磁电阻传感器技术的进步，其必将成为更多领域中完成磁测任务的主角。

总之，随着MEMS、微纳加工等新技术的发展以及新材料和新工艺的出现，弱磁传感器将沿着高分辨率、高稳定度、高准确度、微小型化、低功耗、低成本的方向发展，在未来的应用领域中必将迸发出更耀眼的光芒。

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DEVELOPMENT AND APPLICATION OF THE DETECTING INSTRUMENT FOR WEAK MAGNETIC FIELD

YIN Hong，YANG Sheng-sheng，ZHENG Kuo-hai，WEN Xuan，ZHUANG Jian-hong，WANG Jun
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The technology of detecting weak magnetic field plays an indispensable role in lots of momentous areas，such as bio-medicine，resources exploration，military and aerospace engineering.It is the direction of the current magnetic measurement technology；to a great extent，it also represents the level of detecting magnetic field of a country.The major sensors of detecting weak magnetic field currently are Proton Magnetometer，Optical pumping，Atomic Magnetometer，Fluxgate，SQUID，Fiber-optic and Magneto resistance，which are used at home and abroad，and can be divided into scalar and vector type as the type of measuring magnetic field，according to analyzing their principle，property and state of technology and application，future research orientation and application foreground are all reviewed in this thesis，which will provide the reference for further theoretical research and engineering practice.

weak magnetic measurement；magnetic sensor；sensitivity

V439

A

1006-7086（2017）05-0304-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.011

2017-06-12

“十三五”全军共作信息系统装备预先研究课题（No.31512030101）

银鸿（1992-）男，甘肃武威人，硕士研究生，从事弱磁场探测和空间环境效应及防护技术研究。E-mail：1033826425@qq.com。