專利名稱：石榴石型光電式電流傳感器裝置及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，特別涉及一種石榴石型光電式電流傳感器裝置及制備方法。
背景技術：
光電式電流傳感器(Optical Current Sensor)是以磁光法拉第效應為基礎,直接或間接對電流進行測試的裝置。光電式電流傳感器相對于傳統(tǒng)電磁式電流互感器具有如下優(yōu)點:絕緣性能好、無漏油爆炸危險、不會產(chǎn)生磁飽和及鐵磁共振、頻帶寬、動態(tài)范圍大、結構緊湊重量輕、適合繼電保護和諧波檢測等優(yōu)點。光電式電流傳感器按照原理與結構分為有源型、無源型、全光纖型及石榴石型。電流傳感器測試結果的線性化、誤差、零點附近準確度是非常重要的參數(shù)。中國專利 200610060605.5,200910056802.3,美國專利 US20020145414A1、US20010008456A1、US005691837A、US005451864A、US006404190B1、US5075546、US20030146748A1 提及采用小尺寸磁光晶體結合光學元件來探測電流或者磁場的變化，但對于測試結果的非線性化及零點漂移問題沒有給出具體解決方案。在先前發(fā)明專利中，一種磁光電流傳感器及其制造方法(參見發(fā)明專利:申請?zhí)?00910183929.1)及磁光電流傳感器及其制造方法(參見發(fā)明專利，申請?zhí)?201010168763.9)提到解決零點漂移的解決方案及模塊化處理解決光纖抖動引起的噪聲，該系統(tǒng)有相當多的優(yōu)點，但是外界振動、器件抖動等因素對系統(tǒng)的影響較大，此外還有如下不足，有待提聞:
1、光學元件數(shù)量多，系統(tǒng)光路調(diào)整復雜，繼而增大了弓I入誤差的幾率；
2、石榴石前偏振片增大了整個器件的體積及成本，不利于系統(tǒng)的高集成化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對光電式電流傳感器存在的問題，提出了 一種石榴石型光電式電流傳感器裝置及制備方法，在提高傳感器的測量精度、擴大測量范圍、解決零點漂移問題的同時，提高傳感器測量結果的線性化并進一步優(yōu)化器件結構。本發(fā)明的技術方案為:一種石槽石型光電式電流傳感器裝置，依次包括光源、輸入光纖、輸入光纖準直器、石槽石模塊、輸出光纖準直器、輸出光纖、探測器，所述石槽石模塊為以石榴石為核心的層狀模塊，包括保護層、永磁薄膜、緩沖層和石榴石，石榴石模塊兩端最外層為防止永磁薄膜被氧化的保護層；向內(nèi)為用于對中間層石榴石提供外加磁場的永磁薄膜；再向內(nèi)為緩沖層；中間為永磁薄膜。所述保護層為Ta、Cr、SiO2中一種或者一種以上,厚度5nm lMm。所述永磁薄膜為釹鐵硼、釤鈷、鋁鎳鈷中的一種或一種以上，厚度為IOnm 50Mm。所述緩沖層為Cr、Ta、Ag、Al中一種或一種以上，厚度為5nm 10Mm。所述永磁薄膜為脊部和溝槽間隔條狀分布結構。一種石榴石型光電式電流傳感器裝置制備方法，沿光路依次設置光源、輸入光纖、輸入光纖準直器、石槽石模塊、輸出光纖準直器、輸出光纖、探測器，所述石槽石模塊制備步驟如下:
1)石榴石放置于超聲波清洗器中清洗并烘干；
2)采用兩片不銹鋼掩模版分別壓貼于石榴石表面，兩掩模版之間夾角固定，夾角范圍:0° ^ Θ ^ 90° ；
3)將石榴石及掩模版放置于薄膜生長系統(tǒng)(磁控濺射儀或者電子束蒸發(fā)系統(tǒng))，抽真空；系統(tǒng)本底真空度優(yōu)1.010_4Pa時，加熱石榴石至350 500°C，工作氣壓為0.2 5Pa ;分別生長緩沖層、永磁薄膜，保溫I小時；然后升溫至550°C 800°C進行二次回火；冷卻至室溫時生長保護層SiN或者SiO2薄膜；
4)產(chǎn)物從薄膜生長系統(tǒng)中取出，并進行充磁，石榴石材料兩側表面形成條狀間隔分布的永磁薄膜，得到石榴石模塊。一種石榴石型光電式電流傳感器裝置制備方法，沿光路依次設置光源、輸入光纖、輸入光纖準直器、石槽石模塊、輸出光纖準直器、輸出光纖、探測器，所述石槽石模塊制備步驟如下:
I )石榴石放置于超聲波清洗器中清洗并烘干；
II)將石榴石放置于薄膜生長系統(tǒng)(磁控濺射儀或者電子束蒸發(fā)系統(tǒng))，抽真空；系統(tǒng)本底真空度優(yōu)1.0*10_4Pa時，加熱石榴石至350 500°C，工作氣壓為0.2 5Pa ;石榴石前后分別生長緩沖層、永磁薄膜，保溫I小時；然后升溫至550°C 800°C進行二次回火；冷卻至室溫時生長保護層SiN或者SiO2薄膜；
III)產(chǎn)物從薄膜生長系統(tǒng)中取出，采用激光直刻法對石榴石上的永磁薄膜進行刻蝕，形成脊部與溝槽相間分布的永磁薄膜；永磁薄膜周期小于入射激光波長，其中脊部寬度與周期的比值為0.25 0.75 ;石榴石兩側的永磁薄膜夾角范圍0° < Θ < 90° ;對永磁薄膜進行充磁，形成石榴石模塊。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明石榴石型光電式電流傳感器裝置及制備方法，光路元件少、系統(tǒng)設計簡便、可靠性高。采用永磁薄膜固定電流傳感器的初始零點，永磁薄膜具有起偏檢偏的作用，光路通過的磁場強度大，平行度好，偏振光的旋轉角大，精度高。為特高壓電力系統(tǒng)監(jiān)測電流提供技術支持。


圖1為本發(fā)明石榴石型光電式電流傳感器裝置結構示意 圖2為本發(fā)明石榴石型光電式電流傳感器裝置中石榴石晶體模塊的輸入端永磁薄膜結構示意 圖3為本發(fā)明石榴石型光電式電流傳感器裝置中石榴石晶體模塊的輸出端永磁薄膜結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示石榴石型光電式電流傳感器裝置結構示意圖，采用高集成設計，依次包括光源1、輸入光纖2、輸入光纖準直器3、石槽石模塊4、輸出光纖準直器5、輸出光纖6、探測器7。石榴石模塊4兩端最外層為保護層401、407用于防止永磁薄膜被氧化，保持永磁薄膜的磁性；向內(nèi)為永磁薄膜402、406用于對中間層石榴石404提供外加磁場，產(chǎn)生石榴石404的磁化方向；再向內(nèi)為緩沖層403、405 ;中間為永磁薄膜404。光源I用于提供點或面光源；依次進入石榴石模塊4的保護層401、永磁薄膜402、緩沖層403共同作用將光源I產(chǎn)生的光轉換成線偏振光，通過永磁薄膜使石榴石404內(nèi)偏振光旋轉后，再依次通過緩沖層405、永磁薄膜406、保護層407進行檢偏器的作用后輸出；最后通過探測器7探測偏振光法拉第旋轉角度的變化。石榴石型光電式電流傳感器裝置中保護層401、407為Ta、Cr、SiO2中一種或者一種以上，厚度5nm lMm ;所述永磁薄膜402、406為釹鐵硼、釤鈷、鋁鎳鈷中的一種或一種以上，厚度為IOnm 50Mm ;所述緩沖層403、405為Cr、Ta、Ag、Al中一種或一種以上，厚度為5nm ΙΟμιτ ο石榴石型光電式電流傳感器裝置，光源I為傳感器提供點或面光源，輸入光纖2、輸出光纖傳輸信號，輸入光纖準直器3、輸出光纖準直器3優(yōu)化光信號質(zhì)量；石槽石模塊4輸入端永磁薄膜402表面形成條狀分布的永磁薄膜光柵,永磁薄膜402的脊部和溝槽間隔分布，永磁薄膜402周期小于激光波長,永磁薄膜402能將光源轉化為線偏振光,并具有偏振器的作用，如圖2所示。線偏振光經(jīng)過石榴石404，到達具有檢偏作用的永磁薄膜406，之后線偏振光到達探測器，檢偏作用的永磁薄膜406結構如圖3所示。石榴石型光電式電流傳感器裝置中核心部件石榴石模塊4的制備方法:1、石榴石放置于超聲波清洗器中清洗并烘干；I1、采用兩片不銹鋼掩模版分別壓貼于石榴石表面，兩掩模版之間夾角固定，夾角范圍:0° ^ Θ ^ 90° ;111、將石榴石及掩模版放置于薄膜生長系統(tǒng)(磁控濺射儀或者電子束蒸發(fā)系統(tǒng))，抽真空；系統(tǒng)本底真空度優(yōu)1.0 X KT4Pa時，加熱石榴石(404)至350 500°C，工作氣壓為0.2 5Pa ;分別生長緩沖層、永磁薄膜，保溫I小時；然后升溫至550°C 800°C進行二次回火；冷卻至室溫時生長保護層SiN或者SiO2薄膜；IV、產(chǎn)物從薄膜生長系統(tǒng)中取出，并進行充磁，得到石榴石模塊。石榴石型光電式電流傳感器裝置中核心部件石榴石模塊4亦可采取以下方法獲得，1、石榴石放置于超聲波清洗器中清洗并烘干；I1、將石榴石放置于薄膜生長系統(tǒng)(磁控濺射儀或者電子束蒸發(fā)系統(tǒng))，抽真空；系統(tǒng)本底真空度優(yōu)1.0*10_4Pa時，加熱石榴石(404)至350 500°C，工作氣壓為0.2^5Pa ;石榴石前后分別生長緩沖層、永磁薄膜，保溫I小時；然后升溫至550°C 800°C進行二次回火；冷卻至室溫時生長保護層SiN或者SiO2薄膜；111、產(chǎn)物從薄膜生長系統(tǒng)中取出，采用激光直刻法對石榴石上的永磁薄膜進行刻蝕，形成脊部與溝槽相間分布的永磁薄膜；永磁薄膜周期小于入射激光波長，其中脊部寬度與周期的比值為0.25 0.75 ;石榴石兩側的永磁薄膜夾角范圍0° < Θ < 90° ;對永磁薄膜進行充磁，即形成石榴石模塊。將充磁后的石榴石模塊4放置于事先搭建的光學系統(tǒng)，采用正交消光法測量法拉第旋轉角，根據(jù)安培定律計算出外界電流或者磁場的強度。綜上所述，石榴石型光電式電流傳感器裝置，設計獨特且巧妙，結構簡單，使用方便，光學元件少、系統(tǒng)設計簡便、可 靠性高精度高，可作為光學電流傳感器的理想選擇。此夕卜，本技術在光學磁場傳感器、零電位監(jiān)測器、磁化強度光柵、光隔離器等領域，應用前景同樣被看好。
權利要求
1.一種石槽石型光電式電流傳感器裝置，其特征在于，依次包括光源(I)、輸入光纖(2)、輸入光纖準直器(3)、石槽石模塊(4)、輸出光纖準直器(5)、輸出光纖(6)、探測器(7),所述石榴石模塊(4)為以石榴石為核心的層狀模塊，包括保護層、永磁薄膜、緩沖層和石榴石，石榴石模塊(4)兩端最外層為防止永磁薄膜被氧化的保護層(401、407);向內(nèi)為用于對中間層石榴石(404)提供外加磁場的永磁薄膜(402、406);再向內(nèi)為緩沖層(403、405);中間為永磁薄膜(404)。
2.根據(jù)權利要求1所述石榴石型光電式電流傳感器裝置，其特征在于，所述保護層為Ta、Cr、SiO2中一種或者一種以上,厚度5nm lMm。
3.根據(jù)權利要求1所述石榴石型光電式電流傳感器裝置，其特征在于，所述永磁薄膜為釹鐵硼、衫鈷、招鎳鈷中的一種或一種以上，厚度為IOnm 50Mm。
4.根據(jù)權利要求1所述石榴石型光電式電流傳感器裝置，其特征在于，所述緩沖層為Cr、Ta、Ag、Al中一種或一種以上，厚度為5nm 10Mm。
5.根據(jù)權利要求1所述石榴石型光電式電流傳感器裝置，其特征在于，所述永磁薄膜為脊部和溝槽間隔條狀分布結構。
6.一種石榴石型光電式電流傳感器裝置制備方法，沿光路依次設置光源(I)、輸入光纖(2)、輸入光纖準直器(3)、石槽石模塊(4)、輸出光纖準直器(5)、輸出光纖(6)、探測器(7)，其特征在于，所述石榴石模塊(4)制備步驟如下: 1)石榴石放置于超聲波清洗器中清洗并烘干； 2)采用兩片不銹鋼掩模版分別壓貼于石榴石表面，兩掩模版之間夾角固定，夾角范圍:0° ^ Θ ^ 90° ； 3)將石榴石及掩模版放置于薄膜生長系統(tǒng)(磁控濺射儀或者電子束蒸發(fā)系統(tǒng))，抽真空；系統(tǒng)本底真空度優(yōu)1.010_4Pa時，加熱石榴石(404)至350 500°C，工作氣壓為0.2 5Pa ;分別生長緩沖層、永磁薄膜，保溫I小時；然后升溫至550°C 800°C進行二次回火；冷卻至室溫時生長保護層SiN或者SiO2薄膜； 4)產(chǎn)物從薄膜生長系統(tǒng)中取出，并進行充磁，石榴石材料兩側表面形成條狀間隔分布的永磁薄膜，得到石榴石模塊。
7.一種石榴石型光電式電流傳感器裝置制備方法，沿光路依次設置光源(I )、輸入光纖(2)、輸入光纖準直器(3)、石槽石模塊(4)、輸出光纖準直器(5)、輸出光纖(6)、探測器(7)，其特征在于，所述石榴石模塊(4)制備步驟如下: I )石榴石放置于超聲波清洗器中清洗并烘干； II)將石榴石放置于薄膜生長系統(tǒng)(磁控濺射儀或者電子束蒸發(fā)系統(tǒng))，抽真空；系統(tǒng)本底真空度優(yōu)1.0*10_4Pa時，加熱石榴石(404)至350 500°C，工作氣壓為0.2 5Pa ;石榴石前后分別生長緩沖層、永磁薄膜，保溫I小時；然后升溫至550°C 800°C進行二次回火；冷卻至室溫時生長保護層SiN或者SiO2薄膜； III)產(chǎn)物從薄膜生長系統(tǒng)中取出，采用激光直刻法對石榴石上的永磁薄膜進行刻蝕，形成脊部與溝槽相間分布的永磁薄膜；永磁薄膜周期小于入射激光波長，其中脊部寬度與周期的比值為0.25 0.75 ;石榴石兩側的永磁薄膜夾角范圍0° ≤ Θ ≤ 90° ;對永磁薄膜進行充磁，形成石榴石模塊(4 )。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石榴石型光電式電流傳感器裝置及制備方法，沿光路依次包括光源、輸入光纖、輸入光纖準直器、石榴石模塊、輸出光纖準直器、輸出光纖、探測器，所述石榴石模塊為以石榴石為核心的層狀模塊，包括保護層、永磁薄膜、緩沖層和石榴石，石榴石模塊兩端最外層為防止永磁薄膜被氧化的保護層；向內(nèi)為用于對中間層石榴石提供外加磁場的永磁薄膜；再向內(nèi)為緩沖層；中間為永磁薄膜。光路元件少、系統(tǒng)設計簡便、可靠性高。采用永磁薄膜固定電流傳感器的初始零點，永磁薄膜具有起偏檢偏的作用，光路通過的磁場強度大，平行度好，偏振光的旋轉角大，精度高。為特高壓電力系統(tǒng)監(jiān)測電流提供技術支持。
文檔編號G01R19/00GK103116057SQ20131001816
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權日2013年1月18日
發(fā)明者焦新兵, 雷文鋒, 阮長江, 張俊杰, 馬躍, 馬立新 申請人:上海理工大學