基于磁流體的m-z型玻璃基光波導(dǎo)磁場強度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁場強度傳感器，尤其涉及一種基于磁流體的M-Z型玻璃基光波導(dǎo)磁場強度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有常用的磁場傳感器中，絕大部分是利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)傳感功能。傳統(tǒng)的霍爾器件工作在有源環(huán)境下，具有一定能耗要求的同時，通電條件本身會引起電磁場的改變，從而導(dǎo)致傳感存在一定系統(tǒng)誤差。
[0003]目前，基于光纖及光波導(dǎo)的傳感器由于靈敏度高，可用于高壓、電氣噪聲、腐蝕等惡劣環(huán)境，以及可用于聲、磁、溫度等多領(lǐng)域傳感器應(yīng)用得到快速發(fā)展。此外，磁流體作為一種新型的功能材料，是由直徑為納米級的固體磁性顆粒分散在基液中形成的穩(wěn)定膠體體系。它既具有固體的磁性，又具有液體的流動性，在生物、工業(yè)、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用。其諸多特性之一，是在外磁場作用下其性質(zhì)會發(fā)生規(guī)律性的變化，如其折射率。磁流體折射率在外磁場的影響下的變化由諸多因素決定，以磁流體薄膜為例，其濃度、厚度、溫度以及磁場方向與薄膜面法向夾角有關(guān)。而這些因素定量后，其折射率與外磁場強度嚴重的依賴關(guān)系為磁場傳感器的設(shè)計提供了極佳的傳感材料。
[0004]結(jié)合以上幾點，將磁流體與玻璃基平面M-Z型光波導(dǎo)結(jié)合，可得到一種無源且靈敏度高的磁場傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于磁流體的M-Z型玻璃基光波導(dǎo)磁場強度傳感器結(jié)構(gòu)，是利用磁流體折射率可跟隨外磁場大小變化的特性，結(jié)合玻璃基M-Z型光波導(dǎo)，當光源從玻璃基平面M-Z型光波導(dǎo)輸入端輸入后，通過測量輸出光的干涉光譜移動量得到外磁場強度的傳感器。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明依次包括光波導(dǎo)輸入端，輸入端的直波導(dǎo)，Y分叉波導(dǎo)，中間兩條平行的直波導(dǎo)，反向Y分叉波導(dǎo)，輸出端的直波導(dǎo)和光波導(dǎo)輸出端；其特征在于:在中間兩條平行的直波導(dǎo)中的任意一條上覆蓋磁流體薄膜，磁流體薄膜與該直波導(dǎo)的玻璃基芯層相接觸。
[0006]所述磁流體薄膜與該直波導(dǎo)的玻璃基芯層相接觸是通過對該直波導(dǎo)表面的薄膜包層開窗處理，使開窗區(qū)域的磁流體薄膜與玻璃基芯層直接接觸。
[0007]所述磁流體薄膜的折射率必須小于玻璃基光波導(dǎo)的玻璃基芯層折射率。
[0008]所述磁流體薄膜法向及波導(dǎo)內(nèi)光傳播方向與被測磁場方向需滿足設(shè)計限定角度要求，但不限于特定的30°、45°、60°、90°。
[0009]本發(fā)明具有的有益效果是:
由于磁流體的折射率對外磁場強度具有嚴重的依賴關(guān)系，因此基于此特性的磁場傳感器靈敏度很高。此外，基于磁流體的M-Z型玻璃基光波導(dǎo)磁場強度傳感器為無源傳感，沒有因有源帶來的電磁干擾。同時，對于磁流體性質(zhì)的充分利用，可通過調(diào)節(jié)磁流體薄膜的厚度、濃度等因素控制靈敏度以及傳感范圍。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2是圖1磁流體薄膜與該段直波導(dǎo)的剖視圖。
[0012]圖中:1、光波導(dǎo)輸入端，2、輸入端直波導(dǎo)，3、Y分叉波導(dǎo)，4、直波導(dǎo)，5、直波導(dǎo)，6、反向Y分叉波導(dǎo)，7、輸出端直波導(dǎo)，8、光波導(dǎo)輸出端，9、磁流體薄膜，10、薄膜包層，11、開窗區(qū)域，12、玻璃基芯層。
[0013]實線為實際結(jié)構(gòu)，虛線為區(qū)域分隔線。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0015]如圖1、圖2所示，本發(fā)明依次包括光波導(dǎo)輸入端1，輸入端的直波導(dǎo)2，Y分叉波導(dǎo)3，中間兩條平行的直波導(dǎo)4、5，反向Y分叉波導(dǎo)6，輸出端的直波導(dǎo)7和光波導(dǎo)輸出端8 ;在中間兩條平行的直波導(dǎo)4、5中的任意一條(如直波導(dǎo)5)上覆蓋磁流體薄膜9，磁流體薄膜9與該直波導(dǎo)的玻璃基芯層12相接觸。
[0016]如圖2所示，所述磁流體薄膜9與該直波導(dǎo)的玻璃基芯層12相接觸是通過對該直波導(dǎo)表面的薄膜包層開窗處理，使開窗區(qū)域的磁流體薄膜與玻璃基芯層12直接接觸。
[0017]所述磁流體薄膜9的折射率必須小于玻璃基光波導(dǎo)的玻璃基芯層折射率。
[0018]所述磁流體薄膜法向及波導(dǎo)內(nèi)光傳播方向與被測磁場方向需滿足設(shè)計限定角度要求，但不限于特定的30°、45°、60°、90°。
[0019]寬譜光源從玻璃基平面M-Z型光波導(dǎo)輸入端I輸入；光波導(dǎo)輸出端8直接與光譜儀信號輸入端相接。在磁場場強為零的情況下，根據(jù)寬譜光源的光譜參數(shù)，可由光譜儀在輸出端測量得到確定的干涉光譜。隨著外磁場場強的增加，輸出端的相干光譜會發(fā)生峰值波長的漂移，其漂移量與外磁場大小存在對應(yīng)關(guān)系。紀錄外磁場場強變化與相干光譜漂移量的關(guān)系，得到該磁場傳感器場強參照表。使用傳感器時，只需按照設(shè)計限定的角度將其置于待測磁場中，得到干涉光譜后通過參數(shù)計算得到外磁場強度。
[0020]本發(fā)明中，基于磁流體的特性，磁流體濃度、磁流體薄膜厚度，待測量的磁場方向與磁流體薄膜法向和光傳播方向的夾角，均為磁流體在不同外磁場下，其折射率變化的影響因素。因此，對于該結(jié)構(gòu)傳感器而言，磁流體濃度、磁流體薄膜厚度及待測量的磁場方向與磁流體薄膜法向和光傳播方向的夾角，在傳感器制作過程中均需限定好。
[0021 ] 磁流體種類:以四氧化三鐵，氧化鐵，Ni，Co等作為磁性顆粒，以水，有機溶劑，油等作為基液，以油酸等作為活性劑。
[0022]磁流體體積分數(shù):0.70%-2.0%。
[0023]磁流體薄膜法向與被測磁場方向相同。
[0024]磁流體薄膜厚度:10 μ m-200 μ m。
[0025]參照上述原理，實現(xiàn)磁場傳感的過程包含以下步驟:
I)定量確定所使用的磁流體薄膜濃度、厚度、工作溫度以及所測量的磁場方向。
[0026]2)寬譜光源從玻璃基平面M-Z型光波導(dǎo)輸入端輸入。輸出端直接與光譜儀信號輸入端相接。
[0027]3)在無外加磁場時，紀錄光譜儀上相干光峰值波長的位置。
[0028]4)外加磁場后，紀錄此時光譜儀上相干光峰值波長的位置，并與無外加磁場時的位置進行比較得到諧振峰的光譜漂移量。
[0029]5)根據(jù)諧振峰的漂移量，對照參照表得到磁場強度大小。
[0030]利用玻璃基光波導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)M-Z型玻璃基平面光波導(dǎo)器件，基于該器件來制作本發(fā)明涉及的磁流體玻璃基光波導(dǎo)磁場強度傳感器，具體步驟如下:
I)利用旋涂工藝，將正向光刻膠旋涂在玻璃基光波導(dǎo)表面，形成一層薄膜包層。
[0031]2)堅膜后，利用光刻技術(shù)，將開窗區(qū)域11的部分光刻膠曝光。其中，開窗區(qū)域11曝光范圍占該段直波導(dǎo)一定長度或至整段直波導(dǎo)。
[0032]3)利用顯影技術(shù)，將曝光區(qū)域的光刻膠薄膜包層剝離。
[0033]4)在剝離光刻膠的波導(dǎo)開窗區(qū)域11上，利用涂敷技術(shù)獲得膜厚均勻的磁流體薄膜，使磁流體直接與玻璃基芯層12接觸。
[0034]至此，具有磁場強度傳感功能的傳感器制備完成，可用于磁場強度的傳感測量。
[0035]本發(fā)明中，光波導(dǎo)材料不限于玻璃基材料，也可以是硅基等常用于制作波導(dǎo)的材料。
【主權(quán)項】
1.一種基于磁流體的M-Z型玻璃基光波導(dǎo)磁場強度傳感器，依次包括光波導(dǎo)輸入端，輸入端的直波導(dǎo)，Y分叉波導(dǎo)，中間兩條平行的直波導(dǎo)，反向Y分叉波導(dǎo)，輸出端的直波導(dǎo)和光波導(dǎo)輸出端；其特征在于:在中間兩條平行的直波導(dǎo)中的任意一條上覆蓋磁流體薄膜，磁流體薄膜與該直波導(dǎo)的玻璃基芯層相接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁流體的M-Z型玻璃基光波導(dǎo)磁場強度傳感器，其特征在于:所述磁流體薄膜與該直波導(dǎo)的玻璃基芯層相接觸是通過對該直波導(dǎo)表面的薄膜包層開窗處理，使開窗區(qū)域的磁流體薄膜與玻璃基芯層直接接觸。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁流體的M-Z型玻璃基光波導(dǎo)磁場強度傳感器，其特征在于:所述磁流體薄膜的折射率必須小于玻璃基光波導(dǎo)的玻璃基芯層折射率。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于磁流體的M-Z型玻璃基光波導(dǎo)磁場強度傳感器，其特征在于:所述磁流體薄膜法向及波導(dǎo)內(nèi)光傳播方向與被測磁場方向需滿足設(shè)計限定角度要求，但不限于特定的30°、45°、60°、90°。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于磁流體的M-Z型玻璃基光波導(dǎo)磁場強度傳感器。依次包括光波導(dǎo)輸入端，輸入端的直波導(dǎo)，Y分叉波導(dǎo)，中間兩條平行的直波導(dǎo)，反向Y分叉波導(dǎo)，輸出端的直波導(dǎo)和光波導(dǎo)輸出端；其特征在于：在中間兩條平行的直波導(dǎo)中的任意一條上覆蓋磁流體薄膜，磁流體薄膜與該直波導(dǎo)的玻璃基芯層相接觸。本發(fā)明由于磁流體的折射率對外磁場強度具有嚴重的依賴關(guān)系，因此基于此特性的磁場傳感器靈敏度很高。此外，基于磁流體的M-Z型玻璃基光波導(dǎo)磁場強度傳感器為無源傳感，沒有因有源帶來的電磁干擾。同時，對于磁流體性質(zhì)的充分利用，可通過調(diào)節(jié)磁流體薄膜的厚度、濃度等因素控制靈敏度以及傳感范圍。
【IPC分類】G01R33/032
【公開號】CN104950267
【申請?zhí)枴緾N201510365677
【發(fā)明人】李宇波, 易哲為, 魏兵, 卞強, 周柯江, 郝寅雷
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年6月29日