基于磁流体的m-z型玻璃基光波导磁场强度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁场强度传感器，尤其涉及一种基于磁流体的M-Z型玻璃基光波导磁场强度传感器。
【背景技术】
[0002]在现有常用的磁场传感器中，绝大部分是利用霍尔效应实现传感功能。传统的霍尔器件工作在有源环境下，具有一定能耗要求的同时，通电条件本身会引起电磁场的改变，从而导致传感存在一定系统误差。
[0003]目前，基于光纤及光波导的传感器由于灵敏度高，可用于高压、电气噪声、腐蚀等恶劣环境，以及可用于声、磁、温度等多领域传感器应用得到快速发展。此外，磁流体作为一种新型的功能材料，是由直径为纳米级的固体磁性颗粒分散在基液中形成的稳定胶体体系。它既具有固体的磁性，又具有液体的流动性，在生物、工业、医疗等诸多领域有着越来越多的应用。其诸多特性之一，是在外磁场作用下其性质会发生规律性的变化，如其折射率。磁流体折射率在外磁场的影响下的变化由诸多因素决定，以磁流体薄膜为例，其浓度、厚度、温度以及磁场方向与薄膜面法向夹角有关。而这些因素定量后，其折射率与外磁场强度严重的依赖关系为磁场传感器的设计提供了极佳的传感材料。
[0004]结合以上几点，将磁流体与玻璃基平面M-Z型光波导结合，可得到一种无源且灵敏度高的磁场传感器。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于磁流体的M-Z型玻璃基光波导磁场强度传感器结构，是利用磁流体折射率可跟随外磁场大小变化的特性，结合玻璃基M-Z型光波导，当光源从玻璃基平面M-Z型光波导输入端输入后，通过测量输出光的干涉光谱移动量得到外磁场强度的传感器。
本发明采用的技术方案是:
本发明依次包括光波导输入端，输入端的直波导，Y分叉波导，中间两条平行的直波导，反向Y分叉波导，输出端的直波导和光波导输出端；其特征在于:在中间两条平行的直波导中的任意一条上覆盖磁流体薄膜，磁流体薄膜与该直波导的玻璃基芯层相接触。
[0006]所述磁流体薄膜与该直波导的玻璃基芯层相接触是通过对该直波导表面的薄膜包层开窗处理，使开窗区域的磁流体薄膜与玻璃基芯层直接接触。
[0007]所述磁流体薄膜的折射率必须小于玻璃基光波导的玻璃基芯层折射率。
[0008]所述磁流体薄膜法向及波导内光传播方向与被测磁场方向需满足设计限定角度要求，但不限于特定的30°、45°、60°、90°。
[0009]本发明具有的有益效果是:
由于磁流体的折射率对外磁场强度具有严重的依赖关系，因此基于此特性的磁场传感器灵敏度很高。此外，基于磁流体的M-Z型玻璃基光波导磁场强度传感器为无源传感，没有因有源带来的电磁干扰。同时，对于磁流体性质的充分利用，可通过调节磁流体薄膜的厚度、浓度等因素控制灵敏度以及传感范围。
【附图说明】
[0010]图1是本发明的结构示意图。
[0011]图2是图1磁流体薄膜与该段直波导的剖视图。
[0012]图中:1、光波导输入端，2、输入端直波导，3、Y分叉波导，4、直波导，5、直波导，6、反向Y分叉波导，7、输出端直波导，8、光波导输出端，9、磁流体薄膜，10、薄膜包层，11、开窗区域，12、玻璃基芯层。
[0013]实线为实际结构，虚线为区域分隔线。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0015]如图1、图2所示，本发明依次包括光波导输入端1，输入端的直波导2，Y分叉波导3，中间两条平行的直波导4、5，反向Y分叉波导6，输出端的直波导7和光波导输出端8 ;在中间两条平行的直波导4、5中的任意一条(如直波导5)上覆盖磁流体薄膜9，磁流体薄膜9与该直波导的玻璃基芯层12相接触。
[0016]如图2所示，所述磁流体薄膜9与该直波导的玻璃基芯层12相接触是通过对该直波导表面的薄膜包层开窗处理，使开窗区域的磁流体薄膜与玻璃基芯层12直接接触。
[0017]所述磁流体薄膜9的折射率必须小于玻璃基光波导的玻璃基芯层折射率。
[0018]所述磁流体薄膜法向及波导内光传播方向与被测磁场方向需满足设计限定角度要求，但不限于特定的30°、45°、60°、90°。
[0019]宽谱光源从玻璃基平面M-Z型光波导输入端I输入；光波导输出端8直接与光谱仪信号输入端相接。在磁场场强为零的情况下，根据宽谱光源的光谱参数，可由光谱仪在输出端测量得到确定的干涉光谱。随着外磁场场强的增加，输出端的相干光谱会发生峰值波长的漂移，其漂移量与外磁场大小存在对应关系。纪录外磁场场强变化与相干光谱漂移量的关系，得到该磁场传感器场强参照表。使用传感器时，只需按照设计限定的角度将其置于待测磁场中，得到干涉光谱后通过参数计算得到外磁场强度。
[0020]本发明中，基于磁流体的特性，磁流体浓度、磁流体薄膜厚度，待测量的磁场方向与磁流体薄膜法向和光传播方向的夹角，均为磁流体在不同外磁场下，其折射率变化的影响因素。因此，对于该结构传感器而言，磁流体浓度、磁流体薄膜厚度及待测量的磁场方向与磁流体薄膜法向和光传播方向的夹角，在传感器制作过程中均需限定好。
[0021 ] 磁流体种类:以四氧化三铁，氧化铁，Ni，Co等作为磁性颗粒，以水，有机溶剂，油等作为基液，以油酸等作为活性剂。
[0022]磁流体体积分数:0.70%-2.0%。
[0023]磁流体薄膜法向与被测磁场方向相同。
[0024]磁流体薄膜厚度:10 μ m-200 μ m。
[0025]参照上述原理，实现磁场传感的过程包含以下步骤:
I)定量确定所使用的磁流体薄膜浓度、厚度、工作温度以及所测量的磁场方向。
[0026]2)宽谱光源从玻璃基平面M-Z型光波导输入端输入。输出端直接与光谱仪信号输入端相接。
[0027]3)在无外加磁场时，纪录光谱仪上相干光峰值波长的位置。
[0028]4)外加磁场后，纪录此时光谱仪上相干光峰值波长的位置，并与无外加磁场时的位置进行比较得到谐振峰的光谱漂移量。
[0029]5)根据谐振峰的漂移量，对照参照表得到磁场强度大小。
[0030]利用玻璃基光波导技术实现M-Z型玻璃基平面光波导器件，基于该器件来制作本发明涉及的磁流体玻璃基光波导磁场强度传感器，具体步骤如下:
I)利用旋涂工艺，将正向光刻胶旋涂在玻璃基光波导表面，形成一层薄膜包层。
[0031]2)坚膜后，利用光刻技术，将开窗区域11的部分光刻胶曝光。其中，开窗区域11曝光范围占该段直波导一定长度或至整段直波导。
[0032]3)利用显影技术，将曝光区域的光刻胶薄膜包层剥离。
[0033]4)在剥离光刻胶的波导开窗区域11上，利用涂敷技术获得膜厚均匀的磁流体薄膜，使磁流体直接与玻璃基芯层12接触。
[0034]至此，具有磁场强度传感功能的传感器制备完成，可用于磁场强度的传感测量。
[0035]本发明中，光波导材料不限于玻璃基材料，也可以是硅基等常用于制作波导的材料。
【主权项】
1.一种基于磁流体的M-Z型玻璃基光波导磁场强度传感器，依次包括光波导输入端，输入端的直波导，Y分叉波导，中间两条平行的直波导，反向Y分叉波导，输出端的直波导和光波导输出端；其特征在于:在中间两条平行的直波导中的任意一条上覆盖磁流体薄膜，磁流体薄膜与该直波导的玻璃基芯层相接触。2.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的M-Z型玻璃基光波导磁场强度传感器，其特征在于:所述磁流体薄膜与该直波导的玻璃基芯层相接触是通过对该直波导表面的薄膜包层开窗处理，使开窗区域的磁流体薄膜与玻璃基芯层直接接触。3.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的M-Z型玻璃基光波导磁场强度传感器，其特征在于:所述磁流体薄膜的折射率必须小于玻璃基光波导的玻璃基芯层折射率。4.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的M-Z型玻璃基光波导磁场强度传感器，其特征在于:所述磁流体薄膜法向及波导内光传播方向与被测磁场方向需满足设计限定角度要求，但不限于特定的30°、45°、60°、90°。
【专利摘要】本发明公开了一种基于磁流体的M-Z型玻璃基光波导磁场强度传感器。依次包括光波导输入端，输入端的直波导，Y分叉波导，中间两条平行的直波导，反向Y分叉波导，输出端的直波导和光波导输出端；其特征在于：在中间两条平行的直波导中的任意一条上覆盖磁流体薄膜，磁流体薄膜与该直波导的玻璃基芯层相接触。本发明由于磁流体的折射率对外磁场强度具有严重的依赖关系，因此基于此特性的磁场传感器灵敏度很高。此外，基于磁流体的M-Z型玻璃基光波导磁场强度传感器为无源传感，没有因有源带来的电磁干扰。同时，对于磁流体性质的充分利用，可通过调节磁流体薄膜的厚度、浓度等因素控制灵敏度以及传感范围。
【IPC分类】G01R33/032
【公开号】CN104950267
【申请号】CN201510365677
【发明人】李宇波, 易哲为, 魏兵, 卞强, 周柯江, 郝寅雷
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年6月29日