基于磁热效应的磁场测量方法、磁场传感器及制备方法与流程

本发明涉及微纳光学磁场传感技术领域，具体的，涉及基于磁热效应的磁场测量方法、磁场传感器及制备方法。

背景技术：

磁场传感器在日常生活中应用广泛，如电力系统、航天航空、汽车工业以及医疗生化等领域。随时着交流超高压输变电的发展，变电站、输电线路周围的磁场检测对电网的安全运行具有重要意义。

近年来随着微机电系统(mems)等技术的发展，mems技术已经成为潜力巨大的高新产业。集成型光学传感器已广泛用于物理，化学和生物传感应用，可以实现高灵敏度检测，在集成光学的研究与应用中，硅基微环谐振腔是一种重要的元件，它的结构简单且体积小巧、易于集成，因此设计灵活、功能全面，在各种光子元件中有着突出的地位，非常具有实用价值。四氧化三铁纳米粒子是目前常用的铁磁性物质之一，其颗粒直径一般在10-100mn之间，由于受到涡电流效应、磁滞效应、弛豫效应、畴壁共振、自然共振等因素的影响，其具有能在交变磁场中升温的物理特性。随着光互联等新兴行业的发展，集成化、微型化、高性能是新时代传感器的发展方向及发展要求。

中国专利201910357331.3提出了一种基于硅基微环谐振器的磁场传感器，其技术手段为在环形波导内侧及上方设置磁光薄膜，但是该技术手段所能测到的磁场范围较小，且不适合高频高幅值的磁场测量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的之一是提出了基于磁热效应的磁场测量方法，获得较大的磁场测试范围，适合于高频高幅值的磁场测量，目的之二是提出了基于该方法的磁场传感器，利用其高品质因数与磁性纳米粒子的磁热效应的优势，减小了传统磁场传感器的尺寸，并对磁场传感器的集成化、智能化、微型化打下了坚实的基础，同时结构简单，通过优化传感器尺寸设计以及磁性纳米粒子的性质，可以改变传感器的灵敏度，灵活适用于各种场景之下，目的之三是提供了基于磁场传感器的制备方法，具有提高了制造效率的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

所述测量方法具体为在待测磁场中放置光波导，在光波导的两侧填充四氧化三铁纳米粒子，并获取四氧化三铁纳米粒子的初始温度，在光波导的输入端施加光源并实时监控四氧化三铁纳米粒子的温度变化，并按照下式得到磁场强度大小：

其中：δt为温度改变值，t为升温时间，k为各向异性常数，

p为能量耗散功率，p＝πμ0χ″h²f，

其中μ0为真空磁导率，χ″为磁化率虚部，h为待测交变磁场强度，f为待测交变磁场频率。

进一步，所述输入光源为横电te或者横磁tm基模偏振态。

基于磁热效应的磁场测量方法的磁场传感器，包括硅层、直波导和环形波导，所述直波导和环形波导的两侧均设置凹槽，所述凹槽内部填充四氧化三铁纳米粒子。

进一步，所述硅层的下表面连接有二氧化硅下包层，所述二氧化硅下包层的下表面连接有硅衬底。

进一步，所述四氧化三铁纳米粒子的平均粒径为10nm～100nm。

进一步，所述直波导的高度为150nm～280nm，宽度为450nm～600nm。

进一步，所述环形波导的高度为150nm～280nm，宽度为450nm～600nm，半径为5μm～100μm，与所述直波导之间的耦合间距为100nm～300nm。

基于一种磁场传感器的制备方法，所述制备方法具体为采用绝缘体上硅材料制作硅层和硅衬底，采用二氧化硅制作中间层，通过基片清洗、匀胶、电子束光刻、ipc深硅刻蚀和去胶处理，在硅层中得到直波导、环形波导，在直波导与环形波导两侧的刻蚀凹槽里填充四氧化三铁纳米粒子。

本发明的有益效果是：

本发明提出的基于磁热效应的磁场测量方法，获得较大的磁场测试范围，适合于高频高幅值的磁场测量，同时，提出了基于该方法的磁场传感器，利用其高品质因数与磁性纳米粒子的磁热效应的优势，减小了传统磁场传感器的尺寸，并对磁场传感器的集成化、智能化、微型化打下了坚实的基础，同时结构简单，通过优化传感器尺寸设计以及磁性纳米粒子的性质，可以改变传感器的灵敏度，灵活适用于各种场景之下，同时提供了基于磁场传感器的制备方法，具有提高了制造效率的优点。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

附图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本实施例提出了基于磁热效应的磁场测量方法，具体为在待测磁场中放置光波导，在光波导的两侧填充四氧化三铁纳米粒子，并获取四氧化三铁纳米粒子的初始温度，在光波导的输入端施加横电te或者横磁tm基模偏振态并实时监控四氧化三铁纳米粒子的温度变化，并按照下式得到磁场强度大小：

其中：δt为温度改变值，t为升温时间，k为各向异性常数，

其中μ0为真空磁导率，χ″为磁化率虚部，h为待测交变磁场强度，f为待测交变磁场频率。本方法可以获得较大的磁场测试范围，适合于高频高幅值的磁场测量。

本实施例还提出了基于磁热效应的磁场测量方法的磁场传感器，如图1所示，包括硅层3、直波导4和环形波导5，直波导4和环形波导5的两侧均设置凹槽，凹槽内部填充四氧化三铁纳米粒子6。硅层3的下表面连接有二氧化硅下包层2，二氧化硅下包层2的下表面连接有硅衬底1。

本实施例中，四氧化三铁纳米粒子6的平均粒径为10nm～100nm；直波导4的高度为150nm～280nm，宽度为450nm～600nm；环形波导5的高度为150nm～280nm，宽度为450nm～600nm，半径为5μm～100μm，与直波导4之间的耦合间距为100nm～300nm。

本实施例中，直波导与环形波导的硅材料在1550nm波长附近的热光系数的经验公式为：

上式中，n为硅材料的有效折射率。温度每升高1k，硅材料的有效折射率改变为2.37×10^-4。本实施例中基于磁热效应的硅基微环磁场传感器的输出谐振峰的漂移量为：

上式中，m为谐振级数，r微环半径。当环形波导的半径为5μm时，温度每升高1k，微环谐振器的谐振波长漂移0.15nm。

本装置利用其高品质因数与磁性纳米粒子的磁热效应的优势，减小了传统磁场传感器的尺寸，并对磁场传感器的集成化、智能化、微型化打下了坚实的基础，同时结构简单，通过优化传感器尺寸设计以及磁性纳米粒子的性质，可以改变传感器的灵敏度，灵活适用于各种场景之下，

基于一种磁场传感器，本实施例提出了磁场传感器的制备方法，所述制备方法具体为采用绝缘体上硅材料制作硅层和硅衬底，采用二氧化硅制作中间层，通过基片清洗、匀胶、电子束光刻、ipc深硅刻蚀和去胶处理，在硅层中得到直波导、环形波导，在直波导与环形波导两侧的刻蚀凹槽里填充四氧化三铁纳米粒子。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。