一種基于超磁致伸縮薄膜的光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于超磁致伸縮薄膜的光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭，屬于光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域。光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭包括光纖、固支端、光纖懸臂梁、鉻金屬膜和超磁致伸縮薄膜。光纖懸臂梁位于光纖端面，光纖懸臂梁與光纖端面通過(guò)固支端連接，光纖懸臂梁與光纖端面構(gòu)成法布里?珀羅諧振腔，光纖懸臂梁外表面依次鍍鉻金屬膜和超磁致伸縮薄膜。在待測(cè)磁場(chǎng)中，磁致伸縮薄膜的伸縮導(dǎo)致光纖懸臂梁的撓曲或者諧振頻率的變化，通過(guò)法布里?珀羅諧振腔檢測(cè)該光纖懸臂梁的撓曲或諧振頻率變化，從而測(cè)得外界磁場(chǎng)的大小。
【專利說(shuō)明】
一種基于超磁致伸縮薄膜的光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種磁場(chǎng)傳感探頭，尤其涉及一種基于超磁致伸縮薄膜的光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的磁場(chǎng)傳感器主要基于霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、磁通門(mén)效應(yīng)、隧道效應(yīng)和核磁共振效應(yīng)等機(jī)理，這些傳統(tǒng)的磁場(chǎng)傳感器均需要電信號(hào)激勵(lì)，電信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)被測(cè)磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，從而限制了該類傳感器檢測(cè)精度的進(jìn)一步提高。傳統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器體積較大，難以對(duì)狹小空間的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。光纖磁場(chǎng)傳感器不影響待測(cè)電磁場(chǎng)，并且有耐腐蝕、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，有利于在航空、航天領(lǐng)域以及狹小空間的應(yīng)用。光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感器結(jié)合了光纖磁場(chǎng)傳感器和懸臂梁的特點(diǎn)，有微型化、易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)式分布檢測(cè)、遠(yuǎn)距離檢測(cè)、高精度、低功耗和全光傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。
[0003]光纖式懸臂梁主要有三大類，(I)將光纖粘貼在懸臂梁上，通過(guò)懸臂梁的振動(dòng)引起光纖中某些物理量的變化，從而得知外界待檢測(cè)量的變化。(2)在光纖本體上制作懸臂梁結(jié)構(gòu)，利用干涉原理或其他原理，來(lái)測(cè)量外界待檢測(cè)量的變化。(3)光纖自身作為懸臂梁，利用壓電陶瓷等振動(dòng)源使之振動(dòng)，從而測(cè)量外界待檢測(cè)量的變化。
[0004]本發(fā)明在光纖的端面加工懸臂梁，實(shí)現(xiàn)光纖一體化結(jié)構(gòu)，在光纖懸臂梁外表面鍍有絡(luò)金屬膜和超磁致伸縮薄膜(GMF:Giant Magnetostrictive Thin Film)，構(gòu)成一種基于超磁致伸縮薄膜的光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭，該磁場(chǎng)探頭不需要電信號(hào)激勵(lì)，因而不存在激勵(lì)電信號(hào)對(duì)待測(cè)電磁場(chǎng)的干擾問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)微型化，并且有效地提高了檢測(cè)精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器的不足，設(shè)計(jì)了一種基于超磁致伸縮薄膜的光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案:一種基于超磁致伸縮薄膜的光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭，包括:光纖，固支端，光纖懸臂梁，鉻金屬膜，超磁致伸縮薄膜，如圖1所示。
[0007]所述的光纖懸臂梁位于光纖的端面，形成光纖一體化結(jié)構(gòu)。
[0008]所述的光纖懸臂梁長(zhǎng)度為105μπι-115μπι，寬度為15μπι-30μπι，厚度為3μπι-5μπι。
[0009]所述的固支端長(zhǎng)度為10μπι-20μπι，固支端寬度與光纖懸臂梁寬度相同，光纖懸臂梁與光纖端面通過(guò)固支端連接，光纖懸臂梁與光纖端面構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔。
[0010]所述的鉻金屬膜鍍?cè)诠饫w懸臂梁外表面，其厚度為50nm，充當(dāng)超磁致伸縮薄膜的緩沖層；
[00?1 ]所述的超磁致伸縮薄膜鍍?cè)诮j(luò)金屬膜外面，為T(mén)bDyFe材料，其厚度為1μηι-1.5μηι。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
[0013]I采用光纖做傳感探頭，光纖傳感探頭工作在全光激勵(lì)下，不會(huì)對(duì)待測(cè)磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，待測(cè)磁場(chǎng)也不會(huì)對(duì)光纖傳感探頭產(chǎn)生電磁干擾。光纖傳感探頭體積小，適用于狹小空間的磁場(chǎng)檢測(cè)。
[0014]2在光纖一端加工懸臂梁，形成光纖一體化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了傳感探頭的微型化。懸臂梁與光纖端面形成法布里-珀羅光學(xué)諧振腔，法布里-珀羅諧振腔為非本征型，腔由空氣間隙組成，其折射率no?I，其檢測(cè)精度可達(dá)亞納米精度，因此可有效地提高傳感探頭的檢測(cè)精度。
[0015]3在光纖懸臂梁外表面鍍有鉻金屬膜，有效地提高了光的反射率，形成雙層敏感諧振結(jié)構(gòu)。在鉻金屬膜上鍍一層超磁致伸縮薄膜，超磁致伸縮薄膜具有較大的磁致伸縮系數(shù)，能產(chǎn)生較大的磁致伸縮，從而有效地提高了對(duì)磁場(chǎng)的檢測(cè)精度。
【附圖說(shuō)明】
[0016]下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]圖1為本發(fā)明光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭的正視圖。圖中:I為光纖，2為固支端，3為光纖懸臂梁，4為鉻金屬膜，5為超磁致伸縮薄膜；
[0018]圖2為本發(fā)明光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭的俯視圖。圖2中:I為光纖，5為超磁致伸縮薄膜。
[0019]圖3為檢測(cè)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]圖1和圖2中，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案:一種基于超磁致伸縮薄膜的光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭，包括:光纖I，固支端2，光纖懸臂梁，3，鉻金屬膜4，超磁致伸縮薄膜5。
[0021 ] 所述的光纖懸臂梁3位于光纖I的端面，長(zhǎng)度為105μηι-115μηι，寬度為15μηι-30μηι，厚度為3μηι-5μηι，形成光纖一體化結(jié)構(gòu)。
[0022]所述的固支端2長(zhǎng)度為10μηι-20μηι，固支端寬度與光纖懸臂梁2的寬度相同，光纖懸臂梁與光纖端面通過(guò)固支端連接，光纖懸臂梁與光纖端面構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔。
[0023]所述的鉻金屬膜3鍍?cè)诠饫w懸臂梁2的外表面，其厚度為50nm，充當(dāng)超磁致伸縮薄膜的緩沖層，對(duì)入射激光有較大的反射率，并且使光纖懸臂梁形成了雙層敏感諧振結(jié)構(gòu)。
[0024]所述的超磁致伸縮薄膜鍍?cè)诮j(luò)金屬膜外面，為T(mén)bDyFe材料，厚度為1μηι-1.5μηι，在磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生伸縮，其在常溫下各向異性常數(shù)幾乎為零，顯示出巨大的磁致伸縮效應(yīng)，磁致伸縮系數(shù)高達(dá)1500-2000ppm，能夠在磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)敏感檢測(cè)。
[0025]本發(fā)明中光纖懸臂梁制作工藝采用聚焦等離子束加工方法(FIB)，工藝流程如下:(a)光纖端面進(jìn)行拋光和清潔；(b)在光纖端面一側(cè)平行于光纖端面方向進(jìn)行聚焦等離子術(shù)磨銑加工，直到達(dá)到光纖懸臂梁所需沿直徑方向的寬度和高度；(C)將光纖沿軸向轉(zhuǎn)過(guò)90°角，再進(jìn)行沿光纖端面平行方向的聚焦離子束掏蝕加工，并將光纖懸臂梁一端的固支部分磨蝕去掉，則光纖懸臂梁與光纖端面形成法布里-珀羅諧振腔結(jié)構(gòu)；(d)對(duì)光纖懸臂梁進(jìn)行聚焦等離子束磨銑減薄至所需的厚度。采用磁控濺射方法在光纖懸臂梁上鍍鉻金屬膜和超磁致伸縮薄膜。
[0026]圖3中，激光光源與光纖耦合器一側(cè)的一個(gè)光纖端口連接，光電探測(cè)器與光纖耦合器一側(cè)的另一個(gè)光纖端口連接，光纖耦合器的另一側(cè)的一個(gè)光纖端口與光纖傳感探頭連接，另一側(cè)的另一個(gè)光纖端口浸入匹配液。
[0027]本發(fā)明檢測(cè)磁場(chǎng)的基本原理為:在磁場(chǎng)中，超磁致伸縮薄膜發(fā)生伸縮，從而帶動(dòng)光纖懸臂梁產(chǎn)生撓曲，法布里-珀羅腔的腔長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)變化。由激光光源發(fā)出的調(diào)制光經(jīng)過(guò)耦合進(jìn)入光纖，入射到法布里-珀羅腔中，在法布里-珀羅腔中反射后沿原路返回、相遇而產(chǎn)生干涉，最后由光電探測(cè)器接收，如圖3所示。磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，超磁致伸縮材料的收縮程度越大，光纖懸臂梁的撓曲程度越大，法布里-珀羅諧振腔的腔長(zhǎng)越長(zhǎng)，因此光電探測(cè)器接收到的干涉輸出信號(hào)也發(fā)生相應(yīng)變化。通過(guò)對(duì)光電探測(cè)器接收到的干涉輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)解可得外界磁場(chǎng)的大小。本發(fā)明檢測(cè)磁場(chǎng)的另一種原理:在磁場(chǎng)中，超磁致伸縮薄膜發(fā)生伸縮，從而帶動(dòng)光纖懸臂梁產(chǎn)生撓曲，外界磁場(chǎng)大小的不同引起超磁致伸縮薄膜伸縮程度的不同。激光光源發(fā)出的調(diào)制光經(jīng)過(guò)耦合進(jìn)入光纖，入射到光纖懸臂梁上，光纖懸臂梁由于“雙膜熱效應(yīng)”而出現(xiàn)光熱激勵(lì)諧振，在磁場(chǎng)中，超磁致伸縮薄膜發(fā)生伸縮，改變了光纖懸臂梁的撓曲程度，從而使光纖懸臂梁的諧振頻率發(fā)生變化，光電探測(cè)器接收到的反射信號(hào)頻率變化，因此可以得出外界磁場(chǎng)的大小。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于超磁致伸縮薄膜的光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭，包括:光纖、固支端、光纖懸臂梁、鉻金屬膜、超磁致伸縮薄膜，光纖懸臂梁位于光纖端面，形成光纖一體化，光纖懸臂梁與光纖端面通過(guò)固支端連接，并且構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔，光纖懸臂梁外表面依次鍍鉻金屬膜和超磁致伸縮薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超磁致伸縮薄膜的光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭，其特征是光纖懸臂梁長(zhǎng)度為1054!11-1154111，寬度為154111-3(^111，厚度為34111-54111，與光纖端面構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔，形成光纖一體化結(jié)構(gòu)，采用聚焦等離子束加工方法制作在光纖端面上，固支端長(zhǎng)度為10Μ?-20μπι，寬度與光纖懸臂梁的寬度相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于超磁致伸縮薄膜的光纖懸臂梁磁場(chǎng)傳感探頭，其特征是鉻金屬膜和超磁致伸縮薄膜依次鍍?cè)诠饫w懸臂梁的外表面，鉻金屬膜厚度為50nm，超磁致伸縮薄膜材料為T(mén)bDyFe材料，厚度為Ιμπι-1.5μηι。
【文檔編號(hào)】G01R33/032GK205656289SQ201620259722
【公開(kāi)日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2016年3月25日 公開(kāi)號(hào)201620259722.3, CN 201620259722, CN 205656289 U, CN 205656289U, CN-U-205656289, CN201620259722, CN201620259722.3, CN205656289 U, CN205656289U
【發(fā)明人】嚴(yán)紅梅, 劉月明, 顧天文, 張亮
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量學(xué)院