[發(fā)明專利]一種基于多材料3D打印技術的盤狀微結構磁場傳感器

有效

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• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112611990B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設計）人: 張登偉;張智航;楊建華;陳侃;舒曉武;車雙良;佘玄;周一覽;陳杏藩
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032;B29C64/135;B33Y10/00;B33Y80/00;B81B7/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發(fā)明涉及一種基于多材料3D打印技術的盤狀微結構磁場傳感器，屬于磁場傳感器領域領域。本發(fā)明采用3D打印技術，根據(jù)盤狀波導結構的幾何形狀，建立3D打印模型，打印完成后注入磁流體材料，并采用雙光子飛秒激光直寫技術對磁流體材料進行固化，制備得到盤狀波導結構。在盤狀波導結構橫截面中的兩個單曲面的交界面位置設有圓柱形波導，圓柱形波導與Y波導耦合；磁流體材料灌裝到外側單曲面對應的納米材料區(qū)內(nèi)，當該傳感器周圍磁場發(fā)生變化時，外側單曲面矩形區(qū)域內(nèi)的磁流體折射率發(fā)生改變，通過sagnac效應測得光譜變化量即可解算出磁場的變化量，具有易于操作、速度快、精度高、成功率高等優(yōu)點，在磁場測量領域具有良好的應用前景。

技術領域

本發(fā)明涉及磁場傳感器領域，具體涉一種基于多材料3D打印技術的盤狀微結構磁場傳感器。

背景技術

隨著科學技術的發(fā)展，人們對于測量器件小型化、高精度、高穩(wěn)定性等要求越來越高，因此，在光學測量領域，以光電材料作為基質的微結構波導引起人們的廣泛關注，各種微結構平面波導傳感器被應用于工業(yè)生產(chǎn)、激光醫(yī)療手術、微弱信號探測、慣性導航等領域。由于光在不同材料中傳播的折射率不同，因此可以將對外界條件敏感的材料制備成光波導結構，當外界條件，如溫度、濕度、氣壓、磁場、電場等發(fā)生變化，導致敏感材料的折射率發(fā)生變化，根據(jù)測得光譜得變化量來解算出外加條件的變化，以此原理而制作了諸多光波導傳感器。

傳統(tǒng)的微波導制備方法有物理加熱拉伸、“氣相-液相-固相”法(VLS)、原子力探針掃描制備法，其中，物理加熱拉伸和VLS法只能用于制備一維微波導結構，原子力探針掃描制備法可以用于制備二維線性微波導結，但是其原理是用探針對波導表面結構進行切割、彎曲、纏繞等操作，無法加工出具有三維形貌的微波導結構

采用3D打印技術可以解決常規(guī)制備方法難以加工三維微結構的問題，如雙光子飛秒激光直寫3D打印技術。雙光子飛秒激光直寫3D打印是基于雙光子吸收原理，即物質的一個分子同時吸收兩個光子，雙光子吸收的發(fā)生主要在脈沖激光所產(chǎn)生的超強激光焦點處，光路上其他地方的激光強度不足以產(chǎn)生雙光子吸收，并且由于所用光波長較長，能量較低，相應的單光子吸收過程不能發(fā)生，具有對材料穿透性好、空間選擇性高等特點。

不同于在自由空間內(nèi)直接打印的技術，盤狀微結構磁場傳感器的制備需要在磁流體材料注入內(nèi)芯特定區(qū)域后，通過光束掃描將去固化，因此需要在材料內(nèi)部打印出所需結構，由于固化掃描區(qū)域位于內(nèi)芯，光束需經(jīng)納米材料包裹層進入該區(qū)域，因此會發(fā)生折射和反射，采用直接打印的方法會導致部分區(qū)域無法接收雙光子激光，會嚴重影響光信號的傳輸。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有的平面波導微結構難以通過傳統(tǒng)的3D打印方法無法實現(xiàn)多材料在波導內(nèi)部均勻打印等問題，本發(fā)明提出了一種基于多材料3D打印技術的盤狀微結構磁場傳感器及其制備方法。所制備的盤狀微結構微弱磁場傳感器與現(xiàn)有的磁場傳感器相比，具有易于操作、速度快、精度高、成功率高等優(yōu)點，在磁場測量領域具有良好的應用前景。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種基于多材料3D打印技術的盤狀微結構磁場傳感器，包含光源、光電傳感器、雙Y分支和盤狀波導結構；所述的盤狀波導結構的橫截面為相鄰且互補的外側單曲面和內(nèi)側單曲面，兩個單曲面的分界面中心位置設有波導；所述外側單曲面的內(nèi)部為納米材料區(qū)，所述內(nèi)側單曲面的內(nèi)部為空芯區(qū)；

所述的光源與雙Y分支一側的入射端連接，光電傳感器與雙Y分支同一側的出射端連接，所述雙Y分支另一側的兩個信號端分別與盤狀波導結構兩個端口處的波導耦合連接；

由光源發(fā)出的光進入雙Y分支一側的入射端，然后經(jīng)過雙Y分支另一側的兩個信號端傳輸至盤狀波導結構，其中以順時針方向入射的光先沿波導進行順時針傳輸，然后在盤狀波導結構的中心轉換為逆時針方向繼續(xù)傳輸，從另一側的端口出射；以逆時針方向入射的光先沿波導進行逆時針傳輸，然后在盤狀波導結構的中心轉換為順時針方向繼續(xù)傳輸，從另一側的端口出射；出射的兩束光返回至雙Y分支，最后由光電傳感器檢測。