[发明专利]一种基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器及其制作方法

权利要求书

1.一种基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器，其特征在于，包括单模光纤(11)、Y波导(3)、盘状波导结构(2)和玻璃毛细管(13)；所述的盘状波导结构是采用双光子飞秒激光直写技术3D打印得到的；

所述的盘状波导结构(2)的横截面为相邻且互补的外侧单曲面和内侧单曲面，两个单曲面的分界面中心位置设有波导；所述外侧单曲面的内部为空芯区(24)，所述内侧单曲面的内部为纳米材料区(25)；所述的盘状波导结构(2)的侧壁上开设有槽(28)，所述的槽与纳米材料区(25)连通；所述的波导为圆柱形波导(23)，所述圆柱形波导的一半暴露于空芯区(24)中，另一半暴露于纳米材料区(25)中；所述的空芯区(24)与纳米材料区(25)之间隔离；

所述的玻璃毛细管(13)的一端套接在单模光纤(11)上，单模光纤(11)的一端位于玻璃毛细管(13)内部，单模光纤(11)的另一端为自由端；位于玻璃毛细管(13)内部的单模光纤纤芯(12)与Y波导(3)的一侧端口连接，Y波导(3)另一侧的两个端口分别与盘状波导结构(2)两个端口处的波导耦合连接；所述的Y波导(3)和盘状波导结构(2)封装于玻璃毛细管(13)的内部，且玻璃毛细管(13)内部充满磁流体材料。

2.如权利要求1所述的基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器，其特征在于，所述盘状波导结构(2)的两个端口处设有封胶盒，所述的封胶盒与空芯区(24)连通。

3.如权利要求1所述的基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器，其特征在于，所述内侧单曲面的曲率中心位于盘状波导结构横截面的外部。

4.如权利要求1所述的基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器，其特征在于，所述的盘状波导结构(2)由一系列半径成线性关系的半圆弧单元一体化连接构成，所述盘状波导结构(2)的中心为两个半径r相等的半圆弧单元C₁、半圆弧单元C₂，两个半圆弧单元C₁和C₂相切，且开口方向相反。

5.如权利要求4所述的基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器，其特征在于，以半圆弧单元C₁的圆弧中心O₁为圆心，共有m个同心半圆弧单元，其半径从里到外分别为R_i＝r+(i-1)×(d+l)(i＝1，…，m)，开口方向与C₁相同，r为半圆弧单元C₁的半径；

以半圆弧单元C₂的圆弧中心O₂为圆心，共有m个同心半圆弧单元，其半径从里到外分别为R_i＝r+(i-1)×(d+l)(i＝1，…，m)，开口方向与C₂相同；

以O₁为圆心的m个同心半圆弧单元和以O₂为圆心的m个同心半圆弧单元两两相连，形成整个盘状波导结构(2)，位于最外围的两个半圆弧单元形成两个端口，两端口开口方向一致；其中，d为半圆弧单元的宽度，l为相邻两段半圆弧单元的间距。

6.如权利要求1所述的基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器，其特征在于，套接在单模光纤(11)上的玻璃毛细管(13)一端通过UV粘合剂密封，远离单模光纤(11)的玻璃毛细管(13)另一端通过封装玻璃板(14)密封。

7.如权利要求1所述的基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器，其特征在于，所述的Y波导(3)、盘状波导结构(2)以及连接Y波导的单模光纤纤芯(12)均固定在玻璃基板(16)上。

8.一种权利要求1-7任一权利要求所述的基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据设计要求和玻璃基板的材质，选择聚合物材料；

2)将玻璃基板作为3D打印的基底，根据建立的盘状波导结构3D打印模型，在基板上打印得到初步的盘状波导结构；

3)将空芯光纤一端连接微流控泵，接口处密封，另一端固定于玻璃基板，通过微流控泵将清洗液浇注进打印好的盘状波导结构内部及表面，清洗内外残渣颗粒；

4)用UV粘合剂将盘状波导结构中的两个封胶盒密封，制备得到盘状波导结构(2)；

5)将印有盘状波导结构(2)和Y波导(3)的玻璃基板(16)与单模光纤(11)的纤芯(14)耦合，并将玻璃基板(16)一端与单模光纤端面固定，耦合固定接口处用UV粘合剂固定；

6)使用UV粘合剂将空芯光纤一端固定在注射器的针头中，将磁流体材料泵入注射器中，将装有磁流体材料的注射器固定在三轴电控位移台上，通过空芯光纤在玻璃毛细管(13)内部灌注磁流体材料；灌注过程中，通过三轴电控位移台控制针头位置，使得空芯光纤注入端对准玻璃毛细管且不触及盘状波导结构；

7)磁流体材料灌注完成后，缓慢将空芯光纤注入端抽离玻璃毛细管(13)，用封装玻璃平板(14)将玻璃毛细管(13)封口，并用UV粘合剂固定，得到盘状探头型磁场传感器。