[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

说明书

本发明涉及一种基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器及其制作方法，属于微弱磁场传感器领域。本发明采用双光子飞秒激光直写技术，根据材料折射率和盘状波导结构的几何形状，建立3D打印模型，平面盘状波导结构打印完成后固定玻璃毛细管中，控制微流控泵将磁流体材料通过空芯光纤注入到玻璃毛细管中，待磁流体材料充满玻璃毛细管后，抽离玻璃毛细管，用玻璃板将玻璃毛细管的磁流体注入端封住，即可形成封装完整的盘状微结构探头型磁场传感器。本发明所提出的盘状微结构探头型磁场传感器及其制作方法与现有的磁场传感器相比，具有易于操作、速度快、精度高、成功率高等优点，在磁场测量领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及微弱磁场传感器领域，具体涉及一种基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器及其制作方法。

背景技术

在科学技术高度发展的21世纪，为了能对外界环境以及生活条件有更好的评估，人们对测量设备的精度、稳定性、便携性要求也越来越高，随着半导体加工工艺的提高，各种微积电测量系统得到了广泛的应用，但是，在实际测量中发现，微机电测量系统受环境噪声如温度、湿度、磁场等影响较大，稳定性差，因此，通过平面微结构波导而制成的依据光的倏逝波效应制备而成的传感器件由于其抗干扰能力强、精度高等优点受到人们的青睐。

平面微结构波导由于其易塑型、小型化、稳定性高等特点，被广泛应用与各种传感器件，如光纤温度传感器、光纤湿度传感器、光纤应力传感器等，根据光在不同材料中的倏逝波效应，可以用对外界条件敏感的材料制备微结构波导来构成传感器件，如光电传感器、光纤振动传感器等，通过使用对磁场敏感的磁流体材料，可以制备磁场传感器。

传统的磁场测量设备由于其体积大、使用繁琐、稳定性差等缺点，难以用于高精度的微弱磁场测量，不同于传统的磁场测量设备，基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器，采用对磁场高度敏感的磁流体材料构成波导结构，使得当周围环境发生磁场变化时，磁流体材料波导的折射率发生变化，同时，根据盘状结构的Sagnac效应，可以测得光谱变化量，据此可解算出磁场变化量，所制作的盘状微结构微弱磁场传感器与现有的磁场传感器相比，具有易于操作、速度快、精度高、成功率高等优点，在磁场测量领域具有良好的应用前景。

发明内容

为了解决现有的磁场传感器体积大、使用繁琐、稳定性差等缺点，本发明提出一种基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器及其制作方法，所制作的盘状微结构微弱磁场传感器与现有的磁场传感器相比，具有易于操作、速度快、精度高、成功率高等优点，在磁场测量领域具有良好的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的其中一个目的在于提供一种基于3D打印技术的盘状探头型磁场传感器，包括单模光纤、Y波导、盘状波导结构和玻璃毛细管；

所述的盘状波导结构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，所述内侧单曲面的内部为纳米材料区；

所述的玻璃毛细管的一端套接在单模光纤上，单模光纤的一端位于玻璃毛细管内部，单模光纤的另一端为自由端；位于玻璃毛细管内部的单模光纤纤芯与Y波导的一侧端口连接，Y波导另一侧的两个端口分别与盘状波导结构两个端口处的波导耦合连接；所述的Y波导和盘状波导结构封装于玻璃毛细管的内部，且玻璃毛细管内部充满磁流体材料。

本发明的另一个目的在于提供一种如上述盘状探头型磁场传感器的制作方法，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；