CN101819225A

CN101819225A - 磁光电流传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN101819225A
Application number: CN201010168763A
Authority: CN
Inventors: 焦新兵; 钱波; 楼柿涛; 蒋春萍; 王亦
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: CN101819225B

Abstract

本发明揭示了一种磁光电流传感器及其制造方法，采用模块化的器件结构，包括沿光路方向依次排列设置的光纤输入模块、光纤输入矫正模块、磁光晶体模块、光纤输出模块及光纤输出矫正模块，其中光纤输入矫正模块与光纤输入模块的偏振分束器相关联，并与光线输入模块一并输出至磁光晶体模块，磁光晶体模块的输出相连到光纤输出模块的偏振分束器，且光纤输出矫正模块与光纤输出模块的偏振分束器相关联。本发明通过模块化设计对光纤输入和光纤输出进行双重矫正，解决了因光学系统抖动或温度漂移等原因引起的噪声，并且采用缓冲层增强了永磁薄膜与衬底之间的附着力，从而提高永磁薄膜的磁学性质，使得偏振光的旋转角更大，测量精度更高。

Description

磁光电流传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光学电流传感器，尤其是一种用于电力系统高压大电流测量的磁光电流传感器及其制造方法。

背景技术

光学电流互感器(Optical Current Transducer，简称OCT)是以法拉第磁光效应为基础，直接或间接对电流进行测试的装置。光学电流互感器以其绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、造价低、动态测量范围大、不含铁芯、不存在磁饱和、铁磁谐振、体积小、重量轻等优良性能，最有希望成为智能电网中理想的电流互感器。智能电网中电流传感器是电力系统中输变电线路不可缺少的重要设备。它的应用能够提高投资效率、运行效率和经营效率，实现向集约化和精细化发展方式的转变。

在先发明专利中，一种磁光电流传感器及其制造方法(参见发明专利：申请号200910183929.1，公开号CN101672870A)。该传感器中采用方位探测器检测偏振光通过磁光晶体后偏转角度的变化，而后通过电信号进行信息传输。该系统有相当的优点，但应用范围较为狭窄，温度变化、器件抖动对整个系统的影响较大，此外还有如下不足：

1、传感器没有对光纤输入部分进行矫正，继而无法排除输入光纤抖动等原因引起噪声，无法保证整个系统的精度；

2、传感器没有对光纤输出部分进行矫正，继而无法排除磁光晶体抖动、输出光纤抖动、温漂等原因引起的噪声。

3、磁光晶体前加偏振片增大了整个器件的体积，不利于降低成本。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种模块化设计的磁光电流传感器装置及其制造方法，扩大该传感器的应用范围，提高该传感器用于测量时的抗干扰性能及测量精度。

为实现上述第一个目的，本发明的技术解决方案是：

一种磁光电流传感器，其特征在于：采用模块化的器件结构，包括沿光路方向依次排列设置的光纤输入模块、光纤输入矫正模块、磁光晶体模块、光纤输出模块及光纤输出矫正模块，其中所述光纤输入矫正模块与光纤输入模块的偏振分束器相关联，并与光线输入模块一并输出至磁光晶体模块，所述磁光晶体模块的输出相连到光纤输出模块的偏振分束器，且所述光纤输出矫正模块与所述光纤输出模块的偏振分束器相关联。

进一步地，前述的一种磁光电流传感器，其中该磁光晶体模块包括石榴石及其上沿光路方向依次生长形成的缓冲层、永磁薄膜及保护层，其中所述缓冲层的薄膜厚度为5nm～100μm；所述永磁薄膜的厚度为10nm～1cm，至少包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴中的一种或一种以上；所述保护层的厚度为1nm～10μm，至少包括SiO₂、SiN、Cr、Ta中的一种或一种以上。

进一步地，前述的一种磁光电流传感器，其中该用于提供偏振光源的光纤输入模块包括保偏输入光纤、输入光纤准直器、偏振分束器；该光纤输入矫正模块包括相串联的光纤准直器、保偏输出光纤及光强探测器；该用于提供探测及分析用输出光的光纤输出模块包括偏振分束器、输出光纤准直器、保偏输出光纤及光强探测器；该光纤输出矫正模块包括相串联的光纤准直器、保偏输出光纤及光强探测器。

本发明的第二个目的，将通过如下技术方案来实现：

一种磁光电流传感器的制造方法，沿光路定位设置各模块化构件，其特征在于：所述模块化构件中的磁光晶体模块的制备方法包括步骤：I、采用超声波清洗并烘干石榴石，将掩膜板压贴于石榴石表面；II、将石榴石放入薄膜生长系统中，真空环境下在石榴石表面依次生长缓冲层及永磁薄膜；III、对生长产物升温至550℃～800℃进行二次退火；IV、室温下生长保护层，并对永磁薄膜磁化充磁，得到磁光晶体模块。

进一步地，前述的磁光电流传感器的制造方法，其中步骤II中薄膜生长的方法至少包括磁控溅射法、电子束蒸发法或脉冲激光沉积法。

实施本发明的技术方案，其优点为：

通过模块化设计对光纤输入和光纤输出进行双重矫正，解决了因光学系统抖动或温度漂移等原因引起的噪声，大幅提升了磁光电流传感器受温漂等因素影响下的测量精度。并且采用缓冲层增强了永磁薄膜与衬底之间的附着力，从而提高永磁薄膜的磁学性质，使得偏振光的旋转角更大，测量精度更高。

为使本发明所述的磁光电流传感器及其制造方法更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明一具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。

附图说明

图1是本发明实施例的模块框架示意图；

图2是图1所示实施例中磁光晶体模块的结构示意图。

图中各附图标记的含义如下：

101-保偏输入光纤、102-光纤准直器、103-偏振分束器；

201-光纤准直器、201-保偏输出光纤、203-光强探测器；

300-磁光晶体模块、301-石榴石、302-缓冲层、303-永磁薄膜、304-保护层。

401-偏振分束器、402-光纤准直器、403-保偏输出光纤、404-光强探测器；

501-光纤准直器、502-保偏输出光纤、503-光强探测器。

具体实施方式

本发明的磁光电流传感器，整个装置采用模块化设计，包括沿光路定位设置的光纤输入模块、光纤输入矫正模块、磁光晶体模块、光纤输出模块、光纤输出矫正模块。其中光纤输入模块包括保偏输入光纤101、输入光纤准直器102、偏振分束器103，用于提供偏振光源；而光纤输入矫正模块包括相串联的光纤准直器201、保偏输出光纤202及光强探测器203，解决因温度变化、光纤输入模块抖动引起的噪声；该磁光晶体模块300在外界电流产生磁场作用下，偏振光通过此元件后偏振角度将发生变化；该光纤输出模块包括偏振分束器401、输出光纤准直器402、保偏输出光纤403及光强探测器404，用于输出光进行探测、分析；而光纤输出矫正模块包括相串联的光纤准直器501、保偏输出光纤502及光强探测器503，解决因磁光晶体模块300抖动、温度变化引起的噪声。通过双重矫正，解决了输入光纤模块、输出光纤模块、磁光晶体元件模块温漂抖动等原因引起的噪声。

该磁光晶体模块300包括石榴石301及其上沿光路方向依次生长形成的缓冲层302、永磁薄膜303及保护层304，其中缓冲层302的薄膜厚度为5nm～100μm，可进一步增强永磁薄膜303与衬底石榴石301的附着力；该永磁薄膜302的厚度为10nm～1cm，至少包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴中的一种或一种以上；该保护层的厚度为1nm～10μm，至少包括SiO₂、SiN、Cr、Ta中的一种或一种以上。

该磁光电流传感器沿光路定位设置各模块化构件，其中磁光晶体模块300以外的器件均为常规市售器件，而该磁光晶体模块300是本发明提出的一种创新的制法。具体来看：

首先采用超声波清洗器清洗石榴石，烘干；将掩模版覆盖于石榴石的表面压紧，然后将其放入薄膜生长系统(磁控溅射法或电子束蒸发法或脉冲激光沉积法)，抽真空；系统本底真空度优于1.0×10^-4Pa时，加热石榴石至200～500℃，工作气压为0.2～5Pa；生长缓冲层Ti、Cr、Ta、Mo等薄膜，永磁薄膜钕铁硼、钐钴、铝镍钴等，保温1小时；然后升温至550℃～800℃进行二次退火；冷却至室温时生长保护层SiO2、SiN、Cr、Ta等薄膜；最后利用充磁机对样品进行磁化充磁，得到磁光晶体模块(300)。

或者，首先采用超声波清洗器清洗石榴石，烘干；然后将其放入薄膜生长系统(磁控溅射法或电子束蒸发法或脉冲激光沉积法)，抽真空；系统本底真空度优于1.0×10^-4Pa时，加热石榴石衬底至200～500℃，工作气压为0.2～5Pa；生长缓冲层Ti、Cr、Ta、Mo等薄膜，永磁薄膜钕铁硼、钐钴、铝镍钴等，保温1小时；然后升温至550℃～800℃进行二次回火；冷却至室温时生长保护层SiO2、SiN、Cr、Ta等薄膜；采用激光烧蚀薄膜，得到不同几何形状薄膜，最后利用充磁机对样品进行磁化充磁，得到磁光晶体模块(300)。

综上所述，磁光电流传感器统增加了光纤输入矫正模块和光纤输出矫正模块，解决了因系统抖动、温度漂移等原因引起的噪声；采用缓冲层增强永磁薄膜与衬底之间的附着力，永磁薄膜的磁学性质显著提高，偏振光通过的磁场强度更大，平行度更好，偏振光的旋转角更大，精度更高；永磁薄膜的应用领域更宽；本发明磁光电流传感器设计更简便，稳定性、可靠性更高。

以上仅是本发明的具体应用范例，对发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围内。

Claims

1.磁光电流传感器，其特征在于：采用模块化的器件结构，包括沿光路方向依次排列设置的光纤输入模块、光纤输入矫正模块、磁光晶体模块、光纤输出模块及光纤输出矫正模块，其中所述光纤输入矫正模块与光纤输入模块的偏振分束器相关联，并与光线输入模块一并输出至磁光晶体模块，所述磁光晶体模块的输出相连到光纤输出模块的偏振分束器，且所述光纤输出矫正模块与所述光纤输出模块的偏振分束器相关联。

2.根据权利要求1所述的磁光电流传感器，其特征在于：所述磁光晶体模块包括石榴石及其上沿光路方向依次生长形成的缓冲层、永磁薄膜及保护层，其中所述缓冲层的薄膜厚度为5nm～100μm 所述永磁薄膜的厚度为10nm～1cm，至少包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴中的一种或一种以上；所述保护层的厚度为1nm～10μm，至少包括SiO₂、SiN、Cr、Ta中的一种或一种以上。

3.根据权利要求1所述的磁光电流传感器，其特征在于：所述用于提供偏振光源的光纤输入模块包括保偏输入光纤、输入光纤准直器、偏振分束器。

4.根据权利要求1所述的磁光电流传感器，其特征在于：所述光纤输入矫正模块包括相串联的光纤准直器、保偏输出光纤及光强探测器。

5.根据权利要求1所述的磁光电流传感器，其特征在于：所述用于提供探测及分析用输出光的光纤输出模块包括偏振分束器、输出光纤准直器、保偏输出光纤及光强探测器。

6.根据权利要求1所述的磁光电流传感器，其特征在于：所述光纤输出矫正模块包括相串联的光纤准直器、保偏输出光纤及光强探测器。

7.权利要求1所述的磁光电流传感器的制造方法，沿光路定位设置各模块化构件，其特征在于：所述模块化构件中的磁光晶体模块的制备方法包括步骤：I、采用超声波清洗并烘干石榴石，将掩膜板压贴于石榴石表面；II、将石榴石放入薄膜生长系统中，真空环境下在石榴石表面依次生长缓冲层及永磁薄膜；III、对生长产物升温至550℃～800℃进行二次退火；Ⅳ、室温下生长保护层，并对永磁薄膜磁化充磁，得到磁光晶体模块。

8.根据权利要求7所述的磁光电流传感器的制造方法，其特征在于：所述步骤II中薄膜生长的方法至少包括磁控溅射法、电子束蒸发法或脉冲激光沉积法。