CN112611990A - 一种基于多材料3d打印技术的盘状微结构磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器，属于磁场传感器领域领域。本发明采用3D打印技术，根据盘状波导结构的几何形状，建立3D打印模型，打印完成后注入磁流体材料，并采用双光子飞秒激光直写技术对磁流体材料进行固化，制备得到盘状波导结构。在盘状波导结构横截面中的两个单曲面的交界面位置设有圆柱形波导，圆柱形波导与Y波导耦合；磁流体材料灌装到外侧单曲面对应的纳米材料区内，当该传感器周围磁场发生变化时，外侧单曲面矩形区域内的磁流体折射率发生改变，通过sagnac效应测得光谱变化量即可解算出磁场的变化量，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。

Description

一种基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器
技术领域
本发明涉及磁场传感器领域，具体涉一种基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器。
背景技术
随着科学技术的发展，人们对于测量器件小型化、高精度、高稳定性等要求越来越高，因此，在光学测量领域，以光电材料作为基质的微结构波导引起人们的广泛关注，各种微结构平面波导传感器被应用于工业生产、激光医疗手术、微弱信号探测、惯性导航等领域。由于光在不同材料中传播的折射率不同，因此可以将对外界条件敏感的材料制备成光波导结构，当外界条件，如温度、湿度、气压、磁场、电场等发生变化，导致敏感材料的折射率发生变化，根据测得光谱得变化量来解算出外加条件的变化，以此原理而制作了诸多光波导传感器。
传统的微波导制备方法有物理加热拉伸、“气相-液相-固相”法(VLS)、原子力探针扫描制备法，其中，物理加热拉伸和VLS法只能用于制备一维微波导结构，原子力探针扫描制备法可以用于制备二维线性微波导结，但是其原理是用探针对波导表面结构进行切割、弯曲、缠绕等操作，无法加工出具有三维形貌的微波导结构
采用3D打印技术可以解决常规制备方法难以加工三维微结构的问题，如双光子飞秒激光直写3D打印技术。双光子飞秒激光直写3D打印是基于双光子吸收原理，即物质的一个分子同时吸收两个光子，双光子吸收的发生主要在脉冲激光所产生的超强激光焦点处，光路上其他地方的激光强度不足以产生双光子吸收，并且由于所用光波长较长，能量较低，相应的单光子吸收过程不能发生，具有对材料穿透性好、空间选择性高等特点。
不同于在自由空间内直接打印的技术，盘状微结构磁场传感器的制备需要在磁流体材料注入内芯特定区域后，通过光束扫描将去固化，因此需要在材料内部打印出所需结构，由于固化扫描区域位于内芯，光束需经纳米材料包裹层进入该区域，因此会发生折射和反射，采用直接打印的方法会导致部分区域无法接收双光子激光，会严重影响光信号的传输。
发明内容
为了解决现有的平面波导微结构难以通过传统的3D打印方法无法实现多材料在波导内部均匀打印等问题，本发明提出了一种基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器及其制备方法。所制备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，本发明采用如下技术方案：
一种基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器，包含光源、光电传感器、双Y分支和盘状波导结构；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纳米材料区，所述内侧单曲面的内部为空芯区；
所述的光源与双Y分支一侧的入射端连接，光电传感器与双Y分支同一侧的出射端连接，所述双Y分支另一侧的两个信号端分别与盘状波导结构两个端口处的波导耦合连接；
由光源发出的光进入双Y分支一侧的入射端，然后经过双Y分支另一侧的两个信号端传输至盘状波导结构，其中以顺时针方向入射的光先沿波导进行顺时针传输，然后在盘状波导结构的中心转换为逆时针方向继续传输，从另一侧的端口出射；以逆时针方向入射的光先沿波导进行逆时针传输，然后在盘状波导结构的中心转换为顺时针方向继续传输，从另一侧的端口出射；出射的两束光返回至双Y分支，最后由光电传感器检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明提出的一种基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器，采用在盘状结构内芯设置空芯区和纳米材料区这种非对称材料的波导结构，当该传感器周围磁场发生变化时，外侧单曲面矩形区域内的磁流体折射率发生改变，通过sagnac效应测得光谱变化量即可解算出磁场的变化量，实现对外界磁场变化进行测量；
2)本发明的波导结构采用双螺旋结构，正反两束光在传播时均为先沿各自的传播方向传播，然后再反向传播，排除了传统的基于sagnac效应传感器由于对角速度敏感而产生的误差，在提升了测量精度和稳定性的同时，也减小了器件的体积。
附图说明
图1表示的是盘状微结构磁场传感器整体结构图；
图2表示的盘状波导结构平面俯视图；
图3表示的是双Y波导一侧与盘状波导结构耦合示意图；
图4表示的是盘状波导立体结构示意图；
图5表示的是盘状波导结构横截面示意图；
图6表示的是盘状波导结构和双Y波导一侧耦合处结构示意图；
图中，1光源、2光电传感器、3双Y分支入射端、4双Y分支出射端、5双Y分支、6双Y分支第一信号端、7双Y分支第二信号端、8盘状波导结构、9双Y分支中用于连接信号端的结构、10纳米材料区、11空芯区、12清洗槽、13右侧封胶盒、14左侧封胶盒、15外侧单曲面、16内侧单曲面、17圆柱形波导、18输入输出端口IO1、IO2、19双Y分支信号端耦合口。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明采用3D打印技术，制备得到了一种盘状微结构磁场传感器。当该传感器周围磁场发生变化时，外侧单曲面矩形区域内的磁流体折射率会发生改变，通过sagnac效应测得光谱变化量即可解算出磁场的变化量。本发明所提出的盘状微结构微弱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。
如图1所示，盘状微结构磁场传感器的整体结构主要包括了光源1、光电传感器2、双Y分支5和盘状波导结构8；
如图5所示，所述的盘状波导结构8的横截面为相邻且互补的外侧单曲面和内侧单曲面，外侧单曲面为凸面，内侧单曲面为凹面，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纳米材料区10，所述内侧单曲面的内部为空芯区11。本实施例中，波导采用圆柱形波导17，该圆柱形波导17的耦合输入输出口分别为IO1、IO2 18，其横截面为圆形，所述圆柱形波导的一半暴露于空芯区11中，另一半暴露于纳米材料区10中；所述的空芯区11与纳米材料区10之间隔离，纳米材料不会流到空芯区中。
在本发明的一项具体实施中，所述外侧单曲面的曲率中心位于盘状波导结构横截面的外部，当该区域作为纳米材料区后，弧形结构可以抵消纳米材料对壁的压力，从而增加结构的耐用性和可靠性。
所述的光源1与双Y分支5一侧的入射端3连接，光电传感器2与双Y分支5同一侧的出射端4连接，所述双Y分支另一侧的两个信号端分别与盘状波导结构8两个端口处的波导耦合连接，如图3和图6所示，其中图3只画出了双Y分支中用于连接信号端的半边结构与盘状波导结构的连接示意图，图6是图3的局部放大示意图，双Y分支信号端耦合口19与输入输出端口IO1、IO2 18直接耦合。
由光源1发出的光进入双Y分支5一侧的入射端，然后经过双Y分支5另一侧的两个信号端传输至盘状波导结构8，其中以顺时针方向入射的光先沿波导进行顺时针传输，然后在盘状波导结构8的中心转换为逆时针方向继续传输，从另一侧的端口出射；以逆时针方向入射的光先沿波导进行逆时针传输，然后在盘状波导结构8的中心转换为顺时针方向继续传输，从另一侧的端口出射；出射的两束光返回至双Y分支，最后由光电传感器检测。
在本发明的一项具体实施中，纳米材料区10内填充有磁流体材料。在盘状波导结构8的两个端口处设置封胶盒，如图4所示，分别为右侧封胶盒13和左侧封胶盒14，所述的封胶盒与纳米材料区连通，用于灌注和清洗磁流体。所述盘状波导结构8的侧壁上开设有清洗槽12，所述的清洗槽与空芯区11连通，便于对空芯区11进行清洗，防止未固化的聚合物材料未清洗干净。
在本发明的一项具体实施中，所述的盘状波导结构8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8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。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Ri＝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Ri＝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8，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。
为了使得盘状波导结构方便与双Y分支结构连接，将盘状波导结构8的两个端口开口方向设置为一致，可以通过将其中一个最外围的半圆弧单元端口(IO1或IO2)弯折180度实现，得到如图2所示的结构。
在本发明的一项具体实施中，盘状波导结构8是采用双光子飞秒激光直写技术3D打印得到的，具体工艺步骤如下：
(1)根据设计要求和玻璃基板的材质，选择合适的聚合物材料；
(2)将玻璃基本作为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8；
(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8内部及表面，清洗内外残渣颗粒。
(4)将微流控泵内清洗液清除干净后，换成磁流体材料，通过空芯光纤将磁流体材料由左侧封胶盒14注入盘状波导结构8的纳米材料区域10，当看到右侧封胶盒13有磁流体材料溢出时，关闭微流控泵；
(5)使用双光子飞秒激光扫描技术，将纳米材料区内的磁流体材料扫描固化，扫描路径与盘状波导结构8相同；
(6)磁流体材料扫描固化后，用胶水将封胶盒封住，此时盘状微结构磁场传感器即制作完成；
所述的步骤(4)中所灌装磁流体材料应为双光子聚合光敏材料，所灌装的双光子聚合物光敏材料的量能填满3D打印的纳米材料区。
一种典型的实例中，使用的光敏聚合物材料为Nanoscibe公司的IP-DIP材料双光子飞秒激光直写基体材料，将YIG(钇铁石榴石)纳米颗粒混入IP-DIP聚合物制成磁流体材料。
将上述方法制备得到的盘状波导结构与光源、光电传感器、双Y分支按照图1的连接方式进行连接，光束进入到盘状波导结构后，正反两束光在传播时均为先沿各自的传播方向传播，然后再反向传播，消除了传统sagnac传感系统中的角速度误差量。
本发明提出的磁场传感器测量原理如下：
在盘状波导结构内芯中，圆柱形波导一侧暴露在纳米材料区中，另一侧暴露在空芯区中，空芯区认为其介质为空气，沿正向传播的光在暴露在纳米材料区的圆柱形波导内传播，沿反向传播的光在暴露在空芯区的圆柱形波导内传播，当外界磁场变化，固化有磁流体材料的纳米材料区，其折射率发生变化，由于光的倏逝波效应，当正反两束光在盘状波导结构中传播后，会产生相位差
Figure BDA0002834207460000061
在光电传感器端对两束光的干涩信号进行采样和分析，即可解算出磁场变化大小。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器，其特征在于，包含光源(1)、光电传感器(2)、双Y分支(5)和盘状波导结构(8)；所述的盘状波导结构(8)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纳米材料区(10)，所述内侧单曲面的内部为空芯区(11)；
所述的光源(1)与双Y分支(5)一侧的入射端(3)连接，光电传感器(2)与双Y分支(5)同一侧的出射端(4)连接，所述双Y分支另一侧的两个信号端分别与盘状波导结构(8)两个端口处的波导耦合连接；
由光源(1)发出的光进入双Y分支(5)一侧的入射端，然后经过双Y分支(5)另一侧的两个信号端传输至盘状波导结构(8)，其中以顺时针方向入射的光先沿波导进行顺时针传输，然后在盘状波导结构(8)的中心转换为逆时针方向继续传输，从另一侧的端口出射；以逆时针方向入射的光先沿波导进行逆时针传输，然后在盘状波导结构(8)的中心转换为顺时针方向继续传输，从另一侧的端口出射；出射的两束光返回至双Y分支，最后由光电传感器检测。
2.如权利要求1所述的基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器，其特征在于，其特征在于，所述的波导为圆柱形波导(17)。
3.如权利要求2所述的基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器，其特征在于，所述圆柱形波导的一半暴露于空芯区(11)中，另一半暴露于纳米材料区(10)中；所述的空芯区(11)与纳米材料区(10)之间隔离。
4.如权利要求1或3所述的基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器，其特征在于，所述的纳米材料区(10)内填充有磁流体材料。
5.如权利要求4所述的基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器，其特征在于，所述盘状波导结构(8)的两个端口处设有封胶盒，所述的封胶盒与纳米材料区(10)连通。
6.如权利要求1所述的基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器，其特征在于，所述盘状波导结构(8)的侧壁上开设有清洗槽(12)，所述的清洗槽与空芯区(11)连通。
7.如权利要求1所述的基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器，其特征在于，所述外侧单曲面的曲率中心位于盘状波导结构横截面的外部。
8.如权利要求1所述的基于多材料3D打印技术的盘状微结构磁场传感器，其特征在于，所述的盘状波导结构(8)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(8)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。
9.如权利要求8所述的双螺旋状平面波导磁场传感器，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Ri＝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Ri＝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(8)，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。
10.如权利要求1所述的双螺旋状平面波导磁场传感器，特征在于，所述的盘状波导结构(8)是采用双光子飞秒激光直写技术3D打印得到的，步骤如下：
(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)将微流控泵内的清洗液清除干净后，更换成磁流体材料，通过空芯光纤将磁流体材料由一侧封胶盒注入盘状波导结构(8)的纳米材料区(10)，当另一侧封胶盒(13)有磁流体材料溢出时，关闭微流控泵；
(5)使用双光子飞秒激光扫描技术，将纳米材料区内的磁流体材料扫描固化；
(6)待磁流体材料扫描固化后，用胶水将封胶盒密封，制备得到盘状波导结构。
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