CN115932676B - 一种磁场检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明保护一种磁场检测装置，该磁场检测装置包括光泵浦外腔面发射激光器、光发射单元、磁场检测模块、滤光单元、光线分离单元、光电传感器、控制单元等；所述光泵浦外腔面发射激光器包括发射器，所述发射器发射激光光束至磁场检测模块，该激光的能量高于光学带隙的光束。

Description

一种磁场检测装置

技术领域

本发明保护一种磁场检测装置，涉及磁变量检测领域，该磁场检测装置可以实现低成本、高精度的磁场检测。

背景技术

诸多领域涉及磁场检测，尤其是医疗器械领域中的心率检测、心脏复律器/除颤器等设备、核磁共振设备等，其涉及磁场的测量，且需要实现对磁场的高精度测量。如何设置一种磁场检测装置以实现低成本、高精度测量磁感应强度是当前亟待解决的技术问题。

常用的磁场强度的测量方法包括霍尔效应法，霍尔效应法利用霍尔效应原理测量磁场强度。霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低，霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁感应强度。例如，用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用于点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。在上述方法中,磁场根据电流或电压的变化确定,需要在用电环境下进行磁场检测，而提供该用电环境，需要高成本的投入。

现有技术中，磁场也可以通过光学传感器来测量。然而，现有的光学传感器测量磁场的装置均不具备足够高的灵敏度。现有的利用磁光效应，如法拉第效应进行磁场检测的技术中，样品必须具有一定的几何形状，或者干涉效应必须通过将光分成至少两部分来确定。例如，将样品设置为具有某种几何形状或通过将光分成至少两部分，并对其进行组合，而这两项操作均需要专用的设备才能实现，因此将大大增加磁场检测成本。

本发明的磁场检测装置不需要使用专用的设备和环境，可以实现低成本、高精度的磁场检测，具有显著的优越性。

发明内容

本发明涉及一种磁场检测装置,以消除上述缺点。

本发明的磁场检测装置具体的技术方案如下：

一种磁场检测装置，包括光泵浦外腔面发射激光器、光发射单元、磁场检测模块、滤光单元、光线分离单元、光电传感器、控制单元；

所述光泵浦外腔面发射激光器包括发射器，所述发射器发射激光光束至磁场检测模块，该激光的能量高于光学带隙的光束；

所述光发射单元用于向磁场检测模块发射参考光束，该光发射单元设置为石英灯泡；

所述磁场检测模块包括一个基底层和一个放大层；

所述滤光单元用于过滤光泵浦外腔面发射激光器发射到的磁场检测模块后从磁场检测模块反射的光线，实现仅光发射单元的光线通过；

所述光线分离单元用于根据光线的波长分离穿过滤光单元的光线；

所述光电传感器用于根据从光线分离单元输出的分离光线的波长产生电信号；

所述磁场检测装置包括控制单元，该控制单元根据瞬时接收到的来自光电传感器的电信号与磁场检测模块在零磁场时产生的信号形成的差值确定磁场大小，从而实现磁场检测；

作为优选的方案，所述控制单元包括处理器，所述处理器实现电信号的放大和调制，以实现磁场参数的计算。

作为优选的方案，所述磁场检测模块的基底层和放大层中，所述磁场检测装置通过分子束外延技术外延在III-V族半导体材料的基底层上放大的放大层。

作为优选的方案，所述基底层材料为砷化镓、砷化铝镓或砷化铟。

作为优选的方案，所述控制单元还包括将从光电传感器接收的信号转换成电信号的部件。

由于本发明,在泵浦光发射器和探测光发射器以及磁场传感单元之间不需要偏振单元来偏振由光发射器和探测光发射器发射的光线。

附图说明

图1为本发明的磁场检测装置工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细的描述。

本发明的磁场检测装置主要利用III-V 器件的相关材料在磁场中的反射特性随磁场变化的特性，通过检测反射特性的的变化来测量磁场的方向和大小。III-V 器件可以是包含砷化镓、砷化铝镓或砷化铟等的至少一种。本发明的磁场检测装置包括磁场检测模块，其包含一个基底层，一个放大层，该放大层通过分子束外延技术放大。该基底层由半导体III-V族材料制成，通过所述分子束外延技术放大，实现磁场的测量。

分子束外延技术是在半导体工艺中近十几年来发展起来的一项新技术，它是在超高真空条件下，类似于真空蒸发镀把构成晶体的各个组分和预掺杂的原子（分子），以一定的热运动速度，按一定的比例从喷射炉中喷射到基片上去进行晶体外延生长而制备单晶膜的一种方法。分子束外延，就是在超高真空系统中把所需要的结晶材料放入到喷射炉中，将喷射炉加热。使结晶材料形成分子束，从炉中喷出后，沉积在温度保持在几百度的单晶基片上。如果设置几个喷射炉，就可以制取多元半导体混晶，又可以同时进行掺杂。由于采用四极质谱仪对分子束的强度、相对比进行监控，并将测到的信息反馈到各个喷射炉，就可以精确地控制结晶生长。如果再装上高能电子衍射仪及其他分析仪器，则可以进行沉积系统中结晶生长过程的研究。

利用分子束外延不仅制取了双质结激光器、三维介质集成光波导，还可以用此法使二种光波导重叠地生长在同一基片上，制成了从一个波导移向另一个波导的锥形辋合器，其耦合系数接近于100%。

分子束外延技术与其他液相、气相外延生长法相比较，其特点是，分子束外延生长是在超高真空下进行的，残余气体对膜的污染少，可保持极清洁的表面；生长温度低，如生长GaAs只有500~600℃，Si只有500℃；生长速度慢，（ 1-10μm/h）。可生长超薄（几μm）的膜，膜层厚度、组分和杂质浓度均可进行精确地控制；可获得大面积的表面和界面有原子级平整度的外延生长膜；在同一系统中，可原位观察单晶薄膜的生长过程，可以进行生长机制的研究；外延生长的缺点是时间长，大批量生产性差，对真空条件要求高。

通过III-V 族半导体材料的电子能带结构中，可以通过电子能带结构中能级对磁场的响应测量磁场，过III-V 族半导体材料的电子能带结构中，由于能级对磁场的作用，使光学带隙变窄，利用光学带隙变窄的程度，实现通过光学方法测量磁场的目的。具体来说，例如，其包括通过对分子束外延技术在基底层上生长的微米厚砷化镓层中光学带隙变化的测定，通过检测这种变化，实现磁场检测，其中，光学带隙的变化即光学跃迁能量的带隙变化。

磁场检测装置包括光泵浦外腔面发射激光器、光发射单元、磁场检测模块、滤光单元、光线分离单元、光电传感器、控制单元。如图1所示，所述光泵浦外腔面发射激光器发射激光至磁场检测模块，光泵浦外腔面发射激光器发射激光使得其能量高于光学带隙。磁场检测装置还包括光发射单元，光发射单元用于向磁场检测模块发射光束，优选的，该光发射单元可以是石英灯泡。其中，磁场检测装置包括滤光单元，该滤光单元过滤掉光泵浦外腔面发射激光器的磁场检测模块反射的光线、允许光发射单元的光线通过。磁场检测装置包括光线分离单元，所述光线分离单元被配置为根据光线的波长分离穿过滤光单元的光线。磁场检测装置包括光电传感器,该光电传感器根据从光线分离单元输出的分离光线的波长产生电信号。磁场检测装置包括控制单元，该控制单元接收来自光电传感器的电信号，并将该电信号转换为电压值。控制单元根据瞬时接收到的信号与磁场检测模块在零磁场时产生的信号形成的差值确定磁场大小。在一些实施例中，控制单元还可以确定磁场方向。

磁场检测模块是通过分子束外延技术在五百微米厚的半绝缘砷化镓衬底上以五百纳米厚度自然（没有外部刺激）非磁性砷化镓生长的在放大期间,将基底层温度设置为五百摄氏度以上，设置适度的砷镓通量比，使用砷化镓半导体的分子束外延在合适的生长条件生长砷化镓。III-V族半导体，例如镓、砷化铝镓、砷化铟等，是天然的非磁性材料。在没有外加磁场的情况下，在与导带边缘重合的重带隙和轻带隙之间会生光学跃迁，在有加磁场的情况下，消除了简并态。这种物理现象称为塞曼效应或正常塞曼效应。塞曼效应能检测到带隙的增加。在能带边缘形成局部能级时，外部磁场和局部能级的响应不同，局部能级随着施加到样品的垂直磁场的强度增加可以检测到外部磁场和局部能级的响应的不同。当在基底层上的放大层上平行于放大方向施加外部磁场时，在光调制反射光谱中的局部层间和带边缘之间会产生光学跃迁。具有不同能量状态的能级具有不同的能量，改变磁场大小，可以确定光学跃迁能量值，并将这些检测结果与磁场为零时的检测结果进行比较，确定由磁场引起的净位移量。本发明利用光学跃迁能量的差异来检测磁场值。由于该检测磁场的方法是光学方法，因此可以在放大后立即使用，无需引入新器件及新材料，也无需对材料进行任何处理。本发明的磁场检测装置不需要使用专用的设备和环境，可以实现低成本、高精度的磁场检测，具有显著的优越性。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种磁场检测装置，其特征在于：包括光泵浦外腔面发射激光器、光发射单元、磁场检测模块、滤光单元、光线分离单元、光电传感器、控制单元；

所述光泵浦外腔面发射激光器包括发射器，所述发射器发射激光光束至磁场检测模块，该激光的能量高于光学带隙的光束；

所述光发射单元用于向磁场检测模块发射参考光束，该光发射单元设置为石英灯泡；

所述磁场检测模块包括一个基底层和一个放大层；

所述滤光单元用于过滤光泵浦外腔面发射激光器发射到的磁场检测模块后从磁场检测模块反射的光线，实现仅光发射单元的光线通过；

所述光线分离单元用于根据光线的波长分离穿过滤光单元的光线；

所述光电传感器用于根据从光线分离单元输出的分离光线的波长产生电信号；

所述磁场检测装置包括控制单元，该控制单元根据瞬时接收到的来自光电传感器的电信号与磁场检测模块在零磁场时产生的信号形成的差值确定磁场大小，从而实现磁场检测；

所述控制单元包括处理器，所述处理器实现电信号的放大和调制，以实现磁场参数的计算；

所述磁场检测模块的基底层和放大层中，所述磁场检测装置通过分子束外延技术外延在III-V族半导体材料的基底层上放大的放大层。

2.如权利要求1所述的磁场检测装置，其特征在于：所述基底层材料为砷化镓、砷化铝镓或砷化铟。

3.如权利要求1所述的磁场检测装置，其特征在于：所述控制单元还包括将从光电传感器接收的信号转换成电信号的部件。