CN205656289U - 一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头 - Google Patents
一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头，属于光纤传感器技术领域。光纤悬臂梁磁场传感探头包括光纤、固支端、光纤悬臂梁、铬金属膜和超磁致伸缩薄膜。光纤悬臂梁位于光纤端面，光纤悬臂梁与光纤端面通过固支端连接，光纤悬臂梁与光纤端面构成法布里‑珀罗谐振腔，光纤悬臂梁外表面依次镀铬金属膜和超磁致伸缩薄膜。在待测磁场中，磁致伸缩薄膜的伸缩导致光纤悬臂梁的挠曲或者谐振频率的变化，通过法布里‑珀罗谐振腔检测该光纤悬臂梁的挠曲或谐振频率变化，从而测得外界磁场的大小。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁场传感探头，尤其涉及一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头。
背景技术
目前的磁场传感器主要基于霍尔效应、磁阻效应、磁通门效应、隧道效应和核磁共振效应等机理，这些传统的磁场传感器均需要电信号激励，电信号激励产生的磁场会对被测磁场产生干扰，从而限制了该类传感器检测精度的进一步提高。传统磁场传感器体积较大，难以对狭小空间的磁场进行检测。光纤磁场传感器不影响待测电磁场，并且有耐腐蚀、重量轻、体积小等优点，有利于在航空、航天领域以及狭小空间的应用。光纤悬臂梁磁场传感器结合了光纤磁场传感器和悬臂梁的特点，有微型化、易实现多点式分布检测、远距离检测、高精度、低功耗和全光传输等优点。
光纤式悬臂梁主要有三大类，(1)将光纤粘贴在悬臂梁上，通过悬臂梁的振动引起光纤中某些物理量的变化，从而得知外界待检测量的变化。(2)在光纤本体上制作悬臂梁结构，利用干涉原理或其他原理，来测量外界待检测量的变化。(3)光纤自身作为悬臂梁，利用压电陶瓷等振动源使之振动，从而测量外界待检测量的变化。
本发明在光纤的端面加工悬臂梁，实现光纤一体化结构，在光纤悬臂梁外表面镀有铬金属膜和超磁致伸缩薄膜(GMF：Giant Magnetostrictive Thin Film)，构成一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头，该磁场探头不需要电信号激励，因而不存在激励电信号对待测电磁场的干扰问题，可以实现微型化，并且有效地提高了检测精度。
发明内容
本发明针对传统磁场传感器的不足，设计了一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头。
本发明采用的技术方案：一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头，包括：光纤，固支端，光纤悬臂梁，铬金属膜，超磁致伸缩薄膜，如图1所示。
所述的光纤悬臂梁位于光纤的端面，形成光纤一体化结构。
所述的光纤悬臂梁长度为105μm-115μm，宽度为15μm-30μm，厚度为3μm-5μm。
所述的固支端长度为10μm-20μm，固支端宽度与光纤悬臂梁宽度相同，光纤悬臂梁与光纤端面通过固支端连接，光纤悬臂梁与光纤端面构成法布里-珀罗谐振腔。
所述的铬金属膜镀在光纤悬臂梁外表面，其厚度为50nm，充当超磁致伸缩薄膜的缓冲层；
所述的超磁致伸缩薄膜镀在铬金属膜外面，为TbDyFe材料，其厚度为1μm-1.5μm。
本发明的有益效果是：
1采用光纤做传感探头，光纤传感探头工作在全光激励下，不会对待测磁场产生干扰，待测磁场也不会对光纤传感探头产生电磁干扰。光纤传感探头体积小，适用于狭小空间的磁场检测。
2在光纤一端加工悬臂梁，形成光纤一体化结构，实现了传感探头的微型化。悬臂梁与光纤端面形成法布里-珀罗光学谐振腔，法布里-珀罗谐振腔为非本征型，腔由空气间隙组成，其折射率n0≈1，其检测精度可达亚纳米精度，因此可有效地提高传感探头的检测精度。
3在光纤悬臂梁外表面镀有铬金属膜，有效地提高了光的反射率，形成双层敏感谐振结构。在铬金属膜上镀一层超磁致伸缩薄膜，超磁致伸缩薄膜具有较大的磁致伸缩系数，能产生较大的磁致伸缩，从而有效地提高了对磁场的检测精度。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明光纤悬臂梁磁场传感探头的正视图。图中：1为光纤，2为固支端，3为光纤悬臂梁，4为铬金属膜，5为超磁致伸缩薄膜；
图2为本发明光纤悬臂梁磁场传感探头的俯视图。图2中：1为光纤，5为超磁致伸缩薄膜。
图3为检测原理图。
具体实施方式
图1和图2中，本发明所采用的技术方案：一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头，包括：光纤1，固支端2，光纤悬臂梁，3，铬金属膜4，超磁致伸缩薄膜5。
所述的光纤悬臂梁3位于光纤1的端面，长度为105μm-115μm，宽度为15μm-30μm，厚度为3μm-5μm，形成光纤一体化结构。
所述的固支端2长度为10μm-20μm，固支端宽度与光纤悬臂梁2的宽度相同，光纤悬臂梁与光纤端面通过固支端连接，光纤悬臂梁与光纤端面构成法布里-珀罗谐振腔。
所述的铬金属膜3镀在光纤悬臂梁2的外表面，其厚度为50nm，充当超磁致伸缩薄膜的缓冲层，对入射激光有较大的反射率，并且使光纤悬臂梁形成了双层敏感谐振结构。
所述的超磁致伸缩薄膜镀在铬金属膜外面，为TbDyFe材料，厚度为1μm-1.5μm，在磁场的作用下会产生伸缩，其在常温下各向异性常数几乎为零，显示出巨大的磁致伸缩效应，磁致伸缩系数高达1500-2000ppm，能够在磁场中实现敏感检测。
本发明中光纤悬臂梁制作工艺采用聚焦等离子束加工方法(FIB)，工艺流程如下：(a)光纤端面进行抛光和清洁；(b)在光纤端面一侧平行于光纤端面方向进行聚焦等离子术磨铣加工，直到达到光纤悬臂梁所需沿直径方向的宽度和高度；(c)将光纤沿轴向转过90°角，再进行沿光纤端面平行方向的聚焦离子束掏蚀加工，并将光纤悬臂梁一端的固支部分磨蚀去掉，则光纤悬臂梁与光纤端面形成法布里-珀罗谐振腔结构；(d)对光纤悬臂梁进行聚焦等离子束磨铣减薄至所需的厚度。采用磁控溅射方法在光纤悬臂梁上镀铬金属膜和超磁致伸缩薄膜。
图3中，激光光源与光纤耦合器一侧的一个光纤端口连接，光电探测器与光纤耦合器一侧的另一个光纤端口连接，光纤耦合器的另一侧的一个光纤端口与光纤传感探头连接，另一侧的另一个光纤端口浸入匹配液。
本发明检测磁场的基本原理为：在磁场中，超磁致伸缩薄膜发生伸缩，从而带动光纤悬臂梁产生挠曲，法布里-珀罗腔的腔长发生相应变化。由激光光源发出的调制光经过耦合进入光纤，入射到法布里-珀罗腔中，在法布里-珀罗腔中反射后沿原路返回、相遇而产生干涉，最后由光电探测器接收，如图3所示。磁场强度越大，超磁致伸缩材料的收缩程度越大，光纤悬臂梁的挠曲程度越大，法布里-珀罗谐振腔的腔长越长，因此光电探测器接收到的干涉输出信号也发生相应变化。通过对光电探测器接收到的干涉输出信号进行信号调解可得外界磁场的大小。本发明检测磁场的另一种原理：在磁场中，超磁致伸缩薄膜发生伸缩，从而带动光纤悬臂梁产生挠曲，外界磁场大小的不同引起超磁致伸缩薄膜伸缩程度的不同。激光光源发出的调制光经过耦合进入光纤，入射到光纤悬臂梁上，光纤悬臂梁由于“双膜热效应”而出现光热激励谐振，在磁场中，超磁致伸缩薄膜发生伸缩，改变了光纤悬臂梁的挠曲程度，从而使光纤悬臂梁的谐振频率发生变化，光电探测器接收到的反射信号频率变化，因此可以得出外界磁场的大小。
Claims (3)
1.一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头，包括：光纤、固支端、光纤悬臂梁、铬金属膜、超磁致伸缩薄膜，光纤悬臂梁位于光纤端面，形成光纤一体化，光纤悬臂梁与光纤端面通过固支端连接，并且构成法布里-珀罗谐振腔，光纤悬臂梁外表面依次镀铬金属膜和超磁致伸缩薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头，其特征是光纤悬臂梁长度为105μm-115μm，宽度为15μm-30μm，厚度为3μm-5μm，与光纤端面构成法布里-珀罗谐振腔，形成光纤一体化结构，采用聚焦等离子束加工方法制作在光纤端面上，固支端长度为10μm-20μm，宽度与光纤悬臂梁的宽度相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于超磁致伸缩薄膜的光纤悬臂梁磁场传感探头，其特征是铬金属膜和超磁致伸缩薄膜依次镀在光纤悬臂梁的外表面，铬金属膜厚度为50nm，超磁致伸缩薄膜材料为TbDyFe材料，厚度为1μm-1.5μm。
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