【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于传感器，具体涉及一种基于表面等离子体共振原理的片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器。
技术介绍
1、spr现象是指波导中的传输模式与金属表面的表面等离子体波(surface plasmonwave,spw)的传输常数相匹配，大量能量从波导模式耦合到spw的现象。传感领域中常用的spr结构为kretschmann结构(见图1)，在特定条件下，只有满足模式匹配的波长的入射光能够产生spr现象，且共振波长与介质层(待测物)折射率相关。通过二次加工工艺，对光纤侧面或纤端进行特殊处理以构成kretschmann结构，实现纤上集成的spr传感器件由于其高灵敏、小型化的特征得到广泛研究。根据共振波长和待测物折射率之间的相关性，可以根据spr的共振波长测得待测物的折射率。为了实现其他物理量的传感，各种将待测物理量的变化转化为折射率变化的传感功能材料被应用于纤上集成的光纤传感器中。
2、磁流体由包覆有表面活性剂的磁性纳米颗粒(magnetic nanoparticles,mnps)和载液组成(见图2)，是一种稳定的磁性纳米流体材料。通过对磁流体进行外部磁场调制，可以使其展现出一些独特的光学性质。例如，mnps在外磁场作用下沿着磁场方向聚集形成纳米磁链现象，特别是在成链方向上有异物阻碍时，由于异物造成的磁链规模小于两侧长链，在磁力作用下被异物阻隔的部分由于不能形成稳定的磁链而产生稀释作用，被稀释的部分则被两侧吸引、聚集。由于mnps在外磁场作用下的密度不均匀分布所产生的磁流体的局域磁致折射率变化特性(见图3)，使得磁流体广
3、由于磁流体的热光效应，受环境温度变化的影响，磁场测量误差不可避免。要消除温度对磁场传感准确度的影响，则需要传感器对环境温度进行补偿，或采用多通道传感，对磁场和温度同时测量。已提出的基于光纤的干涉型、共振型、光栅型磁场传感器，不利于光电系统集成，且需要级联光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,fbg)以补偿温度交叉敏感。
4、目前，有提出通过光纤微加工工艺，在纤端进行特殊结构处理，实现基于spr原理的双传感面的矢量磁场和温度双通道传感方案，该方案将传感探头集成到纤端约200微米的长度内。但纤端集成的方案在传感介质封装以及批量加工方面有明显的缺陷。该方案中，传感介质需要使用套管将介质密封，其尺寸达到厘米量级，此外，光纤微加工工艺同样不适合对光纤的批量加工。
5、因此，针对上述问题，予以进一步改进。
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的在于提供一种片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器，可以实现高灵敏的矢量磁场和温度双通道、双参量传感；有利于光电系统的集成和温度-矢量磁场双参量传感器的小型化；解决光纤集成器件中加工工艺不成熟，功能设计单一的问题。
2、为达到以上目的，本专利技术提供一种片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器，包括输入光接收端、分束器、磁场探头、温度探头、第一输出端、第二输出端、第一光电二极管、第二光电二极管、波导包层和二氧化硅衬底，其中：
3、输入光接收端接收从输入光纤传输的光并且将光传输到分束器，以使得分束器将光分为第一路和第二路，其中：
4、对于第一路，从分束器分出的第一入射光传输到磁场探头，以使得在磁场探头中部分第一入射光满足spr谐振条件而大量衰减，并且经过磁场探头生成的第一反射光通过第一输出端传输到第一光电二极管，第一光电二极管测量获得第一反射光的光强，从而实现矢量磁场传感；
5、对于第二路，从分束器分出的第二入射光传输到温度探头，以使得在温度探头中部分第二入射光满足spr谐振条件而大量衰减，并且经过温度探头生成的第二反射光通过第二输出端传输到第二光电二极管，第二光电二极管测量获得第二反射光的光强，从而实现温度传感。
6、作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在磁场探头和温度探头中满足spr谐振条件而大量衰减，谐振条件可表示为：
7、
8、
9、其中，k0为入射光的真空波矢；θin为入射角度；εw，εm，εd分别为波导包层、金属膜和介质层(磁流体或pdms)的介电系数；λp，λc，λ分别为等离子体波长、自由电子碰撞波长和入射光波长。
10、作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，磁场探头包括第一光学平面、第一金属膜、第一传感腔和磁流体，其中：
11、第一入射光入射到第一光学平面，并产生spr共振吸收，在没有外磁场作用时，mnps随机分布，磁流体的折射率均匀分布；在外磁场作用时，mnps则沿磁场方向聚集形成磁链；
12、当磁场方向与第一光学平面平行时，mnps聚集在磁场探头处，折射率升高，进而导致更多的入射光模式不满足spr谐振条件，磁场探头反射率升高，且与磁场强度成正比；
13、当磁场方向与第一光学平面垂直时，磁场探头附近的mnps在外磁场作用下稀释，折射率下降，进而导致更多的入射光模式满足spr谐振条件，磁场探头反射率降低，且与磁场强度成正比，磁流体的折射率用langevin函数描述：
14、
15、其中，t为热力学温度；bc为临界磁通密度；ns，nc分别为磁流体的初始折射率和磁化饱和折射率；κ为拟合系数；
16、经过磁场探头的第一反射光经第一输出端输出到第一光电二极管，并且根据第一光电二极管所测光功率变化实现矢量磁场传感。
17、作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，温度探头包括第二光学平面、第二金属膜、第二传感腔和pdms，其中：
18、第二入射光入射到第二光学平面，并产生spr共振吸收，pdms具有负热光系数，即当温度升高时，pdms折射率降低，spr共振吸收增大，反射率降低，反之温度探头反射率升高，pdms的折射率与温度之间的关系表示为：
19、npdms＝-4.5×10-4(t-273.15)+np0；
20、其中，np0为pdms在室温下的折射率(因此，温度变化将影响温度探头的spr谐振波长及106-pd2所测光强，从而实现温度传感)。
21、作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，(磁流体的折射率变化除了受磁场调制外，温度也有一定的影响)第一光电二极管所测得的光强变化是磁场和温度双参量调制的结果，具体的磁场信息需要对温度进行校正。
22、作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，结合第一光电二极管所测的光强受矢量磁场和温度调制，第二光电二极管所测的光强受温度调制的特性，实现矢量磁场传感的温度补偿。
23、本专利技术的有益效果为：<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器，其特征在于，包括输入光接收端、分束器、磁场探头、温度探头、第一输出端、第二输出端、第一光电二极管、第二光电二极管、波导包层和二氧化硅衬底，其中：
2.根据权利要求1所述的一种片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器，其特征在于，在磁场探头和温度探头中满足SPR谐振条件而大量衰减，谐振条件可表示为：
3.根据权利要求2所述的一种片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器，其特征在于，磁场探头包括第一光学平面、第一金属膜、第一传感腔和磁流体，其中：
4.根据权利要求3所述的一种片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器，其特征在于，温度探头包括第二光学平面、第二金属膜、第二传感腔和PDMS，其中：
5.根据权利要求4所述的一种片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器，其特征在于，第一光电二极管所测得的光强变化是磁场和温度双参量调制的结果，具体的磁场信息需要对温度进行校正。
6.根据权利要求5所述的一种片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器，其特征在于，结合第一光电二极管所测的光强受矢量磁场和温度调制，
...【技术特征摘要】
1.一种片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器，其特征在于，包括输入光接收端、分束器、磁场探头、温度探头、第一输出端、第二输出端、第一光电二极管、第二光电二极管、波导包层和二氧化硅衬底，其中：
2.根据权利要求1所述的一种片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器，其特征在于，在磁场探头和温度探头中满足spr谐振条件而大量衰减，谐振条件可表示为：
3.根据权利要求2所述的一种片上集成矢量磁场和温度的双参量传感器，其特征在于，磁场探头包括第一光学平面、第一金属膜、第一传感腔和磁流体，其中：
4.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：王曰海，郝子鉴，戴庭舸，
申请(专利权)人：浙江大学绍兴研究院，
类型：发明
国别省市：
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