基于扭转闪耀光栅的波长型光纤MEMS高灵敏度磁传感器研究

High sensitivity magnetic sensor has wide and important applications in many fields of engineering and science. But the magnetic sensors with electronic detection methods are restricted in some applications such as underwater, high temperature and harsh electromagnetic interference. In this project, we present a novel wavelength-modulation magnetic sensor based on torsional movement of blazed grating. The permanent magnetic film and blazed grating are integrated with micromechanical structure. Magnetic field is detected by sensing change in torque on permanent magnetic film which forces the blazed grating to rotate around the rotation axis. The change of the reflected wavelength from blazed grating is determined by the wavelength demodulation instrument developed in our lab. The research result in this project can be used in current online detection in smart grid, open and close monitoring of manhole cover along the urban underground pipeline, geomagnetic observation under water, traffic intelligent management on roads and parking lots. It has important value of science and technology and application prospect.

高灵敏度磁传感器在诸多领域有着重要、广泛的应用。但在水下、高温、有强电磁干扰等应用场合，传统的电检测的磁传感器的使用将会受到限制。本研究提出了新颖的基于扭转闪耀光栅的波长型磁传感器。结合闪耀光栅设计制造、永磁薄膜图形化制作、高精度波长信号解调等关键技术和工艺，实现在微型化硅基结构载体上，闪耀光栅与图形化永磁薄膜、微机械结构的一体化集成制造。永磁薄膜可以检测磁场的微弱变化而带动闪耀光栅发生扭转；通过光纤准直器读取由于扭转所产生的闪耀光栅反射光波长的变化，最后借助本课题组已经研制的高精度波长信号解调仪实现光纤磁传感器反射光波长的测量，解算出待测磁场信息。.本课题的研究成果，可用于智能电网在线电流监测、城市地下管线沿途井盖开闭状态监控、水下地磁观测、道路和停车场交通智能化管理等场合，具有重要的科技价值和应用前景。

本项目执行期为2017年1月至2019年12月，直接经费21万。项目围绕永磁薄膜与外磁场的相互作用机理、闪耀光栅检测机理、永磁薄膜和MEMS结构以及闪耀光栅的集成制造方法、传感器的封装与测试等几个关键问题开展研究。在敏感机理方面，采用了磁荷法研究了外磁场与磁性薄膜的作用机理，对传感器的灵敏度进行了仿真；采用硬掩膜的方法，成功在MEMS结构上制作了图形化的永磁薄膜；采用湿法各项异性腐蚀方法，成功在MEMS结构上集成制作了V型的闪耀光栅结构；采用体硅加工工艺，成功制作了MEMS磁传感器芯片。将制作成功的MEMS磁传感器芯片与光纤准直器进行了集成封装，并对传感器的各项性能进行了测试。测试结果表明，所制作的闪耀光栅的3dB带宽为1.04nm，可以满足磁传感器高精度测量的要求；经过工艺优化，图形化永磁薄膜的性能得到了很大的提升；MEMS磁传感器的灵敏度达到489pm/Gs，结合本课题组研发的高分辨率波长解调仪，本项目研发的MEMS磁传感器最小可分辨205nT的磁场变化。在项目组全体成员的共同努力下，本项目全面完成了研究目标。发表SCI论文1。授权发明专利2项。在项目执行期间，结合本项目培养硕士研究生1名。