基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法，基于微纳减材加工和3D材料增材加工原理，结合光控导电机理，在透明基底上加工出微纳微腔体阵列每个微纳微腔体包括工作介质处藏区和磁力传感区，完成内部膜层加工；在微腔体内工作介质处藏区加工处碱金属符合材料沉积点；进行气体注入和密封形成封闭微纳微腔体阵列；然后进行外部光电敏感膜层加工，构建光控导电层；在外部集成微小光源和光电传感器；利用全光原子磁力传感行为，进行时序控制，实现光泵浦光调控的高空间高时间分辨率磁场传感制备。具有制备工艺简单、结构简洁、无需低温制冷系统、灵敏度高、检测信息量大、空间分辨率高、灵活性好、可实现小型化等特点。

【技术实现步骤摘要】
基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法
本专利技术涉及一种磁力传感器制备方法，特别是一种基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法。
技术介绍
磁传感器指的是各种用于测量磁场的传感器，也可以称为磁力仪、高斯计，在国际单位制中描述磁场的物理量是磁感应强度，单位是特斯拉。在早期，电磁领域高斯单位盛行，因此磁强计也称为高斯计。磁感应强度是矢量，具有大小和方向特征，只测量磁感应强度大小的磁强计称为标量磁强计，而能够测量特定方向磁场大小的磁强计称为矢量磁强计，常见的磁力传感器有磁通门磁强计、磁阻磁强计、质子旋进磁强计、碱金属光泵磁强计等。磁力传感器在磁物探、磁导航、无损检测、防伪技术、加密解密、刑侦、脑科学、心肺科学、生物磁学、生命医疗、生物技术、健康检测、疾病诊疗、人机交互、智能控制、行为组织、心理学、智慧感知等领域应用广泛，随着改革领域的发展，对磁力传感器应能要求也急剧提高，目前在灵敏度上表现最好的磁力传感器为原理磁力传感器，在应用上对灵敏度要求很高的有磁物探、磁导航、脑科学等领域，所以原子磁力传感器构建方法至关重要。在先技术中，存在磁力传感装置制备方法和设备，商业化的瑞典Elekta公司生产ElektaNeuromagTRIUX型号脑磁图仪；美国Tristan公司生产MagView型号脑磁图仪，技术可以参见美国专利，专利名称为high-reslutionmagenetoencephalographysystem,componentsandmethods,翻译成中文为：高分辨率脑磁图系统、部件与方法，专利号为US7197352B2，专利授权时间为2007年3月27日。在先技术具有相当的优点，但是，仍然存在一些本质不足：1）磁场传感装置所基于的原理为超导量子干涉器件检测磁场，以磁通量量子化和约瑟夫森隧穿效应两种物理现象为检测原理，必需低温制冷系统，通常采用液氮或液氦制冷，系统结构复杂；2）检测装置检测灵敏度受限于检测原理和系统构建复杂度，检测的灵活性差；3）装置体积大，无法实现小型化，构建成本高，检测磁场空间分辨率有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述技术的不足，提供一种基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法，该方法具有制备流程简单、集成化程度高、无需低温制冷系统、系统结构简单、便于构建、灵敏度高、检测信息量大、空间分辨率高、灵活性好、体积小、可实现小型化、功能易于扩充、应用范围广等特点。本专利技术的技术方案是：一种基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法，其步骤为：首先，基于微纳减材加工和3D材料增材加工原理，结合光控导电机理，根据所需磁场检测要求，进行磁力传感器微结构设计，在透明基底上加工出微纳微腔体阵列，每个微纳微腔体包括工作介质处藏区和磁力传感区，工作介质处藏区和磁力传感区相互连通，并且完成内部膜层加工；在微纳微腔体的工作介质处藏区加工处碱金属符合材料沉积点，进行气体注入和密封形成封闭微纳微腔体阵列；然后进行外部光电敏感膜层加工，构建光控导电层；再外部集成微小光源以及光电传感器，光源泵浦光源、加热光源和检测光源；利用全光原子磁力传感行为，进行时序控制，实现光泵浦光调控的高空间高时间分辨率磁场传感制备。采用磁传感器微结构布局设计模块进行磁力传感器微结构设计，，磁力传感器微结构设计包括微纳结构容积、原子气体浓度、磁检测灵敏度、动态范围、检测磁场矢量特性；并采用微结构减材加工模块在透明基底上加工出微纳微腔体阵列，以及采用实时结构参数监控模块对磁力传感器微结构参数进行动态监测，并反馈给微结构减材加工模块，进行加工精度修正，得到基于透明基底具有磁传感器微结构的磁力传感器主题结构。基于原子磁力检测原理，采用微结构内部膜系加工模块对微纳微腔体阵列内部进行膜层加工，包括光学吸热层和原子弛豫时间调控层，光学吸热层对特定波长光束吸收，实现光热转化，原子弛豫时间调控层改进原子量子特性，提高磁传感灵敏度；采用工作介质增材加工模块在微腔体内工作介质处藏区加工处碱金属符合材料沉积点，提供原子工作介质。采用激光微腔体结构充气密封模块对微纳微腔体阵列进行气体注入和密封工艺，密封过程中实时气体浓度监控模块进行气压监测，并反馈给激光微腔体结构充气密封模块，实现气体浓度和气压优化可控，气体为惰性气体，形成封闭微纳微腔体阵列。采用磁传感器外部膜系加工模块在被封装好的微纳微腔体阵列外部加工光电敏感膜层，构建光控导电层，以及采用磁传感器外部光电元件集成模块在微纳微腔体阵列外部集成微小光源和光电传感器、光源泵浦光源、加热光源、检测光源、光电控制光源，光电控制光源照射光控导电层，进行时序控制，加热光源照射到磁传感器微结构上的光学吸热层，利用热作用作用于原子工作介质，实现原子蒸汽，光源泵浦光源为圆偏振光束经过原子蒸汽实现光泵浦行为，检测光源经过原子蒸汽后被光电传感器检测，利用全光原子磁力传感行为，实现光泵浦光调控的高空间高时间分辨率磁场传感制备。所述的微结构减材加工模块为激光加工模块或五轴金刚石车床。所述透明基底上加工出微纳微腔体阵列为平行平板空腔阵列。所述工作介质增材加工模块的加工材料为碱金属复合材料。所述光控导电层设置在平行平板空腔阵列两个平行工作面。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1）在先技术所基于的原理为超导量子干涉器件检测磁场，以磁通量量子化和约瑟夫森隧穿效应两种物理现象为检测原理，必需低温制冷系统，通常采用液氮或液氦制冷，系统结构复杂。本专利技术基于原子量子效应，基于微纳减材加工和3D材料增材加工原理，结合光控导电机理，采用光泵浦光检测碱金属原子磁力传感，基于微纳微腔体阵列，进行磁力传感器制备，具有制备流程简单、集成化程度高、无需低温制冷系统、系统结构简单、便于构建、灵敏度高等特点；2）在先技术检测装置检测灵敏度受限于检测原理和系统构建复杂度，针对脑磁图检测的灵活性差，装置体积大，无法实现小型化，构建成本高。本专利技术在透明基底上加工出每个微纳微腔体包括工作介质处藏区和磁力传感区，在微腔体内工作介质处藏区加工处碱金属符合材料沉积点；进行气体注入和密封形成封闭微纳微腔体阵列；然后进行外部光电敏感膜层加工，构建光控导电层；外部集成微小光源和光电传感器，光源泵浦光源、加热光源和检测光源；制备出来的磁力传感具有检测信息量大、空间分辨率高、灵活性好、体积小、可实现小型化、功能易于扩充、应用范围广等特点。3）在先技术采用超导量子干涉器件检测磁场，核心部件为线圈，空间分辨率有限，影响使用范围。本专利技术采用微纳微腔体构建光泵浦光检测碱金属原子磁力传感器，采用光控导电技术可实现时间编码控制，在时间和空间维度上进行信息采集，具有检测信息量大、空间分辨率高、功能易于扩充、应用范围广等特点。附图说明图1为本专利技术的基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术的基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法，基于微纳减材加工和3D材料增材加工原理，结合光控导电机理，根据所需磁场检测要求，进行磁力传感器微结构设计，在透明基底上加工出微纳微腔体阵列，每个微纳微腔体包括工作介质处藏区和磁力传感区，工作介质处藏区和磁力传感区相互连通，并且完成内部膜层加工；在微腔体内工作介质处藏区加工处碱金属符合材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法，其特征在于，其步骤为：首先，基于微纳减材加工和3D材料增材加工原理，结合光控导电机理，根据所需磁场检测要求，进行磁力传感器微结构设计，在透明基底上加工出微纳微腔体阵列，每个微纳微腔体包括工作介质处藏区和磁力传感区，工作介质处藏区和磁力传感区相互连通，并且完成内部膜层加工；在微纳微腔体的工作介质处藏区加工处碱金属符合材料沉积点，进行气体注入和密封形成封闭微纳微腔体阵列；然后进行外部光电敏感膜层加工，构建光控导电层；再外部集成微小光源以及光电传感器，光源泵浦光源、加热光源和检测光源；利用全光原子磁力传感行为，进行时序控制，实现光泵浦光调控的高空间高时间分辨率磁场传感制备。

【技术特征摘要】
1.一种基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法，其特征在于，其步骤为：首先，基于微纳减材加工和3D材料增材加工原理，结合光控导电机理，根据所需磁场检测要求，进行磁力传感器微结构设计，在透明基底上加工出微纳微腔体阵列，每个微纳微腔体包括工作介质处藏区和磁力传感区，工作介质处藏区和磁力传感区相互连通，并且完成内部膜层加工；在微纳微腔体的工作介质处藏区加工处碱金属符合材料沉积点，进行气体注入和密封形成封闭微纳微腔体阵列；然后进行外部光电敏感膜层加工，构建光控导电层；再外部集成微小光源以及光电传感器，光源泵浦光源、加热光源和检测光源；利用全光原子磁力传感行为，进行时序控制，实现光泵浦光调控的高空间高时间分辨率磁场传感制备。2.根据权利要求1所述的基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法，其特征在于：采用磁传感器微结构布局设计模块（1）进行磁力传感器微结构设计，磁力传感器微结构设计包括微纳结构容积、原子气体浓度、磁检测灵敏度、动态范围、检测磁场矢量特性；并采用微结构减材加工模块（2）在透明基底上加工出微纳微腔体阵列，以及采用实时结构参数监控模块（3）对磁力传感器微结构参数进行动态监测，并反馈给微结构减材加工模块（2），进行加工精度修正，得到基于透明基底具有磁传感器微结构的磁力传感器主题结构。3.根据权利要求1所述的基于膜层增材加工的原子磁力传感器制备方法，其特征在于：基于原子磁力检测原理，采用微结构内部膜系加工模块（4）对微纳微腔体阵列内部进行膜层加工，包括光学吸热层和原子弛豫时间调控层，光学吸热层对特定波长光束吸收，实现光热转化，原子弛豫时间调控层改进原子量子特性，提高磁传感灵敏度；采用工作介质增材加工模块（5）在微腔体内工作介质处藏区加工处碱金属符合材料沉积点，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥堉，单新志，王冠学，苗玉，高秀敏，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31