結構改進的厘米尺寸諧振腔的磁場傳感特性*

于長秋 馬世昌 陳志遠 項晨晨 李海 周鐵軍

(杭州電子科技大學電子信息學院, 杭州 310018)

基于光力諧振腔的磁力儀在應用時主要受限于靈敏度和檢測帶寬兩個指標.本文設計了一種厘米尺寸的回音壁模式諧振腔結構, 可探測6 Hz至1 MHz頻率范圍內的交變磁場, 在無磁屏蔽、室溫環境下、無直流偏置磁場時, 其最佳靈敏度在123.8 kHz可達530 pT·Hz-1/2, 探測帶寬和最佳靈敏度分別為同尺寸諧振腔的11倍和1.67倍.該磁場傳感器僅需100 μW的光功率, 功耗很低.后續通過優化系統噪聲、提升器件磁場響應能力等手段可進一步提升其傳感性能, 有望在電力系統故障監測和醫學診斷等領域發揮其應用潛力.

1 引 言

回音壁模式光學諧振腔可用于檢測轉速[1]、溫度[2-5]、濕度[6]、折射率[7]、壓強[8-10]、力[11,12]、位移[13,14]、加速度[15]、電場[16,17]和磁場[18-23]等物理量.其中, 磁場傳感器因其在醫學、軍事、地理勘測和物理等領域具有重要的應用價值[24-28], 吸引了研究人員的廣泛關注.在磁力儀的諸多實現方式中[28], 結構簡單的搜索線圈磁力儀具有較寬的探測頻帶, 可探測fT量級的變化磁場, 但是無法探測直流磁場; 磁阻式磁場傳感器的靈敏度高、加工時工藝比較復雜, 對加工設備和環境要求較高; 無自旋交換弛豫磁力儀和原子磁力儀一樣, 較難集成且工作時需要磁屏蔽系統; 超導量子干涉磁力儀具有fT量級的高靈敏度, 應用范圍覆蓋生物磁場探測、材料性質表征、地磁測量和軍事反潛等諸多領域, 但是低溫的工作條件增加了系統的……