本發(fā)明涉及光柵干涉式加速度傳感器，具體是一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器及測量方法。

背景技術(shù)：

1、光柵干涉式加速度傳感器因其具有抗干擾能力強的優(yōu)點，而被廣泛應用于加速度信號的測量。然而在實際應用中，現(xiàn)有光柵干涉式加速度傳感器由于自身結(jié)構(gòu)所限，存在如下問題：其一，現(xiàn)有光柵干涉式加速度傳感器的敏感單元的q值較低、輸出光譜的線寬較寬，導致其無法實現(xiàn)微弱加速度信號的準確測量，由此導致其分辨率較低。其二，現(xiàn)有光柵干涉式加速度傳感器的敏感單元含有金屬材料，導致其歐姆損耗較大。準bic（bound?states?inthe?continuum）是超表面中基于連續(xù)域的束縛態(tài)的一種特殊共振模，具有極高的q值和極窄的線寬，可以極大地提高光與物質(zhì)的相互作用。這一特性使得準bic在提高傳感器的分辨率方面具有巨大的應用潛力。基于此，有必要發(fā)明一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器及測量方法，以解決現(xiàn)有光柵干涉式加速度傳感器分辨率較低、歐姆損耗較大的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有光柵干涉式加速度傳感器分辨率較低、歐姆損耗較大的問題，提供了一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器及測量方法。

2、本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器，包括激光器、分束器、聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器、光環(huán)行器、封裝盒、平衡光電探測器、放大器、數(shù)字儀；

4、封裝盒的頂壁貫通開設有透光微孔；封裝盒的內(nèi)腔封裝有敏感單元；所述敏感單元包括兩個硅支撐塊、硅質(zhì)量塊、分布式布拉格反射器、四列氮化硅懸臂梁、透明基板、準bic超表面結(jié)構(gòu)；兩個硅支撐塊均層疊于封裝盒的內(nèi)底壁，且兩個硅支撐塊呈左右對稱分布；硅質(zhì)量塊位于兩個硅支撐塊之間，且硅質(zhì)量塊的下表面高于兩個硅支撐塊的下表面；所述分布式布拉格反射器包括自下而上交錯層疊在一起的m個氮化硅層和m個二氧化硅層；m為正整數(shù)，且m≥2；分布式布拉格反射器層疊于硅質(zhì)量塊的上表面，且分布式布拉格反射器的上表面低于兩個硅支撐塊的上表面；

5、第一列氮化硅懸臂梁連接于硅質(zhì)量塊的左表面與第一個硅支撐塊的右表面之間；第二列氮化硅懸臂梁連接于分布式布拉格反射器的左表面與第一個硅支撐塊的右表面之間；第三列氮化硅懸臂梁連接于硅質(zhì)量塊的右表面與第二個硅支撐塊的左表面之間；第四列氮化硅懸臂梁連接于分布式布拉格反射器的右表面與第二個硅支撐塊的左表面之間；透明基板同時層疊于兩個硅支撐塊的上表面；所述準bic超表面結(jié)構(gòu)包括層疊于透明基板上表面且呈等距交錯平行排列的n個寬條形硅層和n個窄條形硅層；n為正整數(shù)，且n≥2；

6、激光器的出射端與分束器的入射端連接；分束器的第一個出射端通過聲光調(diào)制器與平衡光電探測器的第一個入射端連接；分束器的第二個出射端通過電光調(diào)制器與光環(huán)行器的第一端口連接；光環(huán)行器的第二端口與封裝盒上的透光微孔連接；光環(huán)行器的第三端口與平衡光電探測器的第二個入射端連接；平衡光電探測器的信號輸出端通過放大器與數(shù)字儀的信號輸入端連接。

7、每列氮化硅懸臂梁均包括由前向后等距平行排列的多根氮化硅懸臂梁；第一列氮化硅懸臂梁連接于硅質(zhì)量塊的左表面下邊緣與第一個硅支撐塊的右表面下部之間；第二列氮化硅懸臂梁連接于分布式布拉格反射器的左表面上部與第一個硅支撐塊的右表面中上部之間；第三列氮化硅懸臂梁連接于硅質(zhì)量塊的右表面下邊緣與第二個硅支撐塊的左表面下部之間；第四列氮化硅懸臂梁連接于分布式布拉格反射器的右表面上部與第二個硅支撐塊的左表面中上部之間。

8、封裝盒的內(nèi)壁貼附有采用鐵磁合金制成的屏蔽箔層；封裝盒的內(nèi)腔為真空腔；透光微孔內(nèi)密封嵌設有凸透鏡。

9、各個氮化硅層的厚度均為284.48nm；各個二氧化硅層的厚度均為156.25nm。

10、透明基板采用玻璃制成。

11、各個寬條形硅層的厚度、各個窄條形硅層的厚度均為240nm；各個寬條形硅層的寬度均為600nm；各個窄條形硅層的寬度均為400nm。

12、一種基于準bic超表面的高分辨率加速度測量方法（該方法是基于本發(fā)明所述的一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器實現(xiàn)的），該方法是采用如下步驟實現(xiàn)的：

13、首先，控制傳感器進入工作模式；工作模式具體為：激光器發(fā)出探測光，探測光入射到分束器，并經(jīng)分束器分為兩路光信號：第一路光信號經(jīng)聲光調(diào)制器入射到平衡光電探測器；第二路光信號依次經(jīng)電光調(diào)制器、光環(huán)行器、封裝盒上的透光微孔、準bic超表面結(jié)構(gòu)、透明基板入射到分布式布拉格反射器的上表面，并經(jīng)分布式布拉格反射器的上表面反射后依次經(jīng)透明基板、準bic超表面結(jié)構(gòu)、封裝盒上的透光微孔、光環(huán)行器入射到平衡光電探測器；兩路光信號經(jīng)平衡光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號；電信號經(jīng)放大器傳輸至數(shù)字儀，并經(jīng)數(shù)字儀轉(zhuǎn)換為輸出光譜；

14、在工作模式下，當加速度信號作用于硅質(zhì)量塊時，硅質(zhì)量塊發(fā)生上下位移，并帶動分布式布拉格反射器發(fā)生上下位移，由此使得輸出光譜的頻率發(fā)生變化；數(shù)字儀實時監(jiān)測加速度信號作用于硅質(zhì)量塊前后輸出光譜的頻率，并將加速度信號作用于硅質(zhì)量塊前后輸出光譜的頻率代入傳感器的加速度測量方程，由此計算出加速度；所述傳感器的加速度測量方程表示如下：

15、；

16、式中：表示加速度；表示加速度信號作用于硅質(zhì)量塊后輸出光譜的頻率；表示加速度信號作用于硅質(zhì)量塊前輸出光譜的頻率；表示重力加速度；表示激光器的輸出波長；表示諧振頻率；、、均為已知量。

17、與現(xiàn)有光柵干涉式加速度傳感器相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：其一，本發(fā)明利用準bic具有極高的q值和極窄的線寬的特性，設計了q值更高的敏感單元，得到了線寬更窄的輸出光譜（如圖5所示，相較于現(xiàn)有光柵干涉式加速度傳感器的輸出光譜，本發(fā)明的輸出光譜具有更窄的線寬），由此實現(xiàn)了微弱加速度信號的準確測量，從而有效提高了分辨率。其二，本發(fā)明的敏感單元不再含有金屬材料，而是采用全介質(zhì)結(jié)構(gòu)，由此有效減小了歐姆損耗。

18、本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有光柵干涉式加速度傳感器分辨率較低、歐姆損耗較大的問題，適用于加速度信號的測量。

技術(shù)特征：

1.一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器，其特征在于：包括激光器（1）、分束器（2）、聲光調(diào)制器（3）、電光調(diào)制器（4）、光環(huán)行器（5）、封裝盒（6）、平衡光電探測器（15）、放大器（16）、數(shù)字儀（17）；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器，其特征在于：每列氮化硅懸臂梁（11）均包括由前向后等距平行排列的多根氮化硅懸臂梁（11）；第一列氮化硅懸臂梁（11）連接于硅質(zhì)量塊（8）的左表面下邊緣與第一個硅支撐塊（7）的右表面下部之間；第二列氮化硅懸臂梁（11）連接于分布式布拉格反射器的左表面上部與第一個硅支撐塊（7）的右表面中上部之間；第三列氮化硅懸臂梁（11）連接于硅質(zhì)量塊（8）的右表面下邊緣與第二個硅支撐塊（7）的左表面下部之間；第四列氮化硅懸臂梁（11）連接于分布式布拉格反射器的右表面上部與第二個硅支撐塊（7）的左表面中上部之間。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器，其特征在于：封裝盒（6）的內(nèi)壁貼附有采用鐵磁合金制成的屏蔽箔層；封裝盒（6）的內(nèi)腔為真空腔；透光微孔內(nèi)密封嵌設有凸透鏡。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器，其特征在于：各個氮化硅層（9）的厚度均為284.48nm；各個二氧化硅層（10）的厚度均為156.25nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器，其特征在于：透明基板（12）采用玻璃制成。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器，其特征在于：各個寬條形硅層（13）的厚度、各個窄條形硅層（14）的厚度均為240nm；各個寬條形硅層（13）的寬度均為600nm；各個窄條形硅層（14）的寬度均為400nm。

7.一種基于準bic超表面的高分辨率加速度測量方法，該方法是基于如權(quán)利要求1所述的一種基于準bic超表面的高分辨率加速度傳感器實現(xiàn)的，其特征在于：該方法是采用如下步驟實現(xiàn)的：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及光柵干涉式加速度傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于準BIC超表面的高分辨率加速度傳感器及測量方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有光柵干涉式加速度傳感器分辨率較低、歐姆損耗較大的問題。一種基于準BIC超表面的高分辨率加速度傳感器，包括激光器、分束器、聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器、光環(huán)行器、封裝盒、平衡光電探測器、放大器、數(shù)字儀；封裝盒的頂壁貫通開設有透光微孔；封裝盒的內(nèi)腔封裝有敏感單元；所述敏感單元包括兩個硅支撐塊、硅質(zhì)量塊、分布式布拉格反射器、四列氮化硅懸臂梁、透明基板、準BIC超表面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明適用于加速度信號的測量。

技術(shù)研發(fā)人員：劉文耀,邢恩博,劉來,周彥汝,唐軍,劉俊,楊澤宇
受保護的技術(shù)使用者：中北大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30