【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学器件，具体涉及一种基于十字形谐振腔的单轴加速度传感器。
技术介绍
1、加速度传感器是一种用于检测物体运动状态的传感器，其原理是依据牛顿第二定律，利用传感器中的敏感元件受力产生形变，并将形变量转换成电压、电流等形式进行输出，得到相应的加速度信号，其广泛应用于许多高科技领域，如汽车制造、武器系统、航天航空等。加速度传感器主要包括两种：一种是角加速度传感器，由陀螺仪改进而来，另一种是线性加速度传感器，按测量轴可以分为单轴、双轴和三轴加速度传感器，目前市场上常见的加速度传感器有三种类型：压电式、机械式和光学式，其中压电式加速度传感器存在线性度有限、可靠性差、噪声较大的缺点，而机械式加速度传感器易受外部环境影响、且测量范围有限。
2、光学式加速度传感器由于不受电磁干扰和射频干扰，精度和稳定度都较高，常用于医疗检测、地震监测、飞行器导航、运载火箭测试等领域中。随着纳米光学技术的发展，当金属-介质-金属(mim)光波导结构中设置合适的谐振腔，可在金属-介质交界面激发出具有较强局域性的表面等离激元共振，可以预见如果在谐振腔内引入对加速度敏感的质量块，利用质量块在加速度作用下产生的惯性力改变谐振腔的体积，引起表面等离激元共振的改变，有可能在纳米尺度实现对物体加速度大小和方向的检测。因此，基于谐振腔波导结构的光学式加速度传感器具有易集成化、测量范围大、抗干扰能力强等优势，在多种科学
具有广阔的应用前景。
技术实现思路
1、基于现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于
2、本专利技术的目的是这样实现的：一种基于十字形谐振腔的单轴加速度传感器，包括基底层、金属层、矩形波导、十字形谐振腔、金属薄板和金属块，沿基底层的长度方向为x轴、宽度方向为y轴、厚度方向为z轴建立直角坐标系，在xy平面内：虚直线l为平行于x轴、且为所述的矩形波导的中轴线，所述的矩形波导、十字形谐振腔、金属薄板、金属块均关于所述的虚直线l对称；
3、在xy平面内：所述的矩形波导由两段直线形波导组成，两段直线形波导的中轴线是虚直线l，两段直线形波导沿y轴方向的宽度为40nm，两段直线形波导间的距离为300nm；
4、在xy平面内：所述的十字形谐振腔由横向矩形谐振腔和纵向矩形谐振腔组成，所述的横向矩形谐振腔和纵向矩形谐振腔的几何中心重合，且几何中心位于虚直线l上，所述的横向矩形谐振腔沿x轴的长度为280nm、沿y轴的宽度为40nm，所述的横向矩形谐振腔与两段所述的直线形波导间的距离均为10nm，所述的纵向矩形谐振腔沿y轴的长度为1000nm、沿x轴的宽度为60nm；
5、在xy平面内：所述的金属薄板在十字形谐振腔的内部，金属薄板为矩形，金属薄板沿y轴的长度为1000nm、沿x轴的宽度为5nm，金属薄板的几何中心位于虚直线l上，金属薄板的左侧长边与所述的纵向矩形谐振腔的左侧长边间的距离为20nm；
6、在xy平面内：所述的金属块与金属薄板的右侧壁面固定连接，金属块为矩形，金属块沿x轴的长度为100nm、沿y轴的宽度为25nm，金属块的几何中心位于虚直线l上；
7、所述的金属层、矩形波导和十字形谐振腔均固定于基底层的上表面，所述的金属层沿z轴方向的厚度、矩形波导沿z轴方向的厚度、十字形谐振腔沿z轴方向的厚度均为d1；
8、所述的金属薄板和金属块不与基底层的上表面接触，所述的金属薄板沿z轴方向的厚度与金属块沿z轴方向的厚度均为d2，d2小于d1；
9、所述的金属薄板的材料为镁；所述的金属块的材料为铂；所述的基底层的材料为二氧化锗；所述的金属层的材料为银；在所述的矩形波导和十字形谐振腔中均填充空气；
10、当方向平行于x轴的加速度变化时，所述的金属块在所述的横向矩形谐振腔内移动，并改变金属薄板的形变量；加速度的方向为x轴正方向时，金属薄板受到金属块向左的惯性力，金属薄板沿x轴负方向发生弯曲形变；加速度的方向为x轴负方向时，金属薄板受到金属块向右的惯性力，金属薄板沿x轴正方向发生弯曲形变；
11、光由第一段直线形波导的一侧入射，激发出表面等离激元，所述的表面等离激元在第一段直线形波导中沿波导边界向前传播，耦合进入十字形谐振腔，表面等离激元在十字形谐振腔中受到金属薄板和金属块的影响，并在所述的横向矩形谐振腔和纵向矩形谐振腔中传播、反射、干涉，产生了四个表面等离激元共振，然后，表面等离激元耦合进入第二段直线形波导，并由第二段的直线形波导的另外一侧出射，当方向平行于x轴的加速度a为0时，四个表面等离激元共振分别为sr1、sr2、sr3和sr4，sr1的共振波长是980nm，sr2的共振波长是1095nm，sr3的共振波长是1500nm，sr4的共振波长是1625nm；当加速度a沿x轴正方向增大时，sr2发生红移，当加速度a沿x轴负方向增大时，sr2发生蓝移，因此，通过检测sr2的共振波长，利用加速度a与sr2的共振波长间的拟合关系，即能够得出加速度a的大小和方向。
12、进一步的，当加速度沿x轴方向变化时，四个表面等离激元共振的共振波长均发生改变。
13、进一步的，当加速度沿x轴正方向增大时，sr1、sr2、sr3、sr4均发生红移。
14、进一步的，当加速度沿x轴负方向增加时，sr1、sr2、sr3均发生蓝移，sr4发生红移。
15、进一步的，所述的加速度传感器只能测量方向平行于x轴的加速度，无法测量方向垂直于x轴的加速度。
16、进一步的，所述的加速度传感器能够测量的加速度的大小范围为0-100g，g为重力加速度。
17、本专利技术的原理：当金属-介质-金属(mim)光波导结构中设置合适的谐振腔，可在金属-介质交界面激发出具有较强局域性的表面等离激元共振，在谐振腔内引入对加速度敏感的质量块，利用质量块在加速度作用下产生的惯性力改变谐振腔的体积，引起表面等离激元共振的改变，能够在纳米尺度实现对物体加速度大小和方向的检测。
18、本专利技术的有益效果及优点：本专利技术构建了一个由十字形谐振腔与直波导耦合而成的波导结构，在谐振腔内激发出四个表面等离激元共振，当加速度变化时，十字形谐振腔内的金属块使金属薄板弯曲，从而导致表面等离激元共振的移动，通过检测共振波长的变化，即可测量加速度的大小和方向；本专利技术具有结构简单、抗干扰能力强、测量范围大的优点，在汽车制造、地震监测、飞行器导航等领域具有广泛的潜在应用价值。
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1.一种基于十字形谐振腔的单轴加速度传感器，包括基底层(1)、金属层(2)、矩形波导(3)、十字形谐振腔(4)、金属薄板(5)和金属块(6)，沿基底层(1)的长度方向为x轴、宽度方向为y轴、厚度方向为z轴建立直角坐标系，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种基于十字形谐振腔的单轴加速度传感器，其特征在于：当加速度沿x轴方向变化时，四个表面等离激元共振的共振波长均发生改变。
3.根据权利要求2所述的一种基于十字形谐振腔的单轴加速度传感器，其特征在于：当加速度沿x轴正方向增大时，SR1、SR2、SR3、SR4均发生红移。
4.根据权利要求2所述的一种基于十字形谐振腔的单轴加速度传感器，其特征在于：当加速度沿x轴负方向增加时，SR1、SR2、SR3均发生蓝移，SR4发生红移。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于十字形谐振腔的单轴加速度传感器，其特征在于：所述的加速度传感器只能测量方向平行于x轴的加速度，无法测量方向垂直于x轴的加速度。
6.根据权利要求5所述的一种基于十字形谐振腔的单轴加速度传感器，其特征在于：所述
...【技术特征摘要】
1.一种基于十字形谐振腔的单轴加速度传感器，包括基底层(1)、金属层(2)、矩形波导(3)、十字形谐振腔(4)、金属薄板(5)和金属块(6)，沿基底层(1)的长度方向为x轴、宽度方向为y轴、厚度方向为z轴建立直角坐标系，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种基于十字形谐振腔的单轴加速度传感器，其特征在于：当加速度沿x轴方向变化时，四个表面等离激元共振的共振波长均发生改变。
3.根据权利要求2所述的一种基于十字形谐振腔的单轴加速度传感器，其特征在于：当加速度沿x轴正方向增大时，sr1、sr2、sr3、s...
【专利技术属性】
技术研发人员：白岩，王纪超，于华洋，徐凯宏，赵永辉，颜世运，林双，张慧斌，田赫，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：
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