CN104977427A - 一种双圆柱形mim表面等离子波导结构的加速度传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双圆柱形MIM表面等离子波导结构的加速度传感装置，包括Si基底，其特征是，还包括大小相同的第一MIM波导结构和第二MIM波导结构、以及光纤直波导，所述MIM波导结构为圆柱形MIM波导结构；所述第一MIM波导结构和第二MIM波导结构设置在Si基底上；所述光纤直波导设置在Si基底上，所述第一MIM波导结构和第二MIM波导结构对称设置在光纤直波导的两侧，并与光纤直波导靠接；所述的圆柱形MIM波导结构是对称的金-二氧化硅-金表面等离子波导。这种装置不仅能够弥补微电子机械系统传感器受外界环境、自身属性限制的不足，还能够改善传统微环传感器的响应时间长、灵敏度低等问题，这种装置结构简单、易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术，具体是一种双圆柱形MIM表面等离子波导结构的加速度传感装置。
背景技术
微光机电系统（Micro Optical Electro Mechanical System，简称MOEMS）是近几年发展起来的一支极具有活力的新技术系统，它是由微光学、微电子和微机械相结合而得到的一种新型的微光学结构系统。除了能够继承微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS）成熟的制作工艺外，MOEMS能把各种MEMS结构与微光学器件、光学谐振腔、光波导、半导体激光器、光检测器件等完整地集成在一起。作为航空航天、智能汽车、智能电子产品（智能手机、电脑等）、机器人、高技术武器等高新技术领域的关键传感器件之一，加速度传感器通过检测敏感单元材料的导电特性、力学特性或者温度特性来检测加速度的变化量。作为MOEMS的一个典型代表，近年来在这方面的研究也越来越多。尤其以2007年Bhola课题组提出的一种固化在悬臂梁上的微环加速度传感器，正是通过检测微环有效折射率的变化引起的波长漂移实现对外界加速度的检测，此加速度传感器的灵敏度为。然而随着外界环境及自身属性的限制，这类敏感元件已经无法满足人们对微光机电系统越来越高的要求。表面等离子共振(Surface plasmon resonance，简称SPR)是金属薄膜与介质交界面处的自由电子因受到倏逝波的激发而产生的自由电子集体振荡的现象。表面等离子波可以在亚波长结构体系中传播，形成高集成度光子回路，是把光学器件与电子器件集成到一起的重要途径，这使其在传感技术领域受到了国内外诸多学者的广泛重视。
从目前发展来看，微光机电系统的加速度传感器件急需解决适应复杂环境、响应速度快、动态范围大等问题，与此同时SPR传感器研究大都集中在生物传感、气体传感等领域。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种双圆柱形MIM表面等离子波导结构的加速度传感装置。这种装置不仅能够弥补微电子机械系统传感器受外界环境、自身属性限制的不足，还能够改善传统微环传感器的响应时间长、灵敏度低等问题，这种装置结构简单、易于实现。
实现本发明目的的技术方案是：
一种双圆柱形MIM表面等离子波导结构的加速度传感装置，包括Si基底，与现有技术不同的是，还包括
大小相同的第一MIM波导结构和第二MIM波导结构，所述MIM波导结构为圆柱形MIM波导结构；所述第一MIM波导结构和第二MIM波导结构设置在Si基底上；
光纤直波导，所述光纤直波导设置在Si基底上，所述第一MIM波导结构和第二MIM波导结构对称设置在光纤直波导的两侧，并与光纤直波导靠接。
入射光由光纤直波导输入，通过倏逝波耦合到2个MIM波导结构。入射光为可调谐激光脉冲，调制范围为600-900nm。
所述的圆柱形MIM波导结构是对称的金-二氧化硅-金表面等离子波导。
所述的光纤直波导是采用微纳光纤通过酒精灯一次熔融拉伸形成。
工作原理为：入射光由光纤直波导输入，通过倏逝波不断耦合到2个MIM波导结构；当波导施加加速度时，由于弹光效应MIM波导结构的折射率发生变化，产生的表面等离子倏逝波传播发生变化，这样就会导致双圆柱形MIM波导间谐振波长发生漂移，从而使得光纤直波导输出端的光强度发生改变；通过检测光纤直波导输出端口处波长的漂移量，实现对加速度的检测。
这种装置能够通过调节MIM波导的几何参数，实现调节表面等离子模式的传输特性，通过检测光纤直波导输出端口的波长变化实现加速度的检测。这种装置不仅弥补了微电子机械系统传感器受外界环境、自身属性限制的不足，还改善了传统微环传感器的响应时间长、灵敏度低等问题，这种装置结构简单、易于实现。
附图说明
图1为实施例的结构示意图。
图中，1.Si基底 2.光纤直波导 3.第一MIM波导结构 4.第二MIM波导结构 5.可调谐激光器 6.光谱仪。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步阐述说明，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，一种双圆柱形MIM表面等离子波导结构的加速度传感装置，包括Si基底1，还包括
大小相同的第一MIM波导结构3和第二MIM波导结构4，所述MIM波导结构为圆柱形MIM波导结构；所述第一MIM波导结构3和第二MIM波导结构4设置在Si基底1上；
光纤直波导2，所述光纤直波导2设置在Si基底1上，所述第一MIM波导结构3和第二MIM波导结构4对称设置在光纤直波导2的两侧，并与光纤直波导2靠接。
所述的圆柱形MIM波导结构是对称的金-二氧化硅-金表面等离子波导。
所述的光纤直波导2是采用微纳光纤通过酒精灯一次熔融拉伸形成。
入射光由光纤直波导2输入，通过倏逝波不断耦合到第一MIM波导结构3和第二MIM波导结构4。
所述的入射光为可调谐激光脉冲，调制范围为600-900nm。
具体地，
Si基底1的长1000nm，宽600nm，厚度为100nm，光纤直波导2长1000nm，直径50nm，2个圆柱形MIM波导结构为对称薄膜的金属-介质-金属波导结构，对称金膜第一金膜层、第二金膜层长1000nm，宽800nm，厚度为100nm；二氧化硅膜层厚度为1500nm。如图1 所示，通过可调谐激光器5产生600-900nm宽范围的入射光到光纤直波导2的输入端，通过倏逝波不断耦合到第一MIM波导结构3和第二MIM波导结构4，当波导被施加加速度时，由于弹光效应MIM波导结构的折射率发生变化，产生的表面等离子倏逝波的传播发生变化，导致第一MIM波导结构3和第二MIM波导结构4间谐振波长发生漂移，从而使得光纤直波导2输出端的光强度发生改变。通过光谱仪6检测光纤直波导2输出端口的波长漂移量，实现对加速度的检测。这一过程利用锁相放大来消除激光光强变化、波长漂移所带来的噪声。这种装置能够通过调节第一MIM波导结构3、第二MIM波导结构4的几何参数，实现调节表面等离子模式的传输特性，通过检查波长变化实现加速度的检测。
所述的光谱仪6波谱范围为200-1100nm。
Claims (3)
1.一种双圆柱形MIM表面等离子波导结构的加速度传感装置，包括Si基底，其特征是，还包括
大小相同的第一MIM波导结构和第二MIM波导结构，所述MIM波导结构为圆柱形MIM波导结构；所述第一MIM波导结构和第二MIM波导结构设置在Si基底上；
光纤直波导，所述光纤直波导设置在Si基底上，所述第一MIM波导结构和第二MIM波导结构对称设置在光纤直波导的两侧，并与光纤直波导靠接。
2.根据权利要求1所述的双圆柱形MIM表面等离子波导结构的加速度传感装置，其特征是，所述的圆柱形MIM波导结构是对称的金-二氧化硅-金表面等离子波导。
3.根据权利要求1所述的双圆柱形MIM表面等离子波导结构的加速度传感装置，其特征是，所述的光纤直波导是采用微纳光纤通过酒精灯一次熔融拉伸形成。
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