CN105366629B - 一种对称石墨烯纳米带的加速度传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对称石墨烯纳米带的加速度传感装置，其特征是，包括底层的基底层，在基底层上表层设有大小相同的对称排列的第一条状石墨烯纳米带和第二条状石墨烯纳米带，所述第一条状石墨烯纳米带、第二条状石墨烯纳米带之间设有微纳光纤直波导。所述第一条状石墨烯纳米带、第二条状石墨烯纳米带形成石墨烯‑介质‑石墨烯对称表面等离子波导结构。这种装置能够通过调节光纤波导的厚度，实现调节表面等离子模式的传输特性，从而控制输出信号谐振波长峰值，进而控制传感器的灵敏度。这种装置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，改善了传统微环传感器的响应时间长、灵敏度低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术，具体是一种对称石墨烯纳米带的加速度传感装置。
背景技术
当前MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS，微机电系统）传感器正在向微型化、高密度化的方向发展，其中MEMS加速度计是所有MEMS 传感器中发展较为成功的一个方向，军事上已经实现了战略导弹的应用。工程上MEMS加速度传感器精度已经可以达到10-4g的量级。伴随着光子集成线路的迅速发展，微光机电系统（MOEMS）将MEMS结构与微光器件、半导体激光器、光检测器件等完整地集成在一起。MOEMS显然继承了MEMS成熟的制作工艺，还能充分发挥光学器件速度高、功耗低的优点。加速度传感器作为MOEMS的一个典型代表，近年来在这方面的研究也越来越多。典型的有2013年佛罗里达大学光子学学院的Rabiei课题组在《Optics Express》杂志发表了“Submicron optical waveguides andmicroring resonators fabricated by selective oxidation of tantalum”文章，其率先采用了部分氧化金属的方法，在硅基上利用微米级的五氧化二钽（Ta2O5）制作了一种新型光波导，此方法获得的谐振腔品质因素可达4.5 × ，波导的传输损耗低至8.5 dB/cm。然而随着外界环境及自身属性的限制，这类敏感元件已经渐渐赶不上了人们对微光处理芯片的要求。表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton，简称SPP)是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式，能够把光场束缚在亚波长的尺度，从而完成光电子器件在纳米量级的高度集成，其一直被认为是把光学器件与电子器件集成到一起的实现更小量级MOEMS芯片的有效方法，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。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种对称石墨烯纳米带的加速度传感装置。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。
实现本发明目的的技术方案是：
一种对称石墨烯纳米带的加速度传感装置，包括底层的基底层，在基底层上表层设有大小相同的对称排列的第一条状石墨烯纳米带和第二条状石墨烯纳米带，所述第一条状石墨烯纳米带、第二条状石墨烯纳米带之间设有微纳光纤直波导。
所述第一条状石墨烯纳米带、第二条状石墨烯纳米带形成石墨烯-介质-石墨烯对称表面等离子波导结构。从而可以通过控制光纤介质属性控制输出信号谐振波导和装置灵敏度。
所述基底层为SOI基底层。
工作原理为：入射光由微纳光纤直波导输入，当微纳光纤直波导被施加加速度时，由于弹光效应形成的石墨烯纳米带-介质-石墨烯纳米带的折射率发生变化，导致产生的SPP传播发生变化，从而使得输出端口谐振波长发生漂移。由于加速度与谐振波长漂移量大致呈线性关系，通过加速度与谐振波长漂移量的关系式，可以检测输出端口谐振波长的漂移量的方法实现对加速度的探测。
所述的入射光为可调谐激光脉冲，调制范围为600-900nm。
谐振波长漂移量检测采用波谱范围为200-1100nm的光谱仪。
这种装置能够通过调节光纤波导的厚度，实现调节表面等离子模式的传输特性，从而控制输出信号谐振波长峰值，进而控制传感器的灵敏度。这种装置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，改善了传统微环传感器的响应时间长、灵敏度低等问题。
附图说明
图1为实施例的结构示意图。
图中，1.基底层 2.微纳光纤直波导 3.第一条状石墨烯纳米带 4.第二条状石墨烯纳米带 5.可调谐激光器 6.光谱仪 7.入射光 8.出射光。
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的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，一种对称石墨烯纳米带的加速度传感装置，包括底层的基底层1，在基底层1上表层设有大小相同的对称排列的第一条状石墨烯纳米带3和第二条状石墨烯纳米带4，第一条状石墨烯纳米带3、第二条状石墨烯纳米带4中间设有微纳光纤直波导2。
所述基底层1为SOI基底层。
第一条状石墨烯纳米带3、第二条状石墨烯纳米带4形成了石墨烯-介质-石墨烯的对称表面等离子波导结构，从而可以通过控制光纤介质属性控制输出信号谐振波导和装置灵敏度。
在基底层1中SOI的顶层硅和背衬底之间引入埋氧化层，通过在绝缘体上形成半导体薄膜，能够降低功耗、减小沟道效应。
第一条状石墨烯纳米带3、第二条状石墨烯纳米带4通过等离子体刻蚀工艺制作，制得的石墨烯的层数和宽度可以通过选择不同层数的碳纳米管和控制刻蚀时间来调控。
微纳光纤直波导2通过刻蚀法制作，制得的微纳光纤性能稳定。
入射光7由微纳光纤直波导2输入，在条状石墨烯和光纤间形成表面等离子波，增强光信号的输出，当微纳光纤直波导2被施加加速度时，由于弹光效应形成的石墨烯纳米带-空气-石墨烯纳米带结构的折射率发生变化，导致产生的SPP传播发生变化，从而使得出射光8谐振波长发生漂移，由于加速度与谐振波长漂移量大致呈线性关系，通过加速度与谐振波长漂移量的关系式，利用光谱仪6检测出射光8谐振波长的漂移量的方法实现对加速度的探测。
入射光7为由可调谐激光器5发出的可调谐激光脉冲，调制范围为600-900nm。
谐振波长漂移量检测采用波谱范围为200-1100nm的光谱仪6。
Claims (1)
1.一种对称石墨烯纳米带的加速度传感装置，其特征是，包括底层的基底层，在基底层上表层设有大小相同的对称排列的第一条状石墨烯纳米带和第二条状石墨烯纳米带，所述第一条状石墨烯纳米带、第二条状石墨烯纳米带之间设有微纳光纤直波导；
所述第一条状石墨烯纳米带、第二条状石墨烯纳米带形成石墨烯-介质-石墨烯对称表面等离子波导结构。
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