專利名稱：基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種新型光學加速度傳感器，特別涉及一種基于表面等離子體共振原理和新型氣體膜盒相結(jié)合的加速度傳感器。
背景技術(shù)：
加速度傳感器是將運載體的加速度通過各種測量原理轉(zhuǎn)化為電信號的傳感裝置，它在工業(yè)生產(chǎn)、慣性技術(shù)等領域都有著廣泛應用。加速度計的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的歷史，種類繁多。其中光學加速度傳感器以其高靈敏度、強抗電磁干擾能力等優(yōu)點逐漸成為國內(nèi)外加速度計研究的熱點。專利ZL200910227028. 8公開了一種高精度雙Y型腔雙頻激光加速度計。而在一般應用場合中，更高性價比的光學加速度傳感器是其發(fā)展方向之一。光纖加速度傳感器和微光機電加速度傳感器是這個發(fā)展方向的典型代表。
表面等離子共振(surface plasma resonance,簡稱為SPR)是一種物理光學現(xiàn)象。利用光在玻璃界面處發(fā)生全內(nèi)反射時的消失波，可以激發(fā)金屬表面的自由電子產(chǎn)生表面等離子體子。在入射角或波長為某一適當值的條件下，表面等離子體子與消失波的頻率和波數(shù)相等，二者將發(fā)生共振，入射光被吸收，反射光能量急劇下降，在反射光譜上出現(xiàn)共振峰(即反射強度最低值)。當緊靠在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率不同時，共振峰位置將不同。該物理特性可用于測量介質(zhì)的折射率，已廣泛應用于化學化工、生物、環(huán)境監(jiān)測領域，逐漸形成了國際傳感器領域新的研究熱點，即SPR折射率傳感器。SPR折射率傳感器一般由光源部分、光學耦合部分、信號檢測與控制部分等組成。按照SPR折射率傳感器的光學率禹合結(jié)構(gòu)分類，主要有棱鏡稱合結(jié)構(gòu)、衍射光柵稱合結(jié)構(gòu)、光波導稱合結(jié)構(gòu)以及光纖稱合結(jié)構(gòu)等，其中Kretschmann棱鏡耦合結(jié)構(gòu)的研究和應用最為廣泛，其理論和技術(shù)比較成熟。按照SPR折射率傳感器的信號檢測方式分類，主要有角度調(diào)制、波長調(diào)制、強度調(diào)制和相位調(diào)制等。不同類型的SPR折射率傳感器中，信號檢測與控制部分具有不同的組成和功能，其主要功能包括光源的波長調(diào)諧、光源的相位調(diào)諧、光源的功率調(diào)諧、光源入射角的調(diào)諧、出射光信號的檢測與數(shù)據(jù)處理等。氣體膜盒是一種工業(yè)領域傳統(tǒng)的彈性元件，應變式膜盒氣體壓強傳感器是其典型應用，它可完成膜盒內(nèi)氣體壓強與膜盒形變之間的轉(zhuǎn)換。專利ZL200910227028. 8中提出了一種新型氣體膜盒結(jié)構(gòu)，利用該氣體膜盒可以完成從加速度到膜盒內(nèi)氣體折射率的轉(zhuǎn)換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于表面等離子體共振原理和新型氣體膜盒結(jié)構(gòu)的加速度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等優(yōu)點。該加速度傳感器利用氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，將輸入的加速度變化轉(zhuǎn)化為氣體膜盒內(nèi)傳感氣體的折射率變化，通過表面等離子體共振折射率傳感器測量出新型氣體膜盒內(nèi)傳感氣體的折射率變化，該折射率變化與輸入加速度的大小成正比。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于表面等離子體共振和新型氣體膜盒的加速度傳感器，其特征在于該加速度傳感器包括表面等離子體共振(SPR)折射率傳感器和氣體膜盒，其中，氣體膜盒由圓筒、超薄石英片和質(zhì)量塊組成；質(zhì)量塊為圓柱形，粘接在超薄石英片中心；超薄石英片為圓形，粘接在圓筒的第一端面上；其中，SPR折射率傳感器包括光源部分、光學稱合部分、信號檢測與控制部分；光學率禹合部分為Kretschmann棱鏡稱合結(jié)構(gòu),包括棱鏡、金屬膜,金屬膜為50nm厚的金膜或銀膜，金屬膜鍍在棱鏡底面上，棱鏡為等腰三角形或半圓柱形；圓筒的第二端面粘接在棱鏡底部，構(gòu)成密閉空間，其內(nèi)充有一定壓強的氣體，稱為傳感氣體。其中，SPR折射率傳感器可采用多種信號檢測方式，不同信號檢測方式的SPR傳感器中，光源的類型不同，信號檢測與控制部分的組成和功能也不同。該加速度傳感器利用氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，當垂直于超薄石英片方向有加速度輸入時，在質(zhì)量塊和超薄石英片的慣性力作用下，超薄石英片產(chǎn)生彈性形變，氣體膜盒的體積增大(或減小)，與氣體膜盒內(nèi)傳感氣體的密度減小(或增大)，根據(jù)格拉德 斯通一戴爾(Gladstone-Dale)公式，折射率也相應減小(或增大)，再通過SPR折射率傳感器測量出折射率的變化，該折射率的變化正比于輸入加速度的大小。其中，當SPR折射率傳感器采用角度調(diào)制方式時，光源采用單色光，信號檢測與控制部分包括旋轉(zhuǎn)平臺、光電探測器、信號處理電路，Kretschmann棱鏡稱合結(jié)構(gòu)和新型氣體膜盒固定在旋轉(zhuǎn)平臺上。信號檢測與控制部分的功能主要有控制與改變光源的入射角、接收并檢測反射光的強度隨入射角的變化、根據(jù)共振角的變化反演出折射率的變化，進而計算出輸入加速度的變化。其中，當SPR折射率傳感器采用波長調(diào)制方式時，光源采用白光光源，信號檢測與控制部分包括光譜儀和信號處理電路。信號檢測與控制部分的功能主要有根據(jù)共振波長的變化反演出折射率的變化，進而計算出輸入加速度的變化。其中，當SPR折射率傳感器采用強度調(diào)制方式時，光源采用激光光源，信號檢測與控制部分包括光電探測器和信號處理電路。信號檢測與控制部分的功能主要有接收并檢測反射光強，根據(jù)反射光強的變化反演出折射率的變化，進而計算出輸入加速度的變化。其中，當SPR折射率傳感器采用相位調(diào)制方式時，光源采用單色光，信號檢測與控制部分包括光電探測器和信號處理電路。信號檢測與控制部分的功能主要有檢測反射光中S光和P光的相位差，根據(jù)相位差的變化反演出折射率的變化，進而計算出輸入加速度的變化。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明將在生物、化學傳感領域廣泛應用的SPR傳感技術(shù)與新型氣體膜盒相結(jié)合，應用于加速度傳感中，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單等特點。


圖I為基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖2為新型氣體膜盒的剖面圖；圖3為光學耦合部分與新型氣體膜盒連接圖；圖4為Kretschmann棱鏡耦合結(jié)構(gòu)波長調(diào)制型SPR光學加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。但不應因此限制本發(fā)明的保護范圍。如圖I所示，基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器包括SPR折射率傳感器100、新型氣體膜盒200。SPR折射率傳感器100包括光源部分101、光學耦合部分102和信號檢測與控制部分103。新型氣體膜盒完成從輸入加速度到折射率變化的轉(zhuǎn)換，SPR折射率傳感器測量出折射率的變化，從而完成對加速度的傳感。如圖2所示，新型氣體膜盒200包括圓筒201、超薄石英片202和質(zhì)量塊203。質(zhì)量塊203為圓柱形，粘接在超薄石英片202的中心。超薄石英片202為圓形，粘接在圓筒201
的第一端面上。 如圖3所示，光學耦合部分102包括棱鏡10201、金屬膜10202，金屬膜鍍制在棱鏡底部，棱鏡為等腰三角形或半圓柱形。圓筒201的第二端面與光學耦合部分102中棱鏡的底部粘接在一起，構(gòu)成密閉空間，其內(nèi)充有一定壓強的傳感氣體。下面對本發(fā)明的一個實施示例作具體說明。圖4是Kretschmann棱鏡耦合結(jié)構(gòu)波長調(diào)制型SPR光學加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，信號檢測方式采用波長調(diào)制，光源采用白光源。光源部分101包括白光源10101、光束方向調(diào)節(jié)機構(gòu)10102和會聚透鏡10103，用于調(diào)整入射光的方向和會聚程度。信號檢測與控制部分由光譜儀10301和信號處理電路10302組成。光譜儀10301用于檢測出射光強最小的波長，即共振波長。信號處理電路10302根據(jù)共振波長的變化反演出折射率的變化，進而計算出輸入加速度的變化。
權(quán)利要求
1.基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器，包括SPR折射率傳感器和氣體膜盒，其特征在于，氣體膜盒由圓筒、超薄石英片和質(zhì)量塊組成；質(zhì)量塊粘接在超薄石英片中心；超薄石英片粘接在圓筒的第一端面上；其中，SPR折射率傳感器包括光源部分、光學耦合部分、信號檢測與控制部分；光學耦合部分，包括棱鏡、金屬膜，金屬膜鍍在棱鏡底面上，圓筒的第二端面粘接在棱鏡底部； 該加速度傳感器利用氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，當垂直于超薄石英片方向有加速度輸入時，在質(zhì)量塊和超薄石英片的慣性力作用下，超薄石英片產(chǎn)生彈性形變，氣體膜盒的體積增大或減小，與氣體膜盒內(nèi)傳感氣體的密度減小或增大，根據(jù)格拉德斯通一戴爾公式，折射率也相應減小或增大，再通過SPR折射率傳感器測量出折射率的變化，該折射率的變化正比于輸入加速度的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器，其特征在于，所述質(zhì)量塊為圓柱形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器，其特征在于，所述超薄石英片為圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器，其特征在于，所述金屬膜為50nm厚的金膜或銀膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器，其特征在于，所述棱鏡為等腰三角形或半圓柱形。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器，其特征在于，當SPR折射率傳感器采用角度調(diào)制方式時，光源采用單色光，信號檢測與控制部分包括旋轉(zhuǎn)平臺、光電探測器、信號處理電路； 當SPR折射率傳感器采用波長調(diào)制方式時，光源采用白光光源，信號檢測與控制部分包括光譜儀和信號處理電路； 當SPR折射率傳感器采用強度調(diào)制方式時，光源采用激光光源，信號檢測與控制部分包括光電探測器和信號處理電路； 當SPR折射率傳感器采用相位調(diào)制方式時，光源采用單色光，信號檢測與控制部分包括光電探測器和信號處理電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于表面等離子體共振的光學加速度傳感器。該加速度傳感器包括表面等離子體共振折射率傳感器和氣體膜盒。利用氣體膜盒作為第一級加速度敏感元件，將輸入的加速度變化轉(zhuǎn)化為新型氣體膜盒內(nèi)傳感氣體的折射率變化，通過表面等離子體共振折射率傳感器測量出折射率的變化，該折射率變化與輸入加速度的大小成正比。本發(fā)明將在生物、化學傳感領域廣泛應用的SPR傳感技術(shù)與新型氣體膜盒相結(jié)合，應用于加速度傳感中，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單等特點。
文檔編號G01P15/03GK102890163SQ20121038754
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月12日
發(fā)明者肖光宗, 張斌, 趙洪常, 汪之國 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學