本发明涉及光栅干涉式加速度传感器，具体是一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度传感器及测量方法。
背景技术：
1、光栅干涉式加速度传感器因其具有抗干扰能力强的优点，而被广泛应用于加速度信号的测量。然而在实际应用中，现有光栅干涉式加速度传感器由于自身结构所限，存在如下问题：其一，现有光栅干涉式加速度传感器的敏感单元的q值较低、输出光谱的线宽较宽，导致其无法实现微弱加速度信号的准确测量，由此导致其灵敏度较低。其二，现有光栅干涉式加速度传感器的敏感单元含有金属材料，导致其欧姆损耗较大。准bic（bound states inthe continuum）是超表面中基于连续域的束缚态的一种特殊共振模，具有极高的q值和极窄的线宽，可以极大地提高光与物质的相互作用。这一特性使得准bic在提高传感器的灵敏度方面具有巨大的应用潜力。基于此，有必要发明一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度传感器及测量方法，以解决现有光栅干涉式加速度传感器灵敏度较低、欧姆损耗较大的问题。
技术实现思路
1、本发明为了解决现有光栅干涉式加速度传感器灵敏度较低、欧姆损耗较大的问题，提供了一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度传感器及测量方法。
2、本发明是采用如下技术方案实现的：
3、一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度传感器，包括激光器、掺铒光纤放大器、功率分离器、第一声光调制器、第一电光调制器、第二声光调制器、第二电光调制器、光环行器、封装盒、平衡光电探测器、数字仪；
4、封装盒的顶壁贯通开设有透光微孔；封装盒的内腔封装有敏感单元；所述敏感单元包括两个硅支撑块、硅质量块、反射镜、两组氮化硅悬臂梁、硅基底、准bic超表面结构、超表面增透膜；两个硅支撑块均层叠于封装盒的内底壁，且两个硅支撑块呈左右对称分布；硅质量块位于两个硅支撑块之间，且硅质量块的下表面高于两个硅支撑块的下表面；反射镜层叠于硅质量块的上表面，且反射镜的上表面低于两个硅支撑块的上表面；第一组氮化硅悬臂梁连接于硅质量块的左表面与第一个硅支撑块的右表面之间；第二组氮化硅悬臂梁连接于硅质量块的右表面与第二个硅支撑块的左表面之间；硅基底同时层叠于两个硅支撑块的上表面；
5、所述准bic超表面结构包括层叠于硅基底下表面且呈行列均布的多个底层硅凸块；各个底层硅凸块均呈椭圆形；第奇数行底层硅凸块的椭圆长轴均呈横向设置，且第奇数行底层硅凸块的尺寸均一致；第偶数行底层硅凸块的椭圆长轴均呈纵向设置；第偶数行底层硅凸块的第奇数个底层硅凸块的尺寸均一致，且该尺寸小于第奇数行底层硅凸块的尺寸；第偶数行底层硅凸块的第偶数个底层硅凸块的尺寸均一致，且该尺寸等于第奇数行底层硅凸块的尺寸；相邻两行底层硅凸块交错设置；所述超表面增透膜包括层叠于硅基底上表面的二氧化硅层、层叠于二氧化硅层上表面且呈行列均布的多个顶层硅凸块；各个顶层硅凸块均呈椭圆形，且各个顶层硅凸块的尺寸均一致；第奇数行顶层硅凸块的椭圆长轴均呈横向设置；第偶数行顶层硅凸块的椭圆长轴均呈纵向设置；相邻两行顶层硅凸块交错设置；
6、激光器的出射端通过掺铒光纤放大器与功率分离器的入射端连接；功率分离器的第一个出射端依次通过第一声光调制器、第一电光调制器与平衡光电探测器的第一个入射端连接；功率分离器的第二个出射端依次通过第二声光调制器、第二电光调制器与光环行器的第一端口连接；光环行器的第二端口与封装盒上的透光微孔连接；光环行器的第三端口与平衡光电探测器的第二个入射端连接；平衡光电探测器的信号输出端与数字仪的信号输入端连接。
7、每组氮化硅悬臂梁均包括两列氮化硅悬臂梁；每列氮化硅悬臂梁均包括由前向后等距平行排列的多根氮化硅悬臂梁；第一组氮化硅悬臂梁中的第一列氮化硅悬臂梁连接于硅质量块的左表面下边缘与第一个硅支撑块的右表面下部之间；第一组氮化硅悬臂梁中的第二列氮化硅悬臂梁连接于硅质量块的左表面上边缘与第一个硅支撑块的右表面中上部之间；第二组氮化硅悬臂梁中的第一列氮化硅悬臂梁连接于硅质量块的右表面下边缘与第二个硅支撑块的左表面下部之间；第二组氮化硅悬臂梁中的第二列氮化硅悬臂梁连接于硅质量块的右表面上边缘与第二个硅支撑块的左表面中上部之间。
8、封装盒的内壁贴附有采用铁磁合金制成的屏蔽箔层；封装盒的内腔为真空腔；透光微孔内密封嵌设有凸透镜。
9、各个底层硅凸块的折射率均为3.5；各个底层硅凸块的厚度均为200nm；第奇数行底层硅凸块的椭圆长轴直径、第偶数行底层硅凸块的第偶数个底层硅凸块的椭圆长轴直径均为500nm；第奇数行底层硅凸块的椭圆短轴直径、第偶数行底层硅凸块的第偶数个底层硅凸块的椭圆短轴直径均为400nm；第偶数行底层硅凸块的第奇数个底层硅凸块的椭圆长轴直径均为400nm；第偶数行底层硅凸块的第奇数个底层硅凸块的椭圆短轴直径均为300nm。
10、二氧化硅层的厚度为10nm~100nm；各个顶层硅凸块的厚度均为180nm；各个顶层硅凸块的椭圆长轴直径均为600nm；各个顶层硅凸块的椭圆短轴直径均为500nm。
11、一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度测量方法（该方法是基于本发明所述的一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度传感器实现的），该方法是采用如下步骤实现的：
12、首先，控制传感器进入工作模式；工作模式具体为：激光器发出探测光，探测光经掺铒光纤放大器入射到功率分离器，并经功率分离器分为两路光信号：第一路光信号依次经第一声光调制器、第一电光调制器入射到平衡光电探测器；第二路光信号依次经第二声光调制器、第二电光调制器、光环行器、封装盒上的透光微孔、超表面增透膜、硅基底、准bic超表面结构入射到反射镜的上表面，并经反射镜的上表面反射后依次经准bic超表面结构、硅基底、超表面增透膜、封装盒上的透光微孔、光环行器入射到平衡光电探测器；两路光信号经平衡光电探测器转换为电信号；电信号传输至数字仪，并经数字仪转换为输出光谱；
13、在工作模式下，当加速度信号作用于硅质量块时，硅质量块发生上下位移，并带动反射镜发生上下位移，由此使得输出光谱的频率发生变化；数字仪实时监测输出光谱的频率变化量，并将输出光谱的频率变化量代入传感器的加速度测量方程，由此计算出加速度；所述传感器的加速度测量方程表示如下：
14、；
15、式中：表示加速度；表示输出光谱的频率变化量；表示重力加速度；表示激光器的输出波长；表示谐振频率；、、均为已知量。
16、与现有光栅干涉式加速度传感器相比，本发明具有如下优点：其一，本发明利用准bic具有极高的q值和极窄的线宽的特性，设计了q值更高的敏感单元，得到了线宽更窄的输出光谱（如图6所示，相较于现有光栅干涉式加速度传感器的输出光谱，本发明的输出光谱具有更窄的线宽），由此实现了微弱加速度信号的准确测量，从而有效提高了灵敏度。其二，本发明的敏感单元不再含有金属材料，而是采用全介质结构，由此有效减小了欧姆损耗。
17、本发明有效解决了现有光栅干涉式加速度传感器灵敏度较低、欧姆损耗较大的问题，适用于加速度信号的测量。
1.一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度传感器，其特征在于：包括激光器（1）、掺铒光纤放大器（2）、功率分离器（3）、第一声光调制器（4）、第一电光调制器（5）、第二声光调制器（6）、第二电光调制器（7）、光环行器（8）、封装盒（9）、平衡光电探测器（18）、数字仪（19）；
2.根据权利要求1所述的一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度传感器，其特征在于：每组氮化硅悬臂梁（13）均包括两列氮化硅悬臂梁（13）；每列氮化硅悬臂梁（13）均包括由前向后等距平行排列的多根氮化硅悬臂梁（13）；第一组氮化硅悬臂梁（13）中的第一列氮化硅悬臂梁（13）连接于硅质量块（11）的左表面下边缘与第一个硅支撑块（10）的右表面下部之间；第一组氮化硅悬臂梁（13）中的第二列氮化硅悬臂梁（13）连接于硅质量块（11）的左表面上边缘与第一个硅支撑块（10）的右表面中上部之间；第二组氮化硅悬臂梁（13）中的第一列氮化硅悬臂梁（13）连接于硅质量块（11）的右表面下边缘与第二个硅支撑块（10）的左表面下部之间；第二组氮化硅悬臂梁（13）中的第二列氮化硅悬臂梁（13）连接于硅质量块（11）的右表面上边缘与第二个硅支撑块（10）的左表面中上部之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度传感器，其特征在于：封装盒（9）的内壁贴附有采用铁磁合金制成的屏蔽箔层；封装盒（9）的内腔为真空腔；透光微孔内密封嵌设有凸透镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度传感器，其特征在于：各个底层硅凸块（15）的折射率均为3.5；各个底层硅凸块（15）的厚度均为200nm；第奇数行底层硅凸块（15）的椭圆长轴直径、第偶数行底层硅凸块（15）的第偶数个底层硅凸块（15）的椭圆长轴直径均为500nm；第奇数行底层硅凸块（15）的椭圆短轴直径、第偶数行底层硅凸块（15）的第偶数个底层硅凸块（15）的椭圆短轴直径均为400nm；第偶数行底层硅凸块（15）的第奇数个底层硅凸块（15）的椭圆长轴直径均为400nm；第偶数行底层硅凸块（15）的第奇数个底层硅凸块（15）的椭圆短轴直径均为300nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度传感器，其特征在于：二氧化硅层（16）的厚度为10nm~100nm；各个顶层硅凸块（17）的厚度均为180nm；各个顶层硅凸块（17）的椭圆长轴直径均为600nm；各个顶层硅凸块（17）的椭圆短轴直径均为500nm。
6.一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度测量方法，该方法是基于如权利要求1所述的一种基于准bic超表面的高灵敏度加速度传感器实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
