基于硅悬臂梁的高灵敏度微型双共振光声传感器，用于痕量气体检测

微迷 20220723

近日，大连理工大学彭伟、于清旭、梅亮教授及其研究团队共同提出一种高灵敏度微型双共振光声传感器，主要由T型谐振式光声池和基于硅悬臂梁的集成式探测器组成。相关研究显示了该微型双共振光声传感器在亚立方厘米级空间内进行痕量气体检测的巨大潜力。

痕量气体检测在地下安全监管、环境空气监测、疾病预防和昆虫呼吸研究等领域有着重要应用。基于激光的光声光谱法（PAS）以其灵敏度高、集成度高、气体选择性高和响应快等优异特性被广泛应用于痕量气体的检测。

近年来，具备高灵敏度的谐振式光声传感器引起了人们的极大兴趣，虽然谐振式传感器实现了更高的灵敏度，但其尺寸仍然较大，导致气体平衡时间长，气体采样量大，因此无法用于狭小空间内的在线检测痕量气体。根据PAS原理，相对较小的光声池（PA Cell）通常具有较高的谐振频率，易导致光声信号较弱，加上光声传感器的解调系统难以在高频下工作，所以对于基于谐振式光声池的PAS系统而言，想要实现相对较小的光声池同时具备更低的检测限（MDL）是一项重大挑战。

据麦姆斯咨询报道，近日，大连理工大学彭伟、于清旭、梅亮教授及其研究团队共同提出一种高灵敏度微型双共振光声传感器，主要由T型谐振式光声池和基于硅悬臂梁的集成式探测器组成。基于该双共振光声传感器构建的PAS系统可用于高灵敏甲烷（CH₄）检测，灵敏度和最低检测限分别为2.0 pm/ppm和35.6 ppb，平均时间为100 s，显示了该微型双共振光声传感器在亚立方厘米级空间内进行痕量气体检测的巨大潜力。相关研究成果已发表于ScienceDirect期刊。

该微型双共振光声传感器由集成式光声探测器、用于传输激发光的入射光纤、具有相同长度的圆柱形缓冲体积和谐振腔的光声池、准直器、气体出口和气体进口组成。集成式光声探测器由6mm长的二氧化硅传感器探头、绝缘体上硅（SOI）、硅悬臂梁和探测光声信号的光纤组成。所设计的T型光声池体积仅为2.26cm³，工作频率超过4000Hz。探测光纤末端与悬臂梁构成F-P腔。基于此，悬臂梁的一阶固有频率与光声池的共振频率相匹配，可产生双共振效应。