痕量氣體檢測在地下安全監管、環境空氣監測、疾病預防和昆蟲呼吸研究等領域有著重要應用。基于激光的光聲光譜法（PAS）以其靈敏度高、集成度高、氣體選擇性高和響應快等優異特性被廣泛應用于痕量氣體的檢測。
近年來，具備高靈敏度的諧振式光聲傳感器引起了人們的極大興趣，雖然諧振式傳感器實現了更高的靈敏度，但其尺寸仍然較大，導致氣體平衡時間長，氣體采樣量大，因此無法用于狹小空間內的在線檢測痕量氣體。根據PAS原理，相對較小的光聲池（PA Cell）通常具有較高的諧振頻率，易導致光聲信號較弱，加上光聲傳感器的解調系統難以在高頻下工作，所以對于基于諧振式光聲池的PAS系統而言，想要實現相對較小的光聲池同時具備更低的檢測限（MDL）是一項重大挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，近日，大連理工大學彭偉、于清旭、梅亮教授及其研究團隊共同提出一種高靈敏度微型雙共振光聲傳感器，主要由T型諧振式光聲池和基于硅懸臂梁的集成式探測器組成。基于該雙共振光聲傳感器構建的PAS系統可用于高靈敏甲烷（CH?）檢測，靈敏度和最低檢測限分別為2.0 pm/ppm和35.6 ppb，平均時間為100 s，顯示了該微型雙共振光聲傳感器在亞立方厘米級空間內進行痕量氣體檢測的巨大潛力。相關研究成果已發表于ScienceDirect期刊。
該微型雙共振光聲傳感器由集成式光聲探測器、用于傳輸激發光的入射光纖、具有相同長度的圓柱形緩沖體積和諧振腔的光聲池、準直器、氣體出口和氣體進口組成。集成式光聲探測器由6mm長的二氧化硅傳感器探頭、絕緣體上硅（SOI）、硅懸臂梁和探測光聲信號的光纖組成。所設計的T型光聲池體積僅為2.26cm3，工作頻率超過4000Hz。探測光纖末端與懸臂梁構成F-P腔。基于此，懸臂梁的一階固有頻率與光聲池的共振頻率相匹配，可產生雙共振效應。
（a）高靈敏度微型雙共振光聲傳感器示意圖；（b）光聲探測器的放大視圖；（c）光聲探測器的照片；（d）高靈敏度微型雙共振光聲傳感器的照片。
得益于MEMS技術的優勢，該微型雙共振光聲傳感器在4375 Hz頻率下的靈敏度高達1110 nm/Pa。研究人員基于其構建了用于甲烷氣體檢測的PAS系統。該系統由微型雙共振光聲傳感器、高速光譜儀、超輻射發光二極管（SLED）、分布式反饋（DFB）激光器、循環器和計算機組成。
用于甲烷氣體檢測的PAS系統原理圖
通過該PAS系統對25~1000 ppm范圍內不同濃度的甲烷氣體樣品進行了評估，根據Allan-Werle偏差分析結果顯示，該系統最低檢測限可達35.6 ppb，平均時間為100 s。表明了所設計的微型雙共振光聲傳感器對不同濃度的甲烷氣體具有線性響應。
不同濃度甲烷氣體（甲烷和氮氣混合）的二次諧波信號（2f-WMS）
25~1000 ppm范圍內不同濃度甲烷氣體（甲烷和氮氣混合）的輸出光聲信號
與其它多種基于PAS技術開發的甲烷傳感器性能相比，該PAS傳感器具有較高的靈敏度，同時腔體的體積最小。該項研究為新型高靈敏度PAS技術發展提供了理論與實驗基礎。研究人員指出，通過采用放大近紅外或中紅外激光源，有望進一步提高該微型雙共振光聲傳感器的靈敏度，助力痕量氣體檢測技術與應用取得新的突破。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100386
延伸閱讀：
《氣體傳感器技術及市場-2022版》
《盛思銳氣體傳感器SGP40產品分析》
《盛思銳氣體傳感器SGP30產品分析》
