基于光電復合光纖和MEMS麥克風的光聲氣體傳感器，用于ppb級痕量氣體檢測

MEMS 2026-08-07 07:11

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據麥姆斯咨詢介紹，超高靈敏度氣體傳感器在電池健康監測、環境污染物檢測及生物醫學呼氣分析等領域具有廣闊的應用前景。光聲光譜（PAS）作為一種主流的在線痕量氣體檢測技術，因其高靈敏度、高選擇性和快速響應特性而備受關注。光聲光譜技術通過測量氣體分子吸收調制光后因熱脹冷縮產生的聲波來檢測氣體濃度，無需昂貴的紅外光電探測器，并且能實現無背景干擾檢測。然而，傳統光聲光譜技術依賴于體積龐大的光聲池和復雜的外部設備；常規光纖僅能傳輸光信號而無法傳輸電信號，這給傳感器的集成化和小型化帶來了挑戰，限制了其在需要快速響應和精確監測場景中的應用。

為解決這一關鍵難題，暨南大學聯合吉林大學、西北大學的研究人員，近期在《Light: Advanced Manufacturing》期刊上發表了題為“用于ppb級痕量氣體檢測的微腔增強光電復合光纖光聲光譜技術”（Microcavity-Enhanced Optoelectronic Fiber Photoacoustic Spectroscopy for ppb-Level Trace Gas Sensing）的研究論文。該聯合團隊研發了一種小型化、超靈敏的光聲光譜氣體傳感器，其在增強光與氣體相互作用的同時，能夠獲取電信號，實現了泵浦光信號與檢測電信號的同步傳輸。該氣體傳感器僅需亞微升量級的樣品，即可在數秒內實現ppb（十億分之一）級的檢測。利用可大規模生產的光電復合光纖和MEMS麥克風，該方案為惡劣環境下的痕量氣體監測提供了一種集小型化、高靈敏度和可擴展多路復用檢測能力于一體的新型光學傳感解決方案。

用于ppb級痕量氣體檢測的微腔增強光電復合光纖光聲光譜技術

聯合團隊采用可擴展的熱拉制技術，將石英光纖、銅電極和PMMA包層集成為多材料光電復合光纖。這種光纖實現了對電極與纖芯間距的精確控制，在1550 nm波長處的光傳輸效率超過90%，與商用單模光纖相當。銅電極沿光纖軸向均勻分布，在20°C至60°C溫度范圍內電阻變化極小，并兼具優異的柔韌性與機械剛性。這種結構實現了泵浦光信號與檢測電信號的同步傳輸，突破了傳統光纖僅能傳輸光信號的局限，顯著提升了光聲光譜氣體傳感器的集成度。該聯合團隊設計的T型諧振光聲池總體積僅為0.02 mL，遠小于傳統的光聲池。通過利用有限元法模擬優化諧振腔的半徑與長度，該T型光聲池（T-PAC）的光聲信號幅度提升了約3.3倍，信噪比（SNR）提高了約7倍。其光程體積比（OPVR）高達1736.8 mm?mL?1，實現了單位體積內更長的光氣相互作用路徑，從而在實現小型化的同時確保了檢測靈敏度。