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

原创 MEMS 2022-07-31 00:00

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。

(a)高灵敏度微型双共振光声传感器示意图;(b)光声探测器的放大视图;(c)光声探测器的照片;(d)高灵敏度微型双共振光声传感器的照片。

得益于MEMS技术的优势,该微型双共振光声传感器在4375 Hz频率下的灵敏度高达1110 nm/Pa。研究人员基于其构建了用于甲烷气体检测的PAS系统。该系统由微型双共振光声传感器、高速光谱仪、超辐射发光二极管(SLED)、分布式反馈(DFB)激光器、循环器和计算机组成。

用于甲烷气体检测的PAS系统原理图

通过该PAS系统对25~1000 ppm范围内不同浓度的甲烷气体样品进行了评估,根据Allan-Werle偏差分析结果显示,该系统最低检测限可达35.6 ppb,平均时间为100 s。表明了所设计的微型双共振光声传感器对不同浓度的甲烷气体具有线性响应。

不同浓度甲烷气体(甲烷和氮气混合)的二次谐波信号(2f-WMS)

25~1000 ppm范围内不同浓度甲烷气体(甲烷和氮气混合)的输出光声信号

与其它多种基于PAS技术开发的甲烷传感器性能相比,该PAS传感器具有较高的灵敏度,同时腔体的体积最小。该项研究为新型高灵敏度PAS技术发展提供了理论与实验基础。研究人员指出,通过采用放大近红外或中红外激光源,有望进一步提高该微型双共振光声传感器的灵敏度,助力痕量气体检测技术与应用取得新的突破。

论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100386

延伸阅读:
《气体传感器技术及市场-2022版》
《盛思锐气体传感器SGP40产品分析》
《盛思锐气体传感器SGP30产品分析》


MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论
  • ARMv8-A是ARM公司为满足新需求而重新设计的一个架构,是近20年来ARM架构变动最大的一次。以下是对ARMv8-A的详细介绍: 1. 背景介绍    ARM公司最初并未涉足PC市场,其产品主要针对功耗敏感的移动设备。     随着技术的发展和市场需求的变化,ARM开始扩展到企业设备、服务器等领域,这要求其架构能够支持更大的内存和更复杂的计算任务。 2. 架构特点    ARMv8-A引入了Execution State(执行状
    丙丁先生 2025-01-12 10:30 448浏览
  • 随着通信技术的迅速发展,现代通信设备需要更高效、可靠且紧凑的解决方案来应对日益复杂的系统。中国自主研发和制造的国产接口芯片,正逐渐成为通信设备(从5G基站到工业通信模块)中的重要基石。这些芯片凭借卓越性能、成本效益及灵活性,满足了现代通信基础设施的多样化需求。 1. 接口芯片在通信设备中的关键作用接口芯片作为数据交互的桥梁,是通信设备中不可或缺的核心组件。它们在设备内的各种子系统之间实现无缝数据传输,支持高速数据交换、协议转换和信号调节等功能。无论是5G基站中的数据处理,还是物联网网关
    克里雅半导体科技 2025-01-10 16:20 433浏览
  • 新年伊始,又到了对去年做总结,对今年做展望的时刻 不知道你在2024年初立的Flag都实现了吗? 2025年对自己又有什么新的期待呢? 2024年注定是不平凡的一年, 一年里我测评了50余块开发板, 写出了很多科普文章, 从一个小小的工作室成长为科工公司。 展望2025年, 中国香河英茂科工, 会继续深耕于,具身机器人、飞行器、物联网等方面的研发, 我觉得,要向未来学习未来, 未来是什么? 是掌握在孩子们生活中的发现,和精历, 把最好的技术带给孩子,
    丙丁先生 2025-01-11 11:35 442浏览
  •   在信号处理过程中,由于信号的时域截断会导致频谱扩展泄露现象。那么导致频谱泄露发生的根本原因是什么?又该采取什么样的改善方法。本文以ADC性能指标的测试场景为例,探讨了对ADC的输出结果进行非周期截断所带来的影响及问题总结。 两个点   为了更好的分析或处理信号,实际应用时需要从频域而非时域的角度观察原信号。但物理意义上只能直接获取信号的时域信息,为了得到信号的频域信息需要利用傅里叶变换这个工具计算出原信号的频谱函数。但对于计算机来说实现这种计算需要面对两个问题: 1.
    TIAN301 2025-01-14 14:15 89浏览
  • 根据Global Info Research(环洋市场咨询)项目团队最新调研,预计2030年全球无人机电池和电源产值达到2834百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为10.1%。 无人机电池是为无人机提供动力并使其飞行的关键。无人机使用的电池类型因无人机的大小和型号而异。一些常见的无人机电池类型包括锂聚合物(LiPo)电池、锂离子电池和镍氢(NiMH)电池。锂聚合物电池是最常用的无人机电池类型,因为其能量密度高、设计轻巧。这些电池以输出功率大、飞行时间长而著称。不过,它们需要
    GIRtina 2025-01-13 10:49 164浏览
  • 随着数字化的不断推进,LED显示屏行业对4K、8K等超高清画质的需求日益提升。与此同时,Mini及Micro LED技术的日益成熟,推动了间距小于1.2 Pitch的Mini、Micro LED显示屏的快速发展。这类显示屏不仅画质卓越,而且尺寸适中,通常在110至1000英寸之间,非常适合应用于电影院、监控中心、大型会议、以及电影拍摄等多种室内场景。鉴于室内LED显示屏与用户距离较近,因此对于噪音控制、体积小型化、冗余备份能力及电气安全性的要求尤为严格。为满足这一市场需求,开关电源技术推出了专为
    晶台光耦 2025-01-13 10:42 481浏览
  • 01. 什么是过程能力分析?过程能力研究利用生产过程中初始一批产品的数据,预测制造过程是否能够稳定地生产符合规格的产品。可以把它想象成一种预测。通过历史数据的分析,推断未来是否可以依赖该工艺持续生产高质量产品。客户可能会要求将过程能力研究作为生产件批准程序 (PPAP) 的一部分。这是为了确保制造过程能够持续稳定地生产合格的产品。02. 基本概念在定义制造过程时,目标是确保生产的零件符合上下规格限 (USL 和 LSL)。过程能力衡量制造过程能多大程度上稳定地生产符合规格的产品。核心概念很简单:
    优思学院 2025-01-12 15:43 491浏览
  • PNT、GNSS、GPS均是卫星定位和导航相关领域中的常见缩写词,他们经常会被用到,且在很多情况下会被等同使用或替换使用。我们会把定位导航功能测试叫做PNT性能测试,也会叫做GNSS性能测试。我们会把定位导航终端叫做GNSS模块,也会叫做GPS模块。但是实际上他们之间是有一些重要的区别。伴随着技术发展与越发深入,我们有必要对这三个词汇做以清晰的区分。一、什么是GPS?GPS是Global Positioning System(全球定位系统)的缩写,它是美国建立的全球卫星定位导航系统,是GNSS概
    德思特测试测量 2025-01-13 15:42 460浏览
  • 流量传感器是实现对燃气、废气、生活用水、污水、冷却液、石油等各种流体流量精准计量的关键手段。但随着工业自动化、数字化、智能化与低碳化进程的不断加速,采用传统机械式检测方式的流量传感器已不能满足当代流体计量行业对于测量精度、测量范围、使用寿命与维护成本等方面的精细需求。流量传感器的应用场景(部分)超声波流量传感器,是一种利用超声波技术测量流体流量的新型传感器,其主要通过发射超声波信号并接收反射回来的信号,根据超声波在流体中传播的时间、幅度或相位变化等参数,间接计算流体的流量,具有非侵入式测量、高精
    华普微HOPERF 2025-01-13 14:18 459浏览
  • 随着全球向绿色能源转型的加速,对高效、可靠和环保元件的需求从未如此强烈。在这种背景下,国产固态继电器(SSR)在实现太阳能逆变器、风力涡轮机和储能系统等关键技术方面发挥着关键作用。本文探讨了绿色能源系统背景下中国固态继电器行业的前景,并强调了2025年的前景。 1.对绿色能源解决方案日益增长的需求绿色能源系统依靠先进的电源管理技术来最大限度地提高效率并最大限度地减少损失。固态继电器以其耐用性、快速开关速度和抗机械磨损而闻名,正日益成为传统机电继电器的首选。可再生能源(尤其是太阳能和风能
    克里雅半导体科技 2025-01-10 16:18 319浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦