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基于Fano共振的一维声子晶体CO2气体传感器,可实现超灵敏检测


  来源: MEMS 时间:2023-09-18 编辑:白芷
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高精度、低成本地检测空气中温室气体的含量是环境保护的迫切需求。声子晶体(PnC)作为一种新颖的传感器技术,特别适用于高性能传感应用。


声子晶体是一种由两种或两种以上的材料组成的人工周期结构。这些材料在质量密度、弹性特性以及声速等方面具有差异。声子晶体复合结构可用于温室气体传感,这是由于气体混合物中的声速会根据其成分而变化,因此声子晶体可作为声学气体传感器,实现无前置时间、低成本的传感应用。


据麦姆斯咨询报道,近期,沙特阿拉伯纳季兰大学(Najran University)和埃及班尼苏维夫大学(Beni Suief University)的研究人员对周期性和斐波那契准周期性声子晶体结构在二氧化碳(CO2)传感应用中的有效性进行了研究,提出周期性声子晶体气体传感器可以高精度地检测空气中的CO2含量,其浓度灵敏度可达31.5 MHz。相关研究成果以“A promising ultra-sensitive CO2 sensor at varying concentrations and temperatures based on Fano resonance phenomenon in different 1D phononic crystal designs”为题发表在Scientific Reports期刊上。


基于周期性结构的一维声子晶体气体传感器结构示意图


利用声子晶体设计作为气体传感器并将其用于检测温室气体(例如CO2)被认为是一种创新的策略,其重点是通过声子带隙记录Fano共振模式的最佳位移。


在这项研究工作中,由于传感器的制备采用了一维多层结构,因此在理论和实验上都很容易制备实现一维声子晶体气体传感器。该传感器使用的是含铅和环氧树脂等低成本材料,可以在高压和高温等苛刻条件下运行。此外,它不涉及复杂的电子元器件。


研究人员采用了两种声子晶体设计(周期性和斐波那契准周期性),在各种浓度范围(0 ~ 100%)和温度范围(0 ~ 180°C)内检测了周围空气的CO2含量。检测过程在物理层面上取决于Fano共振模式的位移。研究人员分别验证了周期性和准周期性(S3、S4序列)结构传感器的性能。结果表明,周期性声子晶体的性能更加优异,其灵敏度为31.5 MHz,质量因子(Q)以及品质因数(FOM)分别为280和95。此外,还研究了温度对Fano共振模式位置的影响。结果表明,在0 ~ 60℃的温度范围内,其温度灵敏度为13.4 MHz/°C。


周期性和准周期性(S3、S4)声子晶体结构对室温下CO2气体浓度的灵敏度


温度对周期性和准周期性(S3、S4)声子晶体结构灵敏度的影响


90°C温度下周期性和准周期性(S3、S4)声子晶体结构的质量因子、品质因数和半峰全宽


这项研究工作为CO2检测提供了一种简单的策略,所提出的基于Fano共振的周期性声子晶体气体传感器可用于高精度地检测空气中的CO2含量,其浓度灵敏度可达31.5 MHz,其材料可现成获取且无需电子元器件,易于制作且具有成本效益。此外,该气体传感器还可以检测其它温室气体,未来有望用于多种工业和生物医学应用。


论文信息:https://doi.org/10.1038/s41598-023-41999-1

关键词:传感器 Fano共振 气体检测    浏览量:208

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