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基于Fano共振的一維聲子晶體CO2氣體傳感器,可實現(xiàn)超靈敏檢測


  來源: MEMS 時間:2023-09-18 編輯:白芷
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高精度、低成本地檢測空氣中溫室氣體的含量是環(huán)境保護的迫切需求。聲子晶體(PnC)作為一種新穎的傳感器技術(shù),特別適用于高性能傳感應(yīng)用。


聲子晶體是一種由兩種或兩種以上的材料組成的人工周期結(jié)構(gòu)。這些材料在質(zhì)量密度、彈性特性以及聲速等方面具有差異。聲子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)可用于溫室氣體傳感,這是由于氣體混合物中的聲速會根據(jù)其成分而變化,因此聲子晶體可作為聲學(xué)氣體傳感器,實現(xiàn)無前置時間、低成本的傳感應(yīng)用。


據(jù)麥姆斯咨詢報道,近期,沙特阿拉伯納季蘭大學(xué)(Najran University)和埃及班尼蘇維夫大學(xué)(Beni Suief University)的研究人員對周期性和斐波那契準周期性聲子晶體結(jié)構(gòu)在二氧化碳(CO2)傳感應(yīng)用中的有效性進行了研究,提出周期性聲子晶體氣體傳感器可以高精度地檢測空氣中的CO2含量,其濃度靈敏度可達31.5 MHz。相關(guān)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”為題發(fā)表在Scientific Reports期刊上。


基于周期性結(jié)構(gòu)的一維聲子晶體氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖


利用聲子晶體設(shè)計作為氣體傳感器并將其用于檢測溫室氣體(例如CO2)被認為是一種創(chuàng)新的策略,其重點是通過聲子帶隙記錄Fano共振模式的最佳位移。


在這項研究工作中,由于傳感器的制備采用了一維多層結(jié)構(gòu),因此在理論和實驗上都很容易制備實現(xiàn)一維聲子晶體氣體傳感器。該傳感器使用的是含鉛和環(huán)氧樹脂等低成本材料,可以在高壓和高溫等苛刻條件下運行。此外,它不涉及復(fù)雜的電子元器件。


研究人員采用了兩種聲子晶體設(shè)計(周期性和斐波那契準周期性),在各種濃度范圍(0 ~ 100%)和溫度范圍(0 ~ 180°C)內(nèi)檢測了周圍空氣的CO2含量。檢測過程在物理層面上取決于Fano共振模式的位移。研究人員分別驗證了周期性和準周期性(S3、S4序列)結(jié)構(gòu)傳感器的性能。結(jié)果表明,周期性聲子晶體的性能更加優(yōu)異,其靈敏度為31.5 MHz,質(zhì)量因子(Q)以及品質(zhì)因數(shù)(FOM)分別為280和95。此外,還研究了溫度對Fano共振模式位置的影響。結(jié)果表明,在0 ~ 60℃的溫度范圍內(nèi),其溫度靈敏度為13.4 MHz/°C。


周期性和準周期性(S3、S4)聲子晶體結(jié)構(gòu)對室溫下CO2氣體濃度的靈敏度


溫度對周期性和準周期性(S3、S4)聲子晶體結(jié)構(gòu)靈敏度的影響


90°C溫度下周期性和準周期性(S3、S4)聲子晶體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量因子、品質(zhì)因數(shù)和半峰全寬


這項研究工作為CO2檢測提供了一種簡單的策略,所提出的基于Fano共振的周期性聲子晶體氣體傳感器可用于高精度地檢測空氣中的CO2含量,其濃度靈敏度可達31.5 MHz,其材料可現(xiàn)成獲取且無需電子元器件,易于制作且具有成本效益。此外,該氣體傳感器還可以檢測其它溫室氣體,未來有望用于多種工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。


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

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