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
2023-09-16 22:14:00   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

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

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