[发明专利]一种双共振增强型高灵敏度小型化共振式气体传感器

说明书

一种双共振增强型高灵敏度小型化共振式气体传感器，基于硅悬臂梁结合二氧化硅探头起到了探测声波的效果，并且硅悬臂梁尺寸较小，能实现特别宽的频响并且和缓冲室、谐振腔的尺寸对应的一阶谐振频率相匹配达到双共振效果，使得可以对受限空间进行高灵敏度探测。该小型化气体传感器不需要大体积的温控装置结构简单，体积相当小，响应速度快，安装便捷，气孔独特的设计，使得整个传感器在检测的时候气体充分渗入到传感器内部，并没有占用多余的空间硅悬臂梁结合二氧化硅传感头形成了F‑P腔，进一步减少多余的体积，并且在体积缩小的情况下并不影响对痕量气体高灵敏度的检测，为小型化共振式光声传感器提供了新的思路，在光声光谱领域应用前景巨大。

技术领域

本发明属于光纤传感和痕量气体检测技术领域，涉及一种双共振增强型高灵敏度小型化共振式气体传感器

背景技术

痕量气体检测在大气环境检测、工业过程控制以及生命科学领域起到重要的作用，随着激光技术的发展，光声光谱法已经成为一种灵敏度高、响应时间快和选择性强的气体检测方法，被广泛应用于痕量气体的检测。光声光谱法是一种通过直接测量气体因吸收光能而产生热能的光谱量热技术，是一种无背景的吸收光谱技术。对于传统的光声光谱系统，由于声波的产生场所在密闭的光声池中，而传统的光声池要与微音器和激励光源相匹配，因此导致整个光声光谱系统的体积较大，对于空间受限的地方很难达到高灵敏度检测。基于此，文献Y.Cao,W.Jin,H.L.Ho,J.Ma,Miniature fiber-tip photoacousticspectrometer for trace gas detection,Opt.Lett.38(4)(2013)434-436.K.Chen etal.Fiber-optic photoacoustic sensor for remote monitoring of gas micro-leakage.Optics Express27(4)(2019)434-436.分别设计了小型化的光声光谱气体检测系统，极大地缩小了体积，但是由于该系统采用非共振式光声池作为光声信号产生的场所，导致气体检测灵敏度与共振式光声光谱系统相差几个数量级。基于此，文献Z.Gong etal.All-optical high-sensitivity resonant photoacoustic sensor for remoteCH4gasdetection[J].Optics Express,2021,29(9):13600-13609设计了全光学共振式气体传感器对痕量气体进行高灵敏度检测，但是由于悬臂梁使用的是不锈钢制作而成，导致不能在高频率下对痕量气体进行高灵敏度检测，进而使得谐振腔和缓冲室的长度和直径进一步缩小受限，使得整体的体积还需要进一步优化。

在使用光声光谱技术对痕量气体进行检测系统中，一般采光声池作为声波产生单元。现有的光声池分为两种，一种是共振式的光声池，一种是非共振式的光声池。对于非共振光声池的特点是体积小，便携性比较好，但是非共振光声池也有一些缺点，最突出的缺点是气体检测灵敏度与共振式光声光谱系统相差几个数量级。共振式光声池优点是灵敏度很高，噪声抑制能力强但是共振式光声池的体积一般是非共振式光声池体积的几倍甚至成百上千倍，这样也限制了共振式光声池的使用。综上所述设计一种能与非共振式光声池的体积相当，又能实现对痕量气体进行高灵敏度检测的共振式光声光谱气体传感器具有重要的应用价值。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种双共振增强型高灵敏度小型化共振式气体传感器，该气体传感器整体的体积与非共振传感器体积相当，并且能实现痕量气体的高灵敏度检测，为小型化共振式光声传感器提供了新的思路，在光声光谱领域应用前景巨大。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：