基于Fano共振的一維聲子晶體CO2氣體傳感器設(shè)計(jì)

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(hù)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(shí)現(xiàn)無前置時(shí)間、低成本的傳感應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)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(zhǔn)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(jìn)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(dá)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(jì)作為氣體傳感器并將其用于檢測溫室氣體（例如CO2）被認(rèn)為是一種創(chuàng)新的策略，其重點(diǎn)是通過聲子帶隙記錄Fano共振模式的最佳位移。

在這項(xiàng)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(shí)驗(yàn)上都很容易制備實(shí)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(yùn)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(jì)（周期性和斐波那契準(zhǔn)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(yàn)證了周期性和準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(xiàng)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(dá)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。

審核編輯：劉清