痕量气体检测在地下安全监管、环境空气监测、疾病预防和昆虫呼吸研究等领域有着重要应用。基于激光的光声光谱法（PAS）以其灵敏度高、集成度高、气体选择性高和响应快等优异特性被广泛应用于痕量气体的检测。
近年来，具备高灵敏度的谐振式光声传感器引起了人们的极大兴趣，虽然谐振式传感器实现了更高的灵敏度，但其尺寸仍然较大，导致气体平衡时间长，气体采样量大，因此无法用于狭小空间内的在线检测痕量气体。根据PAS原理，相对较小的光声池（PA Cell）通常具有较高的谐振频率，易导致光声信号较弱，加上光声传感器的解调系统难以在高频下工作，所以对于基于谐振式光声池的PAS系统而言，想要实现相对较小的光声池同时具备更低的检测限（MDL）是一项重大挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，大连理工大学彭伟、于清旭、梅亮教授及其研究团队共同提出一种高灵敏度微型双共振光声传感器，主要由T型谐振式光声池和基于硅悬臂梁的集成式探测器组成。基于该双共振光声传感器构建的PAS系统可用于高灵敏甲烷（CH₄）检测，灵敏度和最低检测限分别为2.0 pm/ppm和35.6 ppb，平均时间为100 s，显示了该微型双共振光声传感器在亚立方厘米级空间内进行痕量气体检测的巨大潜力。相关研究成果已发表于ScienceDirect期刊。
该微型双共振光声传感器由集成式光声探测器、用于传输激发光的入射光纤、具有相同长度的圆柱形缓冲体积和谐振腔的光声池、准直器、气体出口和气体进口组成。集成式光声探测器由6mm长的二氧化硅传感器探头、绝缘体上硅（SOI）、硅悬臂梁和探测光声信号的光纤组成。所设计的T型光声池体积仅为2.26cm³，工作频率超过4000Hz。探测光纤末端与悬臂梁构成F-P腔。基于此，悬臂梁的一阶固有频率与光声池的共振频率相匹配，可产生双共振效应。
（a）高灵敏度微型双共振光声传感器示意图；（b）光声探测器的放大视图；（c）光声探测器的照片；（d）高灵敏度微型双共振光声传感器的照片。
得益于MEMS技术的优势，该微型双共振光声传感器在4375 Hz频率下的灵敏度高达1110 nm/Pa。研究人员基于其构建了用于甲烷气体检测的PAS系统。该系统由微型双共振光声传感器、高速光谱仪、超辐射发光二极管（SLED）、分布式反馈（DFB）激光器、循环器和计算机组成。
用于甲烷气体检测的PAS系统原理图
通过该PAS系统对25~1000 ppm范围内不同浓度的甲烷气体样品进行了评估，根据Allan-Werle偏差分析结果显示，该系统最低检测限可达35.6 ppb，平均时间为100 s。表明了所设计的微型双共振光声传感器对不同浓度的甲烷气体具有线性响应。
不同浓度甲烷气体（甲烷和氮气混合）的二次谐波信号（2f-WMS）
25~1000 ppm范围内不同浓度甲烷气体（甲烷和氮气混合）的输出光声信号
与其它多种基于PAS技术开发的甲烷传感器性能相比，该PAS传感器具有较高的灵敏度，同时腔体的体积最小。该项研究为新型高灵敏度PAS技术发展提供了理论与实验基础。研究人员指出，通过采用放大近红外或中红外激光源，有望进一步提高该微型双共振光声传感器的灵敏度，助力痕量气体检测技术与应用取得新的突破。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.pacs.2022.100386
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