【儀表網 研發快訊】近日，哈爾濱工業大學航天學院馬欲飛教授課題組實現基于新型音叉的石英增強光譜高靈敏度氣體檢測。相關研究成果以《基于新型錐形石英音叉的激光光譜傳感》(A novel tapered quartz tuning fork-based laser spectroscopy sensing)為題發表于科技期刊《應用物理評論》(Applied Physics Reviews)，并被期刊選為特色論文。
 

　　石英光譜氣體傳感技術是一種以石英音叉為探測元件的激光吸收光譜式氣體傳感技術，由石英增強光聲光譜技術(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, 簡稱QEPAS)和光致熱彈光譜技術(light-induced thermoelastic spectroscopy, 簡稱LITES)構成，具有氣體選擇性好、檢測靈敏度高、響應速度快等優點，在環境監測、火災預警、醫學診斷等領域中具有重要的應用價值。石英音叉作為傳感器系統中的核心探測單元對系統的檢測性能起到決定性的作用。為了進一步提升石英增強光譜氣體傳感系統的檢測性能，亟需對目前標準矩形石英音叉存在的共振頻率較高、叉指壓電電荷收集效率低下等問題進行改進。
 

　　馬欲飛教授課題組從傳感器系統的核心探測單元-石英音叉出發，設計了一款新型錐形叉指石英音叉，優化了叉指的應力分布并且使其結構更利于濕法刻蝕加工。有限元分析結果表明，相比標準音叉，錐形音叉的溫度梯度和表面電荷總量均有5倍左右提升。在搭建了基于錐形音叉的C2H2-QEPAS傳感系統和C2H2-LITES傳感系統后，實驗結果表明，基于錐形音叉的LITES傳感系統信噪比提升了3.60倍，最小檢測限為146.39 ppb。基于錐形音叉的QEPAS傳感系統信噪比提升了3.02倍，配置共振管后信噪比提升了97.20倍，最小檢測限達到16.45 ppb。依據傳感器系統的濃度測量結果，證明了該系統具有優異的濃度線性響應。
 

　　馬欲飛教授為論文唯一通訊作者及共同第一作者，課題組喬順達副研究員和碩士研究生王潤秋為論文共同第一作者，課題組何應副教授、碩士研究生房超以及博士研究生梁添添參與論文相關工作。
 

　　該研究獲國家自然科學基金及哈工大青年科學家工作室等項目資助。
 

　　基于錐形音叉的氣體傳感系統結構示意圖：(a)石英增強光聲光譜系統(b)光致熱彈光譜系統(c)標準矩形石英音叉(左)和錐形石英音叉(右)的照片

 

　　(a)信號強度與激光作用高度的關系(b)標準石英音叉、錐形石英音叉和配置共振管的錐形音叉的C2H2-QEPAS傳感系統信號對比

 

　　對基于標準石英音叉、錐形石英音叉和配置共振管的錐形音叉C2H2-QEPAS系統的艾倫方差分析：(a) 純氮氣環境下的檢測結果(b)低濃度乙炔環境下的檢測結果