哈工大航天学院马欲飞课题组实现基于新型音叉的石英增强光谱高灵敏度气体检测

哈工大全媒体（商艳凯 王润秋 文/图）近日，我校航天学院马欲飞教授课题组实现基于新型音叉的石英增强光谱高灵敏度气体检测。相关研究成果以《基于新型锥形石英音叉的激光光谱传感》（A novel tapered quartz tuning fork-based laser spectroscopy sensing）为题发表于科技期刊《应用物理评论》（Applied Physics Reviews），并被期刊选为特色论文。

石英光谱气体传感技术是一种以石英音叉为探测元件的激光吸收光谱式气体传感技术，由石英增强光声光谱技术（quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, 简称QEPAS）和光致热弹光谱技术（light-induced thermoelastic spectroscopy, 简称LITES）构成，具有气体选择性好、检测灵敏度高、响应速度快等优点，在环境监测、火灾预警、医学诊断等领域中具有重要的应用价值。石英音叉作为传感器系统中的核心探测单元对系统的检测性能起到决定性的作用。为了进一步提升石英增强光谱气体传感系统的检测性能，亟需对目前标准矩形石英音叉存在的共振频率较高、叉指压电电荷收集效率低下等问题进行改进。

马欲飞教授课题组从传感器系统的核心探测单元-石英音叉出发，设计了一款新型锥形叉指石英音叉，优化了叉指的应力分布并且使其结构更利于湿法刻蚀加工。有限元分析结果表明，相比标准音叉，锥形音叉的温度梯度和表面电荷总量均有5倍左右提升。在搭建了基于锥形音叉的C₂H₂-QEPAS传感系统和C₂H₂-LITES传感系统后，实验结果表明，基于锥形音叉的LITES传感系统信噪比提升了3.60倍，最小检测限为146.39 ppb。基于锥形音叉的QEPAS传感系统信噪比提升了3.02倍，配置共振管后信噪比提升了97.20倍，最小检测限达到16.45 ppb。依据传感器系统的浓度测量结果，证明了该系统具有优异的浓度线性响应。

马欲飞教授为论文唯一通讯作者及共同第一作者，课题组乔顺达副研究员和硕士研究生王润秋为论文共同第一作者，课题组何应副教授、硕士研究生房超以及博士研究生梁添添参与论文相关工作。

该研究获国家自然科学基金及哈工大青年科学家工作室等项目资助。

论文链接： https://doi.org/10.1063/5.0214874

基于锥形音叉的气体传感系统结构示意图：（a）石英增强光声光谱系统（b）光致热弹光谱系统（c）标准矩形石英音叉（左）和锥形石英音叉（右）的照片

（a）信号强度与激光作用高度的关系（b）标准石英音叉、锥形石英音叉和配置共振管的锥形音叉的C₂H₂-QEPAS传感系统信号对比

对基于标准石英音叉、锥形石英音叉和配置共振管的锥形音叉C₂H₂-QEPAS系统的艾伦方差分析：(a) 纯氮气环境下的检测结果（b）低浓度乙炔环境下的检测结果