基于锤状石英音叉的光声光谱痕量气体高灵敏检测_WORD.docx

引用格式：CHENZhengtSUNBo,DONG1ei,eta1.HighSensitiveDetectionofTraceGasBasedonPhotoacousticSpectroscopyviaaHammer-shapedQuartzTuningForkj.ActaPhotonicaSinica.2023,52(3)：0352122引用格式:陈争，孙波，董磊，等.基于锤状石英音叉的光声光谱痕量气体高灵敏检测J.光子学报，2023,52(3)：0352122基金项目：国家自然科学基金(NoS.62122045,62075119,62175137),吉林大学集成光电子学国家重点实验室开放课题(No.IOSK12023KF10)笫一作者：陈争，chenzheng9704通讯作者：武红鹏，wuhp收稿日期：2023-12-12；录用口期：2023-02-13基于锤状石英音叉的光声光谱痕量气体高灵敏检测陈争卜2,孙波卜2,董磊卜2,武红鹏卜2(1山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室，激光光谱研究所，太原030006)(2山西大学极端光学协同创新中心，太原030006)摘要：针对传统商用音叉存在的共振频率高、振臂间距窄等问题，利用COMSO1有限元分析软件构建音叉理论模型，确定了音叉的共振频率及品质因数等核心电学参数与音叉几何尺寸之间的相关特性，进而通过控制音叉振臂形状、长度等几何特性，设计制备了具有振臂间距宽、共振频率低且品质因数高等特性的锤状异型音叉。在将音叉外表面设置为硬声场边界条件且将音叉基座设置为固定约束条件的情况下，对锤状异型定制音叉的关键参数进行了理论计算及实验测定。结果显示，与传统商用音叉相比，异型音叉在振臂间距扩大近3倍的情况下，其共振频率和品质因数两项音叉核心电学参数分别优化了62%和14%o为验证锤状异型定制音叉在光声光谱气体传感技术中的性能，基于该定制音叉搭建了乙块石英增强光声光谱传感器.在对激光调制深度、微型声学谐振腔腔长、谐振腔装配位置等多项参数优化后，乙快传感器在3(X)ms积分时间及常温常压条件下获得的检测极限相比基于传统商用音叉搭建的传感器提升了近一个数量级，达到了282x10%归一化噪声等效吸收系数可达3.84×109cm-1WHzo关键词：光声光谱；石英增强光声光谱；定制音叉；锤状振臂；乙焕；气体传感器中图分类号：TP249；0433文献标识码：Adoi：10.3788gzxb20235203.03521220引言痕量气体高精度检测在环境监测、能源勘探、智慧医疗等领域有广泛的应用门。例如，通过检测烷燃及其它非燃成分的浓度和同位素比值可揭示天然气的来源及储量卬;实时检测患者呼吸气体可实现疾病的无创诊断。此外，痕量气体检测技术的发展对物理、化学等学科的发展也意义重大区91。因此,研发具备分子识别精度高、探测灵敏度高等特性的痕量气体传感器具有重要的研究意义和应用价值，°O近年来，光学气体检测技术随着激光技术的进步而快速发展。光声光谱技术作为光学传感技术的一种，具备检测灵敏度高、选择性好且寿命长等优点，成为最主要的痕量气体检测技术之一I"。光声光谱技术通过检测气体吸收特定波长激光能量后释放的声信号获得目标气体光谱信息，进而完成对待测气体成分和浓度的探测.8。石英增强光声光谱(QUartZ-enhancedPhotoacousticSpectroscopy,QEPAS)技术于2002年被首次提出旧。在QEPAS中，小型商用音叉式石英品振也被简称为音叉(QuartzTuningFork,QTF),被用作声波探测器。由于石英的压电效应，音叉振臂的弯曲会产生压电电荷并被音叉表面的金属涂层收集，经与音叉表面相连的两电极对外传输压电信号，进而实现目标气体浓度的反演黑。由于QEPAS技术采用高品质因数音叉实现声电转化，无需光学探测器，因此具备体积小、对环境噪声免疫、无波长选择性、探测灵敏度与光功率成正相关等特性-24。目前商用标准音叉直接应用于QEPAS技术存在一些不足：1)较高的共振频率导致其无法实现对低光声弛豫率气体的高灵敏探测，标准商用石英音叉的共振频率高达32.7kHz,使得QEPAS技术中低弛豫率气体分子光声转换效率较低侬；2)极窄的振臂间距导致其无法充分利用太赫兹(TeraHertz,THz)等新型光源有效提高探测灵敏度。QEPAS系统的探测灵敏度与气体吸收线强度以及光声信号激励光源功率均成正相关1但激励光源禁止与音叉振臂接触，否则会产生数倍于信号值的干扰噪声信号，而标准音叉仅为0.3mm的振臂间距对激励光源的光束质量提出了很高的要求【28。为解决这些问题，意大利巴里大学VINCENZO教授团队提出了制备宽振臂间距音叉的方案，并成功将定制音叉用于QEPAS传感器设计中3】，结果显示在扩大音叉振臂间距的情况下，音叉的共振频率会明显下降但其对光声信号的声电转换效率也将同步下降，并最终导致系统探测灵敏度变差。因此，如何进一步优化定制音叉几何形状、参数以及电学参数，使其更好地被应用于QEPAS技术中仍然需要进一步研究。本文结合前期研究成果，设计制备了一只具有锤状结构的异型音叉，锤状音叉具备的宽振臂间距、低共振频率、高品质因数的特性，确保了基于该音叉搭建的QEPAS传感器的优异性能，获得对乙快气体X1O9(ppb)量级的高精度探测。1音叉的优化设计针对音叉在QEPAS技术中的装配方式及目标功能，通过设计音叉形态及尺寸，使其几何参数和电学参数均能更好地匹配QEPAS技术的需求，从而在降低装配难度，提升系统稳定度的同时优化系统的探测灵敏度等各项性能。在音叉电学参数中，音叉共振频率为和品质因数。是影响QEPAS传感器性能的关键指标。其中，音叉共振频率直接决定了光声信号激励光源的调制频率亦由于音叉。值较高，因此音叉共振频率N必须与激励光源的调制频率/相等，即户从，而调制频率f与气体分子的辐射寿命r必须满足r<<1才能确保光声信号的高效激发；音叉品质因数代表音叉贮存总能量与振臂每次振动消耗能量的比值,因此越高的Q值意味着音叉能够基于共振效应将信号放大更高的倍数。因此，音叉设计时应在尽量降低其共振频率的同时最大限度提高其品质因数。音叉的共振频率与其几何参数，如振臂长度Z和宽度卬，以及其材料特性参数，如密度P和杨氏模量E等紧密相关。求解欧拉-伯努利方程可知，在保证音叉振动特性情况下，其基频共振频率J6表达式为口anr1.1942E/八f。=8同2y-(1)对压电系数温度稳定性十分优异的石英材料而言，密度P和杨氏模量E的值分别为2650kg?和0.72×10,'Nm2o实际上，音叉式石英晶振振动模态除基频共振外，还存在高阶泛频振动态，但由于音叉高阶泛频共振频率普遍较高，结合气体光声弛豫率特性可知，随着音叉泛频共振频次的升高，音叉探测到的光声信号信噪比将逐步下降3。凸2,因此，本文仅对音叉基频共振频率以及音叉在基频共振情况下的相关特性进行研究。考虑到音叉振臂间距对激励光源进行光学准直难易程度的影响，为降低音叉共振频率左，应在降低振臂宽度的同时，提高振臂长度。音叉品质因数。反应了音叉振臂单次振动的能量损耗水平。损耗主要包括本征损耗和外在损耗，如与周围气体摩擦损耗、热弹性损耗，这些损耗同时存在但相互并无关联，且目前还未有相关理论及公式准确定量描述1其中，气体摩擦损耗通常远大于其他损耗之和，因此，在理论分析时可以只近似考虑这一损耗类型。在音叉振臂振动幅度不高的情况下，与气体摩擦损耗相关的音叉品质因数Q的经验性公式为Q=弁_(2)3t+-t24poo式中，f为音叉振臂厚度，4为气体粘度，Po为空气密度。在考虑各参量数值的情况下，结合式(1),式(2)可被进一步简化为QOCe厘OC叱(3)3p0I因此，为获得较高的品质因数。，应加宽振臂宽度卬，并增大音叉共振频率向。这与文献34中得出的结论“当频率小于IOkHzRj-,不能保证常压下。>10000”相吻合，但与优化音叉共振频率的方案恰好相悖。显然，对传统形态的音叉式石英晶振，高品质因数和低共振频率无法同时兼顾，需折中选择合适参数。通过对标准形态音叉的参数设计，最终可获得的最佳定制音叉的常温下共振频率和品质因数为15.842kHz和15710。上述定制音叉用于QEPAS系统中时，其探测光声信号性能并没有大幅超越商用小音叉，主要原因有：该定制音叉的共振频率依然偏高，对气体光声效应的提升效果不显著；定制音叉的等效电阻明显上升，高达162.8kC,远超过商用标准音叉的94.6k,导致音叉振臂收集到的压电电荷在对外传输过程中压电电流减小并最终影响传感器探测性能。因此，为使定制音叉各项参数满足设计需求,需要设计一款形态有别于传统对称振臂音叉的新型音叉。一种可行的异形音叉设计方案是将音叉振臂加长，并将振臂与基座相连部分的振臂宽度减小，从而确保定制音叉获得较低的共振频率；同时，为抵消设计造成的品质因数的下降，将振臂顶端部分的宽度加大，使得音叉振臂整体外形呈现锤状结构，如图1所示。这一设计使得振臂重心偏离音叉基座，振臂摆动过程中重力产生的力矩加大，从而大幅提升音叉的品质因数Q。此外，振臂矩形顶端与其支撑之间应力场的增大，也有利于压电电荷的高效收集。图1锤状音叉示意图与实物图Fig. 1 Schematicdiagramandphysica1diagramofhammertuningfork异形锤状音叉的具体设计参数以及实物图如图1所示。图中八表示顶部锤状部分的宽度，石表示锤状部分下方振臂的宽度，心和上分别代表顶部锤状部分和锤状部分下方振臂的长度。通过式(1)和式(3)可初步确定音叉各几何参数的取值范围，进一步确定各参数值仍需基于COMSO1软件对音叉建模并进行仿真计算。为简化计算过程，音叉基座高度、振臂厚度、振臂总长度以及锤状部分振臂的宽度按照之前制备的新型宽振臂间距音叉参数被分别设定为4.7mm、0.25mm、9.4mm以及2mm3。此外，1主要由音叉表面电极图案确定。电极图案是在音叉制备完成后电镀在石英表层的金属薄膜，用于收集石英音叉表层基于压电效应产生的压电电荷。由于音叉表层压电电荷非均匀分布在不同部位，且存在不同电荷极性，因此需要合理设计金属电极图案。金属电极图案及材料的不同也会改变音叉最终等效电阻的阻值，进而影响音叉性能。由于实验采用的电极图案在顶端部分延伸长度约略小于2.4mm,因此，设定1=2.4mm。此外，基于COMSo1软件采用有限元分析法开展了锤状音叉振臂不同位置最佳宽度和T2对音叉共振频率影响的理论分析。通过调用软件内结构力学模块和声学模块建立了音叉有限元模型。音叉与金属电极材料被设置为石英RH(1978IEEE)与金(固体)。音叉振臂表层金属镀层以及音叉外表面被设置为硬声场边界条件，而音叉基座则被设置为固定约束条件。基于上述设置，采用COMSO1软件便可实现不同振臂宽度条件下音叉的本征振动模态，进而确定为和7之间的相关性。模拟结果显示,音叉基频共振频率为和T2T的比值为正向线性关系，且存在07的阈值，当7T小于0.7时，音叉共振频率会低于IOkHZ,但这一比值进一步的降低会导致音叉几何力学模型的不稳定性增加，无法保证音叉的稳定振荡33,35。因此，7?。被设定为0.7,据此可得乃=1.4mm。将参数值代入式(1)和式(2)计算可知，定制音叉的共振频率理论值应为12410Hz,且其常压下品质因数。将高于15000。在完成音叉参数的理论设定后，采用石英材料制备了一批锤状异形音叉，并对其电学参数进行了实验测定，测定的锤状音叉的频率响应曲线如图2所示，对响应曲线进行洛伦兹拟合，可以确定锤状音叉的共振频率和品质因数分别为N=12459.6H