(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210620675.0 (22)申请日 2022.06.02 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路２ 号 (72)发明人 宫振峰　吴国杰　王晨烨　梅亮　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 许明章　王海波 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/17(2006.01) (54)发明名称 一种双共振增强型高灵敏度小型化共振式 气体传感器 (57)摘要 一种双共振增强型高灵敏度小型化共振式 气体传感器， 基于硅悬臂梁结合二氧化硅探头起 到了探测声波的效果， 并且硅悬臂梁尺寸较小， 能实现特别宽的频响并且和缓冲室、 谐振腔的尺 寸对应的一阶谐振频率相匹配达到双共振效果， 使得可以对受限空间进行高灵敏度探测。 该小型 化气体传感器不需要大体积的温控装置结构简 单， 体积相当小， 响应速度快， 安装便捷， 气孔独 特的设计， 使得整个传感器在检测的时候气体充 分渗入到传感器内部， 并没有占用多余的空间硅 悬臂梁结合二氧化硅传感头形成了F ‑P腔， 进一 步减少多余的体积， 并且在体积缩小的情况下并 不影响对痕量气体高灵敏度的检测， 为小型化共 振式光声传感器提供了新的思路， 在光声光谱领 域应用前 景巨大。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 114965278 A 2022.08.30 CN 114965278 A 1.一种双共振增强型高灵敏度小型化共振式气体传感器， 其特征在于， 在传统的双共 振增强型共振式气体传感器基础上， 对缓冲室和谐振腔的长度和 直径进一步确定： 缓冲室 (2)和谐振腔(3)的长度均为18mm， 缓冲室(2)的直径是12mm， 谐振腔(3)的直径是4mm； 将声 传感头设计成集成化传感探头(4)， 主要由单模光纤(9)、 二氧化硅传感头(10)和硅悬臂梁 (13)组成； 二氧化硅传感头(10)的直径是3.5 mm， 其内部设有一个锥形腔体并且腔体的体积 是6.2mm3； 硅悬臂梁(13)的长度是1.1m m， 宽度是0.4m m， 厚度是4.1um。 2.根据权利要求1中的所述的双共振增强型高灵敏度小型化共振式气体传感器， 其特 征在于， 所述的锥形腔体的上半径是1.6m m， 下半径是0.1m m， 高度是2.16m m。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114965278 A 2一种双共振增强型高灵敏度小型化共振式气体传感器 技术领域 [0001]本发明属于光纤传感和痕量气体检测技术领域， 涉及一种双共振增强型高灵敏度 小型化共 振式气体传感器 背景技术 [0002]痕量气体检测在大气环境检测、 工业过程控制以及生命科学领域起到重要的作 用， 随着激光技术的发展， 光声光谱法已经成为一种灵敏度高、 响应时间快和选择性 强的气 体检测方法， 被广泛应用于痕量气体的检测。 光声光谱法是一种通过直接测 量气体因吸收 光能而产生热能的光谱量热技术， 是一种 无背景的吸收光谱技术。 对于传统的光声光谱系 统， 由于声波的产生场所在密闭的光声池中， 而传统的光声池要与微音器和激励光源相匹 配， 因此导致整个光声光谱系统的体积较大， 对于空间受限的地方很难达到高灵敏度检测。 基于此， 文献Y.Cao,W.Jin,H.L.Ho,J.Ma,Miniature  fiber‑tip photoacoustic   spectrometer  for trace gas detection,Opt.Lett.38(4)(2013)434 ‑436.K.Chen  et  al.Fiber ‑optic photoacoustic  sensor for remote monitoring  of gas micro‑ leakage.Optics  Express27(4)(2 019)434‑436.分别设计了小型化的光声光谱气体检测系 统， 极大地缩小了体积， 但是由于该系统采用非共振式光声池作为光声信号产生的场所， 导 致气体检测灵敏度与共振式光声光谱系统相差几个数量级。 基于此， 文献Z.Gong  et  al.All‑optical high‑sensitivity  resonant  photoacoustic  sensor for remote  CH4gasdetection[J].Optics  Express,202 1,29(9):13600 ‑13609设计了全光学共振式气 体传感器对痕量气体进行高灵敏度检测， 但是 由于悬臂梁使用的是不锈钢制作而成， 导致 不能在高频率下对痕量气体进 行高灵敏度检测， 进而使得谐振腔和缓冲室的长度和直径进 一步缩小受限， 使得整体的体积还需要 进一步优化。 [0003]在使用光声光谱技术对痕量气体进行检测系统中， 一般采光声池作为声波产生单 元。 现有的光声池分为两种， 一种是共振式的光声池， 一种是非共振式的光声池。 对于非共 振光声池的特点是体积小， 便携性比较好， 但是非共振光声池也有一些缺点， 最突出的缺点 是气体检测灵敏度与共振式光声光谱系统相差几个数量级。 共振式光声池优点是灵敏度很 高， 噪声抑制能力强但是共振式光声池的体积一般是非共振式光声池体积的几倍甚至成百 上千倍， 这样也限制 了共振式光声池的使用。 综上所述设计一种能与非共振式光声池的体 积相当， 又能实现对痕量气 体进行高灵敏度检测的共振式光声光谱气 体传感器具有重要的 应用价值。 发明内容 [0004]本发明为了解决上述问题， 提出了一种双共振增强型高灵敏度小型化共振式气体 传感器， 该气体传感器整体的体积与非共振传感器体积相当， 并且能实现痕量气体的高灵 敏度检测， 为小型化共 振式光声传感器提供了新的思路， 在光声光谱领域应用前 景巨大。 [0005]为实现上述目的， 本发明提供了如下 方案：说　明　书 1/4 页 3 CN 114965278 A 3