悬浮纳米膜硅微盘传感器：实现无交叉敏感性、高浓度、大动态范围的CO2检测

为解决硅基微谐振器因高热光系数导致的温度交叉敏感问题，天津大学团队设计了一种悬浮纳米膜硅（SNS）微盘传感器，通过解耦双共振模式的波长偏移，实现了10-100% CO2浓度范围内2.58%的相对误差检测，为工业及食品保鲜领域的高稳定性气体传感提供了新方案。

　　

在食品保鲜和工业焊接等领域，高浓度二氧化碳（CO₂）的精准监测至关重要。传统硅微环谐振器（MRR）虽具备高灵敏度，却因硅材料的热光效应（thermo-optic coefficient）导致温度交叉敏感，即使使用热电冷却器（TEC）控温仍难以消除误差。这一瓶颈严重限制了其在动态环境中的应用。

天津大学的研究团队提出了一种创新解决方案——悬浮纳米膜硅（Suspended Nanomembrane Silicon, SNS）微盘传感器。该器件通过70 nm超薄硅层和2 μm埋氧层（BOX）的悬空结构，结合亚波长光栅（SWG）包层总线波导，实现了双TE模式（Q因子分别为1.7×10⁴和1.5×10⁴）的独立波长偏移解耦。研究发现，两种模式对CO₂的灵敏度分别为0.14 pm/%和0.20 pm/%，对温度的响应则为71.25 pm/℃和63.09 pm/℃，通过矩阵运算成功将CO₂检测相对误差控制在2.58%。这项发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》的工作，为提升片上微谐振器气体传感器的温度鲁棒性提供了新范式。

关键技术包括：1）电子束光刻与深反应离子刻蚀制备SNS器件；2）氢氟酸溶液选择性蚀刻BOX层形成悬空结构；3）基于TE模式有效折射率（n_eff）变化的双参数传感模型。

双参数传感原理与器件仿真
通过COMSOL模拟显示，SNS微盘的双TE模式共振波长（λ_res）对CO₂浓度和温度呈线性响应，其灵敏度矩阵的条件数低至1.13，证明了解耦可行性。

器件表征与传感实验
伪彩色SEM图像证实了器件的悬空结构，实验测得10-100% CO₂浓度范围内共振波长偏移量达14 pm（Mode 1）和20 pm（Mode 2），温度交叉验证误差小于3%。

结论
该研究首次在单一谐振器中实现CO₂与温度的双参数解析，其大动态范围（90%浓度跨度）和2.58%的误差精度，显著优于传统MRR传感器。Qiyue Lang等作者指出，这种设计可扩展至其他气体传感领域，为工业过程监控和智能包装提供了更可靠的检测工具。