基于互补叉指悬臂增强型法布里-珀罗声传感器的光声光谱检测技术研究

针对痕量气体检测中声压传感灵敏度不足的瓶颈问题，研究团队创新性地开发了基于互补叉指(CID)悬臂的法布里-珀罗(F-P)光纤声传感器(FOAS)。该传感器在1010 Hz共振频率下灵敏度达923.7 nm/Pa，信噪比72.2 dB，最小可检测压力16.4 μPa/Hz1/2，成功应用于C2H2气体检测(灵敏度3.02 pm/ppm，检测限30.17 ppb)，为光声光谱(PAS)系统提供了高性能传感解决方案。

　　

在痕量气体检测领域，光声光谱技术(PAS)因其高灵敏度和选择性成为研究热点，但其性能瓶颈在于声波传感器的灵敏度不足。传统法布里-珀罗(F-P)光纤声传感器(FOAS)受限于圆形边缘固定结构，难以兼顾尺寸与灵敏度。更棘手的是，常规悬臂梁需通过改变整体尺寸调节共振频率，这在实际应用中往往不可行。针对这些挑战，东北大学的研究团队在《Photoacoustics》发表了一项创新研究，提出基于互补叉指(CID)悬臂的F-P传感器，通过独特的结构设计实现了性能突破。

研究团队采用有限元分析(FEA)优化CID悬臂参数，结合非零填充快速傅里叶变换(FFT)解调算法，开发出新型光纤声传感器。关键技术包括：1）通过激光标记技术制备15 μm厚不锈钢CID悬臂；2）建立基于欧拉-伯努利梁理论的振动模型；3）采用SLED光源和F-P干涉解调系统；4）集成三阶圆柱形光声腔(共振频率980 Hz)进行C₂H₂气体检测实验。

1. 1.

   CID悬臂理论分析与优化

   通过建立CID悬臂的振动模型，发现其变形与杨氏模量成反比。仿真表明，当结构组数S=2时灵敏度最佳，调整叉指间距d和组间距D可实现频率调谐。优化后的CID悬臂(2.35×1.6 mm)相比传统矩形悬臂，灵敏度提升1.9倍。

2. 2.

   传感器性能表征

   实验测得CID悬臂共振频率1010 Hz，对应灵敏度923.7 nm/Pa，信噪比72.2 dB。在0-0.5 Pa声压范围内线性度优异(R2=0.99782)，最小可检测压力达16.4 μPa/Hz^1/2。方向性测试显示全向响应均匀(0.78-1.0)。

3. 3.

   PAS系统气体检测应用

   集成CID传感器的PAS系统对C₂H₂的检测灵敏度为3.02 pm/ppm(20-100 ppm)，通过Allan偏差分析获得30.17 ppb的检测限。系统采用DFB激光器(490 Hz调制)和800 mW光纤放大器，验证了传感器与光声腔的频率匹配优势。

该研究通过CID结构创新实现了悬臂性能的突破：叉指布局在保持尺寸不变的前提下，通过局部刚度调节同时优化了灵敏度与共振频率。相比银膜、金膜等传统传感材料，不锈钢CID悬臂在1 kHz下展现出更优的声压灵敏度(923.7 vs 63.7 nm/Pa)。研究不仅为PAS系统提供了高性能检测方案，其结构设计思路更可拓展至医疗诊断、工业过程控制等领域。未来通过采用低杨氏模量材料(如聚合物)，有望进一步突破性能极限。