В HIT создали керамический камертон в форме ветряка с лимитом детекции метана 19 ppb
Прототип многоэлементного пьезосенсора достиг предела обнаружения 0,87 ppb по девиации Аллана благодаря синхронному резонансу и четырехпроходной оптике.
Исследовательская группа из Харбинского политехнического института совместно с Институтом полупроводников Китайской академии наук и Барийским политехническим институтом разработала многоэлементный пьезокерамический камертон сложной геометрии (WMPCTF) для спектроскопии метана, о чем сообщил журнал Opto-Electronic Science doi.org
Opto-Electronic Sciencedoi.orgОткрыть источник ↗. Прототип датчика на основе пьезокерамической фотоакустической спектроскопии продемонстрировал минимальный предел обнаружения метана 19 ppb при оптической мощности 300 мВт.
Многоэлементная топология и суммирование заряда
Традиционные кварцевые камертоны ограничены низким пьезоэлектрическим коэффициентом кварца и кристаллографической анизотропией, мешающей созданию сложных многолучевых форм. Авторы применили поляризованную по толщине поликристаллическую пьезокерамику, обладающую эквивалентными электромеханическими свойствами в ортогональных плоскостях. Это позволило объединить четыре пары зубцов в симметричную конструкцию типа «ветряк» с общей центральной зоной.
Конечно-элементное моделирование показало, что синфазные колебания четырех звеньев генерируют суммарный заряд 118,5 нКл против 31,5 нКл у стандартного керамического камертона, что дает прирост в 3,76 раза. Эксперименты подтвердили однородность резонансных частот и согласованность фотоакустического отклика между всеми звеньями структуры.
Оптическое усиление и микрорезонаторы
Для усиления акустического сигнала камертон совместили с четырьмя парами акустических микрорезонаторов и четырехпроходной оптической системой возбуждения doi.org
Opto-Electronic Sciencedoi.orgОткрыть источник ↗. По сравнению с однопроходным WMPCTF без резонаторов такая схема обеспечила увеличение полезного сигнала примерно в 453 раза, а соотношения сигнал/шум — в 394 раза.
Оптическую мощность накачки увеличивали с помощью рамановского волоконного усилителя. По данным авторов, сенсор показал линейный отклик на концентрацию газа, а анализ девиации Аллана зафиксировал предел чувствительности 0,87 ppb при времени накопления сигнала около 760 секунд.
