高精度、低成本地檢測空氣中溫室氣體的含量是環境保護的迫切需求。聲子晶體（PnC）作為一種新穎的傳感器技術，特別適用于高性能傳感應用。

聲子晶體是一種由兩種或兩種以上的材料組成的人工周期結構。這些材料在質量密度、彈性特性以及聲速等方面具有差異。聲子晶體復合結構可用于溫室氣體傳感，這是由于氣體混合物中的聲速會根據其成分而變化，因此聲子晶體可作為聲學氣體傳感器，實現無前置時間、低成本的傳感應用。

據麥姆斯咨詢報道，近期，沙特阿拉伯納季蘭大學（Najran University）和埃及班尼蘇維夫大學（Beni Suief University）的研究人員對周期性和斐波那契準周期性聲子晶體結構在二氧化碳（CO2）傳感應用中的有效性進行了研究，提出周期性聲子晶體氣體傳感器可以高精度地檢測空氣中的CO2含量，其濃度靈敏度可達31.5 MHz。相關研究成果以“A promising ultra-sensitive CO2 sensor at varying concentrations and temperatures based on Fano resonance phenomenon in different 1D phononic crystal designs”為題發表在Scientific Reports期刊上。

基于周期性結構的一維聲子晶體氣體傳感器結構示意圖

利用聲子晶體設計作為氣體傳感器并將其用于檢測溫室氣體（例如CO2）被認為是一種創新的策略，其重點是通過聲子帶隙記錄Fano共振模式的最佳位移。

在這項研究工作中，由于傳感器的制備采用了一維多層結構，因此在理論和實驗上都很容易制備實現一維聲子晶體氣體傳感器。該傳感器使用的是含鉛和環氧樹脂等低成本材料，可以在高壓和高溫等苛刻條件下運行。此外，它不涉及復雜的電子元器件。

研究人員采用了兩種聲子晶體設計（周期性和斐波那契準周期性），在各種濃度范圍（0 ~ 100%）和溫度范圍（0 ~ 180°C）內檢測了周圍空氣的CO2含量。檢測過程在物理層面上取決于Fano共振模式的位移。研究人員分別驗證了周期性和準周期性（S3、S4序列）結構傳感器的性能。結果表明，周期性聲子晶體的性能更加優異，其靈敏度為31.5 MHz，質量因子（Q）以及品質因數（FOM）分別為280和95。此外，還研究了溫度對Fano共振模式位置的影響。結果表明，在0 ~ 60℃的溫度范圍內，其溫度靈敏度為13.4 MHz/°C。

周期性和準周期性（S3、S4）聲子晶體結構對室溫下CO2氣體濃度的靈敏度

溫度對周期性和準周期性（S3、S4）聲子晶體結構靈敏度的影響

90°C溫度下周期性和準周期性（S3、S4）聲子晶體結構的質量因子、品質因數和半峰全寬

這項研究工作為CO2檢測提供了一種簡單的策略，所提出的基于Fano共振的周期性聲子晶體氣體傳感器可用于高精度地檢測空氣中的CO2含量，其濃度靈敏度可達31.5 MHz，其材料可現成獲取且無需電子元器件，易于制作且具有成本效益。此外，該氣體傳感器還可以檢測其它溫室氣體，未來有望用于多種工業和生物醫學應用。

審核編輯：劉清