Differential Photoacoustic CO 2 Gas Detection with Two Commercial MEMS Microphones

Het detecteren van onzichtbare gassen in de lucht is een taak die essentieel is geworden voor alles, van het monitoren van ons veranderende klimaat tot het waarborgen van de veiligheid op industriële werkplekken. Wetenschappers vertrouwen al lang op optische methoden om deze sporen van stoffen te identificeren, waarbij ze licht gebruiken om de unieke "vingerafdrukken" te vinden die door specifieke moleculen worden achtergelaten. Eén bijzonder elegante benadering, bekend als fotoakoestische spectroscopie, zet licht om in geluid. In plaats van te meten hoeveel licht een gas absorbeert, meet deze techniek de minuscule geluidsgolven die het gas creëert wanneer het dat licht absorbeert. Wanneer een lichtstraal wordt afgestemd op een specifieke kleur waar een gas graag van "drinkt", en die straal snel aan en uit wordt geschakeld, warmt het gas op en koelt het weer af in een ritme. Dit ritmische opwarmen zorgt ervoor dat het gas uitzet en krimpt, wat een zwakke drukverandering veroorzaakt — een geluid — dat kan worden opgevangen door een gevoelige microfoon. De uitdaging voor onderzoekers is altijd geweest om deze apparaten klein genoeg te maken om draagbaar te zijn, terwijl ze gevoelig genoeg blijven om de fluistering van een enkel gasmolecuul te horen te midden van het gebrul van achtergrondruis.

Een team onderzoekers van het Harbin Institute of Technology en het Instrumentation Technology and Economy Institute heeft een nieuwe manier ontwikkeld om dit probleem op te lossen, door een compact systeem te creëren dat koolstofdioxide met opmerkelijke helderheid beluistert. Hun oplossing behelst een slimme opstelling van geluidskamers en twee standaard microfoons die samenwerken als een team. Stel je een apparaat voor met twee parallelle tunnels, of akoestische kanalen, die aan beide uiteinden verbonden zijn door grotere, stille kamers die buffervolumes worden genoemd. Wanneer een laserstraal door slechts één van deze tunnels schijnt, warmt het gas binnenin op en creëert het een geluidsgolf. Omdat de twee tunnels perfect overeenkomen en met elkaar verbonden zijn, duwt de geluidsgolf in de eerste tunnel de lucht in de tegenovergestelde richting in de tweede tunnel. Dit creëert een situatie waarin het geluid in het ene kanaal exact het tegenovergestelde is van het geluid in het andere. Door een microfoon in elk kanaal te plaatsen en de ene signal van de andere af te treken, kunnen de onderzoekers alle willekeurige, gemeenschappelijke ruis die beide microfoons evenveel beïnvloedt wegfilteren, terwijl het specifieke geluid van het gas juist optelt en luider wordt.

De onderzoekers bouwden deze "differentieel fotoakoestische cel" met behulp van nauwkeurige engineering om ervoor te zorgen dat de twee kanalen zich als spiegelbeelden van elkaar gedragen. Ze kozen dimensies die ervoor zouden zorgen dat het gas resoneert, of trilt, op een frequentie van ongeveer 5260 hertz, een toonhoogte waarbij achtergrondruis van nature laag is en hun gekozen microfoons het beste werken. Om hun ontwerp te verifiëren voordat ze het bouwden, voerden ze computersimulaties uit die in kaart brachten hoe de drukvergeldingen zich binnen de cel zouden bewegen. Deze simulaties toonden aan dat de druk in het ene kanaal inderdaad exact het tegenovergestelde zou zijn van de druk in het andere kanaal, wat bevestigde dat hun aftrekmethode zou werken. Toen ze de fysieke cel bouwden en testten, kwamen de resultaten nauw overeen met hun voorspellingen; de echte cel resoneerde op 5260 hertz, net iets hoger dan hun gesimuleerde schatting van 5164 hertz. Het apparaat bewees een robuuste versterker te zijn voor de minuscule geluiden die door het gas worden gegenereerd.

Om te zien hoe goed dit systeem werkte, testte het team het met koolstofdioxide, een gas dat cruciaal is om te monitoren voor zowel milieu- als veiligheidsredenen. Ze introduceerden lucht met variërende hoeveelheden koolstofdioxide, variërend van zeer lage niveaus tot hoge concentraties, en lieten een laserstraal door de cel schijnen. Terwijl het gas het licht absorbeerde, pikten de microfoons de resulterende geluiden op. De onderzoekers ontdekten dat het systeem reageerde met een gestage, voorspelbare toename van het signaal naarmate de hoeveelheid koolstofdioxide toenam. Over een breed bereik van concentraties, van 1.000 tot 50.000 parts per million (ppm), was de relatie tussen de hoeveelheid gas en het geluidssignaal bijna perfect. In het lagere, moeilijkere bereik van 1.000 tot 10.000 ppm was het systeem zelfs nog preciezer, waarbij het een rechte lijn-respons vertoonde die op een hoge betrouwbaarheid wees. De gevoeligheid van het apparaat was zodanig dat voor elke part per million koolstofdioxide die werd toegevoegd, het elektrische signaal van de microfoons met een minuscuul maar meetbaar bedrag toenam.

De ware kracht van dit nieuwe ontwerp werd duidelijk toen de onderzoekers het vergeleken met een traditionele, enkelvoudige kanaalversie van hetzelfde apparaat. In een standaardopstelling luistert slechts één microfoon naar één tunnel. Toen ze dezelfde tests uitvoerden met een enkel kanaal, was het signaal ongeveer half zo sterk en was de relatie tussen de gasconcentratie en het signaal iets minder consistent. Door de tweekanaals differentiele aanpak te gebruiken, slaagden de onderzoekers erin het signaal dat ze zochten effectief te verdubbelen, terwijl ze tegelijkertijd de achtergrondruis elimineerden. Dit stelde hen in staat om veel kleinere hoeveelheden gas met grotere zekerheid te detecteren. Wanneer ze het systeem een lange tijd lieten draaien om de stabiliteit te controleren, ontdekten ze dat het apparaat na ongeveer 100 seconden van luisteren betrouwbaar koolstofdioxide kon detecteren op niveaus zo laag als 14,3 parts per million. Dit niveau van gevoeligheid, bereikt met commercieel beschikbare microfoons en een compact ontwerp, suggereert een veelbelovend pad voor het creëren van kleine, betaalbare en uiterst nauwkeurige gassensoren die gebruikt kunnen worden in een breed scala aan omgevingen, van industriële veiligheidsmonitoring tot medische ademanalyse.