在化工、医药、食品等众多工作领域中，液体浓度的测定具有重要意义，因此对溶液浓度快速、准确地测定十分必要。目前液体浓度的检测方法有很多，但大多都是从化学或物理的某一性质对其进行检测，具有一定的不确定性及误差，并且这些方法并不快速便捷。近年来研究人员已经提出了许多的声学生物化学传感器来检测流体声学特性的微小变化，以此来确定溶液的浓度。

近日，兰州交通大学功能新材料高压物性研究所研究了用于液体浓度传感的声子晶体，设计了一种工作频率在25 — 45 kHz的高品质因子、高灵敏度的用于感测丙酮溶液的二维板状声子晶体传感器模型，该模型参考准晶结构和梯度腔结构设计了用于填充溶液的空腔。通过梯度腔结构和准晶结构排列单胞，使声能量可以更好的在待测溶液处汇聚。该传感器在25 kHz — 45 kHz的频率范围内对丙酮溶液1 — 100% 浓度做出了区分并获得了优异的传感性能，其中品质因子达到61438.09，灵敏度达到了80,166.67 Hz。

图1 声子晶体传感器模型设计示意图

为了验证声子晶体传感器对其他溶液的适用性，还计算了传感器对声速和密度的灵敏度。以水为基准分别增加1 — 5% 的声速和密度计算了各个增量对应的谐振频率，计算结果如图2所示。从图2中观察到谐振频率随声速和密度的增加而增加，声速增加1% 频率偏移364 Hz，密度增加1% 频率偏移7.49 Hz。经过计算发现该传感器对声速的灵敏度达到24.58 m^-1，对密度的灵敏度为0.7764 m³/(kg·s)。只有当待测溶液的阻抗与基板边界的阻抗匹配时，才能发射特定频率的声波。边界的阻抗与待测溶液的声速和密度的乘积成正比，并与边界处基板的表面密度和频率的乘积成正比。因此，当声速或密度增加时，传播的声波频率也会增加。结果表明，声子晶体传感器可以在 1% 的声速和密度变化时进行辨别，充分说明了该传感器具有感测其他溶液以及分辨溶液浓度的能力。

图2 以水为基准，声速和密度增加1-5%所产生的各共振频率的关系

该成果的第一作者为兰州交通大学2020级硕士研究生方添寅同学，指导老师为孙小伟教授，该成果被Scientific Reports杂志接收发表。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-023-34226-4

Tian-Yin Fang, Xiao-Wei Sun*, Xiao-Dong Wen, Yun-Xia Li, Xi-Xuan Liu, Ting Song, Yu-Zhe Song, and Zi-Jiang Liu， High-performance phononic crystal sensing structure for acetone solution concentration sensing, Scientific Reports 13 (2023) 7057.