传感技术作为信息技术的一大领域,承担着信息世界连通现实世界的任务。其中气体传感器和颗粒物传感器随着近年来空气污染形势的加剧逐步走入人们的视野,走向千家万户。同时,伴随着消费电子的发展,这两类传感器都在向着微型化、集成化、便携式方向发展。针对微型气体传感器,论文结合现今发展比较迅速的硅基光子器件,在成熟的检测理论支持下,开展了广泛的研究,并在硅基平台上实现了高性能的传感。针对小型颗粒物传感器,考虑现有传感器存在的普遍问题,结合市场需求,研究了两种不同的基于激光散射原理的传感器,并通过实验测试验证了传感器的高性能。论文的主要研究内容及成果如下:1、提出了一种基于微环谐振器和超低损耗长波导的集成微型硅光气体传感器。该传感器主要由两部分组成:微环谐振器型的梳状滤波器和低损耗长波导的光学敏感区。该传感器基于倏逝场吸收理论,利用微环滤波器产生与气体吸收峰相对应的窄光谱带,来检测目标气体的浓度。较之于传统的需要外接滤波器的光学气体传感器,该传感器由于采用了微纳加工技术,具有体积小、成本低、可大批量生产的优势。此外,由于该传感器通过光谱吸收技术实现传感,因此在保证高灵敏度的同时还具有较好的气体选择性(气体的吸收光谱有特异性)。论文针对该传感器的研究工作主要集中在设计光学敏感区,仿真研究了槽型长波导敏感区的结构和理论计算,结果表明,在槽波导结构上,SiO2、Si3N4、Si三种材料能实现的最佳EFR分别约为49.9%、53.9%、62.4%;在此基础上以用于甲烷传感为例,15cm长的波导上传感器能实现的最佳分辨率分别约为:25.6ppb、23.7ppb、20.5ppb。2、提出了一种基于密闭槽波导结构(槽区完全封闭)的微量样本气体传感器。不同于传统的开放槽结构(槽区与周围环境直接接触),该传感器的核心敏感区采用多层沉积技术在整个波导上层覆盖了一层SiO2,由此在整个波导中间形成了一个既可以做敏感区又可以做气室的密闭空间。芯层材料选择Si时,通过仿真优化和理论计算,当槽区宽度为40nm、高度为400nm时能得到最佳EFR—27%。在此基础上,以甲烷传感为例,在1645nm的工作波长下,3cm长的敏感区能实现的最佳分辨率约为44ppb,此时所需样本体积仅为480μm3。如此小的样本需求,使得该传感器可以满足一些特殊的微量样本检测需求,比如检测细胞、微生物的代谢气体等。3、提出了一种基于高透明“U”型玻璃通道的颗粒物传感器。该传感器中气路完全被限制在“U”型透明玻璃管中,不仅有效地避免了颗粒物沉积导致的传感器性能恶化,而且易于维护,增加传感器的工作寿命。文中首先通过光线追迹的方法证实了该传感器结构的有效性,并利用Mie散射模型分析出传感器接收到的散射光强与颗粒物的浓度呈线性关系。最后通过实验对该传感器进行了验证。实验结果表明,对于PM2.5能实现的最低可探测浓度约是9.8μg/m3,该值低于WHO建议的24小时PM2.5平均浓度上限(25μg/m3),因此完全满足室内空气质量检测的需求。4、提出了一种基于复合抛物面集光器的适用于亚微米级颗粒物监测的传感器。该传感器利用复合抛物面集光器来收集超大散射角范围内的散射光,从而提高该类传感器对亚微米级颗粒物监测的能力。论文通过分析不同大小颗粒物的散射特点,发现颗粒物越大,散射光越强,越集中向前向传播。基于此特点,针对亚微米级颗粒物(比如PM1)监测,通过数值计算和模拟仿真确定了接收角为20°,出射端口直径为4.5mm,长9mm的复合抛物面集光器结构。最后通过精密机械加工实现了该结构,并将其用于颗粒物传感中对亚微米级颗粒物实验实现了 7.9μg/m3的分辨率,其核心光学区的体积仅有11mm(高)×25mm(直径)。