支持回音壁模式(WGM)的微腔谐振器由于具有超高的Q因子和非常小的模式体积而多年被用作高灵敏度传感器,例如,微球,微盘或微环,已经报道了各种各样的应用,即温度和生物化学传感。由于介电材料本身充当微腔,其中光通过连续的全内反射而被束缚。这些器件的光学品质因子大于105,基于WGM的微腔传感器通常提供较高的分辨率,这已被用于单个纳米粒子的检测。近十几年来,一种相对较新的WGM谐振器,即微泡,由一个薄球壳组成,可以支持回音壁模式,与传统的固体WGM谐振器相比,微泡不仅继承了固体谐振器的许多特性,传感还可以发生在结构的内表面,而WGM仍然可以通过倏逝场由外部耦合器(例如锥形光纤)激发。由于其薄壁的结构,光学模式产生强烈的倏逝场,其内表面与外表面相互作用。当微泡的芯内充满适当的流体时,大部分的光学模式会受到周围折射率变化的极大影响。这形成了非常敏感的微流体传感的基础。目前基于光纤测量的二氧化碳(CO2)气体传感器尚存在一些不可避免的缺点,例如,灵敏度低,响应时间太长以及检测范围小等。因此,我们需要探索一种克服以上缺点且结构简单易制造的二氧化碳气体传感器,比如利用WGM微泡和固体聚苯乙烯(PS)微球。在本文中,我们提出了两种不同结构的高灵敏度CO2气体传感器,分别以WGM微泡和PS微球为研究对象。第一种传感器,基于聚合物PHMB涂覆微泡内壁实现高灵敏度CO2气体传感;第二种传感器,基于聚合物材料功能化的PS微球集成于微流芯片的CO2高灵敏度气体传感器;并分别对其进行了实验验证。具体的研究工作可以总结如下两个方面:(1)我们提出了一种基于PHMB涂层的WGM微泡谐振器的CO2气体传感器,并进行了实验验证。首先,我们采用加热加压的方法使用聚焦在微毛细管上的两个反向电弧放电制造微泡;通过填涂和烧结工艺将微泡内壁涂覆一层PHMB;利用显微镜图像与扫描电子显微镜图像(SEM)共同表征WGM微泡;透射光谱通过与锥形光纤耦合得到,观察到典型的WGM谐振,分析了其Q值与FSR的变化规律。然后,基于WGM谐振形成的特点,提出了随着WGM微泡芯的有效折射率的改变,WGM谐振会发生偏移的观点;将不同浓度的CO2注入微泡谐振器中,观察光谱变化。实验结果表明,随着二氧化碳浓度增加,WGM谐振光谱出现蓝移。另外,在200-700ppm的测量范围内获得了0.46 pm/ppm的高灵敏度和良好的线性关系。通过使用COMSOL Multiphysics建立微泡壁内谐振波长的电场分布模拟,改变壁厚,从理论上验证了几乎没有光向内壁表面延伸。最后,将不同浓度的气体注入微泡中,探究传感器的动态响应并准确估计其响应与恢复时间;换用不同类型的气体分别注入微泡验证其选择性;以及相同浓度不同时间段检测,观察其重复性和稳定性。该CO2传感器具有灵敏度高,结构简单,易制造,成本低等优点。通过使用具有更高品质因数和较深消光比的微泡谐振器,优化功能层的厚度,并且优化操作方法调整微泡波导的尺寸以实现光学模式与功能层之间的更强的相互作用。(2)我们将涂覆有PHMB材料的染料掺杂PS微球固定在由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作的微流芯片中,提出了一种新型结构的CO2气体浓度传感器,并进行了实验验证。在实验中,通过显微镜透镜聚焦方法,将脉冲激光通过透镜聚焦到微流芯片表面,穿过芯片激发到微球表面,微球会产生的典型的WGM激光。通过向芯片内注入不同浓度的CO2气体,WGM激光波长会发生实时变化,实验结果结果得到了 7.36 pm/ppm的较高灵敏度(对于模式TE2041)。同时,实验测出了微流二氧化碳气体传感器可逆且重复性优良,在相对较长时间内,灵敏度几乎保持不变。从气体进入通道开始到WGM激光波长发生变化的时间,即为传感器的响应时间,约为25s。实验中的研究可以作为概念的证明,并且可以扩展到更高质量的WGM微腔气体传感领域。