化学蒸汽和气体用声表面波传感器

作者：Jagannath Devkota 1,2，*，Paul R.Ohodnicki 1,2，*和David W.Greve 1,3

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美国宾夕法尼亚州匹兹堡国家能源技术实验室，邮编：15236

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接收日期：2017年2月23日/修订日期：2017年3月30日/接受日期：2017年4月4日/出版日期：2017年4月8日

（本文属于基于声波谐振器的传感器的特刊）

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摘要

声表面波（SAW）技术具有被动和无线操作的固有优势，为气体和流体状态下的化学品传感提供了一个灵敏的平台。本文综述了Rayleigh波声表面波传感器在气相中化学物质传感方面的基本研究进展。特别地，我们回顾了对声表面波化学传感机理的一般理解、传感器特性的优化以及在不同条件下工作的传感器的发展。基于以前的文献，我们提出了一些适合于特定应用的传感方法，并确定了未来在这一领域进一步研究的新机会和需求。

关键词：声波；声电效应；叉指换能器；质量加载；压电效应；射频；传感层；粘弹性

1介绍

Wohltjen和Dessy在1979年介绍了用于化学传感应用的声表面波技术[1,2]。此后，基于这一技术的化学传感器不断受到研究和技术关注。声表面波传感器的重要优点包括超高灵敏度、卓越的响应时间、小尺寸、低成本、能够在有线和无线模式下工作、与现代制造技术兼容以及平面结构[3,4,5,6]。此外，在适当选择传感层、压电基片和叉指换能器（IDT）后，这些传感器具有优良的选择性、快速响应、可逆性、线性和稳定性[7,8]。这些传感器有望满足工业、军事、污染和排放控制、燃烧废气和其他学科对高性能化学传感器日益增长的需求，用于检测和监测各种无机气体、挥发性有机化学品（VOCs）和化学战剂（CWAs）等。

所有类型的声表面波传感器都依赖于声表面波传播特性的变化，这是由于波与表层或附近环境之间的相互作用[9,10,11,12]。这些波具有波长量级的穿透深度，因此大部分能量密度被限制在近地表区域。这使得波和基于它们的设备对表面或附近的任何物理或化学变化高度敏感。此外，声表面波器件的工作频率可以设置在一个很宽的范围内（MHz–GHz），这有助于调整灵敏度，并打开了在无线模式下操作这些器件的可能性。这个平台已经被用于感测多种物理量（如温度、压力和应力）、许多化学物质和生物实体[4,13,14,15]。

对于化学和生物传感，声表面波器件涂有一层合适的材料，如聚合物、金属和金属氧化物[16,17]。当暴露在外来分子中时，该层的质量、机械或电性能的任何变化都会干扰表面波，使设备能够用作传感器[18,19]。文献[4,8,13,16,17,19,20,21,22,23]综述了Rayleigh波声表面波器件的化学传感应用进展。基于其他表面波的传感器，如Love和剪切水平声表面波（SH-SAW）也被开发用于检测流体介质中的各种化学物质和生物实体。对声表面波传感器在液体介质中的应用感兴趣的读者请参阅[14,21,24,25,26]。本文简要介绍了瑞利波传感器的研究现状，讨论了瑞利波传感器在气相化学物传感方面的研究进展。

2基本概念

声表面波器件的核心思想是利用压电效应实现电能和机械能的相互转换[27]。这些装置的操作包括三个主要方面：（i）在压电材料中激发声波；（ii）在传播路径中调制波特性；（iii）成功探测。这个这些装置的操作包括三个主要方面：（i）在压电材料中激发声波；（ii）在传播路径中调制波特性；（iii）成功探测。表面弹性波的激发和探测可以用idt来实现，而传播特性是由于与许多物理或化学参数的相互作用而在其路径上被调制的。在化学传感应用的情况下，这些变化是通过暴露于外来化学物质时在其路径上涂覆的识别层的质量、粘弹性和导电性引起的[2,28,29,30]。这些变化可以通过实验检测到相应电信号的频率、相位和插入损耗，并与引起变化的量相关[1,9,31,32,33]。下面，我们将概述声表面波化学传感器的基本原理。

2.1. 瑞利波

瑞利波是一种表面弹性波，属于广泛的声波家族，类似于地震时地球表面的机械波[30,34]。这些波沿材料表面传播并指数衰减到材料的深度（穿透深度~1波长），因此它们的大部分能量密度局限于近表面区域。它们的传播速度略低于材料中横波的速度（约为电磁波速度的10-5倍）。传播介质中的粒子在纵向和剪切垂直方向上发生位移，使得波的传播沿着一条逆行椭圆路径[30]。1885年，瑞利勋爵首次在各向同性固体中描述了这些波[34,35]。1955年，Stoneley详细分析了它们在各向异性介质中的传播[36]。然而，直到1959年White和Voltmer[37]证明这些表面波可以很容易地在使用IDT的压电材料中产生之后，表面波才开始应用于电子设备[34]。

表面波还有其他几种变体，如SH-SAW、Love、Stoneley、Lamb和Leaky waves[30]。在声表面波中，传播介质中的粒子是水平位移而不是垂直位移。在层状结构中观测到Love波和Stoneley波，其传播速度与Rayleigh波不同。所有这些表面波都不同于在材料体上传播的体声波[38,39]。声波不同模式的传播特性是众所周知的，它们的应用已在许多学科中得到实现[14,39]。其中，基于瑞利模式的传感器被发现对许多量极为敏感。事实上，利用这些波已经开发出各种各样的传感器来检测和监测不同的量，如温度、压力、湿度、化学蒸汽和气体。然而，这些波通常不适合在液体介质中使用，因为与液体中的纵波耦合会造成巨大的声能损失，如Calabrese等人所观察到的[25,26]。或者，基于其他表面波（如SH-SAW和Love波）的传感器已成功应用于流体介质[21,24]。

2.2. 压电材料

1880年代，皮埃尔和保罗·雅克·居里（Pierre and Paul-Jacques-Curie）证明了一些各向异性材料在外部机械应变（压电效应）或外部电场（反向效应）下的机械应变下可以产生电极化[40,41]。材料中这种机电转换的效率通过其机电耦合系数K2=e2/cε来测量，其中e、c和ε分别是给定传播方向上材料的压电耦合、刚度和介电系数。

具有大K2和零温度频率系数（TCF）的材料是研制SAW化学传感器的理想材料。K2的低值导致波的大衰减和电声能量的差转换。类似地，强烈的温度依赖性可能导致与化学变化无关的中心频率的变化。基板材料及其晶体切割和取向（即轴旋转）影响这些和其他参数，如偏振（瑞利、SH-SAW、兰姆、洛夫等模式）、速度和激发波的功率流角[24,42,43,44,45]。例如，瑞利波在Y-Z LiNbO3（其中Y-Z代表Y切割，Z传播）和128°Y-X LiNbO3衬底中激发，而SH-SAW显示在64°Y-X LiNbO3和36°Y-X LiTaO3中激发和传播[24,30,46]。类似地，在均匀半无限介质中，只有瑞利模式易受表面波传播的影响[47]。另一方面，即使在Y-zlinbo3和128°Y-xlinbo中都能激发瑞利波