为了定量评估这些因素的影响，进行了基于扰动的研究，结果表明，速度和衰减的净变化是每种因素引起的扰动的总和[52,68]。波传播特性的净摄动可表示为[33,52,69,70]：

Δγk0=Δαk0−jΔvv0=∂γ∂mΔm+∂γ∂pmechΔpmech+∂γ∂peleΔpele+∂γ∂penvΔpenv

（2） 式中，γ（=α+jk；j=−1−1-−√是传播波的复传播系数，k0（k=2π/∧是与波长∧相关的波数）是未扰动状态下的波数。

在SAW化学传感器（图2）中，传播的表面波可以通过三种不同的方式与覆盖层相互作用：

（一）

覆盖层质量引起的传播速度变化：分子物种的吸收改变了覆盖层的质量，从而改变了表面波的速度[30,57,71,72,73,74,75]。

（二）

声电效应引起的传播速度或衰减的变化：表面波与从表面凸出的电场有关。覆盖层改变电场中储存的能量。储能的变化会改变电特性（电导率、介电常数等），从而改变传播速度。如果覆盖层具有有限的导电性（即电阻膜），则波会衰减，从而导致能量净耗散[52,76,77,78,79]。

（三）

粘弹性引起的传播速度变化：卵形层的粘弹性特性（弹性、粘度）会受到分子物种吸收的影响，从而在卵形层中产生应变。这种应变部分转移到基底上，从而影响波的传播[80,81,82,83,84,85]。

对于声学薄（厚度h<<∧）、非导电、非压电和各向同性层，Wohltjen等人[30]在1984年表示了由于层的质量和刚度变化引起的速度相对变化的方程，参考Auld的扰动分析[68]。1985年，Ricco等人[52]推导出了由导电薄膜引起的速度和衰减变化方程。由于声学薄膜、非压电薄膜和各向同性薄膜的相互作用而产生的净变化可以写成[30,52,68]：

Δvv0=−Cmf0hΔρ+Cef0hΔ[4μv20（λ+μλ+2μ）]−K22Δ[σ2sσ2s+v20C2s]

（3） 以及：

Δαk=−K22Δ[v0Csσsσ2s+v20C2s]

（4） 分别。这里，Cm和Ce是基底对质量和弹性的敏感系数，ρ、μ、λ和σs分别是薄膜的密度、剪切模量、体积模量和薄片电导率，Cs=ϵs+ϵ0（ϵs和ϵ0是基板及其上方介质的介电常数）是压电基板单位长度的电容。值得注意的是，Sauerbrey等人也解释了纯质量加载效应，并将其应用于BAW传感器[69]。1994年，Martin等人提出了基于微扰的声学厚层分析[85]。然而，对于较厚的地层，表面波的其他模式比瑞利波更有效[13,14]。

声波与质量和弹性发生机械相互作用，因此其速度与质量和弹性成线性变化。如式（3）所示，速度分别随质量和弹性载荷的变化而负向和正向移动。我们使用有限元分析（COMSOL 5.2）计算了在128°Y-X LiNbO3 SAW谐振器（f0=436 MHz）中，由于声学薄膜（h=200 nm；λ~9μm）和非导电聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）覆盖层的质量和弹性变化引起的共振频率偏移（Δf=f−f0），并观察了频率随质量和频率的偏移预期的弹性荷载（图3a）。另一方面，声电耦合使机械能得以储存和消散，因此产生的灵敏度不一定是线性的。图3b显示了波速和衰减的理论计算，作为声学薄覆盖层的薄板电导率的函数[52]。从图中我们可以看出，只有很窄的电导率范围才适合传感应用。

传感器17 00801 g003 550图3。（a） 有限元计算（COMSOL 5.2）一个128°Y-X LiNbO3 SAW传感器的共振频移作为一个200 nm厚的传感覆盖层（PMMA）的质量密度变化（Δρ/ρ）和杨氏模量变化（ΔE/E）的函数；（b）相速度和衰减作为一个传感覆盖层（Ricco）的归一化薄板电导率的函数等人[52]）。

对于声表面波化学传感器的发展，质量负载和声电效应已经得到了广泛的研究。Wohltjen和Dessy首次报道的SAW化学传感器基于质量负载[1,2]。他们制造了有或没有传感覆盖层（油脂、角鲨烯、邻苯二甲酸二正癸酯和20 M石蜡涂层）的ST-Quartz和LiNbO3 SAW器件，并将这些器件用作气相色谱分析各种极性和非极性化学物质的色谱检测器[2]。他们首先建立并测试频率、振幅和相位检测模式的测量系统，然后在振荡器电路中使用基于频率的技术来检测不同浓度不同化学物质的存在。他们工作的代表性结果如图4a所示，该图显示了道康宁970 V真空润滑脂涂覆的LiNbO3 SAW装置在增加邻氯甲苯蒸汽质量时的频率偏移[2]。在这项研究之后，Muller等人[86]立即制造了涂有聚氯乙烯（PVC）的SAW器件，并将其配置为基于质量负载检测丙酮蒸汽的振荡器。在这些最初的报告之后，其他几种SAW化学传感器在后来的几年中已经开发出来，使用质量负载作为主要的传感机制[30,57,71,72,73,74,75]。基于电导负载的实用声表面波传感器也已经实现并开发出来，用于检测和监测各种化学品[52,76,77,78,79,87]。1985年，Ricco等人[52]首次通过实验证明，传感层的导电性也可以作为气体传感的基础。他们在LiNbO3衬底上制备了镀有酞菁铅（PbPc）薄膜的NO2（in N2）声表面波传感器，并使用一层薄的Cr中间层隔离了电导率、质量和刚度对传感器响应的影响。他们观察到，当使用导电性作为主要的相互作用机制时，频率发生了很大的变化，而当将质量负载作为主要机制时，频率变化几乎可以忽略不计（图4b）。后来，其他研究小组（例如，Lec等人[88]、Fisher等人[89]）从理论和实验上证明，某些薄膜在暴露于气体时对波传播的影响可能比质量和粘弹性变化的影响大得多。使用质量负载和声电效应的化学传感器的发展及其传感应用将在后面的章节中讨论。

传感器17 00801 g004 550图4。（a） 声表面波化学传感器的频移是邻氯甲苯负载质量的函数（Wohltjen等人[2]）；（b）传感器响应NO2时PbPc传感层的质量分离和声电效应（Ricco等人[52]）。

在大多数已开发的声表面波传感器中，弹性载荷被忽略，即，假设传感层的机械性能被层-分析物相互作用最小程度地改变。然而，有一些研究表明，弹性载荷对声表面波气体传感有显著影响，特别是当使用粘弹性聚合物作为传感材料时[80,81,82,83,84]。1992年，Grit等人[81]首次证明，当暴露于气体中时，传感层的模量可以发生实质性变化，因此弹性载荷可以显著影响波的传播。当暴露于各种化学蒸汽时，他们显示了聚合物基传感层的膨胀诱导模量对传感器响应的很大影响。1995年，Falconer等人开发了一种涂有润滑脂的丙酮声表面波传感器，并根据润滑脂弹性特性的变化解释了传感器的响应[31]。同年，Anisimki等人评估了暴露于氢气时钯层的质量密度变化和弹性常数对表面波的影响[80]。1996年，Cheeke等人在传感蒸汽时，对聚XIOH薄膜的弹性性能做出了重大贡献[82]。为了定量评估弹性贡献及其与质量负载的分离，Hietala等人提出了一种方法，即使用两个基板或其他相同设备测量暴露于一定浓度气体时的频移[90]。他们制作了97mhz的ST-X石英和100mhz（001）切割的GaAs-SAW传感器，用微孔硅酸盐薄膜作为传感层，并将这些传感器暴露在干燥的甲醇中。他们观察到石英传感器的负频率变化表明质量负载占主导地位，而GaAs传感器的正频率变化表明弹性负载占主导地位。利用不同基底上相同传感层的频率变化，他们能够计算每个传感器中的弹性载荷和质量载荷的贡献。通过计算，他们发现暴露在气体中后薄膜的模量发生了很大的变化，这是由于孔隙和吸附质分子的大小相同所致。与这些研究不同的是，Shen等人在使用SH-SAW传感器感应NH3时，观察到聚苯胺（PANI）的弹性性能与质量负载相比贡献可忽略不计[83]。最近，Raj等人制备了一种氧化锌涂层的SAW-NH3传感器，并研究了其相对贡献他们观察到质量负载和弹性负载占主导地位，而声电效应对传感器响应的贡献非常小。基于粘弹性特性的声表面波化学传感器的开发还需要进一步的研究。

三。传感器特性

声表面波化学传感器的灵敏度、选择性、响应动力学、检测限、重复性和稳定性等特性取决于材料特性、器件设计、制造技术、工作频率和环境条件[91,92]。压电声表面波传感器在原理上提供超高灵敏度，快速响应，合适的尺寸和结构，并与其他技术兼容。然而，灵敏度、选择性、响应时间和其他决定声表面波传感器适用性的因素在很大程度上取决于传感层的特性[23,92]。

声表面波传感器可以检测浓度非常低的化学物质（~ppb水平）。灵敏度（以Hz/ppm、Hz/vol%或deg/ppm表示）取决于压电换能器特性、中心频率、传感层特性（例如，材料特性、厚度和表面粗糙度）和工作温度[19,23,30,75,93]。一些研究表明，它们的质量灵敏度（Δf/Δm）随着工作频率的平方而增加[30,75,93]。例如，Dickert等人的实验表明，当从80 MHz到1 GHz时，传感器灵敏度呈抛物线增长，噪声水平随中心频率呈线性增长[93]。传感层的厚度也是影响声表面波传感器灵敏度的主要因素[72]。在理想情况下，灵敏度随着厚度的增加而增加，但粗糙度、结晶度和厚度层硬度的变化对灵敏度有潜在影响[72]。例如，粗糙度增加会衰减声波，从而降低传感器的灵敏度。衬底温度对灵敏度也有很大影响。Venema等人制造了不同工作频率的LiNbO3 SAW传感器，用三种不同厚度的无金属PC膜涂覆，并在两种温度下工作以检测NO2气体（图5a）[72]。对于给定厚度的传感层，他们观察到在更高频率下工作的传感器具有更高的灵敏度。但是，在较低频率下工作且覆盖层较薄的传感器比在较高频率下工作且覆盖层较厚的传感器更敏感。同样，他们观察到在较高温度下对NO2的检测灵敏度较高。

传感器17 00801 g005 5505图5。声表面波气体传感器的灵敏度和选择性（Venema等人[72]）。

声表面波化学传感器的选择性完全取决于传感层的材料特性[16,76]。当声表面波传感器暴露于各种气体的混合物中时，它会以不同的方式吸收或与它们发生反应，因此传感器输出的强度对于每个组件都是不同的。Venema等人[72]采用PC涂层传感器（如上所述）选择性检测各种气体混合物中的NO2，其结果如图5b所示。该图清楚地表明，涂有适当材料的SAW传感器可用于选择性检测分析物。有大量的研究涉及到寻找最佳材料作为声表面波传感器的传感层，用于选择性检测各种气体和化学品[16,76,92]。

除了选择性外，可逆性和重复性还取决于传感层的材料性质及其与分析物的相互作用类型。如果相互作用是通过物理吸附进行的，只要有足够的时间进行平衡，就很有可能出现可逆和可重复的反应，但这种类型的相互作用会导致选择性较低的检测。另一方面，如果相互作用是通过化学吸附进行的，则由于化学键的形成和断裂，吸附的选择性相对较高，但可逆性相对较差。传感器的稳定性和再现性取决于所用材料的稳定性以及传感材料和压电基板之间的兼容性。如果基板和传感层之间的机械粘附力很强，并且薄膜不变形，则传感器可以持续更长的时间[7,92]。

层间分析物相互作用的速率和声表面波传感器的响应时间受几个因素的影响。在基于质量的传感层的情况下，声表面波传感器的响应和恢复时间主要取决于吸附质量扩散到薄膜、压电基片和薄膜表面的速率。具有较薄传感层的传感器通常具有更快的响应动力学。随着厚度的减小，气体扩散