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測量。測量系統的漂移或不穩定性可以通過使用高分辨率儀器和與電子設備的仔細集成來解決。同樣，可以通過設計一個測量系統來消除剩磁的漂移。例如，Muller等人在使用SAW傳感器檢測NO2時演示了一種消除這種漂移的循環測量技術[127]。
最近，人們努力集體解決各種漂移問題。例如，Wen等人[128]制造了一種具有WO3涂層的雙軌聲表面波傳感器，該傳感器對小濃度的NO2氣體具有良好的響應特性。他們能夠檢測到低至0.5 ppm的NO2氣體，具有良好的重復性和穩定性。他們聲稱這種配置可以消除外部擾動，抑制體波，改善旁瓣抑制，從而改善傳感器的響應。然而，為了有效地用作化學傳感器，需要將設備對溫度、應變、不需要的化學品和濕度等參數的交叉干擾最小化。
4.3. 應用
通過與傳感層的優化集成，SAW設備平臺對于幾乎任何分析物都是非常靈活的。大量的氣體，化學蒸汽和CWA已經被檢測和監測使用這個平臺。基于質量負載的早期聲表面波傳感器（例如，Bryant等人[28,91]，D'Amico等人[103]，Venema等人[72]）被開發用于檢測H2、SO2和NO2等氣體。Bryant等人[28]在1981年使用一組SAW傳感器檢測SO2氣體，并將其檢測靈敏度與BAW傳感器進行了比較。他們發現，與基于BAWs的相應傳感器相比，SAW化學傳感器的靈敏度至少高出一個數量級（能夠檢測到小于70ppb的SO2）。D'Amico等人[103]在1982年通過在76mhzy-zlinbo3上涂覆鈀（Pd）傳感層在室溫下工作，開發了第一個h2saw傳感器。1986年，Venema等人展示了使用聚合物涂層SAW傳感器從混合氣體中選擇性檢測NO2的方法[72]。類似地，基于電導負載的傳感器（例如，Ricco等人[52]、Lee等人[129]和Fisher等人[89]）也用于檢測各種氣體，包括H2、SO2和NO2。Lee等人于1998年開發了一種54 MHz LiTaO3雙延遲線聲表面波傳感器，通過涂覆硫化鎘（CdS）膜來監測SO2氣體[129]。該傳感器給出了一個與二氧化硫濃度成比例的頻移，這是根據傳感層的質量和暴露在氣體中時的電場變化來解釋的。2010年，Fisher等人開發了一種使用Pd涂層的H2聲表面波傳感器，并研究了聲電、質量和剛度效應對聲表面波速度和衰減的影響[89]。他們發現傳感器的速度和衰減在很大程度上取決于薄膜的電導率變化，而不是質量和暴露于氫氣后的彈性變化。
隨著時間的推移，許多基于瑞利波的聲表面波傳感器已被開發用于檢測一系列化學品（氣相），包括H2[102103]、H2S[31,94]、SO2[129]、N2[52]、NO[105]、NO2[111127130]、NH3[131132]、CO[104]、CO2[32130]、CH4[133]、O2[29134135136]和O3[137]。類似地，濕度[9]和許多有機蒸汽，如甲醇[138]、乙醇[139]、丙酮[31]、苯乙烯[140]、甲基膦酸二甲酯（DMMP）[95]也使用這些傳感器進行了檢測。通過合適的聚合物涂層，傳感器也被用于探測各種爆炸性化學品[141142]。許多研究小組致力于開發用于同時檢測化學品的聲表面波傳感器陣列[95130138139143144145]。在高溫和惡劣環境下操作傳感器也取得了進展[29146147148149]。表2列出了文獻中用于在不同條件下檢測各種氣體或化學蒸汽的一些聲表面波傳感器。下面，我們將討論這些傳感器在惡劣環境和傳感器陣列應用方面的一些進展。
表2。在聲表面波延遲線（DL）和諧振器（Res）傳感各種化學蒸汽和氣體的選定出版工作。
表
4.3.1. 惡劣環境用聲表面波傳感器
聲表面波傳感器的一個重要優點是能夠在無線模式下工作。它們可以作為無源轉發器工作，利用射頻電磁信號遠程激發和接收聲波（圖8a）。這種能力使SAW傳感器能夠在高溫、高壓和有毒環境等極端條件下工作。這有利于檢測汽車、內燃機、礦山和石油工業中產生的化學物質。在使用無線聲表面波傳感器探測不同氣體（如CO2、NH3、NO2）方面取得了一些進展，如Thiele等人[148]、Lim等人[130]和Wen等人的傳感器2007年，Wen等人[67]開發了一種中心頻率為440 MHz的無線聲表面波反射延遲線，涂有聚四氟乙烯AF作為傳感器層，并演示了使用矢量網絡分析儀遠程檢測CO2氣體。他們發現靈敏度為1.98°/ppm，在0–450 ppm濃度范圍內具有良好的線性和重復性。他們還能夠研究溫度和濕度對無線模式下感知二氧化碳的影響。2011年，Lim等人制造了一個類似配置的無源傳感器，用于在同時測量溫度的同時遠程檢測CO2和NO2[130]。類似地，Xu等人[57]制造并使用了反射延遲線無線SAW傳感器，用于在25℃下檢測和監測有機磷化合物蒸汽（圖8b）。他們還能夠研究將溫度提高到80℃時對無線傳感器靈敏度的影響。
傳感器17 00801 g008 5508圖8。（a） 無線聲表面波傳感器示意圖（Greve等人[29]）和（b）氟醇聚硅氧烷（SXFA）涂層無線聲表面波傳感器對不同濃度DMMP的響應（Xu等人[57]）。
不管使用無線模式，開發用于惡劣環境操作的聲表面波傳感器還有其他一些挑戰。這些問題包括材料的降解、操作環境中不必要的化學反應以及設備和測量儀器之間高效通信所需的天線。一些研究小組已經開發出在較高溫度下使用相對更穩定材料的聲表面波傳感器。例如，Greve等人[29]開發了氧聲表面波傳感器，使用langasite基板、Pt電極和SnO2傳感層在惡劣環境下工作。他們能夠用有線模式操作在650C下檢測出氮氣中10%的O2。
4.3.2. 聲表面波傳感器陣列
SAW化學傳感器可用于選擇性檢測混合物中的氣體以及同時檢測各種氣體[143]。當聲表面波傳感器涂有對特定氣體敏感的材料并暴露于氣體混合物中時，可以選擇性地檢測預期氣體。許多研究小組已經開發出選擇性氣體傳感器，在聲表面波傳感器上涂覆特定的傳感材料。例如，Penza等人[131]制造了聚吡咯涂層的聲表面波諧振器，用于檢測NH3、CO、CH4和H2混合物中的NH3。他們發現這種傳感器對氨氣的敏感度很高，而對其他氣體的敏感度很低。另一方面，當陣列中的每個設備涂有不同的傳感材料時，基板上的聲表面波傳感器陣列可用于同時檢測分析物并相互區分（電子鼻應用）[95130138139143144163164165]。圖9a顯示了用于同時檢測各種氣體的聲表面波傳感器陣列的示意圖[139]。
1995年，Frye等人[166]開發了一種SAW傳感器，用于使用聚合物傳感層對一系列揮發性有機化合物進行原位檢測和監測。2000年，Raap等人[167]開發了一種由多路振蕩器驅動的小型SAW傳感器陣列，用于有機氣體檢測。2003年晚些時候，Ho等人[168]開發了一種帶有聚合物涂層的聲表面波陣列裝置，用于現場檢測各種揮發性有機化合物。這些傳感器不需要載氣，可在任何介質（空氣、土壤或水）中工作，不像Frye等人開發的VOC傳感器。2007年，Joo等人[109]制造了一種聚合物涂層的聲表面波傳感器陣列，并將其用于分類CWA。具體來說，他們用涂有聚異丁烯（PIB）、聚環氧氯丙烷（PECH）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚丁二烯（PBD）和聚異戊二烯（PIP）的五個SAW傳感器制造了一個傳感器陣列，并利用該陣列檢測DMMP、乙腈（CH3CN）、二氯甲烷（CH2Cl2）和二氯戊烷（DCP）CWA。他們可以檢測到低至5 ppm的CWAs具有良好的選擇性。2011年，Matatagui等人[95]開發了一種基于聚合物涂層SAW傳感器的電子鼻，用于檢測各種CWA。使用優化的傳感器陣列，他們能夠檢測到非常低的濃度，即0.05 ppm的二甲基二甲基甲酰胺和0.5 ppm的二丙二醇單甲醚（DPGME）。
使用主成分分析（PCA），一種統計數據分析技術[169]，可以更好地表達電子鼻傳感器辨別各種化學品的能力。圖9b顯示了Raj等人[169]獲得的金屬氧化物聲表面波傳感器陣列對各種CWA響應的PCA分析。他們用氧化鋅、氧化碲、氧化錫和二氧化鈦制作了一個聲表面波傳感器陣列，并用于各種CWA的選擇性檢測。他們獲得了電子鼻對DMMP、二丁基硫醚（DBS）、氯乙基苯基硫醚（CEPS）和氯磷酸二乙酯（DECP）濃度低于ppm的良好靈敏度。對傳感器輸出差頻移的PCA分析表明，電子鼻具有很高的識別CWA的能力（圖9b中的大橢圓）。他們可以定義不同的顯示特定刺激物的濃度在該刺激物的規定范圍內（圖9b中橢圓中的小圓圈點）下降，表明聲表面波電子鼻在區分各種化學品方面的效率。
傳感器17 00801 g009a 550傳感器17 00801 g009b 550圖9。（a） 聲表面波傳感器陣列示意圖（Tang等人[139]）；（b）聲表面波傳感器陣列與主成分分析相結合的電子鼻應用，以區分各種蒸汽（Raj等人[169]）。
5總結與展望
本文討論了Rayleigh-SAW化學傳感器的工作原理、與SAW相互作用的因素以及氣體中各種化學物質的檢測進展。許多聲表面波化學傳感器已經發展到今天，包括質量負荷和聲電效應的覆蓋層檢測無機氣體，有機蒸汽和化學戰劑等。雖然質量負載效應允許更簡單的傳導機制，但最終靈敏度受到特定傳感層設計可實現的質量吸收量的限制。相比之下，聲電效應允許顯著更大的整體感測響應，因此在許多情況下具有靈敏度，但需要將感測層的導電性設計在最佳范圍內。基于傳感層的粘彈性特性，僅開發了有限數量的基于聲表面波的化學傳感器，這是由于需要工程化的傳感層，這些傳感層由于分析物相互作用而產生相對較大的粘度變化。為了改善傳感器的特性，許多研究小組已經測試了各種材料作為壓電基板、IDT電極和傳感覆蓋層。在某些情況下，這些傳感器已被證明可以顯示無線操作，在其他情況下，研究的重點是使用傳感器陣列同時檢測化學品。相對有限的工作也開始探索這類傳感器器件在極端環境條件下的化學傳感，其中底層傳感器平臺以及電極材料和功能傳感器層的穩定性成為一個重要的考慮因素。此外，在考慮惡劣環境應用時，還需要設計和集成高容量天線，使這些設備能夠以最小的能量損失進行遠程操作。
基于聲表面波傳感器平臺的固有優勢，預計用于化學傳感的聲表面波器件的功能化將繼續成為未來高度研究的領域。基于聲表面波的氣體傳感的潛在未來研究方向包括：（i）繼續探索新型傳感材料以提高性能和應用；（ii）用于高溫和惡劣環境氣體傳感的無源和無線傳感器的進步；（iii）多元件聲表面波傳感器陣列的開發和示范用于多組分氣體分析規范和量化。從材料的角度來看，主要的研究需求和興趣領域包括：（i）在相關氣體環境中具有高溫穩定性的反射器和叉指電極用導電材料的開發；（ii）具有高溫穩定性和可控性的功能傳感器材料，與感興趣的分析物的可逆相互作用；（iii）具有工程高總吸附能力的傳感材料，例如通過納米結構；（iv）具有可調絕對電子電導率和與目標分析物相互作用相關的工程電導響應的傳感層；以及（v）探索對氣體吸收感興趣的分析物具有相對較大且有用的粘彈性響應的新材料。利用新型壓電基片研制柔性聲表面波化學傳感器是另一個潛在的研究方向。
致謝
這項工作是在美國能源部戰略中心或國家能源技術實驗室（NETL）研究與創新中心中游現場工作提案下的天然氣和石油中游緩解計劃的支持下進行的。這項研究還得到了美國能源部贊助、橡樹嶺科學教育研究所管理的NETL研究參與計劃的部分支持。本報告是為說明美國政府一個機構贊助的工作而編寫的。美國政府及其任何機構及其任何雇員均不對所披露的任何信息、儀器、產品或工藝的準確性、完整性或有用性作出任何明示或暗示的保證，或承擔任何法律責任或責任，或表示其使用不會侵犯私人擁有的權利。此處提及的任何 |
