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化學蒸汽和氣體用聲表面波傳感器
作者：Jagannath Devkota 1,2，*，Paul R.Ohodnicki 1,2，*和David W.Greve 1,3
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美國賓夕法尼亞州匹茲堡國家能源技術實驗室，郵編：15236
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接收日期：2017年2月23日/修訂日期：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
（本文屬于基于聲波諧振器的傳感器的特刊）
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摘要
聲表面波（SAW）技術具有被動和無線操作的固有優勢，為氣體和流體狀態下的化學品傳感提供了一個靈敏的平臺。本文綜述了Rayleigh波聲表面波傳感器在氣相中化學物質傳感方面的基本研究進展。特別地，我們回顧了對聲表面波化學傳感機理的一般理解、傳感器特性的優化以及在不同條件下工作的傳感器的發展�；谝郧暗奈墨I，我們提出了一些適合于特定應用的傳感方法，并確定了未來在這一領域進一步研究的新機會和需求。
關鍵詞：聲波；聲電效應；叉指換能器；質量加載；壓電效應；射頻；傳感層；粘彈性
1介紹
Wohltjen和Dessy在1979年介紹了用于化學傳感應用的聲表面波技術[1,2]。此后，基于這一技術的化學傳感器不斷受到研究和技術關注。聲表面波傳感器的重要優點包括超高靈敏度、卓越的響應時間、小尺寸、低成本、能夠在有線和無線模式下工作、與現代制造技術兼容以及平面結構[3,4,5,6]。此外，在適當選擇傳感層、壓電基片和叉指換能器（IDT）后，這些傳感器具有優良的選擇性、快速響應、可逆性、線性和穩定性[7,8]。這些傳感器有望滿足工業、軍事、污染和排放控制、燃燒廢氣和其他學科對高性能化學傳感器日益增長的需求，用于檢測和監測各種無機氣體、揮發性有機化學品（VOCs）和化學戰劑（CWAs）等。
所有類型的聲表面波傳感器都依賴于聲表面波傳播特性的變化，這是由于波與表層或附近環境之間的相互作用[9,10,11,12]。這些波具有波長量級的穿透深度，因此大部分能量密度被限制在近地表區域。這使得波和基于它們的設備對表面或附近的任何物理或化學變化高度敏感。此外，聲表面波器件的工作頻率可以設置在一個很寬的范圍內（MHz–GHz），這有助于調整靈敏度，并打開了在無線模式下操作這些器件的可能性。這個平臺已經被用于感測多種物理量（如溫度、壓力和應力）、許多化學物質和生物實體[4,13,14,15]。
對于化學和生物傳感，聲表面波器件涂有一層合適的材料，如聚合物、金屬和金屬氧化物[16,17]。當暴露在外來分子中時，該層的質量、機械或電性能的任何變化都會干擾表面波，使設備能夠用作傳感器[18,19]。文獻[4,8,13,16,17,19,20,21,22,23]綜述了Rayleigh波聲表面波器件的化學傳感應用進展�；谄渌砻娌ǖ膫鞲衅�，如Love和剪切水平聲表面波（SH-SAW）也被開發用于檢測流體介質中的各種化學物質和生物實體。對聲表面波傳感器在液體介質中的應用感興趣的讀者請參閱[14,21,24,25,26]。本文簡要介紹了瑞利波傳感器的研究現狀，討論了瑞利波傳感器在氣相化學物傳感方面的研究進展。
2基本概念
聲表面波器件的核心思想是利用壓電效應實現電能和機械能的相互轉換[27]。這些裝置的操作包括三個主要方面：（i）在壓電材料中激發聲波；（ii）在傳播路徑中調制波特性；（iii）成功探測。這個這些裝置的操作包括三個主要方面：（i）在壓電材料中激發聲波；（ii）在傳播路徑中調制波特性；（iii）成功探測。表面彈性波的激發和探測可以用idt來實現，而傳播特性是由于與許多物理或化學參數的相互作用而在其路徑上被調制的。在化學傳感應用的情況下，這些變化是通過暴露于外來化學物質時在其路徑上涂覆的識別層的質量、粘彈性和導電性引起的[2,28,29,30]。這些變化可以通過實驗檢測到相應電信號的頻率、相位和插入損耗，并與引起變化的量相關[1,9,31,32,33]。下面，我們將概述聲表面波化學傳感器的基本原理。
2.1. 瑞利波
瑞利波是一種表面彈性波，屬于廣泛的聲波家族，類似于地震時地球表面的機械波[30,34]。這些波沿材料表面傳播并指數衰減到材料的深度（穿透深度~1波長），因此它們的大部分能量密度局限于近表面區域。它們的傳播速度略低于材料中橫波的速度（約為電磁波速度的10-5倍）。傳播介質中的粒子在縱向和剪切垂直方向上發生位移，使得波的傳播沿著一條逆行橢圓路徑[30]。1885年，瑞利勛爵首次在各向同性固體中描述了這些波[34,35]。1955年，Stoneley詳細分析了它們在各向異性介質中的傳播[36]。然而，直到1959年White和Voltmer[37]證明這些表面波可以很容易地在使用IDT的壓電材料中產生之后，表面波才開始應用于電子設備[34]。
表面波還有其他幾種變體，如SH-SAW、Love、Stoneley、Lamb和Leaky waves[30]。在聲表面波中，傳播介質中的粒子是水平位移而不是垂直位移。在層狀結構中觀測到Love波和Stoneley波，其傳播速度與Rayleigh波不同。所有這些表面波都不同于在材料體上傳播的體聲波[38,39]。聲波不同模式的傳播特性是眾所周知的，它們的應用已在許多學科中得到實現[14,39]。其中，基于瑞利模式的傳感器被發現對許多量極為敏感。事實上，利用這些波已經開發出各種各樣的傳感器來檢測和監測不同的量，如溫度、壓力、濕度、化學蒸汽和氣體。然而，這些波通常不適合在液體介質中使用，因為與液體中的縱波耦合會造成巨大的聲能損失，如Calabrese等人所觀察到的[25,26]�；蛘撸谄渌砻娌ǎㄈ鏢H-SAW和Love波）的傳感器已成功應用于流體介質[21,24]。
2.2. 壓電材料
1880年代，皮埃爾和保羅·雅克·居里（Pierre and Paul-Jacques-Curie）證明了一些各向異性材料在外部機械應變（壓電效應）或外部電場（反向效應）下的機械應變下可以產生電極化[40,41]。材料中這種機電轉換的效率通過其機電耦合系數K2=e2/cε來測量，其中e、c和ε分別是給定傳播方向上材料的壓電耦合、剛度和介電系數。
具有大K2和零溫度頻率系數（TCF）的材料是研制SAW化學傳感器的理想材料。K2的低值導致波的大衰減和電聲能量的差轉換。類似地，強烈的溫度依賴性可能導致與化學變化無關的中心頻率的變化。基板材料及其晶體切割和取向（即軸旋轉）影響這些和其他參數，如偏振（瑞利、SH-SAW、蘭姆、洛夫等模式）、速度和激發波的功率流角[24,42,43,44,45]。例如，瑞利波在Y-Z LiNbO3（其中Y-Z代表Y切割，Z傳播）和128°Y-X LiNbO3襯底中激發，而SH-SAW顯示在64°Y-X LiNbO3和36°Y-X LiTaO3中激發和傳播[24,30,46]。類似地，在均勻半無限介質中，只有瑞利模式易受表面波傳播的影響[47]。另一方面，即使在Y-zlinbo3和128°Y-xlinbo中都能激發瑞利波 |
