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波在這些基底中以不同的速度傳播（分別為~3488 m/s和~3992 m/s）[43]。壓電材料的另一個(gè)重要特性是居里和/或相變溫度（Tmax），它為工作溫度設(shè)定了一個(gè)上限。居里溫度代表壓電行為的上限，但由于化學(xué)分解、衰減增加、相變、結(jié)構(gòu)無序增加、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)降低、電阻率低以及氧在溫度下向環(huán)境流失，通常操作僅限于更低的溫度更高的溫度[48]。
在最常用的產(chǎn)生瑞利面波的壓電基板中，有ST-X石英和Y-Z鈮酸鋰。前者的TCF幾乎為零，而后者的K2值要大得多。其他材料，如鑭鐵礦（La3Ga5SiO14）[44]和氧化鋅（ZnO）[47]、氮化鋁（AlN）[49]和聚偏氟乙烯（PVDF）[50]薄膜也被用作襯底材料。此外，使用分層壓電襯底（ZnO/Diamond/Si、SiO2/ST-90X石英等）來產(chǎn)生不同模式的SAW波（例如，Love波、Bluestein-Gulyaev波）[49,51]也做出了一些努力。研究表明，激發(fā)聲表面波的模式、相速度和K2值隨壓電薄膜厚度等物理參數(shù)而變化[8,49,51]。表1列出了從文獻(xiàn)[30,42,43,44,45,47,48,52,53,54,55,56]中收集的一些常用壓電基板及其特性。
表1。聲表面波化學(xué)傳感器常用壓電材料。（*）表示除瑞利模式以外的SAW，a（†）表示測量速度。
表
2.3. 叉指換能器
IDT是SAW設(shè)備的組成部分。它們是周期性的金屬電極（指），以兩個(gè)梳子的形式從相對(duì)的側(cè)面交叉沉積在基板上。它們?cè)诼暠砻娌ㄆ骷械闹饕δ苁菍⑸漕l信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓電表面上的聲表面波，反之亦然。根據(jù)應(yīng)用的不同，可以有幾種類型的IDT設(shè)計(jì)。圖1顯示了壓電基板上兩組簡單類型的IDT。在它們最簡單的形式中，所有的手指都是相同的，間隔等于它們的寬度，每個(gè)交替的手指都來自相反的母線。當(dāng)向IDT（輸入IDT）施加時(shí)變電信號(hào)時(shí)，電極的交替極性引起壓電材料的周期性壓縮和稀疏，從而產(chǎn)生聲波。激發(fā)的聲波沿著IDT兩側(cè)的材料表面?zhèn)鞑ァＥc傳播波相關(guān)聯(lián)的是一個(gè)電場（在壓電基板的情況下），該電場從表面突出并與存在的任何覆蓋層相互作用。最后，當(dāng)這些波入射到第二IDT（輸出IDT）上時(shí)，它們被轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。
傳感器17 00801 g001 55001圖1。聲表面波延遲線示意圖。所示為壓電基片上的輸入和輸出IDT。
idt的設(shè)計(jì)、幾何結(jié)構(gòu)、指數(shù)、延遲路徑長度和材料特性顯著影響SAW波的特性，如工作頻率、帶寬、振幅衰減、發(fā)散等，有些IDT設(shè)計(jì)可以沿優(yōu)選方向發(fā)射聲波，而不是在兩側(cè)均勻發(fā)射[57]。當(dāng)波的波長∧與IDT指的間距（梳子中兩個(gè)連續(xù)指之間的中心到中心距離）匹配時(shí)，IDT可以最有效地發(fā)射saw。此外，波的傳播大致垂直于IDT的指，發(fā)散度隨著指長的增加而減小。另一方面，手指的數(shù)量影響聲波的分?jǐn)?shù)帶寬。IDT的電阻抗對(duì)于電能的有效耦合也很重要。有關(guān)IDT特性對(duì)SAW波特性影響的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見文獻(xiàn)[8,58]。
IDT是用穩(wěn)定的材料制成的，具有高導(dǎo)電性和良好的機(jī)械附著力。原則上，任何金屬都可以用來制造SAW器件中的IDT，但在高溫或惡劣環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，材料的選擇就變得至關(guān)重要。在高溫下，許多材料由于熔點(diǎn)低或與基體和環(huán)境發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而變得不穩(wěn)定[29]，或由于結(jié)塊、再結(jié)晶和脫濕效應(yīng)而降解[48]，從而限制了它們作為IDT的使用。一些廣泛使用的IDT材料包括鋁、鉑、鉑基合金（例如Pt-Ir、Pt-Rh、Pt-Zr、Pt-Rh/ZrO2）、銅、金、鎢、鈦和導(dǎo)電陶瓷（例如La0.65Sr0.35MnO3、La0.6S）實(shí)驗(yàn)上，這些材料可以通過任何金屬沉積技術(shù)沉積在壓電基板上，然后進(jìn)行光刻以形成所需的IDT設(shè)計(jì)[14]。
2.4. 工作原理
聲表面波傳感器是各種物理和化學(xué)量的間接探針[4,27]。表面波傳播路徑中存在的實(shí)體會(huì)導(dǎo)致波的相速度和振幅發(fā)生變化。對(duì)于化學(xué)傳感，這些變化是由暴露于目標(biāo)分析物時(shí)壓電換能器上的涂層傳感層的特性變化（將在下面討論）引起的（圖2）。通過在輸出IDT處通過轉(zhuǎn)換的電信號(hào)檢測這些變化，可以獲得有關(guān)分析物的定量信息[2,3,4,13]。
傳感器17 00801 g002 5502圖2。聲表面波化學(xué)傳感器示意圖：帶有傳感覆蓋層和目標(biāo)分析物蒸汽的雙端口延遲線（a）和諧振器（b）。
為了激勵(lì)saw并檢測變化，通常使用兩種類型的設(shè)備配置，即延遲線和諧振器（分別為圖2a和b）。一個(gè)典型的“延遲線”聲表面波傳感器由兩個(gè)以一定間隔沉積在壓電基片上的idt組成，一個(gè)用于輸入，一個(gè)用于輸出電信號(hào)。IDT之間的區(qū)域涂有識(shí)別層，用于與外來化學(xué)蒸汽或氣體相互作用。該區(qū)域根據(jù)其長度和聲表面波速度在輸入和輸出信號(hào)之間產(chǎn)生時(shí)間延遲。圖2a顯示了SAW器件的雙端口延遲線配置。通過提供一個(gè)反射器（通常是另一個(gè)IDT），也可以使用一個(gè)IDT來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的，即激發(fā)和檢測。這是單端口或反射延遲線配置。延遲線需要足夠的阻抗匹配，以實(shí)現(xiàn)可容忍的插入衰減[59]。此外，在這種結(jié)構(gòu)中，振蕩器電路的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，因?yàn)樗谕◣е刑峁┝讼鄬?duì)較大的相位變化（~2π）。然而，這種配置對(duì)于傳感應(yīng)用來說是簡單而實(shí)用的。
設(shè)備的第二種配置類型是“諧振器”，它由兩個(gè)IDT組成，用于發(fā)射和檢測聲波，光柵反射器放置在每個(gè)IDT的外部，以便在它們之間形成諧振腔。這種結(jié)構(gòu)稱為雙端口諧振器（圖2b）。如果輸入和輸出信號(hào)使用單個(gè)IDT，則該配置稱為單端口諧振器。這些配置中也可能有一些修改[4,8]。在諧振器中，傳感層可以沉積在idt上，阻抗匹配的要求并不嚴(yán)格，因?yàn)樗鼈兊牟迦胨p相對(duì)較小。此外，振蕩設(shè)計(jì)也很簡單，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)在通帶中提供了相對(duì)較小的相位變化（~π）[6,59]。
這兩種配置具有相同的機(jī)制響應(yīng)和相似的輸出特性[6]。這兩種結(jié)構(gòu)中的任何一種都可以用來測量暴露在氣體中時(shí)聲波的相速度（v）和衰減（α）的變化。由于衰減可能受到不希望的電磁干擾，因此通常根據(jù)速度變化獲得聲表面波傳感器響應(yīng)，以避免此類干擾[5,31]。實(shí)驗(yàn)上，通過測量波的中心（共振）頻率（f）或相位（ν）的偏移來評(píng)估速度變化[9]。測量的中心頻率和相位的變化（有和沒有氣體暴露）與相速度有關(guān)，如[9]：
Δvv0=−Δ597ν0=Δff0
（1） 式中，v0、ν0和f0是未擾動(dòng)狀態(tài)下SAW波的輸出速度、相位和中心頻率，而v、ν和f是擾動(dòng)狀態(tài)下的輸出速度、相位和中心頻率。
對(duì)于延遲線，有必要測量延遲時(shí)間的微小變化。這可以通過直接測量脈沖延遲來實(shí)現(xiàn)。然而，速度變化通常很小，所以測量中心頻率或相位變化更為實(shí)用。相位差可以通過使用正交檢測來確定[60,61]。另一方面，諧振器配置要求測量其諧振頻率作為傳感器響應(yīng)，并使用方程（1）[62,63]將其與速度變化聯(lián)系起來。在文獻(xiàn)[1,5,60,61,64,65,66,67]中可以找到不同類型的聲表面波傳感器測量程序。
2.5. 相互作用的因素
聲表面波速度和衰減的測量變化是所有可能的內(nèi)部和外部因素對(duì)傳播波影響的總和。一般來說，與聲波相互作用的因素可分為質(zhì)量負(fù)荷（m）、機(jī)械（pmech）因素（粘度、彈性）、電（pele）因素（電導(dǎo)率、介電常數(shù)等）和環(huán)境（penv）因素（溫度、壓力、濕度等）。基于攝動(dòng)的研究已經(jīng)作出了評(píng)估的影響 |
