测量。测量系统的漂移或不稳定性可以通过使用高分辨率仪器和与电子设备的仔细集成来解决。同样，可以通过设计一个测量系统来消除剩磁的漂移。例如，Muller等人在使用SAW传感器检测NO2时演示了一种消除这种漂移的循环测量技术[127]。

最近，人们努力集体解决各种漂移问题。例如，Wen等人[128]制造了一种具有WO3涂层的双轨声表面波传感器，该传感器对小浓度的NO2气体具有良好的响应特性。他们能够检测到低至0.5 ppm的NO2气体，具有良好的重复性和稳定性。他们声称这种配置可以消除外部扰动，抑制体波，改善旁瓣抑制，从而改善传感器的响应。然而，为了有效地用作化学传感器，需要将设备对温度、应变、不需要的化学品和湿度等参数的交叉干扰最小化。

4.3. 应用

通过与传感层的优化集成，SAW设备平台对于几乎任何分析物都是非常灵活的。大量的气体，化学蒸汽和CWA已经被检测和监测使用这个平台。基于质量负载的早期声表面波传感器（例如，Bryant等人[28,91]，D'Amico等人[103]，Venema等人[72]）被开发用于检测H2、SO2和NO2等气体。Bryant等人[28]在1981年使用一组SAW传感器检测SO2气体，并将其检测灵敏度与BAW传感器进行了比较。他们发现，与基于BAWs的相应传感器相比，SAW化学传感器的灵敏度至少高出一个数量级（能够检测到小于70ppb的SO2）。D'Amico等人[103]在1982年通过在76mhzy-zlinbo3上涂覆钯（Pd）传感层在室温下工作，开发了第一个h2saw传感器。1986年，Venema等人展示了使用聚合物涂层SAW传感器从混合气体中选择性检测NO2的方法[72]。类似地，基于电导负载的传感器（例如，Ricco等人[52]、Lee等人[129]和Fisher等人[89]）也用于检测各种气体，包括H2、SO2和NO2。Lee等人于1998年开发了一种54 MHz LiTaO3双延迟线声表面波传感器，通过涂覆硫化镉（CdS）膜来监测SO2气体[129]。该传感器给出了一个与二氧化硫浓度成比例的频移，这是根据传感层的质量和暴露在气体中时的电场变化来解释的。2010年，Fisher等人开发了一种使用Pd涂层的H2声表面波传感器，并研究了声电、质量和刚度效应对声表面波速度和衰减的影响[89]。他们发现传感器的速度和衰减在很大程度上取决于薄膜的电导率变化，而不是质量和暴露于氢气后的弹性变化。

随着时间的推移，许多基于瑞利波的声表面波传感器已被开发用于检测一系列化学品（气相），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]。类似地，湿度[9]和许多有机蒸汽，如甲醇[138]、乙醇[139]、丙酮[31]、苯乙烯[140]、甲基膦酸二甲酯（DMMP）[95]也使用这些传感器进行了检测。通过合适的聚合物涂层，传感器也被用于探测各种爆炸性化学品[141142]。许多研究小组致力于开发用于同时检测化学品的声表面波传感器阵列[95130138139143144145]。在高温和恶劣环境下操作传感器也取得了进展[29146147148149]。表2列出了文献中用于在不同条件下检测各种气体或化学蒸汽的一些声表面波传感器。下面，我们将讨论这些传感器在恶劣环境和传感器阵列应用方面的一些进展。

表2。在声表面波延迟线（DL）和谐振器（Res）传感各种化学蒸汽和气体的选定出版工作。

表

4.3.1. 恶劣环境用声表面波传感器

声表面波传感器的一个重要优点是能够在无线模式下工作。它们可以作为无源转发器工作，利用射频电磁信号远程激发和接收声波（图8a）。这种能力使SAW传感器能够在高温、高压和有毒环境等极端条件下工作。这有利于检测汽车、内燃机、矿山和石油工业中产生的化学物质。在使用无线声表面波传感器探测不同气体（如CO2、NH3、NO2）方面取得了一些进展，如Thiele等人[148]、Lim等人[130]和Wen等人的传感器2007年，Wen等人[67]开发了一种中心频率为440 MHz的无线声表面波反射延迟线，涂有聚四氟乙烯AF作为传感器层，并演示了使用矢量网络分析仪远程检测CO2气体。他们发现灵敏度为1.98°/ppm，在0–450 ppm浓度范围内具有良好的线性和重复性。他们还能够研究温度和湿度对无线模式下感知二氧化碳的影响。2011年，Lim等人制造了一个类似配置的无源传感器，用于在同时测量温度的同时远程检测CO2和NO2[130]。类似地，Xu等人[57]制造并使用了反射延迟线无线SAW传感器，用于在25℃下检测和监测有机磷化合物蒸汽（图8b）。他们还能够研究将温度提高到80℃时对无线传感器灵敏度的影响。

传感器17 00801 g008 5508图8。（a） 无线声表面波传感器示意图（Greve等人[29]）和（b）氟醇聚硅氧烷（SXFA）涂层无线声表面波传感器对不同浓度DMMP的响应（Xu等人[57]）。

不管使用无线模式，开发用于恶劣环境操作的声表面波传感器还有其他一些挑战。这些问题包括材料的降解、操作环境中不必要的化学反应以及设备和测量仪器之间高效通信所需的天线。一些研究小组已经开发出在较高温度下使用相对更稳定材料的声表面波传感器。例如，Greve等人[29]开发了氧声表面波传感器，使用langasite基板、Pt电极和SnO2传感层在恶劣环境下工作。他们能够用有线模式操作在650C下检测出氮气中10%的O2。

4.3.2. 声表面波传感器阵列

SAW化学传感器可用于选择性检测混合物中的气体以及同时检测各种气体[143]。当声表面波传感器涂有对特定气体敏感的材料并暴露于气体混合物中时，可以选择性地检测预期气体。许多研究小组已经开发出选择性气体传感器，在声表面波传感器上涂覆特定的传感材料。例如，Penza等人[131]制造了聚吡咯涂层的声表面波谐振器，用于检测NH3、CO、CH4和H2混合物中的NH3。他们发现这种传感器对氨气的敏感度很高，而对其他气体的敏感度很低。另一方面，当阵列中的每个设备涂有不同的传感材料时，基板上的声表面波传感器阵列可用于同时检测分析物并相互区分（电子鼻应用）[95130138139143144163164165]。图9a显示了用于同时检测各种气体的声表面波传感器阵列的示意图[139]。

1995年，Frye等人[166]开发了一种SAW传感器，用于使用聚合物传感层对一系列挥发性有机化合物进行原位检测和监测。2000年，Raap等人[167]开发了一种由多路振荡器驱动的小型SAW传感器阵列，用于有机气体检测。2003年晚些时候，Ho等人[168]开发了一种带有聚合物涂层的声表面波阵列装置，用于现场检测各种挥发性有机化合物。这些传感器不需要载气，可在任何介质（空气、土壤或水）中工作，不像Frye等人开发的VOC传感器。2007年，Joo等人[109]制造了一种聚合物涂层的声表面波传感器阵列，并将其用于分类CWA。具体来说，他们用涂有聚异丁烯（PIB）、聚环氧氯丙烷（PECH）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚丁二烯（PBD）和聚异戊二烯（PIP）的五个SAW传感器制造了一个传感器阵列，并利用该阵列检测DMMP、乙腈（CH3CN）、二氯甲烷（CH2Cl2）和二氯戊烷（DCP）CWA。他们可以检测到低至5 ppm的CWAs具有良好的选择性。2011年，Matatagui等人[95]开发了一种基于聚合物涂层SAW传感器的电子鼻，用于检测各种CWA。使用优化的传感器阵列，他们能够检测到非常低的浓度，即0.05 ppm的二甲基二甲基甲酰胺和0.5 ppm的二丙二醇单甲醚（DPGME）。

使用主成分分析（PCA），一种统计数据分析技术[169]，可以更好地表达电子鼻传感器辨别各种化学品的能力。图9b显示了Raj等人[169]获得的金属氧化物声表面波传感器阵列对各种CWA响应的PCA分析。他们用氧化锌、氧化碲、氧化锡和二氧化钛制作了一个声表面波传感器阵列，并用于各种CWA的选择性检测。他们获得了电子鼻对DMMP、二丁基硫醚（DBS）、氯乙基苯基硫醚（CEPS）和氯磷酸二乙酯（DECP）浓度低于ppm的良好灵敏度。对传感器输出差频移的PCA分析表明，电子鼻具有很高的识别CWA的能力（图9b中的大椭圆）。他们可以定义不同的显示特定刺激物的浓度在该刺激物的规定范围内（图9b中椭圆中的小圆圈点）下降，表明声表面波电子鼻在区分各种化学品方面的效率。

传感器17 00801 g009a 550传感器17 00801 g009b 550图9。（a） 声表面波传感器阵列示意图（Tang等人[139]）；（b）声表面波传感器阵列与主成分分析相结合的电子鼻应用，以区分各种蒸汽（Raj等人[169]）。

5总结与展望

本文讨论了Rayleigh-SAW化学传感器的工作原理、与SAW相互作用的因素以及气体中各种化学物质的检测进展。许多声表面波化学传感器已经发展到今天，包括质量负荷和声电效应的覆盖层检测无机气体，有机蒸汽和化学战剂等。虽然质量负载效应允许更简单的传导机制，但最终灵敏度受到特定传感层设计可实现的质量吸收量的限制。相比之下，声电效应允许显著更大的整体感测响应，因此在许多情况下具有灵敏度，但需要将感测层的导电性设计在最佳范围内。基于传感层的粘弹性特性，仅开发了有限数量的基于声表面波的化学传感器，这是由于需要工程化的传感层，这些传感层由于分析物相互作用而产生相对较大的粘度变化。为了改善传感器的特性，许多研究小组已经测试了各种材料作为压电基板、IDT电极和传感覆盖层。在某些情况下，这些传感器已被证明可以显示无线操作，在其他情况下，研究的重点是使用传感器阵列同时检测化学品。相对有限的工作也开始探索这类传感器器件在极端环境条件下的化学传感，其中底层传感器平台以及电极材料和功能传感器层的稳定性成为一个重要的考虑因素。此外，在考虑恶劣环境应用时，还需要设计和集成高容量天线，使这些设备能够以最小的能量损失进行远程操作。

基于声表面波传感器平台的固有优势，预计用于化学传感的声表面波器件的功能化将继续成为未来高度研究的领域。基于声表面波的气体传感的潜在未来研究方向包括：（i）继续探索新型传感材料以提高性能和应用；（ii）用于高温和恶劣环境气体传感的无源和无线传感器的进步；（iii）多元件声表面波传感器阵列的开发和示范用于多组分气体分析规范和量化。从材料的角度来看，主要的研究需求和兴趣领域包括：（i）在相关气体环境中具有高温稳定性的反射器和叉指电极用导电材料的开发；（ii）具有高温稳定性和可控性的功能传感器材料，与感兴趣的分析物的可逆相互作用；（iii）具有工程高总吸附能力的传感材料，例如通过纳米结构；（iv）具有可调绝对电子电导率和与目标分析物相互作用相关的工程电导响应的传感层；以及（v）探索对气体吸收感兴趣的分析物具有相对较大且有用的粘弹性响应的新材料。利用新型压电基片研制柔性声表面波化学传感器是另一个潜在的研究方向。

致谢

这项工作是在美国能源部战略中心或国家能源技术实验室（NETL）研究与创新中心中游现场工作提案下的天然气和石油中游缓解计划的支持下进行的。这项研究还得到了美国能源部赞助、橡树岭科学教育研究所管理的NETL研究参与计划的部分支持。本报告是为说明美国政府一个机构赞助的工作而编写的。美国政府及其任何机构及其任何雇员均不对所披露的任何信息、仪器、产品或工艺的准确性、完整性或有用性作出任何明示或暗示的保证，或承担任何法律责任或责任，或表示其使用不会侵犯私人拥有的权利。此处提及的任何