声波气体传感器

  声波气体传感器是根据涂敷在声波传播路径上的敏感膜吸附气体分子，使声波传播特性发生改变，从而实现对气体的检测。许多不同类型的声波器件被用于气体传感器中，例如体声波（Bulk Acoustic Wave，BAW，又叫厚度切变模式声传感器（TSM）和石英晶体微量天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM））、表面声波（Surface Acoustic Wave SAW）、表面横波（Surface Transverse Wave，STW）、水平剪切声平板波（Shear Horizontal Acoustic Plate Mode，SH-APM）等。

  石英晶体微量天平（QCM）和表面声波器件（SAW），由于这两种传感器的工作原理主要是应用了质量敏感效应，所以国际纯化学与应用化学联合会（IUPAC）分析化学委员会将他们归类于质量敏感型传感器。

  这些声波器件最大的区别在于器件的设计（如压电薄膜色材料和厚度），声波的传播方向，衬底上粒子位移方向和振幅等。各种选择性吸附气体的敏感膜涂覆在声波器件的表面上，吸附气体后导致在传播过程中声波参数发生变化，测量变化量即可得到被分析物质（质量和浓度等）相关信息。

  质量敏感型气体传感器QCM和SAW本身对气体或蒸汽不具有选择性，作为气体传感器的选择性仅仅依赖于表面涂层物质的性质。通常，对声波传播途径覆盖不同得到气体敏感材料，将敏感材料与被测气体参量之间的相互作用转换为声波器件的等效参数变化便构成了不同的声波气体传感器。

  有机聚合物具有良好的可逆性和较高的灵敏度，但选择性一般，分子结构具有较宽的选择性。有机聚合物对极性不同的VOCs具有较好的敏感特性。

  QCM和SAW都属于压电型传感器，由压电性产生声波信号，通过测量声波参数（振幅、频率、波速等）变化而获得被分析检测物的信息。QCM属于体声波，因声波从石英晶体或其他压电材料的一面传递到另一面，在晶体内部传播而命名。而SAW器件是声波在晶体表面上传播，从一位置传到另一位置。在传递过程中，当基片或基片上所覆盖的特殊材料薄膜与被分析的物质相互作用时，声波的参数将发生变化，测量变化即可得到被分析物的（质量和浓度等）相关信息。但QCM和SAW本身对气体不具有选择性，所以还需要在器件上涂覆适当的气体敏感薄膜，通过与待测气体的吸附引起声波参数发生变化，从而实现对气体浓度的检测。

  QCM气体传感器主要由石英晶体谐振器，信号检测和数据处理部分组成。在石英晶体中选取一定的切割方向将石英晶体切成薄片，经过加工后在薄片的两边采用真空镀膜或真空溅射方法镀敷电极，即可得到这样的石英晶体谐振器。在谐振器表面制备一层对气体分子有选择性吸附性能的敏感膜，当振谐器与被测气体接触时，由于敏感膜的特异性吸附，被测气体中的待测气体分子被吸附到振谐器表民，导致谐振器产生质量改变，从而导致谐振器振谐频率的变化，即可得到待测气体的信号。

  SAW气体传感器，是继陶瓷、半导体和光纤等传感器之后发展起来的新型传感器。表面声波型气体传感器是指在压电固体材料表面产生和传播、且振幅随深入固体材料的深度增加而迅速减少的弹性波。

  SAW气体传感器由SAW器件、敏感的界面膜材料和信号检测组成。在SAW气体传感器中。SAW气体传感器的检测机理随敏感材料种类不同而异。当敏感膜用各向同性的绝缘材料时，对气体的吸附作用转变为覆盖密度的变化，SAW延迟线传播途径上的质量负载效应，使SAW波速发生变化，进而引起SAW谐振器频率的偏移；当敏感膜采用导电材料或金属氧化物半导体材料时，膜材料的电导率随吸附气体的浓度而改变，从而引起SAW波速漂移和衰减，振谐频率相应发生变化。

  表面敏感膜对待测气体的吸附形式是影响声波型气体传感器性能的主要因素，表面敏感膜与被测气体分子之间的吸附作用包括物理吸附，化学吸附和分子间作用力。物理吸附主要依靠范德华力的相互作用，吸附力不是很强，温度稍微提高或通入解析气体就会完全脱附，虽然是可逆过程但选择性差；化学吸附依靠化学键形成或破裂的相互作用，即使温度升高，吸附质也不脱附，所以选择性好但却是不可逆过程。为了使气体分子在敏感膜上吸附和脱附可逆，同时又有一定的选择性，敏感膜和被吸附分子之间形成的作用关系通常是分子间作用力。