聲表面波氣敏感測器

聲表面波氣敏感測器，亦稱saw（surface acoustic wave）氣敏感測器，是眾多感測器中最為複雜，涉及面較廣的感測器類型。聲表面波（saw）器件由壓電材料、叉指換能器（idt）和振盪電路構成，廣泛地套用於通信、雷達、電子對抗、廣播電視等民用和軍用領域中。聲表面波氣敏感測器通常有延遲線和諧振器兩種結構，國內外大多數saw氣敏感測器都是基於saw延遲線振盪器的氣敏元。

聲表面波氣敏感測器的結構

聲表面波氣敏感測器涉及重點在於化學界面膜、saw感測器及電子線路3個方面。在套用中，為了消除環境溫度、壓力、濕度等因素對測量結果的影響，通常採用雙通道結構，如下圖所示。一個通道上鍍以敏感膜用於測量，另一個是未鍍膜的參考通道用於對環境溫度、壓力、濕度等因素的補償，通過計算可以得到兩者間頻率的差，從而得出待測氣體濃度。 　一個完整的聲表面波氣敏感測器通常由石英聲表面波裝置（st-quartz saw device）、saw裝置檢測片（saw device detector block）、振幅測量系統（amplitude measurement system）、相測量系統（phase measurement system）、頻率測量系統（frequency measurement system）、壓力監測系統（pressure monitoring system）、溫度控制系統（temperature control system）、溫度壓力檢測儀（temperatureand pressure test apparatus）、數據軟體（data acquisition software）等組成，這些設備共同構成saw感測器，完成檢測。

聲表面波氣敏感測器工作原理

聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環境的變化而發生漂移。聲表面波氣敏感測器就是利用這種性能在壓電晶體表面塗覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發生漂移；氣體濃度不同，膜層質量和導電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準確的反應氣體濃度的變化。

聲表面波氣敏感測器特點

與其他感測器相比，聲表面波氣敏感測器具有以下一些獨特的優點：精度高、解析度高、抗干擾能力強、適合遠距離傳送；輸出信號為振盪器頻率的變化，易於與計算機接口組成自適應實時處理系統；靈敏度高，有效檢測範圍線性好；採用積體電路中的平面工藝製作，實現單片多功能化、集成化、智慧型化，減小了感測器的體積和重量，攜帶方便。 　此外，聲表面波氣敏感測器的成本低，能夠進行大批量生產。儘管saw感測器發展時間不長，但它符合信號系統數位化、微機控制化，正向高精度、高可靠性、高度集成化的方向發展，因而受到人們的高度重視。

新型聲表面波氣敏感測器

1.雷射激發聲表面波氣敏感測器 　傳統的聲表面波氣敏感測器大多採用金屬叉指換能器(idt)製成的，但傳統的聲電換能器由於固有的缺點，如頻響低，接觸式等，越來越多地被不斷發展的光學方法所代替。光學方法可以分為干涉法和非干涉法，並且有光纖化的趨勢，光纖感測器由於固有的諸多優點，例如小巧靈活，抗干擾強，易於微型化和集成化，已越來越多地被用在超聲檢測中，替代已有的複雜光路檢測手段。 　雷射超聲檢測技術以其非接觸和適合運動檢測等顯著優點，已成為無損檢測領域中的一種重要技術和手段。結合傳統聲表面波氣敏感測器的吸附性薄膜與氣體作用的原理與雷射超聲檢測技術，可提出一種新的氣體感測器原理，即採用雷射在覆有吸附性薄膜的金屬表面激發聲表面波，用單芯光纖耦合的反射式光束偏轉法在薄膜處對所激發聲表面波進行探測，進而準確檢測出氣體的濃度。此氣體感測器的優點在於採用光學方法來檢測由雷射激發的聲脈衝，不僅非接觸，而且也為氣體監測提供了一種新的途徑。 　2.基於氣液相轉變效應的聲表面波氣敏感測器 　針對傳統塗敷敏感膜的聲表面波(saw)氣敏感測器存在成膜困難、選擇性差、重複性差以及再生性差等問題，通過建立氣液相轉換效應模型，推導出感測器靈敏度與溫度、有機蒸氣質量分數之間的函式關係，進而建立vocs液相凝聚層負載下的saw波傳模型，仿真計算波傳頻散和波傳衰減，可以提出一種基於氣體氣液相轉變效應來檢測痕量揮發性有機氣體(vocs)的聲表面波氣敏感測器。同時引入氣相色譜(gc)分離柱作為無敏感膜塗敷saw氣體感測器的選擇性虛擬列陣，解決這種高靈敏度氣體感測器用於混合vocs測量時的選擇性問題。初步的實驗結果表明，基於氣液相轉變效應的聲表面波氣敏感測器系統具有靈敏度高(可檢測質量分數為10-9的vocs)、分析時間短、選擇性好、微型化、成本低等優勢。

聲表面波氣敏感測器的發展潛力

1.提高敏感膜的選擇性。 　要對現有敏感材料的性能進行最佳化並對成膜技術進行改進以提高材料的選擇性和穩定性。另外，還要不斷研製和開發選擇性更強的氣敏材料。 　2.提高聲表面波（saw）氣敏感測器的靈敏度和穩定性。 　要求能夠在很短的時間內檢測到劑量很小的有毒有害氣體。同時還要儘可能增強saw氣敏感測器的抗干擾能力。 　3.縮小氣敏感測器的體積。 　可以通過進一步集成saw氣敏感測器的電路，減小其體積和重量。 　4.感測器陣列化和信息融合。 　由於單個感測器檢測氣敏的精度和個數有限,陣列化有助於提高感測器的精度,縮小感測器體積，並且可以檢測多個氣敏。運用信息融合技術對陣列感測器的數據進行融合,可以提高精度和可靠性。 　5.更高頻率的聲表面波器件的研製，縮短聲表面波器件從實驗室到生產線的開發周期，使其易於產品化。