声表面波NO2传感器的研究进展
秦墨林1*，潘 勇1，曹丙庆1，赵建军1，李冬梅2
【摘 要】NO2是一种主要的大气污染物，同时对人体健康也有较大的危害，针对其进行检测的传感器的研究和开发就显得十分重要。声表面波气体传感器具有便携性、快速响应、高灵敏度、高稳定性、低成本等特点，引起了国内外相关研究者的广泛关注。简要介绍了声表面波（SAW）气体传感器工作的基本原理、传感器敏感膜与NO2气体的作用机理以及SAW-NO2气体传感器的两种结构类型，综述了SAW-NO2气体传感器常用的几种敏感膜材料，并对SAW-NO2气体传感器的发展趋势做了展望。 【期刊名称】化学传感器 【年(卷),期】2010(030)002 【总页数】6
【关键词】声表面波；NO2传感器；延迟线；谐振器；敏感膜
0 引言
NO2是一种主要的大气污染物，空气中的NO2大多是由化工燃料（煤、燃油等）燃烧、汽车尾气排放和化工生产产生的。NO2可以通过和空气中的水汽或其它物质反应产生酸雨、烟雾等许多污染环境的物质，也是破坏臭氧层的主要因素之一[1]。同时，NO2对粘膜刺激性很强，除与血红蛋白结合外，对心、肝、肾、造血组织等器官都有影响，对人体的呼吸器官有强烈刺激作用，使肺功能受到损害，严重危害人们的生存与健康[2]。因此，针对NO2气体检测的传感器的研究和开发就显得十分重要。
从传感器的原理来分，检测NO2的传感器类型主要有电阻式半导体气体传感
器[3～5]、电位型气体传感器[6]、光纤气体传感器[7～9]、压电晶体微天平传感器[10]、声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）气体传感器[11]等。其中，声表面波气体传感器具有便携性、快速响应、高灵敏度、高稳定性、低成本等特点[12]，引起了国内外相关研究者广泛的关注。
1 SAW-NO2气体传感器及其检测原理
SAW-NO2气体传感器是通过NO2的吸附对SAW的扰动导致的参数变化进行检测的。声表面波是一种能在压电基片表面产生和传播的弹性波，具有多种型态，用于气体传感器的一般是瑞利（Rayleigh）波。瑞利波是一种椭圆偏振的声波，能量主要集中在约1个波长深的表面层内，对传播路径上的表面扰动非常敏感。当位于SAW传播路径上的感测区吸附NO2后，其质量负载、电导率、弹性模量、介电常数等参数随之发生变化，导致SAW的能量和波速发生改变，通过测量SAW的频率、相位或者差损等的变化，根据测量结果变化的趋势和大小不同，就可以实现对NO2的检测[13]。
将延迟线镀上具有良好选择性的敏感膜，可以改善SAW气体传感器的选择性和吸附力，能够显著提高检测速度和灵敏度。在传统的SAW传感器用于化学毒剂检测时，一般采用聚合物或者有机大分子为敏感膜材料。通过膜分子与毒剂分子之间的氢键作用、溶解效应或者分子印迹作用等产生明显的吸附效果，使延迟线的质量负载发生变化，导致SAW的传播速率和频率发生改变，用来实现对毒剂的检测[14～16]。
一般来说，采用SAW传感器用来检测工业有毒有害气体等无机小分子，检测原理主要是通过敏感膜电导率的变化，使SAW的传播速率、频率等发生改变来进行检测。质量负载和弹性模量的变化也会对SAW的传播速度产生一定的
影响，根据传感器的结构设计和敏感膜材料的区别，不同的影响因素会占到主导地位。于海燕等[17]采用YZ-LiNbO3为压电基片，利用旋涂的方法在SAW器件的延迟线通道上制备了酞菁铜掺杂的聚乙烯吡咯烷酮敏感薄膜，提高酞菁铜在聚合物中的比例可以明显地提高薄膜的电导率，通过对SAW传感器在未沉积薄膜、沉积PVP薄膜以及沉积酞菁铜掺杂的聚合物薄膜后引起的中心频率偏移说明，延迟线涂覆导电聚合物薄膜后电导率的变化是传感器中心频率漂移的主要因素。 A.J.Ricco等[18]在 LiNbO3基底上设计了SAW双通道延迟线结构的传感器，通过真空升华的方法在其中一条延迟线上镀上酞菁铅薄膜，另一条延迟线用来对温度和压力进行补偿。酞菁铅的电导率随着NO2的浓度变化而发生改变，控制传感器的工作温度为80℃，经过实验证明，传感器在进行检测NO2时，频率的变化主要是由敏感膜酞菁铅的电导率变化引起的。
2 SAW-NO2气体传感器的结构类型
利用SAW技术制作的NO2传感器根据使用器件的类型可以分为延迟线型SAW传感器和谐振器型SAW传感器。延迟线型SAW传感器是在压电基片两端采用蒸发、溅射等方法镀制2个叉指换能器（Interdigital Transducer,IDT），分别通过逆压电效应和压电效应能够实现电-声和声-电转换。SAW在两个IDT之间的部分称作延迟线，上面涂覆有对NO2气体敏感的膜材料。目前的延迟线型SAW-NO2传感器一般设计成双通道的结构，一条通道的延迟线镀上敏感膜材料用来检测气体，另一条为空白，作为对温度、湿度、压力等参数变化引起的信号改变进行补偿，从而提高检测的准确度和适应性,如图1所示。谐振器型SAW传感器器件是将1个或2个IDT置于1对反射栅阵列组成的腔体中构成的。谐振器结构采用1个IDT时，为单端对谐振器；采用2个IDT时，为双
声表面波NO2传感器的研究进展
