用于化学战剂检测的SAW气体传感器系统开发

由于化学战剂（CWA）威胁着世界的安全，因此开发具有快速响应、高灵敏度和小尺寸等特点的气体传感器对于早期检测化学战剂至关重要。同时，准确探测、识别和监测化学战剂对于有效的军事和民用防御行动也是至关重要的。

在各种类型的化学战剂中，神经毒剂沙林（GB）因其高毒性和中等挥发性而最致命，浓度很低就能致人死亡。甲基膦酸二甲酯（DMMP）经常被用作GB模拟物，不仅因其极性和非极性官能团与GB相同，还因为其在测试实验中无毒的物理化学性质。

据麦姆斯咨询报道，近日，国民核生化灾害防护国家重点实验室和中国科学院声学研究所的研究团队开发了一种433 MHz无源无线声表面波（WSAW）气体传感器，用于检测DMMP。该传感器可在30°C至100°C、湿度小于60% RH（相对湿度）的环境中正常工作。在发射天线和接收天线之间的距离为20 cm的情况下，用所开发的WSAW气体传感器检测不同浓度的DMMP。DMMP的检测下限为0.48 mg/m³，传感器的灵敏度为4.63°/(mg/m³)，并验证了传感器的可重复性能。相关研究成果以“A passive wireless surface acoustic wave (SAW) sensor system for detecting warfare agents based on fluoroalcohol polysiloxane film”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

该WSAW气体传感器包括YZ LiNbO₃（铌酸锂）衬底，其上蚀刻有金属叉指换能器（IDT），并在IDT附近放置了天线。在LiNbO₃基片上制备了DMMP敏感的粘弹性六氟异丙醇基聚硅氧烷（SXFA）薄膜，并利用模态耦合对设计参数进行了优化。

所开发的气体传感器平台由声表面波（SAW）反射延迟线、读取器单元和连接的天线组成。在反射延迟线中，单相单向换能器（SPUDT）和反射器沿SAW传播方向在YZ LiNbO₃压电基片上放置成一行。当SPUDT通过连接的天线从读取器单元接收电磁（EM）能量时，SPUDT通过压电效应在表面上产生SAW，并将其传播到反射器。传播的SAW被反射器部分反射，反射的SAW由SPUDT重新转换为EM波并传输到读取器单元。然后，DMMP在SXFA聚合物膜上的吸附会引起质量负载和SAW速度的变化，从而导致相移。通过评估相移，研究人员获取了气体浓度。

SAW气体传感器系统的无线测量装置

所提出的SAW化学传感器的工作原理

为了进一步验证测试系统的环境适应性，进行了温湿度实验。实验结果表明，WSAW传感器可在30°C至100°C、湿度小于60% RH的环境中正常工作。

系统温度测试和温度测试误差图

系统湿度测试和湿度检测误差图（21 °C，30% RH）

该WSAW传感器的稳定性小于31°/h，能够在0～90 cm范围内发射和接收无线传输信号。同时，利用偏光显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜对SXFA薄膜表面进行了分析，证实了薄膜具有良好的均匀性。在对SXFA薄膜厚度进行优化时，发现传感器灵敏度与薄膜厚度之间存在一定的关系。当SXFA的膜厚达到450 nm时，灵敏度达到最佳值。

在室温下，研究人员将发射天线与接收天线之间的距离设置为20 cm，采用气体动态生成方法获得不同浓度的DMMP气体。然后，使用所开发的WSAW传感器检测DMMP。结果表明，DMMP的检测下限为0.48 mg/m³，传感器的灵敏度为4.63°/(mg/m³)，并验证了传感器的可重复性能。

WSAW传感器响应信号与DMMP浓度之间的关系（21°C，33% RH）

总而言之，研究人员成功开发了一种新型无源WSAW气体传感器，用于检测有机磷化合物DMMP。结果表明，WSAW传感器的稳定性小于31°/h，能够在0～90 cm范围内发射和接收无线传输信号。DMMP在20 cm距离处的检测限为0.48 mg/m³，灵敏度为4.62°/(mg/m³)。作为一种新型的化学气体传感器技术，WSAW仍然存在一定的局限性，例如传感器噪音会随着发射天线和接收天线之间距离的延长而增大。这种噪音使得检测低浓度气体变得困难。虽然探测信号与距离无关，但仍可能受到噪音的干扰，这可以通过屏蔽电磁干扰、增加雷达发射功率从而降低噪声来解决。

审核编辑：刘清