由于化學(xué)戰(zhàn)劑（CWA）威脅著世界的安全，因此開發(fā)具有快速響應(yīng)、高靈敏度和小尺寸等特點(diǎn)的氣體傳感器對(duì)于早期檢測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑至關(guān)重要。同時(shí)，準(zhǔn)確探測(cè)、識(shí)別和監(jiān)測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑對(duì)于有效的軍事和民用防御行動(dòng)也是至關(guān)重要的。

在各種類型的化學(xué)戰(zhàn)劑中，神經(jīng)毒劑沙林（GB）因其高毒性和中等揮發(fā)性而最致命，濃度很低就能致人死亡。甲基膦酸二甲酯（DMMP）經(jīng)常被用作GB模擬物，不僅因其極性和非極性官能團(tuán)與GB相同，還因?yàn)槠湓跍y(cè)試實(shí)驗(yàn)中無毒的物理化學(xué)性質(zhì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國科學(xué)院聲學(xué)研究所的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種433 MHz無源無線聲表面波（WSAW）氣體傳感器，用于檢測(cè)DMMP。該傳感器可在30°C至100°C、濕度小于60% RH（相對(duì)濕度）的環(huán)境中正常工作。在發(fā)射天線和接收天線之間的距離為20 cm的情況下，用所開發(fā)的WSAW氣體傳感器檢測(cè)不同濃度的DMMP。DMMP的檢測(cè)下限為0.48?mg/m3，傳感器的靈敏度為4.63°/(mg/m3)，并驗(yàn)證了傳感器的可重復(fù)性能。相關(guān)研究成果以“A passive wireless surface acoustic wave (SAW) sensor system for detecting warfare agents based on fluoroalcohol polysiloxane film”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

該WSAW氣體傳感器包括YZ LiNbO?（鈮酸鋰）襯底，其上蝕刻有金屬叉指換能器（IDT），并在IDT附近放置了天線。在LiNbO?基片上制備了DMMP敏感的粘彈性六氟異丙醇基聚硅氧烷（SXFA）薄膜，并利用模態(tài)耦合對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

所開發(fā)的氣體傳感器平臺(tái)由聲表面波（SAW）反射延遲線、讀取器單元和連接的天線組成。在反射延遲線中，單相單向換能器（SPUDT）和反射器沿SAW傳播方向在YZ LiNbO?壓電基片上放置成一行。當(dāng)SPUDT通過連接的天線從讀取器單元接收電磁（EM）能量時(shí)，SPUDT通過壓電效應(yīng)在表面上產(chǎn)生SAW，并將其傳播到反射器。傳播的SAW被反射器部分反射，反射的SAW由SPUDT重新轉(zhuǎn)換為EM波并傳輸?shù)阶x取器單元。然后，DMMP在SXFA聚合物膜上的吸附會(huì)引起質(zhì)量負(fù)載和SAW速度的變化，從而導(dǎo)致相移。通過評(píng)估相移，研究人員獲取了氣體濃度。

SAW氣體傳感器系統(tǒng)的無線測(cè)量裝置

所提出的SAW化學(xué)傳感器的工作原理

為了進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，進(jìn)行了溫濕度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，WSAW傳感器可在30°C至100°C、濕度小于60% RH的環(huán)境中正常工作。

系統(tǒng)溫度測(cè)試和溫度測(cè)試誤差圖

系統(tǒng)濕度測(cè)試和濕度檢測(cè)誤差圖（21?°C，30% RH）

該WSAW傳感器的穩(wěn)定性小于31°/h，能夠在0～90 cm范圍內(nèi)發(fā)射和接收無線傳輸信號(hào)。同時(shí)，利用偏光顯微鏡、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡對(duì)SXFA薄膜表面進(jìn)行了分析，證實(shí)了薄膜具有良好的均勻性。在對(duì)SXFA薄膜厚度進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，發(fā)現(xiàn)傳感器靈敏度與薄膜厚度之間存在一定的關(guān)系。當(dāng)SXFA的膜厚達(dá)到450 nm時(shí)，靈敏度達(dá)到最佳值。

在室溫下，研究人員將發(fā)射天線與接收天線之間的距離設(shè)置為20 cm，采用氣體動(dòng)態(tài)生成方法獲得不同濃度的DMMP氣體。然后，使用所開發(fā)的WSAW傳感器檢測(cè)DMMP。結(jié)果表明，DMMP的檢測(cè)下限為0.48?mg/m3，傳感器的靈敏度為4.63°/(mg/m3)，并驗(yàn)證了傳感器的可重復(fù)性能。

WSAW傳感器響應(yīng)信號(hào)與DMMP濃度之間的關(guān)系（21°C，33% RH）

總而言之，研究人員成功開發(fā)了一種新型無源WSAW氣體傳感器，用于檢測(cè)有機(jī)磷化合物DMMP。結(jié)果表明，WSAW傳感器的穩(wěn)定性小于31°/h，能夠在0～90 cm范圍內(nèi)發(fā)射和接收無線傳輸信號(hào)。DMMP在20 cm距離處的檢測(cè)限為0.48 mg/m3，靈敏度為4.62°/(mg/m3)。作為一種新型的化學(xué)氣體傳感器技術(shù)，WSAW仍然存在一定的局限性，例如傳感器噪音會(huì)隨著發(fā)射天線和接收天線之間距離的延長而增大。這種噪音使得檢測(cè)低濃度氣體變得困難。雖然探測(cè)信號(hào)與距離無關(guān)，但仍可能受到噪音的干擾，這可以通過屏蔽電磁干擾、增加雷達(dá)發(fā)射功率從而降低噪聲來解決。

審核編輯：劉清