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的氣體傳感器對于早期檢測化學(xué)戰(zhàn)劑至關(guān)重要。同時，準(zhǔn)確探測、識別和監(jiān)測化學(xué)戰(zhàn)劑對于有效的軍事和民用防御行動也是至關(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與GB相同，還因為其在測試實驗中無毒的物理化學(xué)性質(zhì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，國民核生化災(zāi)害防護國家重點實驗室和中國科學(xué)院聲學(xué)研究所的研究團隊開發(fā)了一種433 MHz無源無線聲表面波（WSAW）氣體傳感器，用于檢測DMMP。該傳感器可在30°C至100°C、濕度小于60% RH（相對濕度）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氣體傳感器檢測不同濃度的DMMP。DMMP的檢測下限為0.48?mg/m3，傳感器的靈敏度為4.63°/(mg/m3)，并驗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)耦合對設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化。

所開發(fā)的氣體傳感器平臺由聲表面波（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，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引起質(zhì)量負載和SAW速度的變化，從而導(dǎo)致相移。通過評估相移，研究人員獲取了氣體濃度。

SAW氣體傳感器系統(tǒng)的無線測量裝置

所提出的SAW化學(xué)傳感器的工作原理

為了進一步驗證測試系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，進行了溫濕度實驗。實驗結(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)溫度測試和溫度測試誤差圖

系統(tǒng)濕度測試和濕度檢測誤差圖（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。同時，利用偏光顯微鏡、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡對SXFA薄膜表面進行了分析，證實了薄膜具有良好的均勻性。在對SXFA薄膜厚度進行優(yōu)化時，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的膜厚達到450 nm時，靈敏度達到最佳值。

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DMMP。結(jié)果表明，DMMP的檢測下限為0.48?mg/m3，傳感器的靈敏度為4.63°/(mg/m3)，并驗證了傳感器的可重復(fù)性能。

WSAW傳感器響應(yīng)信號與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，用于檢測有機磷化合物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。DMMP在20 cm距離處的檢測限為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。這種噪音使得檢測低濃度氣體變得困難。雖然探測信號與距離無關(guān)，但仍可能受到噪音的干擾，這可以通過屏蔽電磁干擾、增加雷達發(fā)射功率從而降低噪聲來解決。

審核編輯：劉清