声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）是一种沿弹性基体表面传播的声波，其振幅随压电基体材料深度的增大按指数规律衰减。

    早在1885年英国物理学家瑞利（Lord Rayleigh）根据对地震波的研究，首次提出了声表面波。这就是现在广为人知并以他的名字命名的瑞利波。它是能量集中于固体表面，并沿表面传播的弹性波。

    随着后来人们对这种波性质认识的不断深入，特别是1965年出现的能在压电材料表面激励声表面波的叉指换能器（IDT），大大促进了声表面波技术的发展与应用。

    1979年Wohltjen和Dessy首次提出了将声表面波SAW用作气体传感器，经过20年的研究与发展，目前已研制出SO₂、NO₂、H₂S、水蒸气、丙酮、甲醇等多种SAW气体传感器，广泛应用于有害气体环境监测、临床分析、雷达通讯、电子对抗等军用、民用领域。

    2 SAW气敏传感器的工作原理及结构

    声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。声表面波气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。SAW气敏传感器是众多传感器中最为复杂，涉及面较广的传感器类型。其涉及重点在于化学界面膜、SAW传感器及电子线路3个方面。它通常有延迟线和谐振器两种结构，目前国内外大多数SAW气敏传感器都是基于SAW延迟线振荡器的气敏元。

    在应用中，为了消除环境温度、压力、湿度等因素对测量结果的影响，通常采用双通道结构，如图１所示。一个通道上镀以敏感膜用于测量，另一个是未镀膜的参考通道用于对环境温度、压力、湿度等因素的补偿，通过计算可以得到两者间频率的差，从而得出待测气体浓度。

    图１SAW气体传感器结构示意图

    一个完整的SAW传感器通常由石英声表面波装置（ST-Quartz SAW Device）、SAW装置检测片（SAW Device Detector Block）、振幅测量系统（Amplitude Measurement System）、相测量系统（Phase Measurement System）、频率测量系统（Frequency Measurement System）、压力监测系统（Pressure Monitoring System）、温度控制系统（Temperature Control System）、温度压力检测仪（Temperatureand Pressure Test Apparatus）、数据软件（Data Acquisition Software）等组成，这些设备共同构成SAW传感器，完成检测。

    与其它传感器相比，SAW具有以下一些独特的优点：精度高、分辨率高、抗干扰能力强、适合远距离传送；输出信号为振荡器频率的变化，易于与计算机接口组成自适应实时处理系统；灵敏度高，有效检测范围线性好；采用集成电路中的平面工艺制作，实现单片多功能化、集成化、智能化，减小了传感器的体积和重量，携带方便。

    此外，SAW的成本低，能够进行大批量生产。尽管SAW传感器发展时间不长，但它符合信号系统数字化、微机控制化，正向高精度、高可靠性、高度集成化的方向发展，因而受到人们的高度重视。

    3 国内外发展现状

    3.1国外SAW气敏传感器发展近况

    近十几年来，美、德、日、法、意大利及俄罗斯等国家都投入了大量的人力、物力进行积极开发，取得了长足的进步，部分器件已实用化。1990年G.Wastson等人首次报道采用高Q值的SAW谐振器结构的SAW传感器用于气体浓度的检测，将分辨率从1×10^-9改进到1×10^-12，甚至1×10^-15。目前这种SAW气敏传感器已用于毒品检测系统中的气相层析装置。G.Wastson等人又开发了便携式气相层析装置，装置内包括有氦运载气体、标定气体、带有振荡电路的SAW传感器以及10m毛细管柱等，由计算机控制测量、信号处理及数据储存。整个装置仅为一只手提箱大小，可使用电池，便于携带。用于监测大气中CO₂的浓度，整个检测过程在10～15s内完成，分辨率可达1×10^-12g。

    随着化学武器问题日益受到各国的重视，一些国家的化学工作者开始将这一技术运用到化学战剂的检测中去。目前，欧美等国家对以SAW传感器检测化学战剂已进行了比较深入、系统的工作，在SAW传感器元件、敏感膜的研究、检测对象、干扰因素、实际应用方法等方面已取得了一定的进展，美国、荷兰等国已基本形成了装备并用于战场和反恐斗争中。用于检测化学战剂现场分析的SAW传感器，要求其体积小、重量轻、成本低及操作简单，尽可能地将此类传感器装备到个人，而且灵敏度高、寿命长、响应时间短。

    从目前各国已研制出的各种联合化学战剂检测器看，以美国海军实验室、空军实验室及位于北美德克萨斯州Austin的BAE（British Aerospaceand Marconi Electronic Systems）公司所共同研制的联合化学战剂检测器（JCAD）综合性能最为先进而成熟，并已于2002年开始规模生产，能够对神经类、糜烂类等多种毒剂气体进行报警。其主要特点有：操作温度范围为-32～+49℃；海拔范围为0～7620m；在雨天、刮风、雾天、风沙、冰雹等恶劣环境中抗干扰能力强；操作界面为液晶显示及报警装置；体积小于40in³，重量小于0.9kg；内部电源为可充BA5800锂电池或BA380镍氢电池，也能够与外接电源连用；有自检系统、远距离监测及网络连接系统。

    3.2国内SAW气敏传感器发展近况

    从1970年5月我国诞生了第一个声表面波和声体波研究室到现在，声表面波在我国得到了迅速发展，并形成相当的研究和生产规模。目前我国已经拥有几十家声表面波器件的科研、生产机构，如中国科学院声学所、南京大学声学研究所、上海交通大学、重庆压电与声光研究所等，对声表面波的理论计算、应用研究等多方面都做了大量的工作，并取得了一定的成就和规模。

    1996年，西北工业大学研制出谐振式SAW传感器，1997年研制出谐振式SAW加速度传感器。2003年由西安鸥森科技有限责任公司研制的声表面波谐振式压力传感器样机，分辨率可达10Pa，而当时英国Ellision公司的同类压力传感器的分辨率为50Pa。

    该产品样机在经过严格实验后，经航空工业618研究所、西北工业大学的测试使用和国家专业机构的鉴定表明：该仪器的综合性能指标已达国内领先水平，可作为同类型的进口产品的替代产品。而在此前我国每年需求高精度的压力传感器约为10万只。其中，有80%以上的高精度压力传感器依靠国外进口。这说明我国在声表面波压力传感器这一研究领域已经赶上国际水平。

    但是国内以SAW技术用于化学传感器方面的研究尚不够深入。虽然部分研究机构已研制出了一些能够检测某些气体的SAW传感器，如SO₂、NH₃、醋酸气体等SAW气敏传感器，但其研究范围也多为实验室，还不能够形成器件，也不能够进行批量生产，某些工艺水平也限制了SAW传感器技术的发展，这些因素造成了我国SAW技术与国外先进水平的距离，而以SAW化学传感器对化学毒剂进行检测的研究在国内更是处于起步阶段。

    4 声表面波（SAW）气敏传感器的发展趋势

    综上所述，声表面波气敏传感器的发展体现在以下几方面：

    （1）提高敏感膜的选择性。要对现有敏感材料的性能进行优化并对成膜技术进行改进以提高材料的选择性和稳定性。另外，还要不断研制和开发选择性更强的气敏材料。

    （2）提高声表面波（SAW）气敏传感器的灵敏度和稳定性。要求能够在很短的时间内检测到剂量很小的有毒有害气体。同时还要尽可能增强SAW气敏传感器的抗干扰能力。

    （3）缩小气敏传感器的体积。可以通过进一步集成SAW气敏传感器的电路，减小其体积和重量。

    （4）传感器阵列化和信息融合。由于单个传感器检测气敏的精度和个数有限,阵列化有助于提高传感器的精度,缩小传感器体积，并且可以检测多个气敏。

    运用信息融合技术对阵列传感器的数据进行融合,可以提高精度和可靠性。

    （5）更高频率的声表面波器件的研制，缩短声表面波器件从实验室到生产线的开发周期，使其易于产品化。

    5 结束语

    随着新技术和新材料的发展，为声表面波（SAW）气敏传感器提供了选择性和稳定性更佳的敏感膜材料、更优的设计方法、集成度更高的传感器电路。声表面波（SAW）气敏传感器在精度和性能等方面将表现出更大的发展潜力。