波在这些基底中以不同的速度传播（分别为~3488 m/s和~3992 m/s）[43]。压电材料的另一个重要特性是居里和/或相变温度（Tmax），它为工作温度设定了一个上限。居里温度代表压电行为的上限，但由于化学分解、衰减增加、相变、结构无序增加、机械品质因数降低、电阻率低以及氧在温度下向环境流失，通常操作仅限于更低的温度更高的温度[48]。

在最常用的产生瑞利面波的压电基板中，有ST-X石英和Y-Z铌酸锂。前者的TCF几乎为零，而后者的K2值要大得多。其他材料，如镧铁矿（La3Ga5SiO14）[44]和氧化锌（ZnO）[47]、氮化铝（AlN）[49]和聚偏氟乙烯（PVDF）[50]薄膜也被用作衬底材料。此外，使用分层压电衬底（ZnO/Diamond/Si、SiO2/ST-90X石英等）来产生不同模式的SAW波（例如，Love波、Bluestein-Gulyaev波）[49,51]也做出了一些努力。研究表明，激发声表面波的模式、相速度和K2值随压电薄膜厚度等物理参数而变化[8,49,51]。表1列出了从文献[30,42,43,44,45,47,48,52,53,54,55,56]中收集的一些常用压电基板及其特性。

表1。声表面波化学传感器常用压电材料。（*）表示除瑞利模式以外的SAW，a（†）表示测量速度。

表

2.3. 叉指换能器

IDT是SAW设备的组成部分。它们是周期性的金属电极（指），以两个梳子的形式从相对的侧面交叉沉积在基板上。它们在声表面波器件中的主要功能是将射频信号转换成压电表面上的声表面波，反之亦然。根据应用的不同，可以有几种类型的IDT设计。图1显示了压电基板上两组简单类型的IDT。在它们最简单的形式中，所有的手指都是相同的，间隔等于它们的宽度，每个交替的手指都来自相反的母线。当向IDT（输入IDT）施加时变电信号时，电极的交替极性引起压电材料的周期性压缩和稀疏，从而产生声波。激发的声波沿着IDT两侧的材料表面传播。与传播波相关联的是一个电场（在压电基板的情况下），该电场从表面突出并与存在的任何覆盖层相互作用。最后，当这些波入射到第二IDT（输出IDT）上时，它们被转换回电信号。

传感器17 00801 g001 55001图1。声表面波延迟线示意图。所示为压电基片上的输入和输出IDT。

idt的设计、几何结构、指数、延迟路径长度和材料特性显著影响SAW波的特性，如工作频率、带宽、振幅衰减、发散等，有些IDT设计可以沿优选方向发射声波，而不是在两侧均匀发射[57]。当波的波长∧与IDT指的间距（梳子中两个连续指之间的中心到中心距离）匹配时，IDT可以最有效地发射saw。此外，波的传播大致垂直于IDT的指，发散度随着指长的增加而减小。另一方面，手指的数量影响声波的分数带宽。IDT的电阻抗对于电能的有效耦合也很重要。有关IDT特性对SAW波特性影响的详细信息，请参见文献[8,58]。

IDT是用稳定的材料制成的，具有高导电性和良好的机械附着力。原则上，任何金属都可以用来制造SAW器件中的IDT，但在高温或恶劣环境下应用时，材料的选择就变得至关重要。在高温下，许多材料由于熔点低或与基体和环境发生化学反应而变得不稳定[29]，或由于结块、再结晶和脱湿效应而降解[48]，从而限制了它们作为IDT的使用。一些广泛使用的IDT材料包括铝、铂、铂基合金（例如Pt-Ir、Pt-Rh、Pt-Zr、Pt-Rh/ZrO2）、铜、金、钨、钛和导电陶瓷（例如La0.65Sr0.35MnO3、La0.6S）实验上，这些材料可以通过任何金属沉积技术沉积在压电基板上，然后进行光刻以形成所需的IDT设计[14]。

2.4. 工作原理

声表面波传感器是各种物理和化学量的间接探针[4,27]。表面波传播路径中存在的实体会导致波的相速度和振幅发生变化。对于化学传感，这些变化是由暴露于目标分析物时压电换能器上的涂层传感层的特性变化（将在下面讨论）引起的（图2）。通过在输出IDT处通过转换的电信号检测这些变化，可以获得有关分析物的定量信息[2,3,4,13]。

传感器17 00801 g002 5502图2。声表面波化学传感器示意图：带有传感覆盖层和目标分析物蒸汽的双端口延迟线（a）和谐振器（b）。

为了激励saw并检测变化，通常使用两种类型的设备配置，即延迟线和谐振器（分别为图2a和b）。一个典型的“延迟线”声表面波传感器由两个以一定间隔沉积在压电基片上的idt组成，一个用于输入，一个用于输出电信号。IDT之间的区域涂有识别层，用于与外来化学蒸汽或气体相互作用。该区域根据其长度和声表面波速度在输入和输出信号之间产生时间延迟。图2a显示了SAW器件的双端口延迟线配置。通过提供一个反射器（通常是另一个IDT），也可以使用一个IDT来实现两个目的，即激发和检测。这是单端口或反射延迟线配置。延迟线需要足够的阻抗匹配，以实现可容忍的插入衰减[59]。此外，在这种结构中，振荡器电路的设计变得复杂，因为它在通带中提供了相对较大的相位变化（~2π）。然而，这种配置对于传感应用来说是简单而实用的。

设备的第二种配置类型是“谐振器”，它由两个IDT组成，用于发射和检测声波，光栅反射器放置在每个IDT的外部，以便在它们之间形成谐振腔。这种结构称为双端口谐振器（图2b）。如果输入和输出信号使用单个IDT，则该配置称为单端口谐振器。这些配置中也可能有一些修改[4,8]。在谐振器中，传感层可以沉积在idt上，阻抗匹配的要求并不严格，因为它们的插入衰减相对较小。此外，振荡设计也很简单，因为这种结构在通带中提供了相对较小的相位变化（~π）[6,59]。

这两种配置具有相同的机制响应和相似的输出特性[6]。这两种结构中的任何一种都可以用来测量暴露在气体中时声波的相速度（v）和衰减（α）的变化。由于衰减可能受到不希望的电磁干扰，因此通常根据速度变化获得声表面波传感器响应，以避免此类干扰[5,31]。实验上，通过测量波的中心（共振）频率（f）或相位（ν）的偏移来评估速度变化[9]。测量的中心频率和相位的变化（有和没有气体暴露）与相速度有关，如[9]：

Δvv0=−Δ597ν0=Δff0

（1） 式中，v0、ν0和f0是未扰动状态下SAW波的输出速度、相位和中心频率，而v、ν和f是扰动状态下的输出速度、相位和中心频率。

对于延迟线，有必要测量延迟时间的微小变化。这可以通过直接测量脉冲延迟来实现。然而，速度变化通常很小，所以测量中心频率或相位变化更为实用。相位差可以通过使用正交检测来确定[60,61]。另一方面，谐振器配置要求测量其谐振频率作为传感器响应，并使用方程（1）[62,63]将其与速度变化联系起来。在文献[1,5,60,61,64,65,66,67]中可以找到不同类型的声表面波传感器测量程序。

2.5. 相互作用的因素

声表面波速度和衰减的测量变化是所有可能的内部和外部因素对传播波影响的总和。一般来说，与声波相互作用的因素可分为质量负荷（m）、机械（pmech）因素（粘度、弹性）、电（pele）因素（电导率、介电常数等）和环境（penv）因素（温度、压力、湿度等）。基于摄动的研究已经作出了评估的影响