由于化學戰(zhàn)劑（CWA）威脅著世界的安全，因此開發(fā)具有快速響應、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戰(zhàn)劑至關重要。同時，準確探測、識別和監(jiān)測化學戰(zhàn)劑對于有效的軍事和民用防御行動也是至關重要的。

在各種類型的化學戰(zhàn)劑中，神經毒劑沙林（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性質。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，國民核生化災害防護國家重點實驗室和中國科學院聲學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性能。相關研究成果以“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通過壓電效應在表面上產生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量負載和SAW速度的變化，從而導致相移。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)境適應性，進行了溫濕度實驗。實驗結果表明，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系。當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性能。

WSAW傳感器響應信號與DMMP濃度之間的關系（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氣體傳感器技術，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，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