超高频声表面波DMMP气体传感器，拟用于低浓度沙林毒剂检测

MEMS 2025-03-07 00:01 162浏览 0评论 1点赞

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沙林毒剂（简称：沙林），属于G类神经性毒剂，被列为典型的大规模杀伤性化学战剂。尽管国际社会对化学武器的使用有着严格的限制和规定，但近年来恐怖组织在局部冲突中非法使用此类化学战剂的案例仍时有发生，造成严重风险。因此，开发室温下高灵敏度、低检测限、快速响应的沙林毒气传感器对早期化学战剂检测和预警至关重要。

甲基膦酸二甲酯（DMMP）由于其结构与沙林相似，且具有无毒的物理化学性质，在实验测试中常被用作沙林的模拟物。据麦姆斯咨询报道，近日，湖南大学周剑教授团队开发了一款超高频声表面波（SAW）DMMP气体传感器，可实现室温下低浓度DMMP检测。开发的超高频SAW传感器谐振频率为4.98 GHz，敏感膜为Cu离子掺杂ZrO₂（Cu-ZrO₂），室温下DMMP检测的灵敏度高达1198.2 kHz/ppm，检测极限低至10 ppb，响应/恢复时间为39 s/25 s，并具有较好的长期稳定性。相关研究成果以“Ultraviolet light activated ultrahigh frequency surface acoustic wave DMMP gas sensor with 10 ppb detection limit at room temperature”为题发表在传感器领域的专业期刊Sensors and Actuators B-Chemical上。

图1（a）超高频SAW DMMP气体传感器结构和传感原理示意图；（b）敏感材料Cu-ZrO₂的制备流程图；（c）超高频SAW器件的制备流程图；（d）波长为600 nm的超高频SAW器件和叉指换能器的SEM图像；（e）DMMP气体探测的实验装置图。

该研究团队通过电子束光刻工艺制备了器件波长为600 nm的超高频SAW单端谐振器，采用磁控溅射工艺在其表面沉积一层薄薄的SiO₂绝缘层。制备了Cu-ZrO₂复合材料的敏感膜，采用旋涂工艺将其均匀涂覆于SAW谐振器表面，成功制备了超高频SAW DMMP气体传感器，并采用网络分析仪测试了超高频SAW DMMP气体传感器的频率响应特性（图1）。

通过优化敏感膜制备工艺，研究团队发现相较于纯的ZrO₂敏感膜，Cu离子掺杂的Cu-ZrO₂复合敏感膜可使得DMMP气体传感器灵敏度显著提升3.5倍；除此之外，紫外光辐照也有助于缩短DMMP气体传感的响应时间（图2）。

图2（a）器件波长为600 nm的超高频SAW谐振器的反射参数（S₁₁）和粒子位移图；（b）紫外线辐照减小超高频SAW DMMP气体传感器的响应/恢复时间图；（c）基于ZrO₂和Cu-ZrO₂的超高频SAW DMMP传感器在1 ppm同样气体浓度下的性能对比图；（d）和（e）基于ZrO₂和Cu-ZrO₂的超高频SAW DMMP传感器对不同浓度DMMP的频率响应/恢复曲线；（f）传感器频率偏移随气体浓度变化的拟合曲线；（g）基于Cu-ZrO₂的超高频SAW DMMP传感器的迟滞测试曲线；（h）基于Cu-ZrO₂的超高频SAW DMMP传感器响应/恢复时间；（i）基于ZrO2和Cu-ZrO₂的超高频SAW DMMP传感器响应/恢复时间对比图。

为深入探究SAW器件频率对传感性能的影响，该团队采用相同的Cu-ZrO₂复合材料敏感膜，分别制备了器件波长为600 nm的超高频SAW传感器（4.98 GHz）和器件波长为24 m的相对低频SAW传感器（162.4 MHz）。无论是低频SAW DMMP传感器还是超高频SAW DMMP气体传感器，都表现出良好的线性关系，表明制备的DMMP气体传感器敏感膜质量良好。特别值得注意的是，采用相同敏感膜，低频SAW DMMP传感器的检测灵敏度（S）仅为1 kHz/ppm，而制备的超高频SAW DMMP传感器的灵敏度高达1198 kHz/ppm，是低频SAW传感器的1198倍，实验证明了超高频SAW传感器相比与低频SAW传感器的具有较大的检测优势（图3）。此外，相较于低频SAW传感器，超高频SAW DMMP气体传感器在响应时间和检测极限上均具有明显优势。

图3（a）波长为24 μm的低频SAW器件光学实物图；（b）低频SAW谐振器（λ=24 μm）的S₁₁性能图；（c）不同DMMP气体浓度下低频SAW传感器的频响特性；（d）基于Cu-ZrO₂的低频和超高频SAW传感器在不同DMMP浓度下频率响应对比图；（e）DMMP浓度为250 ppb和500 ppb时，低频SAW传感器的重复性；（f）DMMP浓度为250 ppb和500 ppb时，基于Cu-ZrO₂的低频与超高频SAW传感器频移对比图；（g）基于Cu-ZrO₂的低频SAW传感器在DMMP浓度为50 ppb时的响应时间曲线；（h）和（i）基于Cu-ZrO₂的低频SAW传感器和高频SAW传感器的噪声曲线。