七、表面声波检测器（2）
7.1 表面声波传感器历史
表面声波传感器（SAW，Surface Acoustic Wave）是一种建立于高频机械振荡器基础上的一种传感器件，它可以提供一种简单、灵敏检测物质的化学、物理性质方法。
表面声波技术最早于1965 年White 和Vollter［12］研究”手指交叉形＂(IDT, Interdigital transducer)传感器时发现的。把一个手指交叉形电极，镀在一块压电晶体表面，就可以激励机械弹性波，其中有瑞利表面波（Rayligh）表面波。这种器件，最早用于射频信号处理，其中包括射频信号的产生，延迟和滤波。由于表面声波器件对周围环境特别敏感，其设计者和使用者必须精心屏蔽它，消除它的物理效应。非常有趣的是，一种声音，对一个人是噪声，对另一个人可能就是信号。对于物理学家，特别是电子工程师非常棘手的技术难题，但却成了分析化学家研究利用的热门课题。自从上个世纪七十年代，人们就开始研制各种物理的和化学的、具有高度敏感性的表面声波传感器。
7.2 表面声波传感器工作原理
表面声波的辐度和传播速度都可以用于监测器件表面介质的化学、物理性质。应用较多的是传播速度，因为在电子学中表面波传播速度可以以较高的精度测量（10-7）；而辐度测量精度为10-3。
精度速度的变化，可以转变为频率的变化。在这一方表面声波器件类似于石英晶体微量天平（QMB,quartz crystal microbalance）。为了更好地理解表面声波器件工作原理和它的特性，我们把它与石英晶体微量天平做一比较。
石英晶体微量天平由一块石英压电晶体与电极构成。当一随时间变化的电压加在电极上时，晶格经受位移，产生弹性波，从晶体的一边，传到另一边。波速和振荡频率与晶体表面接触物质的密度和质量有关［13］：
Δf = −2.3×106 F 2 ΔM / A （１）
这里Δf 是频移（Hz），它与质量变化有关；F 是晶体的固有谐振频率（MHz ）；ΔM 是晶体表面质量变化（g），A 是晶体的表面积（㎝ 2）。当晶体表面镀附一层吸收介质时，石英晶体微量天平可以制成化学传感器。石英晶体微量天平传感器的灵敏度是一个放射性函数，最大灵敏度出现在器件中心，并向周边降低。
表面声波传感器也要求使用一块压电晶体，但与石英晶体微量天平传感器不同，电极制在压电晶体的同一面，形状为手指形交叉形（IDTS）。当一个随时间变化的电压加上之后，晶格经历一种机械变形，它只限定于晶体表面一个特定区域，形成表面声波,如图7-１所示。
图7-１ 表面声波在表面声波延迟线上的传播 (a)顶视图 (b)侧视图
图7-2 表面声波传感器工作原理
在图7-2 所示的延迟线结构中，实际上是一对传感器，组成两个表面声波延迟线,并制作在同一块基质上。每一套表面声波延迟线，都由发射器和接收器组成。表面声波延迟线手指交叉形电级作为发射器，发射表面声波，另一套手指交叉形电级作为接收器，把表面声波变成电信号．在图7-2 所示的传感器表面镀一层非传导的、各向同性的聚合物薄膜．其响应特性如方程２所示：
这里K1、K2是石英基质材料常数；VR是瑞利波传播速度；h 是膜的厚度；ρ是密度；μ是膜材料的剪切模数，λ是朗伯（Lamb）常数； f o 是器件的固有频率。方程的第一项是由质量加载引起的频移；第二项描述了膜的弹性对共振频率的改变。如果镀层是一种软的、橡胶样的材料，那么对频率变化的贡献是很小的，方程（2）中的第二项可以忽略不计。若石英晶体为ST 切割，计入其材数常数，那么方程（2）简化为：
因为镀层的厚度和密度的乘积等于单位面积的质量。方程（３）类似于方程（１）。
