气相色谱是常用的分析仪器，主要是利用物质的物理化学性质差异，对多组分混合物进行分离和测定，目前作为有机定量分析方法中最重要的分支，在石油化工、医药工业、食品安全和环境监测等方面具有广泛的应用。作为精密仪器而言，在气相色谱的仪器实现中，仪器需要接受光、声、热、电、磁等多种信号，因此需要安装多种多样的传感器，用以将各种信息转化为电信号，从而进行仪器各种功能的实现，并输出响应的结果。

气相色谱中常用的传感器有十多种，主要有温度传感器、压力传感器、流量传感器等，其原理各不相同，本文主要介绍有关声表面波传感器的原理和应用场景等内容。

1 传感器概述

根据国家标准《GB/T 7665-2005 传感器通用术语》的定义，传感器（transducer/sensor）指“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。其中，敏感元件（sensing element)，指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件（transducing element)，指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

2 声表面波传感器工作原理

声表面波传感器则是结合逆压电效应、压电效应，将电信号变换为声信号并沿着衬底表面扩散，最后再变换为电信号输出以达到电--声--电之间的变换的器件。

2.1 几个概念

当石英等晶体受到某一方向上的外力时，在其表面会有电荷出现。其原因是，受到压力的晶体会发生一定的形变，形变导致其内部产生极化，从而在相应的表面上出现电荷，且电荷的面密度与外力的大小有关。如果作用力的方向发生了改变，电荷的极性也将随之变化。当外力撤销后，该晶体又会恢复到不带电的状态。这种现象被称为压电效应(Piezoelectric Effect)。

压电效应存在逆效应，称为逆压电效应(Converse Piezoelectric Effect)，也就是电场能够使压电材料发生形变

声表面波（Surface acoustic wave）简称 SAW，是在固体半空间表面存在的一种沿表面传播，能量集中于表面附近的弹性波，又称为表面声波，由英国物理学家瑞利（Rayleigh）在19世纪80 年代研究地震波的过程中偶尔发现。

2.2 声表面波传感器的原理

声表面波（SAW）传感器是运用声表面波技术，以声表面波器件作为传感元件，通过压电效应和逆压电效应，将声表面波器件中声表面波的速度或频率的变化反映出来，并转换成电信号输出的传感器。

以声表面波气体传感器为例，其结构示意如下，主要包含压电基底、激励和检测 SAW 的叉指换能器（IDTs）以及具有选择吸附性的敏感膜三部分：

叉指换能器（IDTs）是压电基底上具有周期性的金属电极，其主要的工作原理是利用压电效应以及逆压电效应原理产生或者接收声表面波，从而实现声和电信号之间的相互转换。当其中一组 IDT受到交变信号的作用，会产生周期与一对叉指间隔距离相同的电场。在逆压电效应刺激作用下，由于弹性形变导致压电材料发生振动，将电信号转为弹性波信号传输到衬底的另一端。另外一组叉指换能器接收到传输过来的声波，在压电效应的刺激下下，把声波信号输出为电信号。

敏感膜对待测气体具有选择吸附性、可逆性和高稳定性，在吸收待测气体后会引起声表面波（传播速度、频率或相位等）物理参数的变化，从而实现对待测气体的检测。

3 声表面波传感器在气相色谱中的应用场景

声表面波传感器在化学分析中，最常见的用途是作为气体传感器测定含量，如二氧化氮、二氧化碳、氢气、甲醛等。

另外，也有将声表面波传感器作为气相色谱仪器的检测器，在公共安全、环境监测、食品和药品检测等方面得到了应用。

声表面波气相色谱仪具有灵敏度高、色谱柱升温速度快(~20℃/s)、体积小，可实现痕量气体的广谱(挥发和半挥发性有机物)、快速(< 5 min)、高灵敏度(ppb~ppt 级) 现场分析的特点。

4 小结

声表面波传感器能够精确测量物理、化学等信息 (如温度、应力、气体密度)，目前已经形成了包括声表面波压力传感器、声表面波温度传感器、声表面波生物基因传感器、声表面波化学气相传感器以及智能传感器等多种类型，未来将会有更广阔的的应用范围。

说明：本文2024年首发于公众号“气相色谱分析”。

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主题：【第十七届原创】气相色谱中的声表面波传感器简介