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资讯 | 基于纳米材料的声波传感器：最新研究进展与应用突破

两江科技评论

2026-01-15

导读：本文介绍了近年来纳米材料在声表面波（SAW）和体声波（BAW）传感器中的研究进展，并展示其在生物医学诊断、湿度监测、气体检测等领域的应用潜力。

文章来源：21dB声学人

声波器件最初主要应用于通信领域中的滤波与谐振单元，而随着微纳加工技术和材料科学的快速发展，其作为高灵敏传感平台的潜力逐渐被释放。声波传感器以机械声波作为信息载体，能够对质量加载、黏弹性变化、电导率扰动及界面生物反应等参数做出直接响应，因此在化学、生物与环境传感中具有天然优势。

然而，传统声波传感器在灵敏度、选择性和功能集成方面逐渐逼近性能瓶颈。纳米材料的引入成为突破这一瓶颈的重要途径。纳米材料所具备的高比表面积、丰富表面活性位点、量子限域效应及可调控的电—机—化学耦合特性，使声波器件从“被动检测平台”升级为“高度可设计的敏感系统”。

来自印度多所高校的研究团队在《Measurement》发表综述，系统梳理了2012-2025年间已在线发表的200余项研究，总结了近年来纳米材料在声表面波（SAW）和体声波（BAW）传感器中的研究进展，并展示其在生物医学诊断、湿度监测、气体检测等领域的应用潜力。

一、声波传感器的基本原理与类型

声波传感器基于压电效应，将电信号与机械声波相互转换。当声波在压电基底表面或内部传播时，若其传播路径的质量、电导率或黏弹特性发生变化，声波的频率、相位或衰减特性将随之改变，从而实现对目标物的检测。

根据声波传播形式，声波传感器主要分为两类：

声表面波（SAW）传感器：声波沿压电基底表面传播，核心结构包括叉指换能器（IDT）和压电基底，部分设计包含反射器或延迟线。根据结构差异可进一步分为双端口延迟线型和单端口谐振器型，前者通过输入 / 输出双端口实现信号传输与检测，后者借助光栅反射器形成谐振腔增强传感灵敏度。

图1 声表面波（SAW）传感器的两种核心结构。a双端口器件（延迟线型）包含输入和输出两组叉指换能器，用于信号的发射与接收；b单端口器件（谐振器型）通过单组叉指换能器与光栅反射器形成谐振腔，可放大声表面波效应，提升传感灵敏度。

体声波（BAW）传感器：声波贯穿压电基底内部传播，典型代表包括石英晶体微天平（QCM）和薄膜体声波谐振器（FBAR）。这类传感器凭借高品质因数和高频特性，在液体环境传感和微量检测中表现突出。

图2 体声波器件：(a) 石英晶体微天平；(b) 薄膜体声波谐振器

纳米材料在两类传感器中均扮演关键角色，根据功能可分为主动型和被动型：主动型纳米材料可在电磁场作用下产生声波或在声波作用下产生电场，被动型纳米材料则通过与声波相互作用辅助声波的产生与检测，两类材料共同推动传感器性能升级。

二、生物传感领域

生物传感是纳米材料基声波传感器最具潜力的应用方向，凭借高灵敏度和特异性，在疾病诊断、生物标志物检测等方面实现多项突破。

1.疾病标志物检测

针对癌胚抗原（CEA）、甲胎蛋白（AFP）、CA125 等肿瘤标志物，研究人员开发了多种高性能传感器。Ti₃C₂Tₓ MXene–Au 纳米颗粒掺杂聚酰亚胺薄膜传感器，检测限低至0.001 ng/mL，在 75 天内保持稳定性能，对常见干扰蛋白表现出高选择性。基于 MoS₂/Au纳米颗粒复合材料的 Love 波传感器，将甲胎蛋白检测限降至 4.79 pg/mL，满足早期诊断需求。

图4 (a) 各浓度下频率偏移变化的平均值；(b) 免疫分析评估的对数 - 对数校准曲线。展示 Ti₃C₂Tₓ MXene - Au 纳米颗粒掺杂聚酰亚胺薄膜声表面波传感器检测癌胚抗原（CEA）的性能。

图5 呈现 Love 波声表面波适配体传感器检测甲胎蛋白的动态过程。

2.血糖与生物分子检测

Mn 掺杂 ZnO 多层结构 SAW 葡萄糖传感器，灵敏度达7.184 MHz/mM，检测限为 6.96×10⁻³ mM，对乳酸、尿酸等干扰物具有良好抗干扰能力。基于肽模板铜纳米簇的漏波 SAW 传感器，实现蛋白激酶活性检测，检测限0.02 U/mL，可用于激酶靶向药物筛选和临床诊断。

图6 利用肽模板铜纳米簇检测蛋白激酶活性的声表面波传感器示意图（包含肽链 P1、P2，铜纳米簇（CuNCs）的形成过程及与磷酸化 P1 的相互作用）

3.微生物与细胞检测

SAW 芯片实验室系统能在1×10¹–1×10⁸ CFU/mL范围内快速检测水中嗜肺军团菌，检测限2.01×10⁶ CFU/mL，不受其他革兰氏阳性/阴性菌干扰。槽模 SAW 传感器借助金纳米颗粒–抗体偶联物，实现微生物细胞检测，检测限低至1×10³ cells/mL，分析时间仅需 4 min。

三、湿度传感

湿度传感在工业生产、医疗健康等领域需求迫切，纳米材料的引入显著提升了传感器的灵敏度、响应速度和稳定性。

1.核心纳米材料与性能

石墨烯及其氧化物是湿度传感的主流材料。氧化石墨烯/AlN/Si 层状结构 SAW 传感器，在相对湿度 >80 % 时灵敏度达42.08 kHz/%RH，兼具良好的高低湿度响应能力和热稳定性。MoS₂/氧化石墨烯纳米复合材料传感器，高湿度区间（70 %–95 %RH）灵敏度达 766.8 ppm/%RH，响应和恢复时间分别仅为 3.5 s 和 6.6 s。

图8 验证氧化石墨烯 / 氮化铝 / 硅层状结构声表面波湿度传感器的宽范围检测性能。图 (a) 和图 (b) 分别展示了传感器在低湿度和高湿度区间的灵敏度（S 值），证明该传感器在 10%-90% RH 全范围均具有良好响应，且在高湿度区间灵敏度显著提升，满足不同湿度环境下的监测需求。

图11 呈现氧化石墨烯 / 二氧化钛声表面波湿度传感器的检测实验装置。

2.功能拓展与应用

基于三维结构石墨烯/PVA/SiO₂的 SAW 湿度传感器，成功应用于呼吸监测，能精准追踪呼吸深度、频率及饮水前后的呼吸变化。壳聚糖/多孔环糊精–TiO₂复合传感器实现无线湿度检测，传输距离达 30 m，可用于消防员追踪和森林火灾预警等场景。GO/TiO₂基 SAW 传感器在 10 %–90 %RH 范围内表现出优异重复性和长期稳定性，响应/恢复时间分别为 30 s 和 20 s。

四、气体传感

气体传感器在环境监测、安全防护等领域至关重要，纳米材料基声波传感器实现了对多种气体的高灵敏、高选择性检测。

1.常见气体与挥发性有机物检测

针对 NH₃、H₂S、NO₂等气体，研究人员开发了系列高性能传感器。Si–Cu 纳米复合材料 SAW 传感器在 60 % 相对湿度下能检测 50 ppb 的 H₂S，三次循环测试表现出良好稳定性。

CuO@V₂C MXene 异质结构传感器的 H₂S 检测限低至 27.2 ppb，响应/恢复时间分别为 54 s 和 76 s，在宽温湿度范围内保持高灵敏度。

挥发性有机物（VOCs）检测方面，基于 CNT/MoS₂复合材料的 SAW 传感器对乙醇的灵敏度达1630.1 Hz/ppm，为早期癌症诊断提供了新路径。

CdTe/聚吡咯纳米复合材料 Love 波传感器对丙酮的检测限低至 5 ppb，灵敏度771 Hz/ppm，有效降低乙醇、甲苯等干扰。

图15 二氧化硅 - 二氧化钛薄膜基声表面波传感器在 50 天内对不同浓度氨气（1 ppm、10 ppm、40 ppm）的频率偏移变化。

2.特殊气体检测

在有毒有害气体检测中，石墨烯/PVDF多孔分子印迹SAW传感器对甲基膦酸二甲酯（DMMP）的灵敏度达−1.407 kHz/ppm，响应/恢复时间分别为4.5 s和5.8 s。

rGO–SnS₂纳米复合材料传感器经紫外激活后，DMMP检测限降至50 ppb，响应时间39.2 s，适用于化学战剂模拟物检测。

氢气检测方面，Pd/Ni纳米线薄膜SAW传感器检测限7 ppm，响应时间<2 s，在室温下表现出优异稳定性。

图19 基于氧化锌的声表面波福尔马林传感器结构示意图（包含反射器、换能器、传感层、石英 ST 切衬底）。氧化锌纳米薄膜作为传感层，与福尔马林气体相互作用导致传感器谐振频率变化。

五、其他新兴应用与未来方向

除生物、湿度、气体传感外，纳米材料基声波传感器还在紫外光检测、温度传感、液体检测等领域展现出广阔前景。

MoS₂纳米片SAW传感器对365 nm紫外光的频率偏移达3.5 MHz，灵敏度优异；Pt/AlN/SiC结构SAW温度传感器在室温至800°C范围内表现出线性响应，温度系数约−25.9 ppm/°C；AlN/AlScN BAW液体传感器灵敏度达5.1 MHz/%，线性度0.995，适用于液体浓度检测。

当前，该领域仍面临部分挑战：氧化过程影响材料功能基团与孔隙结构，导致响应 / 恢复时间延长；石墨烯、MXene 等材料在高温下易分解，限制高温应用；气体吸附过程中物理与化学吸附并存，影响传感器重复性。

未来，通过优化纳米材料制备工艺、设计异质结构提升选择性、结合机器学习与人工智能技术优化检测系统，有望进一步突破性能瓶颈。

总体而言，纳米材料的引入提升了声波传感器的性能上限，也推动其从传统器件向高性能、多场景应用平台转型。这一研究方向正在成为连接基础材料研究与实际应用的重要桥梁，其未来发展前景值得持续关注。

论文信息：Sreejith, S., Ajayan, J., Uma Reddy, N. V., Vijumon, V. T., & Manikandan, M. (2026). Recent progress in nanomaterial based acoustic wave sensors: A review. Measurement, 258, 119094. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2025.119094

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