在微型传感器技术的发展中，研究人员利用异常点（Exceptional Point，EP）物理增强的声表面波（SAW）传感器，提出了一种超灵敏的气体检测方法。这些EP是特征值和特征向量收敛的非厄米系统现象，可以放大信号响应。
据麦姆斯咨询介绍，通过将这一概念融入SAW器件，华中科技大学的研究小组开发出了一种硫化氢（H₂S）传感器，它具有非凡的灵敏度、快速响应和抗环境波动能力。这项研究成果已经发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上，为环境、工业和医疗应用中的实时气体监测提供了强大的新平台，标志着向更智能、更快速、更可靠的传感技术迈出了关键一步。
一直以来，SAW传感器因其紧凑的设计、高集成度和数字兼容性而备受推崇。然而，要提高其灵敏度和选择性却存在困难。传统的SAW传感器能检测到表层变化引起的频率偏移，但这种线性机制往往限制了传感器的性能。与此同时，在光学和电子学中使用EP已显示出放大微弱信号的前景。
然而，由于工程限制，将EP应用于基于声波的系统仍未得到有效探索。随着环境安全和个性化医疗保健等领域对实时、高精度传感的需求日益增长，研究人员认为迫切需要在SAW框架内利用EP，以突破长期存在的性能上限。
为此，研究人员推出了一种基于无源宇称-时间对称性（PT）结构的新型SAW传感器，可在EP附近工作。这种方法采用耦合谐振器和氧化锡（SnO₂）薄膜精心设计了内部损耗。结果显示，新一代H₂S传感器能够检测2 ppm的痕量气体，响应时间快如闪电，小于10秒，这一成就突破了当前传感技术的极限。
用于SAW传感器的无源PT对称模型
这项创新的核心在于利用EP超越了传统SAW传感器的灵敏度极限。通过设计一种带有两个声耦合谐振器和一个SnO₂涂层表面的无源PT对称系统，研究人员实现了频率偏移对EP附近扰动强度的平方根依赖关系，从而极大地放大了检测信号。传统的SAW传感器依赖于较小的线性偏移，与之不同的是，该系统对微小的H₂S浓度表现出快速的非线性响应，甚至在0.4 ppm的浓度下也是如此。
实验测量SAW传感器响应
令人印象深刻的是，在浓度较高的情况下，它能在10秒钟内做出响应，并通过跟踪峰值移动的差异而不是绝对频率，在温度变化的情况下保持稳定。此外，其选择性也很突出，传感器可以忽略氨气和二氧化氮等常见干扰气体，并在暴露后完全恢复。关键的工程设计包括通过非对称电极设计补偿SnO₂引起的频率漂移，确保实际应用的可行性。
重要的是，通过在EP附近（但不完全在EP处）工作，该系统避免了通常与此类配置相关的不必要的量子噪声。COMSOL模拟和物理实验都证实了传感器的性能，证明了在石英等多种基质上的可重复性，以及更高频率SAW平台的潜力。这项研究不仅在气体传感领域实现了技术突破，还为在不同传感器领域应用EP增强方法提供了通用蓝图。
“这项研究为抽象物理学和实际传感架起了桥梁。”该研究论文的共同通讯作者Wei Luo博士说，“通过利用EP，我们从根本上改变了气体检测的可能性。”
他强调了这种方法的可扩展性及其影响各种传感技术的潜力，补充说：“我们认为这是一个平台技术，而不仅仅是一个器件，它可以扩展到机械、生物和化学传感器，并产生变革性的结果。”
这项技术的影响遍及各行各业。在环境监测方面，它可以作为检测工业场所有毒物质泄漏的重要预警系统。在医疗保健领域，它可以实现实时呼吸分析，诊断肝功能衰竭或代谢紊乱等疾病。它与MEMS技术兼容，可实现低成本、大批量生产，非常适合嵌入物联网（IoT）系统。
未来的进一步发展可能包括探索更高阶的EP，以释放更高的灵敏度，或调整设计以检测更广泛的气体和生物标记物。通过将先进物理学与传感器工程相结合，这项工作为新一代智能化、超微型化探测器奠定了基础。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00864-5
