论文题目:柔性自支撑聚合物湿度传感器的构筑及应用研究作者:关欣学号:2019511028专业:微电子学与固体电子学指导教师:费腾教授湿度传感器在环境监测、农业种植、药品保存及运输、货物仓储和健康医疗等领域具有重要应用。多年来,研究人员在提高传感器的灵敏度、响应速度、稳定性等性能方面做了大量的工作,研制了不同类型的湿度传感器。随着柔性电子技术的发展,对各类柔性传感器的需求不断增加。柔性湿度传感器在可穿戴电子设备方面有重要作用,其在应用中面临的重要问题之一是柔性衬底和湿敏材料之间的界面接触问题。柔性器件在弯曲、拉伸使用时,界面处湿敏材料极易发生与衬底的脱离,导致器件基线电阻增大、飘移甚至失效。为了解决这一问题,该论文拟采用自支撑的器件结构,柔性聚合物既是敏感材料也充当衬底,较好的解决了柔性传感器应用难题。本论文从湿敏材料设计、传感器制作、器件性能测试和传感机理分析以及应用等方面开展了系统的研究工作。本论文主要研究内容包括:1.针对传统柔性湿度传感器衬底和敏感材料之间的界面接触问题,提出利用交联反应制备结构稳定的聚电解质湿敏膜,并制作成无支撑的电阻型湿度传感器。利用点击化学反应在交联体系中引入亲水性单体,通过亲水性单体的含量调控聚合物湿敏性能,制备的传感器表现出较小的湿滞和较快的响应速度。这种无支撑的电阻型湿度传感器中,聚电解质敏感膜既是柔性衬底又是感湿敏感体。该传感器可实现机械形变下的湿度检测,同时简化了器件的制作工艺,解决了传统柔性湿度传感器敏感膜与衬底的界面问题。探索了制备器件在非接触式皮肤湿度检测、人体呼吸监测和植物叶片呼吸监测等方面的应用。2.面向湿度传感器对呼吸频率检测的需求,选用普通的纸张作为自支撑湿度传感器的基体。利用化学修饰方法对纸基纤维素进行改性,通过亲水单元含量对柔性纸基材料的水吸附能力进行调控,感湿基团的修饰提高了纸基器件的灵敏度和响应速度。这种自支撑型纸基传感器在54%RH环境中的灵敏度由1.59增加到8.41,在95%RH环境中的灵敏度由63.7提高到1691.8,相应的响应时间从101 s缩短到25s,且器件具有良好的长期稳定性。该类传感器裁剪随意,工艺简单,即用即抛。3.为了克服上述纸基自支撑湿度传感器高阻态时稳定性差的问题,在纳米纤维素中担载多壁碳纳米管（MWCNTs）和离子液体（[EMIM]Cl）实现纳米纸的可控制备,制作了柔性自支撑纳米纸湿度传感器。通过引入[EMIM]Cl增强了材料的亲水能力和湿度环境下的离子电导率,优化[EMIM]Cl电解质含量实现了纳米纸柔性自支撑湿度传感器在全湿范围内的线性响应（95%RH下的灵敏度最高可达1006.2）,器件在11%RH-95%RH的最快响应为28 s,且器件具有良好的稳定性和柔韧性。4.针对低湿度检测的问题,研制了高性能的生物质离子凝胶低湿度传感器。利用k-卡拉胶与明胶的低温交联和离子交联形成稳定的敏感膜,将[EMIM]Cl均匀包裹在敏感膜中。通过[EMIM]Cl的含量调控离子凝胶亲水能力,制作了具有不同湿敏特性的生物质离子凝胶低湿度传感器。传感器在5%RH-35%RH范围内响应良好,且随着[EMIM]Cl含量的增加器件灵敏度逐渐提高,可达到576.9。交联结构的离子凝胶保证了器件良好的稳定性。