湿度作为最重要的环境参数之一,对林业、农业、工业生产、食品货品的储藏运输及人体健康等领域都有着显著影响。为了营造合适的环境,人们需要对湿度进行精确的监测和控制。而作为人们对环境湿度进行感知的窗口,高性能湿度传感器的研发显得尤为重要。近年来,研究人员在高性能湿度传感器的研发方面付出了大量努力。随着湿度传感器敏感特性的不断提高,一些高性能的器件已经能够做到快速、精准的测定环境湿度,可以基本满足人们对湿度测量的需求。然而随着物联网技术的发展,传感器被大量使用,且新一代电子设备纷纷向便携化、可穿戴化发展。这使得人们对传感器的成本、便携性、稳定性、环境友好性等方面的特性提出了新的要求。本论文旨在从新敏感材料和新器件结构对新型高性能湿度传感器件进行研究。发展了结构稳定的有机-无机复合型湿度传感器和低成本的柔性纸基湿度传感器,并对湿度传感器在呼吸监测领域的应用进行了初步探索。本文的主要研究内容包括:1、基于介孔二氧化硅担载湿度活性物质的复合湿敏材料在湿度传感领域受到了广泛研究。然而,利用物理共混的方法得到的复合体系难以保证敏感材料的均匀分散和复合材料的结构稳定性。本论文通过化学修饰的方法将湿度敏感基团键合到介孔材料中,制备了SBA-15-PSS和SBA-15-DMC杂化材料,由于亲水性有机聚合物的反应位点在合成介孔二氧化硅的溶液反应中形成,使得复合材料中湿度敏感物质具有良好的分散性,且体系中主客体材料之间的化学键合使得杂化材料在结构上具有更高的稳定性。基于两种杂化材料制备的湿度传感器对湿度变化表现出高灵敏和快速的响应特性。2、合成了一种核壳结构的湿度敏感型聚苯乙烯磺酸钠/二氧化硅纳米粒子(PSS@SNs),可利用溶液加工的方法制备感湿膜。该杂化体系中,疏水的二氧化硅纳米粒子被用作核层,其可以确保杂化材料具有良好的稳定性,而亲水性的聚苯乙烯磺酸钠被用作壳层以确保杂化材料的亲水性。最终制得的PSS@SNs杂化纳米粒子可以在水中稳定分散,其良好的分散性主要归功于二氧化硅纳米粒子较小的粒子尺寸和亲水性有机聚合物的修饰。聚合物作为壳层暴露在外使得杂化粒子间呈现出一种柔性接触,有利于提高感湿膜的机械强度。通过将PSS修饰在二氧化硅纳米粒子表面不仅可以提高PSS的高湿稳定性,且由于二氧化硅纳米粒子的存在,使得感湿膜中可以形成大量的堆积孔,空气中的水分子可以快速通过这些孔道到达电极界面,使得传感器表现出极快的响应速度。3、随着传感器件渐渐向便携化、可穿戴化发展,纸基器件以其低成本、轻便、环保及工艺简单等特点引起了科研工作者们的广泛关注。我们将氧化碳纳米管分散液灌注在空白荧光笔中制成“墨笔”,通过墨笔在纸张衬底表面涂写形成敏感层。在敏感层形成过程中,墨汁中的氧化碳纳米管材料可以随墨汁渗透进入纸张衬底表层,这种结构可以增加敏感材料与气氛中水的接触面积从而提高其灵敏度。此外,纸张表层的纤维可以辅助敏感材料对水分子的吸附,进一步提高了器件的灵敏度。实验结果表明:纸基湿敏器件的灵敏度是同一材料陶瓷衬底器件的五倍左右。4、通过原位光引发点击化学反应在打印纸纤维中制备了交联聚离子液体,得到了一种新型纸基湿度传感器。纸张衬底较强的亲水性可以促进水分子的吸附,然而由于纸张纤维中缺乏导电物质,使得其在吸附水分子后难以将信号转化为电学信号输出。我们将具有强离子导电能力的聚离子液体引入纸基纤维中形成稳定的交联网络结构,并提供亲水性和导电性。当相对湿度升高时,纸张纤维和聚离子液体大量吸附水分子,聚离子液体中的离子可以电离并进入水层参与导电,从而导致器件阻抗显著降低。器件的制作方法为低成本高性能纸基湿度传感器的批量制备提供了新思路。