【摘 要】
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环境中的气体和湿度条件会影响人们的生活和工业生产，因而需要研制响应灵敏度高、可靠性优异、长期稳定性好的气体和湿度传感器来进行检测。目前的气体和湿度传感器主要是以金
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环境中的气体和湿度条件会影响人们的生活和工业生产，因而需要研制响应灵敏度高、可靠性优异、长期稳定性好的气体和湿度传感器来进行检测。目前的气体和湿度传感器主要是以金属氧化物和有机高分子为敏感材料。然而基于金属氧化物的传感器工作温度高，基于有机材料的传感器稳定性较差，均无法满足低功耗、低维护成本传感系统的要求。因此本文通过具有p-n异质结的金属氧化物/交联导电聚合物复合材料作为室温气体传感器的敏感材料提高其传感性能;另外以新型的聚电解质——绿色无污染的聚离子液体——为湿度传感器的敏感材料，制得了全湿度范围(11％～98％ RH)阻抗模量变化三个数量级的电阻式湿度传感器，并且响应时间快（5秒），在无封装条件下30天内稳定性好。具体内容如下: 首先，我们合成了无机二氧化铈(CeO2)/有机聚苯胺(PANI)核壳结构的复合材料，并研究了基于该复合材料的电阻型氨气传感器在室温条件下的传感性能。通过控制CeO2与苯胺的质量比成功合成了不同PANI壳层厚度的复合材料，其中当CeO2与苯胺的质量比为4时，氨气传感器表现出最高的响应特性，对于50ppm氨气的响应灵敏度达到了6.5，检测范围为2～400ppm。通过利用多元酸（植酸）掺杂PANI的交联效应，使壳层的PANI对外界环境变化产生自适应的效果，有效地提高了氨气传感器的长期稳定性及抗湿度干扰能力，结果显示基于有机-无机复合材料的氨气传感器在15天内能够完全地保持其对氨气的传感特性，并且在98％ RH的高湿条件下工作也不致于损坏，并且恢复性良好。同时CeO2/PANI核壳结构形成了p-n异质结，暴露于氨气时外层导电通道发生改变，从而成功地提高了传感器的响应灵敏度。该氨气传感器同时具有较好的响应、恢复时间以及良好的选择性。 其次，研究了聚离子液体PEVIm-Br和PEVIm-BF4阻抗型湿度传感器的响应特性。通过自由基均聚反应成功地合成了PEVIm-Br，并利用后续的离子交换法制得了PEVIm-BF4。根据核磁共振波谱、红外吸收光谱、飞行时间质谱等表征手段证实了单体成功发生聚合反应形成聚离子液体。传感测试结果显示其在全湿度范围内(11％～98％RH)的阻抗模量降低了3个数量级，湿滞较小，响应和恢复较快，重复性好，并且具有良好的长期稳定性。同时通过复阻抗分析表明其响应机理主要是水分子促进聚离子液体的阴离子解离，并与解离产生的H3O+一同增加了材料的离子浓度，从而降低了聚离子液体的阻抗模量。另外，对聚离子液体湿度传感器建立等效电路模型，通过基本电学元件对器件进行仿真分析得知，其传感特性主要是由于体电阻和Warburg阻抗随着湿度的增加呈现指数性减小，从而引起的聚离子液体的阻抗模量相应的呈现指数级的下降。
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