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随着人们对湿度的理解逐渐加深，湿度的检测和精准控制便在气象监测、工业生产、农业种植、国防科技、航空航天甚至日常生活等诸多领域渐渐形成了规范。近年来，国内外的研究人员在研发高性能湿度传感器领域做了许多卓有成效的工作，不仅有越来越多不同类型的传感器可用于湿度的检测，并且器件也向着小型化、可穿戴化、集成化的方向快速发展。然而，常规的电阻型湿度传感器通常对敏感材料的导电性能要求很高，材料的高湿耐水性也是一直以来难以解决的问题，因此，许多具有良好吸附性能的弱导电甚至绝缘亲水材料在湿度检测领域的应用受到了限制。石英晶体微天平(Quartz crystalmicrobalance，QCM)是一种基于石英晶体压电效应的质量型传感器。基于特殊的工作原理，该类型器件对敏感材料的电学性质要求并不严苛。此外，QCM传感器凭借其检测精度高、电极表面易修饰、可在室温条件下工作和可实现实时监测等诸多优点，目前在传感器领域备受关注。本论文以生物材料壳聚糖(Chitosan，Chit)为基体材料，以QCM为传感器件，采用溶液共混、表面沉积交联等方式制备了具有强亲水性的复合材料，并通过滴涂、浸渍等方法制作了高性能QCM湿度传感器。一方面，采用振荡电路分析法从动态响应特性、重复性、稳定性、选择性、湿滞特性和响应-恢复时间等多个方面对器件性能做了全面的考察；另一方面，通过阻抗分析法对器件内部的电学参数等进行了系统的研究，主要研究内容和取得的阶段性成果具体如下：
1．通过QCM传感器起振电路的设计、饱和盐溶液静态湿度发生装置的配制、QCM传感器表面功能化的修饰、高精度频率计以及阻抗分析仪等设备的连接与调试等几部分工作完成了QCM湿度传感器检测系统的搭建。
2．以壳聚糖为湿敏材料制作了QCM湿度传感器，测试结果表明：该器件在不同相对湿度条件下对水分子均展现出较好的响应特性，其主要原因在于，壳聚糖表面富含氨基(-NH2)和羟基(-OH)等亲水基团，检测环境中的水分子通过氢键作用吸附在壳聚糖敏感薄膜表面。然而，在后续的实验中发现，壳聚糖修饰的QCM湿度传感器在经过多次循环测试时展现出较差的可重复性，并且在连续的吸湿与脱湿过程中存在着较为严重的湿度滞后现象，究其原因是壳聚糖属于高分子材料，其自身的柔性链状结构在吸水后会极易发生溶胀等现象，这些现象会导致敏感薄膜与QCM基片无法实现同步振荡，从而导致器件的短期和长期稳定性均受到不同程度的影响。
3．针对壳聚糖修饰的QCM湿度传感器所存在的不足，以改进材料结构，提高敏感材料的力学性能为研究目标，将零维材料石墨烯量子点(Graphene quantum dots，GQDs)引入壳聚糖体系，两种材料通过静电效应和氢键作用紧密结合后构成了具有网状结构的复合材料(GQDs-Chit)。研究结果显示，GQDs-Chit复合材料所修饰的QCM湿度传感器的性能较壳聚糖修饰的QCM传感器有了明显的提高，主要表现在灵敏度升高、湿滞减小、重复性改善、长期稳定性增强等方面。并且，还通过阻抗分析法验证了GQDs-Chit复合材料所修饰QCM湿度传感器具有更高的品质因数，说明QCM器件在工作过程所需要克服的阻力明显减少。
4．在以上工作的基础上，本文将GQDs材料分别替换为一维材料多壁碳纳米管(Multiwalled carbon nanotubes，MWCNTs)和具有有序介孔结构的二氧化硅材料MCM-41，并将以上两种材料作为壳聚糖的支撑骨架制备了复合材料，利用所得复合材料分别制作了QCM湿度传感器。通过对各项湿敏测试结果的分析和对比发现，两种复合体系所修饰器件不仅明显改善了纯壳聚糖材料修饰器件存在的短期和长期稳定性较差的现象，灵敏度、湿滞等诸多湿敏特性也均有明显提升。此外，还利用朗格缪尔等温吸附模型对水分子吸附原理进行了分析与讨论，并通过计算所得的吉布斯自由能结果验证了该吸附反应是自发进行的。
本论文通过以上几部分工作得出结论：引入增强相的复合材料较单一材料而言，具有更高的机械强度、更好的吸附性能和更小的能量损耗，两种单一材料在性能和结构上的协同作用，让复合材料附有了更优越的综合湿敏性能。以上研究成果可为QCM型传感器的机理分析提供一定的借鉴价值，并且还可以为QCM传感器敏感材料的选择与改进以及器件性能的提高等方面提供一些可行的思路和方法。
1．通过QCM传感器起振电路的设计、饱和盐溶液静态湿度发生装置的配制、QCM传感器表面功能化的修饰、高精度频率计以及阻抗分析仪等设备的连接与调试等几部分工作完成了QCM湿度传感器检测系统的搭建。
2．以壳聚糖为湿敏材料制作了QCM湿度传感器，测试结果表明：该器件在不同相对湿度条件下对水分子均展现出较好的响应特性，其主要原因在于，壳聚糖表面富含氨基(-NH2)和羟基(-OH)等亲水基团，检测环境中的水分子通过氢键作用吸附在壳聚糖敏感薄膜表面。然而，在后续的实验中发现，壳聚糖修饰的QCM湿度传感器在经过多次循环测试时展现出较差的可重复性，并且在连续的吸湿与脱湿过程中存在着较为严重的湿度滞后现象，究其原因是壳聚糖属于高分子材料，其自身的柔性链状结构在吸水后会极易发生溶胀等现象，这些现象会导致敏感薄膜与QCM基片无法实现同步振荡，从而导致器件的短期和长期稳定性均受到不同程度的影响。
3．针对壳聚糖修饰的QCM湿度传感器所存在的不足，以改进材料结构，提高敏感材料的力学性能为研究目标，将零维材料石墨烯量子点(Graphene quantum dots，GQDs)引入壳聚糖体系，两种材料通过静电效应和氢键作用紧密结合后构成了具有网状结构的复合材料(GQDs-Chit)。研究结果显示，GQDs-Chit复合材料所修饰的QCM湿度传感器的性能较壳聚糖修饰的QCM传感器有了明显的提高，主要表现在灵敏度升高、湿滞减小、重复性改善、长期稳定性增强等方面。并且，还通过阻抗分析法验证了GQDs-Chit复合材料所修饰QCM湿度传感器具有更高的品质因数，说明QCM器件在工作过程所需要克服的阻力明显减少。
4．在以上工作的基础上，本文将GQDs材料分别替换为一维材料多壁碳纳米管(Multiwalled carbon nanotubes，MWCNTs)和具有有序介孔结构的二氧化硅材料MCM-41，并将以上两种材料作为壳聚糖的支撑骨架制备了复合材料，利用所得复合材料分别制作了QCM湿度传感器。通过对各项湿敏测试结果的分析和对比发现，两种复合体系所修饰器件不仅明显改善了纯壳聚糖材料修饰器件存在的短期和长期稳定性较差的现象，灵敏度、湿滞等诸多湿敏特性也均有明显提升。此外，还利用朗格缪尔等温吸附模型对水分子吸附原理进行了分析与讨论，并通过计算所得的吉布斯自由能结果验证了该吸附反应是自发进行的。
本论文通过以上几部分工作得出结论：引入增强相的复合材料较单一材料而言，具有更高的机械强度、更好的吸附性能和更小的能量损耗，两种单一材料在性能和结构上的协同作用，让复合材料附有了更优越的综合湿敏性能。以上研究成果可为QCM型传感器的机理分析提供一定的借鉴价值，并且还可以为QCM传感器敏感材料的选择与改进以及器件性能的提高等方面提供一些可行的思路和方法。