基于离子梯式聚（硅倍半氧烷）的快速响应低湿度传感器

《IEEE Electron Device Letters》：Rapid-response low humidity sensor based on ionic ladder-type poly(silsesquioxane)

精准的低湿度检测对锂电池制造、文物保存和微电子封装至关重要，但现有传感器存在灵敏度低、响应慢和稳定性差的问题。本研究通过季铵化及阴离子交换合成离子梯形多硅氧烷（QLPSQ-X，X=Cl、FSI、BF4、TFSI），其刚性LPSQ骨架确保结构稳定性，离子基团促进离子传输，实现5%-97% RH范围内优异线性（R2=0.99）和灵敏度（|log Ra/%RH|=0.030）。QLPSQ-TFSI传感器在100 Hz下响应/恢复时间仅0.1/0.9秒（5%-33% RH）和0.1/2.1秒（5%-97% RH），滞后率<12%，稳定性超过30天，源于优化的疏水性、离子迁移率及介孔框架结构，为高效低湿传感提供新方案。

　　

摘要：

精确的低湿度检测对于锂离子电池制造、文化遗产保护以及微电子封装等领域至关重要。然而，现有的传感器由于水吸附能力有限和离子传输速度慢，导致灵敏度低、响应时间慢且稳定性差。为了解决这些问题，研究人员通过季铵化反应后进行阴离子交换，合成了一系列离子梯状聚硅氧烷（QLPSQ-X，其中X = Cl、FSI、BF4或TFSI）。QLPSQ的刚性结构确保了其稳定性，而其离子基团则促进了高效的离子传输，使得传感器在5%–97%的相对湿度范围内具有出色的线性响应。具体而言，QLPSQ-TFSI传感器在100 Hz频率下表现出最佳的线性（R2 = 0.99）和灵敏度（|log Ra/%RH| = 0.030），响应/恢复时间极快（在5%–33%的相对湿度范围内为0.1秒/0.9秒，在5%–97%的相对湿度范围内为0.1秒/2.1秒），滞后现象较小（<12%的相对湿度），并且具有长期稳定的工作性能（超过30天）。这些优异的性能得益于优化的疏水性、增强的离子迁移率以及中孔结构的QLPSQ框架，从而实现了高效的低湿度检测。