構建出具有高靈敏度和寬測量范圍的柔性壓力傳感器是當前最迫切的發展方向和關鍵挑戰之一。為了解決這一具有挑戰性的問題，本文提出了一種創新的、便捷的、可工業化擴展的電容式壓力傳感器，該傳感器結合了多孔電極和具有表面微觀結構的電紡納米離子膜。該傳感器的優點是通過具有高可靠性和良好重復性的靜電紡絲技術在多孔導電織物上直接制備納米離子納米纖維膜。制備的傳感器電介質層與電極完全接觸，有效消除了傳統封裝方法中氣隙干擾的不確定性。本文還通過有限元和理論分析有力揭示了所設計傳感器的傳感機理。首先，導電織物和介電層的孔隙率擴大了測量范圍。其次，當外部壓力施加到傳感器時，納米離子膜的表面微觀結構增加了介電層之間的有效接觸面積，從而增加了離子的傳導路徑。壓力下電離度的增加導致界面電容的變化。上述因素使得傳感器在較寬的測量范圍內具有高靈敏度。設計的傳感器在0-10kPa的低壓測量范圍內顯示出高達1254.5/kPa的靈敏度，提供了0-800kPa的寬測量范圍，在整個測量范圍內具有128.1/kPa的極高靈敏度。設計的傳感器具有10ms的較快響應時間和16ms的松弛時間，以及高達3000次循環的耐久性。上述的優異性能證明了其在智能穿戴設備和氣壓監測方面的應用潛力顯著。
圖1.電容式壓力傳感器的傳感原理和仿真模型。（a）離子膜壓力傳感器的傳感原理。（b）模擬相同壓力下電極孔隙率對壓力傳感器變形的影響。（c）模擬相同壓力下介電層纖維厚度對壓力傳感器變形的影響。
圖2.（a）納米離子電容式壓力傳感器的工藝流程圖。（b）電容式壓力傳感器的組成和結構。（c）具有不同H3PO4含量的PVA/H3PO4纖維膜的微觀結構SEM圖像。
圖3.（a）表征施加壓力和電容變化之間相關性的實驗系統。（b）用于探索環境溫度和濕度對傳感器電容遷移的影響的實驗系統。（c）不添加H3PO4試劑時傳感器的電容與壓力曲線。（d）使用不同比例H3PO4試劑時傳感器的電容曲線隨壓力的變化。
圖4.納米離子膜電容式壓力傳感器的傳感性能研究。（a）在800kPa的測量范圍內，傳感器靈敏度隨施加壓力的變化曲線。（b）壓力傳感器的測量響應極限低于5Pa。（c）壓力傳感器響應時間。（d）壓力傳感器高達3000次的魯棒性測試。（e）傳感器在單個負載-卸載循環中的電容響應。（f）40-80%環境濕度范圍內的電容與頻率曲線。（g）環境溫度范圍為25-65℃時的電容與頻率曲線。（h）在相同條件下1個月后進行傳感器耐久性試驗。
圖5.本工作與現有電容式傳感器的性能比較。
圖6.柔性電容式壓力傳感器在多種情況下的性能驗證試驗。（a）對單個和多個手指按壓的電容響應。（b）對正負氣壓沖擊的電容響應。（c）通過向燒杯中添加液體模擬不同重量接觸物體帶來的電容變化。（d）將不同重量的物體置于200kPa的初始壓力下。（e）過程d的電容曲線。
圖7.壓力傳感器的潛在應用介紹。（a）語音識別應用程序演示。（b）脈沖信號監測應用演示。（c）用于步態檢測的壓力傳感器示意圖。（d）跑步的相對電容曲線。（e）行走的相對電容曲線。
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