构建出具有高灵敏度和宽测量范围的柔性压力传感器是当前最迫切的发展方向和关键挑战之一。为了解决这一具有挑战性的问题，本文提出了一种创新的、便捷的、可工业化扩展的电容式压力传感器，该传感器结合了多孔电极和具有表面微观结构的电纺纳米离子膜。该传感器的优点是通过具有高可靠性和良好重复性的静电纺丝技术在多孔导电织物上直接制备纳米离子纳米纤维膜。制备的传感器电介质层与电极完全接触，有效消除了传统封装方法中气隙干扰的不确定性。本文还通过有限元和理论分析有力揭示了所设计传感器的传感机理。首先，导电织物和介电层的孔隙率扩大了测量范围。其次，当外部压力施加到传感器时，纳米离子膜的表面微观结构增加了介电层之间的有效接触面积，从而增加了离子的传导路径。压力下电离度的增加导致界面电容的变化。上述因素使得传感器在较宽的测量范围内具有高灵敏度。设计的传感器在0-10kPa的低压测量范围内显示出高达1254.5/kPa的灵敏度，提供了0-800kPa的宽测量范围，在整个测量范围内具有128.1/kPa的极高灵敏度。设计的传感器具有10ms的较快响应时间和16ms的松弛时间，以及高达3000次循环的耐久性。上述的优异性能证明了其在智能穿戴设备和气压监测方面的应用潜力显著。
图1.电容式压力传感器的传感原理和仿真模型。（a）离子膜压力传感器的传感原理。（b）模拟相同压力下电极孔隙率对压力传感器变形的影响。（c）模拟相同压力下介电层纤维厚度对压力传感器变形的影响。
图2.（a）纳米离子电容式压力传感器的工艺流程图。（b）电容式压力传感器的组成和结构。（c）具有不同H3PO4含量的PVA/H3PO4纤维膜的微观结构SEM图像。
图3.（a）表征施加压力和电容变化之间相关性的实验系统。（b）用于探索环境温度和湿度对传感器电容迁移的影响的实验系统。（c）不添加H3PO4试剂时传感器的电容与压力曲线。（d）使用不同比例H3PO4试剂时传感器的电容曲线随压力的变化。
图4.纳米离子膜电容式压力传感器的传感性能研究。（a）在800kPa的测量范围内，传感器灵敏度随施加压力的变化曲线。（b）压力传感器的测量响应极限低于5Pa。（c）压力传感器响应时间。（d）压力传感器高达3000次的鲁棒性测试。（e）传感器在单个负载-卸载循环中的电容响应。（f）40-80%环境湿度范围内的电容与频率曲线。（g）环境温度范围为25-65℃时的电容与频率曲线。（h）在相同条件下1个月后进行传感器耐久性试验。
图5.本工作与现有电容式传感器的性能比较。
图6.柔性电容式压力传感器在多种情况下的性能验证试验。（a）对单个和多个手指按压的电容响应。（b）对正负气压冲击的电容响应。（c）通过向烧杯中添加液体模拟不同重量接触物体带来的电容变化。（d）将不同重量的物体置于200kPa的初始压力下。（e）过程d的电容曲线。
图7.压力传感器的潜在应用介绍。（a）语音识别应用程序演示。（b）脉冲信号监测应用演示。（c）用于步态检测的压力传感器示意图。（d）跑步的相对电容曲线。（e）行走的相对电容曲线。
