9280 kPa⁻¹！超高灵敏度柔性电容型压力传感器

2. 通过使用具有高孔隙率(95.4%)和低模量(3.4 kPa)的聚氨酯-离子液体泡沫材料，在实验中使柔性压力传感器达到了9280 kPa⁻¹的超高灵敏度。

在离子型电容传感器中，因为EDL双电层的存在，器件的电容值主要受电极-离子层之间接触面积(A)影响。此外，根据灵敏度公式S=δ(∆C/C₀)/δP，较低的初始电容(C₀)，即较低的初始接触面积(A₀)，有利于得到更高的灵敏度，其中P是外界载荷。同时，根据接触理论分析，接触面积增量与初始面积的比值(∆A/A₀)可以近似表示为∆A/A₀=ψP/E，与离子层的有效模量(E)成反比，其中ψ为由离子层结构形貌决定的几何参数。模量E与离子层的孔隙率的关系为E=E₀D(1-Vₚ)ⁿ，其中Vₚ为孔隙率，E₀为块材的模量，n和D均为常数。综上所述，想要提高传感器的灵敏度，降低初始接触面积和有效模量是关键，而高孔隙率的材料可以在显著减少初始接触的同时(大部分为空气)，降低有效模量，同时满足以上两点设计需求。

本文采用有限元分析的方法，对不同孔隙率下的多孔材料压缩形变过程进行了研究。如图1a所示，对于同样架构的材料，当孔隙率随特征宽度的减小而增大时，功能层的可压缩性有极大的提高，表现为同压力下有更大的压缩形变，即有效模量降低。同时，孔隙率增大会有效降低上下极板(电极)和功能层(离子层)之间的初始接触面积，进而使得接触面积增量与初始面积的比值反比上升(图1b)，为后续传感器灵敏度的增加提供可能性。

本文采用简单的一步浸泡法，通过将高孔隙率的聚氨酯泡沫浸入离子液中，在其表面吸附形成一层连续的离子液体界面，如图3a所示。因为整个工艺简单，无需昂贵的仪器设备；原材料廉价且可以商业获得，使得功能层的加工成本非常低廉，可以轻松实现大尺寸样品的制备，如图3b。进一步的表征分析证明了离子液体可以稳定、均匀的附着在聚氨酯材料表面(图3d)，并且离子液体的存在不会显著影响多孔材料的压缩变形性能(图3e)。通过将复合泡沫作为介电层夹在电极之间并封装测试(图3g)，可以得到与模拟预测相一致的电容-压力曲线(图3i)。

III 复合泡沫离子型传感器性能

图4. (a) 复合泡沫压力传感器的灵敏度曲线；(b) 与以前文献中报告的结果的灵敏度对比；(c) 压力传感器的响应时间；(d, e) 在不同预压力情况下微小力信号的探测；(f) 传感器对微弱气流的响应；(g, h) 传感器稳定性检测。

IV 复合泡沫传感器应用：水波检测和振动监测

图5. (a) 传感器的应用场景示意图；(b) 传感器检测到的水波的时域波形；(c) 使用小波变换得到的水波频域信号；(d, e) 传感器检测到的水下机器的振动信号及频域信号；(f) 附在鼓风机上的传感器在正常和异常工作条件下的电容信号；(g) 鼓风机在正常和异常工作条件下的频域信号。