柔性压力传感器在多个领域具有重要的应用价值，包括健康监测、人体运动检测、姿态识别、软体机器人、触觉传感和机器振动传感等。这些传感器能够将机械压力转换为电信号，从而实现对各种物理量的实时监测。根据工作原理的不同，压力传感器可以分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式四种类型。其中，压阻式压力传感器因其简单、成本低、适应性强且功耗低而备受关注。它们通过改变电阻或电流来响应机械压力，能够适应广泛的材料和制造工艺。随着对多功能传感器需求的增加，能够检测多种机械刺激（如压力和振动）的传感器成为研究热点。本文中，研究者开发了一种基于PVDF/NF墨水的高性能压力传感器，采用近场静电纺丝（NFES）技术制造，以满足这些需求。

一：近场静电纺丝（NFES）技术

近场静电纺丝（NFES）是一种先进的制造技术，能够在较低的电压和较短的工作距离下，精确控制材料的性质和形态，制造出具有复杂几何结构的三维多孔结构。这种技术特别适合用于制造高性能柔性压力传感器，因为它能够实现精确的材料沉积和结构控制。通过NFES技术，可以将一维和二维纳米填料（如多壁碳纳米管、还原氧化石墨烯和银纳米线）均匀分散在聚偏二氟乙烯（PVDF）基体中，形成具有高孔隙率和均匀分布的纳米填料的多孔结构。这种结构不仅提高了传感器的灵敏度和响应速度，还保持了良好的柔韧性和可扩展性。

二：基于PVDF/NF墨水的高性能压力传感器制备

材料选择与墨水制备：选择合适的PVDF粉末、纳米填料（如多壁碳纳米管、还原氧化石墨烯和银纳米线）以及溶剂（如丙酮和二甲基甲酰胺）。通过超声分散和磁力搅拌，将纳米填料均匀分散在PVDF基体中，形成PVDF/NF复合材料墨水。

近场静电纺丝打印：将制备好的PVDF/NF墨水装入注射器，通过NFES技术将墨水精确沉积在碳涂层铝箔上，形成传感器的活性层。通过调整打印参数（如打印周期数），可以精确控制传感器的厚度和孔隙率。

传感器组装：将打印好的PVDF/NF活性层夹在上下电极之间，并用PET薄膜封装。通过热压和定制连接器，确保传感器的稳定性和电气连接。（Fig 1）

三：基于PVDF/NF墨水的高性能压力传感器的性能分析

1. 压力范围与灵敏度

传感器表现出0–300 kPa的宽压力范围和0.014–10.67 kPa⁻¹的高灵敏度。这种宽压力范围使其能够覆盖从低频人体运动（如手指弯曲、手腕脉搏等）到高频机器振动（如工业设备的振动监测）的各种应用场景。具体来说，传感器在低压力范围（0–10 kPa）内表现出极高的灵敏度，达到10.67 kPa⁻¹，这使其能够检测到非常微小的压力变化，例如手指的轻触或脉搏的跳动。在中等压力范围（10–100 kPa），灵敏度为0.43 kPa⁻¹，能够准确监测人体运动产生的压力变化。而在高压力范围（100–300 kPa），灵敏度为0.014 kPa⁻¹，虽然相对较低，但仍然能够有效检测到较大的压力变化，适用于工业应用中的压力监测。这种宽压力范围和高灵敏度的特性，使得该传感器在多种应用中具有显著的优势。（见Fig 3(a) 不同PVDF/NF传感器的压力依赖电阻变化）

2. 快速响应与低滞后性

传感器的响应时间为16 ms，这意味着它能够在极短的时间内对压力变化做出反应。这种快速响应能力对于实时监测动态压力变化至关重要，例如在机器振动监测中，能够及时捕捉到高频振动信号。此外，传感器的低滞后性为9.62%，表明在压力加载和卸载过程中，传感器的输出信号具有良好的可重复性和稳定性。低滞后性意味着传感器在压力变化时能够迅速恢复到初始状态，不会因为材料的弹性变形或粘弹性效应而产生显著的延迟或误差。这一特性使得传感器在重复使用过程中能够保持一致的性能，适用于需要高精度和高可靠性的应用场景。（见Fig. 3(e) 传感器响应时间测试图）

3. 耐久性测试

传感器在1500次压力循环测试中表现出优异的耐久性，没有显著的性能下降。这一结果表明，即使在长时间的重复使用过程中，传感器仍然能够保持稳定的性能，不会因为材料疲劳或结构损坏而影响其测量精度。耐久性测试是评估传感器实际应用价值的重要指标，尤其是在需要长期监测的应用场景中，如可穿戴健康设备或工业设备的长期运行监测。通过这种严格的耐久性测试，可以确保传感器在实际使用中具有可靠的性能和较长的使用寿命。（见Fig. 3(f) 传感器耐久性测试图）

4. 高频压力检测能力

传感器能够检测高达500 Hz的压力频率，这使其适用于动态压力监测，如机器振动。高频压力检测能力对于监测快速变化的压力信号至关重要，例如在工业设备的振动监测中，能够准确捕捉到设备运行过程中的高频振动信号，从而实现故障诊断和预防性维护。此外，这种高频检测能力也使得传感器在人体运动监测中具有潜在的应用价值，例如监测运动员的快速动作或机器人的动态响应。通过在不同频率下的测试，传感器表现出良好的频率响应特性，能够准确地检测和记录压力变化，为动态监测提供了可靠的技术支持。（见Fig. 4(b) 传感器在不同频率下的相对电阻变化）

四：结论

在本研究中，通过近场静电纺丝技术开发了一种高性能压力传感器，采用PVDF/NF墨水制造。NFES技术能够制造出具有复杂几何结构的精确可控的二维和三维结构。通过2、4和6次打印周期制造的传感器表现出0–300 kPa的宽压力范围和0.014–10.67 kPa⁻¹的灵敏度。传感器还具有16 ms的快速响应时间和9.62%的低滞后性，能够实时监测压力。在耐久性方面，传感器能够承受超过1500次压力循环而不显著降解性能。此外，传感器能够检测高达500 Hz的压力波动，使其适用于需要低频检测（如人体运动监测）和高频检测（如机器振动）的应用。

这些结果强调了PVDF/NF压力传感器在可穿戴健康设备和工业机械中的广泛潜力。未来的研究可以专注于优化NFES制造的多孔传感器的材料组成，以提升关键设备参数，并开发适用于广泛实际应用的高效多功能传感器。

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文章来源：D01: 10.1039/010c052531