目前，可穿戴式應(yīng)變傳感器已被廣泛應(yīng)用于人體活動(dòng)監(jiān)測(cè)。不過(guò)，大多數(shù)應(yīng)變傳感器研究主要集中在材料加工、高拉伸性和高靈敏度方面，關(guān)于應(yīng)變傳感器的魯棒性和可靠性研究較少，包括低遲滯、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、電極材料穩(wěn)定性和多輸入信號(hào)下的耦合效應(yīng)等，這些都是限制應(yīng)變傳感器實(shí)際應(yīng)用的因素。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，北京理工大學(xué)王曉毅副教授、香港科技大學(xué)于宏宇副教授研究團(tuán)隊(duì)提出一種新型可拉伸透明電容式應(yīng)變傳感器，其三維叉指電極采用垂直排列的碳納米管制成，具有超低遲滯（0.35%）、出色的壓力不敏感性能（小于0.8%）、快速響應(yīng)（60 ms）、良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和良好的透明度。該電容式應(yīng)變傳感器可用于精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)不同類型的人體活動(dòng)，有望成為人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、軟體機(jī)器人和醫(yī)療保健領(lǐng)域的理想選擇。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

本項(xiàng)研究提出的電容式應(yīng)變傳感器

該電容式應(yīng)變傳感器由可拉伸聚二甲基硅氧烷（PDMS）絕緣體襯底上的叉指電極組成。與傳統(tǒng)的電阻式應(yīng)變傳感器和具有垂直夾層電極的電容式應(yīng)變傳感器相比，具有垂直排列叉指電極結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器在法向力方面具有較低的串?dāng)_，并能提高襯底的透明度。此外，將三維叉指電極嵌入襯底中，可在法向力作用下產(chǎn)生低壓耦合效應(yīng)，從而提高器件的魯棒性。

這款電容式應(yīng)變傳感器的工藝流程和結(jié)構(gòu)示意圖

該電容式應(yīng)變傳感器具備優(yōu)異的性能，主要表現(xiàn)在以下幾方面：在整個(gè)拉伸范圍（ε = 0.5）內(nèi)，電極的電阻變化很?。ā?.6%），這使其連接性能穩(wěn)定，并減少了對(duì)傳感器讀出電路的干擾；具備高達(dá)1 MPa的壓力不敏感性能，可有效提高器件可靠性，并減少拉伸和釋放過(guò)程中壓力信號(hào)的串?dāng)_；具有小于0.35%的超低遲滯，可提供準(zhǔn)確可靠的拉伸和釋放測(cè)量數(shù)據(jù)；在20% ε ~ 90% ε的測(cè)量范圍內(nèi)通過(guò)1500次循環(huán)測(cè)試后，性能始終保持穩(wěn)定。

電容式應(yīng)變傳感器的性能校準(zhǔn)

人機(jī)界面是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，需要通過(guò)多種傳感器將人體運(yùn)動(dòng)和手勢(shì)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以進(jìn)行機(jī)器控制。該研究提出的高性能電容式應(yīng)變傳感器顯示了用于各種潛在應(yīng)用的可能性，包括大范圍運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，例如手指彎曲、膝蓋彎曲、頸部彎曲、手腕彎曲和肘部彎曲等。同時(shí)，還能夠檢測(cè)嘴部動(dòng)作的小應(yīng)變信號(hào)。此類傳感特性可用于一些特殊場(chǎng)合，包括對(duì)有說(shuō)話問(wèn)題的患者進(jìn)行嘴部動(dòng)作檢測(cè)，以向醫(yī)生發(fā)送警報(bào)信號(hào)，還可以幫助耳聾患者通過(guò)調(diào)整嘴部張開大小來(lái)糾正發(fā)音。

人體關(guān)節(jié)動(dòng)作檢測(cè)：a）手指彎曲；b）頸部彎曲；c）肘部彎曲

a）用于嘴部動(dòng)作檢測(cè)的應(yīng)變傳感器的傳感性能表征；b）開口讀出簡(jiǎn)單單詞的語(yǔ)音測(cè)試；c）開口讀出復(fù)雜單詞的語(yǔ)音測(cè)試

總之，該新型電容式應(yīng)變傳感器基于其各方面的優(yōu)異性能，未來(lái)將在人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、軟體機(jī)器人和醫(yī)療保健等方面發(fā)揮重要應(yīng)用價(jià)值。