可拉伸透明电容式应变传感器用于精准监测不同类型的人体活动

目前，可穿戴式应变传感器已被广泛应用于人体活动监测。不过，大多数应变传感器研究主要集中在材料加工、高拉伸性和高灵敏度方面，关于应变传感器的鲁棒性和可靠性研究较少，包括低迟滞、长期稳定性、电极材料稳定性和多输入信号下的耦合效应等，这些都是限制应变传感器实际应用的因素。

据麦姆斯咨询报道，近期，北京理工大学王晓毅副教授、香港科技大学于宏宇副教授研究团队提出一种新型可拉伸透明电容式应变传感器，其三维叉指电极采用垂直排列的碳纳米管制成，具有超低迟滞（0.35%）、出色的压力不敏感性能（小于0.8%）、快速响应（60 ms）、良好的长期稳定性和良好的透明度。该电容式应变传感器可用于精准监测不同类型的人体活动，有望成为人体运动检测、软体机器人和医疗保健领域的理想选择。相关研究成果已发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

本项研究提出的电容式应变传感器

该电容式应变传感器由可拉伸聚二甲基硅氧烷（PDMS）绝缘体衬底上的叉指电极组成。与传统的电阻式应变传感器和具有垂直夹层电极的电容式应变传感器相比，具有垂直排列叉指电极结构的应变传感器在法向力方面具有较低的串扰，并能提高衬底的透明度。此外，将三维叉指电极嵌入衬底中，可在法向力作用下产生低压耦合效应，从而提高器件的鲁棒性。

这款电容式应变传感器的工艺流程和结构示意图

该电容式应变传感器具备优异的性能，主要表现在以下几方面：在整个拉伸范围（ε = 0.5）内，电极的电阻变化很小（《1.6%），这使其连接性能稳定，并减少了对传感器读出电路的干扰；具备高达1 MPa的压力不敏感性能，可有效提高器件可靠性，并减少拉伸和释放过程中压力信号的串扰；具有小于0.35%的超低迟滞，可提供准确可靠的拉伸和释放测量数据；在20% ε ~ 90% ε的测量范围内通过1500次循环测试后，性能始终保持稳定。

电容式应变传感器的性能校准

人机界面是一个重要的应用领域，需要通过多种传感器将人体运动和手势转换为电信号，以进行机器控制。该研究提出的高性能电容式应变传感器显示了用于各种潜在应用的可能性，包括大范围运动检测，例如手指弯曲、膝盖弯曲、颈部弯曲、手腕弯曲和肘部弯曲等。同时，还能够检测嘴部动作的小应变信号。此类传感特性可用于一些特殊场合，包括对有说话问题的患者进行嘴部动作检测，以向医生发送警报信号，还可以帮助耳聋患者通过调整嘴部张开大小来纠正发音。

人体关节动作检测：a）手指弯曲；b）颈部弯曲；c）肘部弯曲

a）用于嘴部动作检测的应变传感器的传感性能表征；b）开口读出简单单词的语音测试；c）开口读出复杂单词的语音测试

总之，该新型电容式应变传感器基于其各方面的优异性能，未来将在人体运动检测、软体机器人和医疗保健等方面发挥重要应用价值。