传统的应变传感器利用金属薄片在拉伸形变下的电阻变化来探测应变（通常小于5%），被广泛的用来探测应变、应力和加速度。近年来蓬勃发展的可穿戴电子学器件、交互式仿生机器人等领域要求传感器能够探测大应变（>>5%），而且与生物体具有兼容性，传统的金属片传感器显然无法满足上述要求。因此，人们正在探索新型的可拉伸的应变传感器。
    可拉伸的应变传感器要求材料不仅要具有稳定的弹性和导电性，而且要对应变信号有灵敏的、稳定的和可逆地响应。和传统的应变传感器类似，可拉伸应变传感器有电阻型和电容型两种：电阻型应变传感器通常具有很明显的回滞和松弛现象，而且电阻与应变一般不是线性关系；电容式的传感器在这些方面都具有比较好的表现。碳纳米管具有准一维特性和优异的导电性，其宏观聚集体（薄膜）天然的具有可拉伸性能，是制备可拉伸功能器件的理想的电极材料。目前研究人员已经采用碳纳米管实现了探测范围高达100%的电阻型和电容型应变传感器，但是制备探测范围更大（>200%）、性能稳定可靠和高灵敏度的应变传感器仍然是一个很大的挑战，而且现有的传感器大部分都不是透明的。
    中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”研究小组（A05组），多年来一直致力于碳纳米管薄膜的制备、物性与应用研究，取得了系列成果（Adv. Mater. 2009, 21, 603; Nano Lett. 2009, 9, 2855; Nano Lett. 2011, 11, 4636; Energ. Environ. Sci. 2011, 4, 1440; Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 8726; Adv. Funct. Mater. 2012，22: 5238; Adv. Mater. 2013, 25, 1058）。最近，在以往工作的基础上，该课题组解思深院士指导的博士生蔡乐等人与中国科技大学宋礼教授、Rice大学Ajayan教授合作，通过结构上的设计，成功地制备出了一种具有高透光率、宽探测范围、高稳定性和可靠性的电容式应变传感器。这种传感器具有类似于平行板电容器的简单结构，采用“碳纳米管薄膜-弹性体聚合物”复合物作为电极材料，弹性体聚合物作为中间介质层，充分利用弹性体聚合物的Poisson形变，将应变信号转换为电容变化。考虑到弹性体的各向同性，“平行板电容”模型预测器件的灵敏度（gauge factor）将严格等于1。实验结果与理论预言吻合的非常好，而且不存在回滞和松弛，表现出非常稳定的探测性能。通过选取合适的弹性体聚合物，可以实现高达300%的探测范围，同时保持<1%的探测精度和<100 ms的响应速度。长时间反复拉伸实验表明，器件具有非常好的耐受性（100%的应变，10000次拉伸；200%应变，2000次拉伸）。另一方面，由于所采用的碳纳米管和弹性体聚合物在可见光区都具有很高的透光率，最终的传感器器件也表现出非常好的透明性（550 nm透光率高达80%）。相关研究结果发表在Scientific Reports (Sci. Rep., 3, 3048; DOI:10.1038/srep03048 (2013))上。
    该工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院等项目的支持。

    文章链接：Super-stretchable, Transparent Carbon Nanotube-Based Capacitive Strain Sensors for Human Motion Detection.pdf

图1 (a) 透明可拉伸应变传感器的制备过程；(b) 器件的Poisson形变（探测原理）；(c) 光学照片；(d)器件在400nm-1000nm范围内的透光率。

图2  器件的探测性能：(a) 应变从1%逐渐增大到300%；(b)0-100%应变范围内的电容响应以及线性拟合，拉伸和回复过程曲线完全重合（没有回滞现象）；(c,d)长时间反复拉伸测试；(e)响应速度超出仪器测分辨精度（~100ms），而且没有过冲；(f)对样品施加随机的应变信号，其电容响应与施加的应变非常吻合。

图3  应用演示：(a)用来探测人体关节（手指关节）的活动；(b)探测气球充气时的体积变化；(c)探测人呼吸时胸腔的运动。