基于多壁碳纳米管修饰多孔PDMS泡沫的压阻式压缩应变传感器：制备、表征及可穿戴应用

《IEEE Sensors Journal》：Piezoresistive Compressive Strain Sensor Based on MWCNT-Coated Porous PDMS Foam: Fabrication, Characterization, and Wearable Application

　　**摘要：**能够可靠检测压缩应变的柔性压阻应变传感器在可穿戴健康监测、软体机器人和人机接口等领域的应用需求日益增长。本工作制备并表征了一种基于多壁碳纳米管（MWCNT）包覆多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）泡沫的压缩压阻应变传感器。多孔PDMS泡沫通过牺牲糖块模板法制备，并通过浸涂法引入MWCNT导电网络进行功能化。本研究开发了一套定制压缩测试装置，以实现可控加载和实时电学测量，从而确保对传感器机电响应的可靠评估。所制备的传感器基线电阻为13 kΩ，在0%–70%的压缩应变范围内表现出单调递增的相对电阻变化（ΔR/R?），在低应变区域（0%–20%）的最大应变因子（GF）约为4。动态测试表明其响应时间为0.48 s，恢复时间为0.60 s，并且在5–40 mm/min的加载速率范围内具有独立于加载速率的电学输出。在30%应变下经过2000次压缩–释放循环的长期耐久性能测试表明，传感器具有稳定且可重复的ΔR/R?输出，基线漂移有限。通过概念验证实验展示了传感器的实际应用价值：手指敲击检测、肘部弯曲运动的连续监测，以及通过基于ESP32的无线平台实现的实时压缩等级分类。这些结果表明，MWCNT包覆多孔PDMS泡沫是一种实用、简单且具有潜在可扩展性的柔性压缩应变传感平台，适用于可穿戴和嵌入式传感系统。**I. 引言**近年来，对实时人体运动监测和电子皮肤的需求增长推动了柔性传感器技术的设计与发展。柔性传感器广泛应用于软体机器人[1]、[2]，可穿戴电子[3]，人机接口[4]以及人体运动监测[5]、[6]等领域。这些应用要求传感器具有高度柔韧性、长期稳定性，并在实际条件下实现低功耗运行。然而，传统刚性传感器在这些应用领域存在若干局限性[7]。其刚性结构使其无法适应复杂、非线性的人体运动。人体运动涉及多种运动类型，如屈曲、伸展和旋转，这些运动均会对体戴传感器施加拉伸应变和压缩应变。通常，大多数研究侧重于拉伸传感，对压缩传感的关注较少[8]。然而，许多实时应用涉及压缩应变，例如步态分析、坐姿压力和握力。关键问题在于在宽传感范围内实现可靠的压缩感知[8]。