近年来,随着计算机科学、光电子学、材料科学、机械学等领域的协同进步,人工智能技术以前所未有的速度迅猛发展,而由此衍生出的智能可穿戴设备也成为了科研工作者们关注的焦点之一。作为智能可穿戴设备中不可或缺的重要组件之一,柔性应变传感器自然成为了当今科学研究的热点,该类传感器由于可拉伸、灵敏度高等特点,在健康监测、电子皮肤、机器人的关节运动控制等领域具有广泛的应用前景。目前研究和应用最为广泛的应变传感器是电阻式应变传感器,它可以有效地将应变传感介质的物理形变转变为电阻变化,从而达到应变传感的目的。多种材料都可以用作应变传感器中的传感介质,例如金属纳米材料、聚合物材料以及碳纳米材料等。其中,碳纳米材料因其纳米尺度的交叉接触、机械特性和导电性能优异等优点,非常适合用作应变传感器中传感介质的材料。本论文主要内容如下:首先,对以单根碳纳米线圈为载体的应变传感单元的传感特性进行了研究。由于碳纳米线圈有着独特的三维螺旋形貌,使其本身具有良好的弹性,因此具备发生拉伸形变的基本条件。为了使其在拉伸过程中产生导电性的明显改变,本研究以单根碳纳米线圈为应变母体,在其表面依次沉积一层氧化铝薄膜和钛薄膜分别作为绝缘层和传感层。通过调控钛薄膜的沉积厚度来调控金属钛纳米颗粒的排列和堆叠,从而得到了传感性能最佳的条件。通过实际拉伸测试结合理论分析以及有限元模拟的方法可以得出结论,该应变传感单元可以对数微米范围内的应变进行传感,并且它有着将较大的轴向拉伸应变转换为较小的局部扭转应变的能力,这为微纳机电系统中应变传感单元的制作提供了一种新的方法。其次,本研究通过在单对平行金电极间电泳的方法成功制备了网状结构的碳纳米线圈薄膜,并且可以通过改变电泳次数来控制碳纳米线圈薄膜的密度。将此薄膜用作传感介质夹在两片柔性PDMS膜之间所制成的应变传感器可以获得接近10000的超高灵敏度系数,在超过5000次的循环拉伸测试后传感性能仍保持良好,以及拥有50 ms的快速响应能力。通过理论计算,成功验证了拉伸测试的结果,揭示了拉伸过程中碳纳米线圈网状薄膜内接触点数量发生改变导致整体导电性能改变的传感机制。再次,在基于网状结构碳纳米线圈的应变传感器的实验基础之上,将单对平行金电极扩展为梳型结构的多对平行金电极,然后利用电泳的方法在梳型电极表面成功沉积出了大面积的碳纳米线圈网状结构。该网状结构在平行电极之间的部分比较致密,但在与电极接触的部分则相对薄弱,这使得该网状结构在受到不同程度的应力时会产生两种不同的传感机制,即碳纳米线圈-碳纳米线圈接触变化、碳纳米线圈-电极接触变化。实验结果表明,该结构对于压力的传感特别灵敏,可以探测到低至0.5 kPa的小压强,也可以承受高达100 kPa的压强。该传感器灵敏度最高可达193/kPa,且在50-100 kPa的宽范围内均可保持超过150/kPa的超高灵敏度。在超过10000次的循环压力测试后传感性能仍保持良好,其响应时间达48 ms。为了比较不同压力传感器之间的传感性能,该研究提出了压力传感最优值的概念,经过计算得出该压力传感器的最优值高达3.72×106,高于当前绝大多数压力传感器最优值的300倍以上。最后,以多壁碳纳米管为原材料,通过抽滤的方法得到了致密的网状结构碳纳米管薄膜(巴基纸),将该薄膜用作传感介质制成了超高灵敏的应变传感器。该应变传感器在发生形变时,可以产生不同程度的裂缝,这些裂缝可以影响巴基纸的导电性从而达到传感的目的。在导电性能良好的前提下,其产生的裂缝最大可以达到百微米量级。该网状结构碳纳米管薄膜对拉伸、压力等应变均有优异的传感性能。对于拉伸传感,其灵敏度高达20216,最大应变范围高达75%,最小可以探测0.1%的应变量,在超过10000次的循环拉伸测试后性能仍保持良好,且有着少于87ms的快速响应能力;对于压力传感,该传感器具有0-1.68 MPa的宽探测范围,89.7/kPa的高灵敏度,在超过3000次的循环压力测试后性能仍保持良好;该传感器的拉伸应变最优值和压缩应变最优值分别高达3.07×108和1.35×107,其最优值远远高于目前报道过的绝大多数应变/压力传感器。该传感器在关节运动传感、脉搏监测、振动传感等方面均有良好的表现,为其在智能可穿戴设备、电子皮肤等领域的进一步发展和应用奠定了基础。