壓阻式壓力傳感器通過捕捉外部壓力信號并將其轉化為可讀的電信號，在人體健康監測中扮演著重要角色。信號線性度、信號靈敏度和檢測范圍是壓力傳感器的重要指標。針對傳感材料的精細微觀結構設計是提高其信號靈敏度的主要策略，但對于信號線性度和檢測范圍的提升有限，其根本原因是傳感材料內極易達到的飽和電流。本研究通過化學摻雜與激光協同的雙策略調控導電高分子的相分離，并通過傳感材料的梯度電導率設計，有效延緩了飽和電流的形成，提升了信號線性度與檢測范圍。
近日，四川大學范紅松教授、衛丹專職博士后等設計開發了一種基于多巴胺（DA）/激光的雙策略用于調控聚（3,4-乙二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）的相分離程度，并實現了PEDOT:PSS的電導率廣泛可調和微結構設計，構建了基于PEDOT:PSS電導率梯度設計和微槽互鎖結構的壓阻式壓力傳感器，該傳感器展現出了極高的應力傳感靈敏度（4×105 kPa-1）、寬檢測范圍（100 kPa內)下的高線性響應度（99.74%）（圖1）。
圖1.激光/DA雙策略誘導PEDOT:PSS相分離和微結構形成，用于構建具有高線性度、高靈敏度和寬檢測范圍的壓阻式壓力傳感器
PEDOT:PSS為兩相分布的高分子導電材料，其中PEDOT+為導電相，絕緣但親水的PSS-承擔水分散角色，促進PEDOT和PSS兩相分離是調控PEDOT:PSS電導率的主要手段。該研究團隊首先聚焦于激光對于PEDOT:PSS相分離的調控。一方面，激光的熱效應作用于PEDOT:PSS，使得PEDOT與PSS之間的庫侖力被削弱；另一方面，激光能夠電離周遭空氣形成等離子體，進一步形成由等離子體構成的光生電場，進而引發帶相反電荷且作用力被削弱的兩相在電場引導下發生分離。由于PSS的分解溫度低于PEDOT，分離后的PSS相在激光熱效應下進一步熱分解，進而增加了體系中PEDOT導電相的含量，提高了材料的電導率。此外，激光的高分辨率加工特性賦予了其精細的微結構設計能力，能夠在誘導PEDOT:PSS相分離的同時實現其微結構的精細化設計。但是，過高的激光強度會致使PEDOT碳化，從而破壞體系的共軛導電結構。
圖2. 激光誘導PEDOT:PSS相分離的機理及碳化形成
化學摻雜是調控PEDOT:PSS相分離的另一重要手段，但是大多摻雜劑具有生物毒性。該研究團隊采用生物相容的DA作為摻雜劑，協同激光處理，實現了對PEDOT:PSS更廣范圍的相分離調控（雙策略處理的PEDOT:PSS簡稱為LPPD）。雙策略誘導相分離原理為：DA的伯胺基團與PSS的磺酸離子之間的靜電作用削弱了PEDOT與PSS之間的庫侖力，從而協同激光增強了PEDOT:PSS中的相分離程度。AFM，TGA和XPS結果證實，相較于單一DA摻雜或激光處理，雙策略處理后的PEDOT:PSS材料展現出更明顯的相分離程度（PEDOT/PSS含量比例為0.67:0.33）。由于二次摻雜效應在PEDOT鏈脫離PSS后發生，此時PEDOT會經歷由苯式結構向醌式結構的轉變，Raman光譜顯示出經雙策略處理的PEDOT:PSS出現更為明顯的構象轉變（苯式結構/醌式結構比例為0.88:0.12）。
圖3. DA/激光雙策略處理誘導PEDOT:PSS相分離
PEDOT鏈從PSS鏈分離后，會在π-π共軛作用下形成半結晶富集域。該研究團隊隨后利用GIWAXS探究經雙策略處理后PEDOT結晶情況，發現雙策略處理后PEDOT的π-π共軛晶格間距顯著降低，同時PEDOT:PSS的（100）晶面出現了新的晶體結構，該晶體結構的晶格間距也小于未處理的PEDOT:PSS（100）晶面的間距，表明導電結構的致密化形成，將有利于電子傳輸。
圖4. 雙策略處理的LPPD晶體結構
經雙策略處理后得到的LPPD具備致密的PEDOT導電結構，且絕緣PSS在激光熱效應下被部分分解，體系中的導電通路相比于原始PEDOT:PSS更為高效。同時DA上的半醌基團具備強吸電子效應，PEDOT的π電子云上的活躍電子傾向于向DA轉移，這種電子轉移機制進一步強化了體系的電子導電通路，使得LPPD的電導率高達4525 S/cm。
圖5. 雙策略處理的LPPD電化學性能
基于DA和激光對于PEDOT:PSS相分離程度的調控，該研究團隊開發出了具有多層梯度導電結構且帶有微溝槽結構的傳感導電材料層，并結合同樣具有微溝槽結構的叉指電極實現了傳感導電層和檢測層的機械互鎖。這種微結構設計有利于傳感器對外加壓力的感知能力，顯著提升了傳感器的靈敏度（4×105 kPa-1）。同時，梯度導電結構通過逐層級聯電流激活，避免了單層電流過飽和導致線性度的缺失，最終實現了大壓力范圍下（100kPa）的線性電流變化（99.74%）。
圖6. 高精度柔性壓力傳感器的制備與表征
該研究團隊發現傳感器的檢測范圍涵蓋微小壓力區間、常見壓力區間以及大壓力區間，能夠用于氣流及脈搏產生的微弱壓力檢測、常見壓力區間范圍內的動作檢測和100-1500 kPa區間壓力下的步態檢測。
圖7. 高精度柔性壓力傳感器的應用
總結：該研究團隊通過DA/激光雙策略誘導導電高分子相分離，結合機械互鎖共面結構與電導率梯度設計，開發了一種高性能柔性壓阻式壓力傳感器。通過激光誘導的光熱效應、光生電場以及DA與PSS鏈間的靜電作用，實現了對PEDOT:PSS的相分離控制，進而實現了PEDOT:PSS電導率的廣泛可調。通過傳感電極層與叉指電極層的共面互鎖微槽結構，并結合梯度導電PEDOT:PSS傳感層內的級聯激活電流，有效調節了電流飽和形成，使該傳感器在0-100 kPa范圍內展現出卓越的靈敏度（4×105 kPa-1）和線性度（99.74%），為下一代可穿戴設備的設計提供了優化方案。
以上研究成果近期以“Phase Separation Manipulated Gradient Conductivity for A High-Precision Flexible Pressure Sensor”為題，發表在《Advanced Functional Materials》上。四川大學生物醫學工程學院/國家生物醫學材料工程技術研究中心曾明澤博士為文章第一作者，范紅松教授和衛丹專職博士后為文章的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、四川省自然科學基金等資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411390
