基于双添加剂工程PEDOT:PSS墨水的微结构柔性压阻传感器及其性能增强研究

《Applied Materials Today》：Dual-additive engineering of PEDOT:PSS ink for enhanced microstructured flexible piezoresistive sensors

本文提出一种D-山梨醇与十二烷基苯磺酸（DBSA）双添加剂改性PEDOT:PSS墨水的新策略，通过协同优化导电聚合物薄膜的电导率（达1010 S cm-1）与微裂纹可逆特性（40%应变下电阻波动<5%），并结合3D打印微半球形PDMS基底构建高性能柔性压阻传感器。该传感器在0–0.5 kPa区间灵敏度达–1.56 kPa-1，耐久性超过10,000次循环，成功应用于腕部屈曲、步态周期及语音识别等生理信号监测，为可拉伸导电材料与低成本柔性电子器件开发提供新思路。

　　

Section snippets

Materials

聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT:PSS）商用型号Clevios^TM PH 1000购自Heraeus公司（德国）。D-山梨醇（纯度>98%）购自麦克林（上海），十二烷基苯磺酸（DBSA, 95%）购自阿拉丁（上海），聚二甲基硅氧烷（PDMS）型号Sylgard^TM 184购自美国道康宁公司，光敏树脂3D打印材料购自Creality。

Characterization of modified PEDOT:PSS ink

为解决商业PEDOT:PSS墨水中过量PSS链导致的导电性差与成膜不均问题，研究引入多羟基化合物D-山梨醇和表面活性剂DBSA作为添加剂（附图S2）。DBSA有效降低墨水表面张力并适度提升电导率，其磺酸基团与PSS链强烈相互作用，部分破坏PEDOT与PSS间的键合，而D-山梨醇通过羟基与PSS形成氢键，增强分子链段运动能力，二者协同诱导PEDOT构象从线圈向线性转变，显著提升载流子迁移率。改性后的墨水经喷涂和后处理形成均匀薄膜（DS₄-PP），电导率高达1010 S cm^-1，并在40%拉伸应变下呈现可逆微裂纹行为，100次循环电阻波动小于5%。

Conclusion

本研究通过掺杂改性与结构设计，成功制备出高拉伸性PEDOT:PSS薄膜与高灵敏度柔性压阻传感器，实现了材料性能与器件结构的协同优化。在PEDOT:PSS体系中引入4 wt% D-山梨醇与0.5% DBSA，结合喷涂工艺，使DS₄-PP薄膜综合性能优异，传感器在0–0.5 kPa区间灵敏度达–1.56 kPa^-1，并在600 Pa压力下经受10,000次循环仍保持稳定。该器件在可穿戴健康监测平台中展现出对腕部屈曲、步态及语音信号的高灵敏度检测能力，为柔性电子技术走向实用化提供新路径。

CRediT authorship contribution statement

Qiqi Li: 文稿撰写与修订；Wenqiong Fan: 方法构建与数据分析；Yuzhe Gu: 数据整理与文稿修订；Lele Wang: 实验方法支持；Aoxi Yu: 方法优化；Jingyu He: 数据采集；Baoguang Liu: 项目指导；Yang Li: 研究设计、经费支持与终稿审定。