在万物互联的智能时代，现实世界与数字世界的深度融合对传感技术提出了更高要求。柔性压力传感器作为连接人体、机器与环境的核心媒介，正成为推动医疗健康、机器人技术、人机交互等领域范式变革的关键。共轭聚合物是柔性导电材料，在可穿戴压力检测方面拥有巨大潜力，但传感机制的不明确阻碍了其进一步应用的发展。
日前，上海大学张建华，宋健教授团队，联合中科院上海硅酸盐所李慧研究员，牛津大学Charles H. Lawrie教授提出了一种基于牺牲模板-全溶液方法的微结构制备策略，通过一步成型，在导电聚合物表面原位构建具有高斯分布特性的随机粗糙微结构。结合有限元仿真、GIWAXS和载流子寿命监测，从宏观和微观尺度构建了“薄膜形变-分子重排-电荷密度微扰”的跨尺度分析框架，揭示了侧链掺杂聚合物作为传感层材料的优势。相关工作以“Pressure Induced Molecular-Arrangement and Charge-Density Perturbance in Doped Polymer for Intelligent Motion and Vocal Recognitions”为题发表在《Advanced Materials》杂志上，并已受邀成为本期期刊封面论文。本文第一作者为上海大学微电子学院/中瑞先进技术研究院硕士研究生鲁慧敏。
【柔性压力传感器的制备与机理分析】
牺牲模板法能略去传统固体模板的翻模限制，全溶液掺杂方式不仅适用于大规模加工，并且确保了分子级互溶，使电导率的优化贯穿整个传感层。首先，作者基于两种方法的优势，开发了一种基于牺牲模板-全溶液技术的导电聚合物基的夹层式柔性压力传感器制备方法。该方法利用牺牲模板与全溶液掺杂后的导电聚合物溶液共混、滴涂及原位去除，实现微结构的一步成型。
图1. 柔性压力传感器制备与表征及有限元仿真
随后，在制备完成后，作者对传感器的工作机理进行了分析。从宏观角度，使用有限元软件分析了传感层在受压时的压缩变形行为，解析不同混入比的牺牲材料与导电聚合物工作时的灵敏度与线性响应范围。从微观角度，采用GIWAXS技术揭示F4TCNQ的掺杂位点以及对Pg32T-TT聚合物薄膜分子堆积行为的调控效应。另外，通过瞬态吸收光谱分析了压力诱导下掺杂剂对聚合物载流子寿命的影响。
图2. GIWAXS结果和TA衰减曲线
【柔性压力传感器的性能测试与应用】
此外，作者搭建了压力测试平台对传感器的关键性能参数进行了测试。该器件在0-5.4 kPa范围内的灵敏度高达699.8 kPa-1，响应时间快达19 ms，低压检测限为0.7 Pa，并将其与已开发的同类型的柔性压力传感器进行了对比，综合性能达到领域领先水平。
图3. 传感器的性能测试
最后，作者还将传感器集成在了人体活动部位，对多模态动态信号进行监测。并通过喉咙振动诱导的微压力波动，结合卷积神经网络提取时频特征，该系统对各种声音特征的分类准确率大于96%，实现了语音指令的高精度识别。
图4. 传感器的应用