無源無線壓力傳感器基于電感-電容(LC)近場耦合，將壓力信號轉換為電信號，在健康監測，人機交互和物聯網等領域具有重要的價值。由于傳統柔性介電材料制備的電容器量程和信號小，進一步導致無線LC壓力器件的量程小，信號變化范圍小。團隊通過在電容器中引入離子材料提高信號范圍，但發現離子凝膠材料固有的離子泄露和蠕變特性，會導致信號漂移和噪聲擴大。

為了解決上述問題，南方科技大學材料系郭傳飛教授和電子系葉濤教授研究團隊合作開發了一種基于聚離子彈性體的無線無漂移柔性壓力傳感器，實現了在寬量程測試范圍內，器件信號無漂移，高信噪比等特點，并應用于齒科正畸壓力和扭矩測試。相關論文以“Polyelectrolyte-based wireless and drift-free iontronic sensors for orthodontic sensing”為題發表在Science Advances期刊上。DOI: 10.1126/sciadv.adu6086

圖1. 無線無漂移柔性壓力傳感器應用于正畸壓力、扭矩測試

基于上述挑戰，團隊還發現離子材料的介電損耗和器件的噪音水平相關。材料介電損耗越大，無線器件品質因子越低，在恒壓測試時信號噪音越大。通過分子結構設計，將陽離子束縛在分子鏈上，這種聚離子材料比常用的離子凝膠材料介電損耗低一個數量級，高壓下噪音水平也比離子凝膠低一個數量級。

圖2. 離子凝膠和聚電解質材料制備的無線器件信噪比分析

研究團隊將這種無線無漂移柔性壓力傳感器集成到隱形牙套上進行正畸測試，實現了高壓水平下對正畸壓力和扭矩的測試。通過無線扭矩傳感器的結構設計，相比于串聯器件，并聯設計實現了扭矩傳感器信號無串擾。

圖3. 串聯或并聯無線器件的串擾測試

審核編輯 黃宇