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(zhuǎn)換為電信號，在健康監(jiān)測，人機(jī)交互和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有重要的價(jià)值。由于傳統(tǒng)柔性介電材料制備的電容器量程和信號小，進(jìn)一步導(dǎo)致無線LC壓力器件的量程小，信號變化范圍小。團(tuán)隊(duì)通過在電容器中引入離子材料提高信號范圍，但發(fā)現(xiàn)離子凝膠材料固有的離子泄露和蠕變特性，會導(dǎo)致信號漂移和噪聲擴(kuò)大。

為了解決上述問題，南方科技大學(xué)材料系郭傳飛教授和電子系葉濤教授研究團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)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(shí)現(xiàn)了在寬量程測試范圍內(nèi)，器件信號無漂移，高信噪比等特點(diǎn)，并應(yīng)用于齒科正畸壓力和扭矩測試。相關(guān)論文以“Polyelectrolyte-based wireless and drift-free iontronic sensors for orthodontic sensing”為題發(fā)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(yīng)用于正畸壓力、扭矩測試

基于上述挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)離子材料的介電損耗和器件的噪音水平相關(guān)。材料介電損耗越大，無線器件品質(zhì)因子越低，在恒壓測試時(shí)信號噪音越大。通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(gè)數(shù)量級，高壓下噪音水平也比離子凝膠低一個(gè)數(shù)量級。

圖2. 離子凝膠和聚電解質(zhì)材料制備的無線器件信噪比分析

研究團(tuán)隊(duì)將這種無線無漂移柔性壓力傳感器集成到隱形牙套上進(jìn)行正畸測試，實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相比于串聯(lián)器件，并聯(lián)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了扭矩傳感器信號無串?dāng)_。

圖3. 串聯(lián)或并聯(lián)無線器件的串?dāng)_測試

審核編輯 黃宇