南方科技大学郭传飞/叶涛团队Science Advances: 基于聚电解质的无线和无漂移离电型传感器，用于正畸传感

无源无线压力传感器基于电感-电容(LC)近场耦合，将压力信号转换为电信号，在健康监测，人机交互和物联网等领域具有重要的价值。由于传统柔性介电材料制备的电容器量程和信号小，进一步导致无线LC压力器件的量程小，信号变化范围小。团队通过在电容器中引入离子材料提高信号范围，但发现离子凝胶材料固有的离子泄露和蠕变特性，会导致信号漂移和噪声扩大。

为了解决上述问题， 南方科技大学材料系 郭传飞教授 和电子系 叶涛教授 研究团队合作 开发了一种基于聚离子弹性体的无线无漂移柔性压力传感器，实现了在宽量程测试范围内，器件信号无漂移，高信噪比等特点，并应用于齿科正畸压力和扭矩测试 。相关论文以“Polyelectrolyte-based wireless and drift-free iontronic sensors for orthodontic sensing”为题发表在Science Advances期刊上。DOI: 10.1126/sciadv.adu6086

图1. 无线无漂移柔性压力传感器应用于正畸压力、扭矩测试

基于上述挑战，团队还发现离子材料的介电损耗和器件的噪音水平相关。材料介电损耗越大，无线器件品质因子越低，在恒压测试时信号噪音越大。通过分子结构设计，将阳离子束缚在分子链上，这种聚离子材料比常用的离子凝胶材料介电损耗低一个数量级，高压下噪音水平也比离子凝胶低一个数量级。

图2. 离子凝胶和聚电解质材料制备的无线器件信噪比分析

研究团队将这种无线无漂移柔性压力传感器集成到隐形牙套上进行正畸测试，实现了高压水平下对正畸压力和扭矩的测试。通过无线扭矩传感器的结构设计，相比于串联器件，并联设计实现了扭矩传感器信号无串扰。