自供电、高嵌入式、灵敏的摩擦电标签传感器，用于快速稳定的标签打印机

A Self‑Powered, Highly Embedded and Sensitive Tribo‑Label‑Sensor for the Fast and Stable Label Printer

Xindan Hui, Zhongjie Li, Lirong Tang, Jianfeng Sun, Xingzhe Hou, Jie Chen, Yan Peng*, Zhiyi Wu*, Hengyu Guo*

Nano-Micro Letters (2023)15: 27

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00999-y

1. 为了解决当前标签传感器中存在的问题，提出了一种 自 供电，高嵌入式及灵敏 的摩擦电标签传感器，有望作为 红外传感器的替代工具 。

2. 摩擦电标签传感器在标签识别、定位和计数方面比传统红外传感器具有 更高的 集成性、灵敏度、可靠性和通用性 。

标签打印机已广泛应用于医疗保健、生物医药、物流、零售、科研及射频识别(RFID)等领域，正在成为物联网(IoT)发展的利刃之一。在打印过程中，用于标签识别、定位和计数的标签传感器向打印头提供反馈信号，是保证标签打印机正常工作的核心部件。在商业上，已经开发了多种用于标签传感的技术，包括红外、激光、电容和超声波传感器。其中，基于检测反射光信号变化的红外标签传感器因其集成性高、成本低、功耗小而成为最广泛的应用一种，但其仍存在一些不可忽视的缺点: (i)快速打印时，标签纸的机械抖动也会被传感器检测到，进而对有用信号产生干扰; ( ii)打印机长时间工作产生的热量会影响电子元件的性能;(iii)没有预先在纸张衬底上标记黑线，则无法检测到透明标签。这些缺点使得打印机无法实现标签的高速识别和快速稳定的打印。针对以上存在的问题， 重庆大学郭恒宇、中国科学院北京纳米能源与系统研究所吴治峄和上海大学彭艳课题组 提出了一种基于接触分离(C-S)模式TENG机制的自供电、高嵌入式及灵敏度的摩擦电标签传感器(TLS)，用于快速稳定的标签打印。

图1. (a)摩擦电标签传感器(TLS)的结构和传感机理。标签打印过程中基本部件的示意图；(b)商用便携式标签打印机的光学照片(比例尺:2厘米)；(c)嵌入式TLS的标签打印机内部示意图；(d) TLS的详细结构和工作状态；(e)TLS在短路和开路两种典型状态下的电荷(上)和模拟电位(下)分布：(f)红外传感器与TLS输出传感信号比较。左边示意图中的W₁和W₂分别表示两个标签之间的间隔和标签宽度。

I I TLS的基本传感性能

在实际应用中，两个标签之间的间隔(W₁)和标签的宽度(W₂)是标签传感器检测的两个基本尺寸。图2a为典型传感过程中TLS导电辊的相对运动轨迹及相应的归一化输出电压信号。可以看出，脉冲的半高时宽t₁与标记间隔W₁有关，而标记宽度W₂分别由相邻脉冲信号之间的时间间隔t₂反映，这是由TLS的传感机制决定的。因此，随着标签间隔W₁的变化，输出脉冲信号宽度t₁也随之变化，如图2b中不同间隔标签的输出信号所示。值得注意的是，还可以从脉冲宽度t₁进一步分析标签的缺失。图2c定量地研究了t₁、t₂与W₁、W₂的相关性, t₁与W₁线性良好(W₁: 2-4 mm)，t₂与固定的W₂保持恒定(15 mm)。对于TLS，传感辊的直径会对传感信号产生影响，如图2d, e所示，可以看出，直径较小的传感辊输出电压曲线在脉冲信号中的上升沿或下降沿比直径较大的TLS具有更短的上升沿或下降沿，这是因为直径较小的TLS在运行过程中覆盖的区间面积更大，感知保真度更高。定量结果表明，随着杆直径的增大，t₁减小，t₂线性增大(图2f)。对于标签传感器来说，灵敏度也是一个重要的方面，由接触-分离模式的TENG机制可知，TLS的输出信号大小与标签厚度高度相关。从图2g可以看出，电压信号随着标签厚度的减小而减小。为了提高TLS的灵敏度，一方面可以对摩擦材料进行改性，另一方面，也可以采用更薄的摩擦层。如图2h所示，使用较薄的FEP摩擦层时，传感信号更强。

图2. TLS的基本性能表征；(a)典型传感过程(W₁ = 2mm, W₂ = 15mm)的原理图和动态输出信号；(b)不同标签间隔W₁和固定标签宽度W₂ (15mm)的TLS输出信号；(c)不同W₁ (W₂ = 15 mm)下输出信号的脉冲时宽t₁和时隙t₂。(d, e)不同传感辊直径(dI = 6 mm, dII = 2 mm)时TLS的原理图及动态输出信号；(f)不同传感辊直径的脉冲时宽t₁和时隙t₂；(g)标签厚度和h摩擦层厚度对TLS输出信号的影响。

I II 与红外传感器的性能比较

图3. TLS与红外传感器性能比较；(a)同步测试示意图和实物照片(比例尺:10mm)；(b)标签抖动；(c、d)器件温度变化(上半部分为各传感器在两种状态下的热成像)；(e、f)标签透明度对TLS和红外传感器输出传感信号的影响(比例尺:10mm)。

对于标签传感器来说，鲁棒性是实现标签长时间稳定可靠打印的重要方面，但却是TENG需要解决的关键问题。在本文，TLS中滚辊结构的接触分离模式在很大程度上避免了机械磨损，并确保高耐久性。如图4a所示，在3万个周期的长期运行过程中，TLS的信号幅度基本保持不变(略有波动)。图4b为FEP表面的SEM图像，连续试验6、12、18 h均未见明显划痕，进一步证明了TLS在实际应用中的可行性。TLS的工作流程类似于红外传感器，传感器与打印头之间预先设定相位差，实时传感信号经过信号处理后控制打印头，实现准确的打印位置，如图4c所示。我们构建了一个基于LabVIEW的虚拟标签打印界面，以验证TLS在已知干扰下正常运行的可行性。在没有干扰的情况下，TLS和红外传感器都成功实现了标签打印；而在有扰动的情况下，红外传感器的输出信号会被干扰淹没，导致打印标签出现错位和重叠(图4d)，相反，TLS保持稳定的信号和正确的标签打印结果。这些都证明了TLS作为一种替代工具在实际标签打印中的应用可行性，并且具有突出的优势。

图4. TLS的应用可行性。(a) 3万次循环后TLS的稳定性。插图显示了初始阶段和最后阶段的详细传感信号；(b)使用FEP膜0、6、12、18 h后的表面形貌；(c)基于TLS的标签打印机工作流程示意图；(d)基于LabVIEW虚拟平台的TLS和红外传感器标签打印界面 。