自供电、高嵌入式、灵活的摩擦电标签传感器，用于快速稳定的标签打印机

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自供电、高嵌入式、灵活的摩擦电标签传感器，用于快速稳定的标签打印机

标签传感器是标签打印机的重要组成局部，正成为物联网开展的重要工具。但是，传统的标签传感器存在一些缺陷，使打印机无法完成标签的高速辨认和稳定打印。在此，我们提出了一种自供电，高嵌入式及灵活的摩擦电标签传感器(TLS)，经过将摩擦纳米发电机嵌入到标签打印机中不可或缺的滚轴构造，完成精确的标签辨认、定位和计数。从理论和实验两方面对传感机理、器件参数以及与传统的红外传感器停止了深度比拟和系统研讨。结果标明，TLS传感的信号强度是传统红外传感器的6倍。此外，TLS在快速打印过程中不受标签颤动和温度变化的影响，并且直接适用于透明标签，具有长期的鲁棒性。这项工作可能为改良现有标签打印机提供一个具有突出优势的替代工具，并进一步促进物联网的开展。

A SelfPowered, Highly Embedded and Sensitive TriboLabelSensor 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
本文亮点
1. 为理解决当前标签传感器中存在的问题，提出了一种自供电，高嵌入式及灵活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辨认、定位和计数方面比传统红外传感用具有更高的集成性、灵活度、牢靠性和通用性。
内容简介
标签打印机已普遍应用于医疗保健、生物医药、物流、批发、科研及射频辨认(RFID)等范畴，正在成为物联网(IoT)开展的利刃之一。在打印过程中，用于标签辨认、定位和计数的标签传感器向打印头提供反应信号，是保证标签打印机正常工作的中心部件。在商业上，曾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、本钱低、功耗小而成为最普遍的应用一种，但其仍存在一些不可无视的缺陷: (i)快速打印时，标签纸的机械颤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志黑线，则无法检测到透明标签。这些缺陷使得打印机无法完成标签的高速辨认和快速稳定的打印。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讨所吴治峄和上海大学彭艳课题组提出了一种基于接触别离(C-S)形式TENG机制的自供电、高嵌入式及灵活度的摩擦电标签传感器(TLS)，用于快速稳定的标签打印。
图文导读
I 结构设计及工作原理
对于任何标签打印机，标签打印过程和主要部件如图1a-b所示。标签均匀贴在纸基板上，并通过驱动辊的旋转将标签向前推进。随后，红外标签传感器感知标签位置并提供反馈信号来控制打印头操作，红外传感器的输出信号是由于两个标签间隔通过时，每个标签的特定厚度诱导反射红外光的变化而产生的。然而，快速打印时，标签的机械抖动也会被记录并对传感信号产生影响。此外，红外传感器很难直接检测到透明标签。因此，在这项工作中，我们提出了摩擦电标签传感器(TLS)，通过将摩擦纳米发电机(TENG)嵌入到标签打印机不可或缺的驱动/驱动辊中，如图1c所示。TLS的基本部件包括覆盖着摩擦材料的下部导电辊和上部导电辊，标签被压在两者之间(图1d)。随着标签向前移动，两根辊附着在标签表面，感知分布式标签引起的周期性间隙变化，从而产生电信号的输出(图1e)。在这种情况下，TLS能保持稳定的传感信号，并且适用透明标签，比红外传感器效率更高，集成度更高(图 1f)。

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。
II 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。

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