一种柔性可持续摩擦电纳米发生器

★  研究背景

传统的位置检测传感器存在许多问题，滚子，触角和杠杆形式的限位开关容易磨损和损坏，气动传感器经常伴随着噪声; 磁开关受到外部磁场的影响。此外，光电传感器(例如红外传感器)和超声波传感器依赖于额外的、独立的外部独立供电系统，在空间分配和成本控制方面给工业系统带来不便的同时给能源和环境问题增加了负担。随着摩擦电纳米发电机(TENG)的广泛应用，由于摩擦电信号对各种物理和化学性质的敏感性，TENG 已被证明是制造高灵敏度自供电传感器的最实用的策略，这可以从非常廉价的原材料制备，制造成本非常低。通过适当的机器学习工具来获得 TENG 的电信号，TENG 信号可以同时表征几种不同的测量值，这对于自供电传感器的市场销售具有非常强的潜力。此外，TENG与柔性材料的结合使得它适用于更广泛的领域。在此基础上，我们提出了一种基于 TENG 摩擦电信号的自供电柔性贴片传感器，用于食物传送的位置监测。它具有小型化，重量轻，灵活和可持续的特点。通过与运放等器件的整合，这个3.2 cm × 3.5 cm 的芯片可透过2.4MHz的无线电波与蓝牙装置进行无线通讯，将包装食品的位置信息实时发送到用户端。由于原材料成本低廉，加上制造过程简单，因此监控食物在运送过程中的位置变得容易得多。

★  创新点

中国农业大学肖新清副教授课题组提出了一种新型的应用于包装食品位置检测的摩擦纳米发电机。基于所设计的独立层式摩擦纳米发电机开发并测试了一个无线传感系统作为传统红外接近开关等物流传送系统传感器的替代方案，用于对传送过程中包装食品的位置进行实时无线精准定位。为物位传感提出了一种便捷的、低成本的、绿色可持续的新思路，并有望摆脱物位传感器对外部供电系统的依赖。

★  文章解析

图1对在传送带中用于食品精确定位的无线传感方案进行了解释。整个系统由信号产生模块、数据采集模块和通信系统组成。为了实现位置监视器，一个同向运算放大器被集成到了 TENG 中。通过安装位置保持器和设计位置监测电极，可以实现输送过程中的精确定位。定位信号将被蓝牙设备(如智能手机)实时接收。带有 OPA 的柔性 PM-TENG 可以弯曲90度以上，然后连接到位置固定器上(图1b)。极小的厚度(0.18毫米)允许它在对传输系统没有任何不利影响的情况下使用。

同向运算放大器的设计，是为了确保准确检测进货，并避免由于微弱的信号泄漏。TENG 信号的增益放大是通过在顶部电路上加一个简单的芯片运放和电阻来实现的(图1c)。PD-Teng 由铜电极、PET 衬底和 PDMS 薄膜(图1d)组成，成本低，易于制造。所述顶部电路和铜电极均经紫外纳秒激光系统一次集成处理后雕刻。表层的 PDMS 膜一方面保护铜电极不被氧化，另一方面作为摩擦层具有良好的抗磨损性能。最后，由ADC 收集信号产生模块的输出信号，通过单片机实现与蓝牙设备的实时双向无线通信。

图1： 食品传送精准定位无线传感设计及原理

图2说明了所制作的 PD-TENG 在独立层模式下工作的原理。电介质在开始时没有电荷。由于聚四氟乙烯和食品包装材料的电负性不同，牛皮纸接触到聚四氟乙烯薄膜表面时，正电荷会从聚四氟乙烯表面流到牛皮纸表面。对于聚四氟乙烯(PTFE)表面的负电荷，由于它总是静止不动，电极之间的感应电势是恒定的，不能为电极之间的电荷流动提供任何驱动力，因此，电荷定向运动的驱动力来自带正电荷的牛皮纸的滑动。因此包装材料接触后充电起到了感应电动机的作用。随着包装食品在传送带上的运动，包装与 TENG 之间的接触面积逐渐增大。当牛皮纸与第一电极(I)完全重叠时，电路中的所有负电荷将被吸引到第一电极的上表面，然后当牛皮纸向右滑动并接触第二电极时，电路中的一些负电荷将通过负载(II)从左电极流向右电极，形成向左的电流。当牛皮纸继续滑动直到完全覆盖第二电极时，两个电极之间的电位差消失，电子流停止(III)。当牛皮纸继续向右滑动以接触到第三个电极时，电路中的负电荷将通过负载回流到第一个电极，形成一个向右的电流(IV)。通过这种方式，当食品包装被传输时，电子在电极1和电极2之间来回移动，形成周期性电流。通过栅状电极尺寸的设计，它的检测精度可以达到毫米级。

图 2：TENG工作原理

图3展示了与外围放大器模块和制作方法集成的柔性 PD-TENG。由一个聚四氟乙烯层、一个铜电路层、一个聚酯衬底层和一个焊接到铜电路上的电子元件层组成(图3a) ，聚四氟乙烯薄膜被切成两部分，连接到电子元件层和聚四氟乙烯薄膜的上部。TENG 的插指电极被用作铜电路的一部分，并通过紫外纳秒激光直接写入获得(图3b) : 具有铜层的 PI 膜用无水乙醇清洗，用棉纸干燥并用双面胶带固定在雕刻台上。紫外纳秒激光雕刻机设置为100% 功率，扫描速度设置为200毫米/秒。波长为355nm 的紫外光聚焦在铜的表面上，并且通过划刻铜膜的外表面去除多余的铜材料。经过两次扫描后，PI 膜上多余的铜镀层将被完全去除，最后用去离子水清洗铜表面，然后用热风干燥得到完整的铜电路。图3c-e 显示了铜电路的实际准备情况。如图3f-h 所示，产生的柔性铜电路可以弯曲和卷曲，以适应复杂的输送系统。

图 3：贴片式物位传感器的制备工艺

为了验证 PD-TENG 在常规物流系统中应用的可行性，对所研制的 PD-TENG 进行了性能测试。传统的食品包装包括泡沫塑料盒、瓦通纸、保鲜膜等，外包装上往往有一定面积的胶带。对于这些常见的包装类型，根据顺序中不同梯度的摩擦电序列选择了三种材料: 聚苯乙烯泡沫塑料(EPS) ，牛皮纸(木纤维)和聚乙烯(PE) ; 对于胶带接触的情况，使用聚丙烯薄膜胶带(BOPP)进行试验，作为验证 PD-TENG 用于常规物流传送的可行性的一种方法。

在位置检测过程中，我们使用电压输出电信号来显示货物的位置信息。图4测试了制备的 TENG 的电压输出特性。建造了一个如图4a 所示的试验台以重现货物外包装与 TENG 之间的接触过程。脉冲发生器产生的可变电脉冲通过步进电机驱动器转换成角位移，驱动步进电机以相应的步进角旋转。四个被测试的包装材料被连接到转子的侧面，因此旋转的转子驱动包装材料与底部的 TENG 接触。对四种制备好的封装材料分别进行了电压输出测试实验。静电计以100n/s的采样频率收集实时电压输出信号，结果如图4c-f 所示。不同的包装材料表现出不同的范围，但在转子接触摩擦过程中都产生相对较高的正峰值电压，这个峰值电压可以被采样并与设定值进行比较，以确定货物的位置信息。牛皮纸和 BOPP 的峰值电压稳定在15 V 左右，这为系统的自供电提供了可能。运动速度与振动输出呈正相关。对于光栅结构的独立放大器，介电层之间的相对速度越高，工作频率就越高，从而导致更高的电荷转移率和更多的转移电荷。运算放大电路的设计保证了温度和湿度引起的 TENG 输出的变化可以忽略不计。

图 4：TENG 性能测试

图5说明了食品定位系统在传送带上的性能。在2000秒连续运行的情况下，该系统仍能很好地应对随机冲击。如图5a 所示，为了确定合理的信号放大，我们使用传统的数字万用表测试了四种常见包装材料(聚苯乙烯泡沫塑料(EPS) ，牛皮纸(木纤维) ，聚乙烯保鲜膜(PE)和聚丙烯薄膜带(BOPP))与 TENG 摩擦后的电压范围，从而帮助确定合理的信号放大倍数。

一些随机碰撞被用来测试运算放大器电路的效果。一个4伏电源是用来限制上限电压限制。结果如图6b 所示，2 V 是由于与空气中的离子接触而带电，4 V 是由于使用4 V 电源来限制电压。模数转换器(ADC)将以每秒1000次的速率周期性地对电压进行采样。PD-TENG 采样信号通过 ADC 输入单片机串行口。在2000秒的模拟碰撞中，使用步进电机测量了 TENG 响应确定了系统的稳定性和鲁棒性。输出电压的轻微偏差是由于轻微的试验台振动。我们选择了9个参数将PD-TENG与传统光电开关进行比较。为了确保准确的比较，我们的电子元件都由德州仪器公司提供。基于 PD-TENG 的定位系统以较低的成本显示出更强的实用价值。用螺纹连接传送带的圆柱形光电管直径为18mm，高度为62mm，而贴片式光电管的长度为35mm，宽度为32mm，高度为2mm。无线传感技术使系统监测更加方便，避免了电缆的影响。PD-TENG 是自供电的，系统的消耗来自 OPA、 ADC 和单片机。该系统的特电原理使其功耗比传统的光电开关低600倍。

图 5：食品定位系统在传送带上的性能。(a)四种常用包装材料的电压范围。(b)包装与输送带内的 PD-TENG 之间发生随机碰撞的信号。(c)在传送带随机碰撞情况下蓝牙端口的输出电平。(d)2000秒下TENG稳定性测试。

★  文章结论

本文提出并开发了一种柔性可持续摩擦电纳米发生器，用于输送带内食品的精确定位。位置传感器单元(PD-TENG)是通过使用纳秒激光直接在铜层- PI 薄膜上打印集成 TENG 电极和铜电路，在电极上加聚四氟乙烯薄膜，并将芯片运放和电阻焊接到铜电路上而得到的。当输送带上的货物在位置保持器的引导下与 PD-TENG 接触时，微控制器捕获电压信号，判断系统自动识别货物的位置。PD-TENG体积小、结构灵活、制作和安装简单，为位置传感提供了新的思路。

审核编辑 ：李倩