★研究背景

傳統(tǒng)的位置檢測傳感器存在許多問題，滾子，觸角和杠桿形式的限位開關容易磨損和損壞，氣動傳感器經(jīng)常伴隨著噪聲; 磁開關受到外部磁場的影響。此外，光電傳感器(例如紅外傳感器)和超聲波傳感器依賴于額外的、獨立的外部獨立供電系統(tǒng)，在空間分配和成本控制方面給工業(yè)系統(tǒng)帶來不便的同時給能源和環(huán)境問題增加了負擔。隨著摩擦電納米發(fā)電機(TENG)的廣泛應用，由于摩擦電信號對各種物理和化學性質的敏感性，TENG 已被證明是制造高靈敏度自供電傳感器的最實用的策略，這可以從非常廉價的原材料制備，制造成本非常低。通過適當?shù)?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/557/" target="_blank">機器學習工具來獲得TENG的電信號，TENG信號可以同時表征幾種不同的測量值，這對于自供電傳感器的市場銷售具有非常強的潛力。此外，TENG與柔性材料的結合使得它適用于更廣泛的領域。在此基礎上，我們提出了一種基于TENG摩擦電信號的自供電柔性貼片傳感器，用于食物傳送的位置監(jiān)測。它具有小型化，重量輕，靈活和可持續(xù)的特點。通過與運放等器件的整合，這個3.2 cm × 3.5 cm 的芯片可透過2.4MHz的無線電波與藍牙裝置進行無線通訊，將包裝食品的位置信息實時發(fā)送到用戶端。由于原材料成本低廉，加上制造過程簡單，因此監(jiān)控食物在運送過程中的位置變得容易得多。

★ 創(chuàng)新點

中國農(nóng)業(yè)大學肖新清副教授課題組提出了一種新型的應用于包裝食品位置檢測的摩擦納米發(fā)電機?；谒O計的獨立層式摩擦納米發(fā)電機開發(fā)并測試了一個無線傳感系統(tǒng)作為傳統(tǒng)紅外接近開關等物流傳送系統(tǒng)傳感器的替代方案，用于對傳送過程中包裝食品的位置進行實時無線精準定位。為物位傳感提出了一種便捷的、低成本的、綠色可持續(xù)的新思路，并有望擺脫物位傳感器對外部供電系統(tǒng)的依賴。

★ 文章解析

圖1對在傳送帶中用于食品精確定位的無線傳感方案進行了解釋。整個系統(tǒng)由信號產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和通信系統(tǒng)組成。為了實現(xiàn)位置監(jiān)視器，一個同向運算放大器被集成到了 TENG 中。通過安裝位置保持器和設計位置監(jiān)測電極，可以實現(xiàn)輸送過程中的精確定位。定位信號將被藍牙設備(如智能手機)實時接收。帶有 OPA 的柔性 PM-TENG 可以彎曲90度以上，然后連接到位置固定器上(圖1b)。極小的厚度(0.18毫米)允許它在對傳輸系統(tǒng)沒有任何不利影響的情況下使用。

同向運算放大器的設計，是為了確保準確檢測進貨，并避免由于微弱的信號泄漏。TENG 信號的增益放大是通過在頂部電路上加一個簡單的芯片運放和電阻來實現(xiàn)的(圖1c)。PD-Teng 由銅電極、PET 襯底和 PDMS 薄膜(圖1d)組成，成本低，易于制造。所述頂部電路和銅電極均經(jīng)紫外納秒激光系統(tǒng)一次集成處理后雕刻。表層的 PDMS 膜一方面保護銅電極不被氧化，另一方面作為摩擦層具有良好的抗磨損性能。最后，由ADC 收集信號產(chǎn)生模塊的輸出信號，通過單片機實現(xiàn)與藍牙設備的實時雙向無線通信。

圖1：食品傳送精準定位無線傳感設計及原理

圖2說明了所制作的 PD-TENG 在獨立層模式下工作的原理。電介質在開始時沒有電荷。由于聚四氟乙烯和食品包裝材料的電負性不同，牛皮紙接觸到聚四氟乙烯薄膜表面時，正電荷會從聚四氟乙烯表面流到牛皮紙表面。對于聚四氟乙烯(PTFE)表面的負電荷，由于它總是靜止不動，電極之間的感應電勢是恒定的，不能為電極之間的電荷流動提供任何驅動力，因此，電荷定向運動的驅動力來自帶正電荷的牛皮紙的滑動。因此包裝材料接觸后充電起到了感應電動機的作用。隨著包裝食品在傳送帶上的運動，包裝與 TENG 之間的接觸面積逐漸增大。當牛皮紙與第一電極(I)完全重疊時，電路中的所有負電荷將被吸引到第一電極的上表面，然后當牛皮紙向右滑動并接觸第二電極時，電路中的一些負電荷將通過負載(II)從左電極流向右電極，形成向左的電流。當牛皮紙繼續(xù)滑動直到完全覆蓋第二電極時，兩個電極之間的電位差消失，電子流停止(III)。當牛皮紙繼續(xù)向右滑動以接觸到第三個電極時，電路中的負電荷將通過負載回流到第一個電極，形成一個向右的電流(IV)。通過這種方式，當食品包裝被傳輸時，電子在電極1和電極2之間來回移動，形成周期性電流。通過柵狀電極尺寸的設計，它的檢測精度可以達到毫米級。

圖 2：TENG工作原理

圖3展示了與外圍放大器模塊和制作方法集成的柔性 PD-TENG。由一個聚四氟乙烯層、一個銅電路層、一個聚酯襯底層和一個焊接到銅電路上的電子元件層組成(圖3a) ，聚四氟乙烯薄膜被切成兩部分，連接到電子元件層和聚四氟乙烯薄膜的上部。TENG 的插指電極被用作銅電路的一部分，并通過紫外納秒激光直接寫入獲得(圖3b) : 具有銅層的 PI 膜用無水乙醇清洗，用棉紙干燥并用雙面膠帶固定在雕刻臺上。紫外納秒激光雕刻機設置為100% 功率，掃描速度設置為200毫米/秒。波長為355nm 的紫外光聚焦在銅的表面上，并且通過劃刻銅膜的外表面去除多余的銅材料。經(jīng)過兩次掃描后，PI 膜上多余的銅鍍層將被完全去除，最后用去離子水清洗銅表面，然后用熱風干燥得到完整的銅電路。圖3c-e 顯示了銅電路的實際準備情況。如圖3f-h 所示，產(chǎn)生的柔性銅電路可以彎曲和卷曲，以適應復雜的輸送系統(tǒng)。

圖 3：貼片式物位傳感器的制備工藝

為了驗證 PD-TENG 在常規(guī)物流系統(tǒng)中應用的可行性，對所研制的 PD-TENG 進行了性能測試。傳統(tǒng)的食品包裝包括泡沫塑料盒、瓦通紙、保鮮膜等，外包裝上往往有一定面積的膠帶。對于這些常見的包裝類型，根據(jù)順序中不同梯度的摩擦電序列選擇了三種材料: 聚苯乙烯泡沫塑料(EPS) ，牛皮紙(木纖維)和聚乙烯(PE) ; 對于膠帶接觸的情況，使用聚丙烯薄膜膠帶(BOPP)進行試驗，作為驗證 PD-TENG 用于常規(guī)物流傳送的可行性的一種方法。

在位置檢測過程中，我們使用電壓輸出電信號來顯示貨物的位置信息。圖4測試了制備的 TENG 的電壓輸出特性。建造了一個如圖4a 所示的試驗臺以重現(xiàn)貨物外包裝與 TENG 之間的接觸過程。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的可變電脈沖通過步進電機驅動器轉換成角位移，驅動步進電機以相應的步進角旋轉。四個被測試的包裝材料被連接到轉子的側面，因此旋轉的轉子驅動包裝材料與底部的 TENG 接觸。對四種制備好的封裝材料分別進行了電壓輸出測試實驗。靜電計以100n/s的采樣頻率收集實時電壓輸出信號，結果如圖4c-f 所示。不同的包裝材料表現(xiàn)出不同的范圍，但在轉子接觸摩擦過程中都產(chǎn)生相對較高的正峰值電壓，這個峰值電壓可以被采樣并與設定值進行比較，以確定貨物的位置信息。牛皮紙和 BOPP 的峰值電壓穩(wěn)定在15 V 左右，這為系統(tǒng)的自供電提供了可能。運動速度與振動輸出呈正相關。對于光柵結構的獨立放大器，介電層之間的相對速度越高，工作頻率就越高，從而導致更高的電荷轉移率和更多的轉移電荷。運算放大電路的設計保證了溫度和濕度引起的 TENG 輸出的變化可以忽略不計。

圖 4：TENG 性能測試

圖5說明了食品定位系統(tǒng)在傳送帶上的性能。在2000秒連續(xù)運行的情況下，該系統(tǒng)仍能很好地應對隨機沖擊。如圖5a 所示，為了確定合理的信號放大，我們使用傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表測試了四種常見包裝材料(聚苯乙烯泡沫塑料(EPS) ，牛皮紙(木纖維) ，聚乙烯保鮮膜(PE)和聚丙烯薄膜帶(BOPP))與 TENG 摩擦后的電壓范圍，從而幫助確定合理的信號放大倍數(shù)。

一些隨機碰撞被用來測試運算放大器電路的效果。一個4伏電源是用來限制上限電壓限制。結果如圖6b 所示，2 V 是由于與空氣中的離子接觸而帶電，4 V 是由于使用4 V 電源來限制電壓。模數(shù)轉換器(ADC)將以每秒1000次的速率周期性地對電壓進行采樣。PD-TENG 采樣信號通過 ADC 輸入單片機串行口。在2000秒的模擬碰撞中，使用步進電機測量了 TENG 響應確定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。輸出電壓的輕微偏差是由于輕微的試驗臺振動。我們選擇了9個參數(shù)將PD-TENG與傳統(tǒng)光電開關進行比較。為了確保準確的比較，我們的電子元件都由德州儀器公司提供?；?PD-TENG 的定位系統(tǒng)以較低的成本顯示出更強的實用價值。用螺紋連接傳送帶的圓柱形光電管直徑為18mm，高度為62mm，而貼片式光電管的長度為35mm，寬度為32mm，高度為2mm。無線傳感技術使系統(tǒng)監(jiān)測更加方便，避免了電纜的影響。PD-TENG 是自供電的，系統(tǒng)的消耗來自 OPA、 ADC 和單片機。該系統(tǒng)的特電原理使其功耗比傳統(tǒng)的光電開關低600倍。

圖 5：食品定位系統(tǒng)在傳送帶上的性能。(a)四種常用包裝材料的電壓范圍。(b)包裝與輸送帶內的PD-TENG之間發(fā)生隨機碰撞的信號。(c)在傳送帶隨機碰撞情況下藍牙端口的輸出電平。(d)2000秒下TENG穩(wěn)定性測試。

★ 文章結論

本文提出并開發(fā)了一種柔性可持續(xù)摩擦電納米發(fā)生器，用于輸送帶內食品的精確定位。位置傳感器單元(PD-TENG)是通過使用納秒激光直接在銅層- PI 薄膜上打印集成 TENG 電極和銅電路，在電極上加聚四氟乙烯薄膜，并將芯片運放和電阻焊接到銅電路上而得到的。當輸送帶上的貨物在位置保持器的引導下與 PD-TENG 接觸時，微控制器捕獲電壓信號，判斷系統(tǒng)自動識別貨物的位置。PD-TENG體積小、結構靈活、制作和安裝簡單，為位置傳感提供了新的思路。

審核編輯 ：李倩