一種柔性可持續(xù)摩擦電納米發(fā)生器

★研究背景

傳統(tǒng)的位置檢測(cè)傳感器存在許多問(wèn)題，滾子，觸角和杠桿形式的限位開(kāi)關(guān)容易磨損和損壞，氣動(dòng)傳感器經(jīng)常伴隨著噪聲; 磁開(kāi)關(guān)受到外部磁場(chǎng)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(lài)于額外的、獨(dú)立的外部獨(dú)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(lái)不便的同時(shí)給能源和環(huán)境問(wèn)題增加了負(fù)擔(dān)。隨著摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)的廣泛應(yīng)用，由于摩擦電信號(hào)對(duì)各種物理和化學(xué)性質(zhì)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(shí)用的策略，這可以從非常廉價(jià)的原材料制備，制造成本非常低。通過(guò)適當(dāng)?shù)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/557/" target="_blank">機(jī)器學(xué)習(xí)工具來(lái)獲得TENG的電信號(hào)，TENG信號(hào)可以同時(shí)表征幾種不同的測(cè)量值，這對(duì)于自供電傳感器的市場(chǎng)銷(xiāo)售具有非常強(qiáng)的潛力。此外，TENG與柔性材料的結(jié)合使得它適用于更廣泛的領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，我們提出了一種基于TENG摩擦電信號(hào)的自供電柔性貼片傳感器，用于食物傳送的位置監(jiān)測(cè)。它具有小型化，重量輕，靈活和可持續(xù)的特點(diǎn)。通過(guò)與運(yùn)放等器件的整合，這個(gè)3.2 cm × 3.5 cm 的芯片可透過(guò)2.4MHz的無(wú)線(xiàn)電波與藍(lán)牙裝置進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊，將包裝食品的位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送到用戶(hù)端。由于原材料成本低廉，加上制造過(guò)程簡(jiǎn)單，因此監(jiān)控食物在運(yùn)送過(guò)程中的位置變得容易得多。

★ 創(chuàng)新點(diǎn)

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)肖新清副教授課題組提出了一種新型的應(yīng)用于包裝食品位置檢測(cè)的摩擦納米發(fā)電機(jī)?；谒O(shè)計(jì)的獨(dú)立層式摩擦納米發(fā)電機(jī)開(kāi)發(fā)并測(cè)試了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)作為傳統(tǒng)紅外接近開(kāi)關(guān)等物流傳送系統(tǒng)傳感器的替代方案，用于對(duì)傳送過(guò)程中包裝食品的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)精準(zhǔn)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(duì)外部供電系統(tǒng)的依賴(lài)。

★ 文章解析

圖1對(duì)在傳送帶中用于食品精確定位的無(wú)線(xiàn)傳感方案進(jìn)行了解釋。整個(gè)系統(tǒng)由信號(hào)產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和通信系統(tǒng)組成。為了實(shí)現(xiàn)位置監(jiān)視器，一個(gè)同向運(yùn)算放大器被集成到了 TENG 中。通過(guò)安裝位置保持器和設(shè)計(jì)位置監(jiān)測(cè)電極，可以實(shí)現(xiàn)輸送過(guò)程中的精確定位。定位信號(hào)將被藍(lán)牙設(shè)備(如智能手機(jī))實(shí)時(shí)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(duì)傳輸系統(tǒng)沒(méi)有任何不利影響的情況下使用。

同向運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)，是為了確保準(zhǔn)確檢測(cè)進(jìn)貨，并避免由于微弱的信號(hào)泄漏。TENG 信號(hào)的增益放大是通過(guò)在頂部電路上加一個(gè)簡(jiǎn)單的芯片運(yùn)放和電阻來(lái)實(shí)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(hù)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(hào)產(chǎn)生模塊的輸出信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙設(shè)備的實(shí)時(shí)雙向無(wú)線(xiàn)通信。

圖1：食品傳送精準(zhǔn)定位無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)計(jì)及原理

圖2說(shuō)明了所制作的 PD-TENG 在獨(dú)立層模式下工作的原理。電介質(zhì)在開(kāi)始時(shí)沒(méi)有電荷。由于聚四氟乙烯和食品包裝材料的電負(fù)性不同，牛皮紙接觸到聚四氟乙烯薄膜表面時(shí)，正電荷會(huì)從聚四氟乙烯表面流到牛皮紙表面。對(duì)于聚四氟乙烯(PTFE)表面的負(fù)電荷，由于它總是靜止不動(dòng)，電極之間的感應(yīng)電勢(shì)是恒定的，不能為電極之間的電荷流動(dòng)提供任何驅(qū)動(dòng)力，因此，電荷定向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自帶正電荷的牛皮紙的滑動(dòng)。因此包裝材料接觸后充電起到了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的作用。隨著包裝食品在傳送帶上的運(yùn)動(dòng)，包裝與 TENG 之間的接觸面積逐漸增大。當(dāng)牛皮紙與第一電極(I)完全重疊時(shí)，電路中的所有負(fù)電荷將被吸引到第一電極的上表面，然后當(dāng)牛皮紙向右滑動(dòng)并接觸第二電極時(shí)，電路中的一些負(fù)電荷將通過(guò)負(fù)載(II)從左電極流向右電極，形成向左的電流。當(dāng)牛皮紙繼續(xù)滑動(dòng)直到完全覆蓋第二電極時(shí)，兩個(gè)電極之間的電位差消失，電子流停止(III)。當(dāng)牛皮紙繼續(xù)向右滑動(dòng)以接觸到第三個(gè)電極時(shí)，電路中的負(fù)電荷將通過(guò)負(fù)載回流到第一個(gè)電極，形成一個(gè)向右的電流(IV)。通過(guò)這種方式，當(dāng)食品包裝被傳輸時(shí)，電子在電極1和電極2之間來(lái)回移動(dòng)，形成周期性電流。通過(guò)柵狀電極尺寸的設(shè)計(jì)，它的檢測(cè)精度可以達(dá)到毫米級(jí)。

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(gè)聚四氟乙烯層、一個(gè)銅電路層、一個(gè)聚酯襯底層和一個(gè)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(guò)紫外納秒激光直接寫(xiě)入獲得(圖3b) : 具有銅層的 PI 膜用無(wú)水乙醇清洗，用棉紙干燥并用雙面膠帶固定在雕刻臺(tái)上。紫外納秒激光雕刻機(jī)設(shè)置為100% 功率，掃描速度設(shè)置為200毫米/秒。波長(zhǎng)為355nm 的紫外光聚焦在銅的表面上，并且通過(guò)劃刻銅膜的外表面去除多余的銅材料。經(jīng)過(guò)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(fēng)干燥得到完整的銅電路。圖3c-e 顯示了銅電路的實(shí)際準(zhǔn)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(yīng)復(fù)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(yàn)證 PD-TENG 在常規(guī)物流系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，對(duì)所研制的 PD-TENG 進(jìn)行了性能測(cè)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(duì)于這些常見(jiàn)的包裝類(lèi)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(duì)于膠帶接觸的情況，使用聚丙烯薄膜膠帶(BOPP)進(jìn)行試驗(yàn)，作為驗(yàn)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(cè)過(guò)程中，我們使用電壓輸出電信號(hào)來(lái)顯示貨物的位置信息。圖4測(cè)試了制備的 TENG 的電壓輸出特性。建造了一個(gè)如圖4a 所示的試驗(yàn)臺(tái)以重現(xiàn)貨物外包裝與 TENG 之間的接觸過(guò)程。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的可變電脈沖通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換成角位移，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以相應(yīng)的步進(jìn)角旋轉(zhuǎn)。四個(gè)被測(cè)試的包裝材料被連接到轉(zhuǎn)子的側(cè)面，因此旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)包裝材料與底部的 TENG 接觸。對(duì)四種制備好的封裝材料分別進(jìn)行了電壓輸出測(cè)試實(shí)驗(yàn)。靜電計(jì)以100n/s的采樣頻率收集實(shí)時(shí)電壓輸出信號(hào)，結(jié)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(zhuǎn)子接觸摩擦過(guò)程中都產(chǎn)生相對(duì)較高的正峰值電壓，這個(gè)峰值電壓可以被采樣并與設(shè)定值進(jìn)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(yùn)動(dòng)速度與振動(dòng)輸出呈正相關(guān)。對(duì)于光柵結(jié)構(gòu)的獨(dú)立放大器，介電層之間的相對(duì)速度越高，工作頻率就越高，從而導(dǎo)致更高的電荷轉(zhuǎn)移率和更多的轉(zhuǎn)移電荷。運(yùn)算放大電路的設(shè)計(jì)保證了溫度和濕度引起的 TENG 輸出的變化可以忽略不計(jì)。

圖 4：TENG 性能測(cè)試

圖5說(shuō)明了食品定位系統(tǒng)在傳送帶上的性能。在2000秒連續(xù)運(yùn)行的情況下，該系統(tǒng)仍能很好地應(yīng)對(duì)隨機(jī)沖擊。如圖5a 所示，為了確定合理的信號(hào)放大，我們使用傳統(tǒng)的數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試了四種常見(jiàn)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(hào)放大倍數(shù)。

一些隨機(jī)碰撞被用來(lái)測(cè)試運(yùn)算放大器電路的效果。一個(gè)4伏電源是用來(lái)限制上限電壓限制。結(jié)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(lái)限制電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將以每秒1000次的速率周期性地對(duì)電壓進(jìn)行采樣。PD-TENG 采樣信號(hào)通過(guò) ADC 輸入單片機(jī)串行口。在2000秒的模擬碰撞中，使用步進(jìn)電機(jī)測(cè)量了 TENG 響應(yīng)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(yàn)臺(tái)振動(dòng)。我們選擇了9個(gè)參數(shù)將PD-TENG與傳統(tǒng)光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行比較。為了確保準(zhǔn)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(qiáng)的實(shí)用價(jià)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(zhǎng)度為35mm，寬度為32mm，高度為2mm。無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)使系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(lái)自 OPA、 ADC 和單片機(jī)。該系統(tǒng)的特電原理使其功耗比傳統(tǒng)的光電開(kāi)關(guān)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(nèi)的PD-TENG之間發(fā)生隨機(jī)碰撞的信號(hào)。(c)在傳送帶隨機(jī)碰撞情況下藍(lán)牙端口的輸出電平。(d)2000秒下TENG穩(wěn)定性測(cè)試。

★ 文章結(jié)論

本文提出并開(kāi)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(nèi)食品的精確定位。位置傳感器單元(PD-TENG)是通過(guò)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(yùn)放和電阻焊接到銅電路上而得到的。當(dāng)輸送帶上的貨物在位置保持器的引導(dǎo)下與 PD-TENG 接觸時(shí)，微控制器捕獲電壓信號(hào)，判斷系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別貨物的位置。PD-TENG體積小、結(jié)構(gòu)靈活、制作和安裝簡(jiǎn)單，為位置傳感提供了新的思路。

審核編輯 ：李倩