印刷智能傳感標(biāo)簽：當(dāng)先進(jìn)智能傳感材料遇到標(biāo)簽印刷技術(shù)

李文瑞 楊柳 孫加振

印刷智能傳感標(biāo)簽是一種將標(biāo)簽印刷技術(shù)與先進(jìn)傳感材料相結(jié)合進(jìn)行非觸摸式自動識別傳感器件的先進(jìn)制造方式，可以滿足各種環(huán)境中的應(yīng)用。自20世紀(jì)90年代開始，印刷智能傳感標(biāo)簽技術(shù)逐步被人們重視并發(fā)展起來后，在物流運(yùn)輸、質(zhì)量監(jiān)測及生產(chǎn)管理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，全球每天印刷大約400億個條碼，其中1%是進(jìn)行智能傳感標(biāo)簽的印刷加工，這展現(xiàn)了智能傳感標(biāo)簽是一個巨大的市場。同時，近幾年全球智能標(biāo)簽總出貨量的年復(fù)合增長率穩(wěn)定在20%左右，2017年總出貨量達(dá)到130億個，同比增長16.85%。其中，超高頻智能傳感標(biāo)簽市場表現(xiàn)亮眼。預(yù)測2019年全球智能傳感標(biāo)簽市場規(guī)模將達(dá)到200億美元，在2024年上升到296億美元左右。印刷智能標(biāo)簽市場份額的逐年增大，利用印刷技術(shù)制備智能傳感標(biāo)簽，大大降低了制作成本。伴隨著先進(jìn)傳感材料的不斷出現(xiàn)，印刷智能傳感標(biāo)簽不僅大大降低了智能標(biāo)簽的成本，而且能夠多方位滿足未來物流、智能家居以及食品藥品等領(lǐng)域的巨大需求。

印刷智能傳感標(biāo)簽

印刷智能標(biāo)簽是一種通過無線信號來達(dá)到非接觸的資料存取和識別技術(shù)功能的新型信息器件。它通過連結(jié)背后的數(shù)據(jù)庫，構(gòu)成了一個龐大且串連在一起的系統(tǒng)。當(dāng)前，智能標(biāo)簽廣泛應(yīng)用于各種濕度信息、溫度信息、光強(qiáng)度及電磁波信號的感應(yīng)感知行為，在國民生活及國防科技中均發(fā)揮著重要作用。其中，比較常見的印刷智能傳感標(biāo)簽為RFID、NFC電子標(biāo)簽。RFID標(biāo)簽主要包含閱讀器、感應(yīng)器、芯片、天線、應(yīng)用系統(tǒng)等。閱讀器是根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議讀取并寫入智能傳感標(biāo)簽的設(shè)備，感應(yīng)器主要用來感應(yīng)特定外界環(huán)境的變化，芯片一般保存有一定的電子數(shù)據(jù)，天線起接受和發(fā)射信號的作用，應(yīng)用系統(tǒng)主要對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲。RFID工作原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動識別。當(dāng)帶有標(biāo)簽的附體進(jìn)入磁場后，接受閱讀器發(fā)射的信號，憑借感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的信息，由閱讀器讀取信息并解碼后，再通過及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。RFID具有可攜帶大量信息、應(yīng)用范圍廣、可遠(yuǎn)距離識別等特點(diǎn)，在物流產(chǎn)品分揀和智能交通領(lǐng)域已經(jīng)開始逐步推廣應(yīng)用。由于RFID的這些特點(diǎn)，RFID標(biāo)簽比傳統(tǒng)的二維碼和條形碼應(yīng)用范圍更廣，應(yīng)用更加便捷。此外，RFID技術(shù)還被用于智能出行、電子注冊、停車收費(fèi)管理、貴重物品防偽等多方面，擁有廣闊的市場前景，被業(yè)內(nèi)外人士一致看好。NFC標(biāo)簽技術(shù)是由RFID及互聯(lián)互通技術(shù)整合并發(fā)展而來，是一種近距離無線通訊技術(shù)。它在單一芯片上結(jié)合讀卡器、便攜式感應(yīng)卡片和點(diǎn)對點(diǎn)的功能，可以方便地進(jìn)行數(shù)字交換，同時可以連接電子設(shè)備，能在短距離內(nèi)與可兼容的電子設(shè)備進(jìn)行識別和數(shù)據(jù)交換。在社會生活中被廣泛應(yīng)用于門禁鑰匙、學(xué)校一卡通、商場支付卡等。與RFID一樣，NFC信息也是通過頻譜中無線頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式傳遞，但兩者之間還是存在很大的區(qū)別。首先，NFC是一種安全、可靠、迅速的無線連接技術(shù)，其可傳輸?shù)姆秶萊FID小，而且NFC是將非接觸讀卡器、非接觸卡和點(diǎn)對點(diǎn)功能整合到一塊單芯片，RFID則必須有閱讀器和標(biāo)簽組成。其次，NFC技術(shù)強(qiáng)調(diào)的是信息的互換交流，RFID現(xiàn)在只能實(shí)現(xiàn)信息的接受、解碼判定。

新型先進(jìn)智能傳感材料

伴隨著新材料的不斷研發(fā)，各種具有濕度、溫度及光電信號的新進(jìn)智能傳感材料被科研人員研究制備出來，并進(jìn)一步應(yīng)用于印刷智能傳感標(biāo)簽領(lǐng)域。目前，印刷智能傳感標(biāo)簽常用的傳感材料，包括碳納米材料（石墨烯、富勒烯）、金屬納米材料（銀納米材料）和高分子材料（聚苯胺等）。

1.石墨烯

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米碳材料，具有高比面積、高電子躍遷率等優(yōu)異的特點(diǎn)，能夠改善多種金屬基導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。現(xiàn)階段，主要通過預(yù)氧化石墨的方法來制備石墨烯，在石墨中加入H2SO4和高錳酸鉀在低溫的條件反應(yīng)得到石墨烯。由于氧化后的石墨烯中的共軛結(jié)構(gòu)遭到破壞，其導(dǎo)電性能會有一定程度的下降，但經(jīng)過還原后其導(dǎo)電性能會有一部分被恢復(fù)?？蒲腥藛T用簡單的溶液混合法合成了AuNPs-CdS-RGO三元納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可作為光電陽極用于H2O2的檢測。此外，石墨烯也能克服其他金屬基半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性差的問題，從而改善其光電化學(xué)分析性能?？蒲腥藛T用聲波降解法獲得均勻懸浮的石墨烯-Mo摻雜BIVO4納米復(fù)合材料，構(gòu)建了一種可見光驅(qū)動的光電化學(xué)生物傳感器，可用于測定獸藥中的生物鏈霉素。

2.富勒烯

富勒烯（C60）材料在結(jié)構(gòu)上與石墨很相似，石墨是由六元環(huán)組成的石墨烯層堆積而成，但是富勒烯不僅含有六元環(huán)還有五元環(huán)甚至還有七元環(huán)。富勒烯具有轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性好、衍生修飾方案多樣性等優(yōu)點(diǎn)。在智能傳感標(biāo)簽和太陽能電池等領(lǐng)域取得了一些令人振奮的研究成果?，F(xiàn)在生產(chǎn)富勒烯的方法主要由電弧法和燃燒法，工業(yè)生產(chǎn)富勒烯主要運(yùn)用的是燃燒法。科研人員利用溶劑揮發(fā)法，制備出了晶態(tài)形貌較為規(guī)則的C60納米線，在光照射下，它的光電轉(zhuǎn)換效率較高。同時，科研人員還制備了二維單晶態(tài)片狀六邊形C60，顯示出了較強(qiáng)的光電流轉(zhuǎn)換性能。這為C60納米材料在電學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用積累了科學(xué)數(shù)據(jù)，拓展了C60納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.金屬納米材料

銀納米材料具有生物相容性好、表面修飾容易、比表面積大等特點(diǎn)外，還有表面等離子體共振效應(yīng)等特殊的光電性質(zhì)。與金、銅納米材料相比，銀納米材料制成的導(dǎo)電油墨除了有較高的電導(dǎo)率外，本身不易被氧化，能夠溶解在溶劑中銀的前驅(qū)體的種類較多，選擇范圍較廣，因此，銀納米材料制成的傳感油墨受到更多的關(guān)注?？蒲腥藛T將金屬納米材料與濕度響應(yīng)高分子相結(jié)合制備了具有濕度傳感的墨水，印刷實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)異的濕度傳感器智能標(biāo)簽。同時，金屬納米材料制備的油墨能夠?qū)崿F(xiàn)良好的印刷適性使其能在多種承印物的表面進(jìn)行印刷，便于制成各種基底智能傳感標(biāo)簽，適用于物流運(yùn)輸、交通等多種行業(yè)。

4.導(dǎo)電高分子

由于導(dǎo)電高分子具有大分子結(jié)構(gòu)，其對外界響應(yīng)性具有自身獨(dú)特的性能，可以用于感知各種溫濕度以及微量元素的探測等方面。常見的響應(yīng)性導(dǎo)電高分子有聚苯胺、PEDOT∶PSS、聚乙炔等。聚苯胺具有良好的熱穩(wěn)定性和電致變色性、高電化學(xué)活性、環(huán)境穩(wěn)定性、氧化還原可逆性、價格低廉等特點(diǎn)，成為當(dāng)下研究導(dǎo)電高分子傳感材料的熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段，利用聚苯胺優(yōu)異的導(dǎo)電性能使電子在生物活性物質(zhì)與電極之間直接傳遞，顯著提高了生物傳感器的響應(yīng)性，同時可以在合成過程中摻雜不同的陰離子，可以被用于檢測不同的對象。但是由于聚苯胺分子各種基團(tuán)形成的分子間氫鍵的影響，導(dǎo)致聚苯胺的力學(xué)性能和溶解性能較差，因此，如何改變聚苯胺的化學(xué)和物理性質(zhì)成為了科研人員十分關(guān)心的問題。

印刷智能傳感標(biāo)簽技術(shù)

采用印刷的方式制作智能傳感標(biāo)簽操作簡單省時，基材選擇靈活多樣，印刷速度快，生產(chǎn)效率高，還具有彈性好和環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)。

1.特種油墨

制備印刷智能傳感標(biāo)簽特種油墨，需要根據(jù)其具體性能添加不同的傳感材料，例如，在印刷RFID標(biāo)簽時，需要在油墨中加入特殊的導(dǎo)電材料，使油墨具有導(dǎo)電性，來完成RFID天線和電路的印制。除此之外，我們還可以在油墨中加入熱敏、感光材料等制備各種特殊性能的標(biāo)簽來滿足我們?nèi)粘Ｉ畹男枰?img src="https://cimg.fx361.com/images/2019/02/20/qkimagesyisuyisu201902yisu20190215-4-l.jpg"/>

2.印刷工藝及特點(diǎn)

現(xiàn)階段，印刷智能傳感標(biāo)簽的印刷工藝可分為傳統(tǒng)印刷和數(shù)字印刷兩種。常用的傳統(tǒng)印刷方式有絲網(wǎng)印刷和膠印，數(shù)字印刷方式有噴墨印刷。但目前噴墨印刷制備印刷智能傳感標(biāo)簽的速度較慢，但準(zhǔn)確度較高。絲網(wǎng)印刷以其高效率、高可靠性、靈活性成為了目前最適合印刷智能傳感標(biāo)簽的方式。在智能標(biāo)簽印刷中，目前印刷導(dǎo)電油墨較好的絲網(wǎng)是鎳箔穿孔網(wǎng)。整個網(wǎng)面平整勻薄，能極大地提高印跡的穩(wěn)定性和精密性，用于印刷導(dǎo)電油墨效果較好，能分辨0.01mm的電路線間隔、定位精度可達(dá)0.01mm。絲網(wǎng)印刷的不足就是其最大分辨率較小，而且其印刷速度與其他印刷方式相比較小。膠印是智能傳感標(biāo)簽天線印刷中應(yīng)用較為普遍的方法，用于線圈印刷有著效率、精度及分辨率高的優(yōu)勢，但是墨膜厚度較小，不符合線路印刷的要求。當(dāng)然可通過反復(fù)印刷多次來完成，但對于精細(xì)線路的套準(zhǔn)控制有一定的困難，新型的、導(dǎo)電能力更好的油墨也可以在較小的厚度下達(dá)到需要的阻抗性能。通過以上分析，在智能傳感標(biāo)簽生產(chǎn)的初期，最常用最流行的還是絲網(wǎng)印刷，而且短期內(nèi)還將主要采用網(wǎng)版印刷的方法，但最終將會被速度更快的數(shù)字噴墨印刷和膠印等工藝所取代。

總結(jié)和展望

智能標(biāo)簽具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如數(shù)據(jù)記憶容量大、數(shù)據(jù)密度高、耐久性好、速度快、數(shù)據(jù)安全性能好等特點(diǎn)。在我國，智能標(biāo)簽技術(shù)已廣泛應(yīng)用于圖書標(biāo)簽、二代身份證、商品包裝等多方面，市場潛力巨大，前景廣闊，但仍然存在許多問題，如智能標(biāo)簽發(fā)射的識別信號容易被其他物體阻斷，沒有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)成本過高等問題嚴(yán)重影響了智能標(biāo)簽的推廣應(yīng)用。近年來，物品的自動識別技術(shù)在服務(wù)領(lǐng)域、生產(chǎn)領(lǐng)域、流通領(lǐng)域等各領(lǐng)域都得到了快速的普及和推廣。隨著智能標(biāo)簽技術(shù)的發(fā)展，智能標(biāo)簽即將取代目前流行的條形碼，成為零售、包裝、物流的新寵兒。但是，智能標(biāo)簽技術(shù)在中國仍處于一個剛剛起步的階段，與美國、歐洲等國家相比，我國對于智能標(biāo)簽的應(yīng)用管理和標(biāo)準(zhǔn)化工作仍有較大差距，我國應(yīng)當(dāng)加大在該領(lǐng)域的研發(fā)投入，提高對智能標(biāo)簽的應(yīng)用管理，并制定合適的國家標(biāo)準(zhǔn)，積極與國際接軌，增強(qiáng)我國的制造業(yè)優(yōu)勢。

作者單位：齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）輕工科學(xué)與工程學(xué)院