印刷智能传感标签：当先进智能传感材料遇到标签印刷技术

李文瑞 杨柳 孙加振

印刷智能传感标签是一种将标签印刷技术与先进传感材料相结合进行非触摸式自动识别传感器件的先进制造方式，可以满足各种环境中的应用。自20世纪90年代开始，印刷智能传感标签技术逐步被人们重视并发展起来后，在物流运输、质量监测及生产管理等领域得到了广泛应用。目前，全球每天印刷大约400亿个条码，其中1%是进行智能传感标签的印刷加工，这展现了智能传感标签是一个巨大的市场。同时，近几年全球智能标签总出货量的年复合增长率稳定在20%左右，2017年总出货量达到130亿个，同比增长16.85%。其中，超高频智能传感标签市场表现亮眼。预测2019年全球智能传感标签市场规模将达到200亿美元，在2024年上升到296亿美元左右。印刷智能标签市场份额的逐年增大，利用印刷技术制备智能传感标签，大大降低了制作成本。伴随着先进传感材料的不断出现，印刷智能传感标签不仅大大降低了智能标签的成本，而且能够多方位满足未来物流、智能家居以及食品药品等领域的巨大需求。

印刷智能传感标签

印刷智能标签是一种通过无线信号来达到非接触的资料存取和识别技术功能的新型信息器件。它通过连结背后的数据库，构成了一个庞大且串连在一起的系统。当前，智能标签广泛应用于各种湿度信息、温度信息、光强度及电磁波信号的感应感知行为，在国民生活及国防科技中均发挥着重要作用。其中，比较常见的印刷智能传感标签为RFID、NFC电子标签。RFID标签主要包含阅读器、感应器、芯片、天线、应用系统等。阅读器是根据相应的协议读取并写入智能传感标签的设备，感应器主要用来感应特定外界环境的变化，芯片一般保存有一定的电子数据，天线起接受和发射信号的作用，应用系统主要对所获得的数据进行分析和存储。RFID工作原理是利用射频信号和空间耦合传输特性实现对被识别物体的自動识别。当带有标签的附体进入磁场后，接受阅读器发射的信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的信息，由阅读器读取信息并解码后，再通过及计算机网络系统进行相关的数据处理。RFID具有可携带大量信息、应用范围广、可远距离识别等特点，在物流产品分拣和智能交通领域已经开始逐步推广应用。由于RFID的这些特点，RFID标签比传统的二维码和条形码应用范围更广，应用更加便捷。此外，RFID技术还被用于智能出行、电子注册、停车收费管理、贵重物品防伪等多方面，拥有广阔的市场前景，被业内外人士一致看好。NFC标签技术是由RFID及互联互通技术整合并发展而来，是一种近距离无线通讯技术。它在单一芯片上结合读卡器、便携式感应卡片和点对点的功能，可以方便地进行数字交换，同时可以连接电子设备，能在短距离内与可兼容的电子设备进行识别和数据交换。在社会生活中被广泛应用于门禁钥匙、学校一卡通、商场支付卡等。与RFID一样，NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，但两者之间还是存在很大的区别。首先，NFC是一种安全、可靠、迅速的无线连接技术，其可传输的范围比RFID小，而且NFC是将非接触读卡器、非接触卡和点对点功能整合到一块单芯片，RFID则必须有阅读器和标签组成。其次，NFC技术强调的是信息的互换交流，RFID现在只能实现信息的接受、解码判定。

新型先进智能传感材料

伴随着新材料的不断研发，各种具有湿度、温度及光电信号的新进智能传感材料被科研人员研究制备出来，并进一步应用于印刷智能传感标签领域。目前，印刷智能传感标签常用的传感材料，包括碳纳米材料（石墨烯、富勒烯）、金属纳米材料（银纳米材料）和高分子材料（聚苯胺等）。

1.石墨烯

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米碳材料，具有高比面积、高电子跃迁率等优异的特点，能够改善多种金属基导体材料的光电效应。现阶段，主要通过预氧化石墨的方法来制备石墨烯，在石墨中加入H2SO4和高锰酸钾在低温的条件反应得到石墨烯。由于氧化后的石墨烯中的共轭结构遭到破坏，其导电性能会有一定程度的下降，但经过还原后其导电性能会有一部分被恢复。科研人员用简单的溶液混合法合成了AuNPs-CdS-RGO三元纳米异质结构，可作为光电阳极用于H2O2的检测。此外，石墨烯也能克服其他金属基半导体材料导电性差的问题，从而改善其光电化学分析性能。科研人员用声波降解法获得均匀悬浮的石墨烯-Mo掺杂BIVO4纳米复合材料，构建了一种可见光驱动的光电化学生物传感器，可用于测定兽药中的生物链霉素。

2.富勒烯

富勒烯（C60）材料在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，但是富勒烯不仅含有六元环还有五元环甚至还有七元环。富勒烯具有转换效率高、稳定性好、衍生修饰方案多样性等优点。在智能传感标签和太阳能电池等领域取得了一些令人振奋的研究成果。现在生产富勒烯的方法主要由电弧法和燃烧法，工业生产富勒烯主要运用的是燃烧法。科研人员利用溶剂挥发法，制备出了晶态形貌较为规则的C60纳米线，在光照射下，它的光电转换效率较高。同时，科研人员还制备了二维单晶态片状六边形C60，显示出了较强的光电流转换性能。这为C60纳米材料在电学和材料科学领域中应用积累了科学数据，拓展了C60纳米材料的应用领域。

3.金属纳米材料

银纳米材料具有生物相容性好、表面修饰容易、比表面积大等特点外，还有表面等离子体共振效应等特殊的光电性质。与金、铜纳米材料相比，银纳米材料制成的导电油墨除了有较高的电导率外，本身不易被氧化，能够溶解在溶剂中银的前驱体的种类较多，选择范围较广，因此，银纳米材料制成的传感油墨受到更多的关注。科研人员将金属纳米材料与湿度响应高分子相结合制备了具有湿度传感的墨水，印刷实现了性能优异的湿度传感器智能标签。同时，金属纳米材料制备的油墨能够实现良好的印刷适性使其能在多种承印物的表面进行印刷，便于制成各种基底智能传感标签，适用于物流运输、交通等多种行业。

4.导电高分子

由于导电高分子具有大分子结构，其对外界响应性具有自身独特的性能，可以用于感知各种温湿度以及微量元素的探测等方面。常见的响应性导电高分子有聚苯胺、PEDOT∶PSS、聚乙炔等。聚苯胺具有良好的热稳定性和电致变色性、高电化学活性、环境稳定性、氧化还原可逆性、价格低廉等特点，成为当下研究导电高分子传感材料的热点。现阶段，利用聚苯胺优异的导电性能使电子在生物活性物质与电极之间直接传递，显著提高了生物传感器的响应性，同时可以在合成過程中掺杂不同的阴离子，可以被用于检测不同的对象。但是由于聚苯胺分子各种基团形成的分子间氢键的影响，导致聚苯胺的力学性能和溶解性能较差，因此，如何改变聚苯胺的化学和物理性质成为了科研人员十分关心的问题。

印刷智能传感标签技术

采用印刷的方式制作智能传感标签操作简单省时，基材选择灵活多样，印刷速度快，生产效率高，还具有弹性好和环保无污染等优点。

1.特种油墨

制备印刷智能传感标签特种油墨，需要根据其具体性能添加不同的传感材料，例如，在印刷RFID标签时，需要在油墨中加入特殊的导电材料，使油墨具有导电性，来完成RFID天线和电路的印制。除此之外，我们还可以在油墨中加入热敏、感光材料等制备各种特殊性能的标签来满足我们日常生活的需要。

2.印刷工艺及特点

现阶段，印刷智能传感标签的印刷工艺可分为传统印刷和数字印刷两种。常用的传统印刷方式有丝网印刷和胶印，数字印刷方式有喷墨印刷。但目前喷墨印刷制备印刷智能传感标签的速度较慢，但准确度较高。丝网印刷以其高效率、高可靠性、灵活性成为了目前最适合印刷智能传感标签的方式。在智能标签印刷中，目前印刷导电油墨较好的丝网是镍箔穿孔网。整个网面平整匀薄，能极大地提高印迹的稳定性和精密性，用于印刷导电油墨效果较好，能分辨0.01mm的电路线间隔、定位精度可达0.01mm。丝网印刷的不足就是其最大分辨率较小，而且其印刷速度与其他印刷方式相比较小。胶印是智能传感标签天线印刷中应用较为普遍的方法，用于线圈印刷有着效率、精度及分辨率高的优势，但是墨膜厚度较小，不符合线路印刷的要求。当然可通过反复印刷多次来完成，但对于精细线路的套准控制有一定的困难，新型的、导电能力更好的油墨也可以在较小的厚度下达到需要的阻抗性能。通过以上分析，在智能传感标签生产的初期，最常用最流行的还是丝网印刷，而且短期内还将主要采用网版印刷的方法，但最终将会被速度更快的数字喷墨印刷和胶印等工艺所取代。

总结和展望

智能标签具有许多突出的优点，如数据记忆容量大、数据密度高、耐久性好、速度快、数据安全性能好等特点。在我国，智能标签技术已广泛应用于图书标签、二代身份证、商品包装等多方面，市场潜力巨大，前景广阔，但仍然存在许多问题，如智能标签发射的识别信号容易被其他物体阻断，没有统一的国家标准和国际标准，生产成本过高等问题严重影响了智能标签的推广应用。近年来，物品的自动识别技术在服务领域、生产领域、流通领域等各领域都得到了快速的普及和推广。随着智能标签技术的发展，智能标签即将取代目前流行的条形码，成为零售、包装、物流的新宠儿。但是，智能标签技术在中国仍处于一个刚刚起步的阶段，与美国、欧洲等国家相比，我国对于智能标签的应用管理和标准化工作仍有较大差距，我国应当加大在该领域的研发投入，提高对智能标签的应用管理，并制定合适的国家标准，积极与国际接轨，增强我国的制造业优势。

作者单位：齐鲁工业大学（山东省科学院）轻工科学与工程学院