CN105654169A - 基于摩擦纳米发电机的条形码系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于摩擦纳米发电机的条形码系统。本发明利用“摩擦电极序”以及“摩擦发电机”的概念，通过条形码摩擦块的间隔来承载条形码信息，并通过与该条形码摩擦块的间隔相关的电信号间隔来读取条形码信息，实现了一种新颖的条形码系统。

Description

基于摩擦纳米发电机的条形码系统

技术领域

本发明涉及信息识别技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的条形码系统。

背景技术

信息识别技术的高速发展，为商品的流通、信息的管理带来了巨大的便利。多年来，相关技术的研究主要集中在一维条形码、二维码及射频识别。条形码在商品流通、图书管理、银行管理等领域都得到了广泛的应用。传统的条形码是将反射率相差很大的宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排成平行线图案，按照一定的编码方式用以表达一组信息。

然而，常规的条形码在数据安全性保护先天性方面不足，容易复制。因此。开发出廉价、可靠和数据安全性较高的条形码技术有重要的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种新颖的，具有高可靠性的基于摩擦纳米发电机的条形码系统。

(二)技术方案

本发明基于摩擦纳米发电机的条形码系统包括：信息承载组件和信息辨识部件。信息承载组件，包括：基底；以及位于该基底上的N个并排排列且分离的条形码摩擦块，其材料不同于基底的材料，该N个条形码摩擦块中两条形码摩擦块之间的宽度间隔用于承载条形码信息，其中，N≥3。信息辨识组件，包括：第一摩擦层，其材料与条形码摩擦块的材料处于摩擦电极序中的不同位置；电荷通道电路，电性连接于第一摩擦层背面的第一条形电极，提供第一摩擦层上产生电荷流出或流入的通道；以及解码组件，电性连接于电荷通道电路，用于利用N个条形码摩擦块与第一摩擦层相对运动而摩擦所产生随时间变化的电信号对条形码信息进行解码；其中，随时间变化的电信号中，两电脉冲信号之间的时间间隔与对应的两条形码摩擦块之间的宽度间隔相关。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于摩擦纳米发电机的条形码系统具有以下有益效果：

(1)结构新颖；

利用“摩擦电极序”以及“摩擦发电机”两概念，通过条形码摩擦块的间隔来承载条形码信息，并通过与该条形码摩擦块的间隔相关的电信号间隔来读取条形码信息，实现了一种新颖的条形码系统；

(2)结构简单；

在条形码摩擦块与第一摩擦层相对滑动时，通过测量电阻的电压直接产生可测量的电信号，无需额外的信号转换过程和装置，结构简单。

(3)编码和识别过程简单；

通过引入一个参考时间间隔，比较若干条形码摩擦块产生的脉冲信号之间的间隔与参考时间间隔之间的差别，实现数据和信息的识别，编码方式和识别过程简单。

(4)安全性更高；

选择透明材料如掺锡氧化铟制作条形码摩擦块，实现透明的条形码，可以有效的保护信息的安全性，防止重要信息被轻易复制。

(5)易于推广应用；

各部分的材料都可以为柔性材料，因此可以在不同类型的表面推广应用，尤其是商品的塑料包装上。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例基于摩擦纳米发电机的条形码系统的示意图；

图2为图1所示条形码系统的电信号产生原理的示意图；

图3为图1所示条形码系统中，7个条形码摩擦块与第一摩擦层滑动摩擦时产生的电压脉冲信号及对应的识别的信息；

图4为本发明另一实施例中，6个条形码摩擦块与第一摩擦层滑动摩擦时产生的电压脉冲信号及对应的识别的信息；

图5为根据本发明第二实施例基于摩擦纳米发电机的条形码系统的示意图；

图6为根据本发明第三实施例基于摩擦纳米发电机的条形码系统的结构示意图；

图7为根据本发明第四实施例基于摩擦纳米发电机的条形码系统的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

10-基底；11-条形码摩擦块；

20-第一摩擦层；21-第一条形电极；

22-测量电阻；23-第二条形电极；

24-绝缘间隔层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

为了便于理解本发明，首先对“摩擦电极序”和“摩擦发电机”两概念进行简要说明。

“摩擦电极序”是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可。

2006年，中科院纳米能源与系统研究所的王中林教授在世界范围内首次提出了“摩擦发电机”，其原理基于摩擦生电和静电感应现象，将两种镀有金属电极的高分子聚合物薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致两层聚合物膜之间发生相互摩擦，两种聚合物具有不同的得失电子能力，从而产生电荷分离并形成电势差，两个金属极板通过静电感应在表面生成感应电荷，感应电荷在摩擦电电势的驱动下流经外电路即可形成电流。

本发明利用上述的“摩擦电极序”以及“摩擦发电机”两概念，通过条形码摩擦块的间隔来承载条形码信息，并通过与该条形码摩擦块的间隔相关的电信号间隔来读取条形码信息，从而实现一种新颖的条形码系统。

一、第一实施例

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于摩擦纳米发电机的条形码系统。图1为根据本发明第一实施例基于摩擦纳米发电机的条形码系统的结构示意图。如图1所示，本实施例条形码系统包括：信息承载组件和信息辨识组件。其中，信息承载组件，包括：基底10；以及位于基底10上的N个并排排列且分离的条形码摩擦块11，其材料不同于基底10的材料，该N个条形码摩擦块11中两条形码摩擦块之间的宽度间隔承载条形码信息，其中，N≥3。信息辨识组件，包括：第一摩擦层20，其材料与条形码摩擦块11的材料处于摩擦电极序中的不同位置，其背面具有第一条形电极21；电荷通道电路，电性连接于第一摩擦层背面的第一条形电极21，提供该第一摩擦层20上产生电荷流出或流入的通路；以及解码组件，电性连接于电荷通道电路，用于利用N个条形码摩擦块11与第一摩擦层20相对运动而摩擦所产生随时间变化的电信号对条形码信息进行解码，其中，随时间变化的电信号中，两电脉冲信号之间的时间间隔与对应的两条形码摩擦块之间的宽度间隔相关。

其中，当上述N个条形码摩擦块11的下表面和第一摩擦层20的正面之间发生滑动摩擦，由于条形码摩擦块11与第一摩擦层10之间具有摩擦电极序差异，引起电荷转移从而产生电脉冲信号。N个条形码摩擦块分别从第一摩擦层通过分别产生相应的电脉冲信号。而两电脉冲信号之间的时间间隔与两条形码摩擦块之间的间隔有关。

以下分别对本实施例基于摩擦纳米发电机的条形码系统的各个组成部分进行详细说明。

本实施例中，为了获得较为稳定的电信号，一般要求基底材料的摩擦电负性与第一摩擦层材料的摩擦电负性较为接近，而条形码摩擦块材料的摩擦电负性与第一摩擦层材料的摩擦电负性差异较大。

基底10为聚丙乙烯塑料片，其厚度为200μm；第一摩擦层20为聚全氟乙丙烯(FEP)片，厚度为125μm。可见，两者均为硬性材料，但本发明并不以此为限。由于材料的硬度并不影响表面接触时的电荷转移效果，因此基底10和第一摩擦层20可以是柔性的也可以使硬质的，只要两者能够产生接触/相互运动即可，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。例如，基底10还可以选用玻璃片、MgO基片等等。但从成本及推广应用方面考虑，优选采用塑料片。

例如，在本发明的另一实施例中，基底和第一摩擦层均采用聚丙乙烯塑料膜，在基底10上方可以同样制备条形码摩擦块。该柔性的基底和第一摩擦层可以集成在平面、曲面的不同介质上，从而极大的拓展了本发明的应用范围。

除了聚全氟乙丙烯之外，第一摩擦层20还可以选用以下绝缘材料中的一种制备：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物。基底材料可以与第一摩擦层的材料相同，上述可以作为摩擦层的绝缘体材料同样也可以作为基底材料。

而对于基底和第一摩擦层的厚度，并没有严格的限制。一般而言，该厚度介于20μm～2mm之间均可。本领域技术人员可以根据需要合理选择。

本实施例中，在基底10上制备有掺锡氧化铟薄膜的条形码摩擦块。该掺锡氧化铟薄膜的厚度为100nm。需要说明的是，该条形码摩擦块可以是在沉积了整片的掺锡氧化铟薄膜之后经刻蚀形成，也可以是通过掩膜的方式直接沉积分离的掺锡氧化铟薄膜作为条形码摩擦块，本发明不对此进行限制。

此外，本领域技术人员可以在50nm-500nm之间合理选择条形码摩擦块的厚度。并且，该条形码摩擦块可以是沉积于基底上的，也可以是通过黏贴的方式固定于基底上的。

此外，本发明还可以采用掺锡氧化铟之外的其他材料来制备条形码摩擦块，但需要保证条形码摩擦块必须与基底为不同种材料，只有满足这个条件，才能产生与条形码摩擦块对应的电信号。条形码摩擦块11可以是绝缘体，也可以是导体。以下给出可以用于制备条形码摩擦块11的其他材料：摩擦极性相对第一摩擦层为正的绝缘材料或透明导电材料，或金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其合金中一种。通过选择透明材料作为条形码摩擦层，还可以实现透明的条形码，可以有效的保护信息的安全性。

此外，还可以对第一摩擦层20上表面和/或条形码摩擦块11下表面进行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列，以增加第一摩擦层20与条形码摩擦块11之间的接触面积，从而增大接触电荷量。具体的改性方法包括光刻蚀、化学刻蚀和离子体刻蚀等。也可以通过纳米结构的点缀或涂层的方式来实现该目的。其中，该纳米结构可以为纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米/微米沟槽，纳米/微米锥和纳米/微米球状结构的一种。

除此之外，也可以对相互接触的第一摩擦层20上表面和/或条形码摩擦块11下表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高输出电信号。化学改性又分为如下两种类型：

(1)对于相互接触的第一摩擦层20与条形码摩擦块11材料，在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团(即强给电子团)，或者在极性为负的材料表面引入更易得电子的官能团(强吸电子团)，都能够进一步提高电荷在相互滑动时的转移量；

强给电子团包括：氨基、羟基、烷氧基等；强吸电子团包括：酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法。例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在基板材料表面引入氨基。

(2)在极性为正的材料表面引入正电荷，而在极性为负的材料表面引入负电荷，具体可以通过化学键合的方式实现。

例如，可以在PDMS薄膜表面利用水解-缩合(英文简写为sol-gel)的方法修饰上正硅酸乙酯(英文简写为TEOS)，而使其带负电。也可以在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的金纳米粒子，由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个薄膜变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦层材料的得失电子性质和表面化学键的种类，选择合适的修饰材料与其键合，以达到本发明的目的，因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。

本发明中，影响输出信号大小的主要参数是第一摩擦层20的厚度以及它与条形码摩擦块11相互接触时的面积大小。第一摩擦层20的厚度越薄，以及它与条形码摩擦块11相互接触时的面积越大，得到电信号的输出也就越大，优选为25微米至125微米之间。

此外，条形码摩擦块宽度、间隔宽度也是条形码系统中的重要参数。理论上，只要这些宽度远大于(1个数量级)条形码摩擦块厚度(1微米～100微米)时，都有效。一般情况下，条形码摩擦块的宽度h介于1mm～5mm之间，而两条形码摩擦块之间的间隔H满足：H≥0.5h，即该间隔H的范围为大于0.5毫米。

请参照图1，电荷通道电路包括：测量电阻22，其一端连接至第一摩擦层背面的第一条形电极21，另一端接地。需要注意的是，第一条形电极21的宽度小于或等于条形码摩擦块的宽度，否则产生电信号的时间特性会混乱。其中，测量电阻优选为兆欧级。

该第一条形电极可以是金属材料、氧化物导电材料等常用的电极材料制备的薄膜。其中，金属材料可以选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒或其合金中一种，氧化物导体可以选自ITO等导电材料。

本实施例中，解码部件采用电压测量的方式，即由一电压测量元件测量测量电阻22的两端的电压，得到随时间变化的电压脉冲信号，进而由解码器将该随时间变化的电压脉冲信号所对应的条形码信息解码出来。

此外，解码部件还可以采用电流测量的方式，即由一电流测量元件测量流过测量电阻22的电流，得到随时间变化的电流脉冲信号，进而由解码器将随时间变化的电流脉冲信号所对应的条形码信息解码出来。本领域技术人员应当很清楚其实现方式，此处不再赘述。

本实施例中，若干宽度相等的条形码摩擦块平行分布在基底上，每两个条形码摩擦层之间具有一定的宽度间隔。该宽度间隔将于两脉冲电信号之间的时间间隔有关。为了避免速度因素的影响，保证测量的准确性，通过引入一个参考时间间隔，即将两个条形码摩擦块之间的距离设定为标准距离，与该标准距离相关的时间间隔则为参考时间间隔。比较其他条形码摩擦块产生的电脉冲信号之间的时间间隔与参考时间间隔之间的差别，就可以实现数据和信息的识别。

以下结合图2来详细介绍本实施例条形码系统的工作原理：

如图2中a所示，当第一摩擦层20与条形码摩擦块11发生滑动摩擦，由于构成第一摩擦层20与条形码摩擦块11的材料在摩擦电极序中存在差异，引发表面电荷转移，为了屏蔽在第一摩擦层表面均匀分布的负电荷，第一条形电极21中的由于接地会有正电荷均匀分布；

如图2中b所示，由于条形码摩擦块11相对位置的变化，第一条形电极21为了屏蔽由此产生的电势变化，由于接地，会有自由电子通过所述测量电阻22流到第一条形电极21，产生电流；

如图2中c所示，当条形码摩擦块11与第一条形电极21宽度相等，当它们在垂直方向重合时，由于第一条形电极21上的流入自由电子完全屏蔽了条形码摩擦块产生的电势变化，自由电子的流动会停止，通过测量电阻22的电流会消失；

如图2中d所示，当条形码摩擦块11继续向前滑动时，由于其位置的改变会引起第一条形电极21中电势的变化，自由电子会通过测量电阻22流会大地，从而产生一个相反方向的电流。

如此，待条形码摩擦块11完全移出第一条形电极21的上方时，电势差消失，第一条形电极21中电荷的分布状态回到图2中a所示的情况。如此，在测量电阻22两端在此过程中两端的电压信号，就可以得到一个交流脉冲信号。

需要注意的是，在图2中，条形码摩擦块11上电荷密度大于第一摩擦层20和第一条形电极21上的电荷密度。此处只是定性表示，具体的电荷密度大小与多种因素有关，此处不再过多涉及。

本实施例中，7个宽度为3.5毫米的条形码摩擦块两两之间的间隔分别为3.5毫米、3.5毫米、7.0毫米、10.5毫米、14.0毫米、17.5毫米。通过直线电机以恒定的速度10毫米/秒的速度与第一摩擦层滑动摩擦时，如图3所示，通过测量电阻为100MΩ的电压脉冲信号有7个正的峰值，分别记录每个峰值出现的时间以此为T₀，T₁，T₂，T₃，T₄，T₅，T₆，并由此计算出各个间隔时间，ΔT₀＝T₁-T₀，ΔT₁＝T₂-T₁，ΔT₂＝T₃-T₂，ΔT₃＝T₄-T₃，ΔT₄＝T₅-T₄，ΔT₅＝T₆-T₅，由于以第一个间隔作为参考时间间隔，并将ΔT₀的二分之一作为标准，计算各间隔时间与其的比值N_i，并将得到的比值结果按照四舍五入取整后，可以按照下表进行解码：

表1.信息解码对应表

比值计算公式	N1＝2ΔT1/ΔT0	N2＝2ΔT2/ΔT0	N3＝2ΔT1/ΔT0	......
					比值范围	0＜N1＜0.5	0.5≤N2＜1.5	1.5≤N2＜2.5	......
解码结果	0	1	2	......

解码后可以得到的信息是数字“1”、“2”、“3”、“4”、“5”，引入的参考时间间隔默认为数字“1”。

采用四舍五入的近似方法和比值范围的设定方式可以按照不同的工作情况进行调整，也可以通过识别的“0”，“1”作为基础，进行二进制编码来解码信息，但都属于本发明所保护的范围。关于编码方式，其在现有技术中已有各种文献进行讨论，此处不再详细说明。

在本发明的另一个实施例中，6个宽度为3.5毫米的条形码摩擦块两两之间的间隔分别为3.5毫米、3.5毫米、7.0毫米、10.5毫米、14.0毫米。将具有条形码摩擦块的基底贴合在一张大小为85毫米×54毫米的卡片上，透明的条形码信息提高了数据的安全性。如图4所示，手动将该卡片在第一摩擦层上滑动时，通过测量电阻为100MΩ时测量到6个正的电压脉冲信号峰值，按照上述的方式记录每个峰值出现的时间，并依此计算出N₁，N₂，N₃，N₄，按照表1的解码方式可以得到数字“1”，“2”，“3”，“4”。

本发明中，手动将该卡片在第一摩擦层上滑动时，为非匀速滑动，尽管非匀速的滑动会对记录的时间准确性产生影响，但是这一影响可以通过减小条形码摩擦块、间隔，和条形电极宽度来抵消(如1毫米)。在较短的相对滑动距离上，手动将卡片在第一摩擦层上滑动的过程可以近似为匀速。此处记录的时间其实等价于峰值出现的位置，由于一般的电学测量设备只能测量信号与时间的关系，因此，此处选用时间作为后续计算的原始数据，而非电信号峰值的间隔。

需要说明的是，本发明可以通过减小条形码摩擦块宽度、间隔宽度、条形电极宽度的尺寸来提高识别率。

需要说明的是，在本实施例中，条形码摩擦块的宽度相等，并且平行排列，在其他实施例中，并不一定是这样。在条形码摩擦块和第一摩擦层的相对滑动速度为匀速或近似匀速时，条形码摩擦块的宽度相等是必须条件。若条形码摩擦块和第一摩擦层的相对滑动是直线运动，则条形码摩擦块平行排列是必须条件。如条形码摩擦块相对滑动变为转动或其他形式的运动，条形码摩擦块也可以不平行分布，与相对滑动的方向对应。

本实施例中，条形码摩擦块、第一条形电极等部分的制备方法可以采用现有的半导体材料制备技术，在这里不做特别说明。

二、第二实施例

在本发明的第二个示例性实施例中，提供了另一种基于摩擦纳米发电机的条形码系统。在第一实施例中，第一条形电极接地的目的是由地作为电子的来源或接收方，此功能可以用第二条形电极来代替。本实施例条形码系统与第一实施例条形码系统的不同之处在于：电荷通道电路的连接方式。

图5为根据本发明第二实施例基于摩擦纳米发电机的条形码系统的结构示意图。如图5所示，第一条形电极21通过测量电阻连接至第二条形电极23，且第二条形电极23与条形电极之间具有绝缘间隔层24。

其中，第一条形电极21和第二条形电极的材料与尺寸均满足于第一实施例中的相关说明，且绝缘间隔层24采用绝缘材料制备，其厚度满足条形电极和第二条形电极23之间绝缘即可。

需要说明的是，本实施例中，解码组件与第一实施例中的解码组件相同，为简略起见，故而在图5中并没有体现出解码组件。

本实施例中，绝缘间隔层采用SiO₂材料，第一电极层和第二电极层采用金材料制备。该绝缘间隔层、第一电极层和第二电极层的制备可以采用蒸镀或者溅射方法。

三、第三实施例

在本发明的第三个示例性实施例中，提供了另一种基于摩擦纳米发电机的条形码系统。

图6为根据本发明第三实施例基于摩擦纳米发电机的条形码系统的结构示意图。如图6所示，本实施例条形码系统与第一实施例条形码系统的不同之处在于：第一摩擦层20为金属材料制备，其同时兼做第一条形电极21，则该第一摩擦层20直接经过测量电阻连接至地。

需要注意的是，本实施例中，还需要满足条形码摩擦块11的材料和第一摩擦层20的材料存在摩擦电极序差异，并且，条形码摩擦块11不能是导体，且选择摩擦电负性较负(与金属相差较大)的材料。

同样，在图6中也没有体现出解码组件，特此说明。

四、第四实施例

在本发明的第四个示例性实施例中，提供了另一种基于摩擦纳米发电机的条形码系统。

请参照图1，在第一实施例中，第一摩擦层与基底的长度大致相同。

图7为根据本发明第四实施例基于摩擦纳米发电机的条形码系统的结构示意图。如图7所示，本实施例条形码系统与第一实施例条形码系统的不同之处在于：第一摩擦层20的宽度L远小于基底10的宽度，该宽度L满足：L≥d，其中，d为条形码摩擦块的宽度，d的尺寸范围为1～5毫米。

同样，在图7中也没有体现出解码组件，特此说明。

至此，已经结合附图对本发明四个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于摩擦纳米发电机的条形码系统有了较为清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：上述实施例中，条形码摩擦块的数目N分别为6个和7个，而本领域技术人员可以根据需要设置条形码摩擦块的数目，一般情况下，条形码摩擦块的数目N介于3～20之间。

综上所述，本发明提供一种不同于现有技术条形码系统的基于摩擦纳米发电机的条形码系统，其结构新颖，制备方法简便、制备成本低廉，可以应用于商品流通、图书管理、银行管理等众多领域。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (21)

1.一种基于摩擦纳米发电机的条形码系统，其特征在于，包括：

信息承载组件，包括：

基底(10)；以及

位于该基底(10)上的N个并排排列且分离的条形码摩擦块(11)，其材料不同于所述基底(10)的材料，该N个条形码摩擦块(11)中两条形码摩擦块之间的宽度间隔用于承载条形码信息，其中，N≥3；以及

信息辨识组件，包括：

第一摩擦层(20)，其材料与所述条形码摩擦块(11)的材料处于摩擦电极序中的不同位置，其背面具有第一条形电极；

电荷通道电路，电性连接于第一摩擦层(20)背面的第一条形电极，提供所述第一摩擦层(20)上产生电荷流出或流入的通道；以及

解码组件，电性连接于电荷通道电路，用于利用所述N个条形码摩擦块(11)与所述第一摩擦层(20)相对运动而摩擦所产生随时间变化的电信号对条形码信息进行解码；

其中，所述随时间变化的电信号中，两电脉冲信号之间的时间间隔与对应的两条形码摩擦块之间的宽度间隔相关。

2.根据权利要求1所述的条形码系统，其特征在于，所述基底的材料与所述第一摩擦层的材料的摩擦电负性差异小于所述条形码摩擦块的材料与所述第一摩擦层的材料的摩擦电负性差异。

3.根据权利要求1所述的条形码系统，其特征在于：

所述基底的材料为硬质材料或柔性材料；和/或

所述第一摩擦层的材料硬质材料或柔性材料。

4.根据权利要求3所述的条形码系统，其特征在于，所述基底和/或所述第一摩擦层为选用以下绝缘材料中的一种制备的片或膜：聚丙乙烯、聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物。

5.根据权利要求1所述的条形码系统，其特征在于，所述第一摩擦层的厚度介于25微米至125微米之间。

6.根据权利要求1所述的条形码系统，其特征在于，所述第一摩擦层的宽度L满足：L≥d，其中，d为条形码摩擦块的宽度。

7.根据权利要求1所述的条形码系统，其特征在于，所述条形码摩擦块的材料为：

透明导电材料；

摩擦极性相对第一摩擦层为正的绝缘材料；或

金、银、铂、铝、镍、铜、钛、烙、硒的单质或两种以上形成的合金。

8.根据权利要求7所述的条形码系统，其特征在于，所述条形码摩擦块的材料为掺锡氧化铟。

9.根据权利要求1所述的条形码系统，其特征在于，所述条形码摩擦块的厚度介于1微米～100微米之间，其宽度h至少为厚度的10倍。

10.根据权利要求9所述的条形码系统，其特征在于，所述条形码摩擦块的宽度h介于1mm～5mm之间，两条形码摩擦块之间的间隔H满足：H≥0.5h。

11.根据权利要求1所述的条形码系统，其特征在于，所述条形码摩擦块沉积或黏贴于所述基底(10)上。

12.根据权利要求1所述的条形码系统，其特征在于，3≤N≤20。

13.根据权利要求1所述的条形码系统，其特征在于，所述条形码摩擦块和/或第一摩擦层产生摩擦的面经由以下处理：

进行物理改性，使其表面分布微米或次微米量级的微结构阵列；和/或

进行化学改性，以提高电荷在接触瞬间的转移量。

14.根据权利要求13所述的条形码系统，其特征在于，所述物理改性包括：光刻蚀、化学刻蚀、离子体刻蚀，或纳米结构的点缀或涂层。

15.根据权利要求13所述的条形码系统，其特征在于，所述化学改性包括：

在极性为正的材料表面引入强给电子团，或者在极性为负的材料表面引入强吸电子团；或

通过化学键合的方式在极性为正的材料表面引入正电荷，而在极性为负的材料表面引入负电荷。

16.根据权利要求1所述的条形码系统，其特征在于，所述N个并排排列并分离的条形码摩擦块形成N-1个宽度间隔，该N-1个宽度间隔与所述随时间变化的电信号中N-1个时间间隔相关，将该N-1个宽度间隔中的其中之一作为标准距离；

所述解码组件中，将与该标准距离相关的时间间隔作为参考时间间隔而解码其他N-2个时间间隔所承载的条形码信息。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的条形码系统，其特征在于，所述解码组件采用电压测量或电流测量的方式获取所述随时间变化的电信号。

18.根据权利要求17所述的条形码系统，其特征在于，电荷通道电路至少包括：

测量电阻(22)，串联于所述电荷通道电路中，其一端与第一摩擦层背面的第一条形电极电性接触；

所述解码组件通过测量该测量电阻两端的电压而获取所述随时间变化的电信号。

19.根据权利要求17所述的条形码系统，其特征在于，所述测量电阻的一端连接至第一摩擦层背面的第一条形电极，另一端接地。

20.根据权利要求17所述的条形码系统，其特征在于，电荷通道电路还包括：

绝缘间隔层(24)，形成于所述第一条形电极与所述第一摩擦层相对的另一面；以及

第二条形电极(23)，形成于所述绝缘间隔层与所述第一条形电极相对的另一面；

其中，所述测量电阻连接于所述第一条形电极和所述第二条形电极之间。

21.根据权利要求19所述的条形码系统，其特征在于，所述第一摩擦层由金属材料制备，其兼做所述第一条形电极；

所述测量电阻一端连接至所述第一摩擦层，另一端接地。