一种基于静电感应的传感器以及传感方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器领域，特别是适用于探测带电或不带电物体运动的基于静电感应的传感器以及传感方法。
【背景技术】
[0002]在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。尽管，对于带电或不带电物体移动的传感有多种方法，例如激光传感等传感方法，现有的传感方法均需要为传感器提供匹配的电源，来驱动传感器工作。受到传感器电源的限制，这些传感方法的应用范围较窄，不能够适用在环境恶劣的条件下，也难以长期独立工作；而且对于随机出现的工作需求，也需要长时间为传感器接通电源，不满足节约能源的要求。
【发明内容】
[0003](一)要解决的技术问题
[0004]本发明所要解决的技术问题是设计一种新型传感器，无需提供电源，就可以对任何自身能够产生摩擦静电、已带有电荷或通过粘附摩擦层而带有静电的物体的移动进行传感。
[0005](二)技术方案
[0006]为解决上述技术问题，本发明提出一种基于静电感应的传感器，应用在探测物体的移动方面。该传感器的传感单元由一个第一电极层和与之配合的一个第二电极层组成，两个电极层分隔设置并且互相电连接。当带电的被探测物体移动，使被探测物体的电荷中心相对于传感单元的两个电极层中的一个逐渐远离而同时相对于另一个逐渐靠近，被探测物体所带的电荷与两个电极层之间的静电感应使两个电极层之间形成电荷流动。本发明的传感器可以对自身带电的被探测物体的移动进行传感，也可以对于自身不带电的被探测物体的移动进行传感。对于自身不带电的被探测物体，当其一个绝缘表面与传感器的传感单元中电极层的表面互相接触并随着运动而相互摩擦时，由于二者表面的得失电子能力不同，在二者表面分别形成等量异号的摩擦电荷，二者分离后，该物体绝缘表面的电荷能够较长时间保留，作为静电感应源而在运动的作用下在两个电极层之间感应产生电流。本发明的传感器在工作时，带电的被探测物体可以与传感单元中的两个电极层接触也可以不接触，在被探测物体移动时，被探测物体的电荷中心相对于传感单元中的一个电极层远离而另一个电极层靠近。被探测物体的电荷会通过静电感应作用在两个电极层之间造成电荷转移以平衡电极之间的电势差，而使得电极层间的感应电势差发生周期性变化，驱动电极层间连接的外电路上产生电荷流动。这种传感器结构简单，能够比较方便的调整传感单元的两个电极层之间的输出电信号，例如可以控制两个电极层的相对位置，以调整二者之间的等效电容量。此外，带电的被探测物体每一次从一个电极层上方转移到另一个电极层上方的过程，可以带动与传感单元中等量(或近似等量)的电荷转移。因此，这种结构的传感器是一种十分高效的通过将机械能转化为电能来实现感应的传感器设计。
[0007]基于上述思路，本发明首先提供一基于静电感应传感器，包括传感单元，所述传感单元由一个第一电极层和与之配合的一个第二电极层组成，所述第一电极层和第二电极层分隔设置并且互相电连接；
[0008]当带有电荷的被探测物体移动，使被探测物体的电荷中心相对于所述传感单元的两个电极层中的一个远离而相对于另一个靠近，所述被探测物体与两个电极层之间的静电感应使所述第一电极层和第二电极层之间形成电荷流动。
[0009]优选的，所述第一电极层和第二电极层之间的分隔距离为0.lmm-5cm。
[0010]优选的，所述第一电极层和/或第二电极层不与所述被探测物体接触。
[0011]优选的，所述被探测物体的带电表面与所靠近的电极层表面之间的垂直间距远小于所述被探测物体从一个电极层移向另一个电极层的距离。
[0012]优选的，所述垂直间距小于5cm。
[0013]优选的，所述传感单元与所述被探测物体接触或滑动摩擦。
[0014]优选的，所述传感单元与所述被探测物体发生接触或滑动摩擦的表面进行物理或化学改性，使其表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构。
[0015]优选的，所述第一电极层与被探测物体接触或靠近的表面，和第二电极层202与被探测物体接触或靠近的表面形状和尺寸相同。
[0016]优选的，所述第一电极层和第二电极层的尺寸和形状相同或不同。
[0017]优选的，所述第一电极层和第二电极层处于同一个平面或曲面上。
[0018]优选的，所述第一电极层和第二电极层之间的空隙中填有填充介质。
[0019]优选的，所述填充介质为下列材料中的一种或者几种:聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚双酹A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚(2，6-二甲基聚亚苯基氧化物)、不导电的液体、不导电的气体和真空。
[0020]优选的，还包括隔离层，所述第一电极层和/或第二电极层的上表面贴合在所述隔离层的背面，被探测物体的带电表面依次向背面贴合有第一电极层的隔离层的部分上表面、以及背面贴合有第二电极层的隔离层的部分上表面靠近或者接触。
[0021]优选的，所述隔离层为绝缘材料。
[0022]优选的，所述隔离层为分立结构或一体结构。
[0023]优选的，所述隔离层完全覆盖第一电极层和第二电极层的上表面。
[0024]优选的，所述隔离层的上表面全部或部分设置有微米或次微米量级的微结构
[0025]优选的，所述第一电极层为图形化电极层；和/或，所述第二电极层为图形化电极层。
[0026]优选的，所述图形化的第一电极层与第二电极层为互补图形。
[0027]优选的，所述图形化为周期性结构，或者为中心对称结构。
[0028]优选的，所述周期性结构的重复单元的尺寸和形状相同。
[0029]优选的,包括2个或2个以上所述传感单元。
[0030]优选的，2个或2个以上所述传感单元并联或串联。
[0031]优选的，多个传感单元的相对位置与所述被探测物体的移动轨迹相匹配。
[0032]优选的，还包括摩擦层，所述摩擦层固定在所述被探测物体的表面，当所述被探测物体带动所述摩擦层的表面与传感单元中的电极层表面接触/滑动时，使得摩擦层的表面带有电荷并且跟随被探测物体同步运动；
[0033]所述带有电荷的被探测物体移动，具体为，所述摩擦层与所述被探测物体组成的整体移动；所述被探测物体的电荷中心，具体为，所述被探测物体与摩擦层组成整体的电荷中心。
[0034]优选的,所述摩擦层的材料为绝缘体或者半导体。
[0035]优选的，所述第一电极层和第二电极层具有周期性结构，所述摩擦层具有周期性结构，并且所述摩擦层的周期单元与所述第一电极层和/或第二电极层的周期单元的尺寸和形状均相同。
[0036]优选的，所述摩擦层的需要通过摩擦带电的表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构。相应的，本发明还提供一种基于静电感应的传感方法，包括如下步骤:提供分隔放置的第一电极层和第二电极层，并将两个电极层进行电连接；带电的被探测物体移动，使电荷中心相对于两个电极层中的一个远离而相对于另一个靠近；被探测物体与两个电极层之间的静电感应使所述第一电极层和第二电极层之间形成电荷流动。
[0037]优选的，被探测物体通过与第一电极层或第二电极层接触摩擦后再分离所带有电荷。
[0038](三)有益效果
[0039]本发明提供的基于静电感应传感器，不仅结构简单，而且不需要为传感单元接入电源，就可以实现自驱动的传感。特别适用在物联网传感、安全监测等方面的传感应用。
[0040]此外，带电的被探测物体可以不与传感单元进行接触，进行被探测物体移动的传感。在这种情况下，传感器的输出信号不会受到明显影响，而且被探测物体的移动不会对传感单元产生磨损，有利于传感器的长时间使用以及性能的稳定，同时传感的过程不会依赖于被测运动在垂直于运动方向上的高度波动。
【附图说明】
[004