一种基于静电感应的传感器以及传感方法_4

文档序号:8428845阅读:来源:国知局
时,被探测物体上粘附的图案化的摩擦层60所带的电荷交替靠近第一电极层201和第二电极层202,通过静电感应在连接在第一电极层和第二电极层之间的电信号检测装置30上产生电流流过。这种结构的传感器可以传感直线方向的运动物体的移动。通过标定所检测到的电信号的周期数和信号幅值,可以同时得到被探测物体20沿电极排布方向运动的位移和速度信息。
[0080]在本实施例的其他实施方式中,摩擦层60、第一电极层201和第二电极层202还可以有其他图形化的结构,参见图7,图形化的第一电极层201由三个相同的扇形子电极按照中心对称分布,并且通过导线或者电极层材料连接形成图形化电极层;图形化的第二电极层202也由三个相同的扇形子电极按照中心对称分布,并且在对称中心处连通。摩擦层60同样由三个相同的扇形子摩擦层按照中心对称分布在对称中心70处连接固定。两个图形化的电极层可以通过填充介质41隔离。将摩擦层60粘贴固定在被探测物体上,这种结构的传感器可以传感做圆周运动的被探测物体的运动,当带电的被探测物体围绕对称中心做圆周运动,带动表面带电的摩擦层60的每个子摩擦层交替靠近第一电极层201和第二电极层202,由于静电感应,连接在第一电极层与第二电极层之间的电信号检测装置30上会有电流流过。除图7中的三个扇形形成的中心对称图形外,还可以为其他现状的中心对称图形。
[0081]图形化的第一电极层与图形化的第二电极层的图形优选为互补形状。为了提高发电效率,优选图形化的第一电极层和第二电极层均为规整的周期性结构,并且每个周期性重复单元的尺寸和形状相同。
[0082]将第一电极层和第二电极层设置为单元周期较小的图形化结构,并且在被探测物体上设置具有相同周期性结构的摩擦层,被探测物体移动较小的距离,即可在两个电极层之间产生相当的电荷转移,能够提高传感器的分辨率。
[0083]对于传感单元中第一电极层和第二电极层的材料及尺寸,可以参照前面几种典型传感器进行选择,同时也可以包括隔离层50和/或填充介质40,在此不再赘述。
[0084]对于传感器还包括隔离层的情况,摩擦层60还需要与隔离层进行接触后相互分离或者相互滑动,使摩擦层60的表面带有由摩擦/接触产生的电荷。
[0085]摩擦层60的材料应该选择与传感单元中第一电极层和第二电极层以及隔离层的材料得失电子能力差大的材料,摩擦层的材料可以在隔离层的可选材料中选择,优选为绝缘体材料。在实际器件制备过程中,可以根据材料的得失电子能力进行合适的选择。
[0086]可以通过物理或化学改性,使摩擦层60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,以增加摩擦层60持有表面电荷的密度。
[0087]本实施例中,表面带有电荷的摩擦层与被探测物体组成整体的移动即为实施例一、二和四中带有电荷的被探测物体移动;被探测物体与摩擦层组成整体的电荷中心即为实施例一、二和四中被探测物体的电荷中心。
[0088]第四实施例
[0089]本实施例提供的传感器包括多个传感单元,参见图8a,一种典型的包括多个传感单元的传感器,包括依次排列的2个以上传感单元,每个传感单元由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成,第一电极层201和第二电极层202分隔设置,每个传感单元中的两个电极层连接在一个电信号检测装置30。当带电的被探测物体移动使的电荷中心依次与传感单元的第一电极层201和第二电极层202靠近,在电信号检测装置30上检测到电信号。被探测物体移动到不同的传感单元时,相应的电信号检测装置30检测到电信号,这种结构的可以用于检测被探测物体的移动位置以及移动速度等信息。
[0090]对于传感单元中第一电极层和第二电极层的材料及尺寸,可以参照前面几种典型传感器进行选择,同时也可以包括隔离层50和/或填充介质40,在此不再赘述。需要说明的是,多个传感单元可以相同也可以不同。对于多传感单元并联的情况,参见图8b,优选多个传感单兀相同;而对于每个传感单兀均与同一个电信号输出端80电连接的情况(参见图8b),则可以根据需要使用不同材料或尺寸的第一电极层和第二电极层,使得被探测物体与某些传感单元靠近时,能够产生不同的电信号,以满足对于某些特殊位置的传感需要。
[0091]在实际应用中,为了实现大规模的收集能量和进行物体移动传感,可以增加传感单元的数目,并且传感单元的输出电信号进行整流,就可以将产生的电流进行存储备用。
[0092]多个传感单元的相对位置可以根据实际需要进行设计,一般与被探测物体20的移动轨迹相匹配,既可以所有传感单元都位于同一平面上,也可以位于不同平面上,还可以位于相同或不同的曲面上。
[0093]应用本实施例的传感器进行传感的被探测物体的电荷既可以是预先带上,也可以是通过与传感单元的摩擦带上。如果预先带电,则该传感器的工作原理与图1所示的相同;如果被探测物体通过与传感单元摩擦带电,则被探测物体初次与一个传感单元发生接触的过程如图2所示,此后由于被探测物体为非导电材料,其上带有的表面接触电荷能够长时间的持有,因此再与其他传感单元进行靠近和远离的动作时,传感器的工作原理就呈现图2所示的情况。
[0094]在实际应用时,可以将上述2种方法综合起来使用,即部分传感单元连通构成图形化的第一电极层和第二电极层,而另一部分传感单元是分立的,传感单元之间通过并联或串联的方式连接,以满足不同的传感需要。
[0095]第五实施例
[0096]实施例一、二和四中,对于被探测物体20自身不带有电荷的情况,并且与传感单元中的电极层或者传感器中的隔离层50进行接触后相互分离或者相互滑动也很难使被探测物体20表面带有由摩擦/接触产生的电荷的情况,传感器还可以包括一个摩擦层,参见图8a和图8b,摩擦层90通过粘贴等方式固定在被探测物体20的表面,当被测探物体20带动该摩擦层90的下表面与传感单元中的电极层表面接触/滑动时,两者之间的相互接触摩擦会使得二者表面带有异号等量的摩擦电荷。在后面的检测过程中,由于摩擦层90下表面上静电荷可以保持很长时间,被探测物体20可以继续在电极层表面接触滑动,也可以在垂直高度上离开一定距离而利用非接触滑动实现传感。
[0097]摩擦层90下表面为需要通过摩擦使其带有电荷的表面。摩擦层90下表面与传感单元中的电极层101或者102进行接触后相互分离或者相互滑动,使摩擦层90的下表面带有由摩擦/接触产生的电荷,从而使得被探测物体20与摩擦层90组成的整体带有电荷,其电荷中心为摩擦层表面所带电荷的中心。
[0098]对于传感器还包括隔离层的情况,摩擦层90还需要与隔离层进行接触后相互分离或者相互滑动,使摩擦层90的下表面带有由摩擦/接触产生的电荷。
[0099]摩擦层的材料应该选择与传感单元中第一电极层和第二电极层以及隔离层的材料得失电子能力差大的材料,摩擦层的材料可以在隔离层的可选材料中选择,优选为绝缘体材料。在实际器件制备过程中,可以根据材料的得失电子能力进行合适的选择。
[0100]摩擦层的形状,可以根据传感单元中两个电极层的形状进行选择,优选的,摩擦层的形状和尺寸与第一电极层或第二电极层的形状和尺寸相同。摩擦层的下表面,可以通过物理或化学改性,使摩擦层的部分或全部下表面分布有微米或次微米量级的微结构,以增加摩擦层持有表面电荷的密度。
[0101]本实施例的传感器,可以应用在被探测物体20与传感器接触的表面为导体或者不规则表面,以及能够产生的互相接触的表面较小的情况,拓展了传感器的应用范围。
[0102]本实施例中,表面带有电荷的摩擦层与被探测物体组成整体的移动即为实施例一、二和四中带有电荷的被探测物体移动;所述被探测物体与摩擦层组成整体的电荷中心即为实施例一、二和四中被探测物体的电荷中心。
[0103]在本发明的技术启示下,本发明提供的传感器的各实施例可以互相引用。
[0104]本发明还提供一种基于静电感应的传感方法,该方法可通过上述任意一款传感器来实现,具体包括如下步骤:
[0105]提供分隔放置的第一电极层101和第二电极层102,并将两个电极层进行电连接
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