一種基于靜電感應(yīng)的傳感器以及傳感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，特別是適用于探測帶電或不帶電物體運(yùn)動(dòng)的基于靜電感應(yīng)的傳感器以及傳感方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在微電子和材料技術(shù)高速發(fā)展的今日，大量新型具有多種功能和高度集成化的微型電子器件不斷被開發(fā)出來，并在人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出前所未有的應(yīng)用前景。盡管，對于帶電或不帶電物體移動(dòng)的傳感有多種方法，例如激光傳感等傳感方法，現(xiàn)有的傳感方法均需要為傳感器提供匹配的電源，來驅(qū)動(dòng)傳感器工作。受到傳感器電源的限制，這些傳感方法的應(yīng)用范圍較窄，不能夠適用在環(huán)境惡劣的條件下，也難以長期獨(dú)立工作；而且對于隨機(jī)出現(xiàn)的工作需求，也需要長時(shí)間為傳感器接通電源，不滿足節(jié)約能源的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003](一)要解決的技術(shù)問題
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計(jì)一種新型傳感器，無需提供電源，就可以對任何自身能夠產(chǎn)生摩擦靜電、已帶有電荷或通過粘附摩擦層而帶有靜電的物體的移動(dòng)進(jìn)行傳感。
[0005](二)技術(shù)方案
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于靜電感應(yīng)的傳感器，應(yīng)用在探測物體的移動(dòng)方面。該傳感器的傳感單元由一個(gè)第一電極層和與之配合的一個(gè)第二電極層組成，兩個(gè)電極層分隔設(shè)置并且互相電連接。當(dāng)帶電的被探測物體移動(dòng)，使被探測物體的電荷中心相對于傳感單元的兩個(gè)電極層中的一個(gè)逐漸遠(yuǎn)離而同時(shí)相對于另一個(gè)逐漸靠近，被探測物體所帶的電荷與兩個(gè)電極層之間的靜電感應(yīng)使兩個(gè)電極層之間形成電荷流動(dòng)。本發(fā)明的傳感器可以對自身帶電的被探測物體的移動(dòng)進(jìn)行傳感，也可以對于自身不帶電的被探測物體的移動(dòng)進(jìn)行傳感。對于自身不帶電的被探測物體，當(dāng)其一個(gè)絕緣表面與傳感器的傳感單元中電極層的表面互相接觸并隨著運(yùn)動(dòng)而相互摩擦?xí)r，由于二者表面的得失電子能力不同，在二者表面分別形成等量異號的摩擦電荷，二者分離后，該物體絕緣表面的電荷能夠較長時(shí)間保留，作為靜電感應(yīng)源而在運(yùn)動(dòng)的作用下在兩個(gè)電極層之間感應(yīng)產(chǎn)生電流。本發(fā)明的傳感器在工作時(shí)，帶電的被探測物體可以與傳感單元中的兩個(gè)電極層接觸也可以不接觸，在被探測物體移動(dòng)時(shí)，被探測物體的電荷中心相對于傳感單元中的一個(gè)電極層遠(yuǎn)離而另一個(gè)電極層靠近。被探測物體的電荷會(huì)通過靜電感應(yīng)作用在兩個(gè)電極層之間造成電荷轉(zhuǎn)移以平衡電極之間的電勢差，而使得電極層間的感應(yīng)電勢差發(fā)生周期性變化，驅(qū)動(dòng)電極層間連接的外電路上產(chǎn)生電荷流動(dòng)。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，能夠比較方便的調(diào)整傳感單元的兩個(gè)電極層之間的輸出電信號，例如可以控制兩個(gè)電極層的相對位置，以調(diào)整二者之間的等效電容量。此外，帶電的被探測物體每一次從一個(gè)電極層上方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極層上方的過程，可以帶動(dòng)與傳感單元中等量(或近似等量)的電荷轉(zhuǎn)移。因此，這種結(jié)構(gòu)的傳感器是一種十分高效的通過將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能來實(shí)現(xiàn)感應(yīng)的傳感器設(shè)計(jì)。
[0007]基于上述思路，本發(fā)明首先提供一基于靜電感應(yīng)傳感器，包括傳感單元，所述傳感單元由一個(gè)第一電極層和與之配合的一個(gè)第二電極層組成，所述第一電極層和第二電極層分隔設(shè)置并且互相電連接；
[0008]當(dāng)帶有電荷的被探測物體移動(dòng)，使被探測物體的電荷中心相對于所述傳感單元的兩個(gè)電極層中的一個(gè)遠(yuǎn)離而相對于另一個(gè)靠近，所述被探測物體與兩個(gè)電極層之間的靜電感應(yīng)使所述第一電極層和第二電極層之間形成電荷流動(dòng)。
[0009]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層之間的分隔距離為0.lmm-5cm。
[0010]優(yōu)選的，所述第一電極層和/或第二電極層不與所述被探測物體接觸。
[0011]優(yōu)選的，所述被探測物體的帶電表面與所靠近的電極層表面之間的垂直間距遠(yuǎn)小于所述被探測物體從一個(gè)電極層移向另一個(gè)電極層的距離。
[0012]優(yōu)選的，所述垂直間距小于5cm。
[0013]優(yōu)選的，所述傳感單元與所述被探測物體接觸或滑動(dòng)摩擦。
[0014]優(yōu)選的，所述傳感單元與所述被探測物體發(fā)生接觸或滑動(dòng)摩擦的表面進(jìn)行物理或化學(xué)改性，使其表面部分或全部分布有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)。
[0015]優(yōu)選的，所述第一電極層與被探測物體接觸或靠近的表面，和第二電極層202與被探測物體接觸或靠近的表面形狀和尺寸相同。
[0016]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層的尺寸和形狀相同或不同。
[0017]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層處于同一個(gè)平面或曲面上。
[0018]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層之間的空隙中填有填充介質(zhì)。
[0019]優(yōu)選的，所述填充介質(zhì)為下列材料中的一種或者幾種:聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡膠、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚雙酹A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚(2，6-二甲基聚亞苯基氧化物)、不導(dǎo)電的液體、不導(dǎo)電的氣體和真空。
[0020]優(yōu)選的，還包括隔離層，所述第一電極層和/或第二電極層的上表面貼合在所述隔離層的背面，被探測物體的帶電表面依次向背面貼合有第一電極層的隔離層的部分上表面、以及背面貼合有第二電極層的隔離層的部分上表面靠近或者接觸。
[0021]優(yōu)選的，所述隔離層為絕緣材料。
[0022]優(yōu)選的，所述隔離層為分立結(jié)構(gòu)或一體結(jié)構(gòu)。
[0023]優(yōu)選的，所述隔離層完全覆蓋第一電極層和第二電極層的上表面。
[0024]優(yōu)選的，所述隔離層的上表面全部或部分設(shè)置有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)
[0025]優(yōu)選的，所述第一電極層為圖形化電極層；和/或，所述第二電極層為圖形化電極層。
[0026]優(yōu)選的，所述圖形化的第一電極層與第二電極層為互補(bǔ)圖形。
[0027]優(yōu)選的，所述圖形化為周期性結(jié)構(gòu)，或者為中心對稱結(jié)構(gòu)。
[0028]優(yōu)選的，所述周期性結(jié)構(gòu)的重復(fù)單元的尺寸和形狀相同。
[0029]優(yōu)選的,包括2個(gè)或2個(gè)以上所述傳感單元。
[0030]優(yōu)選的，2個(gè)或2個(gè)以上所述傳感單元并聯(lián)或串聯(lián)。
[0031]優(yōu)選的，多個(gè)傳感單元的相對位置與所述被探測物體的移動(dòng)軌跡相匹配。
[0032]優(yōu)選的，還包括摩擦層，所述摩擦層固定在所述被探測物體的表面，當(dāng)所述被探測物體帶動(dòng)所述摩擦層的表面與傳感單元中的電極層表面接觸/滑動(dòng)時(shí)，使得摩擦層的表面帶有電荷并且跟隨被探測物體同步運(yùn)動(dòng)；
[0033]所述帶有電荷的被探測物體移動(dòng)，具體為，所述摩擦層與所述被探測物體組成的整體移動(dòng)；所述被探測物體的電荷中心，具體為，所述被探測物體與摩擦層組成整體的電荷中心。
[0034]優(yōu)選的,所述摩擦層的材料為絕緣體或者半導(dǎo)體。
[0035]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層具有周期性結(jié)構(gòu)，所述摩擦層具有周期性結(jié)構(gòu)，并且所述摩擦層的周期單元與所述第一電極層和/或第二電極層的周期單元的尺寸和形狀均相同。
[0036]優(yōu)選的，所述摩擦層的需要通過摩擦帶電的表面部分或全部分布有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種基于靜電感應(yīng)的傳感方法，包括如下步驟:提供分隔放置的第一電極層和第二電極層，并將兩個(gè)電極層進(jìn)行電連接；帶電的被探測物體移動(dòng)，使電荷中心相對于兩個(gè)電極層中的一個(gè)遠(yuǎn)離而相對于另一個(gè)靠近；被探測物體與兩個(gè)電極層之間的靜電感應(yīng)使所述第一電極層和第二電極層之間形成電荷流動(dòng)。
[0037]優(yōu)選的，被探測物體通過與第一電極層或第二電極層接觸摩擦后再分離所帶有電荷。
[0038](三)有益效果
[0039]本發(fā)明提供的基于靜電感應(yīng)傳感器，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且不需要為傳感單元接入電源，就可以實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)的傳感。特別適用在物聯(lián)網(wǎng)傳感、安全監(jiān)測等方面的傳感應(yīng)用。
[0040]此外，帶電的被探測物體可以不與傳感單元進(jìn)行接觸，進(jìn)行被探測物體移動(dòng)的傳感。在這種情況下，傳感器的輸出信號不會(huì)受到明顯影響，而且被探測物體的移動(dòng)不會(huì)對傳感單元產(chǎn)生磨損，有利于傳感器的長時(shí)間使用以及性能的穩(wěn)定，同時(shí)傳感的過程不會(huì)依賴于被測運(yùn)動(dòng)在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的高度波動(dòng)。
【附圖說明】
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