基于靜電感應(yīng)的傳感器和傳感方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傳感器，特別是涉及利用靜電感應(yīng)對物體的移動進行探測的傳感器和傳感方法。
【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€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微型傳感器提供匹配的電源，來驅(qū)動傳感器工作。一般說來，這些微型傳感器的電源都是直接或者間接來自于電池，電池不僅體積較大、質(zhì)量較重，而且含有的有毒化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境和人體存在潛在的危害。受到傳感器電源的這些限制，相應(yīng)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，也難以長期獨立工作；而且對于隨機出現(xiàn)的工作需求，也需要長時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]本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單的基于靜電感應(yīng)的傳感器，無需設(shè)置電源，利用靜電感應(yīng)原理，能夠自主的感應(yīng)物體的移動。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于靜電感應(yīng)的傳感器，包括用于對被探測物體的移動進行傳感的傳感部件，
[0005]所述傳感部件由一個第一電極層和與之配合的一個第二電極層組成，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；
[0006]當(dāng)所述被探測物體相對所述傳感部件的第一電極層移動，使所述被探測物體所帶的電荷在所述第一電極層上的電勢改變，在靜電感應(yīng)作用下電荷在第一電極層和第二電極層之間流動形成電流；
[0007]其中，所述被探測物體預(yù)先帶有電荷，或者，通過與傳感器接觸和分離使所述被探測物體帶有電荷。
[0008]優(yōu)選的，所述被探測物體通過與所述第一電極層接觸后分離或者互相滑動摩擦使接觸面積發(fā)生變化而帶有電荷。
[0009]優(yōu)選的，所述第一電極層能夠與被探測物體互相接觸的表面的形狀和尺寸相當(dāng)。
[0010]優(yōu)選的，所述傳感部件的第一電極層與被探測物體互相滑動的表面為光滑平整表面，或者為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面。
[0011]優(yōu)選的，所述第一電極層表面的凹凸結(jié)構(gòu)為周期性凹凸結(jié)構(gòu)。
[0012]優(yōu)選的，所述第一電極層能夠與被探測物體接觸的表面的部分或者全部表面分布有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)；或者，所述第一電極層能夠與被探測物體接觸的表面經(jīng)過化學(xué)改性處理。
[0013]優(yōu)選的，還包括摩擦層，所述傳感部件的第一電極層貼合在所述摩擦層的下表面；
[0014]其中，所述被探測物體預(yù)先帶有電荷，或者，通過與所述摩擦層接觸后分離或者互相滑動摩擦使接觸面積發(fā)生變化而帶有電荷。
[0015]優(yōu)選的，所述摩擦層的材料為絕緣材料或者半導(dǎo)體；所述摩擦層的厚度范圍在1nm到5_之間。
[0016]優(yōu)選的，所述摩擦層與所述被探測物體能夠互相接觸的表面的形狀和尺寸相當(dāng)。
[0017]優(yōu)選的，所述摩擦層與被探測物體互相滑動的表面為光滑平整表面，或者為凹凸結(jié)構(gòu)的不平整表面。
[0018]優(yōu)選的，所述摩擦層能夠與被探測物體接觸的表面的部分或者全部表面分布有微米或次微米量級的微結(jié)構(gòu)；或者，所述摩擦層能夠與被探測物體接觸的表面經(jīng)過化學(xué)改性處理。。
[0019]優(yōu)選的，所述被探測物體不與所述傳感部件接觸，所述被探測物體為帶電物體。
[0020]優(yōu)選的，還包括隔離層，所述隔離層用于隔離所述傳感部件的第一電極層以及第二電極層，使二者隔離開并且保持設(shè)定的相對位置。
[0021]優(yōu)選的，所述隔離層的材料為絕緣體材料。
[0022]優(yōu)選的，所述傳感部件的第一電極層和第二電極層均鑲嵌在所述隔離層中，至少第一電極層的上表面露出所述隔離層；
[0023]或者，所述隔離層將所述第一電極層和/或第二電極層全部包裹住；
[0024]或者，所述隔離層和所述傳感部件的兩個電極層按照層疊方式設(shè)置，傳感部件的第一電極層和第二電極層分別設(shè)置在隔離層的上下表面。
[0025]優(yōu)選的，所述絕緣材料可以為下列材料中的一種或幾種:聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纖維、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、酚醛樹脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-Co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸鹽，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚三氟氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、派瑞林、羊毛及其織物、蠶絲及其織物、紙、棉及其織物、聚氨酯彈性體、木頭、硬橡膠和醋酸酯。
[0026]優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體材料為下列材料中的一種或幾種:硅、鍺、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物、以及由II1- V族化合物和I1- VI族化合物組成的固溶體、非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機半導(dǎo)體，以及非導(dǎo)電性氧化物、半導(dǎo)體氧化物和復(fù)雜氧化物半導(dǎo)體。
[0027]優(yōu)選的，所述第一電極層和第二電極層的材料為金屬或銦錫氧化物ΙΤ0、FTO或?qū)щ姼叻肿硬牧稀?br>[0028]優(yōu)選的，所述第一電極層和/或第二電極層為柔性材料。
[0029]優(yōu)選的，所述第一電極層、第二電極層和/或摩擦層為柔性材料。
[0030]優(yōu)選的，所述隔離層為柔性材料。
[0031 ] 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，應(yīng)用上述任一項所述的傳感器，包括步驟:
[0032]所述被探測物體相對于第一電極層移動，使被探測物體所帶的電荷在第一電極層上的電勢改變；在所述第一電極層與第二電極層之間產(chǎn)生電荷流動形成電流。
[0033]優(yōu)選的，所述被探測物體相對于第一電極層移動，具體為被探測物體與第一電極層的表面發(fā)生接觸后分離，使被探測物體帶有電荷；
[0034]或者，所述被探測物體相對于第一電極層移動，具體為被探測物體與第一電極層的表面互相滑動摩擦，并且在滑動過程中使接觸面積發(fā)生變化，使被探測物體表面帶有的電荷；
[0035]或者，所述被探測物體相對于第一電極層移動，具體為被探測物體相對于第一電極層移動，并且始終不與第一電極層接觸，所述被探測物體自身帶有電荷。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列有益效果:
[0037]1、本發(fā)明提供的傳感器中，被探測物體與傳感部件的第一電極層或者附著在第一電極層上的摩擦層的表面互相接觸摩擦或者是滑動摩擦，使被探測物體表面帶有電荷，然后在被探測物體相對于第一電極層或者摩擦層的接觸分離或者滑動摩擦兩種相對運動模式下，使得被探測物體帶有的電荷在第一電極層上的電勢發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感部件的兩個電極層之間有電荷流動，形成電流?；蛘?，被探測物體本身帶有電荷，不需要與傳感部件中任何部分接觸而與第一電極層的相對位置發(fā)生變化，也可以在靜電感應(yīng)作用下，導(dǎo)致傳感部件的兩個電極層之間有電荷流動，形成電流。因此，在被探測物體相對于第一電極層或者摩擦層運動時，傳感部件的兩個電極層不需要跟隨被探測運動，兩個電極層之間的距離或相對位置可以根據(jù)外電路連接的便利性或者工作環(huán)境等條件進行方便的設(shè)置，本發(fā)明的傳感器使用范圍廣泛，克服了現(xiàn)有技術(shù)中需要為傳感器提供外接電源的缺點，特別對于不方便經(jīng)常更換電池的情況，本發(fā)明的傳感器可以長時間的穩(wěn)定工作。
[0038]2、被探測物體可以為半導(dǎo)體、絕緣體，甚至導(dǎo)體，只要被探測物體與傳感部件接觸的表面，例如第一電極層或者摩擦層，存在材料表面的得失電子能力差異，在被探測物體與傳感部件接觸后分離或者相對滑動摩擦?xí)r，傳感器即可對被探測物體的移動進行傳感。對于自身帶有電荷的被探測物體，只要被探測物體帶有的電荷對傳感部件第一電極層的電勢發(fā)生變化，傳感器就可以對其移動進行傳感。因此，本發(fā)明提供的傳感器的應(yīng)用范圍廣，可以適應(yīng)不同材料的被探測物體。
[0039]3、在傳感器的第一電極層上設(shè)置摩擦層，在傳感過程中第一電極層不與被探測物體直接接觸和互相滑動，避免了傳感部件中電極層的磨損，極大的提高了傳感器的使用耐久性。
[0040]4、可以在傳感器中包括隔離層，將薄層狀的兩個電極層分別設(shè)置在隔離層的上下表面，這種多層結(jié)構(gòu)不僅可以使傳感器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且可以易于與與其他器件集成。
【附圖說明】
[0041]通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。另外，雖然本申請?zhí)峁┌囟ㄖ档膮?shù)的示范，但參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，所有實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0042]圖1為基于靜電感應(yīng)的傳感器實施例一的典型結(jié)構(gòu)TJK意圖；
[0043]圖2為被探測物體與實施例一的傳感器接觸分離進行傳感的示意圖；
[0044]圖3為被探測物體與實施例一的傳感器滑動摩擦進行傳感的示意圖；
[0045]圖4為本發(fā)明傳感器實施例一中第一電極層與被探測物體接觸表面為凹凸不平結(jié)構(gòu)的TJK意圖；
[0046]圖5為被探測物體與實施例一的傳感器不接觸，其電荷中心與傳感器的距離改變進行傳感的示意圖；
[0047]圖6為本發(fā)明傳感器實施例二的結(jié)構(gòu)和進行傳感的示意圖；
[0048]圖7和圖8為本發(fā)明傳感器包括隔離層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖9為本發(fā)明的傳感器為層狀結(jié)構(gòu)示意圖；以及
[0050]圖10為一個具體傳感器的工作時檢測到的輸出電壓圖譜。
【具體實施方式】
[0051]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?