[0039]摩擦層I的材料為介電材料，可以為柔性介電材料，優(yōu)選為聚酯樹脂、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物，或聚酰亞胺(PI)薄膜材料等等。此外，為了保證運動物4與摩擦層I發(fā)生摩擦起電效應(yīng)，運動物4與摩擦層I互相可以接觸部分的材料應(yīng)具有不同的摩擦電極序。
[0040]運動物4可以整體為導(dǎo)體，也可以部分為導(dǎo)體，部分為絕緣體，運動物的導(dǎo)體部分通過導(dǎo)線5與電極層3連接。運動物4的絕緣部分與摩擦層I互相接觸時，絕緣部分與摩擦層的材料不同。
[0041]鐵電層2位于摩擦層I與電極層3之間，由鐵電材料構(gòu)成，可以為柔性鐵電材料，優(yōu)選為聚合物，如聚偏氟乙烯及其相關(guān)的衍生物。鐵電材料具有自發(fā)電極性，因為其晶體結(jié)構(gòu)決定了其內(nèi)部形成有許多電耦極子。在圖1中，標(biāo)號21代表其內(nèi)部的電耦極子，箭頭方向表示電耦極子的極化方向，該圖1表示自發(fā)極化方向豎直向上。但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，圖1中的電耦極子21只是一種示意性的表示，實際的鐵電材料中，材料中各鐵電疇中的電耦極子的方向不盡一致，但從宏觀角度看，其可能表現(xiàn)為一致的極化方向。
[0042]圖2是本發(fā)明的基于摩擦起電的運動軌跡記憶裝置一種工作方式的原理圖。如圖2所示，所述摩擦層I與所述運動物體4之間的相對運動是沿二者的接觸面的滑動摩擦運動。
[0043]具體來說，運動物4從與所述摩擦層I不接觸的位置(左圖)移動至與摩擦層I接觸后在該摩擦層I的表面沿一條運動軌跡滑動(中圖)，并再次移動至不與摩擦層I接觸的位置(右圖)。由摩擦生電的原理，一種極性的電荷(例如正電荷)產(chǎn)生于運動物I的下表面，另一種極性的電荷(例如負(fù)電荷)積累于摩擦層I的上表面。由于摩擦層I由電介質(zhì)材料構(gòu)成，因此其表面形成的電荷不會隨著運動物4的移走而遷移消失。因此，為了平衡電場，運動物I的下表面的電荷會隨著電性連接線(即導(dǎo)線5)轉(zhuǎn)移到鐵電層2下部的電極層3，與所述摩擦層I的上表面的電荷形成垂直對應(yīng)關(guān)系，摩擦層I在運動物4的運動軌跡處將形成電荷堆積區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，沿鐵電層2的厚度方向會形成一個電場，在此稱為極化電場。該極化電場E會對鐵電層2的內(nèi)部的電偶極子進(jìn)行極化，當(dāng)該極化電場足夠大時，所述鐵電層2的位于與所述軌跡相對應(yīng)的區(qū)域的電偶極子的極化方向被所述極化電場改變，因此該極化可以被作為對滑動物體運動軌跡的一種記憶和存儲。
[0044]根據(jù)基本的介電材料內(nèi)部電場分布的規(guī)律，為了保證鐵電層2被反向極化，所述鐵電層2的鐵電材料應(yīng)滿足Ee < σ/ε，其中Ee為該鐵電材料的矯頑電場強度，σ為產(chǎn)生所述極化電場的電荷密度，ε為該鐵電材料的介電常數(shù)。
[0045]優(yōu)選地，鐵電層2的自發(fā)極化方向與極化電場相反，這樣，當(dāng)產(chǎn)生極化電場時，極化電場使得鐵電層2的極化方向被反轉(zhuǎn)。
[0046]優(yōu)選地，鐵電層2與摩擦層I均為薄膜，厚度均為I?100 μ m的范圍內(nèi)。由于摩擦層I為介電材料，因此二者通常狀態(tài)是絕緣的，因此可以相互貼合。優(yōu)選地，摩擦層I和鐵電層2的總厚度遠(yuǎn)小于運動物4的移動距離，以便進(jìn)行實際的軌跡記憶和傳感的應(yīng)用。
[0047]盡管電極層通常為導(dǎo)電的金屬或合金材料，但由于鐵電層2的材料可以選擇為具有較大的介電常數(shù)的材料，如聚偏氟乙烯及其衍生物，如P(VDF-TrFE)等等，同時這類鐵電材料都具有較高的電阻，因此，所述電極層3與所述鐵電層2之間可以相互絕緣，且它們可以相互貼合。所述電極層的厚度一般是幾百納米或一兩微米，本發(fā)明不限于具體的厚度。
[0048]當(dāng)摩擦層1、鐵電層2和電極層3均貼合時，即可得到一種具有結(jié)合緊密的器件，以便于軌跡記錄的進(jìn)一步應(yīng)用。
[0049]圖3是本發(fā)明的基于摩擦起電的運動軌跡記憶裝置另一種工作方式的原理圖。如圖3所示，該工作方式與圖2所示的不同之處在于，運動物4采取的是一種相對于摩擦層“遠(yuǎn)離一接觸一遠(yuǎn)離”的運動方式。也即，首先，運動物4從遠(yuǎn)離摩擦層I的位置移動至與摩擦層I接觸，接著又從接觸位置遠(yuǎn)離所述摩擦層I。其工作原理與圖2所示的方式類似，只不過，當(dāng)運動物4從接觸位置(中圖)向上移走時，摩擦層I的上表面只在接觸位置處保留電荷。這樣，鐵電層2的位于與所述接觸位置相對應(yīng)的區(qū)域的電偶極子的極化方向可以被所述極化電場改變。以此方式，可以對運動物的運動進(jìn)行點式記憶和存儲。
[0050]以上兩種工作方式均可以對運動物的運動軌跡(線形或點形)進(jìn)行記憶。當(dāng)讀取該運動軌跡時，則可以通過測量鐵電層的極化方向的變化來進(jìn)行讀取。例如，可通過掃描探針顯微鏡或Kavin Probe技術(shù)，對鐵電層2的薄膜表面(下表面)進(jìn)行掃描，分辨出不同位置的極化密度(面電荷密度)，在運動軌跡相對應(yīng)的位置，面電荷密度會大幅提高，可以分辨出物體的運動軌跡。當(dāng)然，也可以用更簡單的位移電流側(cè)量方法，將外加電極加裝到摩擦層I和鐵電層2的上下表面，對鐵電層2的進(jìn)行測量，通過觀察電流峰值的變化，得到極化密度的分析。
[0051]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0052]圖4是本發(fā)明的一個實施例的運動軌跡記憶裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，該實施例的裝置包括依次貼合的摩擦層1、鐵電層2和電極層3。三者貼合后形成一個方形的薄膜器件。摩擦層I的材料是聚酯樹脂、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物，或聚酰亞胺薄膜材料等等，在摩擦層I的一個表面上(圖4中為其下表面)，通過甩膠、蒸鍍或直接粘接的方法，附著一層作為鐵電層2的薄膜材料，在該實施例中為聚氟乙烯。
[0053]鐵電層2薄膜初始極化方向與摩擦所產(chǎn)生的電場方向相反，這樣摩擦起電后產(chǎn)生的極化電場可以將鐵電層2薄膜進(jìn)行反向極化。也就是說，鐵電層2的初始極化方向是自下而上的豎直方向。
[0054]摩擦層I的厚度為幾微米至幾十微米，鐵電層2的厚度也為幾微米至幾十微米。在鐵電層2的另一表面(下表面)上則通過蒸鍍或磁控濺射或化學(xué)沉積的方法附著一層導(dǎo)電層(優(yōu)選為金屬)作為電極層3，其厚度為300納米左右。
[0055]通過導(dǎo)線將所述電極層3與一個運動物4連接。該運動物4在此為一個由導(dǎo)電(優(yōu)選金屬)材料構(gòu)成的圓柱體，外徑為lcm，厚度為0.5cm。(在其他實施例中，也可以根據(jù)需要選擇其他的合適尺寸，只要保證該運動物4的尺寸遠(yuǎn)小于其運動軌跡所在的平面尺寸)該運動物4可以在摩擦層I的上表面上滑動，也可以進(jìn)行上下運動并接觸摩擦層I的上表面。無論以哪一種運動方式，在鐵電層2的與運動軌跡(包括點接觸位置)相垂直對應(yīng)的位置處的極化方向被反轉(zhuǎn)，由此達(dá)到記憶運動軌跡的目的。
[0056]圖5是本發(fā)明的另一個實施例的運動軌跡記憶裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，該實施例與圖4的實施例不同的是，該實施例的運動物為與一個平板結(jié)構(gòu)，且其與摩擦層
1、鐵電層2和電極層3三者貼合后形成的方形薄膜器件的面積相當(dāng)，并且其大小和形狀與摩擦層I的大小和形狀相同。在初始狀態(tài)時，該運動物4與摩擦層I完全重合。在工作過程中，該運動物4沿著方形摩擦層I的一條側(cè)邊向一側(cè)滑動(如圖5中的箭頭方向)，滑動距離為S，由此，在該運動物4的運動方向的反向側(cè)形成與摩擦層S的錯位區(qū)域，該區(qū)域沿運動方向的長度也為S，如圖5所示。
[0057]根據(jù)上述工作原理，此時的運動軌跡是一個面軌跡，即在所述錯位區(qū)域所在的位置，這樣，與錯位區(qū)域所對應(yīng)的鐵電層的相應(yīng)垂直位置的極化方向被反轉(zhuǎn)。通過測量極化方向的變化，還可以得到所述運動物4向一側(cè)的運動距離S。