[發明專利]一種基于靜電感應的傳感器以及傳感方法

在審

• 申請號: 201310728507.4
• 申請日: 2013-12-25
• 公開（公告）號: CN104748769A
• 公開（公告）日: 2015-07-01
• 發明（設計）人: 王中林;王思泓;謝燕南;林龍;牛思淼
• 申請（專利權）人: 北京納米能源與系統研究所
• 主分類號: G01D5/14
• 分類號: G01D5/14
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 陳瀟瀟;肖冰濱

技術領域

本發明涉及傳感器領域，特別是適用于探測帶電或不帶電物體運動的基于靜電感應的傳感器以及傳感方法。

背景技術

在微電子和材料技術高速發展的今日，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出來，并在人們日常生活的各個領域展現出前所未有的應用前景。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，現有的傳感方法均需要為傳感器提供匹配的電源，來驅動傳感器工作。受到傳感器電源的限制，這些傳感方法的應用范圍較窄，不能夠適用在環境惡劣的條件下，也難以長期獨立工作；而且對于隨機出現的工作需求，也需要長時間為傳感器接通電源，不滿足節約能源的要求。

發明內容

（一）要解決的技術問題

本發明所要解決的技術問題是設計一種新型傳感器，無需提供電源，就可以對任何自身能夠產生摩擦靜電、已帶有電荷或通過粘附摩擦層而帶有靜電的物體的移動進行傳感。

（二）技術方案

為解決上述技術問題，本發明提出一種基于靜電感應的傳感器，應用在探測物體的移動方面。該傳感器的傳感單元由一個第一電極層和與之配合的一個第二電極層組成，兩個電極層分隔設置并且互相電連接。當帶電的被探測物體移動，使被探測物體的電荷中心相對于傳感單元的兩個電極層中的一個逐漸遠離而同時相對于另一個逐漸靠近，被探測物體所帶的電荷與兩個電極層之間的靜電感應使兩個電極層之間形成電荷流動。本發明的傳感器可以對自身帶電的被探測物體的移動進行傳感，也可以對于自身不帶電的被探測物體的移動進行傳感。對于自身不帶電的被探測物體，當其一個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動而相互摩擦時，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間保留，作為靜電感應源而在運動的作用下在兩個電極層之間感應產生電流。本發明的傳感器在工作時，帶電的被探測物體可以與傳感單元中的兩個電極層接觸也可以不接觸，在被探測物體移動時，被探測物體的電荷中心相對于傳感單元中的一個電極層遠離而另一個電極層靠近。被探測物體的電荷會通過靜電感應作用在兩個電極層之間造成電荷轉移以平衡電極之間的電勢差，而使得電極層間的感應電勢差發生周期性變化，驅動電極層間連接的外電路上產生電荷流動。這種傳感器結構簡單，能夠比較方便的調整傳感單元的兩個電極層之間的輸出電信號，例如可以控制兩個電極層的相對位置，以調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電極層上方轉移到另一個電極層上方的過程，可以帶動與傳感單元中等量（或近似等量）的電荷轉移。因此，這種結構的傳感器是一種十分高效的通過將機械能轉化為電能來實現感應的傳感器設計。

基于上述思路，本發明首先提供一基于靜電感應傳感器，包括傳感單元，所述傳感單元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置并且互相電連接；

當帶有電荷的被探測物體移動，使被探測物體的電荷中心相對于所述傳感單元的兩個電極層中的一個遠離而相對于另一個靠近，所述被探測物體與兩個電極層之間的靜電感應使所述第一電極層和第二電極層之間形成電荷流動。

優選的，所述第一電極層和第二電極層之間的分隔距離為0.1mm-5cm。

優選的，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。

優選的，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小于所述被探測物體從一個電極層移向另一個電極層的距離。

優選的，所述垂直間距小于5cm。

優選的，所述傳感單元與所述被探測物體接觸或滑動摩擦。

優選的，所述傳感單元與所述被探測物體發生接觸或滑動摩擦的表面進行物理或化學改性，使其表面部分或全部分布有微米或次微米量級的微結構。

優選的，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。

優選的，所述第一電極層和第二電極層的尺寸和形狀相同或不同。

優選的，所述第一電極層和第二電極層處于同一個平面或曲面上。

優選的，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。