CN103791927B - 自驱动位移和速度传感方法、传感器和传感器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自驱动位移与速度传感方法、传感器以及传感器的制备方法。传感器包括两个相对滑动的部件，各部件均包括基底、栅格结构、导电层以及摩擦层。工作时，被测物体与其中一个部件固定，两个部件在摩擦层接触，表面由于接触起电效应发生电荷转移，被测物体的位移带动两摩擦层发生相对位移致使周围电场发生变化，两个导电层之间产生电势差并且周期性变化。通过测量导电层之间电压变化的周期数和实时电压值，被测物体的位移可以被精确测量。另外，通过测量两个导电层之间的短路电流，器件还可以探测被测物体的速度。本发明不需要电源驱动，因此实现了无功耗、大范围、高可靠性的高精度位移与速度传感。

Description

自驱动位移和速度传感方法、传感器和传感器的制作方法

技术领域

本发明涉及一种自驱动位移和速度传感方法，以及相应的传感器和传感器的制作方法，特别涉及一种无源驱动的，可将一维机械运动转化为电子信号并精确测量其位移和速度的传感方法，传感器以及该传感器的制备方法。

背景技术

位移与速度传感器在当今各个工业与研究领域都有广泛应用。当今机械电子器件无线、便携化的发展方向要求降低系统各个部件的功耗，因此发展低功耗或自驱动的位移与速度传感方法对于整个产业的发展具有重要意义。

目前位移与速度传感技术主要集中在电容传感、静电感应、电磁感应、激光干涉和线性电阻技术。但这些技术都需要外置电源提供预设信号，通过测量预设信号的变化来测量位移或速度。因此，基于这些技术的设计无法避免器件的静态功耗，使得降低功耗的途径受到限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种自驱动的位移与速度传感方法、相应的传感器和传感器的制作方法以实现无源驱动下对于一维位移或速度的高精度测量。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明的一个方面提出一种位移传感方法，用于测量被测物体在指定方向上的相对位移，该方法包括如下步骤：将一个传感器固定在所述被测物体上，所述传感器包括两个相互贴合且能够在所述指定方向上相对滑动的第一部件和第二部件，该被测物体与所述第一部件和第二部件的其中之一固定连接，所述第一部件和第二部件的摩擦面相互接触，使两个摩擦层表面由于接触起电效应发生电荷转移，使得两个摩擦面各自带极性相反的电荷；使所述被测物体带动所述第一部件或第二部件在所述指定方向上相对于另一部件发生相对位移，并且在相对位移的过程中，第一部件和第二部件相互接触的滑动摩擦面的面积发生周期性变化，由此在第一部件或第二部件之中产生周期性变化的电场；根据所述第一部件或第二部件之间由所述周期性变化电场产生的电压或电流的波形，获得所述第一部件或第二部件在所述指定方向上的相对位移，即为所述被测物体相对于其中一个部件在所述指定方向上的位移。

在一种实施方式中，所述第一部件和第二部件的发生滑动摩擦的表面在所述指定方向上呈现栅格形状，所述栅格形状是指周期性的凸起和凹陷的形状。

在一种实施方式中，所述第一部件和第二部件的发生滑动摩擦的表面的栅格形状具有相同的周期。

在一种实施方式中，所述栅格形状的一个周期的凸起部分在所述指定方向上的长度与凹陷部分的该指定方向上的长度相等。

在一种实施方式中，当所述第一部件和第二部件的栅格形状的周期为P，在所述相对滑动过程中产生的所述电压或电流的周期数为N时，被测物体的位移L通过如下公式计算获得：L=N×P。

在一种实施方式中，当所述第一部件和第二部件的栅格形状的周期为P，在所述相对滑动过程中产生的所述电压的周期数为N时，被测物体的位移L通过如下公式计算获得：L=N×P+l(V，V_A)，其中V为当前电压值，V_A为所述电压信号的最大幅值，l(V，V_A)表示当前电压值V对应的两个栅格凸起部分在一个周期内的相对位移。

在一种实施方式中，所述第一部件和第二部件的栅格形状的凸起部分不是镜像对称的，所述镜像对称指的是关于垂直于所述两个部件发生相对位移的方向的平面是镜像对称的，所述方法还包括：根据一个周期内电荷随位移的变化波形可以获得所述相对位移的方向。

本发明的另一方面提出一种速度传感方法，用于测量被测物体在指定方向上的运动速度，该方法包括如下步骤：将一个传感器固定在所述被测物体上，所述传感器包括两个相互贴合且能够在所述指定方向上相对滑动的第一部件和第二部件，该被测物体与所述第一部件和第二部件的其中之一固定连接；，所述第一部件和第二部件的摩擦面相互接触，使两个摩擦层表面由于接触起电效应发生电荷转移，使得两个摩擦面各自带极性相反的电荷；使所述被测物体带动所述第一部件或第二部件在所述指定方向上相对于另一部件发生滑动摩擦并产生相对位移，并且在相对位移的过程中，第一部件和第二部件相互接触的滑动摩擦面的面积发生周期性变化，由此在第一部件或第二部件之中产生极性相反且量值呈周期性变化的感应电荷；根据所述第一部件或第二部件之间由所述周期性变化的感应电荷产生的电流，获得所述第一部件或第二部件在所述指定方向上的速度，即为所述被测物体相对于其中一个部件在所述指定方向上的速度。

在一种实施方式中，所述第一部件和第二部件的发生滑动摩擦的表面在所述指定方向上呈现栅格形状，所述栅格形状是指周期性的凸起和凹陷的形状。

在一种实施方式中，所述第一部件和第二部件的发生滑动摩擦的表面的栅格形状具有相同的周期。

在一种实施方式中，所述栅格形状的一个周期的凸起部分在所述指定方向上的长度与凹陷部分的该指定方向上的长度相等。

在一种实施方式中，所述方法还包括：对传感器的速度电流比进行标定，并根据标定的速度电流比和当前测得的电流来计算所述被测物体的速度。

根据本发明第三方面，提出一种自驱动位移与速度传感器，用于检测被测物体在指定方向上的相对位移和速度，该传感器包括两个相互贴合且能够在所述指定方向上相对滑动的第一部件和第二部件，所述第一部件和第二部件的其中之一固定连接所述被测物体；所述第一部件或第二部件能够被所述被测物体带动而在所述指定方向上相对于另一部件发生滑动摩擦并产生相对位移，并且在相对位移的过程中，第一部件和第二部件相互接触的滑动摩擦面的面积发生周期性变化，由此在第一部件或第二部件之中产生极性相反且量值呈周期性变化的感应电荷；其中，根据所述周期性变化的感应电荷产生的电压或电流的大小或波形，可以计算在所述指定方向上的相对位移或速度。

在一种实施方式中，所述第一部件包括第一基底，在所述第一基底的一侧形成有第一栅格结构，在所述第一栅格结构上依次形成第一导电层和第一摩擦层；所述第二部件包括第二基底，在所述第二基底的一侧形成有第二栅格结构，在所述第二栅格结构上依次形成第二导电层和第二摩擦层；所述第一部件的第一摩擦层和第二部件的第二摩擦层相互贴合且能够在所述指定方向上相对滑动；所述第一栅格结构与第二栅格结构是一种在指定方向上具有栅格形状的结构，由此在各栅格结构上的各导电层和各摩擦层也呈现同周期的栅格形状，所述栅格形状是指周期性的凸起和凹陷的形状。

在一种实施方式中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的发生滑动摩擦的表面的栅格形状具有相同的周期。

在一种实施方式中，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的栅格形状一个周期的凸起部分在所述指定方向上的长度与凹陷部分的该指定方向上的长度相等。

在一种实施方式中，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层的材料选自高分子聚合物、导电性氧化物和复杂氧化物。

在一种实施方式中，所述高分子聚合物包括聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。

在一种实施方式中，所述导电性氧化物和复杂氧化物包括：锰、铬、铁、铜的氧化物以及氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

在一种实施方式中，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层的材料选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯、派瑞林、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银和钢。

本发明的第四方面提出一种制造自驱动位移与速度传感器的方法，所述传感器用于检测被测物体在指定方向上的相对位移和速度，其特征在于：所述方法包括制作第一部件和第二部件，并使所述第一部件和第二部件相互贴合且能够在所述指定方向上相对滑动；制作第一部件的步骤包括：在第一基底)的一侧形成第一栅格结构，在所述第一栅格结构上依次形成第一导电层和第一摩擦层；制作第二部件的步骤包括：在第二基底的一侧形成第二栅格结构，在所述第二栅格结构上依次形成第二导电层和第二摩擦层；所述第一栅格结构与第二栅格结构是一种在指定方向上具有栅格形状的结构。

在一种实施方式中，所述栅格形状的凸出和凹陷部分的高度差别的范围是1纳米至100毫米。

在一种实施方式中，所述第一栅格结构与第二栅格结构分别能过刻蚀第一基底和第二基底形成。

在一种实施方式中，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层的材料选自高分子聚合物、导电性氧化物和复杂氧化物。

在一种实施方式中，所述高分子聚合物包括聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。

在一种实施方式中，所述导电性氧化物和复杂氧化物包括：锰、铬、铁、铜的氧化物以及氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

在一种实施方式中，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层的材料选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯、派瑞林、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银和钢。

(三)有益效果

本发明把被测物体的位移或速度直接转化为电压或电流信号传入后端信号处理与采集电路，实现零功耗的传感过程。与现有技术相比，本发明提供的自驱动的位移与速度传感方法具有下列优点：

1、本发明的自驱动位移与速度传感方法对应的传感器的基本结构中包括两个互相滑动摩擦的部件，通过被测物体接触和摩擦时引发的接触或摩擦起电，通过栅格形状将电荷区分开，背后的导电层进行静电感应。移动时，导电层的静电感应发生周期性变化，从而产生周期性的电压或电流信号。这一传感过程不需要外接电源驱动，实现了零功耗传感过程；而现有的其他技术如电容位移传感、电阻式位移传感、电磁感应式以及激光干涉式传感均需要电源驱动。

2、本发明通过栅格形状设计，一维位移信号被转化为周期性变化的电子信号，通过记录信号的周期数和大小，可以计算出位移的大小。通过此方法，与现有的电容传感、电阻传感技术相比，位移传感的有效范围不再受到限制，精度却可以通过减小栅格的周期得到提高。

3、与现有的激光干涉位移传感方法相比，本发明实现上只需要两个平面栅格结构，结构简单，可适用范围很广。

4、本发明的传感器的制备方法包括制备一维栅格结构、沉积导电层和摩擦层，传感器结构简单，可实现低成本生产。

5、本发明在很多工业与研究领域可望替代现有的电容位移传感技术、激光干涉位移传感技术、电阻传感技术，以实现低功耗高分辨的位移测量。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是本发明的自驱动位移与速度传感器的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的自驱动位移与速度传感器的一个实施例的工作原理示意图；

图3A和图3B分别显示了呈镜像对称和不呈镜像对称的栅格形状的基本单元的示意图；

图4A是本发明的一个实施例的传感器在被测物体匀速移动时，电流和电压随被测物体的位置的变化图；图4B是本发明的一个实施例的传感器在被测物体匀速移动时，感应电荷随被测物体的位置的变化图。

图5显示了本发明的一个实施例的自驱动位移与速度传感器的速度传感输出电流信号；

图6A是本发明的一个实施例的传感器在被测物体正向和反向匀速移动时，摩擦接触面积随被测物体的位置的变化图；图6B是本发明的一个实施例的传感器在被测物体正向和反向匀速移动时，输出端口间感应电荷转移量随被测物体的位置的变化图；

图7显示了本发明的一个实施例的自驱动位移与速度传感器测量匀速运动的位移时输出的开路电压信号(a)、转换得到的位移测量值与实际位移的对比(b)和测量变速运动的位移时输出的短路电流信号(c)、转换得到的位移测量值与实际位移的对比(d)；

图8显示了本发明的一个实施例的自驱动位移与速度传感器测量步进微小位移时输出的开路电压信号。

具体实施方式

本发明提出的是一种基于摩擦静电原理的新的位移和速度传感方法，该方法不需要外部能源的驱动，可用于测量物体在指定方向上的相对位移和速度。在测量时，首先将一个传感器固定在所述被测物体上，所述传感器包括两个相互贴合且能够在所述指定方向上相对滑动的第一部件和第二部件。当然地，该被测物体与所述第一部件和第二部件的其中之一固定连接。

本发明的第一部件和第二部件在其相互接触的面上，通过设置有不同摩擦电极序的材料等手段，当二者发生接触时，两个部件表面会产生极性相反的“接触电荷”。被测物体带动其中一部件在所述指定方向上相对于另一部件发生滑动产生相对位移时两个相互接触的滑动摩擦面的面积发生周期性变化，由此在两个部件之中产生的发生周期性变化的感应电场呈。测量两个部件导电层之间的电压或电流(也呈周期性变化)的大小或波形，可获得两个部件在被测的指定方向上的相对位移和速度，即得到所述被测物体的相对位移和速度。

为了使两个部件之间相互接触的滑动摩擦面的面积发生周期性变化，本发明提出在滑动摩擦面上设置一种栅格形状，栅格形状即为周期性的凸起和凹陷的形状。栅格形状的相邻的一个凸起部分和一个凹陷部分构成一个基本单元。两个部件的滑动摩擦面的栅格形状可以具有不同的周期，但优选为具有相同的周期。并且栅格形状的凸起部分所要测量的指定方向上的长度与凹陷部分的该指定方向上的长度优选为相等，以便使产生的电流或电压的波形具有连续性。

栅格形状的凸起部分可以均为镜像向对称的，也可以是两个部件中的至少一个的栅格形状的凸起部分是非镜像对称的镜像对称指的是关于垂直于所述两个部件发生相对位移的方向的平面是镜像对称的。当两个部件中的至少一个的栅格形状的凸起部分是非镜像对称时，还可以根据所产生的电荷信号的波形来判断被测物体的运动方向(正向或反向)。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

图1是本发明的一个实施例的自驱动位移与速度传感器的结构的示意图。参见图1，其包括第一部件100和第二部件200，第一部件100与第二部件200相互贴合并且能够相对滑动。其中第一部件100包括第一基底101，在第一基底101的一侧形成有第一栅格结构102，在第一栅格结构102上依次形成第一导电层103和第一摩擦层104；类似的，第二部件200包括第二基底201，在第二基底201的一侧形成有第二栅格结构202，在第二栅格结构202上依次形成第二导电层203和第二摩擦层204。由于第一部件100与第二部件200相互紧贴，根据上述结构，产生相互接触并且相对滑动的层是第一部件100的第一摩擦层104和第二部件200的第二摩擦层204。在本发明中，第一摩擦层104与第二摩擦层204的材料具有不同的摩擦电极序。

其中，第一栅格结构102与第二栅格结构202是一种在指定方向上具有栅格形状的结构，在此，指定方向为两个部件发生相对滑动的方向，所谓栅格形状在本发明中指的是周期性的凸起和凹陷的形状。如前所述，两个部件的栅格形状的周期可以相同，也可以不同。在该实施例中，二者的栅格形状的周期相同，因此第一栅格结构102与第二栅格结构202的栅格形状的周期也相同。由此，形成在各栅格结构102上的导电层和摩擦层也呈现同周期的栅格形状，如图1所示。

根据本发明，各栅格结构的凸起与凹陷部分的高度范围优选为1纳米至100毫米。栅格形状的周期的长度可以为10纳米到100毫米。

图2是本发明的上述实施例的自驱动位移与速度传感器的工作原理示意图。如图2所示，一个被测物体S固定于第一部件100和第二部件200的其中之一。作为示例，在图2中，被测物体S固定于第一部件100的第一基底101上。当被测物体S沿图中所示的箭头方向向右运动时(即图中X方向)，其带动第一部件100向右运动，当第二部件200被固定时，第一部件100相对于第二部件200发生相对滑动。由此，第一摩擦层104的表面和第二摩擦层204的表面之间产生滑动摩擦。由于第一摩擦层104与第二摩擦层204的材料具有不同的摩擦电极序，因此两个摩擦层因接触起电效应发生电荷转移，致使一个摩擦层表面带正电，另一个摩擦层表面带负电。在图2所示的示例中，第一摩擦层104带负电，第二摩擦层204带正电。同时，由于栅格结构的存在，第一摩擦层104与第二摩擦层204的表面也呈现周期性的凸起和凹陷的栅格形状，因此第一摩擦层104的凸起部分与第二摩擦层204的凸起部分成为二者发生滑动摩擦时的滑动摩擦面，并且两个摩擦层的凸起部分将发生周期性的接触与分离，导致滑动摩擦面的面积发生周期性的变化。

如前所述，栅格形状的凸起部分可以均为镜像对称的，也可以是两个部件中的至少一个的栅格形状的凸起部分是非镜像对称的。镜像对称指的是关于垂直于两个部件发生相对位移的方向的平面是镜像对称的，在图1和图2中，也就是指基本单元的凸起部分相对于YZ平面是镜像对称的，其中Y轴方向是垂直于XZ平面的方向(图1、图2中仅显示了X、Z轴的方向)。

图3A和图3B分别显示了呈镜像对称和不呈镜像对称的栅格形状的基本单元的示意图。图3A和图3B均为俯视图，即显示的XY平面。从图3A和3B上看，栅格形状的基本单元的凸起部分可以是图3A所示的矩形(镜像对称)，也可以是图3B所示的三角形或其它非对称图形。

例如，在一个具体例中，采用图1所示的整体结构，并且两个部件的栅格结构均采用图3A所示的镜像对称的栅格结构，第一摩擦层104与第二摩擦层204具有相同的周期性结构，且其凸起部分和凹陷部分在运动方向(X轴方向)上的长度相同。在这种情况下，在起始位置，第一部件100的第一摩擦层104的栅格凸起部分与第二部件200的第二摩擦层204的栅格凸起部分完全重合，两个摩擦层104和204相互接触并相对滑动，其表面发生电荷转移，致使第一摩擦层104带负电，第二摩擦层204带正电。所产生的电荷称为“接触电荷”。

本发明中所述的“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10纳米。研究发现，该电荷能够保持较长的时间，根据环境中湿度等因素，其保持时间在数小时甚至长达数天，而且其消失的电荷量可以通过再次接触得以补充，因此，在本发明中接触电荷的电量可以近似认为保持恒定。

当被测物体S带动第一部件100发生位移时，两个摩擦层发生错位，由于接触电荷在摩擦层表面分布不变，错开部分第一摩擦层104和第二摩擦层204表面的电荷将产生局域电场，使得第一导电层103和第二导电层104之间产生一定的电势差。该电势差随着错位的距离而单调增加，当栅格第一摩擦层104和第二摩擦层204的凸起部分完全分离时达到最大。然后当位移持续发生，使得两个栅格摩擦层的凸起部分发生再次重合时，第一导电层103和第二导电层203之间的电势差减小为零。当位移持续时则重复上述过程，因此持续的位移将在第一导电层103和第二导电层203之间产生周期性的电势差变化。两个导电层分别作为两个输出端口，进而可以被外接电路测量。

图4A是本发明的上述实施例的传感器在被测物体匀速移动时，电流和电压随被测物体的位置的变化一个周期内的示意图。图4B是本发明的上述实施例的传感器在被测物体匀速移动时，感应电荷随被测物体的位置的变化一个周期内的示意图。

根据上述工作原理，本发明可以在两种精度模式下测量被测物体的位移。实现一般精度测量时，位移可通过测量导电层间的开路电压或短路电流变化的周期数目得到，公式为L=N×P，其中L为被测位移，P为栅格形状的周期，N为测量得到开路电压或短路电流变化的周期数。此工作模式下，位移分辨率为栅格形状周期的一半，即P／2。

高精度测量位移时，传感器输出的开路电压(设电压值为V，周期电压信号最大幅值为V_A)可转化为被测物体的位移，位移公式为L=N×P+l(V，V_A)，其中L为被测位移，P为栅格形状的周期，N为测量得到开路电压或短路电流变化的周期数，l(V，V_A)表示两栅格之间在一个周期内的相对分离位移，可通过查询器件标定时的细分位移电压表获得。此时位移测量分辨率由电压响应信号和系统测量噪声决定。

进行细分位移电压表的标定时，使用电机带动其中一个部件相对于另一个部件做匀速运动，记录一个周期内的电压变化信号以及相对应的时间。由于是部件做匀速运动，每个电压信号的时间可被转化为相对应的位置，从而得到细分位移电压表。

本发明的传感器还可用于测量被测物体的移动速度。测量速度时，传感器输出的短路电流(设为I)与被测物体运动速度(设为v)成正比。因此，被测物体运动速度可以通过测量第一导电层103和第二导电层203之间的短路电流得到。

图5显示了该实施例的传感器的第一部件在不同速度运动下传感器输出的电流幅值图。测量速度时，输出端口接短路电流测量电路，如图5所示，其中图5的(a)、(b)、(c)以及(d)图是被测物体分别以10微米／秒、100微米／秒、1毫米／秒、10毫米／秒的速度运动时，传感器输出的短路电流信号；图5的(e)图是被测物体在不同运动速度(从5微米／秒到10毫米／秒)下与传感器输出的短路电流信号幅值之间的关系。可以看出，在速度从5微米／秒到10毫米／秒的范围内，传感器输出电流与速度呈非常好的线性，线性拟合的灵敏度为0.689±0.004纳安／(毫米／秒)。

由此，可以事先对传感器的灵敏度进行标定，设标定的灵敏度为S，实际测得的电流大小为I，则可以计算得到当前被测物体的速度v=I／S。

如前所述，栅格形状的基本单元的凸起部分可以是镜像对称的，也可以是非镜像对称的。镜像对称的栅格形状构成的传感器在被测物体的指定运动方向的正负两个方向(X轴方向)上输出的一个周期内的电压信号随位移的形状相同；非镜像对称的栅格形状构成的传感器在物体运动的正负两个方向上输出的一个周期内的电压信号随位移的形状不同，因此可以通过识别信号的形状而确定物体的运动方向。

例如，在本发明的另一个实施例中，采用图1所示的整体结构，并且，其中一个部件的栅格形状采用图3A所示的栅格形状，另一个部件的栅格形状采用图3B所示的栅格形状。

图6A是该实施例的传感器在被测物体正向和反向匀速移动时，摩擦接触面积随被测物体的位置的变化图；图6B是该实施例的传感器在被测物体正向和反向匀速移动时，感应电荷随被测物体的位置的变化图。图6A和图6B的左图均表示正向移动，即第一部件相对于第二部分朝X轴的正向移动，图6A和图6B的右图则相反。从图6A和图6B可知，在该实施例中，由于不镜像对称的栅格形状的存在，正向和反向运动时的凸起摩擦层的重合面积随时间变化的波形是不同的，由此导致感应电荷随时间的变化的波形也不相同。两电极间电荷转移量可通过电荷表直接测量得出，也可通过电流信号对时间的积分得到。

本发明中，第一基底101和第二基底201的材料可以选择表面平整的固态材料，栅格结构102和202可以通过掩模刻蚀基底实现，也可以选用其他可微加工的材料实现。此处列举一些常用的基底材料：硅、玻璃、石英、光致抗蚀剂等。常用的刻蚀方法比如光刻，压印，激光刻蚀等。

本发明中，第一导电层103和第二导电层203的材料可以相同，也可以不同。导电层的材料可以选择常用的导电材料，所述的导电材料可选自金属、合金、铟锡氧化物、有机物导体等，具体电极层的材料的选择不作为限定本发明保护范围的因素，本领域常用的材料为：金属，选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；由金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的2种以上物质所形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO；有机物导体一般为导电高分子，选自自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和／或聚噻吩等。制备导电层材料的常用方法包括磁控溅射、蒸镀和印刷打印技术等。

本发明中，第一摩擦层104与第二摩擦层204的材料可以选择绝缘材料，特别是高分子聚合物材料。此处列举一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。

除上述提到的高分子聚合物可以作为第一摩擦层104与第二摩擦层204的材料外，非导电性氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在与导电材料摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃等。

通过实验发现，当互相摩擦的摩擦层材料的得电子能力相差越大(即在摩擦电极序中的位置相差越远)时，传感器输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一摩擦层104(或第二摩擦层204)，以获得更好的输出效果。具有负极性摩擦电极序的材料优选聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯和派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT或派瑞林AF4；具有正极性的摩擦电极序材料优选苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、铜、铝、金、银和钢。

限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，在本发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。本发明的第一摩擦层104、第二摩擦层204的厚度无特别要求，本发明优选摩擦层为薄膜，厚度为10nm-5mm，优选10nm-1mm，更优选100nm-500μm。

值得说明的是，如果第一部件100或第二部件200上的摩擦层为导体，则该摩擦层可兼起到导电层的作用，从而可以省略导电层。

下面以一个具体的自驱动位移与速度传感器的制造方法和传感测试方法的实施例，介绍本发明提供的自驱动位移与速度传感方法的分辨率、线性度以及测量范围等性能。

取一片玻璃片，大小为30毫米*15毫米，作为第一基底101，在其上面旋涂一层20微米厚度的SU-8薄膜层，通过光刻技术使SU-8变成200微米周期的一维栅格结构，作为第一栅格结构102。然后通过溅射技术镀一层200纳米厚度的氧化铟锡，作为第一导电层103。而后通过化学气相沉积法镀一层5微米厚的聚对二甲苯，作为第一摩擦层104。取一片硅片，大小为60毫米*30毫米，作为第二基底201，在其上通过光刻掩模刻蚀方法制备出深度100微米，周期200微米的一维栅格结构，作为第二栅格结构202。通过溅射技术镀一层200纳米厚度的铝作为第二导电层203。而后，使用等离子体增强化学气相沉积法镀一层500纳米厚度的二氧化硅，作为第二摩擦层204。测试时，将第一部件固定在一块亚克力板的一端下表面，并使得第一摩擦层104朝下设置，亚克力板的另一端固定在可控一维线性移动台上。第二部件固定在三维移动台上，第二摩擦层204朝上设置，调整其与第二部件的相对位置，使第一部件的第一摩擦层104与第二部件的第二摩擦层204接触，而且第一部件的投影包括在第二部件内，两个部件上的第一栅格结构102和第二栅格结构202互相平行。用导线连接两个部件的第一导电层103和第二导电层203，作为传感器的输出端口。测试时，线性移动台带动第一部件沿垂直于栅格结构的方向运动，传感器输出端口输出电压或电流信号。图7的(a)图给出了速度为1毫米／秒匀速运动时的开路电压信号，图7的(b)图给出了预设的位移轨迹和计算出的位移随时间的变化。图7的(c)图给出了物体做匀加速(加速度：0.1毫米2／秒)-匀速(速度：1毫米／秒)-匀减速(加速度：-0.1毫米2／秒)运动时传感器输出的电流信号，图7的(d)图给出了测量位移与预设位移随时间变化的比较。此工作模式下传感器分辨率为100微米。

图8的(a)图给出了该实施例5微米步进下的开路电压输出信号，图8的(b)给出了敏感范围区的1微米步进时的开路电压输出信号变化为2.2毫伏，噪声的均方根值为0.38毫伏，信噪比约为6，此传感器最高分辨率为173纳米。

整个传感测试过程中，传感器不需要外接电源，实现了零功耗、自驱动传感过程。

需要说明的是，本发明的自驱动位移与速度传感器中，各部分的材料包括但不限于上述实施例中提到的材料，能够实现相同功能的材料都可以应用在本发明中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (23)

1.一种位移传感方法，用于测量被测物体(S)在指定方向上的相对位移，其特征在于，该方法包括如下步骤：

将一个传感器固定在所述被测物体上，所述传感器包括两个相互贴合且能够在所述指定方向上相对滑动的第一部件(100)和第二部件(200)，该被测物体与所述第一部件(100)和第二部件(200)的其中之一固定连接，所述第一部件(100)和第二部件(200)的摩擦面相互接触，使两个摩擦层表面由于接触起电效应发生电荷转移，使得两个摩擦面各自带极性相反的电荷；

使所述被测物体(S)带动所述第一部件(100)或第二部件(200)在所述指定方向上相对于另一部件发生相对位移，并且在相对位移的过程中，第一部件(100)和第二部件(200)相互接触的滑动摩擦面的面积发生周期性变化，由此在第一部件(100)或第二部件(200)之中产生周期性变化的电场；根据所述第一部件(100)或第二部件(200)之间由所述周期性变化电场产生的电压或电流的波形，获得所述第一部件(100)或第二部件(200)在所述指定方向上的相对位移，即为所述被测物体相对于其中一个部件在所述指定方向上的位移；

所述第一部件和第二部件的发生滑动摩擦的表面在所述指定方向上呈现栅格形状，所述栅格形状是指周期性的凸起和凹陷的形状，各栅格结构的凸起与凹陷部分的高度范围为1纳米至100毫米。

2.如权利要求1所述的位移传感方法，其特征在于，所述第一部件和第二部件的发生滑动摩擦的表面的栅格形状具有相同的周期。

3.如权利要求2所述的位移传感方法，其特征在于，所述栅格形状的一个周期的凸起部分在所述指定方向上的长度与凹陷部分在该指定方向上的长度相等。

4.如权利要求1-3任一项所述的位移传感方法，其特征在于，当所述第一部件和第二部件的栅格形状的周期为P，在所述相对滑动过程中产生的所述电压或电流的周期数为N时，被测物体的位移L通过如下公式计算获得：

L＝N×P。

5.如权利要求1-3任一项所述的位移传感方法，其特征在于，当所述第一部件和第二部件的栅格形状的周期为P，在所述相对滑动过程中产生的所述电压的周期数为N时，被测物体的位移L通过如下公式计算获得：

L＝N×P+l(V，V_A)，其中V为当前电压值，V_A为所述电压信号的最大幅值，l(V，V_A)表示当前电压值V对应的两个栅格凸起部分在一个周期内的相对位移。

6.如权利要求1-3任一项所述的位移传感方法，其特征在于，所述第一部件(100)和/或第二部件(200)的栅格形状的凸起部分不是镜像对称的，所述镜像对称指的是关于垂直于所述两个部件发生相对位移的方向的平面是镜像对称的，所述方法还包括：根据一个周期内电荷随位移的变化波形可以获得所述相对位移的方向。

7.一种速度传感方法，用于测量被测物体(S)在指定方向上的运动速度，其特征在于，该方法包括如下步骤：

将一个传感器固定在所述被测物体上，所述传感器包括两个相互贴合且能够在所述指定方向上相对滑动的第一部件(100)和第二部件(200)，该被测物体与所述第一部件(100)和第二部件(200)的其中之一固定连接；所述第一部件(100)和第二部件(200)的摩擦面相互接触，使两个摩擦层表面由于接触起电效应发生电荷转移，使得两个摩擦面各自带极性相反的电荷；

使所述被测物体(S)带动所述第一部件(100)或第二部件(200)在所述指定方向上相对于另一部件发生滑动摩擦并产生相对位移，并且在相对位移的过程中，第一部件(100)和第二部件(200)相互接触的滑动摩擦面的面积发生周期性变化，由此在第一部件(100)或第二部件(200)之中产生极性相反且量值呈周期性变化的感应电荷；

根据所述第一部件(100)或第二部件(200)之间由所述周期性变化的感应电荷产生的电流，获得所述第一部件(100)或第二部件(200)在所述指定方向上的速度，即为所述被测物体相对于其中一个部件在所述指定方向上的速度；

所述第一部件和第二部件的发生滑动摩擦的表面在所述指定方向上呈现栅格形状，所述栅格形状是指周期性的凸起和凹陷的形状，各栅格结构的凸起与凹陷部分的高度范围为1纳米至100毫米。

8.如权利要求7所述的速度传感方法，其特征在于，所述第一部件和第二部件的发生滑动摩擦的表面的栅格形状具有相同的周期。

9.如权利要求8所述的速度传感方法，其特征在于，所述栅格形状的一个周期的凸起部分在所述指定方向上的长度与凹陷部分的该指定方向上的长度相等。

10.如权利要求8或9所述的速度传感方法，其特征在于，所述方法还包括：对传感器的速度电流比进行标定，并根据标定的速度电流比和当前测得的电流来计算所述被测物体的速度。

11.一种自驱动位移与速度传感器，用于检测被测物体在指定方向上的相对位移和速度，其特征在于：

该传感器包括两个相互贴合且能够在所述指定方向上相对滑动的第一部件(100)和第二部件(200)，所述第一部件(100)和第二部件(200)的其中之一固定连接所述被测物体；

所述第一部件(100)或第二部件(200)能够被所述被测物体(S)带动而在所述指定方向上相对于另一部件发生滑动摩擦并产生相对位移，并且在相对位移的过程中，第一部件(100)和第二部件(200)相互接触的滑动摩擦面的面积发生周期性变化，由此在第一部件(100)或第二部件(200)之中产生极性相反且量值呈周期性变化的感应电荷；

其中，根据所述周期性变化的感应电荷产生的电压或电流的大小或波形，可以计算在所述指定方向上的相对位移或速度；

所述第一部件(100)包括第一基底(101)，在所述第一基底(101)的一侧形成有第一栅格结构(102)，在所述第一栅格结构(102)上依次形成第一导电层(103)和第一摩擦层(104)；

所述第二部件(200)包括第二基底(201)，在所述第二基底(201)的一侧形成有第二栅格结构(202)，在所述第二栅格结构(202)上依次形成第二导电层(203)和第二摩擦层(204)；

所述第一部件(100)的第一摩擦层(104)和第二部件(200)的第二摩擦层(204)相互贴合且能够在所述指定方向上相对滑动；

所述第一栅格结构(102)与第二栅格结构(202)是一种在指定方向上具有栅格形状的结构，由此在各栅格结构上的各导电层和各摩擦层也呈现同周期的栅格形状，所述栅格形状是指周期性的凸起和凹陷的形状，各栅格结构的凸起与凹陷部分的高度范围为1纳米至100毫米。

12.如权利要求11所述的自驱动位移与速度传感器，其特征在于，所述第一摩擦层(104)和所述第二摩擦层(204)的发生滑动摩擦的表面的栅格形状具有相同的周期。

13.如权利要求12所述的自驱动位移与速度传感器，其特征在于，所述第一摩擦层(104)和所述第二摩擦层(204)的栅格形状一个周期的凸起部分在所述指定方向上的长度与凹陷部分的该指定方向上的长度相等。

14.如权利要求11-13任一项所述的自驱动位移与速度传感器，其特征在于，所述第一摩擦层(104)与所述第二摩擦层(204)的材料选自高分子聚合物、非导电性氧化物和复杂氧化物。

15.如权利要求14所述的自驱动位移与速度传感器，其特征在于，所述高分子聚合物包括聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。

16.如权利要求14所述的自驱动位移与速度传感器，其特征在于，所述非导电性氧化物和复杂氧化物包括：氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

17.如权利要求11所述的自驱动位移与速度传感器，其特征在于，所述第一摩擦层(104)与所述第二摩擦层(204)的材料具有不同的摩擦电极序，所述第一摩擦层(104)与所述第二摩擦层(204)的材料选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯、派瑞林、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、铜、铝、金、银和钢。

18.一种制造自驱动位移与速度传感器的方法，所述传感器用于检测被测物体在指定方向上的相对位移和速度，其特征在于：所述方法包括制作第一部件和第二部件，并使所述第一部件和第二部件相互贴合且能够在所述指定方向上相对滑动；

制作第一部件的步骤包括：在第一基底(101)的一侧形成第一栅格结构(102)，在所述第一栅格结构(102)上依次形成第一导电层(103)和第一摩擦层(104)；

制作第二部件的步骤包括：在第二基底(201)的一侧形成第二栅格结构(202)，在所述第二栅格结构(202)上依次形成第二导电层(203)和第二摩擦层(204)；

所述第一栅格结构(102)与第二栅格结构(202)是一种在指定方向上具有栅格形状的结构；

所述栅格形状的凸出和凹陷部分的高度的范围是1纳米至100毫米。

19.如权利要求18所述的制造自驱动位移与速度传感器的方法，其特征在于：所述第一栅格结构(102)与第二栅格结构(202)分别能过刻蚀第一基底(100)和第二基底(200)形成。

20.如权利要求18所述的制造自驱动位移与速度传感器的方法，其特征在于，所述第一摩擦层(104)与所述第二摩擦层(204)的材料选自高分子聚合物、非导电性氧化物和复杂氧化物。

21.如权利要求20所述的制造自驱动位移与速度传感器的方法，其特征在于，所述高分子聚合物包括聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。

22.如权利要求20所述的制造自驱动位移与速度传感器的方法，其特征在于，所述非导电性氧化物和复杂氧化物包括：氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

23.如权利要求18所述的制造自驱动位移与速度传感器的方法，其特征在于，所述第一摩擦层(104)与所述第二摩擦层(204)的材料具有不同的摩擦电极序，所述第一摩擦层(104)与所述第二摩擦层(204)的材料选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯和聚四氟乙烯、派瑞林、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、铜、铝、金、银和钢。