CN104748769A - 一种基于静电感应的传感器以及传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于静电感应的传感器和传感方法。该传感器的传感单元由两个分离的并且电连接的电极层组成，带有电荷的被探测物体在自身运动的作用下，被探测物体的电荷中心靠近一个电极层而远离另一个电极层，静电感应驱动电子在两个电极层间连接的外电路中流动，而形成交流电。该传感器提供一种自驱动传感方式，即不需要外接电源即可进行被探测物体移动。

Description

一种基于静电感应的传感器以及传感方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是适用于探测带电或不带电物体运动的基于静电感应的传感器以及传感方法。

背景技术

在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。尽管，对于带电或不带电物体移动的传感有多种方法，例如激光传感等传感方法，现有的传感方法均需要为传感器提供匹配的电源，来驱动传感器工作。受到传感器电源的限制，这些传感方法的应用范围较窄，不能够适用在环境恶劣的条件下，也难以长期独立工作；而且对于随机出现的工作需求，也需要长时间为传感器接通电源，不满足节约能源的要求。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是设计一种新型传感器，无需提供电源，就可以对任何自身能够产生摩擦静电、已带有电荷或通过粘附摩擦层而带有静电的物体的移动进行传感。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于静电感应的传感器，应用在探测物体的移动方面。该传感器的传感单元由一个第一电极层和与之配合的一个第二电极层组成，两个电极层分隔设置并且互相电连接。当带电的被探测物体移动，使被探测物体的电荷中心相对于传感单元的两个电极层中的一个逐渐远离而同时相对于另一个逐渐靠近，被探测物体所带的电荷与两个电极层之间的静电感应使两个电极层之间形成电荷流动。本发明的传感器可以对自身带电的被探测物体的移动进行传感，也可以对于自身不带电的被探测物体的移动进行传感。对于自身不带电的被探测物体，当其一个绝缘表面与传感器的传感单元中电极层的表面互相接触并随着运动而相互摩擦时，由于二者表面的得失电子能力不同，在二者表面分别形成等量异号的摩擦电荷，二者分离后，该物体绝缘表面的电荷能够较长时间保留，作为静电感应源而在运动的作用下在两个电极层之间感应产生电流。本发明的传感器在工作时，带电的被探测物体可以与传感单元中的两个电极层接触也可以不接触，在被探测物体移动时，被探测物体的电荷中心相对于传感单元中的一个电极层远离而另一个电极层靠近。被探测物体的电荷会通过静电感应作用在两个电极层之间造成电荷转移以平衡电极之间的电势差，而使得电极层间的感应电势差发生周期性变化，驱动电极层间连接的外电路上产生电荷流动。这种传感器结构简单，能够比较方便的调整传感单元的两个电极层之间的输出电信号，例如可以控制两个电极层的相对位置，以调整二者之间的等效电容量。此外，带电的被探测物体每一次从一个电极层上方转移到另一个电极层上方的过程，可以带动与传感单元中等量（或近似等量）的电荷转移。因此，这种结构的传感器是一种十分高效的通过将机械能转化为电能来实现感应的传感器设计。

基于上述思路，本发明首先提供一基于静电感应传感器，包括传感单元，所述传感单元由一个第一电极层和与之配合的一个第二电极层组成，所述第一电极层和第二电极层分隔设置并且互相电连接；

当带有电荷的被探测物体移动，使被探测物体的电荷中心相对于所述传感单元的两个电极层中的一个远离而相对于另一个靠近，所述被探测物体与两个电极层之间的静电感应使所述第一电极层和第二电极层之间形成电荷流动。

优选的，所述第一电极层和第二电极层之间的分隔距离为0.1mm-5cm。

优选的，所述第一电极层和/或第二电极层不与所述被探测物体接触。

优选的，所述被探测物体的带电表面与所靠近的电极层表面之间的垂直间距远小于所述被探测物体从一个电极层移向另一个电极层的距离。

优选的，所述垂直间距小于5cm。

优选的，所述传感单元与所述被探测物体接触或滑动摩擦。

优选的，所述传感单元与所述被探测物体发生接触或滑动摩擦的表面进行物理或化学改性，使其表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构。

优选的，所述第一电极层与被探测物体接触或靠近的表面，和第二电极层202与被探测物体接触或靠近的表面形状和尺寸相同。

优选的，所述第一电极层和第二电极层的尺寸和形状相同或不同。

优选的，所述第一电极层和第二电极层处于同一个平面或曲面上。

优选的，所述第一电极层和第二电极层之间的空隙中填有填充介质。

优选的，所述填充介质为下列材料中的一种或者几种：聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、不导电的液体、不导电的气体和真空。

优选的，还包括隔离层，所述第一电极层和/或第二电极层的上表面贴合在所述隔离层的背面，被探测物体的带电表面依次向背面贴合有第一电极层的隔离层的部分上表面、以及背面贴合有第二电极层的隔离层的部分上表面靠近或者接触。

优选的，所述隔离层为绝缘材料。

优选的，所述隔离层为分立结构或一体结构。

优选的，所述隔离层完全覆盖第一电极层和第二电极层的上表面。

优选的，所述隔离层的上表面全部或部分设置有微米或次微米量级的微结构

优选的，所述第一电极层为图形化电极层；和/或，所述第二电极层为图形化电极层。

优选的，所述图形化的第一电极层与第二电极层为互补图形。

优选的，所述图形化为周期性结构，或者为中心对称结构。

优选的，所述周期性结构的重复单元的尺寸和形状相同。

优选的，包括2个或2个以上所述传感单元。

优选的，2个或2个以上所述传感单元并联或串联。

优选的，多个传感单元的相对位置与所述被探测物体的移动轨迹相匹配。

优选的，还包括摩擦层，所述摩擦层固定在所述被探测物体的表面，当所述被探测物体带动所述摩擦层的表面与传感单元中的电极层表面接触/滑动时，使得摩擦层的表面带有电荷并且跟随被探测物体同步运动；

所述带有电荷的被探测物体移动，具体为，所述摩擦层与所述被探测物体组成的整体移动；所述被探测物体的电荷中心，具体为，所述被探测物体与摩擦层组成整体的电荷中心。

优选的，所述摩擦层的材料为绝缘体或者半导体。

优选的，所述第一电极层和第二电极层具有周期性结构，所述摩擦层具有周期性结构，并且所述摩擦层的周期单元与所述第一电极层和/或第二电极层的周期单元的尺寸和形状均相同。

优选的，所述摩擦层的需要通过摩擦带电的表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构。相应的，本发明还提供一种基于静电感应的传感方法，包括如下步骤：提供分隔放置的第一电极层和第二电极层，并将两个电极层进行电连接；带电的被探测物体移动，使电荷中心相对于两个电极层中的一个远离而相对于另一个靠近；被探测物体与两个电极层之间的静电感应使所述第一电极层和第二电极层之间形成电荷流动。

优选的，被探测物体通过与第一电极层或第二电极层接触摩擦后再分离所带有电荷。

（三）有益效果

本发明提供的基于静电感应传感器，不仅结构简单，而且不需要为传感单元接入电源，就可以实现自驱动的传感。特别适用在物联网传感、安全监测等方面的传感应用。

此外，带电的被探测物体可以不与传感单元进行接触，进行被探测物体移动的传感。在这种情况下，传感器的输出信号不会受到明显影响，而且被探测物体的移动不会对传感单元产生磨损，有利于传感器的长时间使用以及性能的稳定，同时传感的过程不会依赖于被测运动在垂直于运动方向上的高度波动。

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，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1和图2为本发明基于静电感应的传感器的典型结构示意图；

图3为在两个电极层的间隙填有填充介质的结构示意图；

图4和图5为本发明基于静电感应的传感器包括隔离层的结构示意图；

图6和图7为第一电极层和第二电极层为图形化电极层的传感器结构示意图；

图8a和图8b为传感器中包括多个传感单元的结构示意图；

图9为传感器中包括可以固定在被探测物体上的摩擦层的结构示意图；

图10为本发明的传感器在连续工作约20000个周期输出（单次运动转移电荷量）的电信号谱图。

具体实施方式

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。

第一实施例

图1为本发明基于静电感应的传感器的一种典型结构，包括传感单元，传感单元由一个第一电极层101和与之配合的一个第二电极层102组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置并且可以分别通过导线与电信号检测装置30相连，以实现两个电极层之间产生的电压/电流信号的检测。当带有电荷的被探测物体20相对于传感单元移动，使被探测物体20的电荷中心相对于传感单元的两个电极层中的一个远离而相对于另一个靠近，被探测物体20与两个电极层之间的静电感应使第一电极层101和第二电极层102之间形成电荷流动，形成流过电信号检测装置30的电流I。

被探测物体20的电荷中心，是指考虑被探测物体带有的所有电荷，从整体上考虑被探测物体带有的所有电荷的中心，例如，图1所示的平板状被探测物体，其下表面带有负电荷且均匀分布，则平板状被探测物体的电荷中心为其下表面的中心。球状外表面的被探测物体，在其外表面均匀分布有负电荷，则被探测物体的电荷中心在球状外表面的中心位置。在其他实施例中，被探测物体20也可以为不规则的形状，被探测物体20的电荷中心为其所带有的所有电荷的几何分布的中心位置。

本实施例的传感器工作时，能够探测带有电荷的被探测物体相对于传感单元的移动，这里所述的被探测物体的移动，被探测物体20可以不与任意一个电极层互相接触，只是在两个电极层附近移动，参见图1；被探测物体20也可以与传感单元中的至少一个电极层互相滑动摩擦，参见图2，被探测物体20与第一电极层101互相接触滑动，在互相接触的表面上形成等量异号的摩擦电荷，当被探测物体20向着第二电极层102滑动时，静电感应作用使第一电极层101上的正电荷向着第二电极层流动，形成流过电信号检测装置30的电流I；当然，也可以是图1和图2中两种移动方式的结合，既有被探测物体与传感单元之间的滑动摩擦运动，也有互相不接触的相对运动。

被探测物体20相对于传感单元的运动，如图1和图2中，并不限定被探测物体20的下表面与两个电极层上表面之间的垂直距离不变，即沿着箭头所示方向移动，也可以是被探测物体20向斜上方远离第一电极层101而靠近第二电极层102，被探测物体20进行类似跳跃式的移动。

无论是哪种移动方式，只要被探测物体所带有的所有电荷的电荷中心在探测物体上的位置不变化，在被探测物体20相对于传感单元移动时，使得电荷中心远离第一电极层101而靠近第二电极层102，由于被探测物体20所带电荷对第一电极层101和第二电极层102中电荷的静电感应作用，驱动第一电极层101和第二电极层102中的电荷发生流动，在电信号检测装置30上形成电流。

在图2所示的传感器中，被探测物体20可以自身带有电荷也可以不带电荷，特别是对于被探测物体20与第一导电部件101接触的表面为绝缘体材料或者半导体材料的情况，自身不带电荷的被探测物体20通过与第一导电部件101的接触和分离而使被探测物体20的表面带有电荷，这是由于被探测物体20的表面与第一导电部件101的表面得失电子能力不同，互相接触时会发生表面电荷的重新分布，使二者的表面带有等量异号的电荷。

为了达到较好的静电感应效果，优选的，传感器在工作时，第一电极层101或者第二电极层102面向被探测物体20的带电表面。使传感器在工作时，被探测物体20的带电表面交替靠近和/或接触两个电极层的上表面，并通过静电感应作用，使电荷在两个电极层之间通过外电路发生转移。

本实施例的传感器中，传感单元由2个电极层组成，用于在被探测物体20所带电荷的静电感应作用下形成电流向外输送。常用的导体材料均可用于制备传感单元的两个电极层，例如金属和导电的非金属材料等，其中金属可选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；导电的非金属材料可选自氧化铟锡ITO和掺杂的半导体。

传感单元中的2个电极层尺寸和形状可以相同，也可以不同，为了传感器的电荷转移量，优选第一电极层101与被探测物体20靠近或者接触的表面，和第二电极层102与被探测物体20靠近或者接触的表面形状和尺寸相同；更优选两个电极层靠近被探测物体20的表面形状和尺寸相同，更优选的两个电极层的尺寸和形状均相同或者不同。

本发明的传感器，根据被探测物体20的电荷中心相对于传感单元的两个电极层之间的距离变化，通过测量两个电极层之间的电流大小可以探测被探测物体20的瞬时移动速度，移动速度越快，在两个电极层之间引起的电荷流动量越大。第一电极层101和第二电极层102为分隔设置，即二者之间需要留有一定的空隙d，该空隙d的存在是电子能够通过负载等外电路在两个电极层之间流动的关键。理论研究和实验对比显示，电极层之间的间距d越小，越有利于提高传感单元输出的电流密度和功率密度。因此，应该优先选用较小的电极层间距。但是考虑到放电的因素，该间距d又不能过小。本发明认为该间距d可以选择的范围为0.1mm-5cm，优选0.1cm-3cm，更优选0.1cm-1cm。但是，在另一方面通过实验发现，间距d又会影响非接触滑动情况下（参见图1）的发电效率：随着间距增大，被探测物体20与第一电极层101（或者第二电极层102）之间同样的垂直分离距离，传感单元会有更大的输出信号幅度，从这一角度来说电极间距d越大越有利于非接触模式的高效输出。分隔的电极层可以通过选择性镀膜技术在支撑基底上制备，也可以用导电的薄层或薄片直接切割而成。

第一电极层101和第二电极层102的相对位置并没有特殊限定，二者既可以位于同一个平面或者曲面上，也可以位于不同的平面或者曲面上；二者可以相互平行，也可以形成一定角度。优选第一电极层101和第二电极层102位于同一个与被探测物体20运动轨迹平行的同一平面或者曲面上，以利于有效探测物体20的水平移动或者转动。

被探测物体20靠近传感单元时，参见图1中所示移动方式，其带电表面与所靠近的电极层表面之间的垂直间距H应远小于被探测物体20从一个电极层移向另一个电极层的距离，从而使带电被探测物体20的移动能够较有效地吸引电极层回路内的反号电荷发生相应转移，从而在外电路产生电流。本发明中该间距H小于5cm，优选小于1cm，更优选小于5mm，尤其是小于2mm。实验结果发现，当该垂直间距H达到1cm时，依然能够驱动相当一部分的电荷在两个电极层之间的转移。

自然存在的物体表面大多带有一定量的表面电荷，这些电荷可以是通过与其他物体的摩擦获得，也可以是通过与带电物体的接触获得。例如，人的鞋底，大多为绝缘材料，在行走过程中，鞋底与地面摩擦带有表面电荷；汽车轮胎在滚动过程中与地面摩擦而使其表面带有电荷；动物在行走过程中，皮毛与地面等摩擦而带有电荷。这些物体表面带有的电荷能够保持较长时间，例如几小时或者几天。因此，本发明的传感器可以应用在大多数移动物体的传感方面，而不需要为传感单元提供其他电源，可以实现将被探测物体移动的能量收集转变为电能的同时进行传感。特别适用在物联网传感、安全监测等方面的传感应用。

对于被探测物体20自身不带有电荷的情况，需要被探测物体20与传感单元中的至少一个电极层进行接触后相互分离或者相互滑动，使被探测物体20表面带有由摩擦/接触产生的电荷。还可以对传感单元中用于与被探测物体20发生接触摩擦的表面进行物理或化学改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构，以增加被探测物体20持有表面电荷的密度。具体的改性方法包括光刻蚀、化学刻蚀和等离子体刻蚀等，还可以通过纳米材料的点缀或涂层的方式来实现该目的。

为了在提高传感器电信号输出密度的同时，防止电极层之间的放电，还可以在两个电极层的空隙之间填有填充介质40（参见图3）。该填充介质40既可以仅填充于两个电极层之间的空隙中，也可以如图3所示在两个电极层的周围也设置一圈，用于作为电极层的支撑结构或保护结构。该填充介质40可选自本领域常规的介电材料，例如聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）。显然，如果传感器在使用的过程中需要液体、气体或真空环境，上述填充介质40也可以是不导电的液体或气体，在必要的情况下也可以是真空。填充介质40的填充高度既可以与第一电极层101和第二电极层102的厚度相同，也可以稍低于二者的厚度。

传感单元中的两个电极层和/或填充介质40既可以是硬质材料，也可以是柔性材料，材料的硬度对传感器的输出性能没有明显影响，但是却可以扩展本发明传感器的应用范围。

第二实施例

图4为本发明传感器的另一种典型结构，包括传感单元和隔离层40，其中，传感单元的结构可以与实施例一中的相同，在这里不再复述。传感单元的第一电极层101和/或第二电极层102的上表面贴合在隔离层50的背面。隔离层可以部分覆盖第一电极层101和/或第二电极层102的上表面，也可以全部覆盖第一电极层101和第二电极层102的上表面。

隔离层50可以为非导电材料，优选绝缘材料，可选自一些常用的有机聚合物材料和天然材料，包括：聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、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、人造纤维、棉及其织物、木头、硬橡胶、聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性体、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚乙烯丙二酚碳酸盐，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、醋酸酯、聚双苯酚碳酸酯、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。

隔离层50也可以采用半导体材料，常用的半导体包括硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也可以用来作为本发明第一部件10的带电表面，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。

被探测物体20与传感单元被隔离层50隔开，隔离层50的存在对于传感单元可以形成较好的保护作用，因此其表面尺寸和形状应至少完全覆盖第一电极层101和第二电极层202。但是为了防止其对被探测物体20所带电荷的静电感应的过度削弱，其厚度不应过厚，一般选择在10nm到1mm之间，优选100nm到500μm，更优选500nm到100μm。

隔离层50可以为分立结构，例如由2个分离的部分组成，其中一个部分覆盖于第一电极层101的表面，另一个部分覆盖于第二电极层102的表面；也可以为一体结构，例如图5所示的情况，隔离层50为一个整体，同时覆盖于两个电极层的上表面。

同第一种实施方式类似，该传感器在工作时，既可以用来传感自身带有电荷的被探测物体20的移动，也可以用来传感自身不带有电荷的被探测物体20的移动。

传感自身带有电荷的被探测物体20的移动的情况，被探测物体20的带电表面依次向背面贴合有第一电极层101的隔离层50的部分上表面、以及背面贴合有第二电极层102的隔离层50的部分上表面靠近或者接触，使第一电极层101和第二电极层102之间形成电荷流动，在电信号检测装置30上有电流流过。这种情况下，隔离层50起到保护传感单元的作用。

传感自身不带有电荷的被探测物体20的移动的情况，不带电的被探测物体20通过与隔离层50的接触摩擦，使被探测物体20和隔离层50相互接触的表面会带上等量反号的电荷。这些电荷都将保持在二者的表面，在一定时间内几乎不会发生流动或者衰减。由于隔离层50始终相对于两个电极层保持静止，因此它表面所带的静电荷在两个电极层间产生的感应电势差始终保持不变，不会给电流的产生提供驱动力（参见图5）。因此，与图1所示的结构类似，被探测物体20上的静电将随其一起移动，并且在交替靠近两个电极层时，反复改变两个电极层间的感应电势差，从而吸引电极回路中所带的异号电荷在两个电极层之间移动，在外电路产生电流。

为了提高隔离层50在与被探测物体20接触摩擦过程中所形成的表面电荷密度，优选隔离层50与被探测物体20接触的表面全部或部分设置有微米或次微米量级的微结构。

第三实施例

图6为传感器的另一种典型的结构，包括传感单元，传感单元由图形化的第一电极层201和与之配合的图形化的第二电极层202组成，并且传感器还包括图形化的摩擦层60，摩擦层60固定设置在被探测物体20的靠近第一电极层或者第二电极层的表面，当被探测物体20带动摩擦层60的表面与传感单元中的电极层表面接触/滑动时，使得摩擦层60的表面带有电荷并且跟随被探测物体20同步运动。优选的，摩擦层60在随着被探测物体20运动时，可以在特定位置与第一电极层201（或第二电极层202）达到完全重叠。图形化的第一电极层201和第二电极层202之间可以由填充介质41分隔开，第一电极层201与第二电极层202的图形优选相同，使第一电极层201、第二电极层202和填充介质41共同形成连续的图案，如图6中的插指型电极层201和202。在被探测物体20靠近这两个电极层的表面粘附有具有相同周期的图案化的绝缘体摩擦层60。当被测物体带动该摩擦层60在电极层表面滑动时，两者之间的相互接触摩擦会使得二者表面带有异号等量的摩擦电荷。在后面的检测过程中，由于摩擦层60上静电荷可以保持很长时间，被探测物体可以继续在电极层表面接触滑动，也可以在垂直高度上离开一定距离而利用非接触滑动实现传感。当被探测物体与摩擦层组成的整体沿着图中箭头方向自下而上移动时，被探测物体上粘附的图案化的摩擦层60所带的电荷交替靠近第一电极层201和第二电极层202，通过静电感应在连接在第一电极层和第二电极层之间的电信号检测装置30上产生电流流过。这种结构的传感器可以传感直线方向的运动物体的移动。通过标定所检测到的电信号的周期数和信号幅值，可以同时得到被探测物体20沿电极排布方向运动的位移和速度信息。

在本实施例的其他实施方式中，摩擦层60、第一电极层201和第二电极层202还可以有其他图形化的结构，参见图7，图形化的第一电极层201由三个相同的扇形子电极按照中心对称分布，并且通过导线或者电极层材料连接形成图形化电极层；图形化的第二电极层202也由三个相同的扇形子电极按照中心对称分布，并且在对称中心处连通。摩擦层60同样由三个相同的扇形子摩擦层按照中心对称分布在对称中心70处连接固定。两个图形化的电极层可以通过填充介质41隔离。将摩擦层60粘贴固定在被探测物体上，这种结构的传感器可以传感做圆周运动的被探测物体的运动，当带电的被探测物体围绕对称中心做圆周运动，带动表面带电的摩擦层60的每个子摩擦层交替靠近第一电极层201和第二电极层202，由于静电感应，连接在第一电极层与第二电极层之间的电信号检测装置30上会有电流流过。除图7中的三个扇形形成的中心对称图形外，还可以为其他现状的中心对称图形。

图形化的第一电极层与图形化的第二电极层的图形优选为互补形状。为了提高发电效率，优选图形化的第一电极层和第二电极层均为规整的周期性结构，并且每个周期性重复单元的尺寸和形状相同。

将第一电极层和第二电极层设置为单元周期较小的图形化结构，并且在被探测物体上设置具有相同周期性结构的摩擦层，被探测物体移动较小的距离，即可在两个电极层之间产生相当的电荷转移，能够提高传感器的分辨率。

对于传感单元中第一电极层和第二电极层的材料及尺寸，可以参照前面几种典型传感器进行选择，同时也可以包括隔离层50和/或填充介质40，在此不再赘述。

对于传感器还包括隔离层的情况，摩擦层60还需要与隔离层进行接触后相互分离或者相互滑动，使摩擦层60的表面带有由摩擦/接触产生的电荷。

摩擦层60的材料应该选择与传感单元中第一电极层和第二电极层以及隔离层的材料得失电子能力差大的材料，摩擦层的材料可以在隔离层的可选材料中选择，优选为绝缘体材料。在实际器件制备过程中，可以根据材料的得失电子能力进行合适的选择。

可以通过物理或化学改性，使摩擦层60的需要通过摩擦带电的表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构，以增加摩擦层60持有表面电荷的密度。

本实施例中，表面带有电荷的摩擦层与被探测物体组成整体的移动即为实施例一、二和四中带有电荷的被探测物体移动；被探测物体与摩擦层组成整体的电荷中心即为实施例一、二和四中被探测物体的电荷中心。

第四实施例

本实施例提供的传感器包括多个传感单元，参见图8a，一种典型的包括多个传感单元的传感器，包括依次排列的2个以上传感单元，每个传感单元由一个第一电极层201和与之配合的一个第二电极层202组成，第一电极层201和第二电极层202分隔设置，每个传感单元中的两个电极层连接在一个电信号检测装置30。当带电的被探测物体移动使的电荷中心依次与传感单元的第一电极层201和第二电极层202靠近，在电信号检测装置30上检测到电信号。被探测物体移动到不同的传感单元时，相应的电信号检测装置30检测到电信号，这种结构的可以用于检测被探测物体的移动位置以及移动速度等信息。

对于传感单元中第一电极层和第二电极层的材料及尺寸，可以参照前面几种典型传感器进行选择，同时也可以包括隔离层50和/或填充介质40，在此不再赘述。需要说明的是，多个传感单元可以相同也可以不同。对于多传感单元并联的情况，参见图8b，优选多个传感单元相同；而对于每个传感单元均与同一个电信号输出端80电连接的情况（参见图8b），则可以根据需要使用不同材料或尺寸的第一电极层和第二电极层，使得被探测物体与某些传感单元靠近时，能够产生不同的电信号，以满足对于某些特殊位置的传感需要。

在实际应用中，为了实现大规模的收集能量和进行物体移动传感，可以增加传感单元的数目，并且传感单元的输出电信号进行整流，就可以将产生的电流进行存储备用。

多个传感单元的相对位置可以根据实际需要进行设计，一般与被探测物体20的移动轨迹相匹配，既可以所有传感单元都位于同一平面上，也可以位于不同平面上，还可以位于相同或不同的曲面上。

应用本实施例的传感器进行传感的被探测物体的电荷既可以是预先带上，也可以是通过与传感单元的摩擦带上。如果预先带电，则该传感器的工作原理与图1所示的相同；如果被探测物体通过与传感单元摩擦带电，则被探测物体初次与一个传感单元发生接触的过程如图2所示，此后由于被探测物体为非导电材料，其上带有的表面接触电荷能够长时间的持有，因此再与其他传感单元进行靠近和远离的动作时，传感器的工作原理就呈现图2所示的情况。

在实际应用时，可以将上述2种方法综合起来使用，即部分传感单元连通构成图形化的第一电极层和第二电极层，而另一部分传感单元是分立的，传感单元之间通过并联或串联的方式连接，以满足不同的传感需要。

第五实施例

实施例一、二和四中，对于被探测物体20自身不带有电荷的情况，并且与传感单元中的电极层或者传感器中的隔离层50进行接触后相互分离或者相互滑动也很难使被探测物体20表面带有由摩擦/接触产生的电荷的情况，传感器还可以包括一个摩擦层，参见图8a和图8b，摩擦层90通过粘贴等方式固定在被探测物体20的表面，当被测探物体20带动该摩擦层90的下表面与传感单元中的电极层表面接触/滑动时，两者之间的相互接触摩擦会使得二者表面带有异号等量的摩擦电荷。在后面的检测过程中，由于摩擦层90下表面上静电荷可以保持很长时间，被探测物体20可以继续在电极层表面接触滑动，也可以在垂直高度上离开一定距离而利用非接触滑动实现传感。

摩擦层90下表面为需要通过摩擦使其带有电荷的表面。摩擦层90下表面与传感单元中的电极层101或者102进行接触后相互分离或者相互滑动，使摩擦层90的下表面带有由摩擦/接触产生的电荷，从而使得被探测物体20与摩擦层90组成的整体带有电荷，其电荷中心为摩擦层表面所带电荷的中心。

对于传感器还包括隔离层的情况，摩擦层90还需要与隔离层进行接触后相互分离或者相互滑动，使摩擦层90的下表面带有由摩擦/接触产生的电荷。

摩擦层的材料应该选择与传感单元中第一电极层和第二电极层以及隔离层的材料得失电子能力差大的材料，摩擦层的材料可以在隔离层的可选材料中选择，优选为绝缘体材料。在实际器件制备过程中，可以根据材料的得失电子能力进行合适的选择。

摩擦层的形状，可以根据传感单元中两个电极层的形状进行选择，优选的，摩擦层的形状和尺寸与第一电极层或第二电极层的形状和尺寸相同。摩擦层的下表面，可以通过物理或化学改性，使摩擦层的部分或全部下表面分布有微米或次微米量级的微结构，以增加摩擦层持有表面电荷的密度。

本实施例的传感器，可以应用在被探测物体20与传感器接触的表面为导体或者不规则表面，以及能够产生的互相接触的表面较小的情况，拓展了传感器的应用范围。

本实施例中，表面带有电荷的摩擦层与被探测物体组成整体的移动即为实施例一、二和四中带有电荷的被探测物体移动；所述被探测物体与摩擦层组成整体的电荷中心即为实施例一、二和四中被探测物体的电荷中心。

在本发明的技术启示下，本发明提供的传感器的各实施例可以互相引用。

本发明还提供一种基于静电感应的传感方法，该方法可通过上述任意一款传感器来实现，具体包括如下步骤：

提供分隔放置的第一电极层101和第二电极层102，并将两个电极层进行电连接；

带电的被探测物体移动，使电荷中心相对于两个电极层中的一个远离而相对于另一个靠近；被探测物体与两个电极层之间的静电感应使所述第一电极层和第二电极层之间形成电荷流动。

其中，被探测物体所带的电，既可以是在靠近或者接触第一电极层101之前预先带有，也可以通过与第一电极层101或第二电极层102接触摩擦后再分离所带有。

下面介绍一个具体实施例

在一个聚丙烯酸酯的基板上通过沉积的方式，制备2个尺寸为7cm×5cm的矩形Al薄膜作为电极层，两个电极层之间的距离为0.1cm，并且通过导线将两个电极层与电流表相连，形成传感器。将聚全氟乙丙烯（FEP）薄膜裁剪成7cm×5cm的矩形，并将其固定在相同尺寸的聚丙烯酸酯基底表面，并粘附于被探测物体靠近电极层的表面。为了提高其表面电荷的持有密度，通过电感耦合等离子法FEP的表面制造纳米棒。将被探测物体面朝电极层放置，二者的垂直间距为5mm。向被探测物体施加水平方向的外力，使其交替靠近两个电极层，此时电流表上显示有电流输出。图10给出了该传感器连续工作约20000个周期，而输出（单次运动转移电荷量）不发生改变的电信号谱图。

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 (30)

1.一种基于静电感应的传感器，其特征在于，包括传感单元，所述传感单元由一个第一电极层和与之配合的一个第二电极层组成，所述第一电极层和第二电极层分隔设置并且互相电连接；

当带有电荷的被探测物体移动，使被探测物体的电荷中心相对于所述传感单元的两个电极层中的一个远离而相对于另一个靠近，所述被探测物体与两个电极层之间的静电感应使所述第一电极层和第二电极层之间形成电荷流动。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层之间的分隔距离为0.1mm-5cm。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述第一电极层和/或第二电极层不与所述被探测物体接触。

4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述被探测物体的带电表面与所靠近的电极层表面之间的垂直间距远小于所述被探测物体从一个电极层移向另一个电极层的距离。

5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述垂直间距小于5cm。

6.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述传感单元与所述被探测物体接触或滑动摩擦。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述传感单元与所述被探测物体发生接触或滑动摩擦的表面进行物理或化学改性，使其表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构。

8.如权利要求1-7任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一电极层与被探测物体接触或靠近的表面，和第二电极层202与被探测物体接触或靠近的表面形状和尺寸相同。

9.如权利要求1-8任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层的尺寸和形状相同或不同。

10.如权利要求1-9任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层处于同一个平面或曲面上。

11.如权利要求1-10任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层之间的空隙中填有填充介质。

12.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述填充介质为下列材料中的一种或者几种：聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯聚氯醚、聚偏二氯乙烯和聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、不导电的液体、不导电的气体和真空。

13.如权利要求1-12任一项所述的传感器，其特征在于，还包括隔离层，所述第一电极层和/或第二电极层的上表面贴合在所述隔离层的背面，被探测物体的带电表面依次向背面贴合有第一电极层的隔离层的部分上表面、以及背面贴合有第二电极层的隔离层的部分上表面靠近或者接触。

14.如权利要求13所述的传感器，其特征在于，所述隔离层为绝缘材料。

15.如权利要求13或14所述的传感器，其特征在于，所述隔离层为分立结构或一体结构。

16.如权利要求13-15任一项所述的传感器，其特征在于，所述隔离层完全覆盖第一电极层和第二电极层的上表面。

17.如权利要求13-16任一项所述的传感器，其特征在于，所述隔离层的上表面全部或部分设置有微米或次微米量级的微结构。

18.如权利要求1-17任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一电极层为图形化电极层；和/或，所述第二电极层为图形化电极层。

19.如权利要求18所述的传感器，其特征在于，所述图形化的第一电极层与第二电极层为互补图形。

20.如权利要求18或19所述的传感器，其特征在于，所述图形化为周期性结构，或者为中心对称结构。

21.如权利要求20所述的传感器，其特征在于，所述周期性结构的重复单元的尺寸和形状相同。

22.如权利要求1-17任一项所述的传感器，其特征在于，包括2个或2个以上所述传感单元。

23.如权利要求22所述的传感器，其特征在于，2个或2个以上所述传感单元并联或串联。

24.如权利要求22或23所述的传感器，其特征在于，多个传感单元的相对位置与所述被探测物体的移动轨迹相匹配。

25.如权利要求1-24任一项所述的传感器，其特征在于，还包括摩擦层，所述摩擦层固定在所述被探测物体的表面，当所述被探测物体带动所述摩擦层的表面与传感单元中的电极层表面接触/滑动时，使得摩擦层的表面带有电荷并且跟随被探测物体同步运动；

所述带有电荷的被探测物体移动，具体为，表面带有电荷的所述摩擦层与所述被探测物体组成的整体移动；所述被探测物体的电荷中心，具体为，所述被探测物体与摩擦层组成整体的电荷中心。

26.如权利要求25所述的传感器，其特征在于，所述摩擦层的材料为绝缘体或者半导体。

27.如权利要求25或26所述的传感器，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层具有周期性结构，所述摩擦层具有周期性结构，并且所述摩擦层的周期单元与所述第一电极层和/或第二电极层的周期单元的尺寸和形状均相同。

28.如权利要求25-27任一项所述的传感器，其特征在于，所述摩擦层的需要通过摩擦带电的表面部分或全部分布有微米或次微米量级的微结构。

29.一种基于静电感应的传感方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供分隔放置的第一电极层和第二电极层，并将两个电极层进行电连接；

带电的被探测物体移动，使电荷中心相对于两个电极层中的一个远离而相对于另一个靠近；被探测物体与两个电极层之间的静电感应使所述第一电极层和第二电极层之间形成电荷流动。

30.如权利要求29所述的传感方法，其特征在于，被探测物体通过与第一电极层或第二电极层接触摩擦后再分离所带有电荷。