CN112840552A

CN112840552A - 摩擦电传感器和控制系统

Info

Publication number: CN112840552A
Application number: CN201980067488.0A
Authority: CN
Inventors: 李正国; 石琼锋; 陈涛
Original assignee: National University of Singapore
Current assignee: National University of Singapore
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2039-10-14
Also published as: WO2020081007A1; US20210404844A1; CN112840552B; US11965755B2

Abstract

一种摩擦电传感器，包括：基板；设置于所述基板内或所述基板上的至少一个栅格结构；和用于收集摩擦电荷的至少一个电极，所述摩擦电荷是由于物体在所述基板的表面上滑动而产生的；其中所述至少一个栅格结构被配置成使得能够从通过所述物体越过所述栅格结构的至少一部分而产生的信号中来检测所述物体的运动。

Description

摩擦电传感器和控制系统

技术领域

本申请广泛地涉及一种摩擦电传感器，并且涉及一种包括一个或多个摩擦电传感器的控制系统。

背景技术

可穿戴式传感器最近在各种应用中引起了极大的兴趣，例如在医疗保健和游戏控制方面的触觉感测和压力感测。

许多这样的传感器的局限性在于它们需要外部电源。因此，最近的研发方向是开发一些基于摩擦电纳米发电机(TENG)的自供电传感器。TENG是一种能量收集装置，其通过组合摩擦电效应和静电感应将外部机械能转化为电能。在TENG中，由于摩擦电效应产生的电势是由于在表现出相反的摩擦极性的两种材料之间发生了电荷转移。

TENG可以在无需使用外部电源的情况下用作有缘传感器来检测压力变化，因此有可能被用作自供电的触觉传感器。TENG的另一个优点是可以避免在包括它们的装置中使用复杂的电路。

触觉传感器阵列也已针对各种应用进行了研究。例如，X.Wang等人(Adv.Mat.2018，30，1706738)先前已经提出了使用PDMS和银纳米纤维电极制造柔性可拉伸的8×8摩擦电传感器阵列。X.Wang等人展示的摩擦电触觉传感器阵列可以用于当用户在阵列上绘制迹线时从与阵列的8×8像素关联的64个电极的输出中提取和检测轨迹信息。然而，对于触觉传感器而言，增加的分辨率和更多的定位目标意味着增加的感测单元和电极端子的数量，这又意味着增加的成本和电极信号提取的额外困难、信号干扰的增加以及数据处理的更大困难。

为了解决该问题，已经提出了简化的触觉传感器结构，由此可以通过来自两对电极的输出比来确定接合在触觉传感器表面上的指尖的位置。然而，该提出的触觉传感器的工作机制取决于在单个触摸点处的接触分离，这意味着在每次单独接合之后用户的指尖必须与触觉传感器表面分离以便能够检测触摸位置。显然，通过这种方法不可能检测到移动物体或指尖绘制的2D图案的连续2D轨迹。

对于某些应用，例如机器人技术或无人驾驶车辆的控制，必须在三个维度上实现运动和位置控制。先前提出的触觉传感器未能充分解决该问题。

希望克服或减轻上述困难中的一个或多个，或者至少提供一种有用的替代方案。

发明内容

本文公开了一种摩擦电传感器，包括：

基板；

设置于基板内或基板上的至少一个栅格结构；和

用于收集摩擦电荷的至少一个电极，摩擦电荷是由于物体在基板的表面上滑动而产生的；

其中至少一个栅格结构被配置成使得能够从通过物体越过栅格结构的至少一部分而产生的信号中来检测物体的运动。

在某些实施例中，至少一个电极包括至少一对电极，各个电极对位于基板的相对两侧，并且其中：

至少一个栅格结构包括间隔结构，间隔结构包括多个凸起部分，凸起部分具有恒定的高度，使得当物体碰到凸起部分中的一个时，物体沿基板的表面的传输在基板的表面和物体的表面之间产生电荷分离，并且使得物体的运动参数能够从一对电极的电势的比值得出。

在某些实施例中，摩擦电传感器可以包括两对电极，其中第一对电极沿着第一方向彼此相对布置，并且第二对电极沿着与第一方向正交的第二方向彼此相对布置。

有利地是，提供具有多个恒定高度的凸起部分的栅格结构，结合一对或多对相对的电极，使得能够精确地测量在基板表面上滑动的物体的连续运动。这是因为在栅格结构的设计中已知的位置处物体的滑动运动被凸起部分所中断。由于这种中断而导致的物体与基板之间的电荷分离表现为随时间变化的电压信号，这可用于推断物体的运动。另外，通过使用电势的比值来推断运动参数，使得结果与各个电极处输出的绝对大小无关。

例如，间隔结构可以由树脂材料形成。

在某些实施例中，至少一个栅格结构包括第一电极栅格，第一电极栅格形成在基板上并且被配置为用作在滑动单电极模式下操作的第一摩擦电纳米发电机的输出电极；其中第一电极栅格包括相对于基板的表面沿着不同的各个方向布置的多个不同的光栅结构，使得由于物体沿着不同的各个方向滑动时不同特性的基于摩擦电的输出信号经由第一电极栅格是可检测的。

通过提供单电极栅格来读取物体的滑动运动中的信号，大大简化了读出取电路的设计。

在某些实施例中，至少一个栅格结构包括第二电极栅格，第二电极栅格形成基板的在与第一电极栅格相比的相对侧上并且被配置为用作在滑动单电极模式下操作的第二摩擦电纳米发电机的输出电极；其中第二电极栅格包括相对于基板的表面沿着不同的各个方向布置的多个不同的光栅结构，使得物体沿着不同的各个方向滑动时不同特性的基于摩擦电的输出信号经由第二电极栅格是可检测的。

通过提供第二电极栅格，不仅可以实现平面内运动控制，而且可以实现与传感器连接的装置的附加自由度的控制。

在某些实施例中，至少一个栅格结构包括第二电极栅格，第二电极栅格包括与第一电极栅格的光栅结构相比被不同地被调制的多个不同的光栅结构。相应地，第二电极栅格可以用来控制与第一电极栅格不同的自由度同时仍然构成单电极的一部分，从而简化了信号的读取。第二电极栅格可以和第一电极栅格设置在基板的相同侧，或可以设置在与第一电极栅格相对的一侧上。

在某些实施例中，第一电极栅格的光栅结构关于以下一项或多项彼此不同：光栅元件的数量、光栅元件的宽度，以及光栅元件的顺序；和/或其中第二电极格栅的光栅结构关于以下一项或多项彼此不同：光栅元件的数量、光栅元件的宽度，以及光栅元件的顺序。

在某些实施例中，第二电极栅格的光栅结构与第一电极栅格的光栅结构相比被不同地被调制，并且其中第一电极栅格和第二电极栅格被连接以形成单电极，使得经由单电极能够检测到不同特性的基于摩擦电的输出信号。

摩擦电传感器可以包括形成在第一电极栅格和/或第二电极栅格上方的覆盖层。

在某些实施例中，基板是柔性的。

电极可以由导电聚合物材料形成。例如，导电聚合物材料可以包括水凝胶PDMS弹性体。

本文还公开了一种包括运动控制界面的摩擦电控制系统，运动控制界面包括至少一个本文所公开的摩擦电传感器。

运动控制界面可以包括另外的摩擦电传感器，另外的摩擦电传感器被配置为检测单个方向上的运动，使得由摩擦电传感器和另外的摩擦电传感器检测到的运动能够转换成三维中的运动控制信号。

另外的摩擦电传感器可以包括在每个端部处具有电极的细长基板。细长基板可以由弹性材料形成。例如，弹性材料可以为硅橡胶。

摩擦电控制系统可以包括：

信号获取模块，用于从摩擦电传感器和另外的摩擦电传感器(如果存在)中获取检测到的运动数据；和

驱动器，其与信号获取模块通信并且被配置为根据检测到的运动数据将控制信号传输至机器以使机器的至少一部分在二维或三维中运动。

附图简要说明

现在将仅通过非限制性示例的方式，参照附图描述根据本教导的摩擦电传感器和摩擦电控制系统的一些实施例，其中：

图1示出了：(a)包括附接到用户的手臂的2D摩擦电传感器贴片和附接到用户的手腕和手指的1D摩擦电传感器贴片的摩擦电控制系统的实施例；(b)2D摩擦电传感器贴片的实施例的俯视图；(c)1D摩擦电传感器贴片的实施例的俯视图；(d)2D摩擦电传感器贴片的实施例的工作原理示意图；(e)对图1(d)的接触过程的静电分析；(f)图1(b)传感器贴片的电极3(E3)和电极1(E1)的电压比随电荷位置的变化而变化，以及电极4(E4)和电极2(E2)的电压随电荷位置的变化而变化；

图2示出了基于TENG的HPE电极的工作机制以及电极的电特性；

图3示出了摩擦电控制系统的实施例的框图；

图4示出了摩擦电传感器的各种替代实施例；

图5示出了用户佩戴的摩擦电传感器的实施例的操作特性；

图6是根据图4的实施例的摩擦电传感器的操作原理的示意图；

图7示出了来自摩擦电传感器的实施例的输出信号；

图8示意性地示出了用于3D控制的摩擦电传感器的实施例的使用，以及在使用期间产生的输出信号；

图9示出了摩擦电控制系统的另一实施例的框图；

图10示出了摩擦电控制系统在无人机的3D运动控制中的使用；

图11示出了摩擦电控制系统的另一实施例；

图12示出了由图11的摩擦电控制系统的传感器产生的信号；

图13示出了摩擦电传感器及其产生的信号的实施例；

图14示出了摩擦电传感器及其产生的信号的另一实施例；

图15示出了摩擦电传感器及其产生的信号的又一实施例；

图16示出了摩擦电传感器及其产生的信号的又一实施例；

图17示出了来自图1(b)的摩擦电传感器的测试结果；

图18示出了图1(b)的摩擦电传感器的电压和位移随时间的变化；

图19示出了来自实验的电压测量，实验中用户的手指轻敲图1(c)的摩擦电传感器；

图20示出了由图3的系统控制机器人执行各种任务期间的电压曲线；

图21是基于碳水化合物的弹性体的制造方法的示意图，该弹性体用于图1(b)或图1(c)的摩擦电传感器的电极；

图22是通过图21的方法制造的电极的电流随时间变化的曲线图；

图23是由图1(b)的传感器检测到的位置的曲线图；

图24示出了图1(c)的传感器的稳定性测试结果；

图25示出了图1(b)的传感器的长期稳定性测试结果；

图26示出了图5的传感器的能量收集结果；

图27示出了2D摩擦电传感器以及在其使用期间产生的信号的实施例；

图28示出了图7的传感器的能量收集性能；

图29示出了在优化摩擦电传感器的电极间距的过程中的测试结果；

图30示出了具有根据L/S编码配置的栅格的摩擦电传感器以及在其使用期间产生的信号的实施例；

图31示出了图30的传感器的能量收集性能；

图32示出了图12的传感器的网格控制图案的测试结果；

图33示出了柔性可拉伸传感器及其产生的信号的示例；

图34示出了用于优化摩擦电传感器的电极间距的另一过程中的测试结果；

图35示出了具有根据L/S编码配置的栅格的传感器以及在其使用期间产生的信号的实施例；

图36示出了具有根据0/1编码配置的栅格的传感器的滑动速度变化的公差；

图37示出了由图12的传感器产生的信号的峰到峰持续时间；

图38示出了具有按照0/1编码配置的栅格的摩擦电传感器作为计算机的界面的应用；以及

图39示意性地描绘了根据某些实施例的制造摩擦电传感器的过程。

具体描述

本公开的实施例涉及一种摩擦电传感器，该摩擦电传感器包括：基板；设置于基板内或基板上的至少一栅格结构；以及用于收集物体在基板表面上滑动而产生的摩擦电荷的至少一个电极。该至少一个栅格结构被构造成使得可以从通过物体在栅格结构的至少一部分上越过而产生的信号来检测该物体的移动。

栅格结构本身可以是至少一个电极，或者在具有多于一个的实施例中是电极中的一个。因此，当物体(例如用户的手指)在基板的表面上滑动时，与传感器接触或电连通的栅格结构或电极可用于测量由滑动运动产生的与时间有关的信号，以及与时间有关的信号的一个或多个参数，该一个或多个参数可以用来推断物体相对于基板位置和运动方向。例如，这些参数可以包括锋的数量、它们的相对位置、它们的相对幅值，或从锋的形状导出的其他参数。

如本文所使用的，“栅格”是指被连接的一组规则或不规则的线，以形成沿着表面在二维上延伸的网格或网。线可以是直的或弯曲的。可以根据线之间的间隔、它们的厚度和/或它们相对于栅格的其他部分的线所布置的角度来调制栅格的各部分。

图1以示意性形式示出了摩擦电传感器10的第一实施例。摩擦电传感器10适于检测2D运动(在本文中也称为2D传感器)。传感器10可以是贴片或垫片的形式，并且可以形成如图1中(a)和3所示的摩擦电控制系统的一部分，该控制系统还包括另一个适用于检测一维运动的传感器12(在本文中也称为1D传感器)。1D传感器12也可以是摩擦电传感器。

如图1中(b)所示，摩擦电传感器10包括基板20，在基板20上分别布置有两对电极E1、E3和E2、E4。在一些实施例中，电极E1-E4可以被嵌入在基板20中。

电极E1和E3分别位于基板20的相对侧10a和10c。同样，电极E2和E4分别位于基板20的相对侧10b和10d。第一对电极E1和E3沿着图1中(b)中由x表示的第一方向彼此相对地布置，并且第二对电极沿着由y表示的第二方向彼此相对地布置，其中第二方向与第一方向不同，例如与第一方向正交。

在基板20的上表面20a上还布置了栅格结构22。栅格结构22布置在电极E1、E2、E3和E4之间的基板上。在图1中(b)所示的示例中，栅格结构是直线栅格，其具有沿着第一方向排列的第一多条规则间隔的栅格线22h以及沿着第二方向排列的第二多条规则间隔的栅格线22v。

基板20可以是柔性的，从而使其例如可以适合于附接到使用者的肢体，使得基板20的表面如图1中(a)所示符合使用者的肢体的轮廓。另外，电极E1-E4和栅格结构22可以是柔性的。

电极E1-E4被布置成当诸如用户的手指F之类的物体在表面20a上滑动使得物体越过栅格22的至少一部分时收集在基板20的表面20a处产生的摩擦电荷。为此，如将在下面进一步详细描述的，电极E1-E4可各自连接至外部电路，用于测量由用户的手指F的滑动运动产生的信号。

栅格结构22为间隔结构，该间隔结构包括在基板20的表面20a上方高度基本相等的多个凸起部分。在图1所示的实施例中，栅格线22v和22h是该凸起部分。当手指F碰到凸起部分22v或22h之一时，使用者的手指F沿着表面20a并在间隔结构22的凸起部分(栅格线)22v、22h上的传输以下面将更详细描述的方式在基板表面20a和手指F的表面之间产生电荷分。电荷在各个电极E1-E4处收集，并且成对的电极(E1、E3)和电极(E2、E4)的电势可用于推断用户手指F的运动参数。

柔性基板20可以由具有良好拉伸性的硅橡胶制成。基板20用作摩擦层，以滑动或接触的方式与物体接触以产生摩擦电荷。栅格22可以是由树脂形成的层，并且例如可以通过3D打印沉积在基板20上。为此，可以使用任何合适的3D可打印树脂，例如聚酰胺(PA)树脂11，以将栅格22施加到基板20上。栅格22的材料不限于树脂，并且可以使用其他材料，只要它们与要在传感器10上滑动的物体(例如，手指)之间没有表现出强烈的摩擦电效应即可。栅格材料可以具有与基板20相似的柔性度。例如，如果基板20是柔性的以使得传感器10可以如图1中(a)所示地被穿戴，则栅格22的材料也应当是柔性的。

基板20的边缘上的电极E1-E4可以由基于浆粉的水凝胶PDMS弹性体(HPE)制成，即由基于浆粉的水凝胶和PDMS的混合物制成。可以通过在60℃下将玉米浆粉溶解在电解液中来获得基于浆粉的水凝胶，并且可以将所得的基于浆粉的水凝胶保持在60％的相对湿度(RH)下。

与2D传感器10类似，图1中(c)所示的1D传感器12包括柔性基板24，并且在其相对端具有相应的电极E1′和E2′。柔性基板24可以与基板20一样由硅橡胶形成。电极E1′和E2′也可以是柔性的。例如，电极E1′和E2′可以与电极E1-E4一样由HPE形成。

转到图1的(d)，现在将描述2D传感器10的操作原理。在图1的(d)中，电极E1连接到负载电阻器R1，电极E3连接到负载电阻器E3。操作模式从手指F和栅格结构22的凸起部分22v的顶部之间的单个接触开始。当手指F向右滑动时，手指F从如图1中(d)-I所示的凸起部分22v的顶部接近基板20的表面20a。由于皮肤和基板材料(例如硅橡胶)之间的功函数差异，具有不同电子亲和力的两个介电表面之间的物理接触会在各个表面上产生相反的电荷。手指的表面上存在正电荷，而基板20的表面22a上存在负电荷。当手指F经过凸起部分22v并接近表面20a时，手指F上的正电荷逐渐平衡表面20a上的负电荷。因此，不同量的电荷被迫使经由相应的电阻器R1和R3从每个电极端子E1和E3流到地，从而在手指F接近表面20a上的第一接触点20a1时产生电流。当手指F接触基板20的表面20a(图1中(d)-II)时，电场被限制在手指表面和基板20之间的空间中，因此电极(E1、E3)电压不会受到接触点20a1处的电荷的影响。当手指F从表面20a分离并远离基板20上的第一接触点20a1足够远时(图1中(d)-III)，基板20的表面20a上的负电荷将在电极端子(E1、E3)上感应出相反的电荷。因此，在手指F移开时，将形成从地到每个电极端子的大小不同的电流。当手指F到达栅格结构22的下一个凸起部分22v的顶部时，就达到了电极E1和E3上的最大电荷(图1中(d)-IV)。当手指F越过栅格22并接近表面20a上的第二接触点20a2时(图1中(d)-V)，两个电极端子E1、E3上的电荷将被排斥并被迫流向地面。因此，将形成负电流，并且当手指横穿栅格22时重复上述过程和现象。基于四个电极E1-E4的不同电流和电压输出，可以确定接触的位置。由于栅格22的构造方式，手指F在传感器表面20a上的连续滑动轨迹和运动通过连续的像素位置被记录，因此可以推断出手指F的运动参数(轨迹、速度和加速度)。

手指F的位置相对于电极对(E1、E3)和(E2、E4)随时间的变化可以根据各个电极对的电势之比(即(V_E1/V_E3)和(V_E2/V_E4))来确定。这在图1(e)中示出。在手指沿着装置表面滑动或触摸的过程中，相对电极上的电场会相应地变化。

假设地和无穷远处的电势为0V，则点电荷的电势可以写为：

其中Q为电荷量，r为到点电荷的距离，k为库仑常数。

假设两个相对电极(E1和E3)之间的距离为l。在与硅橡胶表面接触后，带+Q电荷的手指从硅橡胶表面移开距离h。硅橡胶表面上的接触点相应地带有–Q电荷。如果触摸点和E1之间的距离是x，则触摸点和E3之间的距离是l-x。因此，E1和E3的电势(V_E1和V_E3)可以表示为：

然后它们的比可以推导为：

如果l和h保持恒定，则该比率仅取决于触摸点位置，即x。更重要的是，该比率与电荷量无关，这使得传感器10或传感器12即使在不同的接触力和相对湿度下也可以用于稳定可靠的位置感测。V_E2和V_E4之间的关系可以使用相同的过程来获得。由于栅格结构22的凸起部分22h、22v在表面20a上方具有基本相同的高度，因此距离h是恒定的。

出于仿真目的，将h设置为1.5mm，图1中(f)示出了根据电荷位置所得的四电极传感器10的仿真V_E3/V_E1和V_E4/V_E2。结果显示出良好的单调性，这对于准确推断触摸位置特别重要。

与2D传感器10类似，根据上面概述的原理，1D传感器12可以用于根据电极电势之比V_E2′/V_E1′来检测用户手指的位置。例如，如图1的(a)中的A所示，如果基板24的端部附接到用户的手腕和手指，当用户在基板24的表面上相对于使用者的手腕不变的一点处敲击时，用户可以伸出他或她的手指以改变传感器12的长度，该长度对应于沿着轴线限定的位置，从而改变电势比。

电极E1-E4和E1′-E2′可以附接到它们各自的基板20和24的表面。或者，它们可以嵌入在基板20和24中。例如，HPE电极可以在制作传感器10或传感器12期间被包裹在硅橡胶中。当手指与基板20或24的硅橡胶接触时，由于手指和硅橡胶的不同电子亲和力，在界面处会发生接触带电。HPE具有导电性，并且流经HPE的电流反映了外部电场的变化。图2中(b)和(c)分别显示了当用户的手指轻触基板24时HPE-硅橡胶装置的开路电压和短路电流。

如上所述，可以将2D摩擦电传感器10和1D摩擦电传感器12用作摩擦电控制系统的一部分，例如图3所示的系统30的一部分。传感器10的电极E1-E4和传感器12的电极E1′-E2′的输出可以连接到检测单元32以用于测量和预处理来自传感器10、12的信号。具体地，可以通过检测单元32的信号获取模块32a来捕获来自各个电极E1-E4和E1′-E2′的模拟信号。滤波和放大模块32b可以从信号获取模块32a接收所获取的信号，并且执行某些信号处理操作，例如应用低通滤波器以去除噪声，然后放大滤波后的信号。经滤波和放大的信号然后被馈送到ADC 32c，并且可以被输出到外部计算装置34以进行分析。在一些实施例中，检测单元32可以具有用于分析来自ADC 32c的输出信号的机载处理能力。

计算装置34与驱动器单元36通信，该驱动器单元36用于诸如机器人38之类的机器。驱动器单元36被配置为从计算装置34接收命令信号，以引起机器人38的一个或多个组件的运动。在一个示例中，受控制的机器人38是KUKA AG的带有相应的KSP600驱动器的工业机器人，KSP600驱动器可用于控制机器人38的不同电机以使其执行不同的运动。

计算装置34从各个电极接收处理后的信号，并确定2D传感器10的电势比V_E3/V_E1和V_E4/V_E2。这些电势比指示了用户的手指F在传感器10的表面20a上的位置，即在传感器10的平面中的坐标(x，y)。因此，通过跟踪随时间变化的(x，y)位置，计算装置34可以推断用户手指的运动参数，例如速度和运动方向，并将其转换为命令信号，该命令信号将被提供给驱动器单元36以引起机器人38(的部分)在平面内的运动。

计算装置34还可以确定电势比V_E2′/V_E1′，其指示了用户的手指F沿着1D传感器12的位置。计算装置34可以跟踪随时间变化的位置并将其转换为命令信号，该命令信号被提供给驱动器单元36以引起机器人38(的一部分)在平面外的运动(例如，沿垂直方向的运动或旋转)。

现参考图4，示出了摩擦电传感器的一些替代实施例。在图4的每个传感器中，单个电极被设置为在基板内或基板上的栅格结构。栅格的格状结构被配置为当诸如用户的手指之类的物体在基板上滑动并横穿栅格时在不同的各个方向上产生不同的特征信号。因此，栅格结构本身用于输出信号。

图4中描绘的实施例每个都提供了摩擦电纳米发电机(TENG)，该摩擦电纳米发电机(TENG)具有使用图案化栅格或光栅设计的单个电极输出，以用于多方向的2D和3D感测和控制。有利地，实施例提供了一种装置，其中一个电极可以基于所生成的信号的输出锋来实现多方向感测和控制，该输出锋不依赖于输出信号的绝对幅值，因此对于不同的使用场景和不同的用户是鲁棒的。例如，方向的感测可以是基于信号中的数字、锋的相对位置和/或相对幅值。根据示例性实施例的装置包括具有不同的光栅结构(例如，不同数量的光栅元件，不同宽度的光栅元件等)的电极栅格设计，该不同的光栅结构沿着不同方向布置并被配置成例如正方形、多边形或圆形以用于多方向的感测和控制。在这些实施例中，所有的光栅结构被连接在一起并且在基于摩擦电的滑动单电极模式下操作。

在根据示例性实施例的电极栅格设计中，电极栅格可以直接形成在基板上以提供未覆盖的设计，或者可以形成在基板上并进一步覆盖有介电层(例如，没有任何图案的薄层，或与光栅电极具有相同图案的层)。

对于根据未覆盖设计的实施例，接触物体可以由负电性材料制成。对于覆盖设计，如果覆盖层由正电性材料形成，则优选地将负电性材料用于接触物体以使输出性能最大化。如果采用负电性材料作为覆盖层，则优选地将正电性材料用于诸如人的手指之类的接触物体。

在示例性实施例中，电极栅格可以由诸如金属的正电性材料制成。在其他示例性实施例中，电极栅格可以包括由负电性材料制成的光栅结构以及导电路径以从负电性材料收集摩擦电荷。

由于精妙的结构设计和操作机制，有利地仅需要一个电极用于根据示例性实施例的平面内2D控制。

此外，根据示例性实施例，制造在诸如纸或卡的(例如)薄基板的两侧上的两个电极可以在自由空间中实现3D控制。

如图4所示，具有变化的电极数量或电极宽度的光栅结构可以被配置成根据不同实施例的电极栅格设计，以在基于摩擦电的滑动单电极模式下在2D空间中实现多方向控制，例如方形四向设计100、102(图4中(a)、(b))、圆形四向设计104(图4中(c))、具有变化的电极数量的八向设计106(图4中(d))，以及具有变化的电极宽度和数量的八向设计108、110(图4中(e)、(f))。通常，光栅结构可以在以下一项或多项中彼此不同：光栅元件的数量、光栅元件的宽度以及光栅元件的顺序。至少一些光栅元件可以是非直线的，例如在传感器104、106和108中是弓形的，其中光栅元件从相应传感器的中心向外辐射。

在一些实施例中，可以提供接触垫120作为电极100、102或104的一部分，以促成电极100、102或104到外部电路的连接。

图5示出了根据示例性实施例的四向装置200，以用于2D运动感测和控制。具体地，如图5中(a)、(b)、(c)所示，装置200包括连接的Al电极栅格202，该Al电极栅格202制造在PET基板204上并且在顶部上具有介电PTFE薄膜覆盖层206。电极栅格202在由箭头1至4指示的各个方向上包括不同的光栅结构211至214。电极栅格202可以具有接触垫部分220。光栅结构211至214的栅格线数目上不同。例如，光栅结构212包括2条栅格线，而光栅结构214包括4条栅格线。

装置200的操作机制是基于PTFE覆盖物206的表面与活动的滑动物体(例如人的手指)之间的接触带电和静电感应。在操作中，在彼此接触之后，PTFE覆盖物206的表面带负电，而手指带正电。然后，当手指以恒定的速度沿特定方向滑过(即滑入和滑出)一个光栅结构(例如电极栅格202的211)时，手指上的正电荷平衡PTFE覆盖物206的表面上的负电荷，从而引起电势差，从而在外部电路中产生输出信号。因此，当手指滑过电极图案的相应光栅结构时，产生具有锋的特征数/结构的输出信号。根据示例性实施例，已经表征了由手指执行的三种不同的滑动速度，即，慢速(约38.0mm/s)，正常(约97.4mm/s)和快速(约152.0mm/s)。示出了用支撑在桌子上(图5中(d)、(e)、(f))和在人手上(图5中(g)、(h)、(i))的装置200来获得的各个信号。在测量过程中，每次抬起手指并移回中心。当手指没有滑过特定图案时(无论是在表面上还是在空中)，信号为0。因此，如曲线图中所示，在两次滑动之间测得了0电平。

参照图6中(c)可以进一步理解装置200的操作原理。在图的6(c)中，以电极202的两个光栅元件202a、202b为例。所有的光栅元件都连接在一起以形成电极202，并连接到外部电阻负载R。在戴有丁腈手套的手指与PTFE 206接触之后，由于两种材料的不同电子亲和力，电子从丁腈手套在界面处注入到PTFE中。因此，PTFE表面带负电，而丁腈手套表面带正电。然后，当手指在第一光栅元件202a上滑动时，丁腈手套表面上的正电荷平衡PTFE表面上的负电荷，从而引起电势差。因此，电子被驱动从接地流向第一光栅元件202a，从而在外部电路上产生正输出锋302。接下来，当手指滑离第一光栅元件202a时，所产生的电势差消失并且电子流回接地，从而在外部电路上产生负输出锋304。类似地，当手指在第二光栅元件202b上滑动并远离第二光栅元件202b滑动时，产生另一个输出锋306(包括正锋和负锋)。即，当手指在一个光栅元件上滑动时，产生一个输出信号锋。以此方式，可以基于所产生的输出锋的数量来区分具有不同数量的光栅元件的不同方向，例如，当在具有一个光栅元件的方向上滑动时将产生一个输出锋，而在具有两个光栅元件的方向上滑动时将产生两个输出锋，等等。

在另一个示例性实施例中，通过例如在卡的两侧集成两个2D控制装置，如图6中(b)、图7和图8所示可以方便地实现自由空间中的3D控制(x、y、z平移和旋转)。图7中(a)、(b)、(c)分别示出了被支撑在手上的3D控制装置500，以正面图和背面图示出的3D控制装置500。各个手指用于在装置500的正面和背面滑动。图7中(d)显示了当装置500正面上的手指沿着不同的方向(如图8中(a)所示的+/-x方向和+/-y方向)移动时，来自正面2D控制装置单电极502的输出信号501。图7(e)示出了当装置500的背面上的手指沿着不同方向(如图8中(a)所示的+/-x方向和+/-y方向)移动时，来自背面2D控制装置单电极504的输出信号503。图8中(f)示出了当装置500的正面和背面上的两个手指同时沿着不同方向(如图8中(a)所示的+/-x方向和+/-y方向)移动时，来自正面和背面2D控制装置单电极502、504的输出信号505、507。

在示例性实施例中，当两个手指都朝+x或-x方向滑动时，受控物体被编程为在+x或-x方向上相应地移动一个步。图8中(c)显示了当两个手指在+x方向上滑动然后在-x方向上滑动时前面和后面的单电极输出信号600、601。类似地，当两个手指都朝+y或-y方向滑动时，该物体将被编程为在+y或-y方向上相应地移动一步。

图8中(d)示出了当两个手指在+y方向上滑动然后在-y方向上滑动时前面和后面的单电极输出信号602、603。为了控制物体在+z或-z方向上移动，(在正面上的)前面手指连续滑过+x和+y，或者相反地滑过+y和+x。图8中(e)示出了当前面手指在+x和+y方向上连续滑动随后在+y和+x方向上连续滑动时前面的单电极输出信号604。当前面手指向+x方向滑动而后面手指向-x方向滑动时，物体被编程为在+θy方向上旋转一步(如图8中(b)所示)。反向是-θy方向。图8中(f)显示了当前面手指向+x方向滑动而后面手指同时向-x方向滑动，然后前面手指向-x方向滑动而后面手指同时向+x方向滑动时，前面和后面的单电极输出信号605、606。

同样地，当前面手指向+y方向滑动而后面手指向-y方向滑动时，物体被编程为沿-θx方向旋转一步(如图8中(b)所示)，对于+θx旋转来说是相反的方向。图8中(g)示出了当前面手指向+y方向滑动而后面手指同时向-y方向滑动，然后前面手指向-y方向滑动而后面手指同时向+y方向滑动时，前面和后面的单电极输出信号607、608。对于+θz或-θz控制(如图8中(b)所示)，前面手指连续滑过-x和-y，或者相反地滑过-y和-x。图8中(h)示出了当前面手指沿-x和-y方向连续滑动然后沿-y和-x方向连续滑动时前面的单电极输出信号609。

再如，在测量过程中，每次抬起手指并移回中心。当手指不在特定图案上滑动时(无论是在表面上还是在空中)，信号为0。因此，如图表所示，在滑动运动之间测得了0电平。

因此，通过根据示例性实施例的装置500的精妙、轻薄且灵活的卡状设计以及合适的控制策略，可以有利地实现对3D自由空间中物体的操纵。

注意的是，与例如卡状控制器装置500中的两个电极设计相比，也可以在不同的实施例中使用单个电极设计以用于3D控制，其中不同的光栅结构用于例如在卡的每一侧上的电极栅格。然后，可以将两侧的电极连接在一起成为一个单电极，以使用来自(连接的)单电极的适当信号检测来执行3D控制。

图9中(a)示出了用于小型车辆930的摩擦电控制系统900的示例性架构。如图9中(a)所示，控制系统900包括控制侧910和车辆侧920，它们之间带有无线通信。控制侧910包括用于生成控制信号的自供电2D控制贴片200(图5和图6)、将信号转换为方波的处理电路912、根据方波的上升沿和下降沿(一对上升沿/下降沿对应一个锋)对所生成的锋进行计数然后将命令信号发送给无线模块916的微控制器单元(MCU)914，以及，并与车辆侧920通信的无线信号发射器916。电源可以用于处理电路912、MCU 914和无线发射器916的操作，以便检测来自2D控制贴片200的自产生的电压信号。在一些实施例中，由摩擦电传感器200本身产生的能量可以用于给各个组件供电。

在车辆侧920，首先无线信号接收器922将从控制侧910接收的信号发送到另一个MCU924，然后MCU 924将为驱动器电路926生成相应的信号以控制车辆930的移动(即，前进/后退，以及向左/右转)。图9中(c)-(f)描绘了来自2D控制贴片200的摩擦电输出以及在处理电路912之后的方波输出。由于处理电路912的并联连接主要包括比较器电路，所以总的测量阻抗与先前的测量值相比减小了，从而导致了摩擦电输出的绝对值减小并且输出锋的值变化较小。还可以观察到，所产生的摩擦电信号的负锋不太明显。在处理电路912之后，模拟摩擦电输出被转换成可以被MCU 914容易识别到的方波输出。通过在一定时期内对输出锋的数量进行计数，可以清楚地识别每个控制命令并将其发送给控制侧920用于车辆移动控制。

在图10中示出了3D控制卡500用于虚拟无人机的实时控制的使用。如图10中(a)所示，控制系统1000包括用于生成两通道控制信号的3D控制卡500、用于将摩擦电输出转换成方波输出的处理电路1010、用于对两个通道中输出锋的数量进行计数并发送相应的控制命令的MCU 1012，以及用于在接收到控制命令之后生成无人机的相应移动的计算机1014。图10中(b)–(g)描绘了3D控制卡500在其两个表面上的手指操作、在处理电路之后从两个通道生成的信号，以及无人机在具有六个自由度的虚拟空间中的相应移动(向上/向下、向前/向后、向左/向右、水平向左/向右旋转、斜(diagonal)向左/向右旋转，以及垂直向上/向下旋转)。

在其他实施例中，可以使用信息编码来配置栅格结构。在这种类型的配置的第一示例中，可以用大/小电极宽度来对栅格结构进行编码，其中可以通过输出锋的相对幅值来区分输出图案(在此也称为L/S编码)。第二种类型的配置是基于在预定位置处具有带状电极和/或不具有带状电极的信息编码(在本文中也称为0/1编码)。因此，可以从时域中所生成的信号锋的位置来解译输出信号图案。

有利地是，通过使用L/S或0/1编码，可以减少在传感器平面中区分不同方向所需的栅格线的数量，从而实现更紧凑的装置设计。因此，实施例使得能够实现高度可扩展的单电极摩擦电界面，以用于包括3D控制、安全性、VR/AR、人机交互、机器人等的各种应用。

图11中(a)示出了附接在人体手臂1101上的摩擦电传感器1100的示意图。图11中(b)示出了带有L/S编码的传感器1100的示意图，其中所有的栅格线(电极)都连接在一起以形成单个栅格结构电极。从图11中(b)可以看出，装置1100包括具有八个方向的栅格1102，每个方向的特征在于栅格线的不同图案。每个图案在栅格线的数量和各个栅格线的宽度上彼此不同。装置1100可以仅包括三个薄层，例如，共聚酯(Ecoflex)基板、图案化的Al电极1102和聚四氟乙烯(PTFE)摩擦层，类似于装置200，从而提供非常紧凑的装置结构。Al电极1102被埋在基板和摩擦层之间，除了接触垫1104被暴露以将电极1102连接到外部电路之外。

通过L/S编码设计，当在宽度较大的栅格线上滑动时会产生较大的输出锋，类似地，在宽度较小的栅格线上滑动时会产生较小的输出锋。然后，可以分析幅值相对较大和较小的输出锋以解译电极上的编码信息。

带有L/S编码的单电极传感器1100的工作原理在图11中(c)的示意图中示出，并且与图5和图6的传感器200的工作原理相似，不同之处在于：输出锋的高度因栅格1102的栅格线的相对宽度而异。当手指F在第一带状电极(大)的区域上滑动时，由于电势差的产生，那个电极中的大量正电荷被迫流入接地，导致外部电路中出现大的正锋。接下来，当手指F滑出第一带状电极的区域时，迫使大量的正电荷流回电极。然后，在外部电路中会产生较大的负锋。类似地，当手指F滑过第二带状电极(小)和第三带状电极(大)(即在第二带状电极和第三带状电极上或者滑出第二带状电极和第三带状电极)时，相应地会产生小的输出锋和大的输出锋，如图11中(c)所示。因此，可以基于输出锋的相对幅值来相应地解码滑动方向上的编码电极图案。

图12中显示了使用0/1编码的替代性传感器1200的示例。带有0/1编码的传感器1200可能优于L/S编码，因为输出信号可能更容易解译，并且栅格线之间的间距可以保持较小。

对于传感器1100，传感器1200可以包括基板、设置在基板上的Al电极1210以及设置在电极1210上的摩擦层(例如PTFE)，其中电极埋在基板和摩擦层之间，除了电极1210的一部分露出并用作将电极1210连接到外部电路的接触垫。

如图12中(a)和图12中(c)所示，在栅格1210上的每个方向D1-D8上的电极图案可以包括一个起始电极1212a和一个终止电极1212d，作为在时域中识别输出锋的位置的参考点。可以根据3位二进制代码000、001、010、011、100、101、110和111来设置存在或不存在中间电极(其中“1”表示在该位置中存在一个带状电极，且“0”表示该位置没有带状电极)。在图12中(a)和图12中(c)示出了三个中间电极位置，以编码八个不同的方向(在图12的(c)中表示为D1-D8)。将理解的是，在某些实施例中，根据要被编码的方向的数量，可以采用更少或更多的中间电极位置。例如，如果仅需要四个不同的方向，则可以采用每个方向具有两个中间电极(栅格线)位置的栅格1212。

当在起始电极1212a上滑动时，始终会产生一个输出锋。然后，如果在第一编码位置中存在带状电极1212b，则产生另一个输出锋。如果在第一编码位置没有带状电极，则不会产生输出锋并且信号保持为0，第二编码位置和第三编码位置也是如此。在三个编码电极之后，从终止电极1212d产生另一个输出峰作为另一个参考点。因此，基于信息编码的电极图案，将生成在时域中具有不同锋位置的输出信号，该输出信号可以被解码以显示编码信息。在此解码过程中，可以忽略输出锋的幅值，从而通过检测时域信号中是否存在锋来提供更直接和可靠的检测机制。

图12中(b)针对电极图案“101”示出了传感器1200的工作原理，其对应于图12中(c)的方向D6。当手指F滑过起始带状电极1212a时，在外部电路中产生输出锋1222。然后，当手指F滑过第一编码带状电极(“1”)1212b时，产生另一个输出锋1224。向前移动，当手指F在第二编码带状电极(“0”)的区域上滑动时，由于“0”编码不存在带状电极，因此不会产生输出锋。此后，当手指F滑过第三编码带状电极(“1”)1212c和终止带状电极1212d时，产生两个输出锋1226、1228。由于手指F以相对恒定的速度在传感器1200上滑动，因此可以从时域中所产生的锋的位置来解译0/1编码信息。

图12中(c)示出了八向传感器1200的电极栅格1210的示意图，其中中心栅格部分1212编码用于平面内控制的方向D1-D8，并且两个另外的栅格部分具有用于电势上升/下降和旋转控制的感测图案1214和1216。在图12的(d)-(k)中示出了这八个方向的相应输出信号。图中的字母“B”和“E”表示来自两个参考电极1212a和1212d的起始参考点和终止参考点。借助于这两个参考点，可以相应地解译电极图案中的编码信息。例如，如果两个参考点之间没有输出锋，则表示编码信息为000。如果两个参考点之间存在三个输出锋，则表示编码信息为111。在两个参考点之间有一个输出锋的情况下，根据锋的位置(即：更靠近终止参考点(001)，在两个参考点(010)的中间，或者更靠近起始参考点(100))编码信息可以为001、010或100。类似地，如果在两者之间有两个输出锋，则根据两个输出锋的位置(即：都更靠近终止参考点(011)，一个更靠近起始参考点而另一个更靠近终止参考点(101)，或者都更靠近起始参考点(110))编码信息可以是011、101或110。通过在时域中测量相对于两个参考点的锋位置，可以解码每个方向上的编码信息。在下面的示例3中讨论了关于滑动速度变化的装置1200和检测机制的鲁棒性。实验结果表明，只要滑动速度变化不超过40％，就可以正确地解码编码信息并且所有方向都可以被识别。

带有0/1编码的传感器1200可以用于3D无人机控制，其中八个0/1编码电极图案用于多向平面内控制，并且两个另外的电极图案用于旋转和上/下控制。就这一点而言，可以使用仅具有一个电极输出的传感器1200来实现3D无人机控制。为了将输出信号图案与平面内控制的输出信号图案区分开，用于旋转控制的电极图案1216可以配置有六个带状电极，而用于上/下控制的电极图案1214可以配置有七个带状电极。为了进一步区分左/右和上/下滑动的方向，这些电极的间距可以在每个图案中从小到大变化。然后，根据输出锋的数量和锋间隔的趋势(增大或减小)，可以确定左/右旋转控制和上/下控制。

在一个实施例中，传感器1200可以用于网络空间中虚拟无人机的3D控制。如图13所示，摩擦电控制系统1300包括作为控制界面的八向传感器1200、用于摩擦电信号检测和转换为方波信号的处理电路1310、用于信号识别和控制命令生成的微控制器单元(MCU)1312，以及用于基于控制命令操纵无人机的计算机1314。界面1200使用MCU 1312编程，以根据不同的手指滑动操作直观地控制无人机的3D动作。首先，对带有0/1编码电极的八个方向进行编程以控制无人机的平面内运动，即向前、向后、向左、向右、向左前方、向右后方、向右前方和向左后方。图13中(b)-(e)描绘了八个方向上的从界面1200产生的摩擦电信号以及在处理电路1310之后的方波信号。界面1200上的相应手指滑动轨迹以及3D空间中的无人机运动也被显示为插图。然后，具有变化的间隔的七个带状电极的右电极图案1214被编程为在用手指向上或向下滑动时控制无人机的向上/向下运动。具有变化的间隔的六个带状电极的顶部电极图案1216被编程为在左/右手指滑动下控制无人机的平面内旋转运动。图13中(f)和图13中(g)中示出了所产生的用于上/下和平面内旋转无人机控制的摩擦电信号和方波信号，以及相应的手指滑动轨迹和无人机运动。

除了如上所述的在3D控制中的应用之外，当前公开的传感器的实施例可以用于其他应用，例如安全代码输入。例如，可以使用两位编码电极定义4个方向，可以使用三位编码电极定义8个方向，可以使用四位编码电极定义16个方向，等等。

在一个实施例中，可以采用八向0/1编码的传感器作为安全编码系统的界面。使用该装置可以实现两种类型的编码策略，即图形代码和数字代码，如图14中(a)和图15中(a)所示。在图形编码系统中，每个方向仅被视为活跃的或不活跃的。要设置代码，可以选择哪个方向为活跃的哪个方向为不活跃的。然后，为了触发代码，无论滑动顺序如何，只需记住所有活跃的方向并滑动即可。因此，该图形代码非常简单易记，在触发和识别方面均提供了快速响应，并且重要的是不需要特定的滑动顺序。只要滑动所有“设置”的活跃的方向，该代码就被认为是正确的。图14中(b)、(c)分别示出了将所有方向都设置为活跃的图形代码的第一示例，以及仅将东方向、东南方向、西南方向、西方向和北方向设置为活跃的第二示例。

在数字编码实施例中，每个方向被视为八进制代码的一位，即从0到7。为了设置代码，以特定的顺序滑动每个方向。然后为了触发代码，以相同的顺序滑动所有选定的方向。因此，要成功输入代码，需要同时记住数字(方向)和顺序。可以看出，数字编码系统与传统编码系统更相似，并且与图形代码相比它提供了更高的安全级别。图15中(b)和(c)显示了数字代码的时域信号的两个示例：一个代码为“01234567”，另一个代码为“05124007”。

在某些实施例中，可以根据使用要求和用户的喜好将界面1200配置成上述两个编码系统之一。

图16中(a)示出了具有4位二进制代码的十六向0/1编码的接口1600的示例。图16中(c)、(d)描绘了来自十六个方向的相应输出信号，示出了可以根据时域输出锋来区分两个参考(起始和终止)电极之间的4位二进制编码电极。

除上述安全编码系统外，如图16中(b)所示，十六向界面还可以用于二进制编码的十进制(BCD)和其他功能。例如，通过在方向14、13、2、6、15、13、4、6、16、13、3和3(“X”“＝”“1”“5”“Y”“＝”“3”“5”“Z”“＝”“2”“2”)上连续滑动，可以使用十六向界面设置点(15、35、22)的空间坐标。在另一个示例中，传感器1600可以用作计算机的输入界面，例如，如图38所示，通过在方向12、2、4、9、12、6、7、11、4、2和13(“-”“1”“3”“8”“-”“5”“6”“+”“3”“1”“＝”)上连续滑动来计算“-138-56+31＝”的结果。十六向界面1600可以用于提供在十进制数(即，从0到9)内变化的密码的每个数字。图16中(e)显示了用于“53219078”的编码信息的相应输出信号，以及在各个方向上的逐步滑动指示。

示例

示例一

如图2中(a)所示，用由HPE形成的电极制造传感器装置10。然后通过线性马达在拉伸运动下检查HPE。在拉伸过程中，基于所施加的1.5V电压，电阻范围约为18KΩ-30KΩ。电气特性曲线如图2中(c)所示。可以看出，电极材料在直至200％应变的可拉伸状态下仍显示出良好的导电性。其电导率的演示和测试曲线如图22所示。2D传感器10的尺寸列于表S1中。

表S1传感器的尺寸

如图21所示，可以制造基于碳水化合物的弹性体用作柔性电极材料。通过以10：1的质量比混合硅树脂弹性体基质和交联剂(道康宁公司硅酮树脂184(Sylgard 184,DowCorning))来制备液体PDMS。基于浆粉的水凝胶和液体PDMS均在真空室中排尽气体以除去凝胶中的气泡。然后将它们以3：1的体积比混合在一起以获得基于碳水化合物的弹性体的前体。为了除去前体中的气泡，将前体以3000rpm的速度离心10分钟。

在栅格22上的各个点处测量的传感器10的电极E1-E4的电压比。图17示出了：(a)在13号、15号和25号格子点处的相对电极的电压比的100次测试，其显示出良好的向心性；(b)具有25个测试点的E3和E1的电压比，以及具有25个测试点的E4和E2的电压比；(c)测试地点和实际地点之间的比较；(d)按顺序排列的比值V_E3/V_E1和V_E4/V_E2的平均值和标准偏差值；(e)在变化的湿度下的传感器10的测试；(f)在变化的力下对传感器10的测试。

为了在图3的(a)中生成结果，每个虚拟“像素”或单元(1-25)的测量重复100次以计算平均值作为方形区域中的标准接触点。对于每个点，预先获得了100组锋输出电压。由于栅格22的限制，与硅橡胶基板的手指接触点主要集中在每个像素的中心区域。通过100次测试，我们获得了稳定的输出，并且电压比也显示出明显的聚集。然后计算每组的R₁＝V_E3/V_E1和R₂＝V_E4/V_E2的比率，如图17中(b)所示。表S2和表S3分别列出了每个触摸点计算出的R₁和R₂的平均值。

表S2经计算的电压比(R₁)

表S3经计算的电压比(R₂)

R₁和R2单调增加，并且电压比趋势显示出良好的分辨率。为了验证该装置的定位能力的性能，在第12号单元的中心点进行了位置测试，如图17中(c)所示。从测量的输出电压获得的比值为R₁＝0.43和R₂＝0.96。绘制了对应于R₁和R₂的两条曲线，并计算出交点为(2.05，2.98)。实际触摸点和计算点之间的距离偏差为1.5毫米。

类似地，通过MATLAB进行的实验测试和计算，确定所有25个点的距离偏差都在0.02-1.60mm之间。因此，单个单元中的点的位置感测分辨率为约1.6mm。比值的所有平均值和标准偏差值都绘制在图17的(d)中。为了实现轨迹监测和运动检测的准确性和标准化，对上述测试的每个区域的平均值进行了归一化。当触摸点改变时，对于R₁和R2可以将获得的比率分为25个值。这些值被定义为栅格中每个单元的几何中心点的比值。在轨迹测量中，可以通过归一化消除这些差异。以环的位置为例，在图23中示出了理论比值和实验值的归一化。为了检查传感器10的可靠性，如图17中(e)和图17中(f)所示，在不同的环境和力下进行了测试。可以看出，尽管电压的幅值随湿度和力的变化而变化，但相对的电极的电压比却是稳定的，这表明该比值法可以消除外界干扰。

使用喷雾装置来改变装置表面上的湿度。在不同的湿度下进行了五组实验。5组的表面湿度的测量值分别为66％、81％、87％、92％和95％。在每一组中，通过敲击1D传感器12的中心点(3.1，3.1)来检测四个电极的电压。计算每组(测量50次)的电极电压的平均值，并用柱状图表示，如图17中(e)-III所示。根据平均值计算出X方向和Y方向上的轻敲点之比，并在图17中(e)-I和图17中(e)-II中标出。可以看出，随着湿度的增加，电极的输出电压将显著下降，但这不会影响位置点的计算值。如图17中(f)所示，在不同的力下进行了五组实验。从图17中(f)可以看出，力的大小对位置计算的影响可以忽略不计。

在以上分析中，校准了5×5的像素矩阵，并且处理了每个区域电压的平均值。为了定量表征传感器对运动的响应，例如，手指滑过传感器的表面，被手指触摸的像素区域记录了电压信号，以检测其移动和轨迹。实时记录了二十五个格子区域(单元)的输出电压信号。通过寻址和监测二十五个格子区域中的正输出电压信号，可以获得手指的触摸信息。当手指沿特定路径在传感器上滑动时，手指经过的区域的电压会上升到锋。在这方面，获得了来自所有电极的输出电压的值的2D轮廓图，其明确地指示了手指的移动路径。由于两个相邻区域之间的间隔是在构造栅格结构时预先确定的常数，因此可以轻松推断出物体的位置。更重要的是，通过分析和计算可以得出物体的轨迹、速度和加速度。

2D传感器10可以固定在线性电动机的平台上，并且可以通过设置线性电动机的不同速度来校准特性。在本文所述的实验中，传感器10随着电动机移动并且手指相对于地面静止不动。图18中(a)-(c)示出了当手指以不同的速度在传感器10上滑动时所测量的电压。通过简单地将两个区域之间的距离除以覆盖该距离所花费的时间，可以得出从一个电极到另一个电极的速度。手指随时间滑动的位移可以很容易地推导出来，如图18中(d)所示。图18中(e)-(g)展示了传感器10检测以不同加速度滑动的手指的加速运动的能力。相对的电压的比值可用于计算手指滑动时的轨迹，并且可以结合电压间隔的时间来计算运动的加速度。手指随时间滑动的位移可以很容易地推导出来，如图18中(h)所示。因为在当前描述的实验中传感器10的速度和加速度是由线性电动机预设的，所以计算出的速度和加速度基本上与预设值一致，而忽略了手指轻微抖动的影响。

在上面的讨论中，描述了2D传感器10的测试。基于类似的模拟定位原理，也可以设计和测试可拉伸的1D传感器12。1D传感器12的E1′端可以固定，而E2′端可以移动并承受拉应力(图19中(a))。当敲击贴片12上与E1′的距离恒定的点时，可以通过图1中(e)和等式3获得两个电极的电压比(V_E2′/V_E1′)。然后可以拉伸贴片12到一定距离，当相对于E1′位置以恒定距离敲击同一点时，电压比降低。该比值随着拉伸长度的增加而进一步降低。基于此现象，可以通过敲击相对于E1′的固定点来测量E2′端的拉伸长度。也就是说，可以测量敲击频率固定的E2′端的拉伸位移和拉伸速度/加速度。1D传感器12展示出如图19中(a)所示的可拉伸能力。在实验中，就三种不同尺寸的贴片12的输出电压比值进行了研究。图19中(b)示出了比值变化随着两个电极(E1′、E2′)电压的拉伸百分比的变化。可以看出，在拉伸百分比相同的情况下，电压比值基本相同，这表明贴片的宽度和厚度不会影响拉伸期间的输出值。

在位移和速度检测方面，确定了拉伸位移的分辨率。E2′/E1′的误差线与对应于不同初始长度的拉伸位移的关系如图19中(c)所示。随着拉伸长度的增加，分辨率逐渐降低。另外，初始长度越长，分辨率下降得越快。可以看出，当拉伸位移小于25mm时，三个贴片的分辨率约为5mm。当拉伸长度超过25mm时，分辨率大于5mm。因此，事先根据拉伸曲线来校准具有较短初始长度的贴片，以用于以后的应用。图19中(d)示出了在5mm/s的拉伸速度下电压比值随时间的曲线。1D传感器12可以拉伸到500％，并且拉伸能力取决于硅橡胶的类型、厚度和固化程度。

为了检查装置12的可靠性和长期稳定性，如图24所示对1D传感器12进行了可靠性测试，并且如图25所示进行了长期稳定性测试。类似于2D传感器10，可以忽略湿度和力对1D传感器12的影响。如图25所示，经过5000次循环测试后，相对的电极的比值没有明显变化，这表明传感器12具有稳定且持久的电性能。

如上所述，1D传感器12和2D传感器10可以实现轨迹、位移和速度检测。因此，两个贴片的组合可以实现3D信号的检测和控制。该概念可以应用于机器人技术、电子皮肤和自动控制等的应用。为了评估由传感器10和12启用的3D控制，开发了如图3所示的机器人控制系统30。通过贴片10、12和机器人操纵器(34、36)之间的控制连接，进行了不同滑动速度的实验以控制使用不同移动速度的机器人操纵器。传感器10、12的轨迹跟踪能力被用来控制机器人操纵器以写入不同的字母。机器人操纵器选择了三个字母“C”、“X”和“Q”并将其写在白板上。图20中(c)示出了与由指尖感应的字母轨迹相对应的四个电极的电压曲线。

示例二

图26示出了通过手轻敲(约3Hz，图26中(a)所示)的四向装置200的能量收集性能。当外部负载的电阻变化时，可以实现最大4.8mW的输出功率(图26中(b))。图26中(c)和图26中(d)分别显示了在100MΩ负载(约355V)和短路电流(约12μA)下的装置的输出电压。

例如，根据示例性实施例，可以通过如图27所示的的具有单个电极栅格401(图27中(a))的装置400来实现八向控制。该电极栅格沿着不同的各个方向1至8具有不同内部连接的光栅结构(例如402)，其中光栅元件的宽度为8mm(例如，光栅元件404)和4mm(例如，光栅元件406)且间距为6mm(例如408)。具有较大宽度的光栅元件(例如406)由于在滑动期间较大的接触面积而倾向于产生较高的输出锋。在装置400的测试中，用手指执行滑动运动以产生信号。由于相对于电极间隔(例如408)而言，人的手指的尺寸相对较大，因此与理想情况相比(即，来自较宽电极的较大输出锋)，输出信号图案不完全遵循电极图案。因此，根据示例性实施例，针对不同的各个方向1至8，采用向前/向后滑动和检测/控制策略来解译对应于各个光栅结构(例如402)的信号。图27中(b)-(i)示出了沿各个方向1至8向前/向后滑动的输出信号，并且表S4中示出了用于解译的检测/控制策略。根据不同的实施例，当采用另一种尺寸较小的接触物体(例如笔)进行滑动或将光栅元件的间距增大到大于手指的宽度时，可以实现与电极图案相对应的预期输出信号图案，即，较宽的电极产生的较大的输出锋。

表S4对于八向控制的信号方向策略

图28中示出了卡状控制器装置500的能量收集性能。

当仅连接装置500的正面时，可以实现100MΩ负载下的输出电压以及128V和3.7μA的短路电流，请参见图28中(a)和图28中(d)。同样地，当仅连接背面时，可实现100V和3.35μA的输出，请参见图28中(b)和图28中(e)。然后，当两侧并联时，可实现145V和6.85μA的总输出，请参见图28中(c)和图28中(f)。

注意的是，与例如卡状控制器装置500中的两个电极设计相比，单电极设计也可以在不同的实施例中用于3D控制，其中不同的光栅结构用于例如卡的每侧上的电极栅格。然后，可以将两侧上的电极连接在一起成为一个单电极，以使用来自(连接的)单电极的适当信号检测来执行3D控制。

示例三

为了确定适合的传感器1100、1200、1600的电极宽度和间距，进行了电极宽度和间距均在6mm到2mm之间变化的测量，如图34所示，该图显示了：(a)用于测量的电极图案的示意图；在手指以(b)慢速、(c)常速和(d)快速的方式滑动时从8/2/8mm和6/2/6mm电极图案产生的输出锋；在手指以(e)慢速、(f)常速和(g)快速的方式滑动时从8/4/8mm和6/4/6mm电极图案产生的输出锋。

根据实验结果，可以得出结论，一定的电极宽度和间距对于手指滑动应用是优选的。通常，电极间距为6mm可以实现具有分离的输出锋的清晰的信号识别。为了确定大型和小型电极的电极宽度，进行了如图29所示的测量。图29中(a)的示意图示出了将具有不同尺寸的两组大/小/大电极图案连接在一起，并在三种滑动速度下(慢速的：约38mm/s，常速的：约97mm/s，以及快速的：约152mm/s)进行研究。两个图案中的电极间隔保持恒定为6mm。图29的(b)-(d)中的测量分别是在慢速、常速和快速滑动下使用8mm/2mm/8mm和6mm/2mm/6mm的大/小/大图案的电极宽度进行的。类似地，图29的(e)-(g)中的测量是在电极宽度为8mm/4mm/8mm和6mm/4mm/6mm的情况下进行的。从结果可以看出，电极宽度的差异越大，输出信号幅值的变化越明显。但是，如果宽度小的电极太窄，则由于接触面积小，其生成的输出锋的幅值将受到限制，这很容易被淹没在具有较大宽度的电极的大输出锋中。因此，对于L/S编码配置的电极可以采用8mm和4mm的电极宽度。

基于以上优化结果，制造出具有8mm的大电极宽度、4mm的小电极宽度和6mm的电极间距的传感器。在理想情况下，具有更大宽度的电极由于在滑动过程中更大的接触面积因而会产生更高的输出锋。但是，由于人的手指相对较大，约为15mm，而电极间距较小，为6毫米，因此手指可能会同时覆盖两个相邻的电极并导致生成的输出锋重叠，如图35所示。前一个信号的负锋可能与后一个信号的正锋重叠，从而导致第二个信号的幅值减小。因此，输出锋的幅值可能不会达到预期(即，大电极的幅值较大，小电极的幅值较小)。

为了准确识别电极图案，提出了向前/向后滑动策略以及信号解译表，如图35和表S5所示。

由于人的手指相对较大，约为15mm，电极间距较小，为6mm，因此在某些情况下手指会同时覆盖两个电极(例如，手指从第一电极滑出且滑入第二电极中)。如图35中(b)-(i)所示，这导致第一峰的负分量与第二峰的正分量重叠，从而导致第二峰的幅值减小。

在表S5中，表的最后两列表示当前锋与前一个锋(即，第二锋与第一锋，以及第三锋与第二锋)的比较结果。比较结果大致分为三类，即较大(“L”)、相等(“E”)和较小(“S”)。具有重叠效果，与电极图案相同，大/小(前一个电极大而当前电极小)的比较结果始终为“S”。同样地，大/大和小/小的结果可以是“E”或“S”，而小/大比较的结果可以是“L”或“E”。对于只有两个带状电极(方向1和8)的图案，向前和向后滑动只需要进行一次比较。根据表中所示的比较结果，可以轻松地区分它们。对于具有三个带状电极的其他六个方向，只要在向前和向后滑动中出现“L”比较结果，就意味着当前电极必须具有比前一个电极更大的电极宽度。即，当前的电极宽度大，前一个电极的电极宽度小。如果向前滑动和向后滑动均具有“L”，则可以轻易地解译电极图案，例如方向3和6。然后可以根据表S1中的比较结果来解译其他方向。

表S5信号解译表(当前锋的幅值与前一个锋的幅值的比较结果：“L”-大，“E”-相等，“S”-小)

方向	电极图案	向前滑动	向后
				方向-1	大；小	-S	-E
方向-2	大；大；小	-ES	-LS
				方向-3	大；小；大	-SL	-SL
方向-4	大；小；小	-SS	-SL
				方向-5	小；大；大	-LS	-SS
方向-6	小；大；小	-LS	-LS
				方向-7	小；小；大	-SL	-SS
方向-8	小；大	-E	-S

为了最大程度地减少重叠信号的负面影响并开发更直观的检测机制，制作并研究了具有较大电极间距(15mm)的可替代的八向界面。该界面如图30中(a)所示。由于较大的电极间隔，可以使输出信号的重叠最小化，并且可以实现与电极图案相对应的期望的输出信号图案，即，来自大电极的较大幅值。图30中(b)-(i)示出了当分别滑过八个方向时生成的输出信号。根据测量结果，可以观察到输出信号的幅值变化能够相应地跟随感测电极的宽度变化。此外，为了确定电极中的编码信息，不需要向后滑动。这样，可以显著简化处理电路中的解译机制。

摩擦电机制使该界面还可以用作能量收集器，以从各种接触和滑动运动(例如人为敲击)中清除机械能。人手敲击的测量结果总结在图31中，其中装置的记录的输出电压(在100MΩ负载下)、电荷和短路电流分别为385V、482nC和6.25μA。当改变连接的外部负载的电阻时，在13MΩ的匹配电阻(轻敲频率约为3.5Hz)下界面可以产生3.2mW的最大输出功率。因此，该界面不仅可以用作自供电界面，还可以用作能量收集器/发电机以清除来自人体运动的能量，并且可以将清除的能量存储在电容器中以用于后端电路的潜在操作，从而实现自供电和无电池的功能界面。

另外，根据某些实施例的界面可以配备有针对柔性可穿戴应用的柔性和/或可拉伸兼容性。图33中(a)和图33中(b)分别示出了柔性的四向界面和可拉伸的四向界面。柔性界面3300是基于与上述界面相同的装置结构和材料，而可拉伸界面3302是在共聚酯(Ecoflex)通道内部用封装的液态金属制造，从而形成编码电极图案。可拉伸界面3302的详细制造过程在图39中示出。

来自柔性和可拉伸界面3300、3302的输出信号分别在图33中(c)和图33中(d)示出。从结果可以看出，可以从两个装置生成的峰中清楚地解译沿四个方向的编码信息。根据以上说明，根据某些实施例的单电极界面展现出出色的可扩展性，在各种控制、安全性、柔性和可穿戴应用中显示出巨大的潜力。

图32中(a)和图32中(b)显示了在图13的无人机控制界面中用于旋转控制的生成信号，以及输出峰及其时间间隔的放大图。当向左滑动时，生成的信号中有六个峰，并且它们的时间间隔正在减小。然后，当向右滑动时，它们的时间间隔会增加。图32中(c)和图32中(d)显示了用于向上/向下控制的生成信号，以及输出峰及其时间间隔的放大图。当向上滑动时，生成的信号中有七个峰，并且它们的时间间隔正在减小。然后，当向下滑动时，它们的时间间隔会增加。旋转控制和向上/向下控制中时间间隔的趋势如图37所示。

界面3300的制造：首先将PTFE薄膜切成设计界面的尺寸。然后将铝带电极附着在PTFE薄膜的背面，从而形成连接的蜘蛛网的结构布线。所有的电极都连接在一起，因此BISNC界面只有一个感应电极。之后，将质量比为1：1(A部分：B部分)的EcoflexTM 00-30溶液充分混合并涂在电极顶部作为绝缘和保护层。最后，在室温下在夜间将界面固化。

可拉伸界面3302的制造：该过程从模制基板3902的准备和清洁开始。接下来，将泡沫胶带3906附着在基板上，以所需的电极栅格图案3904中形成流体通道。然后将Ecoflex^TM00-30溶液浇铸在顶部并在室温下固化。接下来，将具有流体通道3904的Ecoflex3908从基板上剥离，然后使用注射器将液态金属3910填充到流体通道中。最后，将另一个Ecoflex层浇铸在顶部并固化后进行封装。

界面3300的特性：界面3300的输出电压是通过DSO-X3034A示波器(安捷伦公司)使用100MΩ的高阻抗探头测得的。输出电流和电荷是通过吉时利公司的6514静电计测量的。可编程的Arduino UNO被用作微控制器单元以进行信号识别和命令生成。

如图36所示，0/1编码的界面1200在不同的环境条件和使用场景(例如在不同的湿度、不同的滑动力和不同的滑动速度等)下都表现出优异的鲁棒性和可靠性。唯一的限制是由于时域中峰位置的检测机制，无论是以慢速、常速还是快速的方式，都应在滑动过程中将滑动速度保持为相对恒定。因此，研究了实际使用中滑动速度的变化公差。

存在与八个方向相对应的八个电极图案。包括起始参考电极1212a和终止参考电极1212d，就峰的数量而言，有4类生成的信号，即2个峰(000)、3个峰(001、010、100)、4个峰(110、101，011)和5个峰(111)。在2个峰和5个峰的情况下，每种情况只有一种可能性，因此，基于所产生的峰的数目，可以容易地识别000和111，而与滑动速度的变化无关。

在3个峰的情况下，恒定速度的理想信号(100)显示在图36中(a)中，其中峰3600和3602表示参考峰，峰3604表示实际编码峰，虚线峰3606表示从相应的电极产生的虚拟编码峰。在示意图中，d是两个相邻电极之间的距离，v1是从起始参考峰到信号峰的平均滑动速度，v2是从信号峰到终止参考峰的平均滑动速度，T1和T2是持续时间。图中的虚线表示正确识别所生成信号峰的范围。对于100，T1应该小于两个参考峰之间的整个持续时间的3/8。在计算之后，可以实现v1和v2的关系，即v2<9/5·v1。对于010，T1应该位于整个持续时间的3/8和5/8之间，因此3/5·v1<v2<5/3·v1。同样地，对于001，T1应该大于整个持续时间的5/8，因此v2>5/9·v1。总之，滑动速度的变化应满足3/5·v1<v2<5/3·v1的条件。

在有4个峰的情况下，恒定速度的理想信号(110)如图36中(b)所示。对于110，要实现正确的识别，首先T3应该大于T1和T2，然后还应该大于整个持续时间的3/8。因此，可以实现以下条件，即，v3<2·v1、v3<2·v2且v3<10/3·v1·v2/(v1+v2)。同样地，也可以实现101和011的条件，v2<2·v1、v2<2·v3、v2<10/3·v1·v3/(v1+v3)、v1<2·v2、v1<2·v3、v1<10/3·v2·v3/(v2+v3)。换句话说，为了实现正确的识别，虚拟电极上的平均滑动速度应小于某个值。如果我们认为v1＝v2，则v3<5/3·v1。即，滑动速度的变化应小于原始速度的166.7％。

因此，通过考虑所有情况和条件，为了实现正确的识别，滑动速度的变化应在60％至166.7％的范围内。即，0/1编码的控制界面在滑动速度上具有至少±40％的变化公差。

在不脱离本发明的范围的情况下，许多修改对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，传感器200、500、1100、1200、1300、1600中的任何一个可以连接至代替2D传感器10和/或1D传感器12的图3的检测单元32，以便提供摩擦电控制系统。在这样的变型中，检测单元32和/或计算装置34的机载处理器可以被编程为以合适的方式分析来自传感器的输出信号，例如通过对信号中峰的数量进行计数来确定一个或多个信号参数，或确定其相对位置和/或幅值。

在整个说明书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”以及诸如“包括”和“包含”之类的变体将被理解为暗示包括所陈述的整数或步骤或一组整数或步骤，但并不排除任何其他整数或步骤或一组整数或步骤。

Claims

1.一种摩擦电传感器，包括：

基板；

设置于所述基板内或所述基板上的至少一个栅格结构；和

用于收集摩擦电荷的至少一个电极，所述摩擦电荷是由于物体在所述基板的表面上滑动而产生的；

其中所述至少一个栅格结构被配置成使得能够从通过所述物体越过所述栅格结构的至少一部分而产生的信号中来检测所述物体的运动。

2.根据权利要求1所述的摩擦电传感器，其中：

所述至少一个电极包括至少一对电极，各个电极对位于所述基板的相对两侧，并且其中：

所述至少一个栅格结构包括间隔结构，所述间隔结构包括多个凸起部分，所述凸起部分具有恒定的高度，使得当所述物体碰到所述凸起部分中的一个时，所述物体沿所述基板的表面的传输在所述基板的表面和所述物体的表面之间产生电荷分离，并且使得所述物体的运动参数能够从所述一对电极的电势的比值得出。

3.根据权利要求2所述的摩擦电传感器，包括两对电极，其中第一对电极沿着第一方向彼此相对布置，并且第二对电极沿着与所述第一方向正交的第二方向彼此相对布置。

4.根据权利要求2或3所述的摩擦电传感器，其中所述间隔结构由树脂材料形成。

5.根据权利要求1所述的摩擦电传感器，其中所述至少一个栅格结构包括第一电极栅格，所述第一电极栅格形成在所述基板上并且被配置为用作在滑动单电极模式下操作的第一摩擦电纳米发电机的输出电极；

其中所述第一电极栅格包括相对于所述基板的表面沿着不同的各个方向布置的多个不同的光栅结构，使得由于所述物体沿着所述不同的各个方向滑动时不同特性的基于摩擦电的输出信号经由所述第一电极栅格是可检测的。

6.根据权利要求5所述的摩擦电传感器，其中所述至少一个栅格结构包括第二电极栅格，所述第二电极栅格形成所述基板的在与所述第一电极栅格相比的相对侧上并且被配置为用作在滑动单电极模式下操作的第二摩擦电纳米发电机的输出电极；其中所述第二电极栅格包括相对于所述基板的表面沿着不同的各个方向布置的多个不同的光栅结构，使得所述物体沿着所述不同的各个方向滑动时不同特性的基于摩擦电的输出信号经由所述第二电极栅格是可检测的。

7.根据权利要求5所述的摩擦电传感器，其中所述至少一个栅格结构包括第二电极栅格，所述第二电极栅格包括与所述第一电极栅格的光栅结构相比被不同地被调制的多个不同的光栅结构；并且其中所述第一电极栅格和所述第二电极栅格被连接以形成单电极，使得经由所述单电极能够检测到不同特性的基于摩擦电的输出信号。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的摩擦电传感器，其中所述第一电极栅格的所述光栅结构关于以下一项或多项彼此不同：光栅元件的数量、所述光栅元件的宽度，以及所述光栅元件的顺序；和/或其中所述第二电极格栅的所述光栅结构关于以下一项或多项彼此不同：光栅元件的数量、所述光栅元件的宽度，以及所述光栅元件的顺序。

9.根据权利要求7或8所述的摩擦电传感器，其中所述第二电极栅格与所述第一电极栅格在所述基板的同一侧。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的摩擦电传感器，包括形成在所述第一电极栅格和/或所述第二电极栅格上方的覆盖层。

11.根据前述权利要求中任一项所述的摩擦电传感器，其中所述基板是柔性的。

12.根据前述权利要求中任一项所述的摩擦电传感器，其中所述电极由导电聚合物材料形成。

13.根据权利要求12所述的摩擦电传感器，其中所述导电聚合物材料包括水凝胶PDMS弹性体。

14.一种包括运动控制界面的摩擦电控制系统，所述运动控制界面包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的摩擦电传感器。

15.根据权利要求14所述的摩擦电控制系统，其中所述运动控制界面包括另外的摩擦电传感器，所述另外的摩擦电传感器被配置为检测单个方向上的运动，使得由所述摩擦电传感器和所述另外的摩擦电传感器检测到的运动能够转换成三维中的运动控制信号。

16.根据权利要求15所述的摩擦电控制系统，其中所述另外的摩擦电传感器包括在每个端部处具有电极的细长基板。

17.根据权利要求16所述的摩擦电控制系统，其中所述细长基板由弹性材料形成。

18.根据权利要求17所述的摩擦电控制系统，其中所述弹性材料为硅橡胶。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的摩擦电控制系统，包括：

信号获取模块，用于如果存在所述另外的摩擦电传感器则从所述摩擦电传感器和所述另外的摩擦电传感器中获取检测到的运动数据；和

驱动器，其与所述信号获取模块通信并且被配置为根据所述检测到的运动数据将控制信号传输至机器以使所述机器的至少一部分在二维或三维中运动。