CN114251999A - 基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器及其制备方法。所述基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，包括摩擦层和高阻抗电极；所述摩擦层和高阻抗电极层合设置；所述高阻抗电极设置有输出端口。基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器极大减少了信号通道数，可以用以传感触摸的位置，触摸速度等信息，也可以实现触摸的循迹传感功能，并同时具有较高的精度和空间分辨率，结构、制作工艺简单，性能优异且成本低廉，适合于实际应用和推广。

Description

基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及位置传感器领域，具体涉及一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器及其制备方法。

背景技术

位置传感器是感受被测物体的位置并将位置信号转换成可用输出信号的传感器，常见的传感机制包括电阻式、电容式、压电式和摩擦电式。相比于传统的电阻式和电容式位置传感器，自供能的压电式和摩擦电式位置传感器能将外界的刺激转换为输出的电信号，在降低能耗和安全方面有巨大的优势。对比压电式位置传感器，摩擦纳米发电机位置传感器具有更高的输出信号和相对简单的结构，在应用推广方面更具优势。此外，摩擦纳米发电机位置传感器还可做成柔性和纤维形式，能用于人机交互和可穿戴设备。

然而，现有的摩擦电式位置传感器大多以电极阵列的形式进行设计，某一电极点被触摸就会对应产生电信号，通过查找产生电信号的地方即可得到触摸的位置信息。如果采用电极阵列的方式实现在一个平面上采集多个点的位置传感，就需要对应设置多个电极阵列，每一个电极为一个像素点，并且每个电极都需要一个通道接出来监测是否产生信号。即若要摩擦电式位置传感器提高精度和空间分辨率，目前只能增加像素点；即采用更小的电极，增加电极数目。而电极的大小不能过小，使得电极阵列式摩擦电式位置传感器的空间分辨率不高；并且电极数量的增加会极大增加输出信号的通道数，导致传感器结构、成本和所需的计算资源大大增加，且多个通道间的信号会相互干扰，严重限制了摩擦电式位置传感器的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的摩擦电式位置传感器分辨率不高、存在串扰以及大量通道的问题，提供一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器及其制备方法，通过采用大电阻率的材料制备摩擦电式位置传感器的电极，提高摩擦电式位置传感器的精度和空间分辨率，以及解决通道串扰和大量通道的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，包括摩擦层和高阻抗电极；所述摩擦层和高阻抗电极层合设置；所述高阻抗电极设置有输出端口。

优选地，所述基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的检测维度为n维，每一维度的检测方向存在至少2个输出端口；所述高阻抗电极的输出端口经电表接地。

优选地，所述高阻抗电极的组分为半导体材料或由导电材料与绝缘材料混合而成的复合材料。

优选地，所述的基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的检测维度为1维，所述高阻抗电极具有2个输出端口，2个输出端口设置于高阻抗电极的两端。

优选地，所述的基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的检测维度为2维，所述高阻抗电极为矩形，高阻抗电极具有4个输出端口，4个输出端口设置于高阻抗电极的四边。

优选地，所述高阻抗电极电阻率均匀，且每一维度的位置检测方向的截面的面积一致。

优选地，所述的基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，应用于检测触碰位置信息、触碰速度信息以及实现触碰循迹功能。

优选地，所述摩擦层的厚度为100nm-10cm和高阻抗电极的厚度为10nm-10cm。

一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤101、制备摩擦层混合液和高阻抗电极混合液；高阻抗电极混合液经过真空倒模操作后，凝固得到高阻抗电极；

步骤102、摩擦层混合液在所述高阻抗电极表面通过刮涂法制成摩擦层。

一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤201、获取摩擦层；

通过磁控溅射，真空蒸发镀膜或电化学镀膜方式，在绝缘材料表面制备一层半导体或导体材料，得到高阻抗电极；

步骤202、摩擦层与高阻抗电极层合。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)采用高阻抗电极和摩擦材料设计摩擦电式位置传感器，高阻抗电极电阻率大，因此不同触碰位置到输出端口的长度距离有差异时，电阻差距明显，可以通过直接或间接的检测输出端口的电信号情况得到触碰位置的信息。

(2)基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器极大减少了信号通道数，避免了通道串扰的问题，并同时具有较高的精度和空间分辨率。

(3)基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器结构、制作工艺简单，性能优异且成本低廉，适合于实际应用和推广。

附图说明：

图1为本发明示例性实施例1的基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的示意图；

图2为本发明示例性实施例1的一维位置传感器的原理图；

图3为本发明示例性实施例1的一维位置传感器的实际测试曲线和理论曲线对比图；

图4为本发明示例性实施例1的二维位置传感器的示意图；

图5为本发明示例性实施例1的二维位置传感器的原理图；

图6为本发明示例性实施例1的二维位置传感器的实际测试曲线和理论曲线对比图。

图中标记：1-摩擦层，2-高阻抗电极。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，包括摩擦层1和高阻抗电极2；所述摩擦层1和高阻抗电极2层合设置；所述高阻抗电极2设置有输出端口。

本实施例采用高阻抗电极2和摩擦层1设计摩擦电式位置传感器，高阻抗电极2和摩擦层1层合设置即一层高阻抗电极2上堆叠一层摩擦层1。高阻抗电极2电阻率大，因此不同触碰位置到输出端口的长度距离有差异时，电阻差距明显。基于高阻抗电极2的特性，可以基于输出端口，通过直接或间接的检测触碰位置到输出端口的电阻情况，得到触碰摩擦电式位置传感器时，触碰位置到输出端口的长度信息，与现有的电极阵列方式仅得到触碰哪一个电极相比，得到的触碰位置的位置信息更具体。由于摩擦电式位置传感器因触碰的摩擦产生电能，为了检测触碰位置，一般检测分析摩擦电式位置传感器内的电流信号，根据电流信号推导出电阻的情况，进而得到触碰位置的信息。实施例所述的摩擦电式位置传感器，仅通过一个高阻抗电极2、摩擦层1和相应的输出端口，即可实现多个像素点的位置信息的获取，与电极阵列方式一个像素点采用一个电极的技术方案相比，结构简单。同时应用于检测触碰位置时，一个输出端口用于获取多个像素点的信息，基于计算分析得到实际的触碰位置，极大的减少通道数。除此之外，现有的电极阵列方式的精度和空间分辨率受限与电极的大小与设置的电极的密度；而本实施例所述的摩擦电式位置传感器只要当待检测位置到输出端口的电阻变化可以检测得到，即可得到待检测位置的信息；因此若高阻抗电极2的电阻率较大，便可以较便捷的检测出电阻的变化，因此本实施例所述的摩擦电式位置传感器具有较高精度和空间分辨率，并且可以通过提高电信号检测仪器的精度提高检测精度，通过提高摩擦层的表面电荷密度提高位置检测的空间分辨率，即根据应用场景要求，进行摩擦电式位置传感器相应元器件的选择，适用范围广，改进空间大。

在其中一个实施例中，所述基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的检测维度为n维，每一维度的检测方向存在至少2个输出端口；高阻抗电极(2)的输出端口经电表接地。

现有的采用电极阵列的方式检测触碰位置时，每一个位置检测点均需要设置一个电极，且每一个电极均需要设置信号通道，只有触碰的电极，其对应的通道才有信号，其他电极无信号产生；而本申请只有一个电极，由于电极的电阻率高，通过设置多个输出端口来检测触碰位置，触碰时，所有的输出端口均会产生电信号。输出端口数量根据应用情况决定。例如若触碰的压力值一定，则产生的电压值是一定的，此时若待测的触碰位置的维度为一维，则可以在线条的一端设置输出端口，此时电阻为触碰位置到输出端口这段的高阻抗电极，即可通过检测电流的大小得到电阻大小，进而得到触碰位置信息。但由于摩擦层表面电荷密度很难分布均匀，使得一个输出端口检测一维的检测方向的方案的准确度不高。因此本实施例采用每一维度的检测方向存在至少2个输出端口的方式来进行触碰位置的检测，两个以上的输出端口的检测值可以通过比值等方式，排除摩擦层表面电荷密度不均匀的影响，以提高检测的准确性。可知，与电极阵列方式的位置传感器相比，采用本实施所述的技术方案可以减少输出端口的设置，减少需检测的信号通道，避免了通道串扰的问题，并且结构简单，便于应用，检测准确度高。本实施例通过与输出端口连接的电表进行检测，所述电表优选电流表。

在其中一个实施例中，所述高阻抗电极的组分为半导体材料或由导电材料与绝缘材料混合而成的复合材料。其中半导体材料例如碳、硅等材料。复合材料中的导电材料例如碳、硅、银等材料。绝缘材料例如硅胶等。例如，采用微米级的碳粉、银纳米线和柔性硅胶等混合制备得到高阻抗电极，其中柔性硅胶、碳粉与银纳米线的质量比为100：(0.5-10)：(0.05-1)。通过半导体材料或所述复合材料制备的高阻抗电极具有柔性，便于应用于曲面等应用场景。除此之外，摩擦层1为硅胶摩擦层。本实施例的摩擦电式位置传感器可以采用摩擦纳米发电机位置传感器(例如授权公告号为CN109474199B的发明专利公开的一种自电荷激励摩擦发电机)的设计思路制备，摩擦纳米发电机位置传感器具有无需外部供能、结构简单、低成本、柔性等优点。

如图2所示，在其中一个实施例中，所述摩擦电式位置传感器的检测维度为1维，所述高阻抗电极具有2个输出端口，2个输出端口设置于1维摩擦电式位置传感器的两端。为了简化计算的难度，高阻抗电极垂直于位置检测方向的截面的面积一致，电阻率均匀，可根据下述公式分析电流与触碰位置的关系：

其中，I_Ⅰ为输出端口Ⅰ的电流，I_Ⅱ为输出端口Ⅱ的电流，U为触碰产生的电压，R_Ⅰ为触碰位置到输出端口Ⅰ一段的电阻，R_Ⅱ为触碰位置到输出端口Ⅱ一段的电阻，S为横截面积，ρ为电阻率，L_Ⅰ为触碰位置到输出端口Ⅰ一段的长度，L_Ⅱ为触碰位置到输出端口Ⅱ一段的长度，L为输出端口Ⅰ到输出端口Ⅱ一段的长度。

本实施例中，由于触碰时的压力一般不一致，因此检测维度为1维的摩擦电式位置传感器，具有2个输出端口，通过两个输出端口的电流的情况得到触碰位置到两个输出端口的距离情况，进而得到触碰位置。为了更好的计算，输出端口设置于高阻抗电极的两端，根据电流的比值即可得到触碰位置情况，计算方式简单。当高阻抗电极横截面面积不一致，电阻率分布也不均匀时，可通过微积分等计算方式，计算出横截面积与电阻率，再通过计算得到触碰位置。可见本实施例所述的方法也应用于不规则的高阻抗电极。

检测本实施例所述摩擦电式位置传感器的检测效果，实际测试结果与理论结果如图3所示，两条曲线的变化方向大致一致，可以通过增加高阻抗电极的电阻率、提高电信号检测仪器的精度或者提高摩擦层的表面电荷密度等方式提高位置检测的效果。

如图4所示，在其中一个实施例中，所述摩擦电式位置传感器的检测维度为2维，且所述摩擦电式位置传感器为矩形，高阻抗柔性电极具有4个输出端口，4个输出端口设置于2维摩擦电式位置传感器的四边。检测维度为2维的摩擦电式位置传感器的检测原理如图5所示，为了简化计算的难度，高阻抗电极垂直于位置检测方向的截面的面积一致，电阻率均匀，可根据下述公式分析电流与触碰位置的关系：

其中L_a为触碰位置到输出端口a一段的长度，L_b为触碰位置到输出端口b一段的长度，L_c为触碰位置到输出端口c一段的长度，L_d为触碰位置到输出端口d一段的长度，L_ac为输出端口a到输出端口c一段的长度，L_bd为输出端口b到输出端口d一段的长度，I_a为输出端口a的电流，I_b为输出端口b的电流，I_c为输出端口c的电流，I_d为输出端口d的电流。

本实施例中，由于触碰时的压力一般不一致，因此检测维度为2维的摩擦电式位置传感器，具有4个输出端口，通过在每一维度的检测方向分别设置两个输出端口，来检测该维度的触碰位置。2个维度的触碰位置相结合即可得到检测维度为2维的摩擦电式位置传感器的触碰位置。

检测本实施例所述摩擦电式位置传感器的检测效果，实际测试结果与理论结果如图6所示，两个维度中两条曲线的变化方向大致一致，可以通过增加高阻抗电极的电阻率、提高电信号检测仪器的精度或者提高摩擦层的表面电荷密度等方式提高位置检测的效果。

在其中一个实施例中，所述摩擦电式位置传感器可用于检测触碰位置信息、触碰速度信息以及实现触碰循迹功能。本实施例所述的摩擦电式位置传感器用于检测触碰位置，在此基础上进行更多的应用拓展，例如检测触碰速度信息以及实现触碰循迹等功能。

在其中一个实施例中，所述摩擦层1的厚度为100nm-10cm和高阻抗电极2的厚度为10nm-10cm。本实施例提供了摩擦层1和高阻抗电极2的厚度参数，在该参数范围内，摩擦电式位置传感器的检测效果较好。

在其中一个实施例中，所述高阻抗电极的电阻取值范围为1kΩ到100GΩ。本实施例中，受摩擦层表面电荷密度的影响，在高阻抗电极的电阻取值范围为1kΩ到100GΩ时设计基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，可以取得较好的检测效果。根据该电阻值范围，确定高阻抗电极的尺寸及电阻率等参数。

实施例2

本实施例提供一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤101、制备摩擦层混合液和高阻抗电极混合液；高阻抗电极混合液经过真空倒模操作后，凝固得到高阻抗电极；

步骤102、摩擦层混合液在所述高阻抗电极表面通过刮涂法制成摩擦层。

本实施例通过上述方式制备得到摩擦电式位置传感器。所述高阻抗电极的组分为半导体材料或由导电材料与绝缘材料混合而成的复合材料。其中半导体材料例如碳、硅等材料。复合材料中的导电材料例如碳、硅、银等材料。绝缘材料例如硅胶等。制备基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，根据实际应用场景选择合适的材料进行制备。例如高阻抗电极混合液的组分包括微米级的碳粉、银纳米线和硅胶，以制备得到具有柔性的高阻抗电极。摩擦层混合液的组成成分包括硅胶。与高阻抗电极连接的输出端口采用导电材料制备。

在其中一个实施例中，所述步骤101中所述摩擦层混合液的制备步骤如下所示：A液、B液以质量比1:1混合，混合均匀后得到摩擦层混合液，其中A液为硅胶的组分A胶，B液为硅胶的组分B胶。

本实施例提供了采用硅胶制备摩擦层混合液的步骤。硅胶是由A胶和B胶两个组分构成，在A胶和B胶没有混合时，两者分别都是凝胶态，当两者混合后，会很快的变为固态的弹性体材料。其原理为hydrosilation反应，A胶含有乙烯基硅胶合有机铂触媒，B胶含有乙烯基合氢基；A胶和B胶混合后，就会在室温下行架桥反应形成固体。基于硅胶的该特性在需要时混合A液与B液，以得到所需形状的摩擦层。在其中一个实施例中，所述步骤101中所述高阻抗电极混合液的制备步骤如下所示：

步骤1011、取等量的A液和B液于两个烧杯中备用，其中A液为硅胶的组分A，B液为硅胶的组分B；

步骤1012、A液和B液中加入等量碳粉和银纳米线，得到A1液和B1液；其中，A液、碳粉与银纳米线的质量比为100：(0.5-10)：(0.05-1)；B液、碳粉与银纳米线的质量比为100：(0.5-10)：(0.05-1)；

步骤1013、A1液和B1液分别用搅拌机搅匀，再混合并搅拌均匀得到高阻抗电极混合液。

本实施例提供了采用微米级的碳粉、银纳米线和硅胶，制备得到高阻抗电极混合液的步骤。其中柔性硅胶、碳粉与银纳米线的质量比为100：(0.5-10)：(0.05-1)。硅胶的组分A胶和组分B胶分别加入碳粉和银纳米线进行搅拌，混合均匀，使得最后得到的高阻抗电极混合液混合均匀，使得制备得到的大电阻率的高阻抗电极电阻分布均匀。

在其中一个实施例中，所述摩擦电式位置传感器的检测维度为1维，所述高阻抗电极的制备方法包括以下步骤：

步骤1011a、取等量的A液和B液于两个烧杯中备用，其中A液为硅胶的组分A，B液为硅胶的组分B；

步骤1012a、A液和B液中加入等量碳粉，得到A’液和B'液；所述碳粉和柔性硅胶质量比为3:100；

A'液和B'液中加入等量等量银纳米线，得到A1液和B1液；所述银纳米线和柔性硅胶质量比为1:1000；

步骤1013a、A1液和B1液分别用搅拌机搅匀，再混合并搅拌均匀得到高阻抗电极混合液；

步骤1014a、将高阻抗电极混合液放入真空机中，进行真空操作，抽出高阻抗电极混合液内的空气；

步骤1015a、将真空操作后的高阻抗电极混合液倒入模具中，盖上PET膜，用亚克力板刮平，放入烘箱或置于室温环境，待其凝固；

步骤1016a、揭下PET膜得到一维的高阻抗电极。

本实施例给出了，检测维度为1维的摩擦电式位置传感器的高阻抗电极的具体制备方法。可根据具体应用场景设置模具的大小来限定高阻抗电极的大小；并根据实际情况设置搅拌参数、真空参数以及凝固参数。例如所述一维的高阻抗电极长宽高分别为300mm、5mm、1mm。所述步骤1013a的A1液、B1液的搅拌速度为300-400r/min，搅拌时间为15min，混合后的搅拌时间为3-4min。所述步骤1014a的抽真空时间为5-6min。所述步骤1015a中室温环境下凝固时间为4-5h；放于烘箱中凝固时间为1-2h，烘箱温度为50-60℃。

在其中一个实施例中，所述摩擦电式位置传感器的检测维度为2维，所述高阻抗电极的制备方法包括以下步骤：

步骤1011b、取等量的柔性硅胶于两个烧杯中备用，记作A液和B液；

步骤1012b、A液和B液中加入等量碳粉，得到A'液和B'液；所述碳粉和柔性硅胶质量比为13:1000；

A'液和B'液中加入等量等量银纳米线，得到A1液和B1液；所述银纳米线和柔性硅胶质量比为1:1000；

步骤1013b、A1液和B1液分别用搅拌机搅匀，再混合并搅拌均匀得到高阻抗电极混合液；

步骤1014b、将高阻抗电极混合液导入模具中；

步骤1015b、将高阻抗电极混合液连同模具放到真空机中，进行真空操作,抽出高阻抗电极混合液内的空气；

步骤1016b、将真空操作后的高阻抗电极混合液和模具放到光学平台上，待混合物在室温环境下摊平凝固，得到二维的高阻抗电极。

本实施例给出了，检测维度为2维的摩擦电式位置传感器的高阻抗电极的具体制备方法。可根据具体应用场景设置模具的大小来限定高阻抗电极的大小；并根据实际情况设置搅拌参数、真空参数以及凝固参数。例如所述二维的高阻抗电极长宽高分别为100mm、100mm、1mm。所述步骤1013b的A1液、B1液的搅拌速度为300-400r/min，搅拌时间为15min，混合后的搅拌时间为4-5min。所述步骤1015b的抽真空时间为5-6min。所述步骤1016b中摊平和凝固时间为5-6h。

实施例3

本实施例提供一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤201、获取摩擦层；

通过磁控溅射，真空蒸发镀膜或电化学镀膜方式，在绝缘材料表面制备一层半导体或导体材料，得到高阻抗电极；

步骤202、摩擦层与高阻抗电极层合。

与实施例2所述的通过真空倒模的方式制备得到高阻抗电极不同，本实施例通过磁控溅射，真空蒸发镀膜或电化学镀膜等方式，在绝缘材料表面制备一层半导体或导体材料，以得到高阻抗电极。本实施例可以采用实施例2所述的方法制备摩擦层混合液，然后由摩擦层混合液在所述高阻抗电极表面通过刮涂法制成摩擦层。除此之外，还可以选用已制备好的摩擦层黏附在高阻抗电极表面来制备摩擦电式位置传感器。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，其特征在于，包括摩擦层(1)和高阻抗电极(2)；所述摩擦层(1)和高阻抗电极(2)层合设置；所述高阻抗电极(2)设置有输出端口。

2.根据权利要求1所述的基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，其特征在于，所述基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的检测维度为n维，每一维度的检测方向存在至少2个输出端口；所述高阻抗电极(2)的输出端口经电表接地。

3.根据权利要求1所述的基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，其特征在于，所述高阻抗电极(2)的组分为半导体材料或由导电材料与绝缘材料混合而成的复合材料。

4.根据权利要求2所述的基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，其特征在于，检测维度为1维，所述高阻抗电极(2)具有2个输出端口，2个输出端口设置于高阻抗电极(2)的两端。

5.根据权利要求2所述的基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，其特征在于，检测维度为2维，所述高阻抗电极(2)为矩形，高阻抗电极(2)具有4个输出端口，4个输出端口设置于高阻抗电极(2)的四边。

6.根据权利要求4或5所述的基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，其特征在于，所述高阻抗电极(2)电阻率均匀，且每一维度的位置检测方向的截面的面积一致。

7.根据权利要求1所述的基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，其特征在于，应用于检测触碰位置信息、触碰速度信息以及实现触碰循迹功能。

8.根据权利要求1所述的基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器，其特征在于，所述摩擦层(1)的厚度为100nm-10cm；所述高阻抗电极(2)的厚度为10nm-10cm。

9.一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤101、制备摩擦层混合液和高阻抗电极混合液；高阻抗电极混合液经过真空倒模操作后，凝固得到高阻抗电极；

步骤102、摩擦层混合液在所述高阻抗电极表面通过刮涂法制成摩擦层。

10.一种基于大电阻率材料的摩擦电式位置传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤201、获取摩擦层；

通过磁控溅射，真空蒸发镀膜或电化学镀膜方式，在绝缘材料表面制备一层半导体或导体材料，得到高阻抗电极；

步骤202、摩擦层与高阻抗电极层合。

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