CN220438459U - 电荷分布测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及纳米新能源技术领域，特别涉及一种电荷分布测试装置。该电荷分布测试装置包括驱动模块、测试模块和处理模块；驱动模块具有固定端和活动端，活动端用于承载测试样品；固定端传动连接活动端以驱动活动端在设定平面内移动，设定平面平行于活动端用于承载测试样品的表面；所述测试模块用于测量测试样品的某一点位的电压，基于电压分布可计算得到电荷密度分布；处理模块分别与测试模块、驱动模块电连接。该电荷分布测试装置可实现大面积摩擦表面静电荷分布的快速表征。

Description

电荷分布测试装置

技术领域

本实用新型涉及纳米新能源技术领域，特别涉及一种电荷分布测试装置。

背景技术

摩擦纳米发电的基本原理是利用摩擦(接触)在两个物体的表面(其中至少一个为绝缘材料)生成静电荷，当接触的两个表面分离时，静电荷的分离产生电势差，驱动位于绝缘表面下的感应电极中的自由电荷定向移动，从而收集环境中的机械能，并转化为电能。摩擦纳米发电技术尤其适用于收集低频运动的机械能，具有结构简单、成本低、材料选择丰富等优势。

表面摩擦静电荷密度及稳定性是影响摩擦发电输出性能的主要因素，但目前对于较大面积的摩擦起电表面，仍缺乏有效的电荷分布表征手段。

实用新型内容

本实用新型公开了一种电荷分布测试装置，用于表征表面电荷分布。

为达到上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种电荷分布测试装置，包括：

驱动模块，所述驱动模块具有固定端和活动端，所述活动端用于承载测试样品；所述固定端传动连接所述活动端以驱动所述活动端在设定平面内移动，所述设定平面平行于所述活动端用于承载所述测试样品的表面；

测试模块，所述测试模块用于测量所述测试样品的某一点位的电压；

处理模块，所述处理模块分别与所述测试模块、所述驱动模块电连接。

该电荷分布测试装置的驱动模块可以带着测试样品在设定平面内移动，驱动模块的活动端在设定平面内的位置参数可以认为是测试样品的位置参数。测试模块可以对测试样品某一点位的电压进行测量，通过驱动模块移动测试样品，可以使测试模块对测试样品平行于设定平面的表面各处进行电压测试，基于电压分布可计算得到电荷密度分布。上述位置参数和电压参数都可以通过处理模块获取，处理模块可以综合位置参数和电压参数得到测试样品的表面的电势分布，进而得到测试样品表面的电荷分布。

可选地，所述驱动模块包括第一驱动组件和第二驱动组件；

所述第一驱动组件包括第一固定部和沿第一方向运动的第一活动部；所述第二驱动组件包括第二固定部和沿第二方向运动的第二活动部，所述第一方向和所述第二方向相互垂直且平行于所述设定平面；所述第二固定部固定于所述第一活动部，所述第二活动部用于承载所述测试样品。

可选地，所述第二活动部用于接触所述测试样品的表面设置有绝缘结构。

可选地，所述测试样品放置于所述绝缘结构上时，所述绝缘结构在所述第二活动部上的正投影覆盖所述测试样品在所述第二活动部上的正投影。

可选地，所述绝缘结构的材质为聚合物、无机氧化物、复合材料中的至少一种。

可选地，所述测试模块包括测试探头以及与所述测试探头电连接的静电电压表，所述静电电压表与所述处理模块电连接。

可选地，所述静电电压表连接有接地端，所述接地端还用于连接所述测试样品的电极。

可选地，还包括支架，所述支架相对所述固定端位置固定，所述测试探头可活动地安装于所述支架。

可选地，所述处理模块包括处理器以及与所述处理器电连接的信号采集组件；

所述信号采集组件与所述测试模块电连接，所述处理器与所述驱动模块电连接。

可选地，所述处理模块还包括图像显示组件，所述图像显示组件与所述处理器电连接。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种电荷分布测试装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种电荷分布测试装置电连接结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种电荷分布测试装置的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的另一种电荷分布测试装置电连接结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种电荷分布测试装置工作状态示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种电荷分布测试装置的驱动模块驱动路径示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种电荷分布测试装置测试得到的表面电势图。

图标：1-驱动模块；11-第一驱动组件；12-第二驱动组件；2-测试模块；21-测试探头；22-静电电压表；3-处理模块；31-处理器；32-信号采集组件；33-图像显示组件；4-绝缘结构；10-测试样品；101-背电极；102-绝缘薄膜。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

摩擦纳米发电技术，其工作原理基于摩擦起电效应和静电感应效应的耦合，具有结构简单、成本低、材料选择丰富等优点。摩擦发电输出性能受到表面摩擦静电荷密度以及稳定性影响。目前，对表面摩擦静电荷的分布主要是通过一些间接的手段来进行表征，且一般只能测得总电荷量(例如测量转移电荷来保证静电荷的总量)，得不到静电荷的分布情况。原子力显微镜或开尔文探针可以测试表面电势，从而对表面摩擦静电荷进行表征，但这两种仪器表征的区域一般较小，且可测的电势范围只有20V左右，远达不到大多数带静电表面的电势范围。静电电压表可以对单点的电势表征，表征的电势范围比较大，但无法测试一定区域的分布。

如图1所示，本申请实施例提供一种电荷分布测试装置，包括驱动模块1、测试模块2以及处理模块3。驱动模块1具有固定端和活动端，活动端用于承载测试样品10。固定端传动连接活动端以驱动活动端在设定平面内移动，设定平面平行于活动端用于承载测试样品10的表面。测试模块2用于测量测试样品10的某一点位的电压。处理模块3分别与测试模块2、驱动模块1电连接。

在应用时，可以将测试样品10放置在驱动模块1的活动端，驱动模块1的固定端驱动活动端在设定平面内移动，活动端可以带着测试样品10也在该设定平面内移动。处理模块3与驱动模块1电连接，处理模块3可以控制驱动模块1的运动。驱动模块1的活动端在设定平面内的位置参数可以认为是测试样品10的位置参数，这些位置参数都可以传递到处理模块3。测试模块2可以对测试样品10某一点位的电压进行测量，通过驱动模块1移动测试样品10，可以使测试模块2对测试样品10平行于设定平面的表面各处进行电压测试。测试模块2测试得到的电压参数可以传递到处理模块3。处理模块3可以综合驱动模块1传递来的位置参数和测试模块2传递来的电压参数得到测试样品10的表面的电势分布，进而得到测试样品10表面的电荷分布。应当理解，测试样品10的表面电荷分布可以认为是测试样品10的表面的电压与测试点位的坐标形成的关系网络。

具体地，驱动模块1包括第一驱动组件11和第二驱动组件12。第一驱动组件11包括第一固定部和沿第一方向X运动的第一活动部，第二驱动组件12包括第二固定部和沿第二方向Y运动的第二活动部，第一方向X和第二方向Y相互垂直且平行于设定平面。第二固定部固定于第一活动部，第二活动部用于承载测试样品10。

第一驱动组件11具体可以通过马达、气缸等结构实现，第二驱动组件12也可以通过马达、气缸等结构实现。示例性地，本申请中的第一驱动组件11和第二驱动组件12均为线性电机，可以将电能直接转换成直线运动机械能。具体地，第一驱动组件11能够将电能转换为第一活动部沿第一方向X移动的机械能，第二驱动组件12能够将电能转换为第二活动部沿第二方向Y移动的机械能。

或者，第一驱动组件11的第一固定部可以为电机，电机可以输出旋转运动，电机与第一活动部之间可以通过螺纹螺杆等传动结构传动连接，以将电机的旋转运动转换为第一活动部的直线运动。其中，第一固定部与处理模块之间电连接，处理模块3可以控制第一固定部的动力输出方向以及大小。类似地，第二驱动组件12的第二固定部也可以是电机，并通过螺纹螺杆等传动结构将电极的旋转运动转换为第二活动部的直线运动。

其中，第一驱动组件11的第一固定部相当于驱动模块1的固定端，第二驱动组件12的第二活动部相当于驱动模块1的活动端。第二驱动组件12的第二固定部固定于第一驱动组件11的第一活动部，当第一固定部驱动第一活动部沿第一方向X移动，可以通过第二固定部驱动第二驱动组件12整体沿第一方向X移动，进而可以驱动被第二活动部承载的测试样品10沿第一方向X移动。第二驱动组件12的第二固定部驱动第二活动部沿第二方向Y移动，进而可以驱动被第二活动部承载的测试样品10沿第二方向Y移动。最终，可以实现测试样品10在第一方向X和第二方向Y所形成的平面内的移动，第一方向X和第二方向Y所形成的平面可以认为是上述设定平面或平行于上述设定平面。

如图1所示，在驱动模块1与测试样品10之间要保持绝缘，因此，在第二活动部用于接触测试样品10的表面设置有绝缘结构4。此处的绝缘结构4可以是绝缘薄膜，也可以是绝缘载台。绝缘结构4可以与第二驱动组件12的第二活动部为一体式结构，例如将绝缘结构4通过注塑、涂覆等工艺形成在第二活动部上。绝缘结构4还可以与第二活动部是可拆卸的，只要在测试时将绝缘结构4设置到第二活动部用于承载测试样品10的表面即可。示例性地，绝缘结构4的材质为聚合物、无机氧化物、复合材料中的至少一种。测试样品10放置于绝缘结构上时，为了保持良好的绝缘效果，绝缘结构在第二活动部上的正投影覆盖测试样品10在第二活动部上的正投影。

测试模块2包括测试探头21和静电电压表22，测试探头21与静电电压表22电连接，测试探头21用于靠近测试样品10，使得静电电压表22可以测试得到测试样品10表面某一点的电压数据。静电电压表22与处理模块3电连接，可以将静电电压表22测试的测试样品10每个点位的电压数据反馈到处理模块3。应当理解，静电电压表22测得的电压可以认为是对地的电势差，不同点位的电压可以得到电压分布，处理模块3可以基于电压分布可计算得到电荷密度分布，从而可以反映测试样品10表面的电荷密度分布状态。在对测试样品10进行测试时，测试样品10的背电极与静电电压表22的地线之间电连接，以保持零电位。测试的电势范围和精度可以通过采用不同的静电电压表22进行灵活调整。

如图2所示的电荷测试装置的电路连接示意图，处理模块3则具体包括处理器31以及与处理器31电连接的信号采集组件32，处理器31和信号采集组件32可以集成在一个机箱内。信号采集组件32与测试模块2的静电电压表22电连接，处理器31分别与驱动模块1的第一驱动组件11和第二驱动组件12电连接。

具体地，处理器31经信号采集组件32通过信号采集系统采集静电电压表22测试得到的电压数据，处理器31可以通过控制软件控制第一驱动组件11和第二驱动组件12驱动测试样品10的动作。从而，处理器31可以通过控制软件和信号采集系统同步采集驱动模块1的活动端的实时坐标及静电电压表22获取的表面各个点位的电压，并基于扫描方法获取整个测试样品10表面二维的电压分布数据。在此基础上，根据表面电压和静电荷密度的线性关联，获取摩擦静电荷分布状态。

如图3和图4所示，为了对测试样品10表面的静电荷分布状态进行可视化表征，处理模块还包括图像显示组件33，图像显示组件33与处理器31电连接，能够对处理器31获得的摩擦静电荷分布状态进行成像。其中，成像的区域大小可以通过驱动模块1的扫描范围调整。测试的电势范围由静电电压表22的量程决定，可以达到几万伏。因此，通过本申请实施例所提供的电荷分布测试装置，可实现大面积摩擦表面静电荷分布的快速表征，可以应用在摩擦起电现象、摩擦纳米发电机等的研究领域。

接下来，对本申请实施例所提供的电荷分布测试装置的工作过程进行详细介绍。

首先，如图5所示，将测试样品10放置在第二驱动组件12顶部的绝缘结构4上，绝缘结构4将第二驱动组件12的第二活动部与测试样品10之间绝缘隔离。其中，测试样品10包括背电极101和绝缘薄膜102，背电极101与绝缘结构4接触，绝缘薄膜102位于背电极101背离绝缘结构4的一侧。测试样品10的大小和形状根据实际测试需求决定。绝缘薄膜102的优选厚度为50nm-100μm。测试模块2的测试探头21位于测试样品10背离驱动模块1的一侧，且测试探头21与测试样品10的绝缘薄膜102之间保持一定的距离，该距离一般为0.3-1mm。静电电压表22的地线连接有接地端G，测试样品10的背电极101与该接地端G连接。

然后，开始对测试样品10进行测试。测试探头21可以对测试样品10上某一点位的电压进行测试，静电电压表22测试得到的电压数据通过信号采集组件32反馈到处理器31，而被处理器31收集。为了测试不同点位的电压，可以通过处理器31控制驱动模块1带着测试样品10在第一方向X和第二方向Y形成的表面内移动。具体地，如图6所示，处理器31通过控制软件控制驱动模块1的第一驱动组件11动作，使得第二驱动组件12能够沿第一方向X移动设定第一距离后停止。接着，处理器31通过控制软件控制驱动模块1的第二驱动组件12动作，使得绝缘结构4和测试样品10沿第二方向移动设定第二距离后停止。在设定测试范围后，通过上述步骤的周期性运动，可以使测试样品10在第一方向X和第二方向Y上实现二维移动而形成如图6中虚线所示的路径。在具体实施时，可以设定不同的移动路径，使得测试模块2最终能够对测试样品10表面的每个点位进行电压测试。

在驱动模块1驱动测试样品10移动以使测试探头21测试测试样品10表面每个点位的电压的过程中，处理器31可以获取驱动模块1的活动端的实时坐标，并通过信号采集模块32采集静电电压表22获取的表面电压，从而获取测试样品10整个表面的电压分布。在此基础上，根据表面电势和表面静电荷密度的线性关联，可计算得到电荷密度分布。进一步可以通过图像显示组件33实现表面电势和摩擦静电荷分布的成像，即实现测试样品10表面电势和摩擦静电荷分布的快速二维清晰成像。图7示出了一种测试样品10经过本申请实施例所提供的电荷分布测试装置测试得到的电势分布示意。

其中，成像的区域大小可以通过驱动模块1的扫描范围调整，成像的速度可以通过第一驱动组件11和第二驱动组件12的速度来调整，成像的精度可以通过第一驱动组件11和第二驱动组件12的动作步长及采样点数等调整。应当理解，线性电机一般步长越小，成像精度越高。不过，这也受到测试探头21的精度的限制，线性电机的一般步长可选为0.5mm。

需要说明的是，当测试工作开始进行，测试探头21相对第一驱动组件11的固定端是保持相对静止的，通过驱动模块1驱动测试样品10相对测试探头21移动即可进行测试。测试探头21实际可以安装在一个支架上，在测试开始后，测试探头21保持静止。而在未测试阶段或测试完成之后，测试探头21可以相对支架活动或移动，使得测试探头21可以靠近或远离驱动模块1，还可以使测试探头21在平行于设定平面的面内移动。

当然，本申请实施例所提供的电荷分布测试装置，可以不限于摩擦(接触)起电静电荷的测试，也可以测试极化、放电等引入到绝缘或半导体表面的电荷分布，以及各种绝缘和半导体表面的电势分布。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种电荷分布测试装置，其特征在于，包括：

驱动模块，所述驱动模块具有固定端和活动端，所述活动端用于承载测试样品；所述固定端传动连接所述活动端以驱动所述活动端在设定平面内移动，所述设定平面平行于所述活动端用于承载所述测试样品的表面；

测试模块，所述测试模块用于测量所述测试样品的某一点位的电压；

处理模块，所述处理模块分别与所述测试模块、所述驱动模块电连接。

2.根据权利要求1所述的电荷分布测试装置，其特征在于，所述驱动模块包括第一驱动组件和第二驱动组件；

所述第一驱动组件包括第一固定部和沿第一方向运动的第一活动部；所述第二驱动组件包括第二固定部和沿第二方向运动的第二活动部，所述第一方向和所述第二方向相互垂直且平行于所述设定平面；所述第二固定部固定于所述第一活动部，所述第二活动部用于承载所述测试样品。

3.根据权利要求2所述的电荷分布测试装置，其特征在于，所述第二活动部用于接触所述测试样品的表面设置有绝缘结构。

4.根据权利要求3所述的电荷分布测试装置，其特征在于，所述测试样品放置于所述绝缘结构上时，所述绝缘结构在所述第二活动部上的正投影覆盖所述测试样品在所述第二活动部上的正投影。

5.根据权利要求3所述的电荷分布测试装置，其特征在于，所述绝缘结构的材质为聚合物、无机氧化物、复合材料中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的电荷分布测试装置，其特征在于，所述测试模块包括测试探头以及与所述测试探头电连接的静电电压表，所述静电电压表与所述处理模块电连接。

7.根据权利要求6所述的电荷分布测试装置，其特征在于，所述静电电压表连接有接地端，所述接地端还用于连接所述测试样品的电极。

8.根据权利要求6所述的电荷分布测试装置，其特征在于，还包括支架，所述支架相对所述固定端位置固定，所述测试探头可活动地安装于所述支架。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的电荷分布测试装置，其特征在于，所述处理模块包括处理器以及与所述处理器电连接的信号采集组件；

所述信号采集组件与所述测试模块电连接，所述处理器与所述驱动模块电连接。

10.根据权利要求9所述的电荷分布测试装置，其特征在于，所述处理模块还包括图像显示组件，所述图像显示组件与所述处理器电连接。