CN107677198A - 驻极体自驱动近距离位置检测器 - Google Patents

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    • G—PHYSICS
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Abstract

驻极体自驱动近距离位置检测器，它涉及智能硬件传感技术领域；它包含下基底载体、金属电极层、下图形化支撑架、驻极体薄膜、上图形化支撑架、图形化空腔孔、目标位置感应电极；所述的下基底载体上设置有金属电极层，金属电极层上自下而上依次设置有下图形化支撑架、驻极体薄膜、上图形化支撑架和目标位置感应电极；所述的下图形化支撑架和上图形化支撑架上分别设置有图形化空腔孔。本发明不需要额外的外接电源，是一种自驱动式的距离空间位置检测传感技术，当目标电极在左右或者上下运动时，可实现不同位置的不同电压信号输出，从而可以有效判断近距离空间位置。

Description

驻极体自驱动近距离位置检测器
技术领域
本发明涉及智能硬件传感技术领域，具体涉及驻极体自驱动近距离位置检测器。
背景技术
近距离空间位置检测器是智能硬件传感技术领域的目标位置检测传感器和***，探头位置移动以及工业自动化应用中的目标位置变化识别，是一种非常重要的功能部件，是一种通过传感元件感受外部碰撞压力信息，并将其转换为电信号的器件。传统上，根据工作原理的不同，近距离空间位置检测器有光电式、超声波式和电容式三种类型。光学方案也是可行，但是需要光源，成本增加。而结合驻极体以及电容的方式近距离空间位置检测器这种传感器特点是结构简单、耗能低，灵敏度高，稳定等优点。发展一种不需要外部电源就可以工作的瞬态压力传感技术是解决上述问题的关键，摩擦纳米发电机的成功研制使该方法成为可能。
常见的近距离空间位置传感主要依据与光电式、超声波式和电容式原理等，但其缺点是制作成本高、有源、***复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种不需要额外的外接电源、可实现不同位置的不同电压信号输出、可以有效判断近距离空间位置的驻极体自驱动近距离位置检测器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：它包含下基底载体、金属电极层、下图形化支撑架、驻极体薄膜、上图形化支撑架、图形化空腔孔、目标位置感应电极；所述的下基底载体上设置有金属电极层，金属电极层上自下而上依次设置有下图形化支撑架、驻极体薄膜、上图形化支撑架和目标位置感应电极；所述的下图形化支撑架和上图形化支撑架上分别设置有图形化空腔孔。
作为优选，所述的驻极体薄膜材料经极化后能够长期具有高表面电荷密度与高表面电压，基于静电感应原理，双可变电容作为目标接近检测的距离的一个函数改变，在上下或者左右的方向上的每一个点电容变化在其方向上一组电压，从而可以判断目标电极的位置。
作为优选，所述的图形化空腔孔，空气介质可以增大电极感应的电荷效果，从而得出变化的电压输出，实现近距离空间位置的定位与判断。
作为优选，所述的驻极体薄膜经高压针尖极化，其长期具有稳定的高表面电荷以及高的表面电压，当驻极体在上下或者左右的方向上的每一个点电容变化时，驻极体薄膜两边的电容会发生相对应的形变，依据静电感应效应，空腔两端的电极上的表面电荷与表面电压会发生相对应的变化，电荷会作为电能将通过传输导线输出，从而实现驻极体近距离空间位置检测器。
作为优选，所述的金属电极层是电信号的输出端子，目标位置感应电极是电信号的另外一个输出端子。
本发明的工作原理为：依靠驻极体薄膜两边的电容会发生相对应的变化，两端的电极上的表面电荷与表面电压会发生相对应的变化，电荷会作为电能将通过传输导线输出，从而实现自驱动近距离空间位置检测器，依据电容电荷与电压V的公式，可得，
其中，ε是空气介电系数，A是驻极体薄膜的面积。Q是驻极体薄膜的电荷总数，x是上下电极的空间距离。
采用上述结构后，本发明产生的有益效果为：
1、不需要额外的外接电源，是一种自驱动式的距离空间位置检测传感技术，当目标电极在左右或者上下运动时，可实现不同位置的不同电压信号输出，从而可以有效判断近距离空间位置；
2、价格低廉、工艺简单、可靠、自驱动，更便于传感器使用。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是本具体实施方式一种工作模态原理图；
图3是本具体实施方式另一种工作模态原理图；
图4是本发明的电路原理图；
图5是本发明驻极体表面电压随时间测试曲线图；
图6是本发明不同位置点的电压测试曲线图。
附图标记说明：
下基底载体1、金属电极层2、下图形化支撑架3、驻极体薄膜4、上图形化支撑架5、图形化空腔孔6、目标位置感应电极7。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
参看如图1——图6所示，本具体实施方式采用如下技术方案：它包含下基底载体1、金属电极层2、下图形化支撑架3、驻极体薄膜4、上图形化支撑架5、图形化空腔孔6、目标位置感应电极7；所述的下基底载体1上设置有金属电极层2，金属电极层2上自下而上依次设置有下图形化支撑架3、驻极体薄膜4、上图形化支撑架5和目标位置感应电极7；所述的下图形化支撑架3和上图形化支撑架5上分别设置有图形化空腔孔6。
所述的驻极体薄膜4材料经极化后能够长期具有高表面电荷密度与高表面电压，基于静电感应原理，双可变电容作为目标接近检测的距离的一个函数改变，在上下或者左右的方向上的每一个点电容变化在其方向上一组电压，从而可以判断目标电极的位置。
所述的图形化空腔孔6，空气介质可以增大电极感应的电荷效果，从而得出变化的电压输出，实现近距离空间位置的定位与判断。
所述的驻极体薄膜4经高压针尖极化，其长期具有稳定的高表面电荷以及高的表面电压，当驻极体在上下或者左右的方向上的每一个点电容变化时，驻极体薄膜两边的电容会发生相对应的形变，依据静电感应效应，空腔两端的电极上的表面电荷与表面电压会发生相对应的变化，电荷会作为电能将通过传输导线输出，从而实现驻极体近距离空间位置检测器。
所述的金属电极层2是电信号的输出端子，目标位置感应电极7是电信号的另外一个输出端子。
本具体实施方式采用针尖高压极化方式的驻极体薄膜。其设计依据驻极体的静电感应，当驻极体薄膜两面的电极空间位置因为目标电极位置发生变化时，对应的金属电极层2与目标位置感应电极7电压及电荷能发生相应变化，其输出的电流及电压可可表征距离空间位置，从而实现自驱动近距离空间位置检测。因此，驻极体薄膜4两端的金属电极层2与目标位置感应电极7的位置要保持恰当，理想的是为0.1μm-50mm。
本具体实施方式采用绝缘性程度高的材料作为下图形化支撑架3与上图形化支撑架5，例如硅，氧化硅，PMMA等。该类材料容易获得，容易图形化价格便宜，如待测样品的尺寸中，下图形化支撑架3与上图形化支撑架5的厚度可为0.2mm-3mm，面积可为0.2cm2-10cm2；图形化空腔孔6的图形可为方孔形，圆孔形，五角孔形等，孔形越大，测试的数据越好。
本具体实施方式优先采用聚四氟乙烯(PTFE)驻极体薄膜4，同时也可采用聚全氟乙丙烯(FEP)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、左旋聚乳酸(PLLA)作为驻极体薄膜，其薄膜的厚度可为10μm-10mm。
本具体实施方式所述的金属电极层2的电极的电极材料可为铝(Al)、金(Au)、铜(Cu)、银(Ag)等，镀电极的方式可采用电子束蒸发或者磁控溅射方式，电极的厚度可为1nm-2μm。
本具体实施方式的工作原理为：依靠驻极体薄膜两边的电容会发生相对应的变化，两端的电极上的表面电荷与表面电压会发生相对应的变化，电荷会作为电能将通过传输导线输出，从而实现自驱动近距离空间位置检测器，依据电容电荷与电压V的公式，可得，
其中，ε是空气介电系数，A是驻极体薄膜的面积。Q是驻极体薄膜的电荷总数，x是上下电极的空间距离。
采用上述结构后，本具体实施方式产生的有益效果为：
1、不需要额外的外接电源，是一种自驱动式的距离空间位置检测传感技术，当目标电极在左右或者上下运动时，可实现不同位置的不同电压信号输出，从而可以有效判断近距离空间位置；
2、价格低廉、工艺简单、可靠、自驱动，更便于传感器使用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.驻极体自驱动近距离位置检测器，其特征在于：它包含下基底载体、金属电极层、下图形化支撑架、驻极体薄膜、上图形化支撑架、图形化空腔孔、目标位置感应电极；所述的下基底载体上设置有金属电极层，金属电极层上自下而上依次设置有下图形化支撑架、驻极体薄膜、上图形化支撑架和目标位置感应电极；所述的下图形化支撑架和上图形化支撑架上分别设置有图形化空腔孔。
2.根据权利要求1所述的驻极体自驱动近距离位置检测器，其特征在于：所述的驻极体薄膜材料经极化后能够长期具有高表面电荷密度与高表面电压，基于静电感应原理，双可变电容作为目标接近检测的距离的一个函数改变，在上下或者左右的方向上的每一个点电容变化在其方向上一组电压，从而可以判断目标电极的位置。
3.根据权利要求1所述的驻极体自驱动近距离位置检测器，其特征在于：所述的图形化空腔孔，空气介质可以增大电极感应的电荷效果，从而得出变化的电压输出，实现近距离空间位置的定位与判断。
4.根据权利要求1所述的驻极体自驱动近距离位置检测器，其特征在于：所述的驻极体薄膜经高压针尖极化，其长期具有稳定的高表面电荷以及高的表面电压，当驻极体在上下或者左右的方向上的每一个点电容变化时，驻极体薄膜两边的电容会发生相对应的形变，依据静电感应效应，空腔两端的电极上的表面电荷与表面电压会发生相对应的变化，电荷会作为电能将通过传输导线输出，从而实现驻极体近距离空间位置检测器。
5.根据权利要求1所述的驻极体自驱动近距离位置检测器，其特征在于：所述的金属电极层是电信号的输出端子，目标位置感应电极是电信号的另外一个输出端子。
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