静电式速度传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种可测量线性运动速度或旋转运动速度的多功能速度传感器，包括可以相互滑动的圆筒状第一部件和第二部件，第一部件的和第二部件的内外表面均为平行排列的条状电极与摩擦层相互交替形成的栅格式结构，同一部件的内表面和外表面的栅格结构相互错开半个周期。圆筒状第一部件的外表面和第二部件的内表面发生相对线性滑动或相对旋转滑动时，两个栅格结构相互滑动摩擦，条状电极与摩擦层相互交替摩擦，在表面产生摩擦静电。静电依附在栅格的摩擦材料上，在运动中周期性驱动电子往复于摩擦膜的两个表面上的栅格电极，从而产生交替的电信号输出。该电信号的周期反映出栅格的周期结构，从而可以用来测量相对运动的速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器领域，特别涉及一种能自驱动的测量直线性运动或者旋转运动 的速度传感器。
技术介绍
随着电子技术的兴起和工业生产的要求，开发低能耗主动式运动传感器受到越来 越多的关注。传统的运动传感器需要电能供给方能工作，例如机床控制，鼠标等等，使传感 器的结构复杂，并且应用环境受到电能供给的限制。
技术实现思路
(一）要解决的技术问题 速度传感器是将机械运动与电信号耦合的电子器件。机械运动具有机械能，因此 可以利用这一能量设计出不依赖于外界供电而自主发生信号的传感器。这将是一种低功耗 的传感器。此外，直线性运动和旋转运动是自然界中最常见的两种运动，设计一种结构可以 满足测量两种运动的传感器可以极大地节约成本。最后，设计出的传感器应该满足输出信 号具有运动速度相关的信息，从而可以通过分析信号计算出速度值。 (二）技术方案 2012年以来，纳米摩擦发电机的专利技术使得机械能转化为电能的方法变得成本低廉 而且极易实现。通过两种不同材料之间的接触摩擦，接触表面会带有静电。在摩擦面分离 之前，等量异种电荷集中在微小的距离内，对外部空间不显电场。当带有静电的材料发生分 离并做机械运动时，静电荷在空间的移动使空间产生交变电场。如果空间中有恰当安置的 导体材料和回路，便可产生电流。摩擦材料可以是两种不同的高分子材料等绝缘体或半导 体，亦可其中之一金属等导体。这种技术可以实现机械能转化为电能的发电机，亦可用于制 作主动信号输出的机械运动传感器。 为了使输出信号包含传感器所测量的机械运动的速度信息，可以通过测量空间位 移和测量时间跨度计算得到速度。在输出信号中融合进位移信息，可以通过将摩擦材料的 表面设计成栅格状。两种摩擦材料在接触时栅格相互平行，当发生交替位错时，交替移动的 静电荷分布会导致对应的栅格电极之间产生反复的电流，形成交流信号。交流信号的周期 反映了栅格电极的周期和移动速度之间的关系。 本专利技术提供的静电式速度传感器，包括： 圆筒状第一部件，包括：第一摩擦层、在所述第一摩擦层的内外表面分别接触设置 的第一电极层和第二电极层； 圆筒状第二部件，包括：第二摩擦层、所述第二摩擦层的内外表面分别接触设置的 第三电极层和第四电极层； 所述第一部件与第二部件以第一部件的轴线为轴相互转动或者沿着轴向相互滑 动时，所述第二部件的内表面与第一部件的外表面相互紧密接触； 其中，所述第一电极层、第二电极层、第三电极层和第四电极层均由平行等距排列 并且形状相同的条形电极组成，相邻两个条形电极的距离与条形电极的宽度相同，所有所 述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角相同均为Q;所述第一电极层 与第二电极层错开半个周期，所述第三电极层与第四电极层错开半个周期；所述第一电极层与第四电极层中的所有条形电极电连接形成第一输出端，所述第 二电极层与第三电极层中的所有条形电极电连接形成第二输出端；所述第二部件的内表面与第一部件的外表面沿着轴向或者径向相对滑动，所述第 一输出端与第二输出端之间输出与所述滑动速度相关的交流电信号。输出电信号的灵敏度和测量范围由栅格式电极层中条形电极的宽度和条形电极 的长度延伸方向与所在不就的轴线所呈角度e有关。在栅格式电极层设计成垂e为90° 时，传感器只能检测线性运动；Q为0°时，只能检测旋转运动；Q为其他角度时，可以检测 线性运动或者旋转运动。通过对条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角0的设计，可以 实现在一个传感器上分别测量直线性运动和旋转运动的速度的功能。通过圆筒状第二部件 包裹圆筒状第一部件的结构，可以实现第二部件沿第一部件轴向线性滑动或以第二部件的 轴线相互转动的多种相对运动方式，为多功能速度传感器的设计提供了结构基础。优选的，每个所述电极层中设置有总线，将同一电极层中的多个条形电极电连接。优选的，所述第一摩擦件外表面和/或第二摩擦件的内表面的材料为绝缘体或者 半导体。 优选的，所述第一摩擦件外表面的材料与第二摩擦件内表面的材料相同。 优选的，所述第二电极层的材料与第三电极层的材料相同。 优选的，所述第二电极层与第三电极层的厚度为10纳米至10微米。 优选的，所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角0的范围 为0°至90°。优选的，所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角0为0°、30。、45。、60。或 90°。优选的，还包括圆筒状或圆柱状的第一支撑体，所述第一部件的内表面紧密包裹 第一支撑体的圆柱面。优选的，还包括具有圆柱形开孔的第二支撑体上，所述第二部件的外表面紧密贴 合在第二支撑体的开孔内侧面上。优选的，所述第二支撑件为圆筒结构，由内层弹性缓冲材料和外层刚性材料分层 构成。优选的，所述的绝缘体材料为：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亚胺薄膜、苯胺 甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁 二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯 丙酯薄膜、再生纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯 共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚 异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、酚 醛树脂薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、聚（偏 氯乙烯-CO-丙烯腈）薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚 碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙 烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯； 所述半导体材料为：非导电性氧化物和复杂氧化物。 优选的，所述电极层中条形电极的宽度为100微米至1毫米。 优选的，所述电极层中条形电极的宽度为1毫米-10厘米。 优选的，所述第一摩擦件和第二摩擦件的厚度范围为25微米至1厘米。 (三）有益效果 与现有技术相比，本专利技术的静电式速度传感器具有下列优点： 传感器具有主动信号输出功能，输出信号包含速度信息。传感器自身的工作不需 要外部电能供给（信号处理部分除外），可以将机械能直接转化为电能。 通过对条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角0的设计，传感 器可以测量直线性运动或者旋转运动速度，具有多种功能。 本专利技术的传感器的制作材料选择范围广泛，制备方法简单，成本低廉。【附图说明】 通过附图所示，本专利技术的上述及其它目的、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，重点在于示 出本专利技术的主旨。 图1为本专利技术的静电式速度传感器的结构示意图； 图2为本专利技术实的静电式速度传感器中电极层的电连接示意图； 图3为本专利技术的静电式速度传感器在旋转运动模式下的结构示意图； 图4为本专利技术的静电式速度传感器在线性运动模式下的结构示意图； 图5为电极层中条形电极通过总线进行电连接的结构示意图； 图6和图7为一个具体静电式当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静电式速度传感器，其特征在于，包括：圆筒状第一部件，包括：第一摩擦层、在所述第一摩擦层的内外表面分别接触设置的第一电极层和第二电极层；圆筒状第二部件，包括：第二摩擦层、所述第二摩擦层的内外表面分别接触设置的第三电极层和第四电极层；所述第一部件与第二部件以第一部件的轴线为轴相互转动或者沿着轴向相互滑动时，所述第二部件的内表面与第一部件的外表面相互紧密接触；其中，所述第一电极层、第二电极层、第三电极层和第四电极层均由平行等距排列并且形状相同的条形电极组成，相邻两个条形电极的距离与条形电极的宽度相同，所有所述条形电极的长度延伸方向与所在部件的轴线方向的夹角相同均为θ；所述第一电极层与第二电极层错开半个周期，所述第三电极层与第四电极层错开半个周期；所述第一电极层与第四电极层中的所有条形电极电连接形成第一输出端，所述第二电极层与第三电极层中的所有条形电极电连接形成第二输出端；所述第二部件的内表面与第一部件的外表面沿着轴向或者径向相对滑动，所述第一输出端与第二输出端之间输出与所述滑动速度相关的交流电信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：井庆深，王中林，韩平畴，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11