基于摩擦伏特效应的传感装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于摩擦伏特效应的传感装置，包括：第一摩擦部和第二摩擦部，其中，所述第一摩擦部包括层叠设置的第一电极层和摩擦层；第二摩擦部包括层叠设置的半导体层和第二电极层；第一摩擦部和第二摩擦部可以互相滑动摩擦，在第一电极层和第二电极层之间形成直流电流；所述直流电流与所述第一摩擦部和第二摩擦部之间的运动相关；其中，能够互相接触的摩擦层和半导体层的材料为费米能级不同的材料。在速度传感基础上还可以实现位移、拉力和摆动角度传感。本发明专利技术利用简单的器件结构实现了多种功能的实时高效传感。了多种功能的实时高效传感。了多种功能的实时高效传感。

【技术实现步骤摘要】
基于摩擦伏特效应的传感装置


[0001]本专利技术涉及传感器领域，尤其涉及一种基于摩擦伏特效应的传感装置，及其用于速度、位移、拉力和摆动角度的传感装置。

技术介绍

[0002]随着物联网的快速发展，系统集成化、智能化、小型化的需求加快了多功能传感器的研究，基于MEMS技术，现有的商业传感器获得了巨大的成功。尽管商用MEMS传感器性能优越，体积小，但通常功能单一，将一些实际上独立运行的单一功能传感器结合起来，是目前多功能传感器最常见的技术方法。另一方面，物联网也希望MEMS传感器可以连续工作很长时间，而频繁更换电池给物联网技术带来了不便。自供电技术的出现给新时代物联网技术提供新的技术路线，该技术可直接将待检测机械信息转换成电信号，即从工作环境而不是外部电源或传统电池中获取能量来驱动传感器。
[0003]通常，速度传感器能够高分辨率测量目标物体的运动方向和速度大小，具有广泛的应用，包括精密设备的组装、智能交通、安全监控，以及人机界面等。但实际上所报道的速度和位移传感器通常基于光、热或磁学传感机制，其中必须使用外部电源来驱动这些传感器。另外，摩擦纳米发电机(TENG)可用作速度传感器，但它的输出是非连续的脉冲信号，只能检测初始速度，而不能检测速度的实时变化，因此也存在一定的局限性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种可以根据摩擦伏特效应中速度变化产生输出性能变化的传感原理，实现精确的、连续的、实时的电信号输出，可用于自驱动的速度、位移、拉力和摆动角度等传感。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于摩擦伏特效应的传感装置，其特征在于，包括：第一摩擦部和第二摩擦部，其中，
[0006]所述第一摩擦部包括层叠设置的第一电极层和摩擦层；第二摩擦部包括层叠设置的半导体层和第二电极层；第一摩擦部和第二摩擦部可以互相滑动摩擦，在第一电极层和第二电极层之间形成直流电流；所述直流电流与所述第一摩擦部和第二摩擦部之间的运动相关；
[0007]其中，能够互相接触的摩擦层和半导体层的材料为费米能级不同的材料。
[0008]优选的，还包括支架、弹簧和滑块，其中，所述滑块包括配重物，所述第一摩擦部设置在所述配重物上随所述配重物一起滑动；
[0009]所述支架用于连接所述弹簧的一端，所述弹簧的另一端与所述配重物连接，所述滑块在弹簧作用下可以回复原位。
[0010]优选的，所述滑块相对于所述第二摩擦部的滑动方向为水平方向或者竖直方向。
[0011]优选的，所述摩擦层的材料为绝缘体、导体和半导体材料，所述半导体层的材料为半导体材料。
[0012]优选的，所述摩擦层的材料为导电材料，所述摩擦层代替所述第一电极层材料。
[0013]优选的，所述摩擦层的材料为导电金属薄膜，所述半导体层的材料为半导体薄片。
[0014]相应的，本专利技术还提供一种速度传感装置，包括上述任一项所述的传感装置，将待传感的物体连接在第一摩擦部上，所述直流电流大小与所述第一摩擦部和第二摩擦部之间的滑动速度相关。
[0015]相应的，本专利技术还提供一种位移传感装置，包括上述任一项所述的传感装置，将需要测量位移的物体连接在第一摩擦部的滑块上，在物体位移了一段距离之后，断开所述物体与滑块的连接，此时由于弹簧弹力的作用滑块开始运动，从而产生电流信号的输出，所述电流信号大小与物体的位移大小相关。
[0016]相应的，本专利技术还提供一种拉力传感装置，包括上述任一项所述的传感装置，拉力作用在第一摩擦部或者滑块上，位移了一段距离之后，释放所述拉力，由于弹簧弹力的作用滑块开始运动，从而产生电流信号的输出，所述电流信号大小与所述拉力大小相关。
[0017]相应的，本专利技术还提供一种摆动角度传感装置，包括上述任一项所述的传感装置，还包括支架、连接件和滑块，其中，
[0018]所述滑块包括配重物，所述第一摩擦部设置在所述配重物上随所述配重物一起滑动；所述连接件一端固定在支架上，另一端与所述配重物连接形成单摆结构，所述第一摩擦部设置在滑块上，在振动作用下可以随着滑块在第二摩擦部表面摆动形成滑动摩擦；所述直流电流与所述摆动角度相关。
[0019]本专利技术的技术方案与现有技术相比，有下列优点：
[0020]本专利技术提供的基于摩擦伏特效应的传感装置可以根据摩擦伏特效应中速度变化产生输出电流变化的传感原理，实现精确的、连续的、实时的电信号输出，可用于自驱动的速度传感。在速度传感基础上还可以实现位移、拉力和摆动角度传感。本专利技术利用简单的器件结构实现了多种功能的实时高效传感。
附图说明
[0021]附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0022]图1为本专利技术基于摩擦伏特效应的传感装置的典型结构示意图；
[0023]图2和图3为速度传感装置的结构示意图；
[0024]图4为速度传感装置速度与输出电流关系测试结果；
[0025]图5为位移传感装置位移与输出电流关系测试结果；
[0026]图6为拉力传感装置输出电流与拉力关系测试结果；
[0027]图7为本专利技术的摆动角度传感装置结构示意图；
[0028]图8为摆动角度传感装置振动与输出电流关系测试结果。
具体实施方式
[0029]以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。
[0030]实施例一：
[0031]本实施例提供的是基于摩擦伏特效应的传感装置的一种典型结构，参见图1，包括：第一摩擦部和第二摩擦部，所述第一摩擦部包括层叠设置的第一电极层10和摩擦层20；第二摩擦部包括层叠设置的半导体层30和第二电极层40；第一摩擦部和第二摩擦部可以互相滑动摩擦，如图1中箭头所示，在第一电极层和第二电极层之间形成直流电流。其中，能够互相接触的摩擦层20和半导体层30的材料为费米能级不同的材料。该直流电流与第一摩擦部和第二摩擦部之间的运动相关，例如该直流电流的大小与第一摩擦部和第二摩擦部之间的相对滑动速度直接关联，直接检测两个电极之间的电流即可检测相对滑动速度。
[0032]本实施例的传感装置，除了可以对直线运动(包括水平运动和竖直运动)进行速度传感外，还可以对曲线运动如圆周运动进行传感。当第一摩擦部在第二摩擦部上进行圆弧形或者圆周滑动摩擦时，可以对圆周运动的线速度进行传感。
[0033]这里简单对本实施例的传感装置的工作原理进行描述。由于摩擦层20和半导体层30的材料为费米能级不同的材料，在相互接触时，会发生界面处的载流子重新分布，从而形成内置电场，相对滑动时，两个原子的电子云发生重叠并形成键时，能量量子会被释放，这激发了滑动界面上的电子
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空穴对，由于内置电场，极性不同的表面载流子分别被驱动到摩擦层20和半导体层30，进而在外电路第一电极和第二电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦伏特效应的传感装置，其特征在于，包括：第一摩擦部和第二摩擦部，其中，所述第一摩擦部包括层叠设置的第一电极层和摩擦层；第二摩擦部包括层叠设置的半导体层和第二电极层；第一摩擦部和第二摩擦部可以互相滑动摩擦，在第一电极层和第二电极层之间形成直流电流；所述直流电流与所述第一摩擦部和第二摩擦部之间的运动相关；其中，能够互相接触的摩擦层和半导体层的材料为费米能级不同的材料。2.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，还包括支架、弹簧和滑块，其中，所述滑块包括配重物，所述第一摩擦部设置在所述配重物上随所述配重物一起滑动；所述支架用于连接所述弹簧的一端，所述弹簧的另一端与所述配重物连接，所述滑块在弹簧作用下可以回复原位。3.根据权利要求2所述的传感装置，其特征在于，所述滑块相对于所述第二摩擦部的滑动方向为水平方向或者竖直方向。4.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述摩擦层的材料为绝缘体、导体和半导体材料，所述半导体层的材料为半导体材料。5.根据权利要求4所述的传感装置，其特征在于，所述摩擦层的材料为导电材料，所述摩擦层代替所述第一电极层材料。6.根据权利要求5所述的传感装置，其特征在于，所述摩擦层的材料为导电金属薄膜，所述半导体层的材料为半导体薄片。7.一种速度传感装置，其特征在于，包括权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中林，朱来攀，罗雄心，
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：