靜電式速度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種能自驅(qū)動的測量直線性運(yùn)動或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 的速度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)的興起和工業(yè)生產(chǎn)的要求，開發(fā)低能耗主動式運(yùn)動傳感器受到越來 越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的運(yùn)動傳感器需要電能供給方能工作，例如機(jī)床控制，鼠標(biāo)等等，使傳感 器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且應(yīng)用環(huán)境受到電能供給的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] (一）要解決的技術(shù)問題
[0004] 速度傳感器是將機(jī)械運(yùn)動與電信號耦合的電子器件。機(jī)械運(yùn)動具有機(jī)械能，因此 可以利用這一能量設(shè)計(jì)出不依賴于外界供電而自主發(fā)生信號的傳感器。這將是一種低功耗 的傳感器。此外，直線性運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是自然界中最常見的兩種運(yùn)動，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)可以 滿足測量兩種運(yùn)動的傳感器可以極大地節(jié)約成本。最后，設(shè)計(jì)出的傳感器應(yīng)該滿足輸出信 號具有運(yùn)動速度相關(guān)的信息，從而可以通過分析信號計(jì)算出速度值。
[0005] (二）技術(shù)方案
[0006] 2012年以來，納米摩擦發(fā)電機(jī)的發(fā)明使得機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的方法變得成本低廉 而且極易實(shí)現(xiàn)。通過兩種不同材料之間的接觸摩擦，接觸表面會帶有靜電。在摩擦面分離 之前，等量異種電荷集中在微小的距離內(nèi)，對外部空間不顯電場。當(dāng)帶有靜電的材料發(fā)生分 離并做機(jī)械運(yùn)動時(shí)，靜電荷在空間的移動使空間產(chǎn)生交變電場。如果空間中有恰當(dāng)安置的 導(dǎo)體材料和回路，便可產(chǎn)生電流。摩擦材料可以是兩種不同的高分子材料等絕緣體或半導(dǎo) 體，亦可其中之一金屬等導(dǎo)體。這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)，亦可用于制 作主動信號輸出的機(jī)械運(yùn)動傳感器。
[0007] 為了使輸出信號包含傳感器所測量的機(jī)械運(yùn)動的速度信息，可以通過測量空間位 移和測量時(shí)間跨度計(jì)算得到速度。在輸出信號中融合進(jìn)位移信息，可以通過將摩擦材料的 表面設(shè)計(jì)成柵格狀。兩種摩擦材料在接觸時(shí)柵格相互平行，當(dāng)發(fā)生交替位錯(cuò)時(shí)，交替移動的 靜電荷分布會導(dǎo)致對應(yīng)的柵格電極之間產(chǎn)生反復(fù)的電流，形成交流信號。交流信號的周期 反映了柵格電極的周期和移動速度之間的關(guān)系。
[0008] 本發(fā)明提供的靜電式速度傳感器，包括：
[0009] 圓筒狀第一部件，包括：第一摩擦層、在所述第一摩擦層的內(nèi)外表面分別接觸設(shè)置 的第一電極層和第二電極層；
[0010] 圓筒狀第二部件，包括：第二摩擦層、所述第二摩擦層的內(nèi)外表面分別接觸設(shè)置的 第三電極層和第四電極層；
[0011] 所述第一部件與第二部件以第一部件的軸線為軸相互轉(zhuǎn)動或者沿著軸向相互滑 動時(shí)，所述第二部件的內(nèi)表面與第一部件的外表面相互緊密接觸；
[0012] 其中，所述第一電極層、第二電極層、第三電極層和第四電極層均由平行等距排列 并且形狀相同的條形電極組成，相鄰兩個(gè)條形電極的距離與條形電極的寬度相同，所有所 述條形電極的長度延伸方向與所在部件的軸線方向的夾角相同均為Q;所述第一電極層 與第二電極層錯(cuò)開半個(gè)周期，所述第三電極層與第四電極層錯(cuò)開半個(gè)周期；
[0013]所述第一電極層與第四電極層中的所有條形電極電連接形成第一輸出端，所述第 二電極層與第三電極層中的所有條形電極電連接形成第二輸出端；
[0014]所述第二部件的內(nèi)表面與第一部件的外表面沿著軸向或者徑向相對滑動，所述第 一輸出端與第二輸出端之間輸出與所述滑動速度相關(guān)的交流電信號。
[0015]輸出電信號的靈敏度和測量范圍由柵格式電極層中條形電極的寬度和條形電極 的長度延伸方向與所在不就的軸線所呈角度e有關(guān)。在柵格式電極層設(shè)計(jì)成垂e為90° 時(shí)，傳感器只能檢測線性運(yùn)動；Q為0°時(shí)，只能檢測旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；Q為其他角度時(shí)，可以檢測 線性運(yùn)動或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
[0016]通過對條形電極的長度延伸方向與所在部件的軸線方向的夾角0的設(shè)計(jì)，可以 實(shí)現(xiàn)在一個(gè)傳感器上分別測量直線性運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的速度的功能。通過圓筒狀第二部件 包裹圓筒狀第一部件的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)第二部件沿第一部件軸向線性滑動或以第二部件的 軸線相互轉(zhuǎn)動的多種相對運(yùn)動方式，為多功能速度傳感器的設(shè)計(jì)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
[0017]優(yōu)選的，每個(gè)所述電極層中設(shè)置有總線，將同一電極層中的多個(gè)條形電極電連接。
[0018]優(yōu)選的，所述第一摩擦件外表面和/或第二摩擦件的內(nèi)表面的材料為絕緣體或者 半導(dǎo)體。
[0019] 優(yōu)選的，所述第一摩擦件外表面的材料與第二摩擦件內(nèi)表面的材料相同。
[0020] 優(yōu)選的，所述第二電極層的材料與第三電極層的材料相同。
[0021] 優(yōu)選的，所述第二電極層與第三電極層的厚度為10納米至10微米。
[0022] 優(yōu)選的，所述條形電極的長度延伸方向與所在部件的軸線方向的夾角0的范圍 為0°至90°。
[0023]優(yōu)選的，所述條形電極的長度延伸方向與所在部件的軸線方向的夾角0為0°、30。、45。、60?；?90°。
[0024]優(yōu)選的，還包括圓筒狀或圓柱狀的第一支撐體，所述第一部件的內(nèi)表面緊密包裹 第一支撐體的圓柱面。
[0025]優(yōu)選的，還包括具有圓柱形開孔的第二支撐體上，所述第二部件的外表面緊密貼 合在第二支撐體的開孔內(nèi)側(cè)面上。
[0026]優(yōu)選的，所述第二支撐件為圓筒結(jié)構(gòu)，由內(nèi)層彈性緩沖材料和外層剛性材料分層 構(gòu)成。
[0027]優(yōu)選的，所述的絕緣體材料為：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，聚酰亞胺薄膜、苯胺 甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁 二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯 丙酯薄膜、再生纖維海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯 共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚 異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、酚 醛樹脂薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、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鹽薄膜，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、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙 烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯；
[0028] 所述半導(dǎo)體材料為：非導(dǎo)電性氧化物和復(fù)雜氧化物。
[0029] 優(yōu)選的，所述電極層中條形電極的寬度為100微米至1毫米。
[0030] 優(yōu)選的，所述電極層中條形電極的寬度為1毫米-10厘米。
[0031] 優(yōu)選的，所述第一摩擦件和第二摩擦件的厚度范圍為25微米至1厘米。
[0032] (三）有益效果
[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的靜電式速度傳感器具有下列優(yōu)點(diǎn)：
[0034] 傳感器具有主動信號輸出功能，輸出信號包含速度信息。傳感器自身的工作不需 要外部電能供給（信號處理部分除外），可以將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為電能。
[0035] 通過對條形電極的長度延伸方向與所在部件的軸線方向的夾角0的設(shè)計(jì)，傳感 器可以測量直線性運(yùn)動或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動速度，具有多種功能。
[0036] 本發(fā)明的傳感器的制作材料選擇范圍廣泛，制備方法簡單，成本低廉。
【附圖說明】
[0037] 通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中 相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示 出本發(fā)明的主旨。
[0038] 圖1為本發(fā)明的靜電式速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖2為本發(fā)明實(shí)的靜電式速度傳感器中電極層的電連接示意圖；
[0040] 圖3為本發(fā)明的靜電式速度傳感器在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動模式下的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041] 圖4為本發(fā)明的靜電式速度傳感器在線性運(yùn)動模式下的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 圖5為電極層中條形電極通過總線進(jìn)行電連接的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖6和圖7為一個(gè)具體靜電式