基于摩擦起电的运动轨迹记忆装置及记忆方法

摘要

本发明公开了一种基于摩擦起电的运动轨迹记忆装置和方法。该装置包括介电材料构成的摩擦层(1)、铁电层(2)、电极层(3)和运动物(4)，铁电层(2)设置于摩擦层(1)与电极层(3)之间。与电极层(3)电性连接的运动物(4)与摩擦层(1)可相对运动，二者分别产生性质相反的电荷，运动物(4)上的电荷被传导至电极层(4)。摩擦层(1)上的电荷与电极层(3)上的电荷所产生的极化电场改变铁电层(2)中电偶极子的极化方向，这种极化方向的变化作为对运动物(4)运动轨迹的记忆。本发明结构简单，且具有很高的灵敏度以及可靠性，可以在无外接电源的情况下直接将机械运动转化成可以储存的逻辑电信号，实现自驱动的记忆存储。

说明书

技术领域

本发明涉及运动轨迹的记忆与传感技术领域，特别涉及一种基于摩擦 起电效应与铁电材料相结合的运动轨迹记忆装置及记忆方法。

背景技术

最近几年，世界各国科学家都在积极开发各种新型环保发电方式，为 了解决环境的污染问题以及降低发电成本。从2012年开始，本发明的发 明人就开始尝试使用摩擦电和静电等普遍的现象，去收集并利用人们一举 一动中产生的电能，进而研发出了一系列的摩擦发电机。

另一方面，利用铁电材料的自发极化特性实现电子信号的记忆存储也 是一个很有潜力的方向。尤其是考虑有机聚合物类的铁电材料有着制备工 艺灵活和质地柔软的特性，可以在柔性电子领域有极具潜力的应用。如果 能将基于摩擦起电的自供能发电装置与之相结合，那么在节省能源的同时 可以实现对运动轨迹的记忆。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种利用摩擦起电和铁电效应相结合的记忆装 置与记忆方法，以实现摩擦发电和位移传感器的集成一体化，实现对运动 物的运动轨迹的记忆和存储。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提出一种基于摩擦起电的运动轨迹记忆装置， 该装置包括摩擦层、铁电层、电极层和运动物，其中，所述摩擦层由介电 材料构成，其与所述运动物能发生相对运动，从而在所述摩擦层和所述运 动物上分别产生性质相反的电荷；所述运动物与所述电极层之间电性连接， 由此，所述运动物上的电荷能够被传导至所述电极层；所述铁电层位于所 述摩擦层与所述电极层之间，由铁电材料构成，所述摩擦层上的电荷与所 述电极层上的电荷所产生的极化电场能改变所述铁电层中电偶极子的极 化方向。

根据本发明的一种实施方式，所述铁电层的自发极化方向与所述极化 电场相反。

根据本发明的一种实施方式，所述摩擦层为柔性介电材料；所述铁电 层为柔性铁电材料。

根据本发明的一种实施方式，所述摩擦层的材料为聚酯树脂、聚四氟 乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物，或聚酰亚胺；所述铁电层的材料为聚偏氟乙 烯及其衍生物。

根据本发明的一种实施方式，所述铁电层的铁电材料满足E_C＜σ/ε，其 中E_C为该铁电材料的矫顽电场强度，σ为产生所述极化电场的电荷密度， ε为该铁电材料的介电常数。

根据本发明的一种实施方式，所述铁电层与所述摩擦层是相互贴合的 薄膜，且二者相互绝缘。

根据本发明的一种实施方式，所述铁电层与所述摩擦层的厚度均为 1～100μm。

根据本发明的一种实施方式，所述摩擦层与所述运动物体之间的相对 运动是沿二者的接触面的滑动摩擦运动。

根据本发明的一种实施方式，所述运动物从与所述摩擦层不接触的位 置移动至与所述摩擦层接触后在该摩擦层的表面沿一条运动轨迹滑动，并 再次移动至不与所述摩擦层接触的位置，所述铁电层的位于与所述轨迹相 对应的区域的电偶极子的极化方向被所述极化电场改变。

根据本发明的一种实施方式，所述运动物从远离所述摩擦层的位置移 动至与所述摩擦层接触，接着又从接触位置远离所述摩擦层，所述铁电层 的位于与所述接触位置相对应的区域的电偶极子的极化方向被所述极化 电场改变。

根据本发明的一种实施方式，所述电极层与所述铁电层相互贴合但绝 缘。

根据本发明的一种实施方式，所述运动物整体为导体；或者，所述运 动物部分为导体，部分为绝缘体，所述运动物的导体部分与所述电极层之 间电性连接。

本发明还提出一种基于摩擦起电的运动轨迹记忆方法，包括如下步骤： 将一个铁电层设置于一个摩擦层与一个电极层之间，该摩擦层由介电材料 构成，该铁电层由铁电材料构成；使一个与所述电极层电性连接的运动物 与所述摩擦层发生相对运动，以便在所述摩擦层和所述运动物上分别产生 性质相反的电荷，且该运动物上的电荷被传导至所述电极层；所述摩擦层 上的电荷与所述电极层上的电荷所产生的极化电场改变所述铁电层中电 偶极子的极化方向。

根据本发明的一种实施方式，使所述铁电层的自发极化方向与所述极 化电场相反。

根据本发明的一种实施方式，所述摩擦层为柔性介电材料；所述铁电 层为柔性铁电材料。

根据本发明的一种实施方式，所述摩擦层的材料为聚酯树脂、聚四氟 乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物，或聚酰亚胺；所述铁电层的材料为聚偏氟乙 烯及其衍生物。

根据本发明的一种实施方式，所述铁电层的铁电材料满足E_C＜σ/ε，其 中E_C为该铁电材料的矫顽电场强度，σ为产生所述极化电场的电荷密度， ε为该铁电材料的介电常数。

根据本发明的一种实施方式，将所述铁电层与所述摩擦层制成薄膜且 相互贴合，且二者相互绝缘。

根据本发明的一种实施方式，所述铁电层与所述摩擦层的厚度均为 1～100μm。

根据本发明的一种实施方式，使所述摩擦层与所述运动物体之间的相 对运动是沿二者的接触面的滑动摩擦运动。

根据本发明的一种实施方式，使所述运动物从与所述摩擦层不接触的 位置移动至与所述摩擦层接触后在该摩擦层的表面沿一条运动轨迹滑动， 并再次移动至不与所述摩擦层接触的位置，所述铁电层的位于与所述轨迹 相对应的区域的电偶极子的极化方向被所述极化电场改变。

根据本发明的一种实施方式，使所述运动物从远离所述摩擦层的位置 移动至与所述摩擦层接触，接着又从接触位置远离所述摩擦层，所述铁电 层的位于与所述接触位置相对应的区域的电偶极子的极化方向被所述极 化电场改变。

根据本发明的一种实施方式，使所述电极层与所述铁电层相互贴合但 绝缘。

根据本发明的一种实施方式，所述运动物整体为导体；或者，所述运 动物部分为导体，部分为绝缘体，所述运动物的导体部分与所述电极层之 间电性连接，绝缘部分与所述摩擦层发生相对运动。

(三)有益效果

本发明结构简单、成本低廉，且具有很高的灵敏度，同时，本发明所 记忆存储的逻辑信号具有不错的稳定性和可靠性，可以在无外接电源的情 况下直接将机械运动转化成可以储存的逻辑电信号，实现自驱动的记忆存 储。

附图说明

图1是本发明的基于摩擦起电的运动轨迹记忆装置的结构示意图；

图2是本发明的基于摩擦起电的运动轨迹记忆装置一种工作方式的原 理图；

图3是本发明的基于摩擦起电的运动轨迹记忆装置另一种工作方式的 原理图；

图4是本发明的一个实施例的运动轨迹记忆装置的结构示意图；

图5是本发明的另一个实施例的运动轨迹记忆装置的结构示意图。

具体实施方式

图1是本发明的基于摩擦起电的运动轨迹记忆装置的结构示意图。如 图1所示，该记忆装置包括摩擦层1、铁电层2、电极层3和运动物4。摩 擦层1与运动物4能发生相对运动，从而在摩擦层1和运动物4上分别产 生性质相反的电荷。运动物4与电极层3之间电性连接，例如通过导线5 连接，由此，运动物4上的电荷能够被传导至电极层4。

摩擦层1的材料为介电材料，可以为柔性介电材料，优选为聚酯树脂、 聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物，或聚酰亚胺(PI)薄膜材料等等。此 外，为了保证运动物4与摩擦层1发生摩擦起电效应，运动物4与摩擦层 1互相可以接触部分的材料应具有不同的摩擦电极序。

运动物4可以整体为导体，也可以部分为导体，部分为绝缘体，运动 物的导体部分通过导线5与电极层3连接。运动物4的绝缘部分与摩擦层 1互相接触时，绝缘部分与摩擦层的材料不同。

铁电层2位于摩擦层1与电极层3之间，由铁电材料构成，可以为柔 性铁电材料，优选为聚合物，如聚偏氟乙烯及其相关的衍生物。铁电材料 具有自发电极性，因为其晶体结构决定了其内部形成有许多电耦极子。在 图1中，标号21代表其内部的电耦极子，箭头方向表示电耦极子的极化 方向，该图1表示自发极化方向竖直向上。但本领域的技术人员应当理解 的是，图1中的电耦极子21只是一种示意性的表示，实际的铁电材料中， 材料中各铁电畴中的电耦极子的方向不尽一致，但从宏观角度看，其可能 表现为一致的极化方向。

图2是本发明的基于摩擦起电的运动轨迹记忆装置一种工作方式的原 理图。如图2所示，所述摩擦层1与所述运动物体4之间的相对运动是沿 二者的接触面的滑动摩擦运动。

具体来说，运动物4从与所述摩擦层1不接触的位置(左图)移动至 与摩擦层1接触后在该摩擦层1的表面沿一条运动轨迹滑动(中图)，并 再次移动至不与摩擦层1接触的位置(右图)。由摩擦生电的原理，一种 极性的电荷(例如正电荷)产生于运动物1的下表面，另一种极性的电荷 (例如负电荷)积累于摩擦层1的上表面。由于摩擦层1由电介质材料构 成，因此其表面形成的电荷不会随着运动物4的移走而迁移消失。因此， 为了平衡电场，运动物1的下表面的电荷会随着电性连接线(即导线5) 转移到铁电层2下部的电极层3，与所述摩擦层1的上表面的电荷形成垂 直对应关系，摩擦层1在运动物4的运动轨迹处将形成电荷堆积区域，在 该区域内，沿铁电层2的厚度方向会形成一个电场，在此称为极化电场。 该极化电场E会对铁电层2的内部的电偶极子进行极化，当该极化电场足 够大时，所述铁电层2的位于与所述轨迹相对应的区域的电偶极子的极化 方向被所述极化电场改变，因此该极化可以被作为对滑动物体运动轨迹的 一种记忆和存储。

根据基本的介电材料内部电场分布的规律，为了保证铁电层2被反向 极化，所述铁电层2的铁电材料应满足E_C＜σ/ε，其中E_C为该铁电材料的 矫顽电场强度，σ为产生所述极化电场的电荷密度，ε为该铁电材料的介 电常数。

优选地，铁电层2的自发极化方向与极化电场相反，这样，当产生极 化电场时，极化电场使得铁电层2的极化方向被反转。

优选地，铁电层2与摩擦层1均为薄膜，厚度均为1～100μm的范围 内。由于摩擦层1为介电材料，因此二者通常状态是绝缘的，因此可以相 互贴合。优选地，摩擦层1和铁电层2的总厚度远小于运动物4的移动距 离，以便进行实际的轨迹记忆和传感的应用。

尽管电极层通常为导电的金属或合金材料，但由于铁电层2的材料可 以选择为具有较大的介电常数的材料，如聚偏氟乙烯及其衍生物，如 P(VDF-TrFE)等等，同时这类铁电材料都具有较高的电阻，因此，所述电 极层3与所述铁电层2之间可以相互绝缘，且它们可以相互贴合。所述电 极层的厚度一般是几百纳米或一两微米，本发明不限于具体的厚度。

当摩擦层1、铁电层2和电极层3均贴合时，即可得到一种具有结合 紧密的器件，以便于轨迹记录的进一步应用。

图3是本发明的基于摩擦起电的运动轨迹记忆装置另一种工作方式的 原理图。如图3所示，该工作方式与图2所示的不同之处在于，运动物4 采取的是一种相对于摩擦层“远离→接触→远离”的运动方式。也即，首 先，运动物4从远离摩擦层1的位置移动至与摩擦层1接触，接着又从接 触位置远离所述摩擦层1。其工作原理与图2所示的方式类似，只不过， 当运动物4从接触位置(中图)向上移走时，摩擦层1的上表面只在接触 位置处保留电荷。这样，铁电层2的位于与所述接触位置相对应的区域的 电偶极子的极化方向可以被所述极化电场改变。以此方式，可以对运动物 的运动进行点式记忆和存储。

以上两种工作方式均可以对运动物的运动轨迹(线形或点形)进行记 忆。当读取该运动轨迹时，则可以通过测量铁电层的极化方向的变化来进 行读取。例如，可通过扫描探针显微镜或KavinProbe技术，对铁电层2 的薄膜表面(下表面)进行扫描，分辨出不同位置的极化密度(面电荷密 度)，在运动轨迹相对应的位置，面电荷密度会大幅提高，可以分辨出物 体的运动轨迹。当然，也可以用更简单的位移电流侧量方法，将外加电极 加装到摩擦层1和铁电层2的上下表面，对铁电层2的进行测量，通过观 察电流峰值的变化，得到极化密度的分析。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例对本发明作进一步的详细说明。

图4是本发明的一个实施例的运动轨迹记忆装置的结构示意图。如图 4所示，该实施例的装置包括依次贴合的摩擦层1、铁电层2和电极层3。 三者贴合后形成一个方形的薄膜器件。摩擦层1的材料是聚酯树脂、聚四 氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物，或聚酰亚胺薄膜材料等等，在摩擦层1的 一个表面上(图4中为其下表面)，通过甩胶、蒸镀或直接粘接的方法， 附着一层作为铁电层2的薄膜材料，在该实施例中为聚氟乙烯。

铁电层2薄膜初始极化方向与摩擦所产生的电场方向相反，这样摩擦 起电后产生的极化电场可以将铁电层2薄膜进行反向极化。也就是说，铁 电层2的初始极化方向是自下而上的竖直方向。

摩擦层1的厚度为几微米至几十微米，铁电层2的厚度也为几微米至 几十微米。在铁电层2的另一表面(下表面)上则通过蒸镀或磁控溅射或 化学沉积的方法附着一层导电层(优选为金属)作为电极层3，其厚度为 300纳米左右。

通过导线将所述电极层3与一个运动物4连接。该运动物4在此为一 个由导电(优选金属)材料构成的圆柱体，外径为1cm，厚度为0.5cm。 (在其他实施例中，也可以根据需要选择其他的合适尺寸，只要保证该运 动物4的尺寸远小于其运动轨迹所在的平面尺寸)该运动物4可以在摩擦 层1的上表面上滑动，也可以进行上下运动并接触摩擦层1的上表面。无 论以哪一种运动方式，在铁电层2的与运动轨迹(包括点接触位置)相垂 直对应的位置处的极化方向被反转，由此达到记忆运动轨迹的目的。

图5是本发明的另一个实施例的运动轨迹记忆装置的结构示意图。如 图5所示，该实施例与图4的实施例不同的是，该实施例的运动物为与一 个平板结构，且其与摩擦层1、铁电层2和电极层3三者贴合后形成的方 形薄膜器件的面积相当，并且其大小和形状与摩擦层1的大小和形状相同。 在初始状态时，该运动物4与摩擦层1完全重合。在工作过程中，该运动 物4沿着方形摩擦层1的一条侧边向一侧滑动(如图5中的箭头方向)， 滑动距离为S，由此，在该运动物4的运动方向的反向侧形成与摩擦层S 的错位区域，该区域沿运动方向的长度也为S，如图5所示。

根据上述工作原理，此时的运动轨迹是一个面轨迹，即在所述错位区 域所在的位置，这样，与错位区域所对应的铁电层的相应垂直位置的极化 方向被反转。通过测量极化方向的变化，还可以得到所述运动物4向一侧 的运动距离S。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。