研究要點(diǎn)

●發(fā)現(xiàn)通過靜電中電荷移動(dòng)而發(fā)光的無機(jī)粉末材料

●該無機(jī)粉末材料可以利用靜電發(fā)光，作為靜電分布的傳感器

●為制造業(yè)中靜電防治以及靜電監(jiān)控提供新的技術(shù)思路

研究概要

日本產(chǎn)總研的傳感器研究中心發(fā)現(xiàn)了一種能夠響應(yīng)靜電電荷而發(fā)光的材料，實(shí)現(xiàn)了對于肉眼看不到的靜電觀測技術(shù)（可通過肉眼或者顯微鏡觀測）。

該技術(shù)是通過讓靜電與發(fā)光材料接觸，使靜電材料發(fā)光的新型傳感技術(shù)。僅通過向目標(biāo)物噴涂無機(jī)微粒子或者是貼合含有微粒子的合成樹脂膜（PMMA），目標(biāo)物中的靜電就可以發(fā)出綠光,實(shí)現(xiàn)對于靜電的可視化觀測?；诖思夹g(shù)我們可以知道，在生產(chǎn)一線中，哪里有積蓄的靜電，怎么改善條件能夠消除這些靜電，從而保護(hù)電子設(shè)備。

研究背景

隨著無人化工廠，IOT，物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，具有感知能力的傳感技術(shù)越來越受到重視了。汽車，航天飛機(jī)，無人機(jī)，機(jī)器人，這些設(shè)備中都不可避免地搭載著有電子設(shè)備。如果有靜電發(fā)生，不僅會(huì)給電子設(shè)備傳達(dá)誤指令，更會(huì)因?yàn)槠鋷浊Х刈笥业碾妷海ㄋ查g電壓）擊穿設(shè)備。所以，靜電在什么時(shí)候，什么地點(diǎn)發(fā)生并積蓄等情報(bào)，對于電子設(shè)備的生產(chǎn)者而言非常重要，相關(guān)的傳感技術(shù)是不可或缺的(干燥冬天的靜電也是很討厭的)。

圖1. 日常生活中的靜電（上），半導(dǎo)體微電子行業(yè)中為了避免靜電，很多操作臺(tái)和設(shè)備都需要接地（下）

至今為止有很多種類的靜電傳感器被開發(fā)出來，但是傳統(tǒng)的靜電傳感器，對于表面凹凸不平的對象，處于移動(dòng)狀態(tài)的對象不能夠準(zhǔn)確測量。

另外一方面，發(fā)光材料被用來觀測各種各樣的物理現(xiàn)象，被應(yīng)用到很多領(lǐng)域。由于光照而發(fā)光熒光材料（熒光體），通電而發(fā)光的材料（LED等），磷光材料，應(yīng)力發(fā)光材料等等。到目前為止，用來觀測靜電的發(fā)光材料還沒有。

研究內(nèi)容

在本研究中，為了探索靜電發(fā)光材料，首先系統(tǒng)地調(diào)查了基于電荷移動(dòng)而發(fā)光的已知物質(zhì)。在這些物質(zhì)中，發(fā)現(xiàn)了SrAl2O4:Eu2+（圖2，a）這種物質(zhì)能夠和空氣中的離子，帶電粒子等具有微弱電荷的物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)發(fā)光，作為靜電發(fā)光材料使用。把SrAl2O4:Eu2+這種材料添加到有機(jī)玻璃中（PMMA，圖2,b），通過能發(fā)生靜電的槍進(jìn)行照射，就能夠出現(xiàn)綠色的光（圖2，c ）。通過對表面電位分布和觀察，發(fā)現(xiàn)被靜電槍照射的區(qū)域（帶電區(qū)域）和發(fā)光區(qū)域高度一致。通過該實(shí)驗(yàn)結(jié)果知道了，靜電發(fā)光是由于部分注入電荷引起的。

圖2 (a) 靜電發(fā)光材料(SrAl2O4:Eu2+), (b) 靜電發(fā)光薄膜（PMMA）, (c) 靜電釋放裝置和觀測發(fā)光模式圖, (d) 攝像機(jī)拍攝的圖像

緊接著，又進(jìn)行了圖3中的中的實(shí)驗(yàn)。利用圖3a中的范氏起電機(jī)（靜電發(fā)生器的一種），在其表面涂上SrAl2O4:Eu2+粉末。用手指靠近靜電發(fā)生器（已經(jīng)儲(chǔ)存有靜電），在手指和靜電發(fā)生器最近的距離處，可以觀察到靜電發(fā)光，并且隨著手指的移動(dòng)發(fā)光也跟著移動(dòng)。所以，這種靜電發(fā)光材料在充電或者放電時(shí)都會(huì)引起發(fā)光現(xiàn)象。

圖3 a, 靜電發(fā)生器，b，手指在靜電發(fā)生器之間移動(dòng)，通過靜電發(fā)光材料觀測到靜電的釋放和釋放位置的移動(dòng)。

該靜電發(fā)光材料的機(jī)理可以推測為（1）該材料吸收紫外線或者可見光，從Eu的4f軌道激發(fā)電子到C.B.位置，（2）一部分激發(fā)電子被缺陷能級(jí)所捕獲，當(dāng)外部電荷注入時(shí)，（3）缺陷能級(jí)的電子再次流向C.B.，（4）然后電子和空穴再接合，釋放出熒光（圖4）。

圖4. 推測的靜電發(fā)光原理

另外，對于同樣化學(xué)組成但是不同結(jié)晶構(gòu)造的SrAl2O4:Eu2+而言，有的會(huì)產(chǎn)生靜電發(fā)光，有的則不會(huì)。這暗示著，通過材料設(shè)計(jì)靜電發(fā)光的強(qiáng)度是可以調(diào)節(jié)的。

我們發(fā)現(xiàn)的可釋放靜電的無機(jī)微粒子的粒徑為幾微米，無需電源即可檢測來自靜電的電荷并輸出光，使其成為世界上最小的靜電傳感器?？梢哉f。如果使用這種超小型靜電傳感器，則可以通過將其固定在物體表面來賦予其傳感器功能。例如，可以使用攝像頭實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程測量汽車或無人機(jī)等移動(dòng)物體的靜電。

寫給未來

未來，將闡明靜電釋放的機(jī)理，建立靈活應(yīng)對各種環(huán)境的靜電可視化傳感技術(shù)的基礎(chǔ)。此外，計(jì)劃監(jiān)控靜電的產(chǎn)生，并針對電子設(shè)備和下一代移動(dòng)領(lǐng)域的各種產(chǎn)品進(jìn)行靜電對策的實(shí)驗(yàn)分析，我們正在尋找可以合作的公司。