研究要點(diǎn)

●發(fā)現通過(guò)靜電中電荷移動(dòng)而發(fā)光的無(wú)機粉末材料

●該無(wú)機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)現了一種能夠響應靜電電荷而發(fā)光的材料，實(shí)現了對于肉眼看不到的靜電觀(guān)測技術(shù)（可通過(guò)肉眼或者顯微鏡觀(guān)測）。

該技術(shù)是通過(guò)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(guò)向目標物噴涂無(wú)機微粒子或者是貼合含有微粒子的合成樹(shù)脂膜（PMMA），目標物中的靜電就可以發(fā)出綠光,實(shí)現對于靜電的可視化觀(guān)測?；诖思夹g(shù)我們可以知道，在生產(chǎn)一線(xiàn)中，哪里有積蓄的靜電，怎么改善條件能夠消除這些靜電，從而保護電子設備。

研究背景

隨著(zhù)無(wú)人化工廠(chǎng)，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(lái)越受到重視了。汽車(chē)，航天飛機，無(wú)人機，機器人，這些設備中都不可避免地搭載著(zhù)有電子設備。如果有靜電發(fā)生，不僅會(huì )給電子設備傳達誤指令，更會(huì )因為其幾千伏特左右的電壓（瞬間電壓）擊穿設備。所以，靜電在什么時(shí)候，什么地點(diǎn)發(fā)生并積蓄等情報，對于電子設備的生產(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），半導體微電子行業(yè)中為了避免靜電，很多操作臺和設備都需要接地（下）

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

另外一方面，發(fā)光材料被用來(lái)觀(guān)測各種各樣的物理現象，被應用到很多領(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，應力發(fā)光材料等等。到目前為止，用來(lái)觀(guān)測靜電的發(fā)光材料還沒(méi)有。

研究?jì)热?/h1>

在本研究中，為了探索靜電發(fā)光材料，首先系統地調查了基于電荷移動(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玻璃中（PMMA，圖2,b），通過(guò)能發(fā)生靜電的槍進(jìn)行照射，就能夠出現綠色的光（圖2，c ）。通過(guò)對表面電位分布和觀(guān)察，發(fā)現被靜電槍照射的區域（帶電區域）和發(fā)光區域高度一致。通過(guò)該實(shí)驗結果知道了，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(guān)測發(fā)光模式圖, (d) 攝像機拍攝的圖像

緊接著(zhù)，又進(jìn)行了圖3中的中的實(shí)驗。利用圖3a中的范氏起電機（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)儲存有靜電），在手指和靜電發(fā)生器最近的距離處，可以觀(guān)察到靜電發(fā)光，并且隨著(zhù)手指的移動(dòng)發(fā)光也跟著(zhù)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(guò)靜電發(fā)光材料觀(guān)測到靜電的釋放和釋放位置的移動(dòng)。

該靜電發(fā)光材料的機理可以推測為（1）該材料吸收紫外線(xiàn)或者可見(jiàn)光，從Eu的4f軌道激發(fā)電子到C.B.位置，（2）一部分激發(fā)電子被缺陷能級所捕獲，當外部電荷注入時(shí)，（3）缺陷能級的電子再次流向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)組成但是不同結晶構造的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(zhù)，通過(guò)材料設計靜電發(fā)光的強度是可以調節的。

我們發(fā)現的可釋放靜電的無(wú)機微粒子的粒徑為幾微米，無(wú)需電源即可檢測來(lái)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(shuō)。如果使用這種超小型靜電傳感器，則可以通過(guò)將其固定在物體表面來(lái)賦予其傳感器功能。例如，可以使用攝像頭實(shí)時(shí)遠程測量汽車(chē)或無(wú)人機等移動(dòng)物體的靜電。

寫(xiě)給未來(lái)

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