研究要點

●發(fā)現(xiàn)通過靜電中電荷移動而發(fā)光的無機粉末材料

●該無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(jiān)控提供新的技術思路

研究概要

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

該技術是通過讓靜電與發(fā)光材料接觸，使靜電材料發(fā)光的新型傳感技術。僅通過向目標物噴涂無機微粒子或者是貼合含有微粒子的合成樹脂膜（PMMA），目標物中的靜電就可以發(fā)出綠光,實現(xiàn)對于靜電的可視化觀測。基于此技術我們可以知道，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，從而保護電子設備。

研究背景

隨著無人化工廠，IOT，物聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展，具有感知能力的傳感技術越來越受到重視了。汽車，航天飛機，無人機，機器人，這些設備中都不可避免地搭載著有電子設備。如果有靜電發(fā)生，不僅會給電子設備傳達誤指令，更會因為其幾千伏特左右的電壓（瞬間電壓）擊穿設備。所以，靜電在什么時候，什么地點發(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，相關的傳感技術是不可或缺的(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)光材料被用來觀測各種各樣的物理現(xiàn)象，被應用到很多領域。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），通過能發(fā)生靜電的槍進行照射，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。通過該實驗結(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) 攝像機拍攝的圖像

緊接著，又進行了圖3中的中的實驗。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，可以觀察到靜電發(fā)光，并且隨著手指的移動發(fā)光也跟著移動。所以，這種靜電發(fā)光材料在充電或者放電時都會引起發(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，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。

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)電子被缺陷能級所捕獲，當外部電荷注入時，（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，對于同樣化學組成但是不同結(jié)晶構造的SrAl2O4:Eu2+而言，有的會產(chǎn)生靜電發(fā)光，有的則不會。這暗示著，通過材料設計靜電發(fā)光的強度是可以調(diào)節(jié)的。

我們發(fā)現(xiàn)的可釋放靜電的無機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，可以使用攝像頭實時遠程測量汽車或無人機等移動物體的靜電。

寫給未來

未來，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的基礎。此外，計劃監(jiān)控靜電的產(chǎn)生，并針對電子設備和下一代移動領域的各種產(chǎn)品進行靜電對策的實驗分析，我們正在尋找可以合作的公司。