[发明专利]基于电活性聚合物的致动器设备

说明书

一种致动器设备包括电活性聚合物致动器的行和列的活性矩阵阵列，每个电活性聚合物致动器具有开关电路。所述开关电路具有驱动晶体管和电容器装置。所述电容器装置被充电到根据所述电活性聚合物致动器的驱动电压导出的电压与根据所述驱动晶体管的阈值电压导出的电压的组合。在对所述电容器装置的这种编程期间，所述EAP致动器与任何电流流动相隔离。所述开关电路使得能够补偿所述阈值电压的与寿命相关的变化。因此，可以使用低性能(即，具有差的阈值电压稳定性)的晶体管，其中，每帧时间(或每多个帧时间)测量电流提供TFT的阈值电压一次以补偿老化效应。

技术领域

本发明涉及利用电活性聚合物的致动器设备。

背景技术

电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP能够用作传感器或致动器并且能够被容易地制造成各种形状，从而允许容易集成到各种系统中。

已经开发出具有诸如致动应力和应变等特性的材料，这些材料的特性在过去十年中已经得到显著改善。技术风险已经降低到产品开发可接受的水平，使得EAP设备在商业和技术上受到越来越多的关注。EAP设备的优点包括低功率、小形状因子、灵活性、无噪声操作、准确、高分辨率的可能性、快速响应时间以及循环致动。

EAP材料的改善的性能和特殊优势使其适用于新的应用。

基于电致动，EAP设备能够用于需要部件或特征的少量移动的任何应用中。类似地，该技术能够用于感测小的移动。

与普通致动器相比，由于在小体积或薄形状因子下具有相对较大的变形和力的组合，因此EAP设备的使用实现了以前不能实现的功能或者提供了优于普通传感器/致动器解决方案的巨大优势。EAP设备还提供无噪声操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可能致动频率，例如，0-20kHz。

使用电活性聚合物的设备能够被细分为场驱动材料和离子驱动材料。

场驱动EAP设备的示例是介电弹性体、电致伸缩聚合物(例如，基于PVDF的弛豫聚合物或聚氨酯)以及液晶弹性体(LCE)。

离子驱动的EAP设备的示例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合物以及离子聚合物金属复合物(IPMC)。

场驱动的EAP设备通过直接机电耦合由电场驱动，而离子EAP设备的致动机构涉及离子的扩散，因此它们是电流驱动的设备。两类都有多个家族成员，每个家族成员都有自身的优点和缺点。

图1和图2示出了EAP设备的两种可能的操作模式。

该设备包括电活性聚合物层14，该电活性聚合物层夹在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间。

图1示出了未被夹持的设备。如图所示，电压用于使电活性聚合物层在所有方向上扩张。

图2示出了被设计为使得仅在一个方向上产生扩张的设备。该设备由载体层16支撑。电压用于使电活性聚合物层弯曲或屈曲。

例如，该移动的性质源于在被致动时扩张的活性层与被动载体层之间的相互作用。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲，可以例如施加分子取向(膜拉伸)，从而迫使在一个方向上移动。

在一个方向上的扩张可能由电活性聚合物中的不对称性引起，或者其可能由载体层的属性的不对称引起，或者可能由上述两者的组合引起。

在某些应用中，致动器的阵列能够是有用的，例如在定位系统和受控拓扑表面中就是如此。然而，由于致动器的驱动电压相当高，因此使用其自己的驱动器IC单独驱动每个致动器会变得很昂贵。

被动矩阵阵列是仅使用行(n行)和列(m列)连接的阵列驱动系统的简单实施方式。由于只需要(n+m)个驱动器来处理最多(n×m)个致动器，因此这是一种更具成本效益的方法，并且该方法还节省了额外布线的成本和空间。