基于电活性聚合物的致动器设备制造技术

技术编号:18737704 阅读:6 留言:0更新日期:2018-08-22 05:59
提供了一种电活性聚合物致动器的有源矩阵阵列,每个电活性聚合物致动器具有切换布置。切换布置包括连接到电活性聚合物致动器的第一端子的第一电路(90),以用于选择性地将电活性聚合物致动器的第一端子驱动到地或将其连接到开路。第二电路(92)连接到电活性聚合物致动器的第二端子,以用于选择性地将电活性聚合物致动器的第二端子驱动到地或将其连接到开路。此外,上拉部件(50)永久性地连接在驱动电压与电活性聚合物生成器的第一端子之间。通过控制电活性聚合物致动器的两个端子,能够至少在不跨电活性聚合物致动器存储电压时降低静态功耗。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于电活性聚合物的致动器设备
本专利技术涉及利用电活性聚合物的致动器设备。
技术介绍
电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP可以充当传感器或致动器,并且可以容易地制造成各种形状,使得可以容易地集成到各种系统中。已经开发出具有诸如致动应力和应变的特征的材料,其在过去的十年中已经显著改进。技术风险已经降低到产品开发的可接受水平,使得EAP在商业和技术上变得越来越令人感兴趣。EAP的优点包括低功耗、小形状因子、柔性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间和循环致动。EAP材料的改进性能和特定优点使其适用于新的应用。EAP设备可以用于期望基于电致动的部件或特征的少量移动的任何应用中。类似地,所述技术能够用于感测小的移动。EAP的使用实现了以前不可能的功能,或者提供了优于普通传感器/致动器解决方案的大的优点,这是因为与普通致动器相比EAP在小的体积或薄的形状因子的情况下的相对大的变形和力量的组合。EAP还给出无噪声操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可能致动频率,诸如0-20kHz。使用电活性聚合物的设备可以细分为场驱动材料和离子驱动材料。场驱动的EAP的范例是电介质弹性体、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的弛豫聚合物或聚亚安酯)以及液晶弹性体(LCE)。离子驱动的EAP的范例是共轭聚合物、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由电场通过直接机电耦合来致动,而针对离子EAP的致动机制涉及离子的扩散。这两个类别都具有多个族成员,每个族成员具有其自己的优点和缺点。图1和图2示出了针对EAP设备的两种可能的操作模式。所述设备包括电活性聚合物层14,其被夹置于处在电活性聚合物层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。电压被用于使所述电活性聚合物层如所示地在所有方向上扩展。图2示出了被设计成使得仅在一个方向上产生扩展的设备。所述设备由载体层16支撑。电压被用于使所述电活性聚合物层弯曲或弓弯(bow)。这种移动的性质例如产生于当被致动时扩展的有源层与有源载体层之间的相互作用。为了获得如所示的围绕轴的不对称弯曲,例如可以施加分子取向(膜拉伸),以迫使在一个方向上的移动。在一个方向上的扩展可以源自于EAP聚合物中的不对称性,或者可以源自于载体层的属性中的不对称性,或者源自于这两者的组合。在特定应用中,致动器的阵列可能是有用的,例如在定位系统和受控拓扑表面中。然而,由于致动器的驱动电压相当高,因此利用其自身的驱动器IC个体地驱动每个致动器很快变得昂贵。无源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)个驱动器来寻址高达(n×m)个致动器,这是更具成本效益的方法-同时还节省了额外布线的成本和空间。理想情况下,在无源矩阵设备中,每个个体致动器应该被致动到其最大电压而不影响相邻的致动器。然而,在常规EAP致动器的阵列中(没有任何电压阈值行为),将存在与相邻致动器的串扰。当施加电压来致动一个致动器时,其周围的致动器也会经历电压并且将部分地致动,这对于许多应用是不希望的效果。这种情况例如在US8552846中被描述,其公开了没有阈值电压或双稳态的EAP的无源矩阵驱动。在所公开的方法中,实现3:1的最佳致动对比比率(即,“非致动”致动器示出最大致动的33%)。由于施加的压力与V2成比例,因此这给出了压力水平的9:1对比比率。该方法也仅适用于2电平驱动。因此,对于无源矩阵寻址方案,并不独立于其它致动器直接个体寻址每个致动器。例如对于电子盲文应用,已经预期使用有源矩阵来寻址电活性聚合物致动器的阵列。有源矩阵方法涉及在每个电活性聚合物致动器处在行导体和列导体的相交处提供切换设备。以这种方式,阵列中的每个致动器可以-如果需要的话-个体地致动。有源矩阵寻址方案意味着能够同时致动阵列中的致动器的任何随机模式。
技术实现思路
出现切换设备(例如晶体管)需要能够承受驱动电活性聚合物致动器所需的高致动电压的问题。许多EAP设计具有几百伏的致动电压,这远高于可以通过适合集成到阵列设备中的现有晶体管处理的可能电压。因此,如果使用薄膜晶体管作为切换元件,则常规有源矩阵寻址方案仅适用于以特别低的致动电压来驱动电活性聚合物致动器,例如高达约40V。高于这个电压时,跨切换TFT驱动晶体管会出现泄漏。多晶硅晶体管将具有较低的电压限制,例如20V。因此需要一种有源矩阵寻址方案,其能够使用相对较电压的切换设备来致动相对高电压的电活性聚合物致动器。本专利技术的目的是解决上述问题并满足上述需要。该目的至少部分由独立权利要求所定义的本专利技术实现。从属权利要求定义有利的实施例。本专利技术由权利要求定义。根据本专利技术的一个方面的范例,提供了一种致动器设备,其包括:电活性聚合物致动器的有源矩阵阵列,每个电活性聚合物致动器具有切换布置,其中,所述切换布置包括:第一电路,其被连接在所述电活性聚合物致动器的第一端子与地之间,以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第一端子驱动到地或将所述第一端子连接到开路;第二电路,其被连接在所述电活性聚合物致动器的第二端子与地之间,以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第二端子驱动到地或将所述第二端子连接到开路;以及上拉部件,其被永久地连接在驱动电压与所述电活性聚合物致动器的所述第一端子之间。通过驱动电活性聚合物致动器的两个端子,变得能够跨致动器存储电压,并且然后提供浮动端子,使得电流不能流过设备。这减少了静态功耗。第一和第二电路均可以包括在电活性聚合物致动器的相应端子与地之间的一组串联连接的晶体管。通过提供接地的串联的一组晶体管,每个晶体管可以经历与电活性聚合物设备的驱动电压相比小的电压(在其栅极处,或者跨其栅极-源极或者跨其栅极-漏极)。串联连接的晶体管例如是n型晶体管。第二上拉部件可以连接在第二驱动电压与电活性聚合物致动器的第二端子之间。这意味着两个端子可以分别被驱动到至少两个不同的电压。反过来,甚至在整体上仅向电路提供两个不同的驱动电平的情况下,这也实现三电平驱动方案。驱动电压和第二驱动电压可以是相同的电压。在这种情况下,可以跨设备提供正电压或负电压,使得反转驱动方案是可能的。驱动电压和第二驱动电压可以不同。在这种情况下,可以提供所有相同极性的三电平驱动方案。第一和第二电路均可以包括:寻址晶体管和存储电容器,其用于向串联连接的晶体管中的第一晶体管的栅极提供数据电压;以及偏置控制电路,其用于控制串联连接的晶体管中的其他晶体管的栅极电压。这使得能够在电路中存储驱动电平。第一和第二电路中的每个的偏置控制电路可以包括:耦合到串联连接的晶体管中的第二晶体管的栅极的偏置电压;以及一组控制晶体管,相应的晶体管连接在串联连接的晶体管中的其它晶体管的每个相邻对的栅极之间。通过将栅极连接在一起,所有晶体管可以一起接通(利用偏置电压)以提供接地路径。控制晶体管可以是p型晶体管。晶体管例如是薄膜晶体管,例如低温多晶硅晶体管。通过范例,最大源极-漏极电压可以小于50V,例如小于40V并且可能甚至小于25V,而要跨电活性聚合物设备提供的最大电压大于50V,例如大于60V,可能超过70V,并且可能超过80V。栅极源极和栅极漏本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种致动器设备,包括:电活性聚合物致动器的有源矩阵阵列,每个电活性聚合物致动器具有切换布置,其中,所述切换布置包括:第一电路(90),其被连接在所述电活性聚合物致动器的第一端子与地之间,以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第一端子驱动到地或将所述第一端子连接到开路;第二电路(92),其被连接在所述电活性聚合物致动器的第二端子与地之间,以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第二端子驱动到地或将所述第二端子连接到开路;以及上拉部件(50),其被永久地连接在驱动电压与所述电活性聚合物致动器的所述第一端子之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.21 EP 15201565.71.一种致动器设备,包括:电活性聚合物致动器的有源矩阵阵列,每个电活性聚合物致动器具有切换布置,其中,所述切换布置包括:第一电路(90),其被连接在所述电活性聚合物致动器的第一端子与地之间,以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第一端子驱动到地或将所述第一端子连接到开路;第二电路(92),其被连接在所述电活性聚合物致动器的第二端子与地之间,以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第二端子驱动到地或将所述第二端子连接到开路;以及上拉部件(50),其被永久地连接在驱动电压与所述电活性聚合物致动器的所述第一端子之间。2.根据权利要求1所述的设备,还包括第二上拉部件(100),所述第二上拉部件被连接在第二驱动电压与所述电活性聚合物致动器的所述第二端子之间。3.根据权利要求2所述的设备,其中,所述驱动电压和所述第二驱动电压是相同的电压。4.根据权利要求2所述的设备,其中,所述驱动电压和所述第二驱动电压不同。5.根据任一前述权利要求所述的设备,其中,所述第一电路和所述第二电路中的每个包括在所述电活性聚合物致动器的相应的端子与地之间的一组串联连接的晶体管(N1-N4)。6.根据权利要求5所述的设备,其中,所述第一电路和所述第二电路中的每个包括:寻址晶体管和存储电容器,所述寻址晶体管和所述存储电容器用于向所述串联连接的晶体管(N1-N4)中的第一晶体管(N1)的栅极提供数据电压;以及偏置控制电路,所述偏置控制电路用于控制所述串联连接的晶体管(N1-N4)中的其它晶体管(N2-N4)的栅极电压。7.根据权利要求6所述的设备,其中,所述第一电路和所述第二电路中的每个的所述偏置控制电路包括:偏置电压,所述偏置电压被耦合到所述串联连接的晶体管(N1-N4)中的第二晶体管(N2)的栅极;以及一组控制晶体管(P1-P4),其中,相应的晶体管被连接在所述串联连接的晶体管(N1-N4)的其它晶体管(N2-N4)的每个相邻对的栅极之间。8.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员:M·T·约翰逊D·A·费什
申请(专利权)人:皇家飞利浦有限公司
类型:发明
国别省市:荷兰,NL

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