电活性聚合物致动器制造技术

本发明专利技术提供一种电活性聚合物致动器，其包括电容补偿装置，该电容补偿装置适于至少部分地抵消因该构件的变形引发的该构件上的电容的任何改变。以此方式，该装置的电子控制表现为更简单，因为在驱动该致动器以执行具体的变形时不必考虑致动器构件上的变化的电容。

Electroactive polymer actuator

The invention provides an electrically active polymer actuator comprising a capacitance compensation device suitable for at least partially offsetting any change in capacitance on the component caused by the deformation of the component. In this way, the electronic control of the device is simpler because the varying capacitance on the actuator component is not considered when driving the actuator to perform specific deformation.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电活性聚合物致动器
本专利技术涉及电活性聚合物致动器。
技术介绍
电活性聚合物(EAP)是电响应性材料领域内的一类新兴材料。EAP可用作传感器或致动器，且可轻松地被制造成各种形状，从而允许轻松地整合到各种各样的系统中。材料已经研发到具有诸如致动应力和应变的特性，该特性在过去十年得到了显著改善。技术风险已减小到产品开发可接受的水平，使得EAP在市场上和技术上都越来越受关注。EAP的优点包括低功率、小形状因子、柔性、无噪音操作、准确度、高分辨率可能性、快速响应时间以及周期性致动。EAP材料的改善的性能和特定优势形成了对新应用的适用性。EAP装置可用于期望一个部件或特征有基于电致动的少量移动的任何应用中。类似地，该技术可用于感测少量移动。本专利技术尤其涉及致动器。由于与常用致动器相比将相对大的变形和力与小的体积或薄的形状因子相结合，使用EAP能够实现之前不可能实现的功能，或者提供优于常用致动器解决方案的较大优势。EAP还提供无噪音操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可行的致动频率，诸如0-1MHz，更通常地低于20kHz。使用电活性聚合物的装置可被细分为场驱动材料和离子驱动材料。场驱动型EAP的示例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的驰豫型聚合物)和电介质聚合物。其它示例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电致粘弹性弹性体和液晶弹性体。离子驱动型EAP的示例是共轭/导电聚合物、离子聚合物金属复合材料(IPMC)和碳纳米管(CNT)。其它示例包括离子聚合物凝胶。场驱动型EAP是由电场通过直接机电耦合来致动的。它们通常需要高电场(每米伏特，V/M)但需要低电流。聚合物层通常是薄的，以保持驱动电压尽可能地低。离子型EAP是由离子和/或溶剂的电感传输激活的。它们通常需要低电压但需要高电流。它们需要液体/凝胶电解质介质(但一些材料系统也可以使用固态电解质操作)。两类EAP均具有多个家族成员，每一个都具有其自身的优势和劣势。场驱动型EAP的值得注意的第一子类是压电聚合物和电致伸缩聚合物。尽管传统的压电聚合物的机电性能有限，但改善此性能的一项突破性进展已导致产生了PVDF弛豫型聚合物，其显示出自发性的电极化(场驱动对准)。这些材料可以是预应变的，以便改善应变方向上的性能(预应变导致更好的分子对准)。正常情况下会使用金属电极，因为应变通常处于适中的状态(1-5％)。也可使用其它类型的电极(诸如导电聚合物、基于碳黑的油、凝胶或弹性体等)。电极可以是连续的或分段的。场驱动型EAP的所关注的另一子类是电介质弹性体。这种材料的薄膜可夹在适形电极之间，从而形成平行板电容器。在电介质弹性体的情况下，由所施加的电场感应出的麦克斯韦(Maxwell)应力导致在薄膜上产生应力，从而使得薄膜的厚度减小而面积扩大。应变性能通常通过对弹性体进行预应变(需要框架以保持预应变)而增大。应变可以是相当大的(10-300％)。这也约束了可使用的电极类型：对于低应变和中等应变来说，可考虑金属电极和导电聚合物电极；对于高应变机制来说，通常使用基于碳黑的油、凝胶或弹性体。电极可以是连续的或分段的。离子型EAP的值得注意的第一子类是离子聚合物金属复合材料(IPMC)。IPMC由层叠在两片薄金属或基于碳的电极之间的溶剂膨胀的离子交换聚合物膜片构成，且需要使用电解质。典型的电极材料是Pt、Gd、CNT、CP和Pd。典型的电解质是基于Li+和Na+水的溶液。在施加电场时，阳离子通常与水一起行进到阴极侧。这导致了亲水性簇团的重新组织和聚合物的扩展。阴极区域内的应变导致在聚合物基质的其余部分中产生应力，从而导致朝向阳极弯曲。使所施加的电压逆转会使弯曲倒转。众所周知的聚合物膜片是和离子聚合物的值得注意的另一子类是共轭/导电聚合物。共轭聚合物致动器通常由夹在两层共轭聚合物之间的电解质组成。电解质用于改变氧化状态。在将电势通过电解质施加到聚合物时，将电子添加到聚合物或从聚合物移除电子，从而驱动氧化和还原。还原导致收缩，氧化导致扩展。在一些情况下，在聚合物本身缺乏足够的导电性时(量纲上)，添加薄膜电极。电解质可以是液态、凝胶或固态材料(即，高分子量聚合物和金属盐的复合物)。最常见的共轭聚合物是聚呲咯(PPy)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PTh)。致动器也可由悬垂于电解质中的碳纳米管(CNT)形成。电解质与纳米管一起形成双层，从而允许电荷的注入。这种双层电荷注入被视为CNT致动器的主要机制。CNT用作电极电容器，其中电荷注入到CNT中，随后通过由电解质移动到CNT表面而形成的双电层来平衡。改变碳原子上的电荷会导致C-C键长度的改变。因此，可观察到单个CNT的扩展和收缩。图1和2示出了用于EAP装置的两种可能的操作模式。该装置包括夹在电极10、12之间的电活性聚合物层14，电极位于电活性聚合物层14的相反两侧上。图1示出了未被夹住的装置。使用电压以致使电活性聚合物层如图所示沿所有方向扩展。图2示出了被设计成仅沿一个方向发生扩展的装置。该装置由载体层16支撑。使用电压以致使电活性聚合物层弯曲或拱起。电极、电活性聚合物层和载体一起可被视为构成了整个电活性聚合物结构。举例而言，这种移动的本质源于在被致动时扩展的主动层与被动载体层之间的交互作用。为了获得如图所示围绕轴线的不对称性弯曲，例如，可应用分子取向(膜拉伸)，迫使移动沿一个方向。沿一个方向的扩展可起因于EAP聚合物中的不对称性，或者其可起因于载体层特性中的不对称性，或两者的组合。因此，由EAP的电刺激引发的形状改变具有许多有益的应用。然而，材料的刺激也伴随着致动器装置所呈现出的复阻抗的变化。更具体地讲，电抗iXC大致由于所引发的EAP(层)厚度的减少而改变其数值。对EAP的电抗的最大影响是输入电容。通过将EAP致动器建模为(多层)平板电容器，电容可近似表示如下：其中C是输入电容，n是内部主动EAP层的数目，ε0是真空的电容率，εr是EAP材料的相对电容率，a和b是EAP层的长度和宽度(因此a*b＝层的表面积)，且d是EAP层的厚度。对于并非矩形的层来说，a.b可用表示EAP层的表面积的等同的适当表达式来代替。在对EAP层进行电刺激时，厚度d减小。横向尺寸a和b同时扩展(即，更一般地说，表面积扩大)。因此，电容增大。图3示出了示例性EAP层的电容(y轴)与所施加的DC电压(x轴)之间的关系。如所绘示的图表所示，在驱动电压从0V到250V的范围上，观察到输入电容的大致78％的总增长。
技术实现思路
本专利技术的专利技术人已观察到，EAP层的电容根据所施加的电压的上述变化显著增加了致动器装置的电子操作的复杂性，因为变化的电容必须在所施加的电信号中补偿，从而需要更复杂的驱动电子装置。这可能使得在发生变形时实时调整供给到EAP层的电压或电流成为必需，或者在该装置仅被充电一次(使用“采样保持”驱动方案)的情况下，提前考虑到所产生的电容变化并相应地施加初始充电电压成为必需。在任一情况下，考虑到这一附加的依赖性需要使用补充的驱动电子装置，这增加了EAP致动器装置的成本、复杂性和体积。加剧这种复杂性是被电刺激的EAP层的另一特征性表现，其中EAP材料在到达其最终偏转位置的过程中呈现出延迟或滞后。这在图4中示出，该图示出了对于用两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种致动器构件，在所述致动器构件上呈现出电容，且包括：电活性聚合物材料，所述电活性聚合物材料适于根据所施加的电场的量级而变形；及电容补偿装置，所述电容补偿装置适于至少部分地抵消由所述致动器构件的变形导致的所述电容的变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.07 EP 16173226.81.一种致动器构件，在所述致动器构件上呈现出电容，且包括：电活性聚合物材料，所述电活性聚合物材料适于根据所施加的电场的量级而变形；及电容补偿装置，所述电容补偿装置适于至少部分地抵消由所述致动器构件的变形导致的所述电容的变化。2.根据权利要求1所述的致动器构件，其特征在于，所述电容补偿装置适于通过减小所述致动器构件的至少一部分的相对电容率来至少部分地抵消所述电容的变化。3.根据权利要求2所述的致动器构件，其特征在于，所述电容补偿装置适于根据下述各项中的一个或多个而引发所述致动器构件的相对电容率的减小：增加所施加的电场的量级、增加外加电荷、所述致动器构件的机械变形。4.根据任一前述权利要求所述的致动器构件，其特征在于，所述电容补偿装置包括补偿材料，所述补偿材料响应于下述各项中的一个或多个而独立地呈现出在所述补偿材料上的电容的减小：增加所施加的电场的量级、增加外加电荷、所述致动器构件的机械变形。5.根据权利要求4所述的致动器构件，其特征在于，所述补偿材料呈现出有效相对电容率的减小以实现电容的减小。6.根据权利要求4或5所述的致动器构件，其特征在于，所述电容补偿装置包括由所述补偿材料形成的多个颗粒，所述颗粒嵌置在所述电活性聚合物材料中。7.根据权利要求4至6中的任一项所述的致动器构件，其特征在于，所述电容补偿装置包括由所述补偿材料形成的涂层，从而覆盖所述电活性聚合物材料的至少一部分。8.根据权利要求4至7中的任一项所述的致动器构件，其特征在于，所述致动器构件包括由电活性聚合物材料形成至少第一层，和包括所述补偿材料的至少第二层。9.根据任一前述权利要求所述的致动器构件，其特征在于，所述电容补偿装置包括与所述电活性聚合物材料形成混合物或复合物的材料，所述混合物或复合物响应于下述各项中的一个或多个而呈现出在所述混合物或复合物上的电容的减小：...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·希尔格斯，M·T·约翰逊，
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