基于电活性聚合物的致动器设备制造技术

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。

Actuator Equipment Based on Electroactive Polymer

An actuator device includes row and column active matrix arrays of electroactive polymer actuators, each of which has a switching circuit. The switch circuit has a driving transistor and a capacitor device. The capacitor device is charged to a combination of a voltage derived from the driving voltage of the electroactive polymer actuator and a voltage derived from the threshold voltage of the driving transistor. During such programming of the capacitor device, the EAP actuator is isolated from any current flow phase. The switch circuit makes it possible to compensate for lifetime-related changes in the threshold voltage. Therefore, a transistor with low performance (i.e., poor threshold voltage stability) can be used, where the current measured per frame time (or more frames time) provides a TFT threshold voltage once to compensate for the aging effect.

【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。理想地，在被动矩阵设备中，每个单独的致动器应当被致动直到其最大位移而不影响相邻的致动器。然而，在传统EAP致动器的阵列(没有任何电压阈值行为)中将存在对相邻致动器的一些串扰。例如，当施加驱动电压以致动一个致动器时，该致动器周围的致动器也会经历电压并将部分致动，这对于许多应用来说是不希望的效果。因此，对于被动矩阵寻址方案，独立于其他致动器单独寻址每个致动器并不是简单直接的。已经预想到使用活性矩阵来寻址电活性聚合物致动器的阵列，例如用于电子盲文应用。活性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交叉处提供开关设备。以这种方式，如果需要的话，阵列中的每个致动器都可以被单独致动。活性矩阵寻址方案意味着能够使阵列中的任何随机图案的致动器被同时致动。当设计用于场驱动EAP的活性矩阵设计时，出现的问题是开关设备(例如，晶体管)需要能够承受高的致动电压(其可能是数百伏)。这远远高于现有的适用于集成到阵列设备中的晶体管能够处理的可能电压。因此，对与活性矩阵寻址方案一起使用的离子(电流驱动的)EAP设备尤其感兴趣。离子EAP设备通过电诱导的离子和/或溶剂的转运而被激活。离子EAP设备通常需要低电压但高电流，例如它们可以在低电压下工作且因此在大约5V的电压下工作更安全。它们需要液体/凝胶电解质介质(但是一些材料系统也能够使用固体电解质工作)。在较低电压下寻址的能力使得能够使用容易获得的开关设备。现在将更详细地讨论上述不同类型的离子EAP设备。图3示出了离子聚合物金属复合物(IPMC)EAP的示例，包括在导电电极表面32之间的聚合物膜30。阴离子34固定在膜中，而阳离子36是移动的。阳离子36被水分子38水合。当施加电压时，水合阳离子迁移到阴极，从而引起聚合物扩张。以这种方式工作的IPMC致动器包括层压在两个薄的金属或碳基电极之间的溶剂溶胀的离子交换聚合物膜，并且需要使用电解质。典型的电极材料是Pt、Gd、CNT、CP、Pd。典型的电解质是Li+和Na+水溶液。当施加场并感应出电流时，阳离子通常与水一起行进到阴极侧。这会引起亲水簇的重组和聚合物扩张。阴极区中的应变会引起聚合物基质的其余部分中的应力，这种应力会引起朝向阳极的弯曲。反转所施加的电压并在相反方向上感应电流会反转弯曲。众所周知的聚合物膜是Nafion(商标)和Flemion(商标)。图4示出了共轭聚合物致动器的示例，其包括被共轭聚合物的两个层42、44夹在中间的电解质40。电解质用于改变氧化状态。当通过电解质向聚合物施加电势时，通过感应电流将电子添加到聚合物中或者从聚合物中移除电子，从而驱动氧化和还原。还原会引起收缩，而氧化会引起扩张。因此，如图4所示，朝向还原侧46引起弯曲。在某些情况下，当聚合物本身缺乏足够的导电性时，添加薄膜电极。电解质能够是液体、凝胶或固体材料(即，高分子量聚合物与金属盐的复合物)。最常见的共轭聚合物是聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)以及聚噻吩(PTh)。图5示出了碳纳米管(CNT)致动器的示例，其中，碳纳米管48悬浮在电解质49中。电解质与纳米管形成双层，从而允许注入电荷。这种双层电荷注入被认为是CNT致动器的主要机制。CNT充当电极电容器，其中，电荷注入CNT上，其然后通过电解质移动到CNT表面形成的电双层而得到平衡。改变碳原子上的电荷引起碳-碳键长度的变化。结果，能够观察到单个CNT的扩张和收缩。其他示例包括离子聚合物凝胶。注意，使用的电极能够是连续的或分段的。对于低成本应用，期望使用低成本晶体管技术，例如，非晶硅晶体管。这些低成本晶体管技术以及其他低成本且低电压技术通常具有较差的稳定性，例如它们会遭受阈值电压漂移，这会使得它们难以使用并且对驱动电路的设计引起问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是实现上述期望。该目的通过独立权利要求所限定的本专利技术来实现。从属权利要求提供了有利实施例。根据本专利技术的一个方面的示例，提供了一种致动器设备，包括：-电流驱动的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，其中，所述开关电路包括：-驱动晶体管，其用于驱动电流通过所述电活性聚合物致动器；以及-第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和所述第二电容器串联连接在所述驱动晶体管的栅极与源极或栅极与漏极之间，到所述开关电路的数据输入部被提供到所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种致动器设备，包括：‑电流驱动的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，其中，所述开关电路包括：‑驱动晶体管(TD)，其用于驱动电流通过所述电活性聚合物致动器；以及‑第一电容器(C1)和第二电容器(C2)，所述第一电容器和所述第二电容器串联连接在所述驱动晶体管的栅极与源极或栅极与漏极之间，‑到所述开关电路的数据输入部，其被提供到所述第一电容器(C1)与所述第二电容器(C2)之间的接合点，从而将所述第二电容器(C2)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，并且根据所述驱动晶体管的阈值电压导出的电压被存储在所述第一电容器(C1)上；以及‑隔离开关，其在一行的所有电活性聚合物致动器之间共享，或者在所述阵列的所有电活性聚合物致动器之间共享，所述隔离开关在所述电活性聚合物致动器与参考端子之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.04 EP 16192121.81.一种致动器设备，包括：-电流驱动的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，其中，所述开关电路包括：-驱动晶体管(TD)，其用于驱动电流通过所述电活性聚合物致动器；以及-第一电容器(C1)和第二电容器(C2)，所述第一电容器和所述第二电容器串联连接在所述驱动晶体管的栅极与源极或栅极与漏极之间，-到所述开关电路的数据输入部，其被提供到所述第一电容器(C1)与所述第二电容器(C2)之间的接合点，从而将所述第二电容器(C2)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，并且根据所述驱动晶体管的阈值电压导出的电压被存储在所述第一电容器(C1)上；以及-隔离开关，其在一行的所有电活性聚合物致动器之间共享，或者在所述阵列的所有电活性聚合物致动器之间共享，所述隔离开关在所述电活性聚合物致动器与参考端子之间。2.如权利要求1所述的设备，其中，所述驱动晶体管是非晶半导体晶体管。3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述电流驱动的电活性聚合物致动器包括共轭聚合物致动器、碳纳米管聚合物复合致动器或离子聚合物金属复合致动器。4.如任一前述权利要求所述的设备，其中，每个开关电路还包括连接在所述第一电容器(C1)和所述第二电容器(C2)之间的所述接合点与输入数据线(60)之间的第一输入晶体管(A1)。5.如任一前述权利要求所述的设备，其中，每个开关电路还包括：第二晶体管(A2)，其连接在所述驱动晶体管(TD)的所述栅极与所述漏极之间；以及第三晶体管(A3)，其跨所述第二电容器(C2)的端子连接。6.如权利要求5所述的设备，其中，所述第二晶体管(A2)和所述第三晶体管(A3)各自由相应的第二栅极控制线和第三栅极控制线来控制，所述相应的第二栅极控制线和第三栅极控制线在一行开关电路之间共享。7.如权利要求6所述的设备，其中，所述第二栅极控制线和所述第三栅极控制线包括单个共享控制线。8.如任一前述权利要求所述的设备，其中，所述第一电容器(C1)和所述第二电容器(C2)串联连接在所述驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·T·约翰逊，D·A·菲什，
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