УСТРОЙСТВО АКТУАТОРА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОАКТИВНОГО ПОЛИМЕРА
ACTUATOR DEVICE BASED ON ELECTROACTIVE POLYMER

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это изобретение относится к устройствам актуаторов, которые используют электроактивные полимеры.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электроактивные полимеры (ЭАП) представляют собой новый класс материалов среди области материалов, обладающих электрическим откликом. Материалы ЭАП могут работать как датчики или актуаторы, и могут быть легко изготовлены в различных формах, позволяя простую интеграцию в самые разнообразные системы.
Были разработаны материалы с такими характеристиками, как активация напряжения и деформации, которые были значительно улучшены за прошедшие десять лет. Технологические риски были снижены до приемлемых уровней для разработки изделий, так чтобы ЭАП в большей степени были бы коммерчески и технологически привлекательными. Преимущества ЭАП включают в себя малое энергопотребление, малый форм-фактор, гибкость, бесшумную работу, надежность, возможность высокого разрешения, малые времена отклика и возможность многократной активации.
Улучшенные рабочие параметры и определенные преимущества материала ЭАП дают возможность применения в новых областях.
Устройство с ЭАП может быть использовано в любом приложении, в котором желательно малая величина перемещения компонента или признака, основанные на электрической активации. Аналогично, технология может быть использована для считывания малых перемещений.
Использование ЭАП допускает осуществление функций, которые не были возможны прежде, или предоставляет большое преимущество по сравнению с обычными решениями датчиков/актуаторов благодаря комбинации относительно большой деформации и силы в малом объеме или при малом форм-факторе по сравнению с обычными актуаторами. Материалы ЭАП также обеспечивают бесшумную работу, точное электронное управление, быстрый отклик, и большой диапазон возможных частот активации, например, 0-20 кГц.
Устройства, использующие электроактивные полимеры, могут быть подразделены на возбуждаемые полем и ионно-возбуждаемые материалы.
Примеры возбуждаемых полем ЭАП - это диэлектрические эластомеры, электрострикционные полимеры (такие как релаксорные полимеры на основе PVDF или полиуретаны), и жидкокристаллические эластомеры (LCE).
Примеры ионно-возбуждаемых ЭАП - это сопряженные полимеры, композиты полимера с углеродными нанотрубками (УНТ) и композиты ионный полимер-металл (IPMC).
Возбуждаемый полем ЭАП активируется электрическим полем посредством прямой электромеханической связи, тогда как механизм активации для ионных ЭАП предполагает диффузию ионов. Оба класса имеют множество вариантов, и каждый имеет свои собственные преимущества и недостатки.
На Фиг. 1 и 2 показаны два возможных рабочих режима для устройства ЭАП.
Устройство содержит слой электроактивного полимера 14, расположенный между электродами 10, 12 на противоположных сторонах электроактивного полимерного слоя 14.
На Фиг. 1 показано устройство, которое не зафиксировано. Напряжение используется, чтобы заставлять слой электроактивного полимера расширяться во всех направлениях, как это показано.
На Фиг. 2 показано устройство, которое выполнено так, чтобы расширение возникало только в одном направлении. Устройство поддерживается несущим слоем 16. Напряжение используется, чтобы заставлять слой электроактивного полимера изгибаться или искривляться.
Природа этого движения, например, является результатом взаимодействия между активным слоем, который расширяется при активации, и пассивным несущим слоем. Для получения асимметричного изгиба вокруг оси, как это показано, например, может быть применена молекулярная ориентация (растяжение пленки), вызывающая перемещение в одном направлении.
Расширение в одном направлении может возникать из асимметрии в электроактивном полимере, или оно может возникать из асимметрии свойств несущего слоя, или в результате комбинации и того, и другого.
В некоторых приложениях может быть полезной матричная решетка актуаторов, например, в системах позиционирования и управляемой топологии поверхностей. Однако, поскольку возбуждающие напряжения актуаторов достаточно высоки, то сразу же возбуждение каждого актуатора отдельно с помощью его собственной возбуждающей ИС становится дорогостоящим.
Пассивная матрица представляет собой простое воплощение матричной возбуждающей системы, использующей только соединения строки (n строк) и столбца (m столбцов). Если требуется только (n+m) драйверов для адресации к (n x m) актуаторам, то это оказывается гораздо более эффективным в отношении затрат, а также сохраняет стоимость и пространство для дополнительной проводной разводки.
Идеально, если в пассивном матричном устройстве каждый отдельный актуатор должен активироваться до своего максимального напряжения, не влияя на соседние актуаторы. Однако, в матрицах традиционных актуаторов ЭАП (без использования какого-либо порогового напряжения) будет присутствовать некоторое перекрестное влияние соседних актуаторов. Когда для активации одного актуатора прикладывается напряжение, актуаторы вокруг него также испытывают действие напряжения, и будут частично активироваться, что оказывается нежелательным эффектом для многих приложений.
2
Эта ситуация описана, например, в US 8552846, где раскрывается пассивное матричное возбуждение ЭАП без порогового напряжения или бистабильности. В раскрытом подходе достигнуто лучшее контрастное отношение активации 3:1 (то есть, «не активированные» актуаторы демонстрируют 33% максимальной активации). Это дает контрастное отношение 9:1 для уровня давления, поскольку приложенное давление изменяется как V. Этот подход также работает только для 2-уровневого возбуждения.
Следовательно, со схемой адресации с пассивной матрицей нет прямого отдельного обращения к каждому актуатору независимо от других.
Использование активной матрицы для адресуемых матриц актуаторов с электроактивным полимером было рассмотрено, например, для электронных приложений для слепых. Подход с активной матрицей предполагает предоставление переключающего узла в каждом актуаторе с электроактивным полимером в пересечении проводника строки и проводника столбца. Таким образом, каждый актуатор в матрице может, если это требуется, индивидуально активироваться. Схема адресации с активной матрицей означает, что возможно иметь любой случайный рисунок актуаторов в матрице, активируемой в одно и то же время.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблема возникает в том, что переключающее устройство, например, транзистор, должно выдерживать высокие напряжения активации, требуемые для возбуждения актуаторов с электроактивным полимером. Многие конструкции с ЭАП имеют напряжения активации в сотни вольт, что намного выше возможных напряжений, выдерживаемых существующими транзисторами, подходящими для интеграции в матричное устройство. Таким образом, обычная схема адресации с активной матрицей подходит только для возбуждения актуаторов с электроактивным полимером с помощью специально низких напряжений активации, например, вплоть до около 40 В, если в качестве элементов переключения используются тонкопленочные транзисторы. Выше этого напряжения возникает утечка на переключающем TFT транзисторе управления. Поликремниевые транзисторы будут иметь более низкие пределы напряжения, например, 20 В.
Поэтому, имеется потребность в схеме адресации с активной матрицей, которая позволяет использовать переключающие устройства с относительно низким напряжением для активации актуаторов с электроактивным полимером относительно высоким напряжением.
Задача изобретения заключается в обращении к вышеупомянутой проблеме и восполнении вышеупомянутой потребности. Задача по меньшей мере частично достигается изобретением, как это определено в соответствии с независимыми пунктами формулы. Зависимые пункты формулы задают преимущественные варианты реализации. Изобретение задается пунктами формулы.
В соответствии с примерами и в соответствии с аспектом изобретения, предусмотрено устройство актуатора, содержащее:
активную матричную решетку актуаторов с электроактивным полимером, причем каждый актуатор с электроактивным полимером имеет переключающий узел,
причем переключающий узел содержит:
первую схему, подключенную между первым выводом актуатора с электроактивным полимером и землей, для избирательного приведения первого вывода актуатора с электроактивным полимером в состояние заземления или его подсоединения к разомкнутой цепи;
вторую схему, подключенную между вторым выводом актуатора с электроактивным полимером и землей, для избирательного приведения второго вывода актуатора с электроактивным полимером в состояние заземления или его подсоединения к разомкнутой цепи; и
повышающий элемент, постоянно подключенный между возбуждающим напряжением и первым выводом актуатора с электроактивным полимером.
Управляя обоими выводами актуатора с электроактивным полимером, становится возможным сохранять напряжение на актуаторе и затем обеспечивать плавающий вывод так, чтобы ток не мог течь через устройство. Это уменьшает статическое потребление мощности.
Каждая из первой и второй схем может содержать ряд последовательно соединенных транзисторов между соответствующим выводом актуатора с электроактивным полимером и землей. Посредством последовательного ряда транзисторов по направлению к земле каждый транзистор может подвергаться действию напряжения (на его затворе или на его затворе-истоке или на его затворе-стоке), которое мало, по сравнению с возбуждающим напряжением устройства с электроактивным полимером.
Последовательно соединенные транзисторы - это, например, транзисторы n-типа.
Второй повышающий элемент может быть подключен между вторым возбуждающим напряжением и вторым выводом актуатора с электроактивным полимером. Это означает, что каждый из обоих выводов может подключаться к по меньшей мере двум различным напряжениям. В свою очередь, это позволяет осуществить трехуровневую возбуждающую схему, даже только с двумя различными уровнями возбуждения, предоставляемыми на схему в целом.
Возбуждающее напряжение и второе возбуждающее напряжение могут быть одним и тем же напряжением. В этом случае положительное или отрицательное напряжение может быть выдано на устройство так, что оказывается возможной инверсионная возбуждающая схема.
Возбуждающее напряжение и второе возбуждающее напряжение могут быть различными. В этом случае, может быть обеспечена трехуровневая схема возбуждения с одинаковой полярностью.
Каждая из первой и второй схемы может содержать:
транзистор адресации и запоминающий конденсатор для выдачи данных о напряжении на затвор первого из упомянутых последовательно соединенных транзисторов; и
схему управления смещением для управления напряжениями затвора других из упомянутых последовательно соединенных транзисторов.
Это позволяет сохранять уровень возбуждения в схеме.
Схема управления смещением каждой из первой и второй схем может содержать:
напряжение смещения, связанное с затвором второго из упомянутых последовательно соединенных транзисторов; и
ряд транзисторов управления с соответствующим транзистором, подключенным между затворами каждой соседней пары других из упомянутых последовательно соединенных транзисторов.
Благодаря соединению затворов между собой, транзисторы могут быть подключены все вместе (с напряжением смещения) для обеспечения канала заземления.
Транзисторы управления могут быть транзисторами p-типа.
Транзисторы, например, представляют собой тонкопленочные транзисторы, например, низкотемпературные поликремниевые транзисторы.
В качестве примера, максимальное напряжение исток-сток может быть меньше 50 В, например, меньше 40 В, и возможно даже меньше 25 В, тогда как максимальное напряжение выдаваемое на устройство с электроактивным полимером, оказывается больше 50 В, например, больше 60 В, возможно больше 70 В и возможно больше 80 В. Напряжения затвор-исток и затвор-сток также могут быть ограничены упомянутыми выше уровнями напряжения, так, чтобы в конкретной конструкции и на затвор-исток, и на затвор-сток, и на сток-исток могло быть подано максимальное напряжение.
Примеры в соответствии с другим объектом изобретения предусматривают способ активации устройства, которое содержит активную матричную решетку актуаторов с электроактивным полимером, причем каждый актуатор с электроактивным полимером имеет переключающий узел, причем переключающий узел содержит первую схему, подключенную между первым выводом актуатора с электроактивным полимером и землей, для избирательного приведения первого вывода актуатора с электроактивным полимером в состояние заземления или его подсоединения к разомкнутой цепи, и вторую схему, подключенную между вторым выводом актуатора с электроактивным полимером и землей, для избирательного приведения второго вывода актуатора с электроактивным полимером в состояние заземления или его подсоединения к разомкнутой цепи, причем способ содержит:
сохранение ненулевого напряжения на актуаторе с электроактивным полимером:
приведения первого вывода в состояние напряжения активации с помощью первой схемы, приведенной в состояние к разомкнутой цепи, и приведение второго вывода к состоянию заземления с помощью второй схемы; и
сохранения нулевого напряжения на электроактивном полимере посредством:
приведения первого и второго выводов в состояние заземления с помощью первой и второй схем; и
последующего приведения первой и второй схем в состояние разомкнутой цепи.
При приведении обоих выводов в состояние заземления схемы соответственно становятся разомкнутой цепью, так чтобы не было больше канала для заземления через актуатор с электроактивным полимером. Таким образом, статическое потребление мощности уменьшается.
Приведение первого вывода в состояние напряжения активации может содержать подачу возбуждающего напряжения на первый вывод через повышающий элемент. Он может содержать, например, резистор.
Способ может содержать после приведения первого вывода в состояние напряжения активации с помощью первой схемы, приведенной в состояние разомкнутой цепи, и приведения второго вывода в состояние заземления с помощью второй схемы, приведение второй схемы в состояние разомкнутой цепи.
Таким образом, статическое потребление мощности может быть уменьшено, когда актуатор с электроактивным полимером приведен в состояние напряжения активации.
Способ может дополнительно содержать сохранение второго напряжения на актуаторе с электроактивным полимером посредством:
приведения второго вывода в состояние второго напряжения активации с помощью второй схемы, приведенной в состояние разомкнутой цепи, и приведение первого вывода в состояние заземления с помощью первой схемы.
Таким образом, напряжением на обоих выводах можно управлять так, чтобы была осуществлена схема возбуждения с тремя уровнями.
Приведение второго вывода в состояние второго напряжения активации может содержать подачу второго возбуждающего напряжения на второй вывод через второй повышающий элемент.
Второе возбуждающее напряжение может быть таким же, что и возбуждающее напряжение, или второе возбуждающее напряжение и возбуждающее напряжение могут быть разными.
Например, способ может содержать поочередную выдачу на актуатор с электроактивным полимером возбуждающих напряжений противоположной полярности. Это предоставляет инверсионную схему управления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры изобретения описываются ниже подробно в связи с сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг. 1 изображает известное устройство с электроактивным полимером, которое не зафиксировано;
Фиг. 2 изображает известное устройство с электроактивным полимером, которое ограничено защитным слоем;
Фиг. 3 изображает типичную схему с активной матрицей для одного актуатора с электроактивным полимером;
Фиг. 4 изображает типичную схему адресации с активной матрицей;
Фиг. 5 изображает первый пример высоковольтной схемы, использующей низковольтные транзисторы;
Фиг. 6 изображает второй пример высоковольтной схемы, использующей низковольтные транзисторы;
Фиг. 7 изображает модификацию схемы с Фиг. 6 для того, чтобы она была пригодна для возбуждения актуатора с электроактивным полимером;
Фиг. 8 изображает модификацию схемы с Фиг. 7 для обеспечения функции сохранения сигнала;
Фиг. 9 изображает первый пример возбуждающей схемы актуатора с электроактивным полимером;
Фиг. 10 изображает второй пример возбуждающей схемы актуатора с электроактивным полимером;
Фиг. 11 изображает третий пример возбуждающей схемы актуатора с электроактивным полимером для осуществления схемы управления с общим электродом;
Фиг. 12 изображает первый пример устройства с электроактивным полимером с пороговой характеристикой;
Фиг. 13 изображает то, как устройство на Фиг.12 изменяет характеристику смещение-напряжение;
Фиг. 14 изображает второй пример устройства с электроактивным полимером с пороговой характеристикой;
Фиг. 15 изображает третий пример устройства с электроактивным полимером с пороговой характеристикой;
Фиг. 16 изображает четвертый пример устройства с электроактивным полимером с пороговой характеристикой;
Фиг. 17 изображает пятый пример устройства с электроактивным полимером с пороговой характеристикой;
Фиг. 18 изображает то, как устройство с Фиг.17 изменяет характеристику смещение-напряжение;
Фиг. 19 изображает шестой пример устройства с электроактивным полимером с пороговой характеристикой;
Фиг. 20 изображает возбуждающую схему для актуатора с электроактивным полимером с использованием диодов;
Фиг. 21 служит для пояснения последовательности адресации с использованием схемы с Фиг. 20;
Фиг. 22 изображает возбуждающую схему для актуатора с электроактивным полимером с использованием MIM диода; и
Фиг. 23 изображает возбуждающую схему для актуатора с электроактивным полимером с использованием двух управляющих транзисторов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
Изобретение предусматривает активную матричную решетку актуаторов с электроактивным полимером, причем каждый актуатор с электроактивным полимером имеет переключающий узел. Актуатор содержит структуру с электроактивным полимером для обеспечения механической активации, так что структура задает неактивируемое состояние и по меньшей мере одно активируемое состояние (отличное от неактивируемого состояния), достигаемое подачей электрического возбуждающего сигнала на структуру с электроактивным полимером. Структура с электроактивным полимером при этом содержит материал ЭАП. Такой материал может производить или допускать механическую деформацию после воздействия на него электрического сигнала, который может быть подан на структуру в виде электрического возбуждающего сигнала. Актуатор или структура могут иметь электродный узел для подачи возбуждающего сигнала на материал ЭАП. Электродная структура может быть непосредственно прикреплена к материалу ЭАП или с промежуточными слоями между ними. Слой материала ЭАП каждого блока может быть расположен между электродами электродной структуры. Альтернативно, электроды могут быть на одной и той же стороне материала ЭАП. В любом случае, электроды могут быть физически прикреплены к материалу ЭАП или напрямую, без каких-либо (пассивных) слоев между ними, или опосредованно, с дополнительными (пассивными) слоями между ними. Но это не всегда должно быть так. Для релаксорного или для пьезоэлектрического или сегнетоэлектрического ЭАП непосредственный контакт не является необходимым. В последнем случае электроды вблизи ЭАП оказываются достаточными, если только электроды могут обеспечить электрическое поле для ЭАП, структура электроактивного полимера будет выполнять свою функцию активации. Электроды могут быть растяжимыми, так чтобы они следовали за деформацией слоя материала ЭАП.
Переключающий узел содержит первую схему, подключенную к первому выводу актуатора с электроактивным полимером, для избирательного приведения первого вывода актуатора с электроактивным полимером в состояние заземления или его приведения в состояние разомкнутой цепи. Вторая схема подключена ко второму выводу актуатора с электроактивным полимером, для избирательного приведения второго вывода актуатора с электроактивным полимером в состояние заземления или его приведения в состояние разомкнутой цепи. Управляя обоими выводами актуатора с электроактивным полимером, оказывается возможным уменьшить статическое потребление мощности по меньшей мере тогда, когда не сохраняется напряжение на актуаторе с электроактивным полимером.
На Фиг. 3 показана типичная схема с активной матрицей для использования в решетке актуаторов с электроактивным полимером. Решетка расположена в строках и столбцах с проводниками 30 строк и проводниками 32 столбцов. Предпочтительно, имеются множественные строки и столбцы, так чтобы минимальной была решетка 2×2. Может иметься множество строк и столбцов, например, десятки или сотни строк и/или столбцов. Схема, такая как на Фиг. 3, имеется в каждом перекрещивании (то есть, пересечении) проводников строк и столбцов. Схема содержит транзистор 34, например, тонкопленочный полевой транзистор, с его затвором, соединенным с проводником 30 строки, и его истоком, соединенным с проводником 32 столбца. Транзистор включается импульсом выборки на проводнике строки, и тогда он подает напряжение на проводник 32 столбца актуатора 36 с электроактивным полимером и на запоминающий конденсатор 38.
Имеется решетка m x n актуаторов с электроактивным полимером, причем каждый приводится в действие активной схемой возбуждения, как показано на Фиг. 3. Имеется m проводников строк (адресные линии) и n проводников (линии данных) столбцов, где n≥2 и m≥2, например, n≥4 или n≥10, или n≥50 и/или m≥4, или m≥10 или m≥50. Первый электрод актуатора 36 с электроактивным полимером - это приводной электрод. Второй электрод актуатора с электроактивным полимером связан с опорным напряжением Vref, которое может быть общим для многих или всех актуаторов с электроактивным полимером в решетке. Запоминающий конденсатор 38, параллельный актуатору с электроактивным полимером, является необязательным и способствует поддержанию напряжения, приложенного к актуатору с электроактивным полимером.
Работа схемы заключается в передаче данных о напряжении на приводной электрод актуатора с электроактивным полимером только тогда, когда затвор выбранного транзистора 34 адресован, заставляя TFT стать проводящим. После того, как адресация завершена, транзистор становится непроводящим, и напряжение поддерживается на актуаторе с электроактивным полимером до тех пор, пока оно или не утечет, или пока актуатор с электроактивным полимером не будет снова адресован. Таким образом, схема работает как схема выборки-хранения, в соответствии с чем (необязательный) запоминающий конденсатор способствует поддержанию напряжения, приложенного к актуатору с электроактивным полимером.
После адресации актуатор с электроактивным полимером будет деформироваться к новому состоянию активации в зависимости от возбуждающего напряжения (Vdr), которое присутствует между электродом данных и опорным электродом. Следует отметить, что активация может длиться значительно дольше, чем период адресации (который обычно бывает намного меньше чем 1 мс). Различные уровни активации могут быть реализованы подачей различных возбуждающих напряжений.
Адресация решетки происходит так, как показано на Фиг. 4, где показан пример решетки 4×4 с опорным электродом, установленным на Vref=0 В. Отправная точка (не показана) соответствует тому, что все актуаторы с электроактивным полимером разряжены и, следовательно, находятся в своем неактивированном состоянии. Светлые кружки отображают актуаторы, которые не активированы, темные кружки - это актуаторы, которые активированы.
Все строки изначально адресуются напряжением без выбора (Vns: обычно 10 В для типичного TFT). В этой ситуации, никакие данные не могут быть переданы на актуаторы с электроактивным полимером.
Первая строка затем адресуется напряжением выбора (Vsel обычно +30 В для типичного TFT). Это показано на Фиг. 4A. Другие строки не выбраны (Vns). Два столбца приведены с возбуждающим напряжением Vdr, а другие два столбца приведены с 0 В, и эти напряжения передаются на первый электрод соответствующих актуаторов с электроактивным полимером. В этой ситуации, разность напряжений на двух из актуаторов с электроактивным полимером составляет Vdr: эти два актуатора с электроактивным полимером в строке будут в активированном режиме (активация может продолжаться после того, как адресация завершена). Разность напряжений на других двух актуаторах с электроактивным полимером составляет 0 В, в соответствии с чем эти два актуатора с электроактивным полимером в строке останутся в неактивированном режиме.
Вторая строка затем адресуется напряжением выбора (Vsel), как показано на Фиг. 4B. Другие строки не выбраны (Vns). И опять, два столбца приведены с возбуждающим напряжением Vdr, и два столбца приведены с 0 В, и эти напряжения передаются на первый электрод соответствующих актуаторов с электроактивным полимером. В этой ситуации разность напряжений на двух из актуаторов с электроактивным полимером s составляет Vdr: эти два актуатора с электроактивным полимером в строке будут в активированном режиме (активация может продолжаться после того, как адресация завершена). Разность напряжений на других двух актуаторах с электроактивным полимером составляет 0 В, в соответствии с чем эти два актуатора с электроактивным полимером в строке останутся в неактивированном режиме.
Отменяя выбор первой строки, характер выборки-хранения адресации гарантирует то, что актуаторы с электроактивным полимером в первой строке поддерживают свое напряжение (особенно, если подключен запоминающий конденсатор), и остаются в своем состоянии активации (или продвигаются к этому состоянию, если оно еще не достигнуто).
Третья строка затем адресуется напряжением выбора (Vsel), как показано на Фиг. 4C. Другие строки не выбраны (Vns). Теперь три столбца приведены с возбуждающим напряжением Vdr, один столбец приведен с 0 В, и эти напряжения передаются на первый электрод соответствующих актуаторов с электроактивным полимером. В этой ситуации, разность напряжений на трех из актуаторов с электроактивным полимером составляет Vdr: эти три актуатора с электроактивным полимером в строке будут в активированном режиме (активация может продолжаться после того, как адресация завершена). Разность напряжений на другом актуаторе с электроактивным полимером составляет 0 В, в соответствии с чем этот актуатор с электроактивным полимером останется в неактивированном режиме. Отменяя выбор второй строки, характер выборки-хранения адресации снова гарантирует то, что актуатор с электроактивным полимером в этой строке поддерживает свое напряжение.
Четвертая строка затем адресуется напряжением выбора (Vsel), как показано на Фиг. 4D. Другие строки не выбраны (Vns). Только один столбец приведен с возбуждающим напряжением Vdr, и другие три столбца - с 0 В. Разность напряжений только на одном из актуаторов с электроактивным полимером составляет Vdr.
В конце фазы адресации, выбор всех строк может быть отменен (Vns), и напряжения могут быть удалены из столбцов, в соответствии с чем актуаторы с электроактивным полимером останутся в своем состоянии активации, пока их напряжение не утечет, и тогда матрица может быть переадресована, как описано выше.
Возможно адресовать несколько строк актуаторов с электроактивным полимером в одно и то же самое время, в соответствии с чем адресация будет проходить еще быстрее. Это достигается подачей напряжения адресации на более чем одну строку актуаторов с электроактивным полимером в одно и то же время. Это возможно, если должен быть применен один и тот же шаблон данных.
В вышеупомянутом примере рассматривается только двухуровневый драйвер данных (0 В и Vdr). Это приведет к наименьшей стоимости ИС драйвера. Однако в дополнительных примерах может быть предпочтительным также частично активировать актуатор с электроактивным полимером. Для получения такой возможности может быть использован драйвер данных с множественными данных о напряжении вплоть до Vdr.
Кроме того, хотя в вышеприведенном примере на актуатор с электроактивным полимером подаются напряжения одной полярности, в дополнительных вариантах реализации может быть предпочтительным инвертировать полярность напряжения на актуаторах с электроактивным полимером с равными временными интервалами, посредством чего рабочие параметры актуатора с электроактивным полимером ухудшатся меньше, чем в случае, когда инверсия не будет использована. Это может быть достигнуто, например, изменением напряжения на опорном электроде в дополнительном цикле адресации и соответственной адаптацией возбуждающих напряжений.
Основная схема адресации с активной матрицей, описанная выше, требует, чтобы транзисторы могли выдерживать такие же напряжения, что и те, что используются для возбуждения актуаторов с электроактивным полимером.
Данное изобретение относится к использованию переключающих устройств, таких как низковольтные поликремниевые транзисторы, которые работают при более низких напряжениях, чем возбуждающие напряжения актуаторов с электроактивным полимером.
Известны методики высоковольтного нагревания, которые используют транзисторные управляемые переключения, которые работают при более низких напряжениях, чем необходимо для нагревателя.
На Фиг. 5 показан первый пример схемы управления для нагревателя на 60 В. На Фиг. 5(a) показан выключенный нагреватель, и на Фиг. 5(b) показан включенный нагреватель.
Используемые в схеме транзисторы представляют собой TFT транзисторы на 20 В, что является, например, пределом напряжения для низкотемпературного поликремниевого (LTPS) TFT.
Схема содержит повышающий резистор 50, подсоединенный к высоковольтной линии на 60 В Vddout, и понижающую схему, которая содержит три последовательных транзистора n-типа от N1 до N3. На нижний транзистор N1 подается возбуждающее напряжение, которое переключается между 0 и 20 В. На второй транзистор N2 подается напряжение смещения. Схема 52 смещения управляет напряжением, подаваемым на транзистор N3, и она включает в себя два транзистора P1 и P2 p-типа. Первый транзистор P1 p-типа находится между затворами второго и третьего транзисторов N2, N3 n-типа с их затворами, соединенными с узлом между транзисторами N2, N3. Когда P1 закрыт, напряжение смещения приложено к затворам обоих транзисторов N2, N3, так что они оба оказываются закрытыми. Второй транзистор P2 p-типа находится между затвором и истоком третьего транзистора N3 n-типа с его затвором, соединенным с затвором второго транзистора N2 n-типа. Когда P2 закрыт, то нет никакого напряжения исток-сток для транзистора N3, и транзистор N3 оказывается открытым.
На Фиг. 5A показаны напряжения в схеме, когда входное возбуждающее напряжение велико (20 В), когда P1 включен, и P2 выключен. Это означает, что транзисторы N1-N3 имеют напряжение на затворе 20 В, и выходное напряжение понижается до заземления (0 В), как и узлы между N1 и N2 и между N2 и N3.
На Фиг. 5B показаны напряжения в схеме после того, как входное возбуждающее напряжение переключено на низкий уровень (0 В), и при этом N1 выключен, а выходное напряжение повышается до высокого уровня. Схема в целом функционирует как разомкнутая цепь, поскольку нет соединения с землей вследствие выключенного N1. В отсутствие повышающего резистора 50 и его подключений, выход будет плавающим.
В свою очередь, узел между N2 и N3 повышен до высокого уровня, что заставляет P1 отключиться и P2 включиться. Из симметрии, установившееся напряжение между N2 и N3 составит 40 В и установившееся напряжение между N2, и N1 составит 20 В, при том, что токи утечки через транзисторы от N1 до N3 все равны.
На Фиг. 6 показан пример схемы управления для нагревателя на 80 В. Понижающая схема содержит четыре последовательных транзистора от N1 до N4 n-типа, а схема 54 смещения управляет напряжением, подаваемым на транзисторы N3 и N4, и она включает в себя четыре транзистора P1 в P4 p-типа. Схема смещения содержит две схемы 52 смещения с Фиг. 5, расположенные одна над другой. И опять, или все транзисторы n-типа включены для перевода выхода на низкий уровень, или же нижний транзистор выключен, и падение напряжения разделяется на каждый транзистор n-типа.
На Фиг. 6A показаны напряжения в схеме, когда входное возбуждающее напряжение имеет высокий уровень (20 В), а на Фиг. 6B показаны напряжения в схеме после того, как входное возбуждающее напряжение переключено на низкий уровень (0 В).
При использовании этих схем для нагревания высокое напряжение падает на резисторе, и предполагается, что резистор может поддерживать высокое напряжение, что обычно и бывает. Однако для устройства с электроактивным полимером устройство имеет емкостную эквивалентную схему.
Подход тогда может состоять в том, чтобы использовать схему с Фиг. 7, в которой нагрузкой является актуатор ЭАП, который является теперь дополнением к повышающему уровень резистору.
Проблема схемы, такой как показанная на Фиг. 7, состоит в том, что имеется статическое потребление мощности, когда понижающая схема находится во включенном состоянии, то есть когда один или оба вывода актуатора ЭАП понижены до уровня 0 В. Также схема не имеет сохранения возбуждающего сигнала.
Проблема сохранения легко решается, как это показано на Фиг. 8.
Предусмотрен транзистор 80 адресации, который допускает напряжение данных Vdata, которое находится, например, на линии столбца для подачи на локальный запоминающий конденсатор 82. Затвор транзистора 80 адресации связан с линией 81 адресации, на которую выдается напряжение адресации Vaddr. Линия адресации - это, например, проводник строки.
Актуатор с электроактивным полимером может приводиться в действие напряжением между 80 В в этом примере и 0 В с низковольтной схемой адресации, где Vaddr (например, в пределах от 0 до 20 В) представляет собой стандартные сигналы адреса строки матричной решетки, и Vdata составляет также, например, в пределах от 0 до 20 В.
Проблема статического потребления мощности остается, и схема может только достигнуть двух уровней напряжения на устройстве с электроактивным полимером.
Изобретение предоставляет схемный подход, который решает одну или более из этих проблем, первый пример которого показан на Фиг. 9.
Схема содержит первую схему 90, как показано на Фиг. 8, и вторую схему 92, как показано на Фиг. 8, но совместно использующие общий повышающий уровень резистор 50, который соединяется с одним выводом актуатора с электроактивным полимером (задаваемым как первый вывод). Таким образом, полная схема имеет две линии 94, 96 адресации строк и две линии 98, 100 данных столбцов.
Выход первой схемы 90 подсоединен к одной стороне актуатора 36 с электроактивным полимером, а выход второй схемы 92 подсоединен к другой стороне актуатора 36 с электроактивным полимером. Таким образом, полная схема управления имеет доступ к обеим сторонам актуатора 36 с электроактивным полимером, и в результате оказывается возможным преодолеть проблему статического потребления мощности.
Посредством адресации сигналов Vaddr1,2 и Vdata1,2 низкого напряжения становится возможным возбуждение с двумя уровнями без статического потребления мощности.
Предоставляя Vdata1 и Vdata2 с высоким уровнем (когда соответствующие сигналы адреса строки подключены), обе стороны актуатора с электроактивным полимером будут связаны с землей. Напряжение Vdata2 может быть тогда приведено к низкому значению (пока Vaddr2 все еще подключено). На актуаторе с электроактивным полимером останется 0 В, но второй вывод будет плавающим, так чтобы ток не мог протекать через сам актуатор с электроактивным полимером.
Понижение напряжения Vdata1 в той же мере (пока Vaddr1 все еще подключено) не только остановит протекание тока через актуатор с электроактивным полимером, но также предотвратит потребление тока от главного источника питания. Актуатор с электроактивным полимером будет иметь уровень 0 В сохраненным, но ток не будет течь через актуатор с электроактивным полимером, и он будет плавающим вплоть до подачи высокого напряжения (на оба вывода).
Следует отметить, что только первая схема 90 требует переключения к состоянию с высоким импедансом для достижения высокого напряжения на актуаторе, тогда как обе схемы 90, 92 поддерживаются в состоянии высокого импеданса для низкого (то есть нулевого) напряжения, поддерживаемого на актуаторе. Поэтому, адресация с Vaddr1 и Vaddr2 для достижения высокого напряжения на актуаторе, Vdata1 должно начинаться с высокого уровня и переходить к низкому уровню в пределах периода адресации. Для низкого напряжения, и Vdata1, и Vdata2 начинаются с высокого уровня и переходят к низкому уровню в течение периода адресации.
Для адресации актуатора с электроактивным полимером высоким напряжением предоставляется измененная схема управления.
Установка Vdata1 на низкий уровень (так, чтобы схема 90 представляла собой разомкнутую цепь) и Vdata2 на высокий уровень (так, чтобы схема 92 заземлила свой вывод актуатора с электроактивным полимером), когда соответствующие сигналы адреса строки подключены, заставит выдать возбуждающее напряжение Vddout (например, 80 В) на актуатор с электроактивным полимером.
Эти напряжения могут тогда быть поддержаны, чтобы вызвать сохранение 80 В без протекания тока после того, как сигнал адресации перейдет на низкий уровень.
Схема 92 может быть тогда приведена в состояние разомкнутой цепи. Это предотвратит протекание тока через актуатор, поскольку один вывод является плавающим. Это опять же предотвращает статическое потребление мощности.
На Фиг. 10 показана модификация схемы с Фиг. 9, в которой каждая схема 90, 92 имеет свое собственное соответствующее повышающее уровень устройство 50, 100, так чтобы было одно повышающее уровень устройство, подсоединенное к каждому выводу актуатора 36 с электроактивным полимером.
Это позволяет получить трехуровневую схему возбуждения.
В качестве примера на устройство с электроактивным полимером могут быть выданы уровни напряжения 80 В, 0 В, и -80 В.
Поэтому эта конфигурация схемы может быть использована для предоставления возбуждающей схемы с инверсией высокого напряжения. Предварительно наблюдалось, что такое инверсионное возбуждение как улучшает амплитуду активации, так и уменьшает дрейф активации при длительном использовании.
Адресация может происходить следующим образом.
(i) Для приведения к +80 В
Напряжения Vaddr1,2 делаются высокими, Vdata1 имеет высокий уровень (схема 90 заземлена), и Vdata2 имеет низкий уровень (схема 92 - разомкнутая цепь). Актуатор с электроактивным полимером таким образом заряжается до 80 В (то есть вывод, соединенный со второй схемой 92 находится под более высоким напряжении, чем вывод, соединенный с первой схемой 90). Тогда Vaddr1,2 делается низким. Конденсаторы 82 поддерживают те же самые напряжения.
(ii), Для приведения к 0 В
Напряжения Vaddr1,2 делаются высокими. Напряжения Vdata1,2 изначально высоки, так чтобы обе схемы были заземлены. Они затем делаются низкого уровня, так чтобы оба вывода актуатора с электроактивным полимером были при том же самом напряжении, но не было бы статического потребления мощности, поскольку выводы актуатора с электроактивным полимером переходят к напряжению электропитания. Напряжения Vaddr1,2 затем переходят к низкому уровню.
Работа схем 90 и 92 синхронизирована по времени.
(ii), Для приведения к -80 В
Напряжения Vaddr1,2 делаются высокими. Напряжение Vdata1 имеет низкий уровень (схема 90 - разомкнутая цепь), и Vdata2 имеет высокий уровень (схема 92 заземлена). Актуатор с электроактивным полимером таким образом заряжается до -80 В (то есть, вывод, соединенный со второй схемой 92 находится под более низким напряжением, чем вывод, соединенный с первой схемой 90). Тогда Vaddr1,2 переходят к низкому уровню. Конденсаторы 82 поддерживают те же самые напряжения.
Если два напряжения питания, которые показаны как 80 В на Фиг. 10, изменяются до различных уровней (каждый 80 В или меньше), то могут быть получены различные наборы напряжений на актуаторе с электроактивным полимером, например, подачи 80 В и 60 В достигали бы на актуаторе с электроактивным полимером значений 80 В, 0 В и -60 В.
Описанный выше подход реализует ограниченное число уровней возбуждения. Однако промежуточные уровни активации могут быть получены применением схем широтно-импульсной модуляции (PWM). Подход PWM может, например, помочь для некоторых типов устройства, особенно для поддержания устойчивого состояния.
Вышеприведенные примеры используют последовательности разгрузочных транзисторов для получения возможности использовать транзисторы низкого напряжения. Другой подход состоит в использовании возбуждения с противоэлектродом.
На Фиг. 11 показана основная переключающая схема с активной матрицей, содержащая проводник 30 строки, проводник 32 столбца, транзистор 34 и актуатор 36 с электроактивным полимером. Один вывод актуатора с электроактивным полимером соединен с транзистором 34, а другой соединен с общим противоэлектродом 110, на который подается напряжение Vce противоэлектрода. Также может быть предусмотрен запоминающий конденсатор 38. Транзистор может быть тонкопленочным транзистором, и он может быть поликремниевым или из аморфного кремния.
Противоэлектрод 110 может быть общим для подмножества актуаторов с электроактивным полимером, например, для всех актуаторов с электроактивным полимером в строке адресации, или он может быть общим для всех актуаторов с электроактивным полимером в матрице. Традиционное приведение в действие такой схемы с активной матрицей ограничивает возбуждающее напряжение приблизительно до 40 В.
Способ возбуждения напряжением высокого уровня для активной матричной решетки может быть достигнут приведением в действие матрицы как от соединения с противоэлектродом, так и от драйвера данных. Таким образом, высокое возбуждающее напряжение может быть выдано на выбранные актуаторы с электроактивным полимером в матрице без введения высокого напряжения на приводной электрод. Это гарантирует, что транзистор 34 адресации не подвергается действию высоких напряжений, поскольку высокое напряжение присутствует только на противоэлектроде. В результате он не будет иметь утечки, в целом стареть или выходить из строя.
Противоэлектрод может быть установлен на другое (второе) ненулевое напряжение перед применением возбуждающих напряжений от драйвера данных. Таким образом, более высокое напряжение на актуаторе с электроактивным полимером может быть достигнуто с драйвером данных о напряжения.
В частности, напряжение активации равно возбуждающему напряжению, меньшему напряжения противоэлектрода. В этом случае выгодно, если актуатор с электроактивным полимером имеет пороговое напряжение, которое является по меньшей мере столь же высоким, как и второе напряжение противоэлектрода, чтобы избежать того, что все актуаторы с электроактивным полимером будут активированы. Варианты осуществления пороговых напряжений обсуждаются ниже.
В первом примере использования схемы с Фиг. 11 предполагается, что актуаторы с электроактивным полимером имеют пороговое напряжение 30 В и напряжение активации 60 В, что превышает нормальный диапазон адресации активной матрицы. Пороговое напряжение представляет собой уровень активации, ниже которого имеется сильно уменьшенная активация по сравнению с активацией выше порога. Высоковольтное возбуждение происходит следующим образом, предполагая актуатор с электроактивным полимером находящимся в начальном, неактивированном состоянии.
Все драйверы данных в матрице устанавливаются на опорное напряжение, например, 0 В.
В это время напряжение Vce противоэлектрода составляет 0 В. Все транзисторы 34 адресации тогда переводятся в состояние адресации (проводящее состояние), например, с их электродами затвора при 40 В. Это гарантирует, что напряжение на приводном электроде каждого актуатора с электроактивным полимером остается на уровне 0 В при подключении напряжений драйвера данных, имеющихся на проводниках 32 столбца.
Напряжение Vce (например, +60 В) противоэлектрода, подаваемое на все актуаторы с электроактивным полимером, переводится на общий противоэлектрод 110. Когда это напряжение приложено, ток течет в устройство для зарядки емкости, пока противоэлектрод не достигнет приложенного напряжения, и это 60 В на актуаторе с электроактивным полимером. В этот момент вследствие малой скорости отклика все актуаторы с электроактивным полимером находятся в том же самом физически неактивированном состоянии, пока заряд на актуаторах с электроактивным полимером совместим с активированным состоянием. В результате, все актуаторы с электроактивным полимером начнут активироваться, если они не деактивированы в фазе адресации.
В этой фазе адресации все транзисторы 34 адресации сначала переводятся в состояние без адресации (не проводящее), например, с их электродами затвора при -5V.
Данные затем подаются на одну линию решетки одновременно обычным образом (адресуясь к одной линии транзисторов адресации одновременно). В этом случае, данные активации будут 0 В, поскольку это затронет те актуаторы с электроактивным полимером, которые должны переключить положение для выполнения этого. Подавая 0 В на актуатор с электроактивным полимером, будет 60 В на актуаторе с электроактивным полимером. Напряжение данных 30 В вместо этого приведет к напряжению +30 В на устройстве, которое будет ниже порога, и актуатор с электроактивным полимером или не будет активироваться (если адресация выполняется немедленно), или возвратится к неактивированному состоянию (если имеется задержка перед адресацией).
Таким образом, все актуаторы с электроактивным полимером электрически приводятся в их активированное состояние. Это состояние или поддерживается после адресации, или оно полностью изменяется прежде, чем актуаторы имели время для физического отклика.
В этом примере, напряжения линии данных содержат первый уровень возбуждения, который составляет 0 В, и второй уровень возбуждения, который составляет 30 В.
Напряжения общего электрода содержат третий уровень возбуждения, который составляет 0 В, и четвертый уровень возбуждения, который составляет 60 В. Вообще, напряжение четвертого уровня возбуждения больше, чем напряжение второго уровня возбуждения.
Напряжение четвертого уровня возбуждения (60 В) - это максимальное возбуждающее напряжение, так что когда оно подается, актуатор электрически приводится в свое максимальное состояние активации (когда напряжение данных - нуль). Разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения (60 В - 30 В=30 В в этом примере) равно или меньше, чем пороговое напряжение, так, чтобы, когда напряжение данных устанавливается на втором уровне возбуждения (30 В) имеется отмена адресации.
Транзисторы адресации становятся проводящими в течение периода, когда напряжение противоэлектрода переключается, поскольку иначе напряжение на приводном электроде также переключится на напряжение противоэлектрода (поскольку ток не может течь), и транзистор адресации будет поврежден.
Напряжение общего электрода может остаться на высоком уровне. Для выключения устройства в целом, все линии данных могут быть приведены к 0 В для выключения транзисторов, и затем напряжение общего электрода может приведено к 0 В управляемым образом.
Во втором осуществлении предполагается, что актуаторы с электроактивным полимером имеют пороговое напряжение 60 В и напряжение активации 90 В, что превышает обычный диапазон адресации активной матрицы. Высоковольтное возбуждения происходит следующим образом, предполагая, что актуатор с электроактивным полимером находится в начальном, неактивированном состоянии.
Все драйверы данных в структуре устанавливаются на опорное напряжение, например, 0 В.
Напряжение Vce противоэлектрода составляет 0 В в это время. Все транзисторы адресации переводятся в состояние адресации (проводящее), например, с их электродами затвора на 40 В. Это гарантирует, что напряжение на приводном электроде остается на уровне 0 В.
Напряжение Vce противоэлектрода (-60 В), подаваемое на все актуаторы с электроактивным полимером переводится на общий противоэлектрод. Когда это напряжение подано, ток течет в устройство для повышения заряда емкости устройства, пока противоэлектрод не достигнет приложенного напряжения (то есть, 60 В на актуаторе с электроактивным полимером). В этот момент, все актуаторы с электроактивным полимером находятся в том же самом состоянии (то есть, не активированном) с зарядом на актуаторах с электроактивным полимером, что является совместимым с этим состоянием активации.
Все транзисторы адресации тогда переводятся в состояние без адресации (не проводящее), например, с их электродами затвора при -5V.
Данные подаются на одну линию матрицы одновременно обычным образом (адресацией к одной линии транзисторов адресации одновременно). В этом случае, данные активации будут 30 В, поскольку это затронет те актуаторы с электроактивным полимером, которые должны переключить положение, чтобы сделать так (90 В на устройстве). Напряжение данных 0 В приведет к напряжению 60 В на устройстве, которое будет ниже порога, и устройство не будет активироваться.
Этот способ отличается от первого тем, что начальный перевод приводит к неактивированному состоянию, и адресация строка за строкой должна переключить актуаторы с электроактивным полимером в адресованное состояние.
В этом примере напряжения линии данных содержат первый уровень возбуждения, который составляет 0 В и второй уровень возбуждения, который составляет 30 В.
Напряжение четвертого уровня возбуждения (-60 В) - это отрицательное напряжение величиной равной или меньшей, чем пороговое напряжение (60 В в этом примере), и напряжение второго уровня управления - это положительное напряжение (30 В в этом примере), так что разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения равна максимальному возбуждающему напряжению (30 В - - 60 В=90 В). Один четвертый уровень возбуждения не достаточен для активации актуатора.
Транзисторы адресации снова проводят в течение периода, когда напряжение противоэлектрода переключается, поскольку иначе напряжение на приводном электроде также переключится на напряжение противоэлектрода (поскольку ток не может протекать), и транзистор адресации будет поврежден.
Работа схемы заключается в передаче данных о напряжения на приводной электрод актуатора с электроактивным полимером только, когда затвор выбранного TFT адресован, заставляя TFT стать проводящим. После того как адресация завершена, TFT становится не проводящим, и напряжение поддерживается на устройстве, пока оно или не утечет, или пока устройство не будет адресовано снова. Таким образом, схема работает как схема выборка-сохранение, в соответствии с чем (необязательный) запоминающий конденсатор способствует поддержанию напряжения, приложенного к устройству.
После адресации устройство деформируется к новому состоянию активации в зависимости от возбуждающего напряжения (Vdr), которое присутствует между электродом данных и опорным электродом. Активация может протекать значительно дольше, чем период адресации, который обычно бывает намного меньше чем 1 мс. Различные уровни активации могут быть реализованы подачей различных возбуждающих напряжений.
Как будет ясно из вышеприведенного описания, некоторые конструкции могут использовать пороговое поведение устройства. Актуатор с электроактивным полимером не обязательно имеет пороговое поведение. Некоторые пути создания структуры с требуемой пороговой характеристикой рассматриваются ниже.
Порог может быть создан искусственно, избегая нежелательных эффектов активации до этого порога, используя или механические эффекты, или электрические (возбуждающий сигнал) эффекты, или их комбинации.
Механические пороговые эффекты могут, например, быть осуществлены, используя геометрию, механическую фиксацию, или поверхностную «клейкость». Электрические пороговые эффекты могут, например, быть осуществлены, используя электростатическое притяжение или ситуацию электрического пробоя. Комбинация этих эффектов может также использоваться для эффективного осуществления порога напряжения.
Этот порог может рассматриваться как задержка, при которой физическая активация запаздывает, пока не будет достигнут определенный уровень возбуждения.
На Фиг. 12 показан первый пример, основанный на геометрическом эффекте, используя механическую структуру для осуществления задержки.
Устройство содержит слой 120 электроактивного полимера в пределах камеры 122. Камера имеет крышку 124, подвешенную над слоем 120 электроактивного полимера. Крышка помещена на оправе, что означает ее подвес над слоем ЭАП. Возбуждение слоя электроактивного полимера с первым диапазоном подводимых возбуждающих сигналов поднимает его к крышке. После того, как установлен контакт (при максимальном возбуждающем сигнале в пределах первого диапазона), дальнейшая активация заставляет крышку подниматься, как показано на нижнем изображении. Таким образом, имеется диапазон входных возбуждающих сигналов, которые вызывают перемещение электроактивного полимерного слоя только в пределах промежутка ниже крышки. Когда максимальный возбуждающий сигнал в этом диапазоне достигнут, то установлен контакт. Это соответствует пороговому напряжению всего устройства. Выше этого возбуждающего сигнала дополнительное возбуждение во втором диапазоне обеспечивает прогрессирующий подъем крышки, что соответствует механическому выходу устройства.
Таким образом, частично активируемый элемент не будет перемещать крышку, но полностью активированный актуатор даст смещение, хотя проигрышем является ограниченное полное смещение активируемой поверхности.
T
Как показано на Фиг. 13, эффект задержки должен понизить кривую смещения так, чтобы не было никакого смещения, пока порог V не будет достигнут. Это имеет эффект понижения максимального смещения.
Актуатор может обеспечить большее смещение, если он зафиксирован, используя систему удержания, например, систему зажима для создания порогового напряжения для активации. Это пороговое напряжение тогда соответствует необходимой силе для преодоления функции удержания.
На Фиг. 14 показан пример, имеющий удерживающий механизм 140 в форме крюков с зажимом, которые крышка 124 должна пройти перед перемещением. Крюки с зажимом требуют, чтобы пороговая сила была приложена к крышке прежде, чем она может пройти крюки. Показаны соответствующее смещение относительно характеристики напряжения (график 142), а также сила относительно характеристики напряжения (график 144).
После защелкивания зажима актуатор продолжит увеличивать свое смещение с большим прикладываемым напряжением. Когда напряжение удалено, система возвращается к своему начальному плоскому состоянию. Крюки с зажимом могут позволить свободное прохождение в нисходящем направлении крышки, или же устройство может требовать возврата дополнительной приложенной силой.
В дополнительном механическом варианте осуществления пороговое напряжение может быть вызвано добавлением заданной «липкости» между электроактивной полимерной структурой (то есть полимерный слой и его собственная подложка) и опорной структурой. Липкость может быть преодолена только увеличением напряжения на слое электроактивного полимера, пока его сила не преодолеет липкость системы.
Липкость может быть осуществлена посредством
химической модификации поверхностей (применение подобного клею свойства),
введением текучей среды между поверхностями (используя капиллярные силы),
механической/топологической модификацией поверхности, например, подобная «Velcro» структура.
Вышеприведенные примеры используют механизм задержки, основанный на механической структуре, которая, например, задает выход устройства. Альтернатива основана на электростатическом эффекте, как показано на Фиг. 15.
Актуатор имеет дополнительный электрод 150 на поверхности ниже структуры электроактивного полимера. Электростатическое притяжение между одним электродом слоя 120 электроактивного полимера и дополнительным электродом 150 на поверхности создает ограничительную силу, которая ограничивает изгиб.
Если электростатическая сила будет преодолена изгибной силой, то актуатор изогнется. Это значительно уменьшает электростатическую силу, поскольку сила является функцией промежутка между электродами (d) в квадрате. Любой изгиб увеличит d, и электростатическая сила уменьшится, приводя к дополнительному изгибу и, следовательно, большему сокращению F_electrostatic, и порог преодолевается.
График показывает соответствующее смещение относительно характеристики напряжения (график 152), силу относительно характеристики напряжения (график 154), и электростатическая сила относительно характеристики напряжения (график 156).
Преимущество этой системы состоит в том, что электростатическая сила является почти мгновенной, а сила слоя электроактивного полимера имеет медленный отклик, что является благоприятным для сохранения актуатора как жестко зафиксированного при более низких напряжениях. Динамический эффект может быть реализован, эксплуатируя различие емкости между слоем электроактивного полимера и подложкой. В этой конфигурации электростатическая сила будет работать для ограничения устройства ЭАП, как только приложено напряжение. Однако актуатор с электроактивным полимером будет медленно развиваться до своей максимальной силы от этапа ввода напряжения. Это может вызвать задержанный пороговый эффект. Таким образом, на этапе подачи напряжения электростатическая сила сначала удерживает устройство, пока сила активации не преодолеет порог электростатической силы и не возникнет для получения смещения.
Таким образом, пороговое значение частично определяется геометрией актуатора и частично скоростью активации.
Другое возможное осуществление механизма задержки для обеспечения порога содержит электрический компонент, который осуществляет пороговое напряжение или напряжение переключения для управления приложением подводимого возбуждающего сигнала к слою электроактивного полимера.
На Фиг. 16 показан пример, в котором слой 120 электроактивного полимера электрически последовательно соединен с электрическим пороговым или переключающим элементом 160, показанным как DIAC (диодный AC переключатель). Могут быть использованы другие пороговые элементы, такие как диод Шокли, кремниевый управляемый выпрямитель или другой тиристор. Этот элемент может быть частью электроактивной полимерной структуры, например, как органические полупроводниковые слои (в p-n-p-n последовательности) как часть пакета подложек. Альтернативно, для больших актуаторов в решетке элемент может быть поверхностно смонтированным компонентом устройства, последовательно соединенным с каждым актуатором.
Для прикладываемого напряжения ниже переключающего или порогового напряжения нет никакой вынужденной деформации, поскольку падение напряжения возникает на переключающем или пороговом элементе. Для большего приложенного напряжения слой электроактивного полимера будет деформироваться.
Другое возможное осуществление механизма задержки содержит вторую структуру электроактивного полимера, причем вторая структура электроактивного полимера содержит электрод для приема подводимого возбуждающего сигнала на устройство, причем при деформации второй структуры электроактивного полимера на заданную величину, подведенный возбуждающий сигнал связан с (главной) структурой электроактивного полимера.
На Фиг. 17 показан пример. Полное устройство содержит главный актуатор 170 и вспомогательный актуатор 172. Вспомогательный актуатор меньше, чем главный актуатор, и он задает часть управления, которая является не несущим нагрузку устройством.
Использование двух последовательных актуаторов дает возможность осуществить порог. Вспомогательный актуатор действует как механический переключатель, тогда как главный актуатор - это функциональный актуатор. Когда напряжение ниже порогового напряжения, переключатель выключен, как показано, для напряжений V=0 и V=V1 на Фиг. 17A и 17B.
При пороговом напряжении и выше порогового напряжения, например, V=V2, как показано на Фиг. 17C, переключатель включается и функциональный актуатор сразу же полностью запитывается этим напряжением.
Контакт между двумя актуаторами обеспечивает контакт их возбуждающих электродов, та, чтобы вспомогательный актуатор задержал приложение возбуждающего напряжения на главный актуатор.
На Фиг. 18 показана функции смещения для главного актуатора, и можно видеть, что имеется резкий обрыв функции смещения.
Последовательное упорядочение может быть выполнено несколькими различными путями с различными конфигурациями актуатора и конфигурациями актуатора переключения. Контакт может быть установлен электродом структуры электроактивного полимера или дополнительной контактной площадкой, сделанной на задней стороне подложки, в зависимости от геометрии актуатора.
Как упомянуто выше, другой вариант осуществления функции задержки заключается в введении свойства липкости.
На Фиг. 19 показано воплощение, в котором расширение слоя 120 электроактивного полимера ограничено плоскостью.
Эта конструкция может быть основана на свободно установленном устройстве (как на Фиг. 1). Например, два слоя могут быть установлены на одной стороне, и в другом случае могут быть свободными, для расширения во всех направлениях.
Слой предусмотрен вплотную к подложке 192 и имеется фрикционное сопротивление между ними, которое препятствует относительному скользящему движению, пока фрикционная сила не будет преодолена.
Таким образом, трение действует как механизм задержки и определяет порог.
Для приведения в действие устройства так, чтобы преодолеть трение, может быть использована схема управления переменным током. Например, контроллер 194 используется для подачи высокочастотного волнового сигнала переменного тока, добавляемого к возбуждающему сигналу постоянного тока для получения возможности относительного скольжения, когда актуатор движется от одного положения до следующего положения. Следующее положение может быть также поддержано удалением приложенного напряжения вследствие трения, так, чтобы был получен бистабильный эффект.
Как показано на временном профиле напряжения на Фиг. 19, приведение в действие устройства начинается с напряжения переменного тока и только с малым смещением постоянного тока. Электроактивные полимеры активируются симметрично для положительных и отрицательных напряжений, так что возникают колебания относительно не активированного состояния. Это приведет к снижению трения и подготовит слой электроактивного полимера к плавному движению активации, которое возникает, как только возбуждающее напряжение увеличивается.
Слой электроактивного полимера тогда продолжает деформироваться в течение следующего периода времени, изображенного на графике, где есть активные колебания в течение деформации (вызванные компонентом переменного тока, добавленным на повышающийся уровень напряжения постоянного тока).
Наконец, после короткого периода, когда сигнал переменного тока накладывается на практически постоянный уровень постоянного тока, чтобы сделать возможной какую-либо задержку движения слоя электроактивного полимера при достижении его конечного состояния, напряжение удаляется, что, если остаточное трение достаточно, приведет ко второму сохраняемому стационарному состоянию. Впоследствии устройство может быть восстановлено подачей только малого сигнала переменного тока для преодоления трения и возвращения устройства назад к его исходному состоянию. Следовательно, устройство имеет множественные произвольные устойчивые состояния с возможностью восстановления. В этом варианте реализации, может быть преимущественным уменьшать амплитуду сигнала переменного тока медленно для представления возможности устройству перейти в его самое устойчивое (наибольшее трение) состояние.
Описанные выше различные примеры по существу предусматривают устройство актуатора, которое имеет пороговую функцию.
Рассмотренные выше схемы основаны на использовании транзисторов. Хотя свойства MOSFET аморфных кремниевых TFT позволяют приведение устройств в действие как высокими напряжениями, так и низкими напряжениями при том же самом переключении TFT, имеются и другие активные элементы с меньшей стоимостью - это диоды, где дело обстоит не так.
В принципе, можно обращаться к устройству ЭАП через последовательность диодов в точке пересечения строк и столбцов. Однако, поскольку диод проводит только в одном направлении, сокращение состояния активации каждого устройства зависит от функции саморазрядки устройства ЭАП. Это может привести к нежелательной длительной работе пикселей матрицы.
На Фиг. 20 показан переключающий узел, который использует диоды. Первый диод 200 находится между первой линией 202 адресации и первым выводом актуатора 36 с электроактивным полимером, а второй диод 204 - между первым выводом актуатора с электроактивным полимером и второй линией 206 адресации. Диоды, таким образом, включены последовательно между двумя линиями 202, 206 адресации с той же самой полярностью. Второй вывод актуатора с электроактивным полимером соединен с линией 208 выбора. Первая и вторая линии адресации содержат проводники столбцов, и линия выбора содержит проводник строк.
Таким образом, имеется первый диод между первой линией адресации и первым выводом актуатора с электроактивным полимером и второй диод между первым выводом актуатора с электроактивным полимером и второй линией адресации, причем второй вывод актуатора с электроактивным полимером соединен с линией выбора. Это устройство использует два диода; один для адресации и другой для де-адресации.
Первый диод 200 - это диод адресации для зарядки актуатора с электроактивным полимером от первой линии адресации, и второй диод 204 - это диод де-адресации для разрядки актуатора с электроактивным полимером на вторую линию адресации (то есть приводит его к меньшим напряжениям).
Для ограничения времени работы, как может требоваться в зависимости от требований приложений, эта схема предоставляет активную деактивацию или де-адресацию актуатора с электроактивным полимером. Это позволяет быструю разрядку актуатора с электроактивным полимером (и если имеется, то его сохраняющий конденсатор).
Схема адресации расширена соответствующей схемой де-адресации, как объяснено в связи с Фиг. 21, на которой показана 4×4 матрица.
В каждой точке пересечения предусмотрена схема с Фиг. 20. Теперь имеется два проводника 202, 206 столбцов для каждого столбца актуаторов, так что имеется 2m столбцов и n строк.
В течение каждого цикла строки адресуются в свою очередь. Когда одна строка адресуется, актуаторы с электроактивным полимером в строке или адресуются, или активно де-адресуются.
На Фиг. 21 показаны две части цикла адресации, в котором выбрана первая строка.
На Фиг. 21A показаны все актуаторы с электроактивным полимером в первой активируемой строке.
В течение адресации вторые проводники 206 столбцов поддерживаются на высоком уровне (Vh), так чтобы актуаторы не могли разрядиться. Первые проводники 202 столбцов из выбранных столбцов также переведены на высокий уровень (Vh) для зарядки актуаторов с электроактивным полимером в этих столбцах. В примере на Фиг. 21A все четыре актуатора адресованы.
В течение де-адресации, как показано на Фиг. 21B, первые столбцы 202 данных поддерживаются на низком уровне (Vl), так чтобы в комбинации с напряжением линии адресации первый диод 200 был непроводящим. Вторые диоды 204 из выбранных столбцов проводят в результате низкого напряжения разрядки (Vd), приложенного к выбранным вторым проводникам 206 столбцов. Другие вторые проводники столбцов имеют высокое приложенное напряжение (Vh), так, чтобы диоды 204 не проводили.
Проводник строк для выбранной строки имеет приложенное напряжение (Vsel) выбора, и все другие строки имеют приложенное напряжение (Vns) без выбора. Как будет объяснено ниже, другое напряжение без выбора используется в течение стадий зарядки и разрядки. Только если строка де-адресации активизирована И соответствующий второй столбец 206 данных переключается на напряжение деактивации (Vd), актуатор в точке пересечения будет деактивирован (разряжен). Одного только низкого напряжения Vd не достаточно для прямого смещения диода 204, когда низкое напряжение Vns без выбора приложено к проводнику строк.
Операции адресации и де-адресации последовательны. Они не могут осуществляться в одно и то же время, поскольку это привело бы к короткому замыканию между проводниками двух столбцов.
В качестве примера, для напряжения активации 200 В, возможны следующие уровни напряжения: Vh=100 В, Vl=-100 В, Vd=-100 В и Vns=+100 В или -100 В в зависимости от стадии последовательности управления.
Одна возможная последовательность управления:
1. Зарядка
Линия 208 адресации для адресуемой строки приводится к Vsel =-100 В
Линии 202 данных приводятся к Vh=100 В, и линии 206 данных приводятся к Vh=100 В. Актуаторы в строке заряжаются до 200 В. Линии адресации для невыбранных строк находятся при Vns=100 В.
2. Разрядка
Линии 208 адресации для невыбранных строк приводятся к Vns=-100 В.
Линии 202 данных приводятся к Vl=-100 В. Таким образом, все диоды 200 являются непроводящими или с 0 В на них, или с обратным смещением 200 В.
Линии 206 данных для разряжаемых актуаторов приводятся к Vd=-100 В. Актуаторы в этих строках затем разряжаются через диоды 204. Ни один из других актуаторов не затрагивается.
На Фиг. 22 показан другой пример, в котором переключающий узел содержит MIM (металл-изолятор-металл) диод 220 последовательно с актуатором 36 с электроактивным полимером между единственным проводником 32 столбцов и проводником 30 строк. Диод MIM имеет диодные характеристики в обоих направлениях проводимости с диапазоном блокирования при более низких напряжениях.
На Фиг. 23 показан другой пример переключающего узла, который содержит последовательные первый и второй транзисторы 230, 232 между линией 234 данных и первым выводом актуатора 36 с электроактивным полимером, причем первый транзистор 230 переключается первой линией 32 адресации столбцов, и второй транзистор переключается второй ортогональной линией 30 адресации строк. Второй вывод актуатора 36 с электроактивным полимером соединяется с опорным потенциалом Vref. Запоминающий конденсатор 38 опять же показан как параллельный с актуатором с электроактивным полимером. Переключающий узел, таким образом, содержит последовательные первый и второй транзисторы между линией данных и первым выводом актуатора с электроактивным полимером. Использование двух транзисторов позволяет осуществить схему автоматической регенерации. Это позволяет поддерживать состояние активации без переадресации матрицы с данными.
Узел драйвера используется для подачи первого и второго уровней возбуждения на первую и вторую линии адресации, и для подачи данных на линию данных.
Для адресации актуатора с электроактивным полимером к обоим транзисторам необходимо адресоваться одновременно. Такая схема допускает автоматическую схему регенерации как, например, осуществлено в устройствах оперативной памяти (RAM).
Во всех вышеприведенных примерах драйвер может подавать сигнал данных в форме сигнала двух уровней (0 В и Vdr). Это позволяет иметь наименьшую стоимость ИС драйвера, как упомянуто выше. Однако в альтернативных вариантах реализации может быть предпочтительным также частично активировать актуаторы. Для получения такой возможности может быть использован драйвер данных с множественными данными щ напряжении вплоть до Vdr, или в другом случае может быть использована схема управления PWM.
Во всех этих схемах активной матричной адресации может быть желательной адресация к нескольким строкам актуаторов с электроактивным полимером одновременно, в соответствии с чем, адресация будет проходить еще быстрее. Это достигается подачей напряжения адресации более чем на одну строку актуаторов с электроактивным полимером в одно и то же время.
Как также упомянуто выше, может оказаться предпочтительным инвертировать полярность напряжения на актуаторах с электроактивным полимером с равными временными интервалами, в соответствии с чем рабочие параметры устройства будут ухудшаться меньше, чем если бы инверсия не использовалась. Это может быть достигнуто, например, изменением напряжения на опорном электроде в дополнительном цикле адресации и соответственной адаптацией возбуждающих напряжений.
Электродный узел может содержать электроды на противоположных сторонах слоя электроактивного полимера, как показано выше, для возбуждаемого полем устройства. Они обеспечивают поперечное электрическое поле для управления толщиной слоя ЭАП. Это в свою очередь вызывает расширение или сжатие слоя ЭАП в плоскости слоя.
Электродный узел может вместо этого содержать пару гребенчатых электродов на одной стороне слоя электроактивного полимера. Это обеспечивает электрическое поле в плоскости для непосредственного управления размерами слоя в плоскости.
Материалы, подходящие для слоя ЭАП, известны. Электроактивные полимеры включают в себя, но без ограничения, подклассы: пьезоэлектрические полимеры, электромеханические полимеры, релаксорные сегнетоэлектрические полимеры, электрострикционные полимеры, диэлектрические эластомеры, жидкокристаллические эластомеры, сопряженные полимеры, композиты ионный полимер-металл, ионные гели и полимерные гели.
Подкласс электрострикционных полимеров включает в себя, но без ограничения:
Поливинилиденфторид (PVDF), Поливинилиденфторид-трифторэтилен (PVDF-TrFE), Поливинилиденфторид-трифторэтилен-хлорфторэтилен (PVDF-TrFE-CFE), Поливинилиденфторид-трифторэтилен-хлортрифторэтилен) (PVDF-TrFE-CTFE), Поливинилиденфторид-гексафторэтилен (PVDF-HFP), полиуретаны или их смеси.
Подкласс диэлектрических эластомеров включает в себя, но без ограничения:
акрилаты, полиуретаны, силиконы.
Подкласс сопряженных полимеров включает в себя, но без ограничения:
полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен, поли (p-фенилен сульфид), полианилины.
Дополнительные пассивные слои могут быть предусмотрены для влияния на характеристики слоя ЭАП в ответ на приложенное электрическое поле.
Слой ЭАП может быть расположен между электродами. Электроды могут быть растяжимыми, так чтобы они следовали за деформацией слоя материала ЭАП. Материалы, подходящие для электродов, также известны и могут, например, быть выбраны из группы, состоящей из тонких металлических пленок, например, золота, меди, или алюминиевых или органических проводников, например, газовой сажи, углеродных нанотрубок, графена, полианилина (PANI), поли(3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофена) поли(стиролсульфоната) (PEDOT:PSS). Металлизированные пленки полиэстера также могут быть использованы, например, металлизированный терефталат полиэтилена (PET), например, с использованием алюминиевого покрытия.
Материалы для различных слоев выбираются, например, с учетом упругих модулей (модули Юнга) различных слоев.
Для адаптации электрических или механических характеристик устройства могут быть использованы слои, дополнительные к рассмотренным выше, например, дополнительные полимерные слои.
Устройства ЭАП могут быть устройствами, приводимыми в действие электрическим полем или ионными устройствами. Ионные устройства могут быть основанными на композитах ионный полимер-металл (IPMC) или сопряженными полимерами. Композит ионный полимер-металл (IPMC) - это синтетический композитный наноматериал, который отображает поведение искусственной мышцы под приложенным напряжением или электрическим полем.
IPMC составлены из ионного полимера, такого как Nafion или Flemion, поверхности которого покрыты химическим методом или физически покрыты проводниками, например, платиной или золотом, или электродами на основе углерода. Под приложенным напряжением, миграция и перераспределение ионов вследствие приложенного напряжения к полосе IPMC приводят к изгибной деформации. Полимер - это набухающая при растворении ионообменная полимерная мембрана. Поле обуславливает перемещение катионов в сторону катода вместе с водой. Это приводит к перестройке гидрофильных кластеров и к расширению полимера. Деформация в области катода приводит к механическому напряжению в остатке полимерной матрицы, приводя к изгибу к аноду. Изменение приложенного напряжения на обратное инвертирует изгиб.
Если металлизированные электроды размещены в несимметричной конфигурации, наложенное напряжение может вызвать все виды деформаций, такие как скручивание, вращение, кручение, поворот, и несимметричная изгибная деформация.
Устройство может быть использовано в качестве единичного актуаторв, или, в другом случае, может быть линия или решетка устройств, например, для предоставления управления 2D или 3D контуром.
Изобретение может быть применено во многих приложениях ЭАП, включая примеры, когда представляет интерес пассивная матричная решетка актуаторов.
Во многих приложениях главная функция продукта связана с (локальной) манипуляцией человеческой ткани или активацией границ раздела, входящих в контакт с тканями. В таких приложениях ЭАП актуаторы предоставляют уникальные преимущества, главным образом, вследствие малого форм-фактора, гибкости и высокой плотности энергии. Следовательно, ЭАП может быть легко интегрирован в программном обеспечении, 3D-форме и/или в миниатюрных продуктах и интерфейсах. Примеры таких приложений, это:
Косметические обработки кожи, например, устройства активации кожи в форме кожных пластырей на основе ЭАП, которые используют постоянное или циклическое растяжение кожи для увеличения натяжения кожи или уменьшения морщин;
Дыхательные устройства с переходной маской пациента, которая имеет активную подушку или уплотнение на основе ЭАП для предоставления переменного нормального давления для кожи, что уменьшает или предотвращает лицевые красные метки;
Электрические бритвы с адаптивной головкой для бритья. Высота поверхностей, входящих в контакт с кожей, может быть откорректирована с использованием актуаторов ЭАП, влияя на баланс между близостью и раздражением;
Устройства ротовой очистки, такие как воздушный флосс с динамическим распылительным актуатором для улучшения досягаемости распыления, особенно в пространстве между зубами. Альтернативно, зубные щетки могут быть снабжены активируемыми ворсинами;
Устройства бытовой электроники или сенсорные экраны, которые предоставляют локальную тактильную обратную связь через решетку преобразователей ЭАП, которая интегрирована в пользовательский интерфейс или находится вблизи пользовательского интерфейса;
Катетеры с управляемым наконечником для предоставления возможности простой навигации в извилистых кровеносных сосудах.
Другая категория соответствующего применения, которая имеет преимущество от использования актуаторов ЭАП, относится к модификации света. Оптические элементы, такие как линзы, отражательные поверхности, дифракционные решетки и т.д., могут быть сделаны адаптивными посредством адаптации формы или положения, используя актуаторы ЭАП. Здесь преимущество актуаторов ЭАП заключается, например, в меньшей потребляемой мощности.
Другие вариации раскрытых вариантов реализации могут быть поняты и произведены специалистами в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения из изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы. В формуле, выражение «содержащий» не исключает других элементов или этапов, и выражение в единственном числе не исключает множества. Тот факт, что определенные положения приведены во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы, не означает, что комбинация этих положений не может быть использована для получения преимуществ. Никакие ссылочные обозначения в пунктах формулы не должны рассматриваться как ограничение объема притязаний изобретения.