Актуаторное устройство на основе электроактивного полимера

Использование: для создания устройства на основе электроактивного полимера. Сущность изобретения заключается в том, что актуаторное устройство содержит решетку с активной матрицей, содержащую множество рядов и столбцов актуаторов на основе электроактивного полимера, набор линий данных и набор адресных линий, соответствующее коммутирующее устройство, ассоциированное с каждым актуатором на основе электроактивного полимера, при этом коммутирующее устройство содержит вход, который соединен с соответствующей линией данных, затвор, который соединен с соответствующей адресной линией, и выход, который соединен с первым выводом ассоциированного актуатора на основе электроактивного полимера, при этом второй вывод каждого актуатора на основе электроактивного полимера соединен с линией управления; и драйвер для подачи сигналов возбуждения, которые содержат по меньшей мере первый и второй уровни возбуждения для приложения на линии данных и третий и четвертый уровни возбуждения для приложения на линию управления. Технический результат: обеспечение возможности использования относительно низковольтных коммутирующих приборов для приведения в действие относительно высоковольтных актуаторов на основе электроактивного полимера. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 23 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Это изобретение относится к актуаторным устройствам, в которых используются электроактивные полимеры.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Среди электрически чувствительных материалов электроактивные полимеры (ЭАП) относятся к перспективному классу материалов. Электроактивные полимеры могут действовать как датчики или актуаторы, которые можно легко изготавливать в различных конфигурациях, что позволяет без труда встраивать их в большое количество разнообразных систем.

В течение последних десяти лет разработаны материалы со значительно улучшенными характеристиками, такими как механическое напряжение и деформация при приведении в действие. Технологические риски при создании изделий снижены до приемлемых уровней, так что электроактивные полимеры становятся предметом повышенного коммерческого и технического интереса. Преимущества электроактивных полимеров включают в себя низкую потребляемую мощность, небольшой форм-фактор, гибкость, бесшумную работу, точность, возможность получения высокого разрешения, высокое быстродействие и циклическое приведение в действие.

Улучшенные характеристики и конкретные преимущества электроактивного полимерного материала приводят к использованию в новых областях применения.

Устройство на основе электроактивного полимера можно использовать в любой области применения, в которой желательно осуществлять небольшое перемещение компонента или элемента на основании электрического приведения в действие. Аналогично этому, технологию можно использовать для обнаружения небольших перемещений.

Использование электроактивных полимеров позволяет получать функции, которые были невозможны раньше, или обеспечивает большое преимущество по сравнению с обычными решениями датчиков/актуаторов вследствие сочетания относительно большой деформации и силы в меньшем объеме или в небольшом форм-факторе по сравнению с обычными актуаторами. Кроме того, для электроактивных полимеров характерны бесшумная работа, точное электронное управление, быстрый отклик и большой диапазон возможных частот приведения в действие, такой как 0-20 кГц.

Устройства, использующие электроактивные полимеры, можно подразделить на устройства с возбуждаемыми полем и возбуждаемыми ионами материалами.

Примерами возбуждаемых полем электроактивных полимеров являются диэлектрические эластомеры, электрострикционные полимеры (такие как релаксорные полимеры или полиуретаны на основе поливинилиденфторида) и жидкокристаллические эластомеры (LCE).

Примерами возбуждаемых ионами электроактивных полимеров являются сопряженные полимеры, углеродные нанотрубки (CNT), полимерные композиционные материалы и композиционные материалы на основе ионного полимера и металла (IPCM).

Возбуждаемые полем электроактивные полимеры приводятся в действие электрическим полем с помощью непосредственной электромеханической связи, тогда как механизм приведения в действие ионных электроактивных полимеров включает в себя диффузию ионов. Оба класса имеют многочисленные родственные элементы, при этом каждый имеет свои собственные преимущества и недостатки.

На фиг. 1 и 2 показаны два возможных рабочих режима устройства на основе электроактивного полимера.

Устройство содержит слой 14 электроактивного полимера, заключенный между электродами 10, 12 на противоположных сторонах слоя 14 электроактивного полимера.

На фиг. 1 показано устройство, которое не зажато. Как показано, для побуждения слоя электроактивного полимера к расширению по всем направлениям используется напряжение.

На фиг. 2 показано устройство, которое спроектировано так, что расширение происходит только в одном направлении. Устройство поддерживается несущим слоем 16. Для побуждения слоя электроактивного полимера к искривлению или выгибанию используется напряжение.

Например, характер этого перемещения является результатом взаимодействия между активным слоем, который расширяется при приведении в действие, и пассивным несущим слоем. Для получения показанной асимметричной кривизны вокруг оси, как показано, можно, например, придать ориентацию молекулам (создать растяжение пленки), вызывающую перемещение в одном направлении.

Расширение в одном направлении может быть следствием асимметрии в электроактивном полимере или может быть следствием асимметрии в свойствах несущего слоя, или комбинации обеих.

При некоторых применениях может быть полезной решетка актуаторов, например, в системах позиционирования и для поверхностей с управляемой топологией. Однако, когда возбуждающие напряжения актуаторов являются достаточно высокими, индивидуальное возбуждение каждого актуатора его собственной интегральной схемой возбудителя быстро становится дорогостоящим.

Решетка с пассивной матрицей является простой реализацией системы возбуждения решетки, использующей только соединения рядов (n рядов) и столбцов (m столбцов). Поскольку для адресации до (n×m) актуаторов требуются только (n+m) возбудителей, это наиболее экономически эффективный способ реализации и, кроме того, сокращает расходы и пространство для дополнительных проводников.

В идеальном случае в устройстве с пассивной матрицей каждый отдельный актуатор должен возбуждаться до своего максимального напряжения без влияния на соседние актуаторы. Однако в решетках традиционных актуаторов на основе электроактивного полимера (без какой-либо характеристики порогового напряжения) будут присутствовать наводки на соседние актуаторы. Когда для приведения в действие одного актуатора прикладывается напряжение, актуаторы вокруг также подвергаются воздействию напряжения и будут частично приводиться в действие, что является нежелательным эффектом при многих применениях.

Эта ситуация описана, например, в патенте США №8552846, в котором раскрыто возбуждение пассивной матрицы электроактивных полимеров без порогового напряжения или бистабильности. В раскрытом способе достигается наилучшее отношение 3:1 контраста приведения в действие (т.е. не приведенные в действие актуаторы показывают 33% максимального приведения в действие). Это дает отношение 9:1 контраста для уровня давления, поскольку приложенное давление масштабируется в соответствии с V². Кроме того, этот способ работает также только при 2-х уровневом возбуждении.

Следовательно, при использовании схемы адресации пассивной матрицы непросто индивидуально адресовать каждый актуатор независимо от других.

Использование активной матрицы при адресации решеток актуаторов на основе электроактивного полимера рассматривалось, например, для областей применения, связанных с системой чтения и письма для слепых. Подход с активной матрицей включает в себя обеспечение коммутирующего устройства для каждого актуатора на основе электроактивного полимера на пересечении проводника ряда и проводника столбца. Таким образом, при необходимости каждый актуатор в такой решетке может быть приведен в действие индивидуально. Наличие схемы адресации активной матрицы означает, что можно иметь любой случайный рисунок актуаторов в решетке, приводимых в действие одновременно.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблема является результатом того, что коммутирующий прибор, например, транзистор, должен выдерживать высокие напряжения приведения в действие, необходимые для возбуждения актуаторов на основе электроактивного полимера. Многие конструкции на основе электроактивного полимера имеют напряжения приведения в действие в сотни вольт, что превышает возможные напряжения, при которых могут работать существующие транзисторы, пригодные для встраивания в устройство решетки. Поэтому, если в качестве коммутирующих элементов используют тонкопленочные транзисторы, обычная схема адресации активной матрицы пригодна для возбуждения актуаторов на основе электроактивного полимера при очень низких напряжениях приведения в действие, например, до 40 В. Выше этого напряжения возникает утечка тока коммутирующего возбуждающего тонкопленочного транзистора. Поликремниевые транзисторы имеют еще более низкие пределы напряжения, например, 20 В.

Поэтому имеется необходимость в схеме адресации активной матрицы, которая позволяет использовать относительно низковольтные коммутирующие приборы для приведения в действие относительно высоковольтных актуаторов на основе электроактивного полимера.

Задача настоящего изобретения заключается в по меньшей мере частичном удовлетворении упомянутой выше потребности. По меньшей мере частично эта задача решается изобретением, определенным в независимых пунктах формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения представлены преимущественные варианты осуществления.

Согласно примерам, в соответствии с аспектом изобретения, предложено актуаторное устройство, содержащее:

решетку с активной матрицей, содержащую множество рядов и столбцов актуаторов на основе электроактивного полимера, набор линий данных и набор адресных линий;

соответствующее коммутирующее устройство, ассоциированное с каждым актуатором на основе электроактивного полимера, при этом коммутирующее устройство содержит вход, который соединен с соответствующей линией данных, и выход, который соединен с первым выводом ассоциированного актуатора на основе электроактивного полимера, при этом второй вывод каждого актуатора на основе электроактивного полимера соединен с линией управления; и

драйвер для подачи сигналов возбуждения, которые содержат по меньшей мере первый и второй уровни возбуждении для приложения на линии данных и третий и четвертый уровни возбуждения для приложения на линию управления.

В этом устройстве используется возбуждение общего электрода для обеспечения низких напряжений управления коммутирующим устройством (например, транзистором), используемым для переключения более высоких напряжений на актуаторах на основе электроактивного полимера.

Коммутирующее устройство служит для подключения напряжения на линии данных к ассоциированному актуатору на основе электроактивного полимера.

Решетка может содержать множество подрешеток и имеется совместно используемая линия управления для каждой подрешетки, при этом каждая подрешетка, например, содержит ряд актуаторов на основе электроактивного полимера. Альтернативно, может иметься совместно используемая линия управления для всех актуаторов на основе электроактивного полимера.

Актуаторы на основе электроактивного полимера могут иметь пороговое напряжение, ниже которого имеется минимальное приведение в действие, и максимальное напряжение возбуждения, при котором имеется полное приведение в действие. Использование характеристики порогового напряжения исключает перекрестные помехи между актуаторами, так что можно осуществлять адресацию отдельных актуаторов.

В одном примере первый и третий уровни возбуждения составляют 0 В, а четвертый уровень возбуждения составляет напряжение, которое выше напряжения второго уровня возбуждения. При первом и третьем уровнях возбуждения осуществляется сброс актуаторов на 0 В. Четвертым уровнем возбуждения обеспечивается приведение в действие актуаторов, но при использовании вывода, противоположного выводу, управляемому коммутирующим устройством. Таким образом, на коммутирующее устройство не воздействует напряжение четвертого уровня возбуждения.

В таком случае напряжение четвертого уровня возбуждения может быть максимальным напряжением возбуждения, а разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения равна пороговому напряжению или меньше него. Четвертый уровень возбуждения инициирует приведение в действие, но когда второй уровень возбуждения прилагают на линию данных, актуатор может выключиться до физического (а не электрического) приведения в действие.

Альтернативно, напряжение четвертого уровня возбуждения может быть отрицательным напряжением, величина которого равна пороговому напряжению или меньше него, а напряжение второго уровня возбуждения может быть таким положительным напряжением, что разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения будет равна максимальному напряжению возбуждения. В этом случае четвертый уровень возбуждения используется для выключения актуаторов, поскольку только четвертого уровня возбуждения (т.е. когда на линии данных имеется 0 В) недостаточно для приведения в действие актуатора. В этом случае приведение в действие актуаторов не осуществляется электрически до тех пор, пока их не адресуют.

Коммутирующее устройство может содержать, например, транзистор. Оно может содержать тонкопленочный транзистор, например, поликремниевый транзистор, низкотемпературный поликремниевый транзистор или даже транзистор из аморфного кремния. Кроме того, транзистор может быть из оксида полупроводника, такого как оксид индия-галлия-цинка, или оксидов родственных видов, известных из предшествующего уровня техники.

Например, максимальное напряжение исток-сток может быть ниже 50 В, например, ниже 40 В, и возможно даже ниже 25 В, тогда как максимальное напряжение, подаваемое на устройство на основе электроактивного полимера, составляет выше 50 В, например, выше 60 В, возможно выше 70 В и возможно выше 80 В. Кроме того, каждое из напряжений затвор-исток и затвор-сток может быть ограничено вышеперечисленными уровнями напряжений, так что в конкретной конструкции максимальное напряжение может прилагаться для всех трех из напряжений затвор-исток, затвор-сток и сток-исток.

Согласно примерам, в соответствии с другим аспектом изобретения, предложен способ приведения в действие устройства, которое содержит решетку с активной матрицей из рядов и столбцов актуаторов на основе электроактивного полимера, в которой каждый актуатор на основе электроактивного полимера имеет коммутирующее устройство, ассоциированное с каждым актуатором на основе электроактивного полимера, при этом коммутирующее устройство содержит вход, который соединен с соответствующей линией данных, и выход, который соединен с первым выводом ассоциированного актуатора на основе электроактивного полимера, при этом второй вывод каждого актуатора на основе электроактивного полимера соединен с линией управления, при этом способ содержит:

установку всех электроактивных полимеров в состояние отсутствия приведения в действие при использовании третьего уровня возбуждения, имеющегося на ассоциированных линиях управления;

возбуждение всех актуаторов на основе электроактивного полимера в первое состояние путем подачи первого уровня возбуждения на ассоциированные линии данных и четвертого уровня возбуждения на ассоциированные линии управления;

до достижения актуаторами на основе электроактивного полимера первого состояния возбуждение выбранных актуаторов на основе электроактивного полимера во второе состояние путем приложения второго уровня возбуждения на ассоциированные линии данных.

В этом способе используют возбуждение общего электрода для обеспечения возможности использования низких напряжений управления транзисторами для переключения более высоких напряжений на актуаторах на основе электроактивного полимера.

Актуаторы на основе электроактивного полимера могут иметь пороговое напряжение, ниже которого имеется минимальное приведение в действие, и максимальное напряжение возбуждения, при котором имеется полное приведение в действие.

В одном примере первое состояние является состоянием приведения в действие, а второе состояние является состоянием отсутствия приведения в действие. Для этого первый и третий уровни возбуждения составляют 0 В, а четвертый уровень возбуждения составляет напряжение, которое выше напряжения второго уровня возбуждения. Напряжение четвертого уровня возбуждения может быть максимальным напряжением возбуждения, а разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения равна пороговому напряжению или меньше него. Таким образом, четвертый уровень возбуждения используют для электрического приведения в действие актуаторов, а затем адресацией избирательно деактивируют их (приводят в состояние отсутствия действия).

В другом примере первое состояние является состоянием отсутствия приведения в действие, а второе состояние является состоянием приведения в действие. Напряжение четвертого уровня возбуждения может быть отрицательным напряжением, величина которого равна пороговому напряжению или больше него, а напряжение второго уровня является таким положительным напряжением, что разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения равна максимальному напряжению возбуждения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Теперь примеры изобретения будут описаны подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1 показывает известное устройство на основе электроактивного полимера, которое не зажато;

фиг. 2 показывает известное устройство на основе электроактивного полимера, которое ограничено поддерживающим слоем;

фиг. 3 показывает типичную схему активной матрицы для одного актуатора на основе электроактивного полимера;

фиг. 4 показывает типичную схему адресации активной матрицы;

фиг. 5 показывает первый пример высоковольтной цепи, использующей низковольтные транзисторы;

фиг. 6 показывает второй пример высоковольтной цепи, использующей низковольтные транзисторы;

фиг. 7 показывает модификацию цепи по фиг. 6, которая делает ее пригодной для возбуждения актуатора на основе электроактивного полимера;

фиг. 8 показывает модификация цепи по фиг. 7 для обеспечения функции сохранения сигнала;

фиг. 9 показывает первый пример цепи возбуждения актуатора на основе электроактивного полимера;

фиг. 10 показывает второй пример цепи возбуждения актуатора на основе электроактивного полимера;

фиг. 11 показывает третий пример цепи возбуждения актуатора на основе электроактивного полимера для реализации цепи возбуждения общего электрода;

фиг. 12 показывает первый пример устройства на основе электроактивного полимера с пороговой характеристикой;

фиг. 13 показывает, как устройство по фиг. 12 изменяет характеристику смещение-напряжение;

фиг. 14 показывает второй пример устройства на основе электроактивного полимера с пороговой характеристикой;

фиг. 15 показывает третий пример устройства на основе электроактивного полимера с пороговой характеристикой;

фиг. 16 показывает четвертый пример устройства на основе электроактивного полимера с пороговой характеристикой;

фиг. 17 показывает пятый пример устройства на основе электроактивного полимера с пороговой характеристикой;

фиг. 18 показывает, как устройство по фиг. 17 изменяет характеристику смещение-напряжение;

фиг. 19 показывает шестой пример устройства на основе электроактивного полимера с пороговой характеристикой;

фиг. 20 показывает цепь возбуждения, использующую диоды, для актуатора на основе электроактивного полимера;

фиг. 21 используется для пояснения последовательности адресаций с использованием цепи по фиг. 20;

фиг. 22 показывает цепь возбуждения, использующую диод со структурой металл-изолятор-металл для актуатора на основе электроактивного полимера; и

фиг. 23 показывает цепь возбуждения, использующую два возбуждающих транзистора, для актуатора на основе электроактивного полимера.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретением предоставляется решетка актуаторов на основе электроактивного полимера с активной матрицей, при этом каждый актуатор на основе электроактивного полимера имеет коммутирующее устройство.

Актуатор содержит структуру на основе электроактивного полимера для обеспечения такого механического приведения в действие, что структура характеризуется состоянием отсутствия приведения в действие и по меньшей мере одним состоянием приведения в действие (отличающимся от состояния отсутствия приведения в действие), достигаемым при приложения электрического сигнала возбуждения на структуру на основе электроактивного полимера. Структура на основе электроактивного полимера содержит электроактивный полимерный материал. Такой материал способен наводить или обеспечивать механическую деформацию, когда он подвергается воздействию электрического сигнала, который может подаваться на структуру в виде электрического сигнала возбуждения. Актуатор или структура может иметь электродную структуру для подачи сигнала возбуждения на электроактивный полимерный материал. Электродная структура может быть прикреплена к электроактивному полимерному материалу непосредственно или при использовании промежуточных слоев между ними.

Слой электроактивного полимерного материала каждого узла может быть заключен между электродами электродной структуры. Альтернативно, электроды могут находиться на одной и той же стороне электроактивного полимерного материала. В любом случае электроды могут быть физически прикреплены к электроактивному полимерному материалу либо непосредственно без всяких промежуточных (пассивных) слоев между ними, либо опосредованно при использовании дополнительных промежуточных (пассивных) слоев между ними. Но это не является необходимым во всех случаях. В случае релаксорных или постоянных пьезоэлектрических или ферроэлектрических электроактивных полимерных материалов непосредственный контакт не является необходимым. В последнем случае достаточно электродов вблизи электроактивных полимеров, при условии, что электроды могут обеспечивать электрическое поле для электроактивных полимеров, при этом структура на основе электроактивного полимера будет обладать функцией приведения в действие. Электроды могут быть растягиваемыми, так что они следуют деформации слоя электроактивного полимерного материала.

В зависимости от используемого электроактивного полимерного материала электрический сигнал возбуждения может быть сигналом напряжения или токовым сигналом (см. ниже).

Коммутирующее устройство содержит вход, который соединен с соответствующей линией данных, и выход, который соединен с первым выводом ассоциированного актуатора на основе электроактивного полимера, при этом второй вывод каждого актуатора на основе электроактивного полимера соединен с линией управления. Драйвер подает сигналы возбуждения, которые содержат по меньшей мере первый и второй уровни возбуждения для приложения на линии данных и третий и четвертый уровни возбуждения для приложения на линию управления.

Возбуждение общего электрода (т.е. возбуждение линии управления) используется для получения возможности использования низких напряжений управления транзисторами для переключения более высоких напряжений на актуаторах на основе электроактивного полимера.

На фиг. 3 показана типичная цепь активной матрицы для использования в решетке актуаторов на основе электроактивного полимера. Решетка образована рядами и столбцами с проводниками 30 рядов и проводниками 32 столбцов. Имеются многочисленные ряды и столбцы, так что минимальной является решетка 2×2. Имеется большое количество рядов и столбцов, например, десятки или сотни рядов и/или столбцов.

Цепь, как на фиг. 3, находится на каждом пересечении (т.е. на перекрещивании) проводников ряда и столбца. Цепь содержит транзистор 34, такой как полевой тонкопленочный транзистор, при этом его затвор соединен с проводником 30 ряда, а его исток соединен с проводником 32 столбца. Транзистор включается импульсом выбора на проводнике ряда и после этого подключает напряжение на проводнике 32 столбца к актуатору 36 на основе электроактивного полимера и к накопительному конденсатору 38.

В решетке m×n актуаторов на основе электроактивного полимера каждый актуатор возбуждается активной цепью возбуждения, показанной на фиг. 3. Имеются m проводников рядов (адресных линий) и n проводников столбцов (линий данных), 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 на основе электроактивного полимера является возбуждающим электродом. Второй электрод актуатора на основе электроактивного полимера подключен к опорному напряжению Vref, которое может быть общим для многих или всех актуаторов на основе электроактивного полимера в решетке. Накопительный конденсатор 38, параллельный актуатору на основе электроактивного полимера, является необязательным, а его функция заключается в содействии поддержанию напряжения, прикладываемого к актуатору на основе электроактивного полимера.

Действие цепи заключается в передаче напряжения данных к возбуждающему электроду актуатора на основе электроактивного полимера только при адресации затвора выбранного транзистора 34, приводящей к тому, что тонкопленочный транзистор становится проводящим. После завершения адресации транзистор становится непроводящим и напряжение на актуаторе на основе электроактивного полимера поддерживается до тех пор, пока оно постепенно не спадет, или до повторной адресации актуатора на основе электроактивного полимера. Таким образом, цепь работает как схема выборки и хранения, при этом (необязательный) накопительный конденсатор содействует поддержанию напряжения, прикладываемого к актуатору на основе электроактивного полимера.

В зависимости от возбуждающего напряжения (Vdr), которое имеется между электродом данных и опорным электродом, после адресации актуатор на основе электроактивного полимера будет деформированным до нового состояния приведения в действие. Следует отметить, что приведение в действие может продолжаться значительно дольше, чем период адресации (который обычно намного меньше 1 мс). Приложением различных возбуждающих напряжений можно реализовывать различные уровни приведения в действие.

Адресация решетки происходит так, как показано на фиг. 4, на которой представлен пример решетки 4×4 с набором опорных электродов при Vref=0 В. Начальная точка (непоказанная) является точкой, в которой все актуаторы на основе электроактивного полимера разряжены и следовательно, находятся в состоянии отсутствия приведения в действие. Незакрашенными кружками представлены актуаторы, которые не приведены в действие, закрашенными кружками представлены актуаторы, которые приведены в действие.

Все ряды исходно адресуют с использованием напряжения отсутствия выбора (Vns: обычно -10 В для типичного тонкопленочного транзистора). В этой ситуации данные не могут быть переданы к актуаторам на основе электроактивного полимера.

Затем первый ряд адресуют с использованием напряжения выбора (Vsel: обычно +30 В для типичного тонкопленочного транзистора). Это показано на фиг. 4А. Другие ряды не выбирают (Vns). Два столбца возбуждают напряжением Vdr возбуждения и другие два столбца возбуждают напряжением 0 В, и эти напряжения передаются на первый электрод соответствующих актуаторов на основе электроактивного полимера. В этой ситуации разность напряжений на двух актуаторах на основе электроактивного полимера составляет Vdr: эти два актуатора на основе электроактивного полимера в ряду будут находиться в режиме приведения в действие (приведения в действие может достигаться через некоторое время после окончания адресации). Разность напряжений на других двух актуаторах на основе электроактивного полимера равна 0 В, вследствие чего эти два актуатора на основе электроактивного полимера в ряду будут оставаться в режиме отсутствия приведения в действие.

Как показано на фиг. 4В, затем второй ряд адресуют при использовании напряжения выбора (Vsel). Другие ряды не выбирают (Vns). И в этом случае два столбца возбуждают напряжением Vdr возбуждения и два столбца возбуждают напряжением 0 В, и эти напряжения передаются на первый электрод соответствующих актуаторов на основе электроактивного полимера. В этой ситуации разность напряжений на двух актуаторах на основе электроактивного полимера составляет Vdr: эти два актуатора на основе электроактивного полимера в ряду будут находиться в режиме приведения в действие (приведение в действие может достигаться через некоторое время после окончания адресации). Разность напряжений на других двух актуаторах на основе электроактивного полимера равна 0 В, вследствие чего эти два актуатора на основе электроактивного полимера в ряду будут оставаться в режиме отсутствия приведения в действие (актуации).

При отмене выбора первого ряда, режимом выборки и хранения адресации гарантируется поддержание напряжения актуаторов на основе электроактивного полимера в первом ряду (особенно при подключенном накопительном конденсаторе) и сохранение состояния приведения в действие (или переход к нему, если оно еще не достигнуто).

Как показано на фиг. 4С, затем третий ряд адресуют при использовании напряжения (Vsel) выбора. Другие ряды не выбирают (Vns). Теперь три столбца возбуждают напряжением Vdr возбуждения, один столбец возбуждают напряжением 0 В, и эти напряжения передаются на первый электрод соответствующих актуаторов на основе электроактивного полимера. В этой ситуации разность напряжений на трех актуаторах на основе электроактивного полимера составляет Vdr: эти три актуатора на основе электроактивного полимера в ряду будут находиться в режиме приведения в действие (приведение в действие может достигаться через некоторое время после окончания адресации). Разность напряжений на другом актуаторе на основе электроактивного полимера составляет 0 В, вследствие чего этот актуатор на основе электроактивного полимера будет оставаться в режиме отсутствия приведения в действие. При отмене выбора второго ряда, режимом выборки и хранения адресации снова гарантируется поддержание напряжения актуаторов на основе электроактивного полимера в этом ряду.

Как показано на фиг. 4D, затем адресуют четвертый ряд при использовании напряжения (Vsel) выбора. Другие ряды не выбирают (Vns). Только один столбец возбуждают напряжением Vdr возбуждения, а другие три столбца напряжением 0 В. Только на одном из актуаторов на основе электроактивного полимера разность напряжений составляет Vdr.

В конце фазы адресации может быть отменен выбор (Vns) всех рядов и напряжения могут быть сняты со столбцов, при этом актуаторы на основе электроактивного полимера будут оставаться в состоянии приведения в действие до тех, пока напряжение не спадет, и в этот момент адресация матрицы, описанная выше, может быть выполнена повторно.

Адресацию нескольких рядов актуаторов на основе электроактивного полимера можно выполнять одновременно, в результате чего адресация будет происходить еще быстрее. Этого достигают одновременным приложением напряжения адресации к более чем одному ряду актуаторов на основе электроактивного полимера. Это возможно, если применять один и тот же рисунок данных.

В приведенном выше примере рассматривался только двухуровневый драйвер данных (0 В и Vdr). Следствием этого является самая низкая стоимость интегральных схем возбудителей. Однако в дальнейших примерах также может быть предпочтительно частично приводить в действие актуаторы на основе электроактивного полимера. Для осуществления этого можно использовать драйвер данных с несколькими напряжениями данных, достигающими Vdr.

Кроме того, хотя в приведенных выше примерах к актуаторам на основе электроактивного полимера прикладывалось напряжение одной полярности, в дальнейших вариантах осуществления может быть предпочтительно инвертировать полярность напряжения на актуаторах на основе электроактивного полимера через регулярные промежутки времени, в результате чего характеристика актуатора на основе электроактивного полимера будет меньше ухудшаться, чем в случае, когда инверсия не используется. Например, этого можно достигать изменением напряжения на опорном электроде в течение дальнейшего цикла адресации и адаптации возбуждающих напряжений, соответственно.

Для основной схемы адресации активной матрицы, описанной выше, требуются транзисторы, выдерживающие такие же напряжения, какие используются для возбуждения актуаторов на основе электроактивного полимера.

Это изобретение относится к использованию коммутирующих приборов, таких как низковольтные поликремниевые транзисторы, которые работают при более низких напряжениях, чем напряжения возбуждения актуаторов на основе электроактивного полимера.

Известны технологии высоковольтного нагрева, в которых используют транзисторные управляющие переключатели, которые работают при более низких напряжениях, чем напряжение, необходимое для нагревателя.

На фиг. 5 показан первый пример цепи возбуждения для нагревателя на 60 В. На фиг. 5(А) показан отключенный нагреватель, а на фиг. 5(В) показан включенный нагреватель.

Транзисторы, используемые в цепи, представляют собой тонкопленочные транзисторы на 20 В, что является, например, пределом напряжения для низкотемпературного поликремниевого (НТПК) тонкопленочного транзистора.

Цепь содержит нагрузочный резистор 50, подключенный к линии Vddout с высоким напряжением 60 В, и понижающую напряжение цепь, которая содержит три последовательно включенных транзистора (N1-N3) n-типа. К нижнему транзистору N1 прикладывается управляющее напряжение, которое переключается между 0 и 20 В. Ко второму транзистору N2 приложено постоянное напряжение смещения. Цепью 52 смещения регулируется напряжение, прикладываемое к транзистору N3, и она включает в себя два транзистора (Р1 и Р2) p-типа. Первый транзистор (Р1) p-типа находится между затворами второго и третьего транзисторов (N2, N3) n-типа, при этом его затвор подключен к узлу между транзисторами N2, N3. Когда Р1 закрыт, напряжение смещения прикладывается к затворам обоих транзисторов N2, N3, так что они оба закрыты. Второй транзистор (Р2) p-типа находится между затвором и истоком третьего транзистора (N3) n-типа, при этом его затвор соединен с затвором второго транзистора (N2) n-типа. Когда Р2 закрыт, напряжение исток-сток транзистора N3 отсутствует, так что транзистор N3 открыт.

На фиг. 5А напряжения в цепи показаны для случая, когда входное управляющее напряжение является высоким (20 В), и в этом случае Р1 включен и Р2 выключен. Это означает, что все N1-N3 имеют напряжение затвора 20 В, а выходное напряжение понижается до напряжения заземления (0 В), как на узле между N1 и N2, а также N2 и N3.

На фиг. 5В напряжения в цепи показаны после переключения входного управляющего напряжения до низкого уровня (0 В), и в этом случае N1 выключен и выходное напряжение является повышенным. Цепь, как и все функции, соответствует разомкнутой цепи, поскольку соединение с землей отсутствует вследствие того, что N1 выключен. В отсутствие нагрузочного резистора 50 и его соединений выходное напряжение будет плавающим.

В свою очередь, напряжение узла между N2 и N3 является высоким, что вызывает выключение Р1 и включение Р2. На основании симметрии установившееся напряжение между N2 и N3 фиксируется на 40 В, а установившееся напряжение между N2 и N1 фиксируется на 20 В, и в этом случае токи утечки через транзисторы N1-N3 равны.

На фиг. 6 показан пример цепи возбуждения для нагревателя на 80 В. Понижающая напряжение цепь содержит четыре последовательно включенных транзистора (N1-N4) n-типа, а цепь 54 смещения регулирует напряжение, прикладываемое к транзисторам N3 и N4, и она включает в себя четыре транзистора (Р1-Р4) p-типа. Цепь смещения содержит две цепи 52 смещения по фиг. 5, расположенных друг над другом. И в этом случае либо все транзисторы n-типа включаются для установления низкого выходного напряжения, либо нижний транзистор выключается и падение напряжения распределяется совместно по всем из транзистороы n-типа.

На фиг. 6А напряжения в цепи показаны для случая, когда входное управляющее напряжение является высоким (20 В), а на фиг. 6В напряжения в цепи показаны после того, как входное управляющее напряжение переключилось на низкое (0 В).

При использовании этих цепей для нагрева высокое напряжение падает на резисторе и предполагается, что резистор может выдерживать высокое напряжение, которое обычно имеется. Однако в случае прибора на основе электроактивного полимера устройство имеет емкостную эквивалентную цепь.

В таком случае эту концепцию можно использовать в схеме по фиг. 7, на которой нагрузкой является актуатор на основе электроактивного полимера, который теперь находится в дополнение к нагрузочному резистору.

Проблема в такой цепи, как показанная на фиг. 7, заключается в том, что имеется статическое потребление энергии, когда понижающая выходное напряжение цепь находится во включенном состоянии, т.е. когда напряжение на одном или обоих выводах актуатора на основе электроактивного полимера понижается до 0 В. Кроме того, в цепи отсутствует сохранение сигнала возбуждения.

Как показано на фиг. 8, проблема сохранения легко решается.

Предусмотрен адресующий транзистор 80, который обеспечивает приложение напряжения Vdata данных, которое имеется, например, на линии столбцов, к локальному накопительному конденсатору 82. Затвор адресующего транзистора 80 соединен с адресной линией 81, на которую подается напряжение Vaddr адресации. Адресная линия представляет собой, например, проводник ряда.

В этом примере актуатор на основе электроактивного полимера может быть возбужден низковольтной схемой адресации напряжением между подачей 80 В от источника питания и напряжением 0 В, при этом Vaddr (например, в диапазоне от 0 до 20 В) является стандартным сигналом адреса ряда решетки матрицы и, например, Vdata также находится в диапазоне от 0 до 20 В.

Проблема статического потребления энергии остается, а цепь позволяет получать только два уровня напряжения на устройстве на основе электроактивного полимера.

Изобретение предлагает подход с цепью, которая решает одну или более из этих проблем, первый пример которой показан на фиг. 9.

Цепь содержит первую цепь 90, которая показана на фиг. 8, и вторую цепь 92, которая показана на фиг. 8, но совместно использующие общий нагрузочный резистор 50, который подключен к одному выводу (определенному как первый вывод) актуатора на основе электроактивного полимера. При этом общая цепь имеет две линии 94, 96 адресации рядов и две линии 98, 100 данных столбцов.

Выход первой схемы 90 подключен к одной стороне актуатора 36 на основе электроактивного полимера, а выход второй схемы 92 подключен к другой стороне актуатора 36 на основе электроактивного полимера. Таким образом, в общей цепи возбуждения имеется доступ к обеим сторонам актуатора 36 на основе электроактивного полимера и в результате становится возможным исключение проблемы статического потребления энергии.

Адресацией с использованием низковольтных сигналов Vaddr1,2 и Vdata1,2 можно осуществлять возбуждение двумя уровнями без статического потребления энергии.

При подаче высоких сигналов Vdata1 и Vdata2 (когда соответствующие сигналы адресации рядов включены) обе стороны актуатора на основе электроактивного полимера будут соединены с землей. Затем сигнал Vdata2 может быть возбужден на низком значении (при все еще подключенном Vaddr2). На актуаторе на основе электроактивного полимера останется напряжение 0 В, но напряжение на втором выводе будет плавающим, так что ток не будет протекать через сам актуатор на основе электроактивного полимера.

Использование низкого Vdata1 также (при все еще подключенном Vaddr1) будет не только прекращать протекание тока через актуатор на основе электроактивного полимера, но также будет предотвращать потребление тока от основного источника питания. На актуаторе на основе электроактивного полимера будет сохраняться 0 В, а ток не будет протекать через актуатор на основе электроактивного полимера, и напряжение на нем будет плавать до высокого напряжения источника питания (на обоих выводах).

Следует отметить, что необходимо, чтобы только первая цепь 90 переключалась в состояние высокого импеданса для получения высокого напряжения на актуаторе, тогда как обе цепи 90, 92 необходимо удерживать в состоянии высокого импеданса для поддержания низкого (т.е. нулевого) напряжения на актуаторе. Поэтому, когда выполняют адресацию с использованием Vaddr1 и Vaddr2, то, чтобы получить высокое напряжение на актуаторе, Vdata1 сначала должно быть высоким и должно переходить к низкому в пределах периода адресации. Для получения низкого напряжения как Vdata1, так и Vdata2 начинаются с высокого значения и переходят к низкому значению в течение периода адресации.

Для адресации актуатора на основе электроактивного полимера высоким напряжением предложена модифицированная схема возбуждения.

При задании Vdata1 низким (чтобы цепь 90 была разомкнутой цепью) и Vdata2 высоким (чтобы цепь 92 заземляла вывод актуатора на основе электроактивного полимера), когда соответствующие сигналы адресации рядов подключены, будет вызываться подача напряжения Vddout возбуждения (например, 80 В) на актуатор на основе электроактивного полимера.

В таком случае эти напряжения могут поддерживаться для обеспечения сохранения 80 В без извлечения тока после уменьшения сигналов адресации.

После этого цепь 92 может быть приведена в состояние разомкнутой цепи. Этим будет предотвращаться протекание тока через актуатор, поскольку один вывод является плавающим. Кроме того, этим предотвращается статическое потребление энергии.

На фиг. 10 показана модификация цепи по фиг. 9, в которой каждая цепь 90, 92 имеет свое соответствующее нагрузочное устройство 50, 100, так что имеется одно нагрузочное устройство, соединенное с каждым выводом актуатора 36 на основе электроактивного полимера.

Это позволяет получить трехуровневую схему возбуждения.

Например, на устройство на основе электроактивного полимера могут быть поданы напряжения с уровнями 80 В, 0 В и -80 В.

Поэтому эта компоновка цепи может использоваться для обеспечения высоковольтной схемы инверсионного возбуждения. Ранее было обнаружено, что при таком инверсионном возбуждении повышается амплитуда приведения в действие и уменьшается дрейф при приведении в действие при продолжительном использовании.

Адресация может происходить следующим образом.

(i) Для возбуждения на +80 В.

Возбуждают высокие Vaddr1,2, Vdata1 является высоким (цепь 90 заземлена) и Vdata2 является низким (цепь 92 представляет собой разомкнутую цепь). Поэтому актуатор на основе электроактивного полимера заряжается до 80 В (т.е. вывод, соединенный со второй цепью 92, находится под более высоким напряжением, чем вывод, соединенный с первой цепью 90). Затем понижают Vaddr1,2. На конденсаторах 82 сохраняются одинаковые напряжения.

(ii) Для возбуждения до 0 В.

Возбуждают высокие Vaddr1,2. Vdata1,2 вначале являются высокими, так что обе цепи заземлены. Затем их делают низкими, чтобы оба вывода актуатора на основе электроактивного полимера находились под одинаковым напряжением, но статическое потребление энергии отсутствовало, поскольку напряжения на выводах актуатора на основе электроактивного полимера плавают до напряжения источника питания. После этого Vaddr1,2 понижают.

Время работы цепей 90 и 92 синхронизируют.

(ii) Для возбуждения до -80 В.

Возбуждают высокие Vaddr1,2. Vdata1 является низким (цепь 90 представляет собой разомкнутую цепь) и Vdata2 является высоким (цепь 92 заземлена). Поэтому актуатор на основе электроактивного полимера заряжается до -80 В (т.е. вывод, соединенный со второй цепью 92, находится под более низким напряжением, чем вывод, соединенный с первой цепью 90). Затем Vaddr1,2 понижают. На конденсаторах 82 сохраняются одинаковые напряжения.

Если напряжения двух источников питания, которые на фиг. 10 показаны имеющими 80 В, изменить до различных уровней (каждое 80 В или ниже), то можно получить различные наборы напряжений на актуаторе на основе электроактивного полимера, например, при напряжениях 80 В и 60 В источников можно получить 80 В, 0 В и -60 В на актуаторе на основе электроактивного полимера.

В описанном выше подходе реализуется ограниченное число уровней возбуждения. Однако промежуточные уровни приведения в действие могут быть получены применением схем широтно-импульсной модуляции. Например, подход широтно-импульсной модуляции может быть полезным при создании устройств нескольких видов, особенно для поддержания установившегося состояния.

В вышеприведенных примерах можно использовать низковольтные транзисторы в наборах понижающих выходное напряжение транзисторов. В другом подходе применяется возбуждение с противоэлектродом.

На фиг. 11 показана основная цепь переключения активной матрицы, содержащая проводник 30 ряда, проводник 32 столбца, транзистор 34 и актуатор 36 на основе электроактивного полимера. Один вывод актуатора на основе электроактивного полимера соединен с транзистором 34 и другой соединен с общим противоэлектродом 110, на который подается напряжение Vce противоэлектрода. Кроме того, может быть предусмотрен накопительный конденсатор 38. Транзистор может быть тонкопленочным транзистором, и он может быть выполнен из поликристаллического кремния или аморфного кремния.

Противоэлектрод 110 может быть общим для поднабора актуаторов на основе электроактивного полимера, например, для всех актуаторов на основе электроактивного полимера в адресуемом ряду, или он может быть общим для всех актуаторов на основе электроактивного полимера в решетке. Обычное возбуждение такой цепи активной матрицы ограничено возбуждающим напряжением около 40 В.

Способ возбуждения решетки с активной матрицей высоким напряжением может быть осуществлен при возбуждении решетки как со стороны вывода противоэлектрода, так и от возбудителя данных. Таким образом, высокое возбуждающее напряжение может быть подано на выбранные актуаторы на основе электроактивного полимера в решетке без подведения высокого напряжения к возбуждающему электроду. Этим гарантируется, что адресующий транзистор 34 не будет подвергаться воздействию высоких напряжений, поскольку высокое напряжение присутствует только на противоэлектроде. Вследствие этого полностью исключены утечка, старение или отказ.

До приложения возбуждающих напряжений с возбудителя данных на противоэлектроде может быть установлено другое (второе) ненулевое напряжение. Таким образом, более высокое напряжение на актуаторе на основе электроактивного полимера может быть получено при использовании возбудителя данных с заданным напряжением.

В частности, напряжение приведения в действие равно напряжению возбуждения за вычетом напряжения на противоэлектроде. В этом случае предпочтительно, чтобы актуатор на основе электроактивного полимера имел пороговое напряжение, которое было бы по меньшей мере такое же высокое, как второе напряжение на противоэлектроде, для исключения приведения в действие всех актуаторов на основе электроактивного полимера. Способы реализации пороговых напряжений рассматриваются ниже.

В первом примере использования цепи по фиг. 11 актуаторы на основе электроактивного полимера предполагаются имеющими пороговое напряжение 30 В и напряжение приведения в действие 60 В, которое выходит за пределы обычного диапазона адресации активной матрицы. Пороговое напряжение характеризует уровень приведения в действие, ниже которого имеется значительно пониженное приведение в действие по сравнению с приведением в действие выше порога. В предположении нахождения актуаторов на основе электроактивного полимера в исходном состоянии в отсутствие приведения в действие, высоковольтное возбуждение происходит следующим образом.

Для всех возбудителей данных устанавливают опорное напряжение, например, 0 В.

В это время напряжение Vce на противоэлектроде равно 0 В. Затем все адресующие транзисторы 34 возбуждают до (проводящего) состояния адресации, например, подачей на их электроды затворов напряжения 40 В. Этим гарантируется, что напряжение на возбуждающем электроде каждого актуатора на основе электроактивного полимера останется на уровне 0 В при подключении к напряжениям возбудителей данных, присутствующим на проводниках 32 столбцов.

Напряжение Vce на противоэлектроде (например, +60 В), прикладываемое ко всем актуаторам на основе электроактивного полимера, возбуждают на общем противоэлектроде 110. Когда это напряжение прикладывают, ток втекает в устройство для заряда емкости до тех пор, пока напряжение на противоэлектроде не достигнет прилагаемого напряжения и не будет 60 В на актуаторе на основе электроактивного полимера. Вследствие небольшой скорости отклика все актуаторы на основе электроактивного полимера в этот момент времени находятся в том же самом состоянии физического отсутствия приведения в действие, тогда как заряд на актуаторах на основе электроактивного полимера соответствует состоянию приведения в действие. Вследствие этого все актуаторы на основе электроактивного полимера начнут приводиться в действие, если только они не были переведены в нерабочее состояние на этапе адресации.

На этом этапе адресации все адресующие транзисторы 34 прежде всего возбуждают до (непроводящего) состояния отсутствия адресации, при этом напряжение на их электродах затворов составляет -5В.

Затем обычным способом данные одновременно адресуют на одну линию решетки (путем одновременной адресации одной линии адресующих транзисторов). В этом случае данные приведения в действие будут составлять 0 В, при этом те актуаторы на основе электроактивного полимера, положение включения которых должно измениться, будут побуждаться сделать это. При приложении 0 В к актуатору на основе электроактивного полимера на актуаторе на основе электроактивного полимера будет напряжение 60 В. Напряжение данных 30 В будет вместо этого приводить к напряжению +30 В на устройстве, которое будет ниже порога, и актуатор на основе электроактивного полимера либо будет в состоянии отсутствия приведения в действие (если адресацию осуществляют безотлагательно), либо будет возвращаться в состояние отсутствия приведения в действие (если имеется задержка перед адресацией).

Таким образом, все актуаторы на основе электроактивного полимера возбуждают электрически до состояния приведения в действие. Это состояние либо сохраняется после адресации, либо реверсируется до того, как актуаторы успевают физически отреагировать.

В этом примере напряжения линии данных содержат первый уровень возбуждения, который составляет 0 В, и второй уровень возбуждения, который составляет 30 В.

Напряжения на общем электроде содержат третий уровень возбуждения, который составляет 0 В, и четвертый уровень возбуждения, который составляет 60 В. В более общем смысле, напряжение четвертого уровня возбуждения выше напряжения второго уровня возбуждения.

Напряжение (60 В) четвертого уровня возбуждения представляет собой максимальное напряжение возбуждения, так что, когда его прикладывают, актуатор электрически возбуждается до состояния максимального приведения в действие (когда напряжение данных равно нулю). Разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения (в этом примере 60 В - 30 В = 30 В) равна или меньше, чем пороговое напряжение, так что когда напряжение данных устанавливают на втором уровне (30 В) возбуждения, происходит деадресация.

Адресующие транзисторы становятся проводящими в течение периода переключения напряжения на противоэлектроде, поскольку в ином случае напряжение на возбуждающем электроде также будет переключаться на напряжение на противоэлектроде (поскольку ток не может вытекать) и адресующий транзистор будет повреждаться.

Напряжение на общем электроде может оставаться на высоком уровне. Для выключения всего устройства все линии данных можно возбудить на 0 В, чтобы выключить транзисторы, и затем управляемым способом понизить напряжение на общем электроде до 0 В.

Во второй реализации актуаторов на основе электроактивного полимера предполагается наличие порогового напряжения 60 В и напряжения приведения в действие 90 В, которые выходят за пределы обычного диапазона адресации активной матрицы. В предположении, что актуаторы на основе электроактивного полимера находятся в состоянии отсутствия приведения в действие, высоковольтное возбуждение происходит следующим образом.

Для всех возбудителей данных в решетке устанавливают опорное напряжение, например, 0 В.

В это время напряжение Vce на противоэлектроде составляет 0 В. Все адресующие транзисторы возбуждают до (проводящего) состояния адресации, например, до напряжений 40 В на их электродах затворов. Это гарантирует, что напряжение на возбуждающих электродах остается на 0 В.

Напряжение Vce (-60 В) на противоэлектроде, прикладываемое ко всем актуаторам на основе электроактивного полимера, возбуждают на общем противоэлектроде. Когда это напряжение прилагают, в устройство для заряда емкости устройства ток втекает до тех пор, пока напряжение на противоэлектроде не достигает прилагаемого напряжения (60 В на актуаторе на основе электроактивного полимера). В этот момент времени все актуаторы на основе электроактивного полимера находятся в одном и том же состоянии (т.е. состоянии отсутствия приведения в действие) с зарядом на актуаторах на основе электроактивного полимера, который соответствует состоянию приведения в действие.

Затем все адресующие транзисторы возбуждают до (непроводящего) состояния отсутствии адресации, например, до напряжений -5В на их электродах затворов.

Данные адресуют обычным образом одновременно на одну линию решетки (путем одновременной адресации одной линии адресующих транзисторов). В этом случае данные приведения в действие будут составлять 30 В, так что те актуаторы на основе электроактивного полимера, которые должны переключить положение, будет побуждаться сделать это (90 В на устройстве). Напряжение 0 В данных будет приводить к напряжению 60 В на устройстве, которое ниже порога, и устройство не будет приводиться в действие.

Этот способ отличается от первого тем, что исходное возбуждение выполняют для состояния отсутствия приведения в действие и построчную адресацию выполняют для переключения актуаторов на основе электроактивного полимера в адресуемое состояние.

В этом примере напряжения линий данных содержат первый уровень возбуждения, который составляет 0 В, и второй уровень возбуждения, который составляет 30 В.

Напряжение (-60 В) четвертого уровня возбуждения является отрицательным напряжением, величина которого равна или меньше, чем пороговое напряжение (в этом примере 60 В), а напряжение второго уровня возбуждения является таким положительным напряжением (в этом примере 30 В), что разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения равна максимальному напряжению возбуждения (30 В - -60В = 90 В). Только четвертого уровня напряжения недостаточно для приведения в действие актуатора.

И в этом случае адресующие транзисторы становятся проводящими в течение периода переключения напряжения на противоэлектроде, поскольку в ином случае напряжение на возбуждающем электроде также будет переключаться на напряжение на противоэлектроде (поскольку ток не может вытекать) и адресующий транзистор будет повреждаться.

Работа цепи заключается в передаче напряжения данных на возбуждающий электрод актуатора на основе электроактивного полимера только в случае, когда затвор выбранного тонкопленочного транзистора адресуется, что побуждает тонкопленочный транзистор становиться проводящим. После завершения адресации тонкопленочный транзистор становится непроводящим, а напряжение сохраняется на устройстве либо до тех пор, пока оно постепенно не уменьшится, либо до повторной адресации устройства. Таким образом, цепь работает как схема выборки и хранения, при этом (необязательный) накопительный конденсатор способствует поддержанию напряжения, прилагаемого к устройству.

В зависимости от возбуждающего напряжения (Vdr), которое присутствует между электродом данных и опорным электродом, после адресации устройство будет деформированным до нового состояния приведения в действие. Для приведения в действие может затрачиваться значительно большее время, чем период адресации, который составляет обычно намного меньше 1 мс. Различные уровни приведения в действие можно реализовывать приложением различных возбуждающих напряжений.

Как должно быть ясно из приведенного выше описания, в некоторых конструкциях может использоваться пороговая характеристика устройства. По своей природе актуатор на основе электроактивного полимера не имеет пороговой характеристики. Теперь будут обсуждены некоторые способы создания структуры с заданной пороговой характеристикой.

При использовании либо механических эффектов, либо электрических эффектов (возбуждающего сигнала), или сочетания этих эффектов можно искусственно создавать порог, чтобы избегать эффектов нежелательного приведения в действие до этого порога.

Например, механические пороговые эффекты могут быть реализованы при использовании геометрии, механической фиксации или «липкости» поверхности. Например, электрические пороговые эффекты могут быть реализованы при использовании электростатического притяжения или характеристики электрического пробоя. Кроме того, для эффективной реализации порогового напряжения можно использовать сочетание этих эффектов.

Этот порог можно считать задержкой, в том смысле, что физическое приведение в действие задерживается до тех пор, пока не будет достигнут определенный уровень возбуждения.

На фиг. 12 показан первый пример использования механической структуры для реализации задержки, основанный на геометрическом эффекте.

Устройство содержит слой 120 электроактивного полимера внутри камеры 122. Камера имеет крышку 124, подвешенную над слоем 120 электроактивного полимера. Крышка помещена на ободе, и это означает, что она подвешена над слоем электроактивного полимера. Возбуждение слоя электроактивного полимера прилагаемыми сигналами возбуждения первого диапазона поднимает его к крышке. После контакта (при максимальном сигнале возбуждения в пределах первого диапазона) дальнейшее приведение в действие приводит к подъему крышки, как показано на нижнем изображении. Таким образом, имеется диапазон входных сигналов возбуждения, при котором перемещение слоя электроактивного полимера происходит только в пределах промежутка под крышкой. Когда в этом диапазоне достигается максимальный сигнал возбуждения, происходит контакт. Это соответствует пороговому напряжению всего устройства. Выше этого сигнала возбуждения дальнейшее возбуждение во втором диапазоне создает постепенный подъем крышки, который соответствует механическому выходному сигналу устройства.

Таким образом, частично приведенный в действие элемент не будет смещать крышку, а полностью приведенный в действие актуатор будет создавать смещение, хотя полное смещение приведенной в действие поверхности ограничивается.

Как показано на фиг. 13, влияние задержки заключается в опускании кривой смещения, так что смещение отсутствует до достижения порога V_T. Это проявляется в уменьшении максимального смещения.

Актуатор может обеспечивать большее смещение, если его закрепить, используя удерживающую систему, например, зажимную систему, с созданием порогового напряжения для приведения в действие. В таком случае это пороговое напряжение будет соответствовать силе, необходимой для преодоления действия удержания.

На фиг. 14 показан пример с удерживающим механизмом 140 в виде крючков с защелкой, которые крышка 124 должна миновать перед смещением. При наличии крючков с защелками требуется приложение пороговой силы к крышке до того, как она сможет продвинуться мимо крючков. Показаны соответствующее смещение в зависимости от характеристики напряжения (кривая 142), а также сила в зависимости от характеристики напряжения (кривая 144).

После прохождения защелки актуатор будет сохранять нарастание своего смещения с большим приложенным напряжением. При отключении напряжения система возвращается в свое исходное плоское состояние. Крючки с защелкой могут обеспечивать свободное прохождение крышки в направлении вниз или же устройство может потребовать сброса за счет дополнительной приложенной силы.

В дальнейшем механическом варианте осуществления пороговое напряжение может быть наведено путем добавления определенной «липкости» между структурой на основе электроактивного полимера (т.е. между слоем полимера и его подложкой) и опорной структурой. Липкость может быть преодолена только повышением напряжения на слое электроактивного полимера до преодоления липкости системы.

Липкость может быть реализована путем химической модификации поверхностей (нанесением клеевого покрытия), введением текучей среды между поверхностями (с использованием капиллярных сил), механической/топологической модификации поверхности, например, созданием структуры, подобной ʺVelcroʺ (липучке).

В вышеприведенных примерах использован механизм задержки, основанный на механической структуре, которая определяет, например, выходные характеристики устройства. Показанный на фиг. 15 вариант основан на электростатическом эффекте.

Актуатор имеет дополнительный электрод 150 на поверхности ниже структуры на основе электроактивного полимера. Электростатическое притяжение между одним электродом слоя 120 электроактивного полимера и дополнительным электродом 150 на поверхности создает ограничивающую силу, которая сдерживает изгибание.

Если электростатическая сила преодолевается изгибающей силой, актуатор изгибается. При этом существенно уменьшается электростатическая сила, поскольку сила является функцией квадрата расстояния (d) между электродами. При любом изгибе будет возрастать d и уменьшаться электростатическая сила, что приведет к дальнейшему изгибанию и, следовательно, к дополнительному снижению электростатической F и преодолению порога.

На графике показаны соответствующее смещение в зависимости от характеристики напряжения (кривая 152), сила в зависимости от характеристики напряжения (кривая 154) и электростатическая сила в зависимости от характеристики напряжения (кривая 156).

Преимущество этой системы заключается в том, что электростатическая сила является почти мгновенной, а слой электроактивного полимера является медленно реагирующим на силу, что благоприятно для сохранения актуатора прочно закрепленным при низких напряжениях. Динамический эффект может быть реализован путем использования разности емкостей слоя электроактивного полимера и подложки. В этой конфигурации электростатическая сила будет работать на сдерживание устройства на основе электроактивного полимера сразу после приложения напряжения. Однако актуатор на основе электроактивного полимера при подведении ступенчатого напряжения будет медленно наращивать свою силу до максимальной. Это может вызывать эффект задержанного порога. Поэтому, когда прикладывают ступенчатое напряжение, электростатическая сила сначала удерживает устройство опущенным до тех пор, пока сила приведения в действие не преодолеет порог электростатической силы и не возрастет для обеспечения смещения.

Поэтому пороговое значение частично определяется геометрией актуатора и частично скоростью приведения в действие.

В другой возможной реализации механизма задержки для обеспечения порога содержится электрический компонент, который реализует пороговое напряжение или напряжение включения для управления приложением подводимого сигнала возбуждения к слою электроактивного полимера.

На фиг. 16 показан пример, в соответствии с которым слой 120 электроактивного полимера включен электрически последовательно с элементом 160 электрического порога или элементом напряжения включения, показанным в виде симметричного диодного тиристора (диодного переключателя переменного тока). Могут использоваться другие пороговые элементы, такие как диод Шокли, кремниевый управляемый выпрямитель или иной тиристор. Этот элемент может быть частью структуры на основе электроактивного полимера, например, в виде органических полупроводниковых слоев (в последовательности p-n-p-n) как части многослойной подложки. Альтернативно, при более крупных актуаторах в решетке элемент может быть компонентом устройства поверхностного монтажа, последовательно включенным с каждым актуатором.

Для прикладываемого напряжения, которое ниже напряжения включения или порогового напряжения, не будет наведенной деформации, поскольку падение напряжения возникает на пороговом элементе или элементе включения. При большем прикладываемом напряжении слой электроактивного полимера будет деформироваться.

Механизм задержки согласно другой возможной реализации содержит вторую структуру на основе электроактивного полимера, при этом вторая структура на основе электроактивного полимера содержит электрод для приема сигнала возбуждения, подаваемого на устройство, причем при деформировании второй структуры на основе электроактивного полимера до заданной величины подаваемый сигнал возбуждения подключается на (основную) структуре на основе электроактивного полимера.

Один пример показан на фиг. 17. Устройство в целом содержит основной актуатор 170 и вспомогательный актуатор 172. Вспомогательный актуатор меньше, чем основной актуатор, и он образует управляющую часть, которая представляет собой ненагруженное несущее устройство.

Использование двух последовательных актуаторов позволяет реализовать порог. Вспомогательный актуатор действует как механический переключатель, тогда как основной актуатор представляет собой функциональный актуатор. Как показано на фиг. 17А и 17В для напряжений V=0 и V=V1, когда напряжение ниже порогового напряжения, переключатель выключен.

Как показано на фиг. 17С, при пороговом напряжении и выше него, например, при V=V2, переключатель находится в состоянии включения, а функциональный актуатор полностью запитывается этим напряжением.

Контактом между двумя актуаторами обеспечивается контакт их возбуждающих электродов, так что вспомогательный актуатор задерживает приложение напряжения возбуждения к основному актуатору.

На фиг. 18 показана функция смещения для основного актуатора, и можно видеть, что функция смещения имеет резкую отсечку.

Последовательное упорядочение может быть выполнено несколькими различными способами при использовании различных конфигураций актуаторов и геометрий коммутирующих актуаторов. В зависимости от геометрии актуатора, контакт может быть образован с помощью электрода структуры на основе электроактивного полимера или с помощью дополнительной контактной площадки, выполненной на обратной стороне подложки.

Как упоминалось выше, другой способ реализации функции задержки заключается в использовании свойства прилипания.

На фиг. 19 показана реализация, в которой расширение слоя 120 электроактивного полимера является ограниченным, происходящим в плоскости.

Эта конструкция может быть основана на свободно установленном устройстве (как на фиг. 1). Например, два слоя могут быть закреплены на одной стороне и, наоборот, свободны для расширения во всех направлениях.

Слой расположен на подложке 192 и между ними имеется сопротивление трению, которое препятствует относительному скользящему перемещению до тех пор, пока не будет преодолена сила трения.

Таким образом, трение действует как механизм задержки и определяет порог.

Для возбуждения устройства способом, который преодолевает трение, можно использовать схему возбуждения переменным током. Например, для приложения высокочастотной пульсации переменного тока, добавляемой к возбуждающему сигналу постоянного тока для обеспечения относительного скольжения, когда актуатор перемещается из одного положения в следующее положение, используется контроллер 194. Кроме того, следующее положение может сохраняться вследствие трения при снятии приложенного напряжения, так что достигается бистабильный эффект.

Как показано временной зависимостью напряжения на фиг. 19, возбуждение устройства начинается с использования напряжения переменного тока при только небольшом смещении постоянного тока. Электроактивные полимеры приводятся в действие симметрично для положительных и отрицательных напряжений, так что вследствие этого происходит вибрация относительно состояния отсутствия приведения в действие. Это будет приводить к снижению трения и подготовке слоя электроактивного полимера к плавному смещению при приведении в действие, которое происходит сразу после повышения возбуждающего напряжения.

Затем слой электроактивного полимера продолжает деформироваться в течение следующего периода времени, показанного на графике, на котором имеются активные вибрации во время деформирования (наводимые составляющей переменного тока, наложенной на возрастающий уровень напряжения постоянного тока).

Наконец, в следующем коротком периоде времени, когда сигнал переменного тока накладывается на по существу неизменяющийся уровень постоянного тока для обеспечения любой задержки при смещении слоя электроактивного полимера по достижении им конечного состояния, напряжение снимается, и если остаточное трение является достаточным, следствием этого будет сохранение второго стационарного состояния. Впоследствии устройство может быть сброшено приложением всего лишь небольшого сигнала переменного тока для преодоления трения и перевода устройства обратно в его исходное состояние. Следовательно, устройство имеет несколько произвольных стабильных состояний с возможностью сброса. В этом варианте осуществления может быть предпочтительно медленно понижать амплитуду сигнала переменного тока для установки устройства в его наиболее стабильное состояние (с наиболее высоким трением).

В различных вышеописанных примерах представлено по существу актуаторное устройство, которое обладает пороговой функцией.

Вышеприведенные цепи основаны на использовании транзисторов. Хотя свойства тонкопленочных транзисторов из аморфного кремния, имеющих структуру металл-оксид-полупроводник, позволяют устройствам возбуждаться как высокими напряжениями, так и низкими напряжениями с помощью одного и того же коммутирующего тонкопленочного транзистора, имеются другие, более дешевые, активные элементы, такие как диоды, но не использованные в этом случае.

В принципе, можно адресовать устройство на основе электроактивного полимера с помощью последовательно включенных диодов в точке пересечения рядов и столбцов. Однако, поскольку диоды проводят только в одном направлении, снижение состояния активации каждого устройства зависит от функции саморазряда устройства на основе электроактивного полимера. Это может приводить к продолжительным нежелательным временам включения пикселей матрицы.

На фиг. 20 показано коммутирующее устройство, в котором использованы диоды. Первый диод 200 находится между первой адресной линией 202 и первым выводом актуатора 36 на основе электроактивного полимера, а второй диод 204 находится между первым выводом актуатора на основе электроактивного полимера и второй адресной линией 206. Таким образом, диоды включены последовательно в одной и той же полярности между двумя адресными линиями 202, 206. Второй вывод актуатора на основе электроактивного полимера подключен к линии 208 выбора. Первая и вторая адресные линии содержат проводники столбцов, а линия выбора содержит проводник рядов.

Таким образом, имеются первый диод между первой адресной линией и первым выводом актуатора на основе электроактивного полимера и второй диод между первым выводом актуатора на основе электроактивного полимера и второй адресной линией, при этом второй вывод актуатора на основе электроактивного полимера соединен с линией выбора. В этом устройстве используются два диода; один для адресации и другой для деадресации.

Первый диод 200 представляет собой диод адресации для заряда актуатора на основе электроактивного полимера от первой адресной линии, а второй диод 204 представляет собой диод деадресации для разряда актуатора на основе электроактивного полимера во вторую адресную линию (т.е. возбуждения его более низкими напряжениями).

Для ограничения времени включения в зависимости от эксплуатационных требований этой цепью обеспечивается активное снятие возбуждения или деадресация актуатора на основе электроактивного полимера. Это позволяет быстро разряжать актуатор на основе электроактивного полимера (и его накопительный конденсатор, если он имеется).

Как поясняется со ссылкой на фиг. 21, на которой показана матрица 4×4, схема адресации дополняется соответствующей схемой деадресации.

Цепь по фиг. 20 обеспечивают для каждой точки пересечения. Тогда в ней будут по два проводника 202, 206 столбцов для каждого столбца актуаторов, при этом имеются 2m столбцов и n рядов.

В течение каждого цикла ряды адресуют поочередно. При адресации одного ряда актуаторы на основе электроактивного полимера в ряду либо адресуют, либо активно деадресуют.

На фиг. 21 показаны две части цикла адресации, при которой выбирают первый ряд.

На фиг. 21А показаны актуаторы на основе электроактивного полимера, возбуждаемые в первом ряду.

Во время адресации вторые проводники 206 столбцов поддерживают под высоким напряжением (Vh), так что актуаторы не могут разрядиться. К первым проводникам 202 выбранных столбцов также подводят высокое напряжения (Vh), чтобы зарядить актуаторы на основе электроактивного полимера в этих столбцах. В примере по фиг. 21А адресуют все четыре актуатора.

Как показано на фиг. 21В, во время деадресации первые столбцы 202 данных поддерживают под низким напряжением (V1), чтобы при сочетании с напряжением адресной линии первый диод 200 не был проводящим. Вторые диоды 204 выбранных столбцов являются проводящими в результате низкого напряжения (Vd) при разряде, прикладываемого к выбранным вторым проводникам 206 столбцов. Другие вторые проводники столбцов имеют высокое приложенное напряжение (Vh), так что диоды 204 не являются проводящими.

Проводник выбранного ряда имеет приложенное напряжение (Vsel) выбора, а все другие ряды имеют приложенное напряжение (Vns) отсутствия выбора. Как будет пояснено ниже, во время этапов заряда и разряда используют другое напряжение отсутствия выбора. Только при активации ряда деадресации и включении соответствующего второго столбца 206 данных на напряжение (Vd) деактивации актуатор в точке пересечения будет деактивированным (разряженным). Одного низкого напряжения Vd недостаточно для смещения диода 204 в прямом направлении, когда напряжение Vns отсутствия выбора прикладывается к проводнику ряда.

Операции адресации и деадресации выполняют последовательно. Их нельзя выполнять в одно и то же время, поскольку это вызвало бы короткое замыкание между двумя проводниками столбцов.

Например, в зависимости от этапа последовательности возбуждения при напряжении приведения в действие 200 В возможны следующие уровни напряжений: Vh=100 В, V1=-100 В, Vd=-100 В и Vns=+100 В или -100 В.

Одна возможная последовательность возбуждения представляет собой:

1. Заряд.

Выполняют возбуждение адресной линии 208 для адресуемого ряда до Vsel=-100 В.

Возбуждают линии 202 данных до Vh=100 В и линии 206 данных возбуждают до Vh=100 В. Актуаторы в ряду заряжают до 200 В. Линии адреса для невыбранных рядов находятся при Vns=100 В.

2. Разряд.

Выполняют возбуждение адресных линий 208 для невыбранных рядов до Vns=-100 В.

Линии 202 данных возбуждают до V1=-100 В. Поэтому все диоды 200 являются непроводящими, на них имеется либо 0 В, либо обратное смещение 200 В.

Линии 206 данных для разряжаемых актуаторов возбуждают до Vd=-100 В. В таком случае актуаторы в этих рядах разряжаются через диоды 204. Никакие другие актуаторы не подвергаются воздействию.

На фиг. 22 показан еще один пример, в соответствии с которым коммутирующее устройство содержит МИМ-диод 220 (со структурой металл-изолятор-металл), включенный последовательно с актуатором 36 на основе электроактивного полимера между одним проводником 32 столбца и проводником 30 ряда. МИМ-диод демонстрирует диодные характеристики в обоих проводящих направлениях с диапазоном запирания при низких напряжениях.

На фиг. 23 показан еще один пример коммутирующего устройства, которое содержит первый и второй транзисторы 230, 232, включенные последовательно между линией 234 данных и первым выводом актуатора 36 на основе электроактивного полимера, при этом первый транзистор 230 переключается первой адресной линией 32 столбца, а второй транзистор переключается второй, ортогональной адресной линией 30 ряда. Второй вывод актуатора 36 на основе электроактивного полимера подключен к опорному потенциалу Vref. Кроме того, снова показан накопительный конденсатор 38, включенный параллельно актуатору на основе электроактивного полимера. При этом коммутирующее устройство содержит первый и второй транзисторы, включенные последовательно между линией данных и первым выводом актуатора на основе электроактивного полимера. Использование двух транзисторов позволяет реализовать схему автоматического обновления. Этим обеспечивается поддержание состояния приведения в действие без повторной адресации решетки данными.

Устройство возбуждения используется для подачи первого и второго уровней возбуждения в первую и вторую адресные линии и передачи данных в линию данных.

Чтобы адресовать актуатор на основе электроактивного полимера, оба транзистора необходимо адресовать одновременно. Такая операция делает возможной реализацию схемы автоматического обновления с помощью, например, оперативных запоминающих устройств (ОЗУ).

Во всех вышеприведенных примерах с возбудителя может подаваться сигнал данных в виде двухуровневого сигнала (0 В и Vdr). Следствием этого будет наименьшая стоимость интегральных схем возбудителей, упомянутых выше. Однако в иных вариантах осуществления может быть также предпочтительно частично возбуждать актуаторы. Чтобы иметь возможность делать это, можно использовать драйвер данных с несколькими напряжениями данных до Vdr или же можно использовать схему возбуждения с широтно-импульсной модуляцией.

Во всех этих схемах адресации активной матрицы может быть желательно адресовать в один и тот же момент времени несколько рядов актуаторов на основе электроактивного полимера, вследствие чего адресация будет происходить еще быстрее. Этого достигают приложением напряжения адресации к более чем одному ряду актуаторов на основе электроактивного полимера в один и тот же момент времени.

Кроме того, как упоминалось выше, может быть предпочтительно инвертировать полярность напряжения на актуаторах на основе электроактивного полимера через регулярные промежутки времени, тем самым характеристика устройства будет меньше ухудшаться по сравнению со случаем, когда инверсия не используется. Этого можно достигать, например, изменением напряжения на опорном электроде в течение дальнейшего цикла адресации и соответственно адаптацией возбуждающих напряжений.

Как показано выше, в случае возбуждаемого полем устройства электродная структура может содержать электроды на противоположных поверхностях слоя электроактивного полимера. Этим обеспечивается поперечное электрическое поле для регулирования толщины слоя электроактивного полимера. В свою очередь, оно вызывает расширение или сокращение слоя электроактивного полимера в плоскости слоя.

Вместо этого электродная структура может содержать пару комбинированных электродов на одной поверхности слоя электроактивного полимера. Этим обеспечивается электрическое поле в плоскости для непосредственного регулирования размеров слоя в плоскости.

Известны материалы, пригодные для слоя электроактивного полимера. Электроактивные полимеры включают в себя, но не ограничиваются этим, следующие подклассы: пьезоэлектрические полимеры, электромеханические полимеры, релаксорные ферроэлектрические полимеры, электрострикционные полимеры, диэлектрические эластомеры, жидкокристаллические эластомеры, сопряженные полимеры, композиционные материалы на основе ионного полимера и металла, ионные гели и полимерные гели.

Подкласс электрострикционных материалов включает в себя, но не ограничивается этим:

поливинилиденфторид (PVDF), поливинилиденфторид-трифторэтилен (PVDF-TrFE), поливинилиденфторид-трифторэтилен-хлорфторэтилен (PVDF-TrFE-CTE), поливинилиденфторид-трифторэтилен-хлортрифторэтилен (PVDF-TrFE-CTFE), поливинилиденфторид-гексафторпропилен (PVDF-HFP), полиуретаны или их смеси.

Подкласс диэлектрических эластомеров включает в себя, но не ограничивается этим:

акрилаты, полиуретаны, силиконы.

Подкласс сопряженных полимеров включает в себя, но не ограничивается этим:

полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен, поли(p-фениленсульфид), полианилины.

Для оказания влияния на характеристику слоя электроактивного полимера при приложении электрического поля могут быть предусмотрены дополнительные пассивные слои.

Слой электроактивного полимера может быть заключен между электродами. Электроды могут быть выполнены растягиваемыми, чтобы они следовали деформированию слоя электроактивного полимерного материала. Кроме того, известны материалы, пригодные для электродов, и они могут быть выбраны, например, из группы, состоящей из тонких пленок металлов, таких как золото, медь или алюминий, или органических проводников, таких как углеродная сажа, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANI), поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Кроме того, можно использовать металлизированные сложнополиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (PET), покрытый, например, алюминием.

Материалы для различных слоев следует выбирать с учетом, например, модуля упругости (модуля Юнга) различных слоев.

Дополнительные слои, такие как дополнительные полимерные слои, к рассмотренным выше слоям можно использовать для адаптации электрической или механической характеристики устройства.

Устройства на основе электроактивного полимера могут быть возбуждаемыми электрическим полем устройствами или ионными устройствами. Основой ионных устройств могут быть композиционные материалы на основе ионного полимера и металла (IPMC) или сопряженные полимеры. Композиционный материал на основе ионного полимера и металла (IPMC) является синтетическим композиционным наноматериалом, который воспроизводит характеристику искусственной мышцы под действием приложенного напряжения или электрического поля.

Композиционные материалы на основе ионного полимера и металла состоят из ионного полимера, подобного нафиону или флемиону, чьи поверхности покрыты химическим или физическим методом проводящими материалами, такими как платина или золото, либо электродами на основе углерода. При приложенном напряжении миграция и перераспределение ионов, обусловленные напряжением, приложенным к полоске композиционного материала на основе ионного полимера и металла, приводят к изгибному деформированию. Полимер является набухающей в растворителе ионообменной мембраной. Поле вызывает прохождение катионов вместе с водой к катоду. Это приводит к реорганизации гидрофильных кластеров и к расширению полимера. Деформация в катодной области приводит к механическому напряжению в остальной части полимерной матрицы, следствием которого является изгибание к аноду. Изменение приложенного напряжения на обратное изменяет направление изгиба на обратное.

Если нанесенные электроды расположены в несимметричной конфигурации, приложенное напряжение может наводить деформации всех видов, такие как деформация искривления, качения, кручения, поворота и несимметричного изгиба.

Устройство можно использовать как отдельный актуатор или же может быть линия или решетка устройств, например, для обеспечения регулирования двумерного или трехмерного контура.

Изобретение можно использовать во многих системах с электроактивным полимером, включая примеры, в которых имеется представляющая интерес решетка актуаторов с пассивной матрицей.

Во многих применениях основная функция изделия основана на (локальном) воздействии на ткань человека или на приведение в действие контактирующих с тканью средств взаимодействия. При таких применениях актуаторы на основе электроактивного полимера обеспечивают уникальные преимущества, главным образом вследствие небольшого форм-фактора, гибкости и высокой плотности энергии. Поэтому электроактивные полимеры можно легко встраивать в мягкие 3-х мерные и/или миниатюрные изделия и средства взаимодействия. Примерами таких применений являются:

Средства косметического ухода за кожей, такие как устройства для стимулирования кожи в виде основанных на электроактивном полимере кожных пластырей, которые вызывают постоянное или циклическое растяжение кожи для натяжения кожи или для уменьшения морщин;

Дыхательные средства с интерфейсной маской пациента, которая имеет основанную на электроактивном полимере активную упругую прокладку или уплотнение для приложения переменного нормального давления к коже, которое приводит к уменьшению или предотвращению появления красных пятен на лице;

Электрические бритвы с адаптивной бреющей головкой. Высоту соприкасающихся с кожей поверхностей можно регулировать с использованием актуаторов на основе электроактивного полимера, чтобы влиять на баланс между близостью и раздражением;

Устройства для очистки рта, такие как воздушная зубная нить с динамическим форсуночным актуатором для улучшения опрыскивания, особенно в пространствах между зубами. Альтернативно, зубные щетки могут снабжаться приводимыми в действие пучками щетинок;

Устройства бытовой электроники или сенсорные панели, которые обеспечивают локальную тактильную обратную связь через решетку преобразователей на основе электроактивного полимера, которая встроена в пользовательский интерфейс или находится вблизи него;

Катетеры с регулируемым наконечником для обеспечения легкой навигации в извилистых кровеносных сосудах.

Еще одна категория релевантной области применения, в которой достигаются преимущества от использования актуаторов на основе электроактивного полимера, имеет отношение к модификации света. Оптические элементы, такие как линзы, отражающие поверхности, дифракционные решетки и т.д., могут быть сделаны адаптивными путем изменения формы или положения при использовании актуаторов на основе электроактивного полимера. В данном случае преимущества от использования актуаторов на основе электроактивного полимера заключаются, например, в низком энергопотреблении.

Другие изменения к раскрытым вариантам осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при применении заявленного изобретения на практике, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества. То факт, что некоторые меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер не может использоваться с преимуществом.

Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует интерпретировать как ограничивающие объем.

1. Актуаторное устройство, содержащее:

- решетку с активной матрицей, содержащую множество рядов и столбцов актуаторов (36) на основе электроактивного полимера, набор линий (32) данных и набор адресных линий (30);

- соответствующее коммутирующее устройство (34), ассоциированное с каждым актуатором на основе электроактивного полимера, при этом коммутирующее устройство содержит вход, который соединен с соответствующей линией (32) данных, затвор, который соединен с соответствующей адресной линией, и выход, который соединен с первым выводом ассоциированного актуатора (36) на основе электроактивного полимера, при этом второй вывод каждого актуатора на основе электроактивного полимера соединен с линией управления; и

- драйвер для подачи сигналов возбуждения, которые содержат по меньшей мере первый и второй уровни возбуждения для приложения на линии данных и третий и четвертый уровни возбуждения для приложения на линию управления.

2. Актуаторное устройство по п. 1, в котором решетка содержит множество подрешеток и имеется совместно используемая линия управления для каждой подрешетки, при этом каждая подрешетка содержит, например, ряд актуаторов на основе электроактивного полимера.

3. Актуаторное устройство по п. 1, в котором имеется совместно используемая линия управления для всех актуаторов на основе электроактивного полимера.

4. Актуаторное устройство по любому предшествующему пункту, в котором актуаторы на основе электроактивного полимера имеют пороговое напряжение, ниже которого имеется минимальное приведение в действие, и максимальное напряжение возбуждения, при котором имеется полное приведение в действие.

5. Актуаторное устройство по п. 4, в котором первый и третий уровни возбуждения составляют 0 В, а четвертый уровень возбуждения составляет напряжение, которое выше напряжения второго уровня возбуждения.

6. Актуаторное устройство по п. 5, в котором напряжение четвертого уровня возбуждения представляет собой максимальное напряжение возбуждения, а разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения равна пороговому напряжению или меньше него.

7. Актуаторное устройство по п. 5, в котором напряжение четвертого уровня возбуждения является отрицательным напряжением, величина которого равна пороговому напряжению или меньше него, а напряжение второго уровня возбуждения является таким положительным напряжением, что разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения равна максимальному напряжению возбуждения.

8. Актуаторное устройство по любому предшествующему пункту, в котором коммутирующее устройство содержит транзистор, например, тонкопленочный транзистор, например, поликремниевый транзистор, транзистор из аморфного кремния или транзистор из полупроводникового оксида.

9. Способ приведения в действие актуаторного устройства, которое содержит решетку с активной матрицей из рядов и столбцов актуаторов на основе электроактивного полимера, при этом каждый актуатор на основе электроактивного полимера имеет коммутирующее устройство (34), ассоциированное с каждым актуатором на основе электроактивного полимера, при этом коммутирующее устройство содержит вход, который соединен с соответствующей линией (32) данных, затвор, который соединен с соответствующей адресной линией, и выход, который соединен с первым выводом ассоциированного актуатора (36) на основе электроактивного полимера, при этом второй вывод каждого актуатора на основе электроактивного полимера соединен с линией управления, при этом способ содержит этапы, на которых:

- устанавливают все электроактивные полимеры в состояние отсутствия приведения в действие, используя третий уровень возбуждения, поданный на ассоциированные линии управления;

- возбуждают все актуаторы на основе электроактивного полимера в первое состояние путем подачи первого уровня возбуждения на ассоциированные линии данных и четвертого уровня возбуждения на ассоциированные линии управления; и

- до достижения актуаторами на основе электроактивного полимера первого состояния, возбуждают выбранные актуаторы на основе электроактивного полимера во второе состояние путем приложения второго уровня возбуждения на ассоциированные линии данных.

10. Способ по п. 9, в котором актуаторы на основе электроактивного полимера имеют пороговое напряжение, ниже которого имеется минимальное приведение в действие, и максимальное напряжение возбуждения, при котором имеется полное приведение в действие.

11. Способ по п. 10, в котором первое состояние является состоянием приведения в действие, а второе состояние является состоянием отсутствия приведения в действие.

12. Способ по п. 11, в котором первый и третий уровни возбуждения составляют 0 В, а четвертый уровень возбуждения составляет напряжение, которое выше напряжения второго уровня возбуждения.

13. Способ по п. 12, в котором напряжение четвертого уровня возбуждения представляет собой максимальное напряжение возбуждения, а разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения равна пороговому напряжению или меньше него.

14. Способ по п. 10, в котором первое состояние является состоянием отсутствия приведения в действие, а второе состояние является состоянием приведения в действие.

15. Способ по п. 14, в котором напряжение четвертого уровня возбуждения является отрицательным напряжением, величина которого равна пороговому напряжению или меньше него, а напряжение второго уровня возбуждения является таким положительным напряжением, что разность между напряжениями второго и четвертого уровней возбуждения равна максимальному напряжению возбуждения.