可控聚合物致动器的制造方法
【专利摘要】可控聚合物致动器（1），包括：介电弹性膜（2）；第一可变形电极（3）和第二可变形电极（4），该第一和第二可变形电极布置在介电弹性膜的相对侧上以使得电极之间的电压施加导致可控聚合物致动器的活动部分（7）改变形貌。可控聚合物致动器（1）还包括连接至介电弹性膜的变形控制层（5，6）。变形控制层至少在局部比介电弹性膜的刚度更高，并且跨越活动部分（7）表现出空间上变化的刚度。这可允许利用之前已知的可控聚合物致动器根本不能实现的表面形貌，和/或可允许用更简单的电极图案和/或更少的独立可控的电极实现某种表面形貌。
【专利说明】可控聚合物致动器
【技术领域】
[0001]本发明涉及可控聚合物致动器和制造这种可控聚合物致动器的方法。
【背景技术】
[0002]聚合物致动器或者电活性聚合物(EAP)提供了生成薄膜致动表面的唯一可能性。这可用于许多不同的应用，例如，可控光学元件、所谓的电子肌肉和其中利用可控的表面形貌来修正表面的外观和/或触觉属性的应用。
[0003]聚合物致动器一般包括夹在两个可变形电极之间的介电弹性膜。当在电极之间施加电压时，产生力图将电极推得相互更加靠近的静电力。在发生这种情形时，电极之间的介电弹性膜部分被压缩直到压力与静电力平衡，此时介电弹性膜已经(至少局部地)变得更薄。由于介电弹性膜的不可压缩性，所以局部厚度的减少转化为聚合物致动器的另一尺寸的变化。通过适当地选择电极几何形状并控制电极之间所施加的电压，聚合物致动器的表面形貌可以通过在电极之间应用介电弹性膜来控制。然而，表面形貌的控制受介电弹性膜的属性和电极的配置的限制。
[0004]为了扩大可控范围，至少在幅度方面的范围，US 2008/0289952公开了在由介电弹性膜和控制电极形成的堆叠体的一侧或者两侧的上方设置钝化层。为了放大平面外的变形并形成更加可见的表面特征，钝化层比介电弹性膜更软。
[0005]尽管US 2008/0289952提供了增加的平面外变形的控制范围，但是根据US2008/0289952的聚合物致动器仍然局限于通过电极几何形状控制变形的位置，这使得实现
某些表面形貌变得困难和/或复杂。
【发明内容】
[0006]鉴于现有技术中的上述缺陷和其它缺陷，本发明的总体目标是提供改进的可控聚合物致动器，尤其是便于控制可控聚合物致动器的表面形貌。
[0007]根据本发明的第一方面，提供了一种可控聚合物致动器，包括:介电弹性膜；位于介电弹性膜的第一侧上的第一可变形电极；和位于介电弹性膜的第二侧上的与第一可变形电极至少部分地相对的第二可变形电极，第一和第二可变形电极布置成使得电极之间的电压施加导致可控聚合物致动器的活动部分变成改变形貌，其中可控聚合物致动器还包括连接至介电弹性膜的变形控制层，变形控制层至少在局部比介电弹性膜的刚度更高，并且跨越活动部分以刚度图案表现出空间上变化的刚度，所述刚度图案被配置成在电极之间施加电压时控制活动部分的曲率。
[0008]在本申请的上下文中，变形控制层被“连接至”介电弹性膜应当被理解为意味着在变形控制层和介电弹性膜之间存在直接或间接的机械连接，使得作用在介电弹性膜上的力导致作用在变形控制层上的力。
[0009]变形控制层的“刚度”由变形控制层的厚度和材料属性(尤其是弹性模量)确定。
[0010]应当注意，“刚度图案”不需要为重复的结构，而是可以为具有不同刚度的各部分的不规则图案。
[0011]本发明是基于以下认识:通过提供具有空间上变化(跨越可控聚合物致动器的表面)的刚度的可控聚合物致动器能够实现可控聚合物致动器的表面形貌的改进控制，这样使得介电弹性膜的材料的给定位移导致由针对空间上变化的刚度选择的图案所确定的曲率。本发明人已经进一步意识到，通过提供具有比介电弹性膜更高的刚度并且跨越可控聚合物致动器的活动部分表现出空间上变化的刚度的变形控制层，可有利地实现这种空间上变化的刚度。
[0012]利用变形控制层，为工程师提供了设计可控聚合物致动器的又一设计工具，以用于在向可变形电极之间施加电压时实现期望的表面形貌。这可允许利用之前已知的可控聚合物致动器根本不能实现的表面形貌，和/或可允许用更简单的电极图案和/或更少的独立可控的电极实现某种表面形貌。因此，本发明的各种实施例提供了增加的功能性和/或降低的成本和复杂性。通过提供变形控制层，牺牲了一些变形以用于形貌的更大控制。这一点在可控聚合物致动器为可控光学元件的应用中可能尤其重要，因为在这种设备中曲率/形貌的小的变化可对光学性能产生大的影响。
[0013]根据本发明的不同实施例，可控聚合物致动器可在光学上至少部分地透明，使得其能够用作通过在可变形电极之间施加电压而可在光学状态之间切换的可控光学元件。为此，至少介电弹性膜和变形控制层可以是在光学上透明的。有利的是，可变形电极也可以是在光学上透明的。
[0014]可以不同方式实现变形控制层的空间上变化的刚度。例如，变形控制层可表现出空间上变化的厚度，从而实现所述空间上变化的刚度。
[0015]根据一个实施例，变形控制层可被提供为有图案的层，该有图案的层具有第一厚度的第一组部分和不同于第一厚度的第二厚度的第二组部分。例如，变形控制层可以以第二厚度基本为零的图案设置，这意味着局部平均刚度由第一组部分的局部平均表面覆盖度确定。
[0016]根据各种实施例，上面提到的活动部分可基本由至少一个可变形电极的至少一个边缘限定。在这些实施例中，可变形电极之间的电压施加将导致可变形电极之间的介电弹性膜被压缩，这将导致靠近可变形电极的边缘的介电弹性膜的厚度增加。
[0017]在这些实施例中的一些实施例中，变形控制层可表现出基本垂直于至少一个可变形电极的至少一个边缘的刚度梯度。
[0018]由此，可确保变形控制层的曲率控制与在可变形电极之间施加电压所导致的变形操作一致，这提供了可控聚合物致动器的表面形貌的改进控制。
[0019]而且，变形控制层可表现出随着距至少一个可变形电极的至少一个边缘的距离的增加而降低的刚度。由此，可实现可控聚合物致动器的受控曲率，这对于光学应用尤其有用。
[0020]替换性地，可变形电极可均匀地覆盖整个活动部分，并且在向可变形电极之间施加电压时活动部分的配置实际上专门由变形控制层的刚度图案控制。
[0021]变形控制层可布置在还包括介电弹性膜和可变形电极的可控聚合物致动器堆叠体中的任何地方。
[0022]在可控聚合物致动器的制造中可能最直接的是，在介电弹性膜和第一和/或第二可变形电极之间设置变形控制层，或者在第一和/或第二可变形电极的上方设置变形控制层。
[0023]然而，在介电弹性膜的内部设置变形控制层可能是有利的，因为这样可减少由变形控制层导致的光学散射。例如，通过在第一介电弹性片上设置变形控制层然后将变形控制层夹在第一介电弹性片和第二介电弹性片之间，可在介电弹性膜的内部设置变形控制层。
[0024]而且，根据各种实施例，可控聚合物致动器可包括布置在介电弹性膜的第一侧上的第一变形控制层和布置在介电弹性膜的与第一侧相对的第二侧上的第二变形控制层。为了实现可控聚合物致动器的对称表面形貌，第一和第二变形控制层可基本相同，或者第一和第二变形控制层可不同，以实现可控聚合物致动器的不同侧上的不同曲率。
[0025]另外，可控聚合物致动器还可包括边框结构，其被布置成在可变形电极之间施加电压时保持可控聚合物致动器的横向尺寸基本恒定。由此，可实现表面形貌的改进控制。边框结构例如可被设置为外部结构(夹片框)。
[0026]根据本发明的第二方面，提供了一种制造可控聚合物致动器的方法，包括以下步骤:提供聚合物致动器堆叠体，该聚合物致动器堆叠体包括介电弹性膜；位于介电弹性膜的第一侧上的第一可变形电极；和位于介电弹性膜的第二侧上的与第一可变形电极至少部分地相对的第二可变形电极，第一和第二可变形电极被布置成使得电极之间的电压施加导致聚合物致动器堆叠体的活动部分变得更厚；以及提供与聚合物致动器堆叠体连接的变形控制层，变形控制层比介电弹性膜的刚度更高并且跨越活动部分以图案表现出空间上变化的刚度，所述图案被配置成在向电极之间施加电压时控制活动部分的曲率。
[0027]通过根据空间上变化的图案对聚合物材料的喷墨印刷，可有利地提供变形控制层。
[0028]本发明的该第二方面的变型和优势在很大程度上类似于上文提供的与本发明的第一方面有关的变型和优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]现在，将参照附图更加详细地说明本发明的这些和其它方面，附图示出了本发明的当前优选的实施例，其中:
图1为根据本发明的示例性实施例的可控光学元件形式的可控聚合物致动器的透视
图；
图2为图1中的可控光学元件的示意性俯视图；
图3a和3b分别为说明可控光学元件处于关断状态和接通状态的沿着图2中的线A-A’截取的截面的局部截面图；
图4为说明可控光学元件处于接通状态的沿着图2中的线B-B’截取的截面的部分截面图；
图5示意性说明了根据本发明的用于可控聚合物致动器的不同实施例的变形控制层的第一组示例性图案；
图6示意性说明了根据本发明的用于可控聚合物致动器的不同实施例的变形控制层的第二组示例性图案； 图7示意性说明了根据本发明的用于可控聚合物致动器的不同实施例的变形控制层的第三组示例性图案；以及
图8示意性说明了根据本发明的用于可控聚合物致动器的不同实施例的变形控制层的第四组示例性图案。
【具体实施方式】
[0030]在下面的说明书中，结合包括在光学上透明的可控聚合物致动器堆叠体的可控光学元件来说明本发明。
[0031]应当注意，这绝不是限制本发明的范围，本发明可同样地应用于其它可控聚合物致动器，例如，对于触觉应用和/或可控地形成反射性图案可能是有用的可控聚合物致动器。
[0032]图1示意性地示出了透镜阵列形式的可控光学元件1，透镜阵列至少在平坦状态和透镜状态之间可控，如图1中示意性地示出。可控光学元件I包括介电弹性膜2、第一可变形电极3、第二可变形电极4、第一变形控制层5和第二变形控制层6。第一可变形电极3和第二可变形电极4设置在介电弹性膜2的相对侧上。如图1中示意性地示出，当利用电压源(图1中未示出)在第一可变形电极3和第二可变形电极4之间施加电压时，静电力将导致第一可变形电极3和第二可变形电极4之间的介电弹性膜被压缩。第一变形控制层5和第二变形控制层6中的每个都比介电弹性膜2刚度更高，并跨越可控光学元件I的活动部分7 (为了避免弄乱附图，图1中仅示出了一个活动部分)表现出在空间上变化的刚度。如图1中示意性地示出的，可控光学元件I还包括布置成固定介电弹性膜2的外周边的边框8。
[0033]正如在下文将要更加详细说明的，第一变形控制层5和第二变形控制层6的空间上变化的刚度被提供为刚度图案的形式，该刚度图案被配置成在第一可变形电极3和第二可变形电极4之间施加电压时控制活动部分7的曲率。在图1中的示例性可控聚合物致动器中，第一变形控制层5和第二变形控制层6的刚度图案是相同的，但是对于不同的实施例，刚度图案可以是不同的。
[0034]图2为从图1中的可控光学元件I的顶部看过去的平面示意图，在图2中，通过空间上变化的图案说明第一变形控制层5的配置，其中亮区指示较高的刚度，并且暗区指示较低的刚度。
[0035]在第一可变形电极3和第二可变形电极4之间施加电压时，(多个)活动部分(7)的曲率将由第一变形控制层5和第二变形控制层6的(多个)图案确定。现在将结合图3a-b和图4进一步说明这一点。
[0036]图3a_b为沿着图2中的线A-A’截取的截面的可控光学元件I的示意性局部横截面图。图3a示出了处于“关断状态”(第一可变形电极3和第二可变形电极4之间未施加电压时)下的可控光学元件1，并且图3b示出了 “接通状态”(第一可变形电极3和第二可变形电极4之间施加电压时)下的可控光学元件I。
[0037]在关断状态，没有作用在第一可变形电极3和第二可变形电极4之间的静电力，这意味着光学元件I将不发生变形，如图3a中示意性地示出。
[0038]在接通状态，当电压施加在第一可变形电极3和第二可变形电极4之间时，静电力(由图3b中的箭头指示)将第一可变形电极3和第二可变形电极4 一起拉动，直到静电力与介电弹性膜2的变形所产生的力平衡。这将导致材料从第一可变形电极3和第二可变形电极4之间的介电弹性膜的部分向活动部分7移动。正如图3b中示意性示出的，并且正如下文将结合图4进一步说明的，变形控制层5、6的配置将确定活动部分7的曲率。
[0039]图4为沿着图2中的线B-B’截取的截面的可控光学元件I的示意性局部横截面图，正如图4中示意性地示出的，活动部分7沿着图2中的线B-B’的曲率不是均匀的，而是由第一变形控制层5和第二变形控制层6的配置或图案确定。
[0040]凭借图1和图2中指示的刚度图案，通过在一个维度上延伸的电极3、4之间的电压施加，可在两个维度上控制可控聚合物致动器的表面形貌。为了实现其它类型的表面形貌，可利用其它的刚度图案。现在，将结合图5、图6、图7和图8简要说明刚度图案的不同实例。
[0041]在图5中，示出了两个不同的示意性实例，其中通过提供具有减小的宽度的楔形图案10a-b，刚度在该图中从左到右降低。
[0042]在图6中，示出了三个不同的示意性实例，其中通过提供利用宽度减小的线条形成的网格图案Ila-c，刚度在该图中从左到右降低。
[0043]在图7中，示出了三个不同的示意性实例，其中通过提供具有减小的密度的图案12a_c，刚度在该图中从左到右降低。
[0044]最后，图8示意性示出了表现出圆对称性的刚度图案13a_b的两个实例。
[0045]另外，在实践要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员可理解和实现所公开的实施例的变形。例如，可以其它方式实现刚度图案，例如通过提供聚合物层并用UV光辐射期望的图案以局部增加受辐射的部分中的刚度。而且，其它的图案包括非周期性结构。此外，不同层中的每个层可包括多个子层，并且不同层可包括具有不同弹性模量的不同部分或分段。
[0046]在权利要求中，词语“包括”并不排除其它的元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。某些手段被记载在相互不同的从属权利要求中的这一简单事实并不表明不能有益地利用这些手段的组合。
【权利要求】
1.一种可控聚合物致动器(I)，包括: 介电弹性膜(2)， 位于介电弹性膜的第一侧上的第一可变形电极(3)，和 位于介电弹性膜的第二侧上的与第一可变形电极至少部分地相对的第二可变形电极(4)， 其中第一和第二可变形电极布置成使得第一和第二可变形电极之间的电压施加导致可控聚合物致动器的活动部分(7)改变形貌， 其中可控聚合物致动器(I)还包括: 连接至介电弹性膜的变形控制层(5，6 )， 其中变形控制层至少在局部比介电弹性膜的刚度更高，并且 其中变形控制层跨越活动部分(7)以刚度图案表现出空间上变化的刚度，所述刚度图案被配置成在第一和第二可变形电极之间施加电压时控制活动部分的曲率。
2.根据权利要求1所述的可控聚合物致动器(I)，所述可控聚合物致动器在光学上是透明的，使得所述可控聚合物致动器通过电极之间的电压施加可在光学状态之间切换。
3.根据权利要求1或2所述的可控聚合物致动器(1)，其中变形控制层(5，6)表现出空间上变化的厚度，从而实现空间上变化的刚度。
4.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的可控聚合物致动器(1)，其中活动部分(7)基本上由可变形电极(3，4)中的至少一个可变形电极的至少一个边缘限定。
5.根据权利要求4所述的可控聚合物致动器(I)，变形控制层(5，6)表现出基本垂直于至少一个可变形电极的至少一个边缘的刚度梯度。
6.根据权利要求4或5所述的可控聚合物致动器(I)，其中变形控制层(5，6)表现出随着距至少一个可变形电极的至少一个边缘的距离的增加而降低的刚度。
7.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的可控聚合物致动器(1)，其中变形控制层(5,6)布置在介电弹性膜的内部。
8.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的可控聚合物致动器(I)，包括布置在介电弹性膜(2)的第一侧上的第一变形控制层(5)和布置在介电弹性膜的与第一侧相对的第二侧上的第二变形控制层(6)。
9.根据权利要求8所述的可控聚合物致动器(1)，其中第一变形控制层(5)根据第一图案表现出空间上变化的刚度，并且第二变形控制层(6)根据不同于第一图案的第二图案表现出空间上变化的刚度。
10.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的可控聚合物致动器(I)，还包括边框结构(8)，所述边框结构布置成在可变形电极之间施加电压时保持可控聚合物致动器的横向尺寸基本恒定。
11.一种制造可控聚合物致动器(I)的方法，包括以下步骤: 提供聚合物致动器堆叠体，该聚合物致动器堆叠体包括:介电弹性膜(2);位于介电弹性膜的第一侧上的第一可变形电极(3);和位于介电弹性膜的第二侧上的与第一可变形电极至少部分地相对的第二可变形电极(4)，第一和第二可变形电极被布置成使得电极之间的电压施加导致聚合物致动器堆叠体的活动部分(7)改变形貌；和 提供与聚合物致动器堆叠体连接的变形控制层(5，6)，变形控制层比介电弹性膜的刚度更高并且跨越活动部分以图案表现出空间上变化的刚度，所述图案被配置成在向电极之间施加电压时控制活动部分的曲率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中通过根据空间上变化的图案对聚合物材料的喷墨印刷来提供变形控制层。
【文档编号】H01L41/45GK103999248SQ201280063838
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年12月18日 优先权日:2011年12月21日
【发明者】W.瓦格曼斯, D.布罗克肯, F.M.H.克罗姆普沃伊特斯 申请人:皇家飞利浦有限公司