基于电活性聚合物的致动器或传感器设备的制作方法

本发明涉及利用电活性聚合物的致动器或传感器设备。

背景技术：

电活性聚合物（eap）是电响应材料的领域内的新兴类别的材料。eap可作为传感器或致动器来工作，并可容易地制造成各种形状，以允许容易地集成到各种系统内。

在过去的十年中，已经发展了具有已明显提高的特性（诸如致动应力和应变）的材料。技术风险已经减小到对于产品开发而言的可接受水平，使得eap在商业上和技术上变得日益引起兴趣。eap的优点包括低功率、小形状因数、柔韧性、无噪声操作、准确度、高分辨率的可能性、快速响应时间和循环致动。

eap材料的提高的性能和特定的优点导致了对新应用的适用性。

eap设备可在期望部件或特征的少量运动的任何应用中使用，所述运动基于电致动。类似地，该技术可用于感测小运动。

与普通致动器比较，由于相对大的变形和小体积中的力或细的形状因数的组合，eap的使用允许实现以前不可能的功能，或提供优于普通传感器/致动器解决方案的大优势。eap还给出了无噪声操作、准确的电子控制、快速响应和大范围的可能的致动频率，诸如0–20khz。

使用电活性聚合物的设备可被细分成场驱动和离子驱动的材料。

场驱动eap的示例是电介质弹性体、电致伸缩聚合物（诸如聚偏氟乙烯基的弛豫聚合物或聚亚安酯）和液晶弹性体（lce）。

离子驱动eap的示例是共轭聚合物、碳纳米管（cnt）聚合物复合物和离子聚合物金属复合物（ipmc）。

场驱动eap由电场通过直接机电耦合致动，而离子eap的致动机制涉及离子的扩散。这两个类别都具有多个家族成员，其各自具有它们自己的优点和缺点。

图1和2示出eap设备的两种可能的操作模式。

设备包括电活性聚合物层14，其夹置于位于该电活性聚合物层14的相对两侧上的电极10、12之间。

图1示出未被夹住的设备。电压用于使电活性聚合物层如所示出地在所有方向上扩张。

图2示出设计成使得扩张只在一个方向上产生的设备。该设备由载体层16支撑。电压用于使电活性聚合物层被弯曲或成曲线。

这种运动的性质例如产生于致动时扩张的有源层和无源载体层之间的交互作用。为了得到如所示出的绕着轴的不对称弯曲，可例如应用分子取向（膜拉伸），以促使一个方向上的运动。

在一个方向上的扩张可能源自eap聚合物中的非对称性，或它可能源自载体层的属性中的非对称性，或这两者的组合。

eap设备的形状的扩张和随之发生的运动或变化在很多情况下用于将致动力传递到外部部件。根据外部部件的性质，所需的力将改变。在一些情况下，由具有单个eap层的设备传递的力对于想要的目的来说可能不足够。

增加电活性聚合物弯曲致动器的力的方法是已知的。例如，通过使致动器更厚，力（以及电压）增加。然而，这还导致增加的内部应力和硬度，其将因此伴随着减小的偏移距离。

还已知将多个单独的eap元件层压在叠层中。由较厚的叠层传递的力增加，但不需要电压的增加。然而，再次，作为扩大的总厚度的结果，内部应力水平变得更大，这减小了致动器行程。朝着致动器叠层的表面，eap层（或者背衬材料或电极）中的拉应力和压应力变得更大。这些内部应力减小致动器的效率，使得存在较低的有用的能量传递（这可由致动力x致动行程表示）。

因此存在对于这样的致动器设计的需要：其允许实现所传递力的增加，但没有减小的效率和因此能量传递的问题。类似地，效率的增加可以允许响应于传感器应用的外加力的更高效的信号产生。

技术实现要素：

本发明的一目的是至少部分地满足前面提到的需要。该目的利用如独立权利要求所定义的本发明来达到。从属权利要求提供有利的实施例。

根据依照本发明的方面的示例，提供了一种用于感测弯曲的传感器设备或弯曲致动器设备，其包括：

电活性聚合物单元的叠层，每个电活性聚合物单元包括至少一个电活性聚合物层和控制电极，控制电极用于驱动电活性聚合物层使得它响应于施加到驱动电极的驱动信号而变形，或用于感测响应于电活性聚合物层的变形而产生的信号，

其中叠层中的相邻电活性聚合物单元相对于彼此可滑动。

这个布置允许实现总致动力的增加而不需要增加的驱动电压，且它还避免应力聚集的问题。在弯曲期间，相对滑动发生在相邻的电活性聚合物单元之间的界面处，从而避免应力聚集，并且允许实现电能到机械能的更高效的转换，或针对将机械输入转换成电感测信号的提高的传感器功能。

在第一布置中，电活性聚合物单元与相邻的电活性聚合物单元堆叠在一起，彼此摩擦接触。这个摩擦接触可允许单元的相对滑动，且这个相对滑动减轻了单元中的应力，如上面提到的。因此，定义层压结构，但是在层压体中的层之间没有固定耦合件。替代地，使用机械耦合件，其在堆叠方向上将单元夹在一起，但允许滑动运动。

每个单元可例如包括位于电活性聚合物层的相对两侧上的电极，其中驱动电极由低摩擦、弹性或粘性材料层形成。通过选择电极层的适当材料，彼此接触的单元的堆叠可给出单元之间的低摩擦界面。

替代地，在电活性聚合物单元的每个相邻对之间可以有附加的摩擦减小层。这使得，在叠层中的相邻单元之间，摩擦能够被减小，同时使常规材料能够用于单独的eap单元。

在一组示例中，摩擦减小层可以是独立式的，或否则它可以在一侧上接合到电活性聚合物单元。这给出了相对滑动在该处发生的摩擦减小层的任一表面，或者相对滑动可在两个表面上发生。摩擦减小层然后典型地包括固体材料层。

这个固体材料层可例如包括ptfe、含氟聚合物、织物、流体、胶体、泡沫或箔。

在另一组示例中，摩擦减小层在每一侧上接合到电活性聚合物单元，且摩擦减小层包括弹性层或粘性材料层。

以这种方式，叠层接合在一起（这可例如避免需要另外的机械耦合件），但摩擦减小层允许它的相对两面之间的相对滑动（在堆叠方向上）。摩擦减小层的材料内的切应力因此被允许。

在另一布置中，摩擦减小层包括间隔物装置。这避免了在单元的大部分区域之上的单元之间的接触。间隔物装置具有定位成避免接触并允许相对滑动的间隔物。

在所有示例中，在电活性聚合物单元之间可提供机械耦合件，其在堆叠方向上固定相对位置，但允许平面内方向上的相对运动。

设备还可包括用于设置叠层的平面内位置的保持器。可使用这个保持器来代替向叠层提供刚性固定，使得叠层的弯曲不被约束。例如，可以有在叠层四周围的横向空间，使得叠层具有约束量的平面内运动，但在垂直（即堆叠）方向上具有最大行程和力传递或力感测能力。

保持器可包括具有凹部的壳体，单元的叠层位于凹部内。盖可设置在单元的叠层之上，其形成设备的输入或输出界面。单元的叠层可例如夹置在凹部的底部和盖之间，而没有叠层的单元之间的物理连接。

设备例如包括弯曲致动器。由设备传递的力通过具有多个堆叠的致动器而增加。

附图说明

现在将参考附图详细地描述本发明的示例，在附图中：

图1示出了未被夹住的已知电活性聚合物设备；

图2示出了由背衬层约束的已知电活性聚合物设备；

图3示出了eap致动器设备的第一示例；

图4示出了显示图3的设备相比于构成设备的单独致动器的机械性能的曲线图；

图5（a）到（d）示出了在一般轮廓中堆叠致动器的四种不同的可能方式，以及图5（e）更详细地示出一个示例；

图6示出eap致动器设备的第二示例；

图7示出eap致动器设备的第三示例；

图8示出eap致动器设备的第四示例；

图9示出eap致动器设备的第五示例；

图10示出eap致动器设备的第六示例；以及

图11示出平面内电极布置。

具体实施方式

本发明提供包括电活性聚合物单元的叠层的电活性聚合物致动器或传感器设备。单元设计成弯曲，即产生或感测在堆叠层的平面之外、即在堆叠方向上的变形。叠层中的相邻电活性聚合物单元（即单独的致动器或传感器单元）相对于彼此可滑动。在致动器的情况下，这意味着允许实现增加的致动力而不需要增加的驱动电压，且它还通过允许叠层中的单独致动器之间的滑动来避免应力聚集的问题。被允许的滑动运动是在垂直于堆叠方向的平面内方向上。例如在致动器弯曲时，需要这个相对滑动运动，因为叠层内的不同水平将经历不同的弯曲半径和/或弧长。作为结果，通过允许层之间的相对切运动，避免层中的应力的聚集。

可滑动的布置意味着不同的单元在平面内方向上没有刚性地接合在一起。

现在将参考各种致动器设计来描述本发明。然而，相同的结构特征还可用作传感器。因此，下面的示例使用致动器的叠层，但更通常地，这些是可以是致动器单元或传感器单元的eap“单元”。

图3示出包括三个致动器30、32、34的第一布置，所述三个致动器被堆叠起来，彼此物理摩擦接触。每个致动器包括如上解释的层结构10、12、14，其可选地包括载体（背衬）层，不过这没有在图3中示出。

致动器是弯曲致动器，其在平坦状态（以实线示出）和弯曲状态（以虚线示出）之间变形。平坦状态实际上不需要是平坦的，且它也可以具有有着比弯曲状态大的曲率半径的弯曲。为了表示的容易，在下面的一些示例中（特别是图6到10中），只图示出平坦状态。为了避免疑惑，本文中的所有示例都是弯曲致动器。

摩擦接触允许致动器的相对滑动，且这个相对滑动减轻了致动器中的应力。因此，定义层压结构，但在层压体中的层之间没有固定耦合件。替代地，使用机械耦合件（未在图3中示出），其在堆叠方向上将致动器夹在一起，但允许垂直的、平面内方向上的滑动运动。

这个机械耦合件可包括在堆叠方向上延伸的连接。例如，中心连接零件可固定不同致动器的平面内相对位置，使得变形时致动器移动的方式约束于对称的方式。

可选地，可在壳体内提供致动器的叠层，壳体固定叠层的致动器的横向位置。

已经测试图3的结构以比较致动力，其可利用可由构成结构的单独单元实现的致动力来制造。

图4示出所产生的致动力（y轴）与位移（x轴）的标绘图。位移被测量为与平坦的偏差（即，与平坦的最大高度差偏差）。

标绘线40、42和44针对三个单独的致动器响应。标绘线46针对组合致动器。标绘线48基于预期响应的理论计算。

所有测量都是在250伏处。电活性聚合物可用于产生最大力，但这对应于无位移的条件。可选地，可得到最大位移，但是然后它不能产生力。因此，在每个位移（弯曲致动器的高度）处，致动器可以在那个位置抵着力测量探针而产生的力被测量。这可通过非常轻微地弯曲致动器、然后增加外力直到eap开始变形来确定，直到它达到它的平坦状态为止。以这种方式得到零弯曲高度下的最大力。施加到eap的外力然后逐渐减小，且eap开始弯曲。以那种方式，总是在相同的驱动电压下测量每个高度处的力。

总致动力是单独致动器的力的和。每个致动器元件包括eap层（其本身可包括多个子层）、电极层和背衬载体层。

图3示出每个致动器在电活性聚合物层的相对两侧上具有驱动电极10、12，且这些驱动电极彼此接触。

在这样的情况下，在相邻电极上的电压需要是相同的。因为eap致动相对于所施加电压的极性是对称的，施加到相邻层的电压可能实际上是相同的，同时仍然驱动所有单元。例如，底电极可被设置到+120v，下一结处的电极对可被设置到-120v，下一结处的电极对可被设置到+120v，依此类推。因此，不需要在相邻的电极之间提供电绝缘。

可使在eap设备中使用的标准电极材料接触，以定义摩擦（但非接合）界面。然而，电极可以替代地由低摩擦、弹性或粘性材料层形成。通过为电极层选择适当材料，彼此接触的致动器的堆叠可在致动器之间给出较低的摩擦界面。

图5示出用于与接合的层压结构比较的三个可能的配置。

图5（a）示出接合在一起的两个致动器（每个致动器具有载体层、两个电极层和eap层）。（如虚线示出的）它们作为一单元而变形，这在大半径外表面处引起大的拉应力，并且在较小半径内表面处引起大的压应力。

图5（b）示出松散地堆叠的两个致动器（再次，每个致动器具有载体层、两个电极层和eap层）。每个致动器以相对滑动独立地变形。

图5（c）示出图5（b）的两个致动器可在一个位置处（例如中间）固定在一起。

图5（d）示出图5（b）的两个致动器可固定在腔中以约束任何横向运动。

图5（e）更详细地示出图5（d）的实现方式。

腔50是保持器51中的凹部，其用于设置叠层的平面内位置。这避免了需要对每个单元的eap层14的（在平面内方向上的）任何刚性固定，使得叠层的弯曲不被约束。例如，在腔50内的叠层中的eap层14（和电极层）的四周围存在横向空间52，使得叠层具有约束量的平面内运动，但在垂直（即堆叠）方向上具有最大的行程和力传递或力感测能力。锚零件53可用于使叠层在凹部中位于中心，且这些锚零件53定位每个单独单元的支撑基底15。这个位置防止引起磨损的不想要的横向移位，但没有不利地影响力传递或传感器功能。锚零件53使用几何拟合来接触支撑基底15，而不固定到支撑基底15。

设备具有盖54，其用作致动器输出部或传感器输入部。它由可变形机械连接55连接到壳体51。通过引入腔50内的馈通开口，建立到电极层10、12的柔性电连接56。

有可能避免叠层中的不同单元之间的任何连接，这通过简单地将它们夹置在凹部50的底部和盖54之间来实现。

根据致动器元件的设计和表面条件，在松散地堆叠的单个元件之间的摩擦可产生内部应力，其将可被传递的有效能量降低到不期望的水平。

图6示出用于解决这个问题的设计，其减小相邻致动器之间的摩擦。在致动器30、32、34的每个相邻对之间有附加的摩擦减小层60。这使摩擦能够在叠层中的相邻致动器之间减小，同时使常规材料能够用于单独的eap致动器。

这种材料可以是低摩擦箔，例如ptfe、其它含氟聚合物、织物、流体、胶体、泡沫、具有表面纹理的箔或总体来说任何适合的材料。

图6示出层60没有物理地连接到相邻致动器，但替代地包括独立式层。相对滑动可因此发生在摩擦减小层60的两侧上。

摩擦减小层可替代地在一侧上接合到电活性聚合物致动器，如图7所示。这意味着相对滑动发生在摩擦减小层的一个表面处。

摩擦减小层然后包括固体材料层，使得它可接合到致动器之一。这个接合可以通过涂覆或层压过程。

这个固体材料层可例如包括ptfe、含氟聚合物、织物、流体、胶体、泡沫或箔。

在图8的示例中，摩擦减小层在每侧上接合到电活性聚合物致动器。摩擦减小层于是包括弹性层或粘性材料层或以其它方式符合于相对侧上的层的一层。再次，摩擦减小层包括固体材料层，使得它可例如通过涂覆或层压过程接合到两个致动器。

以这种方式，叠层接合在一起（这可例如避免需要另外的机械耦合件），但摩擦减小层允许它的相对两面（即在堆叠方向上相对）之间的相对滑动。摩擦减小层的材料内的切应力因此被允许，使得相对两侧可局部地符合于每侧上的致动器的形状和横向定位。

在如图9所示的另一布置中，摩擦减小层包括间隔物装置80。这在致动器的区域之上提供一组间隔物。这避免了在制动器的大部分区域之上的致动器间的接触。间隔物装置具有被定位成避免接触并允许相对滑动的间隔物。如上面讨论的机械耦合件或外壳将相对位置固定在堆叠方向上，但允许在平面内方向上的相对运动。

如上所述，可使用不固定相对平面内位置（而不是可选地在单个参考点处）的机械耦合件。对于较厚的叠层，或设想大位移的情况，这是特别引起兴趣的。因此，可使用几何连接，而不是刚性物理夹紧或胶合。

图10示出一种布置，其中如图10（b）所示的框架90起间隔物装置的作用。框架由接合剂叠层92附着到一个致动器，使得相对滑动发生在框架90和它接触的另一致动器之间。

图10还示出用于约束弯曲（以已知的方式）的支持架94。

上面的所有其它示例将包括到外部框架或结构的固定点，诸如支持架94，其起参考点的作用。

上面的示例基于三个eap致动器的叠层。在叠层中可以有少至两个致动器，但可以有多达数十个致动器。

因此，例如，在叠层中可以有介于2和10之间的数量的致动器。每个致动器可具有单个eap层，但每个致动器也可包括它们自己的多个eap层的层压结构。

上面的示例利用电活性聚合物层，其被驱动以使它扩张，且这接着被转换成弯曲运动。

如上所示，电极布置可以在电活性聚合物层的相对两面上包括电极。这些提供用于控制eap层的厚度的横向电场。这进而引起eap层在层的平面中的扩张或收缩。

电极布置可替代地包括在电活性聚合物层的一个面上的一对梳状电极。这提供平面内电场，用于直接控制平面内层的尺寸。再次，这可用于引起弯曲。也可应用上面所述的叠层结构。图10示出一对交错的梳状电极100、102，其可应用于每个致动器的eap层的仅仅一侧。

如上面提到的，相同的结构可用作传感器。外部引起的弯曲产生电场的变化，其导致电极上的可测量的信号。

叠层中的单独单元可例如具有10mmx10mmx0.5mm的尺寸。典型的和非限制性的尺寸的范围可以是从50mmx50mmx2mm到2mmx2mmx0.1mm。

适合于eap层的材料是已知的。电活性聚合物包括但不限于下述子类别：压电聚合物、机电聚合物、弛豫铁电聚合物、电致伸缩聚合物、电介质弹性体、液晶弹性体、共轭聚合物、离子聚合物金属复合物、离子胶体和聚合物胶体。

子类别电致伸缩聚合物包括但不限于：

聚偏氟乙烯（pvdf）、聚偏氟乙烯-三氯乙烯（pvdf-trfe）、聚偏氟乙烯-三氯乙烯-氟氯乙烯（pvdf-trfe-cfe）、聚偏氟乙烯-三氯乙烯-三氟氯乙烯（pvdf-trfe-ctfe）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯（pvdf-hfp）、聚亚安酯或其混合物。

子类别电介质弹性体包括但不限于：

丙烯酸酯、聚氨基甲酸酯、硅树脂。

子类别共轭聚合物包括但不限于：

聚吡咯、聚-3,4-乙烯二氧噻吩、聚（聚苯硫醚）、聚苯胺。

可提供附加的无源层，以用于响应于所施加电场来影响eap层的行为。

eap层可夹置在电极之间。电极可以是可拉伸的，使得它们跟随eap材料层的变形。适合于电极的材料也是已知的，并可例如选自由下述组成的组：薄金属膜，诸如金、铜或铝，或有机导体，诸如炭黑、碳纳米管、石墨、聚苯胺（pani）、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（pedot），例如聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸（pedot:pss）。也可使用金属化聚酯膜，诸如金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet），例如使用铝涂层。

将例如考虑不同层的弹性模量（杨氏模量）来选择不同层的材料。

上面讨论的附加的层可用于调适设备（诸如附加的聚合物层）的电气或机械行为。

eap设备可以是电场驱动的设备或离子设备。离子设备可基于离子聚合物-金属复合物（ipmc）或共轭聚合物。离子聚合物-金属复合物（ipmc）是合成的复合物纳米材料，其在外加电压或电场下显示人工肌肉行为。

ipmc由离子聚合物（例如nafion或flemion）组成，其表面被化学地电镀或被物理地涂覆有导体，诸如铂或金，或碳基电极。在外加电压下，由于在ipmc的条的两端的施加的电压而引起的离子迁移和再分布导致弯曲变形。聚合物是溶剂膨胀离子交换聚合物膜。场使阳离子连同水一起行进到阴极侧。这导致亲水簇的再组织和聚合物扩张。阴极区域中的应变导致聚合物基质的其余部分中的应力，其导致朝着阳极的弯曲。反转外加电压使弯曲反向。

如果电镀电极布置在非对称配置中，则所施加的电压可引起所有类型的变形，诸如扭曲、滚动、扭转、旋转和非对称的弯曲变形。

设备可用作单个致动器或否则可以有设备的行或阵列，例如以提供2d或2d轮廓的控制。

本发明可在很多eap应用中应用，包括致动器的无源矩阵阵列引起兴趣的示例。

在很多应用中，产品的主要功能依赖于人类组织的（局部）操纵或接触界面的组织的致动。在这样的应用中，eap致动器提供独特的益处，这主要由于小的形状因数、柔韧性和高能量密度。因此，eap可容易地集成在软的3d形状的和/或小型产品和界面中。这样的应用的示例是：

皮肤化妆处理，诸如以eap基皮肤贴片的形式的皮肤致动设备，皮肤贴片将恒定的或循环的拉伸施加到皮肤，以便拉紧皮肤或减少皱纹；

具有患者界面面罩的呼吸设备，其具有eap基活性垫或密封物，以向皮肤提供交替的正常压力，该压力减少或防止面部红斑；

具有自适应剃刀头的电动剃须刀。可使用eap致动器来调节皮肤接触表面的高度，以便影响接近和刺激之间的平衡；

口腔清洁设备，诸如具有动态喷嘴致动器的空气牙线，该动态喷嘴致动器用于提高喷洒的范围（特别是在牙齿之间的空间中）。可替代地，牙刷可设置有活化的毛簇；

消费性电子设备或触摸板，其经由集成在用户界面中或附近的eap换能器的阵列提供局部触觉反馈；

导管，其具有可操纵的顶端以允许实现曲折的血管中的容易导航。

受益于eap致动器的另一类相关应用与光的修改有关。通过使用eap致动器的形状或位置调适，可以使诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件自适应。这里，eap的益处例如是较低的功率消耗。

通过研究附图、公开内容以及所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的其他变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a或an)”不排除多个。某些措施被列举于相互不同的从属权利要求中的纯粹事实不表明这些措施的组合不能够被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应该被解释为限制范围。