CN107923811A - 电活性聚合物传感器以及感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电活性材料(优选为电活性聚合物)传感器系统，包括：电活性材料传感器(22)；以及控制系统(28)，其用于执行对所述电活性材料传感器在至少第一频率和不同的第二频率下的阻抗有关的测量。根据这些测量，能够确定在所述传感器处的温度以及被施加到所述传感器的外部压力或力。所述传感器因此能够被用作压力传感器以及用作温度传感器。当与致动组合使用时，具有集成的温度感测功能的电活性材料致动器能够总是比外部热电偶更靠近地测量在确切致动器位置处的温度。

Description

电活性聚合物传感器以及感测方法
技术领域
本发明涉及电活性聚合物传感器并且也涉及组合的致动器和传感器。
背景技术
电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域内的新兴种类的材料。EAP能够作为传感器或致动器工作并且能够被容易地制造成允许容易集成到各种各样的系统中的各种形状。
在过去的十年中，已经开发了具有已显著改善的特性(诸如致动应力和应变)的材料。技术风险已经被降低到对于产品开发而言可接受的水平，使得EAP在商业上和技术上变得日益受到关注。EAP的优点包括低功率、小形状因子(form factor)、柔性、无噪声操作、准确、高分辨率的可能性、快速响应时间以及循环致动。
EAP材料的经改善的性能和具体优点导致了对新应用的适用性。
EAP设备能够被用在期望部件或特征基于电致动的小量的移动的任何应用中。类似地，所述技术能够被用于感测小的移动。
与普通致动器相比，由于相对大的变形以及在小体积中的力或薄的形状因子的组合，EAP的使用实现了之前不可能的功能，或者提供了优于普通传感器/致动器解决方案的大的优点。EAP也给出了无噪声操作、准确的电子控制、快速响应以及大的范围的可能致动频率，诸如0–1MHz，最典型低于20kHz。
使用电活性聚合物的设备能够被细分成场驱动的材料和离子驱动的材料。
场驱动的EAP的范例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的弛豫聚合物)和介电弹性体。其他范例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电致伸缩弹性体以及液晶弹性体。
离子驱动的EAP的范例是共轭/导电聚合物、离子聚合物金属复合物(IPMC)和碳纳米管(CNT)。其他范例包括离子聚合物凝胶。
场驱动的EAP通过直接机电耦合由电场来致动。其通常要求高的场(伏特每米)但是低的电流。聚合物层通常是薄的以保持驱动电压尽可能低。
离子EAP通过对离子和/或溶剂的电诱发的传输来激活。其通常要求低的电压但是高的电流。其要求液体/凝胶电解液介质(但是一些材料系统也能够使用固态电解质来操作)。
这两个种类的EAP具有多个族成员，每个族成员具有其自身的优点和缺点。
场驱动的EAP的第一显著的子类是压电和电致伸缩聚合物。尽管常规的压电聚合物的机电性能是有限的，在改进该性能过程中的突破已经得到了PVDF弛豫聚合物，其表现出自主电极化(场驱动的对齐)。这些材料能够被预应变以获得在应变方向上的经改进的性能(预应变导致更好的分子对齐)。通常，使用金属电极，因为应变通常处在中等状态(1-5％)中。也能够使用其他类型的电极(诸如导电聚合物、基于碳黑的油、凝胶或弹性体等)。电极可以是连续的或分段的。
场驱动的EAP的感兴趣的另一子类是电介质弹性体。该材料的薄膜可以被夹置在相容的电极之间，形成平行板电容器。在电介质弹性体的情况下，由所施加的电场感生的麦克斯韦应力导致在薄膜上的应力，这使得薄膜在厚度方面压缩并且在面积方面扩展。应变性能通常通过对弹性体进行预应变来扩大(要求框架以保持预应变)。应变能够是相当大的(10-300％)。这也约束了能够使用的电极的类型：对于低和中等应变而言，能够考虑金属电极和导电聚合物电极，对于高应变状态而言，通常使用基于碳黑的油、凝胶或弹性体。电极可以是连续的或分段的。
离子EAP的第一显著的子类是离子聚合物金属复合物(IPMC)。IPMC包括被层压在两个薄金属之间的溶剂膨胀离子聚合物膜或者基于碳的电极并且要求使用电解液。典型的电极材料是Pt、Gd、CNT、CP、Pd。典型的电解液是基于Li+和Na+水的溶液。当施加场时，阳离子通常连同水一起行进到阴极侧。这导致亲水团的重新组织并且导致聚合物膨胀。阴极区域中的应变导致弯向阳极的聚合物基质的剩余部分中的应变。反转所施加的电压使弯曲反向。周知的聚合物膜是和
离子聚合物的另一显著的子类是共轭/导电聚合物。共轭聚合物致动器通常包括被两层共轭聚合物夹置的电解液。所述电解液被用于改变氧化状态。当电势通过电解液被施加到聚合物时，电子被添加到聚合物或者从聚合物移除，驱动氧化和还原。还原导致膨胀中的收缩、氧化。
在一些情况下，当聚合物自身缺乏足够的导电性(逐维度)时，添加薄膜电极。电解液能够是液体、凝胶或固态材料(即，高分子重聚合物和金属盐的络合物)。最常见的共轭聚合物是聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PTh)。
致动器也可以由电解液中悬置的碳纳米管(CNT)形成。电解液与纳米管形成双层，这允许电荷的注入。该双层电荷注入被认为是CNT致动器中的主要机制。CNT充当具有被注入到CNT中的电荷的电极电容器，其然后通过由电解液移动到CNT表面而形成的电气双层来平衡。改变碳原子上的电荷导致C-C键长度的改变。因此，能够观测到单个CNT的扩张和收缩。
图1和图2示出了针对EAP设备的两种可能的操作模式。
所述设备包括电活性聚合物层14，其被夹置于处在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间。
图1示出了未被夹持的设备。电压被用于使所述电活性聚合物层如所示地在所有方向上扩展。
图2示出了被设计成使得仅在一个方向上产生扩展的设备。所述设备由载体层16支撑。电压被用于使所述电活性聚合物层弯曲或弓弯(bow)。
这种移动的性质例如产生于当被致动时扩展的主动层与被动载体层之间的交互作用。为了获得如所示的围绕轴的不对称弯曲，例如可以施加分子取向(膜拉伸)，以迫使在一个方向上的移动。
在一个方向上的扩展可能源自EAP聚合物中的非对称性，或者其可能源自载体层的性质中的非对称性，或者这两者的组合。
如上文所描述的电活性聚合物结构可以被用于致动和用于感测两者。最突出的感测机制基于力测量和应变检测。介电弹性体例如能够通过外部力容易地拉伸。通过将低电压置于传感器上，应变能够被测量为电压的函数(电压是面积的函数)。
利用场驱动的系统进行感测的另一种方式是直接测量电容改变或者根据应变来测量电极电阻中的改变。
压电和电致伸缩聚合物传感器能够响应于所施加的机械应力而生成电荷(假定结晶度的量足够高以生成能检测到的电荷)。共轭聚合物能够利用压电离子效应(机械应力导致离子的施加)。CNT当被暴露于能够测量的应力时经历在CNT表面上的电荷的改变。还也已经示出当CNT与气体分子(例如，O2、NO2)相接触时CNT的电阻发生改变，这使CNT能用作气体检测器。
已经提出了组合EAP设备的感测能力和致动能力，例如以通常在分离的时间处提供压力感测和致动功能。在US 2014/0139239中描述了范例。
例如，US 2014/0139239公开了一种EAP系统，其包括：感测电路、致动电路以及切换电路。所述感测电路适于检测在EAP变形时来自所述EAP的信号。随后，切换电路然后激活致动电路，使得致动电路能够基于感测输入来生成致动。因此，感测和致动在时间上彼此分离：感测和致动顺次地发生，一个跟随另一个。
感测和致动的这种分离显著限制了用于基于EAP的传感器-致动器的可能应用的范围——特别是使得难以实施要求在致动期间的同时感测反馈的这样的设备(诸如通过例如伺服机制在较大尺度上所提供的)。
通过增加设备的尺寸以包含具有分离的电气连接集合的分离的专用感测区域和致动区域，在时间上同时的感测和致动是可能的。然而，这在必须是小形状因子的应用中是不利的。
发明内容
对EAP致动器的特定电压的致动响应是温度相关的。获知在EAP的确切位置处的温度将非常有益于致动精确度。对于包含例如用于压力应用的皮肤上的致动器的许多应用而言，同时地提取用于监测的皮肤温度将是有益的(温度是四项主要生命体征之一)。
因此，存在针对以最小增加的复杂度或空间要求对在EAP致动器的位置处的温度测量的需求。
如由独立权利要求所限定的本发明至少部分地满足了该需求。从属权利要求提供了有利的实施例。
根据本发明的一方面的范例，提供了一种电活性材料传感器系统，包括：
电活性材料传感器；以及
控制系统，其用于执行对电气特性的测量，所述电气特性包括所述电活性材料传感器在至少第一频率和不同的第二频率下的阻抗或阻抗相位角，
其中，所述控制系统适于根据所述测量来导出在所述电活性材料传感器处的温度以及被施加到电活性聚合物传感器的外部压力或力。
直流信号(DC)的信号旨在包括要么是电压要么是电流的基本上非交变的电信号。类似地，交流(AC)信号旨在包括电压和电流之一或者这两者的交变的电信号。
本发明提供了一种能够被用作用于负载感测(例如，皮肤接触压力)的压力传感器和温度传感器。
优选地，所述电活性材料传感器包括用作致动器和传感器两者的设备。具有集成温度感测功能的这样的致动器能够总是比外部热电偶更靠近地测量在确切传感器/致动器位置处的温度。与具有分离的温度传感器相比较，能够做出更多空间有限的方案。
所述测量使得甚至在致动期间能够确定在致动器上的压力或力和温度。这能够通过使用驱动信号和测量信号的叠加来实现。该反馈机制例如基于小幅度、高频电信号，并且该信号是在两个不同的频率下交替地测量的，以将温度对压力信号的影响解耦。
第一频率例如是电气特性具有最大值或最小值时的共振频率，诸如反共振频率。在该频率下的测量结果被用于确定外部力或压力。
当以与(未阻尼的)反共振频率相匹配的频率来施加信号时，由所施加的负载所引起的突然失匹配例如被检测为如跨所述传感器测量到的阻抗的随之发生的下降。
备选可能的是，使用匹配(未阻尼的)共振频率的驱动信号。在这种情况下，所述失匹配可以被检测为跨所述传感器测量到的阻抗中的随之发生的跃变。在任一种情况下，以这种方式，所述高频信号允许与致动同时地感测被施加到所述设备的外部压力或力。
第二频率是电气特性相对于负载恒定的频率。相反，其具有随着温度的变化，并且因此能够被用于温度测量。
所述控制系统可以适于应用驱动信号，所述第一频率和所述第二频率的测量信号被叠加到所述驱动信号上，其中，所述驱动信号包括DC驱动电平或者具有小于所述第一频率和所述第二频率的频率的AC驱动信号。
通过将低幅度、高频率的感测信号叠加在较高幅度的主致动信号上，可以同时地实现感测功能和致动功能，所述感测信号的幅度可以显著小于所述致动信号的幅度，例如是所述致动信号的幅度的<10％、例如是所述致动信号的幅度的<1％。以这种方式，与由所述致动信号刺激的变形响应相比，所述电活性聚合物(EAP)结构中针对所述感测信号的变形响应是可忽略的。因此，未折中所述设备作为致动器的精确度、准确度和稳定性。
所述第一驱动信号(致动信号)可以是DC信号(尽管利用取决于期望的致动而改变的DC电平)，或者可以具有交变幅度(AC信号)。在后者的情况下，所述致动信号的频率也可以显著小于所述感测信号的频率，例如小至少两个量级的幅度，以便避免所述致动器信号与测量信号的干扰。
这实现了同时的感测和致动。可以按顺序施加两个不同频率的测量信号。备选地，可以叠加不同频率的测量结果，因为能够自由地选择非共振频率的大小。
所述系统可以包括传感器的阵列，其中，所述传感器中的至少一些传感器具有不同的第一频率。以这种方式，不同的传感器能够通过施加适合的测量信号被置于感测模式中。例如，所述多个传感器中的每个传感器可以具有不同的大小和/或形状和/或几何结构，从而提供不同的共振频率。不同的第一频率在测量到的阻抗信号中可以是能检测到的，并且这例如被用于确定任何负载正被施加至所述阵列或组件中的具体哪个传感器。因此，对所施加的压力的位置的更精确的确定可以是能确定的。
所述控制器可以适于基于所导出的温度来修改所导出的外部力或压力。因此，所述温度信号可以不仅是有用信息的源，而且其也可以被用于为所述力或压力感测功能提供温度补偿。
所述电气特性优选包括阻抗值，诸如串联电阻。
本发明一般利用电活性材料工作。然而，特别有用的材料将是有机电活性材料和/或聚合电活性材料。这些材料具有电活性特性、适合的温度相关性，并且也易于将针对其的处理集成在诸如体腔(例如，导管)的设备中。所述电活性材料(聚合物)可以包括弛豫铁电体。通过这样的聚合材料的非限制性范例，可以使用三元共聚物(即，PVDF-TrFE-CFE或PVDF-TrFE-CTFE)弛豫铁电体。其在没有所施加的场的情况下是非铁电的，这意味着当未施加驱动信号时不存在机电耦合。当施加DC偏置信号时，例如，所述电磁耦合变为非零。与其他已知的EAP材料相比较，弛豫铁电体提供了更大幅度的致动变形以及更大的感测灵敏度。然而，所述设备并不限于使用弛豫铁磁体，而是压电EAP材料(诸如，仅通过范例，PVDF或PVDF-TrFE)也例如可以被用在实施例中。其他范例将要么为本领域技术人员所已知要么在本文中下文进行描述。所述材料选择也将适用于本发明的方法。
根据本发明的第二方面的范例提供了一种使用电活性材料的材料传感器的感测方法，包括：
执行对所述电活性材料传感器在至少第一频率和不同的第二频率下的电气特性的测量；并且
根据所述测量来导出在所述传感器处的温度以及被施加到所述传感器的外部压力或力。
该方法可以被用作感测方法或者其可以在致动期间使用，使得其包括组合的感测和致动方法，例如使用被用于测量所述电活性材料(即，如由电气特性所表示的)在两个具体频率下的机电响应的叠加的高频AC信号。这些频率之一优选是被用于力或压力感测的特性机电共振频率。所述第一频率例如是电气特性具有最大值或最小值的共振频率，诸如反共振频率。
所述第二频率优选处在共振/反共振范围外部并且其被用于温度测量。所述第二频率例如是所述电气特性相对于所施加的负载恒定的频率。
所述方法可以包括施加致动器驱动信号并且叠加所述第一频率和所述第二频率的测量信号，其中，所述致动器驱动信号包括DC驱动电平或者具有低于所述第一频率和所述第二频率的频率的AC驱动信号。所导出的外部力或压力可以基于所导出的温度来修改。
所述第一频率和所述第二频率可以通过执行校准操作来获得，其中，所述校准操作包括在没有致动信号的情况下施加第一频率扫掠并且在具有致动信号的情况下施加第二频率扫掠。
附图说明
现在将参考随附的附图详来细描述本发明的范例，在附图中：
图1示出了未阻尼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示出了电活性聚合物设备的第一范例；
图4示出了校准方法；
图5是示出可以如何使用仅传感器功能的图形；
图6示出了用于在校准之后使用的感测方法；
图7更详细地示出了图3的电活性聚合物设备；
图8示出了EAP设备的一个等效电路；
图9示出了随着频率的电阻和电容的改变；
图10示出了针对两个不同的致动电压的频率的改变；
图11示出了图10的绘图之间的差可以如何被用于识别共振频率；
图12示出了在共振下针对不同的温度的负载上的阻抗的相关性；
图13示出了远离共振下针对不同的温度的负载上的阻抗的相关性；
图14示出了温度-阻抗函数的再现性；
图15示出了温度补偿可以如何被用于改善负载感测；
图16被用于解释可以如何使用相位测量结果；
图17示出了具有特定复合物的范例材料对温度的灵敏度；并且
图18示出了灵敏度与复合物之间的关系。
具体实施方式
本发明提供了一种电活性聚合物传感器系统，包括：电活性聚合物传感器；以及控制系统，其用于执行对电活性聚合物传感器在至少第一频率和不同的第二频率下的与阻抗有关的测量。根据这些测量，能够确定在传感器处的温度以及被施加到所述传感器的外部压力或力。EAP传感器因此能够被用作压力传感器和温度传感器两者。当与致动组合使用时，具有集成的温度感测功能的EAP致动器能够总是比外部热电偶更靠近地确定在确切EAP位置处的温度。
在图3中示出了根据本发明的实施例的用于致动器和传感器设备的简单的第一布置的示意性图示。EAP致动器22，其包括被设置在下部载体层26上的上部EAP材料层24，经由信号处理元件28与第一(DC)驱动信号输入部32和第二(AC)驱动信号输入部34电气连接。第一驱动信号输入部32用于施加(相对)高的功率致动驱动信号。第二信号输入部34用于施加(相对)低的功率交变感测信号，并且特别是在两个不同的频率下，如下文将描述的。所述信号处理元件叠加所述第一驱动信号和所述第二驱动信号以形成第三组合的驱动信号，然后跨所述设备施加所述第三组合的驱动信号。
在范例中，所述信号处理元件可以包括用于执行例如信号分析功能、信号耦合和解耦功能和/或信号生成功能的若干部件元件。在后者的情况下，第一驱动信号输入部32和第二驱动信号输入部34可以被包含在处理单元28自身之内，所述处理单元包括用于生成AC信号和/或DC信号的元件，并且在一些情况下，包括用于分析一个信号或者这两个信号的电气参数的的元件。
图3的布置的电气连接例如被示为连接到EAP层结构的顶部和底部平表面处的电极。柔性电极布置可以被用于该目的。将DC电压和/或AC电压施加到所述电极允许跨EAP层生成刺激对应的变形的电场。
尽管在图3的布置中的第一驱动信号输入部32包括DC输入部，但是在备选布置中，该输入部可以包括AC驱动信号输入部。在任一种情况下，所述致动驱动信号的相对功率显著超过所施加的感测信号的功率。在这两个信号都包括AC信号的情况下，所述感测信号(在34处施加的)的最大幅度可以小于所述致动驱动信号(在32处施加的)的最大幅度的10％，例如小于所述致动驱动信号的最大幅度的1％。在所述感测信号包括AC信号并且所述致动信号包括固定幅度的DC偏置信号的情况下，AC信号的最大幅度可以小于DC偏置信号的固定幅度的10％，例如小于DC偏置信号的固定幅度的1％。
对于图3的范例而言，由信号处理元件28所生成的第三组合的信号包括被叠加在高幅度的DC偏置信号上的高频率、低幅度的AC信号。
如在先前的章节中所描述的，跨电活性聚合物层施加足够幅度的DC偏置刺激了聚合物层的扩展。如果该层与被动载体层26相耦合，则聚合物的扩展导致总体结构的变形，例如，弯折或翘曲，其可以被用于提供致动力。在图3中，致动器结构22被示为处在“活动”或“致动”状态中，其中，施加足够幅度的DC偏置以引起所述结构的变形。如所周知的，扩展的程度相对于跨所述设备所施加的电场/电流的幅度而改变。因此，通过改变DC偏置的幅度，可以引起不同程度/范围的变形，并且施加不同幅度的致动力(或者例如完成不同量的致动工作)。
被叠加在DC偏置上的高频AC信号也刺激材料中的机械变形响应，但是为周期性的变形响应，而不是固定的(即，振荡)。然而，由于高频信号的最大幅度显著低于DC偏置信号的幅度(例如，比DC偏置信号的幅度低两个量级，例如是DC信号的幅度的1％)，与主要致动位移相比，所刺激的变形的对应位移幅度是有效可忽略的。因此，致动的准确度和稳定性不受感测信号的叠加影响。
将低幅度的振荡信号交叠在DC偏置上允许电气反馈机制被包含在主致动器驱动机制自身之内。在特定频率处，特别是在匹配致动器结构22的机械共振频率或者与致动器结构22的机械共振频率成谐波的频率处，在致动器的材料中建立小的机械驻波。这继而影响材料的电气特性。当在材料的共振频率下驱动所述感测信号时，由于机械振动与电气驱动信号同相，因而所述材料的对应的阻抗较低(与当在非共振下被驱动时相比)。
结构的机械共振频率是结构从其平衡位置位移时自然倾向于振荡的频率，并且由所述结构的固有结构性质(例如，几何结构、大小、形状、厚度等)来确定。EAP结构的机械振荡将不必跟随被施加到其的电信号的驱动频率，并且将倾向于返回到其自然的共振频率，其中所述驱动频率要么建设性地要么破坏性地干扰该振荡，这取决于驱动频率与自然振荡频率(共振频率)要么异相要么同相的程度。
当在所述EAP结构的反共振频率下驱动所述高频信号时(即，共振频率的第一谐波)，由于材料的机械振动与驱动信号的振荡异相(电诱发的机械应力与电激励异相)，因而所述EAP的阻抗更高。换言之，无论何时，例如正电流通过驱动信号被施加到EAP，异相机械应变在同一时刻诱发在相反的方向上引起电流(即，异相行为)。在理想(模型)情况下，这些反向电流彼此抵消，并且根本没有电流流过(即，无限阻抗)，但是在现实世界的情景中，不发生完全抵消，并且该效应被测量为对电流的(有效的)更高电阻(即，更高阻抗)。具体地，当在致动器材料的反共振频率下驱动所述信号时，EAP的阻抗处在最大处。
通过考虑以下方程(1)可以进一步理解此关系。在共振和反共振下理想EAP的阻抗取决于变形的具体类型或模式。最常见的是将EAP引入到横向共振(即，长度或宽度)中。EAP的阻抗受材料的介电性能、机电耦合以及电和机械损失的影响。为了简化，当忽视电和机械损失时，针对长度为l、宽度为w并且厚度为t的EAP，沿着横向延伸变形时，由下式给出EAP的阻抗：
其中，εT 33是介电常数，k31是横向机电耦合系数，p是EAP的密度，并且sE 11是在横向方向上的依从性。在反共振频率ωa下，并且Z是最高的。
实际EAP具有损失并且能够由串联的电阻器与电容器来模型化或表示，在反共振频率下其电阻是最大的。因此，在下文的描述中，‘阻抗’和‘串联电阻’(RS)可以参考所述设备可交换地使用。然而，在本文中，串联电阻应当被理解为简单地指代这样的模型，在该模型中，由与电阻器(具有电阻RS)串联的电容器电气地表示致动器/传感器。
由于上文所描述的阻抗与共振之间的关系，当在反共振频率下驱动所述驱动信号时，在其频率偏离反共振时发生的任何小的偏差将在EAP结构22的可测量阻抗的对应急剧下降中能检测到。该物理效应允许实现机械感测。将负载(即，压力或力)施加至EAP结构导致了对材料内发生的任何共振效应的阻尼。如果当施加负载时驱动信号在材料的反共振或共振频率下振荡，阻尼效应将在对EAP阻抗的实时测量中能识别(即，串联电阻RS)，因为共振的突然停止将影响阻抗的随之急剧下降。因此，通过随着时间来监测该结构的阻抗，在致动器处于操作中时(例如，通过随着时间监测高频率信号的电压和电流)，能够感测并且在一些情况下能够定量地测量(如下文将描述的)被施加至所述结构的压力和负载。
一方面，阻抗之间的关联，以及另一方面，信号的电驱动频率与材料的机械振荡频率之间的相位差，允许仅通过监测驱动信号的电属性来实现对被施加至EAP的机械力的高灵敏度测量。因此，这提供了高度简单的、直接的并且有效的手段来实现使用单个EAP设备的同时的致动和感测。此外，本发明的实施例允许在EAP结构的相同区域上的同时的感测和致动(即，空间上同时的感测和致动)。这意味着执行这两项功能的设备能够以非常小的形状因子制成，例如无需牺牲感测的灵敏度或分辨率。此外，仅单组连接件需要被提供至所述设备(不同于两组或更多组连接件，一个连接件用于每个专用的感测或致动区域)，这在成本和降低的复杂度方面是有利的，并且在需要防水连接件的情况(例如，剃须/导管/口腔健康护理)下和/或构建致动器/传感器阵列的情况下也是如此。
此外，通过对感测信号的适合的选择并且利用适合的信号处理，所述感测提供温度以及负载感测。具体地，生成至少第一频率和不同的第二频率的测量信号，并且信号处理元件28被用于测量致动器30在两个测量频率下的一个或多个电气特性。以这种方式，在致动器处的温度以及被施加到所述致动器的外部压力或力两者都被确定。
高频感测信号的频率可以各自典型处在1kHz到1MHz的范围内，这取决于致动器的具体几何结构。应当注意，在致动器驱动信号包括AC驱动信号的情况下，该信号的频率显著低于交流感测信号的频率。在这种情况下，(低频率)致动电压例如可以比高频率信号电压低至少两个量级，以避免致动器信号与测量信号的干扰。
如上文所解释的，在反共振频率下，由于异相机械振动，因而测量到的阻抗是较高的。具体地，致动器的串联电阻(Rs)在该频率下处在局部最大值处。在实施方案中，该频率被用作测量频率中的第一个。定义在机电耦合频率范围外部的另一测量频率，并且这被用作第二测量频率。
校准过程可以被用于确定待使用的频率并且用于确定在测量到的电阻与在所确定的共振频率下所施加的负载之间的关系。图4示出了一个范例。
在所施加的0V的DC偏置下执行第一频率扫掠40，并且测量电阻响应。由此在不同的频率下测量致动器的等效串联电阻，以在不存在致动信号的情况下获得阻抗对频率的函数。
然后，在步骤42中施加固定的DC偏置，优选对应于所述设备的期望的致动状态。在这时，可以不存在被施加到所述设备的负载。
在步骤44中在固定的非零DC偏置下执行第二频率扫掠，并且记录对应的电阻值。再次在不同的频率下测量所述致动器的等效串联电阻，以在存在致动信号的情况下获得阻抗对频率的函数。
然后在步骤46中比较两个扫掠的结果，以确定针对跨频率的范围的每个频率的在所获得的电阻值中的差。
在步骤48中，确定所测量的电阻值的差异为最大量时的第一频率并且由此直接地识别反共振频率。
在步骤50中，定义第二测量频率。其是差异可忽略的频率。因此，其是电气特性相对于负载恒定的频率。
应当注意，针对期望的尽可能多的DC电压，在一些情况下可以重复步骤40到步骤50，例如以在设备的操作中要采用可变致动程度的情况下收集涉及多个不同致动位置的数据。
针对仅传感器的设备而言，将存在单个致动，其使所述传感器进入其准备好执行感测的致动状态。因此，仅需要一个驱动校准。
所述传感器例如可以被设定到一位置中并且然后仅被用作传感器。这可以被认为对应于被用于进行多个感测测量的单个致动水平。感测功能可以与特定范围内的DC偏置一起使用。然而，该范围可以包括不存在物理致动但是然而存在对所施加的负载的灵敏度的DC偏置电压。具体地，致动曲线(致动对所施加的电压)与物理致动在其以下不开始的阈值电压是非线性的。在这种情况下，甚至在没有物理变形的情况下，实现了感测功能，但是感测到的信号将比针对较大的DC偏置更小。
图5示出了用于感测在不同的致动电压下的固定负载的信号强度的曲线图，被示为曲线图53。曲线图54示出了针对那些致动电压(具有任意尺度)的致动水平。能够看到，灵敏度比针对从初始零电平增加的电压的致动更迅速地增加。
仅用于感测的典型DC偏置范围例如可以在40V到50V、或者40V到75V的范围内，其中，灵敏度高于零但是致动仍然为零或者接近于零(相应地)。
在图4的步骤52中，以跨所述设备的串联电阻对所施加的负载的形式(针对固定的DC偏置电压)来导出针对阻抗值的校准数据，并且固定的AC信号频率-等于反共振第一频率。
此外，针对感兴趣范围中的每个温度并且针对每个可能的致动信号来获得阻抗值。在第二频率处，针对感兴趣范围中的每个温度、针对每个可能的致动信号并且针对每个可能负载来获得阻抗值。
因此，在步骤52中，存在不同的温度下并且具有所施加的不同负载的多个测量结果。该校准过程在工厂中发生，并且针对可变施加的负载和温度在频率1和频率2下的Rs而生成查找表。在每个温度处，测量负载的完全范围。该查找表被用作在使用期间的参考。
以这种方式，针对每个施加的电压(如果存在多个施加电压)的阻抗对负载并且在温度范围内的每个温度点处校准所述致动器。
在致动期间，与所施加的电压相组合的在第一频率下的所测量的电阻值给出了针对致动器上的力的量度，并且在第二频率下的阻抗值给出了EAP致动器的温度的量度。与致动位移相比较，高频(传感器)信号的位移幅度是可以忽略的，因此其在准确度或稳定性方面将不干扰致动。
图6示出了在致动器的使用期间所使用的方法。接收校准数据，如由箭头60所表示的。步骤62包含测量在第一校准频率下的阻抗。这被用于负载(即，压力或力)感测。步骤64包含测量在第二校准频率下的阻抗。这被用于温度感测。
在这些测量期间，在步骤66中施加较高幅度的致动信号。其对于仅传感器的实施方案将是恒定的，或者其对于传感器和致动器将是可变的。步骤68包含导出致动器上的负载以及温度。
这两个参数可以被提供为来自系统的分离的输出。备选地，温度信息可以由系统在内部用于提供对所感测到的负载的温度补偿。
基于DC致动信号，将更详细地描述第一范例，如在图7中所示的。
如上文所解释的，EAP致动器22具有EAP材料层24和被动载体层26，并且被保持在壳体72内，并且与信号驱动机构74电气耦合。在图7的范例中的所述驱动机构包括信号生成元件(驱动元件)以及信号处理和分析元件(传感器元件)两者。
致动器控制元件75生成高幅度的致动器驱动信号(例如，固定的DC偏置电压)，其被传送到信号放大器设备76。传感器控制元件78包括用于生成传感器信号的驱动器元件80以及用于分析所述传感器信号在通过致动器之后的电气性质的处理元件82两者。对此，驱动机构74还包括跨EAP致动器22连接的电压计84，以及在致动器的输出电气终端88与传感器控制元件78之间串联连接的电流计86。电压计84和电流计86两者都与传感器控制元件78信号连接，使得由其生成的数据可以由处理器82利用，以便确定致动器22的阻抗(亦即，设备被建模为具有串联电阻(即，复阻抗的实部)的理想电容器的等效串联电阻Rs)。
由致动器控制元件75和传感器控制元件78所生成的驱动信号要么在其被组合放大之前要么在其被独立放大之后由放大器元件76叠加。在一些范例中，放大器元件76可以简单地由组合器替换。在这种情况下，控制元件75和传感器控制元件78可以适于在将其所生成的致动信号和感测信号输出到组合器之前在本地对其进行放大。
组合的驱动信号然后被传送到EAP致动器22的进入终端89。所述组合的驱动信号的高幅度的DC分量刺激在致动器中的变形响应。
对于大多数可再现的(即，可靠的/准确的)结果而言，EAP可以被夹持在位。例如，致动器可以被夹持在壳体72内，并且壳体然后被定位以便将设备与目标致动区域对齐。
为了图示，在图7中示出了目标致动区域90，其中，由DC驱动信号使所述致动器变形来将压力施加到目标区域。在范例中，所述目标区域例如可以包括人的皮肤的区域，例如，使得压力都可以被施加到皮肤，但是由所述设备同时感测由皮肤施加到所述致动器的力和温度(例如，能够感测用户多么用力地将包含致动器的设备按压至他们的皮肤)。
在一些范例中，可以额外地提供(任选)力传递机构，用于以受控的方式将力递送至致动器表面或者从致动器表面递送力。
驱动信号的低幅度的AC分量刺激EAP层24中的低幅度的周期性响应，例如使所述结构在其共振或反共振频率下振荡。
所述组合的驱动信号的电压以及所得到的电流被馈送至传感器控制元件78。典型地，AC电流可以在0.1mA至1mA的范围内，但是可以高达10mA。更高的电流可能引起过多的发热。
在一些情况下，驱动机构74还可以包括一个或多个信号解耦元件，例如高通滤波器，目的是隔离高频分量，以用于由传感器控制元件78的处理元件82进行分析。
当经历(一个或多个)所施加的驱动信号时，传感器控制元件78的处理元件82可以使用由电压计84和电流计86所提供的测量结果以便确定跨所述致动器的串联电阻。可以实时地确定所述串联电阻，并且例如针对电阻的突然改变进行监测，如上文所解释的，这可以被用于指示被施加到致动器22的负载和压力的存在和幅度。
EAP致动器具有串联电容器Cs和电阻器Rs的近似等效电路，如在图8中所示的。
在图9中示出了被用于确定反共振频率(最高灵敏度点)的上文所解释的扫掠。
所测量到的串联电阻(以欧姆为单位)被示出在一个y轴上，所测量到的电容(以法拉为单位)被示出在另一y轴上并且传感器信号频率(以Hz为单位)被示出在x轴上。
曲线图92是电阻，并且曲线图94是电容。针对该样本而言，由于如95所示的局部电阻峰值，大约29.8kHz的频率被确定为反共振频率。远离该点的频率被选择为第二频率，诸如在20kHz处的点96。所述曲线图针对于200V的偏置电压。
如上文所解释的，通过比较曲线图最容易地确定峰值。图10示出了在AC频率改变时将针对0V的扫掠的电阻测量结果示出为曲线图100(其示出了关于简单地反映电容性复阻抗函数的主曲线没有变化)。在0V的偏置处，很少或不存在耦合，并且因此所述材料对AC信号为零(或者不可测量地小)变形响应。0V的偏置扫掠因此提供了将较高的(致动诱发的)DC电压下的AC频率扫掠与其进行比较的方便的基线。曲线图120是利用所施加的DC偏置的扫掠。
通过查找针对两个DC电压的测量到的电阻值之间的差最大时的AC频率可以识别所述设备的反共振频率。
在图11中更清楚地图示了两条信号迹线之间的差，其中y轴上是测量到的电阻的差，并且x轴上是对应的传感器信号频率。在该图形中清楚地可见电阻的两个较大的跃变，其中两个中的较大的一个是在反共振处发生的跃变。
尽管在该范例中0V的DC偏置被用于第一扫掠，但是在备选范例中，可以使用不同的(非零)第一偏置。在这种情况下，取决于第一电压的量值，所述第一扫掠可以指示中央曲线周围的变化或波峰。然而，所述反共振频率仍然可以通过识别针对两个DC电压的测量到的电阻值之间的差最大时的频率来找到。
通过阻尼共振-反共振行为，负载也对致动器的串联电阻具有影响。这在图12中被示出，其相对于负载绘制了在200V偏置的情况下在致动器上测量到的反共振下的电阻。每个曲线图针对不同的温度，并且温度偏移漂移是可见的。
在第二频率处(在共振耦合范围外部)，不存在对机电耦合的影响。在该频率下，电阻仅仅是如在图13中所示的温度的函数，其绘出了相对于负载的电阻。针对再次在200V偏置的情况下针对致动器所测量到的非共振频率(20KHz)来绘制电阻。
温度偏移漂移是可见的，但是不存在来自所施加的负载的影响。如在图14中所示的，所述温度信号是可再现的，因为图14绘出了针对零负载、针对两次运行的电阻对温度。
所述温度信号也能够被用于补偿致动器信号，以改善负载传感器的准确度。在图15中，从23度到45度针对8个不同的温度给出了补偿电阻值作为负载的函数。23度与45度之间的平均差现在是3.8％而不是针对未补偿的测量结果的29％。
以上范例基于DC致动信号。在第二范例中，存在低频率AC致动器信号。针对低频率AC致动而言，通过低频率AC电压和小信号高频率AC电压来电气加载所述致动器。小幅度高频率电压被用于测量并且被叠加在低频率AC致动器信号上。所述低频率AC致动器电压引起EAP中的变形，这可以被用于致动目的。
所述低频率致动电压优选具有比高频信号低至少两个量级的频率(即，<1％)，以避免所述致动器信号与所述测量信号的干扰。
在第三范例中，不要求频率扫掠以对系统进行校准。这使得所述系统复杂性和成本能够被降低。然而，仍然能够确保鲁棒性和灵敏度。在生产中，致动器的(反)共振频率(fr)将被紧密地控制，因此在温度范围内的每个温度点的2个频率的预定集合是先验已知的，因此，在这两个预定频率处的测量结果将总是指示致动器(频率1)和温度(频率2)上的负载。
在第四范例中，可以提供感测设备或者致动和感测设备，包括根据上文所描述的范例的多个设备，例如，以阵列或其他期望的布局/形状进行布置。在范例中，可以提供多个设备，使得每个设备具有独有的机械共振频率fr。以这种方式，将高频率感测信号施加至设备的阵列，每个设备的特性(独有的)共振频率可以被用于确定阵列中哪个致动器正在被刺激为传感器，即，给出阵列中的传感器/致动器的位置。
例如，可以跨阵列中的所有设备施加公共的驱动信号，公共的信号包括具有不同频率(即，所述设备的——已知的不同共振频率——或反共振频率)的一系列信号。如果频率的时间扫掠比传感器输入更快，则跨所述设备仅针对与被刺激的特定设备相对应的该频率将能检测到阻抗的对应下降(或升高)，即，在频率扫掠移动到与所刺激的设备相对应的fr时，测量到的阻抗将下降，并且然后，在扫掠移出fr时阻抗再次升高(或者反之亦然)。在这样的系统中，fr(或Rs)能够被用于识别哪个致动器正被用作传感器，即，给出阵列中的传感器/致动器的位置。
以上范例利用阻抗测量来确定所施加的负载。替代检测串联电阻(的改变)，可以检测反共振频率中的改变以导出对应的反馈信号。
备选地，替代检测串联电阻(的改变)(或者反共振频率中的改变)，可以确定相位中的改变，特别是复阻抗的相位角。串联电阻Rs中的改变是相对小的。为了改善灵敏度，其可以与另一相关变量相组合。
在图16中，在左侧示出了Rs中的改变，并且在右侧示出了Cs和Rs中的改变。
右侧图像示出了，响应于实阻抗部中的减小以及虚阻抗部中的增加，复阻抗的相位角如何改变增加量(Δρ)。相位能够通过测量电流与电压之间的相位的改变来检测。具体地，如果EAP具有薄层，则阻抗的虚部(jXcs)的改变的效果可能变为主导的。实际上，与复阻抗相关的任何测量结果都能够被用于表示致动器的加载。
温度感测功能的灵敏度可以通过对所使用的(EAP致动器/传感器的)聚合物的组成的适合的选择来调谐。所述组成可以被调谐以获得所述传感器对于期望的工作温度的最高灵敏度。
例如，在(PVDF-TrFE-CTFE)聚合物材料中，这能够通过改变CTFE含量来实现。
图17示出了具有特定组成对温度的范例材料(PVDF-TrFE-CTFE)的灵敏度，并且其示出了在26摄氏度下的最大灵敏度。所述范例材料具有10％的CTFE含量。
图18示出了适合的工作温度与(PVDF-TrFE-CTFE)聚合物的CTFE含量之间的关系，并且示出了温度灵敏度对CTFE含量的百分比最高时的温度。如所示的，较高的CTFE含量引起灵敏度最高的降低的温度。例如，具有7％的CTFE的聚合物可以被用于温度高于室温下的室内传感器的体内应用。
适合于EAP层的材料是已知的。电活性聚合物包括但不限于以下子类：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、离子凝胶和聚合物凝胶。
子类电致伸缩聚合物包括但不限于：
聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯三氟乙烯)(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF–HFP)、聚氨酯或者其混合物。
子类电介质弹性体包括但不限于：
丙烯酸酯、聚氨酯、硅树脂。
子类共轭聚合物包括但不限于：
聚吡咯、聚(3,4-乙撑二氧噻吩)、聚(对亚苯硫醚)、聚苯胺。
离子设备可以基于离子聚合物-金属复合物(IPMC)或共轭聚合物。离子聚合物-金属复合物(IPMC)是在所施加的电压或电场下显示人造肌肉行为的合成复合纳米材料。
更详细地，IPMC包括类似Nafion或Flemion的离子聚合物，其表面化学镀有或物理涂有导体，诸如铂或金或基于碳的电极。在所施加的电压下，归因于跨IPMC的条带所施加的电压的离子迁移和重新分布导致弯曲的变形。所述聚合物是溶剂膨胀离子交换聚合物膜。所述场使得阳离子连同水行进到阴极侧。这导致亲水团的重新组织并且导致聚合物膨胀。阴极区域中的应变导致弯向阳极的聚合物基质的剩余部分中的应变。反转所施加的电压使弯曲反向。
如果平板化电极被布置在非对称配置中，所施加的电压能够引起所有种类的变形，诸如扭曲、旋滚、扭转、转动和非对称弯曲变形。
在所有这些范例中，可以提供额外的被动层，用于响应于所施加的电场来影响EAP层的电气和/或机械行为。
每个单元的EAP层可以被夹置在电极之间。所述电极可以是可拉伸的，使得其遵循EAP材料层的变形。适合于所述电极的材料也是已知的，并且例如可以选自包括以下项的组：金属薄膜(诸如金、铜或铝)或有机导体(诸如碳黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)，例如聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(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。
本发明能够被应用在许多EAP和光活性聚合物应用中，包括其中对致动器或传感器的被动矩阵阵列、或者组合的传感器和致动器感兴趣的范例。
如果感兴趣，则本发明通常用于负载和温度感测。其也可以当需要组合的感测和致动功能时被使用。
在许多应用中，产品的主要功能取决于对人类组织的(局部)感测以及也任选的操纵，或者取决于对组织接触界面的致动。在这样的应用中，主要地由于小的形状因子、柔性和高能量密度，因而EAP致动器例如提供独有的益处。因此，EAP和光敏聚合物能够被容易地被集成在软的3D形状和/或微型产品和接口中。这样的应用的范例是：
皮肤美容处置，诸如以基于响应性聚合物的皮肤贴片形式的皮肤致动设备，其对皮肤施加恒定或周期性的拉伸以拉紧皮肤或减少皱纹；
具有患者接口面罩的呼吸设备，其具有基于响应性聚合物的主动衬垫或密封件，以向皮肤提供交替的正常压力，从而减少或防止面部红色印记；
具有自适应剃须刀头的电动剃须刀。皮肤接触表面的高度能够使用响应性聚合物致动器进行调节，以便影响紧密度和刺激之间的平衡；
口腔清洁装置，诸如具有动态喷嘴致动器的空气牙线，以改善特别是在牙齿之间的空间中喷雾的范围。备选地，牙刷可以被提供有激活的丛毛；
消费电子设备或触摸面板，经由被集成在用户界面中或用户界面附近的响应性聚合物传感器的阵列来提供本地触觉反馈；
具有可操纵顶端的导管，可以在弯曲的血管中轻松导航。
受益于这样的致动器的另一类相关应用涉及对光线的修改。诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件能够通过使用这些致动器进行形状或位置调节来实现自适应。这里EAP的益处例如是较低的功耗。
通过研究附图、公开的内容以及随附的权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一事实并不表示不能够有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种系统，包括：
电活性材料传感器(22)；以及
控制系统(28)，其用于执行对电气特性的测量，所述电气特性包括所述电活性材料传感器在至少第一频率处以及在与所述第一频率不同的第二频率处的阻抗或阻抗相位角，
其中，所述控制系统适于根据所述测量来导出所述电活性材料传感器处的温度以及被施加到所述电活性材料传感器的外部压力或力。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电活性材料传感器包括用作致动器并且用作传感器两者的设备。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一频率是所述电气特性具有最大值或最小值时的共振频率，诸如反共振频率。
4.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述第二频率是所述电气特性相对于负载恒定的频率。
5.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述控制系统适于施加驱动信号，所述第一频率和所述第二频率的测量信号被叠加到所述驱动信号上，其中，所述驱动信号包括DC驱动电平或者具有低于所述第一频率和所述第二频率的频率的AC驱动信号，并且其中，任选地，所述测量信号各自具有所述驱动信号的幅度的至多10％的幅度。
6.根据任一前述权利要求所述的系统，包括传感器的阵列，其中，所述传感器中的至少一些传感器具有不同的第一频率。
7.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述控制器适于基于所导出的温度来修改所导出的外部力或压力。
8.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述电气特性包括阻抗值，诸如串联电阻。
9.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述电活性材料包括弛豫铁电体。
10.一种使用电活性材料传感器的感测方法，包括：
执行对电气特性的测量，所述电气特性包括所述电活性材料传感器在至少第一频率和不同的第二频率处的阻抗或阻抗相位角；并且
根据所述测量来导出所述传感器处的温度以及被施加到所述传感器的外部压力或力。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一频率是所述电气特性具有最大值或最小值时的共振频率，诸如反共振频率，并且所述第二频率是所述电气特性相对于所施加的负载恒定的频率。
12.根据权利要求9至11中的一项所述的方法，其中，所述电活性材料传感器包括用作致动器并且用作传感器两者的设备，并且所述方法包括施加驱动信号并且叠加所述第一频率和所述第二频率的测量信号，其中，所述驱动信号包括DC驱动电平以及具有低于所述第一频率和所述第二频率的频率的AC驱动信号。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法，包括基于所导出的温度来修改所导出的外部力或压力。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的方法，包括执行校准操作以确定所述第一频率和所述第二频率，其中，所述校准操作包括在没有致动信号的情况下施加第一频率扫掠并且在具有致动信号的情况下施加第二频率扫掠。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的系统或方法，其中，所述电活性材料选自包括以下项的组：有机电活性材料、聚合物电活性材料。
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