CN108431975A - 基于电活性聚合物的致动器设备 - Google Patents

基于电活性聚合物的致动器设备 Download PDF

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Abstract

提供了一种电活性聚合物致动器的有源矩阵阵列，每个电活性聚合物致动器具有切换布置。切换布置包括连接到电活性聚合物致动器的第一端子的第一电路(90)，以用于选择性地将电活性聚合物致动器的第一端子驱动到地或将其连接到开路。第二电路(92)连接到电活性聚合物致动器的第二端子，以用于选择性地将电活性聚合物致动器的第二端子驱动到地或将其连接到开路。此外，上拉部件(50)永久性地连接在驱动电压与电活性聚合物生成器的第一端子之间。通过控制电活性聚合物致动器的两个端子，能够至少在不跨电活性聚合物致动器存储电压时降低静态功耗。

Description

基于电活性聚合物的致动器设备
技术领域
本发明涉及利用电活性聚合物的致动器设备。
背景技术
电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP可以充当传感器或致动器，并且可以容易地制造成各种形状，使得可以容易地集成到各种系统中。
已经开发出具有诸如致动应力和应变的特征的材料，其在过去的十年中已经显著改进。技术风险已经降低到产品开发的可接受水平，使得EAP在商业和技术上变得越来越令人感兴趣。EAP的优点包括低功耗、小形状因子、柔性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间和循环致动。
EAP材料的改进性能和特定优点使其适用于新的应用。
EAP设备可以用于期望基于电致动的部件或特征的少量移动的任何应用中。类似地，所述技术能够用于感测小的移动。
EAP的使用实现了以前不可能的功能，或者提供了优于普通传感器/致动器解决方案的大的优点，这是因为与普通致动器相比EAP在小的体积或薄的形状因子的情况下的相对大的变形和力量的组合。EAP还给出无噪声操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可能致动频率，诸如0-20kHz。
使用电活性聚合物的设备可以细分为场驱动材料和离子驱动材料。
场驱动的EAP的范例是电介质弹性体、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的弛豫聚合物或聚亚安酯)以及液晶弹性体(LCE)。
离子驱动的EAP的范例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合物以及离子聚合物金属复合物(IPMC)。
场驱动的EAP由电场通过直接机电耦合来致动，而针对离子EAP的致动机制涉及离子的扩散。这两个类别都具有多个族成员，每个族成员具有其自己的优点和缺点。
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有源层与有源载体层之间的相互作用。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以源自于EAP聚合物中的不对称性，或者可以源自于载体层的属性中的不对称性，或者源自于这两者的组合。
在特定应用中，致动器的阵列可能是有用的，例如在定位系统和受控拓扑表面中。然而，由于致动器的驱动电压相当高，因此利用其自身的驱动器IC个体地驱动每个致动器很快变得昂贵。
无源矩阵阵列是仅使用行(n行)和列(m列)连接的阵列驱动系统的简单实施方式。由于只需要(n+m)个驱动器来寻址高达(n×m)个致动器，这是更具成本效益的方法-同时还节省了额外布线的成本和空间。
理想情况下，在无源矩阵设备中，每个个体致动器应该被致动到其最大电压而不影响相邻的致动器。然而，在常规EAP致动器的阵列中(没有任何电压阈值行为)，将存在与相邻致动器的串扰。当施加电压来致动一个致动器时，其周围的致动器也会经历电压并且将部分地致动，这对于许多应用是不希望的效果。
这种情况例如在US 8552846中被描述，其公开了没有阈值电压或双稳态的EAP的无源矩阵驱动。在所公开的方法中，实现3：1的最佳致动对比比率(即，“非致动”致动器示出最大致动的33％)。由于施加的压力与V2成比例，因此这给出了压力水平的9：1对比比率。该方法也仅适用于2电平驱动。
因此，对于无源矩阵寻址方案，并不独立于其它致动器直接个体寻址每个致动器。
例如对于电子盲文应用，已经预期使用有源矩阵来寻址电活性聚合物致动器的阵列。有源矩阵方法涉及在每个电活性聚合物致动器处在行导体和列导体的相交处提供切换设备。以这种方式，阵列中的每个致动器可以-如果需要的话-个体地致动。有源矩阵寻址方案意味着能够同时致动阵列中的致动器的任何随机模式。
发明内容
出现切换设备(例如晶体管)需要能够承受驱动电活性聚合物致动器所需的高致动电压的问题。许多EAP设计具有几百伏的致动电压，这远高于可以通过适合集成到阵列设备中的现有晶体管处理的可能电压。因此，如果使用薄膜晶体管作为切换元件，则常规有源矩阵寻址方案仅适用于以特别低的致动电压来驱动电活性聚合物致动器，例如高达约40V。高于这个电压时，跨切换TFT驱动晶体管会出现泄漏。多晶硅晶体管将具有较低的电压限制，例如20V。
因此需要一种有源矩阵寻址方案，其能够使用相对较电压的切换设备来致动相对高电压的电活性聚合物致动器。
本发明的目的是解决上述问题并满足上述需要。该目的至少部分由独立权利要求所定义的本发明实现。从属权利要求定义有利的实施例。本发明由权利要求定义。
根据本发明的一个方面的范例，提供了一种致动器设备，其包括：
电活性聚合物致动器的有源矩阵阵列，每个电活性聚合物致动器具有切换布置，
其中，所述切换布置包括：
第一电路，其被连接在所述电活性聚合物致动器的第一端子与地之间，以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第一端子驱动到地或将所述第一端子连接到开路；
第二电路，其被连接在所述电活性聚合物致动器的第二端子与地之间，以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第二端子驱动到地或将所述第二端子连接到开路；以及
上拉部件，其被永久地连接在驱动电压与所述电活性聚合物致动器的所述第一端子之间。
通过驱动电活性聚合物致动器的两个端子，变得能够跨致动器存储电压，并且然后提供浮动端子，使得电流不能流过设备。这减少了静态功耗。
第一和第二电路均可以包括在电活性聚合物致动器的相应端子与地之间的一组串联连接的晶体管。通过提供接地的串联的一组晶体管，每个晶体管可以经历与电活性聚合物设备的驱动电压相比小的电压(在其栅极处，或者跨其栅极-源极或者跨其栅极-漏极)。
串联连接的晶体管例如是n型晶体管。
第二上拉部件可以连接在第二驱动电压与电活性聚合物致动器的第二端子之间。这意味着两个端子可以分别被驱动到至少两个不同的电压。反过来，甚至在整体上仅向电路提供两个不同的驱动电平的情况下，这也实现三电平驱动方案。
驱动电压和第二驱动电压可以是相同的电压。在这种情况下，可以跨设备提供正电压或负电压，使得反转驱动方案是可能的。
驱动电压和第二驱动电压可以不同。在这种情况下，可以提供所有相同极性的三电平驱动方案。
第一和第二电路均可以包括：
寻址晶体管和存储电容器，其用于向串联连接的晶体管中的第一晶体管的栅极提供数据电压；以及
偏置控制电路，其用于控制串联连接的晶体管中的其他晶体管的栅极电压。
这使得能够在电路中存储驱动电平。
第一和第二电路中的每个的偏置控制电路可以包括：
耦合到串联连接的晶体管中的第二晶体管的栅极的偏置电压；以及
一组控制晶体管，相应的晶体管连接在串联连接的晶体管中的其它晶体管的每个相邻对的栅极之间。
通过将栅极连接在一起，所有晶体管可以一起接通(利用偏置电压)以提供接地路径。
控制晶体管可以是p型晶体管。
晶体管例如是薄膜晶体管，例如低温多晶硅晶体管。
通过范例，最大源极-漏极电压可以小于50V，例如小于40V并且可能甚至小于25V，而要跨电活性聚合物设备提供的最大电压大于50V，例如大于60V，可能超过70V，并且可能超过80V。栅极源极和栅极漏极电压也均可以限于上面列出的电压电平，使得在特定设计中，最大电压可以施加到所有三个栅极源极、栅极漏极和漏极源极电压。
根据本发明的另一方面的范例提供了一种致动设备的方法，该设备包括电活性聚合物致动器的有源矩阵阵列，每个电活性聚合物致动器具有切换布置，其中，所述切换布置包括第一电路和第二电路，所述第一电路被连接在所述电活性聚合物致动器的第一端子与地之间，以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第一端子驱动到地或将所述第一端子连接到开路，所述第二电路被连接在所述电活性聚合物致动器的第二端子与地之间，以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第二端子驱动到地或将所述第二端子连接至开路，其中，所述方法包括：
通过以下操作跨所述电活性聚合物致动器存储非零电压：
利用被驱动到开路的所述第一电路将所述第一端子驱动到致动电压并且利用所述第二电路将所述第二端子驱动到地；并且
通过以下操作跨所述电活性聚合物存储零电压：
利用第一电路和第二电路将所述第一端子和所述第二端子驱动到地；并且
随后将所述第一电路和所述第二电路驱动到开路。
当将两个端子驱动到地时，随后使得电路开路，使得不再有通过电活性聚合物致动器到地的路径。以这种方式，静态功耗就降低了。
将第一端子驱动到致动电压可以包括通过上拉部件将驱动电压施加到第一端子。这可以例如包括电阻器。
所述方法可以包括，在利用被驱动到开路的所述第一电路将所述第一端子驱动到致动电压并且利用所述第二电路将所述第二端子驱动到地之后，将所述第二电路驱动到开路。
以这种方式，当电活性聚合物致动器被驱动到其致动电压时，静态功耗可以降低。
所述方法还可以包括通过以下步骤跨电活性聚合物致动器存储第二电压：
利用被驱动到开路的所述第二电路将所述第二端子驱动到第二驱动电压，并且利用所述第一电路将所述第一端子驱动到地。
以这种方式，可以控制两个端子上的电压，使得实现三电平驱动方案。
将第二端子驱动到第二致动电压可以包括通过第二上拉部件向第二端子施加第二驱动电压。
第二驱动电压可以与驱动电压电压相同，或第二驱动和驱动电压可以不同。
例如，所述方法可以包括在电活性聚合物致动器上交替地提供相反极性的驱动电压。这提供了一种反转驱动方案。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的范例，其中：
图1示出了未被夹持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示出了用于一个电活性聚合物致动器的通用有源矩阵电路；
图4示出了通用有源矩阵寻址方案；
图5示出了使用低电压晶体管的高电压电路的第一范例；
图6示出了使用低电压晶体管的高电压电路的第二范例；
图7示出了对图6的电路的修改，以使其适合于驱动电活性聚合物致动器；
图8示出了对图7的电路的修改，以提供信号存储功能；
图9示出了电活性聚合物致动器驱动电路的第一范例；
图10示出了电活性聚合物致动器驱动电路的第二范例；
图11示出了用于实施公共电极驱动方案的电活性聚合物致动器驱动电路的第三范例；
图12示出了具有阈值行为的电活性聚合物设备的第一范例；
图13示出了图12的设备如何改变位移-电压特性；
图14示出了具有阈值行为的电活性聚合物设备的第二范例；
图15示出了具有阈值行为的电活性聚合物设备的第三范例；
图16示出了具有阈值行为的电活性聚合物设备的第四范例；
图17示出了具有阈值行为的电活性聚合物设备的第五范例；
图18示出了图17的设备如何改变位移-电压特性；
图19示出了具有阈值行为的电活性聚合物设备的第六范例；
图20示出了使用二极管的电活性聚合物致动器的驱动电路；
图21用于解释使用图20的电路的寻址序列；
图22示出了使用MIM二极管的电活性聚合物致动器的驱动电路；以及
图23示出了使用两个驱动晶体管的电活性聚合物致动器的驱动电路。
具体实施方式
本发明提供了电活性聚合物致动器的有源矩阵阵列，每个电活性聚合物致动器具有切换布置。致动器包括电活性聚合物结构，以用于提供机械致动，使得所述结构定义非致动状态和可通过将电驱动信号施加到电活性聚合物结构而达到的至少一个致动状态(不同于非致动状态)。其电活性聚合物结构包含EAP材料。这种材料在使其经受能够以电驱动信号形式提供给结构的电信号的情况下能够引起或允许机械变形。致动器或结构可以具有用于向EAP材料提供驱动信号的电极布置。电极结构可以直接附接到EAP材料，或者在两者之间具有中间层。每个单元的EAP材料层可以夹置在电极结构的电极之间。备选地，电极可以处于EAP材料的相同侧。在任何情况下，电极可以直接物理地附接到EAP材料而在其之间没有任何(无源)层，或者间接地附接到EAP材料，在其之间具有额外的(无源)层。但这不必总是如此。对于弛豫或永久性压电或铁电EAP，直接接触不是必需的。在后一种情况下，只要电极可以向EAP提供电场，EAP附近的电极就足够了，电活性聚合物结构将具有其致动功能。电极可以是可拉伸的，使得其跟随EAP材料层的变形。
切换布置包括连接到电活性聚合物致动器的第一端子的第一电路，以用于选择性地将电活性聚合物致动器的第一端子驱动到接地或将其连接到开路。第二电路连接到电活性聚合物致动器的第二端子，以用于选择性地将电活性聚合物致动器的第二端子驱动到接地或将其连接到开路。通过控制电活性聚合物致动器的这两个端子，至少当没有电压要跨电活性聚合物致动器存储时，能够减少静态功耗。
图3示出了用于电活性聚合物致动器的阵列中的通用有源矩阵电路。所述阵列与行导体30和列导体32成行和成列地排列。优选具有多行和多列，从而至少存在2×2阵列。可以有许多行和列，例如数十或数百行和/或列。图3中的电路位于行和列导体的每个相交(即，交叉)处。电路包括诸如场效应薄膜晶体管的晶体管34，其栅极连接到行导体30并且其源极连接到列导体32。晶体管通过行导体上的选择脉冲接通，并且其然后将列导体32上的电压耦合到电活性聚合物致动器36并且耦合到存储电容器38。
存在m×n电活性聚合物致动器的阵列，每个致动器由有源驱动电路驱动，如图3所示。存在m个行导体(寻址线)和n个列导体(数据线)，其中，n≥2且m≥2，例如n≥4或n≥10或n≥50和/或m≥4或m≥10或m≥50。电活性聚合物致动器36的第一电极是驱动电极。电活性聚合物致动器的第二电极连接到参考电压Vref，参考电压Vref对阵列中的许多或全部电活性聚合物致动器是公共的。与电活性聚合物致动器并联的存储电容器38是任选的，并且功能是帮助维持被施加到电活性聚合物致动器的电压。
电路的操作仅在选定的晶体管34的栅极被寻址时将数据电压传递到电活性聚合物致动器的驱动电极，从而使得TFT变为导电性的。寻址完成后，晶体管变为绝缘，并且电压在电活性聚合物致动器上维持，直到其泄漏或直到电活性聚合物致动器再次被寻址。以这种方式，电路操作为采样保持电路，由此(任选的)存储电容器有助于维持施加到电活性聚合物致动器的电压。
在寻址之后，取决于在数据电极和参考电极之间存在的驱动电压(Vdr)，电活性聚合物致动器将变形到新的致动状态。注意，致动可能花费比寻址周期(其通常远小于1msec)长得多的时间。可以通过施加不同的驱动电压实现不同的致动水平。
对阵列进行寻址行进，如图4所示，图4示出了参考电极设置在Vref＝0V处的4×4阵列的范例。起点(未示出)是所有电活性聚合物致动器都被放电并且因此处于其非致动状态中。空心圆圈表示未被致动的致动器，实心圆圈是被致动的致动器。
所有行初始地以非选择电压(针对典型的TFT，Vns：通常-10V)寻址。在这种情况下，没有数据可以转移到电活性聚合物致动器。
然后利用选择电压对第一行寻址(针对典型的TFT，Vsel通常为+30V)。这在图4A中示出。其他行未被选定(Vns)。两列以驱动电压Vdr驱动，并且另外两列以0V驱动，并且这些电压被转移到相应的电活性聚合物致动器的第一电极上。在这种情况下，跨电活性聚合物致动器中的两个的电压差为Vdr：行中的这两个电活性聚合物致动器将处于致动模式中(在寻址完成后，致动可能需要特定时间)。跨另外两个电活性聚合物致动器的电压差为0V，由此行中的这两个电活性聚合物致动器将保持在非致动模式中。
然后利用选择电压(Vsel)对第二行进行寻址，如图4B所示。其他行未被选中(Vns)。再次，用驱动电压Vdr驱动两列，并且用0V驱动两列，并这些电压被转移到相应电活性聚合物致动器的第一电极上。在这种情况下，跨电活性聚合物致动器中的两个的电压差为Vdr：行中的这两个电活性聚合物致动器将处于致动模式中(在寻址完成后致动可能需要特定时间)。跨另外两个电活性聚合物致动器的电压差为0V，由此行中的这两个电活性聚合物致动器将保持在非致动模式中。
通过取消选择第一行，寻址的采样保持本性确保了第一行中的电活性聚合物致动器保持它们的电压(尤其是如果包括存储电容器)并且保持在它们的致动状态中(或者如果还没有达到则朝向致动状态行进)。
然后用选择电压(Vsel)对第三行进行寻址，如图4C所示。其他行未被选定(Vns)。现在三列用驱动电压Vdr驱动，一列用0V驱动，并且这些电压被转移到相应电活性聚合物致动器的第一电极上。在这种情况下，跨电活性聚合物致动器中的三个的电压差为Vdr：行中的这三个电活性聚合物致动器将处于致动模式中(在寻址完成后致动可能需要特定时间)。跨其他电活性聚合物致动器的电压差为0V，由此该电活性聚合物致动器将保持在非致动模式中。通过取消选择第二行，寻址的采样保持本性再次确保该行中的电活性聚合物致动器保持其电压。
然后用选择电压(Vsel)对第四行进行寻址，如图4D所示。其他行未被选中(Vns)。仅用驱动电压Vdr只驱动一列，用0V驱动其他三列。跨电活性聚合物致动器中的仅一个的电压差为Vdr。
在寻址阶段的结束处，可以取消选择所有行(Vns)，并且可以从列中移除电压，由此电活性聚合物致动器将保持在其致动状态中，直到其电压泄漏完为止，此时阵列可以如上所述进行重新寻址。
能够同时寻址若干行电活性聚合物致动器，由此甚至更快地进行寻址。这是通过将寻址电压同时施加到多于一行的电活性聚合物致动器来实现的。如果要应用相同的数据模式，则这是可能的。
在上面的范例中，仅考虑了双电平数据驱动器(0V和Vdr)。这将实现成本最低的驱动器IC。然而在另外的范例中，也可以优选部分地致动电活性聚合物致动器。为了实现这一点，可以使用具有高达Vdr的多个数据电压的数据驱动器。
此外，尽管在上述范例中，将一种极性的电压施加到电活性聚合物致动器，但是在另外的实施方式中，可能优选的是以规则的时间间隔反转跨电活性聚合物致动器的电压的极性，由此电活性聚合物致动器的性能比在不使用反转的情况下恶化得更少。这可以通过例如在另一轮寻址中改变参考电极上的电压并相应地调整驱动电压来实现。
上述基本有源矩阵寻址方案需要晶体管能够承受与用于驱动电活性聚合物致动器的电压相同的电压。
本发明涉及使用切换设备，例如低电压多晶硅晶体管其在比电活性聚合物致动器的驱动电压更低的电压下工作。
已知使用晶体管控制开关的高电压加热技术，所述晶体管控制开关在比加热器所需的更低的电压下操作。
图5示出了用于60V加热器的驱动电路的第一范例。图5(a)示出了关闭的加热器，图5(b)示出了开启的加热器。
所述电路中使用的晶体管是20V TFT，其例如是针对低温多晶硅(LTPS)TFT的电压限制。
所述电路包括连接到高电压60V线Vddout的上拉电阻器50和包括串联的三个n型晶体管N1到N3的下拉电路。底部晶体管N1具有施加的控制电压，所述控制电压在0与20V之间切换。第二晶体管N2具有施加的恒定偏置电压。偏置电路52控制施加到晶体管N3的电压，并且其包括两个p型晶体管P1和P2。第一p型晶体管P1位于第二和第三n型晶体管N2、N3的栅极之间，其栅极连接到晶体管N2、N3之间的节点。当P1闭合时，偏置电压被施加到晶体管N2、N3两者的栅极，使它们两者闭合。第二p型晶体管P2在第三n型晶体管N3的栅极和源极之间，其栅极连接到第二n型晶体管N2的栅极。当P2闭合时，晶体管N3没有源极-漏极电压，因此晶体管N3断开。
图5A示出了当输入控制电压高(20V)时电路中的电压，在这种情况下，P1接通并且P2断开。这意味着N1-N3全部具有20V的栅极电压，并且输出电压被拉低至地(0V)，N1和N2之间以及N2和N3之间的节点也如此。
图5B示出了输入控制电压切换为低(0V)后电路中的电压，在这种情况下，N1断开，并且输出电压拉高。电路作为整体充当开路，因为由于断开N1而没有连接到地。在没有上拉电阻器50及其连接的情况下，输出将是浮动的。
反过来，N2和N3之间的节点被拉高，这导致P1断开，并且P2接通。从对称性来看，N2和N3之间的稳态电压将稳定在40V处，N2和N1之间的稳态电压将稳定在20V处，在这种情况下，通过晶体管N1到N3的泄漏电流全部相等。
图6示出了针对80V加热器的驱动电路的范例。下拉电路包括四个串联的n型晶体管N1到N4，并且偏置电路54控制施加到晶体管N3和N4的电压，并且其包括四个p型晶体管P1到P4。偏置电路包括图5的偏置电路52中的两个，一个堆叠在另一个之上。再次，要么所有的n型晶体管都接通，以将输出拉低，否则断开底部晶体管，并在跨每个n型晶体管共享电压降。
图6A示出了输入控制电压为高(20V)时电路中的电压，并且图6B示出了输入控制电压切换为低(0V)后电路中的电压。
当使用这些电路进行加热时，跨电阻器上高电压下降，并且假定电阻器可以承受高电压，通常是这样的情况。然而，对于电活性聚合物设备，所述设备具有电容等效电路。
所述方法然后可以是使用图7的电路，其中，负载是现在除了上拉电阻器之外的EAP致动器。
诸如图7所示的电路的电路的问题在于，当下拉电路处于接通状态中时，即当EAP致动器的一个或两个端子被下拉到0V时，存在静态功耗。所述电路也没有存储驱动信号。
存储问题很容易解决，如图8所示。
寻址晶体管80被提供，其使得例如在列线上的数据电压V数据能够被施加到局部存储电容器82。寻址晶体管80的栅极耦合到寻址线81，寻址电压Vaddr被提供到寻址线81。寻址线例如是行导体。
电活性聚合物致动器可以在电源(在该范例中，80V处)与0V之间用低电压寻址方案驱动，其中，Vaddr(例如0至20V的范围内)是矩阵阵列的标准行地址信号并且V数据例如也在0到20V的范围内。
静态功耗的问题仍然存在，并且电路仅能够实现跨电活性聚合物设备的两个电压电平。
本发明提供了解决这些问题中的一个或多个的电路方法，图9示出了其第一范例。
所述电路包括如图8所示的第一电路90和如图8所示的第二电路92，但共享公共上拉电阻器50，上拉电阻器50连接到电活性聚合物致动器的一个端子(定义为第一端子)。整个电路因此具有两个行寻址线94、96和两个列数据线98、100。
第一电路90的输出部连接到电活性聚合物致动器36的一侧，并且第二电路92的输出连接到电活性聚合物致动器36的另一侧。以这种方式，整个驱动电路具有对电活性聚合物致动器36的两侧的访问，并且结果变得能够克服静态功耗的问题。
通过利用低电压信号Vaddr1、2和V数据1、2进行寻址，能够实现具有双电平的驱动，而没有静态功耗。
通过提供V数据1和V数据2为高(当相应的行地址信号接通时)，电活性聚合物致动器的两侧将耦合到地。V数据2然后可以被驱动到一个低值(而Vaddr2仍然接通)。0V将保持跨电活性聚合物致动器，但是第二端子将浮动，使得电流不能流过电活性聚合物致动器本身。
还获取低的V数据1(同时Vaddr1仍然接通)不仅会截断通过电活性聚合物致动器的电流，而且会阻止来自主电源的电流消耗。电活性聚合物致动器将具有存储的0V，但没有电流会流过电活性聚合物致动器，并且其将浮动到高电源(在两个端子上)。
注意，仅第一电路90需要切换到高阻抗状态以实现跨致动器的高电压，而两者电路90、92保持在高阻抗状态中以跨致动器维持低(即零)电压。因此，当使用Vaddr1和Vaddr2进行寻址以在致动器上实现高电压时，V数据1应该开始为高并且在地址周期内转换为低。对于低电压，V数据1和V数据2两者开始为高并在地址周期期间转变为低。
为了利用高电压对电活性聚合物致动器进行寻址，经提供了修改的驱动方案。
当相应的行地址信号接通时，将V数据1设置为低(使得电路90为开路)并且将V数据2设置为高(使得电路92将电活性聚合物致动器的其端子接地)将导致跨电活性聚合物致动器提供驱动电压Vddout(例如，80V)。
然后可以保持这些电压，使80V在地址信号变低后没有电流被消耗的情况下被存储。
电路92然后可以被驱动到开路状态。这将防止电流流过致动器，因为一个端子是浮动的。这再次防止静态功耗。
图10示出了对图9的电路的修改，其中，每个电路90、92具有其自己相应的上拉设备50、100，使得存在连接到电活性聚合物致动器36的每个端子的一个上拉设备。
这使得能够实现三电平驱动方案。
通过范例，可以跨电活性聚合物设备提供电压水平80V、0V和-80V。
因此该电路布置可用于提供高电压反转驱动方案。之前已经观察到，这种反转驱动既改进了致动的幅度，并且减少了在长时间使用的情况下的致动的漂移。
寻址可以以以下方式进行。
(i)驱动至+80V，
Vaddr1、2被驱动为高，V数据1为高(电路90接地)，V数据2为低(电路92为开路)。电活性聚合物致动器因此被充电到80V(即，连接到第二电路92的端子处于比连接到第一电路90的端子更高的电压)。然后Vaddr1、2变低。电容器82保持相同的电压。
(ii)驱动至0V，
Vaddr1、2被驱动为高。V数据1、2初始为高，使得这两个电路接地。然后使它们变低，使得电活性聚合物致动器的两个端子处于相同的电压处，但没有静态功耗，因为电活性聚合物致动器端子向上浮动到电源电压。Vaddr1、2然后变低。
电路90和92的操作的定时是同步的。
(ii)驱动至-80V，
Vaddr1、2被驱动为高。V数据1为低(电路90为开路)，V数据2为高(电路92接地)。因此电活性聚合物致动器被充电到-80V(即，连接到第二电路92的端子处于比连接到第一电路90的端子更低的电压)。然后Vaddr1、2变低。电容器82维持相同的电压。
如果图10中以80V示出的两个电源电压改变为不同电平(每个80V或更小)，则跨电导活性聚合物致动器的不同组电压可以导出，例如，80V和60V的电源将在电活性聚合物驱动器上实现80V、0V和-60V。
上述方法实现了有限数量的驱动电平。然而，可以通过应用脉宽调制(PWM)方案来获得中间致动水平。PWM方法可以例如对于一些类型的设备有帮助，尤其是以便维持稳定状态。
上面的范例使用一系列下拉晶体管来使得能够使用低电压晶体管。另一种方法是利用对置电极(counter electrode)驱动。
图11示出了包括行导体30、列导体32、晶体管34和电活性聚合物致动器36的基本有源矩阵切换电路。电活性聚合物致动器的一个端子连接到晶体管34，另一个端子连接到对置电极电压Vce被施加到的公共计数器电极110。可以再次提供存储电容器38。晶体管可以是薄膜晶体管，并且其可以是多晶硅或非晶硅。
对置电极110可以对电活性聚合物致动器的子集是公共的，例如寻址行中的所有电活性聚合物致动器，或者其可以对阵列中的所有电活性聚合物致动器是公共的。这种有源矩阵电路的常规驱动将驱动电压限制到约40V。
用于有源矩阵阵列的高驱动电压方法可以通过从对置电极连接和从数据驱动器两者驱动阵列来实现。以这种方式，可以向阵列中的选定的电活性聚合物致动器提供高驱动电压，而不向驱动电极引入高电压。这确保寻址晶体管34不经受高电压，因为高电压仅存在于对置电极上。因此，其将不泄漏，老化或完全故障。
在施加来自数据驱动器的驱动电压之前，可以将对置电极设置到不同的(第二)非零电压。以这种方式，可以用给定电压的数据驱动器实现跨电活性聚合物致动器的较高电压。
具体而言，致动电压等于驱动电压减去对置电极电压。在这种情况下，如果电活性聚合物致动器具有至少与第二对置电极电压一样高的阈值电压以避免所有电活性聚合物致动器被致动，则这是有益的。下面讨论实施阈值电压的方式。
在使用图11的电路的第一范例中，假定电活性聚合物致动器具有30V的阈值电压和60V的致动电压，其超过有源矩阵寻址的正常范围。阈值电压表示致动水平，与高于阈值的致动相比，低于所述致动水平，存在大大降低的致动。假设电活性聚合物致动器处于初始非致动状态中，则高电压驱动如下进行。
阵列中的所有数据驱动器被设置为参考电压，例如，0V。
对置电极电压Vce此时为0V。然后所有的寻址晶体管34被驱动到寻址(接通)状态，例如其栅极电压在40V处。这确保了通过连接到存在于列导体32上的数据驱动器电压，每个电活性聚合物致动器的驱动电极上的电压保持在0V处。
施加到所有电活性聚合物致动器的对置电极电压Vce(例如+60V)被驱动到公共对置电极110上。当施加该电压时，电流流入该设备中以对电容充电，直到对置电极达到施加的电压并且跨电活性聚合物致动器有60V。此时，由于缓慢响应速度，所有电活性聚合物致动器处于相同的物理非致动状态中，而电活性聚合物致动器上的电荷与致动状态一致。结果，所有电活性聚合物致动器将开始致动，除非它们在寻址阶段被停用。
在该寻址阶段中，所有寻址晶体管34首先被驱动到非寻址(绝缘)状态，例如其栅极电压在-5V处。
然后以正常的方式一次一行地将数据施加到阵列(通过一次寻址一行寻址晶体管)。在这种情况下，致动数据将为0V，因为这将导致那些必须切换位置的电活性聚合物致动器来完成这。通过将0V施加到电活性聚合物致动器，跨电活性聚合物致动器将会有60V。30V的数据电压代替地会导致跨设备的+30V的电压，该电压将低于阈值，并且电活性聚合物致动器将不致动(如果立即执行寻址)或将返回到非致动状态(如果在寻址之前有延迟)。
因此，电活性聚合物致动器全部电驱动到其致动状态。该状态或者在寻址后被维持，或者在致动器有时间进行物理响应之前被反转。
在该范例中，数据线电压包括0V的第一驱动电平和30V的第二驱动电平。
公共电极电压包括0V的第三驱动电平和60V的第四驱动电平。更一般地，第四驱动电平的电压大于第二驱动电平的电压。
第四驱动电平(60V)的电压是最大驱动电压，使得当其被施加时，致动器被电驱动到其最大驱动状态(当数据电压为零时)。第二和第四驱动电平的电压之间的差异(在该范例中，60V-30V＝30V)等于或小于阈值电压，使得当数据电压被设置在第二驱动电平(30V)处时，存在去寻址。
寻址晶体管在对置电极电压切换时的时段期间接通，否则驱动电极上的电压也将切换到对置电极电压(因为没有电流可以流走)并且寻址晶体管将被损坏。
公共电极电压可以保持在高电平处。为了将设备整体断开，所有数据线可以被驱动至0V以断开晶体管，然后公共电极电压可以以受控方式被驱动至0V。
在第二实施方式中，电活性聚合物致动器被假设为具有60V的阈值电压和90V的致动电压-其超过了有源矩阵寻址的正常范围。假设电活性聚合物致动器处于初始的非致动状态中，则高电压驱动如下进行。
阵列中的所有数据驱动器被设置到参考电压，例如，0V。
对置电极电压Vce此时为0V。所有的寻址晶体管都被驱动到寻址(接通)状态，例如其栅极电压处于40V处。这确保驱动电极上的电压保持在0V处。
要施加到所有电活性聚合物致动器的对置电极电压Vce(-60V)被驱动到公共对置电极上。当该电压被施加时，电流流入设备以对设备电容充电，直到对置电极达到施加电压(跨电活性聚合物致动器有60V)。此时，所有电活性聚合物致动器处于与电致动聚合物致动器上的电荷相同的状态中(即，非致动)，这与该致动状态一致。
所有寻址晶体管然后被驱动到非寻址(绝缘)状态，例如其栅极电压在-5V处。
以正常方式一次一行地将数据应用到阵列(通过一次寻址一行寻址晶体管)。在这种情况下，致动数据将为30V，因为这将导致必须切换位置的电活性聚合物致动器来完成这(跨设备的电压为90V)。0V的数据电压将导致跨设备的60V的电压，这将低于阈值，设备将不会致动。
该方法与第一种不同之处在于，初始驱动是非驱动状态，并且逐行寻址是将电活性聚合物致动器切换到寻址状态。
在该范例中，数据线电压包括0V的第一驱动电平和30V的第二驱动电平。
第四驱动电平(-60V)的电压是等于或小于阈值电压(在该范例中为60V)的大小的负电压，并且第二驱动电平的电压是正电压(在该范例中为30V)，例如第二和第四驱动电平的电压之间的差等于最大驱动电压(30V--60V＝90V)。单独的第四驱动电平不足以致动致动器。
寻址晶体管在对置电极电压切换的时段期间再次接通，否则驱动电极上的电压也将切换到对置电极电压(因为没有电流可以流走)并且寻址晶体管将被损坏。
该电路的操作仅在选定的TFT的栅极被寻址时才将数据电压转移到电活性聚合物致动器的驱动电极，从而使得TFT接通。寻址完成后，TFT变为绝缘，并且电压保持在设备上，直到泄漏或直到设备再次寻址。以这种方式，该电路用作采样保持电路，由此(任选的)存储电容器有助于维持施加于该设备的电压。
在寻址之后，取决于存在于数据电极和参考电极之间的驱动电压(Vdr)，设备将变形为新的致动状态。致动可能花费比寻址周期长得多的时间，寻址周期通常远小于1msec。通过施加不同的驱动电压可以实现不同的致动水平。
如从以上描述中可以清楚看出的，一些设计可以利用设备的阈值行为。电活性聚合物致动器本身不具有阈值行为。现在将讨论一些创建具有期望阈值行为的结构的方法。
可以使用机械效应或电子(驱动信号)效应或这些效应的组合创建人为创建的阈值，以避免达到该阈值的不希望的致动效应。
机械阈值效应可以例如使用几何结构、机械夹持或表面“粘性”来实施。电阈值效应可以例如使用静电吸引或电击穿行为来实施。这些效应的组合也可以用于高效实现电压阈值。
该阈值可被认为是延迟，其中，物理激励被延迟直到达到特定驱动电平。
图12示出基于几何效应的第一范例，其使用机械结构来实施延迟。
所述设备包括在腔室122内的电活性聚合物层120。腔室具有悬挂在电活性聚合物层120上的盖子124。盖子位于边缘上，这意味着它悬挂在EAP层上。用第一范围的施加的驱动信号驱动电活性聚合物层使其朝向盖子升高。接触完成后(在第一范围内的最大驱动信号处)，进一步致动会导致盖子升高，如下图所示。因此，存在输入驱动信号的范围，其仅引起电活性聚合物层在盖下方的间隙内的移动。当达到该范围内的最大驱动信号时，进行接触。这对应于整个设备的阈值电压。高于该驱动信号，在第二范围内的进一步驱动提供了对应于设备的机械输出的盖子的提升。
因此，部分致动的元件不会移动盖子，但是完全致动的致动器将给予位移，尽管损失是被致动表面的有限完全位移。
如图13所示，延迟的效应是降低位移曲线，使得在达到阈值VT之前没有位移。这具有降低最大位移的效应。
如果使用保持器系统(例如搭锁系统)夹持致动器以创建用于致动的阈值电压，则致动器可以提供更多的位移。该阈值电压则对应于克服保持器功能所需的力。
图14示出了具有卡扣形式的保持机构140的范例，盖子124在移位之前必须经过卡扣。在其可以移动经过钩子之前，卡扣需要施加阈值力到盖子。示出了相应的位移对电压特性(曲线142)以及力对电压特性曲线(曲线144)。
通过搭扣致动器之后，致动器将利用更多的施加电压继续增加其位移。当电压被移除时，系统返回到其初始平坦状态。卡扣可以允许在盖子的向下方向上自由通过，否则所述设备可能需要通过额外的施加力来复位。
在另一机械实施例中，阈值电压可通过在电活性聚合物结构(即聚合物层和其自身衬底)和支撑结构之间添加定义的“粘性”来诱导。只能通过增加电活性聚合物层两端的电压直到其力克服系统的粘性来克服粘性。
可以通过以下来实施粘性：
对表面进行化学修改(施加胶状特性)，
在表面之间引入流体(使用毛细作用力)，
表面的机械/拓扑修改，例如“魔术贴”状结构。
上面的范例利用例如定义设备的输出的基于机械结构的延迟机制。备选方案是基于静电效应，如图15所示。
致动器在电活性聚合物结构下方的表面上具有额外电极150。电活性聚合物层120的一个电极和表面上的额外电极150之间的静电引力创建约束弯曲的限制力。
如果静电力被弯曲力克服，则致动器将弯曲。这大大减少了静电力，因为力是电极间距(d)的平方的函数。任何弯曲将增加d，并且静电力减小，从而导致进一步的弯曲并因此静电力(F_静电)的更多地减少，并且阈值被克服。
曲线图示出了对应的位移对电压特性(曲线152)，力对电压特性(曲线154)和静电力对电压特性(曲线156)。
该系统的优点是静电力几乎是瞬时的，并且电活性聚合物层力缓慢地响应，这有利于保持致动器在较低电压下被紧紧夹持。可以通过利用电活性聚合物层和衬底之间的电容的差异来实现动态效应。在该配置中，一旦施加电压，静电力就工作于约束EAP设备。然而，电活性聚合物致动器将从阶跃电压输入缓慢积聚到其最大力。这能够导致延迟的阈值效应。因此，当施加阶跃电压时，静电力首先压制设备直到致动力克服静电力阈值并弹出以给出位移。
因此阈值部分地由致动器的几何结构确定，并且部分地由致动速度确定。
提供阈值的延迟机构的另一可能实施方式包括电部件，所述电部件实施阈值电压或转折电压以用于控制将施加的驱动信号施加至电活性聚合物层。
图16示出了范例，其中，电活性聚合物层120与示出为DIAC(二极管AC开关)的电阈值或转折元件160电串联连接。可以使用其他阈值元件，诸如肖克利二极管、可控硅整流器或其他晶闸管。该元件可以是作为衬底堆叠的部分的电活性聚合物结构的部分，例如作为有机半导体层(以p-n-p-n顺序)。备选地，对于阵列中的较大致动器，元件可以是与每个致动器串联连接的表面安装设备部件。
对于低于转折电压或阈值电压的施加电压，当跨阈值或转折元件出现电压降时不会引起变形。对于较大的施加电压，电活性聚合物层将变形。
用于延迟机构的另一可能的实施方式包括第二电活性聚合物结构，其中，第二电活性聚合物结构包括用于将施加的驱动信号接收到设备的电极，其中，当第二电活性聚合物结构变形预定量时，施加的驱动信号耦合到(主)电活性聚合物结构。
图17示出了范例。整个设备包括主致动器170和辅助致动器172。辅助致动器比主致动器小，并且其定义了作为非负载承载设备的控制部件。
使用两个顺序致动器使得能够实施阈值。辅助致动器用作机械开关，而主致动器是功能致动器。当电压低于阈值电压时，开关断开，如图17A和17B中的电压V＝0和V＝V1所示。
在阈值电压处和阈值电压以上，例如V＝V2，如图17C所示，开关接通，并且功能致动器一次完全通电到该电压。
两个致动器之间的接触提供它们的驱动电极的接触，使得辅助致动器延迟驱动电压到主致动器的施加。
图18示出了针对主致动器的位移函数，并且可以看出存在位移函数的突然切断。
顺序排序可以以不同的致动器配置和切换致动器几何结构以若干不同的方式进行配置。取决于致动器几何结构，可以通过电活性聚合物结构的电极或通过在衬底背侧上制造的额外的接触垫来进行接触。
如上所述，实施延迟功能的另一方式是通过引入粘附特性。
图19示出了其中电活性聚合物层120的扩展被约束到平面内的实施方式。
该设计能够基于独立式设备(如图1所示)。例如，两层可以固定在一侧，否则可以自由地在所有方向上扩展。
所述层抵靠衬底192设置，并且它们之间存在摩擦阻力，摩擦阻力抵抗相对滑动移动，直到摩擦力被克服。
以这种方式，摩擦用作延迟机制，并且确定阈值。
为了以克服摩擦的方式来驱动设备，可以使用ac驱动方案。例如，当致动器从一个位置移动到下一个位置时，控制器194用于施加被添加到dc驱动信号的高频ac纹波以实现相对滑动。下一个位置也可以由于摩擦通过移除施加的电压来保持，使得获得双稳态效应。
如图19中的电压时间曲线所示，设备的驱动开始于一个只有很小dc偏移的ac电压。电活性聚合物对称地致动正电压和负电压，使得在非致动状态周围会产生振动。这将导致摩擦减小并且准备针对平滑致动移动的电活性聚合物层，这种情况一旦驱动电压增加就发生。
然后，电活性聚合物层在曲线图中绘制的下一个时间段期间继续变形，其中，在变形期间存在主动振动(由ac分量叠加在上升的dc电压电平上引起)。
最后，跟随在ac信号叠加在基本恒定的dc电平上的情况下的短时段，为了允许电活性聚合物层在达到其最终状态时的移动的任何延迟，电压被去除，如果剩余摩擦足够的话，则这将使得第二固定状态被保持。随后，可以通过仅施加小的ac信号以克服摩擦并使设备回到其原始状态来重置设备。因此该设备具有带有复位的可能性的多个任意稳定状态。在该实施例中，缓慢降低ac信号幅度以允许设备进入其最稳定(最高摩擦)状态中可能是有利的。
上面描述的各种范例实质上提供了具有阈值功能的致动器设备。
以上电路基于晶体管的使用。尽管非晶硅TFT的MOSFET性质允许通过相同的切换TFT将设备驱动到更高的电压和更低的电压，但是还有其他-低成本-有源元件，诸如二极管，其中，情况并非如此。
原则上，能够通过在行和列的相交点处串联的二极管来寻址EAP设备。然而，由于二极管仅在一个方向上导通，因此每个设备的启用状态的减小取决于EAP设备的自放电功能。这可能会导致阵列像素的长时间不希望的接通时间。
图20示出了利用二极管的切换布置。第一二极管200位于第一寻址线202与电活性聚合物致动器36的第一端子之间，并且第二二极管204处于电活性聚合物致动器36的第一端子与第二寻址线206之间。因此二极管串联在具有相同的极性的两条寻址线202、206之间。电活性聚合物致动器的第二端子连接到选择线208。第一和第二寻址线包括列导体，并且选择线包括行导体。
因此在第一寻址线与电活性聚合物致动器的第一端子之间存在第一二极管，并且在电活性聚合物致动器的第一端子与第二寻址线之间存在第二二极管，其中，电活性聚合物致动器的第二端子连接到选择线。该布置使用两个二极管；一个用于寻址，并且另一个用于去寻址。
第一二极管200是用于从第一寻址线对电活性聚合物致动器充电的寻址二极管，第二二极管204是用于将电活性聚合物致动器放电到第二寻址线(即，将其驱动到较低电压)的去寻址二极管。
为了限制接通时间，如可能根据应用要求需要的，该电路提供电活性聚合物致动器的主动停用或去寻址。其允许电活性聚合物致动器的迅速放电(并且如果存在其存储电容器)。
寻址方案通过对应的去寻址方案来扩展，如参考图21所解释的，图21示出了4×4矩阵。
在每个相交点处，图20的电路被提供。现在针对每列致动器存在两个列导体202、206，使得存在2m列和n行。
在每个循环期间，行依次被寻址。当一行正被寻址时，行中的电活性聚合物致动器被寻址或主动去寻址。
图21示出了第一行被选择的寻址周期的两个部分。
图21A示出了第一行中的所有电活性聚合物致动器被致动。
在寻址期间，第二列导体206保持高(Vh)，使得致动器不能放电。选定的列的第一列导体202也被带到为高(Vh)以对这些列中的电活性聚合物致动器进行充电。在图21A的范例中，全部四个致动器被寻址。
在如图21B所示的去寻址期间，第一数据列202保持为低(V1)，使得结合寻址线电压，第一二极管200不导通。选定列的第二二极管204由于施加到选定的第二列导体206的低放电电压(Vd)而导通。其他第二列导体具有施加的高电压(Vh)，使得二极管204不导通。
针对选定的行的行导体具有施加的选择电压(Vsel)，并且所有其他行具有施加的非选择电压(Vns)。如下面将解释的，在充电和放电阶段期间使用不同的非选择电压。金当去寻址行被启用并且对应的第二数据列206被切换到停用电压(Vd)时，相交点处的致动器将被停用(放电)。当低的非选择电压Vns被施加到行导体时，低电压Vd单独不足以正向偏置二极管204。
寻址和去寻址操作是顺序的。它们不能是同时的，因为这在两个列导体之间提供短路。
通过范例，对于200V的致动电压，取决于驱动序列的阶段，以下电压电平是可能的：Vh＝100V，V1＝-100V，Vd＝-100V并且Vns＝+100V或-100V。
一种可能的驱动序列是：
1、充电
针对要寻址的行的地址线208被驱动到Vsel＝-100V。
数据线202被驱动到Vh＝100V，并且数据线206被驱动到Vh＝100V。所述行中的致动器充电至200V。针对非选定行的地址线在Vns＝100V处。
2、放电
针对非选定行的地址线208被驱动到Vns＝-100V。
数据线202被驱动到V1＝-100V。因此，所有的二极管200都是不导通的，或者跨其的0V，或者200V的反向偏置。
将要放电的致动器的数据线206被驱动至Vd＝-100V。然后这些行中的致动器通过二极管204被放电。没有其他致动器受到影响。
图22示出了另一范例，其中，切换布置包括单个列导体32和行导体30之间的与电活性聚合物致动器36串联的MIM(金属-绝缘体-金属)二极管220。MIM二极管在较低电压下示出具有阻塞范围的在两个导通方向上的二极管特性。
图23示出了切换布置的另一范例，其包括串联在数据线234和电活性聚合物致动器36的第一端子之间的第一和第二晶体管230、232，其中，第一晶体管230由第一列寻址线32切换并且第二晶体管由第二正交行寻址线30切换。电活性聚合物致动器36的第二端子连接到参考电势Vref。存储电容器38也再次示出为与电活性聚合物致动器并联。切换布置因此包括串联在电数据线和活性聚合物致动器的第一端子之间的第一和第二晶体管。使用两个晶体管时的能够实施自动刷新方案。这使得致动状态能够保持而无需用数据重新寻址阵列。
驱动器布置用于将第一和第二驱动电平递送到第一和第二寻址线，并将数据递送到数据线。
为了寻址电活性聚合物致动器，两者晶体管需要同时寻址。这种电路允许例如在随机存取存储器(RAM)中实施自动刷新方案。
在上述所有范例中，驱动器可以以双电平信号(0V和Vdr)的形式施加数据信号。如上所述，这将实现成本最低的驱动器IC。然而，在备选实施例中，能够优选的是也部分致动致动器。为了实现这一点，可以使用具有高达Vdr的多个数据电压的数据驱动器，或者可以使用PWM驱动方案。
在所有这些有源矩阵寻址方案中，能够期望在同一时刻寻址若干行电活性聚合物致动器，由此寻址将甚至更快地进行。这是通过将寻址电压同时施加到多于一行的电活性聚合物致动器来实现的。
也如上所述，能够优选的是以规则的间隔反转跨电活性聚合物致动器的电压的极性，由此相比于在不使用反转的情况下，设备的性能会劣化得更少。这可以通过例如在另一轮寻址中改变参考电极上的电压并相应地调整驱动电压来实现。
对于场驱动设备，电极布置可以包括如上所示的电活性聚合物层的相对面上的电极。这些提供了用于控制EAP层的厚度的横向电场。这继而导致层的平面中的EAP层的扩展或收缩。
电极布置可以代替地在电活性聚合物层的一个面上包括一对梳形电极。这提供了面内电场，以用于直接控制面内层的尺度。
适合于所述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)、聚亚安酯或者其混合物。
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。
可以提供额外的被动层，以用于响应于所施加的电场来影响所述EAP层的行为。
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，使得其跟随EAP材料层的变形。适合于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：薄金属膜，诸如金、铜或铝；或者有机导体，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)。也可以使用金属化聚酯膜，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)来选择针对不同层的材料。
上文所讨论的额外的层可以被用于调整设备(诸如额外的聚合物层)的电气或机械行为。
所述EAP设备可以是电场驱动的设备或离子设备。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)是合成的复合物纳米材料，其在所施加的电压或电场下显示人工肌肉行为。
IPMC包括离子聚合物(如Nafion或Flemion)，其表面被化学地电镀或者被物理地涂覆有导体，诸如铂或金，或者碳基电极。在所施加的电压下，由于跨IPMC的所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。所述场使阳离子连同水一起行进到阴极侧。这导致亲水性聚类的再组织以及聚合物扩展。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。反转所施加的电压使弯曲反向。
如果经电镀的电极被布置在不对称配置中，则所施加的电压能够引起所有类型的变形，诸如扭曲、滚动、扭转、旋转以及不对称的弯曲变形。
该设备可以用作单个致动器，或者可以存在一排设备或设备的阵列，例如以提供2D或3D轮廓的控制。
本发明能够被应用在许多EAP应用中，包括致动器的被动矩阵阵列感兴趣的范例。
在许多应用中，产品的主要功能依赖于对人类组织的(局部)操纵、或者对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，主要是由于小形状因子、柔性和高能量密度。因此，EAP能够容易地被集成在柔软的3D形状和/或微型产品和界面中。这样的应用的范例是：
皮肤美容处置，例如以基于EAP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拉伸以便拉紧皮肤或减少皱纹；
带有患者接口面罩的呼吸设备，其具有基于EAP的有源垫或密封件，以向皮肤提供交替的正常压力，其减少或防止面部红色印记；
带自适应剃须刀头的电动剃须刀。皮肤接触表面的高度可以使用EAP致动器进行调节，以便影响紧密和刺激之间的平衡；
口腔清洁设备，诸如具有动态喷嘴致动器的空气牙线，以改进尤其是在牙齿之间的空间中的喷雾的到达。备选地，牙刷可以设置有启用的簇；
消费电子设备或触摸面板，其经由被集成在用户接口中或附近的一系列EAP换能器提供局部触觉反馈；
具有可操纵尖端以实现在蜿蜒血管中的容易的导航的导管。
受益于EAP致动器的另一类相关应用涉及光的修改。诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件可以通过使用EAP致动器的形状或位置调整来进行自适应。此处EAP致动器的益处是例如较低的功耗。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践所请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中所记载的若干项的功能。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种致动器设备，包括：
电活性聚合物致动器的有源矩阵阵列，每个电活性聚合物致动器具有切换布置，
其中，所述切换布置包括：
第一电路(90)，其被连接在所述电活性聚合物致动器的第一端子与地之间，以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第一端子驱动到地或将所述第一端子连接到开路；
第二电路(92)，其被连接在所述电活性聚合物致动器的第二端子与地之间，以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第二端子驱动到地或将所述第二端子连接到开路；以及
上拉部件(50)，其被永久地连接在驱动电压与所述电活性聚合物致动器的所述第一端子之间。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括第二上拉部件(100)，所述第二上拉部件被连接在第二驱动电压与所述电活性聚合物致动器的所述第二端子之间。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述驱动电压和所述第二驱动电压是相同的电压。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述驱动电压和所述第二驱动电压不同。
5.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述第一电路和所述第二电路中的每个包括在所述电活性聚合物致动器的相应的端子与地之间的一组串联连接的晶体管(N1-N4)。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第一电路和所述第二电路中的每个包括：
寻址晶体管和存储电容器，所述寻址晶体管和所述存储电容器用于向所述串联连接的晶体管(N1-N4)中的第一晶体管(N1)的栅极提供数据电压；以及
偏置控制电路，所述偏置控制电路用于控制所述串联连接的晶体管(N1-N4)中的其它晶体管(N2-N4)的栅极电压。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第一电路和所述第二电路中的每个的所述偏置控制电路包括：
偏置电压，所述偏置电压被耦合到所述串联连接的晶体管(N1-N4)中的第二晶体管(N2)的栅极；以及
一组控制晶体管(P1-P4)，其中，相应的晶体管被连接在所述串联连接的晶体管(N1-N4)的其它晶体管(N2-N4)的每个相邻对的栅极之间。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述串联连接的晶体管(N1-N4)是n型晶体管，并且所述控制晶体管(P1-P4)是p型晶体管。
9.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述晶体管是薄膜晶体管，例如低温多晶硅晶体管。
10.一种对设备进行致动的方法，所述设备包括电活性聚合物致动器的有源矩阵阵列，每个电活性聚合物致动器具有切换布置，其中，所述切换布置包括第一电路(90)和第二电路(92)，所述第一电路被连接在所述电活性聚合物致动器的第一端子与地之间，以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第一端子驱动到地或将所述第一端子连接到开路，所述第二电路被连接在所述电活性聚合物致动器的第二端子与地之间，以用于选择性地将所述电活性聚合物致动器的所述第二端子驱动到地或将所述第二端子连接到开路，其中，所述方法包括：
通过以下操作跨所述电活性聚合物致动器存储非零电压：
利用被驱动到开路的所述第一电路将所述第一端子驱动到致动电压并且利用所述第二电路将所述第二端子驱动到地；并且
通过以下操作跨所述电活性聚合物存储零电压：
利用第一电路和第二电路将所述第一端子和所述第二端子驱动到地；并且
随后将所述第一电路和所述第二电路驱动到开路。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述第一端子驱动到所述致动电压包括通过上拉部件(50)向所述第一端子施加驱动电压。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述方法包括：在利用被驱动到开路的所述第一电路将所述第一端子驱动到致动电压并且利用所述第二电路将所述第二端子驱动到地之后，将所述第二电路驱动到开路。
13.根据权利要求10或11所述的方法，还包括通过以下操作跨所述电活性聚合物致动器存储第二电压：
利用被驱动到开路的所述第二电路将所述第二端子驱动到第二驱动电压，并且利用所述第一电路将所述第一端子驱动到地。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述第二端子驱动到所述第二致动电压包括通过第二上拉部件(100)向所述第二端子施加第二驱动电压。
15.根据权利要求14所述的方法，包括在所述电活性聚合物致动器上交替地提供相反极性的驱动电压。
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