CN108431976A - 基于电活性聚合物的致动器设备 - Google Patents

Abstract

提供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装置。所述切换装置包括被连接到相应数据线的输入部和被连接到相关联的电活性聚合物致动器的第一端子的输出部，其中，每个电活性聚合物致动器的第二端子被连接到控制线。驱动器提供驱动信号，所述驱动信号至少包括用于施加到数据线的第一驱动电平和第二驱动电平以及用于施加到控制线的第三驱动电平和第四驱动电平。使用共用电极驱动(即，控制线驱动)来使得能够使用低晶体管控制电压来切换电活性聚合物致动器两端的较大电压。

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材料种类。EAP能够用作传感器或致动器，并且能够被容易地制造成允许容易地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出具有已经显著改进的诸如致动应力和应变的特征的材料。技术风险已经降低到对于产品开发可接受的水平，使得EAP在商业和技术上变得越来越感兴趣。EAP的优点包括低功率、小形状因子、灵活性、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材料的改善的性能和具体优势引起对新的应用的适应性。

EAP设备能够用于在其中基于电致动需要部件或特征的少量移动的任何应用中。同样，该技术能够用于感测小的移动。

与常用致动器相比，由于相对大的变形和在小的体积或小的形状因子中的力的组合，EAP使以前不可能的功能成为可能，或者提供比常用传感器/致动器解决方案更大的优势。EAP还给出无噪声操作、精确的电子控制、快速响应以及诸如0—20kHz的大范围的可能的驱动频率。

使用电活性聚合物的设备能够被再分为场驱动和离子驱动材料。

场驱动EAP的范例是介电弹性体、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的弛豫聚合物或聚氨酯)和液晶弹性体(LCE)。

离子驱动EAP的范例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合材料和离子聚合物金属复合材料(IPMC)。

场驱动EAP由电场通过直接的机电耦合致动，而用于离子EAP的致动机制涉及离子的扩散。这两类都具有多个家庭成员，每个家庭都具有他们自己的优点和缺点。

图1和图2示出了用于EAP设备的两种可能的操作模式。

所述设备包括夹在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间的电活性聚合物层14。

图1示出了未夹紧的设备。如图所示，电压被用于使电活性聚合物层在所有方向上膨胀。

图2示出了被设计为使膨胀仅在一个方向上出现的设备。所述设备由载体层16支撑。电压被用于使电活性聚合物层弯曲或成弓形。

这种运动的性质例如产生于无源载体层与当被致动时膨胀的有源层之间的相互作用。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲，可以例如应用分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上的运动。

一个方向上的膨胀可以由电活性聚合物的不对称性引起，或者它可以由载体层的性质中的不对称性或两者的组合引起。

在某些应用中，致动器阵列能够是有用的，例如在定位系统和受控拓扑表面中。但是，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独立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，这是一种更具成本效益的方法–并且还节省了额外接线的成本和空间。

理想情况下，在无源矩阵设备中，每个单独的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，在传统EAP致动器的阵列中(没有任何电压阈值行为)，会存在对相邻致动器的一些串扰。当电压被施加为致动一个致动器时，围绕其的致动器也会经历电压并且将部分致动，这对于许多应用是不希望的。

这种情况例如在US 8552846中进行了描述，其公开了不具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，实现了3:1的最佳致动对比度比率(即，“非致动”致动器显示最大致动的33％)。由于所施加的压力与V²成比例，所以这给出了对于压力水平的9：1对比度比率。这种方法也只用于2电平驱动。

因此，利用无源矩阵寻址方案，并不直接单独寻址独立于其他致动器的每个致动器。

例如对于电子盲文应用，已经考虑使用用于寻址电活性聚合物致动器的阵列的有源矩阵。有源矩阵方法涉及在行导体和列导体的交叉点处提供在每个电活性聚合物致动器上的切换装置。以这种方式，如果需要的话，阵列中的每个致动器能够被单独致动。有源矩阵寻址方案意味着能够具有在同时被致动的阵列中的任何随机模式的致动器。

发明内容

问题在于，切换装置(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。许多EAP设计具有几百伏的致动电压，这远高于能够通过适合于集成在阵列设备中的现有晶体管进行处理的可能电压。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，例如最高约40V的致动电压来驱动电活性聚合物致动器。超过这个电压时，切换TFT驱动晶体管两端将会存在泄漏。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，其使相对低的电压切换装置能被用于致动相对高的电压电活性聚合物致动器。

本发明的目的是至少部分地满足上述需要。该目的至少部分地由独立权利要求限定的本发明实现。从属权利要求提供有利的实施例。

根据本发明的一个方面的范例，提供一种致动器设备，包括：

有源矩阵阵列，其包括多行和多列电活性聚合物致动器、一组数据线和一组寻址线；

与每个电活性聚合物致动器相关联的相应切换装置，其中，所述切换装置包括被连接到相应数据线的输入部和被连接到相关联的电活性聚合物致动器的第一端子的输出部，其中，每个电活性聚合物致动器的第二端子被连接到控制线；以及

用于提供驱动信号的驱动器，所述驱动信号至少包括用于施加到所述数据线的第一驱动电平和第二驱动电平以及用于施加到所述控制线的第三第四驱动电平和第四驱动电平。

所述设备利用共用电极驱动使低切换装置(例如晶体管)能够控制电压被用于切换电活性聚合物致动器两端的较大电压。

所述切换装置用于将所述数据线上的电压切换到相关联的电活性聚合物致动器。

所述阵列可以包括多个子阵列，并且存在针对每个子阵列的共享的控制线，其中，每个子阵列例如包括一行电活性聚合物致动器。备选地，可以存在所有电活性聚合物致动器的共享控制线。

电活性聚合物致动器可以具有阈值电压和最大驱动电压，在所述阈值电压以下存在最小致动，并且在所述最大驱动电压处存在完全致动。阈值电压行为的使用避免致动器之间的串扰，从而可以寻址单个致动器。

在一个范例中，第一驱动电平和第三驱动电平包括0V，第四驱动电平包括大于第二驱动电平的电压的电压。第一驱动电平和第三驱动电平将致动器重置为0V。第四驱动电平提供致动器的致动，但是使用与由切换装置控制的端子相对的端子。因此，切换装置不暴露于第四驱动电平电压。

第四驱动电平的电压可以随后是最大驱动电压，并且第二驱动电平和第四驱动电平的电压之间的差等于或小于阈值电压。第四驱动电平启动致动，但是当第二驱动电平被施加到数据线时，致动器可以在物理(而非电动)致动之前关断。

备选地，第四驱动电平的电压可以是幅度等于或小于阈值电压的负电压，并且第二驱动电平的电压是正电压，从而使第二驱动电平和第四驱动电平的电压之间的差等于最大驱动电压。在这种情况下，第四驱动电平用于关断致动器，因为仅第四驱动电平(即，当数据线上存在0V时)不足以致动致动器。在这种情况下，致动器不被电致动，直到被寻址。

切换装置例如包括晶体管。它可以包括薄膜晶体管，例如多晶硅晶体管、低温多晶硅晶体管或甚至非晶硅晶体管。它也可以是半导体氧化物晶体管，诸如铟镓锌氧化物或本领域已知的相关类型的氧化物。

通过范例的方式，最大源极—漏极电压可以小于50V，例如小于40V，甚至可能小于25V，而提供在电活性聚合物设备两端的最大电压大于50V，例如大于60V，可能大于70V，并且可能大于80V。栅极源极和栅极漏极电压也可以每个被限制为上面列出的电压电平，从而使在具体设计中，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一种致动设备的方法，所述设备包括电活性聚合物致动器的行和列的有源矩阵阵列，每个电活性聚合物致动器具有与每个电活性聚合物致动器相关联的切换装置，其中，所述切换装置包括被连接到相应数据线的输入部和被连接到相关联的电活性聚合物致动器的第一端子的输出部，其中，每个电活性聚合物致动器的第二端子被连接到控制线，其中，所述方法包括：

使用在相关联的控制线上提供第三驱动电平将所有电活性聚合物设置为非致动状态；

通过在相关联的数据线上提供第一驱动电平并且在相关联的控制线上提供第四驱动电平将所有电活性聚合物致动器驱动朝向第一状态；

在电活性聚合物致动器达到第一状态之前，通过在相关联的数据线上施加第二驱动电平将所选择的电活性聚合物致动器驱动至第二状态。

该方法利用共用电极驱动来使低晶体管控制电压能够用于切换电活性聚合物致动器两端的较大电压。

电活性聚合物致动器可以具有具有阈值电压和最大驱动电压，在所述阈值电压以下存在最小致动，并且在所述最大驱动电压处存在完全致动。

在一个范例中，第一状态是致动状态，第二状态是非致动状态。为此，第一驱动电平和第三驱动电平包括0V，第四驱动电平包括大于第二驱动电平的电压的电压。第四驱动电平的电压可以是最大驱动电压，第二驱动电平与第四驱动电平的电压之间的差等于或小于阈值电压。以这种方式，第四驱动电平用于电致动致动器，并且随后寻址选择性地停用它们。

在另一范例中，第一状态是非致动状态，第二状态是致动状态。第四驱动电平的电压可以是幅度等于或大于阈值电压的负电压，并且第二驱动电平的电压是正电压，从而使第二驱动电平与第四驱动电平的电压之间的差等于最大驱动电压。

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示出了未被夹紧的已知电活性聚合物设备；

图2示出了被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压电路的第一范例；

图6示出了使用低电压晶体管的高压电路的第二范例；

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示出用于实施共用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用于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装置。

所述致动器包括电活性聚合物结构，其用于提供机械致动，从而使结构限定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获得的至少一个致动状态(不同于非致动状态)。另外，电活性聚合物结构还包括EAP材料。这种材料在其受到能够以电驱动信号形式提供给结构的电信号时能够诱发或允许机械变形。致动器或结构能够具有用于向EAP材料提供驱动信号的电极设置。电极结构能够被直接附接至EAP材料，或者在其间有中间层。

每个单元的EAP材料层可以夹在电极结构的电极之间。备选地，电极能够在EAP材料的同一侧上。在任一种情况下，电极能够被直接物理附接至EAP材料，而不需要其间的任何(无源)层，或者间接具有在其间的附加(无源)层。但不需要总是如此。对于弛豫器或永久性压电或铁电EAP，不是必须直接接触。在后一种情况下，只要电极能够向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，从而使它们遵循EAP材料层的变形。

根据所使用的EAP材料(参见下文)，电驱动信号能够是电压信号或电流信号。

所述切换装置包括被连接到相应数据线的输入部和被连接到相关联的电活性聚合物致动器的第一端子的输出部，其中，每个电活性聚合物致动器的第二端子被连接到控制线。驱动器提供驱动信号，所述驱动信号至少包括用于施加到数据线的第一驱动电平和第二驱动电平以及用于施加到控制线的第三驱动电平和第四驱动电平。

使用共用电极驱动(即，控制线驱动)以使低晶体管控制电压能够用于切换电活性聚合物致动器两端的较大电压。

图3示出了用于在电活性聚合物致动器的阵列中使用的通用有源矩阵电路。阵列以具有行导体30和列导体32的行和列布置。存在许多行和列，从而最少存在2×2阵列。可以有许多行和列，例如数十或数百行和/或列。

如图3中的电路位于行和列导体的每个交叉点(即交叉)处。电路包括诸如场效应薄膜晶体管的晶体管34，其栅极被连接到行导体30，并且其源极被连接到列导体32。晶体管通过行导体上的选择脉冲导通，并且其随后将列导体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，每个致动器都由如图3中所示的有源驱动电路驱动。有m行导体(寻址线)和n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被连接到参考电压Vref，所述参考电压Vref可以对阵列中的许多或全部电活性聚合物致动器共用。与电活性聚合物致动器并联的存储电容器38是任选的，并且功能是助于维持被施加到电活性聚合物致动器的电压。

电路的操作是仅当所选择的晶体管34的栅极被寻址时将数据电压传输到电活性聚合物致动器的驱动电极，使TFT变为导电的。寻址完成之后，晶体管变为绝缘，并且电压维持在电活性聚合物致动器上，直到其泄漏掉或者直到电活性聚合物致动器再次被寻址。以这种方式，电路用作采样保持电路，由此(任选的)存储电容器助于维持被施加到电活性聚合物致动器的电压。

在寻址之后，取决于数据电极与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，驱动很可能花费比寻址周期(通常远小于1毫秒)长得多的时间。通过施加不同的驱动电压能够实现不同的致动电平。

对阵列进行寻址如图4所示继续进行，其中示出了具有设置为Vref＝0V的参考电极的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因此处于其非致动状态。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。

所有行最初都是以未选择电压寻址(对于典型TFT，Vns通常为-10V)。在这种情况下，没有数据能够传输到电活性聚合物致动器。

然后用选择电压寻址第一行(对于典型的TFT，Vsel通常为+30V)。这在图4A中示出。其他行未被选中(Vns)。两列以驱动电压Vdr驱动，并且另两列以0V驱动，这些电压被传输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，电活性聚合物致动器中的两个两端的电压差为Vdr：行中的这两个电活性聚合物致动器将处于致动模式(在寻址完成后致动可能需要一些时间)。其他两个电活性聚合物致动器两端的电压差为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。

然后用选择电压(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，用0V驱动两列，这些电压被传输到相应电活性聚合物致动器的第一电极上。在这种情况下，电活性聚合物致动器中的两个两端的电压差为Vdr：行中的这两个电活性聚合物致动器将处于致动模式(在寻址完成后致动可能需要一些时间)。其他两个电活性聚合物致动器两端的电压差为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。

通过取消选择第一行，寻址的采样保持特性确保第一行中的电活性聚合物致动器维持它们的电压(特别是如果包括存储电容器的话)并且保持在它们的致动状态中(或者如果还没有达到，朝着它继续进行)。

然后用选择电压(Vsel)对第三行进行寻址，如图4C所示。其他行未被选中(Vns)。现在用驱动电压Vdr驱动三列，用0V驱动一列，这些电压被传输到相应电活性聚合物致动器的第一电极上。在这种情况下，电活性聚合物致动器中的三个两端的电压差为Vdr：行中的这三个电活性聚合物致动器将处于致动模式(在寻址完成后致动可能需要一些时间)。其他电活性聚合物致动器两端的电压差为0V，由此该电活性聚合物致动器将保持在非致动模式。通过取消选择第二行，寻址的采样保持特性再次确保该行中的电活性聚合物致动器维持其电压。

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)。驱动电压Vdr只驱动一列，用0V驱动其他三列。只有电活性聚合物致动器中的一个两端的电压差为Vdr。

在寻址阶段结束时，能够取消选择所有行(Vns)，并且能够从列中移除电压，由此电活性聚合物致动器将保持在它们的致动状态，直到它们的电压泄漏掉为止，在该点处阵列可以重新如上所述进行寻址。

同时寻址多行电活性聚合物致动器是可能的，由此甚至更快地继续进行寻址。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。如果要施加相同的数据模式，这是可能的。

在上面的范例中，只考虑了两种电平数据驱动器(0V和Vdr)。这将产生成本最低的驱动器IC。但是在其他范例中，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，尽管在上述范例中是将一种极性的电压被施加到电活性聚合物致动器，但是在其他实施例中，可以优选以规则的时间间隔反转电活性聚合物致动器两端的电压的极性，由此电活性聚合物致动器的性能比如果不使用反转将会恶化得更少。这能够通过例如在另一回合的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。

上述基础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。

本发明涉及切换装置的使用，诸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。

高电压加热技术是已知的，其利用在比加热器所需电压更低的电压下工作的晶体管控制开关。

图5示出了针对60V加热器的驱动电路的第一范例。图5(a)示出了加热器关断，图5(b)示出了加热器导通。

电路中使用的晶体管是例如用于低温多晶硅(LTPS)TFT的电压限制的20V TFT。

电路包括被连接到高电压60V线Vddout的上拉电阻器50，以及包括串联的三个n型晶体管N1到N3的下拉电路。底部晶体管N1具有在0和20V之间切换施加的控制电压。第二晶体管N2具有施加的恒定偏压。偏置电路52控制施加到晶体管N3的电压，并且它包括两个p型晶体管P1和P2。第一个p型晶体管P1位于第二个n型晶体管N2和第三个n型晶体管N3的栅极之间，其栅极被连接到晶体管N2、N3之间的节点。当P1闭合时，偏置电压被施加到两个晶体管N2、N3的栅极，所以它们都被闭合。第二个p型晶体管P2位于第三个n型晶体管N3的栅极和源极之间，其栅极被连接到第二个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打开。

图5A示出了当输入控制电压为高(20V)时电路中的电压，在这种情况下，P1导通并且P2关断。这意味着N1—N3都具有20V的栅极电压，输出电压被下拉至接地(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关断，输出电压被拉高。电路作为整体用作开路，因为作为N1关断的结果不存在接地的连接。在没有上拉电阻50及其连接的情况下，输出将是浮动的。

继而，N2和N3之间的节点被拉高，这使P1关断，P2导通。从对称性来看，N2和N3之间的稳态电压将稳定在40V，N2和N1之间的稳态电压将稳定在20V，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，偏置电路54控制被施加到晶体管N3和N4的电压，并且它包括四个p型晶体管P1到P4。偏置电路包括一个堆叠在另一个之上的两个图5的偏置电路52。同样，所有的n型晶体管都导通，以将输出拉低，或者底部晶体管关断，并且在每个n型晶体管两端共享电压降。

图6A示出了当输入控制电压为高(20V)时电路中的电压，并且图6B示出了在输入控制电压被切换为低(0V)之后电路中的电压，

当使用用于加热的这些电路时，高电压在电阻器两端下降，并且假定电阻器能够承受高电压，通常情况下是这样。然而，对于电活性聚合物设备，设备具有电容等效电路。

所述方法随后可以使用图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所示的一个的电路的问题在于，当下拉电路处于导通状态时，即，当EAP致动器的一个或两个端子被拉低到0V时，存在静态功率损耗。该电路也没有驱动信号的存储。

存储问题很容易解决，如图8所示。

提供寻址晶体管80，其使得例如在列线上的数据电压Vdata被施加到本地存储电容器82。寻址晶体管80的栅极被耦合到寻址线81，向寻址线81提供寻址电压Vaddr。寻址线例如是行导体。

电活性聚合物致动器能够以在该范例中的80V和利用低电压寻址方案的0V之间的电源来驱动，其中Vaddr(例如在0至20V范围内)是矩阵阵列的标准行地址信号，Vdata也是例如在0到20V范围内。

静态功率损耗问题仍然存在，电路只能在电活性聚合物设备两端实现两个电压水平。

本发明提供解决这些问题中的一个或多个的电路方法，图9示出了其第一个范例。

电路包括如图8中所示的第一电路90和如图8中所示的第二电路92，但共享连接到电活性聚合物致动器的一个端子(定义为第一端子)的共用上拉电阻器50。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的输出部被连接到电活性聚合物致动器36的一侧，第二电路92的输出部被连接到电活性聚合物致动器36的另一侧。以这种方式，整个驱动电路具有通向电活性聚合物致动器36两侧的接入，结果是克服静态功率损耗的问题成为可能。

通过利用低电压信号Vaddr1、Vaddr2和Vdata1、Vdata2进行寻址，能够使以两种电平驱动成为可能，而没有静态功率损耗。

通过提供Vdata1和Vdata2为高(当相应的行地址信号导通时)，电活性聚合物致动器的两侧将被耦合到接地。Vdata2能够随后被驱动到低值(同时Vaddr2仍然导通)。0V将保持在电活性聚合物致动器两端，但第二端子将是浮动的，从而使电流不能流动通过电活性聚合物致动器本身。

同样使Vdata1为低(同时Vaddr1仍然导通)将不仅会关断电流流动通过电活性聚合物致动器，还将阻止主电源的电流损耗。电活性聚合物致动器将具有所存储的0V电压，但电流将不会流动通过电活性聚合物致动器，其将浮动升高到高电源(在两个端子上)。

注意，只有第一电路90需要被切换到高阻抗状态，以在致动器两端实现高电压，而两个电路90、92保持在高阻抗状态以维持致动器两端的低(即零)电压。因此，当利用Vaddr1和Vaddr2进行寻址以在致动器上实现高电压时，Vdata1应该在地址周期内开始为高并转换为低。对于低电压，Vdata1和Vdata2在地址周期期间都是开始为高并转换为低。

为了利用高电压寻址电活性聚合物致动器，提供一种修改后的驱动方案。

当相应行地址信号导通时，将Vdata1设置为低(使得电路90为开路)并且将Vdata2设置为高(使得电路92将电活性聚合物致动器的端子接地)将使驱动电压Vddout(例如，80V)被提供在电活性聚合物致动器两端。

然后能够保持这些电压，以使在地址信号变低后没有电流被抽出而存储80V。

电路92随后能够被驱动到开路状态。这将防止电流流动通过致动器，因为一个端子是浮动的。这再次防止静态功率损耗。

图10示出了对图9的电路的修改，其中，每个电路90、92具有其相应的上拉设备50、100，从而存在被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。

这使实现三种电平的驱动方案成为可能。

以范例的方式，能够在电活性聚合物设备两端提供电压电平80V、0V和-80V。

因此，该电路设备可以用于提供高电压反转驱动方案。之前已经观察到，这种反转驱动既改善了致动的幅度，又减少了长时间使用的致动中的漂移。

寻址可能够以以下方式进行。

(i)驱动至+80V

Vaddr1,2被驱动为高，Vdata1为高(电路90接地)，Vdata2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，被连接到第二电路92的端子处于比被连接到第一电路90的端子更高的电压)。然后Vaddr1,2变低。电容器82维持相同的电压。

(ii)驱动至0V

Vaddr1,2被驱动为高。Vdata1,2最初为高，从而使两个电路都接地。然后使它们变低，从而使电活性聚合物致动器的两个端子都处于相同的电压，但没有静态功率损耗，因为电活性聚合物致动器端子浮动到电源电压。Vaddr1,2随后变低。

电路90和92的操作时序是同步的。

(ii)驱动至-80V

Vaddr1,2被驱动为高。Vdata1为低(电路90为开路)，Vdata2为高(电路92接地)。电活性聚合物致动器因此被充电到-80V(即，被连接到第二电路92的端子处于比被连接到第一电路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被改变为不同的电平(每个80V或更小)，则能够在电导活性聚合物致动器两端导出不同组的电压，例如，80V和60V的电源将在电活性聚合物驱动器上获得80V、0V和-60V。

上述方法实现了有限数量的驱动电平。然而，可以通过施加脉宽调制(PWM)方案来获得中间致动电平。PWM方法可以例如帮助某些类型的设备，具体地为了维持稳定状态。

上面的范例利用一系列下拉晶体管将使用低电压晶体管成为可能。另一种方法是利用反电极驱动。

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的基础有源矩阵切换电路。电活性聚合物致动器的一个端子被连接到晶体管34，另一个端子被连接到共用反电极110，反电极电压Vce被施加至所述共用反电极110。可以再次提供存储电容器38。晶体管可以是薄膜晶体管，并且可以是多晶硅或非晶硅。

反电极110对于电活性聚合物致动器的子集，例如在寻址行中的所有电活性聚合物致动器可以是共用的，或者其可以对于阵列中的所有电活性聚合物致动器是共用的。这种有源矩阵电路的传统驱动将驱动电压限制在约40V。

用于有源矩阵阵列的高驱动电压方法可以通过驱动来自反电极连接和来自数据驱动器的阵列来实现。以这种方式，可以向所选择的阵列中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反电极上。因此，它不会泄漏、老化或完全失效。

反电极可以在施加来自数据驱动器的驱动电压之前，被设置为不同的(第二)非零电压。以这种方式，可以利用给定电压的数据驱动器实现电活性聚合物致动器两端的较高电压。

具体地，致动电压等于驱动电压减去反电极电压。在这种情况下，如果电活性聚合物致动器具有至少与第二反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是有益的。下面讨论实施阈值电压的方式。

在图11的电路的使用的第一范例中，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。阈值电压代表致动电平，低于该致动电平存在与阈值以上的致动相比大大降低的致动。假设电活性聚合物致动器处于初始的、非致动状态下，则高电压驱动如下继续进行。

阵列中的所有数据驱动器被设置为例如0V的参考电压。

反电极电压Vce此时为0V。所有的寻址晶体管34随后被驱动到寻址(导电)状态，例如其栅极电极为40V。这确保通过到存在于列导体32上的数据驱动器电压的连接，每个电活性聚合物致动器的驱动电极上的电压保持在0V。

施加到所有电活性聚合物致动器的反电极电压Vce(例如+60V)被驱动到共用反电极110上。当施加该电压时，电流流入设备中以对电容充电，直到反电极达到所施加的电压并且在电活性聚合物致动器两端存在60V。在该点处，由于慢响应速度，所有电活性聚合物致动器处于相同的物理非致动状态，而电活性聚合物致动器上的电荷与致动状态一致。因此，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去激活。

在这个寻址阶段中，所有寻址晶体管34首先被驱动到非寻址(绝缘)状态，例如其栅极电极处于-5V。

然后以正常方式在某一时间将数据施加到阵列一线(通过在某一时间寻址一线寻址晶体管)。在这种情况下，致动数据将为0V，因为这将使那些必须切换位置的电活性聚合物致动器这样做。通过将0V施加到电活性聚合物致动器上，电活性聚合物致动器两端将会有60V。30V的数据电压相反会使设备两端的电压为+30V，该电压将低于阈值，并且电活性聚合物致动器将不被致动(如果立即执行寻址)或者将返回到未致动状态(如果在寻址之前有延迟)。

因此，电活性聚合物致动器被全部电驱动到其致动状态。这种状态在寻址后得到维持，或者在致动器已经有时间物理响应之前被逆转。

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。

共用电极电压包括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，因此当它被施加时，致动器被电驱动到其最大驱动状态(当数据电压为零时)。第二驱动电平与第四驱动电平的电压之间的差(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)时，存在去寻址(de-addressing)。

使寻址晶体管在反电极电压切换期间导电，否则驱动电极上的电压也将切换到反电极电压(因为没有电流能够流走)并且寻址晶体管将被损坏。

共用电极电压能够保持在高电平。为了将设备作为整体关断，所有数据线可以被驱动至0V以关断晶体管，然后共用电极电压能够以受控方式被向下驱动至0V。

在第二种实施方式中，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，则高电压驱动如下继续进行。

阵列中的所有数据驱动器被设置为例如0V的参考电压。

反电极电压Vce此时为0V。所有寻址晶体管都被驱动到寻址(导电)状态，例如其栅极电极处于40V。这确保驱动电极上的电压保持在0V。

要被施加到所有电活性聚合物致动器的反电极电压Vce(-60V)被驱动到共用反电极上。当施加此电压时，电流流入设备以对设备电容进行充电，直到反电极达到所施加的电压(电活性聚合物致动器两端有60V)。在该点处，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(即，未致动)，这与该致动状态一致。

所有寻址晶体管随后被驱动到非寻址(绝缘)状态，例如其栅极电极处于-5V。

以正常方式在某一时间将数据施加到阵列一线(通过在某一时间寻址一线寻址晶体管)。在这种情况下，致动数据将为30V，因为这将使必须切换位置的那些电活性聚合物致动器这样做(设备两端为90V)。0V的数据电压将导致设备两端为60V，这将低于阈值并且设备将不会被致动。

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)的电压是幅度等于或小于阈值电压(在该范例中为60V)的负电压，第二驱动电平的电压是正电压(在该范例中为30V)，从而使第二驱动电平与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。

寻址晶体管在反电极电压切换期间再次导电，否则驱动电极上的电压也将切换到反电极电压(因为没有电流能够流走)并且寻址晶体管将被损坏。

电路的操作仅在选定的TFT的栅极被寻址时才将数据电压传输到电活性聚合物致动器的驱动电极，使TFT变为导电。寻址完成后，TFT变为绝缘，电压维持在设备上，直到或者泄漏掉或者直到设备再次被寻址。以这种方式，电路用作采样保持电路，由此(任选的)存储电容器帮助维持被施加于设备的电压。

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。驱动很可能花费比通常远小于1毫秒的寻址周期长得多的时间。通过施加不同的驱动电压能够实现不同的致动电平。

如从以上描述中清楚看到的，一些设计可以利用设备的阈值行为。电活性聚合物致动器并非固有地显现阈值行为。现在将讨论创建具有期望阈值行为的结构的一些方式。

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来创建人为创建的阈值，以避免由该阈值决定的不希望的驱动效应。

机械阈值效应可以例如使用几何形状、机械夹紧或表面“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有效实施电压阈值。

该阈值可以被认为是一种延迟，因为物理致动被延迟直到达到某个驱动电平。

图12示出了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。腔室具有被悬挂在电活性聚合物层120上方的盖子124。盖子坐落在边缘上，这意味着它悬挂在EAP层上方。用第一范围的所施加的驱动信号驱动电活性聚合物层使其朝向盖子升高。接触做出之后(在第一范围内的最大驱动信号)，进一步的致动使盖子升高，如下部图像所示。因此，存在一个范围的输入驱动信号，其仅使电活性聚合物层在盖下方的间隙内移动。当达到此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。在该驱动信号上方，在第二范围内的进一步驱动提供的盖子向上前进，这对应于设备的机械输出。

因此，部分致动的元件将不会使盖子移位，但是完全致动的致动器将给出位移，尽管惩罚是致动表面的有限完全位移。

如图13所示，延迟的影响是降低位移曲线，使得在达到阈值V_T之前没有位移。这具有降低最大位移的效果。

如果致动器使用例如咬合系统的保持器系统来夹紧，致动器能够提供更多的位移，以产生用于致动的阈值电压。该阈值电压则对应于克服保持器功能所需的力。

图14示出了具有盖124在移位之前必须经过的弹簧钩形式的保持机构140的范例。在咬合钩在其能够通过钩子之前需要施加给盖子的阈值力。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144)。

咬合通过之后，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。咬合钩可以允许在盖子的向下方向上的自由通道，否则设备可能需要通过额外的施加力来重新设置。

在另一机械实施例中，阈值电压可以通过在电活性聚合物结构(即，聚合物层和其自身基底)和支撑结构之间添加限定的“粘性”来诱发。只能通过增加电活性聚合物层两端的电压来克服粘性，直到其力克服系统的粘性。

粘性能够通过以下方式来实施

表面的化学改性(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/拓扑改性，例如“魔术贴”类似的结构。

上面的范例利用基于机械结构的延迟机制，其例如定义设备的输出。可替代选择是基于静电效应，如图15所示。

致动器具有在电活性聚合物结构下方的表面上的附加电极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。这大大减小了静电力，因为力是电极间距(d)的平方的函数。任何弯曲将增加d，静电力被减小，导致进一步的弯曲并因此更多地减少F_静电，阈值被克服。

曲线图示出了相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)。

该系统的一个优点在于，静电力几乎是瞬时的，并且电活性聚合物层的力对于响应是缓慢的，这有利于保持致动器在较低电压下被紧紧地夹紧。通过利用电活性聚合物层与基底之间的电容差能够实现动态效应。在这种配置中，一旦施加电压，静电力就可以用来约束EAP设备。然而，电活性聚合物致动器将缓慢增进到来自阶跃电压输入的最大力。这能够导致延迟的阈值效应。因此，当施加阶跃电压时，静电力首先使设备保持向下直到致动力克服静电力阈值并突然出现以给出位移。

阈值因此部分由致动器的几何形状确定，部分由致动速度确定。

为了提供阈值的延迟机构的另一种可能的实施方式包括电部件，所述电部件实施阈值电压或击穿(breakover)电压用于控制将施加的驱动信号施加至电活性聚合物层。

图16示出在其中电活性聚合物层120与示出为DIAC(二极管AC开关)的电阈值或击穿元件160电串联连接的范例。可以使用其他阈值元件，诸如肖克利二极管、硅可控整流器或其他晶闸管。作为基底叠层的一部分，该元件可以是电活性聚合物结构的一部分，例如作为有机半导体层(以p-n-p-n顺序)。备选地，对于阵列中的较大的致动器，该元件能够是与每个致动器串联连接的表面安装设备部件。

对于低于击穿电压或阈值电压的施加电压，当阈值或击穿元件两端电压降出现时没有诱发变形。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种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，施加的驱动信号被耦合到(主)电活性聚合物结构。

图17示出了一个范例。整个设备包括主致动器170和副致动器172。副致动器比主致动器小，并且其限定作为非负载设备的控制部件。

使用两个相继致动器使阈值被实施成为可能。副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中针对电压V＝0和V＝V1所示出的。

在阈值电压和阈值电压以上，例如如图17C所示的V＝V2处，开关导通，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，从而使副致动器延迟对主致动器的驱动电压的施加。

图18示出了主致动器的位移函数，能够看出存在位移函数的突然切断。

相继次序能够利用不同的致动器配置和切换致动器几何形状以几种不同的方式进行配置。根据致动器几何形状，能够通过电活性聚合物结构的电极或者通过在基底背面上制造的附加接触垫来进行接触。

如上所述，实施延迟功能的另一种方式是通过引入粘性属性。

图19示出了在其中电活性聚合物层120的扩展被限制在平面内的实施方式。

这种设计能够基于独立式设备(如图1所示)。例如，两个层可以固定在一侧，或者可以自由地在所有方向上扩展。

该层提供为抵靠基底192，并且它们之间存在摩擦阻力，所述摩擦阻力对抗相对滑动运动直到摩擦力被克服。

以这种方式，摩擦用作延迟机构，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被用于施加加到dc驱动信号上的高频ac波纹，以使相对滑动成为可能。下一个位置也能够通过去除由于摩擦引起的所施加的电压来保持，从而获得双稳态效应。

如图19中的电压时间曲线所示，设备的驱动开始于具有很小的dc偏移的ac电压。电活性聚合物对称地驱动正电压和负电压，从而在非驱动状态周围产生振动。这将导致摩擦减小并且准备用于平滑致动运动的电活性聚合物层，一旦驱动电压升高这就发生。

然后，电活性聚合物层在曲线图中所示的下一个时间段期间继续变形，其中在变形期间存在有源振动(由ac分量叠加在上升的dc电压电平上引起)。

最后，在ac信号叠加在基本恒定的dc电平上随后的短时间段内，为了允许电活性聚合物层达到其最终状态的运动中的任何延迟，电压被去除，如果剩余摩擦足够的话，这将导致保持第二静止状态。随后，能够通过仅施加小的ac信号来克服摩擦并使设备回到其原始状态来重置设备。因此设备具有有重置可能性的多个任意的稳定状态。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)状态可以是有利的。

上面描述的各种范例基本上提供了具有阈值功能的致动器设备。

上述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将设备驱动为更高的电压和更低的电压，但还存在其他低成本的有源元件，诸如二极管，其不是在这种情况。

原则上，可以通过在行和列的交叉点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，因此减小每个设备的激活状态取决于EAP设备的自放电功能。这可能导致阵列像素的长时间不想要的导通时间。

图20示出了利用二极管的切换装置。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，第二二极管204位于电活性聚合物致动器的第一端子与第二寻址线206之间。二极管因此串联在具有相同极性的两条寻址线202、206之间。电活性聚合物致动器的第二端子被连接到选择线208。第一寻址线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，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被连接到选择线。这种布置使用两个二极管；一个用于寻址，另一个用于去寻址。

第一二极管200是用于从第一寻址线向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的去寻址二极管(即，将其驱动到较低电压)。

为了限制导通时间，如可以根据应用要求所需要的，该电路提供电活性聚合物致动器的有源去激活或去寻址。它允许电活性聚合物致动器(如果存在其存储电容器)的迅速放电。

如参考示出了4×4矩阵的图21所解释的，寻址方案通过相应的去寻址方案来扩展。

在每个交叉点处提供图20的电路。现在针对致动器的每列存在两个列导体202、206，从而有了2m列和n行。

在每个循环期间，行依次被寻址。当一行正在寻址时，行中的电活性聚合物致动器被寻址或被有源去寻址。

图21示出了选择第一行的寻址周期的两个部分。

图21A示出了被致动的第一行中的所有电活性聚合物致动器。

在寻址期间，第二列导体206保持为高(Vh)，从而使致动器不能放电。所选择的列的第一列导体202也被带到高(Vh)，以对那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(Vl)，从而结合寻址线电压，第一二极管200不导电。所选择的列的第二二极管204作为被施加到所选择的第二列导体206的低放电电压(Vd)的结果而导电。其他第二列导体具有被施加的高电压(Vh)，从而使二极管204不导电。

用于所选择的行的行导体具有被施加的选择电压(Vsel)，并且所有其他行具有施加的非选择电压(Vns)。如下所述，在充电和放电阶段期间使用不同的非选择电压。只有当去寻址行被激活并且相应的第二数据列206被切换到去激活电压(Vd)时，交叉点处的致动器将被去激活(放电)。当低的非选择电压Vns被施加到行导体时，低电压Vd不足以单独正向偏置二极管204。

寻址和去寻址操作是相继的。它们不可能是同时的，因为这将在两列导体之间提供短路。

以范例方式，对于200V的致动电压，根据驱动序列的阶段，以下电压电平是可能的：Vh＝100V，V1＝-100V，Vd＝-100V和Vns＝+100V或-100V。

一种可能的驱动顺序是：

1、充电

用于待寻址行的地址线208被驱动到Vsel＝-100V

数据线202被驱动到Vh＝100V，数据线206被驱动到Vh＝100V。行中的致动器充电至200V。用于非选择行的地址线处于Vns＝100V。

2、放电

用于非选择行的地址线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都不导电，或者它们两端0V，或者200V的反向偏压。

用于待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。切换装置包括与单个列导体32和行导体30之间的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的阻塞范围的导电方向上都示出二极管特性。

图23示出了切换装置的另一范例，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，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。切换装置因此包括串联在电活性聚合物致动器的数据线和第一端子之间的第一和第二晶体管。使用两个晶体管能够使自动刷新方案被实施成为可能。这使得致动状态能够保持而没有重新寻址带有数据的阵列。

驱动器设备用于将第一驱动电平和第二驱动电平递送到第一和第二寻址线，并且用于将数据递送到数据线。

为了寻址电活性聚合物致动器，两个晶体管需要同时被寻址。这种电路允许例如在随机存取存储器(RAM)中实施的自动刷新方案。

在上述所有范例中，驱动器可以以两电平信号(0V和Vdr)的形式施加数据信号。如上所述，这将导致成本最低的驱动器IC。但是，在可选择实施例中，可以优选的是也部分致动致动器。为了使这一点成为可能，可以使用具有高达Vdr的多个数据电压的数据驱动器，否则可以使用PWM驱动方案。

在所有这些有源矩阵编址方案中，能够期望在同一时刻编址若干行电活性聚合物致动器，由此编址将甚至更快地进行。这是通过将编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编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)

1.一种设备，包括：

有源矩阵阵列，其包括多行和多列电活性聚合物致动器(36)、一组数据线(32)和一组寻址线(30)；

与每个电活性聚合物致动器相关联的相应切换装置(34)，其中，所述切换装置包括被连接到相应数据线(32)的输入部和被连接到相关联的所述电活性聚合物致动器(36)的第一端子的输出部，其中，每个电活性聚合物致动器的第二端子被连接到控制线；以及

驱动器，其用于提供驱动信号，所述驱动信号至少包括用于施加到所述数据线的第一驱动电平和第二驱动电平以及用于施加到所述控制线的第三驱动电平和第四驱动电平。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述阵列包括多个子阵列，并且存在针对每个子阵列的共享控制线，其中，每个子阵列例如包括一行电活性聚合物致动器。

3.如权利要求1所述的设备，其中，存在所述电活性聚合物致动器中的所有的共享控制线。

4.如任一前述权利要求所述的设备，其中，所述电活性聚合物致动器具有阈值电压和最大驱动电压，在所述阈值电压以下存在最小致动，并且在所述最大驱动电压处存在完全致动。

5.如权利要求4所述的设备，其中，所述第一驱动电平和第三驱动电平包括0V，并且所述第四驱动电平包括比所述第二驱动电平的电压更大的电压。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述第四驱动电平的电压是所述最大驱动电压，并且所述第二驱动电平与所述第四驱动电平的电压之间的差等于或小于所述阈值电压。

7.如权利要求5所述的设备，其中，所述第四驱动电平的电压是幅度等于或小于所述阈值电压的负电压，并且所述第二驱动电平的电压是正电压，从而使所述第二驱动电平与所述第四驱动电平的电压之间的差等于所述最大驱动电压。

8.如任一前述权利要求所述的设备，其中，所述切换装置包括晶体管，例如薄膜晶体管、例如多晶硅晶体管、非晶硅晶体管或半导体氧化物晶体管。

9.一种致动设备的方法，所述设备包括电活性聚合物致动器的行和列的有源矩阵阵列，每个电活性聚合物致动器具有与每个电活性聚合物致动器相关联的切换装置(34)，其中，所述切换装置包括被连接到相应数据线(32)的输入部和被连接到相关联的所述电活性聚合物致动器(36)的第一端子的输出部，其中，每个电活性聚合物致动器的第二端子被连接到控制线，其中，所述方法包括：

使用提供在相关联的控制线上的第三驱动电平将所有所述电活性聚合物设置为非致动状态；

通过在所述相关联的数据线上提供第一驱动电平和在所述相关联的控制线上提供第四驱动电平来驱动所有所述电活性聚合物致动器朝向第一状态；并且

在所述电活性聚合物致动器达到所述第一状态之前，通过在所述相关联的数据线上施加第二驱动电平，将选定的电活性聚合物致动器驱动到第二状态。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述电活性聚合物致动器具有阈值电压和最大驱动电压，在所述阈值电压以下存在最小致动，并且在所述最大驱动电压处存在完全致动。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一状态是致动状态，并且所述第二状态是非致动状态。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一驱动电平和所述第三驱动电平包括0V，并且所述第四驱动电平包括比所述第二驱动电平的电压更大的电压。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述第四驱动电平的电压是所述最大驱动电压，并且所述第二驱动电平与所述第四驱动电平的电压之间的差等于或小于所述阈值电压。

14.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一状态是非致动状态，并且所述第二状态是致动状态。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述第四驱动电平的电压是幅度等于或小于所述阈值电压的负电压，并且所述第二驱动电平的电压是正电压，从而使所述第二驱动电平与所述第四驱动电平的电压之间的差等于所述最大驱动电压。