ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОАКТИВНОГО ПОЛИМЕРА Российский патент 2021 года по МПК H01L41/04 H01L41/193 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к исполнительным устройствам, которые используют электроактивные полимеры.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Электроактивные полимеры (electroactive polymer - EAP) являются новым классом материалов в области электрически управляемых материалов. EAP могут работать в качестве датчиков или исполнительных устройств и легко могут быть изготовлены в различных формах, допускающих легкую интеграцию в целый ряд систем.

Были разработаны материалы с характеристиками, такими как механическое напряжение и деформация срабатывания, которые были значительно улучшены за последние десять лет. Технологические риски были снижены до приемлемых для разработки изделий уровней, так что EAP-устройства становятся все более интересными с коммерческой и технической точек зрения. Преимущества EAP-устройств включают в себя низкую мощность, малый формфактор, гибкость, бесшумную работу, точность, возможность высокого разрешения, малое время срабатывания, и циклическое срабатывание.

Улучшенная эффективность и конкретные преимущества EAP-материалов обуславливают их пригодность к новым применениям.

EAP-устройство может быть использовано в любом применении, в котором требуется малая величина перемещения компонента или элемента на основе электрического срабатывания. Подобным образом, эта технология может быть использована для восприятия малых перемещений.

Использование EAP-устройств обеспечивает функции, которые были невозможны прежде, или обеспечивает большое преимущество перед обычными решениями датчиков/ исполнительных устройств, вследствие комбинации относительно большой деформации и усилия в малом объеме или тонком формфакторе, по сравнению с обычными исполнительными устройствами. EAP-устройства также обеспечивают бесшумную работу, точное электронное управление, быстрое срабатывание, и большой диапазон частот срабатывания, например, 0-20 кГц.

Устройства, использующие электроактивные полимеры, могут быть подразделены на материалы с полевым управлением и материалы с ионным управлением.

Примерами EAP-устройств с полевым управлением являются диэлектрические эластомеры, электрострикционные полимеры (такие как релаксорные полимеры или полиуретаны на основе PVDF) и жидкокристаллические эластомеры (liquid crystal elastomers - LCE).

Примерами EAP-устройств с ионным управлением являются сопряженные полимеры, композиционные полимерные материалы на основе углеродных нанотрубок (carbon nanotube - CNT) и ионные полимерно-металлические композиционные материалы (Ionic Polymer Metal Composites - IPMC).

EAP-устройства с полевым управлением приводятся в действие электрическим полем посредством прямого электромеханического соединения, в то время как механизм срабатывания ионных EAP-устройств включает в себя диффузию ионов, и они являются, следовательно, устройствами с токовым управлением. Оба класса имеют множество членов семейства, каждый из которых имеет свои собственные преимущества и недостатки.

Фиг. 1 и 2 показывают два возможных режима работы EAP-устройства.

Устройство содержит слой 14 электроактивного полимера, расположенный между электродами 10, 12, расположенными на противоположных сторонах слоя 14 электроактивного полимера.

Фиг. 1 показывает устройство, которое не закреплено. Чтобы вызвать показанное расширение слоя электроактивного полимера во всех направлениях, используют напряжение.

Фиг. 2 показывает устройство, которое выполнено таким образом, что расширение возникает только в одном направлении. Это устройство поддерживается несущим слоем 16. Чтобы вызвать изгиб или выгиб слоя электроактивного полимера, используют напряжение.

Природа этого перемещения состоит, например, во взаимодействии между активным слоем, который расширяется при срабатывании, и пассивным несущим слоем. Для получения показанного асимметричного изгиба вокруг некоторой оси, может быть применена, например, молекулярная ориентация (растяжение пленки), усиливающая перемещение в одном направлении.

Расширение в одном направлении может быть результатом асимметрии электроактивного полимера, или оно может быть результатом асимметрии свойств несущего слоя, или оно может быть результатом комбинацией обоих факторов.

В некоторых применениях может быть полезен массив исполнительных устройств, например, в системах позиционирования и поверхностях с управляемой топологией. Однако, поскольку управляющие напряжения исполнительных устройств являются довольно высокими, отдельное управление каждым исполнительным устройством с использованием его собственной интегральной схемы-драйвера (IC) быстро становится слишком дорогим.

Пассивный матричный массив является простой реализацией системы управления массивом, использующей только строчные (n строк) и столбцовые (m столбцов) соединения. Поскольку только (n+m) драйверов требуется для адресации вплоть до (n*m) исполнительных устройств, этот подход является значительно более эффективным по стоимости, а также экономит затраты и пространство для дополнительной проводки.

Идеально, в пассивном матричном устройстве, каждое отдельное исполнительное устройство должно срабатывать вплоть до его максимального смещения без воздействия на смежные исполнительные устройства. Однако, в массивах традиционных исполнительных устройств на основе EAP (без какой-либо пороговой реакции на напряжение) будут присутствовать некоторые перекрестные помехи между смежными исполнительными устройствами. Например, при приложении управляющего напряжения для срабатывания одного исполнительного устройства, исполнительные устройства, находящиеся вокруг него, также подвергаются воздействию напряжения и будут частично срабатывать, что является нежелательным эффектом для многих применений. Следовательно, в случае схемы пассивной матричной адресации, трудно отдельно адресовать каждое исполнительное устройство независимо от других исполнительных устройств.

Рассматривалось использование активной матрицы для адресации массивов исполнительных устройств на основе электроактивных полимеров, например, для применений, связанных с электронной брайлевской печатью. Подход с активной матрицей включает в себя обеспечение переключающего устройства у каждого исполнительного устройства на основе электроактивного полимера, на пересечении строчного проводника и столбцового проводника. Таким образом, каждое исполнительное устройство в массиве может - при необходимости - срабатывать отдельно. Схема адресации с активной матрицей означает, что в массиве можно получать любой нерегулярный шаблон одновременно срабатывающих исполнительных устройств.

При разработке конструкции активной матрицы для EAP с полевым управлением, возникает проблема, состоящая в том, что переключающее устройство, например, транзистор, должен быть способным выдерживать высокие напряжения срабатывания, которые могут составлять сотни вольт. Это значительно больше возможных напряжений, которые могут быть обработаны существующими транзисторами, пригодными для интеграции в матричное устройство.

Таким образом, имеется конкретный интерес к ионным EAP-устройствам (с токовым управлением), предназначенным для использования в схеме адресации с активной матрицей. Ионные EAP-устройства активируется электрически индуцируемым перемещением ионов и/или растворителя. Для них обычно требуются низкие напряжения, но высокие токи, например, они могут работать при низких и, следовательно, более безопасных электрических напряжениях около 5 В. Для них требуется жидкая/ гелевая электролитическая среда (хотя некоторые системы материалов могут также работать с использованием твердых электролитов). Способность к адресации на низких напряжениях позволяет использовать общедоступные переключающие устройства.

Разные типы ионных EAP-устройств, упомянутых выше, будут теперь описаны более подробно.

Фиг. 3 показывает пример EAP на основе ионных полимерно-металлических композиционных материалов (Ionic Polymer Metal Composite - IPMC), содержащих полимерную мембрану 30 между проводящими электродными поверхностями 32. Анионы 34 зафиксированы в мембране, а катионы 36 является подвижными. Катионы 36 гидратируются молекулами 38 воды. При приложении напряжения, гидратированные катионы перемещаются к катоду, что приводит к расширению полимера.

Исполнительное устройство на основе IPMC, таким образом, состоит из набухающей в растворителе ионообменной полимерной мембраны, ламинированной между двумя тонкими электродами на основе металла или углерода, и требует использования электролита. Типичными материалами электродов являются Pt, Gd, CNT, CP, Pd. Типичными электролитами являются растворы Li+ и Na+ на водной основе. При приложении электрического поля и возбуждения тока, катионы обычно перемещаются на сторону катода вместе с водой. Это приводит к реорганизации гидрофильных кластеров и к расширению полимера. Деформация в области катода приводит к механическому напряжению в остальной части полимерной матрицы, которое приводит к изгибу по направлению к аноду. Изменение прикладываемого напряжения на обратное и возбуждение электрического тока в противоположном направлении инвертирует изгиб. Общеизвестными полимерными мембранами являются Nafion (товарный знак) и Flemion (товарный знак).

Фиг. 4 показывает пример исполнительного устройства на основе сопряженного полимера, содержащего электролит 40, расположенный между двумя слоями 42, 44 сопряженного полимера. Электролит используют для изменения степени окисления. При подаче потенциала на полимер через электролит, электроны добавляются к полимеру или удаляются из него возбуждаемым током, что возбуждает окисление или восстановление. Восстановление приводит к сжатию, окисление приводит к расширению.

Таким образом, кривизна индуцируется по направлению к сокращенной стороне 46, как показано на фиг. 4. В некоторых случаях, добавляют тонкопленочные электроды, когда сам полимер имеет недостаточную удельную электропроводность. Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым материалом (т.е. комплексом полимеров с большим молекулярным весом и солей металлов). Наиболее распространенными сопряженными полимерами являются полипиррол (PPy), полианилин (PANi) и политиофен (PTh).

Фиг. 5 показывает пример исполнительного устройства на основе углеродных нанотрубок (Carbon Nano Tube - CNT), в котором углеродная нанотрубка 48 суспендирована в электролите 49. Электролит образует двойной слой с нанотрубками, что обеспечивает возможность инжекции зарядов. Эта инжекция зарядов двойного слоя считается основным механизмом в исполнительных устройствах на основе CNT. CNT действует в качестве электродного конденсатора с зарядом, инжектированным на CNT, который затем уравновешивается электрическим двойным слоем, образуемым посредством перемещения электролита к поверхности CNT. Изменение заряда на атомах углерода приводит к изменениям длины связи углерод-углерод. В результате, можно наблюдать расширение и сжатие единственной CNT.

Другие примеры включают в себя ионные полимерные гели. Следует отметить, что используемые электроды могут быть непрерывными или сегментированными.

Для низкостоимостных применений, желательно использовать низкостоимостную транзисторную технологию, например, транзисторы на основе аморфного кремния. Эти и другие низкостоимостные и низковольтные технологии обычно имеют худшую стабильность, например, они страдают от ухода порогового напряжения, что затрудняет их использование, и имеют проблемы, связанные с разработкой схем управления.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является выполнение вышеупомянутого требования. Эта цель достигается настоящим изобретением, определенным независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения обеспечивают предпочтительные варианты осуществления.

Согласно примерам в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, обеспечено исполнительное устройство, содержащее:

- активный матричный массив строк и столбцов исполнительных устройств на основе электроактивного полимера с токовым управлением, причем каждое исполнительное устройство на основе электроактивного полимера имеет схему переключения,

причем схема переключения содержит:

- управляющий транзистор для управления током через исполнительное устройство на основе электроактивного полимера; и

- первый и второй конденсаторы, присоединенные последовательно между затвором и истоком или стоком управляющего транзистора, причем ввод данных в схему переключения обеспечивается на соединении между первым и вторым конденсаторами, для зарядки посредством этого второго конденсатора до напряжения, получаемого из управляющего напряжения для исполнительного устройства на основе электроактивного полимера, и напряжение, получаемое из порогового напряжения управляющего транзистора, сохраняется на первом конденсаторе; и

- изолирующий переключатель, совместно используемый всеми исполнительными устройствами на основе электроактивного полимера строки, или совместно используемый всеми исполнительными устройствами на основе электроактивного полимера массива, между исполнительным устройством на основе электроактивного полимера и опорным выводом.

Эта конфигурация схемы переключения позволяет сохранять пороговое напряжение на первом конденсаторе, и это может быть выполнено каждый раз, когда исполнительное устройство срабатывает, посредством чего компенсируются связанные со старением изменения порогового напряжения. Таким образом, может быть использован транзистор с низкими эксплуатационными характеристиками (т.е. нестабильный транзистор), с измерением порогового напряжения обеспечивающего ток TFT один раз в течение длительности каждого цикла для компенсации эффекта старения.

Каждое исполнительное устройство в массиве может, при необходимости, срабатывать отдельно. Таким образом, можно иметь любой нерегулярный шаблон исполнительных устройств в массиве, срабатывающих одновременно, независимо от типа исполнительного устройства (с порогом или без него, и с бистабильностью или без нее).

Схема переключения подает программируемый ток на исполнительное устройство на основе EAP после окончания периода адресации, который может сохраняться до тех пор, пока EAP будет нуждаться в переходе в другое состояние срабатывания, и затем эта схема будет адресоваться снова.

Опорный вывод предназначен для подачи опорного напряжения. Он может быть выводом заземления.

Этот подход управления, конкретно, пригоден для управления EAP-устройствами, требующими токового управления, при напряжениях ниже 40 В. По соображениям уменьшения стоимости, например, могут быть использованы конструкции с активными матрицами с аморфными полупроводниками, такими как аморфный кремний, или тонкопленочные транзисторы (thin film transistor - TFT) IGZO-типа. Однако могут быть использованы и другие типы полупроводников.

В частности, схема переключения может преодолевать увеличение порогового напряжения TFT на основе аморфного кремния, при обеспечении также возможности программировать схему переключения за короткое время.

Каждая схема переключения может дополнительно содержать входной первый транзистор, присоединенный между линией входных данных и соединением между первым и вторым конденсаторами. Этот первый транзистор синхронизирует подачу напряжения данных на схему переключения, для его сохранения на втором конденсаторе.

Каждая схема переключения может дополнительно содержать второй транзистор, присоединенный между затвором и стоком управляющего транзистора. Это используют для управления подачей тока от стока (который может быть соединен с линией подачи электропитания) к первому конденсатору. Таким образом, посредством включения второго транзистора, первый конденсатор может быть заряжен до напряжения затвор-исток. Второй транзистор может управляться первой линией управления затвором, которая совместно используется строкой схем переключения.

В одном примере, первый и второй конденсаторы присоединены последовательно между затвором и истоком управляющего транзистора. Третий транзистор, тогда, присоединен параллельно выводам второго конденсатора, управляемого третьей линией управления затвором, которая совместно используется строкой схем переключения. Вторая и третья линии управления затвором могут содержать единственную совместно используемую линию управления.

Каждая схема переключения может дополнительно содержать четвертый транзистор, присоединенный между истоком управляющего транзистора и линией потенциала заземления. Это используют, чтобы он действовал в качестве стока для тока из управляющего транзистора, без срабатывания исполнительного устройства, конкретно, во время последовательности программирования. Четвертый транзистор может также управляться четвертой линией управления затвором, которая совместно используется строкой схем переключения. Линия потенциала заземления может совместно использоваться строкой схем переключения и может содержать четвертую линию управления затвором для четвертых транзисторов смежной строки схем переключения.

Управляющий транзистор предпочтительно содержит транзистор n-типа.

Примеры в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечивают способ управления устройством с активной матрицей, содержащим массив исполнительных устройств на основе EAP с токовым управлением, каждое их которых имеет соответствующую схему переключения, каждая схема переключения содержит управляющий транзистор для управления током через соответствующее исполнительное устройство, причем способ содержит, для каждой схемы переключения, этапы, на которых:

- изолируют все исполнительные устройства на основе электроактивного полимера строки, или все исполнительные устройства на основе электроактивного полимера массива, от вывода заземления;

- управляют током, протекающим через управляющий транзистор к заземлению, и заряжают первый конденсатор до результирующего напряжения затвор-исток;

- разряжают первый конденсатор до тех пор, пока управляющий транзистор не выключится, причем первый конденсатор посредством этого сохраняет пороговое напряжение;

- заряжают второй конденсатор, присоединенный последовательно с первым конденсатором между затвором и истоком или стоком управляющего транзистора, до напряжения ввода данных;

- соединяют все исполнительные устройства на основе электроактивного полимера строки, или все исполнительные устройства на основе электроактивного полимера массива, с выводом заземления; и

- используют управляющий транзистор для управления током, протекающим через исполнительное устройство на основе EAP к заземлению, с использованием напряжения затвора, которое получают из напряжений на первом и втором конденсаторах.

Этим способом измеряют пороговое напряжение управляющего транзистора в каждой последовательности адресации. В течение этого времени, исполнительное устройство на основе EAP изолировано от заземления, так что никакой ток не может протекать через исполнительное устройство. Этот способ, например, пригоден для схемы с TFT на основе аморфного кремния, в частности, с управляющим TFT n-типа, в результате чего короткое программирование позволяет осуществить адресацию большого массива исполнительных устройств. Это может быть обеспечено в этом способе посредством измерения порогового напряжения в конвейерной последовательности адресации (а именно, в случае последовательностей адресации для смежных строк, перекрывающихся во времени) или посредством измерения всех пороговых напряжений в начале цикла в периоде запирания.

В конвейерной последовательности адресации, этап зарядки второго конденсатора выполняют посредством включения адресного транзистора, присоединенного между линией данных и входом в схему переключения. Адресные транзисторы для каждой схемы переключения в строке включаются одновременно общей линией управления адресами строки, и адресные транзисторы для одной строки схем переключения включают по существу сразу после выключения адресных транзисторов для смежной строки.

В последовательности периода запирания, первый конденсатор каждой схемы переключения заряжают для сохранения соответствующего порогового напряжения управляющего транзистора в исходном периоде измерения порога периода цикла управления, причем период управления периода цикла следует за периодом измерения порога.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Примеры настоящего изобретения будут теперь подробно описаны со ссылкой на сопутствующие чертежи, на которых:

Фиг. 1 показывает известное устройство на основе электроактивного полимера, которое не закреплено;

Фиг. 2 показывает известное устройство на основе электроактивного полимера, которое ограничено подложкой;

Фиг. 3 показывает пример EAP на основе ионного полимерно-металлического композиционного материала (Ionic Polymer Metal Composites - IPMC);

Фиг. 4 показывает пример исполнительного устройства на основе сопряженного полимера;

Фиг. 5 показывает пример исполнительного устройства на основе углеродных нанотрубок (Carbon Nano Tube - CNT);

Фиг. 6 показывает пример вольтамперной характеристики сопряженного полимера;

Фиг. 7 показывает первую конфигурацию схемы переключения для матричного массива исполнительных устройств на основе EAP;

Фиг. 8 показывает первую временную диаграмму для работы схемы фиг. 7;

Фиг. 9 показывает вторую временную диаграмму для работы схемы фиг. 7 с использованием конвейерной адресации;

Фиг. 10 показывает временные диаграммы для способа, в котором пороговые напряжения измеряют в начале цикла для всех схем переключения в устройстве; и

Фиг. 11 показывает модификацию схемы, которая уменьшает число требуемых строк.

Одинаковые ссылочные позиции используются в разных фигурах для одинаковых компонентов, и описание этих компонентов повторяться не будет.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает исполнительное устройство, которое содержит активный матричный массив строк и столбцов исполнительных устройств на основе электроактивного полимера, причем каждое исполнительное устройство на основе электроактивного полимера имеет схему переключения. Схема переключения имеет управляющий транзистор и систему конденсаторов. Систему конденсаторов заряжают до напряжения, получаемого из управляющего напряжения для исполнительного устройства на основе электроактивного полимера, объединенного с напряжением, получаемым из порогового напряжения управляющего транзистора. Во время этого программирования системы конденсаторов, исполнительное устройство на основе EAP изолируют от любого протекающего тока. Схема переключения позволяет компенсировать связанные со старением изменения в пороговом напряжении. Таким образом, может быть использован транзистор с низкими эксплуатационными характеристиками (т.е. с плохой стабильностью порогового напряжения), с измерением порогового напряжения обеспечивающего ток TFT один раз в течение длительности каждого цикла (или один раз в течение множественных длительностей цикла) для компенсации эффекта старения.

Фиг. 1-5 были описаны во введении этого изобретения, среди прочего, для ознакомления с объемом проблем, связанных с применением, к которому настоящее изобретение относится, и эти фигуры образуют неотъемлемую часть описания и предназначены для разъяснения того, как настоящее изобретение может быть реализовано.

Основой подхода настоящего изобретения является то, что характеристики TFT - и, в частности, его пороговое напряжение - определяют выходной ток, когда TFT работает в качестве источника тока. Выходной ток задается формулой:

I=W/L*μ*(Vgs - Vt)²

где W и L являются шириной и длиной канала TFT, μ является подвижностью, Vgs является напряжением затвор-исток, и Vt является порогом.

Фиг. 6 показывает пример вольтамперной характеристики сопряженного полимера. Она показывает вольтамперные характеристики при скорости сканирования, равной 5мВ/с, и разных прикладываемых нагрузках для сопряженной системы PPy. Она представляет процесс окисления и восстановления (источник: работа «Dynamics of conducting polymer actuators», M. Bahrami-Samani, University of Wollongong, 2007).

Поскольку электрический ток требуется для поддержания состояния срабатывания устройства, такие устройства будут управляться в течение длительных периодов времени с использованием значительных токов, протекающих через TFT, и напряжений, прикладываемых к ним. Проблема использования низкостоимостных низковольтных тонкопленочных схем состоит в стабильности порогового напряжения TFT. При постоянном смещении, пороговое напряжение TFT увеличивается, поэтому простые схемы постоянного тока будут прекращать работать по истечении короткого времени. Посредством измерения порогового напряжения обеспечивающего ток TFT, например, один раз в течение длительности каждого цикла, можно компенсировать эффект старения. Это позволяет использовать активные массивы EAP с токовым управлением в технологии низкостоимостных активных матриц.

Сила тока управления для ионных EAP составляет порядка 10 мА/см². Элементы массива имеют площадь, например, порядка 0,25мм² и, таким образом, требуются токи порядка 25 мкА. Транзисторы на основе аморфного кремния имеют подвижности около 1см²/Vs, таким образом, они могут производить токи такого порядка в случае ширины транзистора, равной 500мкм, и напряжения, равного 7В. Таким образом, использование транзисторов на основе аморфного кремния является реалистичным.

Для исполнительных устройств на основе сопряженного полимера, скорость деформации исполнительного устройства линейно зависит от тока. Таким образом, исполнительные устройства с токовым управлением могут быть использованы для обеспечения управляемого срабатывания между крайними уровнями срабатывания.

Фиг. 7 показывает первую конфигурацию схемы переключения согласно настоящему изобретению.

Основная часть топологии схемы переключения была предложена заявителем для использования в светодиодных (LED) устройствах с активной матрицей, например, раскрытых в документе WO 2004/066249. Цель в этом предыдущем предложении состояла в обеспечении возможности программирования напряжения пиксела, а не в обеспечении возможности программирования тока (например, с использованием токового зеркала). Таким образом, могут быть обеспечены очень малые времена программирования, требуемые для пиксельного дисплея. Посредством обеспечения компенсации изменений с течением времени в пороговых напряжениях транзисторов на основе аморфного кремния, становится возможным более быстрое программирование напряжения.

Это изобретение основано на использовании схемы компенсации порогового напряжения, с адаптацией, пригодной для реализации низкостоимостного активного матричного массива на основе EAP.

Каждая схема переключения предназначена для соответствующего EAP-устройства 50 и содержит управляющий транзистор T_D на основе аморфного кремния, присоединенный последовательно между линией 52 подачи электропитания и выводом исполнительного устройства на основе EAP. Противоположный вывод исполнительного устройства на основе EAP соединяется с заземлением 56 через изолирующий переключатель 58. Изолирующий переключатель позволяет выполнять фазу программирования без подачи тока на исполнительное устройство на основе EAP. Показаны две отдельные линии 52 электропитания, но они могут быть соединены.

Эта схема является массивом, и изолирующий переключатель 58 является внешним по отношению к этому массиву. Изолирующий переключатель является стандартным кремниевым выключателем электропитания, который является стабильным. Выключатель электропитания этого типа обеспечивается для каждой строки устройства, или, в альтернативной реализации, описанной ниже, изолирующий переключатель может быть общим для всего массива.

Управляющий транзистор T_D предназначен для управления током, протекающим через EAP-устройство 50.

Первый и второй конденсаторы C₁ и C₂ присоединены последовательно между затвором и истоком управляющего транзистора T_D. Ввод данных в схему переключения обеспечивается на соединении 62 между первым и вторым конденсаторами и заряжает второй конденсатор C₂ до напряжения данных схемы переключения, как будет описано ниже. Первый конденсатор C₁ предназначен для сохранения порогового напряжения управляющего транзистора на первом конденсаторе C₁.

Входной транзистор А₁ присоединен между линией 60 входных данных и соединением 62 между первым и вторым конденсаторами. Этот первый транзистор синхронизирует подачу напряжения данных на схему переключения, для его сохранения на втором конденсаторе C₂.

Второй транзистор А₂ присоединен между затвором и стоком управляющего транзистора T_D. Это используют для управления подачей тока из линии 52 подачи электропитания на первый конденсатор С₁. Таким образом, посредством включения второго транзистора А₂, первый конденсатор С₁ может быть заряжен до напряжения затвор-исток управляющего транзистора T_D.

Третий транзистор А₃ присоединен параллельно выводам второго конденсатора С₂. Это используют для закорачивания второго конденсатора таким образом, чтобы первый конденсатор сам по себе мог сохранять напряжение затвор-исток управляющего транзистора T_D.

Четвертый транзистор А₄ присоединен между истоком управляющего транзистора T_D и заземлением. Это используют, чтобы он действовал в качестве стока для тока из управляющего транзистора, без срабатывания исполнительного устройства, конкретно, во время последовательности программирования схемы переключения.

Конденсатор 64 может содержать дополнительный накопительный конденсатор (как в схеме фиг. 2), или он может содержать собственную емкость EAP-устройства.

Транзисторы А₁ и А₂ управляются посредством соответствующих строчных проводников, которые соединяются с их затворами. Как будет дополнительно объяснено ниже, некоторые из строчных проводников могут использоваться совместно. Адресация массива схем переключения, таким образом, включает в себя последовательную адресацию строк схем переключения, и линия 60 данных содержит столбцовый проводник, так что полная строка схем переключения адресуется одновременно, причем строки адресуются последовательно, общепринятым способом.

Схема фиг. 7 может работать несколькими разными способами.

Сначала будет описан основной режим работы, и затем будет объяснен способ расширения этого режима работы для обеспечения еще более конвейерной адресации. Конвейерная адресация означает, что существует некоторое временное перекрытие между управляющими сигналами смежных строк.

Только управляющий транзистор T_D используют в режиме постоянного тока. Все остальные TFT А₁-А₄ в этой схеме используют в качестве переключателей, которые работают с коротким рабочим циклом. Таким образом, уход порогового напряжения в этих устройствах является малым и не влияет на эффективность схемы. Временная диаграмма показана на фиг. 8.

Графики А₁-А₄ представляют напряжения затвора, подаваемые на соответствующие транзисторы. График «58» представляет напряжение, подаваемое на изолирующий переключатель 58, и чистая часть графика «Данные» представляет синхронизацию сигнала данных на линии 60 данных. Заштрихованная область представляет время, когда данные отсутствуют на линии 60 данных. Из описания, приведенного ниже, станет понятно, что данные для других строк схем переключения могут быть поданы в течение этого времени, так что данные могут почти непрерывно подаваться на линию 60 данных, что обеспечивает конвейерный режим работы.

Работа схемы состоит в том, чтобы сохранить пороговое напряжение управляющего транзистора T_D на С₁ и затем сохранить напряжение данных на С₂ таким образом, чтобы напряжение затвор-исток T_D было равно напряжению данных плюс пороговое напряжение.

Работа схемы содержит следующие этапы.

Изолирующий переключатель 58 для схем переключения в одной строке массива размыкают для предотвращения протекания тока через исполнительные устройства на основе EAP в этой строке. Это обеспечивают отрицательным импульсом на графике «58» на фиг. 8.

Адресные линии А₂ и А₃ переходят на высокий уровень для включения релевантных TFT. Это закорачивает конденсатор С₂ и соединяет одну обкладку конденсатора С₁ с линией электропитания, а другую - с EAP-устройством.

Адресная линия А₄ затем переходит на высокий уровень для включения ее TFT. Это соединяет анод светодиода (LED) с заземлением и создает большое напряжение затвор-исток на управляющем TFT T_D. Таким образом, С₁ заряжается, а С₂ не заряжается, поскольку он остается закороченным.

Адресная линия А₄ затем переходит на низкий уровень для выключения соответствующего TFT, и управляющий TFT разряжает конденсатор С₁ до тех пор, пока он не достигнет его порогового напряжения. Таким образом, пороговое напряжение управляющего транзистора T_D сохраняется на С₁.

Снова, не существует никакого напряжения на втором конденсаторе С₂.

А₂ переходит на низкий уровень, чтобы изолировать измеренное пороговое напряжение на первом конденсаторе С₁, и А₃ переходит на низкий уровень, так что второй конденсатор С₂ больше не является закороченным.

А₄ затем снова переходит на высокий уровень для соединения анода с заземлением. Напряжение данных затем подают на второй конденсатор С₂, в то время как входной транзистор включают импульсом с высоким уровнем на А₁.

Наконец, А₄ переходит на низкий уровень, после чего следует активация изолирующего переключателя таким образом, чтобы EAP-устройство принимало требуемый ток.

Последовательность адресации может быть конвейерной, чтобы более одной строки схем переключения можно было программировать единовременно. Таким образом, сигналы адресации на линиях А₂-А₄ и на относящемся к строке изолирующем переключателе 50 могут перекрываться с такими же сигналами для других строк. Таким образом, длительность последовательности адресации не означает длительные времена программирования, и эффективное время линии ограничено только временем, требуемым для зарядки второго конденсатора С₂, когда адресная линия А₁ находится на высоком уровне. Этот период времени является таким же, как период времени для стандартной последовательности адресации активной матрицы. Другие части адресации означают, что общее время цикла будет только немного увеличенным вследствие задания параметров, требуемых для первых нескольких строк массива. Однако это задание параметров может быть легко выполнено в пределах периода запирания цикла, так что время, требуемое для измерения порогового напряжения, не является проблемой.

Конвейерная адресация показана на временной диаграмме фиг. 9. Управляющие сигналы для транзисторов А₂-А₄ были объединены на одном графике, но этот режим работы является режимом работы, описанным на фиг. 8. График «Данные» на фиг. 9 показывает, что линия 60 данных используется почти непрерывно для обеспечения данных для последовательных строк.

В способе по фиг. 8 и 9, операция измерения порога объединена со срабатыванием EAP, так что измерение порога и срабатывание EAP последовательно выполняются для каждой строки схем переключения.

Фиг. 10 показывает временные диаграммы для способа, в котором пороговые напряжения измеряют в начале цикла для всех схем переключения в устройстве. Графики на фиг. 10 соответствуют графикам на фиг. 8. Преимущество этого подхода состоит в том, что необходим только один выключатель электропитания для всего массива (вместо разных выключателей для разных строк, требуемых для реализации способа фиг. 8 и 9). Недостаток состоит в том, что токи утечки могут приводить к некоторой неоднородности срабатывания.

Принципиальной схемой для этого способа все же является схема на фиг. 7, за исключением того, что теперь имеется только один выключатель электропитания, если рассматривать весь массив. Временная диаграмма, однако, отличается. В результате, все EAP-устройства объединяются вместе на стороне низкого напряжения (а не только на общей построчной основе, как на фиг. 7).

Как показано на фиг. 10, сигналы A₂, A₃, A₄ и сигнал изолирующего переключателя подаются на все EAP-устройства в массиве в течение периода запирания для выполнения измерения порогового напряжения. Сигнал А₄ подают на каждую схему переключения одновременно в течение периода запирания, так что все сигналы А₂-А₄ подают на все строки одновременно. В течение этого времени, никакие данные не могут обеспечиваться для схем переключения, из чего следует заштрихованный участок графика данных в нижней части фиг. 10.

В последующем периоде адресации, данные последовательно подаются отдельно на каждую строку в виде сигнала А₁. Последовательность импульсов на А₁ на фиг. 10 представляет импульсы для последовательных строк, и каждый импульс синхронизируется с подачей данных на линии 60 данных.

Схема на фиг. 7 имеет большое число строк для управления транзисторами и для изолирующих переключателей.

Фиг. 11 показывает модификацию схемы, которая уменьшает число требуемых строк. Временные диаграммы, описанные выше, показывают, что сигналы А₂ и А₃ являются очень похожими. Моделирование показывает, что А₂ и А₃ фактически можно сделать одинаковыми, так что потребуется только одна адресная линия. Дополнительное уменьшение может быть реализовано посредством соединения линии заземления, связанной с транзистором А₄ на фиг. 7, с адресной линией А₄ в предыдущей строке. Схема на фиг. 11 показывает адресные линии А₄ для строки n и строки n-1.

EAP-слой в устройстве обычно расположен между электродами. Электроды могут быть растяжимыми таким образом, чтобы они следовали за деформацией слоя EAP-материала. Материалы, пригодные для электродов, также являются известными и могут быть, например, выбраны из группы, состоящей из тонких металлических пленок, например, из золота, меди, или алюминия, или органических проводников, таких как углеродная сажа, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANi), поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Также могут быть использованы металлизированные полиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (polyethylene terephthalate - PET), например, с использованием алюминиевого покрытия.

Материалы для других слоев будут выбираться, например, с учетом модулей упругости (модулей Юнга) других слоев.

Для адаптации электрических или механических свойств устройства могут быть использованы слои, дополнительные к слоям, описанным выше, например, дополнительные полимерные слои.

Если осажденные гальваническим способом электроды, используемые в устройстве, будут расположены в несимметричной конфигурации, то физическое изменение может вызывать все виды деформаций, такие как кручение, свертывание, закручивание, изгиб и деформация несимметричного изгиба.

Настоящее изобретение может быть использовано во многих применениях EAP, где представляет интерес матричный массив исполнительных устройств.

Во многих применениях главная функция изделия основывается на (локальном) управлении человеческой тканью, или на приведении в движение поверхностей контакта с тканью. В таких применениях исполнительные устройства на основе EAP обеспечивают уникальные преимущества, главным образом, вследствие малого формфактора, гибкости и высокой плотности энергии. Следовательно, EAP могут быть легко интегрированы в мягкие, трехмерные и/или миниатюрные изделия и поверхности контакта. Примерами таких применений являются:

Устройства косметической обработки кожи, такие как устройства возбуждения кожи в форме кожных пластырей на основе EAP, которые обеспечивают постоянное или циклическое растяжение кожи для натяжения кожи или для уменьшения морщин;

Дыхательные устройства с интерфейсной маской пациента, которая имеет активную подкладку или уплотнение на основе EAP, для обеспечения переменного нормального давления на кожу, которое уменьшает или предотвращает красные пятна на лице;

Электробритвы с адаптивной бреющей головкой. Высота контактирующих с кожей поверхностей может настраиваться с использованием исполнительных устройств на основе EAP, чтобы влиять на баланс между близостью и раздражением;

Устройства очистки полости рта, такие как воздушная нить для очистки межзубных промежутков с динамическим исполнительным устройством сопла, для улучшения досягаемости распыления, особенно в промежутках между зубами. Альтернативно, зубные щетки могут быть снабжены активируемыми нитями;

Устройства потребительской электроники или сенсорные панели, которые обеспечивают локальную тактильную обратную связь посредством массива EAP-преобразователей, который встроен в пользовательский интерфейс или находится вблизи него;

Катетеры с управляемым наконечником для обеспечения возможности легкой навигации в извитых кровеносных сосудах.

Другая категория релевантных применений, которая получает преимущество от исполнительных устройств на основе EAP, относится к модификации света. Оптические элементы, такие как линзы, отражающие поверхности, решетки, и т.д., могут быть сделаны адаптивными посредством адаптации формы или положения с использованием исполнительных устройств на основе EAP. Здесь преимуществом исполнительных устройств на основе EAP является, например, низкое энергопотребление.

Другие варианты схем показаны в документе WO 2004/066249, например, с первым и вторым конденсаторами, присоединенными последовательно между затвором и стоком управляющего транзистора, и соединением между ними, соединенным с истоком через дополнительный транзистор. В отношении дополнительных подробностей, ссылка может быть сделана на документ WO 2004/066249. Эти другие варианты схем также могут быть использованы. Таким образом, также возможны варианты схем, в которых именно напряжение затвор-сток сохраняется на системе конденсаторов, а не напряжение затвор-исток.

Настоящее изобретение было описано выше как реализуемое с использованием тонкопленочных транзисторов на основе аморфного кремния. Существуют и другие технологии, которые могут быть использованы, например, полупроводниковые устройства на основе оксида индия, галлия и цинка (indium gallium zinc oxide - IGZO), описанные, например, в Nature. 432: 488-492.

Преимущество IGZO перед оксидом цинка состоит в том, что он может быть осажден в виде однородной аморфной фазы при сохранении высокой подвижности носителей, характерной для оксидных полупроводников. IGZO-TFT имеет в 20-50 раз большую подвижность электронов, чем у аморфного кремния, который часто использовался в жидкокристаллических дисплеях (liquid-crystal display - LCD) и электронной бумаге. Также другие аморфные полупроводники или, фактически, любые полупроводники, которые страдают от нестабильности, могут получить преимущества от использования настоящего изобретения.

Наиболее широко используемой технологией для синтеза Прозрачных проводящих оксидов (Transparent Conducting Oxide - TCO) является Импульсное лазерное осаждение (Pulsed Laser Deposition - PLD). В PLD, лазер используют для фокусирования на наноразмерных пятнах на твердых элементарных мишенях. Частоты лазерных импульсов пропорционально изменяются для разных мишеней для управления составом пленки. IGZO может быть осажден на подложки, такие как кварц, монокристаллический кремний, или даже пластик, вследствие его способности осаждаться при низких температурах. Подложки размещают в вакуумной камере PLD, которая управляет давлением кислорода для обеспечения благоприятных электрических свойств. После синтеза, пленку отжигают, или постепенно подвергают воздействию воздуха для настройки на атмосферу.

Исполнительные устройства на основе EAP имеют замедленную реакцию. Таким образом, схема управления может включать в себя программирование и управление схемами переключения, затем остановку. Это будет замедлять старение управляющего транзистора.

Другие изменения раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, на основе изучения чертежей, раскрытия, и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а форма единственного числа не исключает множественного числа. Тот факт, что некоторые меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с преимуществом. Никакие ссылочные позиции не следует толковать как ограничение объема настоящего изобретения.

В заключение, настоящее изобретение относится к исполнительному устройству, которое содержит активный матричный массив строк и столбцов исполнительных устройств на основе электроактивного полимера, причем каждое исполнительное устройство на основе электроактивного полимера имеет схему переключения. Схема переключения имеет управляющий транзистор и систему конденсаторов. Систему конденсаторов заряжают до напряжения, получаемого из управляющего напряжения для исполнительного устройства на основе электроактивного полимера, объединенного с напряжением, получаемым из порогового напряжения управляющего транзистора. Во время этого программирования системы конденсаторов, исполнительное устройство на основе EAP изолируют от любого протекающего тока. Схема переключения позволяет компенсировать связанные со старением изменения в пороговом напряжении. Таким образом, может быть использован транзистор с низкими эксплуатационными характеристиками (т.е. с плохой стабильностью порогового напряжения), с измерением порогового напряжения обеспечивающего ток TFT один раз в течение длительности каждого цикла (или один раз в течение множественных длительностей циклов) для компенсации эффекта старения.

Изобретение может быть использовано в приборостроении, там где требуется малая величина перемещения компонента или элемента на основе электрического срабатывания. Исполнительное устройство содержит активный матричный массив строк и столбцов исполнительных устройств на основе электроактивного полимера, причем каждое исполнительное устройство на основе электроактивного полимера имеет схему переключения. Схема переключения имеет управляющий транзистор и систему конденсаторов. Систему конденсаторов заряжают до напряжения, получаемого из управляющего напряжения для исполнительного устройства на основе электроактивного полимера, объединенного с напряжением, получаемым из порогового напряжения управляющего транзистора. Во время этого программирования системы конденсаторов, исполнительное устройство на основе EAP изолируют от любого протекающего тока. Схема переключения позволяет компенсировать связанные со старением изменения в пороговом напряжении. Таким образом, может быть использован транзистор с низкими эксплуатационными характеристиками, с измерением порогового напряжения обеспечивающего ток TFT один раз в течение длительности каждого цикла (или один раз в течение множественных длительностей циклов) для компенсации эффекта старения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Исполнительное устройство, содержащее:

- активный матричный массив строк и столбцов исполнительных устройств на основе электроактивного полимера с токовым управлением, причем каждое исполнительное устройство на основе электроактивного полимера имеет схему переключения,

причем схема переключения содержит:

- управляющий транзистор (T_D) для управления током через исполнительное устройство на основе электроактивного полимера; и

- первый и второй конденсаторы (С₁, С₂), присоединенные последовательно между затвором и истоком или стоком управляющего транзистора,

- причем ввод данных в схему переключения обеспечен на соединении между первым и вторым конденсаторами (С₁, С₂), для зарядки посредством этого второго конденсатора (С₂) до напряжения, получаемого из управляющего напряжения для исполнительного устройства на основе электроактивного полимера, и для сохранения напряжения, получаемого из порогового напряжения управляющего транзистора, на первом конденсаторе (С₁); и

- изолирующий переключатель, совместно используемый всеми исполнительными устройствами на основе электроактивного полимера строки, или совместно используемый всеми исполнительными устройствами на основе электроактивного полимера массива, между исполнительным устройством на основе электроактивного полимера и опорным выводом.

2. Устройство по п. 1, в котором управляющий транзистор является транзистором на основе аморфного полупроводника.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором исполнительные устройства на основе электроактивного полимера с токовым управлением содержат исполнительные устройства на основе сопряженного полимера, исполнительные устройства на основе композиционных полимерных материалов на основе углеродных нанотрубок или исполнительные устройства на основе ионных полимерно-металлических композиционных материалов.

4. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором каждая схема переключения дополнительно содержит входной первый транзистор (А₁), присоединенный между линией (60) входных данных и соединением между первым и вторым конденсаторами (C₁, C₂).

5. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором каждая схема переключения дополнительно содержит:

- второй транзистор (А₂), присоединенный между затвором и стоком управляющего транзистора (T_D); и

- третий транзистор (А₃), присоединенный параллельно выводам второго конденсатора (C₂).

6. Устройство по п. 5, в котором каждый из второго транзистора (А₂) и третьего транзистора (А₃) управляется соответствующей второй и третьей линией управления затвором, которая совместно используется строкой схем переключения.

7. Устройство по п. 6, в котором вторая и третья линии управления затвором содержат единственную совместно используемую линию управления.

8. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором первый и второй конденсаторы (C₁, C₂) присоединены последовательно между затвором и истоком управляющего транзистора (T_D).

9. Устройство по п.5-8, в котором каждая схема переключения дополнительно содержит четвертый транзистор (А₄), присоединенный между истоком управляющего транзистора и линией потенциала заземления.

10. Устройство по п. 9, в котором четвертый транзистор (А₄) управляется четвертой линией управления затвором, которая совместно используется строкой схем переключения.

11. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором управляющий транзистор (T_D) содержит транзистор n-типа.

12. Способ управления устройством с активной матрицей, содержащим массив исполнительных устройств на основе электроактивного полимера с токовым управлением, каждое их которых имеет соответствующую схему переключения, причем каждая схема переключения содержит управляющий транзистор (T_D) для управления током через соответствующее исполнительное устройство, причем способ содержит, для каждой схемы переключения, этапы, на которых:

- изолируют все исполнительные устройства на основе электроактивного полимера строки, или все исполнительные устройства на основе электроактивного полимера массива, от вывода заземления;

- управляют током, протекающим через управляющий транзистор (T_D) к заземлению, и заряжают первый конденсатор (C₁) до результирующего напряжения затвор-исток;

- разряжают первый конденсатор (C₁) до тех пор, пока управляющий транзистор не выключится, причем первый конденсатор посредством этого сохраняет пороговое напряжение;

- заряжают второй конденсатор (C₂), присоединенный последовательно с первым конденсатором между затвором и истоком или стоком управляющего транзистора, до напряжения ввода данных;

- соединяют все исполнительные устройства на основе электроактивного полимера строки, или все исполнительные устройства на основе электроактивного полимера массива, с выводом заземления; и

- используют управляющий транзистор (T_D) для управления током, протекающим через исполнительное устройство на основе EAP к заземлению, с использованием напряжения затвора, которое получают из напряжений на первом и втором конденсаторах (C₁, C₂).

13. Способ по п. 12, в котором этап зарядки второго конденсатора выполняют посредством включения адресного транзистора (А₁), присоединенного между линией данных и входом в схему переключения.

14. Способ по п. 13, в котором адресные транзисторы для каждой схемы переключения в строке включаются одновременно общей линией управления адресами строки, и в котором адресные транзисторы для одной строки схем переключения включают по существу сразу после выключения адресных транзисторов для смежной строки.

15. Способ по п. 12, в котором первый конденсатор (С₁) каждой схемы переключения заряжают для сохранения соответствующего порогового напряжения управляющего транзистора схемы переключения в исходном периоде измерения порога периода цикла срабатывания, причем период управления схемы переключения периода цикла срабатывания следует за периодом измерения порога.