[發(fā)明專利]高性能電活性聚合物換能器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680008946.6
• 申請日: 2006-03-21
• 公開（公告）號: CN101147271A
• 公開（公告）日: 2008-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 喬恩·赫姆
• 申請（專利權(quán)）人: 人工肌肉有限公司
• 主分類號: H01L41/08
• 分類號: H01L41/08
• 代理公司: 北京安信方達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 陳怡;鄭霞

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及電活性聚合物結(jié)構(gòu)，其可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，反之亦然。特別地，本發(fā)明涉及預(yù)應(yīng)變聚合物致動器和換能器的框架和網(wǎng)狀構(gòu)型。

背景技術(shù)

當(dāng)前使用的大量各種裝置依賴于一種或另一種致動器(actuator)，來將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。此致動器給這些產(chǎn)品“賦予生命”，驅(qū)動它們運(yùn)轉(zhuǎn)起來。相反地，許多發(fā)電應(yīng)用的操作是通過將機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電能。以這種方式用來獲取機(jī)械能的這種類型的致動器可被稱為發(fā)電機(jī)。同樣地，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)被用來將諸如振動或壓力的物理刺激轉(zhuǎn)換為用于測量目的的電信號時，它可被稱為換能器。然而，“換能器(transducer)”這一術(shù)語可被用來統(tǒng)稱這些裝置。無論采用什么名字，利用電活性聚合物(electroactivepolymer)的新一類元件能夠經(jīng)配置后提供這些功能。

特別是對于致動器和發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，許多設(shè)計(jì)考慮關(guān)注于選擇和使用基于高級電活性聚合物技術(shù)的換能器。這些考慮包括有勢力(potentialforce)、功率密度、能量轉(zhuǎn)換/消耗、尺寸、重量、成本、響應(yīng)時間、占空比、運(yùn)行要求、環(huán)境影響等等。由SRI?International?and?licensee?ArtificialMuscle公司研發(fā)的電活性聚合物人造肌肉(Electroactive?Polymer?ArtificialMuscle，EPAM^TM)技術(shù)，在每一個范疇中相對于其它可用技術(shù)處于領(lǐng)先地位。在許多應(yīng)用中，EPAMTM技術(shù)完美地替代了壓電式的形狀記憶合金(SMA)以及諸如電動機(jī)及螺線管等電磁裝置。

作為一種致動器，EPAM^TM技術(shù)通過在由彈性電介質(zhì)聚合物隔開的兩個彈性薄膜電極上施加電壓來操作。當(dāng)向這些電極施加電壓差時，反向充電的構(gòu)件相互吸引，從而對彼此間聚合物產(chǎn)生壓力。這個壓力將電極拉到一起，導(dǎo)致電介質(zhì)聚合物變得更薄(z軸分量收縮)，而沿平面方向延展(聚合物薄膜的x和y軸伸長)。另一個因素驅(qū)使聚合物薄膜變薄和延展。分布在各個彈性薄膜電極上的類似(同樣)電荷導(dǎo)致嵌入至薄膜內(nèi)的導(dǎo)電粒子相互排斥，從而使聚合物薄膜相連的彈性電極和電介質(zhì)延展。

利用這種“形狀記憶”技術(shù)，Artificial?Muscle公司正在研發(fā)一系列的新型固態(tài)裝置，以便用于各種各樣的工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)者和電子應(yīng)用。當(dāng)前產(chǎn)品的體系包括：致動器、電動機(jī)、換能器/傳感器、泵和發(fā)電機(jī)。致動器由上面討論的操作來使能。當(dāng)材料發(fā)生物理變形時，發(fā)電機(jī)和傳感器依靠改變電容來使能。

Artificial?Muscle公司現(xiàn)已引入了許多基本的“齊全即可使用(turnkey)”類型的裝置，這些裝置可用作構(gòu)建部件以取代現(xiàn)有裝置。每個裝置都采用支架或框架結(jié)構(gòu)來對電介質(zhì)聚合物進(jìn)行預(yù)應(yīng)變(pre-strain)。據(jù)觀察，預(yù)應(yīng)變改善了聚合物的電介質(zhì)強(qiáng)度，由此通過容許更高的場電勢而改善電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。

這些致動器中，“彈簧輥”類型的線性致動器是通過在螺旋狀彈簧周圍覆蓋EPAM^TM材料層來制備的。將EPAM^TM材料連接至彈簧末端處的帽/罩以固定其位置。彈簧體支撐對EPAM^TM的徑向或圓周方向的預(yù)應(yīng)變，而彈簧長度方向的壓縮提供了軸向預(yù)應(yīng)變。所施加的電壓使得薄膜在厚度上向下擠壓而在長度方向上舒馳，從而容許彈簧(由此，整個裝置)延展。通過形成電極以圍繞圓周產(chǎn)生兩個或多個單獨(dú)處理的部分，電氣激活一個這樣的部分導(dǎo)致輥延伸以及整個結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離那一側(cè)彎曲。

彎曲梁(bending?beam)致動器的形成是通過沿著梁的表面粘貼一層或多層伸展的EPAM^TM材料。當(dāng)施加電壓時，EPAM^TM材料在厚度方向上收縮，在長度方向上伸長。沿著梁的一側(cè)上的長度增加導(dǎo)致梁遠(yuǎn)離活性層彎曲。

成對的電介質(zhì)彈性體薄膜(或諸如上述“彈簧輥”的全套致動器組件)可布置為“推-拉(push-pull)”構(gòu)造。從一個致動器到另一個致動器切換電壓可來回地移動組件的位置。激活系統(tǒng)的相對兩側(cè)使得該組件固定在中性點(diǎn)。如此配置后，致動器就像控制人手臂運(yùn)動的相對的二頭肌和三頭肌那樣動作。無論推-拉式結(jié)構(gòu)包括固定至平面框架的薄膜部分，還是包括一個或多個相對的彈簧輥等等，一個EPAM^TM結(jié)構(gòu)都可用作另一個EPAM^TM結(jié)構(gòu)的偏置構(gòu)件，反之亦然。