基于电活性聚合物的致动器和传感器设备的制作方法

本发明涉及利用用于致动和感测的电活性材料的致动器/传感器设备。

背景技术：

电活性材料(eam)是电响应材料领域内的一类材料。当在致动设备中实施时，使eam经受电驱动信号能够使得其改变尺寸和/或形状。该效应能够被用于致动和感测目的。存在无机eam和有机eam。一种特殊类型的有机eam是电活性聚合物(eap)。电活性聚合物(eap)是一种新兴种类的电响应材料。eap(如eam)能够用作传感器或致动器，但是能够更容易被制造成各种形状，这允许容易集成到各种各样的系统中。eap的其他优点包括：低功率、小形状因子(formfactor)、柔性、无声操作以及准确、高分辨率的可能性、快速响应时间以及循环致动。eap设备能够被用在基于电致动而期望部件或特征的小量的移动的任何应用中。类似地，所述技术能够被用于感测小的移动。eap的使用实现了之前不可能的功能，或者相比于常见致动器，由于相对大的变形以及在小体积中的力或者薄的形状因子而提供了优于常见传感器/致动器方案的大的优点。eap也给出了无声操作、准确的电子控制、快速响应以及大的范围的可能的致动频率，诸如0–20khz。

作为eam设备能够如何构建以及能够如何操作的范例，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eap设备包括电活性聚合物层14，电活性聚合物层14被夹置在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间。图1示出了未被夹持到载体层的设备。电压被用于引起所述电活性聚合物层如所示的沿着所有方向扩展。图2示出了被设计成使得仅在一个方向上出现扩展的设备。对此，图1的结构被夹持或附接至载体层16。电压被用于引起电活性聚合物层弯曲或弓弯。该移动的性质起因于当被致动时扩展的活性层与不扩展的被动载体层之间的相互作用。

针对特定种类的eap，向所述设备施加小的力(机械负载)作为响应而生成电信号。这允许单个eap结构被用于致动和感测两者。然而，现有技术的基于eap的致动器/传感器通常提供彼此分离的感测功能和致动功能：或者是物理上分离——其中，所述设备的不同的区域或部分被用于感测或者用于致动，例如利用向其中的每个分离地提供的电连接；或者是时间上分离——其中，单个设备在感测功能与致动功能之间顺次地交替。

例如，us2014/0139329公开了一种eap系统，其包括：感测电路、致动电路以及切换电路。所述感测电路适于检测在eap变形时来自所述eap的信号。随后是，切换电路然后激活致动电路，使得致动电路能够基于感测输入来生成致动。因此，感测和致动在时间上彼此分离：感测和致动顺次地发生，一个跟随另一个。

需要一种设备和操作方法，其中，感测功能被优化以提供高传感器灵敏度，能够在对所施加的负载的测量中实现显著改善的准确度和/或精确度。

技术实现要素：

本发明的目标是至少部分地满足前述需要。该目标是利用如在独立权利要求所限定的本发明来实现的。从属权利要求提供有利的实施例。

根据本发明，提供了一种设备，其能够同时地致动和感测。致动器能够是换能器。所述设备能够是致动器和/或传感器或者换能器设备。

根据本发明，也提供了一种使用致动器同时感测和致动的方法。在下文中，针对所述设备而描述的特征能够转换成所述方法的特征或步骤，并且反之亦然，除非以其他方式指示。所转换的特征至少具有与针对原始特征所描述的相同的优点。

在本发明中，第一控制信号用于对所述设备的致动，而电气第二控制信号用于由所述设备来感测。因此，使用有效地包括致动信号和感测信号的控制信号来控制所述设备。

由于电活性材料，所述致动器响应于电场或者由这样的场所生成的力。因此，至少所述感测信号是电信号，使得能够根据该电感测信号来确定致动器的机械共振。

所述第一控制信号能够是任何类型的控制信号，只要其适合于引起致动。因此，所述第一控制信号能够是光学控制信号。在所述第一控制信号是光学控制信号的情况下，所述电活性材料也必须以变形来对光学信号的施加做出响应。本领域技术人员将知道在本领域中在哪里找到这样的材料。在这样的情况下，所述设备的布置能够包括用于将光学信号引导至材料的第一部分的单元。这样的单元能够包括反光镜、透镜光纤等。方便的是，也使用被用于感测的致动器的电活性性质来对所述致动器进行致动。在后者的情况下，所述致动信号需要是电气致动信号，并且所述设备和/或电活性结构能够包括用于施加这样的致动控制信号的一个或多个电极布置。

所述致动信号和所述感测信号当这两者都是电气时能够被分离地提供到一个或多个电极布置，而且也能够被叠加以形成组合的控制信号，之后将所述组合的控制信号提供到一个或多个电极布置。优选地，仅存在同一个电极布置用于提供致动信号和感测信号。

本发明的设备和方法利用了以下效应。当以与eam结构的机械共振频率或者其谐波之一相匹配的频率施加所述感测信号时，在所述结构中建立机械驻波，这继而影响所述结构的电特性。具体地，由于机械振动与所述感测信号同相，针对匹配所述共振频率的感测信号(并且因此针对控制信号的该部分)，所述结构的阻抗是较低的。相反，由于机械振动与所述感测信号异相，针对匹配材料的反共振频率的感测信号，所述材料的阻抗是较高的。看起来，在这样的频率下，感测是极其有效的，同时其不干扰更长期的同时致动。

被施加到所述电活性结构的任何机械负载(诸如，例如压力)可以引起所述结构中的阻尼，这引起其共振频率(以及反共振频率)偏离其平常的无阻尼值，从而诱发高频率感测信号与机械振动的基准频率之间的不一致(或者反共振等效，在反共振匹配的情况下)。由共振频率偏移的改变所引起的共振电活性材料结构的特性的所有改变能够有利地被用于以增加的灵敏度来检测机械负载。因此，能够检测和/或确定共振频率的偏离。能够完成对阻抗的检测和/或确定，具有如在本文中下文将阐述的优点。上文内容适用于基于eam进行致动和感测两者的所有设备。因此，本发明也能够被用在如在us2014/0139329中所描述的设备中。也能够使用一设备来使用本发明，其中，电活性材料结构包括用于致动的第一部分和用于感测的第二部分，其中，第二部分不同于第一部分，并且其中，所述控制信号被施加到所述电活性材料结构，使得所述致动信号被施加到所述第一部分，并且所述感测信号被施加到所述第二部分。

在本发明中，将所述致动信号与所述感测信号相组合能够包括及时地至少部分地叠加所述致动信号与所述感测信号或者由及时地至少部分地叠加所述致动信号与所述感测信号组成。以这种方式生成的控制系统能够向所述设备提供同时的致动能力(由于致动信号部分)和感测能力(由于感测信号部分)。这给予设备在激活期间进行感测的能力。如在本文中之前所描述的，us2014/0139329仅描述了顺次的感测和致动，这意味着致动需要在感测能够开始之前被停止。

尤其结合先前段落的特征，所述控制信号优选被提供到活性材料结构的相同部分，而替代这样的情况：其中，所述控制信号被施加到电活性材料结构以使得所述致动信号被施加到第一部分并且所述感测信号被施加到第二部分，并且第二部分不同于第一部分。尽管后者提供了与前者一样的同时的致动和感测，但是这处在空间上不同的位置处(空间上不同的活性电活性材料结构区域)，而对于前者，这能够处在相同的位置处(eam结构的单个活性区域)。由于前者的感测可能更精确，因而前者将更具优势，并且所述设备可以更小和/或较不复杂，因为仅一个部分需要被控制信号适应和处理。

us2002/0130673提到了借助于在主驱动(致动)信号之上叠加低幅度、高频率ac感测信号而实现在聚合物的相同活性区域中的组合的感测和致动的可能性。然而，本发明的当前变型提供了对设备的优化以及实现高感测灵敏度的方法，其能够可靠地利于对所施加的机械负载的量值的准确的实时测量。

通过在较高幅度的主致动信号之上叠加较低幅度的高频率感测信号，感测和致动功能可以同时地实现。所述感测信号的幅度可以显著小于所述致动信号的幅度，例如是所述致动信号的幅度的<10％、<5％或者甚至<1％。以这种方式，相比于由致动信号所刺激的，致动器中针对感测信号的变形响应可以是能忽略的。因此，作为致动器的设备的精确度、准确度以及稳定性未被折衷。

第一控制信号能够具有的频率小于感测信号频率。例如，所述第一控制信号的信号水平能够在感测信号交替的一个时间段内大致恒定(dc信号)。备选地，致动频率能够是感测频率的2或5或10或20或50或100的因子(factor)或者比感测频率低比100更高的因子。

如果这两个信号都是交变信号，则所述致动信号和所述感测信号每个具有一幅度。这两个信号都能够被提供有一范围的幅度，即，其能够被提供为可变幅度信号。幅度的范围能够具有最大幅度。如果这两个信号是电信号，(致动信号)可以是具有dc信号的交变信号(尽管具有根据期望的致动而变化的dc水平)或者可以具有交变幅度(ac信号)。在后者的情况下，所述感测信号的最大幅度(波峰幅度)能够是致动信号的波峰幅度的<10％、<5％或者甚至<1％。在后者的情况下，所述致动信号的频率也可以显著小于所述感测信号的频率，例如至少小两个量级，以便避免致动器信号与测量信号的干扰。

在以与(无阻尼的)反共振频率相匹配的频率施加所述感测信号的情况下，例如，由所施加的负载所诱发的突然不匹配于是可以被检测为跨eam结构所测量的阻抗的随之下降。备选地，在匹配(无阻尼的)共振频率来施加感测信号的情况下，不匹配可以被检测为跨eam结构所测量的阻抗的随之跃变。在任一种情况下，以这种方式，并且与基本上处在共振或反共振的外部的情况相反，所述感测信号允许以增加的灵敏度进行感测。

为了测量所述感测信号的参数，所述设备还可以包括感测元件，所述感测元件与致动器电连接。优选地，这样的参数将允许在至少一个时间时刻或者甚至针对多个时间时刻来确定电活性聚合物结构的阻抗，使得随着时间来测量所述参数，并且因此能够随着时间来确定阻抗。所述参数典型地包括随着时间的电压，以及随着时间的电流，诸如以估计这两个之间的相位差。所述感测元件可以监测随着时间的阻抗(根据测量参数而确定的)，由此能够检测或确定阻抗的改变，所述改变可以被用于例如指示对所述结构的机械负载的施加。在特定范例中，所述感测元件例如可以适于测量跨所述设备的串联电阻。所述元件可以包括适于确定阻抗的一个或多个电路元件，或者在范例中可以包括适于该目的的一个或多个ic芯片。例如，所述感测元件可以包括较宽的分析元件或单元的一部分。在范例中所述感测元件和所述驱动器机构两者都能够被包括作为较宽的处理组件或单元的一部分。备选地，所述感测元件可以被驱动机构所包括。

所述感测元件还可以适于基于在任意给定时间所确定的聚合物结构的阻抗来确定在所述给定时间施加到所述设备的机械负载的量值。因此，阻抗的改变不仅可以被用于指示已经施加了负载，而且也可以被用于指示负载的量值或者量值的指示。这可以通过在使用所述设备之前执行初始校准步骤来实现。例如，在保持两个驱动信号不改变的同时，随着增加的量值的力/负载被施加到设备，可以测量跨所述设备的阻抗。然后，这可以提供参考图或一组参考值，借助于所述参考图或一组参考值，尤其是跨所述设备的测量的阻抗，当在使用中时，能够与所施加力的特定量值相关联。在一些范例中，对应于不同的致动状态(以及不同的对应的致动信号)，可以执行多个校准测量。

电活性聚合物结构可以包括弛豫铁电材料。所述弛豫铁电材料能够包括以下材料或者由以下材料组成：无机弛豫铁电材料、有机弛豫铁电材料或者复合材料，所述复合材料包括以下中的一项或多项：无机弛豫铁电材料和有机弛豫铁电材料。复合物能够包括基质材料，基质材料自身是或者不是电活性材料。弛豫铁电体在未施加电压的情况下是非铁电气，这意味着当未施加驱动信号时不存在机电耦合。例如，当施加驱动信号时，电磁耦合能够变成非零。相比于其他已知的电活性材料，弛豫铁电体提供较大量值的致动变形(即，其具有较大的电致伸缩常数)，以及较大的感测灵敏度。然而，所述设备并不限于使用弛豫铁电体，并且例如也可以使用压电材料。

所述设备可以包括多个致动器，每个致动器具有不同的共振频率。例如，多个致动器中的每个致动器可以具有不同的尺寸和/或形状和/或几何结构，由此提供不同的共振频率。例如，所述多个结构可以被布置为形成结构化的组件或阵列。在测量到的阻抗信号中能检测到不同的共振频率，并且这例如被用于确定尤其是任何负载正被施加到阵列或组件中的哪个eam结构。因此，更精确的确定所施加的压力的位置能够是可确定的。

本发明也提供了一种同时感测和致动的方法。所述方法可以包括：确定电活性聚合物结构的随着时间的阻抗，并且基于所述阻抗进一步确定随着所述时间被施加到所述结构的任何机械负载的量值。例如，所述阻抗能够通过测量驱动信号的一个或多个电气参数来确定。例如，可以随着时间来监测驱动信号的电流和电压，并且根据这些电流和电压来获得阻抗的量度。

根据一个或多个实施例，所述方法还可以包括：在一个或多个恒定值之间切换第一控制信号的幅度或信号水平，或者在一个或多个恒定值之间切换第一分量信号的最大幅度，以便由此实现致动器的一个或多个相关联的致动状态。在所述结构中诱发的变形的程度涉及对跨所述结构而施加的电压的量值。对应于不同程度的变形的不同的致动状态可以通过改变第一控制信号来实现。例如，该变型可以包括在多个离散的预定值之间切换控制信号的最大幅度，或者可以包括沿着连续谱的值来更改该值。

在一些情况下，所述方法还可以包括用于确定致动器的共振频率的校准步骤，和/或用于确定致动器的校准负载的校准步骤。确定以及可能存储这样的校准的确定值能够被用于改善设备的确定的机械负载的准确度，而无需事先知道致动器的机械共振频率。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的范例，在附图中：

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描绘了针对范例致动器和传感器设备的第一范例布置；

图4描绘了针对范例致动器和传感器设备的第二范例布置；

图5示出了一图形，该图形图示了针对两个不同的固定的致动电压的(范例eap致动器的)串联电阻与传感器信号频率；

图6示出了一图形，该图形图示了图5的两条信号迹线之间的差；

图7示出了一图形，该图形图示了跨传感器信号频率的范围，所施加的负载力对所测量的电阻值的影响；

图8示出了图形，该图形图示了随着时间的测量到的(范例eap致动器的)电阻值，其中，在时间上两个截然不同点处施加负载；

图9示意性描绘了在针对eap致动器和传感器设备的范例操作处理中的步骤。

具体实施方式

本发明提供了一种致动器和传感器设备，其具有：电活性材料(eam)结构，以及用于生成用于施加到所述eap结构的驱动信号的控制器。所述控制器也能够用于在较大的致动驱动信号上生成(小的)高频率ac感测信号，所述感测信号具有的频率与所述eam结构的机械共振频率共振或反共振。对所述设备的机械负载的施加可以被识别为——由机械共振的阻尼所引起的eap结构的阻抗的改变。以这种方式，所述设备利于和/或改善了同时的感测和致动。也提供了同时感测和致动的方法。

在本申请的背景技术段落中描述了图1和图2，并且其被用于描述eap设备能够如何在一般意义上工作。

在图3中示出了eap致动器22，eap致动器22包括被夹置在两个电极之间的上部eap材料层24。该夹层被设置和附接在下部载体层26的顶部上。所述电极经由信号处理元件28与第一(dc)驱动信号输入部32和第二(ac)驱动信号输入部34(信号控制器)电连接。第一驱动信号输入部32用于施加(相对)高功率(或高电压)的致动驱动信号。第二信号输入部34用于施加(相对)低功率(低电压)的交变感测信号。所述信号处理元件叠加所述第一驱动信号和所述第二驱动信号以形成第三组合的驱动信号(称为控制信号)，跨eap致动器22的电极施加所述第三组合的驱动信号。所述信号处理元件也能够具有多个输出，所述多个输出将所述第一驱动信号和所述第二驱动信号提供到eap材料层，使得其以组合方式被施加。

所述信号处理元件在范例中可以包括用于执行以下功能中的一项或多项功能的多个部件元件：信号生成、信号组合和/或分离、信号切换、信号耦合和退耦、信号感测、信号分析。在后者的情况下，第一驱动信号输入部32和第二驱动信号输入部34可以被包含在处理单元28自身内，所述处理单元包括用于生成ac信号和/或dc信号的元件，并且在一些情况下，包括用于分析一个信号或者这两个信号的电气参数的元件。

例如，图3的布置的电连接被示为在eap层结构的顶部和底部平表面处被连接至电极布置的电极。柔性电极布置可以被用于该目的。这些能够是金属或导电有机材料的薄电极。施加dc和/或ac电压至电极允许跨eap层生成电场，这刺激了对应的变形。

尽管在图3的布置中的第一驱动信号输入部32包括dc输入部，但是在备选布置中，该输入部可以包括ac驱动信号输入部。在任一种情况下，致动驱动信号的相对功率(电压)优选显著超过所施加的感测信号的相对功率(电压)。在这两个信号都包括ac信号的情况下，感测信号(在34处所施加的)的最大幅度可以小于致动驱动信号(在32处所施加的)的最大幅度的10％，例如小于致动驱动信号的最大幅度的5％或者甚至小于1％。在感测信号包括ac信号并且致动信号包括固定幅度的dc偏置信号的情况下，ac信号的最大幅度可以小于dc偏置信号的固定幅度的10％，例如小于dc偏置信号的固定幅度的5％或者甚至小于1％。针对图3的范例，由信号处理元件28生成的控制信号包括高频率、低幅度ac信号，其被叠加在高幅度的dc偏置信号上。

在图3的范例中，eap是介电弹性材料(参见本文下文)。如在先前的段落中所描述的，跨电活性聚合物层24施加足够幅度的dc偏置(bias)刺激该层沿着第一垂直方向压缩成层堆栈24/26，使得该层沿着垂直于第一垂直方向的方向扩展，如针对图1所解释的。如果该层与被动载体层26相耦合，聚合物的扩展导致变形，如针对图2所解释的。例如，所述变形能够包括整体结构的弯折或翘曲，这可以被用于提供致动力。在图3中，致动器结构22被示为处于‘活性’或‘致动’状态中，其中，施加足够量值的dc偏置以引起所述结构的弯折变形。如已知的，扩展的程度关于跨所述设备所施加的电场/电流的量值而改变。因此，通过改变dc偏置的幅度，可以诱发不同程度/范围的变形，并且施加不同幅度的致动力(或者例如完成不同量的致动工作)。

被叠加在dc偏置上的高频率ac信号也刺激材料中的机械变形响应，但是为周期性的变形响应，而不是固定的变形响应(即，振荡)。然而，由于高频率信号的最大幅度显著低于dc偏置信号的幅度(例如，比dc偏置信号低两个量级，例如，是dc信号幅度的1％)，相比于主要致动位移，被刺激的变形的对应位移幅度是有效地能忽略的。因此，致动的准确度和稳定性大致不受叠加感测信号的影响。

低幅度高频率的振荡信号交叠在dc偏置上允许电反馈机制被并入在主致动器驱动机制自身之内。在特定频率下，特别是在与致动器结构22的机械共振频率相匹配或者相协调(harmonicwith)的频率下，在致动器的材料中建立小的机械驻波。这继而影响所述材料的电特性。当以所述材料的共振频率来驱动所述感测信号时，由于机械振动与电驱动信号同相，所述材料的对应阻抗是较低的(相比于当以非共振频率进行驱动时)。

结构的机械共振频率是这样的频率，在该频率下，一旦从其平衡位置位移，该结构将自然地趋于振荡，并且该频率由所述结构的固有结构属性(例如，几何结构、尺寸、形状、厚度、质量等)来确定。eap结构的机械振荡将不必遵循被施加到其的电信号的驱动频率，而是将趋于回到其自然共振频率，其中驱动频率建设性地或破坏地干涉该振荡，这取决于驱动频率与自然振荡频率(共振频率)同相或异相的程度。

当在eap结构的反共振频率下驱动高频率信号时，由于材料的机械振动与驱动信号的振荡异相(电诱发的机械应力与电激励异相)，eap的阻抗更高。换言之，例如，每当正电流通过驱动信号被施加到eap时，异相的机械应力在同一时刻诱发在相反方向上的电流(即，异相行为)。在理想(模型)情况下，这些相反的电流彼此抵消，并且根本没有电流流过(即，无限阻抗)，但是在现实世界的情景中，不发生完全抵消，并且该效应被测量为电流的(有效的)更高电阻(即，更高阻抗)。具体地，当在致动器材料的反共振频率下驱动信号时，eap的阻抗处在最大处。

通过考虑以下方程(1)可以进一步理解此关系。在共振和反共振下理想eap的阻抗取决于变形的特定类型或模式。最常见的是将eap引入到横向共振(即，长度或宽度)中。eap的阻抗受材料的介电性能、机电耦合以及电和机械损失的影响。为了简化，当忽视电和机械损失时，针对长度为l、宽度为w并且厚度为t的eap，沿横向延伸变形时，由下式给出eap的阻抗：

其中，ε^t33是介电常数，k31是横向机电耦合因子，p是eap的密度，并且s^e11是沿横向方向的依从性。在反共振频率ωa下，并且z是最高的。

实际eap具有损失并且能够由串联的电阻器与电容器来模型化或表示，在反共振频率下其电阻最大。因此，在下文的描述中，‘阻抗’和‘串联电阻’(rs)可以参考所述设备可交换地使用。然而，在本文中，串联电阻应当被理解为简单地指代这样的模型，在该模型中，由与电阻器(具有电阻rs)串联的电容器电气地表示致动器/传感器。

由于上文所描述的阻抗和共振之间的关系，当在反共振频率下驱动该驱动信号时，在其频率偏离反共振时发生的任何小的偏差将在eap结构22的可测量阻抗的相应急剧下降中能检测到。该物理效应允许实现机械(负载)感测并且具有增加的精确度。将压力或负载施加到eap结构导致材料内发生的任何共振效应的阻尼。如果当施加负载时驱动信号在材料的反共振或共振频率下振荡，阻尼效应将在对eap阻抗的实时测量中能识别(即，串联电阻rs)，因为共振的突然停止将影响阻抗的随之急剧下降。因此，通过随着时间来监测该结构的阻抗，在致动器处于操作中时(例如，通过随着时间监测高频率信号的电压和电流)，能够感测并且在一些情况下能够定量地测量(如下文将描述的)被施加到所述结构的压力和负载。

一方面，阻抗之间的关联，以及另一方面，信号的电驱动频率与材料的机械振荡频率之间的相位差，允许仅通过监测控制信号的电属性来实现对施加到eap的机械力的高灵敏度测量。因此，这提供了高度简单的、直接的并且有效的手段来实现使用单个eap设备的同时的致动和感测。此外，本发明的实施例允许在eap结构的相同区域上的同时的感测和致动(即，空间上同时的感测和致动)。这意味着执行这两项功能的设备能够以非常小的形状因子制成，例如无需牺牲感测的灵敏度或分辨率。此外，仅单组(电)连接件需要被提供到所述设备(相比于现有技术设备所需的两组或更多组连接件，一个连接件用于每个专用感测或致动区域)，这在成本和降低的复杂度方面是有利的，并且在需要防水连接件的情况(例如，剃须/导液管/口腔健康护理)下和/或构建致动器/传感器阵列的情况下也是如此。

高频率感测信号的频率典型可以在1khz至1mhz的范围内，这取决于致动器的具体几何结构。应当注意，在致动器驱动信号包括ac驱动信号的情况下，该信号的频率显著低于交变感测信号的频率。(低频率)致动电压在这种情况下例如可以低于高频率信号电压的至少两个量级，以避免致动器信号与测量信号的干扰。

图4示出了根据本发明实施例的eap致动器和传感器设备的第二范例，其中，更详细地描绘了信号驱动和处理元件的布置。诸如参考图3所描述的并且具有eap材料层24和被动载体层26的eap致动器22被保持在壳体42内，并且与控制器30电耦合。在图4的范例中，所述控制器包括信号生成元件(驱动元件)以及信号处理和分析元件(传感器元件)两者。

致动器控制元件44生成高幅度的致动器驱动信号(例如，固定的dc偏置电压)，其被传送至信号放大器设备46。传感器控制元件48包括：驱动器元件50，其用于生成高幅度的传感器信号；以及处理元件52，其用于分析通过致动器之后的传感器信号的电属性。对此，驱动机构30还包括：伏特计54，其跨eap致动器22连接；以及安培计56，其串联连接在致动器的输出电终端60与传感器控制元件48之间。伏特计54和安培计56两者均与传感器控制元件48信号连接，使得由其生成的数据可以被传感器元件52利用，以便确定致动器22的阻抗(亦即，等同串联电阻rs，其中，所述设备被模型化为串联的理想电容器与电阻器，即，复阻抗的实部)。

由致动器控制元件44和传感器控制元件48所生成的驱动信号或者在其被组合地放大之前或者在其被独立的放大之后被放大器元件46叠加。在一些范例中，放大器元件46可以被组合器简单地替换。在这种情况下，致动器控制元件44和传感器控制元件48可以适于在将其生成的致动信号和感测信号输出至组合器之前在本地对其进行放大。在这种情况下，部件46可以简单地是类似于信号处理元件28的元件(在图3中)。

组合的驱动信号然后被传送至eap致动器22的输入终端62。所述组合的驱动信号的高幅度的dc分量刺激所述致动器中的变形响应，如在图4中所图示的。eap被保持在所示出的壳体42内。对于大多数可再现(即，可靠/精确的)结果，eap可以被夹持在位。例如，所述致动器可以被夹持在壳体42内，并且所述壳体然后被定位以便使所述设备与目标致动区域对准。

为了进行图示，在图4中示出了目标致动区域66，其中，所述致动器被dc驱动信号变形以将压力施加到目标区域。在范例中，所述目标区域例如可以包括人的皮肤的区域，例如使得压力都可以被施加到皮肤，但是由所述设备同时感测由皮肤施加到所述致动器的力(例如，能够感测用户多么用力地将包含致动器的设备按压至他们的皮肤)。在一些范例中，可以额外地提供(任选)力传递机构，用于以受控方式将力递送至致动器表面或者从致动器表面递送力。

驱动信号的低幅度的ac分量刺激eap层24中的低幅度的周期性响应，例如使所述结构在其共振或反共振频率下振荡。

所述组合的驱动信号的电压和所得到的电流被馈送至传感器控制元件48。典型地，ac电流可以在0.1ma至1ma的范围内，但是可以高达10ma。更高的电流可能引起太多的发热。

在一些情况下，驱动机构30还可以包括一个或多个信号退耦元件，例如高通滤波器，目的是隔离高频分量，用于由传感器控制元件48的感测元件52进行分析。

当经历(一个或多个)所施加的驱动信号时，传感器控制元件48的感测元件52可以使用由伏特计54和安培计56所提供的测量结果以便确定跨所述致动器的串联电阻。所述串联电阻可以被实时地确定，并且例如针对电阻的突然改变进行监测，如上文所解释的，电阻的突然改变可以被用于指示被施加到致动器22的负载和压力的存在以及量值。

为了在致动器结构22中建立共振或反共振振荡的高灵敏度状态——使得通过测量到的串联电阻的改变可以易于检测压力和力——在致动器操作之前，可能有必要或者期望执行一个或多个校准步骤，以便确定所述设备的共振或反共振频率。对此，针对两个或更多个固定的致动电压中的每个，可以跨传感器-信号频率的范围执行‘扫掠(sweep)’，并且针对传感器频率中的每个来测量对应串联电阻。图5图示了针对一个范例扫掠的一组结果，其中，测量到的串联电阻(以欧姆为单位)被示出在y轴72上，并且传感器信号频率(以hz为单位)被示出在x轴74上，并且其中，线76示出了针对0v的致动电压的对应迹线(即，无致动)，并且线78是针对150v的致动电压的迹线。如从图中能够看到的，针对150v的扫掠的电阻值表明，在沿着扫掠在两个点处发生轻微的跃变——在大约24khz处以及在大约40khz处。

针对0v的扫掠的电阻值指示在ac频率变化时在主曲线周围没有变化(这简单反映了电容复阻抗功能)。eap材料中的机电耦合的效率取决于dc偏置电压的量值(dc偏置越大，耦合越好)。在0v的偏置下，存在很少的耦合或者不存在耦合，并且因此材料对ac信号为零(或者无法计量地小的)变形响应。因此，0v的偏置扫掠提供了一条方便的基线(并且因此提供了一条校准线)，通过该基线，比较在更高(致动诱导)dc电压处的ac频率扫掠。

通过查找针对两个dc电压的测量到的电阻值之间的差最大时的ac频率可以识别所述设备的反共振频率。在图6中更清楚地图示了两条信号迹线76与78之间的差，其中y轴上是测量到的电阻的差82，并且x轴上是对应的传感器信号频率74。在该图形中清楚地可见电阻的两个较大的跃变，其中两个较大的跃变中的较大的一个跃变发生在24khz处。因此，由图5和图6表示的范例设备的反共振频率是24khz。这是针对所述设备的最高灵敏度点，即，在该点处，串联电阻对所施加的驱动信号的频率的改变(或者针对固定的所施加驱动频率，对结构的反共振频率的改变)最敏感。

尽管在图5和图6的范例中0v的dc偏置被用于第一扫掠，但是在备选范例中，可以使用不同的(非零)第一偏置。在这种情况下，取决于第一电压的量值，所述第一扫掠可以指示中央曲线周围的变化或波峰。然而，所述反共振频率仍然可以通过识别针对两个dc电压的测量到的电阻值之间的差最大时的频率来找到。

为了图示将负载施加到设备的效果，图7示出了针对相同的固定的(150v)dc偏置电压的两个电阻72和频率74‘扫掠’，但是对应于被施加到致动器的不同负载。线86表示针对无负载被施加到设备的扫掠。因此，该线与图5中的线78完全相同，但是针对频率和电阻的更窄范围来示出。线88表示针对被施加到致动器的0.01n的负载的扫掠。如能够看到的，负载的效果是在～24khz的设备共振频率下有效地‘消除’电阻的跃变。施加0.01n至所述设备足以阻尼由所施加的高频率信号所引起的共振效应。该阻尼允许检测甚至小的负载的存在。

所施加的负载力的量值越高，该阻尼效应越大。这种关系允许不仅检测所施加的负载，而且也定量地测量所施加的负载。为了实现对负载的测量，可能有必要在致动器的操作之前执行额外的校准步骤。在确定反共振频率(上文所描述的)之后执行该校准步骤。一旦获知了所述反共振频率，针对固定的dc偏置电压以及针对固定的ac频率(即，反共振频率)，可以执行扫掠，但是测量串联电阻作为施加到设备的负载的函数。一旦获知了这种关系，针对给定的固定的频率信号，当设备在操作中时可以用所述关系以允许测量串联电阻，从而提供对所施加的负载的量值的几乎直接的测量。

为了对此进行图示，在图8中示出了信号92，信号92表示针对在150v的固定的dc偏置处以及在24khz(讨论的设备的共振频率)的固定的ac频率下被驱动的范例致动器设备的随着时间96(任意单位)测量到的串联电阻94(以欧姆为单位)。在时间t＝350和时间t＝500处，致动器被加载10克的负载。这导致在每种情况下电阻94急剧下降，急剧下降持续每个施加的负载的持续时间。从图8中清楚的是，所述设备提供了对所施加的负载的快速的并且高度精确的响应，这对于传感器应用是理想的。尽管在这种情况下所施加的力的量值已经知道，通过在操作之前执行上文所描述的校准步骤，在图8所示出的类型的图形可以易于被用于不仅确定对负载事件的计时，而且也确定其精确的量值。

正如上文所讨论的，针对设备的完全的功能性，由于致动器和传感器两者都能够测量所施加的负载的量值和计时，可能需要多个预备校准步骤。在图9中示出了示意图，其图示了针对所述设备的范例操作过程的步骤。示出了第一组步骤100，其表示在操作所述设备之前要执行的预备校准步骤。示出了第二组步骤102，其表示在使用所述设备期间执行的步骤。

预备阶段100包括用于确定所述设备的共振频率的步骤以及用于确定测量到的电阻与在所述确定的共振频率下施加的负载之间的关系。在所施加的0v的dc偏置下执行第一频率扫掠104，并且测量电阻响应。然后在步骤106施加固定的dc偏置，优选对应于所述设备的期望的致动状态。然后，在步骤108中，在固定的非零dc偏置下执行第二频率扫掠，并且记录对应的电阻值。然后，在步骤110中比较两个扫掠的结果以确定针对跨频率范围中的每个频率所获得的电阻值的差(参见图5和图6)。在步骤112中，确定测量到的电阻值存在最大量不同的频率，并且由此直接识别反共振频率。最后，在步骤114中，针对跨设备的串联电阻相对于所施加的负载，针对固定的dc偏置电压以及固定的ac信号频率——等于在步骤112中所确定的反共振频率，来获得校准数据。

应当注意，针对期望的尽可能多的dc电压，在一些情况下能够重复步骤106-114，例如以在设备操作中要采用可变致动程度的情况下收集涉及多个不同致动位置的数据。

一旦已经执行了校准步骤100，可以根据操作阶段102的步骤来操作所述设备。这仅包括(步骤116)当所述设备在使用中时利用传感器控制元件48(见图4)在等于在步骤112中所确定的反共振频率的频率下驱动高频率感测信号，并且同时地随着时间来测量eap的电阻。

与此同时，在步骤118中施加高幅度的致动偏置，根据需要并且当需要时刺激作为响应的对应变形。

在步骤120中可以监测在步骤116中所获得的电阻值，并且借助于在步骤114中所获得的校准数据来实时地确定在所述设备上任何施加的负载的量值。针对所施加的致动电压的不同量值，可以采用不同组的校准数据，例如由此实现在任何特定致动状态下的感测功能。

图9表示用于使用所述设备的一个简单的范例。然而，在一个或多个备选实施例中，可以取消预备阶段100的校准步骤，而不折衷所述设备的鲁棒性和灵敏度，因而有利地降低了系统复杂度和成本。根据这些实施例，致动器的共振频率fr在设备的生产期间被严格控制，使得已经事先已知反共振(或者共振)频率，并且其不随时间而改变或者在不同条件下不会改变。

通过针对所施加的驱动信号频率(已知为小负载相关的(阻抗)响应)额外地随着时间来测量所述设备的阻抗，可以进一步增加通过这些实施例所获得的结果的鲁棒性(例如，考虑由于温度变化造成的材料共振频率的可能变化)。例如，可以理想地使用低于共振频率的频率(例如，针对图5-8中所表示的设备是20khz)，以便避免与谐波(即，fr/2、fr/3、fr/5)同时出现，并且因此基本上消除了所测量到的阻抗的任何可能的负载相关性。

通过在与更高(共振匹配)频率大致相同的时间监测针对这些频率的阻抗(例如，在两个频率之间交替相继地以收集针对这两者的数据)，能够通过比较这两者来确定在更高频率下测量的阻抗的改变是否是由所施加的负载所引起的，或者是因由于材料的温度(或者其他物理)变化所导致的一些自然偏移而引起的。在非共振频率下的阻抗值指示离开期望‘工厂’值的偏移的情况下，这指示由于非负载相关的原因导致材料的共振频率已经改变，并且该改变在负载测量中会被考虑，例如通过切换来调用不同地校准的查找表来估计在共振频率下的负载。

根据该实施例的方法还可以包括确定针对共振和非共振频率的阻抗测量结果之间的比率，以便提供与负载相关的阻抗的量度，针对诸如温度的外部因素的影响而进行控制。

根据一个或多个实施例，致动和感测设备可以被提供为包括多个根据上文所描述的范例的致动器设备，例如被布置成阵列或者其他期望布局/形状。在范例中，所述多个设备可以被提供为使得每个设备具有独有的机械共振频率fr。以这种方式，将高频率感测信号施加到设备的阵列，每个设备的特性(独有的)共振频率可以被用于确定阵列中哪个致动器正在被刺激为传感器，即，给出传感器/致动器在阵列中的位置。

例如，可以跨阵列中的所有设备施加公共的驱动信号，公共的信号包括具有不同频率(即，所述设备的——已知的不同共振频率——或反共振频率)的一系列信号。如果频率的时间扫掠比传感器输入更快，则跨所述设备仅针对与被刺激的特定设备相对应的频率将能检测到阻抗的对应下降(或升高)，即，当频率扫掠移动到与所刺激的设备相对应的fr时，测量的阻抗将下降，并且然后，当扫掠移出fr时阻抗再次升高(或者反之亦然)。

尽管在详细描述中已经描述了针对eap的根据本发明的设备和系统的构造以及操作，本发明实际上能够被用于基于其他种类的eam材料的设备。因此，除非以其他方式指示，上文的eap材料能够被其他eam材料替换。这样的其他eam材料在本领域中是已知的，并且本领域技术人员将知道在哪里找到它们以及如何施加它们。下文将描述多个选项。

eam设备常见分支为场驱动的eam以及电流或电荷(离子)驱动的eam。场驱动的eam通过直接机电耦合由电场来致动，而针对电流或电荷驱动的eam的致动机制涉及离子的扩散。后者机制更通常被发现在对应的有机eam中，诸如eap。尽管场驱动的eam通常利用电压信号来驱动并且需要对应的电压驱动器/控制器，而电流驱动的eam通常利用电流或电荷信号来驱动，有时需要电流驱动器。这两者类型的材料具有多个族成员，每个成员具有自己的优点和缺点。

场驱动的eam能够是有机材料或无机材料，并且如果是有机材料的话能够是单分子、低聚物或聚合体。针对本发明，其优选是有机的，并且然后也是低聚物或者甚至是聚合体。有机材料并且尤其是聚合物是越来越感兴趣的新兴材料，因为其组合了致动属性与材料属性，诸如轻重量、便宜制造并且易于处理。

场驱动的eam以及因此eap也通常是压电气，并且可能是铁电气，并且因此包括自主永久极化(偶极矩)，是电致伸缩的，并且因此在被驱动时而不是在不被驱动时仅包括极化(偶极矩)，或者是介电弛豫材料。这样的聚合物包括但不限于以下亚类：压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物、弛豫铁电聚合物、介电弹性体、液晶弹性体。

缺少自主极化意味着即使在非常高的操作频率下电致密器显示很少或没有滞后损失。然而，获取该优点是以温度稳定性为代价的。弛豫体在温度能够稳定在大约10℃以内的情况下处于最佳操作状态。这看起来似乎非常受限，但是鉴于电子阻尼器在高频率和非常低的驱动场情况下表现出色，因此所述应用倾向于采用专用微型致动器。对这样的小型设备的温度稳定性相对较简单，并且在整个设计和开发过程中往往只存在小问题。

优选地，eam或eap材料是电致伸缩聚合物。更优选地，其是弛豫铁电材料。这样的材料能够具有足够高的电致伸缩常数以用于良好的实际使用，即，有利于同时的感测和致动功能。弛豫铁电材料在向其施加零驱动场(即，电压)时是非铁电气，但在驱动期间变成铁电气。因此，在非驱动时在材料中不存在机电耦合。根据上文所描述的流程，当施加驱动信号时机电耦合变为非零，并且能够通过在驱动信号上施加小幅度的高频信号来测量机电耦合。此外，弛豫铁电材料受益于在非零驱动信号下的高机电耦合和良好的驱动特性的独特的组合。

最常使用的无机弛豫铁电材料的范例是：铌酸铅镁(pmn)，铌酸铅-钛酸铅(pmn-pt)和锆钛酸铅镧(plzt)。但是其他材料在本领域中也是已知的。

场驱动的eap的范例是压电聚合物、铁电聚合物、电致伸缩聚合物(诸如基于pvdf的弛豫聚合物或聚氨酯)、介电弹性体和液晶弹性体(lce)。因此，优选地，eap材料是弛豫铁电聚合物，诸如，例如基于pvdf的弛豫铁电体基聚合物。这样的材料能够是从本文中下文的材料的组中选取的任何一种。

亚类电致伸缩聚合物包括但不限于：

聚偏二氟乙烯(pvdf)，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(pvdf-trfe)，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(pvdf-trfe-cfe)，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(pvdf-hfp)，聚氨酯或者其混合物。

电流驱动的eam和eap包括共轭聚合物、离子聚合物金属复合材料、离子凝胶和聚合物凝胶。

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

亚类介电弹性体包括但不限于：

丙烯酸酯、聚氨酯、硅酮。

亚类共轭聚合物包括但不限于：

聚-3,4-亚乙基二氧噻吩、聚(对苯硫醚)、聚苯胺。

以上材料能够作为纯材料或悬置在基体材料中的材料来植入。基质材料能够包含聚合物。

对于包括eam材料的任何致动结构，可以提供额外的被动层用于响应于所施加的驱动信号而影响eam层的行为。

eap设备的致动布置或结构能够具有一个或多个电极，所述一个或多个电极用于将控制信号或驱动信号提供给电活性材料的至少一部分。优选地，所述布置包括两个电极。eap可以被夹置在两个或更多个电极之间。这种夹置对于包括弹性体介电材料的致动器布置是需要的，因为其驱动是由于由驱动信号引起的彼此吸引的电极所施加的压缩力而致动的。两个或更多个电极也能够被嵌入在弹性体介电材料中。电极能够被图案化或者不被图案化。

衬底能够是致动布置的一部分。其能够在电极之间被附接到eap和电极的组件或者被附接到外部电极之一上。

所述电极可以是可拉伸的，以便其遵循eam材料层的变形。这对于eap材料尤其有利。适合于所述电极的材料也是已知的，并且例如可以选自包括以下项的组：金属薄膜(诸如金、铜或铝)或有机导体(诸如碳黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(pani)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(pedot)，例如聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(pedot：pss)。也可使用金属化聚酯膜，诸如金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)，例如使用铝涂层。

例如考虑不同层的弹性模量(杨氏模量)来选择用于不同层的材料。

对于上面讨论的那些的附加层可以被用于调整设备的电气或机械行为，诸如额外的聚合物层。

所述设备可以被用作单个致动器，或者可以存在设备的线或阵列，例如以提供对2d或3d轮廓的控制。

本发明能够被应用在许多eap应用中，包括致动器的无源矩阵阵列是感兴趣的范例。

在许多应用中，产品的主要功能依赖于对人体组织的(局部)操作或者对组织接触界面的致动。在这样的应用中，eap致动器提供了独有的优点，主要是因为小的形状因子、灵活性以及高的能量密度。因此，eap能够容易地集成到柔软的、3d型和/或微型产品和接口中。这样的应用的范例是：

皮肤美容处置，诸如以基于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拉紧皮肤或减少皱纹；

具有患者接口面罩的呼吸设备，其具有基于eap的主动衬垫或密封件，以向皮肤提供交替的正常压力，从而减少或防止面部红色印记；

具有自适应剃须刀头的电动剃须刀。皮肤接触表面的高度能够使用eap致动器进行调整，以便影响紧密度和刺激之间的平衡；

口腔清洁装置，诸如具有动态喷嘴致动器的空气牙线，以改善特别是在牙齿之间的空间中喷雾的范围。备选地，牙刷可以被提供有激活的丛毛；

消费电子设备或触摸面板，通过集成在用户界面中或用户界面附近的eap传感器阵列来提供本地触觉反馈；

具有可操纵顶端的导管，可以在弯曲的血管中轻松导航。

受益于eap致动器的另一类相关应用涉及对光线的修改。诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件可以通过使用eap致动器进行形状或位置调整来实现自适应。这里eap的益处例如是较低的功耗。

通过研究附图、所公开的内容以及随附的权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施这一事实并不表示不能够有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。