Meta专利介绍聚偏二氟乙烯（PVDF）膜流体泵触觉反馈系统

　　触觉系统可以选择用于引导流体流动的流体泵。例如，微流体泵可用于为具有小空间、低流速和/或低压力的触觉系统泵送诸如空气和水这样的流体。该压电元件可通过振荡电场可逆地移位以迫使流体通过泵。其中，压电微流体泵可包括诸如压电膜这样的压电元件，以通过振荡电场来迫使流体通过泵。

　　在名为“Fluid pump having a polyvinylidene fluoride membrane”的专利申请中，Meta就介绍了一种具有聚偏二氟乙烯(PVDF)膜的流体泵。

　　这家公司认为，相对于比较的非活性膜材料，电活性PVDF聚合物材料可以配置为膜和活性元件，从而降低设计复杂性。另外，PVDF聚合物膜具有一系列的优势，例如重量轻、机械耐用、化学惰性、光学透明、不含铅和其他重金属成分、可致动到更高的应变/位移、与其他泵元件热兼容等。

　　在一个实施例中，发明描述的流体泵可以通过反向压电效应操作，其中PVDF膜的收缩或膨胀可以通过向膜施加电场来实现。膜的伴随变形可以向泵流体施加力，从而有效地迫使流体通过泵。

　　聚合物薄膜的压电响应可以由其化学组成、聚合物重复单元的化学结构、其密度和结晶度以及晶体和/或聚合物链的排列来确定。其中，晶体或聚合物链的排列占主导地位。在结晶或半结晶聚合物薄膜中，压电响应可以与晶体取向的程度相关。

　　施加的应力可用于在聚合物薄膜内产生晶体或聚合物链的优选排列，并引起沿膜的不同方向的压电响应的相应改变。在拉伸聚合物薄膜以诱导晶体/聚合物链的优选排列，以及随之而来的压电响应修改处理过程中，可以通过各种浇铸方法和相关液体溶剂选择可来影响浇铸薄膜的压电属性。

　　形成压电聚合物薄膜的方法包括从聚合物溶液中熔融挤出、溶剂浇铸和凝胶浇铸。聚合物溶液可以包括一种或多种可结晶的聚合物、一种或更多种添加剂和一种或更多种液体溶剂。

　　例如，凝胶浇铸工艺可以提供对聚合物组成和浓度、液体溶剂的选择和浓度以及浇铸温度中的一种或多种的控制，并且可以有助于减少聚合物链的缠结，并允许聚合物膜在随后的变形步骤中实现更高的拉伸比。

　　在一个实施例中，可以将一种或多种低分子量添加剂添加到聚合物溶液中，并且可以促进链解缠结。一种或多种可结晶聚合物和一种或更多种添加剂的分子量分布可以分别是单分散的、双峰的或多分散的。

　　示例性低分子量添加剂可包括偏二氟乙烯(VDF)、三氟乙烯(TrFE)、三氯乙烯(CTFE)、六氟丙烯(HFP)和氟化乙烯(VF)的低聚物和聚合物，以及均聚物、共聚物、三聚物、衍生物及其组合。这样的添加剂可以容易地溶于高分子量组分，并提供与高分子量组份匹配的折射率。例如，低分子量添加剂在652.9nm处测得的折射率可以为约1.38至约1.55。

　　低分子量添加剂的分子量可以小于可结晶聚合物的分子量。例如，可结晶聚合物可以具有至少约100000g/mol的分子量，添加剂可以具有小于约25000g/mol。

　　可以将无机添加剂掺入聚合物薄膜中。示例性无机添加剂可包括钛酸钡、钛酸锶钡、碳纳米管如多壁碳纳米管等，其可以粉末或纤维形式提供。无机添加剂的平均粒径可小于约1微米，例如，小于约500nm。这样的添加剂可以增加膜的介电常数和/或击穿强度，从而提高介电性能。

　　聚合物凝胶可以通过蒸发溶剂、冷却聚合物溶液、向聚合物溶液中加入相对较差的溶剂或其组合从聚合物溶液中获得。聚合物凝胶包括可结晶聚合物和液体溶剂的混合物。在凝胶化之后，可以用第二溶剂洗涤聚合物凝胶。溶剂蒸发步骤可用于部分或完全去除原始溶剂和/或第二溶剂。

　　各向异性聚合物薄膜可以通过向聚合物凝胶，即包含聚合物凝胶的聚合物薄膜施加应力而形成。根据一个实施例，固态挤出工艺可用于定向聚合物链并形成聚合物薄膜。压延工艺可用于在室温或升高的温度下定向凝胶中的聚合物链。液体溶剂可以在拉伸和定向之前、期间或之后部分或完全去除。拉伸和相关的链/晶体排列之后可以进行极化以形成具有高机电效率的聚合物薄膜。

　　在拉伸之前，可以将压延工艺应用于干燥或部分干燥的凝胶。凝胶可以用逐渐减小的辊隙压延几次，以达到目标厚度。在压延过程中，可以去除任何残留的液体溶剂。压延工艺可在室温和/或不高于约150°C的温度下进行。

　　在一个示例过程中，干燥或基本干燥的聚合物材料可以热压以形成期望的形状。挤出的聚合物材料可以进一步拉伸。

　　拉伸可以包括单个拉伸动作或多个连续的拉伸事件，例如沿着聚合物薄膜的不同平面内方向。拉伸的动作可以是速度限制的或应变速率限制的。例如，聚合物薄膜可以以可变或恒定的速度拉伸。

　　在一个实施例中，聚合物薄膜可以沿第一方向加热和拉伸，冷却，然后沿第二方向加热和伸展。在第二拉伸步骤之后，可以对聚合物薄膜进行冷却。冷却动作可以紧接在第一拉伸步骤之后，其中聚合物薄膜可以在第一伸展步骤完成之后的大约10秒内被冷却。冷却可以稳定拉伸的聚合物薄膜的微观结构。

　　在挤出或压延之后，PVDF膜可以单轴或双轴取向为单层或多层，以形成机械各向异性的并且光学透明的薄膜。各向异性聚合物薄膜可以使用薄膜取向系统形成，而薄膜取向系统配置为于聚合物薄膜的一个或多个不同区域中在至少一个平面内方向加热和拉伸聚合物薄膜。

　　在一个实施例中，薄膜定向系统可以配置为仅沿着一个平面内方向拉伸聚合物薄膜，即可结晶聚合物薄膜。例如，薄膜取向系统可以沿着x方向向聚合物薄膜施加面内应力，同时允许薄膜沿着正交的面内方向(例如沿着y方向)弛豫。

　　在示例定向系统内，聚合物薄膜可以加热并横向于膜行进通过系统的方向拉伸。在这样的实施例中，聚合物薄膜可以由沿着发散轨道系统可滑动地设置的多个可移动夹沿着相对的边缘保持，使得聚合物薄膜在沿着机器方向移动通过薄膜定向系统的加热和变形区域时在横向方向拉伸。

　　拉伸后，可以通过热压或热压延来改善一种或多种薄膜的属性。例如，单轴热压可以在刚性模具中进行，沿着公共轴线施加负载。在热压过程中，温度和压力可以同时施加到拉伸的聚合物薄膜。可以使用围绕石墨模具的感应线圈来实现加热，并且可以通过液压施加压力。

　　热压或热压延可以增加聚合物薄膜的透射率和/或压电系数。所施加的压力可使聚合物薄膜内的空隙塌陷，从而减小总空隙体积并增加聚合物基质的密度。

　　在聚合物薄膜变形之后，可以将加热维持预定量的时间，然后冷却聚合物薄膜。冷却的动作可以包括允许聚合物薄膜以设定的冷却速率自然冷却，或者通过淬火，例如通过用低温气体吹扫，这可以使聚合物薄膜热稳定。

　　在变形之后，晶体或链可以至少部分地与所施加的拉伸应力的方向对准。因此，聚合物薄膜可以表现出高度的光学清晰度和机械各向异性。

　　专利描述的PVDF的各向异性聚合物薄膜可以表征为光学质量的聚合物薄膜，并且可以形成或结合到诸如可致动层之类的光学元件中。

　　在进一步的实施方案中，基于PVDF的聚合物薄膜可以结合到多层结构中。示例性膜可以配置为具有单压电晶片或双压电晶片构造的可致动层。单体或单体是包括一个有源(压电)层和一个非有源层的悬臂。压电层中的变形可以通过施加电场而引起。这种变形可能会在悬臂中产生弯曲位移。

　　在单晶片致动器中，非活性层可以由非压电材料制成。另一方面，双晶片致动器是包括两个有源层的悬臂。在一个实施例中，双压电晶片致动器可以包括位于两个有源层之间的无源层。双压电晶片致动器可以包括串行配置或并行配置。在使用过程中，响应于所施加的电压，一个有源层可以收缩，而另一有源层可以膨胀，从而产生弯曲位移。

　　图1描述了用于形成具有高机电效率的聚合物薄膜的凝胶浇铸方法流程图。

　　示例方法100可以包括通过将可结晶的聚合物和溶剂结合来形成PVDF溶液101;

　　通过去除至少一些溶剂从PVDF溶液形成凝胶102;

　　降低溶液温度，和/或添加不良溶剂，任选地洗涤溶剂103;

　　压延处理过的PVDF凝胶104;拉伸凝胶105以形成取向的聚合物薄膜;

　　任选地从聚合物薄膜中去除任何残留的溶剂106;

　　以及极化107聚合物薄膜以形成具有高机电效率的PVDF聚合物薄膜108。

　　溶剂去除可以包括冷却凝胶、向凝胶中添加相对较差的溶剂或其组合。溶剂去除可以包括溶剂洗涤步骤，其中用第二溶剂部分或全部取代溶剂，然后部分或全部去除第二溶剂。拉伸、溶剂去除和极化的动作可以连续进行和/或以任何并发的加工模式进行。

　　图2示出了用于形成浇铸聚合物薄膜的示例挤出系统。挤出系统200可以配置为形成单层聚合物薄膜。例如，不同的原料来源在组成上可能不同。多层聚合物薄膜可以包括两层或更多层。

　　在操作期间，通常以粉末或颗粒形式提供的树脂可以从料斗210供给到挤出机205。一种或多种任选的添加剂可以在料斗210内与树脂混合，或者使用单独的下游料斗215加入。挤出机205沿着其长度的温度可以由加热元件220控制。挤出机205可以包括螺杆或其他元件(未示出)，并用于混合、均化原料并将原料从料斗210、215驱动到挤出模具225。

　　如插图所示，挤出模头225可以包括多个输入端A、B、C。输入端配置为从多个相应的挤出机接收原料。模头225的温度可以大于原料的熔点。熔化的原料可以通过模具225输出以形成多层薄膜240。多层薄膜240可以最初收集在冷却辊245上，并作为预取向的流延薄膜242输出。冷却辊245的温度可以基于过程中使用的添加剂的类型来选择。冷却辊245的旋转速率可以调节以预定向多层薄膜240。

　　在一个实施例中，中心层235可以包括PVDF。每个外层230可以包括相对于PVDF具有高表面能的材料或者相对于PVDF具有低表面能的物质。

　　在拉伸动作之前，可以从多层薄膜240移除外层230中的一个或两个。举例来说，外层230可在拉伸中心层235之前被移除，在拉伸的一个阶段之后被移除，或在拉伸的两个阶段之后移除。

　　图3示出了用于形成光学各向异性聚合物薄膜的单级薄膜取向系统。系统300可以包括用于接收和预热聚合物薄膜305的可结晶部分310的薄膜输入区330、用于输出聚合物薄膜305结晶和取向部分315的薄膜输出区347、用于接收和预加热聚合物薄膜305可结晶和取向部分310的薄膜输出区域347，以及在输入区330和输出区347之间延伸的夹子阵列320。

　　夹子阵列320配置为夹持并引导聚合物薄膜305通过系统300，即从输入区330到输出区347。夹子阵列320可以包括可滑动地布置在第一轨道325上的多个可移动第一夹子324，以及可滑动地设置在第二轨道327上的多条可移动第二夹子326。

　　在一个示例过程中，当聚合物薄膜305被夹子324、326引导通过系统300时，聚合物薄膜305可以在每个区域330、335、340、345、347内被加热到选定的温度。在区域335内，第一轨道325和第二轨道327可以沿着横向方向分叉，使得聚合物薄膜305可以在横向方向上拉伸，同时例如被加热到大于其玻璃化转变温度但小于熔化开始的温度。

　　为了便于在沿TD方向拉伸时的交叉拉伸弛豫，拉伸区335内的夹子间间距352、357可以相对于输入区330内的各个夹子间间距350、355减小至少大约20%。

　　图4中描述了一个示例性的辊对辊聚合物薄膜定向系统。结合系统400，用于拉伸聚合物薄膜420的方法可以包括将聚合物薄膜安装在线性辊405、415之间，并将位于辊405、415之间的聚合物薄膜的一部分加热到大于其玻璃化转变温度的温度。

　　辊405、415可以设置成在它们之间具有可控的间隔410。热源可以用于加热辊之间的变形区域内的聚合物薄膜420。

　　在控制聚合物薄膜的温度的同时，辊405、415可以接合并且聚合物薄膜可以被拉伸。例如，第一辊405可以以第一速率旋转，第二辊415可以以大于第一速率的第二速率旋转，以沿着其间的机器方向拉伸聚合物薄膜。

　　在辊之间的变形区内，系统400可以配置为局部控制聚合物薄膜的温度和应变速率。当聚合物薄膜从辊405前进到辊415时，聚合物薄膜的温度增加，并且聚合物薄膜的应变速率降低。聚合物薄膜然后可以被冷却，同时保持所施加的应力。系统400可以用于形成单轴取向的聚合物薄膜。可以向系统400添加额外的辊以控制聚合物薄膜的输送和卷取。

　　图5示出了用于制造各向异性聚合物薄膜的压延方法。在方法500中，拉伸的PVDF薄膜515，例如聚合物薄膜315可以供给到压延系统520中。压延系统520可以包括一对反向旋转的辊522、524，它们限定了一个压区525。

　　当薄膜515进入辊隙区域525并且在辊522、524之间时，薄膜515可以被压缩。在示例性实施例中，辊522、524可以被加热。

　　在压延过程中，存在于拉伸的PVDF薄膜515中的空隙517可以被压缩，并且薄膜内的总空隙率可以降低。另外，暴露在薄膜表面的空隙可以被平滑，从而令表面粗糙度降低，并且与薄膜本体内的空隙的压缩一起，从而实现更高的透射率和更高的热导率。

　　相关专利：Meta Patent | Fluid pump having a polyvinylidene fluoride membrane

　　名为“Fluid pump having a polyvinylidene fluoride membrane”的Meta专利申请最初在2022年6月提交，并在日前由美国专利商标局公布。