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硅基介电弹性体致动器的制备工艺

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DOI：

10.3791/53423

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2016年2月1日

 ,  ,  , 
1Microsystems for Space Technologies Laboratory, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

本文内容

摘要

本文展示了基于硅胶薄膜的介电弹性体软致动器的制备过程。详细介绍了生产的三个关键步骤：硅胶薄膜的刮刀浇铸、柔性电极的垫印印刷，以及所有组件的组装。

摘要

本文介绍了一种介电弹性体换能器（DETs）的制备工艺。DETs 是一种可拉伸电容器，由夹在两个柔性电极之间的弹性体介电薄膜构成。由于这类换能器作为驱动器使用时可产生巨大的驱动应变（面积应变超过 300%），且具有柔软和柔顺的特性，已被广泛应用于多种领域，包括电控可调光学器件、触觉反馈装置、波浪能收集、可变形细胞培养装置、柔顺型夹持器以及仿生鱼形飞艇的推进系统。在大多数情况下，DETs 采用商用丙烯酸类弹性体材料，并通过手工涂覆碳粉或碳脂作为电极。这种组合方式导致器件重复性差、响应速度慢，并表现出粘弹性蠕变以及较短的使用寿命。本文提出了一套基于薄硅橡胶薄膜的 DETs 可重复制备的完整工艺流程，包括硅橡胶薄膜的浇铸、脱模与预拉伸、高性能柔性电极的图形化、器件组装与测试。薄膜浇铸于涂有水溶性牺牲层的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上，便于后续脱模。电极由分散在硅橡胶基质中的炭黑颗粒构成，采用压印技术实现图形化，所得柔性电极具有精确的形貌定义，并与所施加的介电膜之间表现出高粘附性。

引言

介电弹性体换能器（DETs）是一类柔软的器件，由一层弹性介电膜（通常厚度为10–100 µm）夹在两个柔性电极之间构成，形成一个类似橡胶的电容器1。DETs可用作致动器，能够产生极大的应变（已有实现高达1700%面应变的报道）2，也可用作柔性应变传感器3或柔性能量收集装置4。当用作致动器时，在两个电极之间施加电压，所产生的静电吸引力会压缩介电膜，使其厚度减小、表面积增大（图1）1。除了作为致动器外，相同的结构（薄弹性体膜与可拉伸电极）还可用于应变传感器或能量收集器件，利用机械形变引起的电容变化实现功能。介电弹性体致动器（DEAs）能够产生大应变，且具有柔软和顺应性强的特点，已被应用于多种场景，例如电控可调透镜5、旋转电机6、可变形细胞培养装置7以及仿生鱼形飞艇的推进系统8。

文献中报道的大多数介电弹性体驱动器（DET）使用3M公司生产的一种名为VHB的专有丙烯酸酯弹性体薄膜作为介电弹性体膜，因其已被证明能够表现出极大的驱动应变1。该材料以薄膜形式供应，这也是其在DET应用中被广泛使用的关键因素。然而，尽管不考虑驱动应变，VHB仍存在若干重要缺点，例如机械损耗和粘弹性蠕变会限制其响应速度，工作温度范围较窄，以及容易撕裂。相比之下，硅橡胶也可用作DET的介电膜，其所制成的器件响应速度比丙烯酸酯弹性体快1,000倍，这归因于其显著降低的机械损耗9。此外，硅橡胶具有多种硬度可供选择，为设计提供了更大的自由度。然而，硅橡胶通常以粘稠的基料形式出售，必须制成薄膜后才能用于DET。但这也带来了额外的设计灵活性，因为膜的厚度可以自由选择，而不像预制薄膜那样由制造商固定。

本方案展示了介电弹性体驱动器的制备方法。然而，该方法经过极少甚至无需修改，也可广泛应用于其他类型的介电弹性体换能器（dielectric elastomer transducers, DET）的制备，包括能量收集装置和应变传感器。本文介绍了一种在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上大面积（A4尺寸）浇铸薄层（10–100 µm）硅橡胶薄膜的方法，其中基底表面涂覆有一层水溶性牺牲层。该牺牲层可降低将硅胶膜从基底上剥离所需的力，从而减少释放过程中膜的机械形变。薄膜的形变可能导致因应力诱导软化（Mullins效应）10 引起的各向异性力学性能，因此应予以避免。电极是DET的第二个关键组件，其作用是在弹性体膜表面均匀分布电荷。为了制备可靠的驱动器，电极必须能够承受超过20%的反复拉伸而不发生开裂、降解、脱层或导电性损失；此外，电极还必须具备良好的顺应性，以免使结构整体刚性增加11。在现有的多种制备顺应性电极的技术中，手工涂抹炭黑颗粒或碳基导电脂是目前应用最广泛的两种方法11。然而，这些方法存在诸多缺点：手工操作限制了器件的微型化，导致结果不可重复且耗时较长。此外，炭黑粉末或导电脂与膜之间的粘附性差，由此制得的电极易磨损和机械磨蚀。特别是对于导电脂，其中的粘结液可能扩散进入介电层，改变其力学性能。因此，未封装的炭黑粉末或导电脂电极寿命较短。本文介绍一种称为移印（pad printing）的印章转印技术，用于图案化顺应性电极：通过柔软的硅胶印章将精确设计的电极图形转移到膜表面，从而实现快速、可重复地制备精细电极，最小特征尺寸可达0.5 mm。所用材料为炭黑与硅橡胶基质的混合物，涂覆后经交联固化，形成与弹性体膜牢固结合的电极，具有优异的耐久性，能够抵抗机械磨损和磨蚀。

以下方案描述了制造具有精确图案化柔性电极的快速且可靠的介电弹性体驱动器（DEA）所需的全部步骤，包括薄膜浇铸与预拉伸、电极的图案化与对准、器件组装、电连接及测试。为配合视频演示，我们制备了一种带有齿轮状电极的简单面内驱动器，如图所示 图2执行器由一层薄硅胶膜构成，该膜被拉伸固定在膜支架上，其上制备有两片柔性电极。随后插入执行器框架，以实现与底部电极的电接触。 图3 展示了驱动器各组件的爆炸图。尽管视频中展示的装置除了演示介电弹性体驱动器（DEA）的基本原理外并无实际应用，但利用完全相同的工艺已制备出针对特定应用的不同驱动器，例如柔性抓手、可调透镜和可调毫米波移相器。 等等。

方案

1. 硅胶膜制备

  1. 牺牲层涂布
    1. 从卷材上裁剪一段400 mm长的高质量125 µm厚PET薄膜。
    2. 配制牺牲层溶液（按重量计5%的聚丙烯酸异丙醇溶液）：在50 ml塑料管中混合32 g异丙醇和8 g聚丙烯酸溶液（25%水溶液），充分振荡摇匀。
    3. 使用浸有异丙醇的无尘擦拭布清洁PET基材表面。
    4. 使用浸有异丙醇的无尘擦拭布清洁真空台表面。
    5. 将PET基材平铺于真空台上，并开启真空泵。
    6. 目视检查真空台，确保真空台与PET基材之间未夹杂大颗粒灰尘。若发现灰尘颗粒，需重复前述清洁步骤。
    7. 使用浸有异丙醇的无尘擦拭布清洁PET基材的上表面。
    8. 将刮涂棒涂布器安装至自动涂膜机上，并将涂布速度设定为5 mm/sec。
    9. 在刮涂棒前方放置2 ml牺牲层溶液，启动涂布机。
    10. 当刮涂棒行进至PET基材末端时，将其从涂布机中提起，并用浸有热水的无尘布擦拭清洁。
    11. 收回涂膜装置，但保持真空泵运行，并将PET基材留在真空台上。让涂层在空气中干燥2分钟。
  2. 硅胶膜涂布
    1. 将烘箱预热至80 °C。
    2. 在混合容器中加入15 g硅胶基体和1.5 g交联剂，再加入10 g硅胶溶剂以降低黏度。
    3. 使用行星式搅拌机混合硅胶混合物，先以2,000 rpm搅拌2分钟，再以2,200 rpm脱泡2分钟。
    4. 将通用涂布器的高度调节至225 µm，将其置于PET片材上方，并将涂布速度设定为3 mm/sec。
    5. 用注射器将15 ml硅胶混合物从混合容器转移至PET基材上。
    6. 启动自动涂布器，将硅胶均匀涂布在整个PET基材表面（图4A）。
    7. 关闭真空泵，静置5分钟，使溶剂从涂布层中挥发。
    8. 将膜转移至玻璃板上，放入80 °C烘箱中加热30分钟。
    9. 使用浸有异丙醇的无尘擦拭布清洁涂布器和真空台。
    10. 30分钟后，从烘箱中取出膜，室温下冷却5分钟，并用一层薄PET膜覆盖表面，以防污染。

2. 弹性膜的释放与预拉伸

  1. 预拉伸支撑结构的制备
    1. 从干硅胶转印胶膜卷材上裁剪出一张A4尺寸的矩形。
    2. 移除干硅胶转印胶膜的一侧保护膜，手动将其粘合面朝下贴附于一张A4透明胶片上，注意在贴附过程中避免产生气泡。
    3. 按照制造商的操作说明，使用计算机数控（CNC）激光雕刻机（图4B）在覆盖有胶膜的透明胶片上切割出预拉伸支撑图案。
  2. 膜支撑结构的制备
    1. 从干硅胶转印胶膜卷材上裁剪出一个500 mm × 290 mm的矩形。
    2. 剥离干硅胶转印胶膜的一侧保护膜，将金属箔层热压复合到一块3 mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板上。
    3. 在PMMA框架上切割出外径52 mm、内径44 mm的环形结构，作为膜片夹持器。
  3. 膜片释放
    1. 根据制造商的操作说明，使用CNC激光雕刻机（图4B）将步骤1中制备的硅胶膜/聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底复合材料切割成直径为55 mm的圆形，并剥离保护膜。
    2. 将激光切割好的预拉伸支撑结构粘合面朝下固定在切割好的硅胶膜圆片上，使胶层与硅胶表面接触（图4C）。
    3. 准备一浴沸水，将组装好的结构（硅胶膜与胶粘支撑）完全浸入其中。
    4. 在浸没状态下，缓慢而轻柔地将PET基底从硅胶膜上剥离（图4D）。
    5. 将硅胶膜从热水浴中取出，在空气中自然晾干，或使用氮气枪加速干燥过程。
  4. 膜厚度测量与预拉伸
    1. 按照制造商的操作说明，使用透射式干涉仪测量膜的厚度。
    2. 将预拉伸装置设定为45 mm直径，将带有预拉伸支撑的硅胶膜放置在拉伸指上，粘合面朝下。
    3. 在拉伸指之间切割开预拉伸支撑结构（图4E）。
    4. 通过逆时针旋转预拉伸装置的环形部件，将装置直径增大至58.5 mm，从而实现1.3倍（30%预拉伸）的等双轴预拉伸（图5）。
    5. 移除PMMA膜夹持器上的覆盖膜，暴露出胶粘层，并将PMMA膜夹持器粘贴到已预拉伸的膜表面（图4F）。
    6. 沿膜夹持器边缘进行切割，将预拉伸后的膜从拉伸装置上取下。
    7. 使用透射式干涉仪测量预拉伸后膜的最终厚度。

3. 通过垫印技术图案化柔性电极

  1. 导电油墨的制备
    1. 在125 ml塑料混合容器中，加入0.8 g炭黑、16 g异丙醇和6个直径为12 mm的钢球。在行星式混合器中以2,000 rpm转速混合10分钟。
    2. 加入4 g硅胶弹性体组分A、4 g组分B和16 g异辛烷。在行星式混合器中以2,000 rpm转速混合10分钟。 
  2. 移印机的设置
    1. 将带有目标电极图案的印版安装在磁性底座上（图4G）。
    2. 用导电硅基油墨填充油墨杯。
    3. 将印版模块（印版固定于磁性底座上）放置在装满油墨的油墨杯上方，并将组件安装到机器中。
    4. 将硅胶印模固定在机器上。
  3. 对准
    1. 将对准板（图4H）放置在打印机基座上。
    2. 在移印机上启动一次印刷循环，根据制造商的操作规程将电极图案转印到对准板上。
    3. 目视检查所印电极与对准板上蚀刻参考结构的重叠情况。调节x-y-θ平台以校正任何错位。
    4. 清洁对准板并再次印刷一个电极。
    5. 目视检查与参考结构的对准情况，持续调节平台位置并印刷电极，直至所印图案与参考结构完全重合（图4H）。
  4. 印刷柔性电极
    1. 将预拉伸膜放置在打印机基座上。
    2. 在移印机上启动一次印刷循环，将电极图案转印至膜的上表面（图4I）。重复转印两次，以确保电极厚度约为4 µm。
    3. 从打印机基座上取下膜，将下一张预拉伸膜放置在基座上，并重复印刷过程，直至所有预拉伸膜均完成转印。
    4. 将带有转印电极的膜放入80 °C烘箱中加热30分钟。
    5. 30分钟后，将膜从烘箱中取出。
    6. 将其中一张已印刷的膜倒置放置在打印机基座上，使膜的背面朝上。
    7. 启动一次印刷循环，以形成底部电极图案。
    8. 从打印机基座上取下膜，将下一张膜放置在基座上，并重复印刷过程，直至所有膜的两面均完成转印。
    9. 将膜放入80 °C烘箱中加热30分钟，以交联底部电极。

4. 建立电连接

  1. 使用数控激光雕刻机，在用于膜支架的同一块PMMA板上（参见2.2）切割出将作为驱动器固定框架的驱动器框架。
  2. 剥离驱动器框架顶部粘合剂的背衬。
  3. 在驱动器框架将与底电极接触的部分贴上一块18 mm × 2.5 mm的导电胶带，并将其折叠至框架侧面，以提供电连接（图3）。
  4. 将驱动器框架滑入膜支架内部，并用手指轻轻按压膜，使其粘附在驱动器框架的粘合剂上。
  5. 使用手术刀在膜支架与驱动器框架的边界处切割膜，并移除多余部分。
  6. 在顶电极的接触区域贴上第二块18 mm × 2.5 mm的导电胶带。
  7. 在每块导电胶带上放置一根导线以形成电连接。将两根导线连接至高压电源，施加幅值为2 kV、频率为2 Hz的方波信号。观察器件的周期性膨胀现象。

结果

硅胶膜浇铸

当硅胶膜从PET基底上释放并独立支撑在框架上时（步骤2.2结束时），可对其进行厚度测量，例如采用透射干涉法。图6展示了在1 mm/sec的涂布速度下，三种不同有效间隙高度（50、100和150 µm）时，200 mm宽PET基底上硅胶层的厚度均匀性（注意：由于涂布器宽度大于PET基底，涂布器的支脚位于真空平台上，而非直接接触PET基底本身，如图4A所示。因此，涂布器与基底之间的有效间隙等于涂布器高度减去PET基底的厚度。例如，本方案中使用的125 µm厚PET基底与225 µm高的涂布器，对应的有效间隙为100 µm）。在50 µm有效间隙高度下，硅胶层左右两侧存在明显的高度差异，这是因为涂布器左右两侧的高度需手动调节，难以完全避免误差。然而，通过仔细调节涂布器，我们通常可获得厚度标准偏差小于1 µm的膜，例如在100 µm有效间隙高度下（σ=0.81 µm）。当涂布器高度过大时，由于硅胶混合物中溶剂的蒸发，膜表面开始出现波纹状形貌，这在有效间隙为150 µm的铸膜结果中可见（图6）。

所获得的干膜厚度与刮刀高度之间的关系取决于硅胶混合物的种类和涂布速度。本文中使用的硅胶混合物由双组分硅胶和用于降低混合物黏度的溶剂组成。由于溶剂在固化前会从膜中挥发，因此可通过将有效间隙高度乘以硅胶混合物中固体的体积分数来估算膜的厚度。然而，在刮刀后缘存在动态效应，会导致弯月面的形成，从而使膜厚比预期更薄。间隙高度与最终干膜厚度之间的关系受涂布速度、刮刀高度以及刮刀形状的影响。图7展示了在不同速度和高度下进行涂布实验的结果，用以说明这些参数对干膜厚度的影响。可以看出，高速涂布会得到更薄的膜，且随着间隙高度的增加，速度的影响变得更加显著。

驱动性能

通过测量齿轮状电极的外径随施加电压的变化来表征所制备的驱动器。使用固定支架上的相机，在电压逐渐升高时拍摄驱动器的图像。利用图像处理脚本（Vision，National Instruments）分析图像，以量化驱动器的膨胀程度。该过程通过将一个圆拟合到齿轮状电极的外周缘来实现（图8）。圆的直径相对于松弛状态的增加量以直径方向的拉伸率表示（即 驱动状态下的直径除以松弛状态下的驱动器直径）。图8展示了两个相同厚度（34.5 µm）的独立驱动器的测试结果。在4 kV的驱动电压下，两个器件表现出相似的性能，直径拉伸率均达到10%。

通过施加3 kV、2 Hz的方波信号来测量驱动器的响应速度，导致约4%的应变。使用时间分辨率为0.25毫秒的高速相机记录驱动器的膨胀过程。捕捉到一个上升沿，包含电压触发前200帧（50毫秒）和触发后200帧。随后对图像进行分析，提取出时间依赖性的形变（图9）。上升时间（达到最终形变90%所需的时间）为3.75毫秒，且在电压阶跃前后未观察到明显的粘弹性蠕变现象，这与使用丙烯酸酯弹性体作为膜时的情况不同，后者通常表现出数百秒量级的上升时间12。

该工艺流程在其他设备上的应用

本文制造的驱动器展示了我们的制备工艺，以及介电弹性体驱动器（DEA）在施加电压后电极表面积增大的基本工作原理，因此非常适合作为本教程的示例。然而，该驱动器除了演示DEA的驱动原理外，并无其他特定用途。尽管如此，本文所介绍的工艺具有很强的通用性，可用于制造多种面向特定应用的柔性传感器。在此，我们列举了几个基于本文所述方法制备的驱动器所开发的应用实例。

已制备出受生物启发的柔性可调谐透镜（图10A）。这些透镜能够在不到200 µsec的时间内改变20%的焦距9。该器件可驱动超过4亿次循环而未表现出驱动性能的明显下降，表明合适的材料与优良的制备工艺相结合，可获得响应速度快、使用寿命长的介电弹性体驱动器（DEA）。几何结构类似但采用广泛使用的商用丙烯酸类弹性体VHB制备的透镜，其带宽则小三个数量级以上9。

通过丝网印刷在柔性电极上构图，可制备出定义极为精确的电极，从而实现在同一膜上制造相互独立的微小电极。例如，通过制造一种基于介电弹性体驱动器（DEA）的旋转电机来展示该技术，该电机包含三个电学上相互独立的电极（图10B）。电机中心的转轴和配重可达到1,500 rpm的转速13。该电机概念进一步拓展，证明了丝网印刷亦可制造可靠的驱动器。研究人员构建了一种自换向滚动机器人，可在环形轨道上连续运行（图10C）。该机器人行驶距离超过25 km，平均速度为15 cm/sec13。

利用当前工艺（或其轻微变体）开发的其他应用包括可变形细胞培养系统14、介电弹性体发电机15、多段式柔性抓手16以及可调谐毫米波射频移相器17。

机电换能器示意图；静止状态与激活状态；弹性体膜，电极。
图1. 介电弹性体驱动器的基本原理。 上图：（1A）最简单的形式中，介电弹性体驱动器（DEA）由夹在两个柔性电极之间的软弹性体膜构成。（1B）当在电极之间施加直流电压时，电极上产生的静电电荷会形成压缩应力，挤压膜材，导致其厚度减小、表面积扩大。下图：（2A）本实验方案中描述的驱动器由固定在框架上的拉伸膜构成。膜的两侧设有圆形电极，并延伸至膜的边缘，以便进行电连接。活性区域即两个电极重叠的区域，i.e., 中心的圆形区域。（2B）当施加电压时，静电作用力压缩膜材，导致活性区域膜的厚度减小，电极表面积增大。由于膜预先被拉伸，电极周围的非活性区域会松弛，以适应中心活性区的扩张。请点击此处查看该图的放大版本。

软体机器人执行器演示；弹性材料中嵌入心脏形设计的机械齿轮。
图2. 本实验方案中制备的执行器演示装置。 左图：完成的装置，包含固定在框架上的拉伸硅胶膜、在膜两侧图案化的柔性电极对，以及电连接部分。右图：复合图像，显示装置的静止状态（黑色）和激活状态（青色）。当在电极间施加4 kV电压时，结构直径增大了10%。请点击此处查看该图的放大版本。

带有电极、硅胶膜和驱动器框架组件的软体驱动器组装示意图。
图3. 驱动器的爆炸图。 视频中制造的驱动器所包含的各个组件。膜固定夹用于固定预拉伸的硅胶膜，并在电极打印步骤中便于操作膜。电极固化后，将驱动器框架插入膜固定夹内部，既为驱动器提供结构支撑，又作为与底部电极的电连接。当膜被固定到驱动器框架上后，即可移除膜固定夹。 请点击此处查看该图的放大版本。

硅胶膜制备；基底准备、预拉伸装置、电极压印过程。
图 4. 制备工艺概览。（A）使用自动涂膜机浇铸硅胶膜。（B）激光切割固化后的硅胶膜和预拉伸支撑结构。（C）将硅胶膜放置在预拉伸支撑结构上。（D）通过在热水中溶解PAA牺牲层，将硅胶膜从PET基底上释放。（E）切割连接手指部分的预拉伸支撑结构。（F）预拉伸并粘附膜固定装置至膜表面。（G）填充导电油墨的印版。（H）激光刻蚀的电极对准器，插图显示了电极良好对准的示例。（I）带有压印电极的硅胶膜。（J）完成的器件。请点击此处查看该图的放大版本。

预拉伸环示意图；展示运动约束和手指旋转机制。
图 5. 膜预拉伸装置的工作原理。（A）多个金属指状部件固定在一个塑料环上，并被限制沿其长度方向作线性（径向）运动。该塑料环被限制作周向运动。塑料环上加工有多个弧形槽，金属指状部件的销钉嵌入其中。包围指状部件边缘的圆的半径为 R1。（B）预拉伸环逆时针旋转，指状部件同时平移，使包围指状部件边缘的圆的半径由 R1 增大至 R2。请点击此处查看此图的放大版本。

干膜厚度与位置关系图；间隙分别为 50、100、150 μm；材料均匀性的数据分析。
图 6. 浇铸硅胶层的厚度均匀性。 在200 mm PET基材宽度范围内，对固化硅胶膜进行厚度测量，测试了涂布器三种不同间隙设置下的情况。浇铸速度为1 mm/sec。请点击此处查看该图的放大版本。

干膜厚度与间隙设置关系图；速度变化影响；科学数据分析。
图7. 干膜厚度与涂布参数的关系。对于固含量为62%（体积分数）的硅油-溶剂混合物，在不同刮刀高度和速度下获得的干膜厚度。在相同的刮刀设置下，较高的速度会导致膜更薄，且速度的影响随膜厚度的增加而增强。请点击此处查看该图的放大版本。

电压与径向拉伸关系图；电场对材料拉伸影响的数据分析。
图8. 示范装置的驱动性能。 两个预拉伸后厚度为34.5 µm的器件在外加电压作用下的外径向拉伸变化。在施加最大电压时，观察到直径增加了约10%。请点击此处查看该图的放大版本。

静态平衡；相对位移与时间关系图；说明系统响应动力学。
图9. 执行器对电压阶跃输入的应变响应。向器件施加一个幅值为3 kV、频率为2 Hz的方波信号，产生约4%的应变（见图8）。使用高速相机以每秒4,000帧的速度观察面积扩张情况。执行器在不到4毫秒的时间内即可达到其最终尺寸的90%。在转变前后，执行器的尺寸保持稳定，未表现出粘弹性蠕变现象。请点击此处查看该图的放大版本。

转子组件、接线连接和塑料外壳的机械部件示意图。
图10. 采用本文所述工艺流程制备的介电弹性体驱动器。 根据本文描述的方法制备的三种介电弹性体驱动器示例。（A）快速且柔软的可调透镜，可在不到200 µsec的时间内使其焦距改变20%。（B）可旋转的弹性体微电机，转速可达1,500 rpm。（C）自换向滚动机器人。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

制备过程可总结如下。首先，在用于膜成型的PET基底上涂覆一层水溶性牺牲层。这可以避免在释放过程中发生过度形变，从而可能损坏膜结构。随后将硅胶浇铸成薄层，并在烘箱中固化。将带有硅胶涂层的A4尺寸PET片材切割成直径为55 mm的圆形圆片，并粘附到柔性预拉伸支撑体上。预拉伸支撑体用于在牺牲层溶解和预拉伸步骤中操控膜。为将膜从PET基底上分离，将其浸入热水中以溶解牺牲层。该过程可使膜在无需施加显著拉力的情况下被释放。一旦膜成为自由状态，即可进行预拉伸。预拉伸是指在将膜固定于支撑框架之前，对其施加面内机械拉伸。此步骤可在膜中产生内部张应力，对于面内介电弹性体驱动器（如本实验所制备的演示器件）而言，该步骤是必需的。在本实验方案中，我们采用等双轴拉伸，即在两个面内方向上施加相等的拉伸值。然而，根据具体应用需求，也可采用其他预拉伸方式，例如单轴拉伸（仅沿x或y方向拉伸，同时允许膜在另一方向自由松弛）或各向异性拉伸（在x和y方向上施加不同的拉伸值）。

一种称为移印的技术被用于在预拉伸的硅胶膜上精确地印制柔性电极，从而可在膜上精确定义毫米尺寸的电极。在此过程中，使用刮墨刀将油墨涂布于印版（即表面蚀刻有待打印图案的钢版）上，随后由光滑的硅胶印章从印版上拾取油墨，再将其转印至膜上13。每种图案都需要专用的印版，这些印版可向专业公司订购，公司会根据几何结构的电子图纸来制作。为了制备可拉伸的导电电极，可通过球磨法利用剪切力将炭黑分散于硅胶基质中，这是一种已知的用于打破炭黑团聚并使其在聚合物基质中均匀分散的技术18,19。

打印时，设计图案相对于膜框架的精确定位和方向至关重要。为此，需使用精密的x-y-θ平台和对准器。对准器是一块与膜框架形状相同的PMMA板，其表面通过CNC激光雕刻机蚀刻有电极设计图案。在膜上打印之前，先在对准板上进行试打印以检查对准情况。如果打印图案与蚀刻图案不重合，则调整x-y-θ平台，直至两个图案完全重叠（图4H）。在本方案中，顶部和底部电极采用相同的设计，因此在施加两个电极之间无需调整移印机。然而，在某些情况下，顶部和底部电极的几何形状不同。此时，在膜进入烘箱固化顶部电极期间（即步骤3.4.3与3.4.4之间），必须将带有墨盒的印版块（由磁性块固定住的印版组件）从移印机中取出。随后，需将已安装的印版更换为具有底部电极设计的印版。由于印版块已被移动，因此必须使用蚀刻有第二个电极设计图案的对准板重新执行一次新的对准程序（步骤3.3）。当两个电极均施加完毕后，需将其连接至外部驱动电路，以提供驱动所需的电荷。在柔性电极与驱动电子器件之间建立电连接有多种方法。本文展示了一种适用于原型制作的方法，使用带粘合剂的框架和导电胶带（图3）。对于批量生产，采用带有铜焊盘接触电极的印刷电路板是更优的选择（参见图10A中使用商用PCB制作的器件示例）。

在工艺流程的大多数步骤中使用商用设备或产品。有两个例外：硅胶薄膜厚度的测量和预拉伸步骤。对于厚度测量，使用自制的白光透射干涉仪，该干涉仪由一个准直的白光源（光斑尺寸 < 1 mm）组成，光线穿过薄膜后由光谱仪收集。通过分析透射光强随波长变化的干涉条纹周期，可计算出薄膜的厚度20。请注意，也可采用其他方法测量厚度，但必须为非破坏性方法，理想情况下应为无接触式，以避免形变极薄的薄膜。对于薄膜的预拉伸，使用自制的径向预拉伸装置，该装置包含8个可径向移动的金属指状夹具。进行预拉伸时，先将夹具向内移动，使预拉伸支撑环能够粘附到拉伸器的指状夹具上（图4E）。随后将夹具向外移动，从而有效增大硅胶薄膜的直径，实现薄膜的等双轴预拉伸。这八个夹具连接到一个环形结构上，其旋转控制夹具之间的径向间距（图5）。

建立高效且成熟的工艺流程（如此处所示）对于制造可重复、坚固且可靠的器件至关重要。与购买预制薄膜相比，浇铸弹性体薄膜可提供更大的设计自由度，因为它允许根据应用需求选择和定制薄膜的性能。例如，对于硅酮弹性体，可通过选用具有不同链长和交联密度的产品来调节其硬度和断裂伸长率，而通过调整浇铸工艺则可改变薄膜的厚度。后一点使得最终膜厚和预拉伸程度可以独立选择，而使用预制薄膜则无法实现这一点。

在小尺度（厘米至亚毫米级）上精确地对介电弹性体驱动器（DEA）的电极进行图形化，也是一个重要的要求，因为大多数器件在同一薄膜上包含活性区和非活性区。这意味着电极的形状必须在薄膜上被精确定义。此外，由于电极需施加在薄膜的两侧，因此有必要使两侧电极彼此对齐：除了形状需精确定义外，电极在薄膜上的位置也必须精确。本文介绍的转印工艺能够满足这两个要求。此外，移印是一种快速的过程，仅需几秒钟即可完成一个电极的打印，且可方便地批量处理驱动器。与广泛使用的手动涂抹碳导电脂或松散导电粉末电极不同，我们的方法可形成精确定义的电极，且与所施加的薄膜具有强附着力。这些电极具有很高的耐磨性，不会从薄膜上发生脱层13。尽管移印是一种接触式方法，但由于与薄膜接触的唯一部件是一个柔软的硅胶印章，因此仍可用于在薄而脆弱的硅胶薄膜上施加油墨。然而，印章与薄膜之间存在不可避免的粘连现象，当印章向上回撤时会导致薄膜轻微变形。如果薄膜过薄，这种变形可能导致薄膜破裂。这实际上将移印方法的应用限制在厚度大于10 µm的薄膜上。对于更薄的薄膜，应采用非接触式图形化方法，例如喷墨打印。

尽管介电弹性体驱动器（DEA）已研究超过15年，但目前大多数DEA仍基于现成的聚丙烯酸酯薄膜，并结合手工涂覆的油脂电极。这些手工制备方法导致DEA大多仍停留在实验室原型阶段，尽管其在应变和功耗方面表现出优异性能，但在工业界的应用仍十分有限。虽然已有可靠的制造工艺被发表，但这些工艺主要针对通过专用自动化设备制备的非预拉伸堆叠式收缩驱动器21,22。本文所提出的工艺流程是一种通用且多功能的制备流程，涵盖了制造DEA所需的全部关键步骤，且可轻松调整以适应特定的目标应用需求。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作部分由瑞士国家科学基金会资助，项目编号 200020-153122。作者谨此感谢我们柔性传感器团队的成员——包括过去和现在的成员——对完善本研究制造工艺流程所做出的贡献。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
高质量 PET 基底，厚度为 125 μmDuPont TeijinMelinex ST-506表面粗糙度低且无缺陷
异丙醇 99.9%Droguerie Schneitter
聚丙烯酸溶液 (25%)Chemie Brunschwig00627-50分子量 = 50 kDa
自动涂膜机ZehntnerZAA 2300带真空台
刮棒涂布器ZehntnerACC378.02222.86 μm
烘箱BinderFD 115
道康宁 Sygard 186 硅胶试剂盒Dow CorningSylgard 186用于浇铸薄膜的硅胶
道康宁 OS-2 硅胶溶剂Dow CorningOS2环境友好型溶剂，由 65% 六甲基二硅氧烷和 35% 八甲基三硅氧烷组成
Thinky 行星式混合器ThinkyARE-250
高密度聚乙烯容器 150 mlSemadeni1972用于混合膜用硅胶的容器
医用级 125 ml 聚丙烯广口瓶（带盖）Thinky250-UM125ML用于混合油墨的容器
轴承级钢球 12 mmMcMaster-Carr9292K49
带可调间隙的通用涂布器ZehntnerZUA 2000.220
透明投影胶片Lyreco978.758
干式硅胶转印胶粘剂（卷状）Adhesive ResearchArclear 8932
聚甲基丙烯酸甲酯板 500 mm × 290 mm × 3 mmLaumatPlexi 3mm
预拉伸装置"自制"
可见光 USB 光谱仪Ocean OpticsUSB4000-VIS-NIR用于厚度测量的光谱仪
钨卤素白光光源Ocean OpticsLS-1用于厚度测量的光源
400 微米光纤Ocean OpticsQP400-2-VIS-NIR连接光谱仪端用于厚度测量的光纤
600 微米光纤Ocean OpticsP600-2-VIS-NIR连接光源端用于厚度测量的光纤
炭黑CabotBlack Pearl 2000
硅胶 Nusil MED-4901NusilMED-4901用于导电油墨中的硅胶
移印机TecaPrintTCM-101
薄钢版（cliché）100 mm × 200 mmTecaPrintE052 100 200刻有所需印刷图案的钢板。蚀刻由销售 cliché 的公司完成。
96 mm 油墨杯TecaPrint895103移印机中盛装油墨的部件
30 mm 软硅胶印刷垫TecaPrintT-1013移印机用印刷垫
60 W CO2 激光雕刻机TrotecSpeedy 300用于切割框架和箔材
导电碳胶带SPI supplies05081-AB用于电极的电连接
四通道 5 kV EAP 控制器Biomimetics laboratory低功耗高压电源，用于驱动器测试。http://www.uniservices.co.nz/research/centres-of-expertise/biomimetics-lab/eap-controller

参考文献

  1. Pelrine, R., Kornbluh, R., Pei, Q., Joseph, J. High-speed electrically actuated elastomers with strain greater then 100%. Science. 287 (5454), 836-839 (2000).
  2. Keplinger, C., Li, T., Baumgartner, R., Suo, Z., Bauer, S. Harnessing snap-through instability in soft dielectrics to achieve giant voltage-triggered deformation. Soft Matter. 8 (2), 285-288 (2012).
  3. Böse, H., Fuss, E. Novel dielectric elastomer sensors for compression load detection. Proc. of SPIE. 9056, 905614(2014).
  4. Koh, S., Keplinger, C., Li, T., Bauer, S., Suo, S. Dielectric Elastomer Generators: How Much Energy Can Be Converted? IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 16 (1), 33-41 (2012).
  5. Carpi, F., Frediani, G., Turco, S., De Rossi, D. Bioinspired Tunable Lens with Muscle-Like Electroactive Elastomers. Adv. Funct. Mater. 21 (21), 4152-4158 (2011).
  6. Anderson, I., et al. A thin membrane artificial muscle rotary motor. Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 98 (1), 75-83 (2010).
  7. Akbari, S., Shea, H. R. An array of 100um x 100um dielectric elastomer actuators with 80% strain for tissue engineering applications. Sens. Actuators A-Phys. 186, 236-241 (2012).
  8. Jordi, C., et al. Large planar dielectric elastomer actuators for fish-like propulsion of an airship. Proc. SPIE. 7642, 764223(2010).
  9. Maffli, L., Rosset, S., Ghilardi, M., Carpi, F., Shea, H. Ultrafast all-polymer electrically tuneable silicone lenses. Adv. Funct. Mater. 25 (11), (2015).
  10. Rosset, S., Maffli, L., Houis, S., Shea, H. R. An instrument to obtain the correct biaxial hyperelastic parameters of silicones for accurate DEA modeling. Proc. SPIE. 9056, 90560M(2014).
  11. Rosset, S., Shea, H. R. Flexible and stretchable electrodes for dielectric elastomer actuators. Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 110 (2), 281-307 (2013).
  12. Rosset, S., O’Brien, B., Gisby, T., Xu, D., Shea, H. R., Anderson, A. Self-sensing dielectric elastomer actuators in closed-loop operation. Smart Mater. Struct. 22 (10), 104018(2013).
  13. Rosset, S., Shea, H. Towards fast, reliable, and manufacturable DEAs: miniaturized motor and Rupert the rolling robot. Proc. SPIE. 9430, (2015).
  14. Poulin, A., Rosset, S., Shea, H. Toward compression of small cell population: Harnessing stress in passive regions of dielectric elastomer actuators. Proc. SPIE. 9056, 90561Q(2014).
  15. McKay, T., Rosset, S., Anderson, I., Shea, H. Dielectric elastomer generators that stack up. Smart Mater. Struct. 24 (1), 015014(2015).
  16. Araromi, A., et al. Rollable Multisegment Dielectric Elastomer Minimum Energy Structures for a Deployable Microsatellite Gripper. IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 20 (1), 438(2015).
  17. Romano, P., Araromi, O., Rosset, S., Shea, H., Perruisseau-Carrier, J. Tunable millimeter-wave phase shifter based on dielectric elastomer actuation. Appl. Phys. Lett. 104 (2), 024104(2014).
  18. Awasthi, K., Kamalakaran, R., Singh, A., Srivastava, O. Ball-milled carbon and hydrogen storage. Int. J. Hydrogen Energy. 27 (4), 425-432 (2002).
  19. Leong, C. K., Chung, D. Carbon black dispersions as thermal pastes that surpass solder in providing high thermal contact conductance. Carbon. 41 (13), 2459-2469 (2003).
  20. Transmission Measurements of Polymer Thin Films. Ocean Optics application note. , Available from: http://oceanoptics.com/wp-content/uploads/App-Note-Transmission-Measurements-of-Polymer-Thin-Films.pdf (2014).
  21. Lotz, P., Matysek, M., Schlaak, H. Fabrication and application of miniaturized dielectric elastomer stack actuators. IEEE. ASME. Trans. Mechatron. 16 (1), 58-66 (2011).
  22. Tepel, D., Hoffstadt, T., Maas, J. Automated manufacturing process for DEAP stack-actuators. Proc. SPIE. 9056, 905627(2014).

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