תהליך ייצור של מפעילי אלסטומר דיאלקטרי מבוסס סיליקון

המטרה הכללית של הליך זה היא לייצר מפעילים אלסטיים דיאלקטריים עמידים. בסרטון זה מוצג הייצור של מפעיל במישור, המורכב מממברנת סיליקון מתוחה על מסגרת.

עם אלקטרודות תואמות המוטבעות בשני הצדדים. הודות לכוחות ההפעלה הגבוהים שלהם, למפעילים של אלסטומר דיאלקטרי יש יישומים פוטנציאליים רבים. עם זאת, תהליכי הייצור הידניים המשמשים להכנתם הגבילו את השימוש בהם במוצרים מסחריים.

היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא היכולת לייצר אקטואטורים בעלי הדירות ועמידות עם צורות מוגדרות במדויק. השימוש באלסטומרים של סיליקון בעלי הפסד נמוך מאפשר תגובת הפעלה מהירה. למרות שההליך מציג ייצור של אקטואטור, ניתן להשתמש באותה טכניקה לייצור גנרטורים של אלסטומר דיאלקטרי וחיישני מאמץ נמתים.

כדי להתחיל את יציקת השכבה המקריבה, גזרו מהגליל יריעה באורך 400 millimeter של polyethylene terephthalate או PET באיכות גבוהה ובעובי 125 micron. הניחו את תשתית ה-PET על שולחן הוואקום והפעילו את משאבת הוואקום. מקמו את ידית יישום הפרופיל על מכשיר ציפוי הסרט האוטומטי והגדירו את מהירות הציפוי ל-5 millimeter לשנייה.

לאחר מכן, שים שני מיליליטרים מתמיס שכבת ההקרבה לפני מוט הפרופיל והפעל את מכשיר הציפוי. בשלב הבא, הסיר את מapplicator הסרט אך השאר את משאבת הוואקום פועלת ואת תשת PET על פלטת הוואקום. הנח לשכבה להתייבש באוויר במשך שתי דקות.

ליציקת ממברנת סיליקון, הוסף 15 גרם של בסיס סיליקון ו-1.50 גרם של חומר מקשר (crosslinker) לכלי ערבוב. לאחר מכן, הוסף 10 גרם של ממס סיליקון להורדת הצמיגות. ערבב את תערובת הסיליקון באמצעות מערבל פלנטרי.

השתמשו במחזור ערבוב של שתי דקות ב-2,000 RPM ובמחזור ניתוק גזים (degassing) של שתי דקות ב-2,200 RPM. לאחר מכן, הגדירו את גובה המורכי (applicator) האוניברסלי ל-225 מיקרון. מקמו את המורכי בחלקו העליון של גליון ה-PET והגדירו את מהירות המורכי של הסרט לשלושה מילימטרים לשנייה.

קריטי להשיג ממбраנות נטולות פגמים על ידי מניעת הכללה של חלקיקי אבק במהלך תהליך היציקה. אנו עושים זאת על ידי עבודה בסביבה נקייה ועל ידי ניקוי קפדני של התשתית לפני ציפוי הממbrane. העבירו 10 milliliters של תערובת הסיליקון מכלי הערבוב אל תשתית ה-PET באמצעות מזרק.

הפעילו את המורמר האוטומטי כדי למרוח סיליקון על כל תשת ה-PET. כבו את המשאבה והמתינו חמש דקות כדי לאפשר לממס להתאדות משכבת היציקה. העבירו את הממברנה ללוח זכוכית והניחו בתנור למשך 30 דקות ב-80 degrees Celsius.

לאחר 30 דקות הוצא את הממברנה מהתנור והשאר אותה להתקרר בטמפרטורת החדר למשך חמש דקות נוספות. לאחר מכן, כסה אותה בעטיפת PET דקה כדי להגן על הפני השטח מפני מזהמים. הכן את התמיכה המתוחה מראש ואת תמיכת הממברנה, וגזור את ה"סנדוויץ'" של ממbranת הסיליקון היצוקה/מצע ה-PET כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב.

הצמידו את התמיכה המתיחה שנגזרה בלייזר אל מעגל ממברנת הסיליקון הגזור, כאשר הצד הדביק פונה כלפי מטה, כך שהדבק יהיה במגע עם פני השטח של הסיליקון. הכינו אמבטיה של מים רותחים ושקעו בתוכה את המכלול, כולל ממברנת הסיליקון והתמיכה הדביקה. בעוד המכלול שקוע, קלפו בעדינות ובאיטיות את תשת ה-PET מממברנת הסיליקון עד להפרדה מלאה ביניהן.

הוציאו את ממבמרת הסיליקון מאמבט המים והניחו לה להתייבש. ניתן להשתמש בנשף חנקן כדי להאיץ את תהליך הייבוש. מדדו את עובי הממברנה באמצעות an interferometer transmission בהתאם לפרוטוקול היצרן.

כוון את מכשיר המתיחה המקדימה (prestretcher) לקוטר של 45 מילימטרים והנח את ממב Membranes הסיליקון לתמיכה, שנמתחה מראש, על אצבעות המותח, כאשר הצד הדביק פונה כלפי מטה. גזור את התמיכה הנמתחת בין אצבעות המותח. לאחר מכן, הנח את הסרגל הרדיאלי על המותח וסובב את טבעת המתיחה המקדימה נגד כיוון השעון כדי להגדיל את קוטר מכשיר המתיחה ל-58.5 מילימטרים, כך שהממברנה תמתח מראש באופן שווה בשני הצירים (equibiaxially) בפקטור של 1.3.

בשלב הבא, הסירו את סרט הכיסוי מתושבת ממברנת ה-PMMA כדי לחשוף את הדבק. הדביקו את תושבת ממברנת ה-PMMA אל פני השטח של הממברנה המתוחה מראש. גזרו מסביב לתושבת הממברנה כדי להסיר את הממברנה המתוחה מראש מהמתח.

לאחר מכן, מדדו את העובי הסופי של הממברנה שנמתחה באמצעות האינטרפרומטר של התמסורת. כדי להגדיר את מכונת ההדפסה בשיטת פד (pad-printing), התקינו את הקלישאה עם תבנית האלקטרודה הרצויה על גבי הבלוק המגנטי. הניחו את בלוק הקלישאה מעל כוס הדיו המלאה בדיו.

התקינו את המכלול במכונה. הניחו את לוח היישור על בסיס המדפסת. הפעילו מחזור הדפסה במכונת הדפסת הריפוד (pad-printing).

פעולה זו תיישם את תכנון האלקטרודה על לוח היישור. בצעו בדיקה ויזואלית של החפיפה בין האלקטרודה המודפסת לבין מבנה הייחוס החרוט של לוח היישור. הזוזו את במת ה-X-Y כדי לתקן כל חוסר התאמה.

בצעו בדיקה חזותית של ההלימה למבנה הייחוס והמשיכו להזיז את מיקום הפלטפורמה ואת אלקטרודות ההדפסה עד לקבלת חפיפה מושלמת של הדפסת התבנית על מבנה הייחוס. הניחו ממбраנה מתוחה מראש על בסיס המדפסת. במכונת הדפסת הפד (pad printing) הפעילו מחזור הדפסה כדי להטביע את האלקטרודה על גבי הממбраנה.

החתימו את הממברנה פעמיים כדי להבטיח עובי אלקטרודה מספיק של כארבעה מיקרון. לאחר חזרתו של תהליך ההדפסה עד להחתמה של כל הממברנות שנמתחו מראש, הניחו את הממברנות עם האלקטרודה המחותמת בתנור בטמפרטורה של 80 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות. לאחר מכן, הניחו אחת מהממברנות המודפסות באופן הפוך על בסיס המדפסת, כך שהצד האחורי של הממברנה יהיה חשוף.

התחילו סדרה של שני מחזורי הדפסה כדי ליצור את תבנית האלקטרודה התחתונה. כדי להשלים את המפעיל (actuator), הניחו את הממברנות בתנור בטמפרטורה של 80 °C למשך 30 דקות כדי לקשר (crosslink) את האלקטרודה התחתונה. כדי ליצור את החיבורים החשמליים, הסירו תחילה את גיבוי ההגנה של מסגרת המפעיל כדי לחשוף את הדבק.

לאחר מכן, הדביקו פיסת סרט דביק בגודל 18 מילימטר על 2.5 מילימטר בחלק של מסגרת המפעיל (actuator frame) שיבוא במגע עם האלקטרודה התחתונה, וקפלו אותה לצד המסגרת כדי לספק מגע חשמלי נגיש. לאחר מכן, החליקו את מסגרת המפעיל לתוך מחזיק הממברנה ולחצו בעדינות על הממברנה בעזרת האצבעות כדי להדביקה לדבק של מסגרת המפעיל. בעזרת סקלפל, חיתכו את הממברנה בגבול שבין מחזיק הממברנה למסגרת המפעיל והסירו את מחזיק הממברנה.

הדביקו פיסה שנייה של סרט מוליך בגודל 18 מילימטר על 2.5 מילימטר על אזור המגע של האלקטרודה העליונה. לבסוף, הניחו חוט על כל אחת מפיסות הסרט המוליך כדי ליצור חיבור חשמלי. חברו את שני החוטים למקור מתח גבוה והפעילו אות ריבוע של 2 Hertz באמפליטודה של 2 kilovolts.

עובי השכבה היבשה של ממבראת הסיליקון שהוטלה תלוי בהגדרת המרווח של המ applicators, אך גם במהירות הקידוד. השפעת המהירות משמעותית יותר עבור ממברנות עבות יותר. הפעלת שדה חשמלי של מעל 100 וולט למיקרון בתדר של הרץ אחד מראה כי המפעיל (actuator) יכול להשיג עיוותים גדולים.

מתיחת ההפעלה הדיאמטרלית של המפעיל מראה תלות ריבועית ביחס למתח הזרם הישר המופעל. לאחר צפייה בסרטון זה, תגיעו להבנה טובה של האופן שבו מייצרים מפעילים אלסטומריים דיאלקטריים מישוריים בעלי זמני תגובה קצרים. יתרון אחד של שימוש באלסטומרי סיליקון בעלי הפסד מכני נמוך.

הנקודה המרכזית של הליך זה היא היכולת לייצר מפעילים הניתנים לשחזור עם אלקטרודות מוגדרות היטב. תהליך הייצור שלנו מציג נתיב אפשרי לייצור רחב-היקף של מפעילים של אלסטומרים דיאלקטריים.