실리콘 엘라스토머 계 유전 액츄에이터 제조 공정

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Rosset, S., Araromi, O. A., Schlatter, S., Shea, H. R. Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators. J. Vis. Exp. (108), e53423, doi:10.3791/53423 (2016).

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Abstract

이 기여는 유전 엘라스토머 변환기 (DETs)의 제조 공정을 설명한다. DETs 두 전극 사이에 개재 호환 엘라스토머 유전체 막으로 이루어진 신축성 커패시터이다. 이러한 변환기의 넓은 작동 균주 액츄에이터로 사용되는 경우 (300 % 이상의 영역 균주) 및 그들의 부드럽고 호환 자연 전기적 가변 광학, 햅틱 피드백 장치, 파 에너지 수확 변형 세포를 포함한 다양한 애플리케이션에 대해 이용 된 - 문화 장치, 호환 그리퍼 및 바이오 영감 물고기와 같은 비행선의 추진. 대부분의 경우, DETs 상용 독점 아크릴 엘라스토머와 탄소 분말 또는 탄소 그리스 수공 전극이 제조된다. 이 조합은 점탄성 크리프와 짧은 수명을 나타내는 비 재현 느린 액추에이터에 연결됩니다. 우리는 여기에 얇은 실리콘 엘라스토머에 기초 DETs 재생 가능한 제조를위한 완전한 프로세스 흐름을 제시얇은 실리콘 막, 막 분리 및 prestretching, 강력한 대응 전극, 조립 및 테스트 패턴의 주조를 포함하여 전자 필름,. 막을 분리의 용이성을위한 수용성 희생 층으로 코팅 된가요 성 폴리에틸렌 테레 프탈레이트 (PET) 기판 상에 캐스팅된다. 전극은 실리콘 매트릭스에 분산 된 카본 블랙 입자로 구성되며, 이들이 적용되는 유전체 막에 높은 접착력을 제시 호환 전극을 정확하게 정의하도록 리드 스탬핑 기술을 이용하여 패터닝.

Introduction

유전 엘라스토머 변환기 (DETs)를 따라서 고무 1 커패시터를 형성하는 두 개의 전극 사이에 개재 규격 (일반적으로 10 ~ 100 μm의 두께) 엘라스토머 유전체 막으로 구성 부드러운 장치이다. DETs 매우 큰 변형을 생성 할 수있는 액추에이터로서 이용 될 수 있고, 2 부드러운 변형 센서 (3), 또는 부드러운 발전기 (4)를 (최대 1천7백% 표면에 변형이 입증되었다). 액츄에이터로서 사용되는 경우, 전압이 두 전극 사이에인가된다. 생성 된 정전기력 (도 1) (1)의 표면 영역의 두께를 감소 및 증가 유전체 막 좋다고. 액추에이터 이외에, 동일한 기본 구조 (얇은 엘라스토머 막과 신축성 전극)의 기계적 변형에 의해 유도 된 용량의 변화를 활용, 스트레인 센서, 에너지 수확 장치로서 사용될 수있다. 유전 엘라스토머에 의해 생성 된 많은 균주ctuators (DEAS) 및 그들의 대응 부드럽고 자연는 물고기와 같은 비행선 8 영감 바이오 전기적 가변 렌즈 (5), 회전 모터 (6) 변형 세포 배양 장치 (7), 및 추진 많은 애플리케이션에 사용되어왔다.

그것은 매우 큰 작동 균주 1을 나타내는 것으로 나타났다 되었기 때문에 가장 DETs이 문헌에보고는, 유전체 막으로서 엘라스토머 VHB라는 3M에서 독점 아크릴 엘라스토머 필름을 사용한다. 필름 형태에서이 물질의 가용성 (가동 변형 방치)는, 그러한 그 응답 속도를 제한하는 기계적 손실 및 점탄성 크리프 같은 중요한 단점을 가지고 있더라도, 또한 DET 애플리케이션에 대한 다양한 용도에 중요한 인자이다 작은 온도 범위 및 찢어짐에 대한 성향. 이에 비해, 실리콘 엘라스토머는 1,000 배 빠른 응답 속도로 디바이스를 초래 DETs위한 유전체 막으로서 사용될 수있다그들의 많은 감소 기계적 손실 9 아크릴 엘라스토머,보다. 또한, 그들은 추가 디자인의 자유를 제공 경도의 넓은 범위에서 사용할 수 있습니다. 그러나, 실리콘은 보통 DETs에 사용하는 얇은 막으로 도포되어야 점성베이스 형태로 판매된다. 멤브레인의 두께는 자유롭게 선택 될 수 있고, 제조업체에 의해 부과되지 않기 때문에 미리 만들어진 필름의 경우와 같이 단, 이것은, 아직 자유도를 제공한다.

이 프로토콜은 유전체 엘라스토머 액츄에이터의 제조를 나타낸다. 그러나, 그것은 또한 에너지 수확 장치 및 변형 센서를 포함하는 더 큰 의미에서 유전체 엘라스토머 센서의 제조에 대한 수정이 거의 적용 할 수 있습니다. 우리는 여기에 수용성 희생 층으로 코팅 된가요 성 PET 기판 상에 박막 (10 ~ 100 μm의) 실리콘 박막의 대 면적 (A4)를위한 주조 방법을 제시한다. 희생 층은 힘을 감소 REQ따라서 릴리스 중에 멤브레인의 기계적 변형을 줄여, 기판으로부터 실리콘 막을 분리 uired. 필름의 변형으로 인해 스트레스에 의한 연화 (뮬 린스 효과)에 이방성 기계적 특성으로 이어질 수 10 있으므로 피해야한다. 전극은 DET의 두 번째 키 구성 요소입니다. 그들의 역할은 탄성 멤브레인의 표면 상에 전하를 분산하는 것이다. 신뢰성 액추에이터를 생산하는, 전극, 분해를 탈착하는 크래킹, 또는 도전성을 잃지 않고 20 % 이상 반복 변형을 견딜 수 있어야; 기계적 구조 11 뻣뻣하지 게다가, 그들은 준수해야합니다. 호환 전극을 만들기 위해 다양한 기술이 존재 중에서 수공 카본 블랙 입자, 탄소 그리스는 두 가지 가장 널리 사용되는 방법 (11)이다. 그러나 이러한 방법은 꽤 많은 단점을 가지고 : 손으로 응용 프로그램이 장치의 소형화를 방지S는, 비 재현 가능한 결과에 이르게하고 시간 소모적이다. 또한, 카본 분말 또는 그리스는 막에 부착되지 않으며,이 방법에 의해 제조 된 전극들은 마모 및 기계적인 마모 될 수있다. 또한, 그리스의 경우, 결합 액이 유전체 막으로 확산 및 기계적 특성을 수정할 수있다. 캡슐화되지 않은 탄소 분말 또는 그리스 전극의 수명은 결과적으로 매우 짧다. 여기서, 우리는 따라서 0.5 mm로 다운 기능을 신속하고 재현 가능하게 패턴 정확한 전극 있도록 정확한 설계가 부드러운 실리콘 스탬프를 통해 멤브레인에 전사 된 스탬핑 기술이라는 패드 인쇄에 의해 호환 전극의 패터닝을 제시한다. 도포 용액은 이들을 매우 탄성 기계적 내마모성 및 마모 만드는 따라서 탄성 막에 강하게 접착 경화 전극 선도, 도포 후 가교 실리콘 매트릭스에 카본 블랙의 혼합물로 구성된다.

다음의 프로토콜을 정확하게 패터닝 호환 전극 빠르고 안정적​​인 DEAS를 제조하기 위해 필요한 모든 단계를 설명한다. 이 전극, 조립, 전기 연결 및 테스트의 막 주조 및 prestretching, 패턴 및 정렬이 포함되어 있습니다. 도 2에 나타낸 바와 같이 비디오의 목적을 위해, 우리는, 기어 형 전극 단순한 평면 액추에이터를 제작. 액츄에이터는 두 개의 호환 전극 패터닝되는 멤브레인 홀더 위에 뻗어 얇은 실리콘 막으로 구성. 액츄에이터 프레임이어서 하부 전극에 전기적 접촉을 제공하기 위해 삽입된다. (3)가 액츄에이터의 다른 구성 요소와 조립의 분해도를 도시한다. 비디오 실현할 장치 DEAS의 기본적인 원리를 보여주는 외의 실용화가 없다하더라도, 특정 응용 목적 상이한 액추에이터, 예컨대 동일한 프로세스를 사용하여 제조 된그리퍼 소프트 등, 가변 렌즈, 가변 mm 파 위상 시프터로서

Protocol

1. 실리콘 막 생산

  1. 희생 층 주조
    1. 롤에서 높은 품질의 125 μm의 두께의 PET의 400mm 긴 시트를 잘라.
    2. (중량 이소프로판올 중 5 % 폴리 아크릴산) 희생 용액을 제조 하였다 : 이소프로판올 32g과 함께 50㎖의 플라스틱 튜브에 폴리 아크릴산 수용액 (물 중 25 %)의 8g을 혼합한다. 잘 흔들어.
    3. 이소프로판올 함침 보풀이없는 와이프와 PET 기판을 청소합니다.
    4. 이소프로판올 함침 보풀이없는 와이프와 진공 테이블을 청소합니다.
    5. 진공 테이블에 PET 기판을 놓고 진공 펌프의 전원을 켭니다.
    6. 시각적으로 더 큰 먼지 입자가 진공 테이블 및 PET 기판 사이에 포획되지 않도록 진공 테이블을 검사한다. 먼지 입자이 확인되면 이전 청소 단계를 반복합니다.
    7. 이소프로판올 함침 린트 프리 와이프와 PET 기판의 상부면을 청소한다.
    8. 프로파일로드를 배치5mm / 초 자동 필름 코팅기 및 설정 코팅 속도에 pplicator.
    9. 프로파일로드의 앞에 희생 층 용액 2 ㎖를 넣고 코팅기를 시작합니다.
    10. 프로파일로드는 코터 중 PET 기판 리프트 그것의 끝에 도달하고 보풀이없는 뜨거운 물에 적셔 닦아 닦아 청소하면.
    11. 필름 도포 후퇴하지만 진공 펌프 실행을 떠나 진공 접시에 PET 기판을 둡니다. 2 분 동안 공기의 층을 건조 보자.
  2. 실리콘 막 주조
    1. 80 ℃로 오븐을 예열한다.
    2. 실리콘베이스의 15g과 혼합 냄비에 가교제 1.5 g을 넣고. 점도를 감소 실리콘 용매 10g을 추가합니다.
    3. 플래 니 터리 믹서와 실리콘의 혼합물을 혼합한다. 2,200 rpm에서 2,000 rpm에서 2 분간 혼합주기 플러스 2 분 탈기주기를 사용합니다.
    4. 225 μm의 보편적 도포의 높이를 설정합니다. PET 시트의 상단과 설정 t에서 어플리케이터를 배치그는 3mm / 초에 도포 속도 영화.
    5. 전송 주사기와 PET 기판에 혼합 냄비에서 실리콘 혼합물의 15 ml의.
    6. 전체 PET 기판 (그림 4A)를 통해 실리콘을 적용하는 자동 도포를 시작합니다.
    7. 펌프의 전원을 끄고 5 분 캐스트 층의 용매 증발 할 때까지 기다립니다.
    8. 80 ° C에서 30 분 동안 오븐에서 유리판과 장소에 이동시켜 막.
    9. 이소프로판올 함침 보풀이없는 와이프와 주걱과 진공 판을 청소합니다.
    10. 30 분 후, 오븐에서 막 오염 물질을 제거하는 표면을 보호하는 PET 얇은 호일을 추가 5 분 동안 실온에서 냉각되도록두고 다루.

탄성 막 2. 릴리스와 Prestretching

  1. Prestretch 지원 제작
    1. 건조 실리콘 전송 접착제의 롤에서 A4 크기의 사각형을 잘라.
    2. 하나 O를 제거수동 보호 건조 실리콘 전사 접착제에서 커버와 F인가에 기포의 형성을 피하기 위해주의하면서 A4 투명 필름 상에 접착제를 적용한다.
    3. 컴퓨터 수치 제어 (CNC), 레이저 조각기 제조사의 프로토콜에 따라 (도 4b)을 이용하여 접착제 덮인 투명 필름으로지지 prestretch 패턴을 잘랐다.
  2. 막 지지체 제조
    1. 건조 실리콘 전송 접착제의 롤 290mm 구형으로 500mm를 잘라.
    2. 박리 얻어 건조 실리콘 전사 접착제에서 보호 커버의 한쪽 3mm 두께의 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 상에 호일을 적층 (PMMA) 판.
    3. PMMA 프레임에서, 외경 52mm와 막 홀더 될 것 내경 44mm의 컷 반지.
  3. 막 출시
    1. 원에 DIAM에서 55mm를 1 단계에서 주조 실리콘 막 / PET 기판 샌드위치를​​ 잘라라 미터 제조사의 프로토콜에 따라 CNC 레이저 조각기 (도 4b)을 이용하고, 보호 필름을 벗겨.
    2. 접착제는 실리콘 표면 (도 4C)과 접촉되도록, 다운 컷 실리콘 막 원 접착면에지지 prestretch 레이저 컷 수정.
    3. 끓는 물에 목욕을 준비하고 그것으로 어셈블리 (실리콘 막 및 접착제 지원) 잠수함.
    4. 잠수하는 동안, 부드럽게 천천히 PET 기판 거리에 실리콘 막 (그림 4D)에서 껍질.
    5. 수욕에서 실리콘 막을 제거하고 공기 중에서 건조시켜 그 또는 고속화하는 건조 공정을 총 질소를 사용한다.
  4. 막 두께 측정 및 prestretch
    1. 제조사의 프로토콜에 따라 송신 간섭계와 막의 두께를 측정한다.
    2. 45mm의 직경에 prestretcher을 설정하고 prestr를 배치들것 손가락에 에칭 지원 실리콘 막, 아래로 접착면.
    3. 들것 손가락 (그림 4E) 사이의 prestretch 지원을 잘라.
    4. 동등 축 prestretcher 고리를 시계 반대 방향으로 (그림 5)를 회전시켜 요인 1.3 (30 % prestretch)에 의해 막을 prestretch에 58.5 mm로 prestretcher의 직경을 늘립니다.
    5. 접착제를 노출 PMMA 막을 홀더 커버 필름을 제거하고 prestretched 막 표면 (도 4F) 위에 PMMA 막을 홀더 스틱.
    6. 들것에서 prestretched 막을 제거하기 위해 멤브레인 홀더 주위를 잘라.
    7. 송신 간섭계 prestretched 공막의 최종 두께를 측정한다.

패드 인쇄 3. 패터닝 준수 전극

  1. 전도성 잉크 준비
    1. 125 ml의 플라스틱 컨테이너에 믹서, w 블랙 0.8 g의 탄소를 배치i 번째 16g 이소프로판올, 12 mm 직경의 6 강구. 플래 니 터리 믹서로 10 분간 2,000 rpm에서 혼합한다.
    2. 4g 실리콘 엘라스토머 부품, 4g 파트 B 및 16g의 이소옥탄을 추가합니다. 플래 니 터리 믹서로 10 분간 2,000 rpm에서 혼합한다.
  2. 패드 인쇄 장치의 설치
    1. 자기 블록 (그림 4 세대)에서 원하는 전극 패턴과 진부를 설치합니다.
    2. 전도성 실리콘 기반의 잉크 inkcup을 입력합니다.
    3. 잉크 충전 inkcup의 상단에있는 상투적 인 블록 (자기 블록에 고정 진부)를 놓고 기계 어셈블리를 설치합니다.
    4. 시스템에 실리콘 패드를 고정합니다.
  3. 조정
    1. 프린터베이스에 정렬 판 (그림 4H)을 놓습니다.
    2. 제조사의 프로토콜에 따라 라이너 플레이트 상 전극 설계를 적용 패드 인쇄 장치에 인쇄 사이클을 시작합니다.
    3. 시각인쇄 된 전극의 오버랩 및 얼 라이너 플레이트 에칭 기준 구조체를 검사한다. 어떤 오정렬을 보정하기 위해 XY-θ 스테이지를 이동합니다.
    4. 정렬 판을 청소하고 다른 전극을 인쇄 할 수 있습니다.
    5. 시각 기준 구조체와 정렬을 점검하고 기준 구조체 (도 4H)에 인쇄 된 패턴의 완전한 중첩을 얻을 때까지 플랫폼 위치와 인쇄 전극을 계속 이동.
  4. 준수 전극을 인쇄
    1. 프린터베이스에 prestretched 막을 놓습니다.
    2. 패드 인쇄 시스템에서, 멤브레인 상부 측 (도 4I)에 전극을 스탬프 인쇄 사이클을 시작. 약 4 ㎛의 전극에 충분한 두께를 확보하기 위해 두번 막을 스탬프.
    3. 프린터베이스로부터 막을 제거 프린터베이스에 다음 prestretched 막을 배치하고 모든 prestretched MEM까지 인쇄 처리를 반복branes가 각인되어 있습니다.
    4. 30 분 동안 80 ° C의 오븐에서 스탬핑 전극 막을 배치했다.
    5. 30 분 후, 오븐에서 막을 제거한다.
    6. 거꾸로 프린터베이스에 인쇄 된 막의 하나, 막 뒷면 노출을 놓습니다.
    7. 패턴에 하부 전극을 인쇄 사이클을 시작.
    8. 프린터베이스로부터 막을 제거 프린터베이스에 다음 막을 배치하고 모든 막은 양면에 각인 될 때​​까지 인쇄 처리를 반복한다.
    9. 가교로 30 분 하부 전극, 80 ℃에서 오븐에 배치 멤브레인.

4. 전기 연결 만들기

  1. 막 홀더 (CF 2.2)에 사용 된 것과 같은 아크릴 판에 액추에이터에 대한 프레임을 들고 CNC 레이저 조각기를 사용하여이 될 것입니다 컷 액추에이터 프레임.
  2. 박리 액츄에이터 프레임의 위에 접착제 백킹.
  3. 하부 전극과 접촉하고, 전기 접점을 제공하기 위해 상기 프레임의 측면에 접 것이다 액츄에이터 프레임 (도 3)의 부분에 도전성 테이프를 18mm X 2.5 mm 조각을 적용한다.
  4. 막 홀더 내부의 액추에이터 프레임을 밀어 부드럽게 액추에이터 프레임의 접착제로 붙어 손가락으로 막을 누릅니다.
  5. 메스로, 막 홀더와 액추에이터 프레임의 경계에있는 멤브레인을 절감하고 전자를 제거합니다.
  6. 상부 전극의 접촉 영역에 18mm X 2.5 mm의 전도성 테이프의 두 번째 조각을 적용합니다.
  7. 전기 연결을 전도성 테이프의 각 부분에 와이어를 놓습니다. 높은 전압 소스에 두 개의 전선을 연결하고, 2 kV의 진폭의 2 Hz의 광장 신호를 적용합니다. 장치의주기적인 확장을 관찰합니다.

Representative Results

실리콘 막 주조

실리콘 막은 PET 기판으로부터 해제되고 (단계 2.2의 끝에서) 프레임 자립되면, 그 두께는 6도. 송신 간섭 법에 의해, 예를 들면, 측정 한 폭을 가로 질러 실리콘 층의 두께의 균일 성을 도시 할 수있다 1mm / sec로 주조 속도에서 3 상이한 유효 갭 높이 (50, 100 및 150 μm의) 미국 200mm의 PET 기판 (참고 어플리케이터는 PET 기판보다 넓은 왜냐하면,에 어플리케이터 나머지 피트 도 4a에서 알 수있는 바와 같이 PET 기판 자체에 진공이 아니라,. 어플리케이터와 기판 사이의 효과적인 간격이 어플리케이터 높이 마이너스 PET 기판의 두께에 따라서 동일하다. 125 ㎛, 예를 들어 PET 기판 프로토콜에서 사용되는 225 ㎛의 어플리케이터의 높이,) 100 ㎛의 유효 갭 리드. 에 대한50㎛의 유효 갭 높이, 실리콘 층의 좌측 및 우측 간의 명확한 단차가있다. 어플리케이터의 높이가 좌측 및 우측에 수동으로 설정되어야하기 때문이고, 약간의 오차는 피할 수 없다. 그러나 어플리케이터주의 설정과 함께, 우리는 일반적으로 100 ㎛ 유효 갭 높이 (σ = 0.81 μm의)의 경우와 1 ㎛ 미만의 두께의 표준 편차와 함께 막을 얻었다. 어플리케이터 높이가 지나치게 커지면가 150㎛ (도 6)의 유효 갭 캐스팅 막에 보이는 바와 같이, 기복은, 실리콘 혼합물에서 용매를 증발에 의해 야기되는 막에 표시하기 시작한다.

얻어진 건조 도막 두께 및 도포 높이 사이의 관계는, 실리콘 혼합물 및 주조 속도에 따라 달라진다. 이 문서에서 사용 된 실리콘 혼합물을 2 부분의 실리콘으로 구성하고, 용매를 감소 VI혼합물의 scosity. 용제 경화 전의 막으로부터 증발 된 바와 같이, 막 두께의 추정치는 실리콘 혼합물 중의 고체의 부피 분율에 의해 유효 갭 높이를 곱함으로써 얻을 수있다. 그러나, 메 니스 커스의 생성과 예상보다 더 얇은 두께를 선도 어플리케이터의 후단에서의 동적 인 효과가있다. 갭 높이 얻어진 건조 막 두께 사이의 관계는 주조 속도, 도포 높이에 의존하고, 주걱 형상 의한.도 7은 이러한 매개 변수에 미치는 영향을 보여주기 위해 막은 다른 속도 및 높이로 캐스팅 된 실험의 결과를 나타낸다 건조 도막 두께. 그것은 고속 캐스팅 막을 시너로 연결한다는 및 속도의 효과가 갭 높이가 커지는만큼 현저하게 알 수있다.

작동 성능

여기에 제작 된 액츄에이터 지표 성과 특징인가 전압의 함수로서 COG 형 전극의 외경을 보내고. 스탠드에 고정 된 카메라는 전압이 증가함에 따라 상기 액추에이터의 사진을 촬영하기 위해 사용된다. 이미지는 액츄에이터의 팽창을 정량화하는 화상 처리 스크립트 (비전 내셔널 인스트루먼트)로 분석된다. 이것은 전극 같은 톱니의 바깥 둘레에 원형 (그림 8) 피팅에 의해 수행되었다. 이완 된 상태에서 원의 직경의 증가 (즉, 완화 된 액츄에이터의 직경으로 나눈 작동 직경) 경부 스트레치로 제시된다. 동일한 두께 (34.5 μm의)의 두 개의 액츄에이터의 결과는 그림 8에 나타내었다. 두 디바이스 모두 4 kV로의 구동 전압에서 10 %의 경부 스트레칭과 유사하게 수행 할 수 있습니다.

액츄에이터의 응답 속도는 약 4 %의 변형률 선도의 3 kV의 2 Hz의 정사각형 신호를인가하여 측정 하였다. ACTU의 확장ATOR 0.25 밀리의 시간 해상도와 고속 카메라로 촬영했다. 상승 에지 후의 전압 트리거 이전에 (200)의 프레임 (50 밀리 초), 및 프레임 (200)과, 캡쳐 하였다. 다음, 시간에 따른 변형을 분석하여 추출 화상 (도 9). 상승 시간 (최종 변형의 90 %에 도달하는데 필요한 시간)은 3.75 밀리 초이고,되는 횟수를 증가 아크릴 엘라스토머가, 멤브레인으로 사용하는 경우 관찰되는 어떤 달리 관측 점탄성 크리프는 전과 승압 후 없다 수백 초는 통상 12을 관찰된다.

다른 장치 공정 흐름의인가

이 문서에서 제조 한 액츄에이터가 우리 제조 프로세스뿐만 아니라, 전압인가시에 전극의 표면적의 증가와 DEA의 기본 작동 원리를 보여 주며, 따라서이 튜토리얼 좋은 그림이다. 그러나, 이러한액추에이터는 DEA의 작동 원리를 보여주는 이외 특정한 목적이 없다. 그럼에도 불구하고, 여기에 제시된 프로세스는 매우 다재다능 특정 응용 목적 소프트 변환기의 다양한 제조에 사용될 수있다. 우리는 여기에 우리가 액츄에이터를 기반으로 제시된 방법을 사용하여 제조 개발 된 응용 프로그램의 몇 가지 선택의 예를 제시한다.

소프트 바이오 영감을 조정할 수있는 렌즈는 (그림 10A) 제작되었다. 이는 200 마이크로 초 미만 (9) 20 %의 초점 거리를 변화시킬 수있다. 장치는 적절한 재료 및 양호한 제조 공정의 조합이 빠른 응답 속도와 긴 수명에 DEAS 발생할 것을 나타낸다 작동 성능에 띄는 감소없이보다 400,000,000주기 동안 작동 될 수있다. 유사한 형상의 렌즈이지만 VHB은 대역폭을 더 작은 크기의 3 개 이상의 명령이 널리 사용되는 상업용 아크릴 엘라스토머를 사용하여 제조

패드 인쇄와 호환 전극을 패터닝하는 이와 같은 막에 독립적 소규모 전극의 제조를 가능하게 매우 정밀하게 정의 된 전극을 허용한다. 이것은 세 개의 전기적으로 독립 한 전극 (도 10B)를 포함하는 DEA 기반 회전 모터의 제조 예를 통하여 입증된다. 모터의 중심 축과 표준 질량체 (13)은 1,500 RPM에서 회전 할 수있다. 모터 개념은 또한 신뢰할 액츄에이터를 제조 할 수있는 패드 인쇄를 표시하도록 추가로 가압되었다. 자기 정류 롤링 로봇은 원형 트랙 (그림 10C)을 따라 바퀴를 실행하기 위해 지어졌다. 로봇은 15cm / 초 13의 평균 속도보다 25km를 여행했다.

본 프로세스 (또는 이들의 약간의 차이)으로 생성 된 애플리케이션은 다른 변형 세포 배양 시스템 (14), 유전체 엘라스토머 생성기를 포함 16 mm 또는 가변 파장 고주파 위상 시프터 (17).

그림 1
유전체 엘라스토머 액츄에이터 그림 1. 기본 원칙:. 가장 단순한 형태에서 (도 1a), DEA는 두 준수 전극 사이에 끼워 부드러운 엘라스토머 막으로 구성되어 있습니다. DC 전압이 전극 사이에인가되는 경우, 전극은 두께 감소 및 확장면에지도 막을 압착 압축 응력을 생성 ON (1B), 정전 전하가왔다. 바닥 (2A) 프로토콜에 기재된 액츄에이터 프레임 연신 막으로 구성. 원형 전극은 전기적 연결을 허용하도록 멤브레인의 경계에 확장과 멤브레인의 양쪽에있다. 활성 AREA는 두 전극이 겹치는 영역, 즉, 중앙의 원이다. 전압이인가되는 경우 (도 2b), 정전기력 막을 압축한다. 이것은 활성 영역에, 막 두께의 감소, 및 전극 표면의 증가를 야기한다. 막이 prestretched되기 때문에, 전극 주변의 수동 영역이 중앙 활성 영역의 확장을 수용하기 위해 이완한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
.이 프로토콜도 제작 2. 시범 액추에이터 왼쪽 : 프레임에 고정 연신 실리콘 막을 포함하는 완성 된 소자들은 대응하는 한 쌍의 전극은 모두 멤브레인의 측면, 및 전기적인 접속에 패터닝. 리GHT : 나머지 상태 (검은 색)을 보여주는 합성 사진과 활성화 상태 (시안). 구조의 직경이 10 % 증가가 전극에인가 4 kV로 관찰된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
도 3은 액추에이터의 분해도이다. 비디오 제조 액추에이터를 형성하는 다른 구성 요소. 멤브레인 홀더 prestretched 실리콘 막과 유지 전극 인쇄 단계 중에 멤브레인을 조작하기 위해 사용된다. 전극이 경화되면, 액추에이터 프레임은 멤브레인 홀더 내부에 삽입되어 상기 액추에이터를 보유하기위한 프레임 구조, 및 하부 전극에 전기적 접촉 모두를 제공한다. 막을 액츄에이터 프레임에 고정되면, 저mbrane 홀더를 제거 할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
제조 공정을도 4의 개요. 자동 필름 어플리케이터 코터를 이용하여 실리콘 막 (A)을 주조. 경화 된 실리콘 막과 prestretch 지지체 (B) 레이저 절단. (C) prestretch 지원에 실리콘 멤브레인의 배치. 온수 PAA 희생 층 용해 PET 기판으로부터 실리콘 막의의 해제 (D). 손가락 연결 prestretch 지지부의 (E) 절단. (F) 및 Prestretch 막 표면에 막 부착 홀더. (G) 진부 COND 가득uctive 잉크. (H) 레이저가 삽입 된 그림은 잘 정렬 된 전극의 예를 보여줍니다, 전극 정렬을 에칭. (I) 실리콘 막을 스탬프 전극. (J) 완료 장치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5
멤브레인 prestretcher도 5의 동작 원리는. (A) 여러 메탈 손가락 플라스틱 고리에 부착되고, 그 길이를 따라 선형 (반경) 방식으로 이동하도록 제한된다. 고리는 원주 이동 제한됩니다. 플라스틱 고리는 손가락의 금속 핀이 상주하는로로 가공 슬롯을 여러 곡선했다. 손가락 끝을 경계 원의 반지름은 R 1 . (B) prestretcher 고리가 손가락을 경계 원의 반지름을 증가, 반 시계 방향으로, 손가락을 동시에 번역을 회전 R 2 R 1 가장자리된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6
주조 된 실리콘 층의 두께도 6 균질성. 200mm의 PET 기판의 폭을 가로 지르는 경화 실리콘 막의 두께 측정, 어플리케이터의 세 가지 다른 설정의 갭. 주조 속도는 1mm / 초이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

내용 "FO : 유지 - together.within 페이지 ="항상 "> 그림 7
주조 파라미터의 함수로서 제 건조 막 두께도. 건조 막 두께는, 체적 62 % 고형분 실리콘 - 용매 혼합물에 대한 다른 어플리케이터의 높이 및 속도에 대해 획득. 더 높은 속도는 동일한 어플리케이터 설정을 얇은 막에 이르게하고, 증가 막 두께와 속도가 증가의 영향. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 8
그림 시위 8. 발동. 34.5 μm의의 (prestretch 후) 두께 두 장치에 대한인가 전압의 함수로 외부 직경의 스트레칭. 약 1 직경의 증가0 %가 최대인가 전압에서 관찰된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 9
전압 스텝 입력에 그림 9. 스트레인 응답. 정사각형, 3 kV의 2 Hz의 신호는 약 4 % (도 8 참조)의 변형을 발생시키는 장치에 적용된다. 영역 확장은 초당 4,000 프레임에서 고속 카메라로 관찰된다. 액츄에이터는 최종 치수의 90 %에 도달하는 것이보다 4 밀리 걸린다. 전환 후, 액츄에이터의 치수가 안정적으로 유지 및 점탄성 크리프을 표시하지 않습니다하기 전에합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.


제시된 프로세스 흐름 (10)으로 이루어진 절연성 엘라스토머 액츄에이터 도표.이 문서에 기술 된 방법에 따라 만들어진 유전체 엘라스토머 액츄에이터의 세 가지 예들을. 200 마이크로 초 미만에서 20 %의 초점 거리를 변화시킬 수 (A) 및 소프트 고속 가변 렌즈. 1,500 rpm으로 회전 할 수있는 (B) 엘라스토머 로타리 마이크로 모터. (C) 자기 정류 압연 로봇. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

다음 제조 공정은 요약 될 수있다. 멤브레인의 주조에 사용되는 PET 기판 상에 수용성 희생 층을 적용함으로써 시작한다. 이것은 잠재적으로 멤브레인을 손상시킬 수 있습니다 릴리스 과정에서 과도한 변형을 방지 할 수 있습니다. 실리콘은 얇은 층으로 주조하고 오븐에서 경화시킨다. 실리콘 코팅 A4 PET 시트는 55mm 직경의 원형 디스크로 절단하고,가요 prestretch 지지체에 부착된다. prestretch 지원은 희생 층 분리 및 prestretching 단계에서 멤브레인을 조작하는 데 사용됩니다. PET 기판으로부터 막 분리하기 위해서는 희생 층을 용해시키기 위해 뜨거운 물에 침지된다. 이 과정은 막 크게 당길 필요없이 해제 될 수있다. 막은 자립되면, 그것은 prestretched 수있다. Prestretching 기계적 프레임을 들고 그것을 고정하기 전에 평면 막 스트레칭으로 구성되어 있습니다. 이 단계에서 생성이러한 논증과 같은 영원한 인장 막에 힘과 평면 유전체 엘라스토머 액츄에이터에 필요한이 이곳에서 생산된다. 프로토콜에서 우리는 동등 축이 모두 평면 방향으로, 즉, 동일한 스트레칭 값을 스트레칭 사용합니다. 그러나, 용도에 따라, 다른 prestretching 구성은 예컨대 축 (막은 다른 방향으로 긴장을 허용하면서, 단, X 또는 Y를 따라 연신) 또는 이방성 (x 및 y를 따라 다른 값)로 사용될 수있다.

라는 기술 패드 인쇄 패턴에 정확하게 정확하게 멤브레인 mm 크기의 전극을 정의 할 수 prestretched 실리콘 막에 대응 전극을 사용한다. 이 과정에서, 잉크는 진부 (디자인은 막 (13)에 전송되기 전에 에칭하여 인쇄하고,이어서 부드러운 실리콘 스탬프가 진부로부터 픽업 될 수있는 강판)에 닥터 블레이드로 도포된다. 이제까지Y 디자인은 자신의 진부를 필요로한다. 이러한 형상의 전자 도면에서 그들을 생산 전문 회사에서 주문할 수 있습니다. 신축성 도전성 전극을 만들기 위해, 고분자 매트릭스 (18, 19)에 분말을 분산 균일하게 카본 블랙의 응집을 중단하고 잘 알려진 기술이다 볼 밀링을 이용하여 전단력에 의해 실리콘 매트릭스에 카본 블랙을 분산.

인쇄 할 때 설계는 막 프레임에 정확한 위치와 방향에 상대적으로 인쇄되는 것이 중요하다. 이렇게하려면, 정밀 XY-θ 단계 및 정렬을 사용합니다. 노광기는 막 프레임과 동일한 형상 PMMA의 조각과 CNC 레이저 조각기를 이용하여, 그 표면에 에칭 된 전극 설계를 갖는다. 막에 인쇄하기 전에 우리는 정렬을 확인하기 위해 정렬 판에 인쇄 할 수 있습니다. 인쇄 된 디자인이 디자인 에칭과 일치하지 않는 경우, 우리는 두 디자인 overl까지 XY-θ 스테이지를 조정할AP (그림 4H). 프로토콜에서, 상부 및 하부 전극은 동일한 설계를 가지므로, 패드 인쇄 장치는 두 개의 전극 사이에 남겨져 응용 될 수있다. 그러나 어떤 경우에는, 전극의 형상은 상부 및 하부 전극 용 다르다. 멤브레인 (단계 3.4.3 및 3.4.4 사이 예) 상부 전극의 경화 오븐에있는 동안 그 경우, 그 위치에 유지 진부 블록 (진부 이루어진 조립체를 제거 할 필요가있다 패드 인쇄기의 잉크 포트와 자기 블록)에. 그런 다음, 설치 상투적는 하부 전극 디자인 한 교환해야합니다. 진부한 블록이 이동 되었기 때문에, 제 2 전극의 설계로 에칭 얼 라이너 플레이트를 사용하여 새로운 정렬 절차 (단계 3.3)를 실시 할 필요가있다. 양 전극이인가되면, 그들은 f를 전하를 공급하는 외부의 구동 회로에 접속 될 필요또는 작동. 호환 및 구동 용 전극 사이의 전기 전자 장치를 연결하기위한 다른 해결책이있다. 여기서, 프로토 타입에 적합 방법은 접착제 덮인 프레임 및 도전 테이프 (도 3)을 사용하여 도시된다. 일괄 생산, 구리 패드와 접촉하는 전극을 인쇄 회로 기판의 사용은 더 나은 대안 (상업적으로 만들어진 PCB 장치의 일례에 대해도 10A를 참조).

처리 흐름의 단계의 대부분을 창고 나 제품을 사용한다. 두 가지 예외는 실리콘 막과 prestretching 단계의 두께의 측정이다. 두께 측정을 위해, 평행 백색 광원 (스폿 크기 <1mm) 막 횡단 및 분광계로 수집 이루어진 제 백색광 간섭계 전송을 사용한다. 푸와 투과광 강도의 간섭 무늬의 기간파장 nction은 막 (20)의 두께를 계산하는 데 사용된다. 다른 방법은 막 두께를 측정하는데 사용될 수 있다는 것을 유의 있지만 비파괴이어야하며, 이상적으로는 비접촉 매우 얇은 막을 변형 피하기. 세포막의 prestretching를 들어, 방사상으로 변위 될 수 8 금속 손가락으로 구성된 집 반경 prestretcher를 사용합니다. prestretch 지원이 들것 (그림 4E)의 손가락에 부착 할 수 있도록 막을 prestretch하려면 손가락이 안쪽으로 이동됩니다. 막을 prestretch 위해 손가락 따라서 효과적으로 막을 prestretching-축성을 동등 선도 실리콘 막의 직경을 증가 바깥쪽으로 이동된다. 여덟 손가락은 그의 손가락 회전의 반경 방향 간격 (도 5)를 정의하는 고리에 연결되어있다.

여기에 제시된 하나 중요 같은 효율적인 노포 처리 흐름을 갖는튼튼하고 신뢰성있는 장치의 재현성을 제조. 그것을 선택하고 응용 프로그램에 멤브레인의 특성을 맞게 할 수 있습니다로 미리 만들어진 필름을 구입에 비해 얇은 엘라스토머 막을 캐스팅, 많은 디자인의 자유를 제공합니다. 실리콘 엘라스토머의 경우에 예를 들어, 파 단점 강도 및 신율이 다른 사슬 길이 및 가교 결합 밀도를 갖는 제품을 선택함으로써 선택 될 수 있으며, 두께는 주조 공정을 조정함으로써 변화 될 수있다. 후자의 포인트는 미리 만들어진 필름 가능하지 않은, 독립적으로 최종 막 두께와 prestretch를 선택하는 예를 들어 있습니다.

대부분의 장치가 동일 막에 능동 및 수동 영역으로 이루어져 능력 소규모 (서브 mm로 cm)에 정밀 패턴을 전극으로도 DEAS위한 중요한 요구 사항이다. 이것은 전극 형상을 정확하게 막에 정의되어야 함을 의미한다. 또한, 전극을 양면에 적용되어야로서정확하게 정의 된 형상에 더하여, 전극은 또한 정확하게 막 상에 위치되어야 막, 그것은 서로에 대해 두 개의 전극을 정렬 할 필요가있다. 여기에 제시된 스탬핑 공정이 두 요건을 충족. 단지 몇 초 전극을 인쇄하는 데 필요한 더욱이, 패드 인쇄가 빠른 프로세스이고, 액츄에이터가 쉽게 배치 처리 방법이 이용 될 수있다. 수동으로 적용 널리 사용되는 탄소 그리스 또는 느슨한 분말 전극과 달리, 우리의 방법은 정밀하게 그들이 적용되는 막에 강한 접착력을 제시 전극을 정의하도록 이끈다. 그들은 매우 유용 할 저항성, 및 막 (13)으로부터 박리 될 수 없다. 멤브레인과 접촉하는 유일한 부분은 부드러운 실리콘 스탬프 때문에, 패드 인쇄 콘택트 법이라는 사실에도 불구하고, 이것은 얇고 깨지기 실리콘 막에 잉크를 적용 할 수있다. 그러나, 스탬프와 일 사이에 불가피한 정지 마찰이있다스탬프 다시 위쪽으로 이동되면 멤브레인의 약간의 변형을 일으키는 전자 멤브레인. 막이 너무 얇 으면, 이는 막의 파열을 초래할 수있다. 이것은 효과적으로 두꺼운 10㎛ 이하를 막을 수있는 패드 인쇄 법의 적용을 제한한다. 더 얇은 막의 경우, 비접촉 형 패터닝 방법은 잉크젯 프린팅으로 사용되어야한다.

DEAS는 15 년 이상 연구되어 왔지만, 오늘날의 DEAS의 대부분은 여전히​​ 수공 그리스 전극과 결합 된 기성 폴리 아크릴 레이트 필름에 기초한다. 이 손으로 만든 방법은 DEAS는 변형 및 전력 소비 측면에서 DEAS의 흥미 성과에도 불구하고, 산업에 의해 제한 채택, 실험실 프로토 타입의 상태에서 대부분 남아 발생했다. 신뢰할 수있는 제조 프로세스가 이미 발표되었지만, 그들은 전용 자동 셋업 21,22 얻어 unprestretched 누적 수축 액츄에이터 제조 염려. 홍보ocess 우리는 여기 제시 DEA를 제조하는데 필요한 중요한 모든 단계를 설명하고, 쉽게 정의 타겟 애플리케이션에 맞게 적용 할 수있는 다목적 다목적 프로세스 흐름이다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
High quality PET substrate, 125 μm thick DuPont Teijin Melinex ST-506 low surface roughness and absence of defects
Isopropanol 99.9% Droguerie Schneitter
Poly(acylic acid) solution (25%) Chemie Brunschwig 00627-50 Mw=50 kDa
Automatic film applicator Zehntner ZAA 2300 with vacuum table
Profile rod applicator Zehntner ACC378.022 22.86 μm
Oven Binder FD 115
Dow Corning Sygard 186 silicone kit Dow Corning Sylgard 186 silicone used for casting membranes
Dow Corning OS-2 silicone solvent Dow Corning OS2 environmentally-friendly solvent. Mixture of 65% Hexamethyldisiloxane and 35% Octamethyltrisiloxane
Thinky planetary mixer Thinky ARE-250
container PE-HD 150 ml Semadeni 1972 Container to mix the silicone for the membrane
Medical grade 125 ml PP wide mouth jar with cap Thinky 250-UM125ML Container to mix the ink
Bearing-Quality steel balls 12 mm McMaster-Carr 9292K49
Universal applicator with adjustable gap Zehntner ZUA 2000.220
Transparency film for overhead projector Lyreco 978.758
Dry silicone transfer adhesive (roll) Adhesive Research Arclear 8932
poly(methyl methacrylate) plate 500 mm x 290 mm x 3 mm Laumat Plexi 3mm
Prestretching rig "home made"
USB spectrometer for visible light Ocean Optics USB4000-VIS-NIR Spectrometer for the thickness measurement
Tungsten halogen white light source Ocean Optics LS-1 Light source for the thickness measurement
400 micrometer optical fiber Ocean Optics QP400-2-VIS-NIR Optical fiber on the spectrometer side for the thickness measurement
600 micrometer optical fiber Ocean Optics P600-2-VIS-NIR Optical fiber on the light source side for the thickness measurement
Carbon black Cabot Black Pearl 2000
Silicone Nusil MED-4901 Nusil MED-4901 silicone used in conductive ink
Pad-printing machine TecaPrint TCM-101
Thin steel cliché 100 mm x 200 mm TecaPrint E052 100 200 Steel plate etched with the design you need to print. The etching is performed by the company selling the cliché.
96 mm inkcup TecaPrint 895103 Component of the pad printing machine in which the ink is contained
Soft silicone 30 mm printing pad TecaPrint T-1013 Printing pad for the pad printing machine
60 W CO2 Laser engraving machine Trotec Speedy 300 To cut frames and foils
Carbon conductive tape SPI supplies 05081-AB For electrical connections to the electrodes
4 channels 5 kV EAP controller Biomimetics laboratory low power high voltage source to test the actuators. http://www.uniservices.co.nz/research/centres-of-expertise/biomimetics-lab/eap-controller

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References

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