תהליך ייצור של מפעילי אלסטומר דיאלקטרי מבוסס סיליקון

Summary

This manuscript shows the fabrication process for the manufacture of dielectric elastomer soft actuators based on silicone membranes. The three key stages of production are presented in detail: blade casting of thin silicone membranes; pad printing of compliant electrodes; and the assembly of all the components.

Abstract

תרומה זו ממחישה את תהליך הייצור של חיישני אלסטומר דיאלקטרי (DETs). DETs קבלים מתיחה בהיקף של קרום דיאלקטרי אלסטומרי דחוק בין שתי אלקטרודות תואמות. זני actuation הגדולים של מתמרים אלה כאשר שמשו מפעילים (מעל 300% זן שטח) והטבע הרך והתואם נוצל למגוון רחב של יישומים, כוללים אופטיקה חשמלית מתכונן, מכשירי משוב לתחושה, קציר גל-אנרגיה, תא עיוותים מכשירי -culture, grippers תואמת, והנעה של ספינת אוויר כמו דגים-השראה ביו. ברוב המקרים, DETs נעשים עם אלסטומר אקריליק קנייני מסחרי ועם אלקטרודות יד מיושמת אבקת פחמן או שומן פחמן. שילוב זה מוביל למפעילים שאינם לשחזור ואיטיים מציגים השרץ viscoelastic וחיים קצרים. אנו מציגים כאן זרימת תהליך שלמה עבור הייצור לשחזור של DETs מבוססים על סיליקון אלסטומרי הדקסרטי דואר, כוללים ליהוק של קרומים דקים סיליקון, שחרור קרום וprestretching, דפוסים של אלקטרודות חזקה, הרכבה ובדיקה תואמות. הקרומים נוצקו על terephthalate פוליאתילן גמיש מצעים (PET) מצופים בשכבת ההקרבה מסיס במים על מנת להקל על שחרור. אלקטרודות מורכבות מחלקיקי פחמן שחור התפזרו לתוך מטריצת סיליקון ובדוגמת שימוש בטכניקת הטבעה, מה שמוביל ל- מוגדרים במדויק אלקטרודות תואמות המציגות הידבקות גבוהה לקרום דיאלקטרי שעליו הם מיושמים.

Introduction

מתמרים אלסטומר דיאלקטרי (DETs) הם התקנים רכים שמורכבים מקרום אלסטומרי דיאלקטרי (בדרך כלל 10-100 מיקרומטר עבה), דחוק בין שתי אלקטרודות תואמות, ובכך ליצור קבלים גומי ^1. DETs יכול לשמש כמפעילים מסוגלים לייצר זנים גדולים מאוד (עד 1,700% מתח פני השטח הודגם) ^2, חיישנים רכים מתח ^3, או הגנרטורים רכים כמו ^4. כאשר שמש מפעילים, מתח חשמלי בין שתי אלקטרודות. הכוח האלקטרוסטטי שנוצר לוחץ קרום דיאלקטרי, הפחתת העובי שלה ולהגדיל את שטח הפנים שלה (איור 1) ^1. בנוסף למפעילים, אותו המבנה הבסיסי (קרום דק ואלסטומר אלקטרודות מתיחה) יכול לשמש כמכשירים חיישן מתח או קצירת אנרגיה, תוך ניצול שינוי הקיבול הנגרם על ידי עיוות מכאנית. הזנים הגדולים שנוצרו על ידי אלסטומר דיאלקטריctuators (Deas) והטבע הרך והתואם שלהם כבר משמשים ליישומים רבים, כגון עדשות חשמליים מתכונן ^5, מנועים סיבוביים ^6, מכשירים סלולארי תרבות עיוותי ^7, והנעה של ביו השראה ספינת אוויר כמו ^דגים-8.

רוב DETs דווח בספרות להשתמש סרט קניינית אקריליק אלסטומר מ3M שם VHB כקרום אלסטומר דיאלקטרי, כי זה כבר הראה להציג זני actuation מאוד גדולים ^1. הזמינות של חומר זה בצורת סרט היא גם גורם מפתח בשימוש הרחב שלה ליישומי DET, למרות ש( זן actuation להפריש), יש לו מספר החסרונות חשובים, כגון הפסדים מכאניים וזחילת viscoelastic המגבילים את מהירות התגובה שלה , מגוון קטן טמפרטורת הפעלה, ונטייה לקריעה. בהשוואה, יכולים לשמש גם כאלסטומרים סיליקון קרום דיאלקטרי לDETs, מוביל למכשירים עם מהירות תגובה 1,000 פעמים מהר יותרמ אלסטומרים אקריליק, בשל ההפסדים מכאניים ⁹ המופחת בהרבה שלהם. בנוסף, הם זמינים במגוון רחב של קשיות, אשר נותן חופש עיצוב נוסף. עם זאת, סיליקונים בדרך כלל נמכרים בצורת בסיס צמיגה, אשר חייב להיות מיושמת בקרומים דקים שישמש לDETs. עם זאת, זה עדיין מספק מידה נוספת של חופש, כעובי הקרום ניתן לבחור באופן חופשי ולא מוטל על ידי היצרן, כמו במקרה של סרטי premade.

פרוטוקול זה מראה את הייצור של מפעיל אלסטומר דיאלקטרי. עם זאת, זה יכול להיות מיושם גם עם לא מעט שינוי עבור הייצור של חיישני דיאלקטרי אלסטומר במובן רחב יותר, כולל התקני קצירת אנרגיה וחיישני לחץ. אנו מציגים כאן שיטה לשטח גדול ליהוק (A4) של סרטי סיליקון (10-100 מיקרומטר) דקים על מצעים גמישים PET מצופים בשכבת ההקרבה מסיס במים. שכבת ההקרבה מפחיתה את כוחות required להפריד את קרום סיליקון מהמצע, ובכך להקטין את העיוות המכנית של הקרום במהלך שחרור. עיוות של הסרט יכולה להוביל לתכונות מכאניות איזוטרופי עקב (השפעת מולינס) ריכוך-induced מתח ¹⁰ ולכן יש להימנע. אלקטרודות הן המרכיב המרכזי השני של Det. התפקיד שלהם הוא להפיץ את המטענים החשמליים על פני השטח של קרום אלסטומרי. כדי לייצר מפעיל אמין, אלקטרודות חייבת להיות מסוגלים לעמוד זנים חזרו גבוהים יותר מ -20% ללא פיצוח, משפיל, delaminating, או לאבד מוליכות; יתר על כן, הם חייבים להיות תואמים כדי לא מכניים להקשיח את המבנה ^11. בין הטכניקות השונות שקיימים כדי להרוויח אלקטרודות תואמות, חלקיקי פחמן שחורים ביד מיושמת או שומן פחמן הם שתי השיטות הנפוצות ביותר ^11. עם זאת, יש לי שיטות אלה לא מעט חסרונות: יישום ביד מונע מזעור של מכשירים, מוביל לתוצאות שאינן לשחזור, והוא גוזל זמן. בנוסף, אבקת פחמן או שומן לא לדבוק בקרום ואלקטרודות המיוצרות על ידי שיטה זו כפופות ללבוש ושחיקה מכאנית. כמו כן, במקרה של גריז, הנוזל מחייב יכול לפזר את קרום דיאלקטרי ולשנות את המאפיינים מכאניים שלה. החיים של אלקטרודות אבקה או משחה פחמן כמוס של האו"ם הוא כתוצאה מכך קצרים למדי. כאן, אנו מציגים הדפוסים של אלקטרודות תואמות על ידי הדפסת כרית הטבעת טכניקה בשם שבו עיצוב מדויק מועבר לממברנה באמצעות חותמת סיליקון רכה, ובכך מאפשרים לאלקטרודות במהירות וreproducibly דפוס מדויקת, עם תכונות עד 0.5 מ"מ. הפתרון יושם מורכב מתערובת של פחמן שחור במטריצת סיליקון, שהוא צולב לאחר יישום, ובכך מובילים לאלקטרודות נרפאו עם הדבקה חזקה קרום אלסטומרי, מה שהופך אותם מאוד גמישים ועמיד בפני שחיקה מכאנית וללבוש.

הפרוטוקול הבא מתאר את כל הצעדים הנדרשים כדי לייצר Deas המהיר ואמין עם אלקטרודות תואמות בדוגמת בדיוק. זה כולל יציקת קרום וprestretching, דפוסים ויישור של אלקטרודות, הרכבה, חיבור ובדיקה חשמליים. לצורך הווידאו, אנו לפברק מפעיל במטוס פשוט עם אלקטרודה בצורת ציוד, כפי שמוצגים באיור 2. המפעיל מורכב מקרום דק סיליקון נמתח על בעל קרום, שבו שתי אלקטרודות תואמות בדוגמת. מסגרת מפעיל לאחר מכן הוכנסה כדי לספק מגע חשמלי לאלקטרודה התחתונה. איור 3 מראה נוף התפוצץ של ההרכבה עם הרכיבים השונים של המפעיל. למרות שהמכשיר הבין בווידאו אין יישום מעשי מעבר הוכחת העיקרון הבסיסי של Deas, מפעילים שונים במטרה יישומים ספציפיים נעשו שימוש בדיוק באותו התהליך, כגוןכgrippers רכה, עדשות מתכונן, מסיטי מופע מ"מ-גל מתכונן, וכו '

Protocol

1. סיליקון ממברנה ייצור

1. ליהוק שכבה של קורבן
   1. חותך גיליון ארוך 400 מ"מ באיכות גבוהה 125 PET מיקרומטר העבה מהגליל.
   2. הכן פתרון ההקרבה (5% חומצה אקרילית פולי בisopropanol לפי משקל): לערבב יחד 32 גרם של isopropanol ו8 גרם של פתרון poly אקריליק חומצה (25% במים) בצינור פלסטיק 50 מיליליטר. לנער היטב.
   3. נקה את מצע PET עם מגבוני מוך חופשי ספוגים עם isopropanol.
   4. נקה את שולחן הוואקום עם מגבוני מוך חופשי ספוגים עם isopropanol.
   5. הנח את מצע PET על שולחן הוואקום ולהפעיל את משאבת הוואקום.
   6. ראייה לבדוק את שולחן הוואקום כדי לוודא ששום חלקיקי אבק גדולים לכודים בין שולחן הוואקום ומצע PET. חזור על שלבי ניקוי הקודמים אם חלקיקי אבק מזוהים.
   7. נקה את המשטח העליון של מצע PET עם מגבוני מוך חופשי ספוגים עם isopropanol.
   8. מניחים את מוט הפרופילpplicator על coater האוטומטי הסרט ומהירות ציפוי להגדיר עד 5 מ"מ / sec.
   9. שים 2 מיליליטר של תמיסת שכבת ההקרבה מול מוט הפרופיל ולהתחיל את המכונה coater.
   10. כאשר מוט הפרופיל הגיע לסוף של מעלית מצע PET זה מתוך coater ולנקות אותו על ידי ניגוב עם לנגב ספוג במים חמים ונטול מוך.
   11. לחזור מוליך הסרט אבל להשאיר את ריצת משאבת הוואקום ולהשאיר את מצע PET על צלחת הוואקום. בואו יבש השכבה באוויר במשך 2 דקות.
2. ליהוק קרום סיליקון
   1. מחממים התנור ל 80 מעלות צלזיוס.
   2. הוסף 15 גרם של בסיס סיליקון ו1.5 גרם של צולב מקשר לסיר ערבוב. הוסף 10 גרם של ממס סיליקון כדי להקטין את הצמיגות.
   3. מערבבים את תערובת סיליקון עם מערבל פלנטרי. השתמש במחזור 2 דקות ערבוב ב2,000 סל"ד תוספת מחזור סילוק גזים 2 דקות ב2,200 סל"ד.
   4. הגדר את הגובה של המוליך האוניברסלי 225 מיקרומטר. מניחים את המוליך בחלק העליון של גיליון PET ולא נקבעהוא מצלם את מהירות מוליך עד 3 מ"מ / sec.
   5. העברה 15 מיליליטר של תערובת סיליקון מהסיר הערבוב על מצע PET עם מזרק.
   6. התחל מוליך אוטומטית ליישם סיליקון על מצע PET השלם (איור 4 א).
   7. כבה את המשאבה ולחכות 5 דקות לתת להתאדות הממס משיכבת הגבס.
   8. העבר את הקרום לצלחת זכוכית ומכניסים לתנור למשך 30 דקות על 80 מעלות צלזיוס.
   9. נקה את המוליך וצלחת ואקום עם מגבונים ללא סיבים ספוגים עם isopropanol.
   10. לאחר 30 דקות, להסיר את הקרום מהתנור, משאיר להתקרר על RT עבור 5 דקות נוספות ולכסות אותו עם נייר כסף PET דק כדי להגן על פני השטח ממזהמים.

2. שחרור וPrestretching של ממברנות אלסטומרי

1. ייצור תמיכת Prestretch
   1. לחתוך מלבן בגודל A4 מהגליל של דבק סיליקון העברה יבש.
   2. הסר o אחדF כיסויי מגן מדבק העברת סיליקון היבש וידני להחיל את הדבק על שקף A4, לטפל כדי למנוע ההיווצרות של בועות במהלך יישום.
   3. חותך את תבנית תמיכת prestretch לסרט השקיפות מכוסה הדבקה באמצעות חרט לייזר שליטה במחשב מספרי (CNC) (איור 4) על פי הפרוטוקול של היצרן.
2. ייצור תמיכת ממברנה
   1. חותך 500 מ"מ על ידי 290 מ"מ מלבן בגליל של דבק סיליקון העברה יבש.
   2. לקלף אחד כיסויי מגן מדבק העברת סיליקון היבש ולרבד את נייר הכסף על פולי העבים 3 מ"מ (methacrylate מתיל) צלחת (PMMA).
   3. במסגרת PMMA, טבעות קיצוץ של 52 מ"מ מחוץ קוטר 44 מ"מ וקוטר פנימי שישמש כבעלי קרום.
3. שחרור ממברנה
   1. חותך את קרום סיליקון היצוק כריך המצע / PET מהשלב 1 לעיגולים בקוטר 55 מ"מנצח, באמצעות חרט לייזר CNC (איור 4) על פי הפרוטוקול של היצרן ולקלף את הסרט המגן.
   2. תקן את חיתוך לייזר prestretch לתמוך על צד דבק מעגל קרום סיליקון החתוך כלפי מטה, כך שהדבק במגע עם משטח סיליקון (איור 4C).
   3. הכן אמבט מים רותחים ולהטביע את ההרכבה (קרום סיליקון ותמיכת דבק) לתוכו.
   4. בעוד שקוע, בעדינות ולאט לאט לקלף את מצע PET מקרום סיליקון (איור 4D).
   5. להסיר את קרום סיליקון מאמבט המים ולתת לו להתייבש באוויר או להשתמש באקדח חנקן המהיר עד לתהליך הייבוש.
4. מדידת עובי קרום וprestretch
   1. למדוד את העובי של הקרום עם interferometer שידור על פי הפרוטוקול של היצרן.
   2. הגדר את prestretcher לקוטר של 45 מ"מ, ולמקם את prestrקרום לחרוט תמיכה-סיליקון על אצבעות אלונקה, צד דביק כלפי מטה.
   3. חותך את תמיכת prestretch בין אצבעות האלונקה (איור 4E).
   4. להגדיל את הקוטר של prestretcher ל58.5 מ"מ לprestretch שוה-biaxially הקרום על ידי (prestretch 30%) 1.3 גורם ידי סיבוב נגד כיוון השעון annulus prestretcher (איור 5).
   5. הסר את סרט כיסוי מבעל קרום PMMA לחשוף את הדבק ומקל בעל קרום PMMA על פני השטח קרום prestretched (איור 4F).
   6. חותך סביב בעל הקרום להסיר את קרום prestretched מהאלונקה.
   7. למדוד את העובי הסופי של קרום prestretched עם interferometer שידור.

3. תואם אלקטרודות דפוסים על ידי הדפסת Pad

1. הכנת דיו מוליך
   1. במכל פלסטיק מיקסר 125 מיליליטר, למקם את פחמן 0.8 גרם שחור wה- i isopropanol 16 גרם ו -6 כדורי פלדה בקוטר 12 מ"מ. מערבבים ב2,000 סל"ד במשך 10 דקות במיקסר פלנטריים.
   2. הוסף 4 g חלק אלסטומר סיליקון, 4 חלק ב 'ז, וisooctane ז 16. מערבבים ב2,000 סל"ד במשך 10 דקות במיקסר פלנטריים.
2. התקנה של מכונת הדפסת הפנקס
   1. התקן את הקלישאה עם דפוס אלקטרודה הרצויה בבלוק המגנטי (איור 4G).
   2. מלא את inkcup עם הדיו מבוסס-סיליקון המוליך.
   3. מניחים את גוש הקלישאה (קלישאה קבועה על הבלוק המגנטי) על גבי inkcup מלא הדיו ולהתקין את ההרכבה במכונה.
   4. לתקן את פנקס סיליקון במחשב.
3. יישור
   1. מניחים את צלחת aligner (איור 4H) על בסיס המדפסת.
   2. ליזום מחזור הדפסה על מכונת הדפסת פנקס, שיחול עיצוב אלקטרודה על צלחת aligner פי הפרוטוקול של היצרן.
   3. מבחינה ויזואליתלבדוק את החפיפה של האלקטרודה המודפסת ומבנה חרוט התייחסות של צלחת aligner. הזז את שלב XY-θ לתקן כל חוסר תיאום.
   4. נקה את צלחת aligner ולהדפיס אלקטרודה אחרת.
   5. ראייה לבדוק היישור עם מבנה ההתייחסות ולהמשיך לנוע אלקטרודות עמדת הפלטפורמה והדפסה עד לקבלת סופרפוזיציה מושלמת של הדפוס מודפס על מבנה ההתייחסות (איור 4H).
4. הדפסת אלקטרודות תואמות
   1. הנח קרום prestretched על בסיס המדפסת.
   2. על מכונת הדפסת הפנקס, השקת מחזור הדפסה להחתים את האלקטרודה בצד העליון הקרום (איור 4I). חותמת קרום פעמיים כדי להבטיח עובי האלקטרודה מספק של כ -4 מיקרומטר.
   3. להסיר את הקרום מבסיס המדפסת, למקם את קרום prestretched הבא על בסיס המדפסת ולחזור על תהליך ההדפסה, עד שכל ממ prestretchedbranes הם חותמים.
   4. מניחים את הקרומים עם אלקטרודה החותמת בתנור על 80 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות.
   5. לאחר 30 דקות, להסיר את הקרום מהתנור.
   6. מקום אחד של הקרומים המודפסים במהופך על בסיס המדפסת, חושף את הצד האחורי הקרום.
   7. ליזום מחזור הדפסה לדפוס אלקטרודה התחתונה.
   8. להסיר את הקרום מבסיס המדפסת, למקם את הקרום הבא על בסיס המדפסת ולחזור על תהליך ההדפסה, עד שכל הקרומים המוטבעים על שני הצדדים.
   9. מניחים את הקרומים בתנור על 80 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות לקישור צולב אלקטרודה התחתונה.

4. יצירת חיבורי חשמל

1. מסגרות מפעיל Cut שישמשו כמסגרת להחזקת המפעיל באותה הצלחת PMMA משמשת לבעל הקרום (CF 2.2) באמצעות חרט לייזר CNC.
2. מתקלף הגיבוי של הדבק על החלק העליון של מסגרת המפעיל.
3. החל חתיכת x 2.5 מ"מ 18 מ"מ של סרט מוליך על החלק של מסגרת המפעיל שבאה במגע עם האלקטרודה התחתונה, ולקפל אותו לצד השני של המסגרת כדי לספק את המגע החשמלי (איור 3).
4. החלק את מסגרת המפעיל בתוך בעל הקרום, ולחץ בעדינות את הקרום עם אצבעות לתקוע אותו לדבק של מסגרת המפעיל.
5. עם אזמל, לחתוך את הקרום בגבול בין בעל הקרום ומסגרת מפעיל ולהסיר לשעבר.
6. החל חתיכה של 18 מ"מ קלטת מוליך x 2.5 מ"מ שנייה על קשר האזור של האלקטרודה העליונה.
7. מניחים חוט על כל חתיכת סרט מוליך לעשות חיבור חשמלי. לחבר את שני חוטים למקור מתח גבוה, ולהחיל אות מרובעת 2 הרץ של משרעת 2 קילו וולט. שים לב להרחבה התקופתית של המכשיר.

תוצאות

ליהוק קרום סיליקון

ברגע שקרום סיליקון משתחררים מהמצע PET ובודד במסגרת (בסוף השלב 2.2), העובי שלהם ניתן למדוד, למשל על ידי אינטרפרומטריה שידור. איור 6 מציג את ההומוגניות העובי של שכבת סיליקון לרוחב של מצע PET 200 מ"מ 3 גבהים שונים פער יעיל (50, 100 ו -150 מיקרומטר) במהירות ליהוק של 1 מ"מ / שנייה (שים לב שבגלל המוליך הוא רחב יותר מאשר מצע PET, הרגליים של שאר המוליך ב ואקום ולא על מצע PET עצמו, כפי שניתן לראות באיור 4 א. הפער האפקטיבי בין המוליך והמצע לכן שווה לגובה מוליך מינוס העובי של מצע PET. לדוגמא מצע PET של 125 מיקרומטר ו גובה מוליך של 225 מיקרומטר, המשמש בפרוטוקול, מוביל לפער אפקטיבי של 100 מיקרומטר). בשביל שגובה הפער יעיל 50 מיקרומטר, יש הבדל ברור בין גובה השמאל וצד ימין של שכבת סיליקון. סיבה לכך הוא בגובה של המוליך חייב להיות מוגדר באופן ידני בצד ימין ועל השמאל, ואיזו שגיאה היא בלתי נמנעת. עם זאת בהגדרה זהירה של המוליך, אנחנו בדרך כלל להשיג קרומים עם סטיית עובי סטנדרטית של פחות מ 1 מיקרומטר, שהוא במקרה לגובה 100 מיקרומטר היעיל הפער (σ = 0.81 מיקרומטר). כאשר גובה המוליך הופך גדול מדי, גליות מתחילה להופיע בקרום, הנגרם על ידי האידוי של הממס בתערובת סיליקון, כפי שנראה בקרום יצוק עם פער אפקטיבי של 150 מיקרומטר (איור 6).

בין העובי הושג יבש סרט וגובה המוליך ביחס תלוי בתערובת סיליקון והמהירות של ליהוק. תערובת סיליקון המשמשת במאמר זה מורכב מסיליקון 2-חלקים, וממס כדי להקטין את viscosity של התערובת. כממס מתנדף מהקרום לפני הריפוי, ניתן לקבל הערכה של עובי סרט על ידי הכפלת גובה הפער היעיל על ידי חלק הנפח של מוצקים בתערובת סיליקון. עם זאת, יש השפעות דינמיות בנגרר של המוליך, מובילות יצירת המניסקוס ועובי דק יותר מהצפוי. בין גובה הפער ועובי קרום היבש וכתוצאה מכך ביחס תלוי במהירות הליהוק, גובה מוליך, ועל ידי צורת המוליך. איור 7 מציג את התוצאות של ניסוי שבו קרומים נוצקו במהירויות וגבהים שונים כדי להראות עד כמה פרמטרים אלה משפיעים עובי סרט יבש. ניתן לראות שהליהוק במהירויות גבוהות מוביל לקרומים דקים יותר, וכי ההשפעה של מהירות הופכת בולטת יותר כגובה הפער מגדיל.

Actuation ביצועים

המפעיל המפוברק כאן מאופיין בmeasuring הקוטר החיצוני של האלקטרודה כמו הבורג-כפונקציה של מתח שימושי. מצלמה בעמדה קבועה משמשת כדי לצלם תמונות של המפעיל כמתח מוגבר. התמונות מנותחות עם תסריט עיבוד תמונה (חזון, מכשירים לאומי) לכמת את הרחבת המפעיל. הדבר נעשה על ידי התאמת מעגל להיקף החיצוני של בורג כמו אלקטרודה (איור 8). הגידול בקוטר של המעגל מהמצב רגוע מוצג כמתיחת diametral (כלומר, הקוטר מונע מחולק בקוטר של המפעיל כאשר רגוע). התוצאות של שני מפעילים נפרדים של עובי זהה (34.5 מיקרומטר) מוצגות באיור 8. שני המכשירים לבצע באופן דומה עם מתיחת diametral של 10% במתח actuation של 4 קילו וולט.

מהירות התגובה של המפעיל נמדדה על ידי יישום אות מרובעת 2 הרץ של 3 קילו וולט, שמוביל למתח של כ -4%. הרחבת actuator צולם עם מצלמה במהירות גבוהה עם רזולוציה של 0.25 אלפיות שניות זמן. קצה עלייה נתפס, עם 200 מסגרות (50 אלפיות שנייה) לפני הדק המתח, ו -200 מסגרות אחרי. התמונות שבי לאחר מכן נותחו כדי לחלץ את העיוות תלוית הזמן (איור 9). זמן העלייה (הזמן הדרוש כדי להגיע ל -90% מהעיוות הסופית) הוא 3.75 אלפיות שני, ואין השרץ viscoelastic נצפית לפני ואחרי צעד המתח, בניגוד למה שנצפה כאשר אלסטומרים אקריליק משמשים כקרום, שתעלו פעמים ב כמה מאות שניות בדרך כלל הם נצפו ^12.

יישום של זרימת התהליך למכשירים אחרים

המפעיל מיוצר במאמר זה מדגים התהליך שלנו הייצור, כמו גם את עיקרון התפקוד הבסיסי של ה- DEA עם עלייה בשטח פנים של אלקטרודות על יישום של מתח, ולכן דוגמא טובה לזה הדרכה. עם זאת, זהיש מפעיל שום מטרה ספציפית אחרת מאשר מדגים את עיקרון actuation של DEA. עם זאת, התהליך שהוצג כאן הוא מאוד תכליתי ויכול לשמש לייצור מגוון רחב של מתמרים רכים שמטרת יישומים ספציפיים. אנו מציגים כאן כמה דוגמאות נבחרות של יישומים שפותחנו על בסיס מפעילים מפוברקים באמצעות מתודולוגיה הציגה.

עדשות מתכונן בהשראת יו רכות כבר מפוברקות (איור 10 א). אלה הם מסוגלים לשנות אורך מוקד של 20% בפחות מ -200 μsec ^9. המכשיר יכול להיות מונע ליותר מ -400 מיליון מחזורים ללא ירידה מורגשת בביצועי actuation, אשר מראה כי השילוב של חומרים ותהליכים מתאימים ייצור טובים לגרום Deas עם מהירויות תגובה מהירות וחיים ארוכים. עדשות של גיאומטריה דומה אבל נעשה באמצעות אלסטומר אקריליק המסחרי הנפוץ יש לי VHB רוחב פס יותר מ 3 סדרי גודל קטן יותר 9.

דפוסי אלקטרודות תואמות עם הדפסת כרית מאפשר ביצוע אלקטרודות בדיוק מוגדרות מאוד, ובכך מאפשר הייצור של אלקטרודות בקנה מידה קטנה העצמאית באותו הקרום. זה למשל הפגין דרך הייצור של מנוע רוטרי מבוסס DEA הכולל שלוש אלקטרודות חשמליים עצמאיות (איור 10 ב). הציר ומסת הוכחה במרכז המנוע יכולים להסתובב ב1,500 סל"ד ^13. מושג המנוע נדחק נוסף כדי להראות שהדפסת הכרית גם יכול לייצר מפעילים אמינות. רובוט מתגלגל קומוטטוריים עצמי נבנה לרוץ הקפות לאורך מסלול מעגלי (10C איור). הרובוט נסע יותר מ -25 קילומטר במהירות ממוצעת של 15 סנטימטר / ¹³ שניות.

יישומים אחרים שהופקו בתהליך הנוכחי (או שינויים קלים ממנו) כוללים מערכות לעיוותי תרבות תא ^14, גנרטורים אלסטומר דיאלקטרי 15, grippers רב-קטע רך ^16, או מסיטי מופע תדר הרדיו מתכונן מ"מ-גל ^17.

איור 1. עיקרון יסוד של מפעילי אלסטומר דיאלקטרי למעלה:. (1A) בצורה הפשוטה ביותר שלה, ה- DEA מורכב מקרום אלסטומר רך דחוק בין שתי אלקטרודות תואמות. (1B) כאשר מתח DC מיושם בין האלקטרודות, החיובים אלקטרוסטטי הביאו על אלקטרודות ליצור לחץ דחיסה שלוחץ את הקרום, שהוביל לירידה בעובי והרחבת שטח. תחתון: (2 א) המפעיל המתואר בפרוטוקול מורכב מקרום המתוח על מסגרת. אלקטרודות החוזר משני צדי הקרום עם סיומות לגבול של הקרום כדי לאפשר חיבורי חשמל. Ar הפעילEA הוא האזור שבו שתי אלקטרודות חפיפה, כלומר, המעגל במרכז. (2B) כאשר מתח חשמלי, הכוח אלקטרוסטטי דוחס את הקרום. זה גורם לירידה של עובי הקרום באזור הפעיל, ועלייה של פני השטח של האלקטרודה. בגלל הקרום prestretched, האזור הפסיבי סביב האלקטרודה מרגיע כדי להכיל את ההתרחבות של האזור הפעיל המרכזי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

. איור 2. מפעיל המפגין מפוברק בפרוטוקול זה שמאל: מכשיר מוגמר הכולל קרום סיליקון מתוח על מסגרת קבועה, זוג אלקטרודה תואמת בדוגמת שני הצדדים של הקרום, וחיבורי חשמל. הר"ילהילחם: תמונה מרוכבים המראה את מצב מנוחה (שחור) ומדינה מופעלת (ציאן). עלייה של 10% בקוטר של המבנה הוא ציינה עם 4 קילו וולט מוחל על פני האלקטרודות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. התפוצץ נוף של המפעיל. הרכיבים השונים המרכיבים את המפעיל מיוצר בווידאו. בעל הקרום שומרת לעצמה את קרום סיליקון prestretched ומשמש כדי לתפעל את הקרום במהלך שלב הדפסת אלקטרודה. ברגע שהאלקטרודות נרפאו, מסגרת המפעיל מוכנסת בתוך בעל הקרום ומציעה מסגרת מבנית להחזיק המפעיל, ומגע חשמלי לאלקטרודה התחתונה. ברגע שהקרום קבוע למסגרת המפעיל,ניתן להסיר בעל mbrane. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

סקירת איור 4. של תהליך הייצור. (א) יציקה של ממברנות סיליקון באמצעות coater מוליך סרט אוטומטי. חיתוך (ב ') בלייזר של קרום סיליקון נרפא ותומך prestretch. צבת של קרום סיליקון על תמיכת prestretch (C). (ד) שחרור של קרום סיליקון ממצע PET ידי ההמסה של שכבת הקרבת PAA במים חמים. חיתוך (ה) סעיפים תמיכת prestretch מקשרים את האצבעות. (F) Prestretch והקפדה של בעל קרום אל פני השטח הקרום. (G) קלישה מלאה מנצחדיו uctive. (H) לייזר חרוט aligner אלקטרודה, דמות מראה הבלעה דוגמא של האלקטרודה מיושרת היטב. קרום (I) סיליקון עם אלקטרודה מבוילת. (J) מכשיר מוגמר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5. עיקרון פעולה של prestretcher הקרום. () אצבעות מתכת מספר מצורפות לannulus פלסטיק ומוגבלים לנוע ביניארי אופנה (רדיאלי) לאורכם. Annulus מוגבל לנוע circumferentially. Annulus הפלסטיק כמה מעוקל חריצים במכונה לתוכו, לתוכו סיכות המתכת של האצבעות מתגוררות. רדיוס של המעגל התוחמת קצה האצבעות הוא ₁ R . (ב) annulus prestretcher הוא הסתובב נגד כיוון השעון, האצבעות לתרגם בו זמנית, להגדיל את רדיוס המעגל התוחמת אצבע קצוות מR ₁ עד ₂ R. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6. הומוגניות עובי של שכבות סיליקון יציקה. מדידת עובי של קרום סיליקון נרפא רוחב מצע PET 200 מ"מ, שלוש הגדרות שונות של פער המוליך. מהירות הליהוק היא 1 מ"מ / sec. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

תוכן "FO: לשמור-together.within עמודים =" תמיד ">
איור 7. עובי סרט יבש כפונקציה של פרמטרים ליהוק. עובי סרט יבש מתקבל לגבהים שונים מוליך ומהירות לתערובת סיליקון-ממס של 62% תוכן מוצק לפי נפח. מהירות גבוהה יותר מובילה לקרומים דקים יותר להגדרות מוליך שווים, ואת ההשפעה של עלייה מהירה בעובי קרום הגדלת. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 8. Actuation של המפגין. למתוח diametral בחוץ כפונקציה של המתח להחיל עבור שני מכשירים בעובי (לאחר prestretch) של 34.5 מיקרומטר. גידול של קוטר של כ 1 0% שנצפו במתח המקסימאלי מיושם. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 9. תגובת הזנים לקלט צעד מתח. כיכר, 3 ק אות 2 הרץ מוחלת על המכשיר, יצירת מתח של כ -4% (ראה איור 8). הרחבת האזור הוא ציין עם מצלמה במהירות גבוהה ב 4000 מסגרת לשנייה. זה לוקח פחות מ 4 אלפיות שני למפעיל להגיע 90% מהממד הסופי שלה. לפני ואחרי המעבר, הממד של המפעיל יישאר יציב ולא מראה השרץ viscoelastic. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הין-page = "תמיד">
איור 10. מפעילי אלסטומר דיאלקטרי עשו עם זרימת התהליך מוצגת. שלוש דוגמאות של מפעילי אלסטומר דיאלקטרי שנעשו על ידי הבא המתודולוגיה שתוארה במסמך זה. עדשה () מהירה ורכה מתכונן מסוגלת לשנות אורך המוקד שלה ב -20% בפחות מ -200 μsec. (ב) אלסטומר רוטרי מיקרו-מוטורי מסוגלים מסתובב ב1,500 סל"ד. (ג) עצמי קומוטטוריים רובוט מתגלגל. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

ניתן לסכם את תהליך הייצור כדלקמן. התחל על ידי יישום שכבת ההקרבה מסיס במים על פני מצע PET משמש ליציקה של הקרום. זה ימנע עיוות מוגזמת במהלך תהליך השחרור שעלולים לפגוע בקרום. סיליקון לאחר מכן יציקה בשכבה דקה ונרפא בתנור. גיליון A4 PET עם ציפוי סיליקון הוא חתך לתוך דיסקים מעגליים של 55 מ"מ קוטר, ונדבק לתומך prestretch גמיש. תומך prestretch משמש כדי לתפעל את הקרום במהלך שלבי שחרור השכבה וprestretching ההקרבה. כדי להפריד את הקרום מן המצע PET, הוא טבול במים חמים כדי להמס את שכבת ההקרבה. תהליך זה מאפשר הקרום להשתחרר מבלי למשוך אותו באופן משמעותי. ברגע שהקרום בודד, ניתן prestretched זה. Prestretching מורכב באופן מכאני מתיחת הקרום במטוס לפני לתקן את זה על החזקת מסגרות. צעד זה יוצר בכחותיהן פנימיים מתיחה בקרום ויש צורך למפעילי אלסטומר דיאלקטרי במטוס, כגון מפגין שמיוצרים כאן. בפרוטוקול, אנו משתמשים בשוה-biaxial מתיחה, כלומר, ערך מתיחה שווה בשני כיוונים במטוס. עם זאת, בהתאם ליישום, ניתן להשתמש בתצורות שונות prestretching, כגון uniaxial (מתיחה רק לאורך x או y, ואילו הקרום מותר להירגע בכיוון האחר), או איזוטרופי (ערכים שונים לאורך x ו- y).

הדפסת פנקס טכניקה הנקראת משמשת לדפוס בדיוק אלקטרודה תואמת על קרום סיליקון prestretched, המאפשר להגדיר במדויק אלקטרודות מ"מ גודל על הממברנה. בתהליך זה, דיו מיושם עם להב רופא על קלישאה (פלדה שבו העיצוב שיודפס חקוק, ולאחר מכן הרים מהקלישה על ידי חותמת סיליקון חלקה לפני שהועבר להממברנה ^13). אֵיִ פַּעַםעיצוב y דורש קלישאה שלה. אלה ניתן להזמין מחברות מתמחות, אשר מייצרות אותם מציור אלקטרוני של הגיאומטריה. כדי להפוך האלקטרודה מוליכה מתיחה, לפזר פחמן שחור במטריצת סיליקון על ידי כוחות גזירה באמצעות כרסום כדור, שהיא טכניקה ידועה לשבור agglomerations של פחמן שחור וhomogenously לפזר את האבקה במטריצת פולימר ^18,19.

בעת ההדפסה, חשוב שהעיצוב מודפס עם מיקום מדויק ובאופן יחסי לכיוון מסגרת הקרום. כדי לעשות זאת, השתמש בשלב XY-θ דיוק וaligner. Aligner היא פיסת PMMA באותה הצורה כמו מסגרת הקרום ויש עיצוב אלקטרודה חרוט על פני השטח שלו לשימוש בחרט לייזר CNC. לפני ההדפסה על קרומנו להדפיס על צלחת היישור כדי לבדוק את היישור. אם העיצוב המודפס אינו תואם את העיצוב החרוט להתאים את שלב XY-θ עד overl שני העיצוביםap (איור 4H). בפרוטוקול, יש לי העליון ותחתונה אלקטרודה את אותו עיצוב, כך מכונת הדפסת הכרית ניתן להשאיר ללא שינוי בין היישומים של שתי אלקטרודות. עם זאת, במקרים מסוימים, גיאומטריות אלקטרודות שונות לאלקטרודה העליונה והתחתונה. במקרה זה, ואילו הקרומים נמצאים בתנור לריפוי של האלקטרודה העליונה (כלומר, בין הצעדים 3.4.3 ו3.4.4), יש צורך להסיר את חסימת הקלישאה (ההרכבה המורכבת מהקלישה שנערכה במקום בבלוק מגנטי) עם קסת דיו ממכונת דפוס כרית. ואז, הקלישאה המותקנת חייבת להיות מוחלף באחד עם עיצוב אלקטרודה התחתון. בגלל בלוק הקלישאה הועבר, יש צורך לקיים הליך חדש יישור (שלב 3.3) באמצעות צלחת aligner חרוטה עם העיצוב של האלקטרודה השנייה. ברגע ששתי אלקטרודות מיושמות, הם צריכים להיות מחוברים למעגל נהיגה חיצוני שמספק את חיובי Fאו להפעלה ללא. ישנם פתרונות שונים לביצוע החיבורים החשמליים בין האלקטרודות תואמות ואלקטרוניקת הנהיגה. הנה, שיטה המתאימה היטב לאב הטיפוס מוצגת, באמצעות מסגרות מכוסות דבקים וסרט מוליך (איור 3). לייצור אצווה, השימוש במעגלים מודפסים עם רפידות נחושת הפנייה אלקטרודות הוא חלופה טובה יותר (ראה איור 10 א לדוגמא של מכשיר עשה עם PCB מסחרי).

השתמש במוצרי ציוד או מסחריים עבור רוב השלבים של זרימת התהליך. שני היוצאים מן הכלל מדידת העובי של קרום סיליקון והצעדים prestretching. למדידת העובי, להשתמש interferometer העברת אור הלבן מורכב מתוצרת בית collimated מקור אור הלבן (גודל נקודה <1 מ"מ) חוצה את הקרום ונאסף על ידי ספקטרומטר. תקופה של השוליים ההפרעה של עוצמת האור מועברת כפוnction של אורך גל משמש לחישוב עובי הקרום ^20. שים לב ששיטות אחרות יכולות לשמש כדי למדוד את העובי, אבל הם חייבים להיות בלתי הרסניים, ובאופן אידיאלי, כדי למנוע מגע לעוות את הקרום דק מאוד. לprestretching של ממברנות, להשתמש prestretcher רדיאלי תוצרת בית, שמורכב מ 8 אצבעות מתכתיות שיכול להיות עקורה רדיאלית. לprestretch קרום, האצבעות מועברות פנימה כך שתמיכת prestretch יכולה להיות תקועות לאצבעות של האלונקה (איור 4E). לprestretch הקרום, האצבעות מועברות החוצה, ובכך למעשה להגדיל את הקוטר של קרום סיליקון, שהוביל לשוה-biaxial prestretching של הקרום. שמונה האצבעות מחוברות לannulus, סיבוב שמגדיר את ההפרדה הרדיאלי של האצבעות (איור 5).

יש זרימת תהליך יעילה ומבוססת כמו זו שהוצגה כאן היא חשובהלייצור מכשירים לשחזור כי הם חזקים ואמינים. בהשוואה לקניית סרטים שהוכן מראש, ליהוק קרומים דקים אלסטומר נותן הרבה חופש עיצוב, שכן היא מאפשרת בחירה והתאמת המאפיינים של ממברנות ליישום. לדוגמא במקרה של אלסטומרים סיליקון, ניתן לבחור את הקשיות וההתארכות בהפסקה על ידי בחירת מוצרים עם אורך שרשרת שונה וצפיפות של cross-linking, והעובי יכול להיות מגוון על ידי התאמת תהליך הליהוק. הנקודה האחרונה מאפשרת לדוגמא לבחירת עובי קרום סופי וprestretch באופן עצמאי, דבר שאינו אפשרי עם סרטים שהוכן מראש.

היכולת בדיוק דפוס האלקטרודה בקנה מידה קטן (סנטימטר למשנה מ"מ) היא גם דרישה חשובה לDeas, כמו רוב המכשירים מורכבים מאזורים פעילים וסבילים באותו הקרום. משמעות הדבר הוא כי צורת האלקטרודה חייבת להיות מוגדרת בדיוק על הממברנה. בנוסף, כאלקטרודות חייבת להיות מיושמות בשני הצדדיםשל הקרום, יש צורך ליישר את שתי אלקטרודות יחסית זה לזה: בנוסף לצורה מוגדרת במדויק, אלקטרודות חייבות גם להיות ממוקמות בדיוק על הממברנה. תהליך הטבעה מוצג כאן ממלא שתי דרישות אלה. יתר על כן, הדפסת כרית היא תהליך מהיר, כמו שרק כמה שניות נדרשות להדפיס אלקטרודה, ומפעילים יכולים בקלות להיות בשיטה זו-מעובד אצווה. בניגוד לשומן בשימוש נרחב פחמן או אלקטרודות אבקה רופפות מיושם באופן ידני, הגישה שלנו מובילה למוגדרות במדויק אלקטרודות המציגות הדבקה חזקה על הקרום שעליו הם מיושמים. הם מאוד עמידים בפני שחיקה, ולא ניתן delaminated מהקרום ^13. למרות שהדפסת פנקס היא שיטת מגע, ניתן להשתמש בו כדי להחיל דיו על קרומי סיליקון דקים ושבירים, כי רק החלק הבא במגע עם הקרום הוא חותמת סיליקון רכה. עם זאת, יש כמה stiction בלתי נמנע בין הבולים והקרום דואר, מה שגורם לעיוות קלה של הקרום פעם החותמת נעה בחזרה כלפי מעלה. אם הקרום הוא דק מדי, זה יכול להוביל לקרע של הקרום. זה למעשה מגביל את היישום של שיטת הדפסת הכרית לקרומים עבה מ -10 מיקרומטר. לקרומים דקים יותר, יש להשתמש בשיטות דפוסים ללא מגע, כגון הדפסת הזרקת דיו.

למרות Deas נחקרו במשך יותר מ -15 שנים, רוב Deas של היום הם עדיין מבוססים על סרטי polyacrylate מוכנים בשילוב עם אלקטרודות גריז יד מיושמת. שיטות עבודת יד אלה גרמו Deas להישאר בעיקר במצב של מעבדה אבות טיפוס, עם אימוץ מוגבל על ידי תעשייה, למרות הביצועים המעניינים של Deas במונחים של מתח וצריכת חשמל. למרות שתהליכי ייצור אמין כבר פורסם, הם נוגעים לייצור של מפעילי unprestretched, נערמו התכווצות שהושגו עם מוקדש הגדרות אוטומטיות ^21,22. יחסי הציבורocess לזרום אנו מציגים כאן הוא תהליך כל מטרה תכליתית המתאר את כל השלבים החשובים הצורך לפברק DEA, ואשר יכול בקלות להיות מיושם כדי להתאים יישום יעד מוגדר.

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