실리콘 엘라스토머 계 유전 액츄에이터 제조 공정
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
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 안정적인 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
Representative Results
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.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was partially funded by the Swiss National Science Foundation, grant 200020-153122. The authors wish to thank the member’s of our soft transducers group – past and present – for their contribution to the refining of our fabrication process flow.
Materials
| High quality PET substrate, 125 um 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=50kDa |
| Automatic film applicator | Zehntner | ZAA 2300 | with vacuum table |
| Profile rod applicator | Zehntner | ACC378.022 | 22.86 um |
| 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 125ml 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 500mmx290mmx3mm | 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 100mmx200mm | 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 30mm 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 |
Referências
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