シリコーン系誘電エラストマーアクチュエータの製造工程

シリコーン膜のキャスティング シリコーン膜はPET基材から放出されると（ステップ2.2の終了時に）フレームに自立されると、その厚さは、透過干渉により、例えば、測定することができる。 図6の幅を横切って、シリコーン層の厚さ均一性を示します3別の効果的なギャップの高さ200ミリメートルPET基板の（50、100、150μm）の1ミリメートル/秒の鋳造速度で（上のアプリケーター残りの足は、アプリケータは、PET基板よりも広いので、ご注意真空ではなくPET基板自体に、 図4Aに見られるように、アプリケータと基材との間の有効間隙は、アプリケータの高さマイナスPET基材の厚さに等しくなる。例えば、125ミクロンのPET基板とプロトコルで使用される225ミクロンの塗布高さ）が100μmの有効なギャップを導きます。ために50μmの有効なギャップ高さは、シリコン層の左側と右側との間に明確な段差があります。アプリケータの高さが左右に手動で設定する必要があり、多少の誤差が避けられないためです。しかし、アプリケータを慎重に設定して、我々は一般的に100μmの効果的なギャップ高さ（σ= 0.81ミクロン）の場合である1μm未満の厚さの標準偏差、を有する膜を得ます。アプリケータの高さが大きくなりすぎると、うねりが150ミクロン（ 図6）の効果的な間隔でキャスト膜に見えるように、シリコーン混合物中の溶媒の蒸発による、膜上に現れ始めます。 得られた乾燥フィルム厚さとアプリケータの高さとの関係は、シリコーン混合物と鋳造速度に依存します。この記事で使用されるシリコーン混合物は、2パーツのシリコーンで構成され、溶媒は、VIを減少させます混合物のscosity。溶媒は、硬化前に、膜から蒸発するように、フィルムの厚さの推定値は、シリコーン混合物中の固体の体積分率による効果的なギャップ高さを乗じて求めることができます。しかし、半月板の作成と予想よりも薄い厚さをリードするアプリケータの末尾での動的効果があります。ギャップ高さと得られた乾燥膜の厚さとの関係は、鋳造速度、アプリケータの高さに依存し、塗布形状によって。 図7は、これらのパラメータがどのように影響するかを示すために、膜を異なる速度と高さでキャストした実験の結果を示します乾燥膜厚。これは、高速で鋳造すると、より薄い膜をもたらすこと、及び速度の効果は間隙の高さが増加するにつれてより顕著になることが分かります。 作動性能 ここで製造されたアクチュエータはmeasurことを特徴としています印加電圧の関数としての歯状電極の外径がる。固定台上にカメラが、電圧が増加するにつれて、アクチュエータの写真を撮影するために使用されます。画像は、アクチュエータの膨張を定量化する画像処理スクリプト（視覚、ナショナルインスツルメンツ）を用いて分析されます。これは、電極（ 図8）のようなCOGの外周囲に円をフィットさせることにより行われました。弛緩状態から円の直径の増大（すなわち、緩和されたアクチュエータの直径で割った作動直径）直径のストレッチとして提示されます。同一の厚さ（34.5ミクロン）の二つの別々のアクチュエータの結果を図8に示されている。両方のデバイスは、4 kVのの作動電圧で、10％の直径ストレッチと同様に行います。 アクチュエータの応答速度は、約4％の歪みにつながる、3キロボルトの2 Hzの二乗信号を印加して測定しました。 ACTUの拡大レータは、0.25ミリ秒の時間分解能で高速度カメラで撮影されました。立ち上がりエッジは後の電圧トリガーの前に200フレーム（50ミリ秒）、および200フレームで、捕獲されました。その後、時間依存変形を抽出するために分析した画像（ 図9）。立ち上がり時間（最後の変形の90％に達するのに必要な時間）は3.75ミリ秒であり、そのための時間を上昇アクリル系エラストマーは、膜として使用される場合に観察されるものとは異なり、観察可能な粘弾性クリープは、前と電圧ステップの後には存在しません秒数百は、通常、12を観察します。 他のデバイスへのプロセスフローの適用 この記事で製造されたアクチュエータは、当社の製造プロセスと同様に、電圧印加時に電極の表面積の増加に伴うDEAの基本的な機能原理を実証するため、このチュートリアルのために良い実例です。しかし、このアクチュエータは、DEAの作動原理を実証する以外には、特定の目的を持っていません。それにもかかわらず、ここに提示方法は、非常に汎用性があり、特定の用途に向けたソフトトランスデューサの多種多様を製造するために使用することができます。ここでは、我々が提示した方法論を用いて製造アクチュエータに基づいて開発されたアプリケーションのいくつかの選択された例を提示します。 ソフトバイオインスパイアさ調整可能なレンズは、（ 図10A）製造されています。これらは、200未満マイクロ秒9で20％の焦点距離を変化させることが可能です。デバイスは、適切な材料と優れた製造プロセスの組み合わせが速い応答速度と長寿命でDEASにつながることを示している、作動性能が顕著に低下することなく、400以上の万サイクルのために作動させることができます。同様のジオメトリのレンズが、広く使用されている市販のアクリル系エラストマーVHBを使用して製造された、より小さな大きさの帯域幅を3つ以上の注文を持っています<s> 9まで。 パッド印刷で柔軟電極をパターニングし、したがって、同じ膜上の独立した小規模な電極の製造を可能にする、非常に正確に定義された電極を製造することができます。これは、3つ電気的に独立した電極を備えたDEAベース回転モータ（ 図10B）の製作を通じて実証され、たとえばです。モーターの中心に軸とプルーフマスは、1500rpmで13で回転することができます。モータ概念は、信頼性の高いアクチュエータを生成することができ、そのパッド印刷を表示するためにさらに押されました。自己整流ローリングロボットは円軌道（ 図10C）に沿って周を実行するために建設されました。ロボット/秒13〜15センチ、平均速度で以上の25キロを旅しました。 本発明のプロセス（またはそのわずかな変化）を用いて製造された他のアプリケーションは、変形可能な細胞培養系14、誘電体エラストマー・ジェネレータを含みます<s> 15まで、マルチセグメントソフトグリッパ16、または調整可能なミリ波無線周波数位相シフタ17。 図1. 誘電エラストマーアクチュエータの基本原則トップ：。その最も単純な形で（1A）、DEAは2柔軟電極の間に挟まれた軟質エラストマー膜で構成されています。 （1B）DC電圧が電極間に印加されると、静電荷が電極上に厚さの減少、表面の拡大につながる、膜を圧搾圧縮応力を生成をもたらしました。下：（2A）プロトコルに記載のアクチュエータは、フレームに張ら膜で構成されています。円形電極は、電気的接続を可能にするために、膜の境界に拡張子を持つ膜のいずれかの側にあります。アクティブAREAは、2つの電極が重なるゾーン、 すなわち、中央に円形です。電圧が印加されると（ 図2B）、静電気力は、膜を圧縮します。これは、アクティブ領域での膜厚さの減少、及び電極の表面の増加を引き起こします。膜がprestretchedされているので、電極の周囲にパッシブゾーンが中央活性領域の拡大に対応するために緩和する。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 この手順で作製した図2実証アクチュエータ左：完成したフレームに固定された延伸シリコーン膜を含む装置、膜の両面上にパターン準拠電極の対との電気的接続。里GHT：休止状態（黒）を示す合成写真と活性化状態（シアン）。構造の直径の10％の増加が電極間に印加4 kVの観察される。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 図3は、アクチュエータの分解図。ビデオで製造アクチュエータを形成するさまざまなコンポーネントを。膜ホルダーはprestretchedシリコーン膜を保持し、電極印刷工程の間に膜を操作するために使用されます。電極が硬化されると、アクチュエータのフレームは、膜ホルダーの内側に挿入され、アクチュエータを保持するための構造フレームと、下部電極への電気的接触の両方を提供されます。膜は、アクチュエータフレームに固定されると、私mbraneホルダーを除去することができる。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 製造プロセスの概要 図4 自動フィルムアプリケーターコーターを用いてシリコン膜の（A）鋳造。 （B）硬化したシリコーン膜および仮延伸支持体のレーザー切断。 （C）仮延伸支持体上のシリコーン膜を配置。お湯でPAA犠牲層を溶解することにより、PET基材からシリコーン膜の剥離（D）。指を結ぶ仮延伸支持部の（E）切削。 （F）仮延伸し、膜表面に膜ホルダーの付着。指揮を充填した（G）決まり文句uctiveインク。 （H）レーザー差し込み図はよく整列電極の一例を示し、電極アライナをエッチングする。刻印電極と（I）シリコーン膜。 （J）仕上がりデバイス。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 膜prestretcher図5動作原理は、（A）複数の金属フィンガは、プラスチック製環状部に取り付けられ、その長さに沿って直線状の（ラジアル）方式で移動するように拘束されています。線維輪は円周方向に移動するように制約されています。プラスチック環状部は、指の金属ピンが存在するにそれに機械加工スロットを、いくつかの湾曲しています。指のエッジの境界円の半径がR 1であります 。 （B）prestretcher弁輪は指がR 2にR 1からエッジ境界円の半径を増加させ、指を同時に翻訳し、反時計回りに回転している。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 キャストシリコン層の図6の厚さの均一性。200mmのPET基板の幅にわたって硬化シリコーン膜の厚さ測定は、アプリケータの三つの異なるギャップ設定のため。鋳造速度が1mm /秒である。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 常に ">：" =キープtogether.withinページFO」コンテンツ 鋳造パラメータの関数として前記乾燥膜厚図 。乾燥膜厚は、62体積％の固体含有量を有​​するシリコーン – 溶媒混合物のための別のアプリケータの高さ及び速度を得られます。より高い速度は、より薄い同等のアプリケーターの設定のための膜、および増加した膜厚で速度が増加の影響につながる。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 デモンストレーターの図8.作動。34.5ミクロンの（仮延伸後）の厚さを持つ2つのデバイスのための印加電圧の関数としての外径方向のストレッチ。約1の直径の増加0％は、最大印加電圧で観測される。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 電圧ステップ入力に対する前記ひずみ応答を図 。正方形、3 kVの2 Hzの信号が、約4％（ 図8参照）の歪みを発生させる、装置に適用されます。領域拡張は、毎秒4,000フレームで高速度カメラで観察します。アクチュエータは、その最終寸法の90％に到達するためには、4未満ミリ秒を要します。前と後の移行、アクチュエータの寸法が安定した状態を維持し、粘弾性クリープを示さない。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 <p class="jove_content" fo:keep-together.witホアヒン・ページ」は、常に "=> 提示処理の流れで作られた10の誘電エラストマーアクチュエータを図。本文書に記載の方法に従うことによって作られた誘電エラストマーアクチュエータの3つの例。 （A）未満200マイクロ秒で20％、その焦点距離を変化させることが可能な高速かつソフトな調整可能なレンズ。 （B）を1,500rpmで回転することのできるロータリーエラストマーマイクロモーター。 （C）自己転流ローリングロボット。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。