Groß-Stroke Dielektrische Elastomeraktuatoren mit ionenimplantierten Elektroden

In diesem Papier präsentieren wir miniaturisierte, auf Polydimethylsiloxan (PDMS) basierende Diaphragma-dielektrische Elastomeraktuatoren, die in der Lage sind, eine Auslenkung aus der Ebene von bis zu 25 % ihres Durchmessers zu erzielen. Dieser sehr hohe Prozentsatz der Auslenkung wird durch die Verwendung von nachgiebigen Elektroden ermöglicht, die durch niederenergetische Gold-Ionen-Implantation gefertigt werden. Diese Technik bildet metallische Cluster im Nanometerbereich bis zu 50 nm unter der PDMS-Oberfläche, was eine Elektrode schafft, die bis zu 175 % Dehnung aushalten kann und dabei leitfähig bleibt, jedoch nur einen minimalen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Elastomers hat. Wir präsentieren einen erheblich verbesserten Chipprozess zur Herstellung von hängenden Membranaktuatoren mit niederohmigen Kontakten zu implantierten Elektroden auf beiden Seiten der Membran. Dieser Prozess führt zu einem doppelt so hohen Durchbruchspannungsfaktor und zu einer RC-Zeitkonstante, die kürzer ist als die mechanischen Zeitkonstanten. Bei kreisförmigen Diaphragma-Aktuatoren mit einem Durchmesser von 1,5-3 mm werden spannungssteuerbare statische Auslenkungen von bis zu 25 % ihres Durchmessers beobachtet, was einen Faktor von vier höher ist als unsere vorher veröffentlichten Ergebnisse. Dynamische Charakterisierungen zeigen ein mechanisch limitiertes Verhalten, mit einer Resonanzfrequenz nahe 1 kHz und einem Qualitätsfaktor von 7,5 in Luft. Lebensdauertests haben keine Degradation nach mehr als 4 Millionen Zyklen bei 1,5 kV gezeigt. Leitfähige dehnbare Elektroden, die fotolithografisch auf PDMS definiert wurden, wurden als ein entscheidender Schritt zur weiteren Miniaturisierung demonstriert, der große Arrays unabhängiger Diaphragma-Aktuatoren auf einem Chip ermöglicht, beispielsweise für einstellbare Mikrolinsenarrays oder Arrays von Mikropumpen und Mikroventilen.