Metallische konforme Elektroden für dielektrische Elastomeraktoren und -sensoren

Abstract

Dielektrische Elastomere (DE) bilden die Grundstruktur von Aktor- und Sensorsystemen, die sich durch ihr geringes Gewicht und hohe Energieeffizienz auszeichnen. Hochflexible Elastomerfolien werden dazu beidseitig mit dehnbaren Elektrodenflächen beschichtet, an die im Aktorbetrieb eine Hochspannung angelegt wird. Ziel dieser Arbeit ist es, neuartige Dünnschichtelektroden und deren Strukturierung für DEAnwendungen zu erforschen. Die auf Nickel, Chrom und Kohlenstoff basierenden Elektroden werden mittels Sputtern auf vorgestreckten Silikonfolien aufgebracht. Eine anschließende Entspannung der Folien führt zu gefalteten Elektroden mit Anfangswiderständen in der Größenordnung von 100 Ω/□ und Dehnbarkeiten von bis zu 240 %. Die gewünschte Elektrodengeometrie wird durch partielle Ablation mit einem Ultrakurzpulslaser erzielt, was entweder gleichzeitig auf der Ober- und Unterseite erfolgt oder selektiv auf der dem Laserstrahl zugewandten Seite. Durch die Strukturierung von optischen Beugungsgittern wird die Miniaturisierbarkeit des Verfahrens gezeigt. Das elektromechanische Verhalten der DE-Elektroden mit und ohne Hochspannung wird charakterisiert und dadurch deren Eignung nachgewiesen. Im Ergebnis zeigen laserstrukturierte Dünnschichtelektroden große Vorteile gegenüber gebräuchlichen Elektrodenmaterialien. Zukünftig steht die Verbesserung der Herstellungsprozesse, sowie die Nutzung der Dünnschichtelektroden für neuartige DEAnwendungen im Fokus.

Dielectric elastomers (DE) form the basic structure of actuator and sensor systems which are characterized by their lightweight and high energy efficiency. Highly flexible elastomer foils are coated on both sides with compliant electrodes. The application of a high voltage converts the passive flexible capacitor into an actuator. The objective of this work is to investigate highly conductive thin film electrodes and their patterning for DE applications. The electrodes are based on the materials nickel, chromium and carbon and they are sputter deposited onto pre-stretched silicone membranes. The subsequent relaxation of the silicone causes a wrinkled electrode with an initial resistivity of 100 Ω/□ and a stretchability up to 240 %. The desired electrode geometry is realized by a partial ablation process executed by an ultra-short-pulse laser. The simultaneous ablation of both electrodes on the top and on the bottom of the silicone is possible as well as the selective ablation only of the electrode facing the laser. By patterning optical diffraction gratings, the miniaturization is demonstrated. The electromechanical characterization of the electrodes with and without high voltage proves their suitability. Overall, laser structured thin film electrodes are advantageous compared to conventional used electrodes. Future work will address the improvement of the manufacturing processes as well as the integration of the thin film electrodes into DE applications.