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Dielektrische Elastomeraktoren in Multilayer-Technologie für taktile Displays

Matysek, Marc :
Dielektrische Elastomeraktoren in Multilayer-Technologie für taktile Displays.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dielektrische Elastomeraktoren in Multilayer-Technologie für taktile Displays
Language: German
Abstract:

Der Begriff Elektroaktive Polymere (EAP) bezeichnet eine große Klasse an Materialien für Aktoren, die zum Bereich der "`Smart-Materials"' (intelligente Materialien) gehört. Zu dieser Klasse zählen auch die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten dielektrischen Elastomeraktoren (DEA), die sich durch eine sehr hohe Energiedichte auszeichnen. Das Grundprinzip entspricht dem eines elektrostatischen Aktors, allerdings sind die beiden Elektroden durch ein Elastomer als Dielektrikum von einander getrennt. Einer der Schwerpunkte dieser Arbeit ist der Entwicklung einer speziellen Herstellungstechnologie für dielektrische Elastomeraktoren in Multilayer-Technologie gewidmet. Bei dieser Entwicklung zur reproduzierbaren Herstellung dielektrischer Elastomerstapelaktoren stehen die Definition und Auslegung der Prozessschritte zur Herstellung der dielektrischen Filme und der Elektroden im Fokus. Hierdurch werden besonders dünne dielektrische Schichten mit einer frei wählbaren Dicke im Bereich von 5 µm bis 80 µm ermöglicht. Die daraus resultierenden Betriebsspannungen liegen im Bereich von 150 V bis 2,4 kV. Von entscheidender Bedeutung ist auch die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke. Mit einer maximalen Schwankung der Schichtdicke eines dielektrischen Films von unter 5 % ist eine hohe Präzision erreicht. Die kleinsten realisierbaren Strukturen der Elektroden haben eine Breite von 0,5 mm, der Flächenwiderstand beträgt 10 kΩ bei einer Schichtdicke von 5 µm. Um den Nachteil der mit den dünneren Schichten verbundenen geringeren absoluten Deformation auszugleichen, werden mehrere solcher Schichten aufeinander gestapelt. Diese mechanische Serienschaltung erlaubt eine Vergrößerung der Auslenkung und somit eine Anpassung der Aktorik an viele Anwendungsgebiete, bei denen vor allem eine niedrige Betriebsspannung und eine hohe Aktordichte erforderlich sind. Der Aufbau der zur Charakterisierung dieser Aktoren erforderlichen speziellen Messplätze ist ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit. So können unterschiedliche Aktorkennwerte, insbesondere die Dickenänderung, im statischen und dynamischen Betrieb erfasst und protokolliert werden. Weitere Messplätze dienen der Erfassung der mechanischen und elektrischen Impedanz der Aktoren sowie der Bestimmung des Flächenwiderstandes von Elektroden und Zuleitungen. Mit Hilfe der gewonnenen Messdaten wird ein Modell für das elektromechanische Wandlungsverhalten der Aktoren entwickelt und verifiziert. Die modellhafte Beschreibung des viskoelastischen Materialverhaltens wird durch die Einführung eines fraktionalen Elementes entscheidend verbessert. Mit dem Modell können schließlich anwendungsspezifische Anforderungen an die Auslegung der Aktoren ermittelt werden. Als Anwendungsfeld für diese Aktoren sind taktile Displays gewählt. Für die Darstellung taktiler Reize, also vom Menschen mit der Haut erfühlbare Stimulationen, sind die Vorteile der hohen Aktordichte und einer verhältnismäßig geringen Betriebsspannung von großer Bedeutung. Nach einer Einführung in das Gebiet der menschlichen Sinneswahrnehmung des „Fühlens“ erfolgt eine Analyse der Kenngrößen taktiler Wahrnehmung, an Hand der die Anforderungen an ein taktiles Display ermittelt werden. Der Vergleich dieser Anforderungen mit den Leistungsdaten einiger bereits realisierter Systeme verdeutlicht, dass es derzeit kein System gibt, das für eine statische und dynamische Stimulation besser geeignet ist. Abschließend werden die realisierten Aktoren und Konzepte zur Darstellung taktiler Informationen vorgestellt. Dabei handelt es sich zum einen um einen Antrieb für ein Blindenschrift-Modul, bei dem statische Auslenkungen im Bereich einiger 100 µm erforderlich sind. Zum anderen wird ein dynamisches taktiles Display entwickelt, das Vibrationen mit bis zu 600 Hz spürbar darstellen kann. Die frei konfigurierbare Darstellung kombinierter statischer und dynamischer Oberflächeninformationen mit einer örtlichen Auflösung von 1 mm in einem weiteren Display zeigt abschließend das Potential der entwickelten Technologie.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
A large class of materials used for actuator design based on active or smart materials is called electro-active polymers (EAP). Dielectric elastomer actuators (DEA) used in this work are one subgroup of these EAP and are well known for their high energy density. The working principle of DEA corresponds to electrostatic actuators, the design differs as the dielectric is formed by an elastomeric film sandwiched by two compliant electrodes. The development of a multilayer fabrication process is focused within this work. Main aspects of the development are reproducibility of dielectric film fabrication and electrode deposition. The results show, that film thickness can be realized from 80 µm down to 5 µm, the resulting driving voltage can be defined in the range from 2.4 kV down to 150 V. Another important issue is the uniformity of the film which is achieved with a maximum thickness-deviation of 5 %. Electrodes can be structured in the range of 0.5 mm, the sheet resistance of a 5 µm thick electrode is 10 kΩ. Beside this improvement the resulting decrease of the thinner film’s absolute deformation is compensated by the automated stacking process. Hence, the film deformation can by multiplied by the number of layers. The advantages of this multilayer technology are the extraordinary high actuator density and the comparatively low driving voltage. Another important chapter focuses on the development of several measurement setups used to characterize dielectric elastomer stack actuators. Measuring the thickness change of the actuators in static and dynamic state is most challenging. Further characterizations concern the mechanical and electrical impedance of the actuators as well as the determination of the sheet resistance. The collected data is used to develop an electromechanical model describing the transduction process in general. With the use of fractional elements material’s viscoelastic behavior can be described precisely. The model can be used to design multilayer actuators for different applications. Actuator technology is addressed to build tactile displays. To stimulate tactile perception of the human skin a high actuator density is fundamental, low driving voltages concern matters of safety and ease of driving circuitry. Requirements on the actuators are derived from the analysis of the human perception. A comparison of several different actuator technologies reveals the unique advantages of dielectric elastomer stack actuators. Finally, concepts and realized actuators for tactile stimulation are presented. One of these drives a braille cell with a maximum deflection of several 100 µm. Another demonstrator presents vibrotactile informations which are recognizable up to 600 Hz. The combination of static and dynamic deformation patterns with a lateral resolution of less than 1 mm is realizable with a third dielectric elastomer stack actuator matrix.English
Uncontrolled Keywords: Dielektrische Elastomeraktoren; Elektroaktive Polymere; taktiles Display; Haptik
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Dielektrische Elastomeraktoren; Elektroaktive Polymere; taktiles Display; HaptikGerman
dielectric elastomer actuator; electroactive polymers, tactile display, hapticsEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Date Deposited: 25 Jan 2010 09:03
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20300
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Schlaak, Prof. Dr.- Helmut F. and Lehr, Prof. Dr. Heinz
Refereed: 13 November 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2030
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