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Dielektrische Elastomerstapelaktoren für Mikroventile

Flittner, Klaus :
Dielektrische Elastomerstapelaktoren für Mikroventile.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dielektrische Elastomerstapelaktoren für Mikroventile
Language: German
Abstract:

Dielektrische Elastomeraktoren (DEA) stellen eine der am intensivsten erforschten Gruppen innerhalb der elektroaktiven Polymere dar. Sie basieren auf der Anziehungskraft entgegengesetzter Ladungen. Diese Kraft verformt eine, zwischen den Elektroden befindliche, polymere Dielektrikumsschicht. Aufgrund der höheren Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums im Vergleich zu Luft in klassischen elektrostatischen Aktoren liegt ein neuer Anwendungsbereich dieser Aktoren in der Mikrosystemtechnik. Dabei sind durch feste Verbindungen mit dem restlichen System die Freiheitsgrade des Aktors eingeschränkt. Dies bewirkt eine Veränderung des statischen und dynamischen Verhaltens des DEA.

Am Beispiel eines Mikroventils wird im Rahmen dieser Arbeit die Integration der dielektrischen Elastomeraktoren in ein Mikrosystem gezeigt. Die Modellierung, unter Berücksichtigung der äußeren Randbedingungen, stellt dabei den ersten Schwerpunkt der Arbeit dar. Ausgehend vom Stand der Technik werden verschiedene Ansätze betrachtet, um den Einfluss der mechanischen Randbedingungen auf das statische und dynamische Verhalten zu berücksichtigen. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe eines effektiven E-Moduls, der sich aus dem E-Modul und den Randbedingungen berechnet, für einfache geometrische Formen das statische nichtlineare Kraft-Weg-Verhalten nachgebildet werden kann. Als Alternative zeigt eine FEM-Simulation mit geeignetem hyperelastischen Materialmodell für das verwendete Dielektrikum eine gute Übereinstimmung mit der analytischen Berechnung und den durchgeführten Messungen.

Für das dynamische Verhalten kann eine gute Übereinstimmung zwischen Relaxationsmessungen und einem modifizierten Standard-Festkörper-Modell gezeigt werden. Dabei werden die Federelemente durch Elemente mit nichtlinearer Kennlinie und der Dämpfer durch ein fraktionales Element ersetzt. Die Modellparameter weisen dabei, analog zum effektiven E-Modul, eine Abhängigkeit von den mechanischen Randbedingungen auf.

Im zweiten Teil wird der Entwurf des Mikroventils betrachtet. Es werden ausgehend von möglichen Bauformen der DEA aus dem Stand der Technik unterschiedliche Konzepte für das Mikroventil entwickelt und in Bezug auf die Anforderungen an den benötigten Durchfluss und den maximalen Druckabfall miteinander verglichen. Mittels numerischer FEM-Berechnungen (ANSYS) des Ventilkonzepts wird der Einfluss des Ventilsitzes auf die Auslenkung des dielektrischen Elastomeraktors dargestellt und daraus optimierte Designparameter für den Gesamtaufbau abgeleitet.

Zur Herstellung des Mikroventils werden zwei Prozessketten entwickelt und auf Realisierbarkeit untersucht. Ein Schwerpunkt stellt dabei die elektrische Kontaktierung der Elastomeraktoren dar. Hierzu werden zwei Verfahren untersucht, um die Aktoren im Zuleitungsbereich zu kontaktieren. Mit der Graphitkontaktierung wird ein Anteil der kontaktierten Schichten von 92 % und ein mittlerer Kontaktwiderstand von Zuleitung zu einer einzelnen Elektrodenschicht von 95 kΩ erreicht.

Mit der ausgewählten Prozesskette und dem Kontaktierungsverfahren wird ein 2x2-Mikroventil-array hergestellt und charakterisiert. Die Kantenlänge eines Ventils beträgt dabei 15 mm bei einer Gesamthöhe von 3 mm. Die Druck-Durchfluss-Charakteristik wird an einem speziell entwickelten Messplatz in Abhängigkeit der Betriebsspannung ermittelt. Der Durchfluss der aufgebauten Ventile kann dabei in einem Bereich von 0,1 l/min bis etwa 1 l/min eingestellt werden. Die Kennlinie weist eine gute qualitative Übereinstimmung mit dem erwarteten Verhalten aus der Simulation auf. Damit zeigt diese Arbeit ein funktionsfähiges Mikroventil auf Basis von dielektrischen Elastomeraktoren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Dielectric elastomer actuators (DEA) represent one of the most intensively investigated groups of electroactive polymers. Their functional principle is based on the attractive forces of opposite charges. This force deforms a polymeric dielectric located between the electrodes. Due to higher breakdown field strength of the dielectric compared to air used in classic electrostatic actuators, microsystem technology is a new scope for these actuators. Bonding of the DEA with surrounding components restricts its movement and thus change the static and dynamic behaviour of the actuator. Within the scope of this thesis a microvalve is used as example to show the integration of dielectric elastomer actuators into microsystems. Taking the external boundary conditions into account for the modelling represents the first focus of this thesis. Based on prior art, various approaches are considered to account for the influence of mechanical boundary conditions on the static and dynamic behaviour. It is shown that the static nonlinear force displacement behaviour can be simulated by using an effective elastic modulus, which is calculated from the elastic modulus and the boundary conditions for simple geometric shapes. Alternatively a FEM simulation with suitable hyperelastic material model for the dielectric can be used to achieve a good agreement with the analytical calculation and the measurements taken. For the dynamic behaviour a good correlation between relaxation measurements and a modified standard solid model can be shown. The spring elements are replaced by elements with non-linear characteristic and the damper by a fractional element. In this case the model parameters depend, like the effective elastic modulus, on the mechanical boundary conditions. In the second part the focus is on the design of the microvalve. Based on possible actuator designs from prior art, different concepts for the microvalve are developed and compared to each other with respect to the requirements of flow rate and pressure drop. The influence of the valve seat on the deflection of the dielectric elastomer actuator is shown and optimised design parameters are derived by using numerical FEM calculations (ANSYS). Two process chains for the fabrication of the microvalve are developed and tested for feasibility. One key aspect is the electrical connection of the dielectric elastomer actuator. For this purpose, two methods are investigated to connect the supply area of the actuators. With a graphite based connection process a percentage of connected layers of 92 % and an average contact resistance between lead and a single electrode layer of 95 kΩ is achieved. With the selected process chain and the connecting process a 2 by 2 microvalve array is fabricated and characterised. The edge length of one valve amounts to 15 mm with an overall height of 3 mm. The pressure-flow rate characteristics is measured as a function of the operating voltage on a specially designed measuring system. The flow rate of the assembled valves can be adjusted in a range from 0,1 l/min to about 1 l/min . The characteristic curve is in good qualitative agreement with the expected behaviour. Thus, this work shows a functional microvalve based on dielectric elastomer actuators.English
Volume: 34
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 20 Aug 2015 07:52
Last Modified: 20 Aug 2015 07:52
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46298
Referees: Schlaak, Prof. Helmut F. and Seelecke, Prof. Stefan
Refereed: 6 July 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4629
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