DE60224844T2

DE60224844T2 - Dielektrisches betätigungsglied oder sensorstruktur und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60224844T2
Application number: DE60224844T
Authority: DE
Inventors: Mohamed Yahia Benslimane; Peter Gravesen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: EP1466149A1; AU2002351736A1; WO2003056287A1; EP1466149B1; ES2299614T3; US7573064B2; US20050104145A1; ATE384935T1; DE60224844D1; US20080038860A1; US7785905B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft dielektrische Aktuatoren von der Art, in denen die elektrostatische Anziehungskraft zwischen zwei an einem elastomeren Körper angeordneten Elektroden zu einer Kompression des Körpers in eine erste Richtung und einer entsprechenden Dehnung des Körpers in eine zweite Richtung führt. Wenn die Elektroden als Platten eines Kondensators betrieben werden, können solche Aktuatoren als Kraftsensoren verwendet werden. In dieser Arbeitsweise wird eine Kompression des elastomeren Körpers durch eine externe Kraft den Abstand zwischen den Elektroden reduzieren, welches eine Erhöhung der Kapazitanz des Elektrodenkondensators bewirkt, die zur Angabe der Größe der Kraft gemessen werden kann.
Ein Dokument, US 4,836,033 , beschreibt eine kapazitive Messanordnung zur Bestimmung von Kräften und/oder Drücken, die mindestens drei ebene, parallele Kondensatorflächen unter Zwischenlage eines Dielektrikums aufweist. Die Kondensatorflächen sind beweglich im Verhältnis zueinander gegen elastische Rückstellungskräfte des Dielektrikums, wobei eine Hauptfläche gegenüber allen übrigen Flächen angeordnet ist und diese unter Zwischenlage des Dielektrikums teilweise bedeckt. Die Hauptfläche ist im Verhältnis zu den restlichen Flächen sowohl senkrecht als auch parallel beweglich, so dass von den einzelnen Kapazitätswerten zwischen der Hauptfläche und den restlichen Flächen sowohl die Kräfte, die senkrecht zwischen der Hauptfläche und den restlichen Flächen wirken, als auch die Kräfte, die parallel zu den Kondensatorflächen wirken, gemessen oder eliminiert werden können.
Wie in 5 gezeigt, offenbart das Dokument, dass die Kondensatorflächen 10, 14 und 15 auf Platten 30 und 31 gepresst sind. Jede Platte 30 und 31 wird dann mit einem komprimierbaren Dielektrikum (Elastomer) 20 oder 21 verklebt, wobei die beiden Dielektrika 20 und 21 eines auf dem anderen miteinander verbunden sind. Die Dielektrika 20 und 21 haben einander entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten in Bezug auf ihre elektrischen Eigenschaften und sind so dimensioniert, dass die Temperatur keinen Einfluss auf die Kapazität der einzelnen Kondensatoren hat.
Ein zweites Dokument, EP 0 855 307 , beschreibt einen Sensor für den Sitz eines Motorfahrzeuges mit einer komprimierbaren Schicht, vorzugsweise Schaumschicht, die zwischen zwei leitenden Platten angebracht ist. In einer Ausführung wird die Kapazität zwischen den leitenden Platten gemessen, um festzustellen, ob ein Objekt, und gegebenenfalls welches, auf dem Sensor angeordnet ist, während in einer anderen Anwendung Öffnungen in der komprimierbaren Schicht ausgebildet sind, damit sich die leitenden Platten durch die Öffnungen berühren können. Es werden Ausführungen beschrieben, die einen verhältnismäßig geringen spezifischen elektrischen Widerstand zur Erzeugung eines Kurzschlusses aufweisen, und eine Ausführung mit höherem spezifischem elektrischem Widerstand, in der die Größe der Änderung und des Widerstands verwendet werden können, um die Art eines Objekts zu bestimmen.
Die 1 und 2 zeigen, dass die grundlegend bevorzugte Konstruktion des Sensors ein fünfschichtiges Laminat ist, obwohl jede geeignete Schichtstruktur verwendet werden kann. In dem bevorzugten fünfschichtigen System umfasst die grundlegende Konstruktion die folgenden Elemente: eine erste Schicht eines leitenden Gewebes 10, eine Kleberschicht 12, eine Schicht aus komprimierbarem Schaum 14, eine Kleberschicht 16 und eine zweite Schicht eines leitenden Gewebes 18.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine dielektrische Aktuator-/Sensorstruktur zur Verfügung zu stellen, die sich einfach herstellen lässt und tolerant in Bezug auf Produktionsfehler ist, z. B. Lunker, Risse und Einschlüsse in deren Körper. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Aktuator-/Sensorstruktur anzugeben, die eine hohe Ausbeute mit den Vorteilen von Einfachheit und Wirtschaftlichkeit verbindet.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung umfasst eine dielektrische Aktuator-/Sensorstruktur eine erste Platte aus einem elastomeren Material mit mindestens einer glatten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche und eine zweite Platte aus einem elastomeren Material mit mindestens einer glatten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche. Die Platten sind aufeinander laminiert, so dass ihre zweiten Oberflächen freiliegen, und eine erste Elektrode ist auf der zweiten Oberfläche der ersten Platte und eine zweite Elektrode ist auf der zweiten Oberfläche der zweiten Platte vorgesehen.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Aktuator-/Sensorstruktur die folgenden Schritte auf: a) Herstellung einer generell ebenen Form, b) Giessen einer Schicht eines elastomeren Materials auf die Form, c) Bewirken, dass die Schicht eine glatte Oberfläche und eine zweite Oberfläche hat, d) Aushärten der Schicht, und e) Entfernung der Schicht aus der Form zur Bildung einer elastomeren Platte mit einer glatten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche. Diese Schritte werden in einem Schritt f) zur Herstellung einer zweiten elastomeren Platte mit einer glatten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche wiederholt. Elektroden an der Platte werden in einem Schritt g) des Aufbringens von mindestens einer elektrisch leitenden Schicht auf die zweite Oberfläche jeder elastomeren Platte hergestellt. Die Platten werden zu einer fertigen Aktuator-/Sensorstruktur durch h) Laminieren der elastomeren Platten mit freiliegenden zweiten Oberflächen montiert.
Die laminierte Struktur ist ein Schlüsselfaktor zur Erzielung einer "Herstellungsrobustheit", z. B. in Verbindung mit dem Vorhandensein von kleinen Fehlern, wie z. B. Nadellöchern, Rissen oder Einschlüssen, in jeder Platte. Auch wenn bei der Herstellung der Platten die Sauberkeit beachtet wird, können solche Fehler von Bedeutung sein, auch wenn ihre Anzahl klein ist. Bei einem dielektrischen Aktuator/Sensor mit einer einzelnen Platte können solche Fehler die Durchschlagsspannung zwischen den Elektroden um bis zu 95% reduzieren oder sogar einen Kurzschluss der Elektroden verursachen.
Das Laminieren von zwei Platten zur Bildung einer fertigen Struktur eliminiert im Wesentlichen dieses Problem. Als Ausgangspunkt kann sichergestellt werden, dass es nur eine kleine Anzahl von Fehlern gibt, und dass diese willkürlich auf den Platten verteilt sind. Dadurch wird es sehr unwahrscheinlich, dass es in der montierten Struktur zwei Fehler gibt, die sich überlappen. Wenn also eine Schicht der montierten Struktur einen Fehler in einer bestimmten Position hat, wird die zweite Schicht wahrscheinlich in der gleichen Position keinen Fehler haben. Folglich ist die Wahrscheinlichkeit eines direkten Kurzschlusses praktisch auf Null reduziert, und die Reduzierung der Durchschlagsspannung aufgrund von Einschlüssen ist auf höchstens 50% begrenzt.
Die vorliegende Erfindung betrifft zusammenfassend eine dielektrische Aktuator-/Sensorstruktur mit:

– einer ersten Platte aus einem elastomeren Material mit mindestens einer glatten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche;
– einer zweiten Platte aus einem elastomeren Material mit mindestens einer glatten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche;
– einer ersten auf der zweiten Oberfläche der ersten Platte angeordneten Elektrode und
– einer zweiten auf der zweiten Oberfläche der zweiten Platte angeordneten Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten aufeinander laminiert sind, so dass ihre zweiten Oberflächen freiliegen, und dass das Volumen der Struktur im Wesentlichen gleich bleibt, wenn sich die Struktur in die Längsrichtung dehnt.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine im Allgemeinen ebene Form mit einer mikrogewellten Oberfläche.
2 zeigt eine Masse eines aushärtbaren elastomeren Materials, das auf die Form gegossen worden ist.
3 zeigt die Wirkung des Drehens der Form zur Glättung der freien Oberfläche.
4 zeigt das aus der Form entfernte elastomere Material in der Form einer Platte mit einer Elektrode an der gewellten Oberfläche.
5 zeigt zwei aufeinander laminierte Platten zur Bildung einer dielektrischen Aktuator-/Sensorstruktur.
6 zeigt die Passivierung von Fehlern, wie z. B. Nadellöchern und Einschlüssen, durch die laminierte Konstruktion der dielektrischen Aktuator-/Sensorstruktur.
Die im Allgemeinen ebene Form 1 in 1 hat eine mikrogewellte Oberfläche 2 mit Rippen 3 und Rillen 4. Die Rippen und Rillen verlaufen parallel entlang einer Richtung quer zur Ebene des Papiers. Die Spitze-zu-Spitze Höhe der Wellen 3, 4 liegt typischerweise zwischen 1 und 10 Mikrometern, wogegen die Gesamtgröße der Form in der Größenordnung von 5 bis 10 Zentimetern oder mehr über die gewellte Oberfläche liegt. Es ist einleuchtend, dass die Zeichnung nicht maßstabsgerecht ist, und dass die Wellen zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sind. Die Form kann aus jedem geeigneten Material hergestellt werden, wie z. B. Metall oder Silizium, und die Wellen können durch gewöhnliche photolithographische oder holographische Prozesse gebildet werden.
In 2 ist eine Masse eines aushärtbaren, elastomeren Materials 5 auf die Form 1 gegossen worden. Das Material kann z. B. Silikonkautschuk sein.
In 3 ist das elastomere Material 5 durch schnelles Drehen, wie bei 7 angegeben, in eine plattenartige Schicht geformt worden, mit einer glatten, oberen Ober fläche 6. Solche Drehprozesse sind in der photolithographischen Technik wohl bekannt. Ein alternatives Verfahren zur Bildung einer glatten, oberen Oberfläche 6 auf der elastomeren Schicht 5 wäre, dass die Schicht mit einer ebenen Stanze geformt wird. Nach dem Drehen oder Formpressen wird die elastomere Schicht 5 ausgehärtet, was dadurch erfolgen kann, dass die Schicht lediglich für eine gewisse Zeit an der Form verbleibt, abhängig von den Eigenschaften des Materials.
4 zeigt die elastomere Schicht 5, die zur Bildung einer Platte 8 aus der Form genommen und umgedreht ist. Das Entfernen der Platte aus der Form hat ihre zweite Oberfläche 9 freigelegt, die, wie die Oberfläche der Form, mit Wellen 10 und 11 gemustert ist. Eine Elektrode 12 ist auf der Oberfläche 9 aufgebracht worden. Dies kann beispielsweise durch Dampfabscheidung eines Metalls, z. B. Silber, oder durch elektrolytische Techniken erfolgen.
Die Platte 8 hat typischerweise eine Dicke von etwa 10 bis 50 Mikrometern und die Elektroden haben eine Dicke von etwa 20 bis 100 Nanometern.
5 zeigt eine dielektrische Aktuator-/Sensorstruktur, die aus zwei Platten 9 der Art, die wie oben beschrieben hergestellt und strukturiert wurden, gebildet ist. Die Platten sind aufeinander laminiert, so dass sich ihre glatten Oberflächen 6 berühren und die zweiten Oberflächen 9 freiliegen. Die Laminierung wird vorzugsweise unter Vakuum vorgenommen, um Einschlüsse von Gasblasen zwischen den Platten zu verhindern.
Die Wellen der freiliegenden Oberfläche bewirken, dass das elastische Verhalten der laminierten Einheit in hohem Maße anisotropisch wird. Dafür ist es bevorzugt, die Platten so aufeinander zu laminieren, dass die Wellen beider Platten parallel zueinander verlaufen. Im Betrieb wird eine hohe Spannung zwischen den Elektroden an der gewellten Oberfläche angelegt. Eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Elektroden wird dann die Struktur komprimieren. Erleichtert durch die Wellen wird die Kompression bewirken, dass die Struktur ihre Länge erhöht, da ihr Volumen konstant bleiben wird. Auf Grund des Vorhandenseins der metallischen Elektroden an den anisotropischen Wellen werden im Wesentlichen keine quer verlaufenden Größenänderungen (quer zur Papierebene) auftreten.
6 zeigt die vorteilhaften Wirkungen der laminierten Struktur in Bezug auf Fehler und Einschlüsse. Jede Platte wird mit einem Nadelloch 13, 14 und einem Einschluss 15, 16 eines metallischen Objektes gezeigt. In einer Struktur aus einer einzelnen Schicht würde das Vorhandensein des Nadellochs 13 oder 14 einen Kurzschluss zwischen den Elektroden 12 bewirken, weil die Elektrodenabscheidung, wie bei 17 gezeigt, in die Nadellöcher hineinläuft. Metallische Einschlüsse 15, 16 reduzieren die verbleibende Dicke des elastomeren Materials 5, das als Isolierung zwischen den Elektroden 12 dient. In einer Struktur aus einer einzelnen Schicht kann dies die Durchschlagsspannung zwischen den Elektroden erheblich reduzieren.
In der laminierten Struktur der 6 gibt es aber bei jedem Fehler noch eine fehlerfreie, einfache Schicht des elastomeren Materials zwischen den Elektroden 12. Dadurch wird das Auftreten von Kurzschlüssen im Wesentlichen auf Null reduziert, und die Reduzierung der Durchschlagsspannung wird auf höchstens 50% begrenzt. Es gibt selbstverständlich nichts, was ein zufälliges Überlappen von zwei Fehlern verhindert, wenn aber generell die Sauberkeit während der Herstellung beachtet wird, wird die Gefahr eines solchen Überlappens sehr gering sein, und sehr viel geringer als die Gefahr von Fehlern in einer Struktur mit einer einzelnen Schicht.
Es soll erwähnt werden, dass sich die laminierte Konstruktion auch für dielektrische Aktuator-/Sensorstrukturen mit gemusterten Elektroden auf ebenen, freiliegenden Oberflächen zur Ermöglichung einer Längsdehnung, statt festen Elektroden an gewellten, freiliegenden Oberflächen, eignet.

Claims

Eine dielektrische Aktuator-/Sensorstruktur mit: einer ersten Platte aus einem elastomeren Material (8) mit mindestens einer glatten Oberfläche (6) und einer zweiten Oberfläche (9); einer zweiten Platte aus einem elastomeren Material (8) mit mindestens einer glatten Oberfläche (6) und einer zweiten Oberfläche (9); einer ersten auf der zweiten Oberfläche (9) der ersten Platte (8) angeordneten Elektrode (12) und einer zweiten auf der zweiten Oberfläche (9) der zweiten Platte (8) angeordneten Elektrode (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (8) aufeinander laminiert sind, so dass ihre zweiten Oberflächen freiliegen, und dass das Volumen der Struktur im Wesentlichen gleich bleibt, wenn sich die Struktur in die Längsrichtung dehnt.
Eine dielektrische Aktuator-/Sensorstruktur nach Anspruch 1, wobei die zweiten Oberflächen (9) gewellt sind.
Eine dielektrische Aktuator-/Sensorstruktur nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Elektroden (12) hauptsächlich aus einer Abscheidung von Metall, z. B. Silber, besteht, das durch Dampfabscheidung oder einen elektrolytischen Prozess abgelagert worden ist.
Eine dielektrische Aktuator-/Sensorstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine der ersten oder zweiten Platten (8) aus elastomerem Material im Wesentlichen aus Silikonkautschuk besteht.
Eine dielektrische Aktuator-/Sensorstruktur nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spitze-zu-Spitze Höhe der Wellen (10, 11) zwischen 1 und 10 Mikrometern ist.
Eine dielektrische Aktuator-/Sensorstruktur nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (12) eine Dicke von ungefähr 20 bis 100 Nanometer haben.
Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Aktuator-/Sensorstruktur nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Herstellung einer hauptsächlich ebenen Form (1) b) Giessen einer Schicht aus elastomerem Material (5) auf die Form c) Versehen der Schicht mit einer glatten Oberfläche (6) und einer zweiten Oberfläche (9) d) Aushärten der Schicht e) Entfernen der Schicht von der Form, um eine elastomere Platte mit einer glatten Oberfläche (6) und einer zweiten Oberfläche (9) bereitzustellen f) Wiederholung der Schritte a) bis e), um eine zweite elastomere Platte (8) mit einer glatten Oberfläche (6) und einer zweiten Oberfläche (9) zu erzeugen g) Abscheiden mindestens einer elektrisch leitenden Schicht (12) auf der zweiten Oberfläche (9) jeder elastomeren Platte (8) und h) aufeinander Laminieren der elastomeren Platten (8), so dass ihre zweiten Oberflächen freiliegen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt g) die Ablagerung durch Dampfabscheidung oder durch einen elektrolytischen Prozess umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Schritt h) unter Vakuum ausgeführt wird.
Eine dielektrische Aktuator-/Sensorstruktur nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Platte (8) und ihre zugehörigen Elektroden (12) im Wesentlichen identisch sind.