Matysek, Marc (2010)
Dielektrische Elastomeraktoren in Multilayer-Technologie für taktile Displays.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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