Dielektrische Elastomeraktoren in Multilayer-Technologie für taktile Displays

Der Begriff Elektroaktive Polymere (EAP) bezeichnet eine grose Klasse an Materialien fur Aktoren, die zum Bereich der "`Smart-Materials"' (intelligente Materialien) gehort. Zu dieser Klasse zahlen 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 fur 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 dunne dielektrische Schichten mit einer frei wahlbaren Dicke im Bereich von 5 µm bis 80 µm ermoglicht. Die daraus resultierenden Betriebsspannungen liegen im Bereich von 150 V bis 2,4 kV. Von entscheidender Bedeutung ist auch die Gleichmasigkeit der Schichtdicke. Mit einer maximalen Schwankung der Schichtdicke eines dielektrischen Films von unter 5 % ist eine hohe Prazision erreicht. Die kleinsten realisierbaren Strukturen der Elektroden haben eine Breite von 0,5 mm, der Flachenwiderstand betragt 10 kΩ bei einer Schichtdicke von 5 µm. Um den Nachteil der mit den dunneren Schichten verbundenen geringeren absoluten Deformation auszugleichen, werden mehrere solcher Schichten aufeinander gestapelt. Diese mechanische Serienschaltung erlaubt eine Vergroserung 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 Messplatze ist ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit. So konnen unterschiedliche Aktorkennwerte, insbesondere die Dickenanderung, im statischen und dynamischen Betrieb erfasst und protokolliert werden. Weitere Messplatze dienen der Erfassung der mechanischen und elektrischen Impedanz der Aktoren sowie der Bestimmung des Flachenwiderstandes von Elektroden und Zuleitungen. Mit Hilfe der gewonnenen Messdaten wird ein Modell fur das elektromechanische Wandlungsverhalten der Aktoren entwickelt und verifiziert. Die modellhafte Beschreibung des viskoelastischen Materialverhaltens wird durch die Einfuhrung eines fraktionalen Elementes entscheidend verbessert. Mit dem Modell konnen schlieslich anwendungsspezifische Anforderungen an die Auslegung der Aktoren ermittelt werden. Als Anwendungsfeld fur diese Aktoren sind taktile Displays gewahlt. Fur die Darstellung taktiler Reize, also vom Menschen mit der Haut erfuhlbare Stimulationen, sind die Vorteile der hohen Aktordichte und einer verhaltnismasig geringen Betriebsspannung von groser Bedeutung. Nach einer Einfuhrung in das Gebiet der menschlichen Sinneswahrnehmung des „Fuhlens“ erfolgt eine Analyse der Kenngrosen 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 fur eine statische und dynamische Stimulation besser geeignet ist. Abschliesend werden die realisierten Aktoren und Konzepte zur Darstellung taktiler Informationen vorgestellt. Dabei handelt es sich zum einen um einen Antrieb fur 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 spurbar darstellen kann. Die frei konfigurierbare Darstellung kombinierter statischer und dynamischer Oberflacheninformationen mit einer ortlichen Auflosung von 1 mm in einem weiteren Display zeigt abschliesend das Potential der entwickelten Technologie.