Printing low-voltage dielectric elastomer actuators

变硬 材料科学 制作 刚度 电极 电压 执行机构 弹性体 复合材料 介电弹性体 电介质 光电子学 机械工程 电气工程 工程类 生物 医学 病理 物理化学 遗传学 化学 替代医学
作者
Alexandre Poulin,Samuel Rosset,Herbert Shea
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:107 (24) 被引量:139
标识
DOI:10.1063/1.4937735
摘要

We demonstrate the fabrication of fully printed thin dielectric elastomer actuators (DEAs), reducing the operation voltage below 300 V while keeping good actuation strain. DEAs are soft actuators capable of strains greater than 100% and response times below 1 ms, but they require driving voltage in the kV range, limiting the possible applications. One way to reduce the driving voltage of DEAs is to decrease the dielectric membrane thickness, which is typically in the 20–100 μm range, as reliable fabrication becomes challenging below this thickness. We report here the use of pad-printing to produce μm thick silicone membranes, on which we pad-print μm thick compliant electrodes to create DEAs. We achieve a lateral actuation strain of 7.5% at only 245 V on a 3 μm thick pad-printed membrane. This corresponds to a ratio of 125%/kV2, by far the highest reported value for DEAs. To quantify the increasing stiffening impact of the electrodes on DEA performance as the membrane thickness decreases, we compare two circular actuators, one with 3 μm- and one with 30 μm-thick membranes. Our experimental measurements show that the strain uniformity of the 3 μm-DEA is indeed affected by the mechanical impact of the electrodes. We developed a simple DEA model that includes realistic electrodes of finite stiffness, rather than assuming zero stiffness electrodes as is commonly done. The simulation results confirm that the stiffening impact of the electrodes is an important parameter that should not be neglected in the design of thin-DEAs. This work presents a practical approach towards low-voltage DEAs, a critical step for the development of real world applications.
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