Hybride Integration von flüssigkristallinen Elastomeren in die Mikrotechnik

Fischl, Tamas

Summary The present work deals with the microtechnical integration of liquid crystalline elastomers. The aim is to find novel applications and mechanisms for the microactuators.The first part includes a general summary from the peculiarities and the physical characteristics of the liquid crystal state, and below introduces to the field of the liquid crystal elastomers (FULCE). The chapter discusses the important measurement techniques which are necessary to characterise the FULCE materials.The bigger part of the work presents those applications which are developed from the hybrid combination of the silicon technology and the liquid crystal elastomer. The special rubberelasticity of FULCE offers new alternative for the micro-actuators. The actuator uses the principle of the thermo-mechanical transition by its active elastic contraction. The transition is effected with a big spontaneous contraction followed by a low mechanical stress (with small force). The chapters show a detailed description of the applications on the example of a gripper, on a super-elastic structured membrane based on silicone and on a valve.The gripper clears up practical questions of the integration like how can the switch process of the actuator be controlled by the application, how can the elastic actuator be fixed on the surface of the structured silicon or how can the silicon be processed by laser, if the actuator is fixed on the near environment? The aim of the structuring of silicone is to develop an application, which does not include such stiff materials like silicon. Such a formation allows movements with more degrees of freedom.In this application the structured silicon serves as a molding-tool to form the fluent silicone to the right shape. The same chapter deals with the realisation of the surface conductivity of the rubber materials, which can be reached with the accumulation of the carbon black particles on a surface. This technique allows controlling the temperature in the environment of the actuator in case of active systems (M. Chambers) and measuring the deformation of the structured silicone with changing electric resistor on the surface in case of a passive system.The micro-valve uses the flexibility and sealing properties of the FULCE in a micro-structure. In this manner the thermo-mechanical valve can stop the streaming of gaseous and liquid mediums. The single chapters describe the operation principle, the typical characteristics of the given applications and the technological steps which are necessary to its composing.The measurement technique and the finite element method are called to understand the working principle of the mechanisms.Classical silicon technologies (like lithography, wet and dry etching and evaporating metals) are used by the forming of silicon structures. The actuators are integrated on a hybrid way into the structures. Other technique/s like black silicon bonding is used by the development. The black silicon bonding is used for the fixation and for the electrical contacting of the electric conductive FULCE and silicone. The simple integration and the efficient use of the switching potential are the aim of the mechanisms. The compliance of the structures has to minimize into the direction of the movements allowing with this the big deformation. That is the reason why silicone is used in some solutions.This is the first time when liquid crystal elastomers are in the focus by integrated technical applications. The above mentioned mechanisms are the first ones which results from the combination of the liquid crystal elastomer and microtechnology.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Integration von flüssigkristallinen Elastomeren in die Mikrotechnik. Das Ziel ist die Suche neuartiger Applikationen und Mechanismen für die Mikroaktorik. Der erste Teil gibt eine allgemeine Zusammenfassung über die typischen Erscheinungsformen und die physikalischen Eigenschaften des flüssigkristallinen Zustandes und führt in das Gebiet des flüssigkristallinen Elastomers (FULCE) ein. Das Kapitel behandelt die zu der Charakterisierung der FULCE-Materialien nötigen wichtigsten messtechnischen Methoden.Der wesentliche Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Vorstellung solcher Applikationen, die aus der hybriden Integration der Silizium-Technologie und der flüssigkristallinen Elastomere entstanden sind. FULCE-Materialien mit ihren gummielastischen aktuatorischen Eigenschaften bieten für die Aktuatortechnik neuartige Möglichkeiten . Die Arbeit nutzt einen Typ des FULCEs mit einer thermo-mechanischen Umsetzung. Die Umsetzung erfolgt mit einer großen spontanen Kontraktion gefolgt von kleiner mechanischer Spannung (mit kleiner Kraft). Die Kapitel stellen Applikationen an den Beispielen eines Greifers vor, eines superelastischen Membranegelenkes auf Silikonbasis und eines Mikroventils.Der Greifer befasst sich mit solchen Fragen, wie der Aktuator in einer Applikation gesteuert, wie ein Aktuator auf einer Siliziumstruktur befestigt oder wie das Silizium mit einem Laser bearbeitet werden kann, wenn der Aktuator auf der Strukturoberfläche schon fixiert ist.Das Ziel der superelastischen Membrane ist, solche passiv-aktiven Systeme zu entwickeln, die kein starres Silizium enthalten, und die damit Bewegungen mit mehreren Freiheitsgraden ermöglichen. Das Silizium dient in dieser Applikation als Mikroabformungswerkzeug, um dem Silikon eine Gestalt nach dem Vernetzen zu geben. Das selbe Kapitel beschäftigt sich mit der Verwirklichung der elektrischen Oberflächenleitfähigkeit von gummielastischen Materialien. Diese kann erreicht werden durch die Anlagerung von Rußpartikeln auf der Materialoberfläche. Die Idee verfolgt das Ziel, dass entweder der Aktuator elektrisch gesteuert werden kann (M. Chambers), oder die Deformation eines passiven elastischen Materials durch die Widerstandsänderung an der Oberfläche gemessen werden kann.Das Mikroventil kombiniert die Elastizität und die Dichtungseigenschaften des FULCE-Materials derartig, dass damit das Mikroventil die Strömung von Medien in der flüssigen und Gasphase stoppen kann. Die Kapitel stellen die Funktionsprinzipien, die Schritte der zu der Gestaltung notwendigen Technologien und die charakteristischen Eigenschaften der Applikationen vor. Um das Funktionsprinzip der Anwendungen zu verstehen, wird neben der Messtechnik auch die Finite–Elemente-Methode verwendet. Bei der Gestaltung der Applikationen werden solche klassische Mikrotechnologien angewendet, wie zum Beispiel die Lithographie, das nasschemische und trockenchemische Ätzen oder das Metallaufdampfen . Der Aktuator wird immer hybrid auf die Strukturen aufgebracht. Es werden bei der Entwicklung auch solch nicht herkömmliche Technologieschritte, wie das Black-Silicon-Bonden genutzt und auch neu gedacht. Das Bonden wird bei der Fixierung und elektrischen Kontaktierung des elastischen und elektrisch-leitfähigen FULCEs oder Silikons verwendet.Ziel ist es, bei der Anwendung eine möglichst einfache Integrierbarkeit und eine effektive Nutzung der potentiellen Deformierbarkeit des Aktuators zu erreichen. Die Nachgiebigkeit der Strukturen soll in der Richtung der Bewegung minimiert werden, um eine große Kontraktion zu erhalten. Für diesen Zweck wird in einigen Anwendungen auch Silikon verwendet.In dieser Dissertation wird sich zum ersten Mal mit der Integration von flüssigkristallinen Elastomeren in der Mikrotechnik beschäftigt. Die Anwendungen sind die ersten, die auf diesem neuartigen Gebiet entstanden sind.

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Fischl, Tamas: Hybride Integration von flüssigkristallinen Elastomeren in die Mikrotechnik. 2009.

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