CN111081862B - 基于介电效应的电致变形装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于介电效应的电致变形装置及其制作方法，电致变形装置包括载体层(13)和复合层(F)，所述复合层(F)附着于所述载体层(13)，所述复合层(F)包括三层结构，依次为电极层(11)、介电材料层(12)和电极层(11)，所述电极层(11)由导体制成，所述介电材料层(12)由具有介电性能的材料制成，当所述装置未通电时，所述载体层(13)呈螺旋形，当给所述装置通电后，所述装置能发生扭转。根据本发明的电致变形装置，其结构简单且能实现扭转和/或弯曲变形。根据发明的电致变形装置的制备方法，其工艺简单、可操作性强。
Description
技术领域
本发明涉及促动器(也称致动器)领域，更具体地涉及一种基于介电效应的电致变形装置及其制作方法。
背景技术
促动器能在受到外界刺激的情况下发生结构重构，进而带动与促动器相连的连接部件运动。促动器在仿生、机器人、生医器件、微机电系统、点阵材料等领域具有广泛的应用。
根据外界刺激的不同，可将促动器分为热致促动器、光致促动器、化学促动器、电致促动器、磁致促动器、气压/液压促动器等类型。其中，热致促动器反应时间较慢(约十几秒到十几分钟)；光致促动器的材料成分不稳定；化学促动器对环境变化敏感，且多依赖于液体环境；磁致促动器在细微观尺度下驱动力很小(驱动力与尺寸的三次方成正比)；气压/液压促动器尺寸较大，很难应用于细微观领域。
电致促动器具有响应快、成分稳定、驱动力和变形大、适用尺度大等优点，因此具有广泛的应用前景。当前的电致促动器多基于介电效应或压电效应而实现变形。
介电效应表现为，介电材料(如介电弹性体等)在两端通电压时会发生膨胀，撤去电压后材料恢复原状。利用介电效应制备的促动器，能实现某一结构的膨胀、收缩和弯曲变形。
例如在文献1中，使用介电材料制成球状薄膜，当给该球状薄膜两端施加电压时，球体会发生膨胀；而当电压减小时，球体会收缩。
又例如在文献2中，通过预拉伸介电弹性体，再在上面贴上三角形的框架，截取框架尺寸的介电弹性体并释放预应力，可以形成一个收拢的复杂结构。当对介电弹性体通电时，该收拢的结构可以张开并抓取物体。或者在中空的介电弹性体中灌入水凝胶并通电，可以实现结构的弯曲变形。以该结构作为仿生鱼的两个鱼鳍，可以通过鱼鳍的往复摆动实现仿生鱼的向前游动。
然而，在上述应用中，由介电材料制成的结构体(也称电致变形装置)，仅能实现结构体的膨胀、收缩和弯曲的变形，不能实现结构体的扭转变形。而在仿生、机器人等领域，促动器的扭转变形具有重要应用，例如可以被应用于人工肌肉等。因此，如何提供一种能实现扭转变形的基于介电效应的电致变形装置是本领域亟待解决的问题。
引用文献列表
文献1：Wu Y,Yim JK,Liang J,et al.Insect-scale fast moving andultrarobust soft robot.Science Robotics,2019,4(32):eaax1594.
文献2：Kofod G,Wirges W,Paajanen M,et al.Energy minimization for self-organized structure formation and actuation.Applied Physics Letters,2007,90(8):081916.
发明内容
本发明的目的在于克服或至少减轻上述现有技术存在的不足，提供一种能实现扭转变形的基于介电效应的电致变形装置及其制作方法。
根据本发明的第一方面，提供一种基于介电效应的电致变形装置，其包括载体层和复合层，所述复合层附着于所述载体层，其中，
所述复合层包括三层结构，依次为电极层、介电材料层和电极层，所述电极层由导体制成，所述介电材料层由具有介电性能的材料制成，
当所述装置未通电时，所述载体层呈螺旋形，
当给所述装置通电后，所述装置能发生扭转。
在至少一个实施方式中，所述载体层呈弯曲的螺旋形，
当给所述装置通电后，所述装置还能发生弯曲。
在至少一个实施方式中，所述载体层的制作材料为聚二甲基硅氧烷。
在至少一个实施方式中，所述载体层有两个，两个所述载体层将所述复合层夹设在中间。
在至少一个实施方式中，所述载体层包括层叠在一起的第一载体层和第二载体层，当所述载体层的两端被固定时，所述第一载体层和所述第二载体层之间的应力使得所述载体层形成螺旋形。
在至少一个实施方式中，当把所述载体层展开成平面状时，所述载体层呈折线形或曲线形。
在至少一个实施方式中，所述第一载体层的制作材料为铬或金，所述第二载体层的制作材料为二氧化钒或氮化硅。
根据本发明的第二方面，提供一种基于介电效应的电致变形装置的制作方法，所述方法用于制作根据本发明的电致变形装置，所述方法包括：
利用模具浇筑出螺旋形的所述载体层；以及
将所述复合层粘贴到所述载体层。
在至少一个实施方式中，所述“将所述复合层粘贴到所述载体层”包括：
使用夹具将所述载体层展开呈平面状；
将所述复合层粘贴到所述呈平面状的载体层；以及
松开所述夹具，使所述载体层恢复螺旋形。
根据本发明的第三方面，提供一种基于介电效应的电致变形装置的制作方法，其特征在于，所述方法用于制作根据本发明的电致变形装置，所述方法包括：
准备基板坯；
在所述基板坯上形成固定层坯；
在所述固定层坯上形成第二载体层坯；
在所述第二载体层坯上形成所述第一载体层；
在所述第一载体层上粘贴复合坯层；
切割所述复合坯层，使其形成为与所述第一载体层的形状一致的所述复合层；
用掩膜版盖住当前装置的表面，通过反应离子刻蚀将所述第二载体层坯和所述固定层坯切成与所述第一载体层一致的形状，使所述第二载体层坯形成为所述第二载体层；以及
刻蚀所述第二载体层下方的所述固定层坯的剩余部分的中部，使所述固定层坯形成为固定层，并使所述第二载体层下方的中部区域悬空。
在至少一个实施方式中，所述固定层坯的制作材料为二氧化硅，所述基板坯的制作材料为硅，
所述固定层坯通过等离子体增强化学气相沉积的方法制备，
所述第二载体层坯通过脉冲激光沉积的方法制备，
所述第一载体层通过使用掩膜版沉积材料的方法制备。
根据本发明的电致变形装置，其结构简单且能实现扭转和/或弯曲变形。
根据发明的电致变形装置的制备方法，其工艺简单、可操作性强。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的电致变形装置的初始形状的示意图。
图2是图1的完全展开形状的示意图。
图3是根据本发明的一个实施方式的电致变形装置的层状结构的示意图。
图4是根据本发明的电致变形装置的层状结构的另一个实施方式的示意图。
图5是根据本发明的电致变形装置的初始形状的另一个实施方式的示意图。
图6是根据本发明的又一个实施方式的电致变形装置的层状结构的示意图。
图7是图6所示的电致变形装置由于受内应力而卷绕的示意性原理图。
图8是图6所示的电致变形装置的复合层的示意图。
图9是图6所示的电致变形装置的第一载体层的示意图。
图10是图6所示的电致变形装置的第二载体层的示意图。
图11是图6所示的电致变形装置的固定层的示意图。
图12是图6所示的电致变形装置的基板的俯视的示意图。
图13是图6所示的电致变形装置在制作过程中所形成的坯件的俯视的示意图。
图14是图6所示的电致变形装置在制作过程中所形成的坯件的侧视的示意图。
附图标记说明：
10、10s电致变形装置；
11电极层；12介电材料层；13载体层；131第一载体层；132第二载体层；
132p第二载体层坯；14固定层；14p固定层坯；15基板；15p基板坯；15t凸起部；F复合层。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。
(第一实施方式)
首先参照图1至图3介绍根据本发明的第一实施方式的基于介电效应的电致变形装置。
图1示出了根据本发明的第一实施方式的电致变形装置10在未加载电压时的形状(以下将装置10的这种形状称为“初始形状”)。初始形状的装置10呈螺旋形，其由长条状的材料沿三维螺旋线延伸而形成，该三维螺旋线例如可以是圆柱螺旋线或圆锥螺旋线。图1所示为圆柱螺旋形的装置10。本实施方式中对螺旋线的螺距不作特别限定，单个装置10在不同区域的螺距也可以不相同。
图2示出了装置10的长条状材料沿直线完全展开后的形态，为清楚区分，将这种展开成平面形态的电致变形装置称为装置10s，装置10s的这种形状称为“完全展开形状”。
完全展开形状下的装置10s的被与其长度方向L垂直的平面所截的面(以下简称装置10s的横截面，或装置10的横截面)优选地呈矩形。
在本实施方式中，装置10包括四层结构。图3示出了装置10的横截面的层状结构。这四层结构依次为电极层11、介电材料层12、电极层11和载体层13。
载体层13作为基础骨架使得装置10具有螺旋形。在本实施方式中，载体层13的制作材料为具有较好的粘弹性的材料，例如有机硅材料，优选地为PDMS(polydimethylsiloxane，即聚二甲基硅氧烷)。
介电材料层12由具有介电性能的材料制成，例如为丙烯酸(例如3M公司的VHB4910系列丙烯酸薄膜)或聚氨酯或硅胶。当有电流通过时，介电材料层12能发生膨胀。
电极层11由导电材料制成，例如为铜或银。电极层11设置在介电材料层12的两侧，当电极层11通电后，能够给介电材料层12施加电场。
为下文的表述方便，也将两个电极层11中间夹设介电材料层12所构成的“三明治”结构层称为复合层F。整个复合层F依附于载体层13，使得复合层F和载体层13具有同样的形状结构。
当两个电极层11之间形成电场、使得介电材料层12发生膨胀时，介电材料层12的膨胀变形将带动载体层13发生变形，使得整个装置10的螺旋由初始形状而发生解旋。
假设装置10被固定于某一参照物，则装置10上除了固定点外的其他区域相对于参照物发生扭转，从而能够使得与装置10相连的连接件扭转，以实现所需的扭转动作。
接下来介绍根据本实施方式的装置10的制作方法。
首先，制作螺旋形的载体层13。
由于载体层13具有复杂的三维形状，优选地，借助模具制作载体层13。例如通过3D打印或机械加工的方式制作模具，之后在模具中浇筑PDMS，脱模后形成螺旋形的载体层13。
之后，在载体层13的表面附着复合层F。
优选地，使用夹具，将载体层13完全展开至形成平面状，之后将复合层F粘贴到载体层13。
复合层F的粘贴步骤可以是按电极层11、介电材料层12和电极层11的顺序逐层粘贴到载体层13，也可以是先准备好复合层F、然后将复合层F一次粘贴到载体层13。
最后，释放夹具，得到螺旋形的装置10。
(第二实施方式)
参照图4，接下来介绍根据本发明的第二实施方式的基于介电效应的电致变形装置10。
该实施方式是第一实施方式的变型，其与第一实施方式的区别包括，装置10包括五层结构，依次为载体层13、电极层11、介电材料层12、电极层11和载体层13，即复合层F的两侧都具有载体层13。
本实施方式的装置10相比于第一实施方式，在介电材料层12膨胀变形后，复合层F的两侧受力更均匀，能使得装置10从“初始形状”展开为“完全展开形状”；而对于第一实施方式的装置10，其介电材料层12膨胀变形后，装置10只能部分地解旋至接近“完全展开形状”。
(第三实施方式)
参照图5，接下来介绍根据本发明的第三实施方式的基于介电效应的电致变形装置10。
该实施方式是第一实施方式和第二实施方式的变型，其与上面两个实施方式的区别包括，装置10的螺旋形是弯曲的螺旋形，例如，装置10沿环面螺旋线延伸。
本实施方式的装置10相比于第一实施方式和第二实施方式，当介电材料层12发生膨胀带动载体层13发生变形时，使得整个装置10在解旋过程中不仅发生扭转，还发生弯曲(使其趋于成为圆柱螺旋状，表现为螺旋形中间以点划线示出的弯曲的轴线沿箭头R所指的方向往虚直线弯曲)。
假设装置10被固定于某一参照物，则装置10上除了固定点外的其他区域相对于参照物发生扭转和弯曲，从而使得与装置10相连的连接件能实现所需的扭转和弯曲动作。
(第四实施方式)
第四实施方式是第一实施方式的另一个变型。参照图6，在该实施方式中，装置10具有五层结构，依次为：电极层11、介电材料层12、电极层11、第一载体层131和第二载体层132。且装置10依靠位于其两个端部的固定层14被固定于基板15。
第一载体层131和第二载体层132共同构成复合的载体层13，其中，第一载体层131的制作材料例如为铬(Cr)或金(Au)，第二载体层132的制作材料例如为二氧化钒(VO2)或氮化硅(SiNx)。
固定层14的制作材料例如为使用表面牺牲层技术能去除的材料，优选为二氧化硅(SiO2)。
基板15的制作材料例如为硅(Si)。
值得说明的是，图6示出的是装置10的螺旋形完全展开时的层状结构，且图6所示不表示装置的实际尺寸比例。图6仅示意性地对应了具有图8至图12的各层结构的装置10及固定层14和基板15的侧视图。
本实施方式中，载体层13的螺旋形状主要是由其中的第一载体层131和第二载体层132在形成过程中互相作用的应力而造成的。在第一载体层131和第二载体层132结合到一起的过程中，通过固定载体层13的两端、而使其中间部分悬空且留有卷曲的余量，载体层13将在悬空的中间区域受内应力而自然卷曲成螺旋形。
在本实施方式中，载体层13完全展开后呈大致V形，其卷曲时，读者例如可以参照图7想象一V形的条带绕一假想的圆柱卷曲，卷曲完成后将形成相连的一个左旋螺旋结构和一个右旋螺旋结构。
接下来结合图8至图12介绍根据本实施方式的装置10及其固定部件的各层的结构。
图9示出了第一载体层131的图案形状；图10示出了第二载体层132的图案形状。在本实施方式中，第一载体层131和第二载体层132具有同样的形状且这两层重合，这两层均呈大致V形。
此外，参照图8，由于复合层F附着于第一载体层131，优选地，复合层F的图案形状与第一载体层131的形状相同且这两层重合。
图11示出了固定层14的图案形状。固定层14的图案包括两个间隔开的区域，这两个区域分别对应载体层13的V形的两个分叉的端部。由于载体层13设置于固定层14的上方，载体层13的V形的中间的大部分区域不与固定层14连接，即这大部分区域是悬空的(悬空的区域如图6中×号所示)。
图12为基板15的俯视的示意图。基板15在厚度方向上的靠近固定层14的上部为凸起部15t，凸起部15t的形状与载体层13的形状相同，且它们在厚度方向上重合。结合下文对装置10的制作方法的介绍，读者可以理解，凸起部15t是由于加工固定层14而形成的。应当说明的是，凸起部15t并不是必须的，即基板15也可以是表面平整的层状结构，此时，基板15不具有凸起部15t。
接下来结合图13和图14介绍本实施方式的装置10的形成方法，该方法包括：
准备基板坯15p。
在基板坯15p上制备固定层坯14p，固定层坯14p在基板坯15p上所覆盖的区域大于设计的载体层13在基板15上的投影所覆盖的区域，例如固定层坯14p大致与基板坯15p重合。优选地，固定层坯14p是通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法制备的。
在固定层坯14p上制备第二载体层坯132p，第二载体层坯132p在固定层坯14p上所覆盖的区域大于设计的第一载体层131在固定层坯14p上的投影所覆盖的区域，例如第二载体层坯132p大致与固定层坯14p重合。优选地，第二载体层坯132p是通过脉冲激光沉积的方法制备的。
在第二载体层坯132p上制备V形的第一载体层131。优选地，第一载体层131是通过使用光刻制备的掩膜版沉积材料的方法制备的，例如通过使用掩膜版，在二氧化钒所制作的第二载体层坯132p上沉积一层V形的铬层。
将上述制备的各层结构简称为坯件，坯件的俯视图如图13所示，坯件的侧视的示意图如图14所示。
当坯件制备完成后，在第一载体层131上贴上复合坯层。复合坯层是复合层F的未切割结构，其由电极、介电材料和电极三层结构构成。复合坯层能够将第一载体层131完全覆盖。
切割复合坯层，使其形成为与第一载体层131的形状一致的V形的复合层F。优选地，切割工艺为激光切割。
用掩膜版盖住当前装置的表面，用反应离子刻蚀工艺将第二载体层坯132p、固定层坯14p和基板坯15p的上部一齐切成第一载体层131的形状。优选地，基板坯15p的上部被切割而形成凸起部15t的部分的厚度为20μm至30μm，且更优选地，凸起部15t(同时参照图6和图12)的厚度为25μm。应当理解，基板坯15p的上部被切割的目的是为了能彻底切割固定层坯14p，在固定层坯14p能被精确切割的情况下，基板坯15p也可以不被切割。完成切割的第二载体层坯132p即为第二载体层132，完成切割的基板坯15p即为基板15。
之后用氧化缓冲腐蚀剂将第二载体层132下方的固定层坯14p的剩余部分的位于V形图案的中部的材料刻蚀、只留下V形图案的两个分叉的端部，即形成如图11所示的固定层14。
至此，得到装置10，且由于第一载体层131和第二载体层132在沉积时的残余应力，装置10将自然卷成螺旋形。
应当理解，形成螺旋形的装置10可以自然地与在其制作过程中使用的固定层14和基板15相连而使用，也可以将装置10与在其制作过程中使用的固定层14和基板15分离。然而，由于螺旋形的形成依赖于载体层13的内部应力，因此，即使将装置10单独取下，仍然需要将装置10整理成螺旋形并使其两个端部固定在其它的固定层而使用。
应当理解，根据本实施方式的装置10的展开图形也可以不是V形的，只需要保证在固定层14的两个固定区域之间的装置10的条形形状不沿直线延伸、而具有卷曲的余量即可，例如，装置10的展开的图形也可以是W形或是其它的折线或曲线形；如本领域技术人员能理解的，对于展开呈折线形的装置10，其卷曲后形成的螺旋形结构具有易被预先设计的螺距，此外，对于展开呈不规则的曲线形的装置10，其卷曲后形成的螺旋形可能是弯曲的螺旋形(例如类似图5所示的螺旋形)。
应当理解，上述实施方式、尤其是第一至第三实施方式及其部分方面或特征可以适当地组合。
本发明至少具有以下优点中的一个优点：
(i)根据本发明的基于介电效应的电致变形装置，其结构简单且能实现扭转和/或弯曲变形，尤其适用于毫米尺度和微米尺度的促动器。
(ii)本发明提供了电致变形装置的多种结构和制备方法，本领域技术人员可根据需要选择合适的制备方法制备不同层状结构的电制变形装置。
当然，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员在本发明的教导下可以对本发明的上述实施方式做出各种变型，而不脱离本发明的范围。
Claims (12)
1.一种基于介电效应的电致变形装置，其包括载体层(13)和复合层(F)，所述复合层(F)附着于所述载体层(13)，其中，
所述复合层(F)包括三层结构，依次为电极层(11)、介电材料层(12)和电极层(11)，两个所述电极层(11)均由导体制成，所述介电材料层(12)由具有介电性能的材料制成，
所述载体层(13)包括层叠在一起的第一载体层(131)和第二载体层(132)，当所述载体层(13)的两端被固定时，所述第一载体层(131)和所述第二载体层(132)之间的应力使得所述载体层(13)形成螺旋形，
当所述装置未通电时，所述载体层(13)呈螺旋形，
当给所述装置通电后，所述装置能发生扭转。
2.根据权利要求1所述的基于介电效应的电致变形装置，其特征在于，所述载体层(13)呈弯曲的螺旋形，
当给所述装置通电后，所述装置还能发生弯曲。
3.根据权利要求1所述的基于介电效应的电致变形装置，其特征在于，所述载体层(13)的制作材料为聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于介电效应的电致变形装置，其特征在于，所述载体层(13)有两个，两个所述载体层(13)将所述复合层(F)夹设在中间。
5.根据权利要求1所述的基于介电效应的电致变形装置，其特征在于，当把所述载体层(13)展开成平面状时，所述载体层(13)呈折线形或曲线形。
6.根据权利要求1所述的基于介电效应的电致变形装置，其特征在于，所述第一载体层(131)的制作材料为铬或金，所述第二载体层(132)的制作材料为二氧化钒或氮化硅。
7.一种基于介电效应的电致变形装置的制作方法，其特征在于，所述方法用于制作如下电致变形装置：
所述电致变形装置包括载体层(13)和复合层(F)，所述复合层(F)附着于所述载体层(13)，所述复合层(F)包括三层结构，依次为电极层(11)、介电材料层(12)和电极层(11)，两个所述电极层(11)均由导体制成，所述介电材料层(12)由具有介电性能的材料制成，当所述装置未通电时，所述载体层(13)呈螺旋形，当给所述装置通电后，所述装置能发生扭转，
所述方法包括：
利用模具浇筑出螺旋形的所述载体层(13)；以及
将所述复合层(F)粘贴到所述载体层(13)，
所述将所述复合层(F)粘贴到所述载体层(13)包括：
使用夹具将所述载体层(13)展开呈平面状；
将所述复合层(F)粘贴到呈平面状的所述载体层(13)；以及
松开所述夹具，使所述载体层(13)恢复螺旋形。
8.根据权利要求7所述的基于介电效应的电致变形装置的制作方法，其特征在于，所述载体层(13)呈弯曲的螺旋形，
当给所述装置通电后，所述装置还能发生弯曲。
9.根据权利要求7所述的基于介电效应的电致变形装置的制作方法，其特征在于，所述载体层(13)的制作材料为聚二甲基硅氧烷。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的基于介电效应的电致变形装置的制作方法，其特征在于，所述载体层(13)有两个，两个所述载体层(13)将所述复合层(F)夹设在中间。
11.一种基于介电效应的电致变形装置的制作方法，其特征在于，所述方法用于制作根据权利要求1至6中任一项所述的电致变形装置，所述方法包括：
准备基板坯(15p)；
在所述基板坯(15p)上形成固定层坯(14p)；
在所述固定层坯(14p)上形成第二载体层坯(132p)；
在所述第二载体层坯(132p)上形成所述第一载体层(131)；
在所述第一载体层(131)上粘贴复合坯层；
切割所述复合坯层，使其形成为与所述第一载体层(131)的形状一致的所述复合层(F)；
用掩膜版盖住当前装置的表面，通过反应离子刻蚀将所述第二载体层坯(132p)和所述固定层坯(14p)切成与所述第一载体层(131)一致的形状，使所述第二载体层坯(132p)形成为所述第二载体层(132)；以及
刻蚀所述第二载体层(132)下方的所述固定层坯(14p)的剩余部分的中部，使所述固定层坯(14p)形成为固定层(14)，并使所述第二载体层(132)下方的中部区域悬空。
12.根据权利要求11所述的基于介电效应的电致变形装置的制作方法，其特征在于，
所述固定层坯(14p)的制作材料为二氧化硅，所述基板坯(15p)的制作材料为硅，
所述固定层坯(14p)通过等离子体增强化学气相沉积的方法制备，
所述第二载体层坯(132p)通过脉冲激光沉积的方法制备，
所述第一载体层(131)通过使用掩膜版沉积材料的方法制备。
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