WO2014180583A1 - Folien-stapelaktor mit integrierten kunststoff-elektroden - Google Patents
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- H02N2/043—Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification
Definitions
- the present invention relates to a film stacking actuator which incorporates a number of elastic films
- the invention further relates to a method for producing a film stack actuator. They be ⁇ hits beyond a use of a film stack ⁇ actuator, a valve and a sensor.
- a Folienaktor can be realized, together compressed upon application of a voltage to the electrodes perpendicularly to the surface through the elec- fresh field and is stretched to the other in the latera ⁇ len plane necessarily.
- These vertical and lateral movements can be used as actuator movement.
- the disadvantage is that even the thinnest of electrodes between the foils emerge during the construction of a foil stack and the corresponding foil surface bulges outwards.
- the more electrode layers are arranged in the film stack the greater the curvature at the position of the electrodes. This means that, for example, a planar valve seat can not be closed by such a film actuator or only with poor leakage.
- the problem has been hitherto by the spin-on of a thin elastomer, z. B. Elastosil P7670, ge on a base ⁇ triggers.
- the adjustable rotational speed of the so-called “spin coaters” defines the desired elastomer layer thickness
- the electrode structure is made of the elastomer with the aid of a spray device and a shadow mask realized.
- graphite powder is fluidic Siert and sprayed, the sprayed conductive Par ⁇ tikelmenge the thickness of the electrode layer is defined.
- the stacking actuator thus grows on the centrifuge plate from process iteration to processi- zation.
- every second electrode must be anodically and cathodically connected in an alternating manner.
- This Antitle ist is made insufficiently by the piercing of a metal wire through the respective electrode layers.
- Another disadvantage is that the electrode structure is defined by a mask, so that only where the mask is open, the conductive graphite suspension is applied. Additive construction of the two layer systems into a stack does not achieve a precise planar structure due to the electrode structuring. The actuator can thus be used in ⁇ play as not for valve applications. Description of the invention
- the first object is achieved by a foil stack actuator according to claim 1.
- the second object is achieved by a method for producing a film stacking actuator according to Pa ⁇ tent stretch 7.
- the third object is achieved by a use of a film stacking actuator according to claim 13, as well as by a valve according to claim 14 and a sensor. solved sor according to claim 15.
- the dependent claims contain further, advantageous embodiments of the invention.
- the film stack actuator according to the invention comprises a number of elastic films with integrated electrodes.
- the individual films are each configured as a film composite of at least two layers.
- the film composite comprises a first, electrically non-conductive, elastic film layer and a second layer of plastic.
- the second layer of plastic comprises electrically conductive regions and electrically insulating regions.
- the electrically conductive regions form the electrodes of the foil stack actuator.
- the foil stack actuator according to the invention has the advantage that a bulge of the surface of the foil Sta ⁇ pelaktors in the region of the electrodes in the compressed state of the actuator is avoided by the integration of the electrodes within a plastic layer. In this way, a high-planar film stack actuator is realized, which can be used in particular in the context of valves or sensors.
- the individual sheets may thereby have a layer thickness of between 10 micrometers and 50 micrometers, advantageously Zvi ⁇ rule 20 micrometers and 35 micrometers.
- the layer of plastic material may have a layer thickness of between 5 micrometers and 15 micrometers, advantageously 10 micrometers have ⁇ meters.
- the foil stack actuator according to the invention can have a constant electrode layer thickness homogeneity in the range between 200 nm and 300 nm over the entire foil surface with local conductive and nonconductive surfaces or regions.
- the electrically conductive regions can, for example, have a sheet resistance of between 100 ⁇ / sq. and 250 ⁇ / sq., advantageously between 100 ⁇ / sq. and 200 ⁇ / sq. aufwei ⁇ sen.
- the electrically insulating a sheet resistance of at least 10 8 ⁇ / sq., Preferably ⁇ before at least 10 9 ⁇ / sq. exhibit.
- the at least two layers of the film composite can have different film hardnesses.
- Layer of plastic having electrically conductive and elec trically insulating ⁇ areas may advantageously comprise a polymer. These may preferably be electrically conductive polymers. These may in particular have the property that their electrical conductivity is chemically destructible. An example for this is the product CleviosF ET of the company Heraeus Precious Metals GmbH.
- the inventive method for producing a film stack actuator relates to a film stack actuator comprising a number of elastic films with integrated electrodes.
- the slides are connected together as a stack.
- the individual films are each configured as a film composite of at least two layers.
- the films comprising the steps of: a conductive art ⁇ material is applied over the entire surface on an electrically non-conductive, elastic Fo ⁇ lien layer.
- An electrode pattern is transferred to the layer of conductive material by Maskie ⁇ tion and the conductivity of the non-masked areas is chemically interfere zer ⁇ without reducing the layer thickness.
- the inventive method is particularly suitable for the production of a previously described foil stack actuator. It basically has the same advantages as the foil stack actuator described above.
- the film stack actuator thus produced is characterized in that it has a high planarity even in the compressed or compressed state.
- the conductive plastic can be applied to the films with the aid of a doctor blade device or by spin coating, for example with the aid of a so-called spin coaters, are applied. It can basically be a conductive plastic with a sheet resistance between 100 ⁇ / sq. and 200 ⁇ / sq., advantageously between 150 ⁇ / sq. and 200 ⁇ / sq. be used.
- the electrode structure can be transferred to the layer of conductive plastic by photolithography using a resist mask.
- conductive plastic can, as already described in connection with the film stack actuator according to the invention, an electrically conductive polymer or polymers are used. The polymers may in particular the self ⁇ economy have is that their electrical conductivity is chemically destroyed. It can for example be used, the material presented under the name Herge ⁇ CleviosF ET by the company Heraeus Precious Metals GmbH.
- the individual films can be joined together by lamination.
- This can ⁇ SUC gene, for example such that the respective film is laminated on the da ⁇ down respectively lying in stack film.
- the electrodes in the film plane may be contacted by positioning metal filaments between the films, for example as part of the lamination process.
- a further variant consists of contacting the electrodes in the film plane by Schoopieren, in particular by side Schoopieren the already completely stacked and laminated actuator.
- the side of the actuator can be covered with the aid of metal vapors or conductive silver.
- This Schoop ists compiler is a standard Metallisie- ing step in the production of, for example foil ⁇ capacitors. This type of contact guarantees a secure electrical Antitle ist for each electrode level in the stack.
- Another advantage of the conductive plastic layer on the film is its compliance under stress of motion.
- the already described film stack actuator can be fiction, according ⁇ used as valve and / or as a sensor and / or as a component of a peristaltic pump driven.
- the valve may be, for example, a switching valve.
- the sensor may in particular be a pressure sensor.
- the valve according to the invention comprises a previously described foil stack actuator according to the invention.
- the valve may be, for example, a switching valve.
- the dung OF INVENTION ⁇ proper sensor in which it may be for example, a pressure sensor, comprises an inventive film stack actuator described above.
- the inventive valve and the sensor according to the invention have grundsharm ⁇ Lich the same advantages as the above-described films of the invention-stack actuator.
- the conductive plastic layer in particular the so-called Cleviostik, was developed by a cost ⁇ He set for the so-called ITO (indium tin oxide English, indium tin oxide) to achieve coating in the display.
- This plastic layer is made usable in the context of the present invention for film stacking actuators, whereby a safe and cost-effective method is realized in the realization of highly planar plastic actuators. That is, the electrodes are highly planar embedded in the film stack and no longer lead to a local bulging of the film surface. It can be used to generate polymer systems for a variety of different applications.
- ⁇ nen process very easy and without any additional effort combi Natio ⁇ nen of actuators and sensors in a film stack.
- the same product structures can be used both as an actuator, ie when a change in thickness is caused by an applied voltage, or as a sensor, ie when a voltage is applied and a change in capacitance is caused by a change in thickness by pressure on the film stack.
- Another advantage of a combination according to the invention of transparent, tear-resistant films in a stack as an actuator or sensor is in particular the possibility of covering displays with the film stack structure and thus overlaying displays, such as on the screen of smart phones, for example. with an input sensor and in particular the haptic feedback, so the input confirmation to realize on a point of the application. Also, such flat, sensory functions, such as keyboards, on any surface can be made possible without disturbing the appearance of the device or even change.
- the film stack actuators according to the invention can be installed, for example, in very fast switching valves, in particular ⁇ special, where a small control valve and a much larger load valve hydraulically closes or opens.
- Fast switching valves are as absolutely necessary in the gas chromatography ⁇ .
- the control valve is active and ent ⁇ speaks in this case, the conductive portion of the plastic layer while using the load valve is a passive, actuated by hydraulic forces valve which is realized in this case by the non-conducting areas of art ⁇ material layer.
- FIG. 1 shows schematically a conventional foil stack actuator in an exploded perspective view.
- FIG. 2 schematically shows the film stacking actuator shown in FIG. 1 in a side view in the compressed state.
- Figure 3 shows schematically a foil stack actuator according to the invention in a sectional view perpendicular to the film plane.
- Figure 4 shows schematically a servo valve in a sectional view in (A) closed state and (B) geöff ⁇ netem state.
- FIG. 5 schematically shows a pressure regulator in a perspective and sectional view.
- the film stacking actuator 1 consists of a number of films 2, which are arranged one above the other in the form of a stack. Between the foils 2 electrodes 3 are arranged. These are alternately anodized and cathodically antitleiert.
- the electrodes arranged on the films 11, 13, 15 and 17 are contacted anodically, while the electrodes arranged on the films 12, 14, 16 and 18 are cathodically contacted.
- the cathodic contact is identified by the reference numeral 4.
- the anodic contact ⁇ tion is denoted by the reference numeral 5.
- the direction perpendicular to the surface of the films is indicated by the reference numeral ⁇ . 7 This direction is perpendicular to the respective surface normal of the film surfaces.
- the films are compressed perpendicular to the surface, ie in the direction of the arrow 7 or in the opposite direction by the electric field.
- the entire film stack is thus compressed or its thickness d is reduced.
- FIG. 2 schematically shows the film stack actuator 1 shown in FIG. 1 in a side view in the compressed state.
- the foil stack actuator 1 is not completely flat in the compressed state, that is to say there is no planarity.
- a bulge 8 is produced in the area of the foils 2 as a consequence of the local metallization. Such a bulge
- FIG. 3 schematically shows a film stack actuator 10 according to the invention in a sectional view perpendicular to the film plane.
- the film stacking actuator 10 according to the invention comprises a number of films 22.
- the individual films 22 are arranged as a stack and connected to one another by lamination.
- the individual films 22 are each constructed as two layer systems. They each comprise an electrically non leitfä ⁇ hige elastic starting film 23 was applied to a plastic layer 24th In the plastic layer 24 are electrically conductive portions 25 which form the electrodes integrated.
- the foil stack actuator 10 is characterized by the integration of the electrodes 25 into a complete plastic layer 24 in that it has a homogeneous thickness d even when an electric field is applied, ie in the compressed state, ie has a high planarity. Thus, it is not the bulges 8 described in connection with FIGS. 1 and 2 that are generated.
- a film or film composite may be, for example, a total of between 20 micrometres and 35 micro meters thick ⁇ elastic film 22 can be used, whereby also different film curing in the film composite can be used.
- a highly planar film stack structure is realized by using a conductive plastic, for example a polymer, for example the product CleviosF ET from Heraeus Precious Metals GmbH, for the electrode plane 24.
- This conductive plastic which, for example, a sheet resistance between 150 ⁇ / sq. and 200 ⁇ / sq. can be applied over the entire surface of the individual ⁇ nen films 23, for example, with a thickness of 10 microns with the aid of a spin coater or with the aid of a doctor blade.
- the electrode structure is then by default, for example by photolithography using a resist mask übertra ⁇ gen. Using a Etchsuspension then the conductivity of the conductive resin to the non-mas ⁇ -labeled areas destroyed.
- the Leitfä ⁇ ability reduced and increases the sheet resistance of these Be ⁇ rich 26, for example, of 200 ⁇ / sq. to 10 9 ⁇ / sq.
- the layer thickness of the plastic layer is not or only slightly reduced.
- the process leaves after several annealing steps, a constant electrode layer thickness homogeneity in the range Zvi ⁇ rule 200 nm and 300 nm over the entire film surface lo- cal conductive surfaces 25 and non-conductive surfaces 26th
- the stack actuator 10 can then be realized by laminating a number of correspondingly coated and structured films 22 without losing the film surface planarity. Since in the present example, the films are laminated in succession ⁇ example, the electrical Ancript mich of the electrodes 25 may be in particular in the EBE ne be realized by inserting thin metal foil threads. Alternatively, in an already finished actuator 10 by a lateral Schooptechnik, for example, an occupancy of the side of the actuator using metal vapors or conductive silver, accomplished. This Schoop réelles- method is a standard metallization in the production ⁇ position of example film capacitors. This type of contacting guarantees a safe electrical
- Another advantage of the conductive polymer layer 24 on the film is its compliance under motion stress. Since the foils are periodically compressed with the aid of an electric field in the thickness d, it is necessary for the electrode structure to withstand this load for a relatively long time.
- FIG. 4 schematically shows an example of an application of the sheet stack actuator according to the invention as a valve 20.
- FIG. 4 shows schematically a servo valve 20 in one
- the servovalve 20 shown in FIG. 4 comprises a control valve 21 and a load valve 22 which can be hydraulically closed or opened by means of the control valve 21.
- the load valve 22 is considerably larger than the control valve 21.
- the control valve ⁇ til 21 is active, it comprises in the present embodiment, therefore, the conductive portions 25 of the plastic layer 24, and the load valve 22 is a passive, actuated by hydrostatic forces valve, which in the present example approximately ⁇ exporting includes the non-conductive areas 26 of the material layer art ⁇ 24th Correspondingly possible fast
- switching operations are indispensable in gas chromatography.
- a first flow channel 27 is connected via the load valve 22 to a second flow channel 28.
- the flow direction with open load valve 22 is through Arrows 8 in Figure 4 (B).
- the load valve 22 and the control valve 21 are CLOSED ⁇ sen. This is effected by a hydraulic closing force on the load valve and the control valve.
- the first flow channel 27 is fluidically connected to the control valve 21.
- the load valve is also actuated hydraulically. This causes the flow rate from the first flow channel 27 to the control valve 21 to decrease significantly and the majority of the flow from the first flow channel 27 via the open load valve 22 into the second flow channel 28 flows.
- the effluent via the open control valve 21 flow is indicated by an arrow 9.
- FIG. 5 schematically shows a pressure regulator 30 in a perspective and sectional view.
- a conventional piezo actuator has been replaced by a low-cost polymer stack actuator 10 as a pressure regulator.
- the film stack 10 serves both as an actuator and as a pressure sensor, for example for controlling and / or regulating the nozzle baffle 31.
- Fo ⁇ lien stack actuator 10 Another possible application of the Fo ⁇ lien stack actuator 10 according to the invention consists in peristaltically driven pumps, for example, for diagnostic cartridge and card systems.
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Abstract
Es wird ein Folien-Stapelaktor (10), welcher eine Anzahl elastischer Folien (11-18) mit integrierten Elektroden (25) umfasst, beschrieben. Dabei sind die einzelnen Folien (11-18) jeweils als Folienverbund aus mindestens 2 Schichten (23, 24) ausgestaltet, wobei der Folienverbund eine erste elektrisch nicht leitende, elastische Folienschicht (23) und eine zweite Schicht (24) aus Kunststoff mit elektrisch leitfähigen (25) und elektrisch isolierenden Bereichen (26) umfasst. Die elektrisch leitfähigen Bereiche (25) bilden die Elektroden des Folien-Stapelaktors (10).
Description
Beschreibung
Folien-Stapelaktor mit integrierten Kunststoff-Elektroden Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Folien-Stapelaktor, welcher eine Anzahl elastischer Folien mit integrierten
Elektroden umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Ver- fahren zur Herstellung eines Folien-Stapelaktors. Sie be¬ trifft darüber hinaus eine Verwendung eines Folien-Stapel¬ aktors, ein Ventil und einen Sensor.
Hintergrund der Erfindung
Durch das präzise übereinander Stapeln von dünnen Kunststofffolien mit dazwischen liegenden dünnen Elektroden kann ein Folienaktor realisiert werden, der beim Anlegen einer Spannung an den Elektroden senkrecht zur Fläche durch das elek- frische Feld zusammengestaucht und zum anderen in der latera¬ len Ebene notwendigerweise gedehnt wird. Diese vertikalen und lateralen Bewegungen können als Aktorbewegung genutzt werden. Nachteilig ist, dass sich auch die dünnsten Elektroden zwischen den Folien beim Aufbau eines Folienstapels abzeichnen und die entsprechende Folienfläche sich nach außen wölbt. Je mehr Elektrodenschichten im Folienstapel angeordnet sind, desto größer ist die Wölbung an der Position der Elektroden. Dies führt dazu, dass zum Beispiel ein planarer Ventilsitz durch so einen Folienaktor nicht oder nur schlecht leckdicht geschlossen werden kann.
Das Problem wurde bisher durch das Aufschleudern eines dünnen Elastomers, z. B. Elastosil P7670, auf ein Grundsubstrat ge¬ löst. Die einstellbare Drehgeschwindigkeit des sogenannten „Spin-coaters" (Vorrichtung zur Rotationsbeschichtung) definiert dabei die gewünschte Elastomerschichtdicke. Nach einem Vernetzungsschritt wird mit Hilfe einer Sprühvorrichtung und einer Schattenmaske die Elektrodenstruktur aus dem Elastomer
realisiert. In diesem Verfahren wird Graphitpulver fluidi- siert und versprüht, wobei die versprühte leitfähige Par¬ tikelmenge die Dicke der Elektrodenschicht definiert. Auf dem Schleuderteller wächst so von Prozessiteration zu Prozessite- ration der Stapelaktor.
Um den Stapelaktor funktionstüchtig zu machen, muss jede zweite Elektrode alternierend anodisch und kathodisch ankon- taktiert werden. Diese Ankontaktierung wird durch das Durch- stechen eines Metalldrahtes durch die jeweiligen Elektrodenschichten aber nur unzureichend hergestellt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Elektrodenstruktur durch eine Maske vorgegeben wird, sodass nur da wo die Maske offen ist, auch die leitfähige Graphitsuspension aufgetragen wird. Durch das additive Aufbauen der zwei Schichtsysteme zu einem Stapel wird durch die Elektrodenstrukturierung ein präzise planarer Aufbau nicht erreicht. Der Aktor kann somit bei¬ spielsweise nicht für Ventilanwendungen genutzt werden. Beschreibung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Folien-Stapelaktor zur Verfügung zu stellen, der auch im zusammengestauchten Zustand eine planare Oberflä- che aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Folien-Stapelaktors zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine vorteilhafte Verwendung eines Folien-Sta- pelaktors, ein vorteilhaftes Ventil und einen vorteilhaften Sensor zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch einen Folien-Stapelaktor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Folien-Stapelaktors nach Pa¬ tentanspruch 7 gelöst. Die dritte Aufgabe wird durch eine Verwendung eines Folien-Stapelaktors nach Patentanspruch 13, sowie durch ein Ventil gemäß Patentanspruch 14 und einen Sen-
sor gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung . Der erfindungsgemäße Folien-Stapelaktor umfasst eine Anzahl elastischer Folien mit integrierten Elektroden. Die einzelnen Folien sind jeweils als Folienverbund aus mindestens zwei Schichten ausgestaltet. Dabei umfasst der Folienverbund eine erste, elektrisch nicht leitende, elastische Folienschicht und eine zweite Schicht aus Kunststoff. Die zweite Schicht aus Kunststoff umfasst elektrisch leitfähige Bereiche und elektrisch isolierende Bereiche. Dabei bilden die elektrisch leitfähigen Bereiche die Elektroden des Folien-Stapelaktors. Der erfindungsgemäße Folien-Stapelaktor hat den Vorteil, dass durch die Integration der Elektroden innerhalb einer Kunststoffschicht eine Auswölbung der Oberfläche des Folien-Sta¬ pelaktors im Bereich der Elektroden im zusammengestauchten Zustand des Aktors vermieden wird. Auf diese Weise wird ein hochplanarer Folien-Stapelaktor realisiert, der insbesondere auch im Rahmen von Ventilen oder Sensoren verwendet werden kann .
Die einzelnen Folien können dabei eine Schichtdicke zwischen 10 Mikrometern und 50 Mikrometern, vorteilhafterweise zwi¬ schen 20 Mikrometern und 35 Mikrometern aufweisen. Weiterhin kann die Schicht aus Kunststoff eine Schichtdicke zwischen 5 Mikrometern und 15 Mikrometern, vorteilhafterweise 10 Mikro¬ metern aufweisen. Zudem kann der erfindungsgemäße Folien- Stapelaktor eine konstante Elektrodenschichtdickenhomogenität im Bereich zwischen 200 nm und 300 nm über die gesamte Folienfläche mit lokalen leitfähigen und nicht leitfähigen Flächen bzw. Bereichen aufweisen. Die elektrisch leitfähigen Bereiche können beispielsweise einen Schichtwiderstand zwischen 100 Ω/sq. und 250 Ω/sq., vorteilhafterweise zwischen 100 Ω/sq. und 200 Ω/sq. aufwei¬ sen. Darüber hinaus können die elektrisch isolierenden Berei-
che einen Schichtwiderstand von mindestens 108 Ω/sq., vor¬ zugsweise von mindestens 109 Ω/sq. aufweisen.
Grundsätzlich können die mindestens zwei Schichten des Foli- enverbundes unterschiedliche Folienhärten aufweisen. Die
Schicht aus Kunststoff mit elektrisch leitfähigen und elek¬ trisch isolierenden Bereichen kann vorteilhafterweise ein Polymer umfassen. Dabei kann es sich vorzugsweise um elektrisch leitfähige Polymere handeln. Diese können insbesondere die Eigenschaft haben, dass ihre elektrische Leitfähigkeit chemisch zerstörbar ist. Ein Beispiel hierfür ist das Produkt CleviosF ET der Firma Heraeus Precious Metals GmbH.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Folien- Stapelaktors bezieht sich auf einen Folien-Stapelaktor, der eine Anzahl elastischer Folien mit integrierten Elektroden umfasst. Die Folien werden als Stapel miteinander verbunden. Dabei werden die einzelnen Folien jeweils als Folienverbund aus mindestens zwei Schichten ausgestaltet. Die Herstellung der Folien umfasst folgende Schritte: ein leitfähiger Kunst¬ stoff wird auf eine elektrisch nicht leitende, elastische Fo¬ lienschicht ganzflächig aufgetragen. Eine Elektrodenstruktur wird auf die Schicht aus leitfähigem Kunststoff durch Maskie¬ rung übertragen und die Leitfähigkeit der nicht maskierten Bereiche wird ohne Reduzierung der Schichtdicke chemisch zer¬ stört .
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Folien-Stapelaktors. Es hat grundsätzlich dieselben Vorteile wie der zuvor beschriebene Folien-Stapelaktor. Insbesondere zeichnet sich der so hergestellte Folien-Stapelaktor dadurch aus, dass er auch im komprimierten oder zusammengestauchten Zustand eine hohe Planarität aufweist.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der leitfähige Kunststoff auf die Folien mit Hilfe eines Rakelgerätes oder durch Rotationsbeschichtung, beispielsweise mit Hilfe
eines sogenannten Spin-coaters , aufgetragen werden. Es kann grundsätzlich ein leitfähiger Kunststoff mit einem Schichtwiderstand zwischen 100 Ω/sq. und 200 Ω/sq., vorteilhafterweise zwischen 150 Ω/sq. und 200 Ω/sq. verwendet werden. Die Elek- trodenstuktur kann auf die Schicht aus leitfähigem Kunststoff photolithographisch mit Hilfe einer Lackmaske übertragen werden. Als leitfähiger Kunststoff kann, wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Folien-Stapelaktor beschrieben, ein elektrisch leitfähiges Polymer bzw. Polymere verwendet werden. Die Polymere können insbesondere die Eigen¬ schaft haben, dass ihre elektrische Leitfähigkeit chemisch zerstörbar ist. Es kann zum Beispiel das unter dem Namen CleviosF ET von der Firma Heraeus Precious Metals GmbH herge¬ stellte Material verwendet werden.
Die einzelnen Folien können miteinander durch Laminierung verbunden werden. Dies kann beispielsweise dergestalt erfol¬ gen, dass die jeweilige Folie auf die jeweils in Stapel da¬ runter liegende Folie auflaminiert wird.
Die Elektroden in der Folienebene können durch Positionieren von Metallfäden zwischen den Folien, beispielsweise im Rahmen des Laminierungsprozesses , ankontaktiert werden. Eine weitere Variante besteht darin, die Elektroden in der Folienebene durch Schoopieren, insbesondere durch seitliches Schoopieren des bereits vollständig gestapelten und laminierten Aktors anzukontaktieren . Dazu kann insbesondere die Seite des Aktors mit Hilfe von Metalldämpfen oder Leitsilber belegt werden. Dieses Schoopierungsverfahren ist ein Standard-Metallisie- rungsschritt bei der Herstellung von beispielsweise Folien¬ kondensatoren. Diese Art der Kontaktierung garantiert eine sichere elektrische Ankontaktierung für jede Elektrodenebene im Stapel. Ein weiterer Vorteil der leitfähigen Kunststoffschicht auf der Folie ist ihre Nachgiebigkeit unter Bewe- gungsstress. Da die Folien mit Hilfe eines elektrischen Fel¬ des bezüglich ihrer Dicke periodisch gestaucht werden, ist es notwendig, dass die Elektrodenstruktur diese Bewegung über lange Zeit realisieren kann ohne zu zerreißen.
Der bereits beschriebene Folien-Stapelaktor kann erfindungs¬ gemäß als Ventil und/oder als Sensor und/oder als Bauteil einer peristaltisch angetriebenen Pumpe verwendet werden. Bei dem Ventil kann es sich beispielsweise um ein Schaltventil handeln. Bei dem Sensor kann es sich insbesondere um einen Drucksensor handeln.
Das erfindungsgemäße Ventil umfasst einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Folien-Stapelaktor. Bei dem Ventil kann es sich beispielsweise um ein Schaltventil handeln. Der erfin¬ dungsgemäße Sensor, bei welchem es sich beispielsweise um einen Drucksensor handeln kann, umfasst einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Folien-Stapelaktor. Das erfindungsge- mäße Ventil und der erfindungsgemäße Sensor haben grundsätz¬ lich dieselben Vorteile wie der zuvor beschriebene erfindungsgemäße Folien-Stapelaktor.
Die leitfähige KunststoffSchicht , insbesondere die sogenannte Cleviosschicht , wurde entwickelt um einen kostengünstigen Er¬ satz für die sogenannte ITO (englisch indium tin oxide, Indiumzinnoxid) Beschichtung in Displays zu erreichen. Diese KunststoffSchicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung für Folien-Stapelaktoren nutzbar gemacht, wobei ein sicheres und kostengünstiges Verfahren bei der Realisierung von hoch- planaren Kunststoffaktoren realisiert wird. Das heißt, die Elektroden werden hochplanar in den Folienstapel eingebettet und führen nicht mehr zu einer lokalen Auswölbung der Folienfläche. Hiermit können Polymersysteme für eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen generiert werden.
Wenn an die leitfähigen Schichten alternierend eine Spannung angelegt wird, kommt wie oben beschrieben durch die elektro¬ statische Anziehung eine Kontraktion der zwischen den Elek- troden liegenden Polymerschicht zustande. Im entgegengesetzten Fall, also dass eine Spannung an den Elektroden angelegt wird und auf den Polymerstapel gedrückt wird, ändert sich der Abstand und damit die Kapazität zwischen den Elektroden. Eine
Änderung der Kapazität bei konstant gehaltener Spannung am Kondensator hat einen Verschiebungsstrom in den elektrischen Anschlüssen zur Folge. Die durch diesen Strom bewegte Ladung ist ein direktes Maß für die Kapazitätsänderung. Die Kapazi- tätsänderung kann aber auch mit jedem anderen bekannten Kapazitätsmessprinzip nachgewiesen und quantifiziert werden. So lassen sich nicht nur aktorische, sondern auch sensorische Funktionen wie Drucksensoren oder taktile Flächendisplays zur Formerkennung oder als Eingabeflächen realisieren.
Insbesondere lassen sich mit der Anwendung der vorgeschlage¬ nen Verfahren sehr einfach und ohne Zusatzaufwand Kombinatio¬ nen von Aktoren und Sensoren in einem Folienstapel realisieren. Des Weiteren lassen sich dieselben Erzeugnisstrukturen sowohl als Aktor, also wenn eine Dickenveränderung durch eine angelegte Spannung hervorgerufen wird, oder als Sensor nutzen, also wenn eine Spannung angelegt wird und in Folge einer Dickenänderung durch Druck auf den Folien-Stapel eine Kapazitätsänderung hervorgerufen wird.
Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Kombination von transparenten, reißfesten Folien in einem Stapel als Aktor bzw. Sensor ist insbesondere die Möglichkeit, Anzeigen mit der Folien-Stapelstruktur zu überdecken und so eine Überlage- rung von Anzeigen, wie beispielsweise auf dem Bildschirm von Smart Phones, mit einem Eingabesensor und insbesondere auch dem haptischen Feedback, also der Eingabebestätigung, auf einer Stelle der Anwendung zu realisieren. Auch können so flächige, sensorische Funktionen, zum Beispiel Tastaturen, auf beliebigen Oberflächen ermöglicht werden, ohne das Erscheinungsbild des Geräts zu stören oder gar zu verändern.
Ein weiterer Vorteil für viele Anwendungen ist die Realisie¬ rung von sehr dünnen Folien, beispielsweise von Folien mit einer Dicke von weniger als 1 mm, mit gleichmäßiger Schichtdicke, die nur an bestimmten Stellen die elektrische Funktionalität enthalten. Solche Folien lassen sich einfacher in technische Anwendungen, wie zum Beispiel in Ventile, einbau-
en . Dabei können die Stellen mit der leitfähigen Schicht die aktive Funktionalität übernehmen und die Flächen des Folien¬ stapels mit den nicht leitfähigen Stellen als Dichtung oder passive Membran, beispielsweise Ventilmembran, eingesetzt werden. Insbesondere lassen sich planare Folienstapel auch in Kunststoffanordnungen, zum Beispiel in der äußeren Erscheinung Kreditkarten ähnlichen Diagnosesystemen, einschweißen und so auch komplexe aktive Funktionen in kostengünstige An¬ wendungen implementieren.
Die erfindungsgemäßen Folien-Stapelaktoren können zum Beispiel in sehr schnelle Schaltventile eingebaut werden, insbe¬ sondere wo ein kleines Steuerventil und ein viel größeres Lastventil hydraulisch schließt oder öffnet. Schnelle Schalt- ventile sind zum Beispiel unabdingbar notwendig in der Gas¬ chromatographie. Dabei ist das Steuerventil aktiv und ent¬ spricht im vorliegenden Fall dem leitfähigen Bereich der Kunststoffschicht , währen das Lastventil ein passives, durch hydraulische Kräfte betätigtes Ventil ist, welches im vorlie- genden Fall durch die nicht leitfähigen Bereiche der Kunst¬ stoffschicht realisiert wird.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich Beispiele dar, welche den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht beschränken . Figur 1 zeigt schematisch einen herkömmlichen Folien-Stapelaktor in perspektivischer Explosionsansicht.
Figur 2 zeigt den in der Figur 1 gezeigten Folien-Stapelaktor schematisch in einer Seitenansicht im zusammengestauchten Zustand.
Figur 3 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Folien- Stapelaktor in einer Schnittansicht senkrecht zur Folienebene .
Figur 4 zeigt schematisch ein Servoventil in einer Schnittansicht in (A) geschlossenem Zustand und (B) geöff¬ netem Zustand.
Figur 5 zeigt schematisch einen Druckregler in perspektivischer und geschnittener Ansicht.
Die Figur 1 zeigt schematisch einen herkömmlichen Folien- Stapelaktor in perspektivischer Explosionsansicht. Der Folien-Stapelaktor 1 besteht aus einer Anzahl Folien 2, die in Form eines Stapels übereinander angeordnet sind. Zwischen den Folien 2 sind Elektroden 3 angeordnet. Diese sind abwechselnd anodisch und kathodisch ankontaktiert . In dem in der Figur 1 gezeigten Beispiel sind die auf den Folien 11, 13, 15 und 17 angeordneten Elektroden anodisch kontaktiert, während die auf den Folien 12, 14, 16 und 18 angeordneten Elektroden kathodisch ankontaktiert sind. Die kathodische Kontaktierung ist mit der Bezugsziffer 4 gekennzeichnet. Die anodische Kontak¬ tierung ist mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnet. Die Richtung senkrecht zur Oberfläche der Folien ist mit der Bezugs¬ ziffer 7 gekennzeichnet. Diese Richtung verläuft senkrecht zu den jeweiligen Oberflächennormalen der Folienoberflächen.
Wird an den jeweiligen Elektroden eine Spannung angelegt, so werden die Folien senkrecht zur Fläche, also in Richtung des Pfeils 7 bzw. in der entgegengesetzten Richtung durch das elektrische Feld zusammengestaucht. Der gesamte Folienstapel wird also komprimiert oder seine Dicke d verringert sich. Gleichzeitig wird der Folienstapel beziehungsweise werden die einzelnen Folien in der Folienebene beziehungsweise der late-
ralen Ebene, die sich senkrecht zur Richtung 7 erstreckt, notwendigerweise gedehnt. Diese vertikalen, also in Richtung
7 verlaufenden, und lateralen, also senkrecht zur Richtung 7 verlaufenden, Bewegungen können als Aktorbewegung genutzt werden.
Die Figur 2 zeigt den in der Figur 1 gezeigten Folien-Stapelaktor 1 schematisch in einer Seitenansicht im zusammengestauchten Zustand. Dabei ist der Folien-Stapelaktor 1 im zu- sammengestauchten Zustand nicht vollständig eben, das heißt es ist keine Planarität vorhanden. Im Bereich der Elektroden 3 wird in Folge der lokalen Metallisierung in der Fläche der Folien 2 eine Auswölbung 8 erzeugt. Eine derartige Auswölbung
8 ist, wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, unerwünscht.
Die Figur 3 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Folien- Stapelaktor 10 in einer Schnittansicht senkrecht zur Folienebene. Der erfindungsgemäße Folien-Stapelaktor 10 umfasst eine Anzahl Folien 22. Die einzelnen Folien 22 sind als Stapel angeordnet und miteinander durch Laminierung verbunden. Die einzelnen Folien 22 sind jeweils als zwei Schichtsysteme aufgebaut. Sie umfassen jeweils eine elektrisch nicht leitfä¬ hige elastische Ausgangsfolie 23, auf die eine Kunststoff- schicht 24 aufgebracht wurde. In die KunststoffSchicht 24 sind elektrisch leitfähige Bereiche 25, die die Elektroden bilden, integriert. Die Kunststoffschicht 24, bei der es sich beispielsweise um eine Polymerschicht handelt, umfasst also elektrisch leitfähige Bereiche 25 und elektrisch isolierende Bereiche 26.
Der erfindungsgemäße Folien-Stapelaktor 10 zeichnet sich durch die Integration der Elektroden 25 in eine vollständige Kunststoffschicht 24 dadurch aus, dass er auch bei Anlegen eines elektrischen Feldes, also im zusammengestauchten Zustand, eine homogene Dicke d aufweist, also über eine hohe Planarität verfügt. Es werden also nicht die im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Auswölbungen 8 erzeugt.
Als Folie oder Folienverbund (zwei Schichtsysteme) kann zum Beispiel eine insgesamt zwischen 20 Mikrometern und 35 Mikro¬ metern dicke elastische Folie 22 benutzt werden, wobei auch unterschiedliche Folienhärten im Folienverbund Verwendung finden können. Ein hoch-planarer Folienstapelaufbau wird vorliegend dadurch realisiert, dass für die Elektrodenebene 24 ein leitfähiger Kunststoff, beispielsweise ein Polymer, zum Beispiel das Produkt CleviosF ET der Heraeus Precious Metals GmbH, verwendet wird. Dieser leitfähige Kunststoff, welcher beispielsweise einen Schichtwiderstand zwischen 150 Ω/sq. und 200 Ω/sq. aufweisen kann, wird mit Hilfe eines Spin-coaters oder mit Hilfe eines Rakelgerätes ganzflächig auf die einzel¬ nen Folien 23, beispielsweise mit einer Dicke von 10 Mikrome- tern aufgetragen.
Die Elektrodenstruktur wird danach standardmäßig, zum Beispiel photolithographisch mit Hilfe einer Lackmaske übertra¬ gen. Mit Hilfe einer Etchsuspension wird anschließend die Leitfähigkeit des leitfähigen Kunststoffes an den nicht mas¬ kierten Bereichen zerstört. Dabei reduziert sich die Leitfä¬ higkeit und es erhöht sich der Schichtwiderstand dieser Be¬ reiche 26, beispielsweise von 200 Ω/sq. auf 109 Ω/sq. Die Schichtdicke der KunststoffSchicht wird dabei nicht oder nur unwesentlich reduziert.
Das Verfahren hinterlässt nach mehreren Temperschritten eine konstante Elektrodenschichtdickenhomogenität im Bereich zwi¬ schen 200 nm und 300 nm über die gesamte Folienfläche mit lo- kalen leitfähigen Flächen 25 und nicht leitfähigen Flächen 26.
Der Stapelaktor 10 lässt sich anschließend durch das Auf- laminieren einer Anzahl entsprechend beschichteter und struk- turierter Folien 22 realisieren, ohne dass die Folienflächen- planarität verloren geht. Da vorliegend die Folien beispiels¬ weise hintereinander auflaminiert werden, kann insbesondere die elektrische Ankontaktierung der Elektroden 25 in der Ebe-
ne durch das Einlegen dünner Metallfolienfäden realisiert werden. Alternativ dazu kann bei einem schon fertigen Aktor 10 durch eine seitliche Schoopierung, beispielsweise einer Belegung der Seite des Aktors mit Hilfe von Metalldämpfen oder Leitsilber, bewerkstelligt werden. Dieses Schoopierungs- verfahren ist ein Standard-Metallisierungschritt bei der Her¬ stellung von beispielsweise Folienkondensatoren. Diese Art der Kontaktierung garantiert eine sichere elektrische
Ankontaktierung für jede Elektrodenebene 24 im Stapel.
Ein weiterer Vorteil der leitfähigen Polymerschicht 24 auf der Folie ist ihre Nachgiebigkeit unter Bewegungsstress . Da die Folien mit Hilfe eines elektrischen Feldes in der Dicke d periodisch zusammengestaucht werden ist es notwendig, dass die Elektrodenstruktur dieser Belastung über längere Zeit Stand hält.
Die Figur 4 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Folien-Stapelaktors als Ventil 20. Die Figur 4 zeigt schematisch ein Servoventil 20 in einer
Schnittansicht in (A) geschlossenem Zustand und (B) geöffne¬ tem Zustand. Das in der Figur 4 gezeigte Servoventil 20 um- fasst ein Steuerventil 21 und ein Lastventil 22, welches mit Hilfe des Steuerventils 21 hydraulisch geschlossen oder ge- öffnet werden kann. Dabei kann das Lastventil 22 erheblich größer sein als das Steuerventil 21. Dabei ist das Steuerven¬ til 21 aktiv, es umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel also die leitfähigen Bereiche 25 der KunststoffSchicht 24, und das Lastventil 22 ein passives, durch hydrostatische Kräfte betätigtes Ventil, welches im vorliegenden Ausfüh¬ rungsbeispiel die nicht leitfähigen Bereiche 26 der Kunst¬ stoffSchicht 24 umfasst. Entsprechend mögliche schnelle
Schaltspiele sind zum Beispiel unabdingbar notwendig in der Gaschromatographie .
In der Figur 4 wird ein erster Strömungskanal 27 über das Lastventil 22 mit einem zweiten Strömungskanal 28 verbunden. Die Strömungsrichtung bei geöffnetem Lastventil 22 ist durch
Pfeile 8 in der Figur 4 (B) gekennzeichnet. In der Figur 4 (A) sind das Lastventil 22 und das Steuerventil 21 geschlos¬ sen. Dies wird durch eine hydraulische Schließkraft auf dem Lastventil und dem Steuerventil bewirkt.
Über einen weiteren Strömungskanal, der durch Pfeile 29 ge¬ kennzeichnet ist, ist der erste Strömungskanal 27 mit dem Steuerventil 21 strömungstechnisch verbunden. Bei Betätigung bzw. Öffnung des als Polymeraktor ausgestalteten Steuerven- tils 21 wird auch das Lastventil hydraulisch betätigt. Dies bewirkt, dass die Strömungsrate von dem ersten Strömungskanal 27 zum Steuerventil 21 erheblich abnimmt und der überwiegende Teil der Strömung von dem ersten Strömungskanal 27 über das geöffnete Lastventil 22 in den zweiten Strömungskanal 28 strömt. Die über das geöffnete Steuerventil 21 abströmende Strömung ist durch einen Pfeil 9 gekennzeichnet.
Die Figur 5 zeigt schematisch einen Druckregler 30 in perspektivischer und geschnittener Ansicht. In dem in der Figur 5 gezeigten Beispiel wurde ein herkömmlicher Piezo-Aktor durch einen preisgünstigen Polymerstapelaktor 10 als Druckregler ersetzt. Der Folienstapel 10 dient dabei sowohl als Aktor, als auch als Drucksensor, beispielsweise zur Steuerung und/oder Regelung der Düse-Prallplatte 31.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Fo¬ lien-Stapelaktors 10 besteht in peristaltisch angetriebenen Pumpen, zum Beispiel für diagnostische Patronen- und Kartensysteme .
Claims
1. Folien-Stapelaktor (10), welcher eine Anzahl elastischer Folien (11-18) mit integrierten Elektroden (25) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Folien (11-18) je¬ weils als Folienverbund aus mindestens 2 Schichten (23, 24) ausgestaltet sind, wobei der Folienverbund eine erste elek¬ trisch nicht leitende, elastische Folienschicht (23) und eine zweite Schicht (24) aus Kunststoff mit elektrisch leitfähigen (25) und elektrisch isolierenden Bereichen (26) umfasst, wobei die elektrisch leitfähigen Bereiche (25) die Elektroden des Folien-Stapelaktors (10) bilden.
2. Folien-Stapelaktor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die einzelnen Folien (11-18) eine Schichtdicke zwischen 10 ym und 50 ym aufweisen.
3. Folien-Stapelaktor (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Kunststoff (24) eine Schichtdicke zwischen 5 ym und 15 ym aufweist.
4. Folien-Stapelaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Bereiche (25) einem Schichtwiderstand zwischen 100 Ω/sq. und 250 Ω/sq. aufweisen und/oder die elektrisch isolierenden Bereiche (26) einem Schichtwiderstand von mindestens 108 Ω/sq. aufweisen .
5. Folien-Stapelaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens 2 Schichten (23,
24) des Folienverbundes unterschiedliche Folienhärten aufwei¬ sen .
6. Folien-Stapelaktor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Kunststoff (24) mit elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Bereichen ein Polymer umfasst.
7. Verfahren zur Herstellung eines Folien-Stapelaktors (10), der eine Anzahl elastischer Folien (11-18) mit integrierten Elektroden (25) umfasst, die als Stapel miteinander verbunden werden, wobei die einzelnen Folien (11-18) jeweils als Foli- enverbund aus mindestens 2 Schichten (23, 24) ausgestaltet werden und die Herstellung der Folien (11-18) folgende
Schritte umfasst:
- ganzflächiges Auftragen eines leitfähigen Kunststoffes auf eine elektrisch nicht leitende, elastische Folienschicht (23),
- Übertragen einer Eletrodenstruktur auf die Schicht aus leitfähigem Kunststoff durch Maskierung, und
- chemisches Zerstören der Leitfähigkeit der nicht maskierten Bereiche ohne Reduzierung der Schichtdicke.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Kunststoff auf die Folie mit Hilfe eines Ra¬ kelgerätes oder durch Rotationsbeschichtung aufgetragen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein leitfähiger Kunststoff mit einem Schicht¬ widerstand zwischen 100 Ω/sq. und 250 Ω/sq. verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Eletrodenstruktur auf die Schicht aus leitfähigem Kunststoff photolithographisch mit Hilfe einer Lackmaske übertragen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass die einzelnen Folien (11-18) miteinander durch Laminierung verbunden werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (25) in der Folienebene durch Positionieren von Metallfäden zwischen den Folien (IIIS) oder durch Schoopieren ankontaktiert werden.
13. Verwendung eines Folien-Stapelaktors (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Ventil (20) und/oder Sensor und/oder als Bauteil einer peristaltisch angetriebenen Pumpe.
14. Ventil (20, 21), welches einen Folien-Stapelaktors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
15. Sensor, welcher einen Folien-Stapelaktors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
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Title |
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PAYMAN TEHRANI ET AL: "TECHNICAL NOTE; Patterning polythiophene films using electrochemical over-oxidation; Patterning polythiophene films using electrochemical over-oxidation", SMART MATERIALS AND STRUCTURES, IOP PUBLISHING LTD., BRISTOL, GB, vol. 14, no. 4, 1 August 2005 (2005-08-01), pages N21 - N25, XP020091913, ISSN: 0964-1726, DOI: 10.1088/0964-1726/14/4/N03 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111295632A (zh) * | 2017-09-05 | 2020-06-16 | 脸谱科技有限责任公司 | 射流泵和闭锁闸门 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE102013208435A1 (de) | 2014-11-27 |
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