Design of diaphragm dielectric elastomer actuators (DEAs) and experimental characterization techniques

Abstract

Dielectric elastomer (DE) transducers are a new technology offering many benefits for actuation and sensing devices. This work focuses on DE actuators (or DEAs) which have been shown to exhibit high-strain and high-speed characteristics. Diaphragm DEAs are a type of membrane DEA configured to operate out-of-plane. However, to produce reasonable stroke, membrane DEAs should be pre-stretched with a compliant mechanism. Therefore, the actuator system consists of the DEA and the necessary compliant mechanism. The first focus of this work to investigate how DEA membranes operate as a system and how they can be improved by designing compliant mechanisms which, when coupled with the DEA, give higher performance. Several compliant mechanisms are presented and experimentally compared. A bistable mechanism called a negative-rate bias spring (NBS) is shown to greatly increase the output of the DEA. The second part of this work presents two test devices and techniques for electromechanically characterizing DE membranes. One is a programmable electromagnetic motor to characterize diaphragm DEAs and test them under different loading conditions. The second device is designed to repeatably characterize planar DEs through a tensile test. The work includes a novel technique for obtaining a membrane thickness profile while stretching and/or actuating the DEA. The tester allows for a comparison of material performance parameters which aid in more informed design recommendations for future DEAs.

Dielektrische Elastomer (DE) Wandler stellen eine neue Technologie dar, die viele Vorteile im Bereich der Aktorik sowie Sensorik bietet. Diese Arbeit fokusiert auf DE Aktoren (DEAs), welche durch hohe Dehnungen und Reaktionsgeschwindigkeiten während der Auslenkung charakterisiert werden. Eine spezielle Art der DEAs, die Diaphragma DEAs, sind aus der Ebene heraus betriebene Membrane. Um dabei einen grossen Hub erzeugen zu können, muss die Membran mit einem flexiblen Vorspannungsmechanismus ausgerüstet werden. Beide Teile bilden das Aktorsystem. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Funktion von DEA Aktorsystemen und der Einfluss verschiedener Vorspannungsmechanismen untersucht. Unterschiedliche Mechanismen werden vorgestellt und experimentell verglichen. Die besten Ergebnisse konnten mit dem Einsatz einer bistabilen Feder (NBS, Negative-rate Biased Spring) erzielt werden Der zweite Teil dieser Arbeit präsentiert zwei Testgeräte, die zur elektromechanischen Charakterisierung von DE Membranen entwickelt wurden. Eines ist ein steuerbarer elektromagnetischer Motor, der DEAs unter verschiedenen Lastbedingungen charakterisieren und testen kann. Das zweite Gerät wurde entwickelt, um DEs unter wiederholbaren Bedingungen in einem planaren Zugversuch zu charakterisieren. Dabei wird ein Membrandickenprofil kontinuierlich für jede Auslenkung aufgenommen. Der Tester ermöglicht einen Vergleich der wesentlichen Leistungsparameter und damit eine Verbesserung zukünftiger DEA Anwendungen.