[发明专利]基于电热材料和介电弹性聚合物的复合柔性致动器及方法

说明书

本发明基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器及方法，属于微机电系统技术领域；包括上保护层、下保护层、电热致动结构和介电弹性致动结构，电热致动结构、介电弹性致动结构叠加设置于上保护层和下保护层之间；电热致动结构由热膨胀材料层、定向致热电阻丝层和偏置层依次叠加而成；介电弹性致动结构由上引线电极层、介电弹性聚合物薄膜层和下引线电极层依次叠加而成；需要较大作用力及驱动位移时，对电热致动结构的定向致热电阻丝层加热的同时，给介电弹性致动结构以正向偏置电压，使电热致动结构和介电弹性致动结构沿同一方向偏转；反之，需要较小作用力及驱动位移时，使电热致动结构和介电弹性致动结构沿相反方向作用，能够提高整个系统的可控性。

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器及方法。

背景技术

在微机电系统中，致动器是一个主要组成部分，能够将电信号转化为其他形式的运动，广泛应用于微继电器，可变电容器等器件中。近年来，智能材料广泛应用在主动或被动控制相关的各种结构。通常这些材料可以是压电材料、磁致伸缩、电热材料等新型功能材料，但仍存在着变形小、响应时间长、不易于CMOS工艺结合等缺点。

与上述致动器相比，基于介电弹性聚合物的致动器具有响应速度快(10^-3s)、变形大(380％)以及电-机械能量转换效率高(60％-90％)等诸多优点。当外界电激励撤销后，它能很快恢复到原始形状和体积；可以与CMOS工艺相兼容，易于实现致动一体化，是一种基于电激励致动器的理想材料。经过对现有技术的检索发现，Shanshan Yao等人在“Softelectro-thermal actuators using silver nanowire heaters”(Nanoscale，2017,9,3797)(中文题目“基于银纳米线加热的柔性电热致动器”国际期刊：纳米尺度)文章中报道了一种基于AgNW柔性双层膜致动器，在0.2V sq^-1到4.5V电压间，实现了720°的偏转，2.6cm^-1的曲率变化，18℃s^-1的升温速度，但由于它是膜结构，其输出作用力较小。Gih-Keong Lau等人在“Dielectric elastomer fingers for versatile grasping and nimblepinching”(Applied Physics Letters,2017,110:182906)(中文题目：“多自由度抓取的介电弹性手指”国际期刊：应用物理快报)文章中报道了一种基于介电弹性聚合物的3爪手指，能实现15％的形变量，然而由于其介电弹性聚合物致动器结构相对单一，造成运动状态不易控制等问题。

通过对现阶段面外运动的介电弹性聚合物致动器的研究发现，主流方式是基于双金属片效应的双层膜结构，这些结构可与机械结构直连，或者嵌入其他材料。总体而言，主要存在着变形量不够、作用力相对较小、结构材料相对单一和不易灵活控制等问题。

与此同时，现有技术中，对电热材料与介电弹性聚合物材料相耦合共同致动的领域研究十分匮乏，原因在于对两种材料的加工装配难度大，耦合致动控制复杂程度高，限制了耦合致动技术的研究与集成化大规模发展。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于电热材料/介电弹性聚合物的多层复合柔性致动器及方法，通过电热材料和介电弹性聚合物材料的有机结合，可以实现致动器的大位移、大驱动力和灵活可控的驱动效果。

本发明的技术方案是：一种基于电热材料/介电弹性聚合物的复合柔性致动器，其特征在于：包括上保护层、下保护层、电热致动结构和介电弹性致动结构，所述电热致动结构、介电弹性致动结构叠加设置于上保护层和下保护层之间；

所述电热致动结构由热膨胀材料层、定向致热电阻丝层和偏置层依次叠加而成；