MicroSys Dielektrische Elastomer Aktoren für die photonische Systemintegration. Resultate aus dem Verbundprojekt PowerAct. gefördert vom BMBF

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1 MicroSys 2012 Dielektrische Elastomer Aktoren für die photonische Systemintegration Resultate aus dem Verbundprojekt PowerAct gefördert vom BMBF

2 Inhalt Einordnung der Elektroaktiven Polymere Funktionsprinzip der Dielektrischen Elastomer Aktoren Eigenschaften der Dielektrischen Elastomer Aktoren Materialentwicklung Dielektrischer Elastomere Aktuation eines Dielektrischen Elastomers Konzept zur photonische Systemintegration Toleranzanalyse der Kopplung Funktionsdemonstrator zur tunebaren Strahlteilung

3 Materialtechnische Einordnung der dielektrischen Elastomer Aktoren Elektroaktive Polymere - EAP ionische EAP (Diffusion von Ionen) elektronische EAP (elektronischer Ladungstransport) leitfähige Polymere ionische Metall-Polymer- Komposite ionische Gele elektrostatische Polymere ferroelektrische Polymere Dielektris che- Elastomer-Aktoren DEA

4 Funktionsprinzip von Dielektrischen Elastomer Aktoren Aufbau nach Kondensatorprinzip, d.h. ein Elastomerfilm zwischen zwei Elektroden durch Anlegen einer elektrischen Spannung bildet sich ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden aus die gegensätzlich geladenen Elektroden ziehen sich an, wodurch der Elastomerfilm in Richtung der Flächennormalen gestaucht wird und eine Dehnung in komplanarer Richtung erfolgt

5 Eigenschaften von Dielektischen-Elastomer-Aktoren Vorteile gegenüber anderen Wandlermaterialien: einfache Herstellung geringes Gewicht niedrige Kosten einfache elektrische Ansteuerung Genauigkeit im sub-mikrometer-bereich Nachteile verbreiteter elektroaktiver Materialien: hohe Arbeitsspannung niedrige Wechsellast-Lebensdauer geringe Zuverlässigkeit hohe mechanische und elektrische Verluste niedrige Reaktionsgeschwindigkeit

6 Materialentwicklung von Dielektrischen Elastomeren Elastosil RT 625 von Wacker-Chemie GmbH Sylgard 184 von Dow Corning A B C C + + A B Ausgangspunkt für die Materialentwicklung bildet jeweils ein handelsübliches Silikon (Elastosil RT 625 oder Sylgard 184) aus zwei Komponenten Die Zugabe einer dritten Komponente (organische Dipole) verbessert die Materialeigenschaften hinsichtlich des E-Moduls entscheidend B. Kussmaul, S. Risse

7 Bewegung Sprungantwort eines Dielektrischen Elastomer Aktors t=5s Zeit [s] t=0s Aktorfläche: 2x2 cm² Foliendicke: 10µm Bewegung von 200V (nach 10s) 200V (nach 80s)

8 photonische Systemintegration - Konzept Kopplung von Single-Mode-Fasern Messinggehäuse Folienaktor mit bikonvexer Linse in Messinggehäuse Standard F-SMA-Stecker Automatisierter Prozess zur aktiven Justage von Single-Mode-Fasern mittels je einer bikonvexen Polymerlinse auf zwei dielektrischen Elastomer Aktoren

9 Optische Simulation der Kopplung von Single-Mode Fasern mit bikonvexen Linsen y x Model gaußförmige Anregung bei 1310nm Faser-Stubs bikonvexe Linsen Ergebnis Koppeleffizienz von 73% bei Positionstoleranzen von ±36µm in x- und y-richtung

10 Funktionsdemonstrator Dielektrische Elastomer Aktoren liegen frei Messinggehäuse Aktorrahmen Elektrode Standard F-SMA-Stecker Aktorfolie mit Polymerlinse

11 Funktionsdemonstrator mit angeschlossenen Fasern In In Aktor Out Strahlteiler Out Out Out

12 Zusammenfassung Dielektrische Elastomer Aktoren besitzen ein großes Potential im Bereich der tunebaren Mikrooptiken Entwicklung entsprechender photonischer Systeme sind noch am Anfang Besonders aus der Materialentwicklung im Bereich der Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Dielektrischen Elastomere sind noch entscheidende Impulse erforderlich Eine erste Machbarkeit wurde mit dem vorgestellten Demonstrator nachgewiesen Diverse Anwendungen in Konkurrenz zu MEMS-Aktoren und piezoelektrischen Stellern sind im Bereich der Telekommunikation und der optischen Sensorik anvisiert

13 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! gefördert vom BMBF Projektpartner Mitautoren Fraunhofer IZM: S. Marx Fraunhofer IAP: S. Risse, B. Kussmaul, M. Wegner, H. Krüger G. Kofod, R. Wache,