Metal Ion Implanted Electrodes for Dielectric Elastomer Actuators

150 Pages·2008·6.68 MB·English

Metal Ion Implanted Electrodes for Dielectric Elastomer
Actuators
THÈSE NO 4240 (2009)
PRÉSENTÉE LE 16 JANvIER 2009
À LA FACULTÉ SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE DES MICROSYSTÈMES POUR LES TECHNOLOGIES SPATIALES
PROGRAMME DOCTORAL EN MICROSYSTÈMES ET MICROÉLECTRONIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Samuel ROSSET
acceptée sur proposition du jury:
Prof.J.-M. Sallèse, président du jury
Prof. H. Shea, Dr Ph. Dubois, directeurs de thèse
Dr M. Dadras, rapporteur
Dr G. Kovacs, rapporteur
Prof. Ph. Renaud, rapporteur
Suisse
2008

iii
Space, [theguide] says, isbig. Reallybig. You just won’t
believe howvastly, hugely, mindbogglinglybigit is. I
mean, you maythinkit’salongwaydowntheroadtothe
chemist’s, but that’sjust peanutstospace.
Douglas Adams, TheHitchhiker’sGuidetotheGalaxy
Englishhumorist & science fiction novelist (1952- 2001)

v
Abstract
Thisthesisreportson thesuccessful useof low-energy metal ionim-
plantation to fabricate compliant electrodes for miniaturized dielectric
elastomer actuators (DEAs, alsoknownasartificial muscles). DEAsare
elastomericactuatorscapableoflargedeformations(above100%depend-
ingonconditions)and whichrequire deformable electrodes. On most of
themacroscale DEAs, theyare madeofcarbon powderorgrease, which
can beeasilyappliedonlargeuniformsurfaces (cm2 to m2). Thistech-
nology is not applicable to small-size DEAs which require reliable elec-
trodesthatcan bepatternedona mm-to-μmscale. Ontheotherhand,
metallic thin-film deposition can be used to make patterned electrodes,
buttheir maximum strain islimited tothat of metals, i.e. 2−3%.
The Microsystems for Space Technologies Laboratory (LMTS) has
introducedimplantationofmetallicelementsintosoftpolydimethylsilox-
ane(PDMS)layersbyfilteredcathodicvacuumarc,asameansofcreat-
ingcompliant electrodes on elastomers. The incomingmetallic particles
have an energy between 0.05−5 keV, which leads to a spatial distri-
bution of the implanted elements between the surface of the elastomer,
and a depth of 50−60 nm. The implanted atoms form nanometer-size
clusters which are in contact but can slide relative to each other, hence
keeping a conduction path at large strain. Titanium, palladium and
gold implantations were conducted in an experimental implanter. Au-
implanted electrodes exhibited the best overall performance, combining
lowsheet resistance (100−200 Ω/square), high maximum strain before
lossofconductivity(175%),andasmallimpactontheYoung’smodulus
ofthe PDMS on whichthey are created (50−100% relative increase).
Small-size circulardiaphragmdielectricelastomer actuators(∅1.5−
3 mm)withAu-implantedelectrodes were fabricatedandcharacterized.
Outofplanedisplacementsupto25%ofthemembrane’sdiameter were
observed. This is a factor 4 increase compared to similar devices us-
ingpatternedAuthin-filmaselectrodematerial,thusdemonstratingthe
outstanding properties of metal-ion implanted layers as compliant elec-
trodes forDEAs.
Keywords: Dielectric elastomer actuators, Electroactive polymers, Ar-
tificial muscles, Metal ion implantation, Deformable electrodes, Smart
materials.

vii
R´esum´e
Cetteth`esepr´esentel’utilisationdel’implantationd’ionsm´etalliques
`abasse´energie afindefabriquerdes´electrodes d´eformablespourdesac-
tionneursenpolym`eres´electroactifs(DEAs,oumusclesartificiels)minia-
turis´es. Les DEAssontuneclasse d’actionneursen´elastom`ere, capables
de tr`es grandes d´eformations (plusde 100% selon les conditions), et qui
n´ecessitent des ´electrodes qui peuvent subir ces d´eformations tout en
restant conductrices. La plupart des DEAs de grande taille ont des
´electrodes faites `a base de poudre ou graisse de carbone, qui peuvent
facilementˆetreappliqu´eessurdegrandessurfacesuniformes(cm2`a m2).
Cettetechnologien’estpasapplicableauxDEAsdepetitetaille,lesquels
n´ecessitent des ´electrodes fiables qui peuvent ˆetre structur´ees `a petite
´echelle (mm `a μm). Si le d´epˆot de couches minces m´etalliques per-
met quant `a lui de fabriquer des ´electrodes structur´ees, la d´eformation
maximale de ses derni`eres est limit´ee `a celle du m´etal qui les compose
(typiquement 2%-3%) et n’est doncpasadapt´e`acette application.
Le Laboratoire des Microsyst`emes pour les Technologies Spatiales
(LMTS)aintroduitl’implantationdem´etauxdansdescouches depoly-
dim´ethylsiloxane(PDMS) pararc cathodique filtr´e(FCVA) afin defab-
riquer des ´electrodes d´eformables sur des ´elastom`eres. Les particules
m´etalliques ont une´energie distribu´eeentre 0.4−5 keV, ce qui conduit
`aunedistributiondesparticulesimplant´eesentrelasurfaceduPDMSet
50−60 nm. Lesatomesimplant´esseregroupentetformentdesnanopar-
ticules qui se touchent tout en pouvant bouger les uns par rapport aux
autres, ce qui permet de garder une bonne conductivit´e ´electrique pour
des d´eformations importantes de l’´electrode. Un implanteur FCVA a
´et´e construit et des implantations de titane, palladium et or ont ´et´e
r´ealis´ees. Parmi ces 3 m´etaux, ce sont les´electrodes implant´ees avec de
l’orquipr´esententlesmeilleurescaract´eristiques,encombinantunefaible
r´esistancedesurface(100−200 Ω/carr´e),unallongement´elev´e avantla
perte des propri´et´es de conduction ´electrique (175%), et un faible im-
pact sur le module de Young du PDMS sur lequel elles sont r´ealis´ees
(50−100% d’augmentationrelative).
Des actionneurs miniaturis´es constitu´es par des membranes circu-
laires(∅1.5−3 mm)avecdes´electrodes d’orimplant´eont´et´efabriqu´es
et caract´eris´es. Des d´eplacements hors du plan de 25% par rapport au
diam`etredel’actionneuront´et´eobtenus. Cecirepr´esenteuneaugmenta-
tiond’unfacteur4compar´e `adesactionneursdetaillesimilairedontles
´electrodes´etaientr´ealis´eespardum´etalencouchemincestructur´eenan-
neaux concentriques, d´emontrant donc les propri´et´es exceptionnelles de
l’implantationdeionsm´etalliquesappliqu´ee`alafabricationd’´electrodes
pourdesDEAs.
Mots cl´es: Actionneurs en polym`eres ´electroactifs, Muscles artificiels,
Implantationd’ionsm´etalliques, Electrodes d´eformables.

Contents
1 Introduction 1
2 Dielectric Elastomer Actuators 3
2.1 Electrodes for DEAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Miniaturizationof DEAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Governing equations for DEAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 The prestretching of DEAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 Polymers for DEAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Ion Implantation 13
3.1 Ion implantation into polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Ion Implantation for DEAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Filtered Cathodic Vacuum Arc . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3.1 From plasma to implantation . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.2 Our FCVA system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 Ion implantation for compliantelectrodes . . . . . . . . . . . . 24
3.4.1 Alternate ways to make compliantelectrodes . . . . . . 27
4 Fabrication processes 29
4.1 PDMS preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.1.1 Dow Corning Sylgard 186 . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.1.2 NuSil Technology Nusil CF19-2184 . . . . . . . . . . . . 29
4.2 Patterning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 Chips for electrical resistancemeasurements . . . . . . . . . . . 32
4.4 Samples for strain tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5 Dielectric breakdown chips. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.6 Suspended membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.7 Diaphragmactuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.7.1 Silicon frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.7.2 Pyrex frame. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.7.3 Final design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5 Properties of ion-implanted electrodes 43
5.1 Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 Maximumstrain capabilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2.1 influence of gold dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2.2 influence of palladium dose . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2.3 Cyclic strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3 Mechanical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
ix
x Contents
5.3.1 Compressiontests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3.2 Bulge test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.3 Bulge test on PDMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3.4 Bulge test on implanted PDMS . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4 Breakdown field. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.5 Optical transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.6 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6 Diaphragm actuators 83
6.1 Geometrical configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2 Analytical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.1 Buckling analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.2 Prebuckling behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2.3 Postbuckling behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3 Unloaded displacement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.4 Force–displacementcharacterisation . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.5 Dynamic response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.6 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7 Conclusions 127
Acknowledgments 129
Bibliography 131
Curriculum Vitae 139