一种薄膜弯曲致动器的制备方法与流程

本发明属于软体致动器制备领域，更具体地，涉及一种薄膜弯曲致动器的制备方法。

背景技术：

近年来软体机器人领域快速发展，技术也逐渐成熟，其中代表性的软体致动器受到广泛的关注也逐渐走入实际的应用，如气动抓手，人造肌肉等，而目前的制造工艺大多局限于模具铸造，3d打印等方式，但如果需要进行大批量生产时，这类方法却存在效率低下的问题。

因此开发一套高效率，大批量的软体致动器制备方法对其进一步的研究以及应用都有较大的帮助。

薄膜弯曲致动器作为新兴软体致动器的一种，具有轻，薄等特点，尤其适合于贴附于人体表面作为表皮传感器。本发明针对薄膜弯曲致动器提出完整批量化制备方案有着效率高，成本低的特点，有良好的应用前景。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种薄膜弯曲致动器的制备方法，其中通过对制备方法的整体流程设计及相应装置组件进行改进，尤其通过对卷对卷设备内各组件的设置及配合工作关系进行控制，与现有技术相比能够有效解决软体致动器的批量制备问题，本发明为软体致动器提供了一种低成本高效率的制备方法，得到的薄膜弯曲致动器具有薄，轻等特点，尤其适用于可穿戴设备，具有良好的应用前景。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种薄膜弯曲致动器的制备方法，其特征在于，薄膜弯曲致动器由上层薄膜与下层薄膜组合而成，所述上层薄膜由热塑性薄膜组成，所述下层薄膜由表面覆有导电金属层的热塑性薄膜组成；所述制备方法包括以下步骤：

(1)在热塑性薄膜表面预先选定的区域上形成导电金属层，由此得到下层薄膜；其中，所述导电金属层是作为表面电阻；

(2)从所述表面电阻的端部引出导线；

(3)以热塑性薄膜作为上层薄膜，将所述上层薄膜和所述下层薄膜在预先选定的位置进行层合并热封，得到热封薄膜；所述上层薄膜和所述下层薄膜之间被热封位置包围、且自身未被热封的区域形成空腔；

(4)在热封薄膜预先选定位置切割实现薄膜弯曲致动器成品的制备；

得到的薄膜弯曲致动器在使用前，以沸点不高于100℃的低沸点液体作为填充液：

(i)当薄膜弯曲制动器最外侧流道在所述步骤(3)热封时被设置单向逆止阀，则直接向其空腔内注入所述填充液即可使用；

(ii)当薄膜弯曲制动器最外侧流道在所述步骤(3)热封时保持开放，则向其空腔内注入所述填充液然后密封即可使用；

使用时，是对其导线进行通电，利用表面电阻将电能转化为热能，使所述低沸点液体气化从而使空腔膨胀，空腔膨胀后其边缘处会向内收缩产生使薄膜弯曲的力，同时由于上层薄膜在热封时热封位置会产生下陷，综合作用后能够使薄膜弯曲致动器向上弯曲，实现薄膜弯曲致动器功能。

作为本发明的进一步优选，所述制备方法主要是基于卷对卷设备，能够实现批量自动加工。

作为本发明的进一步优选，所述卷对卷设备包括第一放卷辊、第二放卷辊、上传送辊和下传送辊，所述第一放卷辊和所述第二放卷辊均用于缠绕并引出热塑性薄膜，其中，所述下层薄膜所对应的热塑性薄膜上预先形成有导电金属层，所述下层薄膜所对应的热塑性薄膜经引出后，还经过穿过图案化机构和接线机构形成表面电阻和导线，并最终与被引出的所述上层薄膜所对应的热塑性薄膜在所述上层压辊与所述下层压辊之间汇合形成层合薄膜，所述层合薄膜再经过热封机构，并通过所述上传送辊与所述下传送辊的摩擦驱动连续向前传送，最终通过切割机构实现成品薄膜弯曲致动器的批量制备。

作为本发明的进一步优选，所述图案化机构为对辊擦除装置或者蚀刻装置，用于在下层薄膜表面预先选定的区域上保留导电金属层，从而形成预先设定的导电金属图案。

作为本发明的进一步优选，所述接线机构用于在所述表面电阻的接线端上涂覆导电胶，再将引线一端贴附于导电胶中并烘干凝固使所述表面电阻与引线结合并导通。

作为本发明的进一步优选，所述热封机构用于对所述层合薄膜的预先选定位置进行热压合以形成空腔与流道；优选的，所述热封机构由多组往复升降的热封刀组成，或者由连续回转的表面带有图案化热封线的热封滚轮组成。

作为本发明的进一步优选，所述切割机构用于对热封层合薄膜进行分段切割。

作为本发明的进一步优选，所述上层薄膜和所述下层薄膜所采用的热塑性薄膜选自聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述下层薄膜中的所述导电金属层是采用铝单质、铁铬铝合金或铁铬镍合金，通过蒸镀或层合形成的。

作为本发明的进一步优选，所述热塑性薄膜的拉伸强度大于30mpa。

本发明所构思的以上技术方案尤其可通过卷对卷设备完成薄膜弯曲致动器的批量制备。下层薄膜所对应的热塑性薄膜上预先形成有导电金属层，下层薄膜所对应的热塑性薄膜经引出后，穿过图案化机构和接线机构形成表面电阻和导线，并最终与被引出的上层薄膜所对应的热塑性薄膜在上层压辊与所述下层压辊之间汇合形成层合薄膜，层合薄膜再经过热封机构，并通过上传送辊与下传送辊的摩擦驱动连续向前传送，最终通过切割机构实现成品薄膜弯曲致动器的批量制备。

本发明针对近年来全新发展的薄膜弯曲致动器，将其大部分工艺转移至高吞吐量的卷对卷设备上进行完成，大大降低其加工的人力成本，并具有高效率，低成本等优点。

同时，本发明还创新性地采用低沸点液体对薄膜空腔进行填充，使其直接通过通电控制器弯曲，相较传统的充放气驱动使用起来更为便捷。

附图说明

图1是本发明的制备流程图。

图2是卷对卷自动加工设备原理图。

图3是薄膜弯曲致动器成品俯视图。

图4是本发明实施例成品的侧向剖视图。

图5是本发明制得的薄膜弯曲致动器工作机理示意图俯视图。

图6是本发明制得的薄膜弯曲致动器工作机理示意图侧视图。

图中各附图标记的含义如下：1-第一放卷辊，2-第二放卷辊，3-上层薄膜，4-下层薄膜，5-图案化机构，6-上层压辊，7-下层压辊，8-层合薄膜，9-热封机构，10-接线机构，11-上传送辊，12-下传送辊，13-切割机构，14-垫板，15-收纳盒，16-热塑性薄膜，17-导电金属层，18-流道，19-引线，20-空腔，21-成品。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总的来说，本发明中薄膜弯曲致动器的制备方法，制得的薄膜弯曲致动器由上层薄膜3与下层薄膜4组合而成，所述上层薄膜3由不可拉伸的热塑性薄膜16组成，所述下层薄膜4由表面镀有导电金属层17的不可拉伸的热塑性薄膜16组成。上层薄膜3与下层薄膜4间通过热封形成空腔20(空腔20的大小可在热封时预留一定的薄膜余量进行控制；单个器件内具有多个空腔，各空腔间通过流道18相连通，如图3所示)，当空腔20膨胀时通过膨胀空腔间的拉力使其弯曲。所述弯曲薄膜致动器可作为柔性电子器件或可穿戴设备。

弯曲致动器的制备方法主体部分集成于卷对卷设备自动加工而成。

如图1所示，制备方法可以包括如下四个步骤：

第一步，下层薄膜通过图案化机构对导电金属层进行图案化处理，

第二步，图案化的导电金属层连接引线，

第三步，上下两层薄膜贴合形成层合薄膜并完成热封，

第四步，切割机构切割层合薄膜，得到薄膜弯曲致动器成品。

薄膜弯曲致动器成品在使用前，可以在薄膜内注入低沸点液体并密封。

基于上述制备方法可实现电致动薄膜弯曲致动器的批量制备。上层薄膜与下层薄膜间通过热封形成空腔，当空腔膨胀时通过膨胀空腔间的拉力使其弯曲，具体的，在工作过程中向引线通电，图案化的导电金属层放热，低沸点液体汽化膨胀实现致动。例如，电致动薄膜弯曲致动器在驱动时，需在引线两端通电，通电电压例如可设置为3v。图案化的导电金属层将电能转化为热能，空腔内填充的低沸点液体受热部分汽化使腔体发生膨胀从而使薄膜弯曲致动器发生弯曲。

所述热塑性薄膜16材质可为聚对苯二甲酸乙二醇酯，而导电金属层17材质可为铝、铁铬铝、铁铬镍。所述导电金属层17可通过蒸镀或复合与热塑性薄膜16相结合形成下层薄膜4。下层薄膜4也可以直接采用镀铝膜或铝箔复合膜。热塑性薄膜厚度可以为微米级，而导电金属层厚度可以为纳米级；例如，热塑性薄膜16厚度为20微米，而导电金属层17厚度为40纳米。

本发明所述制备方法开始前，需将缠绕有下层薄膜4的卷材固定于第一放卷辊1，将缠绕有上层薄膜3的卷材固定于第二放卷辊2。所述下层薄膜4引出后穿过图案化机构5，接线机构9并与上层薄膜3在上层压辊6与下层压辊7之间汇合形成层合薄膜8。所述层合薄膜8依次穿过热封机构10，并通过上传送辊11与下传送辊12的摩擦驱动连续向前传送，最终通过切割机构13实现成品薄膜弯曲致动器的制备。

所述制备方法第一步中下层薄膜4所经过的图案化机构5，可用于去除下层薄膜4表面的部分导电金属层17，形成特定电路图案(这些特定的电路图案所采用的具体图案可预先设定)，所述电路图案可用于放热，传感，控制。图案化机构5可以是对辊擦除机构或者蚀刻装置。电路图案经由图案化机构处理形成，图案化机构可用于去除下层薄膜表面的部分导电金属层，形成特定电路图案。

所述制备方法第二步中下层薄膜4的导电金属层17图案化后经过的接线机构9对导电金属层17进行接线。所述接线机构9首先在已图案化的导电金属层17的接线端子上涂覆导电胶，再将引线19一端贴附于导电胶中并烘干凝固使导电金属层17与引线19结合并导通。所述接线机构9亦可通过手工接线替代。

所述制备方法第三步中上层薄膜3与下层薄膜4交汇形成层合薄膜8后经过的热封机构10，可用于将层合薄膜8的指定位置热压合形成空腔20与流道18。所述热封机构10可以由多组往复升降的热封刀组成，也可以由连续回转的表面带有图案化热封线的热封滚轮组成。

所述制备方法第四步中完成导线封装的层合薄膜8在上传送辊11与下传送辊12的驱动下继续向前传送并经过切割机构13。所述切割机构13控制切割刀往复升降在垫板14上对层合薄膜8进行分段切割，并最终落入收纳盒15中，完成薄膜弯曲致动器成品21的制备。

实施例1：电致动薄膜弯曲致动器

基于上述步骤得到的薄膜弯曲致动器成品21，在使用之前，可以通过薄膜弯曲致动器一端预留的流道18借助注射器注入一定量的低沸点液体并将外部的流道18密封完成准备工作。所述流道18若设置有单向逆止阀则无需密封(单向逆止阀的设置在热封阶段完成)。所述低沸点液体的沸点不超过100℃，例如可以是乙醇，乙醚。

在驱动时，需在引线19两端通电，例如，通电电压可以为3v。图案化的导电金属层17将电能转化为热能，空腔20内填充的低沸点液体受热部分汽化使腔体发生膨胀从而使薄膜弯曲致动器发生弯曲。如图5、图6所示，空腔膨胀后其边缘处会向内收缩产生弯曲力，同时由于上层薄膜在热封时被热封的位置将产生下陷，因此综合作用后，薄膜会向上弯曲，实现薄膜弯曲致动器的功能。

本发明中的下层薄膜可以直接采用市售的镀铝膜或铝箔复合膜成品作为原材料。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。