Integrated liquid crystalline micro-muscles

Abstract: Aktoren aus nachgiebigen Materialien können zur Imitation komplexer biologischer Bewegungen verwendet werden, womit miniaturisierte Robotersysteme realisieren lassen. Insbesondere Flüssigkristall-Elastomere (LCEs) sind ein vielseitiger Vertreter dieser Klasse von Aktormaterialien. Sie weisen große Verformungen (>40 %) auf, wobei die Orientierung der Bewegung frei festgelegt werden kann.
Um diese Eigenschaften für den Einsatz in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) nutzbar zu machen, wurde in dieser Arbeit ein Prozess entwickelt. Die Motivation dazu ist zweierlei: (1) Die Anwendung von makroskopischen LCE-Aktoren ist durch die relativ großen Reaktionszeiten (mehrere zehn Sekunden bis Minuten) limitiert. Die Miniaturisierung der LCE-Strukturen ermöglicht eine schnellere Stimulation der Aktuierung. (2) Integrierte LCE-Aktoren können dank ihrer frei definierbaren Aktuierungsrichtung dazu beitragen, bisher unmögliche komplexe Betätigungsschemata in MEMS zu realisieren, wie beispielsweise die radiale Aktuierung der menschlichen Iris.
Diese Arbeit stellt daher die Einführung von LCEs in die Mikrosystemtechnik dar. Es wurden Herstellungsprozesse auf Wafer-Ebene zur Abscheidung des Materials, zur Definition und Messung der Anisotropie sowie zur Strukturierung der Aktoren entwickelt. Den Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Entwicklung eines Photoalignment-Systems. Dieses nimmt die größte technische Herausforderung der Verwendung von LCE-Aktoren in Angriff, nämlich die Definition der Bewegungsrichtung des Materials. Das Photoalignment-System ermöglicht eine beliebige Ausrichtung des flüssigkristallinen Materials mit einer räumlichen Auflösung von 10 μm auf Wafer-Ebene. Zur Charakterisierung und Optimierung des Ausrichtungsprozesses wurden außerdem zwei optische Messverfahren entwickelt.
Darüber hinaus werden weitere Prozesse auf Wafer-Ebene beschrieben, welche die Herstellung von LCE-Strukturen mit einer Auflösung von 10 μm ermöglichen und integrierte Heizelemente zur Auslösung der Aktuierung beinhalten. Die Messungen der Phasenübergangszeit der gefertigten LCE-Strukturen zeigen Aktuierungs- und Relaxationszeiten im Sub-Sekundenbereich.
Die vorliegende Arbeit soll den Rahmen für die Realisierung von miniaturisierten komplexen Aktorsystemen auf Basis von nachgiebigen Materialien in MEMS bilden
Abstract: Soft matter actuators can be used to mimic complex biological motion, which is interesting to create miniaturized robotic systems. Liquid crystal elastomers (LCEs), in particular, are a versatile actuation material in this class. They show large strain (>40 %) and the actuation direction can be freely defined.
This thesis builds a path to harness these properties for use in microelectromechanical systems (MEMS). The motivation is twofold: (1) Macroscopic LCE actuators are limited by relatively large actuation timescales (tens of seconds to minutes). Miniaturization of LCE structures enables faster stimulation of actuation and relaxation. (2) LCE actuators could help realize heretofore impossible complex actuation schemes in MEMS, such as the radial
actuation of a human iris. Integrated LCE actuators can enable such applications thanks to their freely definable actuation direction.
This thesis therefore presents the introduction of LCEs into microsystems. Wafer-level fabrication processes to deposit the material, to define and measure the anisotropy, and to structure the actuators were developed.
This work presents the development of a photoalignment system that tackles the major engineering challenge of using LCE actuators, that is controlling the actuation direction. The photoalignment system enables arbitrary alignment of the liquid crystalline material with a spatial resolution of 10 μm at the wafer level. Two optical measurement techniques are devised, to characterize and optimize the alignment procedure.
Further wafer-level processes are also described that allow for fabrication of LCE structures with a resolution of 10 μm and which include integrated heating elements to trigger the actuation. Measurement of the phase transition time of the fabricated LCE structures demonstrates sub-second actuation and relaxation times.
The presented work demonstrates processes and recipes to fabricate MEMS compatible LCE actuators. This should form the framework in realization of miniaturized complex actuation systems using soft matter actuators in MEMS

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2021

Classification and Topics

• Keyword: Muscles ; Flüssigkristall ; Elastomer ; Aktor

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2021
• Creator: Folwill, Yannick
• Contributor: Zappe, Hans P. ; Breunig, Ingo ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/193972
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1939728
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 15.08.2025, 7:30 AM CEST