TW201813915A - 一種基於奈米碳管的致動器以及致動系統 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種基於奈米碳管的致動器，其包括：一奈米碳管層；其中，進一步包括一與該奈米碳管層層疊設置的二氧化釩層。本發明的致動器採用奈米碳管層與二氧化釩層複合結構。由於二氧化釩層相變時形變較大，回應速率快，因此該致動器具有較大的形變和較快的回應速率。本發明還涉及一種採用該致動器的致動系統。

Description

一種基於奈米碳管的致動器以及致動系統
本發明涉及一種致動器，尤其涉及一種基於奈米碳管的致動器以及該致動器的應用。
致動器的工作原理為將其它能量轉換為機械能，實現這一轉換經常採用的途徑有三種：通過靜電場轉化為靜電力，即靜電驅動；通過電磁場轉化為磁力，即磁驅動；利用材料的熱膨脹或其它熱特性實現能量的轉換，即熱驅動。
先前的熱致動器通常是以聚合物為主體的膜狀結構，通過電流使聚合物溫度升高並導致明顯的體積膨脹，從而實現致動。熱致動設備的原理決定了電極材料必須具備很好的導電性、柔性和熱穩定性。
含有奈米碳管的複合材料已被發現可用來製備電熱致動複合材料。先前技術提供一種含有奈米碳管的電熱致動複合材料，包括柔性高分子基底材料及分散在柔性高分子基底材料中的奈米碳管。含有奈米碳管的電熱致動複合材料可以導電，通電以後可發熱，發熱後，所述含有奈米碳管的電熱致動複合材料體積發生膨脹，進而實現彎曲致動。然而，該電熱致動複合材料的形變量有限，且回應速率較慢，不利於其進一步應用。
本發明提出一種可以實現較大形變量且具有較快回應速率的致動器以及採用該致動器的致動系統。
一種基於奈米碳管的致動器，其包括：一奈米碳管層；其中，進一步包括一與該奈米碳管層層疊設置的二氧化釩層。
如上述致動器，其中，所述奈米碳管層包括複數個第一奈米碳管；進一步包括複數個第二奈米碳管，所述複數個第二奈米碳管設置於所述二氧化釩層內部，從而與所述二氧化釩層形成一複合結構。
如上述致動器，進一步包括一奈米碳管膜，所述奈米碳管膜設置於所述二氧化釩層內部且與所述奈米碳管層間隔設置，從而與所述二氧化釩層形成一複合結構。
如上述致動器，其中，所述奈米碳管膜為複數個奈米碳管膜且間隔設置於所述二氧化釩層內部。
如上述致動器，其中，所述奈米碳管膜厚度小於30奈米且間隔大於30奈米。
如上述致動器，其中，所述奈米碳管膜至少在一個方向的尺寸大於所述二氧化釩層在該方向的尺寸，從而使得所述奈米碳管膜部分延伸到所述二氧化釩層外部。
如上述致動器，其中，所述奈米碳管膜延伸到所述二氧化釩層外的部分進一步與所述奈米碳管層接觸並電連接。
如上述致動器，其中，所述奈米碳管膜延伸到所述二氧化釩層外的部分分別與兩個間隔設置的電極接觸並電連接。
如上述致動器，進一步包括一奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括複數個奈米碳管平行間隔設置於所述二氧化釩層中，從而與所述二氧化釩層形成一複合結構；所述奈米碳管陣列中的奈米碳管垂直於所述奈米碳管層設置。
如上述致動器，其中，所述奈米碳管陣列中的奈米碳管一端與所述奈米碳管層接觸，另一端向遠離所述奈米碳管層的方向延伸。
如上述致動器，進一步包括一柔性保護層，所述柔性保護層將所述奈米碳管層或二氧化釩層至少部分包覆。
如上述致動器，其中，所述柔性保護層設置於所述二氧化釩層表面，所述柔性保護層具有彈性且可以與所述二氧化釩層一起收縮。
如上述致動器，其中，所述奈米碳管層中的複數個奈米碳管沿著基本平行於奈米碳管層表面的方向延伸。
如上述致動器，其中，所述二氧化釩層為摻雜的二氧化釩層。
一種致動系統，其包括：一致動器以及一激勵裝置；其中，所述致動器為上述任意一種致動器。
如上述致動系統，其中，所述激勵裝置間隔設置於所述致動器的奈米碳管層一側；所述激勵裝置通過無線方式向所述致動器提供刺激。
如上述致動系統，其中，所述激勵裝置為一電源且分別通過兩個間隔設置的電極與所述致動器電連接。
相較於先前技術，本發明的致動器採用奈米碳管層與二氧化釩層複合結構。由於二氧化釩層相變時形變較大，回應速率快，因此該致動器具有較大的形變和較快的回應速率。
圖1為本發明第一實施例提供的致動器的結構示意圖。
圖2為本發明第一實施例提供的致動器的製備方法流程圖。
圖3為本發明第二實施例提供的致動器的結構示意圖。
圖4為本發明第二實施例提供的致動器的製備方法流程圖。
圖5為本發明第三實施例提供的致動器的結構示意圖。
圖6為本發明第三實施例提供的致動器的製備方法流程圖。
圖7為本發明第四實施例提供的致動器的結構示意圖。
圖8為本發明第四實施例提供的致動器的製備方法流程圖。
圖9為本發明第五實施例提供的致動器的結構示意圖。
圖10為本發明第六實施例提供的致動系統的結構示意圖。
圖11為本發明第六實施例提供的致動系統的製備方法流程圖。
圖12為本發明第六實施例製備的致動器的整體掃描電鏡(SEM)照片。
圖13為本發明第六實施例製備的致動器的局部放大掃描電鏡照片。
圖14為本發明第六實施例製備的致動器的透射電鏡(TEM)照片。
圖15為本發明第六實施例製備的致動器EDX(Energy Dispersive X-ray) 光譜。
圖16為本發明第六實施例製備的致動器的拉曼散射普。
圖17為本發明第七實施例提供的致動系統的結構示意圖。
圖18為本發明第八實施例提供的致動系統的結構示意圖。
圖19為本發明第八實施例製備的致動器的局部放大掃描電鏡照片。
圖20為本發明第八實施例製備的致動器的EDS(Energy Dispersive Spectrometer)能譜。
圖21為本發明第八實施例製備的致動器從32攝氏度加熱到46攝氏度時發生彎曲的光學照片。
圖22為本發明第八實施例製備的致動器分別在常溫26攝氏度和50攝氏度時的拉曼散射普。
圖23為本發明第九實施例提供的致動系統的結構示意圖。
圖24為本發明第十實施例提供的溫度感測系統的結構示意圖。
圖25為本發明第十一實施例提供的溫度感測系統的結構示意圖。
圖26為本發明第十一實施例提供的溫度感測系統的致動器的掃描電鏡照片。
圖27為採用本發明第十一實施例提供的溫度感測系統測量人體溫度時的測試結果。
圖28為本發明第十三實施例提供的機器人的結構示意圖。
圖29為本發明第十三實施例提供的機器人的仿生手臂的光學照片。
圖30為本發明第十三實施例的仿生手臂移動紙片的光學照片。
圖31為本發明第十四實施例提供的仿生昆蟲的結構示意圖。
圖32為本發明第十四實施例提供的仿生昆蟲的光學照片。
圖33為本發明第十四實施例提供的仿生昆蟲煽動翅膀的光學照片。
圖34為本發明第十四實施例製備的仿生蝴蝶的光學照片。
以下將結合附圖詳細說明本發明提供的致動器，採用該致動器的致動系統以及其他應用。
請參見圖1，本發明第一實施例提供一種致動器11，其包括一奈米碳管層110以及一與該奈米碳管層110層疊設置的二氧化釩層111。所述奈米碳管層110用於發熱或吸收熱量並將熱量傳遞給所述二氧化釩層111，引起所述二氧化釩層111層沿著平行於其平面的方向，即垂直於厚度的方向，收縮，從而導致該致動器11彎曲。由於所述奈米碳管層110具有較高較快的光熱轉換效率和電熱轉換效率，較小的比熱容，使得所述種致動器11具有較快的相應速度。
所述二氧化釩層111的厚度形狀不限，可以根據需要選擇和設計。所述二氧化釩層111的厚度可以為100奈米~500微米，優選地厚度為1微米~10微米。當所述二氧化釩層111的厚度為150奈米時，其可見光透過率約為40%左右。所述二氧化釩層111的相變溫度為68攝氏度。所述二氧化釩層111在低於相變溫度時，例如常溫下，具有絕緣相，表現為絕緣體。當所述二氧化釩層111被加熱至相變溫度後，其突然發生相變，從絕緣相轉變為金屬相，而且，在沿著金屬相的c軸方向引起體積收縮。所述二氧化釩層111發生相變的體積收縮係數（strain）約為1-2 %，轉變為金屬相後的體積工作密度（volumetric work density）約為7-28 J/cm3 ，彈性模量（elastic modulus）約為140 GPa。由於所述奈米碳管層110層體積不變，從而導致該致動器11向所述二氧化釩層111一側彎曲。當所述二氧化釩層111冷卻至低於相變溫度後，所述二氧化釩層111從金屬相回到絕緣相，所述致動器11伸展返回初始形狀。所述二氧化釩層111從絕緣相轉變為金屬相後，所述二氧化釩層111和奈米碳管層110的複合結構的整體電阻（resistance）降低11%。
可以理解，致動器11在自然狀態下可以為平面狀，也可以為曲面狀。所述致動器11向所述二氧化釩層111一側彎曲可以為從平面彎曲為曲面，也可以為從曲率半徑較小的曲面彎曲為曲率半徑較大的曲面。
進一步，所述二氧化釩層111還可以為摻雜的二氧化釩層。通過摻雜可以改變所述二氧化釩層111的相變溫度。所述摻雜的元素可以為鎢、鉬、鋁、磷、鈮、鉈、氟等，摻雜的重量比例可以為0.5%~5%。其中，摻雜鎢、鉬等大尺寸原子可以有效降低所述二氧化釩層111的相變溫度。而摻雜鋁、磷等小尺寸原子可以有效升高所述二氧化釩層111的相變溫度。在一個實施例中，通過摻雜重量百分比為1.5%的鎢，使得所述二氧化釩層111的相變溫度降低為34攝氏度。所述鎢摻雜的二氧化釩層111從絕緣相轉變為金屬相後，所述二氧化釩層111和奈米碳管層110的複合結構的電阻降低6.8%。
所述奈米碳管層110的厚度形狀不限，可以根據需要選擇和設計。所述奈米碳管層110為包括複數個奈米碳管的連續的整體結構。所述奈米碳管層110中複數個奈米碳管可以無序分佈，例如，相互纏繞，也可以有序排列，例如，沿著基本平行於奈米碳管層110表面的方向延伸。所述奈米碳管層110中的奈米碳管可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管中的一種或多種，其長度和直徑可以根據需要選擇。所述奈米碳管層的厚度為100奈米~100微米，優選地厚度為1微米~10微米。
具體地，所述奈米碳管層110可以包括奈米碳管膜或奈米碳管線。所述奈米碳管層110可以為一單層奈米碳管膜或複數個層疊設置的奈米碳管膜。所述奈米碳管層110可包括複數個平行設置的奈米碳管線或複數個交叉設置的奈米碳管線。所述奈米碳管膜可以為奈米碳管拉膜、奈米碳管碾壓膜、或奈米碳管絮化膜。本實施例中，所述奈米碳管層110包括50層拉膜。
所述奈米碳管拉膜是由若干奈米碳管組成的自支撐結構。所述若干奈米碳管為沿同一方向擇優取向延伸。所述擇優取向是指在奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平行於奈米碳管拉膜的表面。進一步地，所述奈米碳管拉膜中多數奈米碳管是通過凡得瓦首尾相連。具體地，所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦首尾相連。當然，所述奈米碳管拉膜中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。所述自支撐為奈米碳管拉膜不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態，即將該奈米碳管拉膜置於（或固定於）間隔特定距離設置的兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間的奈米碳管拉膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管拉膜中存在連續的通過凡得瓦首尾相連延伸排列的奈米碳管而實現。
具體地，所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管，並非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以適當的偏離延伸方向。因此，不能排除奈米碳管拉膜的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部分接觸。
具體地，所述奈米碳管拉膜包括複數個連續且定向延伸的奈米碳管片段。該複數個奈米碳管片段通過凡得瓦首尾相連。每一奈米碳管片段包括複數個相互平行的奈米碳管，該複數個相互平行的奈米碳管通過凡得瓦緊密結合。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。所述奈米碳管拉膜可通過從一奈米碳管陣列中選定部分奈米碳管後直接拉取獲得。所述奈米碳管拉膜的厚度為1奈米~500微米，寬度與拉取出該奈米碳管拉膜的奈米碳管陣列的尺寸有關，長度不限。優選地，所述奈米碳管拉膜的厚度為100奈米~10微米。該奈米碳管拉膜中的奈米碳管沿同一方向擇優取向延伸。當所述奈米碳管層包括層疊設置的多層奈米碳管拉膜時，相鄰兩層奈米碳管拉膜中的奈米碳管的延伸方向形成一交叉角度α，且α大於等於0度小於等於90度（0°≦α≦90°）。所述奈米碳管拉膜的結構及其製備方法請參見范守善等人於2007年2月12日申請的，於2010年7月11公告的第I327177號台灣公告專利申請“奈米碳管薄膜結構及其製備方法”，申請人：鴻海精密工業股份有限公司。為節省篇幅，僅引用此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。
所述奈米碳管層110還可以為一包括複數個奈米碳管以及添加材料的複合結構。所述添加材料包括石墨、石墨稀、碳化矽、氮化硼、氮化矽、二氧化矽、無定形碳等中的一種或多種。所述添加材料還可以包括金屬碳化物、金屬氧化物及金屬氮化物等中的一種或多種。所述添加材料包覆於奈米碳管層110中奈米碳管的至少部分表面。優選地，所述添加材料包覆於奈米碳管的表面。
參見圖2，本發明第一實施例進一步提供一種致動器11的製備方法，該方法包括以下步驟：
步驟S11，提供一奈米碳管層110；
步驟S12，在所述奈米碳管層110的表面沈積一層氧化釩層112；以及
步驟S13，在含氧氣氛中退火使所述氧化釩層112轉變為二氧化釩層111。
所述步驟S12中，所述沈積氧化釩層112的方法不限，可以為化學氣相沈積、磁控濺射等。所述步驟S13中，含氧氣氛可以為空氣中或氧氣中。
本實施例中，所述步驟S11中，通過將50層奈米碳管拉膜層疊交叉設置得到所述奈米碳管層110。所述步驟S12中，通過直流磁控濺射的方法在所述奈米碳管層110的表面沈積一層氧化釩層112。所述直流磁控濺射採用高純釩金屬靶，濺射功率為60W，濺射溫度為室溫，工作氣體為49.7sccm的氬氣和0.3sccm的氧氣的混合氣體，工作壓強為0.55Pa，濺射時間為30分鐘。所述氧化釩層112的成分為VOx 。所述步驟S13中，所述退火的壓強為3*10-2 mbar，溫度為450攝氏度，時間為10分鐘。通過退火所述氧化釩層112結晶成為二氧化釩層111。可以理解，所述退火可以採用加熱爐加熱，也可以通過給所述奈米碳管層110通電的方式加熱。優選，當退火溫度高於500攝氏度時，所述退火環境為真空並通入微量氧氣，以防止所述奈米碳管層110被完全氧化掉。本實施例中，通入氧氣的流量小於2sccm。當退火溫度低於450攝氏度時，在空氣中退火，奈米碳管也不會被完全氧化掉。
可以理解，在所述氧化釩層112結晶成為二氧化釩層111的過程中，由於所述奈米碳管層110與二氧化釩層111之間晶格不匹配，晶格常數較小的一側的二氧化釩層111會產生收縮應力，而晶格常數較大的一側的奈米碳管層110會產生抗收縮應力。當二氧化釩層111的收縮應力大於所述奈米碳管層110的抗收縮應力時，整個奈米碳管層110與二氧化釩層111的複合結構會向所述二氧化釩層111一側彎曲，從而形成自然狀態為彎曲的致動器11。所述收縮應力和抗收縮應力的大小取決於所述奈米碳管層110與二氧化釩層111各自的厚度。當所述奈米碳管層110厚度較小時容易彎曲，厚度較大時容易得到自然狀態為平面的致動器11。
當製備鎢摻雜的二氧化釩層111時，所述步驟S12中，所述靶材為鎢摻雜的釩金屬靶，濺射功率為60W，濺射溫度為室溫，工作氣體為49.5 sccm的氬氣和0.5 sccm的氧氣的混合氣體，工作壓強為0.6Pa，濺射時間為30分鐘。所述氧化釩層112的成分為W-VOx 。所述步驟S13中，所述退火的壓強為4.5*10-2 mbar，溫度為450攝氏度，時間為10分鐘。通過退火所述氧化釩層112結晶成為二氧化釩層111。
請參見圖3，本發明第二實施例提供一種致動器11A，其包括一奈米碳管層110以及一與該奈米碳管層110層疊設置的二氧化釩層111。
本發明第二實施例提供的致動器11A與本發明第一實施例提供的致動器11結構基本相同，其區別在於，進一步包括一個或複數個奈米碳管膜113，所述奈米碳管膜113設置於所述二氧化釩層111內部且與所述奈米碳管層110間隔設置，從而與所述二氧化釩層111形成一複合結構。所述奈米碳管膜113為複數個時，複數個奈米碳管膜113間隔設置。
當採用鐳射從該奈米碳管層110一側照射所述致動器11A時，所述奈米碳管膜113可以進一步吸收穿透該奈米碳管層110的鐳射，將其轉化為熱量並均勻的傳導至整個二氧化釩層111。所述奈米碳管膜113厚度較小，從而使其可以隨所述二氧化釩層111的收縮而收縮，從而不影響整個二氧化釩層111的形變。優選地，所述奈米碳管膜113為奈米碳管拉膜，厚度小於30奈米，間隔大於30奈米。
參見圖4，本發明第二實施例進一步提供一種致動器11A的製備方法，該方法包括以下步驟：
步驟S21，提供複數個奈米碳管膜113；
步驟S22，在每個奈米碳管膜113的表面沈積一層氧化釩層112；
步驟S23，將複數個沈積有氧化釩層112的奈米碳管膜113層疊設置於一奈米碳管層110表面；以及
步驟S24，在含氧氣氛中退火使所述氧化釩層112轉變為二氧化釩層111。
所述沈積氧化釩層112的方法以及退火方法與本發明第一實施例的方法基本相同。所述步驟S22中，所述氧化釩層112不僅沈積於該奈米碳管膜113的表面，且滲透到奈米碳管膜113的微孔之中。優選地，所述氧化釩層112同時沈積於該奈米碳管膜113相對的兩個表面，並滲透到奈米碳管膜113的微孔之中，這樣所述複數個氧化釩層112退火之後更容易形成一整體的二氧化釩層111，並將複數個奈米碳管膜113包覆在其中。
請參見圖5，本發明第三實施例提供一種致動器11B，其包括一奈米碳管層110、一與該奈米碳管層110層疊設置的二氧化釩層111以及複數個奈米碳管膜113，所述奈米碳管膜113間隔設置於所述二氧化釩層111內，從而與所述二氧化釩層111形成一複合結構。
本發明第三實施例提供的致動器11B與本發明第二實施例提供的致動器11A結構基本相同，其區別在於，所述複數個奈米碳管膜113至少在一個方向的尺寸大於所述二氧化釩層111在該方向的尺寸，從而使得的所述複數個奈米碳管膜113部分延伸到所述二氧化釩層111外部。
優選地，所述奈米碳管膜113延伸到所述二氧化釩層111外的部分層疊在一起。可以理解，所述奈米碳管膜113延伸到所述二氧化釩層111外的部分可以用於設置電極並連接電源，向所述奈米碳管膜113通入電流，從而加熱所述二氧化釩層111。
更優選地，所述奈米碳管膜113延伸到所述二氧化釩層111外的部分進一步與所述奈米碳管層110接觸並電連接。一方面，所述奈米碳管膜113和所述奈米碳管層110可以同時設置電極並連接電源。另一方面，當所述奈米碳管層110吸收光能並轉化為熱量時，熱量可以直接傳遞到所述奈米碳管膜113，並擴撒到整個二氧化釩層111。例如，所述奈米碳管膜113延伸到所述二氧化釩層111外的部分與所述奈米碳管層110接觸並電連接，且分別與兩個間隔設置的電極接觸並電連接。
本實施例中，所述奈米碳管層110的尺寸也大於所述二氧化釩層111的尺寸，並將所述奈米碳管膜113延伸到所述二氧化釩層111外的部分與所述奈米碳管層110大於所述二氧化釩層111的部分層疊設置。可以理解，當所述奈米碳管層110的尺寸形狀與所述二氧化釩層111的尺寸形狀相同時，所述奈米碳管膜113延伸到所述二氧化釩層111外的部分可以彎折並層疊設置於所述奈米碳管層110靠近或遠離所述二氧化釩層111的表面。
參見圖6，本發明第三實施例進一步提供一種致動器11B的製備方法，該方法包括以下步驟：
步驟S31，提供複數個奈米碳管膜113；
步驟S32，在每個奈米碳管膜113的部分表面沈積一層氧化釩層112；
步驟S33，將複數個沈積有氧化釩層112的奈米碳管膜113層疊設置於一奈米碳管層110表面；以及
步驟S34，在含氧氣氛中退火使所述氧化釩層112轉變為二氧化釩層111，並使每個奈米碳管膜113部分延伸到所述二氧化釩層111之外。
所述沈積氧化釩層112的方法以及退火方法與本發明第二實施例的方法基本相同。所述步驟S32中，所述氧化釩層112沈積於所述奈米碳管膜113的中部，使得所述奈米碳管膜113在每個方向都延伸至所述氧化釩層112之外。進一步，還包括使所述奈米碳管膜113延伸到所述二氧化釩層111外的部分層疊設置並與所述奈米碳管層110接觸的步驟。例如，通過易揮發有機溶劑處理或通過壓力，使所述奈米碳管膜113延伸到所述二氧化釩層111外的部分層疊設置。
請參見圖7，本發明第四實施例提供一種致動器11C，其包括一奈米碳管層110以及一與該奈米碳管層110層疊設置的二氧化釩層111。
本發明第四實施例提供的致動器11C與本發明第一實施例提供的致動器11結構基本相同，其區別在於，進一步包括一奈米碳管陣列114。所述奈米碳管陣列114包括複數個奈米碳管平行間隔設置於所述二氧化釩層111中，從而與所述二氧化釩層111形成一複合結構。
所述奈米碳管陣列114中的奈米碳管垂直於所述奈米碳管層110設置。所述奈米碳管陣列114中的奈米碳管一端與所述奈米碳管層110接觸，另一端向遠離所述奈米碳管層110的方向延伸。所述二氧化釩層111設置於所述平行間隔設置的奈米碳管之間。
可以理解，由於奈米碳管在軸向的導熱性優於徑向的導熱性，因此，垂直於所述奈米碳管層110設置的奈米碳管更有利於將所述奈米碳管層110的熱量傳導擴撒與整個二氧化釩層111。
另外，由於奈米碳管陣列114中的奈米碳管垂直於所述二氧化釩層111，因此，當所述二氧化釩層111在沿著垂直於厚度的方向收縮時，所述奈米碳管陣列114中的奈米碳管也可以沿著收縮方向移動，不會影響所述二氧化釩層111在沿著垂直於厚度的方向收縮。
參見圖8，本發明第四實施例進一步提供一種致動器11C的製備方法，該方法包括以下步驟：
步驟S41，提供一奈米碳管陣列114，所述奈米碳管陣列114包括複數個平行間隔設置的奈米碳管；
步驟S42，沿著垂直於奈米碳管長度的方向拉伸該奈米碳管陣列114，從而使該相鄰奈米碳管之間的間距增大；
步驟S43，在相鄰奈米碳管之間沈積氧化釩，從而形成一氧化釩層112；
步驟S43，將沈積有氧化釩層112的奈米碳管陣列114層疊設置於一奈米碳管層110表面；以及
步驟S44，在含氧氣氛中退火使所述氧化釩層112轉變為二氧化釩層111。
所述步驟S41中，所述奈米碳管陣列114可以通過化學氣相沈積法生長在一基底表面。可以理解，直接生長的奈米碳管陣列114中，相鄰奈米碳管之間間距很小，不易沈積氧化釩。所述步驟S42中，通過一彈性膠帶116將該奈米碳管陣列114從基底剝離，並通過拉伸彈性膠帶116使所述奈米碳管陣列114中相鄰奈米碳管之間的間距增大。所述步驟S43中，需要保持拉伸所述彈性膠帶116，使相鄰奈米碳管之間具有較大的間距，從而容易使氧化釩沈積於相鄰奈米碳管之間。
請參見圖9，本發明第五實施例提供一種致動器11D，其包括一奈米碳管層110以及一與該奈米碳管層110層疊設置的二氧化釩層111。
本發明第五實施例提供的致動器11D與本發明第一實施例提供的致動器11結構基本相同，其區別在於，進一步包括一柔性保護層115。所述柔性保護層115將所述奈米碳管層110或二氧化釩層111至少部分包覆。
可以理解，所述奈米碳管層110容易脫落或吸附雜質，所述二氧化釩層111容易被腐蝕。通過設置柔性保護層115可以有效保護該致動器11D在不同環境正常工作。所述柔性保護層115的材料可以為聚合物或矽橡膠等柔性材料。優選地，設置於所述二氧化釩層111表面的柔性保護層115厚度應當較小且具有彈性，從而使得所述二氧化釩層111收縮時，該柔性保護層115也會一起收縮。本實施例中，所述柔性保護層115為矽橡膠且將整個奈米碳管層110和二氧化釩層111包覆。
本發明第五實施例提供的致動器11D的製備方法與本發明第一實施例提供的致動器11的製備方法基本相同，其區別在於，進一步包括一設置柔性保護層115的步驟。
請參見圖10，本發明第六實施例提供一種採用上述致動器11的致動系統10，其包括所述致動器11、一固定裝置12以及一激勵裝置13。所述致動器11也可以為其他實施例的致動器。
所述致動器11包括奈米碳管層110以及與該奈米碳管層110層疊設置的二氧化釩層111。所述致動器11為彎折的條狀，且兩端固定在所述固定裝置12上。所述致動器11條狀的中間部分通過所述固定裝置12懸空設置。可以理解，所述致動器11也可以僅有一端固定在所述固定裝置12上，另一端懸空設置。所述激勵裝置13相對所述致動器11且間隔設置。優選地，所述激勵裝置13設置於所述致動器11的奈米碳管層110一側。所述激勵裝置13通過無線方式向所述致動器11提供刺激。所述激勵裝置13為一光源。本實施例中，所述致動器11條狀的中間部分彎折形成一尖端。所述激勵裝置13為一雷射器。優選地，所述激勵裝置13可以提供脈衝鐳射信號。
當所述雷射器激勵裝置13向所述致動器11發射鐳射，所述奈米碳管層110可以有效吸收鐳射並轉化成熱量。所述二氧化釩層111被加熱至相變溫度後，發生相變收縮，所述致動器11懸空的部分向所述二氧化釩層111一側發生彎曲。當所述雷射器激勵裝置13停止發射鐳射，所述致動器11懸空的部分伸展恢復原形。
參見圖11，本發明第六實施例進一步提供一種致動器11的製備方法，該方法包括以下步驟：
步驟S61，提供一具有複數個凹槽141的基板14，並在所述基板14表面設置一奈米碳管層狀結構117，將所述複數個凹槽141覆蓋；
步驟S62，切割所述奈米碳管層狀結構117，從而形成複數個條狀的奈米碳管層110，所述條狀的奈米碳管層110的兩端固定在所述基板14上，中間部分通過所述凹槽141懸空設置；
步驟S63，在每個條狀的奈米碳管層110表面沈積一氧化釩層112，並在含氧氣氛中退火使所述氧化釩層112轉變為二氧化釩層111；以及
步驟S64，切割所述基板14，形成複數個固定裝置12，且每個固定裝置12上設置一致動器11。
本實施例中，所述基板14為Si3 N4 基板，且具有複數個平行間隔的條狀凹槽141。所述凹槽141為穿透基板14的通孔。所述切割奈米碳管層狀結構117的方法為鐳射切割。
本發明第六實施例進一步對製備的致動器11進行分析表徵。參見圖12，為本發明第六實施例製備的致動器11的整體掃描電鏡照片。參見圖13，為本發明第六實施例製備的致動器11的局部放大掃描電鏡照片。從圖13可見，所述奈米碳管層110中的奈米碳管垂直交叉設置，所述二氧化釩層111均勻分佈在所述奈米碳管層110表面。參見圖14，為本發明第六實施例製備的致動器11的透射電鏡照片。從圖14可見，所述奈米碳管層110的部分奈米碳管表面被二氧化釩包覆。參見圖15，為本發明第六實施例製備的致動器11的EDX光譜。從圖16可見，所述二氧化釩層111均勻分佈在奈米碳管層110表面。參見圖16，為本發明第六實施例製備的致動器11的拉曼散射普。從圖16可見，所述二氧化釩層111為絕緣相。本發明第六實施例進一步對該致動系統10進行測試。所述雷射器激勵裝置13發射功率密度為800 mW/cm2 ~1600 mW/cm2 方波脈衝鐳射照射所述致動器11。所述致動器11的反應時間為12.5毫秒，彎折頻率為80Hz。在頻率測試時，所述致動器11的周圍溫度約43攝氏度。
請參見圖17，本發明第七實施例提供一種採用上述致動器11的致動系統10A，其包括所述致動器11、一固定裝置12以及一激勵裝置13。所述致動器11也可以為其他實施例的致動器。
本發明第七實施例提供的致動系統10A與本發明第六實施例提供的致動系統10結構基本相同，其區別在於，所述致動器11的兩端分別設置一個電極118，所述激勵裝置13為一電源，且與該兩個電極118電連接。所述電源可以為交流電源或直流電源。優選地，所述電源可以向所述致動器11施加脈衝電流。所述電極118為金屬片，且通過導電黏結劑直接固定設置於所述奈米碳管層110表面。所述奈米碳管層110將所述電源激勵裝置13施加的電能轉換為熱量，並加熱所述二氧化釩層111進行形變所述致動器11彎曲，從而引起。當停止加熱時，所述致動器11恢復原形。當施加脈衝電流時，所述致動器11不斷重複彎折伸展。
請參見圖18，本發明第八實施例提供一種採用上述致動器11的致動系統10B，其包括所述致動器11、一固定裝置12以及一激勵裝置13。所述致動器11也可以為其他實施例的致動器。
本發明第八實施例提供的致動系統10B與本發明第六實施例提供的致動系統10結構基本相同，其區別在於，所述致動器11僅有一端固定在所述固定裝置12上，另一端懸空設置形成一懸臂，且所述二氧化釩層111為1.5%鎢摻雜的二氧化釩層。
本發明第八實施例進一步對該致動系統10B進行表徵。參見圖19，為本發明第八實施例製備的致動器11的局部放大掃描電鏡照片。參見圖20，為本發明第八實施例製備的致動器11的EDS能譜。從圖20可見，鎢元素有效摻雜在所述二氧化釩層111中。
本發明第八實施例進一步對該致動系統10B進行測試。參見圖21，為本發明第八實施例製備的致動器11從32攝氏度加熱到46攝氏度時發生彎曲的光學照片。從圖21可見，所述致動器11在32攝氏度已經發生彎曲，且加熱至46攝氏度時彎曲形變進一步增加。參見圖22，為本發明第八實施例製備的致動器11分別在常溫26攝氏度和50攝氏度時的拉曼散射普。從圖22可見，所述二氧化釩層111在常溫為絕緣相，加熱至50攝氏度時轉變為金屬相。所述雷射器激勵裝置13發射功率密度為250 mW/cm2 ~800 mW/cm2 的方波脈衝鐳射照射所述致動器11。所述致動器11的反應時間為28.5毫秒，彎折頻率為35Hz。在頻率測試時，所述致動器11的周圍溫度約9攝氏度。
請參見圖23，本發明第九實施例提供一種採用上述致動器11的致動系統10C，其包括所述致動器11以及一激勵裝置13。所述致動器11也可以為其他實施例的致動器。
本發明第九實施例提供的致動系統10C與本發明第六實施例提供的致動系統10結構基本相同，其區別在於，所述激勵裝置13為一熱源，其包括一與該所述致動器11平行間隔設置的加熱元件132。
具體地，所述激勵裝置13包括一絕緣基底130，兩個間隔設置於該絕緣基底130上的電極131，一分別與該兩個電極131電連接的加熱元件132，以及分別與該兩個電極131電連接的電源133。所述加熱元件132設置於所述奈米碳管層110一側，且與所述奈米碳管層110間隔設置。當所述致動系統10C在真空中工作時，所述奈米碳管膜加熱元件132可以加熱至高溫發光，此時，所述加熱元件132與所述奈米碳管層110之間的間隔可以較遠。當所述加熱元件132只是低溫發熱加熱所述致動器11時，所述加熱元件132與所述奈米碳管層110之間的間隔應當較小。
優選地，所述絕緣基底130具有一凹槽，所述兩個電極131分別設置於該凹槽兩側。所述加熱元件132中間部分通過所述凹槽懸空設置，從而減小加熱元件132與絕緣基底130之間的熱傳導。所述致動器11一端固定於所述電極131表面，另一端懸空設置於所述加熱元件132上方。所述加熱元件132可以為金屬電阻絲或奈米碳管膜，優選為奈米碳管膜。更優選地，所述凹槽底部設置一熱反射層或光反射層，從而使所述加熱元件132發射的熱或光更有效的被所述奈米碳管層110吸收。
請參見圖24，本發明第十實施例提供一種採用上述致動器11的溫度感測系統20，其包括以及一電源21、一電流錶22、一第一電極23、一第二電極24、以及所述致動器11。可以理解，所述致動器11也可以為其他實施例的致動器。
所述電源21分別與所述第一電極23和第二電極24電連接。所述致動器11的一端固定於所述第一電極23上，且所述奈米碳管層110與所述第一電極23電連接。所述致動器11的另一端與所述第二電極24接觸，且所述奈米碳管層110與所述第二電極24電連接，從而使得所述電源21、所述第一電極23、所述第二電極24以及所述致動器11形成一回路。所述電流錶22串聯在所述回路中。使用時，將所述致動器11至於被測環境中，例如，使所述奈米碳管層110與一被測物接觸。由於所述電源21、所述第一電極23、所述第二電極24以及所述致動器11形成一回路，所述電流錶22顯示電流示數。所述回路的電流比較小，不足以使所述奈米碳管層110產生的熱量將所述二氧化釩層111加熱至相變溫度。當被測物溫度大於所述二氧化釩層111的相變溫度時，所述致動器11向所述二氧化釩層111一側彎曲，使得所述致動器11靠近所述第二電極24的一端與所述第二電極24間隔。所述回路被斷開，所述電流錶22不顯示電流示數。
可以理解，所述溫度感測系統20的連接關係不限於上述結構，具體可以根據需要設置。例如，可以使所述致動器11靠近所述第二電極24的一端平常與所述第二電極24間隔，不形成回路。當所述致動器11被被測物加熱至相變溫度時，所述致動器11由於彎曲而與所述第二電極24接觸並電連接，從而形成回路。例如，所述電流錶22也可以改變為電壓表等其他對電流敏感的電子裝置。所述對電流敏感的電子裝置也可以與所述致動器11並聯連接，只要確保當所述致動器11彎曲時能引起經過所述對電流敏感的電子裝置的電流不同即可。當所述對電流敏感的電子裝置的電流變化時，其可以通過顯示或聲音等方式提示使用者即可。
請參見圖25，本發明第十一實施例提供一種採用上述致動器11的溫度感測系統20A，其包括以及一電源21、一電流錶22、一第一電極23、一第二電極24、一導熱基底25、以及所述致動器11。可以理解，所述致動器11也可以為其他實施例的致動器。
本發明第十一實施例提供的溫度感測系統20A與本發明第十實施例提供的溫度感測系統20結構基本相同，其區別在於，進一步包括一導熱基底25，所述致動器11的一端通過所述第一電極23固定於所述導熱基底25上，所述致動器11的另一端彎曲後與所述第二電極24接觸，且被所述第二電極24卡住，從而使得所述致動器11保持彎曲。所述導熱基底25優選採用導熱性好的材料。本實施例中，所述導熱基底25為一絕緣陶瓷。所述二氧化釩層111為一鎢摻雜二氧化釩層，相變溫度為37攝氏度。進一步，為了提高所述致動器11的彈性，所述奈米碳管層110遠離所述二氧化釩層111的一側表面具有一聚合物柔性保護層115。
使用時，將所述致動器11至於被測環境中，例如，使所述導熱基底25與被測物接觸。由於所述電源21、所述第一電極23、所述第二電極24以及所述致動器11形成一回路，所述電流錶22顯示電流示數。當被測物溫度大於所述二氧化釩層111的相變溫度時，所述致動器11向所述二氧化釩層111一側彎曲，使得所述致動器11靠近所述第二電極24的一端與所述第二電極24間隔。所述回路被斷開，所述電流錶22不顯示電流示數。當所述被測物的溫度下降到相變溫度以下時，所述致動器11在彈性作用下恢復原形，再次形成與所述第二電極24接觸的彎曲形。可以理解，所述聚合物柔性保護層115使得所述致動器11在溫度下降到相變溫度以下時，可以更迅速的恢復原形，與所述第二電極24接觸，提高了靈敏度。
請參見圖26，為採用本發明第十一實施例提供的溫度感測系統20A的致動器11的SEM照片。由圖26可見，所述致動器11被一鎢第二電極24壓住保持彎曲。請參見圖27，為採用本發明第十一實施例提供的溫度感測系統20A測量人體溫度時的測試結果。由圖27可見，當人體溫度為37攝氏度時，所述電流錶22突然沒有示數，表面回路被斷開。
請參見圖28，本發明第十三實施例提供一種採用上述致動器11的機器人，其包括以及一身體31以及設置於該身體31內的作業系統32。所述身體31包括一仿生手臂33以及一雷射器35。所述仿生手臂33包括一採用上述致動器11製備的仿生手掌34。可以理解，所述致動器11也可以為其他實施例的致動器。所述仿生手掌34結構不限，可以根據需要設計。所述仿生手掌34可以包括一個或複數個手指。本實施例中，所述仿生手掌34包括四個間隔設置的手指，且每個手指為一長條形致動器11。所述雷射器35用於加熱所述仿生手掌34。所述雷射器35設置位置不限，只要可以使發射的鐳射能夠照射到所述仿生手掌34上即可。
請參見圖29，為所述仿生手臂33的光學照片。請參見圖29(a)，所述仿生手掌34採用自然狀態下為彎曲的致動器11製作。當所述雷射器35關閉時，所述仿生手掌34打開呈半彎曲狀。請參見圖29(b)，當所述雷射器35打開照射所述仿生手掌34時，所述仿生手掌34閉合。請參見圖30，為本實施例採用所述仿生手臂33移動紙片的光學照片。
請參見圖31，本發明第十四實施例提供一種採用上述致動器11製備的仿生昆蟲40。所述仿生昆蟲40包括一軀體41以及至少兩個連接於該軀體41的翅膀42。所述仿生昆蟲40的尺寸可以為幾毫米至幾厘米。
所述仿生昆蟲的形狀可以為蜻蜓、蝴蝶、蚊子、蒼蠅、飛蛾等。請參見圖32和34，所述仿生昆蟲40的軀體41和翅膀42可以為一整體結構。即，所述仿生昆蟲40的軀體41和翅膀42均採用層狀致動器11製備。所述仿生昆蟲可以通過將一層狀致動器11直接切割成昆蟲形狀製備，也可以採用圖11的方法，先將奈米碳管層狀結構117切割成昆蟲形狀，然後沈積氧化釩層112和退火的方法製備。請參見圖34，為本實施例採用圖11的方法一次製備的複數個仿生蝴蝶。
請參見圖33，將所述仿生昆蟲40的軀體固定，當採用10Hz的方波脈衝鐳射照射所述仿生昆蟲40時，所述仿生昆蟲40的翅膀42開始上下煽動或振動。所述仿生昆蟲40的翅膀42的振動頻率可以達到80Hz。
可以理解，所述仿生昆蟲40的軀體41也可以採用其他材料製備，例如聚合物。先採用層狀致動器11製備翅膀42，然後將該翅膀42的一端固定在所述軀體41上。可以理解，所述仿生昆蟲40的軀體41內還可以設置各種感測器，例如攝像頭等，用於採集信號。所述仿生昆蟲40使用時，可以通過專門的激勵裝置刺激使其翅膀42振動，也可以通過外界環境的溫度變化使其翅膀42振動。所述仿生昆蟲40可以應用在軍事上。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10, 10A, 10B, 10C‧‧‧致動系統
11, 11A, 11B, 11C, 11D‧‧‧致動器
110‧‧‧奈米碳管層
111‧‧‧二氧化釩層
112‧‧‧氧化釩層
113‧‧‧奈米碳管膜
114‧‧‧奈米碳管陣列
115‧‧‧柔性保護層
116‧‧‧彈性膠帶
117‧‧‧奈米碳管層狀結構
118‧‧‧電極
12‧‧‧固定裝置
13‧‧‧激勵裝置
131‧‧‧電極
133‧‧‧電源
14‧‧‧基板
141‧‧‧凹槽
20, 20A‧‧‧溫度感測系統
21‧‧‧電源
22‧‧‧電流錶
23‧‧‧第一電極
24‧‧‧第二電極
25‧‧‧導熱基底
30‧‧‧機器人
31‧‧‧身體
32‧‧‧作業系統
33‧‧‧仿生手臂
34‧‧‧仿生手掌
35‧‧‧雷射器
40‧‧‧仿生昆蟲
41‧‧‧軀體
42‧‧‧翅膀
無

Claims (15)

  1. 一種致動器，其包括：一奈米碳管層；其改良在於，進一步包括一與該奈米碳管層層疊設置的二氧化釩層。
  2. 如請求項1所述的致動器，其中，進一步包括一奈米碳管膜，所述奈米碳管膜設置於所述二氧化釩層內部且與所述奈米碳管層間隔設置，從而與所述二氧化釩層形成一複合結構。
  3. 如請求項2所述的致動器，其中，所述奈米碳管膜為複數個奈米碳管膜且間隔設置於所述二氧化釩層內部。
  4. 如請求項3所述的致動器，其中，所述奈米碳管膜厚度小於30奈米且間隔大於30奈米。
  5. 如請求項2所述的致動器，其中，所述奈米碳管膜至少在一個方向的尺寸大於所述二氧化釩層在該方向的尺寸，從而使得所述奈米碳管膜部分延伸到所述二氧化釩層外部。
  6. 如請求項5所述的致動器，其中，所述奈米碳管膜延伸到所述二氧化釩層外的部分進一步與所述奈米碳管層接觸並電連接。
  7. 如請求項1所述的致動器，其中，進一步包括一奈米碳管陣列，所述奈米碳管陣列包括複數個奈米碳管平行間隔設置於所述二氧化釩層中；所述奈米碳管陣列中的奈米碳管垂直於所述奈米碳管層設置。
  8. 如請求項7所述的致動器，其中，所述奈米碳管陣列中的奈米碳管一端與所述奈米碳管層接觸，另一端向遠離所述奈米碳管層的方向延伸。
  9. 如請求項1所述的致動器，其中，進一步包括一柔性保護層，所述柔性保護層將所述奈米碳管層或二氧化釩層至少部分包覆。
  10. 如請求項9所述的致動器，其中，所述柔性保護層設置於所述二氧化釩層表面，所述柔性保護層具有彈性且可以與所述二氧化釩層一起收縮。
  11. 如請求項1所述的致動器，其中，所述奈米碳管層中的複數個奈米碳管沿著基本平行於奈米碳管層表面的方向延伸。
  12. 如請求項1所述的致動器，其中，所述二氧化釩層為摻雜的二氧化釩層。
  13. 一種致動系統，其包括：一致動器以及一激勵裝置；其改良在於，所述致動器為如請求項1至12中任意一項所述的致動器。
  14. 如請求項13所述的致動系統，其中，所述激勵裝置間隔設置於所述致動器的奈米碳管層一側；所述激勵裝置通過無線方式向所述致動器提供刺激。
  15. 如請求項13所述的致動系統，其中，所述激勵裝置為一電源且分別通過兩個間隔設置的電極與所述致動器電連接。
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