CN107946451B - 一种温度感测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温度感测系统，其包括：一电源、一电子装置、一第一电极、一第二电极、以及一致动器；所述电源、第一电极、致动器以及第二电极依次电连接形成一回路；所述电子装置与所述致动器并联或串联；所述致动器可以随着温度的变化弯曲和伸张，从而使所述回路断开或闭合，从而导致流过所述电子装置的电流发生变化；所述电子装置的电流发生变化时，所述电子装置可以提示用户；其中，所述手指包括一碳纳米管层以及一与该碳纳米管层层叠设置的二氧化钒层。本发明的温度感测系统的致动器采用碳纳米管层与二氧化钒层复合结构。由于二氧化钒层相变时形变较大，响应速率快，因此该致动器具有较快的响应速率，从而提高了温度感测系统的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种致动器，尤其涉及一种基于碳纳米管的致动器以及该致动器的应用。
背景技术
致动器的工作原理为将其它能量转换为机械能，实现这一转换经常采用的途径有三种：通过静电场转化为静电力，即静电驱动；通过电磁场转化为磁力，即磁驱动；利用材料的热膨胀或其它热特性实现能量的转换，即热驱动。
现有的热致动器通常是以聚合物为主体的膜状结构，通过电流使聚合物温度升高并导致明显的体积膨胀，从而实现致动。热致动设备的原理决定了电极材料必须具备很好的导电性、柔性和热稳定性。
含有碳纳米管的复合材料已被发现可用来制备电热致动复合材料。现有技术提供一种含有碳纳米管的电热致动复合材料，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碳纳米管。含有碳纳米管的电热致动复合材料可以导电，通电以后可发热，发热后，所述含有碳纳米管的电热致动复合材料体积发生膨胀，进而实现弯曲致动。然而，该电热致动复合材料的形变量有限，且响应速率较慢，不利于其进一步应用。
发明内容
本发明提出一种可以具有较快响应速率的温度感测系统。
一种温度感测系统，其包括：一电源、一电子装置、一第一电极、一第二电极、以及一致动器；所述电源、第一电极、致动器以及第二电极依次电连接形成一回路；所述电子装置与所述致动器并联或串联；所述致动器可以随着温度的变化弯曲和伸张，从而使所述回路断开或闭合，从而导致流过所述电子装置的电流发生变化；所述流过电子装置的电流发生变化时，所述电子装置可以提示用户；其中，所述手指包括一碳纳米管层以及一与该碳纳米管层层叠设置的二氧化钒层。
如上述温度感测系统，其中，所述碳纳米管层包括多个第一碳纳米管；进一步包括多个第二碳纳米管，所述多个第二碳纳米管设置于所述二氧化钒层内部，从而与所述二氧化钒层形成一复合结构。
如上述温度感测系统，其中，所述手指进一步包括一碳纳米管膜，所述碳纳米管膜设置于所述二氧化钒层内部且与所述碳纳米管层间隔设置，从而与所述二氧化钒层形成一复合结构。
如上述温度感测系统，其中，所述碳纳米管膜为多个碳纳米管膜且间隔设置于所述二氧化钒层内部。
如上述温度感测系统，其中，所述碳纳米管膜厚度小于30纳米且间隔大于30纳米。
如上述温度感测系统，其中，所述碳纳米管膜至少在一个方向的尺寸大于所述二氧化钒层在该方向的尺寸，从而使得所述碳纳米管膜部分延伸到所述二氧化钒层外部，且所述碳纳米管膜延伸到所述二氧化钒层外的部分进一步与所述碳纳米管层接触。
如上述温度感测系统，其中，所述手指进一步包括一碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管平行间隔设置于所述二氧化钒层中；所述碳纳米管阵列中的碳纳米管垂直于所述碳纳米管层设置。
如上述温度感测系统，其中，所述碳纳米管阵列中的碳纳米管一端与所述碳纳米管层接触，另一端向远离所述碳纳米管层的方向延伸。
如上述温度感测系统，其中，所述手指进一步包括一柔性保护层，所述柔性保护层将所述碳纳米管层或二氧化钒层至少部分包覆。
如上述温度感测系统，其中，所述柔性保护层设置于所述二氧化钒层表面，所述柔性保护层具有弹性且可以与所述二氧化钒层一起收缩。
如上述温度感测系统，其中，所述碳纳米管层中的多个碳纳米管沿着基本平行于碳纳米管层表面的方向延伸。
如上述温度感测系统，其中，所述致动器的一端固定于所述第一电极上，另一端可以随着所述致动器的弯曲和伸张与所述第二电极连接或断开。
如上述温度感测系统，其中，进一步包括一导热基底；所述致动器的一端通过所述第一电极固定于所述导热基底上，另一端弯曲后与所述第二电极接触，且被所述第二电极卡住，从而使得所述致动器保持弯曲。
如上述温度感测系统，其中，所述电子装置为与所述致动器串联的电流表或并联的电压表。
相较于现有技术，本发明的温度感测系统的致动器采用碳纳米管层与二氧化钒层复合结构。由于二氧化钒层相变时形变较大，响应速率快，因此该致动器具有较快的响应速率，从而提高了温度感测系统的灵敏度。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的致动器的结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的致动器的制备方法流程图。
图3为本发明第二实施例提供的致动器的结构示意图。
图4为本发明第二实施例提供的致动器的制备方法流程图。
图5为本发明第三实施例提供的致动器的结构示意图。
图6为本发明第三实施例提供的致动器的制备方法流程图。
图7为本发明第四实施例提供的致动器的结构示意图。
图8为本发明第四实施例提供的致动器的制备方法流程图。
图9为本发明第五实施例提供的致动器的结构示意图。
图10为本发明第六实施例提供的致动系统的结构示意图。
图11为本发明第六实施例提供的致动系统的制备方法流程图。
图12为本发明第六实施例制备的致动器的整体扫描电镜(SEM)照片。
图13为本发明第六实施例制备的致动器的局部放大扫描电镜照片。
图14为本发明第六实施例制备的致动器的透射电镜(TEM)照片。
图15为本发明第六实施例制备的致动器EDX(Energy Dispersive X-ray) 光谱。
图16为本发明第六实施例制备的致动器的拉曼散射光谱。
图17为本发明第七实施例提供的致动系统的结构示意图。
图18为本发明第八实施例提供的致动系统的结构示意图。
图19为本发明第八实施例制备的致动器的局部放大扫描电镜照片。
图20为本发明第八实施例制备的致动器的EDS(Energy DispersiveSpectrometer)能谱。
图21为本发明第八实施例制备的致动器从32℃加热到46℃时发生弯曲的光学照片。
图22为本发明第八实施例制备的致动器分别在常温26℃和50℃时的拉曼散射光谱。
图23为本发明第九实施例提供的致动系统的结构示意图。
图24为本发明第十实施例提供的温度感测系统的结构示意图。
图25为本发明第十一实施例提供的温度感测系统的结构示意图。
图26为本发明第十一实施例提供的温度感测系统的致动器的扫描电镜照片。
图27为采用本发明第十一实施例提供的温度感测系统测量人体温度时的测试结果。
图28为本发明第十三实施例提供的机器人的结构示意图。
图29为本发明第十三实施例提供的机器人的仿生手臂的光学照片。
图30为本发明第十三实施例的仿生手臂移动纸片的光学照片。
图31为本发明第十四实施例提供的仿生昆虫的结构示意图。
图32为本发明第十四实施例提供的仿生昆虫的光学照片。
图33为本发明第十四实施例提供的仿生昆虫煽动翅膀的光学照片。
图34为本发明第十四实施例制备的仿生蝴蝶的光学照片。
主要元件符号说明
致动系统 10,10A,10B,10C
致动器 11,11A,11B,11C,11D
碳纳米管层 110
二氧化钒层 111
氧化钒层 112
碳纳米管膜 113
碳纳米管阵列 114
柔性保护层 115
弹性胶带 116
碳纳米管层状结构 117
电极 118
固定装置 12
激励装置 13
电极 131
电源 133
基板 14
凹槽 141
温度感测系统 20,20A
电源 21
电流表 22
第一电极 23
第二电极 24
导热基底 25
机器人 30
身体 31
操作系统 32
仿生手臂 33
仿生手掌 34
激光器 35
仿生昆虫 40
躯体 41
翅膀 42
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明提供的致动器，采用该致动器的致动系统以及其他应用。
请参见图1，本发明第一实施例提供一种致动器11，其包括一碳纳米管层110以及一与该碳纳米管层110层叠设置的二氧化钒层111。所述碳纳米管层110用于发热或吸收热量并将热量传递给所述二氧化钒层111，引起所述二氧化钒层111层沿着平行于其平面的方向，即垂直于厚度的方向，收缩，从而导致该致动器11弯曲。由于所述碳纳米管层110具有较高较快的光热转换效率和电热转换效率，较小的比热容，使得所述种致动器11具有较快的相应速度。
所述二氧化钒层111的厚度形状不限，可以根据需要选择和设计。所述二氧化钒层111的厚度可以为100纳米～500微米，优选地厚度为1微米～10 微米。当所述二氧化钒层111的厚度为150纳米时，其可见光透过率约为40％左右。所述二氧化钒层111的相变温度为68℃。所述二氧化钒层111在低于相变温度时，例如常温下，具有绝缘相，表现为绝缘体。当所述二氧化钒层 111被加热至相变温度后，其突然发生相变，从绝缘相转变为金属相，而且，在沿着金属相的c轴方向引起体积收缩。所述二氧化钒层111发生相变的体积收缩系数(strain)约为1-2％，转变为金属相后的体积工作密度(volumetric work density)约为7-28J/cm3，弹性模量(elastic modulus)约为140GPa。由于所述碳纳米管层110层体积不变，从而导致该致动器11向所述二氧化钒层111一侧弯曲。当所述二氧化钒层111冷却至低于相变温度后，所述二氧化钒层111从金属相回到绝缘相，所述致动器11伸展返回初始形状。所述二氧化钒层111从绝缘相转变为金属相后，所述二氧化钒层111和碳纳米管层110的复合结构的整体电阻(resistance)降低11％。
可以理解，致动器11在自然状态下可以为平面状，也可以为曲面状。所述致动器11向所述二氧化钒层111一侧弯曲可以为从平面弯曲为曲面，也可以为从曲率半径较小的曲面弯曲为曲率半径较大的曲面。
进一步，所述二氧化钒层111还可以为掺杂的二氧化钒层。通过掺杂可以改变所述二氧化钒层111的相变温度。所述掺杂的元素可以为钨、钼、铝、磷、铌、铊、氟等，掺杂的重量比例可以为0.5％～5％。其中，掺杂钨、钼等大尺寸原子可以有效降低所述二氧化钒层111的相变温度。而掺杂铝、磷等小尺寸原子可以有效升高所述二氧化钒层111的相变温度。在一个实施例中，通过掺杂重量百分比为1.5％的钨，使得所述二氧化钒层111的相变温度降低为34℃。所述钨掺杂的二氧化钒层111从绝缘相转变为金属相后，所述二氧化钒层111和碳纳米管层110的复合结构的电阻降低6.8％。
所述碳纳米管层110的厚度形状不限，可以根据需要选择和设计。所述碳纳米管层110为包括多个碳纳米管的连续的整体结构。所述碳纳米管层 110中多个碳纳米管可以无序分布，例如，相互缠绕，也可以有序排列，例如，沿着基本平行于碳纳米管层110表面的方向延伸。所述碳纳米管层110 中的碳纳米管可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种或多种，其长度和直径可以根据需要选择。所述碳纳米管层的厚度为100纳米～100微米，优选地厚度为1微米～10微米。
具体地，所述碳纳米管层110可以包括碳纳米管膜或碳纳米管线。所述碳纳米管层110可以为一单层碳纳米管膜或多个层叠设置的碳纳米管膜。所述碳纳米管层110可包括多个平行设置的碳纳米管线或多个交叉设置的碳纳米管线。所述碳纳米管膜可以为碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜、或碳纳米管絮化膜。本实施例中，所述碳纳米管层110包括50层拉膜。
所述碳纳米管拉膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述若干碳纳米管为沿同一方向择优取向延伸。所述择优取向是指在碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管拉膜的表面。进一步地，所述碳纳米管拉膜中多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管拉膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。所述自支撑为碳纳米管拉膜不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管拉膜置于(或固定于)间隔特定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管拉膜能够悬空保持自身膜状状态。所述自支撑主要通过碳纳米管拉膜中存在连续的通过范德华力首尾相连延伸排列的碳纳米管而实现。
具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管拉膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。
具体地，所述碳纳米管拉膜包括多个连续且定向延伸的碳纳米管片段。该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。所述碳纳米管拉膜可通过从一碳纳米管阵列中选定部分碳纳米管后直接拉取获得。所述碳纳米管拉膜的厚度为1纳米～500微米，宽度与拉取出该碳纳米管拉膜的碳纳米管阵列的尺寸有关，长度不限。优选地，所述碳纳米管拉膜的厚度为100纳米～10 微米。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向延伸。当所述碳纳米管层包括层叠设置的多层碳纳米管拉膜时，相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向形成一交叉角度α，且α大于等于0度小于等于90度 (0°≤α≤90°)所述碳纳米管拉膜及其制备方法具体请参见申请人于2007年2 月9日申请的，于2010年5月26日公告的第CN101239712B号中国公开专利“碳纳米管膜结构及其制备方法”。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。
所述碳纳米管层110还可以为一包括多个碳纳米管以及添加材料的复合结构。所述添加材料包括石墨、石墨稀、碳化硅、氮化硼、氮化硅、二氧化硅、无定形碳等中的一种或多种。所述添加材料还可以包括金属碳化物、金属氧化物及金属氮化物等中的一种或多种。所述添加材料包覆于碳纳米管层 110中碳纳米管的至少部分表面。优选地，所述添加材料包覆于碳纳米管的表面。
参见图2，本发明第一实施例进一步提供一种致动器11的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤S11，提供一碳纳米管层110；
步骤S12，在所述碳纳米管层110的表面沉积一层氧化钒层112；以及
步骤S13，在含氧气氛中退火使所述氧化钒层112转变为二氧化钒层 111。
所述步骤S12中，所述沉积氧化钒层112的方法不限，可以为化学气相沉积、磁控溅射等。所述步骤S13中，含氧气氛可以为空气中或氧气中。
本实施例中，所述步骤S11中，通过将50层碳纳米管拉膜层叠交叉设置得到所述碳纳米管层110。所述步骤S12中，通过直流磁控溅射的方法在所述碳纳米管层110的表面沉积一层氧化钒层112。所述直流磁控溅射采用高纯钒金属靶，溅射功率为60W，溅射温度为室温，工作气体为49.7sccm 的氩气和0.3sccm的氧气的混合气体，工作压强为0.55Pa，溅射时间为30 分钟。所述氧化钒层112的成分为VOx。所述步骤S13中，所述退火的压强为3×10- 2mbar，温度为450℃，时间为10分钟。通过退火所述氧化钒层112 结晶成为二氧化钒层111。可以理解，所述退火可以采用加热炉加热，也可以通过给所述碳纳米管层110通电的方式加热。优选，当退火温度高于500℃时，所述退火环境为真空并通入微量氧气，以防止所述碳纳米管层110被完全氧化掉。本实施例中，通入氧气的流量小于2sccm。当退火温度低于450℃时，在空气中退火，碳纳米管也不会被完全氧化掉。
可以理解，在所述氧化钒层112结晶成为二氧化钒层111的过程中，由于所述碳纳米管层110与二氧化钒层111之间晶格不匹配，晶格常数较小的一侧的二氧化钒层111会产生收缩应力，而晶格常数较大的一侧的碳纳米管层110会产生抗收缩应力。当二氧化钒层111的收缩应力大于所述碳纳米管层110的抗收缩应力时，整个碳纳米管层110与二氧化钒层111的复合结构会向所述二氧化钒层111一侧弯曲，从而形成自然状态为弯曲的致动器11。所述收缩应力和抗收缩应力的大小取决于所述碳纳米管层110与二氧化钒层 111各自的厚度。当所述碳纳米管层110厚度较小时容易弯曲，厚度较大时容易得到自然状态为平面的致动器11。
当制备钨掺杂的二氧化钒层111时，所述步骤S12中，所述靶材为钨掺杂的钒金属靶，溅射功率为60W，溅射温度为室温，工作气体为49.5sccm 的氩气和0.5sccm的氧气的混合气体，工作压强为0.6Pa，溅射时间为30分钟。所述氧化钒层112的成分为W-VOx。所述步骤S13中，所述退火的压强为4.5×10-2mbar，温度为450℃，时间为10分钟。通过退火所述氧化钒层 112结晶成为二氧化钒层111。
请参见图3，本发明第二实施例提供一种致动器11A，其包括一碳纳米管层110以及一与该碳纳米管层110层叠设置的二氧化钒层111。
本发明第二实施例提供的致动器11A与本发明第一实施例提供的致动器11结构基本相同，其区别在于，进一步包括一个或多个碳纳米管膜113，所述碳纳米管膜113设置于所述二氧化钒层111内部且与所述碳纳米管层110间隔设置，从而与所述二氧化钒层111形成一复合结构。所述碳纳米管膜113为多个时，多个碳纳米管膜113间隔设置。
当采用激光从该碳纳米管层110一侧照射所述致动器11A时，所述碳纳米管膜113可以进一步吸收穿透该碳纳米管层110的激光，将其转化为热量并均匀的传导至整个二氧化钒层111。所述碳纳米管膜113厚度较小，从而使其可以随所述二氧化钒层111的收缩而收缩，从而不影响整个二氧化钒层 111的形变。优选地，所述碳纳米管膜113为碳纳米管拉膜，厚度小于30纳米，间隔大于30纳米。
参见图4，本发明第二实施例进一步提供一种致动器11A的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤S21，提供多个碳纳米管膜113；
步骤S22，在每个碳纳米管膜113的表面沉积一层氧化钒层112；
步骤S23，将多个沉积有氧化钒层112的碳纳米管膜113层叠设置于一碳纳米管层110表面；以及
步骤S24，在含氧气氛中退火使所述氧化钒层112转变为二氧化钒层 111。
所述沉积氧化钒层112的方法以及退火方法与本发明第一实施例的方法基本相同。所述步骤S22中，所述氧化钒层112不仅沉积于该碳纳米管膜113 的表面，且渗透到碳纳米管膜113的微孔之中。优选地，所述氧化钒层112 同时沉积于该碳纳米管膜113相对的两个表面，并渗透到碳纳米管膜113的微孔之中，这样所述多个氧化钒层112退火之后更容易形成一整体的二氧化钒层111，并将多个碳纳米管膜113包覆在其中。
请参见图5，本发明第三实施例提供一种致动器11B，其包括一碳纳米管层110、一与该碳纳米管层110层叠设置的二氧化钒层111以及多个碳纳米管膜113，所述碳纳米管膜113间隔设置于所述二氧化钒层111内，从而与所述二氧化钒层111形成一复合结构。
本发明第三实施例提供的致动器11B与本发明第二实施例提供的致动器11A结构基本相同，其区别在于，所述多个碳纳米管膜113至少在一个方向的尺寸大于所述二氧化钒层111在该方向的尺寸，从而使得的所述多个碳纳米管膜113部分延伸到所述二氧化钒层111外部。
优选地，所述碳纳米管膜113延伸到所述二氧化钒层111外的部分层叠在一起。可以理解，所述碳纳米管膜113延伸到所述二氧化钒层111外的部分可以用于设置电极并连接电源，向所述碳纳米管膜113通入电流，从而加热所述二氧化钒层111。
更优选地，所述碳纳米管膜113延伸到所述二氧化钒层111外的部分进一步与所述碳纳米管层110接触并电连接。一方面，所述碳纳米管膜113和所述碳纳米管层110可以同时设置电极并连接电源。另一方面，当所述碳纳米管层110吸收光能并转化为热量时，热量可以直接传递到所述碳纳米管膜 113，并扩散到整个二氧化钒层111。例如，所述碳纳米管膜113延伸到所述二氧化钒层111外的部分与所述碳纳米管层110接触并电连接，且分别与两个间隔设置的电极接触并电连接。
本实施例中，所述碳纳米管层110的尺寸也大于所述二氧化钒层111的尺寸，并将所述碳纳米管膜113延伸到所述二氧化钒层111外的部分与所述碳纳米管层110大于所述二氧化钒层111的部分层叠设置。可以理解，当所述碳纳米管层110的尺寸形状与所述二氧化钒层111的尺寸形状相同时，所述碳纳米管膜113延伸到所述二氧化钒层111外的部分可以弯折并层叠设置于所述碳纳米管层110靠近或远离所述二氧化钒层111的表面。
参见图6，本发明第三实施例进一步提供一种致动器11B的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤S31，提供多个碳纳米管膜113；
步骤S32，在每个碳纳米管膜113的部分表面沉积一层氧化钒层112；
步骤S33，将多个沉积有氧化钒层112的碳纳米管膜113层叠设置于一碳纳米管层110表面；以及
步骤S34，在含氧气氛中退火使所述氧化钒层112转变为二氧化钒层 111，并使每个碳纳米管膜113部分延伸到所述二氧化钒层111之外。
所述沉积氧化钒层112的方法以及退火方法与本发明第二实施例的方法基本相同。所述步骤S32中，所述氧化钒层112沉积于所述碳纳米管膜113 的中部，使得所述碳纳米管膜113在每个方向都延伸至所述氧化钒层112之外。进一步，还包括使所述碳纳米管膜113延伸到所述二氧化钒层111外的部分层叠设置并与所述碳纳米管层110接触的步骤。例如，通过易挥发有机溶剂处理或通过压力，使所述碳纳米管膜113延伸到所述二氧化钒层111外的部分层叠设置。
请参见图7，本发明第四实施例提供一种致动器11C，其包括一碳纳米管层110以及一与该碳纳米管层110层叠设置的二氧化钒层111。
本发明第四实施例提供的致动器11C与本发明第一实施例提供的致动器11结构基本相同，其区别在于，进一步包括一碳纳米管阵列114。所述碳纳米管阵列114包括多个碳纳米管平行间隔设置于所述二氧化钒层111中，从而与所述二氧化钒层111形成一复合结构。
所述碳纳米管阵列114中的碳纳米管垂直于所述碳纳米管层110设置。所述碳纳米管阵列114中的碳纳米管一端与所述碳纳米管层110接触，另一端向远离所述碳纳米管层110的方向延伸。所述二氧化钒层111设置于所述平行间隔设置的碳纳米管之间。
可以理解，由于碳纳米管在轴向的导热性优于径向的导热性，因此，垂直于所述碳纳米管层110设置的碳纳米管更有利于将所述碳纳米管层110的热量传导扩散于整个二氧化钒层111。
另外，由于碳纳米管阵列114中的碳纳米管垂直于所述二氧化钒层111，因此，当所述二氧化钒层111在沿着垂直于厚度的方向收缩时，所述碳纳米管阵列114中的碳纳米管也可以沿着收缩方向移动，不会影响所述二氧化钒层111在沿着垂直于厚度的方向收缩。
参见图8，本发明第四实施例进一步提供一种致动器11C的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤S41，提供一碳纳米管阵列114，所述碳纳米管阵列114包括多个平行间隔设置的碳纳米管；
步骤S42，沿着垂直于碳纳米管长度的方向拉伸该碳纳米管阵列114，从而使该相邻碳纳米管之间的间距增大；
步骤S43，在相邻碳纳米管之间沉积氧化钒，从而形成一氧化钒层112；
步骤S43，将沉积有氧化钒层112的碳纳米管阵列114层叠设置于一碳纳米管层110表面；以及
步骤S44，在含氧气氛中退火使所述氧化钒层112转变为二氧化钒层 111。
所述步骤S41中，所述碳纳米管阵列114可以通过化学气相沉积法生长在一基底表面。可以理解，直接生长的碳纳米管阵列114中，相邻碳纳米管之间间距很小，不易沉积氧化钒。所述步骤S42中，通过一弹性胶带116将该碳纳米管阵列114从基底剥离，并通过拉伸弹性胶带116使所述碳纳米管阵列114中相邻碳纳米管之间的间距增大。所述步骤S43中，需要保持拉伸所述弹性胶带116，使相邻碳纳米管之间具有较大的间距，从而容易使氧化钒沉积于相邻碳纳米管之间。
请参见图9，本发明第五实施例提供一种致动器11D，其包括一碳纳米管层110以及一与该碳纳米管层110层叠设置的二氧化钒层111。
本发明第五实施例提供的致动器11D与本发明第一实施例提供的致动器11结构基本相同，其区别在于，进一步包括一柔性保护层115。所述柔性保护层115将所述碳纳米管层110或二氧化钒层111至少部分包覆。
可以理解，所述碳纳米管层110容易脱落或吸附杂质，所述二氧化钒层 111容易被腐蚀。通过设置柔性保护层115可以有效保护该致动器11D在不同环境正常工作。所述柔性保护层115的材料可以为聚合物或硅橡胶等柔性材料。优选地，设置于所述二氧化钒层111表面的柔性保护层115厚度应当较小且具有弹性，从而使得所述二氧化钒层111收缩时，该柔性保护层115 也会一起收缩。本实施例中，所述柔性保护层115为硅橡胶且将整个碳纳米管层110和二氧化钒层111包覆。
本发明第五实施例提供的致动器11D的制备方法与本发明第一实施例提供的致动器11的制备方法基本相同，其区别在于，进一步包括一设置柔性保护层115的步骤。
请参见图10，本发明第六实施例提供一种采用上述致动器11的致动系统10，其包括所述致动器11、一固定装置12以及一激励装置13。所述致动器11也可以为其他实施例的致动器。
所述致动器11包括碳纳米管层110以及与该碳纳米管层110层叠设置的二氧化钒层111。所述致动器11为弯折的条状，且两端固定在所述固定装置12上。所述致动器11条状的中间部分通过所述固定装置12悬空设置。可以理解，所述致动器11也可以仅有一端固定在所述固定装置12上，另一端悬空设置。所述激励装置13相对所述致动器11且间隔设置。优选地，所述激励装置13设置于所述致动器11的碳纳米管层110一侧。所述激励装置 13通过无线方式向所述致动器11提供刺激。所述激励装置13为一光源。本实施例中，所述致动器11条状的中间部分弯折形成一尖端。所述激励装置 13为一激光器。优选地，所述激励装置13可以提供脉冲激光信号。
当所述激光器激励装置13向所述致动器11发射激光，所述碳纳米管层 110可以有效吸收激光并转化成热量。所述二氧化钒层111被加热至相变温度后，发生相变收缩，所述致动器11悬空的部分向所述二氧化钒层111一侧发生弯曲。当所述激光器激励装置13停止发射激光，所述致动器11悬空的部分伸展恢复原形。
参见图11，本发明第六实施例进一步提供一种致动器11的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤S61，提供一具有多个凹槽141的基板14，并在所述基板14表面设置一碳纳米管层状结构117，将所述多个凹槽141覆盖；
步骤S62，切割所述碳纳米管层状结构117，从而形成多个条状的碳纳米管层110，所述条状的碳纳米管层110的两端固定在所述基板14上，中间部分通过所述凹槽141悬空设置；
步骤S63，在每个条状的碳纳米管层110表面沉积一氧化钒层112，并在含氧气氛中退火使所述氧化钒层112转变为二氧化钒层111；以及
步骤S64，切割所述基板14，形成多个固定装置12，且每个固定装置 12上设置一致动器11。
本实施例中，所述基板14为Si3N4基板，且具有多个平行间隔的条状凹槽141。所述凹槽141为穿透基板14的通孔。所述切割碳纳米管层状结构 117的方法为激光切割。
本发明第六实施例进一步对制备的致动器11进行分析表征。参见图12，为本发明第六实施例制备的致动器11的整体扫描电镜照片。参见图13，为本发明第六实施例制备的致动器11的局部放大扫描电镜照片。从图13可见，所述碳纳米管层110中的碳纳米管垂直交叉设置，所述二氧化钒层111均匀分布在所述碳纳米管层110表面。参见图14，为本发明第六实施例制备的致动器11的透射电镜照片。从图14可见，所述碳纳米管层110的部分碳纳米管表面被二氧化钒包覆。参见图15，为本发明第六实施例制备的致动器11 的EDX光谱。从图16可见，所述二氧化钒层111均匀分布在碳纳米管层110 表面。参见图16，为本发明第六实施例制备的致动器11的拉曼散射光谱。从图16可见，所述二氧化钒层111为绝缘相。本发明第六实施例进一步对该致动系统10进行测试。所述激光器激励装置13发射功率密度为800mW/cm2～1600mW/cm2方波脉冲激光照射所述致动器11。所述致动器11的反应时间为12.5毫秒，弯折频率为80Hz。在频率测试时，所述致动器11的周围温度约43℃。
请参见图17，本发明第七实施例提供一种采用上述致动器11的致动系统10A，其包括所述致动器11、一固定装置12以及一激励装置13。所述致动器11也可以为其他实施例的致动器。
本发明第七实施例提供的致动系统10A与本发明第六实施例提供的致动系统10结构基本相同，其区别在于，所述致动器11的两端分别设置一个电极118，所述激励装置13为一电源，且与该两个电极118电连接。所述电源可以为交流电源或直流电源。优选地，所述电源可以向所述致动器11施加脉冲电流。所述电极118为金属片，且通过导电粘结剂直接固定设置于所述碳纳米管层110表面。所述碳纳米管层110将所述电源激励装置13施加的电能准换为热量，并加热所述二氧化钒层111进行形变，从而引起所述致动器11弯曲。当停止加热时，所述致动器11恢复原形。当施加脉冲电流时，所述致动器11不断重复弯折伸展。
请参见图18，本发明第八实施例提供一种采用上述致动器11的致动系统10B，其包括所述致动器11、一固定装置12以及一激励装置13。所述致动器11也可以为其他实施例的致动器。
本发明第八实施例提供的致动系统10B与本发明第六实施例提供的致动系统10结构基本相同，其区别在于，所述致动器11仅有一端固定在所述固定装置12上，另一端悬空设置形成一悬臂，且所述二氧化钒层111为1.5％钨掺杂的二氧化钒层。
本发明第八实施例进一步对该致动系统10B进行表征。参见图19，为本发明第八实施例制备的致动器11的局部放大扫描电镜照片。参见图20，为本发明第八实施例制备的致动器11的EDS能谱。从图20可见，钨元素有效掺杂在所述二氧化钒层111中。
本发明第八实施例进一步对该致动系统10B进行测试。参见图21，为本发明第八实施例制备的致动器11从32℃加热到46℃时发生弯曲的光学照片。从图21可见，所述致动器11在32℃已经发生弯曲，且加热至46℃时弯曲形变进一步增加。参见图22，为本发明第八实施例制备的致动器11 分别在常温26℃和50℃时的拉曼散射光谱。从图22可见，所述二氧化钒层111在常温为绝缘相，加热至50℃时转变为金属相。所述激光器激励装置13发射功率密度为250mW/cm2～800mW/cm2的方波脉冲激光照射所述致动器11。所述致动器11的反应时间为28.5毫秒，弯折频率为35Hz。在频率测试时，所述致动器11的周围温度约9℃。
请参见图23，本发明第九实施例提供一种采用上述致动器11的致动系统10C，其包括所述致动器11以及一激励装置13。所述致动器11也可以为其他实施例的致动器。
本发明第九实施例提供的致动系统10C与本发明第六实施例提供的致动系统10结构基本相同，其区别在于，所述激励装置13为一热源，其包括一与该所述致动器11平行间隔设置的加热元件132。
具体地，所述激励装置13包括一绝缘基底130，两个间隔设置于该绝缘基底130上的电极131，一分别与该两个电极131电连接的加热元件132，以及分别与该两个电极131电连接的电源133。所述加热元件132设置于所述碳纳米管层110一侧，且与所述碳纳米管层110间隔设置。当所述致动系统10C在真空中工作时，所述碳纳米管膜加热元件132可以加热至高温发光，此时，所述加热元件132与所述碳纳米管层110之间的间隔可以较远。当所述加热元件132只是低温发热加热所述致动器11时，所述加热元件132与所述碳纳米管层110之间的间隔应当较小。
优选地，所述绝缘基底130具有一凹槽，所述两个电极131分别设置于该凹槽两侧。所述加热元件132中间部分通过所述凹槽悬空设置，从而减小加热元件132与绝缘基底130之间的热传导。所述致动器11一端固定于所述电极131表面，另一端悬空设置于所述加热元件132上方。所述加热元件 132可以为金属电阻丝或碳纳米管膜，优选为碳纳米管膜。更优选地，所述凹槽底部设置一热反射层或光反射层，从而使所述加热元件132发射的热或光更有效的被所述碳纳米管层110吸收。
请参见图24，本发明第十实施例提供一种采用上述致动器11的温度感测系统20，其包括一电源21、一电流表22、一第一电极23、一第二电极24、以及所述致动器11。可以理解，所述致动器11也可以为其他实施例的致动器。
所述电源21分别与所述第一电极23和第二电极24电连接。所述致动器11的一端固定于所述第一电极23上，且所述碳纳米管层110与所述第一电极23电连接。所述致动器11的另一端与所述第二电极24接触，且所述碳纳米管层110与所述第二电极24电连接，从而使得所述电源21、所述第一电极23、所述第二电极24以及所述致动器11形成一回路。所述电流表22串联在所述回路中。使用时，将所述致动器11至于被测环境中，例如，使所述碳纳米管层110与一被测物接触。由于所述电源21、所述第一电极 23、所述第二电极24以及所述致动器11形成一回路，所述电流表22显示电流示数。所述回路的电流比较小，不足以使所述碳纳米管层110产生的热量将所述二氧化钒层111加热至相变温度。当被测物温度大于所述二氧化钒层111的相变温度时，所述致动器11向所述二氧化钒层111一侧弯曲，使得所述致动器11靠近所述第二电极24的一端与所述第二电极24间隔。所述回路被断开，所述电流表22不显示电流示数。
可以理解，所述温度感测系统20的连接关系不限于上述结构，具体可以根据需要设置。例如，可以使所述致动器11靠近所述第二电极24的一端平常与所述第二电极24间隔，不形成回路。当所述致动器11被被测物加热至相变温度时，所述致动器11由于弯曲而与所述第二电极24接触并电连接，从而形成回路。例如，所述电流表22也可以改变为电压表等其他对电流敏感的电子装置。所述对电流敏感的电子装置也可以与所述致动器11并联连接，只要确保当所述致动器11弯曲时能引起经过所述对电流敏感的电子装置的电流不同即可。当所述对电流敏感的电子装置的电流变化时，其可以通过显示或声音等方式提示用户即可。
请参见图25，本发明第十一实施例提供一种采用上述致动器11的温度感测系统20A，其包括一电源21、一电流表22、一第一电极23、一第二电极24、一导热基底25、以及所述致动器11。可以理解，所述致动器11也可以为其他实施例的致动器。
本发明第十一实施例提供的温度感测系统20A与本发明第十实施例提供的温度感测系统20结构基本相同，其区别在于，进一步包括一导热基底 25，所述致动器11的一端通过所述第一电极23固定于所述导热基底25上，所述致动器11的另一端弯曲后与所述第二电极24接触，且被所述第二电极 24卡住，从而使得所述致动器11保持弯曲。所述导热基底25优选采用导热性好的材料。本实施例中，所述导热基底25为一绝缘陶瓷。所述二氧化钒层111为一钨掺杂二氧化钒层，相变温度为37℃。进一步，为了提高所述致动器11的弹性，所述碳纳米管层110远离所述二氧化钒层111的一侧表面具有一聚合物柔性保护层115。
使用时，将所述致动器11至于被测环境中，例如，使所述导热基底25 与被测物接触。由于所述电源21、所述第一电极23、所述第二电极24以及所述致动器11形成一回路，所述电流表22显示电流示数。当被测物温度大于所述二氧化钒层111的相变温度时，所述致动器11向所述二氧化钒层111 一侧弯曲，使得所述致动器11靠近所述第二电极24的一端与所述第二电极 24间隔。所述回路被断开，所述电流表22不显示电流示数。当所述被测物的温度下降到相变温度以下时，所述致动器11在弹性作用下恢复原形，再次形成与所述第二电极24接触的弯曲形。可以理解，所述聚合物柔性保护层115使得所述致动器11在温度下降到相变温度以下时，可以更迅速的恢复原形，与所述第二电极24接触，提高了灵敏度。
请参见图26，为采用本发明第十一实施例提供的温度感测系统20A的致动器11的SEM照片。由图26可见，所述致动器11被一钨第二电极24 压住保持弯曲。请参见图27，为采用本发明第十一实施例提供的温度感测系统20A测量人体温度时的测试结果。由图27可见，当人体温度为37℃时，所述电流表22突然没有示数，表面回路被断开。
请参见图28，本发明第十三实施例提供一种采用上述致动器11的机器人，其包括一身体31以及设置于该身体31内的操作系统32。所述身体31 包括一仿生手臂33以及一激光器35。所述仿生手臂33包括一采用上述致动器11制备的仿生手掌34。可以理解，所述致动器11也可以为其他实施例的致动器。所述仿生手掌34结构不限，可以根据需要设计。所述仿生手掌34 可以包括一个或多个手指。本实施例中，所述仿生手掌34包括四个间隔设置的手指，且每个手指为一长条形致动器11。所述激光器35用于加热所述仿生手掌34。所述激光器35设置位置不限，只要可以使发射的激光能够照射到所述仿生手掌34上即可。
请参见图29，为所述仿生手臂33的光学照片。请参见图29(a)，所述仿生手掌34采用自然状态下为弯曲的致动器11制作。当所述激光器35关闭时，所述仿生手掌34打开呈半弯曲状。请参见图29(b)，当所述激光器35 打开照射所述仿生手掌34时，所述仿生手掌34闭合。请参见图30，为本实施例采用所述仿生手臂33移动纸片的光学照片。
请参见图31，本发明第十四实施例提供一种采用上述致动器11制备的仿生昆虫40。所述仿生昆虫40包括一躯体41以及至少两个连接于该躯体 41的翅膀42。所述仿生昆虫40的尺寸可以为几毫米至几厘米。
所述仿生昆虫的形状可以为蜻蜓、蝴蝶、蚊子、苍蝇、飞蛾等。请参见图32和34，所述仿生昆虫40的躯体41和翅膀42可以为一整体结构。即，所述仿生昆虫40的躯体41和翅膀42均采用层状致动器11制备。所述仿生昆虫可以通过将一层状致动器11直接切割成昆虫形状制备，也可以采用图 11的方法，先将碳纳米管层状结构117切割成昆虫形状，然后沉积氧化钒层 112和退火的方法制备。请参见图34，为本实施例采用图11的方法一次制备的多个仿生蝴蝶。
请参见图33，将所述仿生昆虫40的躯体固定，当采用10Hz的方波脉冲激光照射所述仿生昆虫40时，所述仿生昆虫40的翅膀42开始上下煽动或振动。所述仿生昆虫40的翅膀42的振动频率可以达到80Hz。
可以理解，所述仿生昆虫40的躯体41也可以采用其他材料制备，例如聚合物。先采用层状致动器11制备翅膀42，然后将该翅膀42的一端固定在所述躯体41上。可以理解，所述仿生昆虫40的躯体41内还可以设置各种传感器，例如摄像头等，用于采集信号。所述仿生昆虫40使用时，可以通过专门的激励装置刺激使其翅膀42振动，也可以通过外界环境的温度变化使其翅膀42振动。所述仿生昆虫40可以应用在军事上。
以上已经给出了本发明的多个实施方式，可以理解的是，在不偏离本公开内容精神以及范围的情况下，可以做出各种变化、替换、以及改变，这些实施方式也在本发明的保护范围内。
Claims (12)
1.一种温度感测系统，其包括：一电源、一电子装置、一第一电极、一第二电极、以及一致动器；所述电源、第一电极、致动器以及第二电极依次电连接形成一回路；所述电子装置与所述致动器并联或串联；所述致动器可以随着温度的变化弯曲和伸张，从而使所述回路断开或闭合，从而导致流过所述电子装置的电流发生变化；所述电子装置的电流发生变化时，所述电子装置可以提示用户；其特征在于，所述致动器包括一碳纳米管层以及一与该碳纳米管层层叠设置的二氧化钒层。
2.如权利要求1所述的温度感测系统，其特征在于，所述致动器进一步包括一碳纳米管膜，所述碳纳米管膜设置于所述二氧化钒层内部且与所述碳纳米管层间隔设置，从而与所述二氧化钒层形成一复合结构。
3.如权利要求2所述的温度感测系统，其特征在于，所述碳纳米管膜为多个碳纳米管膜且间隔设置于所述二氧化钒层内部。
4.如权利要求3所述的温度感测系统，其特征在于，所述碳纳米管膜厚度小于30纳米且间隔大于30纳米。
5.如权利要求2所述的温度感测系统，其特征在于，所述碳纳米管膜至少在一个方向的尺寸大于所述二氧化钒层在该方向的尺寸，从而使得所述碳纳米管膜部分延伸到所述二氧化钒层外部，且所述碳纳米管膜延伸到所述二氧化钒层外的部分进一步与所述碳纳米管层接触。
6.如权利要求1所述的温度感测系统，其特征在于，所述致动器进一步包括一碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列包括多个碳纳米管平行间隔设置于所述二氧化钒层中；所述碳纳米管阵列中的碳纳米管垂直于所述碳纳米管层设置。
7.如权利要求6所述的温度感测系统，其特征在于，所述碳纳米管阵列中的碳纳米管一端与所述碳纳米管层接触，另一端向远离所述碳纳米管层的方向延伸。
8.如权利要求1所述的温度感测系统，其特征在于，所述致动器进一步包括一柔性保护层，所述柔性保护层将所述碳纳米管层或二氧化钒层至少部分包覆。
9.如权利要求8所述的温度感测系统，其特征在于，所述柔性保护层设置于所述二氧化钒层表面，所述柔性保护层具有弹性且可以与所述二氧化钒层一起收缩。
10.如权利要求1所述的温度感测系统，其特征在于，所述致动器的一端固定于所述第一电极上，另一端可以随着所述致动器的弯曲和伸张与所述第二电极连接或断开。
11.如权利要求10所述的温度感测系统，其特征在于，进一步包括一导热基底；所述致动器的一端通过所述第一电极固定于所述导热基底上，另一端弯曲后与所述第二电极接触，且被所述第二电极卡住，从而使得所述致动器保持弯曲。
12.如权利要求1所述的温度感测系统，其特征在于，所述电子装置为与所述致动器串联的电流表或并联的电压表。
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