專利名稱：一種超微型熱電偶的電化學制備裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于熱測試領域熱電偶的制作裝置，特別涉及一種利用電化學法電解蝕刻普通熱偶絲從而加工出直徑在數十微米到數納米范圍的對微小區域溫度變化能夠快速響應的微/納米級的超微型熱電偶的電化學制備裝置。
背景技術：
當前自然科學與工程技術發展的一個重要趨勢是朝微型化邁進，其中對超微區域或超快速過程溫度進行測量是一大類重要問題，比如微尺度傳熱學實驗中極富挑戰性的課題之一是測量材料在納米空間和/或納秒時間尺度內的溫度及其相關信息；另外，在許多微/納米器件應用場合，也需要對極細微區域內的溫度信息進行準確而迅速的測定。顯然這些情況下所采用的溫度傳感器必須是體積尺寸相當微小的器件。
常見的水銀或酒精溫度計，是以封閉在玻璃泡內的液體隨溫度升降而產生的體積變化(表現為玻璃毛細管內水銀或酒精柱位置的變化)來表示溫度的高低；電阻溫度計，是利用某些導電物質如鉑或銅的電阻值隨溫度變化的特性，由測量其電阻值并經過換算得到溫度值；熱電偶溫度計是由兩種不同物質構成電回路，以其結合點在不同溫度下產生熱電勢的原理來測量溫度。
以上的各種溫度計在測量流體或固體的溫度時，由于溫度計本身具有一定的熱容量，至少會從兩個方面產生測溫誤差，而影響測量的準確性首先是測溫元件的存在會對被測介質的溫度場產生干擾；其次是測溫元件的實際溫度往往滯后于被測介質溫度的變化；特別是在對小空間和劇烈變化中的溫度場進行測量時，測溫元件的熱容量(或稱熱慣性)所引起的誤差更為嚴重，甚至使測量失去意義。因此減小測溫元件的熱容量，成為減小誤差，提高測溫精度的一個主要的努力方向。
在各類溫度傳感器中，液體溫度計利用液體的體積變化來測量溫度，需要有一個封閉的空間如玻璃泡來存放測溫液體，其典型尺寸為直徑2～5毫米。如果結構不做重大改變，液體溫度計感溫部分的體積和熱容量很難進一步減小。
典型的電阻溫度計，是用極細的鉑絲在絕緣骨架上繞制而成的鉑電阻，通常外套絕緣的陶瓷保護套。最小的商品鉑電阻，外徑僅約1毫米，長度小于10毫米。這樣的鉑電阻的熱容量對于微區域的測溫顯得仍然太大。
在已建立的各種超微區域熱學測定方法中使用的測溫工具，最為靈活的當屬將熱電元件如熱電偶、電阻溫度計或半導體二極管的尺寸減至亞微米量級來進行溫度探測，而其中熱電偶又是最佳選擇。
熱電偶溫度計的測溫端是由兩種不同物質如銅絲和康銅絲在其末端焊接形成的結點，只要所使用的偶絲極細，如直徑小至1～20微米，則測溫結點的體積便可做得非常小，其熱容量可達到鉑電阻溫度計的萬分之一甚至更小，熱響應速度也因此大大提高。但由于采用了極細的金屬絲，使表面處理和焊接等制作工序的難度明顯加大，在測溫處的固定也變得困難，而且目前進一步獲取更小偶絲的可能性實際上是相當有限的。此外在使用過程中，由于細絲的強度和剛度極小，極易受到被測介質的作用而產生位移、變形甚至損壞。
眾所周知，熱電偶測溫是溫度測量的一種主要方法，由于響應速度快、制作簡單、重復性好、測溫范圍寬且環境適應性強，而被廣泛采用。熱電偶在用于快速變化的溫度測量時，要求熱容量小，并且希望測溫結點的幾何尺度盡可能小。由此做成的測溫元件一般稱為超微型熱電偶。當前，采用特殊的鍍膜加工技術已能滿足100-到300nm尺度熱電溫度傳感器的制作。隨著半導體制造工藝的進步，出現了薄膜狀的電阻和熱電偶測溫元件。它們采用真空鍍膜或其他制作薄膜的方法，在某種片狀基底上，或直技在待測溫的零部件表面上形成厚度僅為微米量級甚至更薄的薄膜狀電阻，而熱電偶則由兩種薄膜在基底的適當位置相交，形成測溫結點。薄膜狀的電阻或熱電偶測溫元件，其自身厚度與熱容量非常小，若直接附著在被測物體的表面，對物體的溫度場干擾極小，用以測量固體表面的溫度，效果極佳。但若用于測量液體或氣體的溫度，則由于薄膜所附著的基底具有比薄膜元件自身大得多的厚度、質量和熱容量，插入流體時會對流體的運動產生干擾，影響流體的溫度場，并且對溫度變化的響應速度也因為基底的熱容量大而明顯降低，甚至低于某些細絲型熱電偶。特別是，薄膜型熱電偶制作所需設備眾多，工藝相當復雜，一般實驗室很難擁有這樣的條件。且所獲得的熱電偶價格比較高昂，因此市面上一般很難獲得超微型熱電偶。
實際上，一種獲取超微型熱電偶的途徑可從普通熱電偶絲制成。一般而言，普通熱偶絲直徑從50到500微米不等，工業測溫也使用直徑大于或等于1毫米的熱電偶，以保證測量的穩定性與耐久性。用于瞬態的溫度測量時，應選用50-100微米或更小直徑的偶絲。更細的偶絲則不易獲得，而且價格昂貴。由于偶絲的直徑太小，用肉眼直接觀察已比較困難，操作時稍有不慎，極易導致細偶絲斷線，甚至丟失。如果需要與延伸導線連接，則會進一步增加操作難度。
電化學加工是金屬工件在電解液中發生陽極溶解的一種加工過程(王建業，徐家文，電解加工原理及應用，北京國防工業出版社，2001)，加工時，待處理工件作為陽極，加工工具為陰極，陽極和陰極之間一般通以5-24V，10-500A/cm2的低電壓、高電流密度的連續或脈沖直流電，同時通以6-30m/s的高速電解液，以將溶解的陽極溶解產物沖刷走。電解液一般采用中性鹽的水溶液，如常用者NaCl或NaNO3鹽，也可采用其他復合電解液如低濃度鹽酸、磷酸等。在上述情況下，陰極可固定也可相對于陽極運動，但陽極和陰極之間應維持一個微小間隙。電化學加工的優點在于(1)蝕除速度不受加工材料的硬度、強度和韌性限制，因而較適于多種熱電偶絲材料的加工；(2)加工表面質量好，其精度可達1微米以下，而采用特定的微/納米技術，對如下參量如陽極和陰極之間的微小間隙、通電方式(連續或脈沖)和電壓大小以及電解液種類、流速和濃度等進行精密的控制，將有望蝕刻出直徑在數納米的熱電偶，這正是本實用新型的出發點。(3)用于加工的工具-陰極不發生損耗，這對于設計出經久耐用的超微型熱電偶加工器件十分有用；(4)可以實現批量加工，這大大有助于低價獲得大量的超微熱電偶。
發明內容
本實用新型的目的在于為了克服以上提到的諸多不便，提供一種利用電化學法對普通熱偶絲進行電解蝕刻、加工從而制成直徑在數十微米到數納米范圍的超微型熱電偶電化學制作裝置。
本實用新型的技術方案如下本實用新型提供的超微型熱電偶電化學制作裝置，其特征在于，包括一玻璃基座11，其內設置供電解液流動的橫向流道13和與之垂向相交的縱向孔道12，橫向流道13底面內壁上貼附有與電源陰極相連的陰極薄膜或陰極石墨棒33，陰極薄膜或陰極石墨棒33與橫向流道13上表面之間留有間隙；所述的橫向流道13的截面為圓形、矩形或其它形狀，其截面面積為0.1mm2-1cm2；所述的縱向孔道12的截面為圓形、矩形或其它形狀，其截面面積為0.01mm2-1cm2。
本實用新型提供的制作超微型熱電偶裝置，使得熱電偶測溫結點可通過電化學方法蝕刻為從數十微米到數納米的量級，與此同時，熱電偶接線則仍保持在宏觀尺寸，因而握持較為方便；此外，不必像由鍍膜方法那樣需將測溫端依附在基底材料上，而可呈懸浮狀態，因此其測溫的響應速度僅由外界換熱條件和自身的熱容量決定，而與基底的材料，結構，形狀或厚度無關，這就大大提高了測溫的響應速度。
因此，本實用新型具有很多優點首先，實現超微型熱電偶無需眾多復雜的設備(而以往鍍膜加工超微熱電偶的途徑對設備要求較高)，使用方便，所需電源、電解液、陰極材料均可從常規渠道廉價獲取；不受熱電偶對的材料限制，對于任何金屬或合金均適用；所加工出熱電偶結點尺寸下限也是令人驚訝的，只要將電解液的進給速度、濃度及電解電壓等參量加以精密地控制，則熱偶結點尺寸有望達到數納米尺度，而當前微/納米級技術的進展可以保證本實用新型在此問題上的成功；而且，本熱偶除結點及其附近偶絲外，其余尺寸仍為普通熱偶絲尺寸，因而操作(在人眼視力可及范圍)和握持相當方便，可實現批量加工，降低熱電偶的制作成本。
圖1為本實用新型超微型熱電偶的電化學制備裝置的結構示意圖；圖2圖1的截面示意圖；圖3為用本實用新型制做的超微型熱電偶的示意圖；具體實施方式
以下結合附圖及實施例進一步描述本實用新型。
首先，請參見圖1和圖2，本實用新型的超微型熱電偶電化學制作裝置包括一玻璃基座11，其內設置供電解液流動的橫向流道13和與之垂向相交的縱向孔道12，橫向流道13底面內壁上貼附有與電源陰極相連的陰極石墨棒33，陰極石墨棒33與橫向流道13上表面之間留有間隙；所述的橫向流道13的截面為圓形、矩形或其它形狀，其截面面積為0.1mm2-1cm2；所述的縱向孔道12的截面為圓形、矩形或其它形狀，其截面面積為0.01mm2-1cm2。
實施例1請參見圖1和圖2，用本實用新型的裝置制作超微型熱電偶的過程如下1)將一對普通熱偶絲7和8的端部加熱鍵合在一起形成測溫結點88；2)將該熱偶絲7和8及其端部(測溫結點88)插入圖1中的縱向孔道12內至陰極石墨棒33的上方；3)橫向流道13內流動有電解液14，其測溫結點88在流動的電解液14的作用下，被腐蝕成圖3所示的99的形狀，便制備出本實用新型的超微型熱電偶。本實施例的電解液為重量百分比濃度為1-50％的鹽酸溶液或磷酸溶液。
圖1和圖2中的11為由玻璃制成的矩形基座，其尺寸在10mm×10mm×10mm至100mm×100mm×100mm之間。由于基座是透明的，便于熱偶加工中的直接觀察；基座11上開有圓形流道13和與之垂直相交的圓形孔道12，直徑在1mm到數毫米之間，圓形孔道12垂直于基座11上表面，圓形流道13則垂直于基座11側面。事實上，圖2示出的只是其中的一種相交結構，其圓形孔道和圓形流道相交結構不限于上述情形，且圓形孔道和圓形流道也可由矩形槽道代替，其截面尺寸可變，而陰極可為薄膜，也可為其他形狀等等。圓形流道13下側的內壁上貼附有陰極石墨棒33，電解液14由圓形流道13中流出。而待加工的已焊接好結點88的一對熱偶絲7，8由圓形孔道12插入，使其與陰極石墨棒33之間留有一定間隙(可從數十納米到數毫米范圍)。于是在將陽極和陰極接通電源15，16后，則陽極即已焊接好的普通熱偶絲結點88及其附近偶絲線即開始發生電解，而連續不斷流過的電解液14可將電解產物沖刷走，這樣，經過一定時間后，即制成測溫結點99及其附近連線72，82尺寸已大為縮小的超微細熱電偶(見圖3)。通過控制電解電壓強度、電解液種類和濃度，通電時間，通電方式(如連續加電流、加脈沖電壓等)以及陽極與陰極之間的間隙，可以控制熱偶結點及其附近熱偶絲接線的尺寸大小。而且上述結構中，兩根熱偶絲與陰極之間的電路是相互獨立的，因而各自可單獨控制電解過程，這樣，即使當兩熱偶絲線的性質差別很大，也可通過控制各自的電解過程來達到相同或不同的溶解程度，從而獲得所需尺寸的超微熱電偶。若將大批量的普通熱偶結點進行同時處理，則可一次性得到大量的超微熱電偶。所以本方法對于大批量生產超微型熱電偶相當有利，由圖1給出的制造超微型熱電偶的器件是一種使用起來相當方便的裝置。
權利要求1.一種超微型熱電偶的電化學制備裝置，其特征在于，包括一玻璃基座(11)，其內設置供電解液流動的橫向流道(13)和與之垂向相交的縱向孔道(12)，橫向流道(13)底面內壁上貼附有與電源陰極相連的陰極薄膜或陰極石墨棒(33)，所述的陰極薄膜或陰極石墨棒(33)與橫向流道(13)上表面之間留有間隙。
2.按權利要求1所述的超微型熱電偶的電化學制備裝置，其特征在于，所述的橫向流道(13)的截面為圓形或矩形，其截面面積為0.1mm2-1cm2。
3.按權利要求1所述的超微型熱電偶的電化學制備裝置，其特征在于，所述的縱向孔道(12)的截面為圓形或矩形，其截面面積為0.1mm2-1cm2。
專利摘要本實用新型是一種超微型熱電偶的電化學制作裝置。其特征在于，包括一玻璃基座，其內設置供電解液流動的橫向流道和與之垂向相交的縱向孔道，橫向流道底面內壁上貼附有與電源陰極相連的陰極薄膜或陰極石墨棒，所述的陰極薄膜或陰極石墨棒與橫向流道上表面之間留有間隙；與橫向流道上表面之間留有間隙；所述橫向流道和縱向孔道的截面為圓形、矩形或其它形狀，縱向孔道截面面積為0.01mm
文檔編號C23F1/00GK2612076SQ0229082
公開日2004年4月14日 申請日期2002年12月10日 優先權日2002年12月10日
發明者周一欣, 劉靜 申請人:中國科學院理化技術研究所