專利名稱：尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱檢測領(lǐng)域熱電偶及其制作方法，特別涉及一種利用電化學法腐 蝕、微納控制和真空蒸鍍技術(shù)，從而加工出直徑在數(shù)十微米到數(shù)十納米范圍的對 微小區(qū)域溫度變化能夠快速響應(yīng)的微/納米熱電偶的制備方法及其制備裝置。
背景技術(shù)：
溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇 烈程度。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度 物體溫度數(shù)值的標尺叫溫標。溫度測量是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科研等部門最普遍 的測量項目，在保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率,節(jié)約能源，安全生產(chǎn)等諸多方面起到 了至關(guān)重要的作用，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代科學研究及高新技術(shù)開發(fā)過程中也是一 個極其普遍而重要的測量參數(shù)。
1593,伽利略制作了第一個數(shù)值溫度計，精確的溫度測量一直是具有挑戰(zhàn)性 的研究課題。測量首先是由溫度傳感器來實現(xiàn)的。測溫儀器通常由溫度傳感器和 信號處理兩部分組成。溫度測量的過程就是通過溫度傳感器將被測對象的溫度值 轉(zhuǎn)換成電的或其它形式的信號，傳遞給信號處理電路進行信號處理轉(zhuǎn)換成溫度值 顯示出來。溫度傳感器隨著溫度變化而引起變化的物理參數(shù)有膨脹、電阻、電 容、熱電動勢，磁性能、頻率、光學特性及熱噪聲等等。
測量溫度的方法很多，按照測量體是否與被測介質(zhì)接觸，可分為接觸式 測溫法和非接觸式測溫法兩大類。接觸式測溫法的特點是測溫元件直接與被 測對象接觸，兩者之間進行充分的熱交換，最后達到熱平衡，這時感溫元件 的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對象的溫度值。非接觸式測溫法的特點 是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進行熱交換。主要技術(shù)包括熱 電偶、半導體二極管、金屬電阻、熱敏電阻、紅外線溫度測定法、近場溫度測定法。其中熱電偶是基于熱電效應(yīng)，用兩種不同成份的導體焊接在一起,兩端溫度不 同時，在回路中就會有熱電勢產(chǎn)生，因此熱電偶是通過測量熱電勢從而測量溫度的 一種感溫元件,它是一種換能器，它能將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栐儆娠@示儀表顯示 出來。其特點(1)測量精度高；(2)結(jié)構(gòu)簡單；(3)動態(tài)響應(yīng)快；(4)可作遠 距離測量(5)測溫范圍廣。
典型的工業(yè)熱電偶尺寸較大，熱慣性仍然太大，另外其保護外殼增加了其熱 容量，也使熱電偶的空間分辨率，和響應(yīng)頻率進一步降低。通過減小熱電偶的尺 寸可以明顯的提高其空間分辨率和響應(yīng)頻率，由于典型的工業(yè)熱電偶采用焊接的 方法，焊接結(jié)點的尺寸較大，隨著半導體制造工藝的進步，又出現(xiàn)了薄膜形狀的 熱電偶測溫元件。采用真空鍍膜或化學鍍的方法，在片狀基底上，或直接在待測 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或熱電偶，這種 薄膜形狀的熱電阻或熱電偶，若用于測量液體或氣體的溫度，則由于薄膜所附著 的基底材料通常具有比薄膜元件自身大得多的厚度、質(zhì)量和熱容量，使熱電偶對 溫度變化的響應(yīng)速度明顯降低。外較大的基底在插入流體時會對流體的運動產(chǎn)生 干擾，影響流體的溫度場和測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于克服上述缺點，提供一種簡單易行，重復性比 較好的尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶及其制作方法。
技術(shù)方案本發(fā)明的尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶為三部分構(gòu)成， 尖端曲率半徑為微米級或納米級的金屬針尖作為基底，其外包裹絕緣層并裸露金
屬針尖的尖端，在絕緣層和裸露金屬針尖的尖端上設(shè)有一層金屬薄膜，金屬薄膜 和裸露金屬針尖的尖端形成熱電偶的測溫的核心部分的金屬結(jié)。所述微米級或納 米級的金屬針尖是微米或納米級的W、 Cu、 Fe或Ni金屬針尖或康銅等合金針尖。 所述金屬針尖即金屬結(jié)，其曲率半徑為lnm 10um，其長度為lnm 10um。 該制備方法為
第一步，利用可編程電源和電化學腐蝕法制備尖端曲率半徑為微米或納米級 的金屬針尖，既作為熱電偶金屬結(jié)的一端，又作為基底；
第二步，利用微納控制技術(shù)，精確控制腐蝕好的金屬針尖浸入溶有絕緣材料 的溶液，在金屬針尖上制作絕緣層，并裸露針尖尖端；第三步，利用真空蒸鍍的方法在絕緣層和裸露金屬針尖的尖端上蒸鍍上一層 金屬薄膜。
所述尖端曲率半徑為微米或納米級金屬針尖，采用潔凈的直徑為0.1~lmm的 W、 Cu、 Fe、 Ni金屬絲或康銅合金絲作為陽極放入電解液中，進行電化學腐蝕， 將針尖的尖端曲率半徑電解腐蝕至微米級或納米級。
所述電解液根據(jù)腐蝕材料不同為堿性或酸性電解液；酸性電解液為 lmol/L~5mol/L硫酸溶液或鹽酸溶液；堿性電解液為Imol/L 5mol/LNaOH溶液或 KOH溶液。
所述真空蒸鍍的方法，選擇Cu、 Ag、 Au、 Pt等金屬靶材，并根據(jù)針尖尖端曲
率半徑控制蒸鍍時間長短來調(diào)節(jié)金屬層的厚度，以控制金屬結(jié)的尺寸。
有益效果把探針式和薄膜型熱電偶的優(yōu)點結(jié)合起來，得到了測溫端尺寸為
微米或納米級的熱電偶，很大程度上提高了測量溫度的空間分辨率，克服了常規(guī)
薄膜熱電偶基底尺寸熱容量對響應(yīng)頻率的影響，大大提高了響應(yīng)頻率，可以探測
微小區(qū)域中溫度的快速變化。


圖1是本發(fā)明尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖。其中有
金屬針尖ll、絕緣層12、金屬薄膜13。
圖2是本發(fā)明制備金屬針尖裝置示意圖。 圖3是本發(fā)明中絕緣層制作裝置示意圖。
以上的圖中有金屬針尖ll、絕緣層12、金屬薄膜13，可編程電源21，盛有 腐蝕溶液的器皿22，環(huán)形石墨電極23康銅絲24、傳動連桿25，微米位移平臺26、 旋鈕27;納米位移平臺31，控制器32，傳動連桿33，固定針尖裝置34，裝絕緣 層溶液的器皿35。
具體實施例方式
設(shè)計的微/納熱電偶測溫端尺寸可從數(shù)納米到數(shù)微米。為三部分構(gòu)成，微米 級或納米級的金屬針尖、絕緣層、外層金屬薄膜。
首先選取合適直徑(0.廣lmm)的金屬絲，利用電化學腐蝕法制備微米/納米級 的金屬針尖(W， Cu，康銅)，其裝置(如圖)包括，腐蝕液容器，環(huán)形電極，高精度可編程電源，高精度上下位移調(diào)節(jié)平臺。利用調(diào)節(jié)腐蝕液濃度，電壓，插入腐 蝕液的長度來調(diào)節(jié)針尖的形貌。
把待腐蝕金屬絲拉直，退火，通過橫桿固定在上下精確可調(diào)的位移平臺上， 垂直于腐蝕液面，向下調(diào)節(jié)使金屬絲剛剛接觸腐蝕液面，從這開始計算金屬絲插 入液面深度。金屬絲接可編程電源的正極，環(huán)形電極(石墨)接負極，同時使金 屬絲置于環(huán)形電極中央，這樣周圍電場強度可保持一致。通過設(shè)定初始電壓值， 和停止電流值，或在電流閾值處設(shè)定交流模式的電壓，得到對應(yīng)各個參數(shù)不同形 貌的金屬針尖。腐蝕好的金屬針尖作為熱電偶金屬結(jié)的一端，同時也具有基底的 功能。
第二步就是絕緣層的制作，把腐蝕好的金屬針尖通過傳動桿固定在納米級位 移平臺上，精確控制腐蝕好的針尖浸入適當濃度的溶有絕緣材料的溶液。利用光 學顯微鏡和CCD成像，觀察針尖尖端，使其只露出lunTl(kim，幾分鐘后提出液面， 溶液覆蓋在針尖(除尖端)表面，當溶液中溶劑揮發(fā)后，表面形成一層絕緣層， 即可獲得微米級的裸露針尖。要得到納米級的針尖，在上述觀察到只露出左 右的針尖后，利用納米位移平臺的控制其繼續(xù)向下移動500nra以上，幾分鐘后提 出液面，即可獲得亞微米級乃至納米級的裸露針尖。具體尺寸可以通過掃描電鏡 來進行表征。
在以上步驟基礎(chǔ)上，在覆蓋了絕緣層的針尖表面制作一層金屬薄膜(真空蒸 鍍或離子濺射或化學鍍)，金屬薄膜和金屬針尖尖端部分形成了金屬結(jié)。即制得了 微/納米熱電偶。
實例
制備T型微/納熱電偶(康銅和銅)，利用康銅絲作為基底，首先選取直徑為 0.3mm的康銅絲，利用電化學腐蝕法制備微米級的針尖，其裝置(如圖2)包括， 可編程電源21，盛有腐蝕溶液的器皿22,作為陰極的環(huán)形石墨電極23,傳動連桿 25，微米位移平臺26。
第一步把待腐蝕康銅絲拉直，退火，切成8cm的小段24，通過傳動連桿25固 定在上下精確可調(diào)的微米位移平臺26上，并垂直于腐蝕液面，緩慢向下調(diào)節(jié)旋鈕 27使康銅絲24剛剛接觸腐蝕液面，從這開始計算康銅絲插入液面深度，插入液面 約200um?？点~絲24接可編程電源21的正極，環(huán)形石墨電極23接負極，同時使 康銅絲24置于環(huán)形電極中央，這樣其周圍電場強度可保持一致。設(shè)定初始電壓值為3. 5V，和停止電流值0. 02A，停止后把腐蝕的康銅絲24提出液面100um，繼續(xù) 腐蝕至電流為OA。腐蝕好的康銅絲針尖既作為熱電偶金屬結(jié)的一端，又作為基底， 其尖端曲率半徑約為O. 5um。
第二步絕緣層的制作，裝置如圖3所示，包括微米位移平臺26，納米位移 平臺31，控制器32,傳動連桿33，固定針尖裝置34，裝絕緣層溶液的器皿35。 將第一步腐蝕好的康銅絲針尖的尖端向上固定在傳動連桿33上，傳動連桿33固 定在納米位移平臺31上，而納米位移平臺31固定在微米位移平臺26上。在顯微 鏡CCD的輔助下，利用調(diào)節(jié)微米位移平臺26向下運動使康銅絲針尖下端沒入PU 的四氫呋喃溶液(濃度16.6wt%)。通過顯微鏡觀察可得到2微米長度的針尖尖端 裸露在溶液外面，此時通過反方向調(diào)節(jié)微米位移平臺26，使沒入溶液的部分向上 移動，重新脫離液面，此時控制溶液揮發(fā)速度，使PU在康銅絲針尖上行成一層絕 緣層。
第三步，通過把第二步做好絕緣層部分的康銅絲針尖放入真空蒸鍍儀，靶材 選用銅(99.99%),蒸鍍數(shù)分鐘后取出，即制作好了測溫端長度為2um、曲率半徑 為0. 5um的T型熱電偶。
權(quán)利要求
1、一種尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶，其特征在于該熱電偶為三部分構(gòu)成，尖端曲率半徑為微米級或納米級的金屬針尖(11)作為基底，其外包裹絕緣層(12)并裸露金屬針尖(11)的尖端，在絕緣層(12)和裸露金屬針尖(11)的尖端上設(shè)有一層金屬薄膜(13)，金屬薄膜(13)和裸露金屬針尖(11)的尖端形成熱電偶的測溫的核心部分的金屬結(jié)。
2、 按權(quán)利要求l所述的尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶，其特征在于， 所述微米級或納米級的金屬針尖(11)是微米或納米級的W、 Cu、 Fe或Ni金屬 針尖或康銅等合金針尖。
3、 按權(quán)利要求l所述的尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶，其特征在于， 所述金屬針尖(11)即金屬結(jié)，其曲率半徑為lnm 10um，其長度為lnm 10um。
4、 一種尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶的制作方法，其特征在于該制 備方法為第一步，利用可編程電源和電化學腐蝕法制備尖端曲率半徑為微米或納米級 的金屬針尖，既作為熱電偶金屬結(jié)的一端，又作為基底；第二步，利用微納控制技術(shù)，精確控制腐蝕好的金屬針尖浸入溶有絕緣材料 的溶液，在金屬針尖上制作絕緣層，并裸露針尖尖端；第三步，利用真空蒸鍍的方法在絕緣層(12)和裸露金屬針尖(11)的尖端上 蒸鍍上一層金屬薄膜。
5、 按權(quán)利要求4所述的尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶的制作方法， 其特征在于，所述尖端曲率半徑為微米或納米級金屬針尖，采用潔凈的直徑為 0.1 lmm的W、 Cu、 Fe、 Ni金屬絲或康銅合金絲作為陽極放入電解液中，進行電 化學腐蝕，將針尖的尖端曲率半徑電解腐蝕至微米級或納米級。
6、 按權(quán)利要求5所述的尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶的制作方法， 其特征在于，所述電解液根據(jù)腐蝕材料不同為堿性或酸性電解液；酸性電解液為 lmol/L~5mol/L硫酸溶液或鹽酸溶液；堿性電解液為lmol/L 5mol/LNaOH溶液或 KOH溶液。
7、按權(quán)利要求4所述的尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶的制作方法， 其特征在于，所述真空蒸鍍的方法，選擇Cu、 Ag、. Au、 Pt等金屬靶材，并根據(jù)針 尖尖端曲率半徑控制蒸鍍時間長短來調(diào)節(jié)金屬層的厚度，以控制金屬結(jié)的尺寸。
全文摘要
尖端曲率半徑為微米或納米級的熱電偶及其制作方法涉及一種利用電化學法腐蝕和真空蒸鍍技術(shù)，從而加工出尖端曲率半徑在數(shù)十微米到數(shù)納米范圍的，對微小區(qū)域溫度變化能夠快速響應(yīng)的微/納米熱電偶的制備方法。該熱電偶為三部分構(gòu)成，尖端曲率半徑為微米級或納米級的金屬針尖(11)作為基底，其外包裹絕緣層(12)并裸露金屬針尖(11)的尖端，在絕緣層(12)和裸露金屬針尖(11)的尖端上設(shè)有一層金屬薄膜(13)。
文檔編號G01K7/02GK101493360SQ20091002869
公開日2009年7月29日 申請日期2009年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日
發(fā)明者汪長嶺, 寧 顧 申請人:東南大學