專利名稱：超微型熱電偶的電化學(xué)制備方法及其制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱測試領(lǐng)域熱電偶的制作方法及其裝置，特別涉及-種利用電化學(xué)法電解蝕刻普通熱偶絲從而加工出直徑在數(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/納米級的超微型熱電偶的電化學(xué)制備方法及其制備裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前自然科學(xué)與工程技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢是朝微型化邁進(jìn)，其中對超微區(qū)域或超快速過程溫度進(jìn)行測量是一大類重要問題，比如微尺度傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中極富挑戰(zhàn)性的課題之一是測量材料在納米空間和/或納秒時(shí)間尺度內(nèi)的溫度及其相關(guān)信息；另外，在許多微/納米器件應(yīng)用場合，也需要對極細(xì)微區(qū)域內(nèi)的溫度信息進(jìn)行準(zhǔn)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(dāng)微小的器件。
常見的水銀或酒精溫度計(jì)，是以封閉在玻璃泡內(nèi)的液體隨溫度升降而產(chǎn)生的體積變化(表現(xiàn)為玻璃毛細(xì)管內(nèi)水銀或酒精柱位置的變化)來表示溫度的高低；電阻溫度計(jì)，是利用某些導(dǎo)電物質(zhì)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(jīng)過換算得到溫度值；熱電偶溫度計(jì)是由兩種不同物質(zhì)構(gòu)成電回路，以其結(jié)合點(diǎn)在不同溫度下產(chǎn)生熱電勢的原理來測量溫度。
以上的各種溫度計(jì)在測量流體或固體的溫度時(shí)，由于溫度計(jì)本身具有一定的熱容量，至少會從兩個(gè)方面產(chǎn)生測溫誤差，而影響測量的準(zhǔn)確性首先是測溫元件的存在會對被測介質(zhì)的溫度場產(chǎn)生干擾；其次是測溫元件的實(shí)際溫度往往滯后于被測介質(zhì)溫度的變化；特別是在對小空間和劇烈變化中的溫度場進(jìn)行測量時(shí)，測溫元件的熱容量(或稱熱慣性)所引起的誤差更為嚴(yán)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(gè)主要的努力方向。
在各類溫度傳感器中，液體溫度計(jì)利用液體的體積變化來測量溫度，需要有一個(gè)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(jié)構(gòu)不做重大改變，液體溫度計(jì)感溫部分的體積和熱容量很難進(jìn)一步減小。
典型的電阻溫度計(jì)，是用極細(xì)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(hù)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(qū)域的測溫顯得仍然太大。
在已建立的各種超微區(qū)域熱學(xué)測定方法中使用的測溫工具，最為靈活的當(dāng)屬將熱電元件如熱電偶、電阻溫度計(jì)或半導(dǎo)體二極管的尺寸減至亞微米量級來進(jìn)行溫度探測，而其中熱電偶又是最佳選擇。
熱電偶溫度計(jì)的測溫端是由兩種不同物質(zhì)如銅絲和康銅絲在其末端焊接形成的結(jié)點(diǎn)，只要所使用的偶絲極細(xì)，如直徑小至1～20微米，則測溫結(jié)點(diǎn)的體積便可做得非常小，其熱容量可達(dá)到鉑電阻溫度計(jì)的萬分之一甚至更小，熱響應(yīng)速度也因此大大提高。但由于采用了極細(xì)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(jìn)一步獲取更小偶絲的可能性實(shí)際上是相當(dāng)有限的。此外在使用過程中，由于細(xì)絲的強(qiáng)度和剛度極小，極易受到被測介質(zhì)的作用而產(chǎn)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(yīng)速度快、制作簡單、重復(fù)性好、測溫范圍寬且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，而被廣泛采用。熱電偶在用于快速變化的溫度測量時(shí)，要求熱容量小，并且希望測溫結(jié)點(diǎn)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(dāng)前，采用特殊的鍍膜加工技術(shù)已能滿足100-到300nm尺度熱電溫度傳感器的制作。隨著半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步，出現(xiàn)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，而熱電偶則由兩種薄膜在基底的適當(dāng)位置相交，形成測溫結(jié)點(diǎn)。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(zhì)量和熱容量，插入流體時(shí)會對流體的運(yùn)動產(chǎn)生干擾，影響流體的溫度場，并且對溫度變化的響應(yīng)速度也因?yàn)榛椎臒崛萘看蠖黠@降低，甚至低于某些細(xì)絲型熱電偶。特別是，薄膜型熱電偶制作所需設(shè)備眾多，工藝相當(dāng)復(fù)雜，一般實(shí)驗(yàn)室很難擁有這樣的條件。且所獲得的熱電偶價(jià)格比較高昂，因此市面上一般很難獲得超微型熱電偶。
實(shí)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(yè)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(wěn)定性與耐久性。用于瞬態(tài)的溫度測量時(shí)，應(yīng)選用50-100微米或更小直徑的偶絲。更細(xì)的偶絲則不易獲得，而且價(jià)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(shí)稍有不慎，極易導(dǎo)致細(xì)偶絲斷線，甚至丟失。如果需要與延伸導(dǎo)線連接，則會進(jìn)一步增加操作難度。
電化學(xué)加工是金屬工件在電解液中發(fā)生陽極溶解的一種加工過程(王建業(yè)，徐家文，電解加工原理及應(yīng)用，北京國防工業(yè)出版社，2001)，加工時(shí)，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(xù)或脈沖直流電，同時(shí)通以6-30m/s的高速電解液，以將溶解的陽極溶解產(chǎn)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(fù)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(yùn)動，但陽極和陰極之間應(yīng)維持一個(gè)微小間隙。電化學(xué)加工的優(yōu)點(diǎn)在于(1)蝕除速度不受加工材料的硬度、強(qiáng)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(zhì)量好，其精度可達(dá)1微米以下，而采用特定的微/納米技術(shù)，對如下參量如陽極和陰極之間的微小間隙、通電方式(連續(xù)或脈沖)和電壓大小以及電解液種類、流速和濃度等進(jìn)行精密的控制，將有望蝕刻出直徑在數(shù)納米的熱電偶，這正是本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)。(3)用于加工的工具-陰極不發(fā)生損耗，這對于設(shè)計(jì)出經(jīng)久耐用的超微型熱電偶加工器件十分有用；(4)可以實(shí)現(xiàn)批量加工，這大大有助于低價(jià)獲得大量的超微熱電偶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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(xué)法對普通熱偶絲進(jìn)行電解蝕刻、加工從而制成直徑在數(shù)十微米到數(shù)納米范圍的超微型熱電偶電化學(xué)制作方法；本發(fā)明的另一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(xué)法對普通熱偶絲進(jìn)行電解蝕刻、加工從而制成直徑在數(shù)十微米到數(shù)納米范圍的超微型熱電偶電化學(xué)制作裝置。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的超微型熱電偶電化學(xué)制作方法將一對熱電偶絲長度為1-100毫米的測溫段作為陽極放入流動的電解液中，進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，將該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米；然后將該測溫段的端部加熱鍵合在一起形成測溫結(jié)點(diǎn)；或者將一對熱電偶絲的端部加熱鍵合在一起形成測溫結(jié)點(diǎn)，再將距該測溫結(jié)點(diǎn)1-100毫米的測溫段作為陽極放在流動的電解液中，進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，使該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米；所述測溫結(jié)點(diǎn)是在真空下加熱鍵合構(gòu)成熱電偶的測溫結(jié)點(diǎn)；所述測溫結(jié)點(diǎn)是在室溫下用呈液態(tài)的金屬鎵粘接構(gòu)成熱電偶的測溫結(jié)點(diǎn)；所述電解液為中性鹽水溶液或酸性電解液；所述中性鹽水溶液為重量百分比濃度為1-50％的NaCl溶液或NaNO3溶液；所述酸性電解液為重量百分比濃度為1-50％的鹽酸溶液或磷酸溶液；所述電解使用的電源為直流電源或交流電源，電壓在1-20V范圍內(nèi)。
本發(fā)明提供的超微型熱電偶電化學(xué)制作裝置，其特征在于，包括一玻璃基座11，其內(nèi)設(shè)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(nèi)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；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。
本發(fā)明可在高倍顯微鏡或普通光學(xué)顯微鏡上操作，顯微鏡的放大倍數(shù)可至數(shù)千倍；也可為特殊顯微鏡如原子力顯微鏡，掃描電鏡等，可達(dá)到納米量級結(jié)構(gòu)的觀察，但熱偶絲應(yīng)清洗后觀察；顯微鏡可用于檢測熱偶結(jié)點(diǎn)大小及焊接質(zhì)量，并輔助熱偶絲的電解或焊接過程；其中光學(xué)顯微鏡備有數(shù)碼相機(jī)，可對熱偶結(jié)點(diǎn)加以拍攝。本發(fā)明的顯微鏡系統(tǒng)中還可以設(shè)置一微操作儀，以固定和控制熱電偶絲；可用萬用表測量熱偶絲或其結(jié)點(diǎn)電阻的大小。我們知道，一定材料的金屬絲的電阻取決于其長度和橫截面，所以一旦普通熱偶絲經(jīng)電化學(xué)腐蝕后形成尺寸遠(yuǎn)小于其初始值的超細(xì)熱偶絲時(shí)，其電阻值會發(fā)生明顯改變，由此測值即可方便地對已腐蝕成的偶絲尺寸作一方便快捷的判斷，從而大大有助于對加工狀況的掌握，這種途徑避免了采用昂貴設(shè)備如顯微鏡來觀察判斷，因而實(shí)施起來更為方便。
在上述裝置中，通過將熱偶絲和陰極置于電解液中，設(shè)定電壓，開啟電源，即可對陽極偶絲進(jìn)行蝕刻；通過精確控制電源電壓等參數(shù)，可以控制偶絲的粗細(xì)或熱偶結(jié)點(diǎn)的大小；整個(gè)蝕刻過程，可由固定在顯微鏡臺架上的攝像儀監(jiān)測并反饋。
其制做過程為1)準(zhǔn)備好普通熱電偶的偶絲對如銅絲7和康銅絲8，不需進(jìn)行腐蝕的部分加上保護(hù)套管；2)熱偶絲的測量段在顯微觀察之下進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，形成比原偶絲直徑小得多的微細(xì)尖段，通過精細(xì)控制電源電壓大小和電解液濃度，可以獲得從數(shù)十微米到數(shù)納米的偶絲微細(xì)尖段；從而使熱電偶結(jié)點(diǎn)的熱容量減小數(shù)個(gè)量級。該熱電偶微細(xì)尖段長徑比大于50，因此未經(jīng)腐蝕的偶絲部分不會影響結(jié)點(diǎn)的測溫響應(yīng)；3)兩根偶絲的微細(xì)尖段，在顯微鏡監(jiān)視下用顯微操作位移臺進(jìn)行移動定位，使兩個(gè)尖端相接觸，通過電火花焊接，形成微小的熱偶接點(diǎn)。
以上過程中，在顯微鏡監(jiān)視下觀察偶絲微細(xì)尖段形狀的變化，適時(shí)中止腐蝕過程。
以上方法中，通過使用直徑100微米的普通細(xì)偶絲，在顯微鏡監(jiān)視下對偶絲末端進(jìn)行電解腐蝕，可以形成直徑小于20微米并且有足夠長度的微細(xì)尖段，然后在兩種偶絲的尖端使用電火花焊接，形成極小的熱電偶結(jié)點(diǎn)。這樣制作微細(xì)熱電偶的方法，避免了尋找極細(xì)熱電偶絲的困難，而且在制作過程中，所接觸的都是直徑比較大的熱偶絲，多數(shù)步驟如固定、穿線和焊接，是以粗的熱偶絲為操作對象，明顯降低了大多數(shù)工序的難度，而只在用于測溫的結(jié)點(diǎn)上使用顯微操作方法，進(jìn)行腐蝕和焊接。
適當(dāng)?shù)剡x擇初始偶絲直徑，設(shè)置電解電壓、供電方式、電解液種類和濃度，電解液流動速度，陰極種類和形狀、陰極與熱偶絲間隙，相對位置等，可以得到不同形狀和尺寸的熱電偶結(jié)點(diǎn)，其具有極小的質(zhì)量和熱容量。通過仔細(xì)設(shè)計(jì)電化學(xué)方式與程序，熱電偶結(jié)點(diǎn)尺寸可以顯著小于其他部位偶絲的半徑尺寸，甚至從結(jié)點(diǎn)到普通偶絲段間的偶絲的長度、寬度和厚度也可以逐漸改變，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與接點(diǎn)熱容量的優(yōu)化配合。此外，為提高熱偶的制作質(zhì)量，要確保熱偶接頭僅出現(xiàn)在尖部。
本發(fā)明提供的制作超微型熱電偶的方法，使得熱電偶測溫結(jié)點(diǎn)可通過電化學(xué)方法蝕刻為從數(shù)十微米到數(shù)納米的量級，與此同時(shí)，熱電偶接線則仍保持在宏觀尺寸，因而握持較為方便；此外，本發(fā)明提供的熱電偶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(tài)，因此其測溫的響應(yīng)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(jié)構(gòu)，形狀或厚度無關(guān)，這就大大提高了測溫的響應(yīng)速度。
因此，本發(fā)明具有很多優(yōu)點(diǎn)首先，實(shí)現(xiàn)超微型熱電偶無需眾多復(fù)雜的設(shè)備(而以往鍍膜加工超微熱電偶的途徑對設(shè)備要求較高)，且制造工藝相當(dāng)簡單，所需電源、電解液、陰極材料均可從常規(guī)渠道廉價(jià)獲??；本方法不受熱電偶對的材料限制，對于任何金屬或合金均適用，而以往的鍍膜方法中則不易實(shí)現(xiàn)，它們僅適用于某些易于蒸鍍的特殊熱偶材料；本方法所加工出熱電偶結(jié)點(diǎn)尺寸下限也是令人驚訝的，只要將電解液的進(jìn)給速度、濃度及電解電壓等參量加以精密地控制，則熱偶結(jié)點(diǎn)尺寸有望達(dá)到數(shù)納米尺度，而當(dāng)前微/納米級技術(shù)的進(jìn)展可以保證本發(fā)明在此問題上的成功；而且，本熱偶除結(jié)點(diǎn)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(dāng)方便，而現(xiàn)有商用熱偶絲直徑在全長度上是相當(dāng)一致的，要么相當(dāng)大，要么都極小，比如20微米熱偶全部直徑均為20微米，這對于使用十分不利，且不便于眼睛觀察；最后，本發(fā)明提供的制作超微熱電偶的方法極易實(shí)現(xiàn)批量加工，因而所制成的熱偶成本較低。


圖1為本發(fā)明超微型熱電偶的電化學(xué)制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2圖1的截面示意圖；圖3為電化學(xué)法蝕刻后的超微型熱電偶的示意圖；圖4a為用本發(fā)明的方法蝕刻銅絲7的示意圖；圖4b實(shí)際蝕刻出的銅絲7和康銅絲8情況；圖4c為本發(fā)明方法加工的銅絲7和康銅絲8的示意圖；圖4d為本發(fā)明方法加工的超微型熱電偶結(jié)點(diǎn)99與普通熱電偶結(jié)點(diǎn)88的對比示意圖；圖5a是對所形成的超微型熱偶絲結(jié)點(diǎn)進(jìn)行電連接的示意圖，即采用液態(tài)金屬如鎵將兩者粘連在一起；圖5b是利用加熱片77在真空中對兩交叉熱偶絲進(jìn)行加熱而使其鍵合在一起的示意圖；圖6為將兩種熱偶絲固定在一圓柱形基底進(jìn)行焊接的示意圖；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
首先，請參見圖1和圖2，由圖2可知，本發(fā)明的超微型熱電偶電化學(xué)制作裝置包括一玻璃基座11，其內(nèi)設(shè)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(nèi)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。
本發(fā)明的超微型熱電偶電化學(xué)制作方法為將一對熱電偶絲長度為1-100毫米的測溫段作為陽極放入流動的電解液中，進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，將該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米；然后將該測溫段的端部加熱鍵合在一起形成測溫結(jié)點(diǎn)；或者將一對熱電偶絲的端部加熱鍵合在一起形成測溫結(jié)點(diǎn)，再將距該測溫結(jié)點(diǎn)1-100毫米的測溫段作為陽極放在流動的電解液中，進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，使該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米；所述測溫結(jié)點(diǎn)是在真空下加熱鍵合構(gòu)成熱電偶的測溫結(jié)點(diǎn)；所述測溫結(jié)點(diǎn)是在室溫下用呈液態(tài)的金屬鎵粘接構(gòu)成熱電偶的測溫結(jié)點(diǎn)；所述電解液為中性鹽水溶液或酸性電解液；所述中性鹽水溶液為重量百分比濃度為1-50％的NaCl溶液或NaNO3溶液；所述酸性電解液為重量百分比濃度為1-50％的鹽酸溶液或磷酸溶液；所述電解使用的電源為直流電源或交流電源，電壓在1-20V范圍內(nèi)。
實(shí)施例1請參閱圖4a和圖4b，將熱偶絲7作為陽極和陰極石墨33平行地放在一平臺10上，熱偶絲7一端接電源4陽極，陰極石墨棒33一端接電源4陰極，從熱偶絲7和陰極石墨33中部的上方滴加電解液滴9，閉合電路通過導(dǎo)線54與電源53連接，并通過一開關(guān)實(shí)現(xiàn)該線路的開啟及閉合；熱偶絲7的直徑尺寸在數(shù)十微米范圍如80微米，100微米或200微米等。圖4b為由本發(fā)明中對電解液中的熱偶絲7進(jìn)行蝕刻后得到超細(xì)熱偶絲72的示意圖，由此即得到尺寸顯著減小后的熱偶絲72?？刹捎猛瑯拥姆椒ㄎg刻出康銅絲82，圖4c是實(shí)際蝕刻出的銅絲72和康銅絲82的示意圖；再將熱偶絲72和康銅絲82的尖端加熱鍵合構(gòu)成熱電偶的測溫結(jié)點(diǎn)99，圖4d則為實(shí)際蝕刻并加工出的超微型熱電偶結(jié)點(diǎn)99與普通方法制備的熱電偶結(jié)點(diǎn)88的對比示意圖?？梢?，經(jīng)過電解加工后，所形成超微型熱電偶測量端尺寸大為縮小。實(shí)際操作中，多個(gè)熱偶絲可同時(shí)進(jìn)行電化學(xué)處理，由此可批量制成大量的超微型熱偶絲。當(dāng)熱偶絲7與陰極33之間通電時(shí)，會在陰極附近看到大量氣泡生成，這實(shí)際是氫的析出，對此處氣體加以處理也可達(dá)到提高加工質(zhì)量的目的。
在上述實(shí)施例中，在電解液的供給方面，也可采用微泵將電解液以一定速度壓送到熱偶絲陽極和陰極附近，此時(shí)電解液可在一定的微通道內(nèi)流動，以將陽極溶解產(chǎn)物帶走。在控制極好的情況下，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)納米級熱電偶的加工，這在許多微/納尺度熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中溫度的測量方面會有重要應(yīng)用。此外，本方法還對多種偶絲組合對進(jìn)行電化學(xué)蝕刻，由此可生成多種金屬類型的超微型熱電偶。
圖4c是兩種熱偶絲的尖端經(jīng)腐蝕完成后的顯微照片，其中上部的偶絲是銅絲7，下部則為康銅偶絲8，可以看到兩偶絲尖端微細(xì)段72，82和原偶絲7，8直徑的差別，本例中，康銅絲微細(xì)段的直徑在原偶絲直徑的20％以下，即直徑小于20微米，且比較均勻。銅偶絲的形狀稍有不同，從根部到尖端呈截面逐漸縮小的接近圓錐形狀，而不是等直徑的圓柱狀，這與偶絲材質(zhì)特性不同有關(guān)，但銅偶絲71微細(xì)末端的直徑已小于15微米。
兩根偶絲的微細(xì)尖端在顯微鏡監(jiān)視下用顯微操作位移臺定位，相接觸，使用適當(dāng)容量的電容，通過火花放電焊接成微小的熱偶結(jié)點(diǎn)，電容的容量和充電的電壓可通過多次實(shí)驗(yàn)找到合適的數(shù)值。由圖4c中的兩根熱偶絲72，82焊接而成的測溫結(jié)點(diǎn)99見圖4d，其中康銅偶絲尖端長度達(dá)到1毫米，長徑比約40～50。而銅偶絲的尖端在焊接時(shí)由于火花放電釋放的能量偏大，被部分熔融，直徑稍微增大，這樣在結(jié)點(diǎn)處兩根偶絲的直徑大致相等。圖4d顯示兩個(gè)熱電偶結(jié)點(diǎn)的尺寸對比。其中左側(cè)是顯微操作下完成的由100微米普通偶絲在尖端經(jīng)過腐蝕/焊接的微細(xì)熱電偶的測溫結(jié)點(diǎn)99，右側(cè)是使用100微米偶絲不經(jīng)腐蝕而焊接成的常規(guī)偶絲結(jié)點(diǎn)88，其末端的熔珠直徑約為200微米，兩者直徑相差約10倍，故后者的體積和熱容量約大三個(gè)數(shù)量級，而比表面積則較前者約小一個(gè)數(shù)量級。
由于熱偶主體的絲徑仍為100微米，所以觀察與使用時(shí)的定位操作都比全長度微細(xì)絲的熱電偶更方便。但同時(shí)也要特別注意，這種微細(xì)尖端熱偶的結(jié)點(diǎn)已經(jīng)非常脆弱，不能承受外力的作用，否則同樣極易變形或損壞。
由電解法蝕刻后得到的超微細(xì)偶絲對72和82，除采用以上方法進(jìn)行電火花焊接外，可如圖5a所示那樣將其交叉后，由其他室溫下呈液態(tài)的金屬如鎵66等粘連在一起，即構(gòu)成測溫結(jié)點(diǎn)；也可如圖5b所示那樣通過在真空下對交叉的兩偶絲超細(xì)部分進(jìn)行加熱，從而使其鍵合在一起形成測溫?zé)崤冀Y(jié)點(diǎn)。此外，若所制成熱偶須懸空附著在一定基底77上，以保證結(jié)點(diǎn)在制作完成后不受外力的作用，可如圖6所示那樣，將兩超微細(xì)偶絲交叉后固定在如細(xì)管、薄片等類的支撐件79上，再采用液態(tài)金屬如鎵等對其加以電連接即可，連接后的支撐件79即可作為熱偶結(jié)點(diǎn)的夾持部位。
采用電解法制作超微型熱電偶，可以快速獲得結(jié)點(diǎn)尺寸極小的熱偶結(jié)點(diǎn)；另一方面，所需加工裝置和材料均易于從市場上購得，無需引入復(fù)雜設(shè)備，結(jié)構(gòu)緊湊，對于實(shí)驗(yàn)研究比較有利。正是由于這些綜合因素，使得本發(fā)明提供的微型熱偶的制造成本價(jià)格較低，相比以往的鍍膜等技術(shù)在許多方面具有很大優(yōu)勢。
綜上所述，本發(fā)明提供的超微型熱電偶，具有很高的性能價(jià)格比。而現(xiàn)有的微型熱偶大多采用除電化學(xué)方法之外的途徑實(shí)現(xiàn)，對材料的要求較高，制造成本高，操作復(fù)雜，且所獲得的熱偶因總體尺寸極小而在使用時(shí)受到一定限制。直接利用普通熱偶制作出僅在熱偶結(jié)點(diǎn)處尺寸極小的溫度傳感器是理想的辦法，這也是本發(fā)明的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。特別是，電解技術(shù)可以對多種金屬偶絲進(jìn)行加工，而現(xiàn)有的電鍍技術(shù)則很難做到。以上方法還能較好地滿足批量加工的要求。
實(shí)施例2實(shí)施例2在加工尺寸略大如從數(shù)微米到數(shù)十微米的微型熱電偶方面相當(dāng)成功，但當(dāng)腐蝕得到的熱偶絲尺寸相當(dāng)小如數(shù)十納米以下時(shí)，其焊接相當(dāng)困難。不過，這時(shí)的超微型熱電偶制作也可在本發(fā)明的基本點(diǎn)之下找到其他新的加工流程。下述介紹的實(shí)施例即為一種有效的簡化方案，它可使得制作過程更易于進(jìn)行。該方案的基本步驟在于，先制作出普通尺寸的熱偶結(jié)點(diǎn)88，再采用電化學(xué)法對該結(jié)點(diǎn)予以蝕刻，直至得到尺寸相當(dāng)小的超微熱偶結(jié)點(diǎn)。這種情況下，焊接程序是在起始階段進(jìn)行，而大尺寸熱偶的焊接是相當(dāng)容易的，只需采用普通電火花即可將結(jié)點(diǎn)焊接成，避開了在極小尺寸下焊接的困難。
請參見圖1和圖2，用普通熱電偶絲制作本發(fā)明的超微型熱電偶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(jié)點(diǎn)88；2)將該熱偶絲7和8及其端部(測溫結(jié)點(diǎn)88)插入圖1中的縱向孔道12內(nèi)至陰極石墨棒33的上方；3)橫向流道13內(nèi)流動有電解液14，其測溫結(jié)點(diǎn)88在流動的電解液作用下，被腐蝕成圖3所示的99的形狀，便制備出本發(fā)明的超微型熱電偶。本實(shí)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所示為基于上述方案的這類實(shí)用的加工裝置中的一種結(jié)構(gòu)。其中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(shù)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(cè)面。事實(shí)上，圖2示出的只是其中的一種相交結(jié)構(gòu)，其圓形孔道和圓形流道相交結(jié)構(gòu)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(cè)的內(nèi)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(jié)點(diǎn)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(shù)十納米到數(shù)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(jié)點(diǎn)88及其附近偶絲線即開始發(fā)生電解，而連續(xù)不斷流過的電解液14可將電解產(chǎn)物沖刷走，這樣，經(jīng)過一定時(shí)間后，即制成測溫結(jié)點(diǎn)99及其附近連線72，82尺寸已大為縮小的超微細(xì)熱電偶(見圖3)。通過控制電解電壓強(qiáng)度、電解液種類和濃度，通電時(shí)間，通電方式(如連續(xù)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(jié)點(diǎn)及其附近熱偶絲接線的尺寸大小。而且上述結(jié)構(gòu)中，兩根熱偶絲與陰極之間的電路是相互獨(dú)立的，因而各自可單獨(dú)控制電解過程，這樣，即使當(dāng)兩熱偶絲線的性質(zhì)差別很大，也可通過控制各自的電解過程來達(dá)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(jié)點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)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(chǎn)超微型熱電偶相當(dāng)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(dāng)方便的裝置。
權(quán)利要求
1.一種超微型熱電偶電化學(xué)制作方法，其特征在于，將一對熱電偶絲長度為1-100毫米的測溫段作為陽極放入流動的電解液中，進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，將該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米；然后將該測溫段的端部加熱鍵合在一起形成測溫結(jié)點(diǎn)；或者將一對熱電偶絲的端部加熱鍵合在一起形成測溫結(jié)點(diǎn)，再將距該測溫結(jié)點(diǎn)1-100毫米的測溫段作為陽極放在流動的電解液中，進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，使該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米。
2.按權(quán)利要求1所述的超微型熱電偶電化學(xué)制作方法，其特征在于，所述測溫結(jié)點(diǎn)是在真空下加熱鍵合構(gòu)成熱電偶的測溫結(jié)點(diǎn)。
3.按權(quán)利要求1所述的超微型熱電偶電化學(xué)制作方法，其特征在于，所述測溫結(jié)點(diǎn)是在室溫下用呈液態(tài)的金屬鎵粘接構(gòu)成熱電偶的測溫結(jié)點(diǎn)。
4.按權(quán)利要求1所述的超微型熱電偶電化學(xué)制作方法，其特征在于，所述電解液為中性鹽水溶液或酸性電解液；
5.按權(quán)利要求4所述的超微型熱電偶電化學(xué)制作方法，其特征在于，所述中性鹽水溶液為重量百分比濃度為1-50％的NaCl溶液或NaNO3溶液。
6.按權(quán)利要求1所述的超微型熱電偶電化學(xué)制作方法，其特征在于，所述酸性電解液為重量百分比濃度為1-50％的鹽酸溶液或磷酸溶液。
7.按權(quán)利要求1所述的超微型熱電偶電化學(xué)制作方法，其特征在于，所述電解使用的電源為直流電源或交流電源，電壓在1-20V范圍內(nèi)。
8.一種權(quán)利要求1所述的超微型熱電偶電化學(xué)制作裝置，其特征在于，其特征在于，包括一玻璃基座(11)，其內(nèi)設(shè)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(nèi)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；與橫向流道(13)上表面之間留有間隙。
9.按權(quán)利要求8所述的超微型測溫?zé)犭娕嫉碾娀瘜W(xué)法制作裝置，其特征在于，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。
10.按權(quán)利要求8所述的超微型測溫?zé)犭娕嫉碾娀瘜W(xué)法制作裝置，其特征在于，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。
全文摘要
本發(fā)明的超微型熱電偶電化學(xué)制作方法將一對熱偶絲長度為1－100毫米的測溫段作為陽極放入流動電解液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，使測溫段截面直徑被電解腐蝕至10
文檔編號C23F1/00GK1507087SQ0215522
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月10日
發(fā)明者周一欣, 劉靜 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所