CN113790814B - 一种球形尖端微纳热电偶探针及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种球形尖端微纳热电偶探针及其制备方法。该热电偶探针主要由同轴四层结构组成：基极为微纳尖端呈球形的钨探针，介质层为绝缘层，外极为铂，最外层为疏水层。使用时通过将不同尺寸的球形尖端微纳热电偶探针应用于待测部位，可以测量表面积10‑50μm2球形区域的温度。和目前报导的微纳热电偶相比，本发明的球形尖端微纳热电偶探针具有制备形貌均一性好、无热滞后、温度‑热电曲线线性特性强、热电重复性和稳定性高、塞贝克系数均一性好的特性。本发明在形貌稳定性提高的同时，测定微纳尺度温度数据过程的稳定性也得到了提高。

Description

一种球形尖端微纳热电偶探针及其制备方法
技术领域
本发明属于微纳尺度温度传感器领域，特别是涉及一种球形尖端微纳热电偶探针及其制备方法。
背景技术
温度变化能够反映能量的变化，通过测量微纳尺度的温度可以解决一系列问题。液滴蒸发实验是获取液滴信息的一种重要实验手段，是火灾与消防、爆炸研究、能源研究等领域的一种重要的实验方法。在液滴蒸发实验的液滴悬挂法实验中，不易测得液滴内部温度，需要采用微小的测温结构进行测温，由于微纳热电偶与传统的宏观热电偶相比，具有尺寸小(厚度为μm量级)、质量轻、热容量小、响应迅速、对被测环境干扰较小、精度高及灵敏度高等优点，符合温度传感器技术微型化、集成化、阵列化、智能化的发展趋势，所以一种制备简单、均一性好、测温精度高的微纳热电偶探针可以很好的解决液滴蒸发实验中的测温问题。
两种不同的导体在温度梯度中会产生塞贝克效应，即两接触端温度不同会产生电势差，这种电势差可被用于测量温度。目前已有通过焊接制备铂-铂铑型热电偶(S型)，这种热电偶极容易损坏且刚性不足，其形状不适用于液滴测温；通过玻璃微量移液器制备铂/金微型热电偶，这种热电偶基底为玻璃管，测温结热容量大于金属，温度灵敏度较低；使用基于硅的微机电系统技术制造的热电偶，使用离子束刻蚀法制备测温结、使用电化学腐蚀制备测温结、使用电子束光刻法制备测温结、使用光刻和腐蚀法相结合在悬臂上制备测温结等，这些方法的成本较高。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种形貌均一性好、无热滞后、温度-热电曲线线性特性强、热电重复性和稳定性高、塞贝克系数均一性好的球形尖端微纳热电偶探针及其制备方法。
技术方案：本发明的球形尖端微纳热电偶探针，该探针由同轴四层组成，基极为钨，介质层为绝缘层，外极为铂，最外层为疏水层。
进一步地，所述基极的钨探针尖端呈球形。
本发明的一种球形尖端微纳热电偶探针的制备方法，包括如下步骤：
(1)使用腐蚀溶液，钨棒为阳极，进行电化学腐蚀，由于气液界面腐蚀速度快，使该位置钨棒腐蚀为针状；
(2)将腐蚀后钨棒尖端方向使用绝缘溶液多次包裹，使其覆盖一层绝缘层；
(3)通过尖端放电的电弧电离空气，产生高温，蒸发尖端的绝缘层，并使钨针尖熔化呈球形；
(4)使用铂靶材在绝缘层上进行溅射，得到只有尖端与钨接触的铂层；
(5)在铂层尖端方向包裹一层疏水层，使探针表面疏水，得到最终产物。
进一步地，步骤(1)中，所述钨棒的直径为0.1-0.5mm，腐蚀溶液为氢氧化钠，浓度为0.5-5mol/L，腐蚀电压为3-10V，作用时间为2-20min。
进一步地，步骤(1)中，所述针状的钨针尖曲率半径为1-8nm。
进一步地，步骤(2)中，所述绝缘溶液为溶于四氢呋喃的聚氨酯，浓度为90-150g/L。
进一步地，步骤(2)中，所述包裹次数为1-3次，每次包裹不同高度，在每次包裹中重复浸润提起1-10次，直到将前端全部包裹。
进一步地，步骤(3)中，湿度条件为20％-80％，尖端放电施加电压为200-1500V，产生电弧次数为1-5次，熔化呈球形的钨针尖表面积为10-50μm2。
进一步地，步骤(4)中，溅射铂薄膜厚度为80-130nm。
进一步地，步骤(5)中，浸入疏水层后表干时间为2-48h。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)将热电偶形貌控制在10-50μm2，可以实现微纳尺度球形区域的温度测量。
(2)本发明所述的方法制备的热电偶形貌均一性好、无热滞后、温度-热电曲线线性特性强、热电重复性和稳定性高、塞贝克系数均一性好。
(3)本发明制备的热电偶在测温过程中数据稳定，精度高。
附图说明
图1为实施例1制备的球形尖端微纳热电偶探针的示意图；
图2为实施例1制备的球形尖端微纳热电偶探针的电镜图；
图3为实施例1制备的球形尖端微纳热电偶探针的塞贝克系数标定曲线；
图4为实施例1制备的球形尖端微纳热电偶探针用于测量水滴内部温度的时间-温度曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
一种用于水滴测温的球形尖端微纳热电偶探针的制备，如图1所示，包括如下步骤：
(1)将表面清洗干净的直径0.3mm，长70mm的钨棒置入3mol/L氢氧化钠溶液中，作为阳极进行电化学腐蚀，得到曲率半径2nm-5nm的尖端；
(2)将带有尖端的钨探针置入含聚氨酯100g/L的四氢呋喃溶液中缓慢提起，得到后端包裹的钨探针；将后端包裹的钨探针尖端置入含聚氨酯100g/L的四氢呋喃溶液并缓慢提起，得到前后端完全包裹的钨探针；
(3)将完全包裹后的钨探针作为尖端放电的一极，电极作为尖端放电的另一极，施加500V电压使两极缓慢靠近直到出现电弧，击穿绝缘层，产生高温蒸发绝缘层，并使钨探针针尖熔化呈球形，得到具有球形尖端的钨探针；
(4)将具有球形尖端的钨探针绝缘层以下部分溅射一层铂，得到热电偶钨铂连接的一极；
(5)将溅射后的探针包裹一层特氟龙，使其表面疏水，得到具有疏水表面的温度探针
(6)将该探针与另一根放入冰水混合物的探针及电压检测系统相连即可测得探针部分电压并计算出探针部分温度。
如图2所示，一次实验中制备的球形尖端微纳热电偶在电镜下显示熔化呈球形的钨针尖表面积为10-50μm2。
如图3所示，制备的球形尖端微纳热电偶探针均一性良好且性质稳定，10次重复定标误差较小。
如图4所示，一次实验中样品温度与环境温度差值检测的结果。
实施例2
一种用于水滴测温的球形尖端微纳热电偶探针的制备，包括如下步骤：
(1)将表面清洗干净的直径0.3mm，长70mm的钨棒置入3mol/L氢氧化钠溶液中，作为阳极进行电化学腐蚀，得到曲率半径2nm-5nm的尖端；
(2)将带有尖端的钨探针置入含聚氨酯100g/L的四氢呋喃溶液中缓慢提起，得到后端包裹的钨探针；将后端包裹的钨探针尖端置入含聚氨酯100g/L的四氢呋喃溶液并缓慢提起，得到前后端完全包裹的钨探针；
(3)将完全包裹后的钨探针作为尖端放电的一极，电极作为尖端放电的另一极，施加600V电压使两极缓慢靠近直到出现电弧，击穿绝缘层，产生高温蒸发绝缘层，并使钨探针针尖熔化呈球形，得到具有球形尖端的钨探针；
(4)将具有球形尖端的钨探针绝缘层以下部分溅射一层铂，得到热电偶钨铂连接的一极；
(5)将溅射后的探针包裹一层特氟龙，使其表面疏水，得到具有疏水表面的温度探针
(6)将该探针与另一根放入冰水混合物的探针及电压检测系统相连即可测得探针部分电压并计算出探针部分温度。
使用600V电压开孔的钨棒在实验结果上具有可重复性，得到的钨探针形貌与使用500V电压开孔的钨棒相同，10次重复定标得到的塞贝克系数与使用500V电压开孔的钨棒相近。

Claims (8)

1.一种球形尖端微纳热电偶探针，其特征在于，该探针由同轴四层组成，基极为钨，介质层为绝缘层，外极为铂，最外层为疏水层；所述基极的钨探针尖端呈球形；
所述的球形尖端微纳热电偶探针由以下步骤制备得到：
(1)使用腐蚀溶液，钨棒为阳极，进行电化学腐蚀，由于气液界面腐蚀速度快，使该位置钨棒腐蚀为针状；
(2)将腐蚀后钨棒尖端方向使用绝缘溶液多次包裹，使其覆盖一层绝缘层；
(3)通过尖端放电的电弧电离空气，产生高温，蒸发尖端的绝缘层，并使钨针尖熔化呈球形；
(4)使用铂靶材在绝缘层上进行溅射，得到只有尖端与钨接触的铂层；
(5)在铂层尖端方向包裹一层疏水层，使探针表面疏水，得到最终产物。
2.根据权利要求1所述的球形尖端微纳热电偶探针，其特征在于，步骤(1)中，所述钨棒的直径为0.1-0.5mm，腐蚀溶液为氢氧化钠，浓度为0.5-5mol/L，腐蚀电压为3-10V，作用时间为2-20min。
3.根据权利要求1所述的球形尖端微纳热电偶探针，其特征在于，步骤(1)中，所述针状的钨针尖曲率半径为1-8nm。
4.根据权利要求1所述的球形尖端微纳热电偶探针，其特征在于，步骤(2)中，所述绝缘溶液为溶于四氢呋喃的聚氨酯，浓度为90-150g/L。
5.根据权利要求1所述的球形尖端微纳热电偶探针，其特征在于，步骤(2)中，所述包裹次数为1-3次，每次包裹不同高度，在每次包裹中重复浸润提起1-10次，直到将前端全部包裹。
6.根据权利要求1所述的球形尖端微纳热电偶探针，其特征在于，步骤(3)中，湿度条件为20％-80％，尖端放电施加电压为200-1500V，产生电弧次数为1-5次，熔化呈球形的钨针尖表面积为10-50μm2 。
7.根据权利要求1所述的球形尖端微纳热电偶探针，其特征在于，步骤(4)中，溅射铂薄膜厚度为80-130nm。
8.根据权利要求1所述的球形尖端微纳热电偶探针，其特征在于，步骤(5)中，浸入疏水层后表干时间为2-48h。
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