超微型熱電偶的電化學製備方法及其製備裝置的製作方法
2023-05-30 18:06:26
專利名稱：超微型熱電偶的電化學製備方法及其製備裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於熱測試領域熱電偶的製作方法及其裝置，特別涉及-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範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製備方法及其製備裝置。
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。顯然這些情況下所採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，由測量其電阻值並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迴路，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，由於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幹擾；其次是測溫元件的實際溫度往往滯後於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，長度小於10毫米。這樣的鉑電阻的熱容量對於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體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。但由於採用了極細的金屬絲，使表面處理和焊接等製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，由於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，由於響應速度快、製作簡單、重複性好、測溫範圍寬且環境適應性強，而被廣泛採用。熱電偶在用於快速變化的溫度測量時，要求熱容量小，並且希望測溫結點的幾何尺度儘可能小。由此做成的測溫元件一般稱為超微型熱電偶。當前，採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製作。隨著半導體製造工藝的進步，出現了薄膜狀的電阻和熱電偶測溫元件。它們採用真空鍍膜或其他製作薄膜的方法，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，對物體的溫度場幹擾極小，用以測量固體表面的溫度，效果極佳。但若用於測量液體或氣體的溫度，則由於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幹擾，影響流體的溫度場，並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，甚至低於某些細絲型熱電偶。特別是，薄膜型熱電偶製作所需設備眾多，工藝相當複雜，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製成。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於或等於1毫米的熱電偶，以保證測量的穩定性與耐久性。用於瞬態的溫度測量時，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。由於偶絲的直徑太小，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衝直流電，同時通以6-30m/s的高速電解液，以將溶解的陽極溶解產物衝刷走。電解液一般採用中性鹽的水溶液，如常用者NaCl或NaNO3鹽，也可採用其他複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於陽極運動，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於(1)蝕除速度不受加工材料的硬度、強度和韌性限制，因而較適於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，而採用特定的微/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(連續或脈衝)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，這正是本發明的出發點。(3)用於加工的工具-陰極不發生損耗，這對於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，這大大有助於低價獲得大量的超微熱電偶。
發明內容
本發明的目的在於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、加工從而製成直徑在數十微米到數納米範圍的超微型熱電偶電化學製作方法；本發明的另一目的在於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、加工從而製成直徑在數十微米到數納米範圍的超微型熱電偶電化學製作裝置。
本發明的技術方案如下本發明提供的超微型熱電偶電化學製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，進行電化學腐蝕，將該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米；然後將該測溫段的端部加熱鍵合在一起形成測溫結點；或者將一對熱電偶絲的端部加熱鍵合在一起形成測溫結點，再將距該測溫結點1-100毫米的測溫段作為陽極放在流動的電解液中，進行電化學腐蝕，使該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米；所述測溫結點是在真空下加熱鍵合構成熱電偶的測溫結點；所述測溫結點是在室溫下用呈液態的金屬鎵粘接構成熱電偶的測溫結點；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範圍內。
本發明提供的超微型熱電偶電化學製作裝置，其特徵在於，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；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。
本發明可在高倍顯微鏡或普通光學顯微鏡上操作，顯微鏡的放大倍數可至數千倍；也可為特殊顯微鏡如原子力顯微鏡，掃描電鏡等，可達到納米量級結構的觀察，但熱偶絲應清洗後觀察；顯微鏡可用於檢測熱偶結點大小及焊接質量，並輔助熱偶絲的電解或焊接過程；其中光學顯微鏡備有數位相機，可對熱偶結點加以拍攝。本發明的顯微鏡系統中還可以設置一微操作儀，以固定和控制熱電偶絲；可用萬用表測量熱偶絲或其結點電阻的大小。我們知道，一定材料的金屬絲的電阻取決於其長度和橫截面，所以一旦普通熱偶絲經電化學腐蝕後形成尺寸遠小於其初始值的超細熱偶絲時，其電阻值會發生明顯改變，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，從而大大有助於對加工狀況的掌握，這種途徑避免了採用昂貴設備如顯微鏡來觀察判斷，因而實施起來更為方便。
在上述裝置中，通過將熱偶絲和陰極置於電解液中，設定電壓，開啟電源，即可對陽極偶絲進行蝕刻；通過精確控制電源電壓等參數，可以控制偶絲的粗細或熱偶結點的大小；整個蝕刻過程，可由固定在顯微鏡臺架上的攝像儀監測並反饋。
其製做過程為1)準備好普通熱電偶的偶絲對如銅絲7和康銅絲8，不需進行腐蝕的部分加上保護套管；2)熱偶絲的測量段在顯微觀察之下進行電化學腐蝕，形成比原偶絲直徑小得多的微細尖段，通過精細控制電源電壓大小和電解液濃度，可以獲得從數十微米到數納米的偶絲微細尖段；從而使熱電偶結點的熱容量減小數個量級。該熱電偶微細尖段長徑比大於50，因此未經腐蝕的偶絲部分不會影響結點的測溫響應；3)兩根偶絲的微細尖段，在顯微鏡監視下用顯微操作位移臺進行移動定位，使兩個尖端相接觸，通過電火花焊接，形成微小的熱偶接點。
以上過程中，在顯微鏡監視下觀察偶絲微細尖段形狀的變化，適時中止腐蝕過程。
以上方法中，通過使用直徑100微米的普通細偶絲，在顯微鏡監視下對偶絲末端進行電解腐蝕，可以形成直徑小於20微米並且有足夠長度的微細尖段，然後在兩種偶絲的尖端使用電火花焊接，形成極小的熱電偶結點。這樣製作微細熱電偶的方法，避免了尋找極細熱電偶絲的困難，而且在製作過程中，所接觸的都是直徑比較大的熱偶絲，多數步驟如固定、穿線和焊接，是以粗的熱偶絲為操作對象，明顯降低了大多數工序的難度，而只在用於測溫的結點上使用顯微操作方法，進行腐蝕和焊接。
適當地選擇初始偶絲直徑，設置電解電壓、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點，其具有極小的質量和熱容量。通過仔細設計電化學方式與程序，熱電偶結點尺寸可以顯著小於其他部位偶絲的半徑尺寸，甚至從結點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，以實現結構強度與接點熱容量的優化配合。此外，為提高熱偶的製作質量，要確保熱偶接頭僅出現在尖部。
本發明提供的製作超微型熱電偶的方法，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，本發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，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，本發明具有很多優點首先，實現超微型熱電偶無需眾多複雜的設備(而以往鍍膜加工超微熱電偶的途徑對設備要求較高)，且製造工藝相當簡單，所需電源、電解液、陰極材料均可從常規渠道廉價獲取；本方法不受熱電偶對的材料限制，對於任何金屬或合金均適用，而以往的鍍膜方法中則不易實現，它們僅適用於某些易於蒸鍍的特殊熱偶材料；本方法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發明在此問題上的成功；而且，本熱偶除結點及其附近偶絲外，其餘尺寸仍為普通熱偶絲尺寸，因而操作(在人眼視力可及範圍)和握持相當方便，而現有商用熱偶絲直徑在全長度上是相當一致的，要麼相當大，要麼都極小，比如20微米熱偶全部直徑均為20微米，這對於使用十分不利，且不便於眼睛觀察；最後，本發明提供的製作超微熱電偶的方法極易實現批量加工，因而所製成的熱偶成本較低。
圖1為本發明超微型熱電偶的電化學製備裝置的結構示意圖；圖2圖1的截面示意圖；圖3為電化學法蝕刻後的超微型熱電偶的示意圖；圖4a為用本發明的方法蝕刻銅絲7的示意圖；圖4b實際蝕刻出的銅絲7和康銅絲8情況；圖4c為本發明方法加工的銅絲7和康銅絲8的示意圖；圖4d為本發明方法加工的超微型熱電偶結點99與普通熱電偶結點88的對比示意圖；圖5a是對所形成的超微型熱偶絲結點進行電連接的示意圖，即採用液態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行焊接的示意圖；具體實施方式
下面結合附圖及實施例進一步描述本發明。
首先，請參見圖1和圖2，由圖2可知，本發明的超微型熱電偶電化學製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。
本發明的超微型熱電偶電化學製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，進行電化學腐蝕，將該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米；然後將該測溫段的端部加熱鍵合在一起形成測溫結點；或者將一對熱電偶絲的端部加熱鍵合在一起形成測溫結點，再將距該測溫結點1-100毫米的測溫段作為陽極放在流動的電解液中，進行電化學腐蝕，使該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米；所述測溫結點是在真空下加熱鍵合構成熱電偶的測溫結點；所述測溫結點是在室溫下用呈液態的金屬鎵粘接構成熱電偶的測溫結點；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範圍內。
實施例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，閉合電路通過導線54與電源53連接，並通過一開關實現該線路的開啟及閉合；熱偶絲7的直徑尺寸在數十微米範圍如80微米，100微米或200微米等。圖4b為由本發明中對電解液中的熱偶絲7進行蝕刻後得到超細熱偶絲72的示意圖，由此即得到尺寸顯著減小後的熱偶絲72。可採用同樣的方法蝕刻出康銅絲82，圖4c是實際蝕刻出的銅絲72和康銅絲82的示意圖；再將熱偶絲72和康銅絲82的尖端加熱鍵合構成熱電偶的測溫結點99，圖4d則為實際蝕刻並加工出的超微型熱電偶結點99與普通方法製備的熱電偶結點88的對比示意圖。可見，經過電解加工後，所形成超微型熱電偶測量端尺寸大為縮小。實際操作中，多個熱偶絲可同時進行電化學處理，由此可批量製成大量的超微型熱偶絲。當熱偶絲7與陰極33之間通電時，會在陰極附近看到大量氣泡生成，這實際是氫的析出，對此處氣體加以處理也可達到提高加工質量的目的。
在上述實施例中，在電解液的供給方面，也可採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，此時電解液可在一定的微通道內流動，以將陽極溶解產物帶走。在控制極好的情況下，本發明可以實現納米級熱電偶的加工，這在許多微/納尺度熱學實驗中溫度的測量方面會有重要應用。此外，本方法還對多種偶絲組合對進行電化學蝕刻，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腐蝕完成後的顯微照片，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段72，82和原偶絲7，8直徑的差別，本例中，康銅絲微細段的直徑在原偶絲直徑的20％以下，即直徑小於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，這與偶絲材質特性不同有關，但銅偶絲71微細末端的直徑已小於15微米。
兩根偶絲的微細尖端在顯微鏡監視下用顯微操作位移臺定位，相接觸，使用適當容量的電容，通過火花放電焊接成微小的熱偶結點，電容的容量和充電的電壓可通過多次實驗找到合適的數值。由圖4c中的兩根熱偶絲72，82焊接而成的測溫結點99見圖4d，其中康銅偶絲尖端長度達到1毫米，長徑比約40～50。而銅偶絲的尖端在焊接時由於火花放電釋放的能量偏大，被部分熔融，直徑稍微增大，這樣在結點處兩根偶絲的直徑大致相等。圖4d顯示兩個熱電偶結點的尺寸對比。其中左側是顯微操作下完成的由100微米普通偶絲在尖端經過腐蝕/焊接的微細熱電偶的測溫結點99，右側是使用100微米偶絲不經腐蝕而焊接成的常規偶絲結點88，其末端的熔珠直徑約為200微米，兩者直徑相差約10倍，故後者的體積和熱容量約大三個數量級，而比表面積則較前者約小一個數量級。
由於熱偶主體的絲徑仍為100微米，所以觀察與使用時的定位操作都比全長度微細絲的熱電偶更方便。但同時也要特別注意，這種微細尖端熱偶的結點已經非常脆弱，不能承受外力的作用，否則同樣極易變形或損壞。
由電解法蝕刻後得到的超微細偶絲對72和82，除採用以上方法進行電火花焊接外，可如圖5a所示那樣將其交叉後，由其他室溫下呈液態的金屬如鎵66等粘連在一起，即構成測溫結點；也可如圖5b所示那樣通過在真空下對交叉的兩偶絲超細部分進行加熱，從而使其鍵合在一起形成測溫熱偶結點。此外，若所製成熱偶須懸空附著在一定基底77上，以保證結點在製作完成後不受外力的作用，可如圖6所示那樣，將兩超微細偶絲交叉後固定在如細管、薄片等類的支撐件79上，再採用液態金屬如鎵等對其加以電連接即可，連接後的支撐件79即可作為熱偶結點的夾持部位。
採用電解法製作超微型熱電偶，可以快速獲得結點尺寸極小的熱偶結點；另一方面，所需加工裝置和材料均易於從市場上購得，無需引入複雜設備，結構緊湊，對於實驗研究比較有利。正是由於這些綜合因素，使得本發明提供的微型熱偶的製造成本價格較低，相比以往的鍍膜等技術在許多方面具有很大優勢。
綜上所述，本發明提供的超微型熱電偶，具有很高的性能價格比。而現有的微型熱偶大多採用除電化學方法之外的途徑實現，對材料的要求較高，製造成本高，操作複雜，且所獲得的熱偶因總體尺寸極小而在使用時受到一定限制。直接利用普通熱偶製作出僅在熱偶結點處尺寸極小的溫度傳感器是理想的辦法，這也是本發明的一個突出優點。特別是，電解技術可以對多種金屬偶絲進行加工，而現有的電鍍技術則很難做到。以上方法還能較好地滿足批量加工的要求。
實施例2實施例2在加工尺寸略大如從數微米到數十微米的微型熱電偶方面相當成功，但當腐蝕得到的熱偶絲尺寸相當小如數十納米以下時，其焊接相當困難。不過，這時的超微型熱電偶製作也可在本發明的基本點之下找到其他新的加工流程。下述介紹的實施例即為一種有效的簡化方案，它可使得製作過程更易於進行。該方案的基本步驟在於，先製作出普通尺寸的熱偶結點88，再採用電化學法對該結點予以蝕刻，直至得到尺寸相當小的超微熱偶結點。這種情況下，焊接程序是在起始階段進行，而大尺寸熱偶的焊接是相當容易的，只需採用普通電火花即可將結點焊接成，避開了在極小尺寸下焊接的困難。
請參見圖1和圖2，用普通熱電偶絲製作本發明的超微型熱電偶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在流動的電解液作用下，被腐蝕成圖3所示的99的形狀，便製備出本發明的超微型熱電偶。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所示為基於上述方案的這類實用的加工裝置中的一種結構。其中11為由玻璃製成的矩形基座，其尺寸在10mm×10mm×10mm至100mm×100mm×100mm之間。由於基座是透明的，便於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垂直於基座11上表面，圓形流道13則垂直於基座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於上述情形，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範圍)。於是在將陽極和陰極接通電源15，16後，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可將電解產物衝刷走，這樣，經過一定時間後，即製成測溫結點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、加脈衝電壓等)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。所以本方法對於大批量生產超微型熱電偶相當有利，由圖1給出的製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電化學製作方法，其特徵在於，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，進行電化學腐蝕，將該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米；然後將該測溫段的端部加熱鍵合在一起形成測溫結點；或者將一對熱電偶絲的端部加熱鍵合在一起形成測溫結點，再將距該測溫結點1-100毫米的測溫段作為陽極放在流動的電解液中，進行電化學腐蝕，使該測溫段的截面直徑電解腐蝕至10-5-0.05毫米。
2.按權利要求1所述的超微型熱電偶電化學製作方法，其特徵在於，所述測溫結點是在真空下加熱鍵合構成熱電偶的測溫結點。
3.按權利要求1所述的超微型熱電偶電化學製作方法，其特徵在於，所述測溫結點是在室溫下用呈液態的金屬鎵粘接構成熱電偶的測溫結點。
4.按權利要求1所述的超微型熱電偶電化學製作方法，其特徵在於，所述電解液為中性鹽水溶液或酸性電解液；
5.按權利要求4所述的超微型熱電偶電化學製作方法，其特徵在於，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.按權利要求1所述的超微型熱電偶電化學製作方法，其特徵在於，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.按權利要求1所述的超微型熱電偶電化學製作方法，其特徵在於，所述電解使用的電源為直流電源或交流電源，電壓在1-20V範圍內。
8.一種權利要求1所述的超微型熱電偶電化學製作裝置，其特徵在於，其特徵在於，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；與橫向流道(13)上表面之間留有間隙。
9.按權利要求8所述的超微型測溫熱電偶的電化學法製作裝置，其特徵在於，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.按權利要求8所述的超微型測溫熱電偶的電化學法製作裝置，其特徵在於，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
本發明的超微型熱電偶電化學製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行電化學腐蝕，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