專利名稱：玻璃微針熱電偶的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的玻璃微針熱電偶制備方法，具體是一種以玻璃微針內(nèi)部的金屬和微針表面的碳薄膜作為導(dǎo)體的玻璃微針熱電偶的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著生物技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)等在微納觀領(lǐng)域的高速發(fā)展，對微尺度結(jié)構(gòu)和材料的研究受到越來越多的關(guān)注，尤其在實驗技術(shù)領(lǐng)域，能對特征尺度在微納尺度的檢測對象進行直接、實時的檢測和操縱成為微尺度研究領(lǐng)域的熱點，也是研究者們面臨的具有挑戰(zhàn)性的研究課題。隨著原子力顯微鏡、掃描電鏡、超快光源的發(fā)展，使得材料的熱學(xué)、機械、化學(xué)、 電學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)性能的研究檢測成為可能。微尺度檢測技術(shù)在生物活動和其他很多物理過程研究中起著很重要的作用。例如，單個細(xì)胞的溫度檢測能在熱療法、癌癥檢測、代謝物的活動、甲狀腺疾病診斷、核酸和蛋白質(zhì)的熱致變性中提供重要的數(shù)據(jù)。單個細(xì)胞溫度的實時檢測是一個熱門研究領(lǐng)域，研究單個細(xì)胞在生物過程中的熱反應(yīng)能夠提供重要的生理信息。熱電偶能直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的導(dǎo)體(稱為熱電偶絲材或熱電極)兩端接合成回路，當(dāng)兩個接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端 (也稱為測量端)，另一端叫做冷端(也稱為補償端)，冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。在熱電偶實際測溫應(yīng)用中，常采用熱端焊接、冷端開路的形式，冷端經(jīng)連接導(dǎo)線與顯示儀表連接構(gòu)成測溫系統(tǒng)。從理論上講，任何兩種不同導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)都可以配制成熱電偶，但是作為實用的測溫元件，對它的要求是多方面的。為了保證工程技術(shù)中的可靠性，以及足夠的測量精度，并不是所有材料都能組成熱電偶，一般對熱電偶的電極材料，基本要求是(1)、在測溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時間而變化，有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；(2)、 電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱??；(3)、測溫中產(chǎn)生熱電勢要大，并且熱電勢與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系；、材料復(fù)制性好，機械強度高，制造工藝簡單，價格便宜。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，R. Shrestha, T. Y. Choi, W. S. Chang等在《IEEE SENSORS 2010 Conference》(2010) p422_445 撰文"Micropipette-Based Thermal Sensor for Biological Applications”( “基于微針的生物溫度傳感器”《2010年IEEE傳感器會議》)。該文中采用玻璃微針內(nèi)部通入的錫和玻璃微針表面沉積的鎳作為熱電偶材料。這種方法制作的熱電偶探針由于使用了對細(xì)胞有毒害作用的金屬鎳，因此在應(yīng)用上受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出一種玻璃微針熱電偶的制備方法，使得玻璃微針熱電偶能夠應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)微尺度領(lǐng)域的溫度測量。由于采用生物相容性金屬和碳薄膜作為熱電偶材料，因此能夠直接應(yīng)用于測量單個細(xì)胞的溫度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明首先在玻璃微針上沉積一層聚合物薄膜，其次將玻璃微針放入高溫環(huán)境裂解，在玻璃微針上生成一層碳薄膜，然后往玻璃微針中注入金屬液體并冷卻，接著將玻璃微針尖端磨制出一定角度，最后在玻璃微針尖端沉積一層金屬，得到最終所需要的玻璃微針熱電偶。本發(fā)明包括以下步驟第一步、在玻璃微針表面沉積一層聚合物薄膜。
所述的玻璃微針為石英玻璃微針。所述的玻璃微針尖端尺寸為微米到納米級。所述的沉積是化學(xué)氣相沉積。所述的聚合物薄膜厚度為微米到納米級。第二步、將玻璃微針放入高溫環(huán)境裂解，在玻璃微針上生成一層碳薄膜。所述的高溫裂解是指將聚合物薄膜放入充滿保護氣氛的裂解爐中，以150 1400°C溫度加熱0. 5 6小時。第三步、往玻璃微針中注入金屬液體并冷卻。所述的金屬液體為低熔點生物相容性金屬及其合金。第四步、將玻璃微針尖端磨制出角度。所述的磨制為在磨針儀下將玻璃微針尖端磨制出所需角度。第五步、玻璃微針尖端沉積一層金屬薄膜，形成熱電偶熱端接合點，得到最終所需要的玻璃微針熱電偶。所述的金屬為生物相容性金屬，厚度為微米到納米級。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備玻璃微針熱電偶工藝過程簡單易操作。采用碳薄膜和生物相容性金屬作為熱電偶材料，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱??；材料復(fù)制性好，機械強度高；生物相容性好，可以直接應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明實施例1實施過程示意圖。圖2為本發(fā)明實施例2實施過程示意圖。圖3為本發(fā)明實施例3實施過程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例做詳細(xì)說明本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例通過以下步驟進行制備第一步、在尖端外徑0. 5微米的玻璃微針表面化學(xué)氣相沉積一層厚度為5微米的圖Ia所示，1是Parylene C薄膜，2是石英玻璃微針。第二步、將表面沉積有Parylene C薄膜的玻璃微針放入充滿氮氣保護氣氛的裂解爐中，以900°C溫度加熱1小時(此操作在150 1400°C溫度加熱0. 5 6小時范圍內(nèi)均能實施)，裂解Parylene C薄膜，在玻璃微針上生成一層碳薄膜，如圖Ib所示，1為碳薄膜， 2為石英玻璃微針。第三步、往玻璃微針中注入無鉛焊錫液體并冷卻，如圖Ic所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微針，3是無鉛焊錫。第四步、使用磨針儀將玻璃微針尖端磨制出45°，如圖Id所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微針，3是無鉛焊錫。第五步、玻璃微針尖端沉積一層200納米厚的金薄膜，形成熱電偶熱端接合點，得到最終所需要的玻璃微針熱電偶，如圖Ie所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微針，3是無鉛焊錫，4是金薄膜。實施例2如圖2所示，本實施例通過以下步驟進行制備第一步、在尖端外徑1微米的玻璃微針表面化學(xué)氣相沉積一層厚度為8微米的 PP (聚丙烯)薄膜，如圖加所示，1是PP薄膜，2是石英玻璃微針。第二步、將表面沉積有PP薄膜的玻璃微針放入充滿氮氣保護氣氛的裂解爐中，以 700°C溫度加熱1小時，裂解PP薄膜，在玻璃微針上生成一層碳薄膜，如圖2b所示，1為碳薄膜，2為石英玻璃微針。第三步、在保護氣氛中往玻璃微針里注入鋅鎂合金液體并冷卻，如圖2c所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微針，3是鋅鎂合金。第四步、使用磨針儀將玻璃微針尖端磨制出45°，如圖2d所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微針，3是鋅鎂合金。第五步、玻璃微針尖端沉積一層150納米厚的金薄膜，形成熱電偶熱端接合點，得到最終所需要的玻璃微針熱電偶，如圖2e所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微針，3是鋅鎂合金，4是金薄膜。實施例3如圖3所示，本實施例通過以下步驟進行制備第一步、在尖端外徑1微米的玻璃微針表面化學(xué)氣相沉積一層厚度為8微米的 GDP (輝光放電聚合物)薄膜，如圖3a所示，1是GDP薄膜，2是石英玻璃微針。第二步、將表面沉積有GDP薄膜的玻璃微針放入充滿氮氣保護氣氛的裂解爐中， 以500°C溫度加熱1小時，裂解⑶P薄膜，在玻璃微針上生成一層碳薄膜，如圖北所示，1為碳薄膜，2為石英玻璃微針。第三步、在保護氣氛中往玻璃微針里注入鎂金屬液體并冷卻，如圖3c所示，1是碳薄膜，2是鎂，3是玻璃微針。第四步、使用磨針儀將玻璃微針尖端磨制出30°，如圖3d所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微針，3是鎂金屬。第五步、玻璃微針尖端沉積一層200納米厚的金薄膜，形成熱電偶熱端接合點，如
5圖3e所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微針，3是鎂金屬，4是金薄膜。上述實施例的工藝簡單、易操作。采用碳薄膜和生物相容性金屬作為熱電偶材料， 熱電性質(zhì)穩(wěn)定，有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱小；材料復(fù)制性好，機械強度高；生物相容性好，可以直接應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實施例只是本發(fā)明的優(yōu)選實施，本發(fā)明還可以是其他的實施方式，如變換其中的參數(shù)(如高溫裂解溫度150 1400°C，角度以及時間等參數(shù))。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種玻璃微針熱電偶的制備方法，其特征在于包括以下步驟第一步、在玻璃微針表面沉積一層聚合物薄膜；第二步、將玻璃微針放入高溫環(huán)境裂解，在玻璃微針上生成一層碳薄膜；第三步、往玻璃微針中注入金屬液體并冷卻；第四步、將玻璃微針尖端磨制出角度；第五步、玻璃微針尖端沉積一層金屬薄膜，形成熱電偶熱端接合點，得到最終所需要的玻璃微針熱電偶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃微針熱電偶的制備方法，其特征是，所述的玻璃微針為石英玻璃微針。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的玻璃微針熱電偶的制備方法，其特征是，所述的玻璃微針尖端尺寸為微米到納米級。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃微針熱電偶的制備方法，其特征是，所述的沉積是化學(xué)氣相沉積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃微針熱電偶的制備方法，其特征是，所述的高溫裂解是指將聚合物薄膜放入充滿保護氣氛的裂解爐中，以150 1400°C溫度加熱0. 5 6小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的玻璃微針熱電偶的制備方法，其特征是，所述的聚合物薄膜厚度為微米到納米級。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃微針熱電偶的制備方法，其特征是，所述的金屬液體為低熔點生物相容性金屬及其合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃微針熱電偶的制備方法，其特征是，所述的磨制是在磨針儀下將玻璃微針尖端磨制出所需角度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃微針熱電偶的制備方法，其特征是，所述的金屬薄膜為生物相容性金屬，厚度為微米到納米級。
全文摘要
本發(fā)明公開一種生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的玻璃微針熱電偶的制備方法，包括在玻璃微針表面沉積一層聚合物薄膜；將玻璃微針放入高溫環(huán)境裂解，在玻璃微針上生成一層碳薄膜；往玻璃微針中注入金屬液體并冷卻；將玻璃微針尖端磨制出一定角度；最后在玻璃微針尖端沉積一層金屬薄膜，形成熱電偶熱端接合點，得到最終所需要的玻璃微針熱電偶。本發(fā)明制備玻璃微針熱電偶工藝過程簡單易操作。采用碳薄膜和生物相容性金屬作為熱電偶材料，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱??；材料復(fù)制性好，機械強度高；生物相容性好，可以直接應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
文檔編號H01L35/34GK102522490SQ20111037204
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者劉景全, 張鈴云, 楊斌, 楊春生 申請人:上海交通大學(xué)