CN102589739B - 一种多用热电偶微电极及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种多用热电偶微电极及其制作方法，包括两根由不同材料制成的第一金属丝和第二金属丝，所述第一金属丝和第二金属丝的一端部熔接成一微球节点以形成热电偶热端，所述第一金属丝、第二金属丝以及微球节点上包封有绝缘保护膜，以形成热电偶微电极的核心部件，所述热电偶微电极的核心部件封装在石英或硼硅玻璃空心管中，所述第一金属丝和第二金属丝的另一端部热电偶自由端上分别外接铜导线，所述两外接铜导线之间连接有温度表。本发明的热电偶微电极不仅能直接当作热电偶使用，测量介质（包括气体、液体、固体）温度，测温范围为0-1600℃，而且也可以在高频交流加热条件下用做微电极来进行电化学研究，且可以当作微热电偶来实时显示当前微电极周围微区溶液的温度，具有直观、方便、准确、可靠、精度高测量当前温度。
Description
技术领域
本发明的铂铑热电偶微电极是测温与微电极两用或联用的传感器，尤其是所制得的热电偶微电极的电极直径可达到微米级别，主要应用在高频交流加热技术实验中用做微电极来进行电化学研究且可以实时显示当前微电极微区的温度。
背景技术
Thomas Johann Seebeck于1821年发现了今天大家所熟知这个原理，William Thomson (Lord Kelvin)解释了他观察到的现象，它是利用两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应[1]。一般的热电偶只能用来测量介质的温度，比如液体、气体、固体的温度，而不能应用在高频交流加热电化学研究中当作微电极来使用。由于直接使用直流电源和低频加热方式，会对微电极加热产生电化学信号严重干扰，所以在2002年Baranski用频率高达100 MHz~2GHz的交变电流来替代以往的100 kHz的交流电，高频交流加热的电路也经过重新设计，他是将热丝电极技术应用于普通的微盘电极，发展了可应用于微电极的加热新方法[2]。高频交流加热的原理是由于电极周围的溶液比电极自身材料有着更高的电阻，加热电流在电极周围微区溶液上产生了焦耳热。这一方法加热的对象是电极附近的微区溶液而不是电极本身，微电极作为工作电极仍然与电化学的工作站相连接。在Baranski方法中，施加的高频交流电压是在很大的溶液电阻和很小的电极/界面电阻上进行按比例的分配，采用高频率的交流电压可使得在溶液电阻上分配的交流电压值增大，从而减小交流电对电极/溶液界面的电化学过程影响。另外，Baranski的方法功耗很低且热区的大小取决于微电极尺寸，这很容易地解决过热的问题。在水溶液中，一个直径25μm盘电极的表面温度可以在225℃维持很长一段时间而没有任何气泡的形成。微热电极的主要优势是能检测到通常在常温条件下检测不到的物质，检测限可大幅度降低，检测灵敏度也可大大提高[3]。
发明内容
鉴于上述技术上的不足，本发明的目的在于提供一种多用热电偶微电极，本发明解决了现有热电偶只能单一用来测量温度，而不能作为微电极来进行电化学研究的问题。
本发明的技术方案在于提供一种多用热电偶微电极，包括两根由不同材料制成的第一金属丝（3）和第二金属丝（7），所述第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的一端部熔接成一微球节点（1），以形成热电偶热端，所述第一金属丝（3）、第二金属丝（7）以及微球节点（1）上使用电泳漆包封方法包封一层绝缘保护膜（4），以形成热电偶微电极的核心部件，所述热电偶微电极的核心部件使用AB胶绝缘胶封装在绝缘空心管（2）中，所述的绝缘空心管（2）为石英或硼硅玻璃空心管，所述第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的另一端部热电偶自由端上分别连接有外接铜导线（6），所述两外接铜导线（6）之间连接有温度表（8）。
在一较佳实施例中，所述的第一金属丝（3）为铂丝，所述铂丝的直径为25μm。
在一较佳实施例中，所述的第二金属丝（7）为铂铑合金丝，所述铂铑合金丝的直径为25μm。
在一较佳实施例中，所述的微球节点（1）为微米级别的节点，所述的微球节点（1）由铂丝和铂铑合金丝经氢氧火焰枪熔接而成。
在一较佳实施例中，所述的绝缘保护膜（4）为使用电泳漆包封方法包封一层绝缘树脂保护膜。
在一较佳实施例中，所述的第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的另一端部热电偶自由端与外接铜导线（6）的连接方法是连接处涂抹有导电胶（5）。
在一较佳实施例中，所述的导电胶（5）为银导电胶。
本发明的另一技术方案在于提供一种多用热电偶微电极的制作方法，包括两根由不同材料制成的第一金属丝（3）和第二金属丝（7），其特征在于，按一下步骤进行：
步骤1：热电偶热端节点连接方法是使用氢氧火焰枪把第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的热端熔接在一起形成一微球节点（1）以形成热电偶热端，该微球节点（1）的直径可达到微米级别；
步骤2：在第一金属丝（3）和第二金属丝（7）上包封一层绝缘保护膜（4），以形成热电偶微电极的核心部件；
步骤3：使用绝缘胶将热电偶微电极的核心部件使用AB胶绝缘胶封装入绝缘空心管（2）中，所述的绝缘空心管（2）为石英或硼硅空心玻璃管；
步骤4：采用导电胶（5）在第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的另一端部也就是热电偶自由端上分别连接外接铜导线（6），在两外接铜导线（6）之间连接有温度表（8），将热电动势进行转换后，即可知道被测介质的温度。
在一较佳实施例中，所述的第一金属丝（3）为铂丝，所述铂丝的直径为25μm；所述的第二金属丝（7）为铂铑合金丝，所述铂铑合金丝的直径为25μm；所述的微球节点（1）由铂丝和铂铑合金丝经氢氧火焰枪熔接而成。
在一较佳实施例中，所述的绝缘保护膜（4）为绝缘树脂保护膜；所述的第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的另一端部与外接铜导线（6）的连接处涂抹有导电胶（5），所述的导电胶（5）为银导电胶。
本发明的多用热电偶微电极是一种两用或联用的传感器，是在Baranski的基础上提出了一种多用热电偶微电极及其制作方法，不仅可以单独用来测量普通介质（液体、气体、固体）的温度，测量温度范围为0-1600℃，而且在高频交流加热技术实验中应用前景十分广泛，可以应用于重金属离子、生物小分子的在线检测、用于研究蛋白质和生物酶的温度特性、电致化学发光，还可以用于有机体系和电化学微加工领域，而且可以实时显示当前微电极微区的温度，具有直观、方便、准确、可靠、精度高的特点。
附图说明
图1为本发明实施例的多用热电偶微电极结构示意图。
图2A为热电偶的热端接合节点金相显微镜图。
图2B为多用热电偶微电极的体视显微镜正视图。
图3为热电偶微电极于1M FcMeOH+0.1M KCl中的循环伏安曲线图。
图4是在150MHz的高频交流电不同有效电压下热电偶微电极在1M H2SO4溶液中的循环伏安曲线图。
图5恒电位仪、信号发生器与电化学电解池以及热电偶微电极连接的电路图。
图中：（1）微球节点，（2）绝缘空心管，（3）第一金属丝，（4）绝缘保护膜，（5）导电胶，（6）铜导线，（7）第二金属丝，（8）温度表，C1为0.1μF的电容器，R1为50Ω的电阻，T1为自制为电感。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
本发明的技术方案在于提供一种多用热电偶微电极，包括两根由不同材料制成的第一金属丝（3）和第二金属丝（7），所述第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的一端部熔接成一微球节点（1）,以形成热电偶热端，所述第一金属丝（3）、第二金属丝（7）以及微球节点（1）上包封有绝缘保护膜（4），以形成热电偶微电极的核心部件，所述热电偶微电极的核心部件封装在绝缘空心管（2）中，在本实施例中可以采用石英或硼硅空心玻璃管，所述第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的另一端部热电偶自由端上分别连接有外接铜导线（6），所述两外接铜导线（6）之间连接有温度表（8）。
在一较佳实施例中，所述的第一金属丝（3）为铂丝，所述铂丝的直径为25μm。
在一较佳实施例中，所述的第二金属丝（7）为铂铑合金丝，所述铂铑合金丝的直径为25μm。
在一较佳实施例中，所述的微球节点（1）为微米级别的节点，所述的微球节点（1）由铂丝和铂铑合金丝经氢氧火焰枪熔接而成。
在一较佳实施例中，所述的绝缘保护膜（4）为绝缘树脂保护膜。
在一较佳实施例中，所述的第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的另一端部与外接铜导线（6）的连接处涂抹有导电胶（5）。
在一较佳实施例中，所述的导电胶（5）为银导电胶。
本发明的另一技术方案在于提供一种多用热电偶微电极的制作方法，包括两根由不同材料制成的第一金属丝（3）和第二金属丝（7），其特征在于，按一下步骤进行：
步骤1：热电偶热端节点连接方法是使用氢氧火焰枪把第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的热端熔接在一起形成一微球节点（1），该微球节点（1）的直径可达到微米级别；
步骤2：在第一金属丝（3）和第二金属丝（7）上包封一层绝缘保护膜（4），以形成热电偶微电极的核心部件；
步骤3：使用绝缘胶将热电偶微电极的核心部件封装入绝缘空心管（2）中，所述的绝缘空心管（2）为石英或硼硅空心玻璃管（2）；
步骤4：采用导电胶（5）在第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的另一端部上分别连接外接铜导线（6），在两外接铜导线（6）之间连接有温度表（8），将热电动势进行转换后，即可知道被测介质的温度。
在一较佳实施例中，所述的第一金属丝（3）为铂丝，所述铂丝的直径为25μm；所述的第二金属丝（7）为铂铑合金丝，所述铂铑合金丝的直径为25μm；所述的微球节点（1）由铂丝和铂铑合金丝经氢氧火焰枪熔接而成。
在一较佳实施例中，所述的绝缘保护膜（4）为绝缘树脂保护膜；所述的第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的另一端部与外接铜导线（6）的连接方法是连接处涂抹有导电胶（5），所述的导电胶（5）为银导电胶。
关于本发明的具体实施例的铂铑热电偶微电极制作过程如下步骤：一种铂铑热电偶微电极，材料是由一根25μm纯铂丝与另一根25μm Pt-13%Rh铂铑合金丝组成的，热电偶热端接合节点连接方法是使用氢氧枪把它们的一端熔接成一微球节点（1），这个微球节点（1）的直径可达到微米级别，热电偶丝外包封一层绝缘树脂保护膜，使用AB胶（环氧树脂：聚酰胺=1:1组成）绝缘胶将热电偶微电极封装入绝缘空心管（2），所述的绝缘空心管（2）为石英或硼硅酸盐玻璃管中，热电偶自由端通过外接铜导线（6）延长，热电偶自由端与铜导线连接方法是连接处涂抹导电胶（5）的方法，然后铜导线外接入温度表（8）将热电动势进行转换后，即可知道被测介质的温度，由以上步骤就可制作得到铂铑热电偶微电极。以上括号数字对应图1所示，图2A是热电偶的热端接合节点金相显微镜图，图2B是多用热电偶微电极的体视显微镜正视图。
将做好的热电偶微电极进行如下的表征：我们将做好的铂铑热电偶微电极放入1 M FcMeOH+0.1MKCl体系中进行循环安曲线扫描，扫速5mV/s，从图3可以看出，该热电偶微电极的CV曲线呈现出良好的“S”形，说明该电极具有微电极的性质，因此可以由稳态极限电流的公式计算出电极的真实面积，然后根据i=4nFcDa计算出电极的直径在微米的级别。
热电偶微电极在高频加热实验中的应用：将热电偶微电极接入图5所示以Bransiki为基础设计的电路，实验过程中的加热温度可以由接入电路中的热电偶温度表直接读取。然后将热电偶微电极放入1M H2SO4体系中进行循环安曲线扫描，扫速50mV/s，从图4中依然可以看出随着有效电压的增大温度逐渐升高，还原峰逐渐向正方向移动，还原峰的峰电流逐渐增大，说明温度的改变能够强烈的影响动力学控制过程，此现象也与文献Baranski于2002报道的相符合[2]。
本发明不局限上述最佳实施方式，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
参考文献
[1] KINZIE P A, RUBIN L G. Thermocouple Temperature Measurement [J]. Physics Today, 1973, 26(11): 52-5.
[2] BARANSKI A S. Hot Microelectrodes [J]. Analytical Chemistry, 2002, 74(6): 1294-301.
[3] WIGHTMAN R M. Microvoltammetric electrodes [J]. Analytical Chemistry, 1981, 53(9): 1125A-34A.
Claims (9)
1.一种多用热电偶微电极，包括两根由不同材料制成的第一金属丝（3）和第二金属丝（7），其特征在于：所述第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的一端部熔接成一微球节点（1），以形成热电偶热端，所述第一金属丝（3）、第二金属丝（7）以及微球节点（1）上包封有绝缘保护膜（4），以形成热电偶微电极的核心部件，所述热电偶微电极的核心部件使用绝缘胶封装在绝缘空心管（2）中，所述第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的另一端部为热电偶自由端，所述热电偶自由端上分别连接有外接铜导线（6），所述两外接铜导线（6）之间连接有温度表（8）。
2.根据权利要求1所述的多用热电偶微电极，其特征在于：所述的第一金属丝（3）为铂丝，所述铂丝的直径为25μm，所述的第二金属丝（7）为铂铑合金丝，所述铂铑合金丝的直径为25μm。
3.根据权利要求2所述的多用热电偶微电极，其特征在于：所述的微球节点（1）为微米级别的节点，所述的微球节点（1）由铂丝和铂铑合金丝经氢氧火焰枪熔接而成。
4.根据权利要求1所述的多用热电偶微电极，其特征在于：所述的绝缘保护膜（4）为绝缘树脂保护膜。
5.根据权利要求1所述的多用热电偶微电极，其特征在于：所述的第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的热电偶自由端与外接铜导线（6）的连接方法是在连接处涂抹导电胶（5）。
6.根据权利要求5所述的多用热电偶微电极，其特征在于：所述的导电胶（5）为银导电胶。
7.一种多用热电偶微电极的制作方法，包括两根由不同材料制成的第一金属丝（3）和第二金属丝（7），其特征在于，按以下步骤进行：
步骤1：热电偶热端节点连接方法是使用氢氧火焰枪把第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的热端熔接在一起形成一微球节点（1），以形成热电偶热端，该微球节点（1）的直径达到微米级别；
步骤2：在第一金属丝（3）和第二金属丝（7）上包封一层绝缘保护膜（4），以形成热电偶微电极的核心部件；
步骤3：使用绝缘胶将热电偶微电极的核心部件封装入绝缘空心管（2）中；
步骤4：采用导电胶（5）在第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的另一端部也就是热电偶自由端上分别外接铜导线（6），在两外接铜导线（6）之间连接有温度表（8），将热电动势进行转换后，即可知道被测介质的温度。
8.根据权利要求7所述的多用热电偶微电极的制作方法，其特征在于：所述的第一金属丝（3）为铂丝，所述铂丝的直径为25μm；所述的第二金属丝（7）为铂铑合金丝，所述铂铑合金丝的直径为25μm；所述的微球节点（1）由铂丝和铂铑合金丝经氢氧火焰枪熔接而成。
9.根据权利要求7所述的多用热电偶微电极的制作方法，其特征在于：所述的绝缘保护膜（4）为绝缘树脂保护膜；所述的第一金属丝（3）和第二金属丝（7）的另一端部热电偶自由端与外接铜导线（6）的连接方法是连接处涂抹导电胶（5），所述的导电胶（5）为银导电胶。
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