专利名称：玻璃微针热电偶的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种生物医学工程领域的玻璃微针热电偶制备方法，具体是一种以玻璃微针内部的金属和微针表面的碳薄膜作为导体的玻璃微针热电偶的制备方法。
背景技术：
随着生物技术、半导体技术等在微纳观领域的高速发展，对微尺度结构和材料的研究受到越来越多的关注，尤其在实验技术领域，能对特征尺度在微纳尺度的检测对象进行直接、实时的检测和操纵成为微尺度研究领域的热点，也是研究者们面临的具有挑战性的研究课题。随着原子力显微镜、扫描电镜、超快光源的发展，使得材料的热学、机械、化学、 电学、光学和声学性能的研究检测成为可能。微尺度检测技术在生物活动和其他很多物理过程研究中起着很重要的作用。例如，单个细胞的温度检测能在热疗法、癌症检测、代谢物的活动、甲状腺疾病诊断、核酸和蛋白质的热致变性中提供重要的数据。单个细胞温度的实时检测是一个热门研究领域，研究单个细胞在生物过程中的热反应能够提供重要的生理信息。热电偶能直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路，当两个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端 (也称为测量端)，另一端叫做冷端(也称为补偿端)，冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。在热电偶实际测温应用中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统。从理论上讲，任何两种不同导体(或半导体)都可以配制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对它的要求是多方面的。为了保证工程技术中的可靠性，以及足够的测量精度，并不是所有材料都能组成热电偶，一般对热电偶的电极材料，基本要求是(1)、在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；(2)、 电阻温度系数小，导电率高，比热小；(3)、测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；、材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。经对现有技术文献的检索发现，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”( “基于微针的生物温度传感器”《2010年IEEE传感器会议》)。该文中采用玻璃微针内部通入的锡和玻璃微针表面沉积的镍作为热电偶材料。这种方法制作的热电偶探针由于使用了对细胞有毒害作用的金属镍，因此在应用上受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提出一种玻璃微针热电偶的制备方法，使得玻璃微针热电偶能够应用于生物医学微尺度领域的温度测量。由于采用生物相容性金属和碳薄膜作为热电偶材料，因此能够直接应用于测量单个细胞的温度。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先在玻璃微针上沉积一层聚合物薄膜，其次将玻璃微针放入高温环境裂解，在玻璃微针上生成一层碳薄膜，然后往玻璃微针中注入金属液体并冷却，接着将玻璃微针尖端磨制出一定角度，最后在玻璃微针尖端沉积一层金属，得到最终所需要的玻璃微针热电偶。本发明包括以下步骤第一步、在玻璃微针表面沉积一层聚合物薄膜。
所述的玻璃微针为石英玻璃微针。所述的玻璃微针尖端尺寸为微米到纳米级。所述的沉积是化学气相沉积。所述的聚合物薄膜厚度为微米到纳米级。第二步、将玻璃微针放入高温环境裂解，在玻璃微针上生成一层碳薄膜。所述的高温裂解是指将聚合物薄膜放入充满保护气氛的裂解炉中，以150 1400°C温度加热0. 5 6小时。第三步、往玻璃微针中注入金属液体并冷却。所述的金属液体为低熔点生物相容性金属及其合金。第四步、将玻璃微针尖端磨制出角度。所述的磨制为在磨针仪下将玻璃微针尖端磨制出所需角度。第五步、玻璃微针尖端沉积一层金属薄膜，形成热电偶热端接合点，得到最终所需要的玻璃微针热电偶。所述的金属为生物相容性金属，厚度为微米到纳米级。与现有技术相比，本发明制备玻璃微针热电偶工艺过程简单易操作。采用碳薄膜和生物相容性金属作为热电偶材料，热电性质稳定，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；电阻温度系数小，导电率高，比热小；材料复制性好，机械强度高；生物相容性好，可以直接应用于生物医学领域。
图1为本发明实施例1实施过程示意图。图2为本发明实施例2实施过程示意图。图3为本发明实施例3实施过程示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例做详细说明本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1如图1所示，本实施例通过以下步骤进行制备第一步、在尖端外径0. 5微米的玻璃微针表面化学气相沉积一层厚度为5微米的图Ia所示，1是Parylene C薄膜，2是石英玻璃微针。第二步、将表面沉积有Parylene C薄膜的玻璃微针放入充满氮气保护气氛的裂解炉中，以900°C温度加热1小时(此操作在150 1400°C温度加热0. 5 6小时范围内均能实施)，裂解Parylene C薄膜，在玻璃微针上生成一层碳薄膜，如图Ib所示，1为碳薄膜， 2为石英玻璃微针。第三步、往玻璃微针中注入无铅焊锡液体并冷却，如图Ic所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微针，3是无铅焊锡。第四步、使用磨针仪将玻璃微针尖端磨制出45°，如图Id所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微针，3是无铅焊锡。第五步、玻璃微针尖端沉积一层200纳米厚的金薄膜，形成热电偶热端接合点，得到最终所需要的玻璃微针热电偶，如图Ie所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微针，3是无铅焊锡，4是金薄膜。实施例2如图2所示，本实施例通过以下步骤进行制备第一步、在尖端外径1微米的玻璃微针表面化学气相沉积一层厚度为8微米的 PP (聚丙烯)薄膜，如图加所示，1是PP薄膜，2是石英玻璃微针。第二步、将表面沉积有PP薄膜的玻璃微针放入充满氮气保护气氛的裂解炉中，以 700°C温度加热1小时，裂解PP薄膜，在玻璃微针上生成一层碳薄膜，如图2b所示，1为碳薄膜，2为石英玻璃微针。第三步、在保护气氛中往玻璃微针里注入锌镁合金液体并冷却，如图2c所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微针，3是锌镁合金。第四步、使用磨针仪将玻璃微针尖端磨制出45°，如图2d所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微针，3是锌镁合金。第五步、玻璃微针尖端沉积一层150纳米厚的金薄膜，形成热电偶热端接合点，得到最终所需要的玻璃微针热电偶，如图2e所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微针，3是锌镁合金，4是金薄膜。实施例3如图3所示，本实施例通过以下步骤进行制备第一步、在尖端外径1微米的玻璃微针表面化学气相沉积一层厚度为8微米的 GDP (辉光放电聚合物)薄膜，如图3a所示，1是GDP薄膜，2是石英玻璃微针。第二步、将表面沉积有GDP薄膜的玻璃微针放入充满氮气保护气氛的裂解炉中， 以500°C温度加热1小时，裂解⑶P薄膜，在玻璃微针上生成一层碳薄膜，如图北所示，1为碳薄膜，2为石英玻璃微针。第三步、在保护气氛中往玻璃微针里注入镁金属液体并冷却，如图3c所示，1是碳薄膜，2是镁，3是玻璃微针。第四步、使用磨针仪将玻璃微针尖端磨制出30°，如图3d所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微针，3是镁金属。第五步、玻璃微针尖端沉积一层200纳米厚的金薄膜，形成热电偶热端接合点，如
5图3e所示，1是碳薄膜，2是石英玻璃微针，3是镁金属，4是金薄膜。上述实施例的工艺简单、易操作。采用碳薄膜和生物相容性金属作为热电偶材料， 热电性质稳定，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；电阻温度系数小，导电率高，比热小；材料复制性好，机械强度高；生物相容性好，可以直接应用于生物医学领域。应当理解的是，上述实施例只是本发明的优选实施，本发明还可以是其他的实施方式，如变换其中的参数(如高温裂解温度150 1400°C，角度以及时间等参数)。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种玻璃微针热电偶的制备方法，其特征在于包括以下步骤第一步、在玻璃微针表面沉积一层聚合物薄膜；第二步、将玻璃微针放入高温环境裂解，在玻璃微针上生成一层碳薄膜；第三步、往玻璃微针中注入金属液体并冷却；第四步、将玻璃微针尖端磨制出角度；第五步、玻璃微针尖端沉积一层金属薄膜，形成热电偶热端接合点，得到最终所需要的玻璃微针热电偶。
2.根据权利要求1所述的玻璃微针热电偶的制备方法，其特征是，所述的玻璃微针为石英玻璃微针。
3.根据权利要求1或2所述的玻璃微针热电偶的制备方法，其特征是，所述的玻璃微针尖端尺寸为微米到纳米级。
4.根据权利要求1所述的玻璃微针热电偶的制备方法，其特征是，所述的沉积是化学气相沉积。
5.根据权利要求1所述的玻璃微针热电偶的制备方法，其特征是，所述的高温裂解是指将聚合物薄膜放入充满保护气氛的裂解炉中，以150 1400°C温度加热0. 5 6小时。
6.根据权利要求1或5所述的玻璃微针热电偶的制备方法，其特征是，所述的聚合物薄膜厚度为微米到纳米级。
7.根据权利要求1所述的玻璃微针热电偶的制备方法，其特征是，所述的金属液体为低熔点生物相容性金属及其合金。
8.根据权利要求1所述的玻璃微针热电偶的制备方法，其特征是，所述的磨制是在磨针仪下将玻璃微针尖端磨制出所需角度。
9.根据权利要求1所述的玻璃微针热电偶的制备方法，其特征是，所述的金属薄膜为生物相容性金属，厚度为微米到纳米级。
全文摘要
本发明公开一种生物医学工程领域的玻璃微针热电偶的制备方法，包括在玻璃微针表面沉积一层聚合物薄膜；将玻璃微针放入高温环境裂解，在玻璃微针上生成一层碳薄膜；往玻璃微针中注入金属液体并冷却；将玻璃微针尖端磨制出一定角度；最后在玻璃微针尖端沉积一层金属薄膜，形成热电偶热端接合点，得到最终所需要的玻璃微针热电偶。本发明制备玻璃微针热电偶工艺过程简单易操作。采用碳薄膜和生物相容性金属作为热电偶材料，热电性质稳定，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；电阻温度系数小，导电率高，比热小；材料复制性好，机械强度高；生物相容性好，可以直接应用于生物医学领域。
文档编号H01L35/34GK102522490SQ20111037204
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者刘景全, 张铃云, 杨斌, 杨春生 申请人:上海交通大学