Способ измерения температуры подложки, покрытой тонким слоем прозрачной жидкости при фотоиндуцированной термокапиллярной конвекции
Патент 2308008
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Способ измерения температуры подложки, покрытой тонким слоем прозрачной жидкости при фотоиндуцированной термокапиллярной конвекции
Иллюстрации
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры поверхности элементов различных жидкостных микроустройств и тонкопленочных аппаратов. В способе используется контактный датчик температуры, внедряемый в подложку заподлицо в зоне падения пучка лазера, индуцирующего термокапиллярную конвекцию в слое жидкости. Понижение температуры в зоне конвекции, обусловленное отводом тепла в высокотеплопроводный, по сравнению с материалом подложки, материал термопары, отслеживается путем сравнения диаметров термокапиллярных откликов, образованных на экране отражающимся пробным пучком лазера от поверхности слоя жидкости, деформированного термокапиллярной конвекцией в случае простой подложки и подложки с внедренным датчиком температуры. Это понижение температуры затем компенсируется путем увеличения мощности индуцирующего пучка лазера до того момента, когда диаметры откликов для обоих случаев станут равными, при этом показания датчика температуры в этом случае будут давать искомую температуру подложки. Изобретение обладает простотой и надежностью, позволяет бесконтактно контролировать изменение температуры подложки и повысить точность измерения температуры этой подложки, осуществляемого обычным контактным способом. 2 ил.
Реферат
Предлагаемое изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры элементов различных жидкостных микроустройств, таких как биочипы или тонкопленочные аппараты.
Проблема измерения температуры нагреваемых поверхностей, покрытых тонкой пленкой прозрачной жидкости, является одной из актуальных в современных микрожидкостных технологиях. Наиболее остро она представлена в лазерной диагностике жидкостей [1-4], где измерение температуры подложки с низким коэффициентом теплопроводности, в зоне индуцированной пучком лазера термокапиллярной (ТК) конвекции сопряжено со значительными трудностями.
Сложность заключается в том, что мы имеем дело с миниатюрным жидким объектом (характерная толщина слоя порядка 10...100 мкм), расположенным на нетеплопроводной, локально нагреваемой подложке. Следовательно, традиционный, с помощью термопары, подход к измерению температуры, в данном случае неприемлем по следующим причинам.
1. При помещении зонда термопары через слой жидкости на нагретый участок поверхности подложки из-за неизбежного контакта зонда с жидкостью происходит нарушение условий эксперимента: за счет явления смачивания искажается форма свободной поверхности слоя жидкости и возникают течения, не связанные с термокапиллярным эффектом.
2. Огромная, в 102...103 раз, разница между величиной теплопроводности материала подложки, обычно используемого в лазерной диагностике (например, карболит kS=0.08 Вт/(м·К) или эбонит kS=0.16 Вт/(м·К)) и материала термопары и сигнальных проводов (например, медь kt=401 Вт/(м·К) или константан kt=21 Вт/(м·К)), приводит к тому, что почти все тепло, подводимое индуцирующим пучком лазера, отводится в термопару, а не в подложку и жидкость. В результате, снова нарушаются условия эксперимента, а данные измерения температуры оказываются существенно искаженными.
Применение бесконтактной ИК-термометрии [5], несмотря на ее приемлемую точность около 2°С и высокую чувствительность от 0.1 до 0.01°С, затруднено из-за недостаточной пространственной разрешающей способности - диаметр исследуемого участка составляет от 6 до 20 мм, в то время как диаметр индуцирующего конвекцию лазерного пучка менее 2 мм. Этот факт влияет на точность измерения температуры. Кроме того, возможен нагрев жидкости зондирующим пучком ИК-термометра, что приводит к нарушению условий эксперимента и опять же точности измерений температуры.
Тепловизионная техника (ИК-камеры) [5], позволяющая строить тепловое поле объекта и измерять температуру в любой его точке, на сегодняшний день весьма дорога, а потому почти недоступна экспериментаторам.
Целью данного изобретения является устранение недостатков, присущих контактным способам измерения температуры и повышение точности измерения температуры подложки при возбуждении ТК-конвекции пучком лазера в тонком слое прозрачной жидкости, находящейся на этой подложке.
Цель достигается использованием датчика температуры, внедренного в подложку заподлицо в зоне падения индуцирующего пучка; эффекта уменьшения диаметра ТК-отклика1) (1) ТК-отклик [6] - интерференционная картина на экране, образованная отраженным пробным пучком лазера от свободной поверхности жидкого слоя, деформированной ТК-течениями, вызванными тепловым действием индуцирующего лазерного пучка.) с понижением температуры нагретого участка поверхности подложки [6], который позволяет точно отслеживать понижение температуры, обусловленное наличием высокотеплопроводного материала термопары в зоне нагрева; и компенсированием этого понижения температуры путем увеличения мощности индуцирующего пучка.
Способ поясняется на Фиг.1, которая является его принципиальной схемой. При облучении индуцирующим пучком лазера 1 мощностью Р (Фиг.1а) тонкого слоя 2 прозрачной жидкости на поглощающей подложке 3 из-за ее нагрева в жидкости возникает тепловое поле, которое путем кондукции достигает свободной поверхности слоя, приводя к возникновению ТК-конвекции и, как следствие, ТК-углубления 4 [1-4, 6] в жидком слое. Направляя на ТК-углубление пробный пучок лазера 5, на экране 6 получают ТК-отклик 7, диаметр D0 которого измеряют. Затем (Фиг.1б) в подложку в зоне падения индуцирующего пучка, внедряют заподлицо, чтобы не вносить механические искажения в ТК-течение жидкости, датчик температуры 8 (термопара, термистор и т.д.), и измеряют диаметр ТК-отклика в этом случае. Поскольку наличие датчика приводит к понижению температуры поверхности подложки и жидкости в зоне нагрева, из-за отвода тепла материалом датчика и сигнальными проводами, то диаметр ТК-отклика уменьшается D<D0 (Фиг.1б).
Далее, (Фиг.1в) для измерения температуры подложки при индуцированной пучком лазера ТК-конвекции в тонком слое поглощающей жидкости, мощность индуцирующего пучка увеличивают до такой величины Р+ΔР, при которой диаметр ТК-отклика становится равен диаметру ТК-отклика в случае подложки без датчика, то есть D=D0. Согласно [6], это свидетельствует о том, что температуры поверхности подложки и поверхности термопары в зоне облучения становятся равными. Затем производят считывание показаний датчика температуры.
Пример. Измерение температуры подложки предлагаемым способом.
Эбонитовая подложка с внедренной в нее заподлицо термопарой медь-константан (диаметр провода 250 мкм, а спая 720 мкм), покрыта тонким, толщиной 665 мкм, слоем силиконового масла ПМС-5, вязкостью 5.1 сСт. На подложку на значительном расстоянии от термопары направляется пучок лазера мощностью Р=2.98 мВт с диаметром пятна на подложке 1 мм, который индуцирует ТК-конвекцию в слое. Пробный пучок лазера диаметром 8 мм, направленный в зону ТК-конвекции, при отражении от деформированной поверхности слоя масла, образует на экране ТК-отклик диаметром D0=26 мм (Фиг.2а, негатив).
Затем индуцирующий и пробный лазерные пучки направляют на участок подложки с термопарой. В этом случае, диаметр ТК-отклика на экране уменьшился от начального более чем на 30% и составил около D≅8 мм (Фиг.2б, негатив). Температура подложки с термопарой в зоне ТК-конвекции равнялась 1.1 К относительно температуры термостата.
Чтобы добиться равенства диаметров ТК-откликов D=D0=26 мм, или, иными словами, компенсировать отвод тепла материалом термопары, мощность Р индуцирующего пучка увеличили до Р+ΔР=8.79 мВт. Показания термопары в этом случае составили 3.4К относительно температуры термостата. Исходя из равенства диаметров ТК-откликов в случае простой подложки и подложки с термопарой, заключаем, что температура эбонитовой подложки, при мощности индуцирующего пучка 2.98 мВт составляет 3.4 К.
Таким образом, предлагаемый способ, отличаясь существенной простотой и надежностью, позволяет повысить точность измерения температуры подложки контактным способом и контролировать ее изменение бесконтактным способом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bezuglyi B.A., Fedorets A.A., Tarasov O.A. Laser diagnostics of liquids and its layers // 1st Conference of the International Marangoni Association. - Giessen, Germany, Sept. 12-16, 2001. Abstracts, 84-85 (2001).
2. Патент РФ №2165071. Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости. Безуглый Б.А., Федорец A.A. - Бюл. №10. // Изобретения. Полезные модели - 2001.
3. Патент РФ №2201587. Бесконтактный способ измерения вязкости. Безуглый Б.А., Федорец A.A. - Бюл. №9. // Изобретения. - 2003.
4. Патент РФ №2247966. Способ измерения концентрации поверхностно-активного вещества. Безуглый Б.А., Тарасов O.A., Чемоданов С.И. - Бюл. №7. // Изобретения. - 2005.
5. OMEGA Engineering Inc. URL: http://www.omega.com
6. Безуглый Б.А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света и ее применение в способах регистрации информации. Дисс ... канд. физ.-мат. наук, Москва, МГУ, 1983.
Способ измерения температуры подложки в зоне облучения при индуцированной лазерным пучком термокапиллярной конвекции в тонком слое прозрачной жидкости с помощью вмонтированного в подложку датчика температуры, включающий локальное поглощение излучения индуцирующего лазера материалами подложки и датчика температуры, и облучение зоны термокапиллярной конвекции пробным пучком лазера, отличающийся тем, что потери тепла, возникающие из-за разности теплопроводностей материала подложки и датчика, компенсируют дополнительным подводом тепла за счет увеличения мощности индуцирующего пучка лазера, а о равенстве тепловых потоков в подложку и датчик судят по равенству диаметров интерференционной картины, образуемой на экране в результате отражения пробного пучка от свободной поверхности жидкости, деформированной термокапиллярной конвекцией, вызванной тепловым действием индуцирующего пучка лазера, для подложки без датчика температуры и подложки с датчиком.