CN111811678A - 利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法 - Google Patents

利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法 Download PDF

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Abstract

利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法，先制备量子点水溶液并制成试片，搭建、运行带有泵体、标定段和测量段的闭合回路。在标定段使用脉冲紫外光对试片进行标定，可以建立量子点水溶液的荧光寿命随温度变化的数据库。将待测表面与测量段接触，通过高速相机拍摄、图像分析、数据库比对和反演计算得到试片表面温度场的分布及其变化情况。本发明使用光学方法，可以实现温度场实时测量，具有测量精度高、分辨率高且频率响应快等优点。

Description

利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法
技术领域
本发明涉及物体表面温度测试技术领域，具体涉及利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法。
背景技术
表面温度场测量在微尺度传热现象研究、大规模集成电路散热设计、多相流场动态测量等领域中都有重要且广泛的应用。
表面温度场测量的一般方法可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法多为：利用热力学第零定律，在待测表面布置一系列如热电阻、热电偶等感温元件，测量所得数据经人工或计算机处理后，整理出待测面的温度场分布。非接触式测量多利用物体热辐射随温度变化的特性进行测量，然而影响热辐射成像的因素较多，导致测量误差较大、分辨率较低。因此现有的研究主要使用感温元件以接触式方法进行表面温度场测量。
考虑到热电偶、热电阻频率响应低，且在待测表面上的布置密度受实际情况限制大多较低，因此传统的温度场测量方法的空间分辨率难以进一步提高。本发明提出一种表面温度场的光学测量新方法，该方法对温度场干扰小、频响高，测量响应速度理论上可达飞秒(10-12s)级，且测量空间分辨率可达微米级。
发明内容
本发明的目的是提供利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法，能实现表面温度场的准确、动态测量。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法，首先，将水溶性量子点按一定比例分散在纯水中，制成量子点水溶液。其次，搭建带有泵体、标定段和测量段的回路。此方法利用量子点荧光寿命随温度变化的规律，使得热流密度的测量反应速度理论可达飞秒(10-12s)级，并且测量的分辨率可达微米级。
具体包括如下步骤：
步骤1，量子点水溶液和测试试片的制备：在室温下，将水溶性量子点以一定体积比与纯水混合，并进行充分震荡，得到量子点水溶液1。将铜片2与石英片3两端分别用入口转接口7-1和出口转接口7-2连接并固定，保持间距0.25-3mm。使用有机玻璃将侧边封闭，构成一个腔体，得到测试试片；以测试试片中点为界，沿着量子点水溶液1的流动方向，将测试试片划分为标定段A和测量段B；
步骤2，管路搭建：使用PVC管路9将蠕动泵10与入口转接口7-1和出口转接口7-2连接，并添加入水口11-1和出水口11-2，构成一个回路。将步骤1中的量子点水溶液从入水口11-1注入，直到完全充满回路。启动蠕动泵10，使铜片2与石英片3之间的量子点水溶液1移动速率保持为0.01-1.5mm·s-1；
步骤3，温度标定：使用第一遮光片4-1、第二遮光片4-2、第三遮光片4-3和第四遮光片4-4对石英片3进行部分遮挡，使得第一加热片5-1、第二加热片5-2和第三加热片5-3处于上述遮光片留出的空隙的正上方。将第一加热片5-1、第二加热片5-2和第三加热片5-3设定至不同温度T1、T2和T3，并通过第一半导体制冷片6-1和第二半导体制冷片6-2控制入口转接口7-1前的量子点水溶液温度至低于T1。待体系稳定后，使用脉冲紫外光源12。铜片2与石英片3之间的量子点水溶液1，同时利用装有滤波片13的超高速摄像机14实时采集石英片3上第一遮光片4-1、第二遮光片4-2、第三遮光片4-3和第四遮光片4-4空隙部分的荧光图样，通过计算机15对图样进行处理分析，提取温度为T1、T2和T3下量子点水溶液的荧光寿命，并记录此时对应的温度。重复设定第一加热片5-1、第二加热片5-2和第三加热片5-3的温度，直到覆盖待测对象变化的整个温度区间。整理获得量子点水溶液的荧光寿命与对应温度的数据库；
步骤4，温度场测量：保持步骤3中的蠕动泵10的速度、脉冲紫外光源12的功率、脉冲时长和超高速摄像机14的位置、光圈不变；视待测表面情况，可以考虑在测量段B两端放置挡水条8。将测量段与待测表面充分接触，并同时使用脉冲紫外光源12不断激发量子点水溶液1，使用超高速摄像机14实时采集石英片3上未被第一遮光片4-1、第二遮光片4-2、第三遮光片4-3和第四遮光片4-4遮挡部分的荧光图样并传送至计算机15，将图样中各点的荧光寿命与标定整理的数据库作对比，反推出各点的实时温度，进而得到待测表面的温度场变化情况。
所述铜片2与石英片3为优选的，要保持平行、间距0.25-3mm；铜片2的厚度要能够保持试验试片强度且不显著影响传热过程。
所述量子点水溶液1在制备过程中水溶性量子点与纯水混合的比例需要满足如下条件：能够使量子点水溶液1的荧光激发图样被高速摄像机13捕捉到，并且具有较好的区分度。
所述的石英片3具有小的热容和小的传热系数，且能够所使用的紫外光和特定波长的荧光。
所述紫外光源12所发射的紫外光脉冲能够激发所使用量子点水溶液1，并使其产生能被超高速摄像机14捕捉到的荧光效应。
所述滤波片13是与量子点水溶液1激发发光波长相匹配的带通滤镜。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明采用紫外光致发光的水溶性量子点制备处于膜状流动状态下的测试片，充分利用了量子点材料荧光寿命(即激发发光强度的衰减情况)的温变特性，该光学方法可以实现表面温度场的实时测量，测量分辨率可达到微米级，且灵敏度和精度与传统温度测量方法相比有很大提高。
附图说明
图1为本发明测量方法示意图。
图2为本发明中试片标定段与测量段的划分示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例一：液滴自然蒸发时底面温度的实时测量：
(1)如图1所示，测试试片包括铜片2、石英片3、入口转接口7-1、出口转接口7-2以及在铜片2与石英片3之间流动的CdTe量子点水溶液1。CdTe量子点水溶液的制备方法如下：在室温下，将水溶性CdTe与纯水以1:25的体积比混合，并进行充分震荡，得到CdTe量子点水溶液1。将铜片2与石英片3两端分别用入口转接口7-1和出口转接口7-2连接并固定，保持间距0.5mm。使用有机玻璃将侧边封闭，构成一个腔体，得到测试试片；如图2所示，以试片中点为界，沿着CdTe量子点水溶液1的流动方向，将试片划分为标定段A和测量段B。
(2)如图1所示，管路的搭建方法如下：使用PVC管路9将蠕动泵10与入口转接口7-1和出口转接口7-2连接，并添加入水口11-1和出水口11-2，构成一个回路。将步骤1中得到的CdTe量子点水溶液从入水口11-1注入，直到完全充满回路。启动蠕动泵10，使铜片2与石英片3之间的CdTe量子点水溶液1流动速率保持为0.5mm·s-1。
(3)如图1所示，温度标定的方法如下：使用第一遮光片4-1、第二遮光片4-2、第三遮光片4-3和第四遮光片4-4对石英片3进行部分遮挡，使得第一加热片5-1、第二加热片5-2和第三加热片5-3处于上述遮光片留出的空隙的正上方。将第一加热片5-1、第二加热片5-2和第三加热片5-3加热至310K、320K和330K，并通过设置在入口转接口7-1前后PVC管路上的第一半导体制冷片6-1和第二半导体制冷片6-2控制入口转接口7-1前的CdTe量子点水溶液温度至低于295K。待体系稳定后，使用脉冲紫外光源12激发铜片2与石英片3之间的CdTe量子点水溶液1，同时利用装有滤波片13的超高速摄像机14实时采集石英片3上第一遮光片4-1、第二遮光片4-2、第三遮光片4-3和第四遮光片4-4空隙部分的荧光图样，通过与超高速摄像机14连接的计算机15对图样进行处理分析，提取对应温度下CdTe量子点水溶液的荧光寿命；设定第一加热片5-1、第二加热片5-2和第三加热片5-3的温度为340K、350K和360K，提取并记录对应温度下CdTe量子点水溶液的荧光寿命。整理后获得在310K至360K的区间内CdTe量子点水溶液的荧光寿命与对应温度的数据库。
(4)如图1所示，温度场测量的方法如下：保持标定时的蠕动泵10的速度、脉冲紫外光源12的功率、脉冲时长和超高速摄像机14的位置、光圈与温度标定时相同。在测量段两端放置挡水条8，将一滴75℃的蒸馏水滴加至测量段的表面，并同时使用脉冲紫外光源12不断激发CdTe量子点水溶液1，使用超高速摄像机14实时采集石英片3上未被第一遮光片4-1、第二遮光片4-2、第三遮光片4-3和第四遮光片4-4遮挡部分的荧光图样并传送至计算机15，将荧光图样中各点的荧光寿命与CdTe量子点水溶液荧光寿命与对应温度的数据库作对比，反推出各点的实时温度，进而得到液滴底面的温度场变化情况。
实施例二：芯片工作时表面温度的实时测量：
(1)如图1所示，测试试片包括铜片2、石英片3、入口转接口7-1、出口转接口7-2以及在铜片2与石英片3之间流动的CdSe量子点水溶液1。CdSe量子点水溶液的制备方法如下：在室温下，将水溶性CdSe以1:30的体积比与纯水混合，并进行充分震荡，得到CdSe量子点水溶液1。将铜片2与石英片3两端分别用入口转接口7-1和出口转接口7-2连接并固定，保持间距1.0mm。使用有机玻璃将侧边封闭，构成一个腔体，得到测试试片；如图2所示，以试片中点为界，沿着CdSe量子点水溶液1的流动方向，将试片划分为标定段A和测量段B。
(2)如图1所示，管路的搭建方法如下：使用PVC管路9将蠕动泵10与入口转接口7-1和出口转接口7-2连接，并添加入水口11-1和出水口11-2，构成一个回路。将步骤1中得到的CdSe量子点水溶液从入水口11-1注入，直到完全充满回路。启动蠕动泵10，使铜片2与石英片3之间的CdSe量子点水溶液1流动速率保持为1.0mm·s-1。
(3)如图1所示，温度标定的方法如下：使用第一遮光片4-1、第二遮光片4-2、第三遮光片4-3和第四遮光片4-4对石英片3进行部分遮挡，使得第一加热片5-1、第二加热片5-2和第三加热片5-3处于上述遮光片留出的空隙的正上方。将第一加热片5-1、第二加热片5-2和第三加热片5-3加热至310K、320K和330K，并通过设置在入口转接口7-1前后PVC管路上的第一半导体制冷片6-1和第二半导体制冷片6-2控制入口转接口7-1前的CdSe量子点水溶液温度至低于295K。待体系稳定后，使用脉冲紫外光源12激发铜片2与石英片3之间的CdSe量子点水溶液1，同时利用装有滤波片13的超高速摄像机14实时采集石英片3上第一遮光片4-1、第二遮光片4-2、第三遮光片4-3和第四遮光片4-4空隙部分的荧光图样，通过与超高速摄像机14连接的计算机15对图样进行处理分析，提取对应温度下CdSe量子点水溶液的荧光寿命，并记录下此时对应的温度；设定第一加热片5-1、第二加热片5-2和第三加热片5-3的温度为340K、350K和360K，提取并记录对应温度下CdSe量子点水溶液的荧光寿命；设定第一加热片5-1和第二加热片5-2的温度为370K和380K，提取并记录对应温度下CdSe量子点水溶液的荧光寿命。整理后获得在310K至380K的区间内CdSe量子点水溶液的荧光寿命与对应温度的数据库。
(4)如图1所示，温度场测量的方法如下：保持标定时的蠕动泵10的速度、脉冲紫外光源12的功率、脉冲时长和超高速摄像机14的位置、光圈与温度标定时相同。将被测的工作芯片与试片测量段表面充分接触，并同时使用脉冲紫外光源12不断激发CdSe量子点水溶液1，使用超高速摄像机14实时采集石英片3上未被第一遮光片4-1、第二遮光片4-2、第三遮光片4-3和第四遮光片4-4遮挡部分的荧光图样并传送至计算机15，将荧光图样中各点的荧光寿命与CdSe量子点水溶液荧光寿命与对应温度的数据库作对比，反推出各点的实时温度，进而得到芯片表面的温度场变化情况。

Claims (6)

1.利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，量子点水溶液和测试试片的制备：在室温下，将水溶性量子点与纯水以一定体积比混合，并进行充分震荡，得到量子点水溶液(1)；将铜片(2)与石英片(3)两端分别用入口转接口(7-1)和出口转接口(7-2)连接并固定，保持间距；使用有机玻璃将侧边封闭，构成一个腔体，得到测试试片；以测试试片中点为界，沿着量子点水溶液(1)的流动方向，将测试试片划分为标定段(A)和测量段(B)；
步骤2，管路搭建：使用PVC管路(9)将蠕动泵(10)与入口转接口(7-1)和出口转接口(7-2)连接，并添加入水口(11-1)和出水口(11-2)，构成一个回路；将步骤1中得到的量子点水溶液从入水口(11-1)注入，直到完全充满回路；启动蠕动泵(10)，使铜片(2)与石英片(3)之间的量子点水溶液(1)流动速率保持为0.01-1.5mm·s-1；
步骤3，温度标定：使用第一遮光片(4-1)、第二遮光片(4-2)、第三遮光片(4-3)和第四遮光片(4-4)对石英片(3)进行部分遮挡，使得第一加热片(5-1)、第二加热片(5-2)和第三加热片(5-3)处于上述遮光片留出的空隙的正上方；将第一加热片(5-1)、第二加热片(5-2)和第三加热片(5-3)分部设定至不同温度T1、T2和T3，并通过设置在入口转接口(7-1)前后PVC管路上的第一半导体制冷片(6-1)和第二半导体制冷片(6-2)控制入口转接口(7-1)前的量子点水溶液温度至低于第一加热片(5-1)的加热温度T1；待体系稳定后，使用脉冲紫外光源(12)激发铜片(2)与石英片(3)之间的量子点水溶液(1)，同时利用装有滤波片(13)的超高速摄像机(14)实时采集石英片(3)上第一遮光片(4-1)、第二遮光片(4-2)、第三遮光片(4-3)和第四遮光片(4-4)空隙部分的荧光图样，通过与超高速摄像机(14)连接的计算机(15)对荧光图样进行处理分析，提取温度为T1、T2和T3下量子点水溶液的荧光寿命，并记录下此时对应的温度；重复设定第一加热片(5-1)、第二加热片(5-2)和第三加热片(5-3)的温度，直到覆盖待测对象变化的整个温度区间；整理获得量子点水溶液荧光寿命与对应温度的数据库；
步骤4，温度场测量：保持蠕动泵(10)的速度、脉冲紫外光源(12)的功率、脉冲时长和超高速摄像机(14)的位置、光圈大小与温度标定时相同；视待测表面情况，考虑在测量段(B)两端放置挡水条(8)；将测量段与待测表面充分接触，并同时使用脉冲紫外光源(12)不断激发量子点水溶液(1)，使用超高速摄像机(14)实时采集石英片(3)上未被第一遮光片(4-1)、第二遮光片(4-2)、第三遮光片(4-3)和第四遮光片(4-4)遮挡部分的荧光图样并传送至计算机(15)，将荧光图样中各点的荧光寿命与量子点水溶液荧光寿命与对应温度的数据库作对比，反推出各点的实时温度，进而得到待测表面的温度场变化情况。
2.根据权利要求1所述的利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法，其特征在于：所述铜片(2)与石英片(3)要保持平行，并保持间距0.25-3mm，铜片(2)的厚度要能够保持其结构强度且不显著影响传热过程。
3.根据权利要求1所述的利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法，其特征在于：所述量子点水溶液(1)在制备过程中水溶性量子点与纯水混合的比例需要满足如下条件：能够使量子点水溶液(1)的荧光激发图样被高速摄像机(13)捕捉到，并且具有较好的区分度。
4.根据权利要求1所述的利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法，其特征在于：所述的石英片(3)具有小的热容和小的传热系数，且能够所使用的紫外光和量子点水溶液受激发出的荧光。
5.根据权利要求1所述的利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法，其特征在于：所述紫外光源(12)所发射的紫外光脉冲能够激发所使用的量子点水溶液(1)，并使其产生能被超高速摄像机(14)捕捉到的荧光效应。
6.根据权利要求1所述的利用量子点荧光寿命特性实现高分辨率温度场测量的方法，其特征在于：所述滤波片(13)是与所使用的量子点水溶液(1)激发发光波长相匹配的带通滤镜。
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