JP7496504B2

JP7496504B2 - 温度測定システム

Info

Publication number: JP7496504B2
Application number: JP2020088982A
Authority: JP
Inventors: 一人福田; 美枝高橋; 佳幾嶋田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-05-21
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2024-06-07
Anticipated expiration: 2040-05-21
Also published as: JP2021183922A

Description

本発明は、温度測定システム、特に、低温での温度および温度変化を測定する測定システムに関する。

従来、温度を測定する方法として、赤外線放射温度計が広く知られている。物質表面からは赤外線が放射されており、赤外線の量は物質表面の温度によって変化する。発せられた赤外線は空間を伝ってエネルギーを運ぶ。放射温度計では、検出器上のレンズで赤外線エネルギーを集め、エネルギーを電気信号に変換することで測定対象物と接触せずに物質表面の温度を測定している。

例えば、特許文献１では、温度測定を実施するために被測定物から発生した放射熱を対向して存在する赤外線吸収材料に吸収させる。吸収された熱は、熱光学効果を持つ膜の屈折率変化として検出することで高感度な温度測定を可能にしている。

特開２００４－２４５６７４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、被測定物から測定部までの周辺環境によって放射熱が減衰および増幅し、温度測定が周辺環境に影響を受ける。特に、周囲の温度が低いと減衰する熱量が大きくなり測定が困難になるという課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低温領域での物体の温度変化を測定する温度測定システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る温度測定システムは、熱に応答して膨張収縮する基板と、前記基板上に、面に沿って互いに離間して配置され、励起エネルギーにより発光する波長が異なる２種類以上の発光粒子と、を含むセンサ部と、
前記センサ部に含まれる前記２種類以上の発光粒子を発光させる励起エネルギー源と、
前記センサ部からの発光を受光する受光部と、
を備える。

以上のように、本発明に係る温度測定システムによれば、低温でも温度変化を測定することができる。

実施の形態１に係る温度測定システムの構成を示す概略図である。実施の形態２に係る温度測定システムの構成を示す概略図である。

第１の態様に係る温度測定システムは、熱に応答して膨張収縮する基板と、前記基板上に、面に沿って互いに離間して配置され、励起エネルギーにより発光する波長が異なる２種類以上の発光粒子と、を含むセンサ部と、
前記センサ部に含まれる前記２種類以上の発光粒子を発光させる励起エネルギー源と、
前記センサ部からの発光を受光する受光部と、
を備える。

第２の態様に係る温度測定システムは、上記第１の態様において、前記２種類以上の発光粒子は、一方の種類の発光粒子の発光スペクトルと、他方の種類の発光粒子の励起スペクトルとが重なりを有してもよい。

第３の態様に係る温度測定システムは、上記第１又は第２の態様において、前記２種類以上の発光粒子として、半導体ナノ粒子、有機色素のうち、少なくとも１種以上を用いてもよい。

第４の態様に係る温度測定システムは、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記センサ部は、前記２種類以上の発光粒子を前記基板の面に沿って互いに離間して配置するスペーサを含んでもよい。

第５の態様に係る温度測定システムは、上記第１から第４のいずれかの態様において、前記励起エネルギーが、光エネルギーであってもよい。

第６の態様に係る温度測定システムは、上記第１から第５のいずれかの態様において、受光した前記発光の波長分布に基づいて、前記基板の温度を測定する画像解析部を、さらに備えてもよい。

以下、実施の形態に係る温度測定システムについて、図面を参照しながら説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る温度測定システム１０の構成を示す概略図である。なお、図面において、便宜上、センサ部２００の平面内の広がりを示す面内をＸ－Ｙ平面とし、紙面右をＸ方向とし、鉛直上方をＺ方向として示している。
図１において、実施の形態１に係る温度測定システムは１０、励起エネルギー源１００と、センサ部２００と、発光受光素子３００と、画像解析部４００と、を備える。センサ部２００は、熱に応答して膨張収縮する基板２１１と、基板２１１上に、面に沿って互いに離間して配置され、励起エネルギーにより発光する波長が異なる２種類以上の発光粒子２１３、２１４と、を含む。励起エネルギー源１００によってセンサ部２００に含まれる２種類の発光粒子２１３、２１４を発光させる。発光受光素子３００によって、センサ部２００からの発光を受光する。また、画像解析部４００によって、受光した発光の波長分布に基づいて、基板２１１の温度変化を測定できる。
この温度測定システム１０によれば、基板２１１上に配置された２種類以上の発光粒子２１３，２１４からの発光スペクトルの波長分布を検出することで、２種類以上の発光粒子２１３、２１４の粒子間距離の変化を検出でき、それによって基板２１１の温度変化を測定できる。

以下にこの温度測定システム１０を構成する部材について説明する。

なお、本実施の形態では、励起エネルギー源１００、発光受光素子３００、画像解析部４００は、特に限定されるものではないが、例えば以下に記載のものを用いることができる。

＜励起エネルギー源＞
励起エネルギー源１００は、センサ部２００の発光粒子２１３、２１４を励起できる励起エネルギー源であれば、特に制限はされない。例えば、光エネルギー源を用いることができる。観察範囲内を一括で評価するためには、均一に励起エネルギーを供給する必要がある。

＜発光受光素子＞
発光受光素子３００は、発光粒子２１３、２１４の発光挙動変化を受光できる受光素子であれば、特に制限はされない。特に、観察範囲内を一括で評価できる、例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、イメージセンサなどを用いることができる。これらを用いることにより、観察範囲内の発光挙動を瞬時に分析することが可能である。
なお、励起エネルギー源として光エネルギー源を用いる場合は、発光受光素子３００において検出感度を上げるため、波長カットフィルターを用い、励起エネルギー源１００の波長の影響を抑制することが好ましい。

なお、この温度測定システム１０において、センサ部２００の平面に対して、斜め方向に励起エネルギー源１００と発光受光素子３００とを配置しているが、上記配置は一例であり、これらの配置を特に制限するものではない。

＜画像解析部＞
画像解析部４００は、得られたイメージを色度、輝度により解析し、周囲との色度差、輝度差が得られる座標を算出できることが好ましい。画像解析部４００では、受光した発光の波長分布に基づいて、センサ部２００が設けられている基板の温度変化を測定する。具体的には、得られた発光の波長分布によって、２種類の発光粒子２１１、２１３の距離の変化が検出でき、微小領域での温度変化を測定することができる。温度変化測定の原理の詳細については、後述する。

＜センサ部＞
センサ部２００は、熱に応じて膨張収縮する基板２１１と、複数の発光粒子２１３、２１４と、スペーサ２１２と、保護層２２０と、から構成されている。
＜基板＞
基板２１１としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ＡＢＳ樹脂のようなプラスチック材料を用いてもよい。また、基板２１１は、熱膨張係数が０．００００１／Ｋ以上０．０００１／Ｋ以下であることが好ましい。

＜発光粒子＞
発光粒子２１３、２１４は、励起エネルギーにより発光する波長が異なる２種類以上の発光粒子２１３、２１４と、を含む。
発光粒子２１３、２１４としては、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、テルル化カドミウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、テルル化亜鉛、硫化銅インジウム、硫化銀インジウム、リン化インジウムなどをコアとする半導体ナノ粒子、ハロゲン化セシウム鉛のようなペロブスカイト型半導体ナノ粒子、シリコン、カーボンなどをコアとする半導体ナノ粒子、メロシアニン、ペリレンなどの有機色素などを用いることができる。

２種類以上の発光粒子２１３、２１４の粒子サイズは、半導体ナノ粒子は、量子サイズ効果が得られる粒子サイズであればよく、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。より好ましくは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。有機色素は、原料は粉末状であっても、原料粉の粒子サイズによる影響はない。
２種類以上の発光粒子２１３、２１４は、基板２１１上に、面に沿って互いに離間して配置されている。

＜スペーサ＞
スペーサ２１２によって、２種類以上の発光粒子２１３、２１４を基板２１１の面に沿って互いに離間して配置することができる。具体的には、スペーサ２１２の中で２種類以上の発光粒子２１３、２１４を分散して配置してもよい。このスペーサ２１２の材料は、圧力により圧縮される、かつ、粒子からの発光を阻害しない材料であれば特に制限はされないが、採用する工法により一部制限される。例えば、ＬＢＬ法ではポリアリルアミン、ポリジアリルジメチルアンモニウムクロライドなどのカチオン性ポリマー、ポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリイソプレンスルホン酸、アニオン性のポリマーなどのイオン性のポリマーを使用することができ、スピンコーター法では、溶解する材料であれば特に制限はされないが、上述のイオン性ポリマー、シリコーン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリアクリルアミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタラートなどを使用することができる。

＜保護層＞
保護層２２０は、ハンドリングしやすい、かつ、粒子からの発光を阻害しない材料であれば特に制限はされないが、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリアクリルアミド、ポリカーボネートなどを用いることができる。

次に、実施の形態１に係る温度測定システムにおける温度変化の測定の原理を説明する。
発光する波長が異なる２種類以上の発光粒子として、一方の発光粒子（ドナー）の蛍光スペクトル（発光スペクトル）と、もう一方の発光粒子（アクセプター）の励起スペクトル（吸収スペクトル）との間に重なりがある場合を考える。この場合において、発光する波長が異なる二つの発光粒子が近接すると、励起エネルギーにより励起したドナーが発光する前に、その励起エネルギーがアクセプターを励起するという挙動が知られている。この挙動をフェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）といい、２種類の発光粒子の発光スペクトルの波長分布の挙動は、２種類の発光粒子間の距離に依存する。特に、ＦＲＥＴ効率をドナー励起数当たりのエネルギー移動数の割合とすると、ＦＲＥＴ効率は、２種類の発光粒子間の距離の６乗に反比例する。

この温度測定システムは、前述の原理を利用している。まず、センサ部の基板に熱が伝わり熱膨張又は収縮することにより、センサ部の基板上に配置された２種類の発光粒子間の距離が変化する。２種類の発光粒子間の距離の変化に応じ、ＦＲＥＴ効果により発光スペクトルが変化する。そのため、２種類の発光粒子の発光スペクトルを測定することにより、基板の温度変化へ変換することができる。

また、対象物を測定する前に、レファレンスとなる型を測定し、あらかじめ別の測定方法で絶対温度を求めておく。次に、対象物による測定とレファレンスとなる方の測定との発光スペクトル変化を測定することで元の温度に対する温度変化を測定することができる。そこで、元の温度に測定した温度変化を加算することで、対象物の温度を測定することが可能である。

ここで、２種類以上の発光粒子であるドナー、アクセプターのどちらも半導体ナノ粒子を用いた場合について説明する。半導体ナノ粒子は、半導体結晶をもつナノサイズの粒子であり、量子サイズ効果により粒子径に応じ、発光スペクトルが変化するという特性をもつ。また、同一の粒子径であっても、材料が異なれば、発光スペクトルが変化するという特性をもつ粒子であり、様々な発光スペクトルを実現することが可能である。

なお、発光粒子において、同一粒子径で材料系が異なる場合、材料そのものがもつエネルギーギャップが大きいほうが短波長側に発光を示す。発光波長が短波長側の半導体ナノ粒子を半導体ナノ粒子Ａ、発光波長が長波長側の半導体ナノ粒子を半導体ナノ粒子Ｂとする。２つの半導体ナノ粒子間の距離が十分離れた状態では、半導体ナノ粒子Ａと半導体ナノ粒子Ｂは、それぞれの発光スペクトルを示す。対象物の収縮により半導体ナノ粒子間の距離が近接した場合、その距離に応じて、半導体ナノ粒子Ａ、Ｂが励起され、半導体ナノ粒子Ａが発光する前に半導体ナノ粒子Ａから半導体ナノ粒子Ｂへのエネルギー移動が起こり、半導体ナノ粒子Ａから発光されるはずのエネルギーが半導体ナノ粒子Ｂの発光に利用される。結果として、半導体ナノ粒子Ａの発光スペクトル強度が減少し、半導体ナノ粒子Ｂの発光スペクトルが増強する。つまり、２つの半導体ナノ粒子の全体の発光スペクトルにおいて、短波長側の半導体ナノ粒子Ａの発光スペクトル強度が単体の場合より減少し、長波長側の半導体ナノ粒子Ｂの発光スペクトル強度が単体の場合より増強された波長分布を有する。全体の発光スペクトルにおける波長分布の挙動は、２つの半導体ナノ粒子Ａ、Ｂ間の距離に応じて変化する。
そこで、センサ部の面内の発光スペクトルの波長分布に基づいて、２種類の半導体ナノ粒子Ａ、Ｂ間の距離の変化、つまり対象物の温度変化を算出できる。

同一材料で粒子径が異なる場合、量子サイズ効果により粒子径が小さいほうが短波長側に発光を示す。前述したように短波長側の半導体ナノ粒子Ａと長波長側の半導体ナノ粒子Ｂの粒子間距離に応じエネルギー移動が起こり、発光スペクトルが変化する。

発光粒子に有機色素を用いた場合についても同様の原理で対象物の温度変化を検出できる。ＦＲＥＴ現象が生じると短波長側で発光する発光粒子又は色素分子の発光スペクトルが減少し、長波長側で発光する発光粒子又は色素分子の発光スペクトルが増強する。短波長側の発光ピーク波長と長波長側の発光ピーク波長とは、１０ｎｍ以上離れている方が好ましい。より好ましくは３０ｎｍ以上である。１０ｎｍより発光ピーク波長が近いと発光強度が低いスペクトルの発光ピーク強度がもう一方のスペクトルと重なり、発光スペクトルにおける波長分布の変化の検出が困難になる。
なお、発光スペクトルの変化は、周辺温度によって影響を受けないため放射温度計では測定の難しい低温領域の温度測定が可能になる。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る温度測定システム１０ａの構成を示す概略図である。図２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図２において、実施の形態２に係る温度測定システムは、励起エネルギー源１００と、センサ部２００と、発光受光素子３００と、画像解析部４００と、を備える。
本実施の形態２では、励起エネルギー源１００、保護層２２０、発光受光素子３００、画像解析部４００は、本実施の形態１と同じ構成要素であるため、説明を省略する。
実施の形態２に係る温度測定システム１０ａは、実施の形態１に係る温度測定システムと対比すると、センサ部２００に含まれる発光粒子２１３、２１４が、それぞれ層をなしていると共に、発光粒子２１３を含む層と、発光粒子２１４を含む層とが、基板２１１’の面内方向に沿って交互に配置されている点で相違する。

本実施の形態２のセンサ部は、加工された熱に応答して膨張収縮する基材２１１’と、該基材２１１’上に配置された２種類の発光粒子を含む層２１３、２１４と、保護層と、を含む。
基材２１１’への加工法としては、例えば、リソグラフィ、エッチングやナノインプリントを使用することが出来る。加工のピッチとしては５ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは、５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
基板２１１’上に発光粒子２１３を含む層と発光粒子２１４を含む層とを順に積層させる方法としては、特に制限されないが、例えばスパッタリングやスピンコーター法等のような粒子を積層できる工法を用いることができる。
なお、この温度測定システム１０ａにおける温度変化の測定の原理としては、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。

本発明に係る温度測定システムによれば、低温領域での温度変化を測定することが可能になる。また、本発明に係る温度測定システムによれば、特に低温プロセスで簡便に対象物の表面の温度を測定し、大面積することにより温度の分布を測定することも可能である。

１０、１０ａ温度測定システム
１００励起エネルギー源
２００センサ部
２１１基板
２１１’ 基板
２１２スペーサ
２１３発光粒子
２１４発光粒子
２２０保護層
３００発光受光素子
４００画像解析部

Claims

熱に応答して膨張収縮する基板と、前記基板上に、面に沿って互いに離間して配置され、励起エネルギーにより発光する波長が異なる２種類以上の発光粒子と、を含むセンサ部と、
前記センサ部に含まれる前記２種類以上の発光粒子を発光させる励起エネルギー源と、
前記センサ部からの発光を受光する受光部と、
受光した前記発光の発光スペクトルに基づいて、前記基板の温度を測定する画像解析部と、
を備え、
前記画像解析部は、前記基板の膨張又は収縮による前記センサ部の基板上に配置された前記２種類の発光粒子間の距離の変化に応じたＦＲＥＴ効果による発光スペクトルの変化を測定し、前記基板の温度変化を測定すると共に、
レファレンスとなる型を測定し、あらかじめ別の測定方法で絶対温度を求めておき、前記基板による測定と前記レファレンスの測定との発光スペクトルの変化を測定することで元の温度に対する温度変化を測定し、元の温度に測定した温度変化を加算することで、前記基板の温度を測定する、温度測定システム。
前記２種類以上の発光粒子は、一方の種類の発光粒子の発光スペクトルと、他方の種類の発光粒子の励起スペクトルとが重なりを有する、請求項１に記載の温度測定システム。
前記２種類以上の発光粒子として、半導体ナノ粒子、有機色素のうち、少なくとも１種以上を用いる、請求項１又は２に記載の温度測定システム。
前記センサ部は、前記２種類以上の発光粒子を前記基板の面に沿って互いに離間して配置するスペーサを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の温度測定システム。
前記励起エネルギーが、光エネルギーであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の温度測定システム。