RU2308008C1

RU2308008C1 - Method of measuring temperature of substrate

Info

Publication number: RU2308008C1
Application number: RU2006109850/28A
Authority: RU
Inventors: Борис Анатольевич Безуглый (RU); Борис Анатольевич Безуглый; гин Виктор Михайлович Фл (RU); Виктор Михайлович Флягин; Наталь Анатольевна Иванова (RU); Наталья Анатольевна Иванова
Original assignee: Гоу Впо "Тюменский Государственный Университет"
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-10

Abstract

FIELD: measuring technique.

SUBSTANCE: method comprises using a contact pickup that is introduced into the substrate in the zone of incidence of the laser beam inducing the thermo-capillary convection in the liquid layer.

EFFECT: enhanced reliability.

2 dwg

Description

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.The present invention relates to the field of measurement technology and can be used to measure the temperature of elements of various liquid microdevices, such as biochips or thin-film devices.

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.The problem of measuring the temperature of heated surfaces covered with a thin film of a transparent liquid is one of the relevant problems in modern microfluidic technologies. It is most acutely presented in laser diagnostics of liquids [1–4], where measuring the temperature of a substrate with a low coefficient of thermal conductivity in the zone of thermocapillary (TK) convection induced by a laser beam is associated with considerable difficulties.

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.The difficulty lies in the fact that we are dealing with a miniature liquid object (a characteristic layer thickness of the order of 10 ... 100 μm) located on a non-heat-conducting, locally heated substrate. Therefore, the traditional, with the help of a thermocouple, approach to measuring temperature, in this case is unacceptable for the following reasons.

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.1. When a thermocouple probe is placed through a liquid layer on a heated portion of the substrate surface due to the inevitable contact of the probe with the liquid, the experimental conditions are violated: due to the wetting phenomenon, the shape of the free surface of the liquid layer is distorted and flows that are not related to the thermocapillary effect.

2. Огромная, в 10²...10³ раз, разница между величиной теплопроводности материала подложки, обычно используемого в лазерной диагностике (например, карболит k_S=0.08 Вт/(м·К) или эбонит k_S=0.16 Вт/(м·К)) и материала термопары и сигнальных проводов (например, медь k_t=401 Вт/(м·К) или константан k_t=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.2. A huge, 10 ² ... 10 ³ times, difference between the thermal conductivity of the substrate material, usually used in laser diagnostics (for example, carbolite k _S = 0.08 W / (m · K) or ebonite k _S = 0.16 W / ( m · K)) and thermocouple material and signal wires (for example, copper k _t = 401 W / (m · K) or constantan k _t = 21 W / (m · K)), leads to the fact that almost all the heat, fed by an inducing laser beam, is diverted to a thermocouple, and not to a substrate and a liquid. As a result, the experimental conditions are violated again, and the temperature measurement data are significantly distorted.

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.The use of non-contact IR thermometry [5], despite its acceptable accuracy of about 2 ° C and high sensitivity from 0.1 to 0.01 ° C, is difficult due to insufficient spatial resolution - the diameter of the investigated area is from 6 to 20 mm, while as the diameter of the convection-inducing laser beam is less than 2 mm. This fact affects the accuracy of temperature measurement. In addition, it is possible to heat the liquid with the probe beam of an IR thermometer, which leads to a violation of the experimental conditions and, again, the accuracy of temperature measurements.

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.Thermal imaging equipment (IR cameras) [5], which allows you to build the thermal field of an object and measure the temperature at any point, is very expensive today, and therefore almost inaccessible to experimenters.

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.The aim of this invention is to eliminate the disadvantages inherent in contact methods of measuring temperature and improving the accuracy of measuring the temperature of the substrate upon excitation of TC convection by a laser beam in a thin layer of a transparent liquid located on this substrate.

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.The goal is achieved by using a temperature sensor embedded in the substrate flush in the incidence zone of the inducing beam; the effect of reducing the diameter of the TK response ¹⁾ ( ^{1) the} TK response [6] is the interference pattern on the screen formed by the reflected probe laser beam from the free surface of the liquid layer deformed by the TK flows caused by the thermal action of the inducing laser beam.) with decreasing temperature a heated portion of the surface of the substrate [6], which allows you to accurately track the decrease in temperature due to the presence of highly thermocouple material in the heating zone; and compensating for this decrease in temperature by increasing the power of the inducing beam.

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 D₀которого 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).The method is illustrated in figure 1, which is its schematic diagram. Upon irradiation of a thin layer 2 of a transparent liquid on an absorbing substrate 3 by an inducing beam of laser 1 of power P (Fig. 1a), a thermal field arises in the liquid due to its heating in the liquid, which by conduction reaches the free surface of the layer, leading to the emergence of TC convection and, as as a result, TK recesses 4 [1-4, 6] in the liquid layer. By sending a probe beam of laser 5 to the TK recess, a TK response 7 is obtained on the screen 6, the diameter D _{0 of} which is measured. Then (Fig. 1b), they are embedded flush into the substrate in the zone of incidence of the inducing beam so as not to introduce mechanical distortions into the TC fluid flow, temperature sensor 8 (thermocouple, thermistor, etc.), and the diameter of the TC response is measured in this case. Since the presence of the sensor leads to a decrease in the temperature of the surface of the substrate and the liquid in the heating zone, due to heat removal by the sensor material and signal wires, the diameter of the TC response decreases D <D ₀ (Fig. 1b).

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.Further, (Fig. 1c) for measuring the temperature of the substrate with a TK convection laser beam-induced in a thin layer of absorbing liquid, the power of the inducing beam is increased to a value of P + ΔP at which the diameter of the TK response becomes equal to the diameter of the TK response in the case of the substrate without sensor, i.e. D = D ₀ . According to [6], this indicates that the temperatures of the substrate surface and the surface of the thermocouple in the irradiation zone become equal. Then read the temperature sensor.

Пример. Измерение температуры подложки предлагаемым способом.Example. Measurement of the temperature of the substrate of the proposed method.

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).The ebonite substrate with a flush-mounted copper-constantan thermocouple (wire diameter of 250 μm, and a junction of 720 μm) is coated with a thin, 665 μm thick, layer of PMS-5 silicone oil, 5.1 cSt viscosity. A laser beam with a power of P = 2.98 mW with a spot diameter of 1 mm on the substrate, which induces TK convection in the layer, is directed to the substrate at a considerable distance from the thermocouple. A probe laser beam with a diameter of 8 mm, directed into the zone of TC-convection, when reflected from the deformed surface of the oil layer, forms on the screen a TC-response with a diameter of D ₀ = 26 mm (Fig. 2a, negative).

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.Then, the inducing and test laser beams are directed to the substrate portion with a thermocouple. In this case, the diameter of the TC response on the screen decreased from the initial by more than 30% and amounted to about D≅8 mm (Fig.2b, negative). The temperature of the substrate with a thermocouple in the TC convection zone was 1.1 K relative to the temperature of the thermostat.

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.In order to achieve equal diameters of the TC responses D = D ₀ = 26 mm, or, in other words, to compensate for the heat removal by the thermocouple material, the power P of the induction beam was increased to P + ΔP = 8.79 mW. The thermocouple readings in this case amounted to 3.4 K relative to the temperature of the thermostat. Based on the equality of the diameters of the TC responses in the case of a simple substrate and a substrate with a thermocouple, we conclude that the temperature of the ebonite substrate, with an induction beam power of 2.98 mW, is 3.4 K.

Таким образом, предлагаемый способ, отличаясь существенной простотой и надежностью, позволяет повысить точность измерения температуры подложки контактным способом и контролировать ее изменение бесконтактным способом.Thus, the proposed method, characterized by significant simplicity and reliability, allows to increase the accuracy of measuring the temperature of the substrate by the contact method and to control its change in a non-contact way.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Bezuglyi B.A., Fedorets A.A., Tarasov O.A. Laser diagnostics of liquids and its layers // 1^st Conference of the International Marangoni Association. - Giessen, Germany, Sept. 12-16, 2001. Abstracts, 84-85 (2001).1. Bezuglyi BA, Fedorets AA, Tarasov OA Laser diagnostics of liquids and its layers // 1 ^st 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 - 2001.2. RF patent No. 2165071. A method of measuring the thickness of a thin layer of a transparent liquid. Bezugly B.A., Fedorets A.A. - Bull. No. 10. // Inventions. Utility Models - 2001.

3. Патент РФ №2201587. Бесконтактный способ измерения вязкости. Безуглый Б.А., Федорец A.A. - Бюл. №9. // Изобретения. - 2003.3. RF patent No. 2201587. Non-contact method for measuring viscosity. Bezugly B.A., Fedorets A.A. - Bull. No. 9. // Inventions. - 2003.

4. Патент РФ №2247966. Способ измерения концентрации поверхностно-активного вещества. Безуглый Б.А., Тарасов O.A., Чемоданов С.И. - Бюл. №7. // Изобретения. - 2005.4. RF patent No. 2247966. A method of measuring the concentration of a surfactant. Bezugly B.A., Tarasov O.A., Chemodanov S.I. - Bull. Number 7. // Inventions. - 2005.

5. OMEGA Engineering Inc. URL: http://www.omega.com5. 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, 1983.6. Bezugly B.A. Capillary convection controlled by the thermal action of light and its application in information recording methods. Diss ... cand. Phys.-Math. Sciences, Moscow, Moscow State University, 1983.

Claims

A method for measuring the temperature of a substrate in an irradiation zone with thermocapillary convection induced by a laser beam in a thin layer of a transparent liquid using a temperature sensor mounted in the substrate, including local absorption of the radiation of the inducing laser by the substrate materials and the temperature sensor, and irradiating the thermocapillary convection zone with a probe laser beam, characterized in that that the heat losses arising due to the difference in thermal conductivities of the substrate material and the sensor are compensated by an additional supply of those due to an increase in the power of the inducing laser beam, and the equality of heat fluxes into the substrate and the sensor is judged by the equality of the diameters of the interference pattern formed on the screen as a result of reflection of the probe beam from the free surface of the liquid deformed by thermocapillary convection caused by the thermal effect of the inducing laser beam, for substrates without a temperature sensor and substrates with a sensor.