微小反應(yīng)器中流場(chǎng)測(cè)溫技術(shù)研究

袁方凌

（青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071）

由于溫度測(cè)量的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，使得對(duì)溫度監(jiān)控的創(chuàng)新、研究和發(fā)展一直在進(jìn)行。這些測(cè)量環(huán)境為溫度的準(zhǔn)確測(cè)量提出了各種要求。微小流體反應(yīng)器指的是反應(yīng)器的尺寸達(dá)到微米級(jí)別，或者反應(yīng)器中流體所在區(qū)域達(dá)到微米甚至更小量級(jí)，因此，接近被測(cè)流體可能十分困難,甚至探頭和被測(cè)流體無(wú)法接觸，或者存在電磁等的干擾，進(jìn)而達(dá)不到較高的分辨率。

在微小流體反應(yīng)器的溫度監(jiān)控中，主要的解決方法有光纖測(cè)溫技術(shù)，液晶粒子測(cè)溫技術(shù)、紅外測(cè)溫技術(shù)、微型熱電偶測(cè)溫、原子力顯微技術(shù)、熱反射顯微技術(shù)、拉曼測(cè)量和內(nèi)置溫度傳感器等。針對(duì)不同的測(cè)溫環(huán)境，不同測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)得到了很好的的體現(xiàn)。

1 光纖測(cè)溫技術(shù)

光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)，以其獨(dú)有的特質(zhì)而得以廣泛應(yīng)用。光纖測(cè)溫技術(shù)之所以越來(lái)越受到重視，是因?yàn)樗皇茈姶鸥蓴_，耐腐蝕，能無(wú)源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、電絕緣、防爆性好，另外，它靈敏度高，使用壽命長(zhǎng)，而且傳輸距離遠(yuǎn)，維護(hù)方便?；谝陨咸攸c(diǎn)，光纖傳感器可運(yùn)用于電磁、射頻環(huán)境，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的測(cè)溫方法受到嚴(yán)重干擾無(wú)法正常工作；或者安裝環(huán)境狹小，對(duì)傳感器尺寸有特殊要求的環(huán)境。對(duì)于微小反應(yīng)器中的流場(chǎng)測(cè)溫，光纖測(cè)溫技術(shù)也得到了很好的應(yīng)用。

1.1 熒光光纖測(cè)溫技術(shù)

1.1.1 基于傅里葉變換的熒光測(cè)溫儀

王玉田及其團(tuán)隊(duì)對(duì)基于快速傅里葉變換的熒光測(cè)溫儀進(jìn)行了研究[1]。該研究提出了一種基于快速傅里葉變換的擬合方法的熒光光纖溫度計(jì)。采用激光加熱小基座法生長(zhǎng)出端部摻Cr3+的藍(lán)寶石光纖熒光溫度傳感頭，根據(jù)熒光信號(hào)為單指數(shù)衰減信號(hào)的特點(diǎn),采用首先對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,從變換后的非零次頻譜項(xiàng)中計(jì)算出熒光壽命。通常的石英光纖熒光溫度傳感頭,由于熒光感溫元件與傳導(dǎo)光纖束的分離,必須采用光學(xué)膠合劑及較復(fù)雜的外保護(hù)套以增加機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性,這使得傳感頭的熱慣性增大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差。

快速傅里葉變換測(cè)熒光壽命具有精度高,速度快等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又具有較高的信噪比,且不受本底噪聲的干擾。采用更高光強(qiáng)的激光二極管,可以得到更高的分辨率。

1.1.2 雙波長(zhǎng)成比例熒光納米粒子

熒光探針(fluorescent probe)在化學(xué)傳感、光學(xué)材料及生物檢測(cè)和識(shí)別等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并成為實(shí)現(xiàn)上述功能的一種主要的技術(shù)手段。但以傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料為主的熒光探針在應(yīng)用中也存在一些難以克服的缺陷。

Hong-Shang Peng及其團(tuán)隊(duì)對(duì)成比例的熒光納米顆粒進(jìn)行檢測(cè)溫度進(jìn)行了研究[2]。之前Peng等人研究過(guò)對(duì)可見(jiàn)光敏感的納米粒子螯合物[3]，納米粒子螯合物的熒光強(qiáng)度及衰減壽命對(duì)溫度有很大的依賴性，試驗(yàn)中存在敏感度易破壞、探頭易飄移等缺點(diǎn)?；诖搜芯?，Peng發(fā)現(xiàn)雙波長(zhǎng)成比例熒光納米粒子，能夠避免以上缺點(diǎn)并提高靈敏度，并且能與經(jīng)濟(jì)廉價(jià)的便攜式LED光源相兼容。

1.1.3 封裝微珠熒光染料溫度傳感器

針對(duì)傳統(tǒng)熱電偶等熱的測(cè)量方法難以適用的微流通道或細(xì)胞內(nèi)的測(cè)溫，H.Aoki等人提出了一種方法[4]，制造出微珠型溫度傳感器，用微珠封裝熒光染料，使染料的濃度和體積的被精確地控制。對(duì)于微流通道中的實(shí)驗(yàn)如聚合酶鏈反應(yīng)擴(kuò)增DNA實(shí)驗(yàn)或毛細(xì)管電泳實(shí)驗(yàn)，以往的研究一般直接將熒光染料溶解在流體中，然而，這是難以實(shí)現(xiàn)染料濃度的均勻分布，熒光強(qiáng)度也缺乏統(tǒng)一在整個(gè)測(cè)量區(qū)域。另一方面，流體可能會(huì)與熒光染料相互作用，這可能會(huì)導(dǎo)致熒光強(qiáng)度的測(cè)量困難。而采用封裝熒光染料，可以防止染料通過(guò)化學(xué)或物理方式擴(kuò)散并且和周?chē)黧w相互作用，解決熒光強(qiáng)度測(cè)量困難的問(wèn)題。

1.1.4 在羅丹明B中加入輔助材料的熒光染料

羅丹明B是知名的敏感溫度指標(biāo)，可利用其制作溫度傳感器的熒光染料。但是此類(lèi)傳感器的測(cè)溫范圍只有20~80℃，無(wú)法在高溫下實(shí)現(xiàn)熒光的回收。

Hong Dinh Duong等人研究了在羅丹明B中加入輔助材料的熒光染料[5]。實(shí)驗(yàn)的測(cè)量模型是在羅丹明B中摻入二氧化硅凝膠或溶膠-凝膠基質(zhì)。將羅丹明B包埋到二氧化硅凝膠或溶膠-凝膠制備的固體基質(zhì)上并涂布光學(xué)光纖探頭（光纖溫度的傳感器（FOTS））的前端，然后測(cè)量水溶液的溫度。使用硅膠或硅烷可以提高熒光染料的環(huán)氧基和氨基的基團(tuán)靈敏度。此外，這些材料還可以防止pH值對(duì)溫度測(cè)量的干擾，減少了的離子強(qiáng)度的影響，并延長(zhǎng)傳感器的壽命時(shí)間超過(guò)3個(gè)月。

1.2 光纖光柵測(cè)溫

W.博徹爾斯發(fā)明了一種包含光纖光柵的玻璃纖維，可直接置入微小反應(yīng)器中，通過(guò)對(duì)Bragg光柵上的反射分析來(lái)檢測(cè)反應(yīng)器中溫度分布[6]。玻璃纖維穿在一根在材料方面與反應(yīng)隔離的保護(hù)軟管中，用于排出反應(yīng)組分對(duì)玻璃纖維產(chǎn)生的化學(xué)影響。此溫度測(cè)量可從-60℃到1150℃，適用范圍包括反應(yīng)器、蒸餾塔、熱交換器、混合器分離器及反應(yīng)槽尺寸小的如毛細(xì)反應(yīng)的微反應(yīng)器。

2 液晶粒子測(cè)溫

在由溫度梯度引起的流動(dòng)中，流場(chǎng)的溫度和速度場(chǎng)測(cè)量,對(duì)于傳熱傳質(zhì)研究是非常重要的。熱色液晶(liquid crystal)作為一種新的溫度測(cè)試技術(shù)出現(xiàn)后，立刻得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1 熱色液晶測(cè)溫

張曦及其團(tuán)隊(duì)對(duì)液晶測(cè)溫測(cè)速技術(shù)在流體實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究[7]。該實(shí)驗(yàn)中所用液晶牌號(hào)為BM/R294W/S-33，它的溫度響應(yīng)范圍是4℃(29℃-33℃)，響應(yīng)時(shí)間在毫秒量級(jí)，基本上可以實(shí)時(shí)顯示流場(chǎng)溫度變化。液晶顆粒大小為50微米左右.隨著溫度的升高，液晶顏色從紅色開(kāi)始，逐漸變?yōu)辄S色，綠色，藍(lán)色。當(dāng)超出它的溫度范圍后，變?yōu)闊o(wú)色。由于液晶從不同角度觀察時(shí)顏色有差別，因此要保證測(cè)量時(shí)的觀察角度和標(biāo)定時(shí)的觀察角度基本一致。

熱色液晶測(cè)溫技術(shù)具有全場(chǎng)測(cè)量、直觀顯示和對(duì)流場(chǎng)干擾小等優(yōu)點(diǎn).液晶測(cè)量溫度的靈敏度為0.01℃～0.05℃，測(cè)量精度為0.05℃～0.2℃.光波波長(zhǎng)越短，測(cè)量靈敏度和精度越高.但是，熱色液晶測(cè)溫技術(shù)也有其不足之處：如溫度顯示范圍窄，大約為0.5℃－5℃攙合液晶粒子要考慮它對(duì)流體的跟隨性、匹配性等問(wèn)題。

2.2 液晶測(cè)溫新型圖像分析方法

PIV技術(shù)相比于其他的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如電容體層攝影術(shù)，X射線斷層掃描，磁共振成像或正電子發(fā)射粒子跟蹤，具有非侵入和廉價(jià)的優(yōu)勢(shì)。新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如微波的熱成像，目前正在調(diào)查其潛在的未來(lái)使用。

J.F.de Jong,等人對(duì)于PIV成像研究了一種新的圖像分析方法[8]。最初開(kāi)發(fā)示蹤粒子的流體流動(dòng)模式的可視化，成功擴(kuò)展了PIV氣體粒子系統(tǒng)。對(duì)于顆粒流PIV可以達(dá)到一個(gè)比較高的時(shí)間分辨率和空間分辨率，但技術(shù)只能施加到偽二維的系統(tǒng)，因?yàn)橐晥D需要其他的輔助功能。之后連續(xù)使用瞬時(shí)圖像與一個(gè)高速攝像頭，圖像對(duì)的交叉相關(guān)分析用來(lái)重建完整的溫度場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)采用新的圖像分析算法（DIA）及采用離散粒子模型（DPM），產(chǎn)生一定程度強(qiáng)度的離子分布函數(shù)，生成人工圖像影響擬合參數(shù)。結(jié)果表明這種算法將大大減小誤差。

3 紅外測(cè)溫

在微槽群性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溫度是實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的重要參數(shù)之一，因此它是否能被精確測(cè)量直接影響到實(shí)驗(yàn)的精度甚至實(shí)驗(yàn)的結(jié)論.非接觸式溫度測(cè)量方法在微尺度實(shí)驗(yàn)中擁有較大的優(yōu)勢(shì).王濤等人采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量[9]，沒(méi)有任何測(cè)點(diǎn)和被測(cè)量物體相接觸，不會(huì)破壞被測(cè)量物體的原有溫度場(chǎng)分布，同時(shí)對(duì)于布置沒(méi)有特殊的要求，比較簡(jiǎn)單方便。

實(shí)驗(yàn)將將毛細(xì)微槽放入密閉容器中，通過(guò)改變直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源的電壓來(lái)調(diào)節(jié)加熱膜的加熱量，待溫度穩(wěn)定后通過(guò)紅外測(cè)溫儀測(cè)量其溫度分布。實(shí)驗(yàn)證明了紅外測(cè)溫儀測(cè)量液體工質(zhì)在受熱微槽表面的溫度場(chǎng)分布的可行性。

4 微型熱電偶測(cè)溫

熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect）?，F(xiàn)在最小的市售熱電偶直徑為13-15微米，但即使這個(gè)大小，也必須非常小心的加入電線和構(gòu)建一個(gè)實(shí)用的微型探測(cè)設(shè)置[10]。熱電偶可用于絕對(duì)或差分測(cè)量。并且經(jīng)濟(jì)性較好。但是微型熱電偶也存在一些缺點(diǎn)，他的精度較低，可能存在干擾，且溫度分布不能平面成像。

5 熱反射顯微技術(shù)

一般而言，能否獲得高品質(zhì)的熱圖像主要依賴于物質(zhì)對(duì)熱反射系數(shù)。對(duì)于大多數(shù)的物質(zhì)，其熱反射系數(shù)一般在10-4/K—10-5/K之間[11]。據(jù)此，可以利用P-I-N二極管陣列捕捉信號(hào)并利用交流耦合模擬器顯示熱成像結(jié)果。加州大學(xué)Santa Cruz等人利用由16個(gè)二極管陣列的顯微相機(jī)得出了一個(gè)典型的微型冷卻器成像結(jié)果[12]。此方法靈敏度高且非常適合用于高速熱瞬變測(cè)量。

6 內(nèi)置溫度傳感器

在一些情況下，內(nèi)置溫度傳感器是十分理想的。Altet等人曾將傳感器分布在微小裝置內(nèi)，通過(guò)發(fā)射器和接收器得到裝置中溫度的分布[13]。此方法簡(jiǎn)單方便，但對(duì)傳感器的空間分布有較高要求，且存在擾動(dòng)，影響測(cè)量精度，空間分辨率較低。

7 總結(jié)

針對(duì)微小反應(yīng)器中流體溫度場(chǎng)分布的測(cè)控，主要的方法有熒光光纖測(cè)溫法、光纖光柵測(cè)溫法、PIV液晶粒子測(cè)溫法以及紅外測(cè)溫法。對(duì)傳統(tǒng)的熒光染料加以改良，熒光光纖測(cè)溫的精度將大大提升，同時(shí)也能降低測(cè)溫對(duì)流場(chǎng)的干擾。光纖光柵測(cè)溫將光柵包裹在玻璃纖維中，也能很好的保護(hù)反應(yīng)的正常進(jìn)行。液晶粒子測(cè)溫作為一種新的溫度測(cè)試技術(shù)出現(xiàn)后，立刻得到了廣泛的應(yīng)用，具有直觀顯示、全場(chǎng)測(cè)量、無(wú)干擾等優(yōu)點(diǎn)。而紅外測(cè)溫作為非接觸式測(cè)溫法，在對(duì)微小反應(yīng)器中流體測(cè)溫時(shí)，也能達(dá)到較好的效果。隨著各領(lǐng)域科學(xué)的不斷發(fā)展，溫度測(cè)控技術(shù)也在不斷提升，相信更多新型高效測(cè)溫法將在未來(lái)得到更多更好的應(yīng)用。

［1］王玉田,王冬生,崔立超.基于快速傅里葉變換的熒光測(cè)溫儀[J].測(cè)控技術(shù),2006,25(11)：18-20.

［2］Hong-Shang Peng，Shi-Hua Huang,Otto S.Wolfbeis.Ratiometric fluorescent nanoparticles for sensing temperature[J].Nanopart Res,2010,12：2729-2733.

［3］Peng HS,Stich M,Yu JB et al.Luminescent europium(III)nanoparticles for sensing and imaging of temperaturein the physiological range[J].Adv Mater 2010,22：716-719.

［4］H.Aoki,T.Kan,N.Binh-Khiem,K.Matsumoto，I.Shimoyama.Micro bead type temperature sensor with ratiometric fluorescenced yesencapsullated byparylene[J].MEMS 2011,Cancun,MEXICO,January 23-27.

［5］Hong Dinh Duong,Jong Il Rhee.Exploitation of thermo-effect of rhodamine B entrapped in sol-gel matrix and silica gel for temperature detection[J].Sensors and Actuators B 124,2007,18-23.

［6］W.博徹爾斯.用光纖光柵在反應(yīng)器中測(cè)量溫度分布，中國(guó)，200580021820.8［P］.2006.1.5.

［7］張曦，翁文國(guó)，張嘉鋒，何世平.液晶測(cè)溫測(cè)速技術(shù)在流體實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,30(1)：51-55.

［8］J.F.de Jong,S.O.Odu,M.S.van Buijtenen,N.G.Deen,M.van Sint Annaland,J.A.M.Kuipers.Development and validation of a novel Digital Image Analysis method for fluidized bed Particle Image Velocimetry[J].Powder Technology,2012,230,193-202.

［9］王濤，胡學(xué)功，唐大偉.微槽群內(nèi)汽液界面溫度分布的紅外熱成像[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008,36(10)：129-132.

［10］J.Christofferson，K.Maize，Y.Ezzahri，J.Shabani，X.Wang，A.Shakouri.Microscale and Nanoscale Thermal Characterization Techniques[J].Journal of Electronic Packaging,December 2008,Vol.130/041101-1.

［11］Tessier,G.,Hole,S.,and Fournier,D..Quantitative Thermal Imaging by Synchronous Thermoreflectance With Optimized Illumination Wave-lengths[C].Appl Phys Lett,2001,78：2267-2269.

［12］Christofferson,J.,and Shakouri,A.Thermoreflectance Based Thermal Microscope[J].Rev.Sci.Instrum,2005.

［13］Altet,J.,Claeys,W.,Dilhaire,S.,and Rubio,A.Dynamic Surface Temperature Measurements in ICs[C].Proc.IEEE,2006,94：1519-1533.