Application of 3D printing to optical temperature sensors

Abstract

Luminescence-based optical thermal sensors have been a true revolution in the scientific and industrial field, due to their application in micro- and nano-scale systems and their high sensitivity. The use of 3D printing technology to implement this type of sensors opens the framework for a wide range of industrial applications, creating cheap, efficient and non-invasive thermal optical sensors. In this work, the fabrication of a thermal sensor in the shape of a hollow tube, doped with an active material is presented. For this purpose, we will study the emission of a fluoroindate glass doped with lanthanide ions, erbium and ytterbium, in order to analyse its viability as an active material for the optical temperature sensor. This sensor will be based on the LIR technique, which uses the thermal dependence of thermally coupled levels (TCLs) to find the ratio of emission intensities with increasing temperature. In order to achieve this, the emission bands corresponding to the 2𝐻11∕2 →4 𝐼15∕2 and 4𝑆3∕2 →4 𝐼15∕2 transitions were used, which emit at wavelengths around 525 and 550 nm, respectively. The temperature range considered was from room temperature 296.8 K to 376.3 K. In addition, essential parameters such as sensitivity and temperature uncertainty were obtained to compare its performance with other similar sensors. Next, the design and 3D printing of the tube here proposed is detailed. The printing parameters used are indicated, in addition to describing the steps followed for the design of the part, including the different alternatives proposed. The idea is to dope the tube in a durable, cheap and simple way. The inner walls of the tube were covered with an homogeneous mixture of a resin and the active material. Finally, we will present and discuss the results obtained by measuring the temperature of the tube with the LIR technique while a certain liquid flows through it. Three types of measurements were performed, one to check the temperature inside the tube as the temperature of the thermal bath increased, one to analyse the temperature difference at the beginning and at the end of the tube and finally some measurements to obtain the standard deviations of the temperature. Additionally, the possible implications of the results will be discussed and a series of future projects that continue the line of work here developed will be proposed.

Los sensores térmicos ópticos basados en luminiscencia han supuesto una auténtica revolución en el campo científico e industrial, debido a su aplicación en sistemas de micro y nano escala y a su alta sensibilidad. El uso de la tecnología de impresión 3D para la implementación de este tipo de sensores abre el marco a un amplio abanico de aplicaciones industriales, creando sensores ópticos térmicos baratos, eficientes y no invasivos. En este trabajo se propone la fabricación de un sensor térmico en forma de tubo hueco, dopado con un material activo. Para ello, se estudiará la emisión de un vidrio de fluoroindato dopado con iones lantánidos, erbio e iterbio, con el fin de analizar su viabilidad como material activo para el sensor óptico de temperatura. Este sensor se basará en la técnica LIR, que utiliza la dependencia térmica de los niveles térmicamente acoplados para hallar la relación entre las intensidades de emisión con el aumento de la temperatura. Para ello, se han utilizado las bandas de emisión correspondientes a las transiciones 2𝐻11∕2 →4 𝐼15∕2 y 4𝑆3∕2 →4 𝐼15∕2, que emiten a longitudes de onda en torno a 525 y 550 nm, respectivamente. El rango de temperatura considerado fue desde la temperatura ambiente 296.8 K hasta 376.3 K. Además, se obtuvieron parámetros esenciales como la sensibilidad y la incertidumbre de temperatura para comparar su rendimiento con el de otros sensores similares. A continuación, se detalla el diseño y la impresión 3D del tubo aquí propuesto. Se indican los parámetros de impresión utilizados, además de describir los pasos seguidos para el diseño de la pieza, incluyendo las diferentes alternativas propuestas. La idea es dopar el tubo de una forma duradera, barata y sencilla. Las paredes interiores del tubo se recubrieron con una mezcla homogénea de una resina y el material ópticamente activo. Por último, presentaremos y discutiremos los resultados obtenidos midiendo la temperatura del tubo con la técnica LIR mientras un determinado líquido fluye a través de él. Se realizaron tres tipos de medidas, una para comprobar la temperatura en el interior del tubo a medida que aumentaba la temperatura del baño térmico, otra para analizar la diferencia de temperatura al principio y al final del tubo y finalmente unas medidas para obtener las desviaciones estándar de la temperatura. Además, se discutirán las posibles implicaciones de los resultados y se propondrán una serie de proyectos futuros que continúen la línea de trabajo aquí desarrollada.