ونحن تصف عملية تصنيع واختبار الحرارة الضوئية.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
في السنوات الأخيرة، دفعة لتطوير أجهزة السيليكون رواية الضوئية للاتصالات السلكية واللاسلكية قد ولدت قاعدة معرفية واسعة هو الآن يجري الاستدانة لتطوير أجهزة الاستشعار الضوئية المتطورة. أجهزة الاستشعار الضوئية السليكون يسعون إلى استغلال قوي حبس الضوء في نانو-وافيجويديس ترانسدوسي التغييرات في الحالة المادية للتغيرات في تردد صدى. في حالة الحرارة، يتسبب المعامل الحرارية البصرية، أي تغييرات في الانكسار بسبب درجة الحرارة، وتواتر رنانة للجهاز الضوئية مثل القبر براج الانجراف مع درجة الحرارة. نحن نعمل على تطوير مجموعة من الأجهزة الضوئية التي الاستفادة من التقدم الذي أحرز مؤخرا في الاتصالات متوافق مع مصادر الضوء اختﻻق أجهزة الاستشعار درجة الحرارة الضوئية فعالة من حيث التكلفة، والتي يمكن نشرها في مجموعة متنوعة من الإعدادات التي تتراوح من المختبرات التي تسيطر عليها الظروف، إلى بيئة صاخبة من أرضية مصنع أو مكان إقامة. في هذه المخطوطة، التفصيل ونحن لدينا بروتوكول للتصنيع واختبار الحرارة الضوئية.
المقدمة
أولاً اقترحه المعيار الذهبي للقياس درجة الحرارة والحرارة مقاومة البلاتين، سيمنز سيدي في عام 1871 مع كالندر1 تطوير الجهاز الأول في عام 1890. منذ ذلك الوقت إحراز تقدم تدريجي في تصميم وتصنيع ترمومترات تسليم مجموعة واسعة من درجات الحرارة حلول القياس. الحرارة مقاومة البلاتين القياسية (SPRT) هي الأداة التحريف لتحقيق "الدولية مقياس درجة الحرارة" (ITS-90) ونشرها باستخدام مقاومة الحرارة. واليوم، أكثر من قرن بعد اختراعه، مقاومة الحرارة يلعب دوراً حاسما في مختلف جوانب تكنولوجيا الصناعة والحياة اليومية التي تتراوح بين الطب الحيوي لمراقبة عملية التصنيع، لإنتاج الطاقة واستهلاكها. على الرغم من أن الحرارة جيدا معايرة المقاومة الصناعية يمكن قياس درجة الحرارة مع أوجه عدم اليقين صغيرة مثل 10 عضو الكنيست، حساسة للصدمات الميكانيكية والإجهاد الحراري والمتغيرات البيئية مثل الملوثات الكيميائية والرطوبة. ونتيجة لذلك، تتطلب ترمومترات المقاومة استخلص off-line الدورية (ومكلفة). وقد أنتجت هذه القيود الأساسية لمقاومة الحرارة اهتماما كبيرا بتطوير أجهزة استشعار درجة الحرارة الضوئية2 التي يمكن أن تقدم مماثل لأفضل قياس قدرات ويسلت ويجري أكثر قوة ضد الصدمات الميكانيكية . هذه ديفسيي نداء إلى المختبرات الوطنية والصناعية والمهتمين بالرصد الطويلة الأجل حيث الانجراف صك يمكن أن يؤثر سلبا على الإنتاجية.
في السنوات الأخيرة اقترحت مجموعة متنوعة واسعة من رواية الحرارة الضوئية بما في ذلك الأصباغ حساس3، الميكروويف المستندة إلى ياقوت يهمس في معرض وضع جهاز رنان4،،الألياف البصرية أجهزة الاستشعار56، 7، وعلى شريحة السليكون أجهزة الاستشعار الضوئية نانو8،9،10. في نيست، تهدف جهودنا في تطوير منخفضة التكلفة، وسهولة النشر وأجهزة استشعار درجة الحرارة الرواية والمعايير التي يتم تصنيعها بسهولة باستخدام التكنولوجيات الموجودة، مثل التصنيع المتوافقة مع CMOS. قد تم تركيز بشكل خاص تطوير أجهزة السيليكون الضوئية. لقد أظهرنا أن هذه الأجهزة يمكن استخدامها لقياس درجة الحرارة على مدى يتراوح من-40 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية و 5 درجة مئوية إلى 165 درجة مئوية مع أوجه عدم اليقين التي مماثلة للأجهزة القديمة8. وعلاوة على ذلك، النتائج التي توصلنا إليها تشير إلى أن مع جهاز تحكم أفضل في عملية تبادل الأدوار بناء على أمر من عدم اليقين 0.1 درجة مئوية قابلة للتحقيق (أي عدم التيقن قياس درجة الحرارة باستخدام معاملات رمزية لا معايرة تحديد معاملات ).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. تصنيع الجهاز
ملاحظة: السيليكون يمكن أن تكون ملفقة الأجهزة الضوئية استخدام السليكون في عازل (SOI) قوفرات تطبيق تكنولوجيا CMOS التقليدية عن طريق الصور أو الطباعة الحجرية شعاع الإلكترون متبوعاً بايون البلازما الاستقرائي القائم على رد الفعل أحفر (برنامج المقارنات الدولية رية) من 220 نانومتر سميكة الأعلى السيليكون طبقة. بعد أحفر رية برنامج المقارنات الدولية يمكن أن تكون الأجهزة كلاديد أعلى مع فيلم البوليمر رقيقة أو SiO2 طبقة واقية. وفيما يلي الخطوات الرئيسية لفي تصنيع الأجهزة الضوئية صوا.
- تنظيف يفر صوا في حل البيرانا لمدة 10 دقيقة، خليط 4:1 حامض الكبريتيك (ح2هكذا4) وفوق أكسيد الهيدروجين (H2O2)، متبوعاً شطف مياه (DI) منزوع لضربة الغاز 1 دقيقة والنيتروجين الجاف.
- معطف تدور حوالي 20-50 مل من رجل 2405 ه-شعاع مقاومة على الرقاقة على 4000 لفة في الدقيقة 60 ثانية، متبوعاً خبز هوتبلت عند 90 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.
- يعرض نمط الجهاز إلى مقاومة المغلفة بالدوران استخدام الطباعة الحجرية الشعاع الإلكتروني وتطوير المقاومة. جرعة التعرض قاعدة المعتاد هو حوالي 600 µC/سم2. وضع مع القوة المتعددة الجنسيات-319 المطور ل 60 ثانية، متبوعاً شطف مياه s 60.
- إجراء رية برنامج المقارنات الدولية حفر طبقة سميكة من السليكون نانومتر 220 لإزالة السليكون غير المحمية. استخدام عملية بوش الزائفة مع C4F8: 57 SCCM/SF6: 33 SCCM، قوة برنامج المقارنات الدولية: 3,000 ث؛ السلطة رية: 15 ث؛ متور الضغط 10، ودرجة الحرارة: 15 درجة مئوية؛ أحفر معدل: حوالي 5-6 نيوتن متر/ثانية
- حل القناع مقاومة في الأسيتون النقي ح 1، متبوعاً شطف الايزوبروبانول، 60 s دي مياه الشطف والنيتروجين غاز ضربة الجافة.
- إيداع 1 ميكرومتر سميكة العلوي-طبقة واقية على الرقاقة (فيلم بوليمر رقيقة) عن طريق طلاء تدور (تدور معطف 20-50 مل البولي ميثيل ميثا اكريلات على 4000 لفة في الدقيقة 60 s متبوعاً خبز هوتبلت على 180 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة).
- النرد ويفر مع رقاقة لعب النرد المنشار (رأيت سمك النصل: 35 ميكرون) إلى الصغيرة سهلة للتعامل مع رقائق (مثلاً، 20 ملم × 20 ملم).
2-الضوئية شرائح التعبئة والتغليف
ملاحظة: يتم تعبئتها الرقائق الضوئية ملفقة على إعداد تغليف تصميم مخصص حيث يتم استخدام إعداد تغليف مبنية خصيصا لمواءمة والسندات صفيف ألياف الضوئية لشريحة الضوئية. الإعداد تغليف هو مبين في الشكل 1 ويتكون من (ط) مرحلة تحديد المواقع الدقيقة 6-المحور، تسمح 6-درجة من حرية الحركة (X، Y، Z وتنسق، وينسق ثلاث زوايا المقابلة للتناوب بالنسبة إلى X, Y, Z) بدقة submicron؛ (ثانيا) مراحل متكاملة بلتيير الوحدة النمطية التي تسمح لتسخين أو تبريد منهاج المرحلة الأعلى؛ (ثالثا) الخامس--الاخدود الصفيف ذراع حامل؛ وحدة الاستغناء الجزئي لاصق الإيبوكسي؛ (رابعا) البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية) التعرض للضوء وحدة لعلاج الأشعة فوق البنفسجية المواد اللاصقة، وتضخم عالية (v) أربعة الكاميرات الرقمية لأعلى والجبهة وطريقتي زاوية الجانب. شراء حزمة الألياف الضوئية في صفيف الخامس--الاخدود من مصدر تجاري.
- الداخلي الخام المحاذاة
- ضع رقاقة الضوئية في المرحلة 6-المحور، وتوجيه الرقاقة حيث يتم محاذاة منافذ الإدخال/الإخراج على شريحة مع الصفيف الخامس--الاخدود.
- قم بتشغيل شفط فراغ من خلال المسرح المنفذ ضخ فراغ المتكاملة عقد الرقاقة في مكانها.
- استخدام الكاميرا الرقمية الأعلى-عرض لتحديد موقع ومكان الأجهزة الضوئية للفائدة في وسط المرحلة 6-المحور.
- ضع ذراع حامل الصفيف الخامس--الاخدود قريبة من الرقائق واستخدام شفط فراغ من خلال منفذ ضخ متكامل لعقد الصفيف في المكان.
- استخدام الكاميرات الرقمية عرض الجانب كالتغذية مرتدة بصرية للمساعدة في موقف الصفيف الألياف أعلاه المقرنات على رقاقة [غرتينغ].
- رفع المرحلة 6-محور لكي رقاقة الضوئية داخل 10 ميكرون من الحافة السفلية لمجموعة الألياف.
ملاحظة: على حافة الصفيف الألياف الخامس--الاخدود ينبغي تقريبا مواءمة (في حدود 50 ميكرون إلى 100 ميكرومتر الدقة) بالنسبة إلى علامات على شريحة المحاذاة. ويجمع هذا الإجراء جوانب الألياف البصرية داخل قربها نسبي من المقرنات [غرتينغ] المقابلة.
- المواءمة المثلى الآلي
- حالما يتحقق محاذاة يدوي الخام، تنشيط البحث الآلي باستخدام البرمجيات بائع الموردة للمرحلة 6-المحور.
ملاحظة: هذه الخوارزمية ينفذ مسافة محددة مسبقاً على مدى 6-درجات حركات (متعدية الجنسيات والتناوب) حتى يتحقق الإرسال القصوى من الضوء ذات النطاق العريض من خلال الإدخال شرائح ومنافذ الإخراج. ينبغي أن لا تزيد عن 20 ثانية إلى 30 ثانية.
- حالما يتحقق محاذاة يدوي الخام، تنشيط البحث الآلي باستخدام البرمجيات بائع الموردة للمرحلة 6-المحور.
- اختبار الرقائق الضوئية
ملاحظة: حالما يتم تحقيق المواءمة المثلى، التحقق من صلاحية الجهاز قبل المتابعة مع الرابطة.- استخدام الوحدة النمطية بلتيير المتكاملة المسرح بدوره درجة الحرارة شرائح حرارياً أثناء تسجيل الاستجابة الطيفية. لركوب الدراجات الحرارية، استخدمنا برنامج نصي مخصص مكتوب في ابفيف.
- تحليل الأطياف مسجل للتحقق من درجة الحرارة حساسية الجهاز (ينصح بالقيم 70 م/درجة مئوية إلى 80 م/درجة مئوية).
ملاحظة: مطياف الليزر قد وصفت في مكان آخر في تفصيل2. ويتم تحليل الأطياف مسجل لتحديد حساسية الجهاز والتي ينبغي أن تكون في 70 م/درجة مئوية إلى 80 م/درجة مئوية تتراوح درجة الحرارة.
- الرابطة للألياف البصرية
- انخفاض ببطء الصفيف وصولاً إلى سطح الرقاقة.
- بدقة موقف المحاقن الإيبوكسي مليئة بمقربة من حافة عنصر الصفيف الألياف باستخدام آخر XYZ ميكرون دقة المرحلة.
- الاستغناء عن الصغرى-الحبرية واحد الإيبوكسي والشروع في عملية علاج (أما عن طريق إشعاع الأشعة فوق البنفسجية أو ركوب الدراجات الحرارية).
- دورياً بتشغيل روتين المحاذاة التلقائية (تبلغ ذروتها/تعظيم) لمنع الانجراف الناجم عن فقدان إشارة حتى هذا وقت الذي يبدأ الإيبوكسي تتصلب.
ملاحظة: بعد الإيبوكسي علاج رقاقة الضوئية الضوء اقتران الكفاءة والأداء يتم اختبار مرة أخرى عن طريق تسجيل الأطياف الإرسال من الجهاز عند درجات حرارة مختلفة. يزيد الضوء اقتران الكفاءة عادة بعد عملية الربط، ويحتمل لأن الإيبوكسي الضوئية الانكسار مطابقة يقلل خسائر الانعكاس في الواجهة رقاقة الألياف.
- التعبئة والتغليف للحرارة الضوئية
- الرهينة مكان الألياف الضوئية رقاقة على اسطوانة نحاسية (ح = 25 مم، ضياء = مم 5.79) مع كمية صغيرة (حوالي 1 ملغ) من الشحوم الحرارية المطبقة على سطح النحاس المتصاعدة.
ملاحظة: الشحوم الحرارية يضمن الاتصال الحرارية حتى الجيد بين الموصلات المعدنية الحرارة والرقائق. وعلاوة على ذلك، يوفر الشحوم الحرارية التصاق ضعيفة بين جزأين مما يسهل عملية تخفيض الجمعية رقاقة اسطوانة نحاسية أسفل أنبوب زجاج (h = 50 مم؛ القطر الداخلي = 6.0 ملم). - بلطف أقل الاسطوانة شرائح النحاس أسفل الأنبوبة الزجاجية.
- الردم أنبوب الزجاج بغاز الأرجون وختم مع فلين مطاط.
- الرهينة مكان الألياف الضوئية رقاقة على اسطوانة نحاسية (ح = 25 مم، ضياء = مم 5.79) مع كمية صغيرة (حوالي 1 ملغ) من الشحوم الحرارية المطبقة على سطح النحاس المتصاعدة.
3. قياس درجة الحرارة
- ضع الترمومتر تم حزمها الضوئية (أنبوب الزجاج + اسطوانة نحاسية + الجهاز إلى جانب الألياف الضوئية) في بئر جاف درجة حرارة القياس (يجب أن تكون درجة حرارة مستقرة في حدود 1 عضو الكنيست).
- باستخدام البرنامج الحاسوبي مبنية خصيصا تعيين وقت تسوية (20 دقيقة إلى 30 دقيقة)، وعدد الدورات الحرارية (3 الحد الأدنى)، الخطوة درجة الحرارة حجم (1 درجة مئوية إلى 5 درجة مئوية)، عدد من الأشعة على التوالي (التوصية 5 الحد الأدنى) والليزر السلطة (سلطة الضبط تسليم غير معينة فرد الحالات ولكن عموما في نانووات إلى مجموعة ميكرووات).
ملاحظة: يتم استخدام مقياس حرارة معايرة مقاومة البلاتينية المستعبدين للأسطوانة النحاسية لتسجيل درجة حرارة الحمام وفي نفس الوقت كما تجري القياسات الضوئية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
كما هو مبين في الشكل 2، يظهر الأطياف انتقال جهاز رنان خاتم السباحة ضيقة في بث المقابلة لحالة الرنين. هامش صدى التحولات إلى أطوال موجية أطول كما يتم زيادة درجة الحرارة من 20 درجة مئوية إلى 105 درجة مئوية بتزايدات 5 درجة مئوية. طيف انتقال مجهز لدالة متعدد الحدود التي تستخلص منها مركز الذروة. تم العثور على متعدد الحدود يصلح لإعطاء نتائج أكثر اتساقا حضور أساس المنحدرة التي يمكن أن تجعل نوبة لورينتزيان أو غاوسي أكثر عرضه للتعويض عن أخطاء. الاستجابة الطول الموجي لل...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
وكان الهدف من هذه التجربة لقياس استجابة تعتمد درجة حرارة مقياس الحرارة الضوئية. للحصول على قياسات كمية لدرجة الحرارة، فإنه من الحكمة استخدام مصدر حرارة مستقرة مثل درجة القياس عميقة جافة حسنا، صغر حجم أجهزة الاستشعار، وضمان حسن الاتصال الحراري بين البئر وأجهزة الاستشعار، وتقليل الحرارة يفقد للبيئة. يتم استيفاء هذه المتطلبات بسهولة بالترابط والألياف البصرية إلى شرائح، وفعالية إنشاء جهاز المعلبة التي يمكن تخفيض عمق درجة حرارة القياس جيدا. وغرض الاسطوانة النحاسية في أنبوب الزجاج هو لتوفير اتصال حرارية جيدة بين أنبوب رقاقة وا...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
معدات أو مواد معينة حددت في هذه الورقة من أجل تحديد الإجراءات التجريبية على نحو كاف. هذا التحديد لا يقصد أن يعني تأييد من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، ولا هو مقصود به أن يعني ضمناً أن المواد أو المعدات المحددة هي بالضرورة الأفضل المتاحة.
شكر وتقدير
الكتاب يعترف مرفق نيست/كنست "نانوفاب" لإتاحة الفرصة لافتعال السيليكون مجسات درجة الحرارة الضوئية وميلر وآيات وعبر الفجر للمساعدة في إعداد هذه التجارب.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| عملية التعبئة والتغليف< / em> | |||
| 6 محاور المرحلة | PI أدوات | ||
| الفيديو كاميرات | |||
| نظام | |||
| صفيف | |||
| الألياف قياس درجة الحرارة< / em> | |||
| القياس حسنا | فلوك | 9170 | جاف جيدا مستقرا إلى أفضل من .01 كيلو |
| ليزر | نيوبورت | TLB6700 | 1520-1570 نانومتر ليزر قابل للضبط |
| مقياس موجة HighFinesse | WS / 7 | 100 هرتز مقياس موجة | |
| عداد الطاقة | نيوبورت | 1936-R | مع نطاق واسع |
المراجع
- Price, R. The Platinum resistance Thermometer. Platinum Metals Review. 3 (3), 78-87 (1959).
- Xu, H., et al. Ultra-Sensitive Chip-Based Photonic Temperature Sensor Using Ring Resonator Structures. Optics Express. 22, 3098-3104 (2014).
- Donner, J. S., Thompson, S. A., Kreuzer, M. P., Baffou, G., Quidant, R. Mapping Intracellular Temperatrure Using Green Flurorescent Protein. Nano Letters. 12 (4), 2107-2111 (2012).
- Ahmed, Z., et al. Towards Photonics Enabled Quantum Metrology of Temperature, Pressure and Vacuum. arXiv:1603.07690 [physics.optics]. , (2016).
- Ahmed, Z., Filla, J., Guthrie, W., Quintavall, J. Fiber Bragg Gratings Based Thermometry. NCSL International Measure. 10, 24-27 (2015).
- Hill, K. O., Meltz, G. Fiber Bragg Grating Technology Fundamental and Overview. J. of Lightwave Technology. 15, 1263-1275 (1997).
- Liacouras, P. C., Grant, G., Choudhry, K., Strouse, G. F., Ahmed, Z. Fiber Bragg Gratings Embedded in 3D-printed Scaffolds. NCSL International Measure. 10 (2), 50-52 (2015).
- Klimov, N. N., Mittal, S., Berger, M., Ahmed, Z. On-chip silicon waveguide Bragg grating photonic temperature sensor. Optical Letters. 40 (17), 3934-3936 (2015).
- Klimov, N. N., Purdy, T., Ahmed, Z. On-Chip Silicon Photonic Thermometers: from Waveguide Bragg Grating to Ring Resonators sensors. Proceedings. Advanced Environmental, Chemical, and Biological Sensing Technologies XII, , Volume 9486, 948609 (2015).
- Kim, G. D., et al. Silicon photonic temperature sensor employing a ring resonator manufactured using a standard CMOS process. Optical Express. 18 (21), 22215-22221 (2010).
- Purdy, T., et al. Thermometry with Optomechanical Cavities. Conference on Lasers and Electro-Optics, , Optical Society of America. STu1H.2(2016).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
