Herstellung und Prüfung von photonischen Thermometer

Die photonische Thermometrie kann dabei helfen, den Bereich der Temperaturmesstechnik von der widerstandsbasierten Legacy-Technologie auf frequenzbasierte Messungen umzusteigen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir Fortschritte in der Frequenzmesstechnik nutzen können, um präzisere Messungen durchzuführen und gleichzeitig Geräte herzustellen, die die physikalischen Einschränkungen der aktuellen Technologie wie Größe und Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Schocks und Umweltveränderungen überwinden. Die Implikation dieser Technik erstreckt sich auf die Veränderung der Art und Weise, wie wir in den Vereinigten Staaten und der Welt analysieren.

Ein ultrastabiles photonisches Thermometer reduziert den Bedarf an häufigen Kalibrierungen. Die zukünftige Entwicklung optomechanischer Temperaturstandards kann den Kalibrierstandard in die Hände des Benutzers legen, sodass keine speziellen Kalibriereinrichtungen erforderlich sind. Im Allgemeinen werden Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten haben, weil sie eine Kreuzung zweier unterschiedlicher Bereiche ist, die beide ihre eigene Sprache, technologietechnische Anforderungen und spezialisierte Protokolle zur Maximierung des Ergebnisses haben.

Jeder neue Benutzer muss lernen, sich an manchmal konkurrierende Anforderungen anzupassen und anzupassen. Reinigen Sie zunächst einen SOI-Wafer, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben. Mantel Sie den Wafer mit 20 bis 50 Milliliter MA-N 2405 Negativton Photoresist.

Drehen Sie es bei 4.000 U/min für 60 Sekunden und übertragen Sie den Wafer dann auf eine Kochplatte und backen Sie ihn bei 90 Grad Celsius für 15 Minuten. Nach dem Backen setzen Sie den photoresist dem hier gezeigten Muster mit einem Standard-E-Strahl-Lithographie-Setup aus. Legen Sie den Wafer dann in die MIF 319-Entwicklerlösung und inkubieren Sie ihn 60 Sekunden lang.

Übertragen Sie den entwickelten Wafer in Wasser und spülen Sie ihn für weitere 60 Sekunden ab. Führen Sie als Nächstes einen ICP RIE-Etch der 220 Nanometer dicken Siliziumschicht durch, um das ungeschützte Silizium zu entfernen. Lösen Sie die Widerstandsmaske in reinem Aceton für eine Stunde, gefolgt von einer Isopropanolspülung.

Spülen Sie den Wafer dann 60 Sekunden lang in entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie den Wafer mit Stickstoff. Legen Sie den Wafer nun wieder in den Spincoater. Legen Sie eine einen Nanometer dicke Schutzschicht aus Polymerfolie auf den Wafer ab.

Schließlich würfeln Sie den Wafer mit einer Wafer-Holzsäge in 20 Millimeter mal 20 Millimeter kleine und leicht zu handhabende Chips. Platzieren Sie den photonischen Chip auf der Sechs-Achsen-Stufe und richten Sie den Chip so aus, dass die On-Chip-Eingangs- und -Ausgangsanschlüsse am V-Nut-Array ausgerichtet sind. Schalten Sie dann die Vakuumabsaugung durch den integrierten Vakuumpumpenanschluss auf der Bühne ein, um den Chip an Ort und Stelle zu halten.

Verwenden Sie die Digitale Kamera in der oberen Ansicht, um die photonischen Geräte, die von Interesse sind, in der Mitte der Sechs-Achsen-Stufe zu lokalisieren und zu platzieren. Positionieren Sie nun den V-Nut-Array-Halterarm in der Nähe des Chips und verwenden Sie Vakuumabsaugung durch einen integrierten Pumpanschluss, um das Array an Ort und Stelle zu halten. Positionieren Sie das Faserarray über den Farbverläufen koppeln, und heben Sie die Bühne an, um den photonischen Chip innerhalb von 10 Mikrometern des unteren Rands des Faserarrays zu bringen.

Die Kante des V-Nutfaser-Arrays sollte grob innerhalb von 50 bis 100 Mikron Genauigkeit relativ zu den Ausrichtungsmarkierungen auf dem Chip ausgerichtet werden. Dieses Verfahren bringt die Optische Faser in eine relative Nähe der entsprechenden Gradientenkoppler. Sobald der Chip grob ausgerichtet ist, aktivieren Sie die automatisierte Suche nach der Sechs-Achsen-Stufe.

Dieser Algorithmus sucht nach der maximalen Übertragung von Breitbandlicht über die Ein- und Ausgangsanschlüsse des Chips. Es sollte nicht länger als 20 bis 30 Sekunden dauern. Sobald die optimale Ausrichtung erreicht ist, überprüfen Sie die Gerätelebensfähigkeit, bevor Sie mit dem Verkleben fortfahren.

Steuern Sie mit einem Programm wie LabVIEW das integrierte Modul auf der Bühne, um die Temperatur des Chips thermisch zu steuern, während Sie die Spektralreaktion aufzeichnen. Analysieren Sie die aufgezeichneten Spektren des Laserspektrometers, um die Temperaturempfindlichkeit des Geräts zu überprüfen. Senken Sie das Array langsam auf die Oberfläche des Chips, während Sie die Digitalkamera der Seitenansicht betrachten.

Positionieren Sie als Nächstes die Epoxid-Gefüllte Spritze vorsichtig in unmittelbarer Nähe zum Rand des Faserarrays mit einer weiteren XYZ-Mikron-Präzisionsstufe. Sobald Sie in Position sind, geben Sie ein einzelnes Mikrotröpfchen Epoxid aus. Während das Epoxid aushärtet, führen Sie periodisch die automatisierte Ausrichtungsroutine aus, um einen driftinduzierten Signalverlust zu verhindern.

Testen Sie nach den Epoxidkuren die photonische Chipleistung und die Lichtkopplungseffizienz, indem Sie die Transmissionsspektren bei unterschiedlichen Temperaturen aufzeichnen. Die Effizienz der leichten Kopplung steigt in der Regel nach dem Klebevorgang. Verwenden Sie etwa ein Milligramm Thermofett, um den fasergebundenen photonischen Chip thermisch mit einem kleinen Kupferzylinder zu koppeln.

Dann senken Sie vorsichtig den Chip-Kupferzylinder in einem Glasrohr nach unten. Sobald sie in Position ist, füllen Sie das Glasrohr wieder mit Argongas und versiegeln Sie es mit einem Gummikorken. Dann legen Sie das verpackte photonische Thermometer in eine Messtemperatur trocken gut stabil innerhalb eines Mikrokelvin.

Legen Sie mit dem kundenspezifischen Computerprogramm die Einsetzzeit für 20 bis 30 Minuten, die Anzahl der thermischen Zyklen auf mindestens drei und die Temperaturschrittgröße auf ein bis fünf Grad Celsius fest. Legen Sie außerdem die Anzahl der aufeinanderfolgenden Scans auf mindestens fünf und die Laserleistung im Nanowatt-Bereich auf Mikrowatt fest. Wie hier gezeigt, zeigt das Ringresonator-Transmissionsspektren einen schmalen Transmissionsabfall entsprechend dem Resonanzzustand bei jeder Temperatur.

Der Resonanzrand verschiebt sich auf längere Wellenlängen, wenn die Temperatur in fünf Grad Celsius-Schritten von 20 Auf 105 Grad Celsius erhöht wird. Unsere vorläufige Analyse des thermischen Radverkehrsexperiments legt nahe, dass die feuchtigkeitsinduzierten Veränderungen im Epoxid wahrscheinlich der größte Treiber der Hysterese in verpackten photonischen Thermometern sind und dass unverpackte Geräte keine signifikante Hysterese aufweisen. Zusätzlich kann die Hysterese im verpackten Gerät durch die Verwendung von hydrophobem Epoxid als Entweichung sanieren, bevor eine engere Abdichtung um die Gummikorkglas-Kreuzung abgeriegelt wird.

Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, jede chemische Kontamination der Proben wie Feuchtigkeit in der verpackten Röhre zu minimieren, da dies die Messgenauigkeit stark beeinträchtigen wird. Im Anschluss an dieses Verfahren können andere Methoden wie Laserverriegelung oder Dual-Frequenz-Kammspektroskopie durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zur Langzeitstabilität dieser Geräte, zur Impulsbelastung und zur Charakterisierung thermischer physikalischer Eigenschaften zu beantworten. Nach ihrer Entwicklung hat diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Messtechnik geebnet, um Präzisionsmesstechnik für andere physikalische und chemische Größen wie Druck-, Vakuum- und Spurengasanalyse in eingebetteten Systemen zu erforschen.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit harten Chemikalien in einem Reinraum und hellen Lichtquellen wie Lasern im Labor extrem gefährlich sein kann und Vorsichtsmaßnahmen wie die Verwendung von persönlichen Schutzausrüstungen wie Laserbrillen sollten immer während der Durchführung dieses Verfahrens getroffen werden.