Fabricación y pruebas de termómetros fotónicos

Describimos el proceso de fabricación y pruebas de termómetros fotónicos.

La termometría fotónica puede ayudar a la transición del campo de la metrología de temperatura de la tecnología heredada basada en la resistencia a las mediciones basadas en frecuencia. La principal ventaja de esta técnica es que podemos aprovechar los avances en metrología de frecuencia para realizar mediciones más precisas mientras fabricamos dispositivos que superan las limitaciones físicas de la tecnología actual, como el tamaño y la sensibilidad a los golpes mecánicos y los cambios ambientales. La implicación de esta técnica se extiende hacia cambiar la forma en que analizamos en los Estados Unidos y el mundo.

Un termómetro fotónico ultra estable reducirá la necesidad de calibraciones frecuentes. El desarrollo futuro de estándares de temperatura optomecánicos puede poner el estándar de calibración en las manos del usuario eliminando la necesidad de instalaciones de calibración especializadas. Generalmente, los individuos nuevos en este método tendrán problemas porque es una intersección de dos campos divergentes que tienen su propio lenguaje, requisitos tecnológicos y protocolos especializados para maximizar el resultado.

Cualquier nuevo usuario debe aprender a adaptarse y ajustarse a los requisitos a veces de la competencia. Para empezar, limpie una oblea SOI como se describe en el protocolo de texto adjunto. Recubrir la oblea con 20 a 50 mililitros MA-N 2405 fotorresista de tono negativo.

Gire a 4.000 RPM durante 60 segundos y luego transfiera la oblea a un plato caliente y hornéela a 90 grados Centígrados durante 15 minutos. Después de hornear, exponga el fotorresistir al patrón que se muestra aquí utilizando una configuración de litografía de haz E estándar. A continuación, coloque la oblea en la solución para desarrolladores del FOF 319 e in incubar durante 60 segundos.

Transfiera la oblea desarrollada al agua y enjuáguela durante 60 segundos adicionales. A continuación, realice un grabado ICP RIE de la capa de silicio de 220 nanómetros de espesor para eliminar el silicio desprotegido. Disolver la mascarilla de resistencia en acetona pura durante una hora, seguida de un enjuague con isopropanol.

A continuación, enjuague la oblea durante 60 segundos en agua desionizada y seque la oblea con nitrógeno. Ahora coloque la oblea de nuevo en el recubridor de giro. Deposite una capa superior de película de polímero protectora de un nanómetro de espesor en la oblea.

Finalmente, corta la oblea con una sierra de dicing de obleas en 20 milímetros por 20 milímetros pequeños y fáciles de manejar. Coloque el chip fotónico en la etapa de seis ejes y oriente el chip de modo que los puertos de entrada y salida en chip estén alineados con la matriz de ranuras en V. A continuación, encienda la aspiración de vacío a través del puerto de bombeo de vacío integrado en el escenario para mantener el chip en su lugar.

Utilice la cámara digital de vista superior para localizar y colocar los dispositivos fotónicos de interés en el centro de la etapa de seis ejes. Ahora coloque el brazo del soporte de la matriz de ranuras en V cerca de la viruta y utilice la succión de vacío a través de un puerto de bombeo integrado para mantener la matriz en su lugar. Usando las cámaras digitales de vista lateral como retroalimentación visual, coloque la matriz de fibra por encima de los acopladores de gradiente en chip y suba el escenario para llevar el chip fotónico a menos de 10 micrómetros del borde inferior de la matriz de fibra.

El borde de la matriz de fibra de ranura V debe estar alineado aproximadamente dentro de 50 a 100 micras de precisión en relación con las marcas de alineación en chip. Este procedimiento lleva la fibra óptica dentro de una proximidad relativa de los acopladores de gradiente correspondientes. Una vez que el chip se ha alineado aproximadamente, active la búsqueda automatizada de la etapa de seis ejes.

Este algoritmo busca la transmisión máxima de luz de banda ancha a través de los puertos de entrada y salida del chip. No debe tardar más de 20 a 30 segundos. Una vez lograda la alineación óptima, compruebe la viabilidad del dispositivo antes de proceder con la unión.

Utilizando un programa como LabVIEW, controle el módulo integrado en el escenario para ciclo térmico de la temperatura del chip mientras registra la respuesta espectral. Analizar los espectros registrados desde el espectrómetro láser para verificar la sensibilidad a la temperatura del dispositivo. Baje lentamente la matriz hasta la superficie del chip mientras ve la cámara digital de vista lateral.

A continuación, coloque cuidadosamente la jeringa llena de epoxi cerca del borde de la matriz de fibra utilizando otra etapa de precisión de micras XYZ. Una vez en posición, dispensar una sola micro gota de epoxi. Mientras el epoxi se endurece, ejecute periódicamente la rutina de alineación automatizada para evitar la pérdida de señal inducida por la deriva.

Después de las curas epoxi, pruebe el rendimiento del chip fotónico y la eficiencia del acoplamiento ligero mediante el registro de los espectros de transmisión a diferentes temperaturas. La eficiencia de acoplamiento ligero suele aumentar después del proceso de unión. Utilice alrededor de un miligramo de grasa térmica para acoplar térmicamente el chip fotónico unido a fibra a un pequeño cilindro de cobre.

A continuación, baje suavemente el cilindro de cobre de la viruta por un tubo de vidrio. Una vez en posición, vuelva a llenar el tubo de vidrio con gas argón y sellarlo con un corcho de goma. A continuación, coloque el termómetro fotónico empaquetado en una temperatura de metrología seca bien estable a dentro de un micro Kelvin.

Usando el programa de computadora personalizado, establezca el tiempo de sedimentación para 20 a 30 minutos, el número de ciclos térmicos a por lo menos tres, y el tamaño del paso de temperatura entre uno y cinco Grados Celsius. Además, establezca el número de escaneos consecutivos en al menos cinco y la potencia láser en el rango de nanovatios en microvatios. Como se muestra aquí, los espectros de transmisión del resonador de anillo muestran una caída estrecha en la transmisión correspondiente a la condición de resonancia a cada temperatura.

La franja de resonancia cambia a longitudes de onda más largas a medida que la temperatura aumenta de 20 Celsius a 105 Celsius en incrementos de cinco grados Celsius. Nuestro análisis preliminar del experimento de ciclismo térmico sugiere que los cambios inducidos por la humedad en el epoxi son probablemente el mayor impulsor de la histéresis en los termómetros fotónicos empaquetados y que los dispositivos no envasados no muestran ninguna histéresis significativa. Además, la histéresis en el dispositivo empaquetado se puede mejorar mediante el uso de epoxi hidrófobo como desecante al tubo de vidrio antes de sellar un sello más apretado alrededor de la unión de vidrio de corcho de goma.

Al intentar este procedimiento, es importante recordar minimizar cualquier contaminación química de las muestras, como la humedad en el tubo empaquetado, ya que degradará gravemente la precisión de la medición. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otros métodos como el bloqueo láser o la espectroscopia de peine de doble frecuencia para responder preguntas adicionales sobre la estabilidad a largo plazo de estos dispositivos, la carga por impulsos y la caracterización de las propiedades físicas térmicas. Después de su desarrollo, esta técnica ha allanado el camino para que los investigadores en el campo de la metrología exploren la metrología de precisión para otras cantidades físicas y químicas como el análisis de presión, vacío y trazas de gas en sistemas embebidos.

No olvide que trabajar con productos químicos agresivos en una habitación limpia y fuentes de luz brillante como láseres en el laboratorio puede ser extremadamente peligroso y precauciones como el uso de equipos de protección personal como gafas láser siempre deben tomarse durante el realización de este procedimiento.