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방법 논문

제조 및 광 온도계의 테스트

5.6K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/55807

⸱

2018년 10월 24일

 , 
1Joint Quantum Institute, University of Maryland, 2Physical Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology

이 논문에서

요약

우리는 제조 과정 및 광 온도계의 테스트 설명 합니다.

초록

최근 몇 년 동안, 통신에 대 한 새로운 실리콘 광자 장치 개발에 대 한 추진 정교한 광학 센서 개발에 활용 되 고 지금 않는 광대 한 기술 자료를 생성 했다. 실리콘 광 센서 공명 주파수에 변화에 물리적 상태에서 변화 transduce 하 나노도 빛의 강한 감을 악용을 추구 합니다. Thermometry, 경우 열 광학 계수, 즉, 온도, 굴절 인덱스에 변화는 브래그 격자 온도 드리프트 등 광학 소자의 공 진 주파수를 발생 합니다. 우리는 다양 한 설정 제어 실험실에서 배열에 배포할 수 있는 비용 효율적인 광 온도 센서를 조작 하 통신 호환 광원의 최근 발전을 활용 하는 광학적 장치 제품군 개발 조건, 공장 바닥 또는 거주지의 시끄러운 환경에. 이 원고에 우리는 제조 및 광 온도계의 테스트에 대 한 우리의 프로토콜 세부.

서론

골드 표준 백 금 저항 온도계, 온도 계측에 대 한 처음 제안 했다 선생님 지멘스에 의해 1871 년에 Callender1 1890 년에는 첫 번째 장치를 개발. 그 이후로 디자인 및 온도계의 제조에서 증분 진행률 측정 솔루션 다양 한 온도 전달 했다. 표준 백 금 저항 온도계 (SPRT) 국제 온도 눈금 (ITS-90)와 저항 thermometry를 사용 하 여 그 보급을 실현 하기 위한 인터폴 레이 팅 악기입니다. 오늘, 그것의 발명품 후에 세기 이상 저항 thermometry 산업 및 일상 생활 기술 제조 공정 제어, 에너지 생산 및 소비에 이르는 의학에서의 다양 한 측면에서 중요 한 역할을 하고있다. 잘 보정 산업용 저항 온도계 불확실성 10 작은 온도 측정할 수 있지만 mK, 그들은 기계적 충격, 열 스트레스와 습도, 화학 오염 물질 등 환경 변수. 따라서, 저항 온도계 정기 (및 비싼) 오프 라인 하지 필요합니다. 광 온도 센서2 기계적 충격에 대 한 더 강력한 되는 더 나은 측정 기능 whislt와 비슷한 제공할 수 있는 개발에 상당한 관심을 생산 하는 저항 thermometry의 이러한 근본적인 한계 . 이러한 devcie 국가 산업 연구소와 악기 드리프트 생산성 저하 시킬 수 있습니다 장기 모니터링에 관심이 게 호소 합니다.

최근 몇 년 동안에서 다양 한 소설 광 온도계 제안 감광 성 염료3, 갤러리 모드 공4, 섬유 광섬유 센서5,6, 속삭이는 사파이어 기반 전자 레인지 등 7, 그리고 칩에 실리콘 나노 광학 센서8,,910. NIST에서 우리의 노력 낮은-비용, 쉽게 구축 개발, 새로운 온도 센서 및 CMOS 호환 제조 등의 기존 기술을 사용 하 여 쉽게 제조한 표준 겨냥 된다. 특히 초점 실리콘 광자 장치 개발 되었습니다. 우리가 이러한 장치 범위-40 ° C ~ 80 ° C 및 레거시 장치8비교할 불확실성 165 ° C에 5 ° C의 온도 측정을 사용할 수 있습니다 설명 했다. 또한, 우리의 결과 것이 좋습니다 더 나은 프로세스 제어 장치와 호환성 0.1 ° C 불확실성 순서 달성 (공칭 계수 보정 하지를 사용 하 여 온도 측정의 불확실성 즉, 결정 계수 ).

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프로토콜

1. 장치 제조

참고: 광학 장치는 실리콘에 절연체 (SOI)를 사용 하 여 날조 될 수 있다 실리콘 웨이퍼 적용 기존의 CMOS 기술을 통해 사진-또는 전자 빔 리소 그래피 뒤에 유도 플라즈마 반응성 이온 에칭 (ICP 리에) 220 nm 두꺼운 맨 위 실리콘의 레이어입니다. ICP 리에 에칭 후 장치 상단-cladded 얇은 폴리머 필름 또는 SiO2 보호 층을 될 수 있습니다. 다음은 소이 광학 장치의 제조의 주요 단계입니다.

  1. 10 분, 4:1 황산의 혼합물에 대 한 피 라 솔루션에서 SOI 웨이퍼 청소 (H2등4)와 과산화 수소 (H2O2), 뒤에 1 분 및 질소 가스 타격 건조에 대 한 이온된 (DI) 물 린스.
  2. 스핀 코트 남자 2405 전자 빔의 약 20-50 mL 저항 60 4000 rpm에서 웨이퍼에 s, 다음 15 분 동안 90 ° C에 열판 빵.
  3. 전자 빔 리소 그래피를 사용 하 여 스핀 코팅 저항에 장치 패턴을 노출 하 고는 저항을 개발 합니다. 평소 기본 노출 복용량은 약 600 µ C/c m2이다. 60 대 한 MIF 319 개발자와 개발 60 s 물 린스 다음 s.
  4. ICP 리에 수행 보호 실리콘을 제거 하는 220 nm 두꺼운 실리콘 층의 에칭. C4F8 의사 보쉬 프로세스 사용: 57 SCCM / SF6: 33 SCCM, ICP 전원: 3000 W; 리에 전원: 15 W; 압력 10 mTorr, 온도: 15 ° C; 에칭 속도: 약 5-6 nm/s
  5. 1 시간 뒤에 소 프로 파 놀 린스 60 s 디 물 린스, 질소 가스 타격 건조에 대 한 순수한 아세톤에서 레지스트 마스크를 분해.
  6. 스핀 코팅을 통해 웨이퍼 (얇은 폴리머 필름)에 1 µ m 두꺼운 보호 가기-층을 보증금 (스핀 코트 60 4000 rpm에서 20-50 mL PMMA s 다음 2 분 동안 180 ° C에서 열판 빵).
  7. 웨이퍼 다이 싱 톱 웨이퍼를 주사위 (보았다 블레이드 두께: 35 µ m) 작은 칩 (예를 들어, 20 m m × 20 m m)를 취급 하 게 쉬운.

2. 광학 칩 포장

참고: 조작된 광학 칩 맞춤식 포장 설치 및 광섬유 광학 칩의 배열을 본드 사용 됩니다 사용자 지정 디자인 포장 설치 프로그램에 패키지 됩니다. 그림 1 에 표시 된 포장 설치 (i)의 구성 6 축 마이크로-포지셔닝 단계, 6 정도의 자유 운동 수 (X, Y, Z 좌표 X, Y, 상대적인 회전의 3 개의 해당 각도 Z 좌표와) 미크론 정밀도; (ii)-열 또는 상위 단계 플랫폼; 냉각을 허용 하는 Peltier 모듈을 통합 (iii) v-그루브 배열 홀더 팔; 에폭시 접착제 마이크로 분배 모듈; (iv) 울트라 바이올렛 (UV) 자외선 치료 접착제, 그리고 위쪽, 앞쪽, 및 두 개의 측면 각도 보기 (v) 4 고배율 디지털 카메라에 빛 노출 모듈. V-그루브 배열에 광학 섬유 패키지는 상용 소스에서 조달 됩니다.

  1. 거친 정렬 절차
    1. 6 축 단계에 광학 칩을 놓고 온 칩 입력/출력 포트는 v-그루브 배열 정렬 있도록 칩을 방향.
    2. 장소에는 칩을 무대 통합된 진공 펌핑 포트를 통해 진공 흡입을 켭니다.
    3. 탑 뷰 디지털 카메라를 사용 하 여 찾아서 6 축 단계의 센터의 광학 장치를 놓습니다.
    4. V-그루브 배열 홀더 팔 칩 가까이 놓고 통합된 펌핑 포트를 통해 진공 흡입을 사용 하 여 배열 장소에서 개최 합니다.
    5. 사용 하 여 사이드 뷰 디지털 카메라 시각적 피드백으로 위치 수 있도록 온-칩 격자 커플러 위의 섬유 배열.
    6. 섬유 배열 아래쪽 가장자리의 10 µ m 이내 광학 칩을가지고 6 축 단계를 올립니다.
      참고: 브가-홈 섬유 배열의 가장자리 한다 대략 정렬 (100 µ m 정확도 50 µ m) 이내에 칩 정렬 표시 기준. 이 절차는 해당 격자 커플러의 상대적인 거리 광섬유 측면을 제공합니다.
  2. 자동화 된 최적의 맞춤
    1. 일단 거친 수동 맞춤 달성, 6 축 단계에 대 한 공급 업체 제공 소프트웨어를 사용 하 여 자동된 검색을 활성화 합니다.
      참고:이 알고리즘 수행 미리 정의 된 도보 (변환 및 회전)의 6도 이상 칩의 입력 및 출력 포트를 통해 광대역 빛의 최대 전송 달성 될 때까지 합니다. 그것은 20 보다는 더 이상 걸릴 해야 30 s s.
  3. 광학적 칩 테스트
    참고: 최적의 맞춤 달성 되 면 결합 하기 전에 장치 생존 확인.
    1. Peltier 모듈을 통합된 단계를 사용 하 여 열 스펙트럼 응답을 기록 하는 동안 칩의 온도를. 열 순환, LabView에서 작성 된 사용자 지정 스크립트를 사용 했습니다.
    2. 기록 된 스펙트럼 분석은 소자의 온도 감도 확인 (권장 값은 70 분 / ° C 80 오후 / ° C).
      참고: 레이저 분석기 설명 하고있다 다른 세부 사항2. 기록 된 스펙트럼 장치는 70 분 / ° C ~ 80 오후 / ° C 범위에 있어야의 온도 감도 결정 하기 위해 분석 된다.
  4. 광섬유의 결합
    1. 천천히 낮은 칩 표면 배열.
    2. 신중 하 게 다른 XYZ 미크론 정밀 스테이지를 사용 하 여 섬유 배열의 가장자리의 가까운 부근에서 에폭시 채워진 주사기를 위치.
    3. 에폭시의 단일 마이크로 작은 물방울을 분배 하 고 (중 UV 방사선 조사 또는 열 사이클링을 통해) 치료 과정 시작.
    4. 주기적으로 자동된 정렬 (정점/극대화) 루틴을 실행 드리프트를 방지 하기 위해 유도 된 신호의 손실 같은 에폭시 강화 시작 시간까지.
      참고: 광학 칩 경화 에폭시 후 성능 및 효율성을 결합 하는 빛은 테스트 다시 다른 온도에 장치의 전송 스펙트럼을 기록 하 여. 일치 하는 굴절률 광학 에폭시 섬유 칩 인터페이스에서 반사 손실 감소 때문에 일반적으로 효율성을 결합 하는 빛 접합 과정, 가능성이 후 증가.
  5. 광학적 온도계의 포장
    1. 장소 섬유 보 세 구리 실린더에 광학 칩 (h = 25 mm, 직경 = 5.79 m m) 구리 장착 표면에 적용 하는 열 그리스의 작은 금액 (약 1 밀리 그램).
      참고: 열 그리스 금속 열 지휘자와 칩 사이의 좋은 열 접촉을 보장합니다. 게다가, 열 그리스 낮추는 유리 튜브 아래로 구리 실린더-칩 어셈블리의 프로세스는 두 부분 사이의 약한 접착을 제공 한다 (h = 50 mm; 내부 직경 6.0 m m =).
    2. 부드럽게 낮은 유리 튜브 칩 구리 실린더.
    3. 백필 아르곤 가스 유리 튜브 및 고무 코르크와 인감.

3. 온도 측정

  1. 측정 온도 드라이 잘으로 패키지 광 온도계 (유리 튜브 + 구리 실린더 결합 섬유 광학 장치)를 배치 (온도 1 내에 안정 되어야 mK).
  2. 안정화 시간 (20 분-30 분) 설정 사용자 컴퓨터 프로그램을 사용 하 여, 열 사이클 (최소 3), 온도 단계 수 크기 (1 ° C ~ 5 ° C), 연속 검사 (최소 추천 5)의 수 및 레이저 출력 (정확한 전력 전달에 개인의 경우 이지만 일반적으로 microwatt 범위를 nanowatt에).
    참고: 구리 실린더에 접착 된 백 금 저항 온도계는 광학적 측정 실시 목욕 온도 동시에 기록 하는 데 사용 됩니다.

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결과

그림 2에서처럼 링 공 진 기 전송 스펙트럼 공명 조건에 해당 하는 전송에 좁은 수영을 보여줍니다. 온도 20 ° C에서 5 ° C 단위로 105 ° C 증가으로 긴 파장에 공명 프린지 이동 합니다. 전송 스펙트럼 피크 센터를 추출할 다항식 함수에 장착 되어 있습니다. 맞는 다항식 Lorentzian 또는 가우스 맞춤 오류를 상쇄 하는 경향이 할 수 있는 경사진 기준선의 가장 일관 된 결과를 발견 했다. 장치의 파장 응답 보정된 백 금 저항 온도계의 응답에 대 한 플롯 하 고 선형 및 이차 맞는 하 오차 계산 됩니다. 맞춤된 오차는 센서의 온도 행동 이해에 유용한 도구입니다. 점의 온도에서 사이클 위아래와 주기 사이 비교는 포장된 장치에서 히스테리시스를 결정 하는 데 사용 됩니다.

열 사이클 실험의 우리의 예비...

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토론

이 실험의 목적은 광 온도계의 온도 의존 응답 계량 했다. 온도의 정량적 측정을 위해 그것은 계측 학년 잘, 작은 볼륨 센서, 우물 및 센서, 사이 좋은 열 접촉을 확인 하 고 열을 최소화 깊은 건조 환경에 지 면과 같은 안정적인 열원 활용 하. 칩 광학 섬유를 결합 하 여 이러한 요구 사항을 쉽게 충족, 효과적으로 포장된 장치를 만드는 낮아질 수 있습니다 깊은 계측 온도에 잘. 유리 튜브에 구리 실린더의 목적은 칩과 유리 튜브, 사이 좋은 열 접촉을 제공 하 고 온도 안정성 향상 과도 열 변동 따 윈 큰 열 질량을 제공 하. 유리 튜브는 건조 아르곤 가스 온도 측정 불확실성에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 낮은 온도에서 응축을 방지 하기 위해 경우 포함.

그러나 온도 측정에 오류의 가장 일반적인 출처는, 부족 한 평형 시간 이다. 공기는 우수한 절연체 이며 목욕 및 유리 튜브 또는 샘플 사이의 모든 airgaps 열 전송 속도가 느려질 수 있습니다. 그것은 그 장치는에 정착 평...

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공개 사항

저자는 공개 없다.

특정 장비 또는 자료는 실험 절차를 적절 하 게 지정 하려면이 문서에서 식별 됩니다. 이러한 식별은 승인을 의미 국립 연구소의 표준 및 기술 아니고 자료 또는 식별 장비는 반드시 최고를 의미 하는 것입니다 사용할 수.

감사의 글

저자는 실험 설정에 실리콘 광 온도 센서와 와이어 트 밀러와 새벽 십자가 조작 하는 기회를 제공 하기 위한 NIST/CNST NanoFab 시설을 인정 합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
Packaging process
6-axis stagePI instruments
비디오 카메라
에폭시 분배 시스템
Fiber array
Temperature Measurement
Metrology WellFluke9170드라이 웰 .01 K 이상으로 안정적
레이저NewportTLB6700 1520-1570 nm 조정 가능한 레이저
파장계HighFinesseWS/7100 Hz 웨이브미터
파워 미터Newport1936-R파워 미터 넓은 범위
, , , ,

참고문헌

  1. Price, R. The Platinum resistance Thermometer. Platinum Metals Review. 3 (3), 78-87 (1959).
  2. Xu, H., et al. Ultra-Sensitive Chip-Based Photonic Temperature Sensor Using Ring Resonator Structures. Optics Express. 22, 3098-3104 (2014).
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  4. Ahmed, Z., et al. Towards Photonics Enabled Quantum Metrology of Temperature, Pressure and Vacuum. arXiv:1603.07690 [physics.optics]. , (2016).
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