Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Produkcja i testowanie termometrów fotonicznych

5.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/55807

⸱

24 października 2018

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

W tym artykule

Podsumowanie

Opisujemy proces produkcji i testowania termometrów fotonicznych.

Streszczenie

W ostatnich latach, dążenie do opracowania nowatorskich krzemowych urządzeń fotonicznych dla telekomunikacji wygenerowało obszerną bazę wiedzy, która jest obecnie wykorzystywana do opracowywania zaawansowanych czujników fotonicznych. Krzemowe czujniki fotoniczne starają się wykorzystać silne uwięzienie światła w nanofalowodach do przekształcania zmian stanu fizycznego na zmiany częstotliwości rezonansowej. W przypadku termometrii współczynnik termooptyczny, czyli zmiany współczynnika załamania światła pod wpływem temperatury, powoduje, że częstotliwość rezonansowa urządzenia fotonicznego, takiego jak siatka Bragga, dryfuje wraz z temperaturą. Opracowujemy zestaw urządzeń fotonicznych, które wykorzystują najnowsze osiągnięcia w dziedzinie źródeł światła kompatybilnych z telekomunikacją do wytwarzania opłacalnych fotonicznych czujników temperatury, które mogą być stosowane w wielu różnych warunkach, od kontrolowanych warunków laboratoryjnych po hałaśliwe środowisko hali produkcyjnej lub rezydencji. W tym manuskrypcie szczegółowo opisujemy nasz protokół wytwarzania i testowania termometrów fotonicznych.

Wprowadzenie

Złoty standard w metrologii temperatury, platynowy termometr rezystancyjny, został po raz pierwszy zaproponowany przez Sir Siemensa w 1871 roku wraz z Callender1 opracowując pierwsze urządzenie w 1890 roku. Od tego czasu stopniowy postęp w projektowaniu i produkcji termometrów zaowocował szeroką gamą rozwiązań do pomiaru temperatury. Standardowy platynowy termometr rezystancyjny (SPRT) jest instrumentem interpolacyjnym do realizacji Międzynarodowej Skali Temperatury (ITS-90) i jej rozpowszechniania za pomocą termometrii rezystancyjnej. Obecnie, ponad sto lat po jej wynalezieniu, termometria rezystancyjna odgrywa kluczową rolę w różnych aspektach przemysłu i codziennej technologii, od biomedycyny po kontrolę procesów produkcyjnych, po produkcję i zużycie energii. Chociaż dobrze skalibrowane przemysłowe termometry rezystancyjne mogą mierzyć temperaturę z niepewnością tak małą jak 10 mK, są wrażliwe na wstrząsy mechaniczne, naprężenia termiczne i zmienne środowiskowe, takie jak wilgotność i zanieczyszczenia chemiczne. W związku z tym termometry rezystancyjne wymagają okresowych (i kosztownych) ponownych kalibracji off-line. Te fundamentalne ograniczenia termometrii rezystancyjnej spowodowały znaczne zainteresowanie opracowaniem fotonicznych czujników temperatury2, które mogą zapewniać podobne do lepszych możliwości pomiarowych, a jednocześnie są bardziej odporne na wstrząsy mechaniczne. Takie urządzenie spodoba się krajowym i przemysłowym laboratoriom oraz osobom zainteresowanym długoterminowym monitorowaniem, w którym dryft instrumentów może negatywnie wpłynąć na produktywność.

W ostatnich latach zaproponowano szeroką gamę nowatorskich termometrów fotonicznych, w tym barwniki światłoczułe3, oparty na szafirze mikrofalowy rezonator trybu szeptu4, czujniki światłowodowe5,6,7, oraz wbudowanych w układ krzemowy nano-fotoniczny czujniki8,9, 10. W NIST nasze wysiłki mają na celu opracowanie tanich, łatwych do wdrożenia, nowatorskich czujników i standardów temperatury, które można łatwo wyprodukować przy użyciu istniejących technologii, takich jak produkcja kompatybilna z CMOS. Szczególny nacisk położono na rozwój krzemowych urządzeń fotonicznych. Wykazaliśmy, że urządzenia te mogą być używane do pomiaru temperatury w zakresach od -40 °C do 80 °C i od 5 °C do 165 °C z niepewnościami porównywalnymi ze starszymi urządzeniami8. Co więcej, nasze wyniki sugerują, że przy lepszej wymienności urządzeń sterujących procesem rzędu 0,1 °C niepewność jest osiągalna (tj. niepewność pomiaru temperatury przy użyciu współczynników nominalnych, a nie współczynników wyznaczonych przez kalibrację).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Produkcja urządzeń

Uwaga: Krzemowe urządzenia fotoniczne mogą być wytwarzane przy użyciu płytek krzemowych na izolatorze (SOI) przy użyciu konwencjonalnej technologii CMOS poprzez litografię foto- lub wiązką elektronów, a następnie indukcyjną plazmę reaktywną jonową (ICP RIE) o grubości 220 nm najwyższej warstwy krzemu. Po wytrawieniu ICP RIE urządzenia mogą być pokryte cienką folią polimerową lub warstwą ochronną SiO2. Poniżej znajdują się główne etapy produkcji urządzeń fotonicznych SOI.

  1. Oczyść wafel SOI w roztworze piranii przez 10 minut, mieszaninie 4:1 kwasu siarkowego (H2SO4) inadtlenku wodoru (H2O2), a następnie płucz wodą dejonizowaną (DI) przez 1 minutę i wysusz azotem.
  2. Odwiruj około 20-50 ml rezystancji wiązki elektronicznej maN 2405 na płytce z prędkością 4 000 obr./min przez 60 s, a następnie piecz na płycie grzejnej w temperaturze 90 °C przez 15 minut.
  3. Wystaw wzór urządzenia na rezystor pokryty spinowo za pomocą litografii wiązką elektronów i wywołaj rezystancję. Zazwyczaj podstawowa dawka ekspozycji wynosi około 600 μC/cm2. Wywołaj za pomocą wywoływacza MIF-319 przez 60 s, a następnie spłukuj wodą przez 60 s.
  4. Wykonaj wytrawianie ICP RIE warstwy krzemu o grubości 220 nm, aby usunąć niezabezpieczony krzem. Użyj procesu pseudo-Bosch z C4F8: 57 SCCM / SF6: 33 SCCM, moc ICP: 3,000 W; Moc RIE: 15 W; ciśnienie 10 mTorr, temperatura: 15 °C; Szybkość wytrawiania: około 5-6 nm/s
  5. Rozpuść maskę rezystancyjną w czystym acetonie przez 1 godzinę, a następnie przepłucz izopropanolem, przepłucz wodą DI przez 60 s i wysusz azotem gazowym.
  6. Umieść ochronną warstwę wierzchnią o grubości 1 μm na płytce (cienka folia polimerowa) za pomocą powłoki wirowej (wirowanie 20-50 ml PMMA przy 4 000 obr./min przez 60 s, a następnie pieczenie na płycie grzejnej w temperaturze 180 °C przez 2 min).
  7. Wafel pokrój w kostkę za pomocą piły do krojenia w kostkę (grubość brzeszczotu: 35 μm) na małe, łatwe w obsłudze wiórki (np. 20 mm × 20 mm).

2. Pakowanie chipów fotonicznych

Uwaga: Sfabrykowane chipy fotoniczne są pakowane w niestandardowe zestawy pakietów, gdzie niestandardowe zestawy są używane do wyrównania i połączenia szeregu światłowodów z chipem fotonicznym. Konfiguracja pakowania pokazana na Rysunek 1 składa się z (i) 6-osiowego etapu mikropozycjonowania, który umożliwia 6-stopniowy ruch swobodny (współrzędne X, Y, Z i trzy odpowiadające im kąty obrotu względem współrzędnych X, Y, Z) z precyzją submikronową; (ii) zintegrowany moduł Peltiera na stopniu, który umożliwia ogrzewanie lub chłodzenie platformy najwyższego stopnia; (iii) ramię uchwytu matrycy z rowkiem w kształcie litery V; moduł mikrodozowania kleju epoksydowego; (iv) moduł naświetlania światłem ultrafioletowym (UV) do utwardzania klejów UV oraz (v) cztery aparaty cyfrowe o dużym powiększeniu do widoku z góry, z przodu i z dwóch boków. Pakiety światłowodów w układzie v-groove są pozyskiwane ze źródła komercyjnego.

  1. Procedura zgrubnego wyrównania
    1. Umieść chip fotoniczny na 6-osiowym stoliku i ustaw chip tak, aby porty wejścia/wyjścia w układzie scalonym były wyrównane z układem V-groove.
    2. Włącz odsysanie próżniowe przez zintegrowany port pompowania próżniowego na scenie, aby utrzymać chip na miejscu.
    3. Użyj kamery cyfrowej z widokiem z góry, aby zlokalizować i umieścić interesujące urządzenia fotoniczne w środku 6-osiowego stolika.
    4. Umieść ramię uchwytu matrycy z rowkiem w kształcie litery V blisko chipa i użyj ssania próżniowego przez zintegrowany port pompujący, aby utrzymać matrycę na miejscu.
    5. Użyj bocznych kamer cyfrowych jako wizualnej informacji zwrotnej, aby pomóc w umieszczeniu macierzy światłowodowej nad łącznikami siatki na chipie.
    6. Podnieś 6-osiowy stolik, aby ustawić chip fotoniczny na odległość nie większą niż 10 μm od dolnej krawędzi matrycy światłowodowej.
      UWAGA: Krawędź układu włókien z rowkiem w kształcie litery V powinna być z grubsza wyrównana (z dokładnością od 50 μm do 100 μm) względem znaków wyrównania na chipie. Ta procedura sprawia, że fasety światłowodów znajdują się we względnej odległości od odpowiednich łączników kratowych.
  2. Zautomatyzowane optymalne wyrównanie
    1. Po uzyskaniu zgrubnego ręcznego wyrównania aktywuj automatyczne wyszukiwanie za pomocą dostarczonego przez dostawcę oprogramowania dla stolika 6-osiowego.
      UWAGA: Ten algorytm wykonuje predefiniowany spacer po 6 stopniach ruchów (translacyjnych i obrotowych), aż do osiągnięcia maksymalnej transmisji światła szerokopasmowego przez porty wejściowe i wyjściowe chipa. Nie powinno to trwać dłużej niż 20 s do 30 s.
  3. Testowanie chipów fotonicznych
    UWAGA: Po osiągnięciu optymalnego wyrównania przed przystąpieniem do klejenia należy sprawdzić żywotność urządzenia.
    1. Użyj zintegrowanego modułu Peltiera na stoliku, aby poddać termicznej cykliczności temperaturę chipa podczas rejestrowania odpowiedzi spektralnej. Do cykli termicznych użyliśmy niestandardowego skryptu napisanego w LabView.
    2. Analiza zarejestrowanych widm ma na celu sprawdzenie wrażliwości temperaturowej urządzenia (zalecane wartości to 70 pm/°C do 80 pm/°C).
      UWAGA: Spektrometr laserowy został szczegółowo opisany w innym miejscu2. Zarejestrowane widma są analizowane w celu określenia czułości temperaturowej urządzenia, która powinna mieścić się w zakresie od 70 pm/°C do 80 pm/°C.
  4. Klejenie światłowodów
    1. Powoli opuść matrycę do powierzchni chipa.
    2. Ostrożnie umieść strzykawkę wypełnioną żywicą epoksydową w bliskim sąsiedztwie krawędzi matrycy światłowodowej, używając innego precyzyjnego stolika XYZ mikronów.
    3. Dozuj pojedynczą mikrokroplę żywicy epoksydowej i rozpocznij proces utwardzania (poprzez naświetlanie promieniami UV lub cykle termiczne).
    4. Okresowo uruchamiaj procedurę automatycznego wyrównywania (szczytowania/maksymalizacji), aby zapobiec utracie sygnału spowodowanej dryftem do czasu, gdy żywica epoksydowa zacznie twardnieć.
      UWAGA: Po utwardzeniu epoksydowym wydajność chipa fotonicznego i efektywność sprzężenia światła są ponownie testowane poprzez rejestrowanie widm transmisyjnych urządzenia w różnych temperaturach. Wydajność sprzężenia światła zwykle wzrasta po procesie łączenia, prawdopodobnie dlatego, że dopasowany współczynnik załamania optycznej żywicy epoksydowej zmniejsza straty odbicia na granicy światłowodu-chipa.
  5. Opakowanie termometru fotonicznego
    1. Umieść chip fotoniczny połączony światłowodem na miedzianym cylindrze (h = 25 mm, średnica = 5,79 mm) z niewielką ilością (około 1 mg) pasty termoprzewodzącej nałożonej na miedzianą powierzchnię montażową.
      UWAGA: Pasta termoprzewodząca zapewnia dobry, równomierny kontakt termiczny między metalowym przewodnikiem ciepła a chipem. Ponadto pasta termoprzewodząca zapewnia słabą przyczepność między dwiema częściami, co ułatwia proces opuszczania miedzianego zespołu cylinder-wiór w dół szklanej rurki (h = 50 mm; średnica wewnętrzna = 6,0 mm).
    2. Delikatnie opuść cylinder z wiórem miedzianym w dół szklanej rurki.
    3. Napełnij szklaną rurkę argonem i uszczelnij gumowym korkiem.

3. Pomiar temperatury

  1. Umieść zapakowany termometr fotoniczny (szklana rurka + miedziany cylinder + urządzenie fotoniczne sprzężone ze światłowodem) w suchej studzience o temperaturze metrologicznej (temperatura powinna być stabilna z dokładnością do 1 mK).
  2. Za pomocą specjalnie opracowanego programu komputerowego ustaw czas ustalania (od 20 min do 30 min), liczbę cykli termicznych (minimum 3), wielkość kroku temperaturowego (od 1 °C do 5 °C), liczbę kolejnych skanów (minimalne zalecenie 5) i moc lasera (dokładna moc dostarczana jest specyficzna dla poszczególnych przypadków, ale zazwyczaj mieści się w zakresie od nanowatów do mikrowatów).
    UWAGA: Skalibrowany platynowy termometr rezystancyjny połączony z miedzianym cylindrem służy do jednoczesnego rejestrowania temperatury kąpieli podczas wykonywania pomiarów fotonicznych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Jak pokazano na Rysunku 2, widma transmisyjne rezonatora pierścieniowego wykazują wąskie zapadnięcie transmitancji odpowiadające warunkowi rezonansu. Prążek rezonansowy przesuwa się w stronę dłuższych długości fal wraz ze wzrostem temperatury od 20 °C do 105 °C w przyrostach co 5 °C. Widmo transmisyjne jest dopasowywane do funkcji wielomianowej, z której wyznacza się centrum piku. Ustalono, że dopasowanie wielomianowe daje najbardziej spójne wyniki w przypadk...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Celem tego eksperymentu było ilościowe określenie zależnej od temperatury odpowiedzi termometru fotonicznego. Do ilościowych pomiarów temperatury rozsądnie jest wykorzystać stabilne źródło ciepła, takie jak głęboko sucha studnia klasy metrologicznej, czujniki o małej objętości, zapewnić dobry kontakt termiczny między studnią a czujnikiem i zminimalizować straty ciepła do otoczenia. Wymagania te można łatwo spełnić, łącząc światłowody z chipem, skutecznie tworząc kompaktowe urządzenie, które można obniżyć głęboko w temper...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

W niniejszym artykule zidentyfikowano pewne urządzenia lub materiały w celu odpowiedniego określenia procedury eksperymentalnej. Taka identyfikacja nie ma na celu sugerowania poparcia ze strony Narodowego Instytutu Standaryzacji i Technologii ani nie ma na celu sugerowania, że zidentyfikowane materiały lub sprzęt są koniecznie najlepszymi dostępnymi.

Podziękowania

Autorzy dziękują NIST/CNST NanoFab za umożliwienie produkcji krzemowych fotonicznych czujników temperatury, a Wyatt Miller i Dawn Cross za pomoc w przygotowaniu eksperymentów.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Proces pakowania
6-osiowy stolikPI instrumenty
wideo
system
Matryca
Pomiar temperatury< / em>
Metrologia WellFluke9170Dry well stabilny do lepszego niż .01
K LaserNewportTLB67001520-1570 nm przestrajalny falomierz laserowy
HighFinesseWS/7100 Hz miernik
mocyNewport1936-Rmiernik mocy o szerokim zakresie
kamerydozowania epoksydów światłowodowa

Bibliografia

  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).
  3. 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).
  4. Ahmed, Z., et al. Towards Photonics Enabled Quantum Metrology of Temperature, Pressure and Vacuum. arXiv:1603.07690 [physics.optics]. , (2016).
  5. Ahmed, Z., Filla, J., Guthrie, W., Quintavall, J. Fiber Bragg Gratings Based Thermometry. NCSL International Measure. 10, 24-27 (2015).
  6. Hill, K. O., Meltz, G. Fiber Bragg Grating Technology Fundamental and Overview. J. of Lightwave Technology. 15, 1263-1275 (1997).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Purdy, T., et al. Thermometry with Optomechanical Cavities. Conference on Lasers and Electro-Optics, , Optical Society of America. STu1H.2(2016).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Termometr fotonicznyfotonika krzemowawspółczynnik termooptycznykratka Braggalitografia wiązką elektronówtrawienie ICP RIEstół sześciosiowymatryca V-grooveodpowiedź spektralnacykliczność termiczna
Produkcja i testowanie termometrów fotonicznych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.