Name: Produkcja i testowanie termometrów fotonicznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-10-24T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 44 s
Description: Poznaj produkcję i testowanie termometrów fotonicznych wykorzystujących pomiary częstotliwościowe. Ta metoda zwiększa precyzję pomiarów temperatury i redukuje potrzebę częstych kalibracji w metrologii.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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

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.
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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</li>
	<li>Rozpuść maskę rezystancyjną w czystym acetonie przez 1 godzinę, a następnie przepłucz izopropanolem, przepłucz wodą DI przez 60 s i wysusz azotem gazowym.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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).</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>Procedura zgrubnego wyrównania
	<ol>
		<li>Umieść chip fotoniczny na 6-osiowym stoliku i ustaw chip tak, aby porty wejścia/wyjścia w układzie scalonym były wyrównane z układem V-groove.</li>
		<li>Włącz odsysanie próżniowe przez zintegrowany port pompowania próżniowego na scenie, aby utrzymać chip na miejscu.</li>
		<li>Użyj kamery cyfrowej z widokiem z góry, aby zlokalizować i umieścić interesujące urządzenia fotoniczne w środku 6-osiowego stolika.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Użyj bocznych kamer cyfrowych jako wizualnej informacji zwrotnej, aby pomóc w umieszczeniu macierzy światłowodowej nad łącznikami siatki na chipie.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zautomatyzowane optymalne wyrównanie
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Testowanie chipów fotonicznych 
	UWAGA: Po osiągnięciu optymalnego wyrównania przed przystąpieniem do klejenia należy sprawdzić żywotność urządzenia.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Klejenie światłowodów
	<ol>
		<li>Powoli opuść matrycę do powierzchni chipa.</li>
		<li>Ostrożnie umieść strzykawkę wypełnioną żywicą epoksydową w bliskim sąsiedztwie krawędzi matrycy światłowodowej, używając innego precyzyjnego stolika XYZ mikronów.</li>
		<li>Dozuj pojedynczą mikrokroplę żywicy epoksydowej i rozpocznij proces utwardzania (poprzez naświetlanie promieniami UV lub cykle termiczne).</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Opakowanie termometru fotonicznego
	<ol>
		<li>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).</li>
		<li>Delikatnie opuść cylinder z wiórem miedzianym w dół szklanej rurki.</li>
		<li>Napełnij szklaną rurkę argonem i uszczelnij gumowym korkiem.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Pomiar temperatury
<ol>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol><li>Price, R. <a target="_blank" href="http://www.technology.matthey.com/article/3/3/78-87/">The Platinum resistance Thermometer.</a> Platinum Metals Review. 3 (3), 78-87 (1959).</li>
<li>Xu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultra-Sensitive+Chip-Based+Photonic+Temperature+Sensor+Using+Ring+Resonator+Structures%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Ultra-Sensitive Chip-Based Photonic Temperature Sensor Using Ring Resonator Structures.</a> Optics Express. 22, 3098-3104 (2014).</li>
<li>Donner, J. S., Thompson, S. A., Kreuzer, M. P., Baffou, G., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+Intracellular+Temperatrure+Using+Green+Flurorescent+Protein%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Mapping Intracellular Temperatrure Using Green Flurorescent Protein.</a> Nano Letters. 12 (4), 2107-2111 (2012).</li>
<li>Ahmed, Z., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1603.07690">Towards Photonics Enabled Quantum Metrology of Temperature, Pressure and Vacuum.</a> arXiv:1603.07690 [physics.optics]. , (2016).</li>
<li>Ahmed, Z., Filla, J., Guthrie, W., Quintavall, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fiber+Bragg+Gratings+Based+Thermometry%5BTitle%5D)+AND+%22NCSL+International+Measure%22%5BJournal%5D)">Fiber Bragg Gratings Based Thermometry.</a> NCSL International Measure. 10, 24-27 (2015).</li>
<li>Hill, K. O., Meltz, G. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/618320/">Fiber Bragg Grating Technology Fundamental and Overview.</a> J. of Lightwave Technology. 15, 1263-1275 (1997).</li>
<li>Liacouras, P. C., Grant, G., Choudhry, K., Strouse, G. F., Ahmed, Z. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1508.01156">Fiber Bragg Gratings Embedded in 3D-printed Scaffolds.</a> NCSL International Measure. 10 (2), 50-52 (2015).</li>
<li>Klimov, N. N., Mittal, S., Berger, M., Ahmed, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On-chip+silicon+waveguide+Bragg+grating+photonic+temperature+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Optical+Letters%22%5BJournal%5D)">On-chip silicon waveguide Bragg grating photonic temperature sensor.</a> Optical Letters. 40 (17), 3934-3936 (2015).</li>
<li>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).</li>
<li>Kim, G. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silicon+photonic+temperature+sensor+employing+a+ring+resonator+manufactured+using+a+standard+CMOS+process%5BTitle%5D)+AND+%22Optical+Express%22%5BJournal%5D)">Silicon photonic temperature sensor employing a ring resonator manufactured using a standard CMOS process.</a> Optical Express. 18 (21), 22215-22221 (2010).</li>
<li>Purdy, T., et al. Thermometry with Optomechanical Cavities. Conference on Lasers and Electro-Optics, , Optical Society of America. STu1H.2(2016).</li>
</ol>

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.

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...

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).

<table><tbody><tr><td>Proces pakowania</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>6-osiowy stolik</td><td>PI instrumenty</td><td></td><td></td>kamery</tr><tr><td>wideo</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>system</td><td></td><td></td><td></td>dozowania epoksydów</tr><tr><td>Matryca</td><td></td><td></td><td></td> światłowodowa</tr><tr><td>Pomiar temperatury</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Metrologia Well</td><td>Fluke</td><td>9170</td><td>Dry well stabilny do lepszego niż .01</td></tr><tr><td>K Laser</td><td>Newport</td><td>TLB6700</td><td>1520-1570 nm przestrajalny falomierz laserowy</td></tr><tr><td></td><td>HighFinesse</td><td>WS/7</td><td>100 Hz miernik</td></tr><tr><td>mocy</td><td>Newport</td><td>1936-R</td><td>miernik mocy o szerokim zakresie</td></tr></tbody></table>

produkcja i testowanie termometrów fotonicznych

Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

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.

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...

Opisujemy proces produkcji i testowania termometrów fotonicznych.

Produkcja i testowanie termometrów fotonicznych

In recent years, a push for developing novel silicon photonic devices for telecommunications has generated a vast knowledge base that is now being ...

Termometria fotoniczna może pomóc w przejściu metrologii temperatury z tradycyjnej technologii opartej na rezystancji na pomiary oparte na częstotliwości. Główną zaletą tej techniki jest możliwość wykorzystania postępów w metrologii częstotliwości do przeprowadzania bardziej precyzyjnych pomiarów przy jednoczesnym tworzeniu urządzeń, które pokonują fizyczne ograniczenia obecnej technologii, takie jak rozmiar oraz wrażliwość na wstrząsy mechaniczne i zmiany środowiskowe. Zastosowanie tej techniki może wpłynąć na zmianę sposobów prowadzenia analiz w Stanach Zjednoczonych i na całym świecie.Ultrastabilny termometr fotoniczny zredukuje potrzebę częstych kalibracji. Przyszły rozwój optomechanicznych wzorców temperatury może oddać wzorzec kalibracyjny w ręce użytkownika, eliminując potrzebę korzystania ze specjalistycznych placówek kalibracyjnych. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą mogą napotkać trudności, ponieważ stanowi ona punkt przecięcia dwóch odmiennych dziedzin, z których każda posiada własne słownictwo, wymagania technologiczne oraz specjalistyczne protokoły służące do maksymalizacji efektów.Każdy nowy użytkownik musi nauczyć się adaptować i dostosowywać do czasem sprzecznych wymagań. Na początek należy oczyścić wafelek SOI zgodnie z opisem w towarzyszącym protokole tekstowym. Następnie należy pokryć wafelek od 20 do 50 mililitrów negatywowego fotorezystu MA-N 2405.Wiruj przez 60 sekund przy 4,000 RPM, a następnie przenieś wafelek na płytkę grzewczą i wypalaj w temperaturze 90 °C przez 15 minut. Po wypalaniu naświetl fotorezyst wzorem pokazanym tutaj, korzystając ze standardowego zestawu do litografii wiązką elektronów (E-beam lithography). Następnie umieść wafelek w roztworze wywoływacza MIF 319 i inkubuj przez 60 sekund.Przenieś opracowany wafel do wody i płucz go przez kolejne 60 sekund. Następnie przeprowadź trawienie warstwy krzemu o grubości 220 nanometrów za pomocą ICP RIE, aby usunąć nieosłonięty krzem. Rozpuść maskę z rezystu w czystym acetonie przez jedną godzinę, a następnie wypłucz izopropanolem.Następnie płucz podłoże krzemowe przez 60 sekund w wodzie dejonizowanej i wysusz je azotem. Teraz umieść podłoże z powrotem w urządzeniu do powlekania obrotowego. Nałóż na podłoże warstwę wierzchnią z ochronnego filmu polimerowego o grubości jednego nanometra.Na koniec potnij wafer za pomocą przecinarki do waferów na małe, łatwe w obsłudze chipy o wymiarach 20 milimetrów na 20 milimetrów. Umieść chip fotoniczny na stole szecioosiowym i zorientuj go tak, aby wejściowe i wyjściowe porty na chipie były wyrównane z macierzą rowków V. Następnie włącz ssanie próżniowe poprzez zintegrowany w stole port pompy próżniowej, aby unieruchomić chip.Użyj cyfrowej kamery widoku z góry, aby zlokalizować i umieścić badane urządzenia fotoniczne w centrum platformy sześcioosiowej. Następnie ustaw ramię uchwytu matrycy z rowkami w kształcie litery V blisko chipu i użyj ssania próżniowego przez zintegrowany port pompowy, aby unieruchomić matrycę. Korzystając z cyfrowych kamer widoku z boku jako informacji zwrotnej, ustaw matrycę światłowodową nad zintegrowanymi sprzęgaczami gradientowymi i podnieś platformę, aby zbliżyć chip fotoniczny na odległość 10 micrometers od dolnej krawędzi matrycy światłowodowej.Krawędź macierzy światłowodów w rowkach V powinna zostać wstępnie wyrównana z dokładnością od 50 do 100 mikronów względem znaczników wyrównania na chipie. Procedura ta przybliża światłowód optyczny do odpowiadających mu sprzęgaczy gradientowych. Po wstępnym wyrównaniu chipu należy aktywować automatyczne wyszukiwanie dla pomiarowego stołu sześcioosiowego.Algorytm ten wyszukuje maksymalną transmisję światła szerokopasmowego przez porty wejściowe i wyjściowe chipa. Proces ten nie powinien trwać dłużej niż od 20 do 30 sekund. Po osiągnięciu optymalnego ustawienia należy sprawdzić żywotność urządzenia przed przystąpieniem do procesu bondingowania.Za pomocą programu takiego jak LabVIEW steruj zintegrowanym modułem na pomoście, aby przeprowadzić cykle termiczne temperatury chipa, rejestrując jednocześnie odpowiedź widmową. Przeanalizuj widma zarejestrowane przez spektrometr laserowy, aby zweryfikować czułość temperaturową urządzenia. Powoli opuść matrycę na powierzchnię chipa, obserwując obraz z cyfrowej kamery widoku bocznego.Następnie, używając drugiej precyzyjnej platformy XYZ, ostrożnie ustaw strzykawkę wypełnioną żywicą epoksydową w bliskim sąsiedztwie krawędzi macierzy włókien. Po ustawieniu podaj pojedynczą mikrokroplę żywicy. Podczas utwardzania żywicy okresowo uruchamiaj automatyczną procedurę wyrównania, aby zapobiec utracie sygnału spowodowanej dryftem.Po utwardzeniu żywicy epoksydowej należy sprawdzić wydajność chipa fotonicznego oraz efektywność sprzęgania światła poprzez rejestrację widm transmisyjnych w różnych temperaturach. Efektywność sprzęgania światła zazwyczaj wzrasta po procesie wiązania. Należy użyć około jednego miligrama pasty termoprzewodzącej, aby termicznie połączyć chip fotoniczny z przywiązanymi światłowodami z małym miedzianym cylindrem.Następnie ostrożnie opuść miedzowy cylinder z chipem w dół szklanej rurki. Po umieszczeniu go na właściwej pozycji, wypełnij ponownie szklaną rurkę gazem argonem i zamknij ją za pomocą gumowego korka. Następnie umieść zapakowany termometr fotoniczny w metrologicznej suchej studni temperaturowej o stabilności w granicach jednego mikroKelvina.Używając dedykowanego programu komputerowego, ustaw czas stabilizacji na 20 do 30 minut, liczbę cykli termicznych na co najmniej trzy, a wielkość kroku temperatury w przedziale od jednego do pięciu °C. Należy również ustawić liczbę skanów następujących po sobie na co najmniej pięć, a moc lasera w zakresie od nanowatów do mikrowatów. Jak pokazano tutaj, widma transmisji rezonatora pierścieniowego wykazują wąskie zapady transmisji odpowiadające warunkowi rezonansu dla każdej temperatury.Prążek rezonansowy przesuwa się w stronę dłuższych fal wraz ze wzrostem temperatury od 20 Celsius do 105 Celsius w przyrostach co pięć stopni Celsius. Nasza wstępna analiza eksperymentu z cyklem termicznym sugeruje, że zmiany w żywicy epoksydowej wywołane wilgotnością są prawdopodobnie główną przyczyną histerezy w obudowanych termometrach fotonicznych i że urządzenia bez obudowy nie wykazują istotnej histerezy. Ponadto histerezę w urządzeniu w obudowie można zminimalizować, stosując hydrofobową żywicę epoksydową jako osuszacz w probówce szklanej przed zapewnieniem szczelniejszego zamknięcia połączenia gumowego korka ze szkłem.Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o zminimalizowaniu wszelkich zanieczyszczeń chemicznych próbek, takich jak wilgoć w zamkniętej probówce, ponieważ znacząco obniży to dokładność pomiaru. Po zastosowaniu tej procedury można przeprowadzić inne metody, takie jak blokowanie laserowe lub spektroskopia grzebieniowa dwuczęstotliwościowa, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące długoterminowej stabilności tych urządzeń, obciążenia impulsowego oraz charakterystyki właściwości fizyko-termicznych. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę badaczom w dziedzinie metrologii do badania precyzyjnej metrologii innych wielkości fizycznych i chemicznych, takich jak ciśnienie, próżnia oraz analiza śladowa gazów w systemach wbudowanych.Należy pamiętać, że praca z agresywnymi odczynnikami chemicznymi w pomieszczeniu czystym oraz z silnymi źródłami światła, takimi jak lasery w laboratorium, może być niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zawsze przestrzegać środków ostrożności, takich jak stosowanie środków ochrony indywidualnej, w tym okularów ochronnych do laserów.

fabrication-and-testing-of-photonic-thermometers

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Parametryczne wzbudzenia optomechaniczne zostały ostatnio eksperymentalnie zademonstrowane w mikroprzepływowych rezonatorach optomechanicznych za pomocą ciśnienia promieniowania optycznego i stymulowanego rozpraszania Brillouina. W artykule opisano wytwarzanie tych rezonatorów mikroprzepływowych wraz z metodologiami generowania i weryfikacji oscylacji optomechanicznych.

Produkcja i testowanie mikroprzepływowych oscylatorów optomechanicznych

Test Cold Plantar (CPA) mierzy reakcję na zimno w zakresie od 30 °C do 5 °C, a także może mierzyć adaptację do zimna. Protokół ten opisuje, jak używać CPA do pomiaru nadwrażliwości na zimno, analgezji i adaptacji u myszy.

Prosta i niedroga metoda określania wrażliwości na zimno i adaptacji u myszy

Tutaj prezentujemy trzy protokoły pomiarów termicznych w urządzeniach mikroprzepływowych.

Techniki pomiaru termicznego w analitycznych urządzeniach mikroprzepływowych

Demonstrujemy użycie rozproszonego czujnika światłowodowego do mapowania pola temperatury mieszających strumieni powietrza. Czujnik oparty na rozpraszaniu Rayleigha generuje tysiące punktów danych wzdłuż jednego włókna, aby zapewnić wyjątkową rozdzielczość przestrzenną, która jest nieosiągalna w przypadku tradycyjnych czujników, takich jak termopary.

Rozproszone czujniki światłowodowe do mapowania pola temperatury o wysokiej rozdzielczości

Opisany jest prosty aparat Dewara/kriostatu z ciekłym azotem, składający się z małego optycznego Dewara z topionej krzemionki, termopary i spektrografu z ładunkiem sprzężonym z ładunkiem (CCD). Eksperymenty, do których zaprojektowano ten kriostat Dewara, wymagają szybkiego ładowania, zamrażania i wyrównywania próbek, dokładnych i stabilnych temperatur próbek oraz niewielkich rozmiarów/przenośności.

Prosty kriostat Dewara/Kriostatu do równoważenia termicznego próbek w znanych temperaturach w celu dokładnych pomiarów luminescencji kriogenicznej

Ta praca opisuje innowacyjną platformę czujników światłowodowych z silikonową końcówką (Si-FOSP) do wysokiej rozdzielczości i szybkiego pomiaru różnych parametrów fizycznych, takich jak temperatura, przepływ i promieniowanie. Zastosowania tego Si-FOSP obejmują zarówno badania oceanograficzne, przemysł mechaniczny, jak i badania nad energią syntezy jądrowej.

Światłowodowa platforma detekcyjna z silikonową końcówką o wysokiej rozdzielczości i szybkiej reakcji

Prezentowany tutaj jest protokół wykorzystujący stolik mikroskopowy o kontrolowanej temperaturze, który pozwala na zamontowanie pojemnika na próbkę na mikroskopie pionowym.

Wykonanie stolika mikroskopowego do obserwacji pionowej z funkcją kontroli temperatury

Ten protokół opisuje, jak zainstalować kamerę na podczerwień w piecu przenośnika taśmowego, przeprowadzić korektę klienta fabrycznie skalibrowanej kamery na podczerwień i ocenić przestrzenny rozkład temperatury powierzchni obiektu będącego przedmiotem zainteresowania. Przykładowe obiekty to przemysłowe krzemowe ogniwa słoneczne.

Pomiar temperatury powierzchni in situ w piecu przenośnika taśmowego za pomocą termografii w podczerwieni inline

Ten protokół opisuje budowę taniego, dyskretnego, sprzężonego światłowodami i z przestrzenią powietrzną etalonowego Fabry'ego-Perota z różnymi zastosowaniami, takimi jak spektroskopia gazów śladowych. Produkcja jest możliwa w każdym obiekcie, w którym dostępny jest standardowy optyczny sprzęt laboratoryjny.

Wytwarzanie taniego, sprzężonego z włóknami i rozmieszczonego powietrznie etalonu Fabry-Pérot

W tym artykule przedstawiono technikę termorefleksji w dziedzinie częstotliwości (FDTR) do lokalnej niedestrukcyjnej charakterystyki termicznej i obrazowania.

Technika termorefleksji w dziedzinie częstotliwości do pomiarów właściwości termicznych

Poznaj produkcję i testowanie termometrów fotonicznych wykorzystujących pomiary częstotliwościowe. Ta metoda zwiększa precyzję pomiarów temperatury i redukuje potrzebę częstych kalibracji w metrologii.

Produkcja i testowanie termometrów fotonicznych

Przeglądaj więcej filmów