Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Изготовление и испытание фотонные Термометры

5.6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/55807

⸱

24 октября 2018 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Мы описываем процесс изготовления и испытания фотонные термометров.

Аннотация

В последние годы толчок для разработки Роман кремния фотонных устройств для телекоммуникаций вызвала обширную базу знаний, которая используется сейчас для разработки сложных фотонные датчиков. Кремния фотонные датчики стремятся использовать сильное сосредоточение света в нано волноводы передавать изменения физического состояния изменения в частоте резонанса. В случае Термометрия коэффициент термо оптические, т.е., изменения температуры, показатель преломления вызывает резонансной частоты фотонные устройства например Bragg решетку дрейфа с температурой. Мы разрабатываем комплект фотонных устройств, которые используют последние достижения в Телеком совместимых источников света для изготовления экономически фотонные температуры датчики, которые могут быть развернуты в широкий спектр параметров, начиная от управляемой лаборатории условия, в шумной среде цеху или место жительства. В этой рукописи мы подробно наш протокол для изготовления и испытания фотонные термометры.

Введение

Золотой стандарт для метрологии температуры, термометр платинового сопротивления, была впервые предложена сэром Siemens в 1871 году с Каллендер1 разработки первого устройства в 1890 году. С того времени постепенного прогресса в разработке и производстве термометров поставила широкий спектр температур измерения решения. Стандартный сопротивления Платиновый термометр (SPRT) является интерполяционного инструмент для реализации международной температурной шкалы (МТШ-90) и ее распространение с помощью сопротивления термометрии. Сегодня более чем через столетие после его изобретения, сопротивление Термометрия играет важную роль в различных аспектах индустрии и каждый день технологии, начиная от биомедицины, контроль процесса производства, производство и потребление энергии. Хотя термометры сопротивления хорошо калиброванный промышленных можно измерять температуру с неопределенностями, как малые, как 10 МК, они чувствительны к механическим воздействиям, тепловой стресс и экологических переменных, таких как влажность и химических загрязнений. Следовательно термометры сопротивления требуют периодического (и дорогостоящих) off-line осуществлялся. Эти фундаментальные ограничения сопротивления Термометрия принесли значительный интерес к разработке фотонные температуры датчики2 , которые могут доставить аналогичны лучше whislt возможности измерения, будучи более устойчив к механическим воздействиям . Такой devcie будет обратиться к национальной и промышленных лабораторий и тех, кто заинтересован в долгосрочный мониторинг, где инструмент дрейф может негативно сказаться на производительности.

В последние годы были предложены широкий спектр новых фотонных термометры, включая фоточувствительные красители3, на базе Сапфир Микроволновая шепот Галерея режим резонатор4, волоконно оптические датчики5,,6 7и кремний на чипе нано фотонный датчики8,9,10. В NIST наши усилия направлены на разработку недорогой, легко развертываемой, Роман температурных датчиков и стандартов, которые легко производятся с использованием существующих технологий, таких как производство CMOS-совместимый. Особое внимание было развитие кремния фотонных устройств. Мы продемонстрировали, что эти устройства могут использоваться для измерения температуры на расстояниях от-40 ° C до 80 ° C и 5 ° C до 165 ° C с неопределенностями, которые сопоставимы с устаревших устройств8. Кроме того, наши результаты показывают, что с устройством управления лучше процесс взаимозаменяемость порядка 0,1 ° C неопределенность является достижимым (т.е. неопределенность измерения температуры с помощью номинального коэффициентов калибровки не определены коэффициенты ).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. устройство изготовление

Примечание: Фотонных устройств могут быть изготовлены с использованием кремний на изоляторе (SOI) кремниевых пластин применение обычных КМОП технологии через фото - или Электронная литография следуют индуктивная плазменная реактивный Ион etch (ICP RIE) 220 Нм толстый верхний кремния слой. После того, как ICP RIE etch устройства могут быть топ плакированными с тонкой полимерной пленки или SiO2 защитный слой. Ниже приведены основные шаги в изготовление SOI фотонных устройств.

  1. Очистить вафельных SOI в растворе Пиранья за 10 мин, смесь 4:1 серной кислоты (H2т-4) и пероксида водорода (H2O2), следуют дейонизированной водой промыть (DI) за 1 мин и азот газ сушить.
  2. Спин пальто около 20-50 мл человек 2405 e-Beam устоять на пластины на 4000 rpm для 60 s, следуют плитой выпекать при температуре 90 ° С в течение 15 мин.
  3. Предоставляйте модель устройства на спин покрытием противостоять, используя e-литография и развивать сопротивляться. Обычно базовый воздействия доза составляет около 600 µC/см2. Разработка с разработчиком MIF-319 для 60 s, следуют 60 s промыть водой.
  4. Выполните ICP RIE etch 220 Нм кремния толщиной слоя, чтобы удалить незащищенных кремния. Используйте псевдо-Bosch-процесс с C4F8: 57 SCCM / SF6: 33 SCCM, ICP мощность: 3000 Вт; РИЕ мощность: 15 Вт; давление 10 mTorr, температура: 15 ° C; Etch ставка: примерно 5-6 Нм/s
  5. Растворите противостоять маски в чистом ацетоне за 1 ч, следуют изопропанол полоскания, 60 s DI промыть водой и азот газ сушить.
  6. Депозит 1 µm толщиной защитного верхнего уровня на вафельные (тонкой полимерной пленки) через покрытие закрутки (закрутка пальто 20-50 мл ПММА на 4000 rpm для 60 s следуют плитой выпекать при 180 ° C на 2 мин).
  7. Кости вафельные с вафельной перетасовки пила (видел Толщина клинка: 35 мкм) на мелкие легко обрабатывать чипов (например, 20 мм × 20 мм).

2. фотонный чип упаковка

Примечание: Сфабрикованные фотонные чипы упакованы на пользовательский дизайн упаковки установки, где Установка заказных упаковка используется для выравнивания и облигаций массив оптических волокон фотонный чип. Установки упаковка, показан на рисунке 1 состоит из (i) 6-осные микро позиционирования этап, позволяющий 6-степень свободы движения (X, Y, Z координаты, и три соответствующие углы вращения по отношению к X, Y, Z координаты) с субмикронной точностью; (ii) на сцене интегрированы Пельтье модуль, который позволяет нагревать или охлаждать Верхний этап платформы; (iii) v-образными канавками массив держатель руки; эпоксидный клей микро дозирования модуль; (iv) ультрафиолетового (УФ) освещенности модуль для лечения УФ Клеи и (v) четыре высокое увеличение цифровых камер для верхней, передней и два сбоку угол. Пакет оптических волокон в массив v-образными канавками закупаются из коммерческих источников.

  1. Предварительное выравнивание процедура
    1. Место фотонный чип на сцене 6-оси и ориентироваться чип, чтобы порты ввода/вывода на чипе выравниваются с v-образными канавками массивом.
    2. Включите вакуумного всасывания через на сцене комплексной вакуумные насосные порт провести чип на месте.
    3. Используйте Топ вид цифровой фотоаппарат для обнаружения и место фотонных устройств интерес в центре этапа 6-осевой.
    4. Положение v-образными канавками руку держатель массив недалеко от чипа и использования вакуумного всасывания через встроенный порт насосных для хранения массива на месте.
    5. Используйте цифровые камеры сбоку как визуальную обратную связь для позиции волокна массив выше решетки на чипе стяжки.
    6. Поднимите этап 6-осные предать фотонный чип в течение 10 мкм массиве волокна нижнего края.
      Примечание: Край массива волокна v-образный паз должны быть примерно выровнены (в пределах 50 мкм до 100 мкм точности) относительно меток выравнивания на чипе. Эта процедура приносит волоконно-оптических граней в относительной близости от соответствующей стяжки решетки.
  2. Автоматизированный оптимальное выравнивание
    1. После того, как достигнуто предварительное выравнивание вручную активируйте автоматический поиск, используя программное обеспечение поставщиков поставляются для этапа 6-осевой.
      Примечание: Этот алгоритм выполняет предопределенные ходьбы через 6 градусов движений (поступательные и вращательные) пока не будет достигнута максимальная передача широкополосного света через чип входных и выходных портов. Это должно занять не более чем 20 s до 30 s.
  3. Фотонный чип тестирование
    Примечание: После того, как достигается оптимальное выравнивание, проверьте жизнеспособность устройство перед склеивания.
    1. Используйте на сцене интегрированный модуль Пельтье для термически цикла температура чипа во время записи спектральной чувствительности. Для тепловых Велоспорт, мы использовали пользовательский сценарий, написанный в LabView.
    2. Анализировать записанные спектры для проверки чувствительности температуры устройства (рекомендуется использовать значения, 70 м / ° C до 80 м / ° C).
      Примечание: Лазерный спектрометр был описан в других местах в деталях2. Записанные спектры анализируются, чтобы определить чувствительность температуры устройства, которое должно быть в 70 м / ° C в диапазоне 80 м / ° C.
  4. Склеивания оптических волокон
    1. Медленно опустите массив до поверхности чипа.
    2. Осторожно поместите шприц эпоксидной смолы заполнены в непосредственной близости от края волокна массив, используя другой XYZ микронной точности этап.
    3. Обойтись одной микро капля эпоксидных и инициировать процесс вулканизации (либо через УФ облучения или тепловой Велоспорт).
    4. Периодически выполнять процедуру автоматического выравнивания (пик/максимизации) чтобы предотвратить дрейф индуцированной потери сигнала до тех пор эпоксидной начинает твердеть.
      Примечание: После отверждения фотонный чип эпоксидной производительность и свет, муфты эффективность тестируются снова путем записи передач спектры устройства при различных температурах. Свет, муфты эффективности обычно увеличивает после процесса склеивания, вероятно потому что эпоксидной оптического преломления соответствуют уменьшает потери отражения в интерфейсе волоконно чип.
  5. Упаковка фотонные термометр
    1. Место волокна тычковой фотонный чип на медный цилиндр (h = 25 мм, диаметр = 5.79 мм) с небольшим количеством термопаста наносится на поверхность меди монтажа (около 1 мг).
      Примечание: Термическая смазка гарантирует хорошее даже термического контакта между металлическими теплопроводником и чип. Кроме того, термопаста обеспечивает слабый адгезии между двумя частями, которые облегчает процесс снижения медный цилиндр чип Ассамблея вниз стеклянной трубки (h = 50 мм внутренний диаметр = 6,0 мм).
    2. Аккуратно опустите чип медный цилиндр в стеклянной трубке.
    3. Засыпки стеклянную трубку с аргоном и печать с резиновой пробкой.

3. Измерение температуры

  1. Поместите упакованных фотонные термометр (стеклянная трубка + медный цилиндр + волокна в сочетании фотонных устройств) в метрологии температуры сухой колодец (температура должна быть стабильной в течение 1 mK).
  2. С помощью заказных компьютерной программы задать время усадки (20 мин до 30 мин), количество тепловых циклов (минимум 3), температура шаг размера (1 ° C до 5 ° C), количество последовательных сканирований (минимум рекомендация 5) и мощность (точное мощность для лазера отдельных случаях, но обычно в nanowatt microwatt диапазон).
    Примечание: Калиброванные платинового сопротивления термометр для медного цилиндра используется одновременно записывать ванны температура как фотонные измерения проводятся.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Как показано на рисунке 2, кольцевой резонатор передачи спектры показывает узкие окунуться в передаче, соответствующее условию резонанс. Fringe резонанс смещает больше волн, увеличением температуры от 20 ° C до 105 ° C с шагом в 5 ° C. Спектры пропускания оснащен для выполнения полиномиальной функции, из которой извлекается пик центр. Полином подходят было обнаружено дать наиболее последовательные результаты присутствии наклонные базового плана, который может...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Цель этого эксперимента заключалась в количественной оценки температуры зависит от реакции фотонные термометр. Для количественных измерений температуры это разумно использовать источник стабильной тепла, таких как класс метрологии, глубоко сухой, хорошо, малый объем датчики, обеспечения надежного теплового контакта между хорошо и датчик и свести к минимуму тепла теряет для окружающей среды. Эти требования легко удовлетворяются путем склеивания оптических волокон на чип, эффективно создание упакованных устройства, которое...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Некоторые оборудование или материалы определены в настоящем документе для того, чтобы указать экспериментальной процедуры надлежащим образом. Такая идентификация не предназначен для подразумевает одобрение Национального института стандартов и технологий, ни предназначен подразумевает, что материалы или оборудование определены обязательно самые лучшие имеющиеся.

Благодарности

Авторы признают NanoFab NIST/CNST объекта для предоставления возможность изготовить кремния фотонные температурных датчиков и Wyatt Миллер и Dawn крест для помощи в создании экспериментов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Процесс упаковки
6-осевой столикPI инструменты
видеокамеры
система дозирования
Fiber Array
Измерение температуры
Метрология СкважинаFluke9170Сухая скважина стабильная до лучше, чем .01 K
лазерNewportTLB67001520-1570 нм перестраиваемый лазерный
волновой метрHighFinesseWS/7100 Гц волновой
метр Измеритель мощностиNewport1936-Rизмеритель мощности с широким диапазоном
эпоксидной смолы

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Фотонный термометркремниевая фотоникатермооптический коэффициентбрэгговская решеткаэлектронно-лучевая литографияICP RIE травлениешестиосевой позиционермассив V-образных пазовспектральный откликтермическое циклирование
Изготовление и испытание фотонные Термометры
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.