Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Изготовление и испытание фотонные Термометры

Published: October 24, 2018 doi: 10.3791/55807
Automatic Translation
1,2, 2
1Joint Quantum Institute, University of Maryland, 2Physical Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology

Summary

Мы описываем процесс изготовления и испытания фотонные термометров.

Abstract

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.

Introduction

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 ).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 сделать псевдоримановом или Гаусса подходят более склонны компенсировать ошибки. Волны ответ устройства заговор против реакции калиброванных платиновый датчик температуры и остатков для линейной и квадратичной подходит вычисляются. Fit остатков являются полезными инструментами в понимании поведения температуры датчиков. Сравнение температуры точек вверх и вниз циклы и между циклами используется для определения гистерезиса в упаковке устройства.

Наш предварительный анализ тепловых Велоспорт экспериментов свидетельствует о том, что влажность, индуцированные изменения в эпоксидной, вероятно, крупнейшим водитель гистерезиса в упакованы фотонные термометры. Мы отмечаем, что неупакованного устройства не показывают каких-либо значительных гистерезиса. Гистерезис в упаковке устройства можно было бы устранить с помощью гидрофобные эпоксидной, добавления сиккативов стеклянной трубки до запечатывания и более тугой изоляции вокруг перекрестка резиновые пробки стекла. Табулированию различных источников неопределенности с использованием повторяется, детальные измерения позволяет нам вычислить неопределенности подробный бюджет для фотонных термометр.

Figure 1
Рисунок 1: Упаковка аппарата. Фотонный чип упаковочные установки состоит из верхней камеры (A), две камеры сбоку (B и C), держатель руку волоконно массив (D) и шесть оси этап (E).

Figure 2
Рисунок 2 : Температура ответ фотонные датчика. Зависимый ответ температуры фотонные резонатора показывает систематическую показатели в резонанса волны с повышением температуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 может быть снижена в глубь метрология температуры хорошо. Медного цилиндра в стеклянную трубку предназначен для обеспечения надежного теплового контакта между чипа и стеклянные трубки и предоставлять большой тепловой массы, которая гасит переходных тепловых колебаний, таким образом улучшая стабильность температуры. Стеклянная трубка является заполнены сухой аргона для предотвращения конденсации при низких температурах, которые могут негативно сказаться на неопределенность измерения температуры.

Наиболее распространенным источником погрешности измерения температуры, однако, является недостаточной уравновешивания время. Воздух является отличным изолятором и любой airgaps между ванной и стеклянной трубки или образец может замедлить тепловой транспорта. Важно, чтобы убедиться, что устройство поселились в равновесие с температуры хорошо, прежде чем детальные измерения сделаны. Мы определили время уравновешивания измеряя неоднократно резонатор ответ в течение часа после ванны сама достигло равновесия. Наши результаты показывают, что в зависимости от геометрии пакет фотонный чип, это может занять до 20 минут, чтобы достичь равновесия. Как правило мы ждать 30 минут для достижения равновесия.

Фотонные Термометрия представляет подрывной новый маршрут для реализации, распространения и измерение Термометрия искаженную века старой парадигмы. В своей простейшей фотоники позволит нам преодолеть ограничения Термометрия сопротивления (штамм индуцированной гистерезиса, химической и экологической чувствительности, и т.д.), обеспечивая эквивалентный или более измерений производительности. Лучший сценарий для фотоники Термометрия предусматривает, используя последние достижения в optomechanics реализовать термодинамической температуры измерений11, таким образом позволяя отправляет измерений температуры от него отслеживания цепочки.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

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.

Acknowledgments

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.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Packaging process
6-axis stage PI instruments
video cameras
epoxy dispensation system
Fiber array
Temperature Measurement
Metrology Well Fluke 9170 Dry well stable to better than .01 K
Laser Newport TLB6700 1520-1570 nm tunable laser
Wavemeter HighFinesse WS/7 100 Hz wavemeter
Power meter Newport 1936-R power meter with broad range

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Химия выпуск 140 фотоники кремния Термометрия Фотонный кристалл полости CMOS-совместимый косичка
Изготовление и испытание фотонные Термометры
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Klimov, N. N., Ahmed, Z. Fabrication … More

Klimov, N. N., Ahmed, Z. Fabrication and Testing of Photonic Thermometers. J. Vis. Exp. (140), e55807, doi:10.3791/55807 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter