Summary
Beschrijven we het proces van fabricage en beproeving van fotonische thermometers.
Abstract
In de afgelopen jaren heeft een impuls voor de ontwikkeling van nieuwe silicon fotonische apparaten voor telecommunicatie een enorme kennisbank die is nu voor het ontwikkelen van geavanceerde fotonische sensoren wordt leveraged gegenereerd. Silicon fotonische sensoren proberen te misbruiken van de sterke opsluiting van licht in nano-golfgeleiders om te transduce van veranderingen in de fysische toestand aan veranderingen in de resonantiefrequentie. In het geval van Thermometrie veroorzaakt de thermo-optiek-coëfficiënt, dat wil zeggen, veranderingen in brekingsindex te wijten aan de temperatuur, de resonant frequentie van de fotonische apparaat zoals een raspend Bragg te drijven met de temperatuur. We zijn het ontwikkelen van een suite van fotonische devices die gebruik maken van recente ontwikkelingen in de telecom compatibel lichtbronnen te fabriceren van kosteneffectieve fotonische temperatuursensoren, die kunnen worden ingezet in een breed scala aan instellingen variërend van gecontroleerde laboratorium voorwaarden, aan de lawaaierige omgeving van een fabrieksvloer of een verblijfsvergunning. In dit manuscript detailleren wij ons protocol voor de fabricage en testen van fotonische thermometers.
Introduction
De gouden standaard voor temperatuur metrologie, de platina weerstandsthermometer, werd voor het eerst voorgesteld door Sir Siemens in 1871 met Callender1 ontwikkeling van het eerste apparaat in 1890. Sinds die tijd heeft incrementele voortgang in het ontwerp en de productie van thermometers een breed scala aan temperatuur meten oplossingen geleverd. De standaard platina weerstandsthermometer (NTC) is het interpolating instrument voor het realiseren van internationale temperatuurschaal (ITS-90) en de verspreiding ervan met behulp van weerstand Thermometrie. Vandaag, speelt meer dan een eeuw na zijn uitvinding, weerstand Thermometrie een cruciale rol in verschillende aspecten van industrie en dagelijks variërend van biomedische ontwikkelingen voor de productie van procescontrole, energieproductie en consumptie. Hoewel goed gekalibreerde industriële weerstand thermometers kunnen het meten van temperatuur met onzekerheden zo klein als 10 mK, ze zijn gevoelig voor mechanische schok, thermische stress en omgevingsvariabelen zoals vochtigheid en chemische verontreinigingen. Bijgevolg vereisen weerstand thermometers periodieke (en dure) off-line herkalibraties. Deze fundamentele beperkingen van weerstand Thermometrie hebben veel belangstelling bij de ontwikkeling van fotonische temperatuur sensoren2 die vergelijkbaar is met betere meting mogelijkheden whislt zijn robuuster tegen mechanische schok kan leveren . Een dergelijke devcie zal een beroep op nationale en industriële laboratoria en diegenen die geïnteresseerd zijn in de lange termijn toezicht waar instrument drift productiviteit negatief kan beïnvloeden.
In de afgelopen jaren een grote verscheidenheid van roman fotonische thermometers hebben voorgesteld met inbegrip van lichtgevoelige pigmenten3, sapphire gebaseerde magnetron whispering gallery modus resonator4, fiber optische sensoren5,6, 7, en op de chip silicon nano-fotonische sensoren8,9,10. Op NIST, zijn onze inspanningen gericht op de ontwikkeling van de goedkope, gemakkelijk-inzetbare, roman temperatuursensoren en normen die gemakkelijk worden vervaardigd met behulp van bestaande technologieën, zoals CMOS-compatibele productie. Bijzondere aandacht is de ontwikkeling van silicon fotonische apparaten. We hebben aangetoond dat deze apparaten kunnen worden gebruikt voor het meten van temperatuur over het bereik van-40 ° C tot 80 ° C en 5 ° C tot 165 ° C met onzekerheden die vergelijkbaar met verouderde apparaten8 zijn. Bovendien, onze resultaten suggereren dat met een betere proces bedieningsorgaan uitwisselbaarheid volgorde van 0,1 ° C onzekerheid haalbaar (dat wil zeggen de onzekerheid van de temperatuurmeting met behulp van nominale coëfficiënten niet kalibratie bepaald coëfficiënten ).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. apparaat Fabrication
Opmerking: Silicium fotonische apparaten kunnen worden vervaardigd met behulp van silicium-op-isolator (SOI) plaatjes toepassen conventionele CMOS-technologie via foto - of electron beam lithografie gevolgd door inductieve plasma reactive ion etch (ICP RIE) voor 220 nm-dikke bovenste silicium laag. Nadat ICP RIE etch kunnen de apparaten top-fineerhout met een dunne polymeerfolie of SiO2 beschermlaag. Hieronder zijn de belangrijkste stappen van in de fabricage van SOI fotonische apparaten.
- Reinigen van een SOI-wafer in een piranha-oplossing voor 10 min, een mengsel van 4:1 van zwavelzuur (H2SO4) en waterstof peroxide (H2O2), gevolgd door een gedeïoniseerd (DI) water spoelen voor 1 min en stikstof gas van droge klap.
- Spin vacht ongeveer 20-50 mL maN 2405 e-bundel weerstaan naar de wafer bij 4000 rpm voor 60 s, gevolgd door een kookplaat bak bij 90 ° C gedurende 15 minuten.
- Het patroon van het apparaat naar de spin beklede weerstaan met behulp van e-bundel litho bloot en ontwikkelen de weerstaan. De gebruikelijke basis blootstelling dosis is ongeveer 600 µC/cm2. Ontwikkelen met MIF-319 developer voor 60 s, gevolgd door een 60 s water spoelen.
- Uitvoeren van een ICP RIE etch voor de 220 nm dikke silicium laag te verwijderen van de onbeschermde silicium. Gebruik van een pseudo-Bosch met C4F8: 57 SCCM / SF6: 33 SCCM, ICP macht: 3.000 W; RIE macht: 15 W; Druk 10 mTorr, temperatuur: 15 ° C; Etch tarief: ongeveer 5-6 nm/s
- Los het weerstaan masker in pure aceton gedurende 1 uur, gevolgd door een spoeling van isopropanol, een 60 s DI water spoelen en stikstof gas blazen droog.
- Storten van een 1 µm dik boven-beschermlaag op de wafer (een dunne polymeerfolie) via een spin coating (spin jas 20-50 mL PMMA bij 4000 rpm voor 60 s gevolgd door een kookplaat bakken bij 180 ° C gedurende 2 minuten).
- Dobbelstenen de wafer met een wafel dobbelen zaag (zag Dikte lemmet: 35 µm) in kleine makkelijk te hanteren van chips (b.v., 20 × 20 mm).
2. fotonische Chip verpakking
Opmerking: De verzonnen fotonische chips zijn verpakt op een douaneontwerp verpakking setup waar een op maat gemaakte verpakking setup uitlijnen en een array van optische vezels aan een photonic spaander obligatie wordt gebruikt. De installatie van de verpakking komt te staan op Figuur 1 bestaat uit (i) 6-assige micro-positionering stadium, waarmee 6 graden van vrijheidsbeweging (X, Y, Z coördinaten, en drie bijbehorende hoeken van rotatie ten opzichte van de X, Y, Z coördinaten) met submicron precisie; (ii) podium geïntegreerd Peltier module die het mogelijk maakt om te verwarmen of koelen van het bovenste podium platform; (iii) v-groef matrix houder arm; epoxy lijm micro-verstrekking module; (iv) ultra violet (UV) blootstelling aan licht module te genezen UV lijmen, (v) vier hoge vergroting digitale camera's voor de bovenkant, voorkant en twee weergaven op de hoek. Optische vezels pakket in v-groef matrix zijn verkregen van een commerciële bron.
- Ruwe alignement procedure
- Plaats de fotonische chip in het 6-assige werkgebied en oriënteren van de chip, zodat de op de chip input/output-poorten worden uitgelijnd met de array v-groef.
- Inschakelen van vacuüm zuig via on-stage geïntegreerd vacuüm pompen poort naar de chip op zijn plaats houden.
- Gebruik de bovenaanzicht digitale camera te zoeken en plaats de fotonische apparaten van belang in het midden van de 6-assige podium.
- Positie van de v-groef matrix houder arm dichtbij de chip en gebruik van vacuüm zuig via een geïntegreerde pompen poort om de matrix op zijn plaats houden.
- De zijaanzicht digitale camera's als een visuele feedback om te helpen de positie de vezel matrix gebruiken boven de op de chip raspen koppelaars.
- Verhogen van de 6-assige fase de photonic spaander om aan te brengen binnen 10 µm van de vezel matrix onderrand.
Opmerking: De rand van de v-groef vezel matrix moet worden ongeveer uitgelijnd (binnen 50 µm tot 100 µm nauwkeurigheid) ten opzichte van op-Spaander uitlijning merken. Deze procedure brengt de facetten van de optische vezel in een relatieve nabijheid van de overeenkomstige raspen koppelaars.
- Geautomatiseerde optimale uitlijning
- Zodra een ruwe Handmatige afstemming is bereikt, activeren de geautomatiseerde zoekactie met behulp van de software van de leverancier geleverd voor de 6-assige fase.
Opmerking: Dit algoritme presteert een vooraf gedefinieerde wandeling over de 6-graden bewegingen toelaat (translationeel en roterende) totdat de maximale transmissie van breedband licht door de chip input en output poorten is bereikt. Het moet niet langer duren dan 20 s tot 30 s.
- Zodra een ruwe Handmatige afstemming is bereikt, activeren de geautomatiseerde zoekactie met behulp van de software van de leverancier geleverd voor de 6-assige fase.
- Photonic Spaander testen
Opmerking: Zodra de optimale uitlijning is bereikt, Controleer de levensvatbaarheid van het apparaat voordat u verdergaat met de bonding.- Gebruik de on-stage geïntegreerde Peltier module aan thermisch cyclus de chip temperatuur tijdens het opnemen van de spectrale respons. We hebben voor de temperatuurcycli, een aangepast script geschreven in LabView gebruikt.
- Analyseren van de opgenomen spectra is om te controleren of de temperatuur gevoeligheid van het apparaat (aanbevolen waarden zijn 70 pm / ° C tot 80 uur / ° C).
Opmerking: De laser-spectrometer is beschreven elders in detail2. De opgenomen spectra worden geanalyseerd om te bepalen van de gevoeligheid van de temperatuur van het apparaat dat in de 70 pm / ° C tot 80 uur / ° C-bereik worden moet.
- Verlijmen van optische vezels
- Langzaam lager de array naar het oppervlak van de chip.
- Zorgvuldig plaatst de epoxy gevuld spuit in directe nabijheid van de vezel matrix rand met behulp van een andere XYZ micron precisie fase.
- Afzien van een enkele micro-droplet van een epoxy en leidt hij het genezen proces (hetzij via UV bestraling of een temperatuurcycli).
- Periodiek uitvoeren door de routine automatische uitlijning (piek/maximalisatie) veroorzaakte om te voorkomen dat drift verlies van signaal tot een tijd dat de epoxy begint te verharden.
Opmerking: Na de epoxy uitharden van de photonic spaander prestaties en licht koppeling efficiëntie zijn opnieuw getest door het opnemen van de spectra van de transmissie van het apparaat bij verschillende temperaturen. Licht meestal koppeling van efficiëntie verhoogt na het proces van hechting, waarschijnlijk omdat de brekingsindex gematched optische epoxy reflectie verliezen op het raakvlak van de vezel-chip vermindert.
- Verpakking van fotonische Thermometer
- Plaats de vezel gebonden fotonische chip op een koperen cilinder (h = 25 mm, ø = 5.79 mm) met een kleine hoeveelheid (ongeveer 1 mg) Koelpasta aangebracht op het oppervlak van de montage van de koper.
Opmerking: Thermal grease zorgt voor goede zelfs thermisch contact tussen de metalen warmte-geleider en de chip. Bovendien Koelpasta biedt een zwakke hechting tussen de twee delen die vergemakkelijkt het verlagen van de vergadering van de koperen cilinder-chip naar beneden een glazen buis (h = 50 mm; innerlijke dia. = 6.0 mm). - Zachtjes lager het chip-koper cilinder beneden de glazen buis.
- Aanvulling van de funderingsput de glazen buis met Argon gas en seal met een kurk rubber.
- Plaats de vezel gebonden fotonische chip op een koperen cilinder (h = 25 mm, ø = 5.79 mm) met een kleine hoeveelheid (ongeveer 1 mg) Koelpasta aangebracht op het oppervlak van de montage van de koper.
3. de temperatuurmeting
- Plaats de verpakte fotonische thermometer (glazen buis, koperen cilinder + glasvezel combinatie fotonische apparaat) in een metrologie temperatuur droog goed (moet de temperatuur stabiel te binnen 1 mK).
- De beslechting tijd (20 min 30 min) met behulp van de op maat gemaakte computerprogramma instellen, aantal thermische cycli (minimaal 3), temperatuur stap grootte (1 ° C tot 5 ° C), aantal opeenvolgende scans (minimale aanbeveling 5) en vermogen (exacte kracht geleverd is specifiek voor laser individuele gevallen, maar over het algemeen is in de nanowatt naar microwatt bereik).
Opmerking: Een gekalibreerde platina weerstandsthermometer gebonden aan de koperen cilinder wordt gebruikt voor het gelijktijdig opnemen van de bad-temperatuur zoals de fotonische metingen worden uitgevoerd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Zoals blijkt uit Figuur 2, toont de ring resonator transmissie spectra een smalle duik in transmissie overeenkomt met de voorwaarde van resonantie. De resonantie marge verschuift naar langere golflengten zoals temperatuur is gestegen van 20 ° C tot 105 ° C in stappen van 5 ° C. Het spectrum van de transmissie is gemonteerd op een polynomiale functie waaruit het piek-center is gewonnen. De veelterm passen bleek te geven van de meest consistente resultaten in aanwezigheid van een glooiend basislijn waardoor een Lorentz of Gaussiaans pasvorm meer vatbaar voor fouten te compenseren. De reactie van de golflengte van het apparaat wordt uitgezet tegen de geijkte platina weerstandsthermometer van reactie en storingswaarden aan lineaire en kwadratische past zijn berekend. Fit storingswaarden zijn handige hulpmiddelen bij het begrijpen van het gedrag van de temperatuur van de sensoren. Vergelijking van de punten van de temperatuur in op en neer cycli en tussen cycli wordt gebruikt voor het bepalen van de hysteresis in het verpakte apparaat.
Onze voorlopige analyse van de thermische fietsen experimenten suggereert dat vochtigheid geïnduceerde veranderingen in epoxy zijn waarschijnlijk de grootste motor van de hysterese in fotonische thermometers verpakt. Wij stellen vast dat onverpakte apparaten significante hysteresis niet weergeven. De hysteresis in het verpakte apparaat kan worden verbeterd met behulp van een hydrofobe epoxy, droogmiddelen aan de glazen buis voor afdichting en een strakkere zegel rond de rubber cork-glas kruising toe te voegen. Classificatie van de verschillende bronnen van onzekerheid met behulp van herhaald, gedetailleerde metingen laat ons toe om een gedetailleerde onzekerheid begrotingvoor de fotonische thermometer berekenen.
Figuur 1: Verpakking apparaat. Photonic spaander verpakking installatie bestaat uit een bovenaanzicht camera (A), twee zijaanzicht camera's (B en C), een fiber-matrix houder arm (D) en een zes-as podium (E).
Figuur 2 : Temperatuur reactie van fotonische sensor. Temperatuur afhankelijke respons van een fotonische resonator toont een systematische upshift in resonantie golflengte met stijgende temperatuur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het doel van dit experiment was te kwantificeren van de temperatuur afhankelijke respons van een fotonische thermometer. Voor kwantitatieve meting van de temperatuur is het verstandig om het gebruik van een stabiele warmtebron, zoals een diepe droge goed, klein volume sensoren, goed thermisch contact tussen de bron- en de sensor te zorgen en te minimaliseren warmte metrologie-rang verliest voor het milieu. Deze vereisten wordt voldaan gemakkelijk door het verlijmen van optische vezels naar de chip, effectief het creëren van een verpakte apparaat dat kan worden verlaagd diep in de metrologie temperatuur goed. Het doel van de koperen cilinder in de glazen buis is te zorgen voor een goed thermisch contact tussen de chip en glazen buis, en een grote thermische massa die voorbijgaande thermische schommelingen dempt, dus verbetering van de stabiliteit van de temperatuur. De glazen buis is teruggestort met droge argon gas om condensatie bij lage temperaturen die negatief effect op de onzekerheid in de temperatuurmeting hebben kan te voorkomen.
De meest voorkomende oorzaak van fout in temperatuurmetingen, is echter onvoldoende equilibratietijd. Lucht is een uitstekende isolator en elke airgaps tussen het bad en glazen buis of monster thermische vervoer kan vertragen. Het is belangrijk om te controleren of dat het apparaat in evenwicht met de temperatuur goed is geregeld voordat gedetailleerde metingen zijn verricht. Wij bepaald de equilibratietijd door het herhaaldelijk meten de resonator reactie in de loop van een uur zodra het bad zelf stand evenwicht gekomen tot. Onze resultaten wijzen erop dat afhankelijk van de photonic spaander pakket geometrie maximaal 20 minuten duurt kan in het evenwicht. Meestal wachten we 30 minuten om ervoor te zorgen dat het evenwicht wordt bereikt.
Fotonische Thermometrie presenteert een ontwrichtende nieuwe route voor de realisatie, de verspreiding en de meting van Thermometrie upending een eeuw oude paradigma. In zijn eenvoudigste fotonica kunnen overwinnen van de beperkingen van weerstand Thermometrie (stam geïnduceerde hysteresis, chemische en ecologische gevoeligheid, enz.) terwijl het verstrekken van meting van gelijkwaardige of betere prestaties. Het gunstigste geval voor fotonica Thermometrie voorziet leveraging de recente vooruitgang in optomechanics te realiseren van de thermodynamische temperatuur metingen11, waardoor de untethering van temperatuurmetingen daaruit traceerbaarheid keten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Bepaalde apparatuur of materialen worden geïdentificeerd in dit document om op te geven van de experimentele procedure naar behoren. Deze identificatie is niet bedoeld om impliceren goedkeuring door het National Institute of Standards and Technology, noch is het bedoeld om te impliceren dat de materialen of uitrusting geïdentificeerd zijn per se de beste beschikbaar.
Acknowledgments
De auteurs erkennen de NIST/CNST NanoFab-faciliteit voor het verstrekken van de mogelijkheid om het fabriceren van silicium fotonische temperatuursensoren en Wyatt Miller en Dawn Cross voor hulp bij het opzetten van de experimenten.
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 |
References
- Price, R. The Platinum resistance Thermometer. Platinum Metals Review. 3 (3), 78-87 (1959).
- Xu, H., et al. Ultra-Sensitive Chip-Based Photonic Temperature Sensor Using Ring Resonator Structures. Optics Express. 22, 3098-3104 (2014).
- 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).
- Ahmed, Z., et al. Towards Photonics Enabled Quantum Metrology of Temperature, Pressure and Vacuum. arXiv:1603.07690 [physics.optics]. , (2016).
- Ahmed, Z., Filla, J., Guthrie, W., Quintavall, J. Fiber Bragg Gratings Based Thermometry. NCSL International Measure. 10, 24-27 (2015).
- Hill, K. O., Meltz, G. Fiber Bragg Grating Technology Fundamental and Overview. J. of Lightwave Technology. 15, 1263-1275 (1997).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Purdy, T., et al. Thermometry with Optomechanical Cavities. Conference on Lasers and Electro-Optics, , Optical Society of America. STu1H.2 (2016).
