Summary
נתאר את תהליך ייצור ובדיקה של מדי חום פוטוני.
Abstract
בשנים האחרונות, דחיפה לפיתוח מכשירי טלקומוניקציה פוטוני סיליקון הרומן יצר מאגר ידע עצום זה עכשיו זה להיות ממונף לפיתוח חיישני פוטוני מתוחכמים. חיישני פוטוני הסיליקון לנסות לנצל את ריתוק חזקה של אור ננו-waveguides מגלי שינויים במצב פיזי לשינויים בתדר תהודה. במקרה של מטאורולוגיה, המקדם התרמו-אופטיים, קרי, לשינויים שבירה בשל הטמפרטורה, גורם לתדר המתאים של המכשיר פוטוני כגון בראג grating להיסחף עם הטמפרטורה. אנו מפתחים חבילה של פוטוני מכשירים המנצלים את התפתחויות אחרונות טלקום מקורות אור תואם כדי לפברק חיישני טמפרטורה פוטוני חסכונית, אשר ניתן לפרוס את מגוון רחב של הגדרות החל מעבדתית מבוקרת תנאים, לסביבה הרועשת של רצפה של מפעל או מקום מגורים. כתב יד זה, אנו מפרטים פרוטוקול שלנו הזיוף ולבדיקה של מדי חום פוטוני.
Introduction
תקן זהב עבור טמפרטורה מטרולוגיה, התנגדותי פלטינה, הועלתה לראשונה על ידי סר סימנס בשנת 1871 עם קלינדר1 פיתוח המכשיר הראשון בשנת 1890. מאז התקדמות מצטבר בעיצוב וייצור של מדי חום הושיע מגוון רחב של טמפרטורות פתרונות מדידה. תקן פלטינה התנגדותי (SPRT) הוא הכלי interpolating למימוש סולם טמפרטורה הבינלאומי (ITS-90), הפצתו באמצעות מטאורולוגיה ההתנגדות. היום, יותר ממאה שנים לאחר ההמצאה שלו, התנגדות מטאורולוגיה ממלא תפקיד מכריע בהיבטים שונים של התעשייה וטכנולוגיית כל יום החל וההתערבות בקרת תהליך ייצור, ייצור אנרגיה וצריכה. למרות מדי חום מכויל היטב בהתנגדות תעשייתי יכול למדוד טמפרטורה עם אי ודאות קטן כמו 10 ח"כ, והם רגישים זעזועים מכני, מתח תרמי, משתנים סביבתיים כגון לחות, כימיקלים מזהמים. כתוצאה מכך, מדי חום בהתנגדות דורשים recalibrations במצב לא מקוון תקופתי (ויקר). אלה המגבלות הבסיסיות של ההתנגדות מטאורולוגיה יצרו עניין רב בפיתוח חיישני טמפרטורה פוטוני2 שיכולים לספק דומה יותר whislt מידה יכולות להיות יותר חזקים נגד זעזועים מכני . כזה devcie ימשכו את מעבדות הלאומית ותעשייתיים, המעוניינים ניטור לטווח ארוך איפה מכשיר להיסחף עלולה להשפיע לרעה על הפרודוקטיביות.
בשנים האחרונות מגוון רחב של הרומן מדחומים פוטוני הוצעו כולל צבעי פוטוסנסיטיבית3, מיקרוגל מבוסס-ספיר לוחש גלריה במצב מהוד4, סיבים אופטיים חיישנים5,6, 7, ו על שבב סיליקון חיישנים ננו פוטוניים8,9,10. -NIST, מאמצינו מכוונים פיתוח בעלות נמוכה, הניתנות לפריסה ברצון, חיישני טמפרטורה חדשניים ותקני בקלות מיוצרים באמצעות הטכנולוגיות הקיימות, כגון בייצור תואמי ה-CMOS. דגש מיוחד כבר פיתוח פוטוני סיליקון. הראו כי התקנים אלה יכולים לשמש כדי למדוד את הטמפרטורה על פני הטווחים של-40 ° C עד 80 ° C ו- 5 ° C עד 165 מעלות צלזיוס עם אי ודאות זה דומות התקנים מדור קודם8. יתר על כן, התוצאות שלנו מראים כי עם מכשיר שליטה טובה יותר של תהליך חליפות הסדר ודאות 0.1 º C הוא בר השגה (קרי אי הוודאות של מדידת טמפרטורה באמצעות מקדמי נומינלית לא כיול נחוש המקדמים ).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. התקן פבריקציה נוספת
הערה: סיליקון התקנים פוטוני יכול להיות מפוברק באמצעות סיליקון-על-מבודד (SOI) וופלים החלה טכנולוגיית CMOS המקובלת באמצעות צילום - או ליתוגרפיה קרן אלקטרונים ואחריו יון תגובתי פלזמה אינדוקטיבית לחרוט (ICP RIE) של 220 ננומטר בעובי העליון סיליקון שכבה. אחרי ICP ורי לחרוט ההתקנים יכולים להיות למעלה-cladded עם סרט פולימרי דק או שכבת הגנה2 SiO. להלן השלבים העיקריים של ייצור של התקנים פוטוני SOI.
- נקי וופל SOI בפתרון פיראניה למשך 10 דקות, תערובת 4:1 של חומצה גופרתית (H2אז4), חמצן (H2O2), ואחריו שטיפה במים (DI) יונים עבור 1 דקות, חנקן גז מכה יבשה.
- ספין המעיל כ 20-50 מ של אדם 2405 e-קרן להתנגד על גבי כשהפחד ב- 4,000 סל ד 60 s, ואחריו אופים פלטה ב 90 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות.
- לחשוף את תבנית התקן כדי להתנגד מצופים ספין באמצעות e-קרן ליתוגרפיה ולפתח את להתנגד. המינון הרגיל חשיפה הבסיס הוא כ-600 µC/ס מ2. לפתח עם מפתח MIF-319 60 s, ולאחריה שטיפה במים s 60.
- ביצוע של ורי ICP לחרוט של שכבת סיליקון עבה nm 220 כדי להסיר את הסיליקון לא מוגן. להשתמש בתהליך Bosch מדומה עם C4F8: 57 SCCM / SF6: 33 SCCM, ICP כוח: 3000 וואט; ורי כוח: 15 וואט; הלחץ 10 mTorr, טמפרטורה: 15 ° C; לחרוט קצב: כ 5-6 nm/s
- להמיס את המסכה להתנגד ב אצטון טהור לשעה ולאחריה שטיפה של אלכוהול איזופרופיל, לשטוף במים DI s 60, לפוצץ גז חנקן יבש.
- להפקיד 1 מיקרומטר עבה top-שכבת הגנה על פרוסת סיליקון (בסרט פולימרי דק) באמצעות ציפוי ספין (ספין מעיל 20-50 מ ל PMMA ב- 4,000 סל ד 60 s ואחריו פלטה אופים ב 180 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות).
- חותכים לקוביות את וופל עם רקיק של המסור (ראה להב עובי: מיקרומטר 35) לתוך קטן קל לטפל צ'יפס (למשל, 20 מ מ × 20 מ מ).
2. פוטוני שבב אריזה
הערה: האסימונים פוטוני מפוברק ארוזים על מלכודת אריזה עיצוב מותאם אישית שבו מלכודת אריזה לפי הזמנה משמש כדי ליישר ובונד מערך של סיבים אופטיים כדי שבב פוטוני. הגדרת אריזות למוצג באיור 1 מורכב (i) 6-ציר מיקרו-מיקום הבמה, המאפשר 6 מעלות של תנועת החרות (קואורדינטות X, Y, Z, ומתאמת משלוש זוויות המתאימים הסיבוב ביחס X, Y, Z) בדייקנות כחיוניים; (ii) על הבמה משולב מודול Peltier המאפשר חום או לצנן את הפלטפורמה השלב העליון; (iii) v-groove מערך בעל הזרוע; מודול לחילוק מיקרו דבק אפוקסי; (iv) אולטרה סגול (UV) מודול לאור החשיפה UV לדבקי ולאחר בהגדלה (v) ארבע מצלמות דיגיטליות העליון, קבלה של שתי תצוגות זווית צד. סיבים אופטיים החבילה במערך v-groove הם שהשגת ממקור מסחרי.
- הליך היישור קשה
- מקם את השבב פוטוניים על הבמה שישה צירים ולאחר אוריינט השבב אז בין יציאות הקלט/פלט על שבב מיושרים עם המערך v-groove.
- הפעל ואקום שאיבה דרך על הבמה יציאה השאיבה משולב ואקום כדי להחזיק את השבב במקום.
- להשתמש במצלמה דיגיטלית להציג העליונה כדי לאתר ולמקם את ההתקנים פוטוני עניין במרכז הבמה שישה צירים.
- מקם את הזרוע בעל מערך v-groove קרוב השבב ולהשתמש שאיבה ואקום דרך יציאת השאיבה משולב כדי להחזיק את המערך במקום.
- השתמש המצלמות הדיגיטליות הצדדית כמו משוב חזותי כדי לסייע מיקום המערך סיבים מעל לשלוחות הסורג על שבב.
- הרימו את הבמה שישה צירים כדי להביא את השבב פוטוני בתוך 10 מיקרומטר של הקצה התחתון של המערך סיבים.
הערה: בקצה המערך סיבים v-groove בערך יש ליישר (במרחק של 50 מיקרומטר, כדי דיוק 100 מיקרומטר) ביחס סימני בשבב יישור. הליך זה מביא את הצדדים סיב אופטי בתוך הקרבה היחסית של לשלוחות המתאימות הסורג.
- ליישור האופטימלי אוטומטית
- ברגע יישור ידנית קשה מושגת, להפעיל את החיפוש האוטומטי שימוש בתוכנה של ספק שסופקו לשלב 6-ציר.
הערה: אלגוריתם זה מבצע במרחק מוגדר מראש מעל 6-מעלות של תנועות (translational ו המסתובבת) עד השידור המרבי של אור הפס הרחב באמצעות הקלט של השבב, יציאות פלט מושגת. זה צריך לקחת לא יותר מ- 20 כדי 30 s.
- ברגע יישור ידנית קשה מושגת, להפעיל את החיפוש האוטומטי שימוש בתוכנה של ספק שסופקו לשלב 6-ציר.
- בדיקת צ'יפ פוטוני
הערה: ברגע ליישור האופטימלי מושגת, בודק את המכשיר הכדאיות לפני שתמשיך לקשר.- להשתמש במודול Peltier משולב על הבמה כדי תרמית מחזור הטמפרטורה של השבב בזמן הקלטת את התגובה ספקטרלי. עבור רכיבה על אופניים תרמי, השתמשנו סקריפט מותאם אישית בכתב LabView.
- נתח ספקטרום מוקלטות כדי לאמת את הרגישות לטמפרטורה של המכשיר (מומלץ ערכים הם 70 pm / ° C עד 80 pm / ° C).
הערה: ספקטרומטר לייזר תואר במקומות אחרים פרט2. ספקטרום מוקלטות ניתוח כדי לקבוע את הרגישות לטמפרטורה של המכשיר שאמור להיות ב 70 pm / ° C עד טווח pm 80 / ° C.
- מליטה של סיבים אופטיים
- הורידו לאט את המערך יורדים לשטח שבב.
- מקם בזהירות המזרק אפוקסי מלא בקרבתו של הקצה של המערך סיבים באמצעות שלב נוסף של דיוק מיקרון XYZ.
- לוותר על מיקרו-droplet יחיד אפוקסי, ליזום תהליך הייבוש (גם באמצעות הקרנת UV או תרמית רכיבה על אופניים).
- מעת לעת להפעיל את השגרה יישור אוטומטי (לשיא/למיקסום) למניעת סחיפה הנגרמת לאבדן קשר עד כזה זמן שמתחיל האפוקסי להקשיח.
הערה: לאחר אפוקסי אשפרה השבב פוטוני האור צימוד יעילות וביצועים נבדקים שוב ע י הקלטת שידור ספקטרום של המכשיר בטמפרטורות שונות. אור צימוד יעילות בדרך כלל גדל לאחר תהליך האיחוי, סביר כי אפוקסי אופטי השבירה מתאימים מפחית את התביעות השתקפות הממשק סיבים-צ'יפס.
- אריזה של מדחום פוטוני
- המקום הסיבים בונדד שבב פוטוניים על גליל נחושת (h = 25 מ מ, דייה = 5.79 מ"מ) עם כמות קטנה (בערך 1 מ ג) של חומר הסיכה התרמי מוחל על פני השטח הרכבה נחושת.
הערה: המשחה התרמית מבטיחה מגע תרמי אפילו טוב בין המנצח מתכת חום את השבב. יתר על כן, משחות טרמיות מספק של אדהזיה חלש בין שני חלקי אשר מקלה על התהליך של הפחתת מכלול גליל נחושת-צ'יפ למטה צינור זכוכית (h = 50 מ מ; דיה הפנימי = 6.0 מ מ). - והורד בעדינות את הצילינדר שבב-נחושת דרך צינור זכוכית.
- מילוי את מבחנה בגז ארגון, חותם עם פקק גומי.
- המקום הסיבים בונדד שבב פוטוניים על גליל נחושת (h = 25 מ מ, דייה = 5.79 מ"מ) עם כמות קטנה (בערך 1 מ ג) של חומר הסיכה התרמי מוחל על פני השטח הרכבה נחושת.
3. הטמפרטורה מדידה
- להכניס את המדחום פוטוני ארוזים (מבחנה + גליל נחושת + סיבים מצמידים התקן פוטוני) בתוך באר יבשה טמפרטורה מטרולוגיה (הטמפרטורה צריכה להיות יציב בשביל בתוך 1 ח כ).
- באמצעות תוכנית מחשב שהותקן לקבוע את הזמן שיקוע (20 דקות עד 30 דקות), מספר מחזורי תרמי (מינימום 3), טמפרטורה שלב גודל (1 ° C עד 5 מעלות צלזיוס), מספר סריקות רציפות (המלצה מינימום 5) ו לייזר כוח (הכוח המדויק נמסר הוא ספציפי הפרט מקרים אבל בדרך כלל nanowatt microwatt טווח).
הערה: מד חום מכויל התנגדות פלטינה מלטשים את גליל נחושת משמש במקביל להקליט את טמפרטורת אמבטיה כמו המדידות פוטוני מתבצעות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
כפי שמוצג באיור2, ספקטרום שידור מהוד טבעת מציג טבילה צר שידור המתאימים לתנאי תהודה. השוליים תהודה משמרות את אורכי הגל כמו טמפרטורה הוא גדל מ- 20 ° C עד 105 ° C במרווחים של 5 ° C. הקשת שידור מצויד לכל פונקציה פולינום שממנו מופק המרכז שיא. פולינום להתאים נמצאה כדי לתת את התוצאות הכי עקבי בנוכחות בסיס משופע אשר יכול לגרום התקף. Lorentzian או לפי עקומת גאוס נוטה יותר לקזז שגיאות. התגובה אורך הגל של המכשיר מותווים נגד התגובה מד החום מכוילת התנגדות פלטינה, תמלוגים להתקפות קווית וריבועית מחושבים. תמלוגים בכושר הן כלי שימושי בהבנת ההתנהגות טמפרטורה של החיישן. השוואה של טמפרטורה נקודות לכל אורך מחזורי, בין מחזורי משמש כדי לקבוע את היסטרזיס את ההתקן ארוזים.
שלנו ניתוח ראשוני של הניסויים אופניים תרמית מציע לחות שינויים המושרה אפוקסי הם ככל הנראה הנהג הגדול של היסטרזיס ב אריזת מדחומים פוטוני. נציין כי התקנים unpackaged אינם מראים כל היסטרזיס משמעותית. היסטרזיס את ההתקן ארוזים יכולים להשתפר על ידי שימוש אפוקסי הידרופוביות, הוספת desiccants מבחנה לפני גושפנקה הדוקה מסביב לצומת זכוכית פקק גומי ואטימות. ליווח במקורות שונים של חוסר ודאות שימוש חוזר על עצמו, מדידות מפורט מאפשר לנו לחשב תקציב מפורט ודאות עבור המדחום פוטוני.
איור 1: מכשיר אריזה- שבב פוטוני אריזה ההתקנה מורכב מצלמה להציג העליונה (א), שתי מצלמות הצדדית (B ו- C), זרוע בעל מערך סיבים (D) ו שלב שש ציר (E).
איור 2 : טמפרטורת התגובה של חיישן פוטוני. התגובה תלויה בטמפרטורה של מהוד פוטוני מציג מפגרת שיטתית של אורך גל תהודה עם העליה בטמפרטורה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מטרת ניסוי זה היה לכמת התגובה תלויה בטמפרטורה של מדחום פוטוני. עבור מדידות כמותיים של טמפרטורה, זה שקול לנצל מקור חום יציב כגון ציון מטרולוגיה עמוק יבש, נפח קטן חיישנים, להבטיח מגע תרמי טוב בין הבאר לבין החיישן, ולמזער את החום מאבד לסביבה. דרישות אלה מתקיימים בקלות על ידי מליטה סיבים אופטיים לשבב, ביעילות יצירת מכשיר ארוזים זה ניתן להוריד עמוק לתוך הטמפרטורה מטרולוגיה היטב. המטרה של הגליל נחושת בצינור זכוכית היא לספק איש קשר תרמי טוב בין הצינור שבב וזכוכית, וכדי לספק מסה תרמית גדולה זה dampens ארעי תנודות תרמי, ובכך לשפר את יציבות טמפרטורה. שפופרת זכוכית היא עצמם נסתמו בגז ארגון יבש כדי למנוע עיבוי בטמפרטורות נמוכות, אשר עלולה להשפיע לרעה על הוודאות במדידה טמפרטורה.
המקור הנפוץ ביותר של שגיאה במדידות הטמפרטורה, אולם, היא equilibration לא מספיק זמן. אוויר בידוד חשמלי מעולה, כל airgaps בין צינור זכוכית ואמבט או מדגם יכול להאט תחבורה תרמי. חשוב לוודא כי המכשיר הוא התמקם שיווי משקל עם הבאר הטמפרטורה לפני מדידות מפורט נעשים. אנחנו נקבע את הזמן equilibration על ידי מדידת שוב ושוב את התגובה מהוד במשך שעה לאחר האמבט עצמו הגיע שיווי משקל. התוצאות שלנו מצביעים על כך בהתאם הגיאומטריה החבילה פוטוני שבב שזה יכול לקחת 20 דקות כדי להגיע את האיזון. בדרך כלל, אנחנו מחכים 30 דקות כדי להבטיח האיזון מתמלאת.
מטאורולוגיה פוטוני מציג מסלול חדש משבש מימוש, הפצתו של מדידה של מטאורולוגיה upending פרדיגמה המאה. -פוטוניקה הפשוטה שלו עשוי לאפשר לנו להתגבר על המגבלות של התנגדות מטאורולוגיה (היסטרזיס המתח המושרה, רגישות כימיים וסביבתיים, וכו '.) תוך מתן הביצועים מדידה המקבילה או יותר טוב. התרחיש הטוב ביותר עבור מטאורולוגיה photonics שנערך מינוף של התפתחויות אחרונות optomechanics להבין את הטמפרטורה התרמודינמית מדידות11, ובכך מאפשר את untethering של מדידות טמפרטורה ממנו שרשרת עקיבות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
ציוד או חומרים מסוימים מזוהים נייר זה כדי לציין את הליך ניסיוני במידה מספקת. זיהוי כזה לא נועד מעיד על ידי המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה, וגם זה נועד לרמוז חומרים או ציוד זיהו הם בהכרח הטובים ביותר הזמינים.
Acknowledgments
המחברים להכיר את המתקן NIST/תרגום סיגל NanoFab על מתן הזדמנות לפברק חיישני טמפרטורה פוטוני הסיליקון ואת וויאט מילר ולחצות את השחר לקבלת סיוע בהגדרת הניסויים.
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).
