Summary
Vi beskriver prosessen med fabrikasjon og testing av fotoniske termometre.
Abstract
De siste årene, har et push for å utvikle romanen silisium fotoniske enheter for telekommunikasjon generert en enorm kunnskapsbase som er nå blir utnyttet for å utvikle sofistikerte fotoniske sensorer. Silisium fotoniske sensorer søker å utnytte den sterke confinement lys i nano-bølgeledere å transduce endringer i fysisk tilstand endringer i resonansfrekvens. Ved thermometry forårsaker thermo-optisk koeffisient, dvs. endringer i brytningsindeks på grunn av temperatur, resonans frekvensen av fotoniske enheten som en Bragg rist å drive temperatur. Vi utvikler en rekke fotoniske enheter som utnytter nylige fremskritt innen telekom kompatibel lyskilder å dikte kostnadseffektiv fotoniske temperatursensorer som kan distribueres på en rekke innstillinger fra kontrollert laboratorium forhold, for støyende miljøet en fabrikken eller en bolig. I dette manuskriptet detalj vi våre Protokoll for fabrikasjon og testing av fotoniske termometre.
Introduction
Gullstandarden for temperatur metrology, platina motstand termometeret, ble først foreslått av Sir Siemens i 1871 Callender1 utvikle den første enheten i 1890. Siden den gangen har inkrementell fremskritt i design og produksjon av termometre levert en rekke temperatur måling løsninger. Standard platina motstand termometeret (SPRT) er interpolating apparatet for å realisere International temperaturskala (ITS-90) og dens formidling bruker motstand thermometry. I dag, spiller mer enn et århundre etter sin oppfinnelse, motstand thermometry en avgjørende rolle i ulike aspekter av industrien og hverdags spenner fra biomedisin til produksjon prosesskontroll, til energiproduksjon og forbruk. Selv om godt kalibrert industrielle motstand termometre kan måle temperaturen med usikkerhet så lite som 10 mK, de er følsom for mekanisk støt, termisk stress og miljøvariabler som fuktighet og kjemisk forurensning. Derfor krever motstanden termometre periodiske (og dyre) off-line recalibrations. Disse grunnleggende begrensninger av motstand thermometry har produsert betydelig interesse i å utvikle fotoniske temperatur sensorer2 som kan levere ligner for bedre måling evner whislt blir mer robuste mot mekanisk støt . Slik devcie vil appellere til nasjonale og industrielle labs og de langsiktige overvåking hvor apparatet drift kan negativt påvirke produktiviteten.
De siste årene en rekke romanen fotoniske termometre er foreslått inkludert fotosensitive fargestoffer3, safir-baserte mikrobølgeovn whispering galleriet modus resonator4, fiber optikk sensorer5,6, 7, og på prosessoren silisium nano-fotoniske sensorer8,9,10. På NIST, er vår innsats rettet mot utvikling rimelig, lett-deployerbare, romanen temperatursensorer og standarder som er lett produsert ved hjelp av eksisterende teknologier, som CMOS-kompatible produksjon. Et særlig fokus har vært utviklingen av silisium fotoniske enheter. Vi har vist at disse enhetene kan brukes til å måle temperaturen over av 40 ° C til 80 ° C og 5 ° C til 165 ° C med usikkerhet som sammenlignes med eldre enheter8. Videre våre resultater tyder på at en bedre prosess kontroll enhet ombyttbarhet på 0,1 ° C usikkerhet er oppnåelig (i.e. usikkerheten temperatur måling med nominell koeffisienter ikke kalibrering bestemt koeffisienter ).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. enheten fabrikasjon
Merk: Fotoniske enheter kan være fabrikasjon benytter silisium-på-isolator (SOI) silisiumskiver bruke konvensjonelle CMOS-teknologi via foto - eller electron beam litografi etterfulgt av induktiv plasma reaktive ion etse (ICP RIE) 220 nm-tykk øverste silisium lag. Etter ICP RIE etse kan enhetene være top-kobberdekket med tynne polymer film eller SiO2 beskyttende lag. Nedenfor er de viktigste trinnene i i fabrikasjon av SOI fotoniske enheter.
- Rengjøre en SOI wafer i en piranha løsning for 10 min, en blanding 4:1 av svovelsyre (H2SO4) og hydrogen peroxide (H2O2), etterfulgt av en deionisert (DI) vann skylling for 1 min og nitrogen gass blåse tørr.
- Spin belegge ca 20-50 mL av mann 2405 e-beam motstå bort på kjeks ved 4000 rpm for 60 s, etterfulgt av en kokeplate bake ved 90 ° C i 15 min.
- Utsett enheten mønsteret på spin-belagt motstå bruker e-beam litografi og utvikle resist. Vanlige base eksponering dosen er 600 µC/cm2. Utvikle med MIF-319 utvikler for 60 s, etterfulgt av en 60 s vann skylling.
- Utføre en ICP RIE etse til 220 nm tykk silisium laget fjerne ubeskyttet silisium. Bruk en pseudo Bosch med C4F8: 57 SCCM / SF6: 33 SCCM, ICP makt: 3000 M; RIE makt: 15 W; Trykk 10 mTorr, temperatur: 15 ° C; Etch rate: ca 5-6 nm/s
- Oppløse motstå masken i ren aceton 1t, etterfulgt av en isopropanol skyll, 60 s DI vann skyll og nitrogen gass blåse tørr.
- Sette inn en 1 µm tykk beskyttende topp-lag på kjeks (en tynne polymer film) via et spinn belegg (spin pels 20-50 mL PMMA ved 4000 rpm for 60 s etterfulgt av en kokeplate stek ved 180 ° C i 2 min).
- Terninger kjeks med en wafer dicing så (så blad tykkelse: 35 µm) i små lett å håndtere chips (f.eks, 20 mm × 20 mm).
2. Foto flis emballasje
Merk: Fabrikkerte fotoniske chips er pakket på en tilpasset design emballasje oppsett der en spesialbygd emballasje oppsett brukes til å justere og bånd en rekke optiske fibre til en foto flis. Emballasje oppsettet vises på figur 1 består av (i) 6-akse mikro-posisjonering Stadium, som tillater 6 grader av frihet bevegelse (X, Y, Z koordinater, og tre tilsvarende vinkler rotasjonsvinkel i forhold til X, Y, Z koordinater) med submicron presisjon; (ii) på scenen integrert Peltier modul som kan varme eller kul topp scenen plattformen; (iii) v-groove matrise holderen arm. epoxy limet mikro-dispensing modul; (iv) ultra violet (UV) lys modul kur UV lim, og (v) fire forstørring digitalkameraer for toppen, foran og to vinkel visninger. Optiske fibre pakken i v-groove matrise er anskaffet fra en kommersiell kilde.
- Grov justeringsprosedyren
- Plasser den Foto flis på 6-akse scenen, og plasser chip slik på prosessoren input/utganger justeres med v-groove array.
- Slå på vakuum sugekraft gjennom scenen integrert vakuum pumpe port å holde chip på plass.
- Bruke digitalkameraet oversiden finne og plassere fotoniske enhetene rundt i sentrum av 6-akse scenen.
- Plasser v-groove matrise holder armen nær chip og bruke vakuum sugekraft gjennom en integrert pumping port for å holde matrisen på plass.
- Bruk de side-visning kameraene som en visuell tilbakemelding å posisjonere fiber matrisen ovenfor på prosessoren rist koblinger.
- Heve objektbordet inntil 6-akse for å bringe den Foto flis til innenfor 10 µm fiber Matrisens nedre kant.
Merk: Kanten av v-groove fiber matrisen skal omtrent justeres (innen 50 µm til 100 µm nøyaktighet) i forhold til på prosessoren justering merker. Denne prosedyren gir optisk fiber fasetter i en relativ nærhet til de tilsvarende rist koblinger.
- Automatisert optimale justeringen
- Når en grov manuell justering er oppnådd, aktivere automatiske søk programmvre fra leverandøren for 6-akse scenen.
Merk: Denne algoritmen utfører en forhåndsdefinert spasertur over 6-grader av bevegelser (translasjonsforskning og roterende) til maksimal overføring av bredbånd lys gjennom chip's inngang og utganger er oppnådd. Det bør ikke ta lenger enn 20 å 30 s.
- Når en grov manuell justering er oppnådd, aktivere automatiske søk programmvre fra leverandøren for 6-akse scenen.
- Foto flis testing
Merk: Når den optimale justeringen er oppnådd, se enheten levedyktighet før du fortsetter med liming.- Bruk på scenen integrert Peltier modulen termisk gå chip's temperatur mens spectral svaret. For termisk sykling brukte vi et egendefinert skript skrevet i LabView.
- Analysere de innspilte spectra er å kontrollere temperaturen følsomheten for enheten (anbefalt verdier er 70 pm / ° C til 80 pm / ° C).
Merk: Laser spectrometer har blitt beskrevet andre steder i detalj2. De innspilte spectra analyseres for å fastslå temperatur følsomheten til enheten som skal i de 70 pm / ° C for 80 pm / ° C.
- Liming av optiske fibre
- Sakte senke matrisen til chip overflaten.
- Plasser epoxy fylt sprøyten i nærheten av fiber matrisens ved hjelp av en annen XYZ mikron presisjon stage.
- Kvitte deg en enkelt mikro-dråpe en epoxy og starte herding prosessen (enten via UV bestråling eller en termisk sykling).
- Regelmessig kjøre den automatiske justering (topp/maksimere) rutinen indusert for å forhindre drift tap av signal til slike gangen som epoxy begynner å stivne.
Merk: Etter epoxy herding fotoniske chip ytelse og lys kopling effektivitet er testet igjen ved overføring spektra av enheten ved forskjellige temperaturer. Lys kopling effektivitet vanligvis øker etter bånd forarbeide, sannsynligvis fordi brytningsindeks matchet optisk epoxy reduserer refleksjon tap på fiber-chip grensesnittet.
- Emballasje av fotoniske termometer
- Sted fiber limt Foto flis på en kobber sylinder (h = 25 mm, dia. = 5.79 mm) med en liten mengde (ca 1 mg) av termisk fett på kobber underlaget.
Merk: Termisk fett sikrer god med termisk kontakt mellom metall varme dirigent og chip. Videre termisk fett gir en svak vedheft mellom de to delene som forenkler prosessen med å senke kobber sylinder-chip forsamlingen ned røret (h = 50 mm; indre dia. = 6,0 mm). - Forsiktig lavere chip-kobber sylinder ned i røret.
- Etterfylle glassrør med argongass og tett med en gummi kork.
- Sted fiber limt Foto flis på en kobber sylinder (h = 25 mm, dia. = 5.79 mm) med en liten mengde (ca 1 mg) av termisk fett på kobber underlaget.
3. temperaturmåling
- Plasser pakket fotoniske termometeret (glassrør + kobber sylinder + fiber kombinert fotoniske enhet) i en Justervesenet temperatur tørr brønn (temperaturen skal være stabil til innen 1 mK).
- Bruke spesialbygde dataprogrammet stilles bosetting (20 min til 30 min), antall termisk sykluser (minimum 3), temperaturen steg størrelse (1 ° C til + 5 ° C), antall påfølgende skanninger (minimum anbefaling 5) og laser makt (nøyaktig strøm levert er spesifikke for enkelte tilfeller, men generelt er i nanowatt for microwatt).
Merk: En kalibrert platina motstand termometer festet til kobber sylinder til å samtidig spille bad temperaturen som fotoniske målingene er utført.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Som vist i figur 2, ring resonator overføring spectra viser en smal dukkert i overføring tilsvarer betingelsen resonans. Resonans fringe skifter til lengre bølgelengdene som temperaturen er økt fra 20 ° C til 105 ° C i 5 ° C intervaller. Overføring spekteret er utstyrt til en polynom funksjon som toppen midten er trukket ut. Polynom passer fant de mest konsistente resultater i nærvær av en skrå plan som kan lage en Lorentzian eller Gaussian passe flere liggende å kompensere for feil. Bølgelengde respons på enheten er plottet mot kalibrert platina motstand termometerets svar og beregnes rester til lineær og kvadratisk passer. Passe rest er nyttige verktøy i å forstå hvordan temperatur sensorer. Sammenligning av temperatur poeng i opp og ned sykluser og mellom sykluser brukes til å bestemme hysteresis pakket enheten.
Vår innledende analyse av termisk sykling eksperimenter antyder at fuktighet induserte endringer i epoxy er trolig den største driveren for hysteresis i pakket fotoniske termometre. Vi registrerer at emballert enheter ikke viser noen betydelige hysteresis. Hysteresis pakket enheten kan bedres ved hjelp av en hydrofobe epoxy, legge desiccants til i røret før tetting og en strammere segl rundt gummi kork-glass krysset. Tabulerer de ulike kildene til usikkerhet bruker gjentatt, detaljerte målinger tillater oss å beregne et detaljert usikkerhet budsjett for fotoniske termometeret.
Figur 1: Emballasje apparat. Foto flis emballasje oppsett består av en topp-visning kamera (A), to side-visning kamera (B og C), en fiber-array holderen arm (D) og en seks-aksen scene (E).
Figur 2 : Temperatur svar av fotoniske sensor. Temperatur avhengig respons av en fotoniske resonator viser en systematisk girskifter i resonans bølgelengde med økende temperatur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Målet med dette eksperimentet var å kvantifisere temperatur avhengig responsen til et fotoniske termometer. For kvantitativ måling av temperatur er det forsvarlig å benytte en stabil varmekilde som en Justervesenet grade dypt tørr Vel, små sensorer, sikre god termisk kontakt mellom brønnen og sensoren, og minimere varme mister til miljøet. Effektivt opprette en pakket enhet som kan senkes dypt inn Justervesenet temperaturen også kravene oppfylles enkelt ved liming optiske fibre til chip. Formålet med kobber sylinder i glass røret er å gi en god termisk kontakt mellom chip og glass røret, og å gi en stor termisk masse som demper forbigående termiske fluktuasjoner, dermed forbedre temperatur stabilitet. Røret er fylt med tørr argongass å hindre kondens ved lave temperaturer som kan negativt påvirke usikkerheten i temperaturmåling.
Den vanligste kilden til feilen i temperaturmålinger, er imidlertid ikke nok balanse tid. Air er en god isolator og noen airgaps mellom bad og glass eller utvalget kan tregere termisk transport. Det er viktig å kontrollere at enheten er utlignet i balanse med temperatur brønnen før detaljerte målinger er gjort. Vi bestemt balanse tiden av gjentatte ganger måle resonator svaret i løpet av en time når badet selv har nådd likevekt. Våre resultater viser at avhengig Foto flis pakke geometrien det kan ta opptil 20 minutter å nå likevekt. Vanligvis vente vi 30 minutter å sikre at likevekt er nådd.
Fotoniske thermometry presenterer en forstyrrende ny rute for realisering, formidling og måling av thermometry upending et århundre gamle paradigme. På sitt enkleste fotonikk kan føre oss å overvinne begrensningene til motstand thermometry (belastning indusert hysteresis, kjemiske og miljømessige følsomhet, etc) samtidig som tilsvarende eller bedre måling ytelse. Det best rettssak filmmanuskriptet for fotonikk thermometry ser for seg å utnytte den siste utviklingen innen optomechanics innse termodynamisk temperatur målinger11, dermed muliggjør untethering av temperaturmålinger fra den sporbarhet kjeden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Visse utstyr eller materialer identifiseres i notatet for å angi den eksperimentelle prosedyren tilstrekkelig. Slik ID er ikke ment å endossering av National Institute of Standards and Technology, eller er det ment å antyde at materiale eller utstyr som er identifisert er nødvendigvis best tilgjengelige.
Acknowledgments
Forfatterne bekrefter NIST/CNST NanoFab anlegget for å gi mulighet til å dikte silisium fotoniske temperatursensorer og Wyatt Miller og Dawn Cross for hjelp i å sette opp eksperimenter.
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).
