Summary
İmalat süreci ve fotonik termometreler test açıklanmaktadır.
Abstract
Son yıllarda, telekomünikasyon için roman silikon fotonik aygıtlar geliştirmek için bir itme şimdi sofistike fotonik sensörleri geliştirmek için kaldıraçlı varlık büyük bir Bilgi Bankası üretti. Silikon fotonik sensörler değişiklikler fiziksel durumuna değişimler rezonans frekansı transduce için güçlü doğumdan nano-dalga kılavuzu ışık yararlanmak isteyin. Thermometry söz konusu olduğunda, fotonik cihazın sıcaklık ile drift için bir Bragg ızgara gibi rezonans frekansı termo-optik katsayısı, Yani, kırılma indisi sıcaklık, nedeniyle değişiklikler neden olur. A maiyet-in çok çeşitli kontrollü laboratuvar değişen ayarları dağıtılabilir düşük maliyetli fotonik sıcaklık sensörleri imal etmek Telekom uyumlu ışık kaynakları son gelişmeler kaldıraç fotonik aygıtlar gelişmekte olan koşullar, gürültülü ortamlarda bir fabrikada ya da bir konut için. Bu makale, fabrikasyon ve fotonik termometreler test için bizim Protokolü ayrıntı.
Introduction
Sıcaklık Metroloji, platin direnç termometre için altın standart ilk efendim Siemens tarafından 1871 yılında 1890 yılında ilk aygıt geliştirme Callender1 önerilmiş. O zamandan beri tasarımına ve üretimine termometreler artımlı devam eden geniş bir sıcaklık ölçüm çözümleri vermiştir. Standart platin direnç termometre (SPRT) Uluslararası sıcaklık ölçeği (ITS-90) ve direnç thermometry kullanarak kendi yayılması için interpolating bir araçtır. Bugün, bir yüzyıldan daha sonra onun buluşu direnç thermometry önemli bir rol Sanayi ve her gün teknoloji Biyomedikal işlem denetimi imalat, enerji üretimi ve tüketimi arasında değişen çeşitli yönleriyle oynar. Her ne kadar iyi kalibre edilmiş endüstriyel direnç termometre sıcaklık belirsizlikler 10'a kadar küçük ölçebilirsiniz mK, onlar hassas mekanik şok, termal stres ve nem ve kimyasal kirleticiler gibi ortam değişkenleri vardır. Sonuç olarak, direnç termometreler periyodik (ve pahalı) devre dışı kalibrasyonu gerektirir. Direnç thermometry bu temel sınırlamalar benzer daha iyi ölçüm yetenekleri whislt mekanik darbelere karşı daha güçlü olmak için sunabilirsiniz fotonik sıcaklık sensörleri2 gelişmekte olan büyük ilgi doğurmuştur . Böyle bir devcie ulusal ve endüstriyel laboratuarları ve uzun vadeli izleme nerede enstrüman drift olumsuz verimlilik etkisi olabilir bu ilgi beğenisini kazanacak.
Son yıllarda zengin çeşitte romanı fotonik termometreler önerdi ışığa duyarlı boyalar3, Galeri modu rezonatör4, fiber optik sensörler5,6fısıldayan uyarlanan sapphire mikrodalga dahil olmak üzere, 7ve üstünde-küçük parça silikon nano-fotonik sensörler8,9,10. NIST gelişmekte olan düşük maliyetli, kolayca konuşlandırılabilir, roman sıcaklık sensörleri ve kolayca CMOS uyumlu üretim gibi varolan teknolojileri kullanılarak üretilmektedir standartları çabalarımızı hedefleniyor. Belirli bir odak silikon fotonik aygıtlar gelişme olmuştur. Bu cihazlar sıcaklığı-40 ° C ila 80 ° C ve 5 ° C-165 ° C eski aygıtları8' e karşılaştırılabilir belirsizlikler aralıklarına üzerinden ölçmek için kullanılabilir göstermiştir. Ayrıca, bizim sonuçları daha iyi bir süreç kontrol cihazı ile değiştirilebilirlik 0.1 ° C belirsizlik sırasına ulaşılabilir olduğunu göstermektedir (yani nominal katsayıları değil kalibrasyon kullanarak sıcaklık ölçüm belirsizliği belirlenen katsayıları ).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. cihaz imalat
Not: silikon fotonik aygıtlar silikon-Tarih-yalıtkan (SOI) kullanarak sahte olduğu uygulanan geleneksel CMOS teknoloji ile fotoğraf - gofret veya elektron ışını litografi endüktif plazma reaktif iyon tarafından takip etch (ICP RIE) 220 nm-kalın en üstteki silikon katman. ICP RIE etch sonra aygıtları üst-kaplama bir ince polimer film veya SiO2 koruyucu tabaka olabilir. SOI fotonik aygıtlar imalatı'nın adımlarında ana aşağıdadır.
- 10 dk, bir karışımı 4: sülfürik asit 1 için bir piranha çözümde bir SOI gofret temiz (H2SO4) ve hidrojen peroksit (H2O2), deiyonize (DI) su durulama için 1 dk ve azot gazı darbe kuru bir takip.
- Spin kat yaklaşık 20-50 mL adam 2405 e-ışınının direnmek üzerine gofret 4000 devirde 60 s, Pinar fırında 15 dakika 90 ° C'de ardından.
- E-beam litografi kullanarak spin kaplı direnmek için aygıt deseni ortaya çıkarmak ve resist geliştirmek. Her zamanki gibi temel maruz kalma doz yaklaşık 600 µC/cm2' dir. Finans Yüksek Lisans-319 geliştirici 60 ile geliştirmek s bir 60 s su durulama tarafından takip,.
- ICP RIE gerçekleştirmek korumasız silikon kaldırmak için 220 nm kalın silikon tabakası etch. Sözde Bosch C4F8 ile kullanın: 57 SCCM / SF6: 33 SCCM, ICP güç: 3000 W; RIE güç: 15 W; basıncı 10 mTorr, sıcaklık: 15 ° C; Oranı etch: yaklaşık 5-6 nm/s
- 1 h, isopropanol durulama, 60 s DI su durulama ve azot gazı darbe kuru tarafından takip için saf aseton resist maskede geçiyoruz.
- Bir 1 µm kalınlığında koruyucu üst katmanı üzerinde bir spin kaplama ile gofret (ince polimer film) mevduat (spin kat 20-50 mL PMMA 4000 devirde 60 s ardından Pinar fırında 180 ° c için 2 dk).
- Testere dicing bir gofret gofret zar (bıçak kalınlığı gördüm: 35 µm) içine küçük fiş (Örneğin, 20 mm × 20 mm) işlemek kolay.
2. fotonik yonga paketleme
Not: Fabrikasyon fotonik fiş bir ölçüye göre ambalaj Kur hizalayın ve optik lifler fotonik bir çip bir dizi bağ için kullanıldığı bir özel tasarım ambalaj kurulum paketlenmiştir. Şekil 1 ' de gösterilen ambalaj (ı) oluşur 6 eksenli, 6 derecelik özgürlük hareketi sağlayan mikro-konumlandırma sahne, (X, Y, Z koordinatları, ve üç ilgili açıları dönme göre X, Y, Z koordinatları) Mikronaltı hassasiyetle; (ii) sahnede ısı veya en iyi sahne platformu serin izin verir Peltier modülü entegre; (iii) v-groove dizi tutucu kol; Epoksi Yapıştırıcı mikro dağıtım modülü; (iv) ultra violet (UV) ışık pozlama modülü tedavi UV yapıştırıcılar ve (v) dört yüksek büyütme dijital kameralar için üst, ön ve iki yan açı sayısı. Optik lifler paket v-groove dizideki ticari bir kaynaktan tedarik.
- Kaba hizalama yordamı
- Fotonik çip 6 eksenli sahnesinde yerini ve üstünde-küçük parça giriş/çıkış bağlantı noktaları v-groove dizi ile uyumlu olup bu yüzden çip şark.
- Çip tutmak için sahne alanı üzerinde tümleşik Vakum pompa bağlantı noktası üzerinden vakum emme açın.
- Üst-görünümü dijital fotoğraf makinesi bulun ve fotonik aygıtlar ilgi merkezi 6 eksenli sahne alanı yerleştirmek için kullanın.
- V-groove dizi tutucu kol çip yakın getirin ve vakum emme entegre pompa bağlantı noktası üzerinden dizi tutmak için kullanın.
- Yan görünümü dijital fotoğraf makineleri görsel geribildirim üstünde-küçük parça ızgara couplers yukarıda fiber dizi pozisyon yardımcı olması için kullanın.
- Fotonik çip fiber dizinin alt kenarı 10 µm içinde getirmek için 6 eksenli aşaması yükseltmek.
Not: V-groove fiber dizi kenarına kabaca (içinde 100 µm doğruluk için 50 µm) üstünde-küçük parça hizalama işaretlerini göre uyumlaştırılması gerekmektedir. Bu yordamı karşılık gelen ızgara couplers göreceli yakınlığı Içinde fiber optik esaslarını getiriyor.
- En iyi otomatik hizalama
- Bir kaba manuel hizalama elde sonra satıcı tarafından sağlanan yazılım için 6 eksenli sahne kullanarak otomatik arama aktif hale getirin.
Not: en fazla iletim Chip'in giriş ve çıkış bağlantı noktaları üzerinden geniş bant ışık elde kadar bu algoritma önceden tanımlanmış bir yürüyüş hareketleri (çevirim ve dönme) 6-derece üzerinde gerçekleştirir. Bu 20 uzun sürer s 30 s.
- Bir kaba manuel hizalama elde sonra satıcı tarafından sağlanan yazılım için 6 eksenli sahne kullanarak otomatik arama aktif hale getirin.
- Fotonik çipi test
Not: bir kez en iyi uyum sağlanır, yapıştırma işlemine devam etmeden önce aygıt canlılığı kontrol.- Spektral yanıt kaydederken Chip'in sıcaklık termal döngüsü için sahne alanı üzerinde tümleşik Peltier modülünü kullanın. Termal Bisiklete binme için biz LabVIEW içinde yazılı özel bir komut dosyası kullanılır.
- Kaydedilen spectra analiz cihazı sıcaklık hassasiyeti doğrulamak için (tavsiye edilir değerlerdir 70 pm / ° C ila 80 pm / ° C).
Not: Lazer Spektrometre başka bir yerde detay2' de tanımlanmıştır. Kaydedilen spectra 70 pm / ° C-80 pm / ° C aralığında olması gereken cihaz sıcaklık duyarlılığını belirlemek için analiz edilir.
- Bağ optik elyaf
- Yavaşça dizi çip yüzeyi aşağı indirin.
- Dikkatle dolu epoksi şırınga içinde başka bir XYZ mikron hassas stage kullanılarak fiber dizinin kenarının yakınında konumlandırın.
- Tek bir mikro-damlacık bir epoksi dağıtmak ve Kavurma işlemi (ya UV ışınlama veya termal Bisiklete binme üzerinden) başlatın.
- Düzenli olarak otomatik hizalama (girmeyi başaran/maximization) yordamını çalıştırmak drift önlemek için sinyal kaybı gibi epoksi sertleşmesine başlar bir süre kadar indüklenen.
Not: fotonik çip kür epoksi sonra performans ve verimlilik kaplin ışık yeniden iletim spectra farklı sıcaklıklarda cihazın kaydı tarafından test edilir. Kırılma indeksi uyumlu optik epoksi lif-yonga arayüzüne Yansıma kayıpları azaltır çünkü ışık verimliliği genellikle kaplin yapıştırma işleminden sonra büyük olasılıkla artırır.
- Fotonik termometre ambalaj
- Yer lif gümrüklü fotonik çipte bir bakır silindir (h = 25 mm, çapı = 5.79 mm) termal gres bakır montaj yüzeyine uygulanan az miktarda (yaklaşık 1 mg) ile.
Not: Termal gres metal ısı iletken ve çip arasında iyi bile termal temas sağlar. Ayrıca, termal gres bakır silindir-çip derleme bir cam tüp aşağı düşürülmesi işlemini kolaylaştıran iki bölümü arasında zayıf bir yapışma sağlar (h = 50 mm; iç çapı 6.0 mm =). - Yavaşça küçük parça-bakır silindir cam tüp aşağı indirin.
- Argon gazı ile cam tüp ve mühür lastik mantar ile tamamlanmıyor.
- Yer lif gümrüklü fotonik çipte bir bakır silindir (h = 25 mm, çapı = 5.79 mm) termal gres bakır montaj yüzeyine uygulanan az miktarda (yaklaşık 1 mg) ile.
3. sıcaklık ölçümü
- Paketlenmiş fotonik termometre (cam tüp + bakır silindir + fiber birleştiğinde fotonik aygıt) Metroloji sıcaklığı kuru kuyunun içine yerleştirin (sıcaklık-meli var olmak içinde 1 istikrarlı mK).
- Özel olarak oluşturulmuş bilgisayar programı kullanılarak ayarlanan halledilmesi zaman (30 dk 20 dk), termal döngü (en az 3), sıcaklık adım sayısı (5 ° C 1 ° C), arka arkaya tarama (minimum tavsiyesi 5) sayısı boyutu ve (tam güç teslim özeldir güç lazer bireysel durumlarda ama genellikle nanowatt microwatt aralığı için mevcuttur).
Not: bakır silindir bağlı bir kalibre edilmiş platin direnç termometre fotonik ölçümleri yapılmaktadır olarak aynı anda banyo sıcaklığı kaydetmek için kullanılır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Yüzük rezonatör iletim spectra Şekil 2' de gösterildiği gibi rezonans durumuna karşılık gelen iletim dar bir dalış gösterir. Rezonans saçak sıcaklık 5 ° C artışlarla 105 ° c 20 ° C'den arttıkça daha uzun dalga boylarında geçer. İletim spektrum tepe merkezi ayıkladığınız polinom bir işleve donatılmıştır. Polinom uygun bir Lorentzian veya Gauss uyum daha hataları ofset eğilimli yapabilirsiniz eğimli bir temel varlığında en tutarlı sonuçlar vermek için bulundu. Dalga boyu yanıt Cihazın kalibre edilmiş platin direnç termometre'nın yanıtı çizilir ve fazlalıklar için doğrusal ve ikinci dereceden uyar hesaplanır. Uygun kalanlar sensörler sıcaklık davranışını anlamak yararlı araçlardır. Sıcaklık noktaları döngüsü yukarı ve aşağı ve döngüleri arasında karşılaştırılması histeresis içinde paketlenmiş aygıt belirlemek için kullanılır.
Bizim ön analizler termal Bisiklete binme deneyler indüklenen epoksi büyük olasılıkla histeresis içinde en büyük sürücü değişikliklerdir nem fotonik termometreler paketlenmiş öneriyor. Ambalajsız aygıtların herhangi bir önemli histeresis gösterme unutmayın. Paketlenmiş cihazın histeresis Nem Çekiciler sızdırmazlık ve lastik mantar-cam kavşak çevresinde daha sıkı bir mühür önce cam tüp ekleyerek bir hidrofobik epoksi kullanarak iyileştirmiştir. Belirsizlik kullanmanın çeşitli kaynaklardan tekrarlanan tabulating, detaylı ölçümler bize fotonik termometre için detaylı belirsizlik bütçe hesaplamak sağlar.
Şekil 1: Paketleme aparatı. Fotonik çip ambalaj oluşur bir üst-görüş kamerası (A), (B ve C), iki yan görünümü kamera bir lif-dizi tutucu kol (D) ve bir altı-eksen sahne (E).
Resim 2 : Sıcaklık yanıt fotonik sensörünün. Fotonik rezonatör sıcaklık bağımlı yanıt artan sıcaklık ile rezonans dalga boyu sistematik bir upshift gösterir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu denemenin amacı fotonik bir termometre sıcaklık bağımlı tepki ölçmek için yapıldı. Sıcaklık nicel ölçümler Metroloji sınıf, küçük hacimli sensörler, kuyu ve sensör arasında iyi termal temas sağlamak ve ısı en aza indirmek derin kuru çevreye kaybeder gibi istikrarlı ısı kaynağı kullanmak akıllıca olur. Bu gereksinimleri kolayca optik lifler çip için bağ tarafından yerine getirilmesi, etkili bir şekilde paketlenmiş bir aygıt oluşturma derin Metroloji sıcaklık de indirdi. Bakır silindir cam tüp içinde çip ve cam tüp arasında iyi bir termal temas sağlamak ve böylece sıcaklık kararlılığı artırmak geçici termal dalgalanmaları bozamıyor büyük bir termal kitle sağlamak amacıyla hazırlanmıştır. Cam tüp göre backfilled ile yoğunlaşma sıcaklık ölçüm belirsizlik olumsuz etkisi olabilir düşük sıcaklıklarda önlemek için kuru argon gazı var.
Sıcaklık ölçümlerde hata en yaygın kaynağı ancak, yetersiz denge zamanı. Hava mükemmel bir yalıtkan ve herhangi bir airgaps banyo ve cam tüp veya örnek arasında termal ulaşım yavaşlatabilir. Detaylı ölçümler yapılmadan önce aygıt ile sıcaklık iyi denge yerleşmiş doğrulamak önemlidir. Biz denge zaman art arda banyo kendisi denge ulaştı sonra bir saat boyunca rezonatör yanıt ölçerek belirledi. Sonuçlarımız denge ulaşmak için 20 dakika sürebilir fotonik çip paket geometri bağlı olarak görüntülenir. Tipik olarak, biz denge ulaştığını emin olmak için 30 dakika bekleyin.
Fotonik thermometry gerçekleştirilmesi, yayma ve bir asırlık paradigma upending thermometry ölçümü için yıkıcı yeni bir yol sunar. Onun basit fotonik bize eşdeğer veya daha iyi ölçüm performans sağlarken direnç thermometry (indüklenen gerilim histeresis, kimyasal ve çevresel duyarlılık, vb) sınırlamaları aşmak olanak verebilir. Termodinamik sıcaklık ölçümleri11böylece sıcaklık ölçümleri ondan untethering etkinleştirilmesi, gerçekleştirmek için optomechanics son gelişmeler yararlanarak fotonik thermometry için en iyi durum senaryosu öngörülüyor izlenebilirlik zinciri.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Belirli donatım veya malzeme bu yazıda deneysel işlemin yeterince belirtmek için tanımlanır. Bu tür kimlik onaylandığı anlamına için teknoloji ve standartlar Ulusal Enstitüsü tarafından uygun değildir, ne de malzemeleri veya ekipman tespit mutlaka en iyi ima amaçlı kullanılabilir.
Acknowledgments
Yazarlar kadar deneyler ayarlama konusunda yardım almak için silikon fotonik sıcaklık sensörleri ve Wyatt Miller ve Dawn haç imal için fırsat sağlamak için NIST/CNST NanoFab tesis etmiş oluyorsunuz.
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).
