Summary
Vi beskriver processen med fremstilling og afprøvning af fotoniske termometre.
Abstract
I de seneste år, har et skub for at udvikle nye silicium fotoniske enheder for telekommunikation genereret en enorme knowledge base er nu ved at blive gearede til at udvikle avancerede fotoniske sensorer. Silicium fotoniske sensorer forsøge at udnytte den stærke indespærring af lys i nano-bølgeledere for at transduce ændringer i fysiske tilstand, ændringer i resonansfrekvens. For temperaturmåling forårsager thermo-optisk koefficient, dvs, ændringer i brydningsindeks på grund af temperatur, fotoniske enheden som en Bragg rist til drift med temperatur resonant frekvens. Vi er ved at udvikle en suite af fotoniske enheder, der udnytter de seneste fremskridt i telecom kompatibel lyskilder til at fabrikere omkostningseffektive fotoniske temperatursensorer, som kan implementeres i en lang række indstillinger fra kontrollerede laboratorium forhold til de støjende omgivelser af en fabriksbaseret eller en bolig. I dette manuskript detaljer vi vores protokol for fremstilling og afprøvning af fotoniske termometre.
Introduction
Guld standard for temperatur metrologi, platin modstand termometer, blev først foreslået af Sir Siemens i 1871 med Callender1 udvikle den første enhed i 1890. Siden dengang har trinvise fremskridt inden for design og fremstilling af termometre leveret en bred vifte af temperatur måling løsninger. Standard platin modstand termometer (SPRT) er et interpolating instrument for at realisere International temperatur skala (ITS-90) og dens formidling, bruge modstand temperaturmåling. I dag, spiller mere end et århundrede efter sin opfindelse, modstand temperaturmåling en afgørende rolle i forskellige aspekter af industri og everyday teknologi strækker sig fra biomedicin til fremstilling proceskontrol, energiproduktion og forbrug. Selv om godt kalibreret industrielle modstand termometre kan måle temperaturen med usikkerhed så lille som 10 mK, de er følsomme over for mekanisk stød, termisk stress og miljømæssige variabler såsom luftfugtighed og kemiske forureninger. Derfor kræver modstand termometre periodiske (og dyre) off-line rekalibrering. Disse grundlæggende begrænsninger af modstand temperaturmåling har ført til betydelig interesse i at udvikle fotoniske temperatur sensorer2 der kan levere svarende til bedre måling kapaciteter whislt bliver mere robust mod mekaniske stød . Sådanne devcie vil appellere til nationale og industrielle labs og interesserede i langsigtet overvågning hvor instrument drift negativt kan påvirke produktiviteten.
I de seneste år er blevet foreslået en lang række roman fotoniske termometre, herunder lysfølsomme farvestoffer3, sapphire-baserede mikrobølgeovn hviskende galleri tilstand resonator4, fiber optic sensorer5,6, 7, og på chip silicium nano-fotoniske sensorer8,9,10. På NIST henvender vores bestræbelser på at udvikle billige og let indsættelige, Roman temperatursensorer og standarder, der er let fremstilles ved hjælp af eksisterende teknologier, såsom CMOS-kompatible fremstilling. Særlig fokus har været udviklingen af silicium fotoniske enheder. Vi har vist, at disse enheder kan bruges til at måle temperatur over 40 ° C til 80 ° C og 5 ° C til 165 ° C med usikkerhed, der er sammenlignelige med ældre enheder8dataområder. Desuden vores resultater tyder på, at med en bedre proces kontrol enhed udskiftelighed størrelsesordenen 0,1 ° C usikkerhed er opnåelige (dvs. usikkerheden af temperaturmåling nominelle koefficienterne ikke kalibrering fastsættes koefficienter ).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. enhed fabrikation
Bemærk: Silicium fotoniske enheder kan være opdigtet benytter silicon-på-insulator (SOI) wafers udlignende konventionel CMOS-teknologi via foto - eller electron beam litografi efterfulgt af induktive plasma reaktive ion etch (ICP RIE) 220 nm-tyk øverste silicium lag. Efter ICP RIE etch kan enhederne være top-beklædt med en tynd polymerfilm eller SiO2 beskyttende lag. Nedenfor er de vigtigste trin i i fabrikation af SOI fotoniske enheder.
- Rense en SOI wafer i en piranha løsning i 10 min, en blanding 4:1 af svovlsyre (H2SO4) og hydrogenperoxid (H2O2), efterfulgt af en deioniseret vand (DI) vand skylle for 1 min og nitrogen gas blæse tør.
- Spin frakke ca. 20-50 mL mand 2405 e-beam modstå på wafer ved 4000 rpm for 60 s, efterfulgt af en kogeplade Bages ved 90 ° C i 15 min.
- Udsætte enheden mønster på spin-belagt modstå ved hjælp af e-beam litografi og udvikle modstå. Den sædvanlige base eksponering dosis er ca. 600 Μchiler/cm2. Udvikle med MIF-319 udvikler for 60 s, efterfulgt af en 60 s vand skylles.
- Udføre en ICP RIE etch af 220 nm tykke silicium lag til at fjerne den ubeskyttede silicium. Bruge en pseudo-Bosch-processen med C4F8: 57 SCCM / SF6: 33 SCCM, ICP magt: 3.000 W; RIE magt: 15 W; pres 10 mTorr, temperatur: 15 ° C Etch sats: ca 5-6 nm/s
- Opløse modstå maske i ren acetone for 1 h, efterfulgt af en isopropanol skyl, 60 s DI vand skylles og nitrogen gas blæse tør.
- Indbetale et 1 µm tykt beskyttende top-lag på wafer (en tynd polymerfilm) via en spin coating (spin pels 20-50 mL PMMA ved 4000 rpm for 60 s efterfulgt af en kogeplade Bages ved 180 ° C i 2 min).
- Terninger wafer med en wafer terninger saw (så bladet tykkelse: 35 µm) i små nemme at håndtere chips (f.eks., 20 mm × 20 mm).
2. fotoniske Chip emballage
Bemærk: De opdigtede fotoniske chips er pakket på en kundespecifik emballage setup hvor en specialbygget emballage opsætning bruges til at justere og bond en vifte af optiske fibre til en fotoniske chip. Opsætningen af emballage, vist på figur 1 består af (i) 6-akse mikro-positionering fase, der giver mulighed for 6 graders fri bevægelighed (X, Y, Z koordinater, og tre tilsvarende vinklerne på rotation i forhold til X, Y, Z koordinater) med submicron præcision; (ii) scenen integrerede Peltier-modulet gør det muligt at opvarme eller afkøle den øverste fase platform; (iii) v-groove array indehaveren arm; epoxy lim mikro-dispensering modul; (iv) ultra violet (UV) lys eksponering modul at helbrede UV klæbestof, og (v) fire høj forstørrelse digitale kameraer til toppen, foran og to side vinkel visninger. Optiske fibre pakke i v-groove array er indkøbt fra en kommerciel kilde.
- Ru tilpasning procedure
- Placer den fotoniske chip på stadiet 6-akse, og orientere chippen så på chip input/output-porte er justeret med v-groove array.
- Tænde vakuum sug gennem scenen integreret vakuum pumpe port at holde chippen på plads.
- Bruge top-Se digital kamera hen til lokalisere og placere de fotoniske enheder af interesse midt på stadiet 6-akse.
- Placer v-groove array holder armen tæt på chippen og bruge vakuum sug gennem en integreret pumpe port for at holde array på plads.
- Bruge sideudsyn digitale kameraer som en visuel feedback til at hjælpe holdning fiber matrixen over på chip rist koblinger.
- Hæve 6-akse scenen for at bringe den fotoniske chip til under 10 µm i matrixen fiber nederste kant.
Bemærk: Kanten af v-groove fiber matrix skal groft justeres (indenfor 50 µm til 100 µm nøjagtighed) i forhold til på chip justering mærker. Denne procedure giver de optiske fiber facetter inden for en relativ nærhed af de tilsvarende rist koblinger.
- Automatiseret optimale justering
- Når en ru Manuel justering er opnået, aktivere automatisk søgning ved hjælp af kreditor leveres softwaren til stadiet 6-akse.
Bemærk: Denne algoritme udfører en pre-defineret gang over 6-grader af bevægelser (translationel og roterende), indtil den maksimale overførsel af bredbånd lys gennem den chip input og output porte er opnået. Det bør tage længere end 20 s til 30 s.
- Når en ru Manuel justering er opnået, aktivere automatisk søgning ved hjælp af kreditor leveres softwaren til stadiet 6-akse.
- Fotoniske chip test
Bemærk: Når den optimale justering er opnået, kontrollere enheden levedygtighed, før du fortsætter med limning.- Bruge scenen integrerede Peltier modulet til termisk cyklus den chip temperatur mens du optager den spektrale reaktion. Varmepåvirkning brugte vi et brugerdefineret script skrevet i LabView.
- Analysere de indspillede spektre er at kontrollere temperatur-følsomheden af enheden (anbefalede værdier er 70 pm / ° C til 80 pm / ° C).
Bemærk: Laser spektrometeret har været beskrevet andetsteds i detaljer2. De indspillede spektre analyseres for at bestemme temperaturen følsomheden af den enhed, som skal være i den 70 pm / ° C til 80 pm / ° C rækkevidde.
- Limning af optiske fibre
- Langsomt sænke array ned til chip overflade.
- Omhyggeligt placere epoxy fyldt sprøjte i umiddelbar nærhed af matrixen fiber kant ved hjælp af en anden XYZ micron præcision stage.
- Give afkald på en enkelt mikro-dråbe af en epoxy og indlede den hærdning (enten via UV-bestråling eller en termisk cykling).
- Jævnligt køre den automatiske justering (toppe/maksimering) rutine induceret for at forhindre afdrift tab af signal indtil et tidspunkt, at epoxyen begynder at hærde.
Bemærk: Efter epoxy kurere den fotoniske chip ydeevne og lys kobling effektivitet er testet igen ved at optage transmission spektre af enheden ved forskellige temperaturer. Lys kobling effektivitet typisk stiger efter limning processen, sandsynligvis fordi brydningsindeks matchede optisk epoxy reducerer refleksion tab på grænsefladen fiber-chip.
- Emballering af fotoniske termometer
- Sted fiber fæstnede fotoniske chip på en kobbercylinder (h = 25 mm, dia. = 5.79 mm) med en lille mængde (ca. 1 mg) af termisk fedt anvendt til kobber monteringsoverfladen.
Bemærk: Termisk fedt sikrer god selv termisk kontakt mellem metal varme dirigent og chip. Derudover termisk fedt giver en svag vedhæftning mellem de to dele, som letter processen med at sænke kobber cylinder-chip montage ned et glasrør (h = 50 mm indvendig dia. = 6,0 mm). - Sænk forsigtigt chip-kobber cylinder ned glasrør.
- Opfyldning glasrør med Argon gas og segl med en gummi prop.
- Sted fiber fæstnede fotoniske chip på en kobbercylinder (h = 25 mm, dia. = 5.79 mm) med en lille mængde (ca. 1 mg) af termisk fedt anvendt til kobber monteringsoverfladen.
3. temperaturmåling
- Placere den emballerede fotoniske termometer (glasrør + kobbercylinderen + fiber kombineret fotoniske enhed) i en metrologi temperatur tør godt (temperatur skal være stabil til inden for 1 mK).
- Ved hjælp af specialbyggede computerprogrammet indstille bilægge tid (20 min til 30 min), antallet af varmecykler (minimum 3), temperatur trin størrelse (1 ° C til 5 ° C), antallet af på hinanden følgende scanninger (minimum anbefaling 5) og laser power (nøjagtige strøm leveret er specifikke for enkelte tilfælde, men generelt er i nanowatt at microwatt vifte).
Bemærk: En kalibreret platin modstand termometer bundet til kobbercylinderen bruges til at registrere samtidigt bad temperatur, fotoniske målingerne er foretaget.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Som vist i figur 2, viser ring resonator transmission spectra en smal dukkert i transmission svarende til resonans-tilstand. Resonans fringe skifter til længere bølgelængder som temperatur er steget fra 20 ° C til 105 ° C i 5 ° C trin. Transmission spektrum er monteret et polynomium funktion som byens højeste er udvundet. Polynomiet passer fandtes for at give de mest konsistente resultater i nærværelse af en skrånende baseline, som kan få en Lorentzian eller Gaussisk passe mere tilbøjelige til at udligne fejl. Bølgelængde svar af enheden er plottes kalibreret platin modstand termometeret respons og residualer til lineære og kvadratiske passer er beregnet. Fit residualer er nyttige værktøjer i forståelsen af funktionen temperatur af sensorer. Sammenligning af temperatur punkter i op og ned cyklusser og mellem cyklusser bruges til at bestemme hysterese pakkede enheden.
Vores foreløbige analyse af de termiske cykling eksperimenter tyder på, at fugtighed inducerede ændringer i epoxy er sandsynligvis den største drivkraft bag hysterese i pakket fotoniske termometre. Vi bemærke, at uemballerede enheder ikke viser nogen signifikant hysterese. Hysterese pakkede enheden kan blive forbedret ved hjælp af en hydrofobe epoxy, føje desiccants til glasrør før forsegling og en strammere forsegling omkring gummi kork-glas junction. Tabulerer de forskellige kilder til usikkerhed ved hjælp af gentagne, detaljerede målinger giver os mulighed at beregne en detaljeret usikkerhed budget for den fotoniske termometer.
Figur 1: Emballage apparater. Fotoniske chip emballage setup består af en top-view kamera (A), to side-visning kameraer (B og C), en fiber-array indehaveren arm (D) og en six-axis fase (E).
Figur 2 : Temperatur svar af fotoniske sensor. Temperatur afhængige svar af en fotoniske resonator viser en systematisk opskift i resonans bølgelængde med stigende temperatur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Formålet med dette eksperiment var at kvantificere den temperatur afhængige reaktion fra en fotoniske termometer. Kvantitative målinger af temperatur er det klogt at udnytte en stabil varmekilde som en metrologi grade dybt tør godt, lille volumen sensorer, sikre god termisk kontakt mellem godt og sensoren, og minimere varme taber til miljøet. Disse krav opfyldes nemt ved limning optiske fibre til chippen, effektivt at skabe en emballeret enhed, der kan sænkes dybt ind metrologi temperaturen godt. Kobbercylinderen i glasrør tilsigter at give en god termisk kontakt mellem chip og glas røret og giver en stor termisk masse, der dæmper forbigående termisk udsving, dermed forbedre temperatur stabilitet. Glasrør er tilbagefyldt med tørre argon gas til at hindre kondensering ved lave temperaturer, hvilket kan have en negativ effekt usikkerhed i temperaturmåling.
Den mest almindelige kilde til fejl i temperaturmålinger, er dog utilstrækkelig ekvilibreringstid. Luften er en fremragende isolator og nogen airgaps mellem bad og glas rør eller prøve kan bremse termisk transport. Det er vigtigt at kontrollere, at enheden er afgjort i ligevægt med temperatur godt før detaljerede målinger er foretaget. Vi bestemmes af ekvilibreringstid ved gentagne gange måling resonator svar i løbet af en time når badet selv har nået ligevægt. Vores resultater viser, at afhængigt af den fotoniske chip pakke geometri kan det tage op til 20 minutter at nå ligevægt. Typisk, vi vente 30 minutter til at sikre, at ligevægten er nået.
Fotoniske temperaturmåling præsenterer en forstyrrende ny rute til erkendelse, formidling og måling af temperaturmåling upending et århundrede gammelt paradigme. På sin simpleste photonics kunne sætte os at overvinde begrænsningerne af modstand temperaturmåling (stamme induceret hysterese, kemiske og miljømæssige følsomhed, osv.) samtidig måling af tilsvarende eller bedre ydeevne. I bedste fald-scenariet for Fotonik temperaturmåling envisions udnytte de seneste fremskridt i optomechanics at realisere termodynamiske temperatur målinger11, således at untethering temperatur målinger fra det sporbarhed kæde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Visse udstyr eller materialer er identificeret i dette dokument for at angive forsøgsmetoden tilstrækkeligt. Sådan identifikation er ikke beregnet til ensbetydende med påtegning af National Institute for standarder og teknologi, og heller ikke er det hensigten at antyde, at materialer eller udstyr identificeret er nødvendigvis bedst tilgængelige.
Acknowledgments
Forfatterne anerkender NIST/CNST NanoFab mulighed for at give mulighed for at fremstille silicium fotoniske temperatursensorer og Wyatt Miller og Dawn Cross for hjælp til opsætning af 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).
