Summary
Descrevemos o processo de fabricação e testes dos termómetros fotônicos.
Abstract
Nos últimos anos, um impulso para o desenvolvimento de dispositivos fotônico de silício romance para telecomunicações gerou uma vasta base de conhecimento que agora está sendo aproveitada para o desenvolvimento de sofisticados sensores fotônicos. Sensores fotônicos de silício procuram explorar o confinamento forte de luz em nano-guias de onda para transduce mudanças no estado físico de alterações na frequência de ressonância. No caso de termometria, o coeficiente thermo-óptica, ou seja, as alterações no índice de refração devido à temperatura, faz com que a frequência de ressonância do dispositivo fotônico como uma grade de Bragg à deriva com a temperatura. Estamos a desenvolver um conjunto de dispositivos fotônicos que aproveitam os avanços recentes em fontes de luz compatível telecom para fabricar sensores de temperatura fotônico cost-effective, que podem ser implantados em uma ampla variedade de configurações que variam de laboratório controlado condições, para o ambiente ruidoso de um chão de fábrica ou de uma residência. Neste manuscrito, detalhamos nosso protocolo para a fabricação e testes dos termómetros fotônicos.
Introduction
O padrão-ouro para a metrologia de temperatura, o termômetro de resistência de platina, foi proposto pelo senhor Siemens em 1871 com Callender1 desenvolvendo o primeiro dispositivo em 1890. Desde aquela época progresso incremental no projeto e na fabricação de termômetros emitiu uma ampla gama de temperatura, soluções de medição. O termômetro de resistência de platina padrão (SPRT) é o instrumento de interpolação para perceber a escala de temperatura internacional (ITS-90) e sua divulgação utilizando termometria de resistência. Hoje, mais de um século depois de sua invenção, termometria de resistência desempenha um papel crucial em vários aspectos da tecnologia da indústria e todos os dias, variando de Biomedicina para controle do processo de fabricação, para consumo e produção de energia. Embora termoresistência industrial bem calibrado pode medir a temperatura com incertezas tão pequenas quanto 10 mK, eles são sensíveis a choque mecânico, estresse térmico e variáveis ambientais como umidade e produtos químicos contaminantes. Por conseguinte, termoresistência requerem periódicas (e caras) recalibrações off-line. Estas limitações fundamentais de termometria de resistência têm produzido considerável interesse no desenvolvimento de sensores temperatura fotônico2 que podem entregar semelhante a melhor whislt de capacidades de medição sendo mais robusto contra choques mecânicos . Tal um devcie vai apelar para laboratórios nacionais e industriais e interessados no acompanhamento a longo prazo, onde deriva do instrumento pode afetar negativamente o produtividade.
Nos últimos anos uma grande variedade de termômetros fotônicos romance foram propostas incluindo corantes fotossensíveis3, baseada em safira microondas sussurrando Galeria modo resonator4, sensores ópticos de fibra5,6, 7e no chip de silício nano-fotônica sensores8,9,10. Do NIST, nossos esforços visam desenvolvimento de baixo custo, facilmente destacáveis, sensores de temperatura romance e padrões que são facilmente fabricados utilizando tecnologias existentes, tais como fabricação de compatível com o CMOS. Especial destaque tem sido o desenvolvimento de dispositivos fotônicos de silício. Nós demonstramos que estes dispositivos podem ser usados para medir a temperatura durante os intervalos de-40 ° C a 80 ° C e 5 ° C a 165 ° C, com as incertezas que são comparáveis aos dispositivos legacy8. Além disso, nossos resultados sugerem que, com um dispositivo de controle de processo melhor a intercambialidade na ordem de 0,1 ° C incerteza é possível (ou seja, a incerteza de medição da temperatura usando coeficientes nominais não calibração determinados coeficientes ).
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Protocol
1. dispositivo fabricação
Nota: Wafers de silício fotônicos dispositivos podem ser fabricados usando silicone-em-isolador (SOI) aplicando CMOS-tecnologia convencional através de foto - ou litografia de feixe de elétron seguida por íon reativo de plasma indutivo etch (ICP RIE) de 220 nm de espessura superior silício camada. Após ICP RIE etch os dispositivos podem ser top-revestido com uma película fina de polímero ou camada protetora de SiO2 . Abaixo estão as principais etapas na fabricação de dispositivos fotônicos de SOI.
- Limpar uma bolacha SOI em uma solução de piranha por 10 min, uma mistura de 4:1 de ácido sulfúrico (H2SO4) e peróxido de hidrogênio (H2O2), seguido por uma lavagem de água deionizada (DI) para 1 min e nitrogênio gás secagem.
- Casaco de rotação cerca de 20-50 mL de homem 2405 e-feixe resistir até a bolacha em 4.000 rpm para 60 s, seguido por uma chapa asse a 90 ° C por 15 min.
- Expor o padrão de dispositivo para o spin-revestido resistir usando litografia e-feixe e desenvolver a resistir. A dose usual de exposição base é de cerca de 600 µC/cm2. Desenvolver com o desenvolvedor do Fumin-319 por 60 s, seguido por uma lavagem de água 60 s.
- Executar um ICP RIE etch da camada de silicone grosso 220 nm para remover o silício desprotegido. Use um processo de pseudo Bosch com C4F8: 57 SCCM / SF6: 33 SCCM, poder ICP: 3.000 W; Poder RIE: 15 W; pressão 10 mTorr, temperatura: 15 ° C; Etch taxa: aproximadamente 5-6 nm/s
- Dissolva a máscara de resistir na acetona pura por 1 h, seguida de um enxaguamento de isopropanol, 60 s DI enxaguar com água e sopro de gás nitrogênio seco.
- Depositar uma 1 µm espessura superior-camada protetora sobre a bolacha (um filme fino polímero) através de um revestimento de rotação (rotação revestir 20-50 mL PMMA em 4.000 rpm para 60 s seguido de uma placa de aquecimento leve ao forno a 180 ° C por 2 min).
- A bolacha com uma bolacha de serra de cortar com dados (vi a espessura da lâmina: 35 µm) em pequenos fácil de manusear fichas (por exemplo, 20 mm × 20 mm).
2. fotónicos Chip embalagens
Nota: Os chips fotônicos fabricados são embalados em uma configuração de embalagem design personalizado onde uma instalação Custom-Built de embalagem é usada para alinhar e unir uma matriz de fibras ópticas para um chip fotônico. A instalação de embalagem, mostrada na Figura 1 é composto por (i) fase 6-eixo microposicionamento, que permite 6-grau de movimento de liberdade (coordenadas X, Y, Z, e três ângulos correspondentes de rotação em relação a X, Y, Z coordenadas) com precisão de submicron; (ii) no palco integrado módulo Peltier que permite aquecer ou esfriar a plataforma de estágio superior; (iii) braço de suporte de matriz v-sulco; módulo microdispensando adesivos de epóxi; (iv) módulo da exposição à luz ultra violeta (UV) para adesivos de cura UV e (v) quatro alta magnificação câmeras digitais para o topo, frontal e duas vistas do ângulo lateral. Pacote de fibras ópticas na matriz do v-sulco são adquiridos de uma fonte comercial.
- Procedimento de alinhamento bruto
- Coloque o chip fotônico no palco 6 eixos e orientar o chip para que as portas de entrada/saída no chip estão alinhadas com a matriz do v-sulco.
- Liga vácuo sucção através do porto de bombeamento em vácuo integrado no palco para prender o chip no lugar.
- Use a câmera digital vista superior para localizar e colocar os dispositivos fotônicos de interesse no centro do palco 6 eixos.
- Posicionar o braço de suporte de matriz do v-sulco perto o chip e usar sucção do vácuo através de uma porta de bombeamento integrada para manter a matriz no lugar.
- Use as câmeras digitais de visão lateral como um feedback visual para ajudar a posição da matriz de fibra acima os acopladores de grade no chip.
- Levante o estágio de 6 eixos para trazer o chip fotônico dentro de 10 µm da parte inferior da matriz da fibra.
Nota: A borda da matriz do v-sulco de fibra deve ser mais ou menos alinhada (dentro de 50 µm a 100 µm de precisão) em relação a marcas de alinhamento no chip. Este procedimento traz as facetas de fibra óptica dentro de uma relativa proximidade dos correspondente engates de grade.
- Automatizado de alinhamento ideal
- Depois de um mau alinhamento manual é alcançado, ative a busca automatizada usando o software fornecedor fornecido para o estágio de 6 eixos.
Nota: Este algoritmo executa uma pé pré-definidos sobre os 6-graus de movimentos (translação e rotação) até que seja alcançada a máxima de transmissão de luz de banda larga através de portas de saída e entrada do chip. Ele deve tomar não mais de 20 s a 30 s.
- Depois de um mau alinhamento manual é alcançado, ative a busca automatizada usando o software fornecedor fornecido para o estágio de 6 eixos.
- Teste de chip fotônico
Nota: Uma vez que o alinhamento ideal é alcançado, verificar viabilidade do dispositivo antes de prosseguir com a ligação.- Use o módulo Peltier integrado no palco para ciclo termicamente a temperatura do chip durante a gravação da resposta espectral. Para ciclagem térmica, foi utilizado um script personalizado escrito em LabView.
- Analisar os espectros gravados verificar a sensibilidade de temperatura do dispositivo (recomenda-se os valores são 70 pm / ° C para 80 pm / ° C).
Nota: O espectrômetro de laser tem sido descrito em outros lugares no detalhe2. Os espectros gravados são analisados para determinar a sensibilidade de temperatura do dispositivo que deve ser no pm 70 / ° C a gama 80 pm / ° C.
- Colagem de fibras ópticas
- Abaixe lentamente a matriz para a superfície do chip.
- Cuidadosamente coloque a seringa cheia de epóxi nas proximidades da borda da matriz fibra usando uma outra fase de precisão de mícron XYZ.
- Dispense uma única microgota de um epóxi e iniciar o processo de cura (seja através de irradiação UV ou uma ciclagem térmica).
- Execute periodicamente a rotina de alinhamento automatizado (pico/maximização) evitar a deriva induzida por perda de sinal até tal, uma vez que o epóxi começa a endurecer.
Nota: Após a cura o chip fotônico da cola epoxy desempenho e eficiência de acoplamento de luz são testados novamente por espectros de transmissão do dispositivo em temperaturas diferentes de gravação. Luz, eficiência de acoplamento geralmente aumenta após o processo de ligação, provavelmente porque o epóxi óptico de índice de refração correspondida reduz perdas de reflexão na interface fibra-chip.
- Embalagem de termômetro fotônico
- Lugar da fibra lig chip fotônico em um cilindro de cobre (h = 25 mm, diâmetro = 5,79 mm) com uma pequena quantidade (cerca de 1 mg) de graxa térmica aplicada à superfície de montagem de cobre.
Nota: Graxa térmica garante bom contato térmico mesmo entre o condutor de calor do metal e o chip. Além disso, a graxa térmica fornece uma fraca adesão entre as duas partes que facilita o processo de reduzir o conjunto de cilindro de cobre-chip para um tubo de vidro (h = 50 mm; diâmetro interno = 6,0 mm). - Baixe suavemente o cilindro de cobre-microplaqueta para baixo o tubo de vidro.
- Aterramento do tubo de vidro com gás Argon e selo com uma rolha de borracha.
- Lugar da fibra lig chip fotônico em um cilindro de cobre (h = 25 mm, diâmetro = 5,79 mm) com uma pequena quantidade (cerca de 1 mg) de graxa térmica aplicada à superfície de montagem de cobre.
3. medição de temperatura
- Coloque o termómetro fotônico embalado (cilindro de cobre, tubo de vidro + fibra acoplado dispositivo fotônico) em um poço seco temperatura de Metrologia (temperatura deve ser estável para dentro 1 mK).
- Usando o programa de computador Custom-Built definir o tempo de assentamento (20 min a 30 min), número de ciclos térmicos (mínimo 3), etapa de temperatura tamanho (1 ° C a 5 ° C), número de exames consecutivos (recomendação mínima 5) e poder (exata energia entregue é específica para laser indivíduo casos, mas geralmente é no nanowatt a gama microwatt).
Nota: Um termômetro de resistência calibrada de platina ligado ao cilindro de cobre é usado para gravar simultaneamente a temperatura do banho como as fotônicas medições são realizadas.
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Representative Results
Como mostrado na Figura 2, os espectros de transmissão do ressonador de anel mostra um mergulho estreito na transmissão correspondente à condição de ressonância. A franja de ressonância desloca-se para comprimentos de onda como a temperatura é aumentada de 20 ° C a 105 ° C, em incrementos de 5 ° C. O espectro de transmissão está equipado de uma função polinomial, do qual é extraído o centro de pico. O polinômio caber foi encontrado para dar os resultados mais consistentes na presença de uma linha de base inclinada, que pode fazer um ajuste de Lorentzian ou gaussiano mais propenso a compensar erros. A resposta de comprimento de onda do dispositivo é plotada contra resposta do termômetro resistência de platina calibrada e resíduos para ajustes lineares e quadráticas são computados. Resíduos de ajuste são ferramentas úteis na compreensão do comportamento de temperatura dos sensores. Comparação dos pontos de temperatura em subir e descer os ciclos e entre ciclos é usada para determinar a histerese no dispositivo embalado.
Nossa análise preliminar dos experimentos ciclagem térmicos sugere que umidade alterações induzidas em epóxi são provavelmente o maior condutor de histerese em embalados termômetros fotônicos. Notamos que dispositivos fora da embalagem não mostram qualquer significativa histerese. A histerese no dispositivo embalado pode ser melhorada usando um epóxi hidrofóbico, adicionando dessecantes para o tubo de vidro antes de selagem e um selo apertado ao redor da junção de vidro de rolha de borracha. Tabulando as várias fontes de incerteza usando repetido, medições detalhadas nos permite calcular um orçamento detalhado de incerteza para o termómetro fotônico.
Figura 1: Aparelho embalagem. Instalação de chip fotônico embalagem consiste em uma câmera de visão superior (A), duas câmeras de visão lateral (B e C), um braço de suporte de fibra-matriz (D) e um estágio de seis eixos (E).
Figura 2 : Resposta de temperatura do sensor fotônico. Resposta dependente de temperatura de um ressonador fotônico mostra uma sistemática subir no comprimento de onda de ressonância com o aumento da temperatura.
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Discussion
O objetivo deste experimento foi quantificar a resposta dependente da temperatura de um termômetro fotônico. Para a medição quantitativa da temperatura, é prudente utilizar uma fonte de calor estável como um grau de metrologia fundo seco bem, sensores de volume pequeno, garantir um bom contacto térmico entre o bem e o sensor e minimizar o calor perde para o ambiente. Esses requisitos forem atendidos facilmente por colagem de fibras ópticas para o chip, efetivamente criando um dispositivo embalado que pode ser reduzida até a temperatura de metrologia bem. A finalidade do cilindro cobre no tubo de vidro é proporcionar um bom contato térmico entre o chip e o vidro do tubo e fornecer uma grande massa térmica que amortece transitórias flutuações térmicas, melhorando assim a estabilidade de temperatura. O tubo de vidro é backfilled com gás de argônio seco para evitar a condensação em temperaturas baixas, o que pode afetar negativamente a incerteza na medição de temperatura.
A fonte mais comum de erro nas medições de temperatura, no entanto, é tempo da equilibração insuficiente. Ar é um excelente isolante, e qualquer airgaps entre o tubo do banho e vidro ou amostra podem retardar o transporte térmico. É importante verificar que o dispositivo é estabeleceu em equilíbrio com o poço de temperatura antes de medições detalhadas são feitas. Determinamos o tempo da equilibração medindo repetidamente a resposta do ressonador ao longo de uma hora, uma vez que o banho se alcançou o equilíbrio. Nossos resultados indicam que dependendo da geometria do pacote de chip fotônico pode demorar até 20 minutos para alcançar o equilíbrio. Normalmente, esperar 30 minutos para garantir que o equilíbrio é atingido.
Fotônica termometria apresenta uma nova rota sem interrupções para realização, divulgação e medição de termometria erigir um século velho paradigma. No seu mais simples fotónica poderia permitir-nos superar as limitações de termometria de resistência (histerese tensão induzida, sensibilidade química e ambiental, etc.), proporcionando desempenho equivalente ou melhor medição. O melhor cenário para termometria fotônica visiona aproveitando os avanços recentes em optomechanics para perceber a temperatura termodinâmica medições11, possibilitando assim o soltando das medições de temperatura de-cadeia de rastreabilidade.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Determinados equipamentos ou materiais são identificados neste trabalho, a fim de especificar o procedimento experimental adequadamente. Essa identificação não se destina a implica o endosso pelo Instituto Nacional de padrões e tecnologia, nem se destina a implicar que os materiais ou equipamentos identificados são necessariamente o melhor disponível.
Acknowledgments
Os autores reconhecem a facilidade do NIST/CNST NanoFab para fornecer a oportunidade para fabricar os sensores de temperatura fotônico de silício e Wyatt Miller e Dawn Cross para obter assistência na criação de experiências.
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
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