Summary
Vi beskriver processen för tillverkning och provning av fotoniska termometrar.
Abstract
Under de senaste åren har en push för att utveckla nya kisel fotoniska enheter för telekommunikation genererat en stor kunskapsbas som är nu att vara skuldsatt för att utveckla sofistikerade fotoniska sensorer. Silicon fotoniska sensorer försöka utnyttja den starka inneslutningen av ljus i nano-vågledare för att transduce förändringar i fysiska tillstånd till förändringar i resonansfrekvens. När det gäller thermometry orsakar thermo-optic koefficienten, dvs förändringar i brytningsindex beror på temperatur, resonansfrekvensen hos fotoniska enheten såsom en Bragg gallerdurk glida med temperatur. Vi utvecklar en svit av fotoniska enheter som utnyttjar senaste framstegen inom telecom kompatibel ljuskällor att fabricera kostnadseffektiva fotoniska temperatursensorer, som kan distribueras i en mängd olika inställningar alltifrån kontrollerade laboratorium förhållanden, till bullriga miljön av en fabriksgolvet eller en bostad. I detta manuskript detalj vi våra protokoll för tillverkning och provning av fotoniska termometrar.
Introduction
Guldmyntfoten för temperatur metrologi, platina motstånd termometern, föreslogs först av Sir Siemens 1871 med Callender1 utveckla den första enheten 1890. Sedan dess har inkrementella framsteg inom design och tillverkning av termometrar levererat ett brett utbud av temperatur mätning lösningar. Standard platinum motstånd termometern (SPRT) är interpolerande instrumentet för att förverkliga internationella temperaturskalan (ITS-90) och dess spridning med motstånd Termometri. Idag, spelar mer än ett århundrade efter dess uppfinning, motstånd Termometri en avgörande roll i olika aspekter av industrin och vardagliga teknik som sträcker sig från biomedicin till tillverkning processtyrning, energiproduktion och konsumtion. Även om väl kalibrerad industriella motstånd termometrar kan mäta temperatur med osäkerheter så små som 10 mK, de är känsliga för mekaniska stötar, termisk stress och miljömässiga variabler såsom fukt och kemiska föroreningar. Följaktligen kräver motstånd termometrar periodiska (och kostsamt) off-line om. Dessa grundläggande begränsningar av motstånd Termometri har producerat stort intresse i att utveckla fotoniska temperatur sensorer2 som kan leverera liknar bättre mätning kapacitet whislt är mer robust mot mekaniska stötar . Sådan en devcie kommer att tilltala nationella och industriella labs och de som är intresserade av långsiktig övervakning där instrumentet drift kan påverka produktiviteten.
Under senare år ett brett utbud av romanen fotoniska termometrar föreslagits däribland ljuskänsliga färgämnen3, sapphire-baserade mikrovågsugn whispering gallery läge resonator4, fiber optiska sensorer5,6, 7och på-flisa kisel nano-fotoniska sensorer8,9,10. På NIST syftar våra ansträngningar till utveckla billig, lätt distribuerbara, romanen temperaturgivare och standarder som tillverkas enkelt med befintlig teknik, såsom CMOS-kompatibel manufacturing. Särskilt fokus har varit utvecklingen av kisel fotoniska enheter. Vi har visat att dessa enheter kan användas för att mäta temperaturen över spänner av-40 ° C till 80 ° C och 5 ° C till 165 ° C med osäkerheter som är jämförbara med äldre enheter8. Dessutom våra resultat tyder på att utbytbarhet storleksordningen 0,1 ° C osäkerhet är möjligt med en bättre process kontrollenhet (dvs. mätosäkerheten temperatur med hjälp av nominella koefficienter inte kalibrering fastställas koefficienter ).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. anordning tillverkning
Obs: Silicon fotoniska enheter kan fabriceras använder kisel på isolator (SOI) rån tillämpa konventionella CMOS-teknik via foto - eller electron beam litografi följt av induktiv plasma reactive ion etch (ICP RIE) 220 nm tjock översta kisel skikt. Efter ICP RIE etch kan enheterna vara topp-aluminiumbeklädda med en tunn polymerfilm eller SiO2 skyddande lager. Nedan finns de viktigaste stegen i i tillverkning av SOI fotoniska enheter.
- Rengör en SOI wafer i en piranha lösning för 10 min, en blandning 4:1 svavelsyra (H2SO4) och väteperoxid (H2O2), följt av en avjoniserat vatten (DI) vatten skölja för 1 min och kväve gas föna.
- Spin rock ca 20-50 mL av mannen 2405 e-beam motstå på rånet vid 4000 rpm för 60 s, följt av en kokplatta baka vid 90 ° C under 15 minuter.
- Utsätta enheten mönstret på den spin-belagd resist använder e-beam litografi och utveckla resist. Vanliga bas exponering dosen är ca 600 µC/cm2. Utveckla med MIF-319 utvecklare för 60 s, följt av en 60 s vatten skölja.
- Utföra en ICP RIE etch för 220 nm tjocka silikon lagret att ta bort den oskyddade kiseln. Använda en pseudo Bosch process med C4F8: 57 SCCM / SF6: 33 SCCM, ICP effekt: 3000 W; RIE power: 15 W; Tryck 10 mTorr, temperatur: 15 ° C; Etch hastighet: cirka 5-6 nm/s
- Lös upp masken resist i ren aceton för 1 h, följt av en isopropanol skölj, 60 s DI vatten skölja och kväve gas föna.
- Deponera ett 1 µm tjockt skyddande topp-lager på rånet (en tunn polymerfilm) via en spin-beläggning (spin rock 20-50 mL PMMA vid 4,000 rpm för 60 s följt av en kokplatta baka vid 180 ° C i 2 min).
- Tärna rånet med en wafer tärningsgaller såg (såg bladtjocklek: 35 µm) i små lätthanterliga chips (t.ex., 20 mm × 20 mm).
2. fotoniska Chip förpackning
Obs: De fabricerade fotoniska markerna är förpackade på en anpassad design förpackning setup där en skräddarsydd förpackning setup används för att justera och bond en array av optiska fibrer till en fotoniska chip. Den förpackning setup visas på figur 1 består av (i) 6-axliga mikro-positionering skede, som gör 6-graden av frihetsrörelse (X, Y, Z koordinater, och tre motsvarande vinklar av rotation i förhållande till X, Y, Z koordinater) med submicron precision; (ii) på scenen integrerade Peltier modul som tillåter att värma eller kyla den övre scen plattformen; (iii) v-groove array innehavaren arm; epoxi lim mikro-dispensering modul; (iv) ultra violet (UV) ljus exponering-modul för att bota UV lim och (v) fyra hög förstoring digitalkameror för övre, främre och två sida vinkel vyer. Optiska fibrer paketet i v-spår matris anskaffas från en kommersiell källa.
- Förfarandet för grovuppriktning
- Placera fotoniska chipet på 6-axliga scenen och orientera chipet så portarna på chip input/output är i linje med matrisen v-spår.
- Slå på vakuum sug genom på scenen integrerad vakuum pumpning port att hålla chipet på plats.
- Använd den top-view digitalkameran att hitta och placera fotoniska enheter av intresse i mitten av 6-axliga scenen.
- Placera v-groove array innehavaren armen nära chip och använda vakuum sug genom en integrerad pumpning port för att hålla matrisen på plats.
- Använd den sida Visa digitala kameror som en visuell feedback för att hjälpa position fiber matrisen ovan de på-chip gallerdurk kopplare.
- Höja den 6-axliga scenen för att få fotoniska chip till inom 10 µm av fiber matrisens nedre kant.
Obs: I utkanten av matrisen v-groove fiber ungefär anpassas (inom 50 µm till 100 µm noggrannhet) i förhållande till på-flisa justering markerar. Detta förfarande ger optisk fiber aspekter inom en relativ närhet av de motsvarande gallerdurk-kopplare.
- Automatiserad optimal anpassning
- När en manuell grovuppriktning uppnås, aktivera automatiska sökningen använda leverantören levererat program för 6-axliga scenen.
Obs: Denna algoritm utför en fördefinierade promenad över 6-grader av rörelser (translationell och roterande) tills maximal överföring av bredband ljus genom chip input och output portar uppnås. Det bör inte ta längre tid än 20 s till 30 s.
- När en manuell grovuppriktning uppnås, aktivera automatiska sökningen använda leverantören levererat program för 6-axliga scenen.
- Fotoniska chip testning
Obs: När den optimala anpassningen uppnås, kontrollera enheten livskraft innan limning.- Med modulen på scenen integrerad Peltier termiskt cykel chip temperatur medan du spelar in spektrala. För termisk cykling använde vi ett anpassat skript skrivna i LabView.
- Analysera de inspelade spectrana att verifiera enhetens temperatur känslighet (rekommenderas värden är 70 pm / ° C till 80 pm / ° C).
Obs: Laser spektrometern har beskrivits någon annanstans i detalj2. De inspelade spectrana analyseras för att bestämma temperaturen känsligheten hos den enhet som ska vara i den 70 pm / ° C till 80 pm / ° C sortiment.
- Limning av optiska fibrer
- Långsamt sänka arrayen ner till chip ytan.
- Noggrant placera epoxi fyllda sprutan i närheten av fiber matrisens kant med en annan XYZ micron precision stage.
- Fördela en enda mikro-droplet en epoxi och initiera härdningsprocessen (antingen via UV-bestrålning eller en termisk cykling).
- Regelbundet köra rutinen automatisk justering (topp/maximering) inducerad för att förhindra avdrift signalförlust tills sådan en tid som epoxin börjar härda.
Obs: Efter epoxi bota fotoniska chip prestanda och ljus koppling effektiviteten testas igen av inspelning överföring spektra av enheten vid olika temperaturer. Ljuset koppling effektivitet vanligtvis ökar efter limning processen, sannolikt eftersom brytningsindex som matchade optiska epoxin minskar speglar förluster på gränssnittet fiber-chip.
- Förpackningen av fotoniska termometer
- Plats fiber bundna fotoniska chip på en förkoppracylinder (h = 25 mm, diam. = 5.79 mm) med en liten mängd (cirka 1 mg) av termiskt fett tillämpas på koppar monteringsytan.
Obs: Termiskt fett säkerställer god även termisk kontakt mellan den metall värmeledare och chip. Termiskt fett ger dessutom en svag vidhäftning mellan de två delarna som underlättar processen att sänka koppar cylinder-chip montering ner ett glasrör (h = 50 mm; inre diam. = 6,0 mm). - Försiktigt sänka chip-Koppar cylindern ned glasröret.
- Återfyllning glasröret med argongas och tätning med en gummi kork.
- Plats fiber bundna fotoniska chip på en förkoppracylinder (h = 25 mm, diam. = 5.79 mm) med en liten mängd (cirka 1 mg) av termiskt fett tillämpas på koppar monteringsytan.
3. temperaturmätning
- Placera förpackade fotoniska termometern (glasrör + förkoppracylinder + fiber tillsammans fotoniska enhet) i en metrologi temperatur torr brunn (temperatur bör vara stabil till inom 1 mK).
- Med hjälp av specialbyggda datorprogrammet ange lösa tid (20 min till 30 min), antalet termiska cykler (minst 3), temperaturen steg storlek (1 ° C till 5 ° C), antal på varandra följande skanningar (minsta rekommendation 5) och laser power (exakta power levereras är specifika för enskilda fall men i allmänhet är i nanowatt till mikrowatt utbud).
Obs: En kalibrerad platina motstånd termometern bundna till Koppar cylindern används samtidigt spela in badtemperaturen som fotoniska mätningarna utförs.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Som visas i figur 2, ring resonator överföring spektra visar ett smalt dopp i överföringen motsvarar villkoret resonans. Resonans utkant skiftar till längre våglängder som temperaturen höjs från 20 ° C till 105 ° C i steg om 5 ° C. Överföring spektrumet monteras ett polynom funktion som stadens peak extraheras. Det polynom som passar konstaterades för att ge de mest konsekventa resultat i närvaro av en sluttande originalplan som kan göra en Lorentzian eller Gaussisk passform som är mer benägna att kompensera fel. Residualer till linjära och kvadratiska passar beräknas och våglängd svaret från enheten ritas mot kalibrerad platina motstånd termometerns svar. Fit residualer är användbara verktyg för att förstå beteendet temperatur av sensorer. Jämförelse av temperatur punkter i upp och ned cykler och mellan cykler används för att bestämma hysteresen i paketerade enheten.
Vår preliminära analys av termisk cykling experiment tyder på att luftfuktighet inducerade förändringar i epoxi är sannolikt den största drivkraften för hysteres i förpackade fotoniska termometrar. Vi noterar att oförpackade enheter inte visar någon betydande hysteres. Hysteresen i paketerade enheten kan förbättras med hjälp av en hydrofoba epoxi, lägga till torkmedel i glasröret innan tätning och en hårdare tätning runt vägkorsningen gummi kork-glas. Detaljerade mätningar tabulering olika energikällor osäkerhet med hjälp av upprepade, och tillåter oss att beräkna en detaljerad osäkerhet budget för fotoniska termometern.
Figur 1: Förpackning apparatur. Fotoniska chip förpackning installationen består av en top-view kamera (A), två sida Visa kameror (B och C), en fiber-array innehavaren arm (D) och ett six-axis skede (E).
Figur 2 : Temperatur svar av fotoniska sensor. Temperatur beroende svar av en fotoniska resonator visar en systematisk uppväxling i resonans våglängd med ökande temperatur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Syftet med detta experiment var att kvantifiera temperatur beroende svar en fotoniska termometer. För kvantitativa mätningar av temperatur är det klokt att använda en stabil värmekälla såsom betyget metrologi djupt torra Tja, liten volym sensorer, säkerställa god termisk kontakt mellan brunnen och sensorn, och minimera värme förlorar till miljön. Dessa krav uppfylls enkelt genom bindning av optiska fibrer till chip, effektivt skapa en förpackad enhet som kan sänkas djupt in metrologi temperaturen väl. Syftet med koppar cylindern i glasröret är att ge en god termisk kontakt mellan chip och glas röret, och ge en stor termisk massa som dämpar övergående termiska variationer, därmed förbättra temperaturstabilitet. Glasröret är återfyllt med torr argongas för att förhindra kondens vid låga temperaturer som kan negativt påverka osäkerheten i temperaturmätning.
Den vanligaste källan till felet i temperaturmätningar, är dock otillräckliga Jämviktstiden tid. Luft är en bra isolator och eventuella airgaps mellan bad och glass tube eller prov kan bromsa termisk transport. Det är viktigt att kontrollera att enheten är fast i jämvikt med temperaturen väl innan detaljerade mätningar görs. Vi bestäms Jämviktstiden tiden genom upprepade gånger mätning resonator svaret under loppet av en timme när badet själv har nått jämvikt. Våra resultat tyder på att beroende på fotoniska chip paketet geometri kan det ta upp till 20 minuter att nå jämvikt. Typiskt, vi vänta 30 minuter så att jämvikt uppnås.
Fotoniska Termometri presenterar en störande ny rutt för insikten, spridning och mätning av Termometri upending ett sekel gamla paradigm. I dess enklaste fotonik kunde möjligt att övervinna begränsningarna av motstånd Termometri (stam inducerad hysteres, kemiska och miljömässiga känslighet, osv.) samtidigt som den ger mätning av likvärdig eller bättre prestanda. Det bästa scenariot för fotonik Termometri föreställer sig att utnyttja de senaste framstegen inom optomechanics att inse termodynamiska temperatur mätningar11, vilket gör att den untethering temperatur mätningar från det spårbarhetskedjan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Viss utrustning eller material identifieras i detta dokument för att fastställa experimentella förfarandet på ett tillfredsställande sätt. Sådan identifiering är inte avsedd att antyda av National Institute of Standards and Technology, och inte heller är det avsett att antyda att material eller utrustning identifierade nödvändigtvis är bästa tillgängliga.
Acknowledgments
Författarna erkänner NIST/CNST NanoFab anläggningen för att ge möjlighet att fabricera kisel fotoniska temperaturgivare och Wyatt Miller och Dawn Cross för hjälp med att ställa in experimenten.
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).
