Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

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 sensörler^{5,6fısıldayan uyarlanan sapphire mikrodalga dahil olmak üzere, 7}ve üstünde-küçük parça silikon nano-fotonik sensörler^8,9,10. 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 ).

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.

1. 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.
2. 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.
3. 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,.
4. 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
5. 1 h, isopropanol durulama, 60 s DI su durulama ve azot gazı darbe kuru tarafından takip için saf aseton resist maskede geçiyoruz.
6. 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).
7. 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.

1. Kaba hizalama yordamı
   1. Fotonik çip 6 eksenli sahnesinde yerini ve üstünde-küçük parça giriş/çıkış bağlantı noktaları v-groove dizi ile uyumlu olup bu yüzden çip şark.
   2. Çip tutmak için sahne alanı üzerinde tümleşik Vakum pompa bağlantı noktası üzerinden vakum emme açın.
   3. Üst-görünümü dijital fotoğraf makinesi bulun ve fotonik aygıtlar ilgi merkezi 6 eksenli sahne alanı yerleştirmek için kullanın.
   4. V-groove dizi tutucu kol çip yakın getirin ve vakum emme entegre pompa bağlantı noktası üzerinden dizi tutmak için kullanın.
   5. Yan görünümü dijital fotoğraf makineleri görsel geribildirim üstünde-küçük parça ızgara couplers yukarıda fiber dizi pozisyon yardımcı olması için kullanın.
   6. 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.
2. En iyi otomatik hizalama
   1. 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.
3. Fotonik çipi test
   Not: bir kez en iyi uyum sağlanır, yapıştırma işlemine devam etmeden önce aygıt canlılığı kontrol.
   1. 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.
   2. 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.
4. Bağ optik elyaf
   1. Yavaşça dizi çip yüzeyi aşağı indirin.
   2. Dikkatle dolu epoksi şırınga içinde başka bir XYZ mikron hassas stage kullanılarak fiber dizinin kenarının yakınında konumlandırın.
   3. Tek bir mikro-damlacık bir epoksi dağıtmak ve Kavurma işlemi (ya UV ışınlama veya termal Bisiklete binme üzerinden) başlatın.
   4. 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.
5. Fotonik termometre ambalaj
   1. 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 =).
   2. Yavaşça küçük parça-bakır silindir cam tüp aşağı indirin.
   3. Argon gazı ile cam tüp ve mühür lastik mantar ile tamamlanmıyor.

3. sıcaklık ölçümü

1. 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).
2. 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.

Representative Results

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.

Materials

<em>Packaging process</em>
6-axis stage	PI instruments
video cameras
epoxy dispensation system
Fiber array
<em>Temperature Measurement</em>
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