Name: fabrication and testing of photonic thermometers
Uploaded: 2018-10-24T12:30:00
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作者承认 NIST/CNST NanoFab 设施, 提供机会制造硅光子温度传感器和怀亚特米勒和黎明十字, 以帮助建立实验。

1. 设备制造
注: 硅光子器件可以使用硅-绝缘子 (SOI) 晶片进行制造, 采用传统 CMOS 技术, 通过光或电子束光刻, 接着是 220 nm 厚最顶层硅的电感等离子体反应离子蚀刻 (ICP 刻蚀)层。在 ICP 刻蚀蚀刻后, 器件可采用薄型聚合物薄膜或2保护层熔覆。下面是 SOI 光子器件制造的主要步骤。
<ol><li>在食人鱼溶液中清洁 SOI 晶片10分钟, 混合物4:1 硫酸 (h2,4) 和过氧化?...

<ol>
	<li>Price, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Platinum+resistance+Thermometer.">The Platinum resistance Thermometer.</a> Platinum Metals Review. 3 (3), 78-87 (1959).</li><li>Xu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-Sensitive+Chip-Based+Photonic+Temperature+Sensor+Using+Ring+Resonator+Structures.">Ultra-Sensitive Chip-Based Photonic Temperature Sensor Using Ring Resonator Structures.</a> Optics Express. 22, 3098-3104 (2014).</li><li>Donner, J. S., Thompson, S. A., Kreuzer, M. P., Baffou, G., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+Intracellular+Temperatrure+Using+Green+Flurorescent+Protein.">Mapping Intracellular Temperatrure Using Green Flurorescent Protein.</a> Nano Letters. 12 (4), 2107-2111 (2012).</li><li>Ahmed, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+Photonics+Enabled+Quantum+Metrology+of+Temperature,+Pressure+and+Vacuum.">Towards Photonics Enabled Quantum Metrology of Temperature, Pressure and Vacuum.</a> arXiv:1603.07690 [physics.optics]. , (2016).</li><li>Ahmed, Z., Filla, J., Guthrie, W., Quintavall, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber+Bragg+Gratings+Based+Thermometry.">Fiber Bragg Gratings Based Thermometry.</a> NCSL International Measure. 10, 24-27 (2015).</li><li>Hill, K. O., Meltz, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber+Bragg+Grating+Technology+Fundamental+and+Overview.">Fiber Bragg Grating Technology Fundamental and Overview.</a> J. of Lightwave Technology. 15, 1263-1275 (1997).</li><li>Liacouras, P. C., Grant, G., Choudhry, K., Strouse, G. F., Ahmed, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber+Bragg+Gratings+Embedded+in+3D-printed+Scaffolds.">Fiber Bragg Gratings Embedded in 3D-printed Scaffolds.</a> NCSL International Measure. 10 (2), 50-52 (2015).</li><li>Klimov, N. N., Mittal, S., Berger, M., Ahmed, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-chip+silicon+waveguide+Bragg+grating+photonic+temperature+sensor.">On-chip silicon waveguide Bragg grating photonic temperature sensor.</a> Optical Letters. 40 (17), 3934-3936 (2015).</li><li>Klimov, N. N., Purdy, T., Ahmed, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-Chip+Silicon+Photonic+Thermometers:+from+Waveguide+Bragg+Grating+to+Ring+Resonators+sensors.">On-Chip Silicon Photonic Thermometers: from Waveguide Bragg Grating to Ring Resonators sensors.</a> Proceedings. , (2015).</li><li>Kim, G. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+photonic+temperature+sensor+employing+a+ring+resonator+manufactured+using+a+standard+CMOS+process.">Silicon photonic temperature sensor employing a ring resonator manufactured using a standard CMOS process.</a> Optical Express. 18 (21), 22215-22221 (2010).</li><li>Purdy, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermometry+with+Optomechanical+Cavities.">Thermometry with Optomechanical Cavities.</a> , STu1H.2 (2016).</li></ol>

本实验的目的是量化光子温度计的温度依赖性响应。对于温度的定量测量, 使用稳定的热源 (如计量级深干井、小体积传感器) 确保油井与传感器之间良好的热接触, 并尽量减少对环境的热量损失是审慎的做法。通过将光纤粘接到芯片上, 可以很容易地满足这些要求, 从而有效的创建了一个可深入到计量温度井中的封装装置。在玻璃管中的铜缸的目的是提供一个良好的热接触芯片和玻璃管, 并提供一?...

1871年, 西门子爵士首次提出了温度测量的黄金标准, 即铂电阻温度计, 卡林德1开发了1890年的第一台设备。自那时以来, 在温度计的设计和制造方面取得了渐进的进展, 提供了一系列广泛的温度测量解决方案。标准铂电阻温度计 (SPRT) 是实现国际温度刻度 (ITS-90) 的插补仪器, 采用电阻测温技术进行传播。今天, 在其发明后的一个多世纪, 电阻测温在工业和日常技术的各个方面起着至关重要的作用, 从生物医学到制造过程控制, 再到能源生产和消费。尽管校准良好的工业电阻温度计可以测量温度, 但不确定度小至 10 mK, 但它们对机械冲击、热应力和环境变量 (如湿度和化学污染物) 非常敏感。因此, 电阻温度计需要定期 (和昂贵) 离线重新校准。电阻测温的这些基本局限性产生了相当大的兴趣, 开发光子温度传感器2 , 可以提供类似于更好的测量能力 whislt 更强大的抗机械冲击.这样一个装置将呼吁国家和工业实验室以及那些对仪器漂移会对生产力产生负面影响的长期监测。
近年来, 提出了各种新型光子温度计, 包括光敏染料3、蓝宝石基微波耳语库模式谐振器4、光纤传感器5、6、 7、片内硅纳米光子传感器8、9、10。在 NIST, 我们的努力旨在开发低成本, 易于部署, 新颖的温度传感器和标准, 易于制造使用现有的技术, 如 CMOS 兼容制造。硅光子器件的发展是一个特别关注的问题。我们已经证明, 这些器件可用于测量-40 摄氏度至80摄氏度和5摄氏度至165摄氏度的温度, 与传统设备8的不确定性相媲美。此外, 我们的结果表明, 与一个更好的过程控制装置互换性的顺序0.1 °c 不确定度是可实现的 (即不确定度的温度测量使用标称系数不校准确定系数).

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="672">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Packaging process</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:239px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">6-axis stage</td>
			<td style="width:99px;">PI instruments</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">video cameras</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">epoxy dispensation system</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Fiber array</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Temperature Measurement</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Metrology Well</td>
			<td style="width:99px;">Fluke</td>
			<td align="right" style="width:119px;">9170</td>
			<td>Dry well stable to better than .01 K</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Laser</td>
			<td style="width:99px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">TLB6700</td>
			<td>1520-1570 nm tunable laser</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:216px;">Wavemeter</td>
			<td style="width:99px;">HighFinesse</td>
			<td style="width:119px;">WS/7</td>
			<td>100 Hz wavemeter</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Power meter</td>
			<td style="width:99px;">Newport</td>
			<td style="width:119px;">1936-R</td>
			<td>power meter with broad range</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication and testing of photonic thermometers

近年来, 推动开发新型电信用硅光子器件已经产生了一个庞大的知识库, 目前正在利用它来开发复杂的光子传感器。硅光子传感器寻求利用纳米波导中的强光约束来传感器物理状态的变化, 从而改变共振频率。在测温的情况下, 热光系数,即由于温度的折射率的变化, 会导致光子器件 (如布拉格光栅) 的共振频率随温度漂移。我们正在开发一套光子器件, 利用电信兼容光源的最新进展, 制造经济高效的光子温度传感器, 可从受控实验室的各种设置中进行部署。条件, 对工厂地板或住宅的嘈杂环境。在本手稿中, 我们详细介绍了光子温度计的制造和测试协议。

如图 2所示, 环形谐振器透射谱显示了与共振条件相对应的透射率的窄倾角。当温度从20摄氏度增加到105摄氏度时, 共振边缘会转变为较长的波长, 增量为5摄氏度。传输频谱拟合为从其中提取峰中心的多项式函数。多项式拟合被发现在倾斜基线的存在中提供了最一致的结果, 这可以使洛伦兹或高斯拟合更容易偏移误差。该器件的波长响应是根据校准的铂...

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Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

我们描述了光子温度计的制造和测试过程。

光子温度计的制作与测试

In recent years, a push for developing novel silicon photonic devices for telecommunications has generated a vast knowledge base that is now being ...

光子热测量可帮助将温度计量领域从基于电阻的传统技术过渡到基于频率的测量。该技术的主要优点是，我们可以利用频率测量的进步进行更精确的测量，同时制造能够克服当前技术的物理限制的设备，如尺寸和对机械冲击和环境变化的敏感性。这种技术的含义延伸到改变我们在美国和世界分析方式。超稳定的光子温度计将减少频繁校准的需要。未来视光温度标准的制定可以将校准标准放在用户手中，无需专门的校准设施。一般来说，对这种方法的新鲜个体会进行斗争，因为它是两个不同领域的交集，它们都有自己的语言、技术要求和最大化结果的专门协议。任何新用户都必须学会适应和适应有时相互竞争的要求。首先，请清洁随附的文本协议中描述的 SOI 晶圆。用 20 到 50 毫升 MA-N 2405 负音光处理剂涂覆晶圆。以 4，000 RPM 旋转 60 秒，然后将晶圆转移到热板中，并在 90 摄氏度下烘烤 15 分钟。烘烤后，使用标准的 E-梁光刻设置，将光刻板暴露在此处显示的图案中。然后将晶圆放入 MIF 319 开发人员解决方案中，孵育 60 秒。将开发的晶圆转移到水中，再冲洗60秒。接下来，执行 220 纳米厚硅层的 ICP RIE 蚀刻以去除未受保护的硅。将电阻面膜溶解在纯丙酮中一小时，然后冲洗异丙醇。然后在去维化水中冲洗晶圆60秒，然后用氮气将晶圆干燥。现在将晶圆放回旋转涂布机中。将一纳米厚的保护聚合物薄膜层沉积在晶圆上。最后，用晶圆切屑将晶圆切成20毫米，小20毫米，易于处理的芯片。将光子芯片放在六轴级，并定向芯片，使片上输入和输出端口与 V 槽阵列对齐。然后通过台式集成真空泵端口打开真空吸气，将芯片保持到位。使用顶视图数码相机定位并放置感兴趣的光子设备在六轴舞台的中心。现在，将 V 槽阵列支架臂靠近芯片，并通过集成泵送端口使用真空吸力将阵列保持到位。使用侧视图数码相机作为视觉反馈，将光纤阵列放在片上梯度对子上方，并提升舞台，使光子芯片在光纤阵列底部边缘的 10 微米范围内。V 槽光纤阵列的边缘应与片上对齐标记的精度大致在 50 到 100 微米范围内对齐。此过程使光纤在相应梯度对线的相对接近范围内。一旦芯片大致对齐，就激活六轴级自动搜索。该算法通过芯片的输入和输出端口搜索宽带光的最大传输。它不应该超过 20 到 30 秒。实现最佳对齐后，在进行粘合之前检查设备是否可行性。使用 LabVIEW 等程序，控制台式集成模块，在记录光谱响应的同时对芯片的温度进行热循环。分析激光光谱仪记录的光谱，以验证设备的温度灵敏度。在查看侧视图数码相机时，慢慢地将阵列向下向下降低到芯片的表面。接下来，使用另一个 XYZ 微米精密级，小心地将充满环氧树脂的注射器放在纤维阵列边缘附近。一旦就位，分配一个微滴环氧树脂。当环氧树脂变硬时，定期运行自动校准例程，以防止漂移引起的信号丢失。环氧固化后，通过记录不同温度下的传输光谱，测试光子芯片的性能和光耦合效率。轻耦合效率通常在粘合过程后提高。使用大约一毫克热润滑脂将纤维粘结光子芯片热化地结合到一个小铜缸中。然后轻轻地将芯片铜缸向下降低玻璃管。一旦就位，后填充玻璃管与气，并使用橡胶软木封。然后将包装的光子温度计放入计量温度干燥稳定到一个微开尔文内。使用定制的计算机程序，将建立时间设置为 20 到 30 分钟，将热循环次数设置为至少 3 次，将温度步长设置为 1 至 5 摄氏度。此外，将连续扫描次数设置为至少五次，将激光功率设置为纳米瓦到微瓦范围。如图所示，环形谐振器传输光谱显示与每个温度下谐振条件对应的传输的窄浸。当温度以 5 摄氏度为增量从 20 摄氏度增加到 105 摄氏度时，谐振边缘会转移到更长的波长。我们对热循环实验的初步分析表明，环氧树脂的湿度引起的变化可能是包装光子温度计中滞后的最大驱动因素，而且未包装设备没有显示任何显著的滞后。此外，在橡胶软木玻璃接头周围密封更紧密的密封之前，可以使用疏水环氧树脂作为干燥剂对玻璃管进行修复包装装置中的滞后。在尝试此程序时，必须记住尽量减少样品的任何化学污染，如包装管中的水分，因为这将严重降低测量精度。按照此过程，可以执行其他方法，如激光锁定或双频梳光谱，以回答有关这些器件的长期稳定性、脉冲载荷和热物理特性特性的其他问题。该技术开发后，为计量领域的研究人员探索嵌入式系统中压力、真空和微量气体分析等其他物理和化学量的精密计量铺平了道路。不要忘记，在洁净室中使用严酷的化学品和实验室中的激光等明亮光源可能非常危险，在执行此过程时应始终采取预防措施，例如使用个人防护设备（如激光护目镜）。

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