Name: fabrication and testing of photonic thermometers
Uploaded: 2018-10-24T12:30:00
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Les auteurs reconnaissent la facilité NIST/FCÉN NanoFab pour permettre de faire fabriquer des capteurs de température photoniques de silicium et Wyatt Miller et Dawn Cross pour l’aide à mettre en place les expériences.

1. Fabrication de dispositifs
Remarque : Gaufrettes de silicium des dispositifs photoniques peuvent être fabriqués à l’aide de silicium sur isolant (SOI) application technologie CMOS conventionnelle via photo - ou lithographie à faisceau d’électrons suivie d’ions réactifs plasma inductif etch (ICP RIE) de 220 nm d’épaisseur silicium au premier plan couche. Après etch ICP RIE les périphériques peuvent être haut-plaqué avec un film polymère mince ou SiO2 couche pro...

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	<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>

L’objectif de cette expérience était de quantifier la réponse dépendant de la température d’un thermomètre photonique. Pour des mesures quantitatives de la température, il est prudent d’utiliser une source de chaleur stable comme un grade de métrologie profond sèche bien, capteurs de petit volume, assurer un bon contact thermique entre le puits et le capteur et minimiser la chaleur se perd dans l’environnement. Ces exigences sont remplies facilement par collage de fibres optiques à la puce, créant un a...

L’étalon-or pour la métrologie de la température, le thermomètre à résistance de platine, a été proposée par Sir Siemens en 1871 avec Callender1 développe le premier périphérique en 1890. Depuis lors des progrès graduels dans la conception et la fabrication des thermomètres a livré une large gamme de température des solutions de mesure. Le thermomètre à résistance de platine standard (SPRT) est l’instrument d’interpolation pour réaliser l’échelle internationale de température (EIT-90) et sa diffusion à l’aide de la thermométrie de résistance. Aujourd'hui, plus d’un siècle après son invention, thermométrie résistance joue un rôle crucial dans les divers aspects de la technologie de l’industrie et tous les jours allant de la biomédecine à contrôle de processus de fabrication, à la consommation et de production d’énergie. Bien que les thermomètres à résistance industrielle bien calibré peuvent mesurer la température avec incertitudes aussi petits que 10 mK, ils sont sensibles aux chocs mécaniques, le stress thermique et les variables environnementales telles que les contaminants chimiques et l’humidité. En conséquence, les thermomètres à résistance exigent réétalonnages off-line périodiques (et coûteux). Ces limitations fondamentales de thermométrie de résistance ont produit un intérêt considérable dans le développement de capteurs de température photoniques2 pouvant fournir semblable à mieux whislt de capacités de mesure étant plus robuste contre les chocs mécaniques . Une telle devcie fera appel à des laboratoires nationaux et industriels et ceux qui sont intéressés par la surveillance à long terme où dérive de l’instrument peut nuire à la productivité.
Ces dernières années une grande variété de nouveaux thermomètres photoniques ont été proposés, y compris les colorants photosensibles3, axée sur le saphir micro-ondes whispering gallery mode résonateur4, fibre optique capteurs5,6, 7et sur puce silicium nano-photoniques capteurs8,9,10. Au NIST, nos efforts visent à développer peu coûteux et facilement déployables, capteurs de température roman et standards qui sont facilement fabriqués à l’aide de technologies existantes, comme la fabrication compatibles CMOS. Un accent particulier a été l’élaboration de dispositifs photoniques de silicium. Nous avons démontré que ces appareils peuvent servir à mesurer la température sur la gamme de-40 ° C à 80 ° C et 5 ° C à 165 ° C avec les incertitudes qui sont comparables à des périphériques hérités8. De plus, nos résultats suggèrent qu’une interchangeabilité sur l’ordre de 0,1 ° C avec une incertitude est réalisable avec un meilleur appareil de contrôle de processus (c.-à-d. l’incertitude de mesure de la température en utilisant les coefficients nominales pas de calibrage déterminé les coefficients ).

<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

Ces dernières années, un coup de pouce pour le développement de nouveaux circuits photoniques pour les télécommunications a généré une vaste base de connaissances qui est maintenant étant accrue pour le développement de capteurs photoniques sophistiqués. Capteurs de photonique silicium cherchent à exploiter le confinement fort de la lumière dans les nano-guides pour transduce des changements dans l’état physique aux changements dans la fréquence de résonance. Dans le cas de la thermométrie, le coefficient de thermo-optique, c'est-à-dire, les changements dans l’indice de réfraction en raison de la température, provoque la fréquence de résonance du dispositif photonique comme un reseau de Bragg à dériver avec la température. Nous développons une gamme de dispositifs photoniques qui s’appuient sur les avancées récentes dans les sources de lumière compatible télécom pour fabriquer des thermosondes photoniques rentable, qui peuvent être déployés dans une grande variété de paramètres allant de laboratoire contrôlées conditions, à l’environnement bruyant d’un plancher d’usine ou d’une résidence. Dans ce manuscrit, nous détaillons notre protocole pour la fabrication et les essais des thermomètres photoniques.

Tel qu’illustré à la Figure 2, les spectres de transmission de résonateur de bague montre un plongeon étroit en transmission correspondant à l’état de résonance. La frange de résonance déplacements aux longueurs d’onde plus longues que la température passe de 20 ° C à 105 ° C par incréments de 5 ° C. Le spectre de transmission est équipé d’une fonction polynomiale, d'où est extrait le centre de la crête. Le polynôme d’ajustement ...

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Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

Les auteurs décrivent le processus de fabrication et les essais des thermomètres photoniques.

Fabrication et essai de thermomètres photoniques

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

La thermométrie photonique peut aider à faire passer le domaine de la métrologie de la température de la technologie héritée basée sur la résistance aux mesures basées sur les fréquences. Le principal avantage de cette technique est que nous pouvons tirer parti des progrès de la métrologie des fréquences pour effectuer des mesures plus précises tout en fabriquant des dispositifs qui surmontent les limites physiques de la technologie actuelle telles que la taille et la sensibilité aux chocs mécaniques et aux changements environnementaux. L’implication de cette technique s’étend à changer la façon dont nous analysons aux États-Unis et dans le monde.Un thermomètre photonique ultra stable réduira le besoin d’étalonnages fréquents. L’élaboration future de normes optométriques de température peut mettre la norme d’étalonnage entre les mains des utilisateurs, éliminant ainsi le besoin d’installations d’étalonnage spécialisées. En général, les personnes nouvelles à cette méthode auront du mal parce qu’il s’agit d’une intersection de deux domaines divergents qui ont tous deux leur propre langue, les exigences technologiques et des protocoles spécialisés pour maximiser les résultats.Tout nouvel utilisateur doit apprendre à s’adapter et à s’adapter à des exigences parfois concurrentes. Pour commencer, nettoyez une gaufrette SOI telle que décrite dans le protocole texte qui l’accompagne. Enduire la gaufrette de 20 à 50 millilitres MA-N 2405 photorésistant de ton négatif.Tournez-le à 4000 RPM pendant 60 secondes, puis transférez la gaufrette dans une assiette chaude et faites-la cuire à 90 degrés Celsius pendant 15 minutes. Après la cuisson, exposez le photorésist au motif montré ici à l’aide d’une configuration standard de lithographie e-beam. Placez ensuite la gaufrette dans la solution de développement MIF 319 et incubez-la pendant 60 secondes.Transférer la gaufrette développée dans l’eau et la rincer pendant 60 secondes supplémentaires. Ensuite, effectuez une gravure RIE ICP de la couche de silicium de 220 nanomètres d’épaisseur pour enlever le silicium non protégé. Dissoudre le masque de résistance dans de l’acétone pur pendant une heure, suivi d’un rinçage isopropanol.Rincez ensuite la gaufrette pendant 60 secondes à l’eau déionisée et séchez la gaufrette à l’aide d’azote. Maintenant, placez la gaufrette de nouveau dans le revêtement spin. Déposer une couche supérieure de film de polymère protectrice d’un nanomètre d’épaisseur sur la gaufrette.Enfin, couper la gaufrette en dés avec une plaquette en 20 millimètres par 20 millimètres de petits copeaux faciles à manipuler. Placez la puce photonique sur l’étape à six axes et orientez la puce de sorte que les ports d’entrée et de sortie sur puce soient alignés avec le tableau de rainures V. Ensuite, allumez l’aspiration sous vide à travers le port intégré de pompage sous vide sur scène pour maintenir la puce en place.Utilisez l’appareil photo numérique de vue supérieure pour localiser et placer les appareils photoniques d’intérêt au centre de l’étape à six axes. Maintenant, placez le bras du support de tableau de rainure V près de la puce et utilisez l’aspiration sous vide à travers un port de pompage intégré pour maintenir le tableau en place. En utilisant les caméras numériques de vue latérale comme rétroaction visuelle, placez le tableau de fibre au-dessus des couplers de gradient sur puce et soulevez la scène pour apporter la puce photonique à moins de 10 micromètres du bord inférieur du réseau de fibre.Le bord du tableau de fibre de rainure en V doit être aligné à peu près dans une précision de 50 à 100 microns par rapport aux marques d’alignement sur puce. Cette procédure apporte la fibre optique dans une proximité relative des couplers de gradient correspondants. Une fois que la puce a été grossièrement alignée, activez la recherche automatisée pour l’étape à six axes.Cet algorithme recherche la transmission maximale de la lumière à large bande à travers les ports d’entrée et de sortie de la puce. Cela ne devrait pas prendre plus de 20 à 30 secondes. Une fois l’alignement optimal atteint, vérifiez la viabilité de l’appareil avant de procéder à la liaison.À l’aide d’un programme comme LabVIEW, contrôlez le module intégré sur scène pour faire du cycle thermique de la température de la puce tout en enregistrant la réponse spectrale. Analyser les spectres enregistrés à partir du spectromètre laser pour vérifier la sensibilité à la température de l’appareil. Abaissez lentement le tableau jusqu’à la surface de la puce tout en regardant l’appareil photo numérique de vue latérale.Ensuite, placez soigneusement la seringue remplie d’époxy à proximité du bord du réseau de fibres à l’aide d’un autre stade de précision de micron XYZ. Une fois en position, distribuer une seule gouttelette micro d’époxy. Pendant que l’époxy durcit, exécutez périodiquement la routine d’alignement automatisée pour empêcher la perte de signal induite par la dérive.Après les cures époxy, testez les performances des puces photoniques et l’efficacité du couplage léger en enregistrant les spectres de transmission à différentes températures. L’efficacité du couplage léger augmente généralement après le processus de collage. Utilisez environ un milligramme de graisse thermique pour coupler thermiquement la puce photonique collée à la fibre à un petit cylindre de cuivre.Abaissez ensuite doucement le cylindre de cuivre à copeaux dans un tube de verre. Une fois en position, remplissez le tube de verre avec du gaz argon et scellez-le à l’aide d’un bouchon en caoutchouc. Placez ensuite le thermomètre photonique emballé dans une température de métrologie sèche bien stable à moins d’un micro Kelvin.À l’aide du programme informatique sur mesure, réglez le temps de décantation de 20 à 30 minutes, le nombre de cycles thermiques à au moins trois et la taille de l’étape de température entre un et cinq Degrés Celsius. En outre, réglez le nombre de scans consécutifs à au moins cinq et la puissance laser dans le nanowatt à la gamme microwatt. Comme on le voit ici, les spectres de transmission du résonateur d’anneau montrent une diminution étroite de la transmission correspondant à l’état de résonance à chaque température.La frange de résonance se déplace vers des longueurs d’onde plus longues à mesure que la température passe de 20 Celsius à 105 Degrés Celsius par incréments de cinq degrés Celsius. Notre analyse préliminaire de l’expérience de cycle thermique suggère que les changements induits par l’humidité dans l’époxy sont probablement le plus grand conducteur de l’hystérie dans les thermomètres photoniques emballés et que les dispositifs déballés ne montrent aucune hystérèse significative. En outre, l’hystérésis dans le dispositif emballé peut être amélioré en utilisant l’époxy hydrophobe comme un desiccant au tube de verre avant de sceller un joint plus serré autour de la jonction en verre de liège en caoutchouc.Tout en essayant cette procédure, il est important de se rappeler de minimiser toute contamination chimique des échantillons tels que l’humidité dans le tube emballé car il va gravement dégrader la précision de mesure. Après cette procédure, d’autres méthodes comme le verrouillage laser ou la spectroscopie du peigne à double fréquence peuvent être effectuées afin de répondre à des questions supplémentaires sur la stabilité à long terme de ces dispositifs, la charge impulsif et la caractérisation des propriétés physiques thermiques. Après son développement, cette technique a ouvert la voie à des chercheurs dans le domaine de la métrologie pour explorer la métrologie de précision pour d’autres quantités physiques et chimiques telles que la pression, le vide et l’analyse des gaz traces dans les systèmes embarqués.N’oubliez pas que travailler avec des produits chimiques durs dans une pièce propre et des sources lumineuses telles que les lasers en laboratoire peut être extrêmement dangereux et des précautions telles que l’utilisation d’équipements de protection individuelle tels que des lunettes laser doivent toujours être prises lors de l’exécution de cette procédure.

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