Name: fabrication and testing of photonic thermometers
Uploaded: 2018-10-24T12:30:00
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Die Autoren erkennen die NIST/CSTE NanoFab Anlage für die Bereitstellung der Möglichkeit, Silizium photonische Temperatursensoren und Wyatt Miller und Dawn Cross für die Unterstützung beim Aufbau der Experimente zu fabrizieren.

1. Gerät Fertigung
Hinweis: Silicon photonische Geräte gefertigt werden können, mit Silikon-auf-Insulator (SOI) Wafer Anwendung konventioneller CMOS-Technologie über Foto - oder Elektronenstrahllithographie gefolgt von induktiven Plasma reaktive Ionen Ätzen (ICP RIE) 220 nm dicke oberste Silizium Schicht. Nach ICP RIE Ätzen kann die Geräte Top-verkleidet mit einem dünnen Polymerfilm oder SiO2 Schutzschicht. Im folgenden sind die wichtigsten Schritte bei der Herstellung von SOI...

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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>

Ziel dieses Experiments war es, die Temperatur abhängige Reaktion der photonischen Thermometer zu quantifizieren. Zur quantitativen Messung von Temperatur ist es ratsam, eine stabile Wärmequelle zu nutzen, wie z. B. eine Messtechnik Grade tief trocken gut, kleinvolumige Sensoren gewährleisten guten thermischen Kontakt zwischen dem Brunnen und dem Sensor, und minimieren Sie Wärme an die Umgebung verliert. Diese erfüllt sind leicht durch Verklebung von optischen Fasern auf den Chip, effektiv erstellen ein verpacktes G...

Der Goldstandard für Temperatur Messtechnik, das Platin-Widerstandsthermometer, wurde zuerst von Sir Siemens im Jahr 1871 mit Callender1 entwickelt das erste Gerät im Jahre 1890 vorgeschlagen. Seit dieser Zeit hat die inkrementelle Fortschritte in der Entwicklung und Herstellung von Thermometern eine Vielzahl von Temperatur Messlösungen geliefert. Das standard Platin-Widerstandsthermometer (SPRT) ist das interpolating Instrument zur Realisierung von internationalen Temperaturskala (ITS-90) und deren Verbreitung über Widerstand Temperaturmessung. Heute, spielt mehr als ein Jahrhundert nach seiner Erfindung Widerstand Temperaturmessung eine entscheidende Rolle in verschiedenen Bereichen der Industrie und Alltag-Technologie von Biomedizin bis hin zur Herstellung von Prozess-Steuerung, zur Energieproduktion und-Verbrauch. Obwohl gut kalibrierten industrielle Widerstandsthermometer mit Unsicherheiten so klein wie 10 Temperaturmessung können mK, sie sind empfindlich gegen mechanische Stöße, thermischer Belastung und Umgebungsvariablen wie Feuchtigkeit und chemischen Verunreinigungen. Folglich erfordern Widerstandsthermometer periodische (und teure) offline Rekalibrierungen. Diese grundlegenden Beschränkungen der Widerstand Temperaturmessung produziert haben großes Interesse bei der Entwicklung von photonischen Temperatur Sensoren2 , die ähnlich wie bessere Messung Fähigkeiten Whislt mehr robust gegen mechanische Stöße liefern können . Solch ein Devcie ist interessant für nationale und industrielle Labors und interessierte Langzeitmonitoring wo Instrument Drift die Produktivität negativ beeinflussen können.
In den letzten Jahren eine Vielzahl von neuartigen photonischen Thermometer vorgeschlagen wurden unter anderem lichtempfindliche Farbstoffe3, Saphir-basierte Mikrowelle Flüstern Galerie Modus Resonator4, Faser faseroptische Sensoren5,6, 7und Silizium-Chip Nano-photonische Sensoren8,9,10. Unsere Bemühungen sollen am NIST entwickeln kostengünstige, leicht einsetzbar, neuartige Temperatursensoren und Normen, die mit bestehenden Technologien wie CMOS-kompatiblen Herstellung leicht hergestellt werden. Ein besonderer Schwerpunkt ist die Entwicklung von Silizium photonische Geräten gewesen. Wir haben gezeigt, dass diese Geräte verwendet werden können, um Temperatur zu messen, über die reicht von-40 ° C bis 80 ° C und 5 ° C bis 165 ° C mit Unsicherheiten, die legacy-Geräte8vergleichbar sind. Darüber hinaus unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass mit einem besseren Prozess-Steuergerät Austauschbarkeit in der Größenordnung von 0,1 ° C Unsicherheit erreichbar ist (d. h. die Unsicherheit der Temperaturmessung mit nominalen Koeffizienten nicht Kalibrierung bestimmt Koeffizienten ).

<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

In den letzten Jahren hat ein Schub für die Entwicklung von neuartigen Silizium photonische Geräte für die Telekommunikation eine breite Wissensbasis generiert, die nun für die Entwicklung von anspruchsvollen photonischer Sensoren genutzt wird. Photonische Siliziumsensoren versuchen, die starke Entbindung des Lichts in Nano-Wellenleiter um Veränderungen im körperlichen Zustand zu Veränderungen in Resonanzfrequenz transduzieren auszunutzen. Im Falle der Temperaturmessung verursacht der Thermo-optische Koeffizient, d. h., Änderungen im Brechungsindex durch Temperatur, die Resonanzfrequenz der photonischen Gerät z. B. ein Bragg-Gitter mit Temperatur treiben. Wir entwickeln eine Reihe von photonischen Geräte, die Nutzen der jüngsten Fortschritte in der Telekom kompatibel Lichtquellen, kostengünstige photonische Temperatursensoren zu fabrizieren, die in einer Vielzahl von Einstellungen von kontrollierten Labor eingesetzt werden können Bedingungen der lauten Umgebung einer Fabrikhalle oder eine Residenz. In dieser Handschrift die, ausführlich wir unser Protokoll für die Herstellung und Prüfung von photonischen Thermometer.

Wie in Abbildung 2dargestellt, der Ring Resonator Transmissionsspektren zeigt ein schmales Bad bei Übertragung der Resonanzbedingung entspricht. Die Resonanz Fransen verschiebt sich zu längeren Wellenlängen mit zunehmender Temperatur von 20 ° C bis 105 ° C in 5 ° C-Schritten. Die Übertragungsspektrum ist eine Polynomfunktion montiert die Höhepunkt Mitte entzogen. Das Polynom passen erwies sich die konstantesten Ergebnisse im Beisein einer geneigten Gr...

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Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

Wir beschreiben den Prozess der Herstellung und Prüfung von photonischen Thermometer.

Herstellung und Prüfung von photonischen Thermometer

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

Die photonische Thermometrie kann dabei helfen, den Bereich der Temperaturmesstechnik von der widerstandsbasierten Legacy-Technologie auf frequenzbasierte Messungen umzusteigen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir Fortschritte in der Frequenzmesstechnik nutzen können, um präzisere Messungen durchzuführen und gleichzeitig Geräte herzustellen, die die physikalischen Einschränkungen der aktuellen Technologie wie Größe und Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Schocks und Umweltveränderungen überwinden. Die Implikation dieser Technik erstreckt sich auf die Veränderung der Art und Weise, wie wir in den Vereinigten Staaten und der Welt analysieren.Ein ultrastabiles photonisches Thermometer reduziert den Bedarf an häufigen Kalibrierungen. Die zukünftige Entwicklung optomechanischer Temperaturstandards kann den Kalibrierstandard in die Hände des Benutzers legen, sodass keine speziellen Kalibriereinrichtungen erforderlich sind. Im Allgemeinen werden Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten haben, weil sie eine Kreuzung zweier unterschiedlicher Bereiche ist, die beide ihre eigene Sprache, technologietechnische Anforderungen und spezialisierte Protokolle zur Maximierung des Ergebnisses haben.Jeder neue Benutzer muss lernen, sich an manchmal konkurrierende Anforderungen anzupassen und anzupassen. Reinigen Sie zunächst einen SOI-Wafer, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben. Mantel Sie den Wafer mit 20 bis 50 Milliliter MA-N 2405 Negativton Photoresist.Drehen Sie es bei 4.000 U/min für 60 Sekunden und übertragen Sie den Wafer dann auf eine Kochplatte und backen Sie ihn bei 90 Grad Celsius für 15 Minuten. Nach dem Backen setzen Sie den photoresist dem hier gezeigten Muster mit einem Standard-E-Strahl-Lithographie-Setup aus. Legen Sie den Wafer dann in die MIF 319-Entwicklerlösung und inkubieren Sie ihn 60 Sekunden lang.Übertragen Sie den entwickelten Wafer in Wasser und spülen Sie ihn für weitere 60 Sekunden ab. Führen Sie als Nächstes einen ICP RIE-Etch der 220 Nanometer dicken Siliziumschicht durch, um das ungeschützte Silizium zu entfernen. Lösen Sie die Widerstandsmaske in reinem Aceton für eine Stunde, gefolgt von einer Isopropanolspülung.Spülen Sie den Wafer dann 60 Sekunden lang in entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie den Wafer mit Stickstoff. Legen Sie den Wafer nun wieder in den Spincoater. Legen Sie eine einen Nanometer dicke Schutzschicht aus Polymerfolie auf den Wafer ab.Schließlich würfeln Sie den Wafer mit einer Wafer-Holzsäge in 20 Millimeter mal 20 Millimeter kleine und leicht zu handhabende Chips. Platzieren Sie den photonischen Chip auf der Sechs-Achsen-Stufe und richten Sie den Chip so aus, dass die On-Chip-Eingangs- und -Ausgangsanschlüsse am V-Nut-Array ausgerichtet sind. Schalten Sie dann die Vakuumabsaugung durch den integrierten Vakuumpumpenanschluss auf der Bühne ein, um den Chip an Ort und Stelle zu halten.Verwenden Sie die Digitale Kamera in der oberen Ansicht, um die photonischen Geräte, die von Interesse sind, in der Mitte der Sechs-Achsen-Stufe zu lokalisieren und zu platzieren. Positionieren Sie nun den V-Nut-Array-Halterarm in der Nähe des Chips und verwenden Sie Vakuumabsaugung durch einen integrierten Pumpanschluss, um das Array an Ort und Stelle zu halten. Positionieren Sie das Faserarray über den Farbverläufen koppeln, und heben Sie die Bühne an, um den photonischen Chip innerhalb von 10 Mikrometern des unteren Rands des Faserarrays zu bringen.Die Kante des V-Nutfaser-Arrays sollte grob innerhalb von 50 bis 100 Mikron Genauigkeit relativ zu den Ausrichtungsmarkierungen auf dem Chip ausgerichtet werden. Dieses Verfahren bringt die Optische Faser in eine relative Nähe der entsprechenden Gradientenkoppler. Sobald der Chip grob ausgerichtet ist, aktivieren Sie die automatisierte Suche nach der Sechs-Achsen-Stufe.Dieser Algorithmus sucht nach der maximalen Übertragung von Breitbandlicht über die Ein- und Ausgangsanschlüsse des Chips. Es sollte nicht länger als 20 bis 30 Sekunden dauern. Sobald die optimale Ausrichtung erreicht ist, überprüfen Sie die Gerätelebensfähigkeit, bevor Sie mit dem Verkleben fortfahren.Steuern Sie mit einem Programm wie LabVIEW das integrierte Modul auf der Bühne, um die Temperatur des Chips thermisch zu steuern, während Sie die Spektralreaktion aufzeichnen. Analysieren Sie die aufgezeichneten Spektren des Laserspektrometers, um die Temperaturempfindlichkeit des Geräts zu überprüfen. Senken Sie das Array langsam auf die Oberfläche des Chips, während Sie die Digitalkamera der Seitenansicht betrachten.Positionieren Sie als Nächstes die Epoxid-Gefüllte Spritze vorsichtig in unmittelbarer Nähe zum Rand des Faserarrays mit einer weiteren XYZ-Mikron-Präzisionsstufe. Sobald Sie in Position sind, geben Sie ein einzelnes Mikrotröpfchen Epoxid aus. Während das Epoxid aushärtet, führen Sie periodisch die automatisierte Ausrichtungsroutine aus, um einen driftinduzierten Signalverlust zu verhindern.Testen Sie nach den Epoxidkuren die photonische Chipleistung und die Lichtkopplungseffizienz, indem Sie die Transmissionsspektren bei unterschiedlichen Temperaturen aufzeichnen. Die Effizienz der leichten Kopplung steigt in der Regel nach dem Klebevorgang. Verwenden Sie etwa ein Milligramm Thermofett, um den fasergebundenen photonischen Chip thermisch mit einem kleinen Kupferzylinder zu koppeln.Dann senken Sie vorsichtig den Chip-Kupferzylinder in einem Glasrohr nach unten. Sobald sie in Position ist, füllen Sie das Glasrohr wieder mit Argongas und versiegeln Sie es mit einem Gummikorken. Dann legen Sie das verpackte photonische Thermometer in eine Messtemperatur trocken gut stabil innerhalb eines Mikrokelvin.Legen Sie mit dem kundenspezifischen Computerprogramm die Einsetzzeit für 20 bis 30 Minuten, die Anzahl der thermischen Zyklen auf mindestens drei und die Temperaturschrittgröße auf ein bis fünf Grad Celsius fest. Legen Sie außerdem die Anzahl der aufeinanderfolgenden Scans auf mindestens fünf und die Laserleistung im Nanowatt-Bereich auf Mikrowatt fest. Wie hier gezeigt, zeigt das Ringresonator-Transmissionsspektren einen schmalen Transmissionsabfall entsprechend dem Resonanzzustand bei jeder Temperatur.Der Resonanzrand verschiebt sich auf längere Wellenlängen, wenn die Temperatur in fünf Grad Celsius-Schritten von 20 Auf 105 Grad Celsius erhöht wird. Unsere vorläufige Analyse des thermischen Radverkehrsexperiments legt nahe, dass die feuchtigkeitsinduzierten Veränderungen im Epoxid wahrscheinlich der größte Treiber der Hysterese in verpackten photonischen Thermometern sind und dass unverpackte Geräte keine signifikante Hysterese aufweisen. Zusätzlich kann die Hysterese im verpackten Gerät durch die Verwendung von hydrophobem Epoxid als Entweichung sanieren, bevor eine engere Abdichtung um die Gummikorkglas-Kreuzung abgeriegelt wird.Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, jede chemische Kontamination der Proben wie Feuchtigkeit in der verpackten Röhre zu minimieren, da dies die Messgenauigkeit stark beeinträchtigen wird. Im Anschluss an dieses Verfahren können andere Methoden wie Laserverriegelung oder Dual-Frequenz-Kammspektroskopie durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zur Langzeitstabilität dieser Geräte, zur Impulsbelastung und zur Charakterisierung thermischer physikalischer Eigenschaften zu beantworten. Nach ihrer Entwicklung hat diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Messtechnik geebnet, um Präzisionsmesstechnik für andere physikalische und chemische Größen wie Druck-, Vakuum- und Spurengasanalyse in eingebetteten Systemen zu erforschen.Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit harten Chemikalien in einem Reinraum und hellen Lichtquellen wie Lasern im Labor extrem gefährlich sein kann und Vorsichtsmaßnahmen wie die Verwendung von persönlichen Schutzausrüstungen wie Laserbrillen sollten immer während der Durchführung dieses Verfahrens getroffen werden.

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