Name: fabrication and testing of photonic thermometers
Uploaded: 2018-10-24T12:30:00
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Gli autori riconoscono la struttura NIST/CNST NanoFab per fornire opportunità per fabbricare i sensori di temperatura fotonica del silicio e Wyatt Miller e Dawn Cross per assistenza nella creazione di esperimenti.

1. fabbricazione di dispositivi
Nota: Wafer di silicio dispositivi fotonici possono essere fabbricati con silicon-on-insulator (SOI) CMOS-tecnologia convenzionale applica tramite foto - o litografia a fascio di elettroni seguita da ione reattivo al plasma induttivo etch (ICP RIE) di 220 nm di spessore silicio più in alto strato. Dopo ICP RIE etch i dispositivi possono essere top-rivestito con un film polimerico sottile o SiO2 strato protettivo. Di seguito sono le fasi principali di f...

<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>

L'obiettivo di questo esperimento era di quantificare la risposta dipendente dalla temperatura di un termometro fotonico. Per le misure quantitative di temperatura, è prudente utilizzare una fonte di calore stabile come perde un grado di metrologia profondo asciutto bene, sensori di piccolo volume, assicurare un buon contatto termico tra il pozzo e il sensore e ridurre il calore all'ambiente. Questi requisiti sono soddisfatti facilmente mediante l'incollaggio di fibre ottiche per il chip, creando di fatto un dispositivo...

Il gold standard per la metrologia di temperatura, il termometro a resistenza di platino, fu proposta da Sir Siemens nel 1871 con Callender1 sviluppando il primo dispositivo nel 1890. Da allora quel volta incrementali progressi nella progettazione e nella fabbricazione di termometri ha consegnato una vasta gamma di temperatura di soluzioni di misura. Il termometro a resistenza di platino standard (SPRT) è lo strumento interpolanti per realizzare la scala di temperatura internazionale (ITS-90) e la sua diffusione utilizzando termometria resistenza. Oggi, più di un secolo dopo la sua invenzione, termometria resistenza svolge un ruolo cruciale nei vari aspetti della tecnologia di industria e di tutti i giorni che vanno dalla biomedicina di controllo del processo di produzione, di consumo e produzione di energia. Anche se i termometri a resistenza industriali ben calibrata possono misurare la temperatura con incertezze piccole come 10 mK, sono sensibili agli urti meccanici, stress termico e variabili ambientali quali umidità e sostanze chimiche contaminanti. Di conseguenza, termometri a resistenza richiedono periodiche (e costosi) ricalibrazioni off-line. Queste limitazioni fondamentali di termometria resistenza hanno prodotto notevole interesse nello sviluppo di sensori fotonici temperatura2 in grado di fornire simili a migliore misurazione capacità whislt essendo più robusto contro shock meccanico . Tale un devcie si rivolge a coloro che sono interessati nel monitoraggio a lungo termine dove deriva strumento può influire negativamente sulle produttività e laboratori nazionali e industriali.
Negli ultimi anni sono stati proposti una vasta gamma di termometri fotonici romanzo cui coloranti fotosensibili3, forno a microonde basati su zaffiro whispering gallery modalità risonatore4, fibra ottica sensori5,6, 7e il chip di silicio nano-fotonica sensori8,9,10. Presso il NIST, i nostri sforzi sono volti a sviluppare a basso costo, facilmente implementabile, sensori di temperatura romanzo e standard che facilmente sono realizzati utilizzando le tecnologie esistenti, quali produzione di CMOS-compatibile. Un focus particolare è stato lo sviluppo di dispositivi fotonici in silicio. Abbiamo dimostrato che questi dispositivi possono essere utilizzati per misurare la temperatura sopra le gamme di-40 ° C a 80 ° C e 5 ° C a 165 ° C con incertezze che sono paragonabili ai dispositivi legacy8. Inoltre, i nostri risultati indicano che con un dispositivo di controllo di processo migliore intercambiabilità dell'ordine di 0,1 ° C incertezza è realizzabile (cioè l'incertezza della misurazione della temperatura tramite coefficienti nominali non calibrazione determinati coefficienti ).

<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

Negli ultimi anni, una spinta per lo sviluppo di dispositivi fotonici in silicio romanzo per le telecomunicazioni ha generato una vasta base di conoscenze che è ora essere sfruttata per lo sviluppo di sofisticati sensori fotonici. Sensori fotonici in silicio cercano di sfruttare il forte confinamento della luce in nano-guide d'onda per trasdurre cambiamenti in stato fisico ai cambiamenti nella frequenza di risonanza. Nel caso di termometria, il coefficiente di termo-ottica, cioè, cambiamenti nell'indice di rifrazione a causa della temperatura, fa sì che la frequenza di risonanza del dispositivo fotonico come una grata di Bragg alla deriva con la temperatura. Stiamo sviluppando una serie di dispositivi fotonici che sfruttano gli avanzamenti recenti nelle fonti di luce compatibile telecom per fabbricare i sensori di temperatura fotonici conveniente, che possono essere distribuiti in una vasta gamma di impostazioni che vanno dal laboratorio controllate condizioni per l'ambiente rumoroso di un pavimento di fabbrica o di una residenza. In questo manoscritto, dettagliamo il nostro protocollo per la fabbricazione e collaudo di termometri fotonici.

Come illustrato nella Figura 2, gli spettri di trasmissione risonatore anello Mostra un tuffo stretto in trasmissione corrispondente alla condizione di risonanza. La frangia di risonanza si sposta verso lunghezze d'onda come temperatura è aumentato da 20 ° C a 105 ° C in incrementi di 5 ° C. Lo spettro di trasmissione è dotato di una funzione polinomiale da cui viene estratto il centro di picco. Il polinomio in forma è stato trovato per dare i risultati...

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Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

Descriviamo il processo di fabbricazione e collaudo di termometri fotonici.

Fabbricazione e collaudo di termometri fotonici

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

La termometria fotonica può aiutare a passare dal campo della metrologia della temperatura dalla tecnologia legacy basata sulla resistenza alle misurazioni basate sulla frequenza. Il vantaggio principale di questa tecnica è che possiamo sfruttare i progressi nella metrologia delle frequenze per effettuare misurazioni più precise mentre fabbricamo dispositivi che superano i limiti fisici della tecnologia attuale come dimensioni e sensibilità agli urti meccanici e ai cambiamenti ambientali. L'implicazione di questa tecnica si estende verso il cambiamento del modo in cui analizziamo negli Stati Uniti e nel mondo.Un termometro fotonico ultra stabile ridurrà la necessità di calibrazioni frequenti. Lo sviluppo futuro di standard di temperatura optomeccanici può mettere lo standard di calibrazione nelle mani dell'utente eliminando la necessità di impianti di calibrazione specializzati. Generalmente, gli individui nuovi a questo metodo avranno difficoltà perché è un'intersezione di due campi divergenti che hanno entrambi la propria lingua, requisiti tecnologici e protocolli specializzati per massimizzare i risultati.Qualsiasi nuovo utente deve imparare ad adattarsi e adattarsi a esigenze talvolta concorrenti. Per iniziare, pulire un wafer SOI come descritto nel protocollo di testo di accompagnamento. Rivestire il wafer con fotoresist dal tono negativo MA-N 2405 da 20 a 50 millilitri.Ruotarlo a 4.000 giri/min per 60 secondi, quindi trasferire il wafer su una piastra calda e cuocerlo a 90 gradi Celsius per 15 minuti. Dopo la cottura, esporre il fotoresist al modello mostrato qui utilizzando una configurazione litografica standard del fascio E. Quindi posizionare il wafer nella soluzione per sviluppatori MIF 319 e incubarlo per 60 secondi.Trasferire il wafer sviluppato in acqua e risciacquarlo per altri 60 secondi. Successivamente, eseguire un'incisione ICP RIE dello strato di silicio spesso 220 nanometri per rimuovere il silicio non protetto. Sciogliere la maschera di resistenza in acetone puro per un'ora, seguita da un risciacquo isopropanolo.Quindi sciacquare il wafer per 60 secondi in acqua deionizzata e asciugare il wafer usando azoto. Ora riposizionare il wafer nello spin coater. Depositare uno strato superiore di pellicola polimerica protettiva spessa un nanometro sul wafer.Infine, tagliare a dadini il wafer con una sega che detta wafer in 20 millimetri per 20 millimetri di piccole dimensioni e trucioli facili da maneggiare. Posizionare il chip fotonico sullo stadio a sei assi e orientare il chip in modo che le porte di ingresso e uscita su chip siano allineate con l'array di scanalature V. Quindi accendere l'aspirazione sottovuoto attraverso la porta di pompaggio del vuoto integrata sul palco per mantenere il truciolo in posizione.Utilizzare la fotocamera digitale vista dall'alto per individuare e posizionare i dispositivi fotonici di interesse al centro dello stadio a sei assi. Ora posiziona il braccio del supporto dell'array di scanalature a V vicino al chip e usa l'aspirazione sottovuoto attraverso una porta di pompaggio integrata per mantenere l'array in posizione. Utilizzando le fotocamere digitali con vista laterale come feedback visivo, posizionare l'array di fibre sopra gli accoppiatori di gradiente su chip e sollevare il palco per portare il chip fotonico entro 10 micrometri dal bordo inferiore dell'array di fibre.Il bordo dell'array di fibre di scanalatura V deve essere allineato approssimativamente entro una precisione da 50 a 100 micron rispetto ai segni di allineamento su chip. Questa procedura porta la fibra ottica all'interno di una relativa vicinanza degli accoppiatori di gradiente corrispondenti. Una volta che il chip è stato allineato approssimativamente, attivare la ricerca automatizzata per lo stadio a sei assi.Questo algoritmo cerca la trasmissione massima della luce a banda larga attraverso le porte di ingresso e uscita del chip. Non dovrebbero essere necessario più di 20-30 secondi. Una volta raggiunto l'allineamento ottimale, controllare la fattibilità del dispositivo prima di procedere con l'incollaggio.Utilizzando un programma come LabVIEW, controllare il modulo integrato sul palco per ciclo termico della temperatura del chip durante la registrazione della risposta spettrale. Analizzare gli spettri registrati dallo spettrometro laser per verificare la sensibilità alla temperatura del dispositivo. Abbassare lentamente l'array fino alla superficie del chip mentre si visualizza la fotocamera digitale della vista laterale.Quindi, posizionare con cura la siringa riempita di epossidico in prossimità del bordo dell'array di fibre utilizzando un altro stadio di precisione di micron XYZ. Una volta in posizione, erogare una singola micro goccia di epossidica. Mentre l'epossidico si indurisce, eseguire periodicamente la routine di allineamento automatizzato per prevenire la perdita di segnale indotta dalla deriva.Dopo le cure epossidice, testare le prestazioni del chip fotonico e l'efficienza di accoppiamento della luce registrando gli spettri di trasmissione a diverse temperature. L'efficienza dell'accoppiamento leggero aumenta in genere dopo il processo di incollaggio. Utilizzare circa un milligrammo di grasso termico per accoppiare termicamente il chip fotonico incollato in fibra a un piccolo cilindro di rame.Quindi abbassare delicatamente il cilindro di rame del truciolo lungo un tubo di vetro. Una volta in posizione, riempire il tubo di vetro con gas argon e sigillare utilizzando un tappo di gomma. Quindi posizionare il termometro fotonico confezionato in una temperatura metrologica asciutta ben stabile all'interno di un micro Kelvin.Utilizzando il programma per computer personalizzato, impostare il tempo di assestamento da 20 a 30 minuti, il numero di cicli termici su almeno tre e la dimensione del passo della temperatura compresa tra uno e cinque Celsius. Inoltre, impostare il numero di scansioni consecutive su almeno cinque e la potenza laser nel nanowatt sulla gamma dei microwatt. Come mostrato qui, gli spettri di trasmissione del risuonatore ad anello mostrano uno stretto tuffo nella trasmissione corrispondente alla condizione di risonanza ad ogni temperatura.La frangia di risonanza passa a lunghezze d'onda più lunghe man mano che la temperatura aumenta da 20 Celsius a 105 Celsius in incrementi di cinque gradi Celsius. La nostra analisi preliminare dell'esperimento di ciclo termico suggerisce che i cambiamenti indotti dall'umidità nell'epossidico sono probabilmente il più grande driver di isteresi nei termometri fotonici confezionati e che i dispositivi non imballati non mostrano alcuna isteresi significativa. Inoltre, l'isteresi nel dispositivo confezionato può essere migliorato utilizzando l'epossidico idrofobico come essiccante per il tubo di vetro prima di sigillare una tenuta più stretta intorno alla giunzione in vetro di sughero di gomma.Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di ridurre al minimo qualsiasi contaminazione chimica dei campioni come l'umidità nel tubo confezionato poiché degrada gravemente la precisione di misurazione. Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi come il bloccaggio laser o la spettroscopia a pettine a doppia frequenza per rispondere a ulteriori domande sulla stabilità a lungo termine di questi dispositivi, sul caricamento degli impulsi e sulla caratterizzazione delle proprietà fisiche termiche. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha spianato la strada ai ricercatori nel campo della metrologia per esplorare la metrologia di precisione per altre quantità fisiche e chimiche come l'analisi di pressione, vuoto e gas traccia nei sistemi embedded.Non dimenticare che lavorare con sostanze chimiche aggressive in una stanza pulita e sorgenti luminose come i laser in laboratorio può essere estremamente pericoloso e precauzioni come l'uso di dispositivi di protezione individuale come occhiali laser dovrebbero sempre essere prese durante l'esecuzione di questa procedura.

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