Name: fabrication and testing of photonic thermometers
Uploaded: 2018-10-24T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication and Testing of Photonic Thermometers at JoVE.com

Forfatterne bekrefter NIST/CNST NanoFab anlegget for å gi mulighet til å dikte silisium fotoniske temperatursensorer og Wyatt Miller og Dawn Cross for hjelp i å sette opp eksperimenter.

1. enheten fabrikasjon
Merk: Fotoniske enheter kan være fabrikasjon benytter silisium-på-isolator (SOI) silisiumskiver bruke konvensjonelle CMOS-teknologi via foto - eller electron beam litografi etterfulgt av induktiv plasma reaktive ion etse (ICP RIE) 220 nm-tykk øverste silisium lag. Etter ICP RIE etse kan enhetene være top-kobberdekket med tynne polymer film eller SiO2 beskyttende lag. Nedenfor er de viktigste trinnene i i fabrikasjon av SOI fotoniske enheter.
<ol><li>Reng...

<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>

Målet med dette eksperimentet var å kvantifisere temperatur avhengig responsen til et fotoniske termometer. For kvantitativ måling av temperatur er det forsvarlig å benytte en stabil varmekilde som en Justervesenet grade dypt tørr Vel, små sensorer, sikre god termisk kontakt mellom brønnen og sensoren, og minimere varme mister til miljøet. Effektivt opprette en pakket enhet som kan senkes dypt inn Justervesenet temperaturen også kravene oppfylles enkelt ved liming optiske fibre til chip. Formålet med kobber syl...

Gullstandarden for temperatur metrology, platina motstand termometeret, ble først foreslått av Sir Siemens i 1871 Callender1 utvikle den første enheten i 1890. Siden den gangen har inkrementell fremskritt i design og produksjon av termometre levert en rekke temperatur måling løsninger. Standard platina motstand termometeret (SPRT) er interpolating apparatet for å realisere International temperaturskala (ITS-90) og dens formidling bruker motstand thermometry. I dag, spiller mer enn et århundre etter sin oppfinnelse, motstand thermometry en avgjørende rolle i ulike aspekter av industrien og hverdags spenner fra biomedisin til produksjon prosesskontroll, til energiproduksjon og forbruk. Selv om godt kalibrert industrielle motstand termometre kan måle temperaturen med usikkerhet så lite som 10 mK, de er følsom for mekanisk støt, termisk stress og miljøvariabler som fuktighet og kjemisk forurensning. Derfor krever motstanden termometre periodiske (og dyre) off-line recalibrations. Disse grunnleggende begrensninger av motstand thermometry har produsert betydelig interesse i å utvikle fotoniske temperatur sensorer2 som kan levere ligner for bedre måling evner whislt blir mer robuste mot mekanisk støt . Slik devcie vil appellere til nasjonale og industrielle labs og de langsiktige overvåking hvor apparatet drift kan negativt påvirke produktiviteten.
De siste årene en rekke romanen fotoniske termometre er foreslått inkludert fotosensitive fargestoffer3, safir-baserte mikrobølgeovn whispering galleriet modus resonator4, fiber optikk sensorer5,6, 7, og på prosessoren silisium nano-fotoniske sensorer8,9,10. På NIST, er vår innsats rettet mot utvikling rimelig, lett-deployerbare, romanen temperatursensorer og standarder som er lett produsert ved hjelp av eksisterende teknologier, som CMOS-kompatible produksjon. Et særlig fokus har vært utviklingen av silisium fotoniske enheter. Vi har vist at disse enhetene kan brukes til å måle temperaturen over av 40 ° C til 80 ° C og 5 ° C til 165 ° C med usikkerhet som sammenlignes med eldre enheter8. Videre våre resultater tyder på at en bedre prosess kontroll enhet ombyttbarhet på 0,1 ° C usikkerhet er oppnåelig (i.e. usikkerheten temperatur måling med nominell koeffisienter ikke kalibrering bestemt koeffisienter ).

<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

De siste årene, har et push for å utvikle romanen silisium fotoniske enheter for telekommunikasjon generert en enorm kunnskapsbase som er nå blir utnyttet for å utvikle sofistikerte fotoniske sensorer. Silisium fotoniske sensorer søker å utnytte den sterke confinement lys i nano-bølgeledere å transduce endringer i fysisk tilstand endringer i resonansfrekvens. Ved thermometry forårsaker thermo-optisk koeffisient, dvs. endringer i brytningsindeks på grunn av temperatur, resonans frekvensen av fotoniske enheten som en Bragg rist å drive temperatur. Vi utvikler en rekke fotoniske enheter som utnytter nylige fremskritt innen telekom kompatibel lyskilder å dikte kostnadseffektiv fotoniske temperatursensorer som kan distribueres på en rekke innstillinger fra kontrollert laboratorium forhold, for støyende miljøet en fabrikken eller en bolig. I dette manuskriptet detalj vi våre Protokoll for fabrikasjon og testing av fotoniske termometre.

Som vist i figur 2, ring resonator overføring spectra viser en smal dukkert i overføring tilsvarer betingelsen resonans. Resonans fringe skifter til lengre bølgelengdene som temperaturen er økt fra 20 ° C til 105 ° C i 5 ° C intervaller. Overføring spekteret er utstyrt til en polynom funksjon som toppen midten er trukket ut. Polynom passer fant de mest konsistente resultater i nærvær av en skrå plan som kan lage en Lorentzian eller Gaussian passe f...

Watch this Scientific Journal Video about Fabrication and Testing of Photonic Thermometers at JoVE.com

Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

Vi beskriver prosessen med fabrikasjon og testing av fotoniske termometre.

Fabrikasjon og Testing av fotoniske termometre

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

Fotonisk termometri kan bidra til å overføre temperaturmetrologien fra resistensbasert eldre teknologi til frekvensbaserte målinger. Den største fordelen med denne teknikken er at vi kan utnytte fremskritt i frekvensmetrologi for å gjøre mer presise målinger mens fabrikkering enheter som overvinner de fysiske begrensningene av dagens teknologi som størrelse og følsomhet for mekanisk støt og miljøendringer. Implikasjonen av denne teknikken strekker seg mot å endre hvordan vi analyserer i USA og verden.Et ultrastabilt fotonisk termometer vil redusere behovet for hyppige kalibreringer. Fremtidig utvikling av optometriske temperaturstandarder kan sette kalibreringsstandarden i brukerhender som eliminerer behovet for spesialiserte kalibreringsanlegg. Generelt vil personer som er nye på denne metoden slite fordi det er et skjæringspunkt mellom to divergerende felt som begge har sitt eget språk, teknologikrav og spesialiserte protokoller for å maksimere utfallet.Enhver ny bruker må lære å tilpasse seg og tilpasse seg noen ganger konkurrerende krav. For å begynne, rengjør en SOI wafer som beskrevet i den medfølgende tekstprotokollen. Coat wafer med 20 til 50 milliliter MA-N 2405 negativ tone fotoresist.Spinn den ved 4 000 RPM i 60 sekunder, og overfør deretter waferen til en kokeplate og stek den ved 90 grader Celsius i 15 minutter. Etter baking, utsett fotoresisten for mønsteret som vises her ved hjelp av et standard E-strålelitografioppsett. Plasser deretter wafer i MIF 319 utviklerløsning og inkuber den i 60 sekunder.Overfør den utviklede waferen til vann og skyll den i ytterligere 60 sekunder. Deretter utfører du en ICP RIE-etse av det 220 nanometer tykke silisiumlaget for å fjerne det ubeskyttede silisiumet. Oppløs resistmasken i ren aceton i en time, etterfulgt av en isopropanolskyll.Skyll deretter wafer i 60 sekunder i deionisert vann og tørk wafer ved hjelp av nitrogen. Plasser nå waferen tilbake i spin coater. Deponer et nanometer tykt beskyttende polymerfilm topplag på wafer.Til slutt terninger wafer med en wafer terning sag i 20 millimeter med 20 millimeter liten og lett å håndtere chips. Plasser fotoniske brikken på seksaksestadiet og orienter brikken slik at inngangs- og utgangsportene på brikken er på linje med V-spormatrisen. Slå deretter på vakuumsuging gjennom integrert vakuumpumpeport på scenen for å holde brikken på plass.Bruk toppvisningen digitalkamera til å finne og plassere fotoniske enheter av interesse i midten av seksaksestadiet. Plasser nå V-spormatriseholderarmen nær brikken og bruk vakuumsuging gjennom en integrert pumpeport for å holde arrayet på plass. Bruk sidevisningen digitale kameraer som en visuell tilbakemelding, plasser fibermatrisen over de stignings couplers på brikken og hev scenen for å bringe fotoniske brikken til innenfor 10 mikrometer av fiberarrayets nedre kant.Kanten av V groove fiber array bør være omtrent justert innenfor 50 til 100 mikron nøyaktighet i forhold til on-chip justering merker. Denne prosedyren bringer den optiske fiberen i en relativ nærhet til de tilsvarende gradient couplers. Når brikken er omtrent justert, aktiverer du det automatiserte søket etter seksaksestadiet.Denne algoritmen søker etter maksimal overføring av bredbåndslys gjennom brikkens inngangs- og utgangsporter. Det bør ikke ta mer enn 20 til 30 sekunder. Når den optimale justeringen er oppnådd, kontroller enhetens levedyktighet før du fortsetter med binding.Ved hjelp av et program som LabVIEW, kontroller den integrerte modulen på scenen for å termisk sykle brikkens temperatur mens du registrerer spektralresponsen. Analyser det registrerte spektraet fra laserspektrometeret for å bekrefte enhetens temperaturfølsomhet. Senk matrisen langsomt ned til brikkens overflate mens du ser på digitalkameraet for sidevisning.Deretter plasserer du den epoksyfylte sprøyten forsiktig i nærheten av fibermatrisens kant ved hjelp av et annet XYZ mikron presisjonstrinn. Når den er i posisjon, dispenser en enkelt mikrodråpe epoksy. Mens epoxy stivner, kjører du regelmessig den automatiserte justeringsrutinen for å forhindre drift-indusert tap av signal.Etter epoksykurene tester du fotonisk chipytelse og lett koblingseffektivitet ved å registrere overføringsspektra ved forskjellige temperaturer. Lett koblingseffektivitet øker vanligvis etter bindingsprosessen. Bruk omtrent ett mg termisk fett for å termisk pare fiberbundet fotonisk chip til en liten kobbersylinder.Senk deretter forsiktig chip kobber sylinderen ned et glassrør. Når du er i posisjon, fyll glassrøret med argongass og forsegler det ved hjelp av en gummikork. Plasser deretter det pakkede fotoniske termometeret i et metrologitemperatur tørr godt stabilt til innenfor en mikro Kelvin.Ved hjelp av det spesialbygde dataprogrammet, angi oppgjørstiden i 20 til 30 minutter, antall termiske sykluser til minst tre, og temperaturtrinnstørrelsen til mellom en og fem Celsius. Sett også antall påfølgende skanninger til minst fem og laserkraften i nanowatt til mikrowatt-området. Som vist her viser ringresonatoroverføringsspektraen en smal dukkert i overføring som tilsvarer resonanstilstanden ved hver temperatur.Resonansen frynser skifter til lengre bølgelengder som temperaturen økes fra 20 Celsius til 105 Celsius i fem grader Celsius trinn. Vår foreløpige analyse av det termiske sykkeleksperimentet tyder på at de fuktighetsinduserte endringene i epoksyen sannsynligvis er den største driveren av hysterese i pakkede fotoniske termometre, og at uemballerte enheter ikke viser noen signifikant hysterese. I tillegg kan hysteresen i den pakkede enheten forbedres ved hjelp av hydrofobe epoksy som tørkemiddel til glassrøret før du forsegler en strammere forsegling rundt gummikorkglasskrysset.Mens du forsøker denne prosedyren, er det viktig å huske å minimere kjemisk forurensning av prøvene som fuktighet i det pakkede røret, siden det vil forringe målenøyaktigheten alvorlig. Etter denne prosedyren kan andre metoder som laserlåsing eller dobbel frekvenskamspektroskopi utføres for å svare på flere spørsmål om den langsiktige stabiliteten til disse enhetene, impulsbelastning og karakterisering av termiske fysiske egenskaper. Etter utviklingen har denne teknikken banet vei for forskere innen metrologi for å utforske presisjonsmetrologi for andre fysiske og kjemiske mengder som trykk-, vakuum- og sporgassanalyse i innebygde systemer.Ikke glem at arbeid med sterke kjemikalier i et rent rom og lyse lyskilder som lasere i laboratoriet kan være ekstremt farlig og forholdsregler som bruk av personlig verneutstyr som laserbriller bør alltid tas mens du utfører denne prosedyren.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Chemistry

Unit 1

Temperature and Heat

SCIENTISTS IN ACTION

Fabrication of Large-area Free-standing Ultrathin Polymer Films

Fabrikasjon av Stor-området Frittstående ultratynn polymer Films

This procedure describes a method for the fabrication of large-area and ultrathin free-standing polymer films.  Typically, ultrathin films are prepared ...

Microbubble Fabrication of Concave-porosity PDMS Beads

Mikrobobleutskillere Fabrikasjon av Konkav-porøsitet PDMS Perler

Microbubble fabrication (by use of a fine emulsion) provides a means of increasing the surface-area-to-volume (SAV) ratio of polymer materials, which is ...

Flow-pattern Guided Fabrication of High-density Barcode Antibody Microarray

Flow-mønster Guidet Fabrikasjon av høy tetthet Barcode Antistoff Microarray

Antibody microarray as a well-developed technology is currently challenged by a few other established or emerging high-throughput technologies. In this ...

Influence of Hybrid Perovskite Fabrication Methods on Film Formation, Electronic Structure, and Solar Cell Performance

Påvirkning av Hybrid perovskitt fabrikasjon metoder på filmdannelse, Elektronisk struktur og Solar Cell Ytelse

Hybrid organic/inorganic halide perovskites have lately been a topic of great interest in the field of solar cell applications, with the potential to ...

Synthesis and Testing of Supported Pt-Cu Solid Solution Nanoparticle Catalysts for Propane Dehydrogenation

Syntese og test av støttet Pt-Cu fast løsning Nanopartikkelkatalysatorer for propan dehydrogenering

A convenient method for the synthesis of bimetallic Pt-Cu catalysts and performance tests for propane dehydrogenation and characterization are ...

Fabrication of Spherical and Worm-shaped Micellar Nanocrystals by Combining Electrospray, Self-assembly, and Solvent-based Structure Control

Fabrikasjon av sfærisk og orm-formet Micellar nanokrystaller ved å kombinere Electrospray, selvstendig montering og løsemiddelbaserte struktur kontroll

Micellar nanocrystals (micelles with encapsulated nanocrystals) have become an emerging major class of nanobiomaterials. We describe a method of ...

Fabrication and Testing of Catalytic Aerogels Prepared Via Rapid Supercritical Extraction

Fabrikasjon og Testing av katalytiske Aerogels forberedes Via raske superkritisk ekstraksjon

Protocols for preparing and testing catalytic aerogels by incorporating metal species into silica and alumina aerogel platforms are presented. Three ...

Iron Nanowire Fabrication by Nano-Porous Anodized Aluminum and its Characterization

Iron Nanowire fabrikasjon av nano-porøse anodisert aluminium og karakterisering

Magnetic nanowires possess unique properties that have attracted the interest of different fields of research, including basic physics, biomedicine, and ...

Fabrication of Thin Film Silver/Silver Chloride Electrodes with Finely Controlled Single Layer Silver Chloride

Fabrikasjon av tynnfilm sølv/sølvkloridelektroder med finstyrt enkeltlags sølvklorid

This paper aims to present a protocol to form smooth and well-controlled films of silver/silver chloride (Ag/AgCl) with designated coverage on top of thin ...