Name: fabrication and testing of photonic thermometers
Uploaded: 2018-10-24T12:30:00
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Os autores reconhecem a facilidade do NIST/CNST NanoFab para fornecer a oportunidade para fabricar os sensores de temperatura fotônico de silício e Wyatt Miller e Dawn Cross para obter assistência na criação de experiências.

1. dispositivo fabricação
Nota: Wafers de silício fotônicos dispositivos podem ser fabricados usando silicone-em-isolador (SOI) aplicando CMOS-tecnologia convencional através de foto - ou litografia de feixe de elétron seguida por íon reativo de plasma indutivo etch (ICP RIE) de 220 nm de espessura superior silício camada. Após ICP RIE etch os dispositivos podem ser top-revestido com uma película fina de polímero ou camada protetora de SiO2 . Abaixo estão as principais eta...

<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>

O objetivo deste experimento foi quantificar a resposta dependente da temperatura de um termômetro fotônico. Para a medição quantitativa da temperatura, é prudente utilizar uma fonte de calor estável como um grau de metrologia fundo seco bem, sensores de volume pequeno, garantir um bom contacto térmico entre o bem e o sensor e minimizar o calor perde para o ambiente. Esses requisitos forem atendidos facilmente por colagem de fibras ópticas para o chip, efetivamente criando um dispositivo embalado que pode ser red...

O padrão-ouro para a metrologia de temperatura, o termômetro de resistência de platina, foi proposto pelo senhor Siemens em 1871 com Callender1 desenvolvendo o primeiro dispositivo em 1890. Desde aquela época progresso incremental no projeto e na fabricação de termômetros emitiu uma ampla gama de temperatura, soluções de medição. O termômetro de resistência de platina padrão (SPRT) é o instrumento de interpolação para perceber a escala de temperatura internacional (ITS-90) e sua divulgação utilizando termometria de resistência. Hoje, mais de um século depois de sua invenção, termometria de resistência desempenha um papel crucial em vários aspectos da tecnologia da indústria e todos os dias, variando de Biomedicina para controle do processo de fabricação, para consumo e produção de energia. Embora termoresistência industrial bem calibrado pode medir a temperatura com incertezas tão pequenas quanto 10 mK, eles são sensíveis a choque mecânico, estresse térmico e variáveis ambientais como umidade e produtos químicos contaminantes. Por conseguinte, termoresistência requerem periódicas (e caras) recalibrações off-line. Estas limitações fundamentais de termometria de resistência têm produzido considerável interesse no desenvolvimento de sensores temperatura fotônico2 que podem entregar semelhante a melhor whislt de capacidades de medição sendo mais robusto contra choques mecânicos . Tal um devcie vai apelar para laboratórios nacionais e industriais e interessados no acompanhamento a longo prazo, onde deriva do instrumento pode afetar negativamente o produtividade.
Nos últimos anos uma grande variedade de termômetros fotônicos romance foram propostas incluindo corantes fotossensíveis3, baseada em safira microondas sussurrando Galeria modo resonator4, sensores ópticos de fibra5,6, 7e no chip de silício nano-fotônica sensores8,9,10. Do NIST, nossos esforços visam desenvolvimento de baixo custo, facilmente destacáveis, sensores de temperatura romance e padrões que são facilmente fabricados utilizando tecnologias existentes, tais como fabricação de compatível com o CMOS. Especial destaque tem sido o desenvolvimento de dispositivos fotônicos de silício. Nós demonstramos que estes dispositivos podem ser usados para medir a temperatura durante os intervalos de-40 ° C a 80 ° C e 5 ° C a 165 ° C, com as incertezas que são comparáveis aos dispositivos legacy8. Além disso, nossos resultados sugerem que, com um dispositivo de controle de processo melhor a intercambialidade na ordem de 0,1 ° C incerteza é possível (ou seja, a incerteza de medição da temperatura usando coeficientes nominais não calibração determinados coeficientes ).

<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

Nos últimos anos, um impulso para o desenvolvimento de dispositivos fotônico de silício romance para telecomunicações gerou uma vasta base de conhecimento que agora está sendo aproveitada para o desenvolvimento de sofisticados sensores fotônicos. Sensores fotônicos de silício procuram explorar o confinamento forte de luz em nano-guias de onda para transduce mudanças no estado físico de alterações na frequência de ressonância. No caso de termometria, o coeficiente thermo-óptica, ou seja, as alterações no índice de refração devido à temperatura, faz com que a frequência de ressonância do dispositivo fotônico como uma grade de Bragg à deriva com a temperatura. Estamos a desenvolver um conjunto de dispositivos fotônicos que aproveitam os avanços recentes em fontes de luz compatível telecom para fabricar sensores de temperatura fotônico cost-effective, que podem ser implantados em uma ampla variedade de configurações que variam de laboratório controlado condições, para o ambiente ruidoso de um chão de fábrica ou de uma residência. Neste manuscrito, detalhamos nosso protocolo para a fabricação e testes dos termómetros fotônicos.

Como mostrado na Figura 2, os espectros de transmissão do ressonador de anel mostra um mergulho estreito na transmissão correspondente à condição de ressonância. A franja de ressonância desloca-se para comprimentos de onda como a temperatura é aumentada de 20 ° C a 105 ° C, em incrementos de 5 ° C. O espectro de transmissão está equipado de uma função polinomial, do qual é extraído o centro de pico. O polinômio caber foi encontrado para dar ...

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Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

Descrevemos o processo de fabricação e testes dos termómetros fotônicos.

Fabricação e teste dos termómetros fotônicos

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

A termometria fotônica pode ajudar a transicionar o campo da metrologia de temperatura da tecnologia legado baseada em resistência para medições baseadas em frequência. A principal vantagem dessa técnica é que podemos aproveitar os avanços na metrologia de frequência para fazer medições mais precisas ao mesmo tempo em que fabricamos dispositivos que superam as limitações físicas da tecnologia atual, como tamanho e sensibilidade ao choque mecânico e mudanças ambientais. A implicação dessa técnica se estende para mudar a forma como analisamos nos Estados Unidos e no mundo.Um termômetro fotônico ultra estável reduzirá a necessidade de calibrações frequentes. O desenvolvimento futuro de padrões de temperatura opomecanical pode colocar o padrão de calibração nas mãos do usuário eliminando a necessidade de instalações de calibração especializadas. Geralmente, indivíduos novos nesse método lutarão porque é uma intersecção de dois campos divergentes, ambos com sua própria linguagem, requisitos tecnológicos e protocolos especializados para maximizar o resultado.Qualquer novo usuário deve aprender a se adaptar e ajustar-se às vezes aos requisitos concorrentes. Para começar, limpe um wafer SOI conforme descrito no protocolo de texto que acompanha. Cubra o wafer com 20 a 50 mililitros MA-N 2405 fotoresist de tom negativo.Gire-o a 4.000 RPM por 60 segundos e depois transfira o wafer para uma placa quente e asse a 90 graus Celsius por 15 minutos. Após o cozimento, exponha o fotoresistista ao padrão aqui mostrado usando uma configuração padrão de litografia de feixe E. Em seguida, coloque o wafer na solução de desenvolvedor MIF 319 e incuba-o por 60 segundos.Transfira o wafer desenvolvido para a água e enxágue-o por mais 60 segundos. Em seguida, execute uma gravação ICP RIE da camada de silício de 220 nanômetros de espessura para remover o silício desprotegido. Dissolva a máscara de resistência em acetona pura por uma hora, seguida de enxágue isopropanol.Em seguida, enxágue o wafer por 60 segundos em água deionizada e seque o wafer usando nitrogênio. Agora coloque o wafer de volta no revestimento girador. Deposite uma camada superior de filme de polímero protetor de um nanômetro na camada superior do wafer.Finalmente, pique o wafer com uma serra de dicing de wafer em 20 milímetros por 20 milímetros pequeno e fácil de manusear chips. Coloque o chip fotônico no estágio de seis eixos e oriente o chip para que as portas de entrada e saída no chip estejam alinhadas com a matriz de ranhura V. Em seguida, ligue a sucção a vácuo através da porta de bombeamento de vácuo integrada no palco para manter o chip no lugar.Use a câmera digital de visão superior para localizar e colocar os dispositivos fotônicos de interesse no centro do estágio de seis eixos. Agora posicione o braço do suporte de matriz de ranhura V perto do chip e use sucção de vácuo através de uma porta de bombeamento integrada para manter a matriz no lugar. Usando as câmeras digitais de visão lateral como um feedback visual, posicione a matriz de fibra acima dos acotários de gradiente no chip e eleve o palco para levar o chip fotônico a 10 micrômetros da borda inferior da matriz de fibra.A borda da matriz de fibra de ranhura V deve estar aproximadamente alinhada dentro da precisão de 50 a 100 mícrons em relação às marcas de alinhamento no chip. Este procedimento traz a fibra óptica dentro de uma proximidade relativa dos acobrantes gradientes correspondentes. Uma vez que o chip tenha sido aproximadamente alinhado, ative a busca automatizada para o estágio de seis eixos.Este algoritmo busca a transmissão máxima de luz de banda larga através das portas de entrada e saída do chip. Não deve levar mais do que 20 a 30 segundos. Uma vez alcançado o alinhamento ideal, verifique a viabilidade do dispositivo antes de prosseguir com a ligação.Usando um programa como o LabVIEW, controle o módulo integrado no palco para pedalar termicamente a temperatura do chip enquanto registra a resposta espectral. Analise o espectro registrado do espectrômetro do laser para verificar a sensibilidade de temperatura do dispositivo. Abaixe lentamente a matriz até a superfície do chip enquanto visualiza a câmera digital de visão lateral.Em seguida, posicione cuidadosamente a seringa cheia de epóxi nas proximidades da borda da matriz de fibras usando outro estágio de precisão de micron XYZ. Uma vez posicionado, dispense uma única micro gota de epóxi. Enquanto o epóxi endurece, execute periodicamente a rotina de alinhamento automatizado para evitar a perda de sinal induzida por deriva.Após as curas epóxi, teste o desempenho do chip fotônico e a eficiência do acoplamento leve registrando o espectro de transmissão em diferentes temperaturas. A eficiência do acoplamento leve normalmente aumenta após o processo de ligação. Use cerca de um miligrama de graxa térmica para acoplar termicamente o chip fotônico ligado a fibra a um pequeno cilindro de cobre.Em seguida, abaixe suavemente o cilindro de cobre do chip por um tubo de vidro. Uma vez em posição, volte a encher o tubo de vidro com gás argônio e selá-lo usando uma rolha de borracha. Em seguida, coloque o termômetro fotônico embalado em uma temperatura de metrologia seca bem estável para dentro de um micro Kelvin.Usando o programa de computador personalizado, defina o tempo de liquidação por 20 a 30 minutos, o número de ciclos térmicos para pelo menos três, e o tamanho da etapa de temperatura entre um e cinco Celsius. Além disso, defina o número de varreduras consecutivas para pelo menos cinco e a potência laser na faixa de nanowatt para microwatt. Como mostrado aqui, o espectro de transmissão do ressonador do anel mostra uma queda estreita na transmissão correspondente à condição de ressonância a cada temperatura.A franja de ressonância muda para comprimentos de onda mais longos à medida que a temperatura é aumentada de 20 Celsius para 105 Celsius em incrementos de cinco graus Celsius. Nossa análise preliminar do experimento de ciclismo térmico sugere que as mudanças induzidas pela umidade no epóxi são provavelmente o maior motor da histerese em termômetros fotônicos embalados e que dispositivos não embalados não mostram nenhuma histerese significativa. Além disso, a histerese no dispositivo embalado pode ser amenizar usando epóxi hidrofóbico como um dessecante ao tubo de vidro antes de selar uma vedação mais apertada ao redor da junção de vidro de borracha.Ao tentar este procedimento, é importante lembrar-se de minimizar qualquer contaminação química das amostras, como umidade no tubo embalado, uma vez que irá degradar severamente a precisão da medição. Após este procedimento, outros métodos como bloqueio a laser ou espectroscopia de pente de dupla frequência podem ser realizados a fim de responder a perguntas adicionais sobre a estabilidade a longo prazo desses dispositivos, carregamento por impulso e caracterização de propriedades físicas térmicas. Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores do campo da metrologia explorarem metrologia de precisão para outras quantidades físicas e químicas, como pressão, vácuo e análise de gases de rastreamento em sistemas embarcados.Não se esqueça que trabalhar com produtos químicos severos em uma sala limpa e fontes de luz brilhante, como lasers em laboratório, pode ser extremamente perigoso e precauções como o uso de equipamentos de proteção individual, como óculos laser, devem ser sempre tomadas durante a realização deste procedimento.

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