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

Los autores reconocen la facilidad NIST/CNST NanoFab para proporcionar la oportunidad de fabricar sensores de temperatura fotónico de silicio y Wyatt Miller y Dawn Cross para asistencia en el establecimiento de los experimentos.

1. fabricación de dispositivo
Nota: Se pueden fabricar usando silicon on insulator (SOI) dispositivos fotónicos de silicio obleas aplicando tecnología CMOS convencional mediante foto - o litografía por haz de electrón seguida por iones reactivos plasma inductivo etch (ICP RIE) del silicio superior de 220 nm de espesor capa. Después de ICP RIE etch los dispositivos pueden ser top-revestida con una película delgada de polímero o SiO2 capa protectora. A continuación se muestran ...

<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>

El objetivo de este experimento fue cuantificar la respuesta dependiente de la temperatura de un termómetro fotónico. Para mediciones cuantitativas de la temperatura, es prudente utilizar una fuente de calor estable tal como un grado de Metrología profundo seco, asegurar un buen contacto térmico entre el pozo y el sensor sensores de pequeño volumen y minimizar el calor se pierde al ambiente. Estos requisitos se cumplen fácilmente por las fibras ópticas a la viruta de la vinculación, creando un dispositivo empaque...

El estándar de oro para la metrología de la temperatura, el termómetro de resistencia de platino, primero fue propuesto por Sir Siemens en 1871 con Callender1 desarrollo el primer dispositivo en 1890. Desde ese momento avances incrementales en el diseño y fabricación de los termómetros ha entregado una amplia gama de temperatura de soluciones de medición. El termómetro de resistencia de platino standard (SPRT) es el instrumento de interpolación para la realización de la escala internacional de temperatura (ITS-90) y su difusión mediante termometría de resistencia. Hoy, más de un siglo después de su invención, termometría de resistencia juega un papel crucial en diversos aspectos de la tecnología industrial y todos los días que van desde la biomedicina para control de procesos de fabricación, consumo y producción de energía. Aunque termorresistencias industriales bien calibrada pueden medir la temperatura con incertidumbres tan pequeñas como 10 mK, que son sensibles al choque mecánico, estrés térmico y variables ambientales tales como humedad y productos químicos contaminantes. En consecuencia, termómetros de resistencia requieren recalibraciones off-line periódicos (y costosos). Estas limitaciones fundamentales de la termometría de resistencia han generado considerable interés en el desarrollo de fotónica temperatura sensores2 que puede entregar similar al mejor whislt de las capacidades de medición ser más robusto contra choque mecánico . Tal devcie atraerá a laboratorios nacionales e industriales y a aquellos interesados en el seguimiento a largo plazo donde deriva del instrumento puede afectar negativamente la productividad.
En los últimos años se han propuesto una amplia variedad de termómetros fotónicos novela incluyendo colorantes fotosensibles3, microondas basada en zafiro susurrante Galería modo resonador4, fibra óptica sensores5,6, 7y en el chip de silicio sensores nano-fotónica8,9,10. En NIST, nuestros esfuerzos tienen como objetivo desarrollar a bajo costo y fácilmente desplegables, sensores de temperatura novela y estándares que fácilmente se fabrican con las tecnologías existentes, tales como fabricación de CMOS-compatible. Especial atención ha sido el desarrollo de dispositivos fotónicos de silicio. Hemos demostrado que estos dispositivos pueden utilizarse para medir la temperatura en los rangos de-40 ° C a 80 ° C y 5 ° C a 165 ° C con incertidumbres que son comparables a dispositivos heredados8. Además, nuestros resultados sugieren que con un mejor dispositivo de control de proceso la capacidad de intercambio del orden de 0,1 ° C incertidumbre es factible (es decir, la incertidumbre de medición de temperatura utilizando coeficientes nominales no calibración determinar coeficientes de ).

<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

En los últimos años un empuje para el desarrollo de dispositivos fotónicos de silicio novela para las telecomunicaciones ha generado una gran base de conocimiento que ahora es ser apalancada para el desarrollo de sofisticados sensores fotónicos. Sensores fotónicos de silicio buscan explotar el encierro fuerte de la luz en nano-guías de ondas para transducir los cambios de estado físico a los cambios en la frecuencia de resonancia. En el caso de termometría, el coeficiente thermo-óptico, es decir, cambios en el índice de refracción debido a la temperatura, hace que la frecuencia resonante del dispositivo fotónico como una rejilla de Bragg a la deriva con la temperatura. Estamos desarrollando un conjunto de dispositivos fotónicos que aprovechan los avances recientes en fuentes de luz compatible telecom para fabricar sensores de temperatura fotónico rentable, que pueden implementarse en una amplia variedad de configuraciones que van desde controladas de laboratorio condiciones, el ambiente ruidoso de una fábrica o una residencia. En este manuscrito, detallamos nuestro protocolo para la fabricación y prueba de termómetros fotónicos.

Como se muestra en la figura 2, los espectros de transmisión anillo resonador muestra un baño estrecho de transmisión correspondiente a la condición de resonancia. Al margen de resonancia cambia a longitudes de onda más largas como la temperatura aumenta de 20 ° C a 105 ° C en incrementos de 5 ° C. El espectro de transmisión se acopla a una función polinómica de donde se extrae el centro de pico. El polinomio de ajuste se encontró que los resultad...

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

Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

Describimos el proceso de fabricación y pruebas de termómetros fotónicos.

Fabricación y pruebas de termómetros fotónicos

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

La termometría fotónica puede ayudar a la transición del campo de la metrología de temperatura de la tecnología heredada basada en la resistencia a las mediciones basadas en frecuencia. La principal ventaja de esta técnica es que podemos aprovechar los avances en metrología de frecuencia para realizar mediciones más precisas mientras fabricamos dispositivos que superan las limitaciones físicas de la tecnología actual, como el tamaño y la sensibilidad a los golpes mecánicos y los cambios ambientales. La implicación de esta técnica se extiende hacia cambiar la forma en que analizamos en los Estados Unidos y el mundo.Un termómetro fotónico ultra estable reducirá la necesidad de calibraciones frecuentes. El desarrollo futuro de estándares de temperatura optomecánicos puede poner el estándar de calibración en las manos del usuario eliminando la necesidad de instalaciones de calibración especializadas. Generalmente, los individuos nuevos en este método tendrán problemas porque es una intersección de dos campos divergentes que tienen su propio lenguaje, requisitos tecnológicos y protocolos especializados para maximizar el resultado.Cualquier nuevo usuario debe aprender a adaptarse y ajustarse a los requisitos a veces de la competencia. Para empezar, limpie una oblea SOI como se describe en el protocolo de texto adjunto. Recubrir la oblea con 20 a 50 mililitros MA-N 2405 fotorresista de tono negativo.Gire a 4.000 RPM durante 60 segundos y luego transfiera la oblea a un plato caliente y hornéela a 90 grados Centígrados durante 15 minutos. Después de hornear, exponga el fotorresistir al patrón que se muestra aquí utilizando una configuración de litografía de haz E estándar. A continuación, coloque la oblea en la solución para desarrolladores del FOF 319 e in incubar durante 60 segundos.Transfiera la oblea desarrollada al agua y enjuáguela durante 60 segundos adicionales. A continuación, realice un grabado ICP RIE de la capa de silicio de 220 nanómetros de espesor para eliminar el silicio desprotegido. Disolver la mascarilla de resistencia en acetona pura durante una hora, seguida de un enjuague con isopropanol.A continuación, enjuague la oblea durante 60 segundos en agua desionizada y seque la oblea con nitrógeno. Ahora coloque la oblea de nuevo en el recubridor de giro. Deposite una capa superior de película de polímero protectora de un nanómetro de espesor en la oblea.Finalmente, corta la oblea con una sierra de dicing de obleas en 20 milímetros por 20 milímetros pequeños y fáciles de manejar. Coloque el chip fotónico en la etapa de seis ejes y oriente el chip de modo que los puertos de entrada y salida en chip estén alineados con la matriz de ranuras en V. A continuación, encienda la aspiración de vacío a través del puerto de bombeo de vacío integrado en el escenario para mantener el chip en su lugar.Utilice la cámara digital de vista superior para localizar y colocar los dispositivos fotónicos de interés en el centro de la etapa de seis ejes. Ahora coloque el brazo del soporte de la matriz de ranuras en V cerca de la viruta y utilice la succión de vacío a través de un puerto de bombeo integrado para mantener la matriz en su lugar. Usando las cámaras digitales de vista lateral como retroalimentación visual, coloque la matriz de fibra por encima de los acopladores de gradiente en chip y suba el escenario para llevar el chip fotónico a menos de 10 micrómetros del borde inferior de la matriz de fibra.El borde de la matriz de fibra de ranura V debe estar alineado aproximadamente dentro de 50 a 100 micras de precisión en relación con las marcas de alineación en chip. Este procedimiento lleva la fibra óptica dentro de una proximidad relativa de los acopladores de gradiente correspondientes. Una vez que el chip se ha alineado aproximadamente, active la búsqueda automatizada de la etapa de seis ejes.Este algoritmo busca la transmisión máxima de luz de banda ancha a través de los puertos de entrada y salida del chip. No debe tardar más de 20 a 30 segundos. Una vez lograda la alineación óptima, compruebe la viabilidad del dispositivo antes de proceder con la unión.Utilizando un programa como LabVIEW, controle el módulo integrado en el escenario para ciclo térmico de la temperatura del chip mientras registra la respuesta espectral. Analizar los espectros registrados desde el espectrómetro láser para verificar la sensibilidad a la temperatura del dispositivo. Baje lentamente la matriz hasta la superficie del chip mientras ve la cámara digital de vista lateral.A continuación, coloque cuidadosamente la jeringa llena de epoxi cerca del borde de la matriz de fibra utilizando otra etapa de precisión de micras XYZ. Una vez en posición, dispensar una sola micro gota de epoxi. Mientras el epoxi se endurece, ejecute periódicamente la rutina de alineación automatizada para evitar la pérdida de señal inducida por la deriva.Después de las curas epoxi, pruebe el rendimiento del chip fotónico y la eficiencia del acoplamiento ligero mediante el registro de los espectros de transmisión a diferentes temperaturas. La eficiencia de acoplamiento ligero suele aumentar después del proceso de unión. Utilice alrededor de un miligramo de grasa térmica para acoplar térmicamente el chip fotónico unido a fibra a un pequeño cilindro de cobre.A continuación, baje suavemente el cilindro de cobre de la viruta por un tubo de vidrio. Una vez en posición, vuelva a llenar el tubo de vidrio con gas argón y sellarlo con un corcho de goma. A continuación, coloque el termómetro fotónico empaquetado en una temperatura de metrología seca bien estable a dentro de un micro Kelvin.Usando el programa de computadora personalizado, establezca el tiempo de sedimentación para 20 a 30 minutos, el número de ciclos térmicos a por lo menos tres, y el tamaño del paso de temperatura entre uno y cinco Grados Celsius. Además, establezca el número de escaneos consecutivos en al menos cinco y la potencia láser en el rango de nanovatios en microvatios. Como se muestra aquí, los espectros de transmisión del resonador de anillo muestran una caída estrecha en la transmisión correspondiente a la condición de resonancia a cada temperatura.La franja de resonancia cambia a longitudes de onda más largas a medida que la temperatura aumenta de 20 Celsius a 105 Celsius en incrementos de cinco grados Celsius. Nuestro análisis preliminar del experimento de ciclismo térmico sugiere que los cambios inducidos por la humedad en el epoxi son probablemente el mayor impulsor de la histéresis en los termómetros fotónicos empaquetados y que los dispositivos no envasados no muestran ninguna histéresis significativa. Además, la histéresis en el dispositivo empaquetado se puede mejorar mediante el uso de epoxi hidrófobo como desecante al tubo de vidrio antes de sellar un sello más apretado alrededor de la unión de vidrio de corcho de goma.Al intentar este procedimiento, es importante recordar minimizar cualquier contaminación química de las muestras, como la humedad en el tubo empaquetado, ya que degradará gravemente la precisión de la medición. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otros métodos como el bloqueo láser o la espectroscopia de peine de doble frecuencia para responder preguntas adicionales sobre la estabilidad a largo plazo de estos dispositivos, la carga por impulsos y la caracterización de las propiedades físicas térmicas. Después de su desarrollo, esta técnica ha allanado el camino para que los investigadores en el campo de la metrología exploren la metrología de precisión para otras cantidades físicas y químicas como el análisis de presión, vacío y trazas de gas en sistemas embebidos.No olvide que trabajar con productos químicos agresivos en una habitación limpia y fuentes de luz brillante como láseres en el laboratorio puede ser extremadamente peligroso y precauciones como el uso de equipos de protección personal como gafas láser siempre deben tomarse durante el realización de este procedimiento.

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

La fabricación de superficies de gran autoportante ultrafinos Polymer Films

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

Investigación

Química

Microbubble Fabrication of Concave-porosity PDMS Beads

Fabricación de microburbujas de Cuentas PDMS Cóncavo porosidad

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-patrón Fabricación guiada de alta densidad de códigos de barras de anticuerpos microarrays

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

Influencia de los híbridos Métodos de Fabricación perovskita en la formación de película, Estructura electrónica y el rendimiento de la célula solar

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

Síntesis y Prueba de Catalizadores de Nanopartículas de Solución Sólida Pt-Cu Soportadas para la Deshidrogenación de Propano

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

Fabricación de nanocristales micelar esférica y en forma de gusano combinando Electrospray, uno mismo-Asamblea y Control de la estructura de base solvente

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

Fabricación y pruebas de Aerogels catalíticos preparados vía rápida extracción supercrítica

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

Fabricación de Nanowire de Hierro de Aluminio Anodizado Nano-Porous y su Caracterización

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

Fabricación de electrodos de cloruro de plata/plata de película delgada con cloruro de plata de una sola capa finamente controlado

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 ...