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

Författarna erkänner NIST/CNST NanoFab anläggningen för att ge möjlighet att fabricera kisel fotoniska temperaturgivare och Wyatt Miller och Dawn Cross för hjälp med att ställa in experimenten.

1. anordning tillverkning
Obs: Silicon fotoniska enheter kan fabriceras använder kisel på isolator (SOI) rån tillämpa konventionella CMOS-teknik via foto - eller electron beam litografi följt av induktiv plasma reactive ion etch (ICP RIE) 220 nm tjock översta kisel skikt. Efter ICP RIE etch kan enheterna vara topp-aluminiumbeklädda med en tunn polymerfilm eller SiO2 skyddande lager. Nedan finns de viktigaste stegen i i tillverkning av SOI fotoniska enheter.
<ol><li>Rengör ...

<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>

Syftet med detta experiment var att kvantifiera temperatur beroende svar en fotoniska termometer. För kvantitativa mätningar av temperatur är det klokt att använda en stabil värmekälla såsom betyget metrologi djupt torra Tja, liten volym sensorer, säkerställa god termisk kontakt mellan brunnen och sensorn, och minimera värme förlorar till miljön. Dessa krav uppfylls enkelt genom bindning av optiska fibrer till chip, effektivt skapa en förpackad enhet som kan sänkas djupt in metrologi temperaturen väl. Syft...

Guldmyntfoten för temperatur metrologi, platina motstånd termometern, föreslogs först av Sir Siemens 1871 med Callender1 utveckla den första enheten 1890. Sedan dess har inkrementella framsteg inom design och tillverkning av termometrar levererat ett brett utbud av temperatur mätning lösningar. Standard platinum motstånd termometern (SPRT) är interpolerande instrumentet för att förverkliga internationella temperaturskalan (ITS-90) och dess spridning med motstånd Termometri. Idag, spelar mer än ett århundrade efter dess uppfinning, motstånd Termometri en avgörande roll i olika aspekter av industrin och vardagliga teknik som sträcker sig från biomedicin till tillverkning processtyrning, energiproduktion och konsumtion. Även om väl kalibrerad industriella motstånd termometrar kan mäta temperatur med osäkerheter så små som 10 mK, de är känsliga för mekaniska stötar, termisk stress och miljömässiga variabler såsom fukt och kemiska föroreningar. Följaktligen kräver motstånd termometrar periodiska (och kostsamt) off-line om. Dessa grundläggande begränsningar av motstånd Termometri har producerat stort intresse i att utveckla fotoniska temperatur sensorer2 som kan leverera liknar bättre mätning kapacitet whislt är mer robust mot mekaniska stötar . Sådan en devcie kommer att tilltala nationella och industriella labs och de som är intresserade av långsiktig övervakning där instrumentet drift kan påverka produktiviteten.
Under senare år ett brett utbud av romanen fotoniska termometrar föreslagits däribland ljuskänsliga färgämnen3, sapphire-baserade mikrovågsugn whispering gallery läge resonator4, fiber optiska sensorer5,6, 7och på-flisa kisel nano-fotoniska sensorer8,9,10. På NIST syftar våra ansträngningar till utveckla billig, lätt distribuerbara, romanen temperaturgivare och standarder som tillverkas enkelt med befintlig teknik, såsom CMOS-kompatibel manufacturing. Särskilt fokus har varit utvecklingen av kisel fotoniska enheter. Vi har visat att dessa enheter kan användas för att mäta temperaturen över spänner av-40 ° C till 80 ° C och 5 ° C till 165 ° C med osäkerheter som är jämförbara med äldre enheter8. Dessutom våra resultat tyder på att utbytbarhet storleksordningen 0,1 ° C osäkerhet är möjligt med en bättre process kontrollenhet (dvs. mätosäkerheten temperatur med hjälp av nominella koefficienter inte kalibrering fastställas koefficienter ).

<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

Under de senaste åren har en push för att utveckla nya kisel fotoniska enheter för telekommunikation genererat en stor kunskapsbas som är nu att vara skuldsatt för att utveckla sofistikerade fotoniska sensorer. Silicon fotoniska sensorer försöka utnyttja den starka inneslutningen av ljus i nano-vågledare för att transduce förändringar i fysiska tillstånd till förändringar i resonansfrekvens. När det gäller thermometry orsakar thermo-optic koefficienten, dvs förändringar i brytningsindex beror på temperatur, resonansfrekvensen hos fotoniska enheten såsom en Bragg gallerdurk glida med temperatur. Vi utvecklar en svit av fotoniska enheter som utnyttjar senaste framstegen inom telecom kompatibel ljuskällor att fabricera kostnadseffektiva fotoniska temperatursensorer, som kan distribueras i en mängd olika inställningar alltifrån kontrollerade laboratorium förhållanden, till bullriga miljön av en fabriksgolvet eller en bostad. I detta manuskript detalj vi våra protokoll för tillverkning och provning av fotoniska termometrar.

Som visas i figur 2, ring resonator överföring spektra visar ett smalt dopp i överföringen motsvarar villkoret resonans. Resonans utkant skiftar till längre våglängder som temperaturen höjs från 20 ° C till 105 ° C i steg om 5 ° C. Överföring spektrumet monteras ett polynom funktion som stadens peak extraheras. Det polynom som passar konstaterades för att ge de mest konsekventa resultat i närvaro av en sluttande originalplan som kan göra en L...

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

Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

Vi beskriver processen för tillverkning och provning av fotoniska termometrar.

Tillverkning och provning av fotoniska termometrar

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 hjälpa till att övergå i området temperaturmetrologi från motståndsbaserad äldre teknik till frekvensbaserade mätningar. Den största fördelen med denna teknik är att vi kan utnyttja framsteg inom frekvens metrologi för att göra mer exakta mätningar samtidigt som man fabricerar enheter som övervinner de fysiska begränsningarna av nuvarande teknik såsom storlek och känslighet för mekanisk chock och miljöförändringar. Innebörden av denna teknik sträcker sig mot att förändra hur vi analyserar i USA och världen.En ultrastabil fotonisk termometer kommer att minska behovet av frekventa kalibreringar. Framtida utveckling av optomekaniska temperaturstandarder kan sätta kalibreringsstandarden i användarens händer vilket eliminerar behovet av specialiserade kalibreringsanläggningar. Generellt kommer individer nya till denna metod kamp eftersom det är en skärningspunkt mellan två divergerande fält som båda har sitt eget språk, krav teknik och specialiserade protokoll för att maximera resultatet.Varje ny användare måste lära sig att anpassa sig och anpassa sig till ibland konkurrerande krav. Till att börja med rengör en SOI-wafer enligt beskrivningen i det medföljande textprotokollet. Coat wafer med 20 till 50 milliliter MA-N 2405 negativ ton fotoresist.Snurra den på 4, 000 RPM i 60 sekunder och sedan överföra rån till en värmeplatta och grädda den i 90 grader Celsius i 15 minuter. Efter bakning, exponera fotoresisten till mönstret som visas här med hjälp av en vanlig E-balk litografi setup. Placera sedan wafer i MIF 319 utvecklare lösning och inkubera den i 60 sekunder.Överför det utvecklade rånet till vatten och skölj det i ytterligare 60 sekunder. Därefter utför en ICP RIE-etch av 220 nanometer tjockt kiselskikt för att ta bort det oskyddade kisel. Lös resistmasken i ren aceton i en timme, följt av en isopropanolsköljning.Skölj sedan wafer i 60 sekunder i avjoniserat vatten och torka wafer med hjälp av kväve. Placera nu wafer tillbaka i spin coater. Deponera en en nanometer tjock skyddande polymer film översta lagret på rån.Slutligen, tärna wafer med en wafer tärningssåg i 20 millimeters med 20 millimeter liten och lätt att hantera marker. Placera den fotoniska chip på sex-axeln scenen och orientera chip så att on-chip ingång och utgång hamnar är inriktade med V groove array. Slå sedan på vakuumsug genom på-scenen integrerad vakuumpumpningsport för att hålla chipet på plats.Använd den översta vyn digitalkamera för att lokalisera och placera de fotoniska enheter av intresse i mitten av sex-axeln scenen. Placera nu V-spårets hållares arm nära chipet och använd vakuumsug genom en integrerad pumpport för att hålla arrayen på plats. Med hjälp av sidovy digitalkameror som en visuell feedback, placera fiber array ovanför on-chip gradient couplers och höja scenen för att få fotoniska chip till inom 10 mikrometer av fiber array nedre kanten.Kanten på V groove fiber array bör vara ungefär inriktade inom 50 till 100 mikron noggrannhet i förhållande till on-chip inriktning märken. Detta tillvägagångssätt kommer med den optiska fibern inom en släktingnärhet av de motsvarande lutning couplersna. När chipet har varit ungefär i linje, aktivera den automatiserade sökningen för sex-axeln scenen.Denna algoritm söker efter maximal överföring av bredbandsljus genom chipens ingångs- och utdataportar. Det bör inte ta längre än 20 till 30 sekunder. När den optimala inriktningen uppnåtts, kontrollera enhetens bärkraft innan du fortsätter med bindning.Med hjälp av ett program som LabVIEW, styra på scenen integrerad modul för att termiskt cykla chip temperatur medan du registrerar spektrala svar. Analysera det inspelade spektra från laserspektrometern för att verifiera enhetens temperaturkänslighet. Sänk långsamt ner arrayen till chipens yta medan du tittar på digitalkameran för sidovyn.Därefter försiktigt placera epoxi-fyllda sprutan i närheten av fiber array's kant med hjälp av en annan XYZ mikron precision skede. En gång i position, dispensera en enda mikrodroppar av epoxi. Medan epoxihärdar, kör regelbundet den automatiserade anpassningsrutinen för att förhindra drift-inducerad förlust av signal.Efter epoxikurerna testar du den fotoniska spånprestandan och ljuskopplingseffektiviteten genom att registrera transmissionsspektra vid olika temperaturer. Ljuskopplingseffektivitet ökar typiskt efter bindningsprocessen. Använd ungefär ett milligram termiskt fett för att termiskt koppla ihop det fiberbundna fotoniska chipet till en liten kopparcylinder.Sänk sedan försiktigt ner spånkoppcylindern i ett glasrör. Väl i läge, tillbaka fylla glasröret med argon gas och försegla den med hjälp av en gummikork. Placera sedan den förpackade fotoniska termometern i en metrologitemperatur torr väl stabil till inom en mikro Kelvin.Med hjälp av det specialbyggda datorprogrammet, ställ in sedimenteringstiden för 20 till 30 minuter, antalet termiska cykler till minst tre och temperaturstegstorleken till mellan en och fem Celsius. Ställ också in antalet på varandra följande skanningar till minst fem och lasereffekten i nanowatt till microwatt-intervallet. Som visas här, visar ringen resonator transmission spektra en smal dopp i överföring som motsvarar resonansen skick vid varje temperatur.Resonansfran skiftar till längre våglängder som temperatur ökas från 20 Celsius till 105 Celsius i fem grader Celsius steg. Vår preliminära analys av den termiska cykling experiment tyder på att luftfuktigheten-inducerad förändringar i epoxi är sannolikt den största föraren av hysteres i förpackade fotoniska termometrar och att oförpackade enheter inte visar några betydande hysteres. Dessutom kan hysteres i den förpackade enheten förbättras genom att använda hydrofob epoxi som torkmedel till glasröret innan tätning en snävare tätning runt gummi kork glas korsningen.Samtidigt som man försöker detta förfarande, är det viktigt att komma ihåg att minimera eventuella kemiska kontaminering av proverna såsom fukt i det förpackade röret eftersom det kommer att allvarligt försämra mätnoggrannheten. Efter denna procedur, andra metoder som laser låsning eller dubbla frekvens kam spektroskopi kan utföras för att svara på ytterligare frågor om den långsiktiga stabiliteten hos dessa enheter, impuls lastning, och karakterisering av termiska fysiska egenskaper. Efter dess utveckling har denna teknik banat väg för forskare inom området för metrologi att utforska precisionsdrologi för andra fysikaliska och kemiska mängder såsom tryck, vakuum och spårgasanalys i inbyggda system.Glöm inte att arbeta med starka kemikalier i ett rent rum och starka ljuskällor såsom lasrar i labbet kan vara extremt farligt och försiktighetsåtgärder såsom användning av personlig skyddsutrustning såsom laserglasögon bör alltid tas när du utför denna procedur.

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

Tillverkning av Stor-området Fristående Ultratunna 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

Mikrobubbel Tillverkning av konkav-porositet PDMS Pärlor

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-mönster Guidad Tillverkning av hög densitet Barcode Antibody 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

Inverkan av Hybrid perovskit tillverkningsmetoder på filmbildning, elektronstruktur och solceller Prestanda

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

Syntes och testning av stödd Pt-Cu-fast lösning Nanopartikelkatalysatorer för propandehydrogenering

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

Tillverkning av sfäriska och mask-formade Micellar nanokristaller genom att kombinera elektrospray, självmontering och lösningsmedelsbaserade 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

Tillverkning och provning av katalytisk Aerogel redo Via snabba Överkritisk extraktion

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

Järn Nanowire tillverkning av Nano-porös anodiserad aluminium och dess 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

Tillverkning av tunnfilm silver / silverklorid elektroder med fint kontrollerade enda lager silverklorid

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 ...