Fabbricazione e collaudo di termometri fotonici

Summary

Descriviamo il processo di fabbricazione e collaudo di termometri fotonici.

Abstract

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.

Introduction

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 sensori^{5,6, 7}e il chip di silicio nano-fotonica sensori^8,9,10. 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 ).

Protocol

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…

Representative Results

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…

Discussion

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…

Materials

Packaging process
6-axis stage	PI instruments
video cameras
epoxy dispensation system
Fiber array
Temperature Measurement
Metrology Well	Fluke	9170	Dry well stable to better than .01 K
Laser	Newport	TLB6700	1520-1570 nm tunable laser
Wavemeter	HighFinesse	WS/7	100 Hz wavemeter
Power meter	Newport	1936-R	power meter with broad range