Fabrication et essai de thermomètres photoniques

Summary

Les auteurs décrivent le processus de fabrication et les essais des thermomètres photoniques.

Abstract

Ces dernières années, un coup de pouce pour le développement de nouveaux circuits photoniques pour les télécommunications a généré une vaste base de connaissances qui est maintenant étant accrue pour le développement de capteurs photoniques sophistiqués. Capteurs de photonique silicium cherchent à exploiter le confinement fort de la lumière dans les nano-guides pour transduce des changements dans l’état physique aux changements dans la fréquence de résonance. Dans le cas de la thermométrie, le coefficient de thermo-optique, c’est-à-dire, les changements dans l’indice de réfraction en raison de la température, provoque la fréquence de résonance du dispositif photonique comme un reseau de Bragg à dériver avec la température. Nous développons une gamme de dispositifs photoniques qui s’appuient sur les avancées récentes dans les sources de lumière compatible télécom pour fabriquer des thermosondes photoniques rentable, qui peuvent être déployés dans une grande variété de paramètres allant de laboratoire contrôlées conditions, à l’environnement bruyant d’un plancher d’usine ou d’une résidence. Dans ce manuscrit, nous détaillons notre protocole pour la fabrication et les essais des thermomètres photoniques.

Introduction

L’étalon-or pour la métrologie de la température, le thermomètre à résistance de platine, a été proposée par Sir Siemens en 1871 avec Callender¹ développe le premier périphérique en 1890. Depuis lors des progrès graduels dans la conception et la fabrication des thermomètres a livré une large gamme de température des solutions de mesure. Le thermomètre à résistance de platine standard (SPRT) est l’instrument d’interpolation pour réaliser l’échelle internationale de température (EIT-90) et sa diffusion à l’aide de la thermométrie de résistance. Aujourd’hui, plus d’un siècle après son invention, thermométrie résistance joue un rôle crucial dans les divers aspects de la technologie de l’industrie et tous les jours allant de la biomédecine à contrôle de processus de fabrication, à la consommation et de production d’énergie. Bien que les thermomètres à résistance industrielle bien calibré peuvent mesurer la température avec incertitudes aussi petits que 10 mK, ils sont sensibles aux chocs mécaniques, le stress thermique et les variables environnementales telles que les contaminants chimiques et l’humidité. En conséquence, les thermomètres à résistance exigent réétalonnages off-line périodiques (et coûteux). Ces limitations fondamentales de thermométrie de résistance ont produit un intérêt considérable dans le développement de capteurs de température photoniques² pouvant fournir semblable à mieux whislt de capacités de mesure étant plus robuste contre les chocs mécaniques . Une telle devcie fera appel à des laboratoires nationaux et industriels et ceux qui sont intéressés par la surveillance à long terme où dérive de l’instrument peut nuire à la productivité.

Ces dernières années une grande variété de nouveaux thermomètres photoniques ont été proposés, y compris les colorants photosensibles³, axée sur le saphir micro-ondes whispering gallery mode résonateur⁴, fibre optique capteurs^{5,6, 7}et sur puce silicium nano-photoniques capteurs^8,9,10. Au NIST, nos efforts visent à développer peu coûteux et facilement déployables, capteurs de température roman et standards qui sont facilement fabriqués à l’aide de technologies existantes, comme la fabrication compatibles CMOS. Un accent particulier a été l’élaboration de dispositifs photoniques de silicium. Nous avons démontré que ces appareils peuvent servir à mesurer la température sur la gamme de-40 ° C à 80 ° C et 5 ° C à 165 ° C avec les incertitudes qui sont comparables à des périphériques hérités⁸. De plus, nos résultats suggèrent qu’une interchangeabilité sur l’ordre de 0,1 ° C avec une incertitude est réalisable avec un meilleur appareil de contrôle de processus (c.-à-d. l’incertitude de mesure de la température en utilisant les coefficients nominales pas de calibrage déterminé les coefficients ).

Protocol

1. Fabrication de dispositifs Remarque : Gaufrettes de silicium des dispositifs photoniques peuvent être fabriqués à l’aide de silicium sur isolant (SOI) application technologie CMOS conventionnelle via photo – ou lithographie à faisceau d’électrons suivie d’ions réactifs plasma inductif etch (ICP RIE) de 220 nm d’épaisseur silicium au premier plan couche. Après etch ICP RIE les périphériques peuvent être haut-plaqué avec un film polymère mince ou SiO2 couche pro…

Representative Results

Tel qu’illustré à la Figure 2, les spectres de transmission de résonateur de bague montre un plongeon étroit en transmission correspondant à l’état de résonance. La frange de résonance déplacements aux longueurs d’onde plus longues que la température passe de 20 ° C à 105 ° C par incréments de 5 ° C. Le spectre de transmission est équipé d’une fonction polynomiale, d’où est extrait le centre de la crête. Le polynôme d’ajustement …

Discussion

L’objectif de cette expérience était de quantifier la réponse dépendant de la température d’un thermomètre photonique. Pour des mesures quantitatives de la température, il est prudent d’utiliser une source de chaleur stable comme un grade de métrologie profond sèche bien, capteurs de petit volume, assurer un bon contact thermique entre le puits et le capteur et minimiser la chaleur se perd dans l’environnement. Ces exigences sont remplies facilement par collage de fibres optiques à la puce, créant un a…

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