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.
