Husker-ingeniører laver mikroskopisk varme-termometer

"Det er som en lillebitte ovn."

Ingeniør Ming Han beskriver en af ​​sit teams nyeste bedrifter:en laseropvarmet, silicium-tipet fiberoptisk enhed, der kan nærme sig 2, 000 grader Fahrenheit, går fra stuetemperatur til 300 grader på brøkdele af et sekund.

Og ved "lille, "Han betyder mikroskopisk-en tiendedel af en millimeter i diameter, nogenlunde tykkelsen af ​​et ark papir.

Enhedens opvarmningsevne kan finde anvendelse i sammenhænge, ​​der spænder fra overvågning af drivhusgasser til forberedelse af prøver til biologisk forskning til fremstilling af mikrobobler til medicinske eller industrielle applikationer. Det fungerer også som et termometer, hvis ydeevne ved ekstrem varme ville tillade det at overvåge temperaturen i de krævende miljøer på motorer og kraftværker, Sagde Han.

"Vi har en elegant sensorstruktur med en meget effektiv varmemekanisme, " sagde Han, lektor i el- og computerteknik. "I andre enheder, varmeelementet og det temperaturfølende element er generelt to forskellige elementer. Her, Vi har integreret begge dele i den samme lille struktur. "

Designet udviklede sig fra Han's tidligere arbejde med en fiberoptisk temperatursensor, der er egnet til oceanografi. Ligesom det nye design, den sensor havde en mikroskopisk siliciumsøjle fastgjort til enden af ​​fiberoptik-fleksible glasstrenge, der transmitterer lyssignaler ved ekstreme hastigheder. Men limen, der bandt silicium og fiberoptik, ville blødgøre ved cirka 200 grader Fahrenheit, begrænser brugen ved højere temperaturer.

”Så fik vi et gennembrud, "Sagde Han.

Efter igen at have limet fiberoptikken og siliciumsøjlen med lim, holdet brugte en ekstremt varm lysbue-hovedsagelig et vedvarende lyn-til at smelte en anden fiberoptisk streng med den modsatte side af søjlen. Processen blødgjorde samtidig limen på den anden side og løsnede den originale fiberoptiske streng, efterlader kun den nyligt smeltede enhed.

Derfra, Hans team fodrede to lysbølgelængder gennem fiberoptikken-den ene en 980-nanometer laser, der absorberes af silicium, den anden en 1550 nanometer bølgelængde, der passerer gennem den.

Fordi den absorberede laser producerer varme, dens fjernstyrede effekt dikterer enhedens temperatur. I mellemtiden, de bredere bølgelængder, der kommer ind i silicium, reflekteres delvist af de to ender af søjlen og begynder at forstyrre hinanden. Disse interferensmønstre ændres med siliciumets temperatur, gør deres aflæsninger til et præcist og lydhørt termometer.

Han og co-designer Guigen Liu, en postdoc forsker i elektro- og computerteknik, sagde, at enhedens evne til at generere et bredt skår af bølgelængder i nær- til fjern-infrarødt område kunne vise sig særlig nyttig til at detektere gasser baseret på, hvordan de interagerer med disse bølger. Og evnen til at måle og justere dens temperatur, Han sagde, giver enheden en funktionel alsidighed, der ikke kan matches af eksisterende mikrovarmere.

"Vi har stadig meget arbejde at gøre for at gøre det bedre, "sagde han." Men det er en meget lovende teknologi, der har mange spændende applikationer. "