science >> Wetenschap >  >> Fysica

Husker-ingenieurs maken microscopische verwarmingsthermometer

Krediet:Universiteit van Nebraska-Lincoln

"Het is als een kleine oven."

Ingenieur Ming Han beschrijft een van de nieuwste wapenfeiten van zijn team:een laserverwarmde, glasvezelapparaat met siliciumtip dat 2 kan benaderen, 000 graden Fahrenheit, gaande van kamertemperatuur naar 300 graden in fracties van een seconde.

En door "klein, "Han betekent microscopisch - een tiende van een millimeter in diameter, ongeveer de dikte van een vel papier.

De verwarmingscapaciteit van het apparaat kan worden gebruikt in contexten die variëren van het bewaken van broeikasgassen tot het voorbereiden van monsters voor biologisch onderzoek tot het produceren van microbellen voor medische of industriële toepassingen. Het fungeert ook als een thermometer waarvan de prestaties bij extreme hitte het mogelijk zouden maken om de temperatuur te bewaken in de veeleisende omgevingen van motoren en krachtcentrales, zei Han.

"We hebben een elegante sensorstructuur met een zeer efficiënt verwarmingsmechanisme, " zei Han, universitair hoofddocent elektrotechniek en computertechniek. "Op andere apparaten het verwarmingselement en het temperatuurgevoelige element zijn over het algemeen twee verschillende elementen. Hier, we hebben beide geïntegreerd in dezelfde kleine structuur."

Het ontwerp is voortgekomen uit het eerdere werk van Han aan een glasvezeltemperatuursensor die geschikt is voor oceanografie. Net als het nieuwe ontwerp, die sensor bevatte een microscopisch kleine siliciumpilaar die was bevestigd aan het uiteinde van glasvezel - flexibele glasstrengen die lichtsignalen met extreme snelheden verzenden. Maar de lijm die het silicium en de glasvezel met elkaar verbond, zou zacht worden bij ongeveer 200 graden Fahrenheit, het gebruik ervan bij hogere temperaturen te beperken.

Het flinterdunne apparaat van het team gaat van kamertemperatuur naar witgloeiend. Krediet:Optics Letters / Guigen Liu

"Toen hadden we een doorbraak, "zei Han.

Na het opnieuw verlijmen van de glasvezel- en siliciumzuil met lijm, het team gebruikte een extreem hete boog van elektrische stroom - in wezen een aanhoudende bliksemschicht - om een ​​andere glasvezelstreng te versmelten met de andere kant van de pilaar. Het proces verzachtte tegelijkertijd de lijm aan de andere kant en maakte de originele glasvezelstreng los, waardoor alleen het nieuw gefuseerde apparaat overblijft.

Vanaf daar, Han's team voerde twee golflengten van licht door de glasvezel - een een 980 nanometer laser die wordt geabsorbeerd door het silicium, de andere een golflengte van 1550 nanometer die er doorheen gaat.

Omdat de geabsorbeerde laser warmte produceert, zijn op afstand bestuurbare stroom bepaalt de temperatuur van het apparaat. In de tussentijd, de bredere golflengten die het silicium binnenkomen, worden gedeeltelijk gereflecteerd door de twee uiteinden van de pilaar en beginnen met elkaar te interfereren. Die interferentiepatronen veranderen met de temperatuur van het silicium, waardoor hun uitlezingen een nauwkeurige en responsieve thermometer zijn.

Han en mede-ontwerper Guigen Liu, een postdoctoraal onderzoeker in elektrotechniek en computertechniek, zei dat het vermogen van het apparaat om een ​​breed scala aan golflengten in het nabije tot ver-infrarode bereik te genereren, vooral nuttig zou kunnen zijn bij het detecteren van gassen op basis van hoe ze met die golven omgaan. En de mogelijkheid om de temperatuur te meten en aan te passen, Han zei, geeft het apparaat een functionele veelzijdigheid die ongeëvenaard is door bestaande microverwarmers.

"We hebben nog veel werk te doen om het beter te maken, " zei hij. "Maar dit is een veelbelovende technologie die veel opwindende toepassingen heeft."