[发明专利]有光入射平面的微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微电子机械系统)芯片及其制造技术，尤其有光入射平面的微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法。

背景技术

目前原子钟是最精准的人造钟，原子钟测量时间的精确度可以达到十亿分之一秒甚至更高。原子钟量子跃迁的特殊类型是超精细跃迁，超精细跃迁涉及原子核磁场和核外电子磁场的相互作用。从原理上讲，原子钟的原理已经基本清楚，目前发展的主要方向有两个方面：一方面提高原子钟在精度方面的性能；另一方面，就是在保证其性能的前提下将其小型化。目前，世界上最精准的原子钟在美国科罗拉多，其体积有一辆小汽车那么大。GPS和通信卫星等对于原子钟有迫切的需求，因此如何减小体积和重量，同时降低其功耗，并具有较高的准确度和稳定度，是目前的主要技术挑战。

现有部分芯片级原子钟设计，采用中间为通孔硅片两边为玻璃的三明治结构作为原子腔，然后在其上下设有原子钟的其它部件。这种方法的缺点在于，原子腔需要两次键合，因此其键合的密封效果将会降低，工艺也更加复杂，成本更高。另一方面这种方案采用堆叠式结构，容易造成体积庞大，组装较为困难，增加了设计的复杂性。还有一种设计时在单面腐蚀的硅槽内设有反光面，因此激光进入玻璃腔内被反射出来，从而检测原子的超精细跃迁。这种方法设计的问题在于组装较为复杂，同时对于反光面的设计要求较高，因此成本较高。因此，如何获得一种体积小、成本低的方案将会至关重要。

此外，在微型原子钟的设计中，原子腔体积需要大大缩小，因此将会导致有效信号减弱，从而影响探测的精度、灵敏度和可靠性。信号的强度将大大影响原子钟芯片的灵敏度、耐久性等，因此，在微型原子钟设计过程中，如何尽量增大信号强度，至关重要。

 

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本、高性能、体积小的有光入射平面的微型原子腔、微型原子钟芯片及制备方法。

本发明采用如下技术方案：一种有光入射平面的微型原子腔，包括硅衬底和硼硅玻璃组装圆片，形成于硼硅玻璃组装圆片表面的玻璃微腔与硅衬底键合形成密闭玻璃原子腔，密闭玻璃原子腔中充有原子钟所必须的物质，在玻璃微腔侧面上设有光入射平面，所述光入射平面的法线方向与硼硅玻璃组装圆片的法向垂直。

一种有光入射平面的微型原子腔的制备方法，包括如下步骤：在硅衬底上刻蚀形成微槽阵列，在所述微槽阵列内放置原子钟所必须的物质和氢化钛，将上述刻有微槽的硅衬底与硼硅玻璃组装圆片在氮气气氛下进行键合，使硼硅玻璃组装圆片与上述刻蚀有所述微槽阵列的硅衬底形成密封腔体；在上述键合好的硼硅玻璃组装圆片表面对应于微槽的位置垂直放置硅片模具，然后在空气中加热至820℃~900℃，保温10~20min，氢化钛放出气体与腔内膨胀的氮气一起使得软化后的玻璃成型形成玻璃微腔从而得到内部含有原子钟所必须物质的密闭玻璃原子腔，同时，软化成型后的玻璃微腔与所述垂直放置的硅片模具接触挤压，从而在玻璃微腔的侧面形成平面，冷却，去除玻璃微腔侧面的硅片模具，得到带有光入射平面得微型原子腔。

所述原子钟所必需的物质为铷或铯。

一种微型原子钟芯片，包括激光发生器、滤波器、四分之一波片、激光探测器和所述的具有光入射平面的微型原子腔，激光发生器、滤波器、四分之一波片激光探测器均组装于硼硅玻璃组装圆片上，它们的中心与玻璃微腔的中心位于同一根光轴上，激光发生器位于密闭玻璃原子腔设有光入射平面的一侧，在激光发生器与光入射平面之间还依次设有滤波器和四分之一波片，激光发生器发出的激光经过滤波器、四分之一波片，通过光入射平面进入密闭玻璃原子腔，再出射后，被激光探测器探测到，玻璃微腔周围还设有加热器，上述加热器、激光发生器和激光探测器均设有与外界连接的引脚。

一种所述微型原子钟芯片的制备方法，包括以下步骤：

第一步，采用所述方法制备具有光入射平面的微型原子腔；

第二步，在所述玻璃微腔周围的硼硅玻璃组装圆片上制备加热器，所述的加热器是金属电阻丝；

第三步，将激光发生器，激光探测器，滤波器和四分之一波片分别组装到硼硅玻璃组装圆片相应的位置上并与密闭玻璃原子腔位于同一条光轴上，激光发生器发出的激光经过滤波器、四分之一波片和密闭玻璃原子腔后能够被激光探测器所探测到；

第四步，制备加热器、激光发生器和激光探测器的引脚，并分别与电源及处理电路相连接。