[发明专利]具有原子蒸气腔室的MEMS器件及其形成方法

说明书

技术领域

本发明属于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术领域，具体涉及一种具有温度控制特性的具有原子蒸气腔室的MEMS器件及其形成方法。

背景技术

随着近年来微纳米加工工艺和技术的发展，微机电系统(MEMS)技术取得了突飞猛进的突破。MEMS技术通过将光、机、电等多系统微型化集成，在国防航天、高速通信、精密测量等领域发挥重大作用。正因如此，MEMS技术可将传统的原子态器件小型化，使得具有低功耗、小尺寸、高稳定度的原子器件不断涌现，其中以原子钟、原子陀螺仪以及原子磁强计为代表。

基于相干布居囚禁(Coherent Population Trapping，CPT)原理和MEMS技术的芯片级原子钟，是一种典型的原子态器件，其物理部分的核心是碱金属蒸气腔室，即碱金属原子与激光作用的反应腔室。碱金属蒸气腔室需要满足一定的工作条件，诸如温度、磁场、蒸气压等。目前国内外有多家研究机构开展了对于芯片级原子钟尤其是碱金属蒸气腔室的制备工艺、封装技术、系统集成等探索。2002年，在美国国防部的资金支持下，国家标准与技术研究院(NIST)开展了芯片级原子钟研究计划，并由迅腾公司(Symmetricom)在2011年研制成功商用型SA.45s型原子钟，重量35g，功耗115mW，体积约10cm³，1秒频率稳定度达到2.5×10^-10。2014年4月，世界上首款基于芯片级原子钟的原子腕表问世，1秒频率稳定度达到3×10^-11。欧盟于2008年研究起步，已实现低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)封装、垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)、蒸气腔室、系统集成等技术突破，研制出小型化样机。国内方面，由中科院武汉物理与数学研究所在2006年研制成功CPT原子钟样机，尚未使用MEMS技术。

目前国内涉及原子蒸气腔室温度控制与工艺实现的专利主要如下。中国东南大学：圆片级片上集成微型原子钟芯片及其制备方法(CN2011/102495545A)。东南大学涉及的专利所采用的原子蒸气腔室加热装置为腔室底部周围环绕圆环形金属电阻，加工工艺简单，缺少合适的温度测量、温度控制装置和系统，并且圆环形电阻加热时的恒定电流，将产生平行于光路的电流磁场，干扰CPT现象的发生。中国北京航空航天大学：一种MEMS原子腔芯片及其制备方法(CN 2010/101774529A)。北京航天航空大学涉及的专利，采用热隔离环和射频线圈、肋片型电阻等方式，对减少功耗、提高加热效率有较大作用；缺少基本温度测量、温度控制装置，加热时电阻的电流磁场没有消除，且电阻材料不透明，影响碱金属原子与光的作用，最终将导致长期的谱线漂移。霍尼韦尔国际公司：蒸气室原子钟物理封装(CN2012/102830608A)。

MEMS原子蒸气腔室温度控制的关键问题之一是：保证腔室的透光和弱磁环境。首先，根据相干布居囚禁原理，必须保证碱金属原子与入射光最大程度作用，而加热、测温装置的布置位置若不恰当，会影响光线传播，导致CPT现象的减弱。其次，由于CPT共振线的分离需要的磁场较小，在屏蔽外界地磁场、外界电磁波后，加热、测温装置的电流附加磁场，作用于腔室，将影响相干布居囚禁现象的发生和信号的测量，从而给MEMS原子蒸气腔室温度控制带来很大困难。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种具有温度控制特性的具有原子蒸气腔室的MEMS器件及其形成方法。

有鉴于此，本发明第一方面提出了一种具有温度控制特性的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，可以包括：硅衬底，所述硅衬底中具有至少一个窗口；相同的第一玻璃基片和第二玻璃基片，所述第一玻璃基片位于所述硅衬底之上，所述第二玻璃基片位于所述硅衬底之下，其中，所述窗口与所述第一玻璃基片和第二玻璃基片形成密封的原子蒸气腔室，所述原子蒸气腔室中具有碱金属材料；加热线圈，所述加热线圈由透明导电材料构成，位于所述第一玻璃基片上表面中所述窗口对应处以及第二玻璃基片下表面中所述窗口对应处二者中至少之一；以及加热电极，所述加热电极与所述加热线圈相连。