[发明专利]基于“梳齿式”微流通道的SU‑8原子气室制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及芯片级原子钟原子气室的制备方法，具体为基于“梳齿式”微流通道的SU-8原子气室制备方法。

背景技术

导航、定位、授时(Positioning Navigation & Timing，PNT)是确定时间和空间的关键技术。全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）在国民经济建设和军事领域中极其重要，是综合国力和国际地位的战略标志。而芯片级原子钟是Micro PNT系统的“时空敏感”芯片，由于采用了CPT技术，其物理部分不需要谐振微波腔，可以进一步简化结构，具有精度高、体积小、功耗低的特点，在导航、通信和时频设备中具有广泛的用途。为了在新一轮的国际竞争中能够占有一定的地位，针对信息化战争中受限条件下定位、导航、授时的需求背景，构建基于北斗导航系统、微纳卫星的服务于国防建设的Micro PNT系统，有必要集中精力在芯片级原子钟技术方面取得突破性的进展。

芯片级原子钟最核心的是原子气室的制备，传统的原子气室通常采用“玻璃-硅-玻璃”的三层结构，这种传统的三明治结构为碱金属原子提供了两个光学窗口，可以确保光线顺利通过气室内部，并和其中的碱金属原子产生作用。但这种结构需要两次键合，制作工艺复杂，成本高，而且硅、玻璃键合温度较高，伴随着密封性和可靠性的问题。同时，这种堆叠结构的碱金属原子气室使空间难以被充分利用，增大了物理系统的体积，给原子钟的微型化带来了困难。因此，急需一种新的芯片原子钟微型原子气室的制备方法。

发明内容

本发明为了解决“玻璃-硅-玻璃”常规原子气室信噪比差、密封性不佳、制作工艺复杂等技术瓶颈问题，提出一种基于低温热键合工艺的SU-8聚合物制备同质原子气室的方法；同时，针对化学反应法制备铷单质时微流通道易堵塞的问题，提出“梳齿式”的微流通道的设计思想。

本发明是采用如下的技术方案实现的：基于“梳齿式”微流通道的SU-8原子气室制备方法，包括气室键合层基底的制作、“梳齿式”微流通道半封闭原子气室的制作、化学反应物的填充、气室热键合和化学反应生成元素，

其中气室键合层基底的制作包括以下步骤：

（1）将PDMS硅橡胶与固化剂按8:1的比例分别使用注射器抽取并注入到烧杯中完全混合，搅拌均匀，使PDMS硅橡胶与固化剂充分混合；

（2）将充分混合的PDMS混合液静置30min后放入真空干燥箱，去除混合后产生的气泡，逐渐降低真空干燥箱中的气压，当气压降到-0.05MPa时，等待30秒，然后继续降低真空干燥箱中的气压，当真空度达到-0.01MPa 时，等待10分钟，抽真空完毕；

（3）将抽好真空的 PDMS混合液缓慢浇铸在清洗干净的硅片上，静置10分钟；然后将硅片放到真空干燥箱里继续抽真空10分钟，直至完全去除掉倾倒的过程中产生的气泡；

（4）将抽好真空的硅片放入烘箱，设定固化温度在70-90℃之间，持续加热两小时并恒温保持至完全固化，等待至完全冷却后将PDMS从硅片上撕下即可得到所需的PDMS键合层基底（1）；

“梳齿式”微流通道半封闭原子气室的制作包括以下步骤：

（1）掩膜板的制作：利用L-edit软件，设计气室的平面尺寸与梳齿式微流通道的几何参数；

（2）匀胶：通过匀胶机将SU-8光刻胶旋涂于PDMS键合层基底（1）上，旋涂厚度700μm，旋涂时间9-15s、转速800rad/min；旋涂完成后静置半小时以上，利用SU-8光刻胶自平整能力使表面更加平整，得到SU-8光刻胶层（2），将SU-8光刻胶层（2）和PDMS键合层基底（1）分离；

（3）前哄：静置结束之后前烘，将SU-8光刻胶层（2）置于烘箱中进行前烘处理，采用阶梯烘的方式升高温度，先将温度升高到 65℃，保持30min，然后将温度升高至 95℃保持6小时；前烘完之后降温，在65℃保持约30min，然后随烘箱冷却，避免温度骤变导致SU-8光刻胶层（2）应力过大；

（4）曝光：结合微型原子气室的三维尺寸及光刻胶对不同波段的光的吸收率，采用400nm紫外光通过掩膜版对SU-8光刻胶层（2）进行分次曝光，每次曝光120s，间隔30s，每次曝光剂量不大于400mJ/cm²，光刻去除SU-8光刻胶层（2）上气室与“梳齿式”微流通道部分的胶层，即在SU-8光刻胶层（2）上得到第一气室、第二气室和连接第一气室与第二气室的“梳齿式”微流通道；