CN102205941A - 基于mems工艺的微型原子腔器件的气密性封装及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微机电系统(MEMS)制造工艺的微型原子腔气密性封装结构与方法。其特征在于应用MEMS工艺制作的微型原子腔通过支撑结构放置于玻璃或金属密封缓冲腔中，改善微型原子腔的气密性，从而提高基于微型原子腔的器件如微型原子钟等的寿命和稳定性。本发明的关键在于玻璃或金属缓冲腔结构，缓冲腔内抽真空或充入与微型原子腔内气体成分、压强接近的缓冲气体，微型原子腔器件引线穿过缓冲腔实现气密性引出。这种封装结构及方法能够有效降低微型原子腔与外界的泄漏率，解决了微型原子腔器件的寿命短的技术问题。本发明所涉及的气密封装结构，特别适合在低功耗、微小体积的微型原子钟、微型原子磁强计、微型原子陀螺仪等微型原子腔器件的应用。

Description

基于MEMS工艺的微型原子腔器件的气密性封装及方法

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS工艺的微型原子腔器件的气密性封装结构及方法，属于微电子机械系统(MEMS)器件制作与封装领域，以及原子物理器件领域。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)技术的发展产生了一系列微细加工工艺技术，使得微型化器件的制造发生了根本变化，可以制造的微型化器件的种类得到了很大的拓展，可以实现电子、机械、光学、流体、化学、生物等技术的集成制造，即可以实现芯片级的微系统，实现多样化的微型化器件或微系统。这些微型化器件具有体积小、功耗低的特点，同时MEMS批量化制造工艺可以使得制造成本更低，MEMS集成化制造工艺可以集成更多的功能。MEMS技术使各种器件的微型化、多功能化和低成本化成为发展的必然趋势，正在发展成为继微电子之后的重要的工业技术。原子物理技术与MEMS技术结合产生了多种新技术，如微型原子钟、微型原子磁强计、微型原子陀螺仪等微型原子腔器件，其共同的特点是采用MEMS技术制造微型真空腔体，并在腔体中充入碱金属原子蒸汽和缓冲气体，通过激光与原子的相互作用实现各种功能。

微型原子钟是目前研究、开发非常活跃的微型原子腔器件。基于MEMS工艺的微型化原子钟克服了传统原子钟的缺点，具有体积小、功耗低、可批量化制造等优点，可用于各种需要高精度时间频标的便携式设备，如便携式高精度精确GPS定位和导航系统、高带宽保密通信中的手持双向无线电等，具有广阔的应用前景。微型原子钟是目前国际上的热点研究方向，美国霍尼韦尔航空航天研究实验室2007年提出的基于MEMS技术的微型原子钟总体积1.7cm³，总功率预算57mW，1小时阿伦偏差为5×10^-12。而国内在微型原子钟研究领域目前还处于起步阶段，有数家单位正在开展原型样机的研发。(参考文献：1.D.W.Youngner，L.M.Lust，D.R.Carlson，et al.，A manufacturable chip-scale atomic clock[C]，in Transducers′07&Eurosensors Xxi，Digest of Technical Papers，Vols 1 and 2，New York，2007，pp.U23-U25.2.J.Su，K.Deng，D.Guo，et al.，Stable 85Rb micro vapour cells：fabrication based on anodic bonding and application in chip-scale atomic clocks[J]，Chinese Physics B，vol.19，p.110701，2010.)

基于MEMS工艺的微型原子钟技术中，MEMS工艺制造的微型气体原子腔是微型化的关键部分。微型原子腔内密封的碱金属(铷或铯)原子蒸气和混合缓冲气体，为了实现光与原子的相互作用，要求微型原子腔在某一方向能够透过激光，如图1所示。目前制造微型原子腔的主流技术是硅-玻璃阳极键合工艺。阳极键合得到的微型原子腔体体积为立方毫米量级，用通用的氦气检漏的方法测得的极限泄漏率为10^-9atm.cc.s^-1量级。而保证微型原子钟气体腔不漏气是其正常工作的必要条件，如果微型原子腔发生极微小的漏气，由于腔体体积仅数立方毫米，腔体内部的无氧密封环境受到破坏，碱金属原子蒸汽发生氧化，原子钟将失效，缩短了微型原子钟寿命。与此同时，极微小的漏气还会导致内部缓冲气体成分发生较大的改变，微型原子钟的频率稳定度发生漂移，使其性能下降。对于微型原子钟来说，由于其微型原子腔体积很小，具有应用价值的微型原子钟的泄漏率需要低于10^-13atm.cc.s^-1量级，这对MEMS硅-玻璃阳极键合工艺制造的微型原子腔来说是极大的技术挑战。(参考文献：Y.Tao，A.P.Malshe，Theoretical investigation on hermeticity testing of MEMS packages based on MIL-STD-883E[J]，Microelectronics Reliability，vol.45，pp.559-566，Mar-Apr 2005.)本发明拟提出一种大幅度提高键合原子腔气密性能的封装结构及方法，在满足微型原子钟寿命和稳定性的同时，可以降低对阳极键合微型原子腔的气密性能技术要求，从而解决了微型原子钟制造面临的微型原子腔的气密性困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MEMS工艺的微型原子腔器件的气密性封装与实现方法。

本发明首先提供一种基于MEMS工艺的原子腔气密性封装结构。其特征在于应用MEMS工艺制作的微型原子腔通过支撑结构放置于应用玻璃熔融吹制工艺制作的密封玻璃缓冲腔或平行封焊技术制作的密封金属管壳缓冲腔中。本发明的关键在于采用玻璃或金属管壳缓冲腔的封装结构及制作封装上。具体如下：

1.微型原子腔通过微细加工技术得来，通常内充所需要的作用物质和缓冲气体。如微型原子钟的碱金属气体原子腔即是通过微细加工中的光刻、腐蚀、阳极键合等工艺制作得到，并在其中充入碱金属原子蒸汽(如铷或铯金属蒸汽)和缓冲气体。

2.微型原子腔器件除了原子腔之外还包含外围处理电路及其他物理部分。如微型原子钟器件就包含碱金属气体腔，光学系统，温控系统，控制电路等。

3.原子腔器件可以通过一定支撑方式放置在玻璃熔融吹制工艺制作的玻璃缓冲腔中或者平行封焊工艺制作的金属管壳缓冲腔内，如图2所示。支撑方式可以是支撑框架或直接粘结。

4.必要时缓冲腔要抽真空或者充入缓冲气体，所述的缓冲气体指充入与微型原子腔内气体成分相同、压强接近的缓冲气体，或充入碱金属原子蒸汽，或同时充入缓冲气体与碱金属原子蒸汽。并放置吸气剂，吸收氧气等活性气体，保证器件所需气氛。同时将原子腔器件的信号引线引出缓冲腔外。

本发明提供的微型原子腔气密性封装结构的缓冲腔内如果根据设计需要放入吸气剂材料，吸气剂材料可以是蒸散型吸气剂包括金属镁、钡、铝、钙和碱金属、非金属磷等，或者非蒸散型吸气剂如锆及其复合物，形状可以做成薄膜或者体积型。缓冲腔的制造、充气及密封方法，采用不同的缓冲腔材料、吸气剂、碱金属蒸汽及缓冲气体成分等都有不同的流程。本发明采用的制造工艺分为玻璃熔融工艺和金属管壳平行封焊工艺，此两种工艺均为现有成熟工艺。

本发明具有如下优点：

1.本发明提出的微型原子腔的气密性封装结构设计方便，工艺简单，成本低廉，适合于微型原子腔制造便携式器件的批量整体封装。

2.采用本发明的缓冲腔或带吸气剂的真空缓冲腔改善微型原子腔气密性的方法，有效地降低原子腔与外界的泄漏率，提高了原子腔的气密性，从而提高了微型原子腔的寿命，并提高器件的可靠性。

3.采用本发明的缓冲腔可以大幅度降低维持微型原子腔工作温度的功耗。

本发明的应用范围包括：

1.本发明提出的微型原子腔气密性封装结构方案，适用于基于微型原子腔的多种微型原子腔器件的封装，包括下述微型原子磁强计和微型冷原子陀螺仪特别是微型原子钟的应用。

2.微型原子磁强计应用。利用微型原子腔充入碱金属蒸汽和缓冲气体制作的毫米级尺寸的高灵敏度微型原子磁强计具有灵敏度高、功耗低、尺寸小、可响应低频和高频的磁信号的优点，可广泛应用于需要高灵敏度磁场探测的应用，如磁探矿、磁导航、心磁探测、安全检测、潜艇探测等。微型原子磁强计可以实现批量化的制造，这将大大减少制造费用。本发明提出的微型原子腔气密性封装结构方案可以改善微型原子磁强计器件的气密性从而改善寿命。

3.微型冷原子陀螺仪应用。微型冷原子陀螺仪是微型原子腔的另一个应用，陀螺仪在航海、航空、航天、军事导航、人机交互等领域具有广泛应用。目前常用陀螺仪有机械陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等，传统机械陀螺精度高但体积大，光纤陀螺可以做到精度较高体积也较小但价格昂贵，微机械陀螺体积很小但精度不高。利用微型原子腔制作的微型冷原子陀螺仪，基于原子波动性形成干涉，利用萨格奈克效应测量转动精度，其精度和分辨率相对光纤陀螺大幅度提高，是下一代的高精度陀螺，具有很高的应用价值。采用MEMS技术实现原子陀螺仪，不仅体积小、功耗低，而且成本低，具有良好的应用前景。而本发明提出的微型原子腔气密性封装结构方案亦可以改善微型原子陀螺仪的气密性及寿命。

除微型原子钟外，基于微型原子腔的原子物理器件还有微型原子磁强计，微型原子陀螺仪等。在这些器件中，MEMS工艺制造的微型原子腔的气密性是其技术关键。解决微型原子腔的气密性问题可以通过提高MEMS硅-玻璃阳极键合工艺的气密性，但目前在技术上难度极大，即使通过改进工艺技术可以达到微型原子腔的气密性要求，极高的技术要求也将导致成品率不高。解决问题另一个途径是，采用新的封装技术来降低微型原子腔的等效泄漏率，有效、巧妙地解决基于微型原子腔的原子物理器件的气密性难题。本发明提供的微型原子腔气密封装结构采用气密缓冲腔，可以将微型原子腔的等效泄漏率降低3-5个数量级，而且可以降低维持微型原子腔工作温度的功耗，对研究、开发基于微型原子腔的原子物理器件具有重要价值。

附图说明

图1a、图1b为本发明之MEMS键合原子腔示意图和透视图。

图2为本发明之微型原子腔添加聚酰亚胺支撑结构透视图。

图3为本发明之微型原子腔通过支撑结构放入玻璃缓冲腔的气密性封装结构透视剖面图。

图4a为本发明之微型原子腔采用玻璃缓冲腔的气密性封装结构俯视图，图4b为本发明之微型原子钟采用玻璃缓冲腔的气密性封装结构侧视图。

图5为本发明微型原子钟采用可伐金属管壳缓冲腔气密性封装结构及其采用的平行封焊工艺示意图。

具体实施方式

本发明可以采用多种方式实施，这里提供两个具体实施例阐述本发明实质性特点和显著进步，但本发明不仅局限于介绍的实施例。

实施例1：

该实施例为微型原子钟采用本发明的气密封装结构，缓冲腔材料采用玻璃，缓冲腔内气氛为与原子腔类似的碱金属蒸汽和缓冲气体，玻璃加工工艺采用熔融工艺。其制作流程如下：

(1)MEMS工艺制作原子腔。原子腔的形状可以是长方体或圆柱体，也可以是其它形状，尺寸大小在1-5mm之间。本实例中先在厚硅片(厚0.5-2mm)上刻蚀出2×2mm的方孔并与Pyrex玻璃(厚约0.5mm)键合，在腔体中充入碱金属蒸气和混合缓冲气体，再将硅片的另一面与Pyrex玻璃第二次键合，最后划片分离出MEMS原子腔体。如图1b所示。

(2)集成微光学系统和温控系统的微型原子钟物理系统的制作。微光学系统包括垂直腔发射激光器(VCSEL)、滤光镜、聚焦准直透镜、1/4波片和反射镜等。温控系统则是金属铂或多晶硅等材料制作的平面薄膜线圈，包括加热部分和温度检测部分，采用MEMS金属溅射和刻蚀工艺制作。该部分不属于本发明的核心部分，故附图中简化。

(3)集成了外围电路的微型原子钟的制作。将微型原子钟物理系统与原子钟外围集成电路融合。

(4)聚酰亚胺悬挂结构的制作与安装。用硅片作为支撑架，在硅片表面制作聚酰亚胺图层并刻蚀出弹性悬挂带的形状，同时在聚酰亚胺悬挂带上制作金属引线和焊盘，便于将原子钟信号引出。将两片相同的带聚酰亚胺悬挂带的硅支架以一定的预应力支撑起微型原子钟，并将硅支架键合连接。支撑结构如图2所示，支撑结构上的引线如图4a俯视图所示。

(5)玻璃缓冲腔的制作。缓冲腔的形状为一圆柱体，如图3所示，圆柱长与截面直径的比例约为1∶1，长度范围10-20mm。截取直径10mm的圆柱管材长为10mm的一段，其中一端截面用火焰或激光熔融密封并在腔壁上粘结体积型锆吸气剂，放入微型原子钟及支撑结构及后，引线从未密封的另一端截面引出，用火焰或激光熔融的方法将未密封端面熔融封口，但预留一直径约1mm的小口作为碱金属蒸汽和混合缓冲气体的充气通道。如图4a俯视图所示。

(6)微型原子钟内腔及缓冲腔内的碱金属蒸汽及混合缓冲气体的配比。碱金属蒸汽通过碱金属化合物化学反应生成，如BaN₆+RbCl→Rb+BaCl+3N₂，缓冲气体是由Ar和N₂以1∶1.5至1.5∶1的比例混合而成。

(7)碱金属蒸汽和混合缓冲气体通过充气系统充入缓冲腔。先用两级真空泵(机械泵+分子泵)将缓冲腔抽真空，再通过充气循环系统将事先配比好的混合缓冲气体及碱金属蒸汽充入缓冲腔。

(8)火焰或激光熔融密封已充气的缓冲腔。充气的同时观察气路中各处的压强，当缓冲腔内的气压达到微型原子钟的要求时，将充气阀门关闭，并用火焰或CO₂激光熔融将事先预留的缓冲腔通气管道封闭。

实施例2：

该实施例为微型原子钟采用本发明的气密封装结构，缓冲腔材料采用可伐金属管壳，缓冲腔内抽真空，金属管壳采用平行封焊工艺密封。其制作流程如下：

步骤(1)、(2)和(3)同实施例1中(1)、(2)和(3)。

(4)平行封焊前的准备。要焊接的可伐金属管壳缓冲腔的形状为一长方体，底座上自带达到密封性要求的引线管脚，如图5所示，长方体长宽尺寸范围10-20mm，高5mm。将带外围电路的原子钟芯片悬挂在金属管壳底座内，同时在底座壁上粘结体积型锆吸气剂，清洗器件表面的氧化物、污垢、油和其他杂质。用打线机将原子钟器件的引线与金属管壳内的焊盘连接起来。

(5)平行封焊制作真空可伐金属缓冲腔。平行封焊机抽真空，然后采用先电焊再两对边封焊的程序对可伐金属管壳进行真空封焊，如图5所示。

Claims (10)

1.一种基于MEMS工艺的微型原子腔器件气密性封装结构，包括微型原子腔、外围电路和微型光路组成，其特征在于所述的微型原子腔通过支撑框架式直接粘结方式放置在玻璃或金属缓冲腔内。

2.如权利要求1所述的结构，其进一步的特征在于微型原子腔采用光刻、腐蚀、阳极键合微细加工工艺制作得到气密性腔体，腔内充有碱金属原子蒸汽和缓冲气体。

3.如权利要求1所述的结构，其进一步的特征在于用于气密性封装的玻璃或金属缓冲腔内充入与微型原子腔内气体成分相同、压强接近的缓冲气体，或充入碱金属原子蒸汽，或同时充入缓冲气体与碱金属原子蒸汽。

4.如权利要求1所述的结构，其进一步的特征在于用于气密性封装的玻璃或金属缓冲腔内或是真空。

5.如权利要求1或3所述的结构，其进一步的特征在于用于气密性封装的玻璃缓冲腔或金属缓冲腔放置吸气剂。

6.如权利要求1所述的结构，其进一步的特征在于：

①用于气密性封装的玻璃或金属缓冲腔具有气密性信号引线，将微型原子腔器件的电信号引出缓冲腔外；

②微型原子腔的等效池漏率降低3-5个数量级。

7.按权利要求5所述的结构，其特征在于：

①所述的吸气剂为包括镁、钡、铝、钙、碱金属或非金属磷在内的蒸散型吸光剂和包括锆及其复合物在内的非蒸散型吸气剂；

②所述的吸气剂呈薄膜型或体积型。

8.制作如权利要求1-4或6中任一项所述结构的方法，其特征在于由下面两种方法中任一种：

方法A：缓冲腔材料采用玻璃，缓冲腔内气氛为与原子腔类似的碱金属蒸汽和缓冲气体，玻璃加工工艺采用熔融工艺，其制作流程如下：

(1)MEMS工艺制作原子腔：原子腔的形状为长方体或圆柱体，先在硅片上刻蚀出2×2mm的方孔并与Pyrex玻璃键合，在腔体中充入碱金属蒸气和混合缓冲气体，再将硅片的另一面与Pyrex玻璃第二次键合，最后划片分离出MEMS原子腔体；

(2)集成微光学系统和温控系统的微型原子钟物理系统的制作：所述的微光学系统包括垂直腔发射激光器、滤光镜、聚焦准直透镜、1/4波片和反射镜，温控系统则是金属铂或多晶硅等材料制作的平面薄膜线圈，包括加热部分和温度检测部分，采用MEMS金属溅射和刻蚀工艺制作；

(3)集成了外围电路的微型原子钟的制作：将微型原子钟物理系统与原子钟外围集成电路融合；

(4)聚酰亚胺悬挂结构的制作与安装：用硅片作为支撑架，在硅片表面制作聚酰亚胺图层并刻蚀出弹性悬挂带的形状，同时在聚酰亚胺悬挂带上制作金属引线和焊盘，便于将原子钟信号引出；将两片相同的带聚酰亚胺悬挂带的硅支架以一定的预应力支撑起微型原子钟，并将硅支架键合连接；

(5)玻璃缓冲腔的制作：缓冲腔的形状为一圆柱体，圆柱长与截面直径的比例约为1∶1，长度范围10-20mm；截取直径10mm的圆柱管材长为10mm的一段，其中一端截面用火焰或激光熔融密封并在腔壁上粘结体积型锆吸气剂，放入微型原子钟和支撑结构及后，引线从未密封的另一端截面引出，用火焰或激光熔融的方法将未密封端面熔融封口，并预留一小口作为碱金属蒸汽和混合缓冲气体的充气通道；

(6)微型原子钟内腔及缓冲腔内的碱金属蒸汽及混合缓冲气体的配比：碱金属蒸汽通过碱金属化合物化学反应生成；

(7)碱金属蒸汽和混合缓冲气体通过充气系统充入缓冲腔：先用机械泵和分子泵两级真空泵将缓冲腔抽真空，再通过充气循环系统将事先配比好的混合缓冲气体及碱金属蒸汽充入缓冲腔；

(8)火焰或激光熔融密封已充气的缓冲腔：充气的同时观察气路中各处的压强，当缓冲腔内的气压达到微型原子钟的要求时，将充气阀门关闭，并用火焰或CO₂激光熔融将事先预留的缓冲腔通气管道封闭；

方法B：缓冲腔材料采用可伐金属管壳，缓冲腔内抽真空，金属管壳采用平行封焊工艺密封。其制作流程如下：

步骤(1)、(2)和(3)同方法A中(1)、(2)和(3)；

(4)平行封焊前的准备：要焊接的可伐金属管壳缓冲腔的形状为一长方体，底座上自带达到密封性要求的引线管脚，将步骤3制作好的带外围电路的原子钟芯片悬挂在金属管壳底座内，同时在底座壁上粘结体积型锆吸气剂，清洗器件表面的氧化物、污垢、油和其他杂质；用打线机将原子钟器件的引线与金属管壳内的焊盘连接起来；

(5)平行封焊制作真空可伐金属缓冲腔。平行封焊机抽真空，然后采用先电焊再两对边封焊的程序对可伐金属管壳进行真空封焊。

9.按权利要求8所述的方法，其特征在于：

(a)方法A和方法B中步骤(1)的硅片厚度为0.5-2mm；

(b)方法A和方法B中步骤(1)中Pyrex玻璃厚度为0.5mm；

(c)方法A中步骤5所述的预留小口的直径为1mm；

(d)方法A中缓冲气体由Ar和N₂按体积比1∶1.5-1.5∶1的比例混合而成；

(e)方法B中长方体可伐金属管缓冲腔长宽范围为10-20mm，高5mm。

10.按权利要求1所述的封装结构的应用，其特征在于适用于微型原子钟、微型原子磁强计或微型冷原子陀螺仪。

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