CN102323738B - 一种采用mems工艺制作的槽型原子气体腔及其构造的原子钟物理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔及其构造的原子钟物理系统。所述的槽型原子气体腔由设有槽的硅片和Pyrex玻璃片键合围成腔体结构构成；该腔体结构用于充入碱金属原子蒸汽和缓冲气体；所述槽的横截面为倒梯形，该槽包括底面和与底面成夹角的侧壁。所述的槽型原子气体腔基于MEMS技术制造，由<100>单晶硅片通过硅各向异性腐蚀形成硅槽，并通过硅-玻璃阳极键合制作槽型腔，槽型气体腔的侧壁为硅片的{111}晶面。本发明的优点是利用所述的槽型原子气体腔，通过原子腔体尺寸设计易于增加腔内两反射镜之间的距离，从而增加了激光与原子气体间的相互作用空间长度，使相干布局囚禁效应（Coherent population trapping,CPT）信号的信噪比增强，有利于提高微型CPT原子钟频率稳定度。

Description

一种采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔及其构造的原子钟物理系统

技术领域

本发明涉及原子光学、原子钟领域，具体涉及一种芯片级CPT原子钟的原子气体腔体和微型物理系统，可用于原子钟、原子磁强计和原子陀螺等原子光学器件与系统中。

背景技术

CPT原子钟是利用双色相干光与原子作用将原子制备成相干态，利用CPT信号作为微波鉴频信号而实现的原子钟频率源。由于具有易于微型化、低功耗和高频率稳定度等特点，CPT原子钟一经提出就受到各国研究机构的重视，并开展了深入的研究。被动型CPT原子钟不需要微波谐振腔，可以将原子钟尺寸缩小到芯片级，采用MEMS技术制作微型原子气体腔体，为实现芯片级CPT原子钟提供了可行的批量化制造技术。芯片级CPT原子钟能够大幅度减小原子钟体积与功耗，实现电池供电，并且可以批量、低成本生产，在军用、民用的各个领域具有巨大市场，因此成为原子钟的重要发展方向。

基于MEMS技术制造芯片级CPT原子钟的关键技术是微型原子气体腔及CPT微型物理系统。目前，芯片级CPT原子钟的原子气体腔结构通常是先在单晶硅片上制作通孔，然后与Pyrex玻璃片键合形成半腔结构，待碱金属与缓冲气体充入后，再与另外一片Pyrex玻璃片键合形成密封结构，如图1所示。这种原子气体腔结构的硅孔通常采用深反应离子刻蚀工艺制作，腔体侧壁一般垂直于底面，成本很高。基于这种原子气体腔的原子钟微型物理系统一般为堆叠式组装结构，光与原子作用的光路为透射式直通光路或反射式一次往返光路，光束为发散的非准直光束，分别如图2和图3所示。由图可见，这种结构的碱金属原子气体腔结构的腔内光与原子作用光路长度受到硅片厚度及硅加工工艺的限制，通常为1mm～2mm，进一步增加厚度困难且昂贵，因此限制了光与原子相互作用光程，CPT信号的信噪比较低，影响了CPT原子钟的频率稳定度。在这种情况下，欲提高CPT信号的信噪比，就必须提高原子气体腔工作温度用以增加原子蒸汽的浓度，将大幅度增加原子钟功耗。

减小体积、降低功耗、增大CPT信号信噪比、增加频率稳定度，已经成为目前芯片级CPT原子钟发展中迫切需要解决的问题，本发明就是为解决这些芯片级CPT原子钟制造面临的问题提出技术方案。

发明内容

本发明目的是提供一种槽型原子气体腔及其原子钟微型物理系统，用于解决已有原子气体腔结构及其物理系统实现光路中，存在的激光与碱金属原子气体作用空间长度偏短导致CPT信号信噪比低，从而降低CPT原子钟的频率稳定度的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案，一种槽型原子气体腔，所述的槽型原子气体腔由设有槽的硅片和Pyrex玻璃片键合围成腔体结构构成；该腔体结构用于充入碱金属原子蒸汽和缓冲气体；所述槽的横截面为倒梯形，该槽包括底面和与底面成夹角的侧壁。

作为本发明的优选方案之一，所述槽的底面截至于硅片，所述Pyrex玻璃片键合与该硅片上以形成腔体结构。

作为本发明的优选方案之一，所述硅片上设有微型气体沟道用于将腔体结构与外部连通。

作为本发明的优选方案之一，所述玻璃片上设有微型气体沟道用于将腔体结构与外部连通。

作为本发明的优选方案之一，所述硅片上设有凹台，所述玻璃片上设有微型气体通孔；所述微型气体通孔与所述凹台连通使得腔体结构与外部连通。

作为本发明的优选方案之一，所述槽为通槽，两片所述玻璃片与所述硅片上下表面键合以形成腔体结构。

作为本发明的优选方案之一，所述硅片为100>晶向硅片；所述侧壁为硅片的{111}晶面；所述侧壁表面制作有光学介质或金属薄膜形成的腔内光学反射镜。

作为本发明的优选方案之一，两个相对侧壁内光学反射镜的中心距离大于等于腔体结构的厚度（z向）尺寸。

作为本发明的优选方案之一，所述碱金属原子蒸汽为铷或铯；所述缓冲气体为氮气与氩气的混合气体、氖气与氩气的混合气体或者氦气与氩气的混合气体。

本发明还提供一种采用所述的槽型原子气体腔构成的原子钟物理系统，所述的原子钟物理系统包括用于出射光束的半导体激光器、接收半导体激光器发出的光并形成准直光束的准直透镜、中性滤光片、λ/4波片、反射棱镜、槽型原子气体腔、光电探测器以及加热器和温度传感器；准直光束依次经过中性滤光片、λ/4波片、反射棱镜，耦合进入槽型原子气体腔，再相继经过槽型腔体结构内中心距离较长的两相对侧壁内光学反射镜反射后，最后到达光电探测器接收。

作为本发明的优选方案之一，所述半导体激光器为垂直腔半导体激光器，该激光器的工作波长范围包括与所采用碱金属原子蒸汽产生相干布局囚禁效应所需激光波长。

作为本发明的优选方案之一，所述加热器和温度传感器为集成制造元件，该加热器和温度传感器采用多晶硅或铂金属或ITO薄膜，利用沉积、光刻、腐蚀及其他半导体工艺集成制作在槽型原子气体腔外的玻璃片表面或硅片表面，加热器和温度传感器采用相同或不同的制造材料。

本发明的槽型原子气体腔的制作基于硅的各向异性湿法腐蚀工艺和硅-玻璃阳极键合等成熟MEMS工艺，成本低，易于实现。最为重要的是决定激光与碱金属原子之间作用光程的是腔体横向尺寸，因此可以不局限于硅片厚度，通过版图设计实现合适的腔内光路长度，在低功耗条件下获得明显的CPT现象，得到更高信噪比的探测信号，并降低原子气体腔所需工作温度，使CPT原子钟输出频率信号更加稳定、准确。本发明的原子钟物理系统中由于采用准直光束以及光束的多次反射，因而将在一定程度上增加光路组装的难度，但难度不大并可以解决。

附图说明

图1是现有的原子气体腔结构示意图，(a)为主视图，(b)为俯视图。图中11为上层玻璃，12为硅，13为腔体，14为下层玻璃。

图2是现有的透射式直通光路原子钟物理系统结构示意图。图中21为竖直腔发射激光器（VCSEL），22为前加热器，23为硅支架，24为λ/4波片，25为原子气体腔，26为后加热器，27为光电探测器。

图3是现有的反射式一次往返光路原子钟物理系统结构示意图。图中31为集成制作的竖直腔发射激光器和光电探测器（中间位置为竖直腔发射激光器，边缘位置为光电探测器），32为λ/4波片，33为原子气体腔，34为反射镜，35为集成制作的加热器和温度传感器。

图4是本发明实施例之一直接键合密封的双层结构槽型原子气体腔示意图，(a)为主视图，(b)为俯视图。图中41为玻璃，42为硅，43为硅腔槽面（111晶面），44为腔体。

图5是本发明实施例之一硅管道密封的双层结构槽型原子气体腔的示意图。

图6是本发明实施例之一玻璃管道密封的双层结构的槽型原子气体腔的示意图。

图7是本发明实施例之一玻璃通孔密封的双层结构槽型原子气体腔的示意图。

图5～图7中，(a)为气体通道密封前主视图，(b)为气体通道密封前俯视图，(a′)为气体通道密封后主视图，(b′)为气体通道密封后俯视图。图中51为玻璃，52为硅，53为硅腔槽面（111晶面），54为腔体，55为气体沟道或通孔，56为封堵后的气体管道或通孔，57为硅凹台。

图8是本发明实施例之一直接键合密封的三层结构槽型原子气体腔示意图，图中81为上层玻璃，82为硅，83为硅腔槽面，84为腔体，85为下层玻璃。

图9是本发明的基于槽型原子气体腔的原子钟物理系统实施例之一结构示意图。

图10是本发明的基于槽型原子气体腔的原子钟物理系统实施例之一结构示意图。

图9和图10中，91为竖直腔发射激光器（VCSEL），92为垫片，93为准直透镜，94为中性滤光片，95为λ/4波片，96为反射棱镜，97为槽型原子气体腔，98为光电探测器，99为集成制作的加热器和温度传感器。

具体实施方式

以下实施例阐述本发明涉及的槽型原子气体腔及其构造的原子钟物理系统的实质性特点和显著进步，但本发明不仅限于介绍的实施例。

实施例1

直接键合密封的双层结构槽型原子气体腔及其构造的原子钟物理系统：

图4为直接键合密封的双层结构槽型原子气体腔，选取厚度为1～3mm的<100>硅片，利用二氧化硅或氮化硅做掩模，通过氢氧化钾或其它各向异性湿法腐蚀工艺形成硅衬底上的棱台状硅槽结构，硅槽结构的侧壁即为{111}晶面，采用蒸发或溅射工艺，利用硬掩模或剥离技术，在硅槽侧壁上制作金属膜反射镜，然后将碱金属单质或反应生成碱金属的化合物在厌氧环境下移入硅坑内，或者直接充入过量的碱金属蒸汽，再充入按照一定配比混合的缓冲气体，最后使硅衬底的腐蚀面与玻璃进行阳极键合，完成原子气体腔体的密封。其中，选用的硅片厚度和腐蚀深坑深度根据原子钟物理光路的准直光斑尺寸决定。

图9和图10是两种基于槽型原子气体腔的原子钟物理系统，图9为优选的紧凑光路结构，若腔体正上方空间不够，可采用图10所示的扩展光路结构。原子钟物理系统的各个组件的外形尺寸均需要根据设计要求进行精密加工，尺寸匹配便于组装，待原子气体腔准备好后，按照预先在腔体同侧玻璃表面制作的各元器件的定位标记，依次装配光电探测器、反射棱镜、四分之一波片、中性滤波片、准直透镜、垫片和激光器,其中垫片是根据准直焦距的要求预先设计加工的激光器芯片的贴装支撑。激光器的出射光束，首先经过准直透镜形成准直光束，然后依次经过中性滤光片，λ/4波片、反射棱镜光路，耦合进入槽型原子气体腔，腔内与原子蒸汽作用的光束平行于槽型原子气体腔底面，相继经过腔内中心距离较长的两相对侧壁反射镜反射后，最后到达光电探测器接收。加热器和温度传感器可以选用独立元件根据封装空间的大小装配于腔体外的同侧面或异侧面。在图9和图10所示的原子钟物理系统中，优选将加热器和温度传感器，采用多晶硅或铂金属或ITO薄膜或其它材料，利用沉积、光刻、腐蚀及其他半导体工艺集成制作在槽型原子气体腔外的玻璃片表面或硅片表面，加热器和温度传感器可以采用相同或不同的制造材料。

以上所描述的原子钟物理系统构成同样适用于其他结构形式的槽型原子气体腔。

实施例2

气体通道密封的双层结构槽型原子气体腔及其构造的原子钟物理系统：

图5～图7为三种气体通道密封的双层槽型原子气体腔结构，三种结构都是先腐蚀出硅槽，并在腔体边缘做好气体通道，硅槽结构的侧壁即为{111}晶面，采用蒸发或溅射工艺，利用硬掩模或剥离技术，在硅槽侧壁上制作金属膜反射镜，再进行硅-玻璃阳极键合，然后通过气体通道向腔内冲入碱金属气体和缓冲气体，最后通过封堵气体通道完成腔体密封。图5中气体通道的形式为硅上制作沟道；图6中气体通道的形式为玻璃上制作沟道，图7中气体通道的形式为玻璃上的通孔和其对应位置上的硅凹台。（具体制作方法将另案申请）

实施例1描述的原子钟物理系统同样适用于以上描述的气体通道密封的双层结构槽型原子气体腔。

实施例3

三层结构槽型原子气体腔及其构造的原子钟物理系统：

与二层结构槽型原子气体腔类似，三层结构槽型气体原子腔也包括直接键合密封结构和气体通道密封结构。图8是直接键合密封的三层结构槽型原子气体腔结构示意图。选取厚度为1～3mm的<100>硅片，利用二氧化硅或氮化硅做掩模，通过氢氧化钾或其它各向异性湿法腐蚀工艺对硅片进行单侧腐蚀，形成硅衬底上的通孔结构，通孔侧壁即为{111}晶面，将硅片的后腐穿面与一片Pyrex玻璃进行阳极键合形成半腔结构，采用蒸发或溅射工艺，利用硬掩模或剥离技术，在通孔侧壁上制作金属膜反射镜，然后将碱金属单质或反应生成碱金属的化合物在厌氧环境下移入硅坑内，或者直接充入过量的碱金属蒸汽，再充入按照一定配比混合的缓冲气体，最后使硅衬底的凹坑面与玻璃进行阳极键合，完成原子气体腔体的密封。其中，选用的硅片厚度根据原子钟物理光路的准直光斑尺寸决定。

实施例1描述的原子钟物理系统同样适用于以上描述的三层结构槽型原子气体腔。

归纳一下就是本发明槽型原子气体腔采用单晶硅湿法腐蚀和硅－玻璃阳极键合等MEMS工艺制作，腔体结构为下述四种结构中的任意一种：

(a)具有倾斜侧壁槽型结构的硅片与Pyrex玻璃片进行阳极键合形成的密封腔体，碱金属原子蒸汽和缓冲气体在硅-玻璃键合时充入密封腔体中；

(b)具有倾斜侧壁槽型结构的硅片与Pyrex玻璃片进行阳极键合形成带有微型气体通道的腔体，微型气体通道制作于硅或玻璃上，充入碱金属原子蒸汽和缓冲气体后封堵微型气体通道形成的密封腔体；

(c)具有倾斜侧壁通孔结构的硅片与两片Pyrex玻璃片进行阳极键合形成的密封腔体，碱金属原子蒸汽和缓冲气体在进行第二次硅-玻璃键合时充入密封腔体中；

(d)具有倾斜侧壁通孔结构的硅片与两片Pyrex玻璃片进行阳极键合形成带有微型气体通道的腔体，微型气体通道制作于硅或玻璃上，充入碱金属原子蒸汽和缓冲气体后封堵微型气体通道形成的密封腔体；

本发明的槽型原子气体腔的腔体侧壁，即硅片的{111}晶面上通过蒸发或溅射或其它工艺制作光学介质膜或金属膜构成反射镜，用于增加光学反射率。腔体内部至少在x或y向中的一个方向上，两个相对{111}晶面反射镜的中心距离大于等于腔体的z向尺寸。腔体在最后密封前需要冲入碱金属和缓冲气体，碱金属包括铷或铯或其它碱金属材料，缓冲气体通常为氮气（或氖气、氦气）与氩气的混合气体。

本发明的原子钟物理系统的典型特征在于采用了本发明的槽型原子气体腔，与原子蒸汽相互作用的光束平行于槽型原子气体腔底面，光束与原子的作用距离由腔体长度根据设计决定，不受腔体厚度的限制。因此腔体的横向尺寸决定了激光与碱金属原子的作用光程，光程可以增加到几毫米至几十毫米。

本发明的原子钟物理系统具体由激光器、准直透镜、中性滤光片、λ/4波片、反射棱镜、所述的槽型原子气体腔、光电探测器以及加热器和温度传感器组成。激光器的出射光束，首先经过准直透镜形成准直光束，然后依次经过中性滤光片、λ/4波片、反射棱镜光路，耦合进入槽型原子气体腔，再相继经过腔内中心距离较长的两相对侧壁反射镜反射后，最后到达光电探测器接收。其中，激光器、准直透镜、中性滤光片、λ/4波片、反射棱镜、光电探测器装配于所述的槽型原子气体腔外的同一侧玻璃片上，加热器和温度传感器根据封装空间的大小装配于腔体外的同侧面或异侧面。或者，加热器和温度传感器也可以采用多晶硅或铂金属或ITO薄膜或其它材料，利用沉积、光刻、腐蚀及其他半导体工艺集成制作在所述的槽型原子气体腔外的玻璃片表面或硅片表面，加热器和温度传感器的制造材料可以相同，也可以不同。

本发明的槽型原子气体腔的制作基于硅的各向异性湿法腐蚀工艺和硅-玻璃阳极键合等成熟MEMS工艺，成本低，易于实现。最为重要的是决定激光与碱金属原子之间作用光程的是腔体横向尺寸，因此可以不局限于硅片厚度，通过版图设计实现合适的腔内光路长度，在低功耗条件下获得明显的CPT现象，得到更高信噪比的探测信号，并降低原子气体腔所需工作温度，使CPT原子钟输出频率信号更加稳定、准确。本发明的原子钟物理系统中由于采用准直光束以及光束的多次反射，因而将在一定程度上增加光路组装的难度，但难度不大并可以解决。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔，其特征在于：所述的槽型原子气体腔由设有槽的硅片和玻璃片键合围成腔体结构构成；该腔体结构用于充入碱金属原子蒸汽和缓冲气体；所述槽的横截面为倒梯形，该槽包括底面和与底面成夹角的侧壁；

所述硅片为<100>晶向硅片；所述侧壁为硅片的{111}晶面；所述侧壁表面制作有光学介质或金属薄膜形成的腔内光学反射镜；腔体内与碱金属原子蒸汽作用的光束平行于该槽型原子气体腔底面。

2.如权利要求1所述的采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔，其特征在于：所述硅片上设有微型气体沟道用于将腔体结构与外部连通。

3.如权利要求1所述的采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔，其特征在于：所述玻璃片上设有微型气体沟道用于将腔体结构与外部连通。

4.如权利要求1所述的采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔，其特征在于：所述硅片上设有凹台，所述玻璃片上设有微型气体通孔；所述微型气体通孔与所述凹台连通使得腔体结构与外部连通。

5.如权利要求1所述的采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔，其特征在于：所述槽为通槽，所述玻璃片为两片，分别与所述硅片上下表面键合以形成腔体结构。

6.如权利要求5所述的采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔，其特征在于：所述硅片上设有微型气体沟道用于将腔体结构与外部连通。

7.如权利要求5所述的采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔，其特征在于：所述玻璃片上设有微型气体沟道用于将腔体结构与外部连通。

8.如权利要求5所述的采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔，其特征在于：所述硅片上设有凹台，所述玻璃片上设有微型气体通孔；所述微型气体通孔与所述凹台连通使得腔体结构与外部连通。

9.如权利要求1所述的采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔，其特征在于：两个相对侧壁内光学反射镜的中心距离大于等于腔体结构的厚度z向尺寸。

10.如权利要求1所述的采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔，其特征在于：所述碱金属原子蒸汽为铷或铯；所述缓冲气体为氮气与氩气的混合气体、氖气与氩气的混合气体或者氦气与氩气的混合气体。

11.一种采用MEMS工艺制作的槽型原子气体腔构成的原子钟物理系统，其特征在于：所述的原子钟物理系统包括用于出射光束的半导体激光器、接收半导体激光器发出的光并形成准直光束的准直透镜、中性滤光片、λ/4波片、反射棱镜、由设有槽的硅片和玻璃片键合围成腔体结构的槽型原子气体腔、光电探测器以及加热器和温度传感器；准直光束依次经过中性滤光片、λ/4波片、反射棱镜，耦合进入槽型原子气体腔，腔内与原子蒸汽作用的光束平行于槽型原子气体腔底面，再相继经过腔体结构内中心距离较长的两相对侧壁内光学反射镜反射后，最后到达光电探测器接收；所述腔体结构用于充入碱金属原子蒸汽和缓冲气体；所述槽的横截面为倒梯形，该槽包括底面和与底面成夹角的侧壁；所述硅片为<100>晶向硅片；所述侧壁为硅片的{111}晶面；所述侧壁表面制作有光学介质或金属薄膜形成的腔内光学反射镜。

12.如权利要求11所述的原子钟物理系统，其特征在于：所述半导体激光器为垂直腔半导体激光器，该激光器的工作波长范围包括与所采用碱金属原子蒸汽产生相干布局囚禁效应所需激光波长。

13.如权利要求11所述的原子钟物理系统，其特征在于：所述加热器和温度传感器为集成制造元件，该加热器和温度传感器采用多晶硅或铂金属或ITO薄膜，利用沉积、光刻、腐蚀及其他半导体工艺集成制作在槽型原子气体腔外的玻璃片表面或硅片表面，加热器和温度传感器采用相同或不同的制造材料。

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