CN104229719A - 具有原子蒸气腔室的mems器件及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有原子蒸气腔室的MEMS器件及其形成方法。其中该MEMS器件包括：硅衬底，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，第一玻璃基片位于硅衬底之上，第二玻璃基片位于硅衬底之下，其中，窗口与第一玻璃基片和第二玻璃基片形成密封的原子蒸气腔室，原子蒸气腔室中具有碱金属材料；加热线圈，加热线圈由透明导电材料构成，位于第一玻璃基片上表面中窗口对应处以及第二玻璃基片下表面中窗口对应处二者中至少之一；以及加热电极，加热电极与加热线圈相连。本发明的具有原子蒸气腔室的MEMS器件具有加热效率高、测温准确、可以实现更高水平的器件微型化、密封性好等优点。

Description

具有原子蒸气腔室的MEMS器件及其形成方法

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 TemperatureCo-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。

由上可知，本发明实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件至少可以具有如下优点：(1)加热线圈与窗口位置对应，加热效率高；(2)测温线圈与窗口位置对应，测温准确；(3)加热线圈材料采用透光率高的透明导电材料，减少了光损耗，有利于入射光的穿透与和碱金属原子相互作用；(4)测温材料采用铂等测温材料，工艺成熟，测温准确，有利于负反馈温度控制，有效提高控温精度；(5)器件中各部件均可以采用MEMS技术加工，原子蒸气腔室可以实现更高水平的器件微型化；(6)玻璃基片的光滑侧表面与硅衬底键合，平整度好，密封性好。

另外，根据本发明上述实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，当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分别具有加热线圈时，两个所述加热线圈位置对应。

在本发明的一个实施例中，还包括：测温线圈，所述测温线圈位于所述第一玻璃基片上表面中所述窗口对应处和/或第二玻璃基片下表面中所述窗口对应处；和测温电极，所述测温电极与所述测温线圈相连。

在本发明的一个实施例中，当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分别具有测温线圈时，两个所述测温线圈位置对应。

在本发明的一个实施例中，所述加热线圈和/或测温线圈的布线方式为采用双线回形结构或者双线圆形结构。

在本发明的一个实施例中，所述加热电极和/或测温电极的材料为Au，并且所述加热电极和/或测温电极不遮挡所述窗口。

在本发明的一个实施例中，所述加热线圈的材料为掺锡氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌或者掺氟氧化锡。

在本发明的一个实施例中，所述测温线圈的材料为铂、钛、铜、镍或掺锡氧化铟。

在本发明的一个实施例中，所述原子蒸气腔室中还具有缓冲气体和/或腔壁镀层材料。

在本发明的一个实施例中，还包括：钛粘附层，所述钛粘附层位于所述玻璃基板与铂材料的所述测温线圈之间，并且位于所述玻璃基板与金材料的所述加热电极和所述测温电极之间。

有鉴于此，本发明第二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器件的形成方法，可以包括以下步骤：提供硅衬底，并在所述硅衬底中加工出至少一个窗口；提供相同的第一玻璃基片和第二玻璃基片；在所述第一玻璃基片上表面以及第二玻璃基片下表面二者中至少之一形成透明导电材料的加热线圈和与所述加热线圈相连的加热电极，其中，所述加热线圈需设置在与预设窗口对应的位置；将所述第二玻璃基片上表面与所述硅衬底下表面键合，并且向所述原子蒸气腔室空间加入碱金属材料；将述第一玻璃基片下表面与所述硅衬底上表面键合，以使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。

由上可知，本发明实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法至少可以具有如下优点：(1)加热线圈与窗口位置对应，加热效率高；(2)测温线圈与窗口位置对应，测温准确；(3)工艺与现有MEMS技术兼容，可以实现更高水平的器件微型化。(4)玻璃基片的光滑侧表面与硅衬底键合，平整度好，密封性好。

另外，根据本发明上述实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，当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分别具有加热线圈时，两个所述加热线圈位置对应。

在本发明的一个实施例中，还包括步骤：在所述第一玻璃基片上表面以及第二玻璃基片下表面二者中至少之一形成测温线圈和与所述测温线圈相连的测温电极，其中，所述测温线圈需设置在与预设窗口对应的位置。

在本发明的一个实施例中，当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分别具有测温线圈时，两个所述测温线圈位置对应。

在本发明的一个实施例中，所述加热线圈和/或测温线圈的布线方式为采用双线回形结构或者双线圆形结构。

在本发明的一个实施例中，所述加热电极和/或测温电极的材料为Au，并且所述加热电极和/或测温电极不遮挡所述窗口。

在本发明的一个实施例中，所述加热线圈的材料为掺锡氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌或者掺氟氧化锡。

在本发明的一个实施例中，所述测温线圈的材料为铂、钛、铜、镍或掺锡氧化铟。

在本发明的一个实施例中，向原子蒸气腔室加入缓冲气体和/或腔壁镀层材料。

在本发明的一个实施例中，还包括步骤：在所述玻璃基板与铂材料的所述测温线圈之间形成钛粘附层，并且在所述玻璃基板与金材料的所述加热电极和所述测温电极之间形成钛粘附层。

附图说明

图1是本发明实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的示意图。

图2是图1所示的具有原子蒸气腔室的MEMS器件中玻璃基板的俯视图。

图3是本发明实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法的流程图。

图4a至图4c为本发明一个实施例的单腔室结构的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成过程示意图。

图5a至图5c为本发明一个实施例的双腔室结构的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成过程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明第一方面提出了一种含有温度控制特性的具有原子蒸气腔室的MEMS器件。

图1是本发明实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的示意图。图2是图1所示的具有原子蒸气腔室的MEMS器件中玻璃基板的俯视图。如图1和图2所示，该实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件可以包括：硅衬底1、相同的第一玻璃基片2和第二玻璃基片3、加热线圈4、加热电极5、测温线圈6，以及测温电极7。其中测温线圈6和测温电极7为可选结构而非必须结构。需要说明的是，图2中的虚线框表示窗口对应区域。

其中，硅衬底1中具有至少一个窗口11。需要说明的是，尽管图1和图2中的窗口数目为一个，但在其他实施例中也可以为多个。窗口的数目决定了最终形成的具有原子蒸气腔室的MEMS器件中的腔室的数目。当MEMS器件为单腔室结构时，该唯一的腔室用于容纳原子蒸气。当MEMS器件为多腔室结构时，除了用于容纳原子蒸气之外，腔室还可以用于容纳其他器件结构和/或物碱金属固体、石蜡等其他物质。

其中，第一玻璃基片2位于硅衬底1之上，第二玻璃基片3位于硅衬底1之下，二者与硅衬底1尺寸应当匹配。第一玻璃基片2和第二玻璃基片3优选采用透光率高的玻璃基片，以利于在某些情况下允许激光透过窗口11。窗口11与第一玻璃基片2和第二玻璃基片3之间可以通过键合等方式紧密相连，形成密封的原子蒸气腔室。该原子蒸气腔室中具有碱金属材料，例如铯(Cs)或钫(Fr)等等。

其中，加热线圈4位于第一玻璃基片1上表面中窗口11对应处以及第二玻璃基片2下表面中窗口11对应处二者中至少之一。换言之，加热线圈4可以仅设置在窗口11上方或下方，也可以同时设置在窗口11上方和下方。由于单个加热线圈工作的效率较低，因此优选采用两个加热线圈同时工作的技术方案。需要强调的是，加热线圈4位置必须与窗口11位置相对应，即加热线圈4的投影需落在窗口区域内，这样才能保证加热线圈4有效地加热原子蒸气腔室中的碱金属材料。加热线圈4由透明导电材料构成，以利于在某些情况下允许激光透过窗口11。透明导电材料具体可以为掺锡氧化铟(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺镓氧化锌、掺氟氧化锡(FTO)或者其它材料。

其中，加热电极5与加热线圈4相连。与加热线圈4类似地，加热电极5同样位于第一玻璃基片1上表面以及第二玻璃基片2下表面二者中至少之一。但是，与加热线圈4不同地，加热电极5并不遮挡窗口11。加热电极5优选采用导电性良好的金属材料制成，例如金(Au)。加热电极5可以为正方形或圆形等其它形状。

其中，测温线圈6位于第一玻璃基片1上表面中窗口11对应处以及第二玻璃基片2下表面中窗口11对应处二者中至少之一。换言之，测温线圈6可以仅设置在窗口11上方或下方，也可以同时设置在窗口11上方和下方。由于单个加热线圈测温的准确度较低，因此优选采用两个测温线圈同时工作然后计算平均值的技术方案。需要强调的是，测温线圈6位置必须与窗口11位置相对应，即测温线圈6的投影需落在窗口区域内，这样才能保证测温线圈6有效地测量原子蒸气腔室中的碱金属材料的温度(特别是碱金属蒸气状态时的温度)。测温线圈6由已知电阻温度曲线的材料构成，这样可以通过测量电阻值变化来准确测量温度。测温线圈6具体可以为铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)、掺锡氧化铟(ITO)或者其它材料。

其中，测温电极7与测温线圈6相连。与测温线圈6类似地，测温电极7同样位于第一玻璃基片1上表面以及第二玻璃基片2下表面二者中至少之一。但是，与测温线圈6不同地，测温电极7并不遮挡窗口11。测温电极7优选采用导电性良好的金属材料制成，例如金(Au)。测温电极7可以为正方形或圆形等其它形状。

需要解释的是，测温线圈6和测温电极7用于细调测量原子蒸气腔室中的碱金属材料的温度。在MEMS器件使用之前，先利用加热线圈4和测温线圈6将原子蒸气腔室温度控制在工作温度范围附近，实现温度粗调。在MEMS器件使用中，由测温线圈6、测温电极7及外接电路实时检测腔室温度，根据实时温度来进行反馈控制，实现温度细调。或者，也可由加热线圈4和加热电极5兼任温度细调任务，因此测温线圈6和测温电极7为可选结构而非必须结构。

由上可知，本发明实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件至少可以具有如下优点：(1)加热线圈与窗口位置对应，加热效率高；(2)测温线圈与窗口位置对应，测温准确；(3)加热线圈材料采用透光率高的透明导电材料，减少了光损耗，有利于入射光的穿透与和碱金属原子相互作用；(4)测温材料采用铂等测温材料，工艺成熟，测温准确，有利于负反馈温度控制，有效提高控温精度；(5)器件中各部件均可以采用MEMS技术加工，原子蒸气腔室可以实现更高水平的器件微型化；(6)玻璃基片的光滑侧表面与硅衬底键合，平整度好，密封性好。

在本发明的一个实施例中，当第一玻璃基片2上表面中窗口对应处以及第二玻璃基片3下表面中窗口对应处分别具有加热线圈4时，两个加热线圈4位置对应。位置对应可以使得加热线圈4对窗口区域的遮挡更少。

在本发明的一个实施例中，当第一玻璃基片2上表面中窗口对应处以及第二玻璃基片3下表面中窗口对应处分别具有测温线圈6时，两个测温线圈6位置对应。位置对应可以使得测温线圈6对窗口区域的遮挡更少。

在本发明的一个实施例中，加热线圈4和/或测温线圈6的布线方式为采用双线回形结构或者双线圆形结构。双线结构的布线方式使得电流可以双向通过，通过磁场相互抵消，有效减少电流产生的附加磁场，提高了CPT信号质量。

在本发明的一个实施例中，原子蒸气腔室中还具有缓冲气体和/或石蜡等腔壁镀层材料。由于碱金属材料的化学性质活泼，因此需要缓冲气体和石蜡等腔壁镀层材料进行缓冲和保护。通常做法是：将石蜡包裹碱金属颗粒置入原子蒸气腔室，同时充入不与碱金属反应的缓冲气体(例如氮气、氦气或氩气)或真空封装腔室，然后加热原子蒸气腔室使得石蜡熔化(石蜡在47-64℃熔化)释放出碱金属材料。进一步加热原子蒸气腔室则可以使碱金属材料变为碱金属蒸气。

在本发明的一个实施例中，还包括：钛粘附层，钛粘附层位于玻璃基板与铂材料的测温线圈6之间，并且位于玻璃基板与金材料的加热电极5和测温电极7之间。由于玻璃基板与金和铂之间的粘附力较弱，可以通过增设钛粘附层改善附着牢度。

本发明第二方面提出了一种具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法。

图3是本发明实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的示意图。如图3所示，该实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法，可以包括以下步骤：

A.提供硅衬底1，并在硅衬底1中加工出至少一个窗口。

B.提供相同的第一玻璃基片2和第二玻璃基片3。

C.在第一玻璃基片2上表面以及第二玻璃基片3下表面二者中至少之一形成透明导电材料的加热线圈4和与加热线圈4相连的加热电极5，其中，加热线圈4需设置在与预设窗口对应的位置。

D.将第二玻璃基片3上表面与硅衬底1下表面键合，并且向原子蒸气腔室空间加入碱金属材料。需要说明的是，“原子蒸气腔室空间”是指硅衬底1中窗口的侧壁与第二玻璃基片3顶表面形成的凹部空间。

E.将第一玻璃基片2下表面与硅衬底1上表面键合，以使窗口与第一玻璃基片2和第二玻璃基片3形成密封的原子蒸气腔室。

由上可知，本发明实施例的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法至少可以具有如下优点：(1)加热线圈与窗口位置对应，加热效率高；(2)测温线圈与窗口位置对应，测温准确；(3)工艺与现有MEMS技术兼容，可以实现更高水平的器件微型化。(4)玻璃基片的光滑侧表面与硅衬底键合，平整度好，密封性好。

在本发明的一个实施例中，当第一玻璃基片2上表面中窗口对应处以及第二玻璃基片3下表面中窗口对应处分别具有加热线圈4时，两个加热线圈4位置对应。位置对应可以使得加热线圈4对窗口区域的遮挡更少。

在本发明的一个实施例中，还包括以下步骤：在第一玻璃基片2上表面以及第二玻璃基片3下表面二者中至少之一形成测温线圈6和与测温线圈6相连的测温电极7，其中，测温线圈6需设置在与预设窗口对应的位置。

在本发明的一个实施例中，当第一玻璃基片2上表面中窗口对应处以及第二玻璃基片3下表面中窗口对应处分别具有测温线圈6时，两个测温线圈6位置对应。位置对应可以使得测温线圈6对窗口区域的遮挡更少。

在本发明的一个实施例中，加热线圈4和/或测温线圈6的布线方式为采用双线回形结构或者双线圆形结构。双线结构的布线方式使得电流可以双向通过，通过磁场相互抵消，有效减少电流产生的附加磁场，提高了CPT信号质量。

在本发明的一个实施例中，加热电极5和/或测温电极7的材料为Au，并且加热电极5和/或测温电极7不遮挡窗口。不遮挡窗口有利于入射光更好地与碱金属原子作用。

在本发明的一个实施例中，加热线圈4的材料可以为掺锡氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌或者掺氟氧化锡。加热线圈材料采用透光率高的透明导电材料，减少了光损耗，有利于入射光的穿透与和碱金属原子相互作用。

在本发明的一个实施例中，测温线圈6的材料可以为铂(Pt)、钛(Ti)、铜(Cu)、镍(Ni)、掺锡氧化铟(ITO)。测温材料采用铂等测温材料，工艺成熟，测温准确，有利于负反馈温度控制，有效提高控温精度。

在本发明的一个实施例中，向原子蒸气腔室加入缓冲气体和/或腔壁镀层材料。缓冲气体和腔壁镀层材料可以对化学性质活泼的碱金属材料起到保护缓冲作用。

在本发明的一个实施例中，还可以包括以下步骤：在玻璃基板与铂材料的测温线圈6之间形成钛粘附层，并且在玻璃基板与金材料的加热电极5和测温电极7之间形成钛粘附层。由于玻璃基板与金和铂之间的粘附力较弱，可以通过增设钛粘附层改善附着牢度。

为使本领域技术人员更好地理解，申请人下面结合图4a至图4c详细介绍一个单腔室结构的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成过程，以及结合5a至图5c详细介绍图一个双腔室结构的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成过程。

实施例1

(1)取一块4寸N型<100>硅片，厚度约1mm。在室温下先用硫酸-双氧水溶液浸泡硅片，然后用氢氟酸水溶液浸泡硅片，最后清洗并干燥。在硅片表面生长厚度的氧化硅，沉积厚度的氮化硅，旋涂光刻胶。经第1次光刻，后曝光、显影、刻蚀、腐蚀，并用干法刻蚀或湿法腐蚀穿通上述硅片，形成约2×2×1mm³的窗口1011。

此时，得到了预制好的硅衬底101，如图4a所示。

(2)选取两块尺寸与硅片一致的Pyrex玻璃基片并双面抛光，作为原子蒸气腔室的封底和封盖以及作为电阻加工布线的基底。在室温下先用硫酸-双氧水溶液浸泡Pyrex玻璃基片，然后用氢氟酸水溶液浸泡Pyrex玻璃基片，最后清洗并干燥。该实施例中计划仅在一片Pyrex玻璃基片(第一玻璃基板102)上形成线圈和电极等结构，另一片Pyrex玻璃基片(第二玻璃基板103)不作处理。

在Pyrex玻璃基片表面溅射ITO，厚度约旋涂光刻胶。经第2次光刻，后曝光、显影，并干法刻蚀去除互补的ITO图样，再除去光刻胶，得到ITO电阻图形，即得到了ITO材料的加热线圈104。

在Pyrex玻璃基片表面旋涂光刻胶，经第3次光刻，后曝光、显影，再溅射Ti粘附层和金属铂，其中金属铂层厚度约剥离光刻胶，得到铂电阻图形，即得到了铂材料的测温线圈106。

在Pyrex玻璃基片表面旋涂光刻胶，经第4次光刻，后曝光、显影，溅射金属金，厚度约剥离光刻胶，利用上步得到的Ti/Pt粘附阻挡层，形成金电极图形，即得到了加热电极105和测温电极107。

至此，得到了预制好第一玻璃基板102，如图4b所示。需要说明的是图4b中的虚线框表示窗口对应区域。

(3)先将硅衬底101的下表面与第二玻璃基板103的一侧表面进行阳极键合。此时形成了封底但未封顶的、敞口的预成型原子蒸气腔室。在该预成型腔室中放入用石蜡封装的0.1μl～1μl的碱金属铷(Rb)，然后充入100torr～1atm压力的氮气(N₂)作为缓冲气体。然后将第一玻璃基板102的未布有线圈和电极的一侧表面(即光滑的一侧表面)与硅衬底101的上表面进行阳极键合，使得布有线圈和电极的一侧表面朝向腔室外侧。此时形成了完整的原子蒸气腔室。最后使用激光器消融封装铷(Rb)的石蜡，释放碱金属原子。

此时，得到了单腔室结构的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，如图4c所示。

实施例2

(1)取一块4寸N型<100>硅片，厚度约1mm。在室温下先用硫酸-双氧水溶液浸泡硅片，然后用氢氟酸水溶液浸泡硅片，最后清洗并干燥。在硅片表面生长厚度的氧化硅，沉积厚度的氮化硅，旋涂光刻胶。经第1次光刻，后曝光、显影、刻蚀、腐蚀，并用双掩膜工艺干法刻蚀或湿法腐蚀穿通上述硅片，形成约2×2×1mm³的第一窗口2011a、1×1×1mm³的第二窗口2011b以及连接第一窗口2011a和第二窗口2011b的沟槽通道。

此时，得到了预制好的硅衬底201，如图5a所示。

(2)选取两块尺寸与硅片一致的Pyrex玻璃基片并双面抛光，作为原子蒸气腔室的封底和封盖以及作为电阻加工布线的基底。在室温下先用硫酸-双氧水溶液浸泡Pyrex玻璃基片，然后用氢氟酸水溶液浸泡Pyrex玻璃基片，最后清洗并干燥。该实施例中计划仅在一片Pyrex玻璃基片(第一玻璃基板202)上形成线圈和电极等结构，另一片Pyrex玻璃基片(第二玻璃基板203)不作处理。

在Pyrex玻璃基片表面溅射ITO，厚度约旋涂光刻胶。经第2次光刻，后曝光、显影，并干法刻蚀去除互补的ITO图样，再除去光刻胶，得到ITO电阻图形，即得到了ITO材料的加热线圈204。

在Pyrex玻璃基片表面旋涂光刻胶，经第3次光刻，后曝光、显影，再溅射Ti粘附层和金属铂，其中金属铂层厚度约剥离光刻胶，得到铂电阻图形，即得到了铂材料的测温线圈206。

在Pyrex玻璃基片表面旋涂光刻胶，经第4次光刻，后曝光、显影，溅射金属金，厚度约剥离光刻胶，利用上步得到的Ti/Pt粘附阻挡层形成金电极图形，即得到了加热电极205和测温电极207。

至此，得到了预制好第一玻璃基板202，如图5b所示。需要说明的是图5b中的虚线框表示第一窗口对应区域和第二窗口对应区域。

(3)先将硅衬底201的下表面与第二玻璃基板203的一侧表面进行阳极键合。此时形成了封底但未封顶的、敞口的预成型原子蒸气腔室。在该预成型腔室中放入用石蜡封装的0.1μl～1μl的碱金属铷(Rb)，然后充入100torr～1atm压力的氮气(N₂)作为缓冲气体。然后将第一玻璃基板202的未布有线圈和电极的一侧表面(即光滑的一侧表面)与硅衬底201的上表面进行阳极键合，使得布有线圈和电极的一侧表面朝向腔室外侧。此时形成了完整的原子蒸气腔室。最后使用激光器消融封装铷(Rb)的石蜡，释放碱金属原子。

此时，得到了单腔室结构的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，如图5c所示。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (20)

1.一种具有原子蒸气腔室的MEMS器件，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，其特征在于，当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分别具有加热线圈时，两个所述加热线圈位置对应。

3.根据权利要求1或2所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，其特征在于，还包括：测温线圈，所述测温线圈位于所述第一玻璃基片上表面中所述窗口对应处和/或第二玻璃基片下表面中所述窗口对应处；和测温电极，所述测温电极与所述测温线圈相连。

4.根据权利要求3所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，其特征在于，当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分别具有测温线圈时，两个所述测温线圈位置对应。

5.根据权利要求1-4任一项所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，其特征在于，所述加热线圈和/或测温线圈的布线方式为采用双线回形结构或者双线圆形结构。

6.根据权利要求1-4任一项所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，其特征在于，所述加热电极和/或测温电极的材料为Au，并且所述加热电极和/或测温电极不遮挡所述窗口。

7.根据权利要求1所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，其特征在于，所述加热线圈的材料为掺锡氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌或者掺氟氧化锡。

8.根据权利要求3所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，其特征在于，所述测温线圈的材料为铂、钛、铜、镍或掺锡氧化铟。

9.根据权利要求1所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，其特征在于，所述原子蒸气腔室中还具有缓冲气体和/或腔壁镀层材料。

10.根据权利要求6或8所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件，其特征在于，还包括：钛粘附层，所述钛粘附层位于所述玻璃基板与铂材料的所述测温线圈之间，并且位于所述玻璃基板与金材料的所述加热电极和所述测温电极之间。

11.一种具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供硅衬底，并在所述硅衬底中加工出至少一个窗口；

提供相同的第一玻璃基片和第二玻璃基片；

在所述第一玻璃基片上表面以及第二玻璃基片下表面二者中至少之一形成透明导电材料的加热线圈和与所述加热线圈相连的加热电极，其中，所述加热线圈需设置在与预设窗口对应的位置；

将所述第二玻璃基片上表面与所述硅衬底下表面键合，并且向所述原子蒸气腔室空间加入碱金属材料；

将述第一玻璃基片下表面与所述硅衬底上表面键合，以使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。

12.根据权利要求11所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法，其特征在于，当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分别具有加热线圈时，两个所述加热线圈位置对应。

13.根据权利要求11或12所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法，其特征在于，还包括步骤：在所述第一玻璃基片上表面以及第二玻璃基片下表面二者中至少之一形成测温线圈和与所述测温线圈相连的测温电极，其中，所述测温线圈需设置在与预设窗口对应的位置。

14.根据权利要求13所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法，其特征在于，当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分别具有测温线圈时，两个所述测温线圈位置对应。

15.根据权利要求11-14任一项所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述加热线圈和/或测温线圈的布线方式为采用双线回形结构或者双线圆形结构。

16.根据权利要求11-14任一项所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述加热电极和/或测温电极的材料为Au，并且所述加热电极和/或测温电极不遮挡所述窗口。

17.根据权利要求11所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述加热线圈的材料为掺锡氧化铟、掺铝氧化锌、掺镓氧化锌或者掺氟氧化锡。

18.根据权利要求13所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述测温线圈的材料为铂、钛、铜、镍或掺锡氧化铟。

19.根据权利要求11所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法，其特征在于，向原子蒸气腔室加入缓冲气体和/或腔壁镀层材料。

20.根据权利要求16或18所述的具有原子蒸气腔室的MEMS器件的形成方法，其特征在于，还包括步骤：在所述玻璃基板与铂材料的所述测温线圈之间形成钛粘附层，并且在所述玻璃基板与金材料的所述加热电极和所述测温电极之间形成钛粘附层。