CN104345032A - 用于微细加工原子钟、磁力计和其它装置的多腔汽室结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于微细加工原子钟、磁力计和其它装置的多腔汽室结构。一种设备包括具有由一个或更多个通道流体连接的多个腔的汽室。所述腔的至少一个经配置以接收能够分解成一种或更多种气体的第一材料，所述一种或更多种气体包含在汽室内。所述腔的至少一个经配置以接收能够吸收一种或更多种气体的至少一部分的第二材料。汽室可以包括经配置以接收第一材料的第一腔和通过至少一个第一通道流体连接到第一腔的第二腔，其中第二腔经配置以接收气体(一种或更多种)。汽室还可以包括通过至少一个第二通道流体连接到第一腔和第二腔中的至少一个的第三腔，其中第三腔经配置以接收第二材料。

Description

用于微细加工原子钟、磁力计和其它装置的多腔汽室结构
技术领域
本发明一般涉及气室(gas cell)。更具体地，本发明涉及用于微细加工原子钟、磁力计和其它装置的多腔汽室(vapor cell)结构。
背景技术
各种类型的装置使用气室内的放射气体或其它气体运转。例如，微细加工原子钟(MFAC)和微细加工原子磁力计(MFAM)通常包括含有金属蒸汽和缓冲气体的腔。在一些装置中，通过将叠氮化铯(CsN3)分解成铯蒸汽和氮气(N2)来生成金属蒸汽和缓冲气体。
发明内容
本公开提供一种用于微细加工原子钟、磁力计和其它装置的多腔汽室结构。
在第一实例中，一种设备包括具有通过一个或更多个通道流体连接的多个腔的汽室。所述腔的至少一个经配置以接收能够分解成一种或更多种气体的第一材料，所述一种或更多种气体包含在汽室内。所述腔的至少一个经配置以接收能够吸收一种或更多种气体的至少一部分的第二材料。
在第二实例中，一种系统包括汽室和照明源。汽室包括通过一个或更多个通道流体连接的多个腔。所述腔的至少一个经配置以接收能够分解成一种或更多种气体的第一材料，所述一种或更多种气体包含在汽室内。所述腔的至少一个经配置以接收能够吸收一种或更多种气体的至少一部分的第二材料。照明源经配置以引导辐射通过所述腔的至少一个。
在第三实例中，一种方法包括，在具有通过一个或更多个通道流体连接的多个腔的汽室中，将第一材料放置在所述腔的至少一个中以及将第二材料放置在所述腔的至少一个中。所述方法还包括将所述第一材料的至少一部分分解成包含在汽室内的一种或更多种气体。所述方法进一步包括使用第二材料吸收一种或更多种气体的至少一部分。
根据下面附图、说明和权利要求，本发明其它技术特征对于本领域的技术人员来说是明显的。
附图说明
为了更充分理解本发明及其特征，现在结合附图参照下面描述，其中：
图1到图6示出根据本公开的示例性多腔汽室结构和制造技术；
图7到图8示出根据本公开的包含至少一个多腔汽室结构的示例性装置；
图9示出根据本公开的用于形成多腔汽室结构的示例性方法。
具体实施方式
在本申请文件中，下面讨论的图1到图9和各种实例仅通过示例的方式用于描述本发明的原理，并不应该被解释为以任何方式限制本发明的范围。本领域的技术人员将理解，本发明的原理可以以任何合适的方式实施，并且在任何类型的适当配置的装置或系统中实施。
图1到图6示出根据本公开的一种示例性多腔汽室结构和制造技术。多腔汽室结构能够用于，例如，接收基于碱金属的材料(诸如，叠氮化铯)以及允许将基于碱金属的材料分解成金属蒸汽和缓冲气体(诸如，铯蒸汽和氮气)。然而，这代表多腔汽室结构的一个示例性用途。在此描述的汽室结构可以以任何其它合适的方式使用。
如图1和2所示，多腔汽室结构包括底部晶片(wafer)102和中间晶片104。底部晶片102通常表示汽室结构的其它组件能够被放置在其上的结构。在装置(诸如，微细加工原子钟、磁力计或其它装置)运转期间，底部晶片102也基本上是光学透明的，以便辐射穿过汽室结构。底部晶片102能够由任何合适的材料(一种或更多种)并以任何合适的方式形成。底部晶片102可以，例如，由玻璃(诸如，PYREX(派热克斯玻璃)或BOROFLOAT玻璃)形成。
中间晶片104固定到底部晶片102，诸如通过粘接。中间晶片104包括通过中间晶片104的多个腔106-110。在汽室结构中，每个腔106-110可以用于不同目的。例如，腔106能够接收将被分解的材料，诸如，叠氮化铯(CsN3)或其它基于碱金属的材料。腔106能够被称为“容器腔(reservoir cavity)”。腔108能够接收来自腔106的气体，诸如金属蒸汽和缓冲气体。激光器照明或其它照明可以在装置(诸如，微细加工原子钟、磁力计或其它装置)运转期间穿过腔108。腔108能够被称为“审讯腔(interrogation cavity)”。腔110能够接收至少一种吸气剂材料，其能够用于吸收来自其它腔106-108中的气体或其它材料(一种或更多种)。腔110能够被称为“吸气剂腔”。
一个或更多个通道流体连接汽室结构中的每个相邻腔对。例如，至少一个通道112连接容器腔106和审讯腔108，并且至少一个通道114连接审讯腔108和吸气剂腔110。每个通道112-114表示气体或其它材料(一种或更多种)能够流动通过的任何合适的通路。
中间晶片104可以由任何合适的材料(一种或更多种)并以任何合适的方式形成。例如，中间晶片104可以表示硅晶片。可以使用一种或更多种湿式或干式蚀刻在硅晶片中形成腔106-110和通道112-114。每个腔106-110和通道112-114可以具有任何合适的大小、形状和尺寸。而且，图1到图6所示的腔106-110和通道112-114的相对大小仅是用于示例，并且每个腔106-110或通道112-114相对于其它腔或通道可以具有不同的大小。进一步，相比于腔106-110的深度(一个或更多个)，每个通道112-114的相对深度仅用于示例，并且每个腔106-110和通道112-114可以具有任何其它合适的深度。此外，尽管每个腔106-110被示为形成完全通过晶片104，但是每个腔106-110可以被形成部分通过晶片104。
如图3和图4所示，材料116沉积到容器腔106中。材料16可以表示用于生成用于汽室结构的一种或更多种气体的任何合适的材料或材料的组合。在一些实施例中，尽管材料116表示叠氮化铯，但是任何其它合适的材料(一种或更多种)可以用在汽室结构中。材料116可以以任何合适的方式沉积到容器腔106中。
如图5和图6所示，具有吸气剂材料120的顶部晶片118固定到中间晶片104，诸如，通过粘接。顶部晶片118通常表示覆盖中间晶片104的腔106-110和通道112-114的结构，从而有助于将材料(诸如气体)密封在汽室结构中。在装置(微细加工原子钟、磁力计和其它装置)运转期间，顶部晶片118也基本上是光学透明的，以便辐射穿过汽室结构。顶部晶片118能够由任何合适的材料(一种或更多种)并以任何合适的方式形成。顶部晶片118可以，例如，由硼硅玻璃(诸如，PYREX或BOROFLOAT玻璃)形成。
在此实例中，吸气剂材料120位于顶部晶片118上，以使其在晶片104和118固定在一起时被设置在吸气剂腔110内。吸气剂材料120能够用于吸收腔106-110内的材料。例如，吸气剂材料120可以吸收分解材料116时释放的缓冲气体的至少一部分。吸气剂材料120还能够用于吸收可以存在于腔106-110中的任何不期望的材料，诸如水蒸汽。吸气剂材料120表示用于吸收或以其他方式移除来自汽室结构的气体或其它材料的任何合适的材料，诸如锆基合金。在具体的实施例中，吸气剂材料120用于吸收来自汽室结构的氮气(N2)。
吸气剂材料120可以具有任何合适的大小、形状和尺寸。吸气剂材料120也可以以任何合适的方式形成。例如，吸气剂材料120可以被沉积为顶部晶片118上的薄膜，然后，被图形化并蚀刻为合适的形式。然而，吸气剂材料120可以直接沉积到吸气剂腔110中。吸气剂材料120也能够以任何合适的方式激活。在具体的实施例中，吸气剂材料120在与将中间晶片104粘接或以其他方式固定到顶部晶片118的相关的温度(诸如，300℃左右或更高)下激活。然而，注意，吸气剂材料也可以放置在底部晶片102上。
在这一点上，各种附加处理步骤可以发生以使汽腔结构可供使用。例如，汽腔结构通常，或者尤其是容器腔106能够暴露到紫外(UV)辐射以分解容器腔106中的材料116的至少部分。在一些实施例中，UV辐射能够用于将叠氮化铯分解成铯蒸汽和氮气(N2)。然而，注意，其它机制可用于启动分解，诸如热分解。
材料116的分解在容器腔106内生成气体，其能够通过通道112流动到审讯腔108，并通过通道114流到吸气剂腔110。一些气体能够由吸气剂腔110中的激活的吸气剂材料120吸收。激活的吸气剂材料120能够根据，例如，吸气剂材料120的面积和厚度，吸收任何合适的气体量。
在常规装置中，材料常常在单个腔中分解，并且生成的气体保持在相同的腔中。虽然在装置运转期间，单个腔中的气体能够穿过辐射，但是来自原始材料的残留仍然会存在那个单个腔中。残留能够干扰腔的光学性质并导致装置故障。
根据本公开，材料116能够放置在一个腔106中并被分解，并且生成的气体能够在装置运转期间用于不同的腔108。即使腔106中存在残留，也不会干扰腔108的光学性质。而且，审讯腔108中的金属蒸汽和缓冲气体的量或组分能够被精确控制。这是因为材料116分解成金属蒸汽和缓冲气体通常以已知比例发生，并且是可控的，诸如基于所选UV剂量。作为一个具体的实例，叠氮化铯分解成已知比例的铯蒸汽和氮气，并且每一种的量能够通过控制UV暴露而控制。另外，吸气剂材料120能够基于各种因素如其尺寸吸收已知量的气体(诸如氮气)。通过控制UV剂量和吸气剂材料120的尺寸，制造商能够精确控制审讯腔108中生成的气体含量。
这允许控制汽室结构的光学性质，允许在以这种方式制造的各种汽室结构中，获得准确、可靠和可再生的运转。另外，不同的应用(诸如，微细加工原子钟和微细加工原子磁力计)在审讯腔108中通常需要不同量的金属蒸汽和缓冲气体。这种方法允许汽室结构容易地定制用于具体应用。总的来说，这种方法提供一种制造用于各种应用的具有精确光学性质的汽室的可靠技术。这种方法也增加了汽室的可靠性和性能，例如，因为吸气剂材料120吸收汽室中存在的不想要的气体和其它材料。
根据实施方式，汽室结构可以包括任何数量的附加特征。例如，顶部晶片118的一部分122(图6中轮廓线所示)可以比顶部晶片118的剩余部分更薄。这可以有助于促进材料116更容易受到UV照射。注意，汽室结构中的任何晶片102、104和118可以在晶片(一个或更多个)的任何期望的区域(一个或更多个)处具有不均匀的厚度。而且，注意顶部晶片118的部分122可以具有任何合适的大小、形状和尺寸并且可以比容器腔106更大或更小。顶部晶片118的部分122可以以任何合适的方式(诸如，利用湿式蛤同性蚀刻)变薄。
虽然图1到图6示出多腔汽室结构和制造技术的一个实例，但是可以对图1到图6做出各种改变。例如，汽室结构不必要包括三个腔且可以包括两个腔或超过三个腔。作为一个具体的实例，腔106和110可以组合成单个腔，其接收材料116和吸气剂材料120。而且，在此示出的制造技术仅用于示例，并且其它或附加的运转可以用于制造汽室结构。进一步，腔106-110不必要线性配置，并且通道112-114不必要是直的。另外，审讯腔108不必要位于容器腔106和吸气剂腔110之间。可以使用由通道连接的腔的任何配置，包括非线性配置和多层配置。此外，汽室结构可以与任何其它材料(一种或更多种)116和吸气剂材料(一种或更多种)120连用，并且不限于基于碱金属的材料或金属蒸汽和缓冲气体。
图7和8示出根据本公开的包含至少一个多腔汽室结构的示例性装置。如图7所示，装置700表示微细加工原子钟或其它原子装置。此处的装置700包括一个或更多个照明源702和汽室704。每个照明源702包括用于产生辐射的任何合适的结构，所述辐射被引导通过汽室704。每个照明源702可以，例如，包括激光器或照射器。
汽室704表示多腔汽室结构，诸如上述汽室结构。来自照明源(一个或更多个)702的辐射穿过汽室704的审讯腔108并与金属蒸汽相互作用。辐射还能够与一个或更多个光电探测器相互作用，所述光电探测器测量穿过审讯腔108的辐射。例如，光电探测器能够测量来自一个或更多个激光器或照射器的辐射。
来自光电探测器的信号被提供给时钟发生电路706，其使用该信号产生时钟信号。当金属蒸汽是，例如，铷87或铯133时，时钟发生电路706产生的信号可以表示高精确度时钟。来自光电探测器的信号也被提供给控制器708，其控制照明源(一个或更多个)702的运转。控制器708有助于保证原子钟的闭环稳定。
如图8所示，装置800表示微细加工原子磁力计或其它原子磁力计。此处的装置800包括一个或更多个照明源802和汽室804。每个照明源802包括用于产生辐射的任何合适的结构，所述辐射被引导通过汽室804。每个照明源802可以，例如，包括激光器或照射器。
汽室804表示多腔汽室结构，诸如，上述汽室结构。来自照明源(一个或更多个)802的辐射能够穿过汽室804的审讯腔108并与金属蒸汽相互作用。辐射也能够与一个或更多个光电探测器相互作用，所述光电探测器测量穿过审讯腔108的辐射。例如，光电探测器(一个或更多个)能够测量来自一个或更多个激光器或照射器的辐射。
来自光电探测器(一个或更多个)的信号被提供给磁场计算器806，其使用该信号测量穿过审讯腔108的磁场。此处的磁场计算器806能够测量极小的磁场。来自光电探测器(一个或更多个)的信号也能够被提供给控制器808，其控制照明源(一个或更多个)802的运转。
虽然图7和图8示出包含至少一个多腔汽室结构的示例性装置700和800，但是可以对图7和图8进行各种改变。例如，图7和图8所示的装置700和800已被简化以示出如上所述汽室结构的示例性使用。原子钟和原子磁力计能够具有其复杂性随一个或更多个汽室结构而变化的各种其它设计。
图9示出根据本公开的用于形成多腔汽室结构的示例性方法900。如图9所示，在步骤902处，在汽室结构的中间晶片中形成多个腔。这可以包括，例如，在硅晶片或其它中间晶片104中形成腔106-110。任何合适的技术(诸如，湿式或干式蚀刻)可以用于形成腔。在步骤904处，在汽室结构的中间晶片中形成通道。这可以包括，例如，在硅晶片或其它中间晶片104中形成通道112-114。可以使用任何合适的技术(诸如，湿式或干式蚀刻)形成通道。腔和通道的形成也可以重叠，诸如，当使用相同的蚀刻形成腔106-110和通道112-114时。
在步骤906处，中间晶片固定到下部晶片。这可以包括，例如，将中间晶片104粘接到底部晶片102。如果腔106-110被形成完全通过中间晶片104，则将中间晶片104固定到底部晶片102能够密封腔106-110的下部开口。
在步骤908处，将要分解的第一材料沉积其中一个腔中。这可以包括，例如，将材料116沉积在容器腔106中。任何合适的沉积技术可以用于沉积任何合适的材料(一种或更多种)116，诸如，基于碱金属的材料。
在步骤910处，第二材料在汽室结构的顶部晶片上形成。这可以包括，例如，在顶部晶片118上形成吸气剂材料120的薄膜，然后图形化并蚀刻所述薄膜。吸气剂材料120能够在适于插入到中间晶片104的吸气剂腔110的位置中设置在顶部晶片118上。
在步骤912处，顶部晶片固定到中间晶片。这可以包括，例如，将顶部晶片118粘接到中间晶片104。将顶部晶片118固定到中间晶片104能够密封腔106-110的上部开口。在这一点上，第二材料位于吸气剂腔110内。在914处激活第二材料。这可以包括，例如，施加至少约300℃的热到吸气剂材料120。在一些实施例中，可以在将顶部晶片118固定到中间晶片104的步骤912期间产生热。
在步骤916处，第一材料分解以生成金属蒸汽和缓冲气体。这可以包括，例如，通过底部晶片102或顶部晶片118将UV辐射施加到材料116。这还可以包括将材料116的至少一部分转换成金属蒸汽和缓冲气体。然而，注意，也可以使用其它分解技术。
在步骤918处，使用第二材料吸收汽室结构中的缓冲气体、不期望的材料(一种或更多种)或其它材料(一种或更多种)中的至少一部分。这可以包括，例如，使用吸气剂材料120吸收至少一些缓冲气体、水蒸汽或其它材料(一种或更多种)。
以这种方式，能够精确控制汽室结构的审讯腔108中的金属蒸汽和缓冲气体的量。因此，能够制造适于具体应用的具有具体光学性质的汽室结构。另外，使用这种技术能够制造多汽室结构，并且每个汽室结构能够具有适于每个具体应用的光学性质。
虽然图9示出用于形成多腔汽室结构的方法900的一个示例，但是可以对图9进行各种改变。例如，如上面所提到的，能够对制造工艺进行各种修改。而且，尽管示出一系列步骤，但图9中的各种步骤可以重叠、并行发生或以不同的顺序发生。
阐述整个申请文件使用的某些词语或短语可能是有益的。术语“顶部”、“中间”和“底部”是指图中的相对位置中的结构，并不是指对装置如何在其上制造或使用进行结构限制。术语“固定”及其衍生词是指附接，经由另一个结构或直接或间接附接。术语“包括”和“包含”及其衍生词是指包括但不限于。术语“或”是包括的，意思是或/和。短语“与...关联”及其衍生词可以指包括、被包含在、与...互连、包含、被包含在、连接到或与...连接、耦合到或与...耦合、可与...通信、与...协作、交错、并列、邻近于、粘接到或与...粘接、具有、具有...属性、具有...关系等等。短语“至少一个”，当与项目列表连用时，意思是可以使用所列项目的一个或更多个的不同组合，并且可以只需要列表中的一个项目。例如，“A、B和C中的至少一个”包括任意下列组合：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。
尽管本公开已经描述了某些实施例及其相关方法，但是这些实施例和方法的修改和转换对于本领域的技术人员来说是明显的。因此，示例性实施例的上面描述不限定或约束本公开。在不脱离如下权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下，其它变化、替换和修改也是可能的。

Claims (20)

1.一种设备，所述设备包括：
具有通过一个或更多个通道流体连接的多个腔的汽室；
经配置以接收第一材料的所述腔的至少一个，所述第一材料能够分解成包含在所述汽室内的一种或更多种气体；和
经配置以接收第二材料的所述腔的至少一个，所述第二材料能够吸收所述一种或更多种气体的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述汽室包括：
第一腔，其经配置以接收所述第一材料；和
第二腔，其通过至少一个第一通道流体连接到所述第一腔，所述第二腔经配置以接收所述一种或更多种气体；并且
其中所述汽室经配置以允许辐射穿过所述第二腔。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述汽室进一步包括：
第三腔，其通过至少一个第二通道流体连接到所述第一腔和第二腔中的至少一个，所述第三腔经配置以接收所述第二材料。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述汽室包括：
第一晶片，其包括所述多个腔和所述一个或更多个通道。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述汽室进一步包括：
至少一个第二晶片，其固定到所述第一晶片，所述至少一个第二晶片密封所述多个腔和所述一个或更多个通道的端部。
6.根据权利要求4所述的设备，其中：
所述汽室进一步包括固定到所述第一晶片的第二晶片；并且
所述第二晶片在邻近包含所述第一材料的所述腔的位置中更薄。
7.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一材料包括基于碱金属的材料，所述基于碱金属的材料能够分解成金属蒸汽和缓冲气体；并且
所述第二材料包括吸气剂材料，所述吸气剂材料能够吸收所述缓冲气体的至少一部分。
8.根据权利要求7所述的设备，其中：
所述第一材料包括叠氮化铯，即CsN3，所述叠氮化铯能够分解成铯蒸汽和氮气即N2；并且
所述第二材料包括锆基合金。
9.一种系统，所述系统包括：
汽室，其包括：
由一个或更多个通道流体连接的多个腔；
经配置以接收第一材料的所述腔的至少一个，所述第一材料能够分解成包含在所述汽室内的一种或更多种气体；和
经配置以接收第二材料的所述腔的至少一个，所述第二材料能够吸收所述一种或更多种气体的至少一部分；和
照明源，其经配置以引导辐射通过所述腔的至少一个。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述汽室包括：
第一腔，其经配置以接收所述第一材料；和
第二腔，其通过至少一个第一通道流体连接到所述第一腔，所述第二腔经配置以接收所述一种或更多种气体。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述汽室进一步包括：
第三腔，其通过至少一个第二通道流体连接到所述第一腔和第二腔中的至少一个，所述第三腔经配置以接收所述第二材料。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述汽室包括：
第一晶片，其包括所述多个腔和所述一个或更多个通道。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述汽室进一步包括：
至少一个第二晶片，其固定到所述第一晶片，所述至少一个第二晶片密封所述多个腔和所述一个或更多个通道的端部。
14.根据权利要求12所述的系统，其中：
所述汽室进一步包括固定到所述第一晶片的第二晶片；并且
所述第二晶片在邻近包含所述第一材料的所述腔的位置中更薄。
15.根据权利要求9所述的系统，进一步包括：
时钟发生电路，其经配置以基于引导通过所述腔的至少一个的所述辐射而产生时钟信号。
16.根据权利要求9所述的系统，进一步包括：
磁场计算器，其经配置以基于引导通过所述腔的至少一个的所述辐射而确定穿过所述汽室的磁场的测量。
17.一种方法，所述方法包括：
在具有由一个或更多个通道流体连接的多个腔的汽室中，将第一材料放置在所述腔的至少一个中，并将第二材料放置在所述腔的至少一个中；
将所述第一材料的至少一部分分解成包含在所述汽室内的一种或更多种气体；以及
使用所述第二材料吸收所述一种或更多种气体的至少一部分。
18.根据权利要求17所述的方法，其中将所述第一材料放置在所述腔的至少一个中包括：
在密封所述第一腔之前，将所述第一材料放置在第一晶片的第一腔中。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，将所述第二材料放置在所述腔的至少一个中包括：
将所述第二材料放置在第二晶片上；以及
将所述第二晶片固定到所述第一晶片，使用所述第二晶片至少部分地密封所述第一腔。
20.根据权利要求19所述的方法，其中：
所述第二材料包括吸气剂材料；并且
将所述第二晶片固定到所述第一晶片是在激活所述吸气剂材料的温度下执行。
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