CN105712282B - 一种适用于正交光抽运、探测的mems原子气室及其制作方法 - Google Patents

一种适用于正交光抽运、探测的mems原子气室及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于正交光抽运、探测的MEMS原子气室及其制作方法，主要解决了现有技术工艺难度大、核磁共振原子陀螺仪物理系统抽运/探测光束与原子相互作用的碱金属气室及气室温度控制等问题。该适用于正交光抽运、探测的MEMS原子气室，其特征在于，包括三层结构，其中，中间层为中部具有通孔的玻璃基片，顶层和底层均为硅片，硅片与玻璃基片键合形成密闭的碱金属气室，碱金属气室内充入有碱金属原子和惰性气体。本发明具有光强损失小的突出优势，而且不会影响激光的偏振状态，可提高核磁共振原子陀螺仪整机的性能指标。

Description

一种适用于正交光抽运、探测的MEMS原子气室及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种碱金属气室，尤其是涉及一种适用于正交光抽运、探测的MEMS原子气室及其制作方法。
背景技术
近年来，随着微机电系统(micro-electromechanical systems，MEMS)技术的快速发展，其应用领域不断的拓展。其中，“与原子物理相结合，实现体积小、功耗低、成本低、精度高的精密测量器件”是一个重要的发展方向，如芯片原子钟、芯片磁强计、芯片级核磁共振陀螺仪。在这些原子精密测量器件中，碱金属气室都是核心部件。
基于相干布居囚禁（coherent population trapping，CPT）原理的芯片钟和基于光抽运和磁共振技术的芯片磁强计二者物理系统中都只用到一束光与原子相互作用，因此，目前使用的碱金属气室通常是中间位硅片两边为玻璃的三明治结构，如图1所示，该结构中间层为中部具有通孔的硅片，硅片的两侧为Pyrex玻璃。制作时先进行一次玻璃与底层的硅片键合形成半腔结构，待冲入碱金属和缓冲气体后再与Pyrex玻璃片键合，完成原子气体密封。如实用型专利：基于MEMS技术的原子气体腔器件（CN203950129）。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单，且能够在不增加工艺实现难度的前提下巧妙解决正交光束入射的技术难题的MEMS原子气室。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于正交光抽运、探测的MEMS原子气室，包括三层结构，其中，中间层为中部具有通孔的玻璃基片，顶层和底层均为硅片，硅片与玻璃基片键合形成密闭的碱金属气室，碱金属气室内充入有碱金属原子和惰性气体。
进一步的，在所述顶层和/或底层的硅片的端面上还镀加热膜、温度传感器和电极。
适用于正交光抽运、探测的MEMS原子气室的制作方法，包括以下步骤：
（1）将玻璃基片表面抛光，清洗并烘干备用的步骤；
（2）采用刻蚀工艺技术制作玻璃基片的通孔的步骤；
（3）采用硅-玻璃阳极键合工艺，完成玻璃基片与底层硅片的键合的步骤；
（4）充入碱金属原子和惰性气体；
（5）采用硅-玻璃阳极键合工艺，完成玻璃基片与顶层硅片的键合的步骤，完成碱金属气室的密封。
进一步的，还包括步骤（6）：在顶层和/或底层的硅片的端面上镀加热膜及温度传感器的步骤。
以玻璃片的通孔为单元格，对整个玻璃片进行划分，形成若干单个的原子气体腔，单个原子气体腔的玻璃基片端面做抛光及镀增透膜处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明具有光强损失小的突出优势，而且不会影响激光的偏振状态，可提高核磁共振原子陀螺仪整机的性能指标，适用于抽运/探测光通过的NMR原子陀螺仪和SERF磁强计等传感器，抽运/探测光能更好的耦合到碱金属气室，更有效的达到极化原子和检测信号的目的。另一方面，本发明中通光端面镀增透膜后透光好、光强损失小，圆偏度高，有利于提高整机的性能指标。
（2）本发明把加热膜和温度传感器镀到硅基片面的技术方案，不影响玻璃面的通光效果，而且有利于提高原子气室的控温精度。
（3）本发明基于硅-玻璃阳极键合技术等成熟的MEMS工艺、抛光镀膜工艺，易于实现。
附图说明
图1为现有技术的结构示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明中电镀加热膜及温度传感器示意图。
其中，附图标记所对应的名称：1-顶层硅片、2-玻璃基片、3-底层硅片、4-探测光，5-抽运光，6-温度传感器，7-加热膜，8-电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图2和3所示，本实施例提供了一种适用于正交光抽运、探测的MEMS原子气室，该原子气室采用三明治结构，包括有三层结构，一层Pyrex玻璃基片、两层硅片，其中，Pyrex玻璃基片为中间层，顶层和底层则为硅片：顶层硅片和底层硅片，硅片均与玻璃基片键合形成密闭的碱金属气室，Pyrex玻璃基片的中部具有通孔，通孔为采用刻蚀工艺技术制作的毫米级别的通孔。上述结构具有四个通光面，满足物理系统正交通光及特定温度需求。物理系统激光产生两束光，一束泵浦光，泵浦光经过透镜变平行光再经过偏振片与1/4波片胶合件，变圆偏振光且可调光强，通过碱金属气室后经过光检后锁定激光频率；一束探测光，通过碱金属气室检测频率。现有技术都需要在硅片上增加反射面工艺，工艺实现难度增加，而且会损失激光光强和偏振特性，而本发明申请则可完全避免该问题。
仅通过碱金属实现来获得灵敏传感器是十分困难的，由于惰性气体相对于碱金属拉莫尔频率低、驰豫时间长。本实施例中碱金属气室内充入有碱金属原子（铷或铯）、N2 和Xe，本实施例采用惰性气体与碱金属混合物，惰性气体不影响光泵浦，通过自旋交换过程把碱金属电子自旋极化转移到惰性气体原子核上。
在传统玻璃-硅-玻璃原子气室方案中，为保证激光不被加热膜和温度传感器遮挡，一般都镀在边缘不通光的位置，仅为局部加热。而本实施例中，在硅片的其中一面或双面（顶层和/或底层硅片端面）采用加热膜及温度传感器控制腔体的温度，保证气室蒸汽，相较于现有技术而言，本方案则是整体加热，因此温度梯度更小，控温精度更高。
适用于正交光抽运、探测的MEMS原子气室的制作方法如下：
（1）选用合适尺寸的玻璃基片，基片表面抛光，保证其平整度与光洁度，清洗并烘干备用。
（2）采用刻蚀工艺技术制作毫米量级左右的玻璃基片通孔；
（3）采用硅-玻璃阳极键合工艺，完成带通孔的玻璃与底层硅片的键合；
（4）然后冲入一定量的碱金属原子（铷或铯）、N2 和Xe；
（5）采用硅-玻璃阳极键合工艺再进行一次玻璃和硅片的键合，完成原子腔体的密封；
（6）在硅片的其中一面或双面镀加热膜及温度传感器达到控温目的。
以玻璃片的通孔为单元格，对整个玻璃片进行划分，形成许多的单个原子气体腔。最后，对单个原子气体腔玻璃端面做抛光及镀增透膜处理，通光端面镀增透膜后透光好、光强损失小，圆偏度高，有利于提高整机的性能指标，保证很好的入射端面和透光性。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种适用于正交光抽运、探测的MEMS原子气室，其特征在于，包括三层结构，其中，中间层为中部具有通孔的玻璃基片，顶层和底层均为硅片，硅片与玻璃基片键合形成密闭的碱金属气室，碱金属气室内充入有碱金属原子和惰性气体。
2.根据权利要求1所述的适用于正交光抽运、探测的MEMS原子气室，其特征在于，在所述顶层和/或底层的硅片的端面上还镀加热膜、温度传感器和电极。
3.根据权利要求1或2所述的适用于正交光抽运、探测的MEMS原子气室的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将玻璃基片表面抛光，清洗并烘干备用的步骤；
（2）采用刻蚀工艺技术制作玻璃基片的通孔的步骤；
（3）采用硅-玻璃阳极键合工艺，完成玻璃基片与底层硅片的键合的步骤；
（4）充入碱金属原子和惰性气体；
（5）采用硅-玻璃阳极键合工艺，完成玻璃基片与顶层硅片的键合的步骤，完成碱金属气室的密封。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：还包括步骤（6）：在顶层和/或底层的硅片的端面上镀加热膜及温度传感器的步骤。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，以玻璃片的通孔为单元格，对整个玻璃片进行划分，形成若干单个的原子气体腔，单个原子气体腔的玻璃基片端面做抛光及镀增透膜处理。
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