CN105934887A - 原子振荡器及其制造方法 - Google Patents

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安达一彦
原坂和宏
伊藤彰浩
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Abstract

一种原子振荡器，包括气体隔室和多个部件。多个部件包括用于气体隔室的温度控制装置；发射激励光以激励封装在气体隔室中的原子的激励光源；用于激励光源的温度控制装置；以及检测穿过气体隔室的激励光的光接收元件。多个部件被安装在具有引线的绝缘膜上。

Description

原子振荡器及其制造方法
技术领域
本发明涉及原子振荡器以及它的制造方法。
背景技术
存在用于非常精确地测量时间的原子钟(原子振荡器)以及对用于小型化这样的原子钟的方法的讨论一直在进行。原子钟包括振荡器，其基于构成碱金属等的原子的电子的跃迁能的量而操作。特别地，因为构成碱金属的原子的电子的跃迁能可提供非常精确的值，如果不存在干扰的话，可以获得与晶体振荡器相比高几个位(places)的频率稳定性。
在若干类型的这样的原子钟中，相干布居数俘获(CPT)原子钟具有与晶体振荡器相比大约高三位的频率稳定性并且预期提供非常小的尺寸和过低的功率消耗(例如，非专利文献1和2)。CPT原子钟包括光源910例如激光装置，其中碱金属被封装的碱金属隔室(cell)940，以及用于接收穿过如图1中所示的碱金属隔室940的激光束的光检测器950。当激光束被调制时，在具有特定波长的载波的两边上出现的边带波长同时引起在碱金属中的两次电子跃迁以激励所述电子。在跃迁中的跃迁能是恒定的并且当激光束的边带波长与对应于跃迁能的波长匹配时，透明现象发生，其中光在碱金属中的吸收降低。在原子钟中，载波的波长被调节以便以该方式减少光在碱金属中的吸收。另外，由光检测器950检测到的信号被反馈到调制器960并且调制器960调节来自于光源910例如激光装置的激光束的调制频率。激光束由光源910发出，经由准直透镜920和四分之一波片930被照射在碱金属隔室940上，并投射在光检测器950上。从光源910到光检测器950的元件共同称为量子单元(在图中由“1”表示)并且已经期望量子单元小型化以便改进性能。
一种用于使用微机电系统(MEMS)技术在这样非常小尺寸的原子钟中制造碱金属隔室的方法被公开(例如，专利文献1-4)。在这些专利文献中公开的方法首先使用照相平版印刷方法和蚀刻技术在硅(Si)基板中形成开口然后通过阳极粘合将玻璃粘合到Si基板。阳极粘合(bonding)是在从200到450℃范围的温度下通过施加从大约250到1000V范围内的电压到玻璃和Si基板之间的分界面进行的。然后，碱金属和缓冲气体被注入并且通过阳极粘合将玻璃粘合到上表面上的开口部分而被封装。碱金属隔室是通过以这样的方式从元件切开每个隔室得以形成的。
这样的碱金属气体隔室(此后称为“气体隔室”)被加热到预定温度以便使封装的碱金属和缓冲气体在气体状态。为了减少气体隔室中的电力消耗，需要在气体隔室部分中具有高的热阻。因此，空心结构被采用用于热绝缘。
这样的空心结构的例子包括其中竖直空腔表面发射激光器(VCSEL)光源、MEMS型气体隔室和光接收器在芯片比例尺的原子钟的量子单元中的光的传播方向上被三维地堆叠的结构(例如，专利文献5，图1)。当该结构被详细描述时，在量子单元的包装件(package)内，包括竖直空腔表面发射激光器(VCSEL)，为光学部件的1/4波片，碱金属气体隔室和光检测器。这些元件被固定在由硅树脂制成的支撑台上以及被固定到隔离件上以便具有中空的结构。进一步地，所述包装件和VCSEL使用用于连接到电源的导线被硬布线(hardwired)，用于操作所述量子单元。具体地说，导线采用金线。
在空心结构的其它例子中，VCSEL光源设置在光接收器的中心处，气体隔室单元被设置在其前面，以及镜子和加热元件被设置在气体隔室单元上。投射在气体隔室单元上的光在镜子上反射并被投射到光接收元件上(例如，专利文献6，图1和图2)。在该例子中，每个部件是三维地堆叠的并且系留件(tether)被进一步用来具有空心结构，使得该结构是复杂的。
专利文献1：美国专利号6806784
专利文献2：美国专利申请公布号2005/0007118
专利文献3：日本公开专利申请号2009-212416
专利文献4：日本公开专利申请号2009-283526
专利文献5：日本公开专利申请号2011-237401
专利文献6：PCT国际申请的日文翻译公布号2008-520958
非专利文献1：Applied Physics Letters，Vol.85，pp.1460-1462(2004)
非专利文献2：Comprehensive Microsystems，vol.3，pp.571-612
发明内容
本发明要解决的问题
如以上提到的，传统地提出的中空结构是复杂的并且在设置引线时具有困难。换句话说，传统技术涉及复杂结构并且不适合于量产，因为每个部件在投射光的方向上以高的精度被三维地堆叠和固定。进一步地，传统技术具有缺点在于通过引线结合设置引线是复杂的，因为部件在每个层中被分离。
鉴于以上提到的问题，本发明的大体目的是要提供一种具有三维结构和改进的量产率的原子振荡器等。解决问题的手段
根据本发明的一方面，包括气体隔室和多个部件的原子振荡器被提供。多个部件包括用于气体隔室的温度控制装置；发射激励光以激励封装在气体隔室中的原子的激励光源；用于激励光源的温度控制装置；以及检测穿过气体隔室的激励光的光接收元件。多个部件被安装在具有引线的绝缘膜上。
根据本发明的一方面，可以提供一种具有三维结构和改进的量产率的原子振荡器。
附图说明
图1是原子振荡器的示意图；
图2是示出根据第一实施例的原子振荡器的结构的例子的示意图；
图3A是示出根据第一实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；
图3B是示出根据第一实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；
图3C是示出根据第一实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；
图4A是示出根据第一实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第二)示意图；
图4B是示出根据第一实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第二)示意图；
图5A是示出根据第一实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第三)示意图；
图5B是示出根据第一实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第三)示意图；
图6A是示出根据第二实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；
图6B是示出根据第二实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；
图6C是示出根据第二实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；
图7是示出根据第二实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第二)示意图；
图8A是示出根据第三实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；
图8B是示出根据第三实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；
图9A是示出根据第三实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第二)示意图；
图9B是示出根据第三实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第二)示意图；
图10是示出根据第三实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第三)示意图；
图11是示出根据第四实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图；
图12A是示出根据第五实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图；
图12B是示出根据第五实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图；
图13是示出根据第六实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图；
图14A是示出根据第七实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；
图14B是示出根据第七实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；
图15A是示出根据第七实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第二)示意图；
图15B是示出根据第七实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第二)示意图；
图16A是示出根据第八实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图；
图16B是示出根据第八实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图；
图17A是示出根据第九实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；
图17B是示出根据第九实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第一)示意图；以及
图18是示出根据第九实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的(第二)示意图。
具体实施方式
在下文中，参照附图描述用于实施本发明的实施例。在每个附图中，相同的构成元件可给予相同的附图标记并且多余的描述可被省略。
<第一实施例>
[原子振荡器的结构]
首先，描述原子振荡器的结构。图2是示出根据第一实施例的原子振荡器的结构的例子的示意图。参照图2，根据第一实施例的原子振荡器1具有量子单元，该量子单元包括表面发射激光器装置(VCSEL)10，第一陶瓷包装件20，光学部件30，保持器40，气体隔室50，热敏电阻60，光二极管70，绝缘膜80以及支撑件90，作为主要构成元件。
在本实施例中，原子振荡器1的光二极管70称为“上侧”并且支撑件90称为“下侧”，为了为了方便起见。然而，原子振荡器1可在上下倒置时使用或者可以以给定角度设置。进一步地，平面图指示从激励光的传播方向看到的对象。
表面发射激光器装置10是发射激励光以激励封装在气体隔室50中的碱金属原子的激励光源。用于监视表面发射激光器装置10的温度的热敏电阻(图3C中的热敏电阻100)被安装在第一陶瓷包装件20上。
第一陶瓷包装件20具有内装的加热器25并且表面发射激光器装置10的温度基于由安装的热敏电阻100检测到的温度进行控制。换句话说，第一陶瓷包装件20的内装的加热器25和安装的热敏电阻100构成用于用作激励光源的表面发射激光器装置10的温度控制装置。
在第一陶瓷包装件20上方，设置了用于罩住光学部件30例如中性密度(ND)滤光片或1/4波片的保持器40。在保持器40上方，设置了用作碱金属气体隔室的气体隔室50。用于监视气体隔室50的温度的热敏电阻60设置在气体隔室50附近。用于保持器40的材料可包括例如透射激励光的聚碳酸酯等。
在气体隔室50中，缓冲气体和碱金属被注入到形成在硅树脂中的开口中以及该开口的下侧由玻璃板55密封以及上侧由玻璃板56密封。在玻璃板55和玻璃板56的每个表面上，形成铂加热器(图3C中的加热器58)。气体隔室50由加热器58加热到预定温度以便气化封装的碱金属的原子。温度由设置在气体隔室50附近的热敏电阻60检测以执行精确的热控制。在气体隔室50中，其中激励光穿过的玻璃板55的区域称为“窗口部分55X”以及其中激励光穿过的玻璃板56的区域称为“窗口部分56X”。
在气体隔室50上方，设置了光二极管70。光二极管70是光接收元件，其检测从表面发射激光器装置10发射并穿过气体隔室50的激励光。第一陶瓷包装件20，保持器40，气体隔室50，热敏电阻60和光二极管70被固定在绝缘膜80的预定表面上并且在具有绝缘性质的支撑件90上被堆叠。
表面发射激光器装置10，用于监视表面发射激光器装置10的温度的热敏电阻100，在第一陶瓷包装件20中的内装的加热器25，设置在气体隔室50上的加热器58，热敏电阻60以及光二极管70被电连接到形成在绝缘膜80上的引线。对于绝缘膜80，具有挠性和大约25μm的厚度的聚酰亚胺膜等可被使用。对于支撑件90，玻璃板等可被使用。
热敏电阻60通过导热粘合剂(未示出)等被固定在气体隔室50的侧面上。
窗口部分40x由其中激励光穿过的保持器40的区域限定。进一步地，窗口部分80x和窗口部分80y由其中激励光穿过的绝缘膜80的区域限定。窗口部分40x，窗口部分80y，窗口部分55x，窗口部分56x以及窗口部分80x被布置成与激励光的传播方向(图2中的竖直方向)连通并且光二极管70的光接收表面被暴露到连通的窗口部分。换句话说，来自于表面发射激光器装置10的激励光穿过罩住光学部件30的保持器40的窗口部分40x，窗口部分80y，窗口部分55x，窗口部分56x和窗口部分80x，并且由光二极管70的光接收表面接收。
在量子单元中，表面发射激光器装置10的发射表面，气体隔室50中的表面，所述表面垂直于从表面发射激光器装置10发射的激励光的传播方向，以及光二极管70的光接收表面位于相同的光学路径中。进一步地，至少一部分的绝缘膜80被表面发射激光器装置10、气体隔室50和光二极管70直接地或间接地夹在中间。
在量子单元中，支撑件90被设置成面向第二陶瓷包装件110的空腔以及设置在绝缘膜80上的连接端子经由焊剂(solder)120被连接到设置在空腔内的衬垫(未示出)。
量子单元通过第二陶瓷包装件110、密封环130和盖140是真空密封的，用于热绝缘。对于密封环130，经过镀金的科伐合金等可被使用。对于盖140，经过镀镍的科伐合金、坡莫合金等可被使用。
[用于制造原子振荡器的方法]
接下来，用于制造原子振荡器的方法被描述。图3A-5B是示出根据第一实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图。
在图3A和图3B中示出的工艺中，绝缘膜80(例如，具有大约25μm厚度的聚酰亚胺膜)首先被准备。图3A是示出绝缘膜80的一个侧面的平面视图，图3B是示出绝缘膜80的另一个侧面的平面视图(底视图)，该另一个侧面是与所述一个侧面相反的侧面。其上安装第一陶瓷包装件20的侧面在此被称为“一个侧面”。
在绝缘膜80上，形成用于安装部件的焊接区(lands)81，82，83和84，引线85以及连接端子86。进一步地，在绝缘膜80上，用作窗口部分80x和80y的贯通孔被形成。用于安装部件的焊接区81，82，83和84以及连接端子86被电连接到引线85。
焊接区81，82，83和84被形成为以使得要被安装在每个焊接区上的多个部件被线性布置。换句话说，焊接区81，82，83和84被布置成以使得当量子单元被组装同时所述绝缘膜80被折叠或卷起时，安装在每个焊接区上的每个部件在激励光的传播方向上被线性布置。
形成在绝缘膜80的一个侧面上的引线85和形成在绝缘膜80的另一个侧面上的引线85在必要处经由穿透绝缘膜80的贯通孔(例如图4B中的贯通孔88)被连接。实际上，虽然引线85的许多图案被形成在图3A和图3B中，但是为了方便起见，仅典型的图案被示出。
接下来，在图3C中示出的工艺中，糊状焊剂等被印刷在焊接区81，82，83和84上，用于安装部件在绝缘膜80中。在印刷之后，其上安装表面发射激光器装置10和热敏电阻100的第一陶瓷包装件20，光二极管70，热敏电阻60，以及气体隔室50被设置在焊接区81，82，83和84上。然而，在本实施例中，设置在气体隔室50上的加热器58被电连接到焊接区84以及气体隔室50经由加热器58被设置(相同的情况适用于以下实施例)。加热器58被设置在玻璃板55的表面上以使得例如，加热器58基本上在平面视图中围绕窗口部分55x。进一步地，加热器58被设置在玻璃板56的表面上以使得例如，加热器58基本上在平面视图中围绕窗口部分56x。
糊状焊剂等通过温度范围从大约240到260℃的热处理被熔化然后被凝固以电连接每个焊接区到每个部件并将焊接区和所述部件固定。另外，气体隔室50被固定以使得气体隔室50的窗口部分55x和窗口部分56x以及绝缘膜80的窗口部分80x在平面视图中被(连通地)重叠。
接下来，在图4A和图4B中示出的工艺中，在绝缘膜80的一个侧面上，由聚碳酸酯等制成并罩住光学部件30的保持器40被固定以盖住第一陶瓷包装件20。进一步地，在绝缘膜80的另一个侧面上的左端处，支撑件90(例如，玻璃板)被固定。保持器40和支撑件90的固定可使用耐热树脂粘合剂等。图4A是示出绝缘膜80的一个侧面的平面视图以及图4B是沿线图4A的线A-A的横截面视图。
接下来，在图5A中示出的工艺中，绝缘膜80在由箭头R指示的方向上围绕气体隔室50被卷起以在三维上堆叠每个部件，以及堆叠的每个层由耐热的紫外线可固化树脂等被固定，从而如图5B中所示的组装量子单元。量子单元被组装以使得气体隔室50的窗口部分55x和窗口部分56x以及绝缘膜80的窗口部分80x在平面视图被重叠(superimposed)在绝缘膜80的窗口部分80y上(与其连通)。
然后，第二陶瓷包装件110，密封环130和盖140被准备。图5B中示出的量子单元经由焊剂120被电连接到设置在第二陶瓷包装件110的空腔内的衬垫(未示出)。图2中示出的原子振荡器1是通过经由密封环130缝焊接第二陶瓷包装件110和盖140以例如具有真空密封得以实现的。
以这样的方式，在根据第一实施例的具有三维结构的原子振荡器中，可以将构成量子单元的每个部件设置在相同的平面上。因此，可以以与传统进行的相同的方式使用芯片焊接机或芯片安装器在量产性方面实现安装优势。结果，可以减小原子振荡器的制造成本。
进一步地，可以在将图5B中所示的量子单元安装在第二陶瓷包装件110上之前检查该量子单元的操作。因此，可以改进制造率。
<第二实施例>
第二实施例示出其中不同于在第一实施例中的支撑件的支撑件被使用的例子。在第二实施例中，与以上所述的第一实施例中的相同的构成元件可被省略。
图6A到7是示出根据第二实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图。在图6A中示出的工艺中，以与根据图3A和图3B中示出的第一实施例的工艺相同的方式，绝缘膜80(例如，具有大约25μm的厚度的聚酰亚胺膜)被首先准备。接下来，糊状焊剂等被印刷在焊接区81，82，83和84上，用于安装部件在绝缘膜80上，以及一部分需要在连接端子86上。在印刷之后，其上安装表面发射激光器装置10和热敏电阻100的第一陶瓷包装件20、光二极管70、热敏电阻60、气体隔室50以及支撑件90A被设置在焊接区81，82，83和84以及连接端子86上。另外，一贯通电极95被形成在支撑件90A(例如，玻璃板)的预定位置上。
糊状焊剂等通过温度范围从大约240到260℃的热处理被熔化然后被凝固以电连接每个焊接区到每个部件并固定该焊接区和该部件。同时，连接端子86和所述贯通电极95被电连接和固定。另外，气体隔室50被固定以使得气体隔室50的窗口部分55x和窗口部分56x以及绝缘膜80的窗口部分80x在平面视图中被(连通地)重叠。
接下来，在图6A和图6B中示出的工艺中，在绝缘膜80的一个侧面上，由聚碳酸酯等制成并且罩住光学部件30的保持器40被固定以盖住第一陶瓷包装件20。保持器40的固定可使用耐热树脂粘合剂等。图6B是示出绝缘膜80的一个侧面的平面视图，图6C是沿线图6B中的线A-A的横截面视图。
接下来，以与图5A中示出的工艺相同的方式，绝缘膜80围绕气体隔室50卷起以在三维上堆叠每个部件，堆叠的每个层被耐热的紫外线可固化树脂等固定，从而组装如图7中所示的量子单元。量子单元被组装为以使得气体隔室50的窗口部分55x和窗口部分56x以及绝缘膜80的窗口部分80x在平面视图中被重叠在绝缘膜80的窗口部分80y上(与其连通)。随后的工艺与第一实施例中的相同。
以这样的方式，在第二实施例中，具有贯通电极的支撑件被用作构成原子振荡器的量子单元的支撑件。因此，除了由第一实施例提供的作用之外，下面的作用进一步被提供。换句话说，具有所述贯通电极的支撑件可设置在其中设置包括陶瓷包装件的部件的相同平面(绝缘膜80的所述一个侧面)上。因此，可以使用芯片焊接机或芯片安装器更有效地进行安装。结果，可以进一步降低原子振荡器的制造成本。<第三实施例>
第三实施例示出其中安装陶瓷包装件的位置被改变以缩短绝缘膜的例子。在第三实施例中，与如上所述的前述实施例中的相同的构成元件可被省略。
图8A-10是示出根据第三实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图。在图8A中示出的工艺中，绝缘膜80A(例如，具有大约25μm的厚度的聚酰亚胺膜)首先被准备。绝缘膜80A不同于绝缘膜80(例如，参见图3A)。在绝缘膜80A中，用于安装所述陶瓷包装件的焊接区81被移动到由连接端子86围绕的区域。根据此，绝缘膜80A的总长度减小。形成在绝缘膜80A上的引线(未示出)当然被缩短。
接下来，在图8B中示出的工艺中，糊状焊剂等被印刷在焊接区81，82，83和84上，用于安装部件在绝缘膜80A中。在印刷之后，其上安装表面发射激光器装置10和热敏电阻100的第一陶瓷包装件20、光二极管70、热敏电阻60和气体隔室50被设置在焊接区81，82，83和84上。糊状焊剂等通过温度范围从大约240到260℃的热处理被熔化然后被凝固以电连接每个焊接区到每个部件并固定该焊接区和该部件。另外，气体隔室50被固定以使得气体隔室50的窗口部分55x和窗口部分56x以及绝缘膜80A的窗口部分80x在平面视图中被(连通地)重叠。
接下来，在图9A和9B中示出的工艺中，在绝缘膜80A的一个侧面上，由聚碳酸酯等制成并罩住光学部件30的保持器40被固定以盖住第一陶瓷包装件20。进一步地，在绝缘膜80A的另一个侧面上的左端处，支撑件90A被固定。因为其上安装表面发射激光器装置10和热敏电阻100的第一陶瓷包装件20被紧挨着设置在支撑件90A上方，可以缩短支撑件90A和表面发射激光器装置10或其他的部件之间的引线。保持器40和支撑件90A的固定可使用耐热树脂粘合剂等。图9A是示出绝缘膜80A的一个侧面的平面视图以及图9B是沿线图9A中的线A-A的横截面视图。
接下来，以与图5A中示出的工艺相同的方式，绝缘膜80A围绕气体隔室50卷起以三维地堆叠每个部件，以及堆叠的每个层通过耐热的紫外线可固化树脂等被固定，从而组装如图10所示的量子单元。量子单元被组装以使得气体隔室50的窗口部分55x和窗口部分56x以及绝缘膜80A的窗口部分80x在平面视图中被重叠在绝缘膜80A的窗口部分80y上(与其连通)。随后的工艺与第一实施例中的相同。
以这样的方式，在第三实施例中，绝缘膜通过改变其中安装所述陶瓷包装件的位置被缩短。根据此，除了由第一和第二实施例提供的作用之外，以下作用被进一步提供。换句话说，通过设置在其上所述表面发射激光器装置被紧挨着地安装在具有所述贯通电极的支撑件上方，可以缩短在绝缘膜上的引线。因此，可以小型化量子单元并改进高频率的特征。
<第四实施例>
第四实施例示出其中多个量子单元同时被建立然后被单独化的例子。在第四实施例中，与以上提到的前述实施例中的相同的构成元件可被省略。
图11是示出根据第四实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图。在图11中示出的工艺中，绝缘膜80B(例如，具有大约25μm的厚度的聚酰亚胺膜)被首先准备。绝缘膜80B是片状绝缘膜，其中用于安装部件的、被形成为以与图3A中示出的绝缘膜80中的相同的方式将多个部件布置在一个方向上(单行)的多行焊接区(在图11中为五行)，例如，被布置在正交于所述一个方向的方向上。
在第一陶瓷包装件20、光二极管70、热敏电阻60和气体隔室50被设置在绝缘膜80B的每个行上之后，它们通过热处理被固定。然后，保持器40被固定在绝缘膜80B的一个侧面上以及支撑件90被固定在另一个侧面上。
接下来，以与图5A中示出的工艺相同的方式，绝缘膜80B围绕气体隔室50被卷起以三维地堆叠每个部件，以及堆叠的每个层通过耐热的紫外线可固化树脂等被固定，从而组装由绝缘膜80B连接的多个量子单元。最后，多个量子单元被分成(单独化成)每个单元以建立与图5B中示出的相同的多个(在该情况下为五个)的单独的量子单元。随后的工艺与第一实施例中的相同。
以这样的方式，在第四实施例中，在多个量子单元被同时建立在单个片状绝缘膜上之后，多个量子单元被分成(单独化成)每个单元。因此，量子单元的量产化被进一步促进并且可以进一步降低制造成本。
<第五实施例>
第五实施例示出其中当量子单元被组装时使用的符号(sign)被附连到绝缘膜的例子。在第五实施例中，与以上提到的前述实施例中的相同的构成元件可被省略。
图12A和12B是示出根据第五实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图。在图12A到12B中示出的工艺中，在图12A中示出的绝缘膜和图12B中示出的绝缘膜中的一个被准备。在图12A中，用于定位的开口80z被增加到其中每个部件被设置在图3A中示出的绝缘膜80上的位置附近的位置，例如，在量子单元被组装之后该位置在激励光的传播方向上被重叠。在图12B中，用于定位的标记(marks)89被增加到其中每个部件被设置在图3A中所示的绝缘膜80上的位置附近的位置，例如，在量子单元被组装之后，该位置在激励光的传播方向上被重叠。标记89可与引线85等同时形成。
另外，开口80z和标记89可具有任何种类的形状，包括圆形，椭圆形，矩形，十字形等。那么可以以与第一实施例中的相同的程序制造包括量子单元的原子振荡器，其中当量子单元被组装时，定位是基于形成在绝缘膜上的开口或标记进行的。
以这样的方式，在第五实施例中，用于定位的开口或标记被形成在绝缘膜上。当量子单元被组装时，可以通过基于形成在绝缘膜上的开口或标记进行定位来制造具有高精度的三维结构。
<第六实施例>
第六实施例示出其中基本上T形的绝缘膜被使用的例子。在第六实施例中，与以上提到的前述实施例中的相同的构成元件可被省略。
图13是示出根据第六实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图。在图13中示出的工艺中，绝缘膜80C(例如，具有大约25μm的厚度的聚酰亚胺膜)首先被准备。
绝缘膜80C基本上是T形的，其中用于安装部件的焊接区81，82，83和84，引线85以及连接端子86被形成。进一步地，在绝缘膜80C上，用作窗口部分80x和80y的贯通孔被形成。焊接区81，82，83和84以及连接端子86被电连接到引线(wiring)85。
焊接区81，82，83和84被形成为以使得要被安装在每个焊接区上的多个部件基本上被布置成T形的。换句话说，焊接区81，82，83和84被布置成以使得当量子单元被组装同时绝缘膜80C被折叠或者卷起时，安装在每个焊接区上的每个部件在激励光的传播方向上被线性布置。
接下来，糊状焊剂等被印刷在焊接区81，82，83和84上，用于安装部件在绝缘膜80C中。在印刷之后，其上安装表面发射激光器装置10和热敏电阻100的第一陶瓷包装件20、光二极管70、热敏电阻60和气体隔室50被设置在焊接区81，82，83和84上。糊状焊剂等通过温度范围从大约240到260℃的热处理被熔化然后被凝固以电连接每个焊接区到每个部件并固定该焊接区和该部件。
在图13示出的工艺之后，在绝缘膜80C的一个侧面上，由聚碳酸酯等制成并罩住光学部件30的保持器40被固定以盖住第一陶瓷包装件20。进一步地，在绝缘膜80C的另一个侧面上，支撑件90被固定。然后，量子单元通过折叠绝缘膜80C到中心(到第一陶瓷包装件20)并固定绝缘膜80C得以完成。
以这样的方式，在第六实施例中，可以通过使用基本上T形的绝缘膜而不是带形的绝缘膜缩短到每个部件的引线。
进一步地，其中形成焊接区81，82，83和84以使得要被安装在每个焊接区上的多个部件被基本上以十字形地或径向地布置的绝缘膜可被使用。在该情况下，焊接区81，82，83和84被布置成以使得当量子单元被组装同时绝缘膜被折叠卷起时，安装在每个焊接区上的每个部件被线性地布置在激励光的传播方向上。
<第七实施例>
第七实施例示出其中加固构件被设置在绝缘膜上的例子。在第七实施例中，与以上提到的前述实施例中的相同的构成元件可被省略。
图14A到15B是示出根据第七实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图。在图14A和图14B中示出的工艺中，绝缘膜80A(例如，具有大约25μm的厚度的聚酰亚胺膜)被首先准备。图14A是示出绝缘膜80A的一个侧面的平面视图以及图14B是沿线图14A中的线A-A的横截面视图。
接下来，糊状焊剂等被印刷在焊接区81，82，83和84上，用于安装部件在绝缘膜80A中。在印刷之后，其上安装表面发射激光器装置10和热敏电阻100的第一陶瓷包装件20、光二极管70、热敏电阻60和气体隔室50被设置在焊接区81，82，83和84上。糊状焊剂等通过温度范围从大约240到260℃的热处理被熔化然后被凝固以电连接每个焊接区到每个部件并固定该焊接区和该部件。
接下来，在绝缘膜80A的一个侧面上，由聚碳酸酯等制成并罩住光学部件30的保持器40被固定以盖住第一陶瓷包装件20。进一步地，在绝缘膜80A的该一个侧面上，例如，框架形状的加固构件150被固定以围绕保持器40。用于加固构件150的材料的例子可包括耐热树脂，金属(例如铝)等。在该实施例中，支撑件没有被使用。
在15A中示出的工艺中，以与图5A示出的工艺中的相同的方式，绝缘膜80A围绕气体隔室50卷起以三维地堆叠每个部件，以及堆叠的每个层通过耐热的紫外线可固化树脂等被固定，从而组装量子单元。随后的工艺与第一实施例中的相同。
另外，如是图15A的局部放大视图的图15B中所示的，在绝缘膜80A的预定位置上，从绝缘膜80A的一个侧面贯穿到另一个侧面的导体87被设置。绝缘膜80A的预定位置例如可以是加固构件150的底部。因为导体87以与支撑件90的贯通电极95(例如，参见图9B)相同的方式起作用，本实施例可采用具有贯通电极的支撑件。
以这样的方式，在第七实施例中，可以通过使用绝缘膜移除具有贯通电极的支撑件，在所述绝缘膜上从它的一表面贯穿到后表面的导体被设置。在该情况下，可以通过固定所述加固构件以便围绕所述保持器来确保强度。
<第八实施例>
第八实施例示出其中光二极管被固定在绝缘膜的另一个侧面上的例子。在第八实施例中，与以上提到的前述实施例中的相同的构成元件可被省略。
图16A和图16B是示出根据第八实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图。在图16A中示出的工艺中，绝缘膜80D(例如，具有大约25μm的厚度的聚酰亚胺膜)被首先准备。
接下来，糊状焊剂等被印刷在焊接区81，83和84上，用于安装部件在绝缘膜80D中。绝缘膜80D被翻转并且糊状焊剂等被印刷在焊接区82上。在印刷之后，其上安装表面发射激光器装置10和热敏电阻100的第一陶瓷包装件20、热敏电阻60以及气体隔室50被设置在焊接区81，83和84上。然后，绝缘膜80D被翻转(turn over)并且光二极管70被设置在焊接区82上。糊状焊剂等通过温度范围从大约240到260℃的热处理被熔化然后被凝固以电连接每个焊接区到每个部件并固定该焊接区和该部件。
其上安装光二极管70的焊接区82被设置在绝缘膜80D的另一个侧面上。因此，部件被固定以使得气体隔室50的窗口部分55x和窗口部分56x以及绝缘膜80D的窗口部分80x在平面视图中被(连通地)重叠并且光二极管70的光接收表面被暴露到重叠的窗口部分内部。在本实施例中，光二极管70必须使用在光接收表面上具有阴极和阳极的光二极管。
接下来，在绝缘膜80D的一个侧面上，由聚碳酸酯等制成并罩住光学部件30的保持器40被固定以盖住第一陶瓷包装件20。进一步地，在绝缘膜80D的一个侧面上，例如，框架形状的加固构件150被固定以围绕所述保持器40。用于加固构件150的材料的例子可包括耐热树脂，金属(例如铝)等。在该实施例中，支撑件没有被使用。
接下来，在图16B中示出的工艺中，绝缘膜80D被折叠以使得保持器40和气体隔室50被定位在内部以三维地堆叠每个部件，并且堆叠的每个层通过耐热的紫外线可固化树脂等被固定，从而组装量子单元。随后的工艺与第一实施例中的相同。进一步地，以与图15B中的相同的方式，在绝缘膜80D的预定位置上，从绝缘膜80D的一表面贯穿到后表面的导体87被设置。因为导体87以与支撑件90的贯通电极95(例如，参见图9B)相同的方式起作用，因此本实施例可不使用具有贯通电极的支撑件。
以这样的方式，在第八实施例中，可以通过使用绝缘膜移除具有贯通电极的支撑件，在所述绝缘膜上设置了从它的一表面贯穿到后表面的导体。进一步地，可以通过固定所述加固构件以便围绕所述保持器来确保强度。进一步地，因为气体隔室和光二极管被设置在所述绝缘膜的所述表面和所述后表面上以使得它们在平面视图被重叠，可以缩短在绝缘膜上的引线。因此，可以小型化所述量子单元并改进高频率的特性。<第九实施例>
第九实施例示出了一例子，其中包括在陶瓷包装件中的内装加热器和设置在气体隔室上的加热器被形成在绝缘膜的表面上以及表面发射激光器装置被直接安装在绝缘膜的一个侧面上而没有使用所述陶瓷包装件。换句话说，在本实施例中，陶瓷包装件没有被使用或者加热器没有设置在气体隔室上。在第九实施例中，与在以上提到的前述实施例中的相同的构成元件可被省略。
图17A到18是示出根据第九实施例的原子振荡器的制造工艺的例子的示意图。图17A和图17B是示出绝缘膜80E的一个侧面的平面视图。图18是示出三维地堆叠的部件的横截面视图。在图17A和17B中，虚线指示出现在绝缘膜80E的另一个侧面上。
在图17A中示出的工艺中，绝缘膜80E(例如，具有大约25μm的厚度的聚酰亚胺膜)被首先准备。绝缘膜80E罩住用于加热表面发射激光器装置10的加热器26以及用于加热气体隔室50的加热器59A和加热器59B。
具体地说，在绝缘膜80E的一个侧面上，加热器59A被形成为以使得加热器59A基本上围绕要用作窗口部分80x的贯通孔以及加热器59B被形成为以使得加热器59B基本上围绕要用作窗口部分80y的贯通孔。加热器59A的一端和加热器59B的一端被连接。连接到两个一端的部分被进一步连接到连接端子86。加热器59A的另一端和加热器59B的另一端被连接。连接到两个另一端的部分进一步连接到连接端子86。
在绝缘膜80E的另一个侧面上，加热器26被形成为以使得加热器26基本上围绕其上要安装表面发射激光器装置10的区域的相反侧。加热器26的一端和另一端被连接到连接端子86。
加热器59A和59B和加热器26可由具有比较高的电阻系数的金属材料制成。例如，加热器59A和59B以及加热器26中的一个或两个可由铂制成。加热器59A和59B以及加热器26例如可通过溅射形成。由绝缘材料制成的保护层可设置成盖住加热器59A和59B以及加热器26。
在绝缘膜80E上，不像绝缘膜80A(例如，参见图9A)，用于安装部件的焊接区81，83和84没有被形成。这是因为在本实施例中，绝缘膜80E罩住加热器26，以使得包括内装的加热器25的第一陶瓷包装件20没有被安装。这还是因为在本实施例中，绝缘膜80E罩住加热器59A和59B，以使得加热器58没有设置在气体隔室50上。进一步地，这是因为可以利用铂的电阻温度系数通过由铂形成加热器59A和59B以使得不必安装热敏电阻60来检测温度。在本实施例中，加热器26构成用于用作激励光源的表面发射激光器装置10的温度控制装置以及加热器59A和59B构成用于用作气体隔室的气体隔室50的温度控制装置。
接下来，在图17B中示出的工艺中，糊状焊剂等被印刷在焊接区82上，用于安装部件在绝缘膜80E中。在印刷之后，光二极管70被设置在焊接区82上。糊状焊剂等通过温度范围从大约240到260℃的热处理被熔化然后被凝固以电连接焊接区82到光二极管70并固定该焊接区82和该光二极管70。
进一步地，表面发射激光器装置10和气体隔室50被固定在绝缘膜80E的一个侧面上(没有电连接)。表面发射激光器装置10和气体隔室50的固定可使用耐热树脂粘合剂等。不像其他的实施例，表面发射激光器装置10被直接地固定在绝缘膜80E的一个侧面上而没有使用第一陶瓷包装件20。气体隔室50被固定以使得气体隔室50的窗口部分55x和窗口部分56x以及绝缘膜80E的窗口部分80x在平面视图中被(连通地)重叠。
然后，表面发射激光器装置10的端子和引线85的端部通过使用金属线29例如金线等通过粘合被电连接。随后，在绝缘膜80E的所述一个侧面上，由聚碳酸酯等制成并且罩住光学部件30的保持器40被固定以盖住表面发射激光器装置10。进一步地，在绝缘膜80E的另一个侧面上的左端处，支撑件90A被固定。因为表面发射激光器装置被紧挨着地设置在支撑件90A上方，可以缩短支撑件90A和表面发射激光器装置10或其他部件之间的引线。保持器40和支撑件90A的固定可使用耐热树脂粘合剂等。
接下来，在与图5A中示出的工艺相同的方式，绝缘膜80E被围绕气体隔室50卷起以三维地堆叠每个部件，以及堆叠的每个层通过耐热的紫外线可固化树脂等被固定，从而组装图18中示出的量子单元。量子单元被组装成以使得气体隔室50的窗口部分55x和窗口部分56x以及绝缘膜80E的窗口部分80x在平面视图中被重叠在绝缘膜80E的窗口部分80y上(与其连通)。随后的工艺与第一实施例中的相同。
以这样的方式，在第九实施例中，在其它实施例中包括在第一陶瓷包装件20中的内装的加热器和设置在气体隔室50上的加热器被形成在绝缘膜80E的表面上。进一步地，表面发射激光器装置10被直接地安装在绝缘膜80E的一个侧面上而没有使用第一陶瓷包装件20。结果，与其他实施例相比，可以进一步地小型化量子单元。
如果加热器被设置在气体隔室50上，如在其他实施例中的，设置在气体隔室50上的加热器需要电连接到绝缘膜的焊接区。然而，在本实施例中，加热器被形成在绝缘膜80E上，以使得绝缘膜80E只要被结合到气体隔室50而没有与其电连接。这在简化工艺时提供了优势。
进一步地，可以利用铂的电阻温度系数通过由铂形成加热器59A和59B中的一个或两个以使得热敏电阻60和热敏电阻100可被移除来检测温度。因此，可以实现进一步地小型化。
本发明不限于具体公开的实施例，但是可进行各种变化和修改而没有背离本发明的范围。
本申请基于2014年1月30日提交到日本专利局的日本优先权申请号2014-015420以及2014年11月21日提交到日本专利局的日本优先权申请号2014-236386并要求其优先权的权益，其整个内容以参考方式被并入于此。
附图标记的描述
1 原子振荡器
10 表面发射激光器装置
20 第一陶瓷包装件
25 内装的加热器
30 学部件
40 保持器
40x，55x，56x，80x，80y 窗口部分
50 气体隔室
55，56 玻璃板
58 加热器
80z 开口
60，100 热敏电阻
70 光二极管
80，80A，80B，80C，80D 绝缘膜
81，82，83，84 焊接区
85 引线
86 连接端子
87 导体
89 标记
90，90A 支撑件
95 贯通电极
110 第二陶瓷包装件
120 焊剂
130 密封环
140 盖
150 加固构件
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种原子振荡器，包括：
气体隔室；以及
电部件，其中该电部件包括：
用于所述气体隔室的温度控制装置；
发射光以投射在所述气体隔室上的光源；
用于所述光源的温度控制装置；以及
接收穿过所述气体隔室的光的光接收元件，
其中至少多个电部件被安装在具有引线的绝缘膜上。
2.如权利要求1中所述的原子振荡器，其中至少一部分的绝缘膜被光源、气体隔室和光接收元件直接地或间接地夹在中间。
3.如权利要求1或2中所述的原子振荡器，其中光穿过的绝缘膜的区域包括透射所述光的窗口部分。
4.如权利要求1到3中的任一项所述的原子振荡器，其中所述绝缘膜包括从所述绝缘膜的一个侧面贯穿到另一个侧面的导体。
5.如权利要求1到4中的任一项所述的原子振荡器，其中所述绝缘膜包括在光的传播方向上重叠的位置处的开口或标记。
6.如权利要求1到5中的任一项所述的原子振荡器，其中多个电部件进一步包括：
用于气体隔室的温度控制装置；以及
用于光源的温度控制装置。
7.如权利要求6所述的原子振荡器，其中所述绝缘膜罩住用于光源的温度控制装置以及用于气体隔室的温度控制装置。
8.如权利要求7所述的原子振荡器，其中用于光源的温度控制装置和用于气体隔室的温度控制装置中的至少一个由铂制成。
9.如权利要求1到8中的任一项所述的原子振荡器，其中用于安装多个电部件的多个焊接区被形成为以使得多个电部件被线性地布置，其中多个焊接区被连接到所述引线。
10.如权利要求1到8中的任一项所述的原子振荡器，其中用于安装多个电部件的多个焊接区被形成为以使得多个电部件在径向上被布置成T形状的或十字形的，其中多个焊接区被连接到所述引线。
11.一种用于制造原子振荡器的方法，该原子振荡器具有包括气体隔室和多个部件的量子单元，所述多个部件包括发射激励光以激励封装在所述气体隔室中的原子的激励光源以及检测穿过所述气体隔室的激励光的光接收元件，所述方法包括：
将多个部件安装在具有引线的绝缘膜上；
折叠或卷起所述绝缘膜以组装所述量子单元；以及
电连接所述量子单元到一包装件以密封所述量子单元。
12.一种用于制造原子振荡器的方法，该原子振荡器具有包括气体隔室和多个部件的量子单元，所述多个部件包括发射激励光以激励封装在所述气体隔室中的原子的激励光源以及检测穿过所述气体隔室的激励光的光接收元件，所述方法包括：
将多个部件安装在绝缘膜上，在所述绝缘膜上，用于安装所述多个部件的多行的焊接区被布置在正交于一个方向的方向上，其中所述焊接区被形成为将所述多个部件布置在所述一个方向上；
折叠或卷起所述绝缘膜以组装由绝缘膜连接的多个量子单元；以及
将多个量子单元分别地分开；以及
电连接每个量子单元到一包装件以密封每个量子单元。
13.如权利要求11或12中所述的用于制造原子振荡器的方法，其中折叠或卷起所述绝缘膜包括基于形成在所述绝缘膜上的开口或标记定位。

Claims (13)

1.一种原子振荡器，包括：
气体隔室；以及
电部件，其中该电部件包括：
用于所述气体隔室的温度控制装置；
发射光以投射在所述气体隔室上的光源；
用于所述光源的温度控制装置；以及
接收穿过所述气体隔室的光的光接收元件，
其中至少多个电部件被安装在具有引线的绝缘膜上。
2.如权利要求1中所述的原子振荡器，其中至少一部分的绝缘膜被光源、气体隔室和光接收元件直接地或间接地夹在中间。
3.如权利要求1或2中所述的原子振荡器，其中光穿过的绝缘膜的区域包括透射所述光的窗口部分。
4.如权利要求1到3中的任一项所述的原子振荡器，其中所述绝缘膜包括从所述绝缘膜的一个侧面贯穿到另一个侧面的导体。
5.如权利要求1到4中的任一项所述的原子振荡器，其中所述绝缘膜包括在光的传播方向上重叠的位置处的开口或标记。
6.如权利要求1到5中的任一项所述的原子振荡器，其中多个电部件进一步包括：
用于气体隔室的温度控制装置；以及
用于光源的温度控制装置。
7.如权利要求6所述的原子振荡器，其中所述绝缘膜罩住用于光源的温度控制装置以及用于气体隔室的温度控制装置。
8.如权利要求7所述的原子振荡器，其中用于光源的温度控制装置和用于气体隔室的温度控制装置中的至少一个由铂制成。
9.如权利要求1到8中的任一项所述的原子振荡器，其中用于安装多个电部件的多个焊接区被形成为以使得多个电部件被线性地布置，其中多个焊接区被连接到所述引线。
10.如权利要求1到8中的任一项所述的原子振荡器，其中用于安装多个电部件的多个焊接区被形成为以使得多个电部件在径向上被布置成T形状的或十字形的，其中多个焊接区被连接到所述引线。
11.一种用于制造原子振荡器的方法，该原子振荡器具有包括气体隔室和多个部件的量子单元，所述多个部件包括发射激励光以激励封装在所述气体隔室中的原子的激励光源以及检测穿过所述气体隔室的激励光的光接收元件，所述方法包括：
将多个部件安装在具有引线的绝缘膜上；
折叠或卷起所述绝缘膜以组装所述量子单元；以及
电连接所述量子单元到一包装件以密封所述量子单元。
12.一种用于制造原子振荡器的方法，该原子振荡器具有包括气体隔室和多个部件的量子单元，所述多个部件包括发射激励光以激励封装在所述气体隔室中的原子的激励光源以及检测穿过所述气体隔室的激励光的光接收元件，所述方法包括：
将多个部件安装在绝缘膜上，在所述绝缘膜上，用于安装所述多个部件的多行的焊接区被布置在正交于一个方向的方向上，其中所述焊接区被形成为将所述多个部件布置在所述一个方向上；
折叠或卷起所述绝缘膜以组装由绝缘膜连接的多个量子单元；以及
将多个量子单元分别地分开；以及
电连接每个量子单元到一包装件以密封每个量子单元。
13.如权利要求11或12中所述的用于制造原子振荡器的方法，其中折叠或卷起所述绝缘膜包括基于形成在所述绝缘膜上的开口或标记定位。
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