CN106219481B - 一种双腔型mems原子气室的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双腔型MEMS原子气室的制备方法,提出了“先键合后充制”的MEMS原子气室碱金属充制方法，将传统玻璃气室碱金属的充制方法与MEMS原子气室制备工艺相结合，提升了MEMS原子气室性能；本发明的制备方法作为新型MEMS原子气室制备方法的有利补充，是原子气室制备方法的探索；降低了MEMS原子气室制备的成本；提高了MEMS原子气室碱金属的纯度，提高气室的性能；可实现批量化生产。

Description

一种双腔型MEMS原子气室的制备方法
技术领域
本发明属于涉及CPT原子钟、CPT原子陀螺仪、CPT磁力仪等量子技术领域，具体涉及一种双腔型MEMS原子气室的制备方法。
背景技术
随着MEMS制造技术在原子钟领域的应用，出现了芯片级CPT原子钟、芯片级CPT磁力仪等量子技术。其中基于MEMS技术的原子气室制备技术是最为核心的关键的技术，而MEMS原子气室的制备技术直接决定了原子气室的性能。目前、MEMS原子气室制备过程中的碱金属充制方法分碱金属直接填充法、化学反应还原法，碱金属直接填充法难度系数较大，难以工程实现；化学反应还原法会引入杂质，影响CPT原子钟长期稳定度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种MEMS原子气室的制备方法,将传统的玻璃气室制备方法与MEMS原子气室制备工艺相结合，在保证原子气室微型化的同时，使充入MEMS原子气室的碱金属保持高纯度，提升了MEMS原子气室性能和一致性，可实现小型批量化生产。
一种双腔型MEMS原子气室的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、对硅片(1)进行清洗；
步骤2、基于干法刻蚀工艺在所述硅片(1)上刻蚀多个双腔型MEMS原子气室(2)，并形成双腔型MEMS原子气室阵列；其中，所述双腔型MEMS原子气室(2)包括两个圆形气室腔和连接两个圆形气室腔的通道；
步骤3、基于阳极键合工艺将所述硅片(1)的两个侧面分别与玻璃(3)进行键合，形成结构为玻璃-硅片-玻璃的三明治结构；
步骤4、将双腔型MEMS原子气室阵列切割成单个的双腔型MEMS原子气室(2)；
步骤5、在各个双腔型MEMS原子气室(2)的其中一个气室腔的玻璃(3)面上进行开孔处理，开孔直径小于2mm；
步骤6、基于玻璃的热加工制备直径小于3mm的玻璃导管(4)；
步骤7、基于玻璃的焊接工艺将玻璃导管(4)与所述步骤5的开孔进行焊接，使玻璃导管(4)与双腔型MEMS原子气室(2)的气室腔相通；
步骤8、通过玻璃导管(4)对气室腔充制碱金属，完成后去掉玻璃导管(4)，并对气室腔进行密封处理，完成制备。
较佳的，对切割后的单个双腔型MEMS原子气室(2)端面进行打磨和涂抹玻璃胶处理。
较佳的，所述硅片(1)为圆形，直径为4英寸。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提出了“先键合后充制”的MEMS原子气室碱金属充制方法，将传统玻璃气室碱金属的充制方法与MEMS原子气室制备工艺相结合，提升了MEMS原子气室性能。本发明的制备方法作为新型MEMS原子气室制备方法的有利补充，是原子气室制备方法的探索；降低了MEMS原子气室制备的成本；提高了MEMS原子气室碱金属的纯度，提高气室的性能；可实现批量化生产。
附图说明
图1(a)为本发明的硅片上刻蚀双腔型MEMS原子气室阵列的立体示意图；
图1(b)为本发明的硅片上刻蚀双腔型MEMS原子气室阵列的平面示意图；
图2(a)为本发明中完成切割的单个双腔型MEMS原子气室的平面图；
图2(b)为本发明中完成切割的单个双腔型MEMS原子气室的剖面图；
图3为本发明中玻璃导管与MEMS原子气室连接的示意图。
其中，1-硅片，2-双腔型MEMS原子气室，3-玻璃，4-玻璃导管。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
参见图1(a)、图1(b)、图2(a)、图2(b)和图3，MEMS原子气室的制备方法包括完成4英寸硅片双腔阵列设计和加工，完成“玻璃-硅片-玻璃”结构的键合，完成单个双腔型MEMS原子气室切割及端面处理以及双腔型MEMS原子气室与细玻璃导管的连接，具体步骤如下：
(1)双腔型MEMS原子气室4英寸硅片双腔阵列设、加工：
a.晶片采用直径为4英寸的硅片，厚度为1mm；
b.完成4英寸硅片双腔阵列(1)设计；
c.完成玻璃(5)-硅片(6)-玻璃(7)双腔MEMS原子气室(2)设计，每个MEMS原子气室(2)包括两个气室腔，通过玻璃的热加工技术使得气室腔(3)与细玻璃导管(8)的连通，气室腔(3)与气室腔(4)连通，气室腔(4)作为碱金属与光场相互作用气室腔；
c.对4英寸的硅片1在纯乙醇溶液中通过超声波清洗机进行清洗；
d.如图1(a)和图1(b)所示，基于干法刻蚀工艺在所述硅片1上刻蚀多个双腔型MEMS原子气室2，并形成双腔型MEMS原子气室阵列；其中，双腔型MEMS原子气室2包括两个圆形气室腔和连接两个圆形气室腔的通道；
(2)完成玻璃-硅片-玻璃的键合：
a.基于阳极键合工艺完成玻璃3与硅片1的一面键合，之后再完成硅片1的另一面与玻璃3的键合，形成玻璃-硅片-玻璃的三明治结构。
(3)双腔型MEMS原子气室2切割及端面处理，包括以下步骤：
a.基于激光切割技术将双腔型MEMS原子气阵列切割成单个双腔型MEMS原子气室2，单个双腔型MEMS原子气室2尺寸为10mm×10mm×2mm；
b.对单个双腔型MEMS原子气室2端面进行打磨、涂抹玻璃胶增加其密封性和耐热性。
c.在各个双腔型MEMS原子气室2的其中一个气室腔的玻璃3面上进行开孔处理，开孔直径小于2mm。
(4)双腔型MEMS原子气室2与细玻璃导管4的连接，包括以下步骤：
a.基于玻璃加工工艺完成直径为3mm的细玻璃导管4制备；
c.采用玻璃热加工工艺完成细玻璃导管4与MEMS原子气室2中形气室腔开孔的连接，确保细玻璃导管4与气室腔连通；
d.通过玻璃导管4对开孔对应的气室腔充制碱金属，作为碱金属的储存室；完成后去掉玻璃导管4，并对气室腔进行密封处理。另外一个气室腔作为光场与碱金属作用的气室腔，两个气室腔连通，通过加热碱金属从气室腔流动到气室腔。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双腔型MEMS原子气室的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、对硅片(1)进行清洗；
步骤2、基于干法刻蚀工艺在所述硅片(1)上刻蚀多个双腔型MEMS原子气室(2)，并形成双腔型MEMS原子气室阵列；其中，所述双腔型MEMS原子气室(2)包括两个圆形气室腔和连接两个圆形气室腔的通道；
步骤3、基于阳极键合工艺将所述硅片(1)的两个侧面分别与玻璃(3)进行键合，形成结构为玻璃-硅片-玻璃的三明治结构；
步骤4、将双腔型MEMS原子气室阵列切割成单个的双腔型MEMS原子气室(2)；
步骤5、在各个双腔型MEMS原子气室(2)的其中一个气室腔的玻璃(3)面上进行开孔处理，开孔直径小于2mm；
步骤6、基于玻璃的热加工制备直径小于3mm的玻璃导管(4)；
步骤7、基于玻璃的焊接工艺将玻璃导管(4)与所述步骤5的开孔进行焊接，使玻璃导管(4)与双腔型MEMS原子气室(2)的气室腔相通；
步骤8、通过玻璃导管(4)对气室腔充制碱金属，完成后去掉玻璃导管(4)，并对气室腔进行密封处理，完成制备。
2.如权利要求1所述的一种双腔型MEMS原子气室的制备方法，其特征在于，对切割后的单个双腔型MEMS原子气室(2)端面进行打磨和涂抹玻璃胶处理。
3.如权利要求1所述的一种双腔型MEMS原子气室的制备方法，其特征在于，所述硅片(1)为圆形，直径为4英寸。
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