CN107128871B - 一种基于mems原子芯片的物理封装件及其封装方法 - Google Patents

一种基于mems原子芯片的物理封装件及其封装方法 Download PDF

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Abstract

一种基于MEMS原子芯片的物理封装件及其封装方法，它涉及一种物理封装件及其封装方法。本发明为了解决现有的微型碱金属原子气室在传感器系统应用过程中存在加热功耗过大及磁干扰的问题。封装件：陶瓷外壳分别与上、下透光窗密封连接，上支撑膜和下支撑膜粘接在微结构原子芯片的上、下表面，微结构原子芯片与内连接支架连接，上支撑膜与下支撑膜粘接在封装腔体内部的陶瓷外壳的基座上。方法：将下透光窗和密封陶瓷外壳密封，将上支撑膜和下支撑膜粘在微结构原子芯片上，上支撑膜与下支撑膜固定连接，微结构原子芯片与内连接支架固定连接，上支撑膜和下支撑膜的加热与测温器引线均与内电极相连，内电极与外电极连接。本发明用于微机电系统领域。

Description

一种基于MEMS原子芯片的物理封装件及其封装方法
技术领域
本发明涉及一种在微机电系统(MEMS)领域,具体涉及一种基于MEMS原子芯片的物理封装件及其封装方法。
背景技术
微结构的原子气室单元是构成微型原子磁力仪、芯片原子钟和微型原子核磁共振陀螺等高精度原子传感器的关键部件。目前国际上在与微型原子传感器技术相关的微型激光器、电路、光电探测器等关键部件微型化方面都已经有了很大进展。但是微型碱金属原子气室方面，由于存在较大的研究难度，其研制还在继续，不断有新的方法、工艺技术出现。目前通过MEMS技术制备气室是微气室研究领域的焦点，以美国NIST为代表的一些国外研究机构开发出一种基于硅微机电技术的原子气室制作方法。采用阳极键合技术，将打有小孔的硅片的两面用玻璃片封装起来形成玻璃—硅—玻璃的“三明治”微气室单元结构。相较传统的吹玻璃气室技术，其技术优势是可制作体积小于1mm3的气室单元，其保持碱金属原子处于蒸气状态所需的能量可以降至毫瓦量级，相比较玻璃气室大大降低气室的加热能耗。微型化的气室结构使得高灵敏度原子传感器小型阵列化成为可能，具有良好的技术发展前景。
为了提高微结构原子传感器集成度及性能，在微型碱金属原子气室封装的研究中采用多层结构封装使其具有更好的集成性是目前该项技术发展的主流趋势。国内外上已有了一些成功的报道，如2004年8月，美国标准技术研究院(NIST)首次制作出微型铯(Cs)原子气室，气室体积仅为9.5mm3。他们使用的是“玻璃-带孔硅片-玻璃”构成的三明治结构的铯气室，其中的铯原子由叠氮化钡和氯化铯原位反应生成。2010年美国John Kitching小组对MEMS微结构原子气室进行分析，并采用MEMS工艺实现双气室结构，将碱金属充入气室与工作气室分成相连通的两个气室，用以消除制备单质碱金属的原位反应生成残余物影响。这种微结构原子气室，在应用中为了提高其内部碱金属原子数量，需要对原子气室加热至100℃以上，但加热方法会带来较大的磁场干扰，对测量造成较大干扰。目前国际上对气室无磁加热器的设计方案很多，主要包括：光学加热方法、热气流加热法、热循环水加热法、电学加热法。其中电学加热的方法相对前三种方法更为简单，更有利于原子磁传感器及原子磁力仪小型化也是目前国际上在气室加热采用方法。因此采用有效的方法实现对气室加热以减小电加热引入磁干扰对在微型原子磁力仪、原子陀螺仪等高精度原子传感器研发中有着重要的意义。
因此，现有的微型碱金属原子气室在系统应用过程中存在加热功耗过大及磁干扰的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的微型碱金属原子气室在系统应用过程中存在的加热功耗过大及磁干扰的问题。进而提供一种基于MEMS原子芯片的物理封装件及其封装方法。
本发明的技术方案是：
一种基于MEMS原子芯片的物理封装件，它包括封装腔体、内连接支架固定柱、上支撑膜、微结构原子芯片、内连接支架、下支撑膜、内电极和外电极，
封装腔体包括上透光窗、上焊料环、下焊料环、下透光窗和陶瓷外壳，陶瓷外壳的上端通过上焊料环与上透光窗密封连接，陶瓷外壳的下端通过下焊料环与下透光窗密封连接，从而构成封装腔体；
上支撑膜和下支撑膜均设有基底，上支撑膜和下支撑膜的基底中间均设有光学通孔，上支撑膜和下支撑膜均在基底上集成有加热元件、测温元件和薄膜双绞导电带，上支撑膜的中间单元和下支撑膜的中间单元集成有加热元件和测温元件，薄膜双绞导电带集成在上支撑膜的外框架单元和下支撑膜的外框架单元上,薄膜双绞导电带与加热元件和测温元件之间通过至少四个窄梁结构连接，上支撑膜的加热面与测温面粘接在微结构原子芯片的上表面，下支撑膜的加热面与测温面粘接在微结构原子芯片的下表面，粘接有上支撑膜和下支撑膜的微结构原子芯片与内连接支架固定连接，上支撑膜与下支撑膜通过内连接支架固定柱固定连接并粘接在封装腔体内部的陶瓷外壳的基座上，上支撑膜的加热与测温器引线和下支撑膜的加热与测温器引线均与位于陶瓷外壳的基座上的内电极相连，内电极通过陶瓷外壳的基座上的金属化过孔与外电极连接，外电极与外部温控电路连接。
进一步的，上透光窗和下透光窗的材料均为光学玻璃。
进一步的，上透光窗和下透光窗均采用平面玻璃结构。
进一步的，上支撑膜和下支撑膜的基底材料均为聚酰亚胺。
进一步的，上支撑膜和下支撑膜上集成的加热元件和测温元件的材料均为无磁性金属材料。
进一步的，上支撑膜和下支撑膜上集成的加热元件和测温元件均具有环形或方形无感回线结构。
进一步的，陶瓷外壳的内电极和外电极均具有金属化屏蔽结构。
进一步的，陶瓷外壳的内电极和外电极的材料均为无磁性金属材料。
本发明还提了一种基于MEMS原子芯片的物理封装件的封装方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、利用下焊料环将下透光窗和密封陶瓷外壳进行密封；
步骤二、将上支撑膜和下支撑膜分别粘接在微结构原子芯片的上下表面上，上支撑膜通过内连接支架固定柱与下支撑膜固定连接；
步骤三、粘接有加热与测温器组件的微结构原子芯片与内连接支架固定连接，并固定粘接在封装腔体内部的陶瓷外壳的基座上；
步骤四、将加热与测温器引线与陶瓷外壳的内电极连接，内电极通过陶瓷外壳基座的金属化过孔与陶瓷外壳的外电极连接，从而形成腔体内外连接电极；
步骤五、在压力不大于5×10-3Pa的真空条件下，利用上焊料环将上透光窗和陶瓷外壳进行密封；
步骤六、将外电极与外部温度控制单元连接；至此，完成了一种基于MEMS原子芯片的物理封装件的封装。
进一步的，步骤一和步骤五中的上焊料环和下焊料环的焊料熔点温度范围均为250℃～300℃。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明采用真空密封结构设计，具有良好的保温性能，能够有效降低气室加热所需的功耗，降低气室加热所需的功耗65％，同时真空密封结构能够减小气室加热所需电流，进而减小加热器产生的电磁场。
2、本发明的加热组件部分采用一对电流方向相反的双绕型加热器形成霍尔姆斯线圈结构，利用磁场抵消作用动态平衡加热电流形成的内部磁场，具有较好的抗内部加热磁场特点。
3、本发明的透光窗口采用平面玻璃结构，不会出现传统球形玻璃气室中出现的检测光散射严重的问题，具有较好光透过性，使得透光效果提高了40％以上；
4、本发明采用一体封装设计，具有良好的结构可靠性和稳定性特点；
5、本发明将原子气室与加热和测温器集成为一个微小结构，有利于提高微结构原子传感器的集成度。
附图说明
图1是本发明的主视图；图2是图1的俯视图；图3是内连接支架的主视图；图4是图3的俯视图；图5是上支撑膜的结构示意图；图6是微型原子芯片的；图7是本发明的结构组成框图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的一种基于MEMS原子芯片的物理封装件，它包括封装腔体、内连接支架固定柱2、上支撑膜3、微结构原子芯片5、内连接支架6、下支撑膜7、内电极8和外电极12，
封装腔体包括上透光窗1、上焊料环4、下焊料环9、下透光窗10和陶瓷外壳11，陶瓷外壳11的上端通过上焊料环4与上透光窗1密封连接，陶瓷外壳11的下端通过下焊料环9与下透光窗10密封连接，从而构成封装腔体；
上支撑膜3和下支撑膜7均设有基底，上支撑膜3和下支撑膜7的基底中间均设有光学通孔，上支撑膜3和下支撑膜7均在基底上集成有加热元件、测温元件和薄膜双绞导电带，上支撑膜3的中间单元和下支撑膜7的中间单元集成有加热元件和测温元件，薄膜双绞导电带集成在上支撑膜3的外框架单元和下支撑膜7的外框架单元上,薄膜双绞导电带与加热元件和测温元件之间通过至少四个窄梁结构连接，上支撑膜3的加热面与测温面粘接在微结构原子芯片5的上表面，下支撑膜7的加热面与测温面粘接在微结构原子芯片5的下表面，粘接有上支撑膜3和下支撑膜7的微结构原子芯片5与内连接支架6固定连接，上支撑膜3与下支撑膜7通过内连接支架固定柱2固定连接并粘接在封装腔体内部的陶瓷外壳11的基座上，上支撑膜3的加热与测温器引线和下支撑膜7的加热与测温器引线均与位于陶瓷外壳的基座上的内电极8相连，内电极8通过陶瓷外壳的基座上的金属化过孔与外电极12连接，外电极12与外部温控电路连接。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的上透光窗1和下透光窗10的材料均为光学玻璃。如此设置，能够保障封装腔体具有良好的透光效果。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
上透光窗1和下透光窗10的材料均优选Pyrex玻璃或BK7系列导电玻璃。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的上透光窗1和下透光窗10均采用平面玻璃结构。如此设置，能够有效地解决传统球形玻璃气室中出现的检测光散射严重的问题，具有较好光透过性。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的上支撑膜3和下支撑膜7的基底材料均为聚酰亚胺。如此设置，用作介电层进行层间绝缘，能够减少应力、提高成品率。同时减少环境对器件的影响，起到屏蔽作用，减少或消除器件的软误差。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的上支撑膜3和下支撑膜7上集成的加热元件和测温元件的材料均为无磁性金属材料。如此设置，能够有效地避免磁干扰的问题。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
上支撑膜3和下支撑膜7上集成的加热元件和测温元件的材料优选铂或铜。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的上支撑膜3和下支撑膜7上集成的加热元件和测温元件均具有环形或方形无感回线结构。如此设置，能够增大加热面积和测温面积，具有良好的保温性能及加热效果。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的陶瓷外壳11的内电极8和外电极12均具有金属化屏蔽结构。如此设置，能够有效地避免磁干扰的问题。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的陶瓷外壳11的内电极8和外电极12的材料均为无磁性金属材料。如此设置，能够有效地避免磁干扰的问题。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
陶瓷外壳11的内电极8和外电极12的材料优选为铂或铜。
具体实施方式九：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的一种基于MEMS原子芯片的物理封装件的封装方法，
所述方法包括以下步骤：
步骤一、利用下焊料环9将下透光窗10和密封陶瓷外壳11进行密封；
步骤二、将上支撑膜3和下支撑膜7分别粘接在微结构原子芯片5的上下表面上，上支撑膜3通过内连接支架固定柱2与下支撑膜7固定连接；
步骤三、粘接有加热与测温器组件的微结构原子芯片5与内连接支架6固定连接，并固定粘接在封装腔体内部的陶瓷外壳11的基座上；
步骤四、将加热与测温器引线与陶瓷外壳的内电极8连接，内电极8通过陶瓷外壳基座的金属化过孔与陶瓷外壳11的外电极12连接，从而形成腔体内外连接电极；
步骤五、在压力不大于5×10-3Pa的真空条件下，利用上焊料环4将上透光窗1和陶瓷外壳11进行密封；
步骤六、将外电极12与外部温度控制单元连接；至此，完成了一种基于MEMS原子芯片的物理封装件的封装。如此设置，能够有效降低气室加热所需的功耗，同时真空密封结构能够减小气室加热所需电流，进而减小加热器产生的电磁场利用磁场抵消作用动态平衡加热电流形成的内部磁场，具有较好的抗内部加热磁场特点。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一和步骤五中的上焊料环4和下焊料环9的焊料熔点温度范围均为250℃～300℃。如此设置，能够保证良好的焊接效果。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。
实施例：
如图1和图2所示，上透光窗1及下透光窗10为光学玻璃材料，可保障良好的透光效果，陶瓷外壳11通过上焊料环4和下焊料环9分别与上透光窗1和下透光窗10密封连接，从而构成上下透光的封装腔体；上支撑膜3和下支撑膜7均采用聚酰亚胺材料悬浮基底，上支撑膜3和下支撑膜7表面均设有双绕回线结构样条的金属薄膜加热器及测试电阻，上支撑膜3和下支撑膜7的加热与测温面分别粘接在含有碱金属原子的微结构原子芯片5的上、下表面，上支撑膜3和下支撑膜7的外部采用串联方式连接，进而形成微型加热器及测温组件，上支撑膜3和下支撑膜7的两个微型加热器形成一对电流方向相反的霍尔姆斯线圈结构，对加热电流产生的磁场具有良好的抵消作用。粘接有微型加热与测温器组件的微结构原子芯片5与内连接支架6固接，并粘接于真空封装的陶瓷腔体内部，将上、下支撑膜的引出电极与陶瓷外壳的内电极8连接，内电极8通过陶瓷外壳上的金属化过孔与外电极12连接，形成封装腔体内、外连接电极，外电极12与外部温控电路连接。
如图1、图2和图6所示，微结构原子芯片5采用硅片半导体腐蚀工艺形成气室框架5-3，两边由光学玻璃切割形成上窗口5-2和下窗口5-4。
首先，采用阳极键合工艺，在真空条件下，对气室框架5-3和下窗口5-4施加500牛顿至1000牛顿的压力，并施加1000伏特至1500伏特的键合电压，将其键合成半气室。
然后，向这个半气室内部充入碱金属5-1。
最后，在一定的惰性缓冲气体(惰性缓冲气体为20至100托氮气及100至500托氩气的混合气体)条件下，利用相同的阳极键合方法将气室框架5-3和上窗口5-2键合为含有碱金属原子蒸汽的微结构原子芯片5。
如图1、图2和图5所示，上支撑膜3和下支撑膜7是一对微型加热与测温器。上支撑膜3以聚酰亚胺作为基底材料，采用打孔加工形成中心有通光孔的加热与测温器基底3-1，上支撑膜3的表面利用电子蒸发金属薄膜(材料可选择铂、铜等无磁性金属材料)，并利用化学刻蚀技术形成双绕回线结构的测温器样条3-2与加热器样条3-3，并形成导电带3-4及引出电极3-5；
下支撑膜7采用与上支撑膜3相同方法制作。
首先将下支撑膜7粘接到陶瓷内连接支架6和微结构原子芯片5上；
其次将上支撑膜3与内连接支架6和微结构原子芯片5粘接，并将上支撑膜3和下支撑膜7通过内连接支架固定柱2相固定；
最后将带有加热和测温器的微结构原子芯片5固定到陶瓷外壳11的基座上，并将加热与测温器引线与陶瓷外壳基座的金属化过孔内电极8相连。
如图1、图3和图4所示，内连接支架6包括上固定柱6-1、陶瓷支架6-2和下固定柱6-3，上固定柱6-1的下端粘接在陶瓷支架6-2的上端面，下固定柱6-3的上端粘接在陶瓷支架6-2的下端面，上固定柱6-1的上端与上支撑膜3的下端固接，下固定柱6-3的下端与下支撑膜7的上端固接。
工作原理：
如图1、图2和图7所示，上透光窗1和下透光窗10采用光学玻璃，可选择Pyrex玻璃或BK7系列导电玻璃切割形成，密封陶瓷外壳11采用切割及超声打孔工艺加工而成，利用下焊料环9将下透光窗10和密封陶瓷外壳11进行密封。将上支撑膜3和下支撑膜7分别粘接在微结构原子芯片5的上下表面上，并固定到内连接支架及陶瓷腔体内，将加热与测温器电极分别连接到金属化过孔。在压力不大于5×10-3Pa的真空条件下，利用上焊料环4将上透明窗口1和密封陶瓷外壳11进行密封，陶瓷外壳11的外电极与外部温度控制单元连接，对气室加热温控。

Claims (10)

1.一种基于MEMS原子芯片的物理封装件，其特征在于：它包括封装腔体、内连接支架固定柱(2)、上支撑膜(3)、微结构原子芯片(5)、内连接支架(6)、下支撑膜(7)、内电极(8)和外电极(12)，
封装腔体包括上透光窗(1)、上焊料环(4)、下焊料环(9)、下透光窗(10)和陶瓷外壳(11)，陶瓷外壳(11)的上端通过上焊料环(4)与上透光窗(1)密封连接，陶瓷外壳(11)的下端通过下焊料环(9)与下透光窗(10)密封连接，从而构成封装腔体；
上支撑膜(3)和下支撑膜(7)均设有基底，上支撑膜(3)和下支撑膜(7)的基底中间均设有光学通孔，上支撑膜(3)和下支撑膜(7)均在基底上集成有加热元件、测温元件和薄膜双绞导电带，上支撑膜(3)的中间单元和下支撑膜(7)的中间单元集成有加热元件和测温元件，薄膜双绞导电带集成在上支撑膜(3)的外框架单元和下支撑膜(7)的外框架单元上,薄膜双绞导电带与加热元件和测温元件之间通过至少四个窄梁结构连接，上支撑膜(3)的加热面与测温面粘接在微结构原子芯片(5)的上表面，下支撑膜(7)的加热面与测温面粘接在微结构原子芯片(5)的下表面，粘接有上支撑膜(3)和下支撑膜(7)的微结构原子芯片(5)与内连接支架(6)固定连接，上支撑膜(3)与下支撑膜(7)通过内连接支架固定柱(2)固定连接并粘接在封装腔体内部的陶瓷外壳(11)的基座上，上支撑膜(3)的加热与测温器引线和下支撑膜(7)的加热与测温器引线均与位于陶瓷外壳的基座上的内电极(8)相连，内电极(8)通过陶瓷外壳的基座上的金属化过孔与外电极(12)连接，外电极(12)与外部温控电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS原子芯片的物理封装件，其特征在于：上透光窗(1)和下透光窗(10)的材料均为光学玻璃。
3.根据权利要求2所述的一种基于MEMS原子芯片的物理封装件，其特征在于：上透光窗(1)和下透光窗(10)均采用平面玻璃结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS原子芯片的物理封装件，其特征在于：上支撑膜(3)和下支撑膜(7)的基底材料均为聚酰亚胺。
5.根据权利要求4所述的一种基于MEMS原子芯片的物理封装件，其特征在于：上支撑膜(3)和下支撑膜(7)上集成的加热元件和测温元件的材料均为无磁性金属材料。
6.根据权利要求5所述的一种基于MEMS原子芯片的物理封装件，其特征在于：上支撑膜(3)和下支撑膜(7)上集成的加热元件和测温元件均具有环形或方形无感回线结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于MEMS原子芯片的物理封装件，其特征在于：陶瓷外壳(11)的内电极(8)和外电极(12)均具有金属化屏蔽结构。
8.根据权利要求7所述的一种基于MEMS原子芯片的物理封装件，其特征在于：陶瓷外壳(11)的内电极(8)和外电极(12)的材料均为无磁性金属材料。
9.一种实现权利要求1所述的基于MEMS原子芯片的物理封装件的封装方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤一、利用下焊料环(9)将下透光窗(10)和密封陶瓷外壳(11)进行密封；
步骤二、将上支撑膜(3)和下支撑膜(7)分别粘接在微结构原子芯片(5)的上下表面上，上支撑膜(3)通过内连接支架固定柱(2)与下支撑膜(7)固定连接；
步骤三、粘接有加热与测温器组件的微结构原子芯片(5)与内连接支架(6)固定连接，并固定粘接在封装腔体内部的陶瓷外壳(11)的基座上；
步骤四、将加热与测温器引线与陶瓷外壳的内电极(8)连接，内电极(8)通过陶瓷外壳基座的金属化过孔与陶瓷外壳(11)的外电极(12)连接，从而形成腔体内外连接电极；
步骤五、在压力不大于5×10-3Pa的真空条件下，利用上焊料环(4)将上透光窗(1)和陶瓷外壳(11)进行密封；
步骤六、将外电极(12)与外部温度控制单元连接；至此，完成了一种基于MEMS原子芯片的物理封装件的封装。
10.根据权利要求9所述的一种基于MEMS原子芯片的物理封装件的封装方法，其特征在于：步骤一和步骤五中的上焊料环(4)和下焊料环(9)的焊料熔点温度范围均为250℃～300℃。
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