CN107193204A - 一种芯片原子钟的微型物理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种芯片原子钟的微型物理系统，包括磁屏蔽外壳、核心组件和由磁屏蔽外壳与核心组件围成的缓冲气体腔，其中磁屏蔽外壳，包括磁屏蔽桶及用于密封磁屏蔽桶的磁屏蔽底座；核心组件，设置于磁屏蔽外壳内部，包括依次设置的光源单元、光路单元和原子腔单元，原子腔单元包括MEMS原子腔，MEMS原子腔内充有铷原子和缓冲气体；及缓冲气体腔，充入与MEMS原子腔内相等压强的缓冲气体。本发明的芯片原子钟的微型物理系统具有便于安装、性能稳定、结构紧凑、体积小、功耗低和寿命长等特点。

Description

一种芯片原子钟的微型物理系统

技术领域

本发明涉及原子钟领域。更具体地，涉及一种芯片原子钟的微型物理系统。

背景技术

原子钟是一种利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的精密时间计量仪器，广泛应用于定位、导航、通信、军事等多个领域。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(rubidium)等，原子钟的精度可以达到每2000万年误差1秒，这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

其中，芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock，CSAC)由于体积小、重量轻、功率消耗小等优点，在便携式低能耗的守时定时和导航领域内具有广泛的应用前景。芯片原子钟功能的实现，主要依赖于其内部的微型物理系统。对于现有的芯片原子钟的微型物理系统而言，其中的MEMS原子腔的制作工艺无法满足漏气率的要求，限制了芯片原子钟的使用寿命。

因此，需要提供一种结构紧凑、气密性高的芯片原子钟的微型物理系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种芯片原子钟的微型物理系统，以解决现有的微型物理系统气密性低、寿命短的问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种芯片原子钟的微型物理系统，包括磁屏蔽外壳、核心组件和由磁屏蔽外壳与核心组件围成的缓冲气体腔，其中

磁屏蔽外壳，包括磁屏蔽桶及用于密封磁屏蔽桶的磁屏蔽底座；

核心组件，设置于磁屏蔽外壳内部，包括依次设置的光源单元、光路单元和原子腔单元，原子腔单元包括MEMS原子腔，MEMS原子腔内充有铷原子和缓冲气体；及

缓冲气体腔，充入与MEMS原子腔内相等压强的缓冲气体。

可选的，磁屏蔽桶与磁屏蔽底座采用真空金属焊接工艺进行密封。

磁屏蔽桶的高度与内部核心组件相匹配，核心组件的顶部通过强力胶与磁屏蔽桶相连，保证微型物理系统内部的机械结构坚固可靠，满足抗振动和冲击要求。

可选的，光源单元包括激光器、第一微加热器和空间支架，其中

激光器，为垂直腔面发射激光器，粘接于第一微加热器上，用于发出线偏振激光；

第一微加热器，粘接于磁屏蔽底座上，用于产生热量并将热量传递至激光器；

空间支架，为绝热塑料聚乙烯材料，粘接于第一微加热器上，用于为线偏振激光提供自由空间，使激光发散至预定光斑大小。

激光器粘接于第一微加热器上，使第一微加热器的热量能迅速地传递到激光器上，提高温控灵敏度；第一微加热器通过绝热胶与磁屏蔽底座粘接在一起，减小了第一微加热器的热量通过磁屏蔽底座散失；空间支架采用绝热塑料聚乙烯材料，减少了热传导的热量散失；激光器的温度可通过自带的热敏电阻进行采集。

可选的，光路单元包括沿线偏振光方向设置的透镜、隔热层和波片，其中

透镜，粘接于空间支架上，形成将激光器封闭在内部的封闭空间，用于将发散的线偏振光会聚为平行光；

隔热层，粘接于透镜和波片之间，用于隔绝激光器与MEMS原子腔中间的温控干扰；

波片，用于将线偏振光转换为圆偏振光。

透镜粘接在空间支架上，形成包括激光器在内部的封闭空间，减小气体流动的热量散失；隔热层处于透镜和波片之间，隔绝激光器与MEMS原子腔的温控干扰，使激光器和MEMS原子腔可以完全独立地控温。

可选的，原子腔单元还包括磁场线圈、第二微加热器、光电探测器和热敏电阻，MEMS原子腔设置于磁场线圈内部，磁场线圈和第二微加热器沿沿圆偏振光方向粘接，光电探测器和热敏电阻粘接于第二微加热器远离磁场线圈一侧表面，其中

MEMS原子腔，采用阳极键合工艺且内部充有铷87原子和缓冲气体，用于与圆偏振光作用得到原子吸收谱和CPT共振谱线；

磁场线圈，用于在MEMS原子腔内产生恒定的均匀磁场；

第二微加热器，用于产生热量并将热量传递至MEMS原子腔；

光电探测器，用于探测透射的激光强度信息并转换为电流信号，输出至外部电路系统进行信号检测，进行芯片原子钟的锁定；

热敏电阻，用于采集温度信号并基于温度信号控制MEMS原子腔的温度。

缓冲气体具有荧光焠灭作用和压窄谱线线宽作用；第二微加热器通过导热硅胶与MEMS原子腔粘接，使第二微加热器的热量能迅速地传递到MEMS原子腔上，提高温控灵敏度，第二微加热器的基底材料为Al₂O₃晶体材料，具有导热性能好、透光性高的优点。

可选的，磁场线圈为亥姆霍兹型线圈，设置为MEMS原子腔的外形相匹配，用于在MEMS原子腔体内产生均匀恒定的磁场，有利于提高芯片原子钟的性能。

可选的，激光器、空间支架、透镜、隔热层、波片、MEMS原子腔和第二微加热器设置为具有相同直径的圆形片状结构，有利于层与层之间的对齐，便于安装。

可选的，粘接为导热硅胶粘接，即磁屏蔽底座、第一微加热器、激光器、空间支架、透镜、隔热层、波片、MEMS原子腔、磁场线圈、第二微加热器、光电探测器和热敏电阻之间的粘接为导热硅胶粘接。

可选的，核心组件外层涂覆有绝热层，保证核心组件内的热量集中不散失，可降低微型物理系统的功耗。

可选的，第一微加热器和/或第二微加热器采用ITO材料。

本发明的有益效果如下：

本发明的芯片原子钟的微型物理系统，通过在所述核心区与磁屏蔽桶之间充入与MEMS原子腔具有相同成分相等压强的缓冲气体，形成缓冲气体腔，可使MEMS原子腔内外的气体成分和压强一致，从而保证MEMS原子腔内的气体成分和压强不变。利用真空金属焊接技术密封磁屏蔽桶外壳可使微型物理系统的漏气率达到10^-13pa·m³/s量级以上，保证了缓冲气体腔具有很高的气密性，从而提高了芯片原子钟的使用寿命。本发明的芯片原子钟的微型物理系统具有便于安装、性能稳定、结构紧凑、体积小、功耗低和寿命长等特点。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出芯片原子钟的微型物理系统的爆炸结构示意图。

图2示出芯片原子钟的微型物理系统的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。

如图1及图2所示，一种芯片原子钟的微型物理系统，包括磁屏蔽外壳C、核心组件A和由磁屏蔽外壳C与核心组件A围成的缓冲气体腔B，其中磁屏蔽外壳C包括磁屏蔽桶1及用于密封磁屏蔽桶1的磁屏蔽底座13；核心组件A设置于磁屏蔽外壳C内部，包括依次设置的光源单元、光路单元和原子腔单元，原子腔单元包括MEMS原子腔6，MEMS原子腔内6充有铷原子和缓冲气体；及缓冲气体腔B，充入与MEMS原子腔内相等压强的缓冲气体。

具体地，光源单元包括激光器10、第一微加热器12和空间支架11，其中激光器10为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，粘接于第一微加热器12上，用于发出线偏振激光；第一微加热器12，粘接于磁屏蔽底座13上，用于产生热量并将热量传递至激光器10；空间支架11，为绝热塑料聚乙烯材料，粘接于第一微加热器上12，用于为线偏振激光提供自由空间，使激光发散至预定光斑大小。

光路单元包括沿线偏振光方向设置的透镜9、隔热层8和波片7，其中透镜9粘接于空间支架11上，形成将激光器10封闭在内部的封闭空间，用于将发散的线偏振光会聚为平行光；隔热层8粘接于透镜9和波片7之间，用于隔绝激光器10与MEMS原子腔6中间的温控干扰；波片7用于将线偏振光转换为圆偏振光。

原子腔单元包括MEMS原子腔6、磁场线圈5、第二微加热器4、光电探测器3和热敏电阻2，MEMS原子腔6设置于磁场线圈5内部，磁场线圈5和第二微加热器4沿沿圆偏振光方向粘接，光电探测器3和热敏电阻2粘接于第二微加热器4远离磁场线圈一侧表面。其中MEMS原子腔6采用阳极键合工艺且内部充有铷87原子和缓冲气体，用于与圆偏振光作用得到原子吸收谱和CPT共振谱线；磁场线圈5用于在MEMS原子腔6内产生恒定的均匀磁场；第二微加热器4用于产生热量并将热量传递至MEMS原子腔6；光电探测器3用于探测透射的激光强度信息并转换为电流信号，输出至外部电路系统进行信号检测，进行芯片原子钟的锁定；热敏电阻2用于采集温度信号并基于温度信号控制MEMS原子腔6的温度。

本发明中，磁屏蔽桶1与磁屏蔽底座13采用真空金属焊接工艺进行密封。磁场线圈为亥姆霍兹型线圈。激光器10、空间支架11、透镜9、隔热层8、波片7、MEMS原子腔6和第二微加热器4设置为具有相同直径的圆形片状结构。核心组件中各物理单元的粘接为导热硅胶粘接。核心组件外层涂覆有绝热层。第一微加热器12和/或第二微加热4器采用ITO材料。

下面通过一个具体实施例对本发明中芯片原子钟的微型物理系统的组成及效果进行说明

如图1所示，为本发明实施例提供的一种芯片原子钟的微型物理系统的爆炸结构示意图。具体地，如图2所示，一种芯片原子钟的微型物理系统，包括磁屏蔽外壳C、核心组件A和由磁屏蔽外壳C与核心组件A围成的缓冲气体腔B。本发明中芯片原子钟的微型物理系统包括：磁屏蔽桶1、热敏电阻2、光电探测器3、第二微加热器4、磁场线圈5、MEMS原子腔6、波片7、隔热层8、透镜9、激光器10、空间支架11、第一微加热器12和磁屏蔽底座13。

微型物理系统的光源单元包括：激光器10、空间支架11、第一微加热器12。具体地，激光器10通过导热硅胶粘接在第一微加热器12上，使第一微加热器12的热量能迅速地传递到激光器10上，提高温控灵敏度；第一微加热器12通过绝热胶与磁屏蔽底座13粘接在一起，减小第一微加热器12的热量通过磁屏蔽底座13散失。空间支架11通过强力胶粘接在第一微加热器12上，提供激光的自由空间，使激光发散到一定的光斑大小。空间支架11采用绝热塑料聚乙烯材料，减少热传导的热量散失。激光器10的温度可通过自带的热敏电阻采集。

本发明实施例中的激光放射器是垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL)。

微型物理系统的光路单元包括：波片7、隔热层8、透镜9。具体地，透镜9粘接在空间支架11上，形成激光器10的封闭空间，减小气体流动的热量散失；透镜9的功能是将发散的激光聚为平行光。隔热层8处于透镜9和波片7之间，隔绝激光器19与MEMS原子腔6的温控干扰，使激光器10和MEMS原子腔6可以完全独立地控温。调节波片7的角度可使激光器10输出的线偏振激光转换为圆偏振激光。

微型物理系统的原子腔部分包括：热敏电阻2、光电探测器3、第二微加热器4、磁场线圈5、MEMS原子腔6。具体地，MEMS原子腔6充入适量的铷87原子和缓冲气体，缓冲气体具有荧光焠灭作用和压窄谱线线宽作用。MEMS原子腔6中的铷87原子与圆偏振激光作用得到原子吸收谱和CPT共振谱线。MEMS原子腔6的尺寸为厚2mm、直径5mm的圆片，因此磁场线圈5设计成直径为5mm的亥姆霍兹型线圈，可在MEMS原子腔6内产生恒定的均匀磁场。第二微加热器4通过导热硅胶与MEMS原子腔6，使第二微加热器4的热量能迅速地传递到激光器6上，提高温控灵敏度；而且第二微加热器4的基底材料为Al₂O₃晶体材料，具有导热性能好、透光性高的优点。热敏电阻2和光电探测器3固定在第二微加热器4上，光电探测器3探测透射的激光强度信息，并转为电流信号，输出外部电路系统进行信号检测，用于芯片原子钟的锁定；热敏电阻2采集温度信号，用于控制MEMS原子腔6的温度。

微型物理系统的磁屏蔽外壳包括：磁屏蔽桶1和磁屏蔽底座13。具体地，磁屏蔽桶1和磁屏蔽底座13通过真空金属焊接技术密封。而且磁屏蔽桶1的高度必须与内部核心组件A匹配，核心组件A的顶部通过强力胶与磁屏蔽桶1相连，保证微型物理系统内部的机械结构坚固可靠，满足抗振动和冲击要求。另外磁屏蔽桶1内部涂敷有绝热层，减小微型物理系统的内部热量散失。

本实施例中微型物理系统的核心组件中的第二微加热器4、MEMS原子腔6、波片7、隔热层8、透镜9、激光器10、空间支架11均为直径5mm的圆形片状结构，有利于层与层之间的对齐，便于安装。

本实施例中微型物理系统的核心组件A组装后，外层涂敷邮绝热层，保证核心组件A内的热量集中不散失，可降低微型物理系统的功耗。

本实施例中微型物理系统的第一和第二微加热器加热薄膜采用Pt材料，金属线采用双绞线模式。

综上所述，本发明中的芯片原子钟的微型物理系统可以达到如下效果：

1、通过采用本发明的芯片原子钟的微型物理系统，使得核心组件的工作区的结构紧凑，体积更小。通过在所述核心区与磁屏蔽桶之间充入与MEMS原子腔具有相同成分相等压强的缓冲气体，形成缓冲气体腔，可使MEMS原子腔内外的气体成分和压强一致，从而保证MEMS原子腔内的气体成分和压强不变。利用真空金属焊接技术密封磁屏蔽桶外壳可使微型物理系统的漏气率达到10^-13pa·m³/s量级以上，保证了缓冲气体腔具有很高的气密性，从而提高了芯片原子钟的使用寿命。另外，缓冲气体腔内的气体压强很低，可降低核心组件的热量散失，从而提高微型物理系统的加热效率，降低了功耗。

2、微加热器加热薄膜采用Pt材料，金属线采用双绞线模式，两条金属线上的电流大小相等、方向相反，产生的磁场相互抵消，从而消除微加热器在加热过程中产生的附加磁场。

3、磁场线圈为亥姆霍兹线圈，与MEMS原子腔的外形非常匹配，可在MEMS原子腔体内产生均匀恒定的磁场，有利于提高芯片原子钟的性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种芯片原子钟的微型物理系统，其特征在于，包括磁屏蔽外壳、核心组件和由所述磁屏蔽外壳与核心组件围成的缓冲气体腔，其中

磁屏蔽外壳，包括磁屏蔽桶及用于密封所述磁屏蔽桶的磁屏蔽底座；

核心组件，设置于所述磁屏蔽外壳内部，包括依次设置的光源单元、光路单元和原子腔单元，所述原子腔单元包括MEMS原子腔，所述MEMS原子腔内充有铷原子和缓冲气体；及

缓冲气体腔，充入与所述MEMS原子腔内相等压强的所述缓冲气体。

2.根据权利要求1所述的芯片原子钟的微型物理系统，其特征在于，所述磁屏蔽桶与所述磁屏蔽底座采用真空金属焊接工艺进行密封。

3.根据权利要求1所述的芯片原子钟的微型物理系统，其特征在于，所述光源单元包括激光器、第一微加热器和空间支架，其中

激光器，为垂直腔面发射激光器，粘接于所述第一微加热器上，用于发出线偏振激光；

第一微加热器，粘接于所述磁屏蔽底座上，用于产生热量并将所述热量传递至所述激光器；

空间支架，为绝热塑料聚乙烯材料，粘接于所述第一微加热器上，用于为所述线偏振激光提供自由空间，使激光发散至预定光斑大小。

4.根据权利要求3所述的芯片原子钟的微型物理系统，其特征在于，所述光路单元包括沿所述线偏振光方向设置的透镜、隔热层和波片，其中

透镜，粘接于所述空间支架上，形成将所述激光器封闭在内部的封闭空间，用于将发散的线偏振光会聚为平行光；

隔热层，粘接于所述透镜和波片之间，用于隔绝所述激光器与所述MEMS原子腔中间的温控干扰；

波片，用于将所述线偏振光转换为圆偏振光。

5.根据权利要求4所述的芯片原子钟的微型物理系统，其特征在于，所述原子腔单元还包括磁场线圈、第二微加热器、光电探测器和热敏电阻，所述MEMS原子腔设置于所述磁场线圈内部，所述磁场线圈和第二微加热器沿沿所述圆偏振光方向粘接，所述光电探测器和热敏电阻粘接于所述第二微加热器远离所述磁场线圈一侧表面，其中

MEMS原子腔，采用阳极键合工艺且内部充有铷87原子和缓冲气体，用于与所述圆偏振光作用得到原子吸收谱和CPT共振谱线；

磁场线圈，用于在所述MEMS原子腔内产生恒定的均匀磁场；

第二微加热器，用于产生热量并将所述热量传递至所述MEMS原子腔；

光电探测器，用于探测透射的激光强度信息并转换为电流信号，输出至外部电路系统进行信号检测，进行芯片原子钟的锁定；

热敏电阻，用于采集温度信号并基于所述温度信号控制所述MEMS原子腔的温度。

6.根据权利要求5所述的芯片原子钟的微型物理系统，其特征在于，所述磁场线圈为亥姆霍兹型线圈。

7.根据权利要求5所述的芯片原子钟的微型物理系统，其特征在于，所述激光器、空间支架、透镜、隔热层、波片、MEMS原子腔和第二微加热器设置为具有相同直径的圆形片状结构。

8.根据权利要求5所述的芯片原子钟的微型物理系统，其特征在于，所述粘接为导热硅胶粘接。

9.根据权利要求1所述的芯片原子钟的微型物理系统，其特征在于，所述核心组件外层涂覆有绝热层。

10.根据权利要求1所述的芯片原子钟的微型物理系统，其特征在于，所述第一微加热器和/或第二微加热器采用ITO材料。