CN107311103B - 一种微型石英玻璃原子气室的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，包括如下步骤：将碱金属原子封装到玻璃微腔中，并充入惰性气体；制造下层封装块、中层封装块和上层封装块；组装下层封装块、中层封装块、上层封装块和玻璃微腔，并密封，形成一个密闭的腔体；以高于玻璃微腔软化点的温度加热多个密闭的腔体，直至玻璃微腔结构被破坏后，停止加热；以中层封装块为基准，切割停止加热后的多个密闭的腔体，形成微型石英玻璃原子气室。本发明通过设置玻璃微腔，确保了原子气室的纯净度，解决了传统微型原子气室制造工艺难度大且腔室纯净度差的问题；通过同步加热多个密闭腔体，实现了原子气室的量产，弥补了传统微型原子气室制造设备要求高且不易批量生产的缺陷。

Description

一种微型石英玻璃原子气室的制造方法
技术领域
本发明涉及一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，尤其适用于制备微小型高精度量子仪表的原子气室，属于原子气室制备技术领域。
背景技术
原子陀螺仪、原子干涉磁力仪、芯片原子钟等新型量子仪表是目前迫切需求的微小型高精度仪表之一。对于上述量子仪表，微型原子气室是其中最重要的核心器件，是决定仪表精度的关键因素之一。
近年来，研究人员尝试采用各种新技术和手段用于微型原子气室研制，包括玻璃泡熔接技术、阳极键合工艺技术、碱金属化合物分解技术等。其中玻璃泡熔接技术是制造大体积原子气室的主要方法，但在制造微型原子气室时很难保证气室外形的规整度；利用硅/玻璃阳极键合工艺预制出硅微腔室，在真空氛围中将碱金属滴入腔室内，再次利用硅/玻璃阳极键合工艺完成原子气室密封，该方法对设备要求极高，而且工艺难度大，成品率低；另外，也有报道采用制作石蜡模具将碱金属包裹在其中，然后填入预制腔室中，再利用硅/玻璃阳极键合工艺完成原子气室密封，该方法存在石蜡密封性差、制作工艺复杂、不易批量加工、阳极键合难度大等缺点；碱金属化合物分解技术是将碱金属的叠氮化物或是碱金属化合物的混合物填充到微型原子气室腔室中，采用光分解或是热还原反应释放出碱金属原子，但是碱金属化合物分解产生的多余物残留在腔室内，严重影响原子气室的性能。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，通过设置玻璃微腔，有效确保了原子气室的纯净度，解决了传统微型原子气室制造工艺难度大而且腔室纯净度差的问题；通过同步加热多个密闭腔体，实现了原子气室的大规模量产，弥补了传统微型原子气室制造设备要求高以及不易批量生产的缺陷。
本发明的技术解决方案是：
一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，包括如下步骤：
第一步：将碱金属原子封装到玻璃微腔中，并充入惰性气体；
第二步：分别制造下层封装块、中层封装块和上层封装块；
第三步：将下层封装块安装在中层封装块一端，再将封装有碱金属原子的玻璃微腔放置在中层封装块中，然后将上层封装块安装在中层封装块另一端，并进行密封，形成一个密闭的腔体；
第四步：以高于玻璃微腔软化点的温度加热多个密闭的腔体，直至玻璃微腔结构被破坏后，停止加热；
第五步：以中层封装块为基准，切割停止加热后的多个密闭的腔体，形成若干个微型石英玻璃原子气室。
在上述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法中，第一步中，玻璃微腔为空心圆柱体，玻璃微腔的软化点范围是400～1000℃。
在上述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法中，第一步中，充入惰性气体的气压范围是10～760Torr。
在上述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法中，第二步中，下层封装块和上层封装块均为实心立方体，中层封装块采用立方体结构，中层封装块上设有用于安装玻璃微腔的通孔。
在上述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法中，第二步中，下层封装块、中层封装块和上层封装块的材料均采用石英玻璃。
在上述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法中，第三步中，下层封装块与中层封装块之间通过光胶粘接。
在上述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法中，第三步中，下层封装块与中层封装块之间采用低温键合连接。
在上述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法中，第三步中，上层封装块与中层封装块在真空状态通过光胶粘接。
在上述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法中，第三步中，上层封装块与中层封装块在真空状态通过低温键合连接。
在上述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法中，第五步中，对切割后的若干个微型石英玻璃原子气室端面进行抛光处理。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
【1】本发明采用玻璃微腔预先封装碱金属原子，不存在多余杂质，提高了原子气室的腔室纯净度。
【2】本发明选用的玻璃材质的软化点高于光胶或者低温键合的工艺温度，不会对光胶或者低温键合工艺产生不利影响。
【3】本发明提供的微型石英玻璃原子气室的制造方法，基于传统原子气室加工设备和低温键合设备即可实施，对设备和操作不存在苛刻要求。
【4】本发明逻辑通顺、思路清晰、设计合理、步骤精简，本领域技术人员按照步骤进行试验时，能够降低能耗、节约时间。
【5】本发明的下层封装块、中层封装块、上层封装块和玻璃微腔结构简单、拆装方便、成本低廉，具备广阔的市场应用前景，利于技术人员进行改进提高。
附图说明
图1为本发明的流程图
图2为本发明的结构图
其中：1下层封装块；2中层封装块；3上层封装块；4玻璃微腔；
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1～2所示，一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，包括如下步骤：
第一步：将碱金属原子封装到玻璃微腔4中，并充入惰性气体；
第二步：分别制造下层封装块1、中层封装块2和上层封装块3；
第三步：将下层封装块1安装在中层封装块2一端，再将封装有碱金属原子的玻璃微腔4放置在中层封装块2中，然后将上层封装块3安装在中层封装块2另一端，并进行密封，形成一个密闭的腔体；
第四步：以高于玻璃微腔4软化点的温度加热多个密闭的腔体，直至玻璃微腔4结构被破坏后，停止加热；
第五步：以中层封装块2为基准，切割停止加热后的多个密闭的腔体，形成若干个微型石英玻璃原子气室。
玻璃微腔4所采用材料的软化点低于石英玻璃的软化点。
优选的，第一步中，玻璃微腔4为空心圆柱体，玻璃微腔4的软化点范围是400～1000℃。
优选的，第一步中，充入惰性气体的气压范围是10～760Torr。
优选的，第二步中，下层封装块1和上层封装块3均为实心立方体，中层封装块2采用立方体结构，中层封装块2上设有用于安装玻璃微腔4的通孔。
优选的，第二步中，下层封装块1、中层封装块2和上层封装块3的材料均采用石英玻璃。
优选的，第三步中，下层封装块1与中层封装块2之间通过光胶粘接。
优选的，第三步中，下层封装块1与中层封装块2之间采用低温键合连接。
优选的，第三步中，上层封装块3与中层封装块2在真空状态通过光胶粘接。
优选的，第三步中，上层封装块3与中层封装块2在真空状态通过低温键合连接。
优选的，第五步中，对切割后的若干个微型石英玻璃原子气室端面进行抛光处理。
优选的，首先采用原子气室加工设备分别在若干个Pyrex玻璃毛细管内封装微量碱金属原子，同时内部封装气压为500Torr的氮气，封装后，玻璃毛细管的内径为0.4mm，外径为0.6mm，长度为1mm。
采用刻蚀工艺在厚度为1mm的石英圆片上制作若干通孔，通孔直径为2mm，将下层封装块1与中层封装块2低温键合，然后将封装有碱金属的玻璃毛细管填装在中层封装块2的通孔中。
利用阳极键合机的预对准工装将上层封装块3安装在中层封装块2上，抽真空，至压强大于1×10-4Pa时，进行低温键合，并密封，形成石英玻璃腔体。
将石英玻璃腔体加热至850℃，封装碱金属的Pyrex玻璃毛细管软化后被内部气压冲破，其中的碱金属原子和氮气释放到石英玻璃腔体中。
以单个腔室为单元格，进行划切以及端面抛光处理，形成若干个单一的微型石英玻璃原子气室，气室内含有20Torr的氮气作为缓冲气体。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：将碱金属原子封装到玻璃微腔(4)中，并充入惰性气体；
第二步：分别制造下层封装块(1)、中层封装块(2)和上层封装块(3)；
第三步：将下层封装块(1)安装在中层封装块(2)一端，再将封装有碱金属原子的玻璃微腔(4)放置在中层封装块(2)中，然后将上层封装块(3)安装在中层封装块(2)另一端，并进行密封，形成一个密闭的腔体；
第四步：以高于玻璃微腔(4)软化点的温度加热多个密闭的腔体，直至玻璃微腔(4)结构被破坏后，停止加热；
第五步：以中层封装块(2)为基准，切割停止加热后的多个密闭的腔体，形成若干个微型石英玻璃原子气室；
所述第二步中，下层封装块(1)和上层封装块(3)均为实心立方体，中层封装块(2)采用立方体结构，中层封装块(2)上设有用于安装玻璃微腔(4)的通孔；
所述第二步中，下层封装块(1)、中层封装块(2)和上层封装块(3)的材料均采用石英玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，其特征在于：所述第一步中，玻璃微腔(4)为空心圆柱体，玻璃微腔(4)的软化点范围是400～1000℃。
3.根据权利要求1所述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，其特征在于：所述第一步中，充入惰性气体的气压范围是10～760Torr。
4.根据权利要求1所述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，其特征在于：所述第三步中，下层封装块(1)与中层封装块(2)之间通过光胶粘接。
5.根据权利要求1所述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，其特征在于：所述第三步中，下层封装块(1)与中层封装块(2)之间采用低温键合连接。
6.根据权利要求1所述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，其特征在于，所述第三步中，上层封装块(3)与中层封装块(2)在真空状态通过光胶粘接。
7.根据权利要求1所述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，其特征在于：所述第三步中，上层封装块(3)与中层封装块(2)在真空状态通过低温键合连接。
8.根据权利要求1所述的一种微型石英玻璃原子气室的制造方法，其特征在于：所述第五步中，对切割后的若干个微型石英玻璃原子气室端面进行抛光处理。
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