CN107332561A - 一种信号探询装置、氢原子频标 - Google Patents
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- H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference
Abstract
本发明提出了一种信号探询装置，包括衬底、下电极、压电薄膜、上电极，所述下电极设置在所述衬底上，所述压电薄膜设置在所述下电极上；所述上电极设置在所述压电薄膜上，所述上电极、下电极分别于电源电气连接，所述压电薄膜的厚度为λ，则：λ＝α/2≈v/2f，其中，α为声波的波长，v表示声音的速度，f为氢原子基态跃迁脉泽信号频率。本发明提供的一种信号探询装置，实现高Q值、大功率容量、高换能效率、小温度系数，替代传统氢原子频标微波谐振腔和微波耦合环，对跃迁信号进行谐振耦合探测。
Description
技术领域
本发明涉及氢原子频标领域，具体涉及一种用于氢原子频标的信号探询装置。
背景技术
时间是五个基本物理量之一，对其的精确计量具有重要的科研和应用价值。进入二十世纪后，利用确定能级跃迁实现高精度时间输出的原子频标逐渐成熟，并得到广泛地应用。目前实用型的原子频标包括铷原子频标、铯原子频标和氢原子频标，其中氢原子频标具有优秀的中短期稳定度和良好长期稳定度和漂移率指标，可用于守时授时、导航定位和通讯保障等众多领域。
氢原子钟的工作原理是利用氢原子基态(F＝1，mF＝0)和(F＝0，mF＝0)两超精细能级之间的跃迁频率来锁定晶振。工业氢气通过提纯之后导入电离源系统，在此期间氢分子离解成为原子状态，同时发光发热，氢原子由准直器形成原子束流，在磁选态器的作用下，(F＝1，mF＝0)态的氢原子射入微波谐振腔中的储存泡，并在其中发生微波共振跃迁，使腔内微波能量增加，通过检测微波谐振腔内的微波能量就可以将电路系统输出的微波信号锁定在原子跃迁谱线上，从而可以得到具有高稳定度和高准确度的输出信号。由此可见，氢原子频标的核心是其物理部分，包括氢源系统、电离源系统和腔泡系统等，其中腔泡系统是氢原子频标的重要子系统。腔泡系统的作用是将经过态选择的高能态氢原子在微波谐振腔泡内在一定条件下受激辐射，产生能级跃迁信号，并在微波谐振腔的谐振作用下产生谐振频率信号，即腔泡系统的作用是对原子跃迁脉泽信号的探询并输出一定线宽和功率增益的标准频率信号。这样高能态的氢原子在腔泡运动过程中就会发生受激辐射，使腔内微波能量增加，并在微波谐振腔的谐振作用下产出共振信号，通过微波耦合环检测微波谐振腔内的微波谐振能量就可以将晶体谐振器的谐振频率锁定在原子跃迁谱线上，从而可以得到具有高稳定度和高准确度的输出信号。
现有腔泡系统的原理局限性：首先，内真空污染的问题，这个是随着氢原子频标开机时间而递增的过程，其现象为氢原子频标稳定度的恶化，内因为原子存储区域的污染。这污染源具目前所分析得知源头是氢频标吸附泵，污染物有无机盐组成，其释放途径和速率未知。这类污染问题程度较轻会使得氢频标电性能恶化，严重的会使得物理功能性失效。其次，原子跃迁信号及其微弱，在微波腔小型化的过程中，随着微波谐振腔尺寸的变小同时，信号会成比例下降，这必然带来系统指标精度的急剧下降。传统氢原子频标还有吸附泵、温控系统、磁屏蔽等，这些在小型化的过程中，都带来工程实现上的困难。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种信号探询装置。本发明提供的一种信号探询装置，实现高Q值、大功率容量、高换能效率、小温度系数，替代传统氢原子频标微波谐振腔和微波耦合环，对跃迁信号进行谐振耦合探测。
本发明采用的技术方案如下：
一种信号探询装置，包括衬底、下电极、压电薄膜、上电极，所述下电极设置在所述衬底上，所述压电薄膜设置在所述下电极上；所述上电极设置在所述压电薄膜上，所述上电极、下电极分别于电源电气连接，
所述压电薄膜的厚度为λ，则：
λ＝α/2≈v/2f，
其中，α为声波的波长，v表示声音的速度，f为氢原子基态跃迁脉泽信号频率。所述电源的电压小于等于5v。
上述的一种信号探询装置，其中，所述衬底为半导体衬底/二氧化硅衬底/硅衬底/碳化硅衬底。
上述的一种信号探询装置，其中，所述压电薄膜为AlN压电薄膜。
一种氢原子频标，包括至少一组上述的信号探询装置。
上述的一种氢原子频标，其中，包括若干组所述信号探询装置，若干组所述信号探询装置并连。
本发明的有益效果：多阵元级联式量子跃迁信号探询系统设计，为实现微弱信号、谐振起振、灵敏度高及插入损耗小的信号谐振输出，拟采用薄膜体声波谐振器(FBAR)技术，综合微波介质陶瓷性能优越和声表面波谐振器(SAW)体积较小的优势，工作频率最高可达20GHz，实现高Q值、大功率容量、高换能效率、小温度系数，替代传统氢原子频标微波谐振腔和微波耦合环，对跃迁信号进行谐振耦合探测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种信号探询装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，一种信号探询装置，包括衬底1、下电极2、压电薄膜3、上电极4，所述下电极2设置在所述衬底1上，所述压电薄膜3设置在所述下电极2上；所述上电极4设置在所述压电薄膜3上，所述上电极4、下电极2分别于电源的正负极电气连接，所述压电薄膜3的厚度为λ，则：λ＝α/2≈v/2f，其中，α为声波的波长，v表示声音的速度，f为氢原子基态跃迁脉泽信号频率。所述电源的电压小于等于5v。
在一实施例中，所述信号探询装置的衬底1为半导体衬底/二氧化硅衬底/硅衬底/碳化硅衬底。
在一实施例中，所述信号探询装置的压电薄膜3为AlN压电薄膜。
一种氢原子频标，包括至少一组上述的信号探询装置。
在一实施例中，一种氢原子频标包括若干组所述信号探询装置，若干组所述信号探询装置并连。
本发明采用电极、压电薄膜、电极的三明治结构，压电薄膜的逆压电效应将输入的高频电信号转化为一定频率的声信号。当声波在压电薄膜中的传播距离正好是半波长的奇数倍时就会产生谐振，其中，谐振频率处的声波损耗最小，使得该频率的声信号能通过压电薄膜层，而其他频率的信号被阻断，从而只在输出端输出具有特定频率的信号，以实现在氢原子频标中的信号探询，尤其是小型、微型甚至纳米级别的氢原子频标中的信号探询。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
当然，对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)
1.一种信号探询装置，其特征在于，包括衬底、下电极、压电薄膜、上电极，所述下电极设置在所述衬底上，所述压电薄膜设置在所述下电极上；所述上电极设置在所述压电薄膜上，所述上电极、下电极分别于电源电气连接，
所述压电薄膜的厚度为λ，则：
λ＝α/2≈v/2f，
其中，α为声波的波长，v表示声音的速度，f为氢原子基态跃迁脉泽信号频率。
2.根据权利要求1所述的一种信号探询装置，其特征在于，所述衬底为半导体衬底/二氧化硅衬底/硅衬底/碳化硅衬底。
3.根据权利要求1或2所述的一种信号探询装置，其特征在于，所述压电薄膜为AlN压电薄膜。
4.一种氢原子频标，其特征在于，包括至少一组如权利要求1-3的信号探询装置。
5.根据权利要求1所述的一种氢原子频标，其特征在于，包括若干组所述信号探询装置，若干组所述信号探询装置并连。
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