CN108751118A - 一种mems原子腔 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS原子腔，其包括：第一本体，其由第一玻璃基片、第二玻璃基片和带窗口的第一硅片形成，在第一本体的内部形成内腔室；以及加热组件，用于控制MEMS原子腔的工作温度。根据本发明的MEMS原子腔还包括第二本体，在第二本体的内部形成外腔室，第一本体容纳在外腔室内，在第一本体和第二本体之间包括真空绝热层。

Description

一种MEMS原子腔
技术领域
本发明属于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)领域，具体地，涉及一种MEMS原子腔。
背景技术
随着近年来微纳米加工工艺和技术的发展，微机电系统(MEMS)技术取得了突飞猛进的突破。MEMS技术的发展引领了一个全新的领域和产业，基于MEMS技术制造的微结构器件、微机械光学器件、微传感器等在航天、航空、军事等领域都有着广泛的应用前景。MEMS原子腔是MEMS原子钟、MEMS激光器、MEMS磁力仪等MEMS原子器件的核心部分。
由于MEMS原子腔需要工作在恒定温度下(80℃～120℃)，因此需要设计加热结构。目前，大多数加热结构将加热线圈设计在额外的玻璃基片上并与MEMS原子腔玻璃基片贴附在一起，这类加热结构中的加热线圈未与原子腔实现片上集成，而且存在加热玻璃基片与原子腔玻璃基片之间的热传导，热损耗大。现有技术中，还有一种方案是将加热线圈集成在原子腔玻璃基片表面，避免了玻璃基片与玻璃基片之间的热传导，但该方案中存在原子腔与空气的热对流所引起的热损耗。
发明内容
针对上述问题，为了降低热损耗，提出了一种MEMS原子腔，其包括：
第一本体，所述第一本体由第一玻璃基片、第二玻璃基片和带窗口的第一硅片形成，在所述第一本体的内部形成内腔室；以及
加热组件，用于控制所述MEMS原子腔的工作温度；
其特征在于，所述MEMS原子腔还包括第二本体，在所述第二本体的内部形成外腔室，所述第一本体容纳在所述外腔室内，在所述第一本体和所述第二本体之间包括真空绝热层。
在一些实施例中，所述第二本体由第二玻璃基片、第三玻璃基片和带窗口的第二硅片组成。
在一些实施例中，所述第一硅片、第二硅片、第一玻璃基片、第二玻璃基片和第三玻璃基片均包括第一表面和第二表面，
所述第一硅片的第一表面与所述第二玻璃基片的第二表面连接，所述第一硅片的第二表面与所述第一玻璃基片的第一表面连接；并且
所述第二硅片的第一表面与所述第二玻璃基片的第二表面连接，所述第二硅片的第二表面与所述第三玻璃基片的第一表面连接。
在一些实施例中，所述加热组件包括加热线圈和测温线圈，所述加热线圈和测温线圈设置在所述第一硅片的第一表面上，且不覆盖所述第一硅片的窗口。
在一些实施例中，
在所述第一玻璃基片的第二表面上设有带窗口的第一热辐射阻挡层；
在所述第二玻璃基片的第一表面上设有带窗口的第二热辐射阻挡层；以及
在所述第三玻璃基片的第二表面上设有带窗口的第三热辐射阻挡层，
其中，所述第一热辐射阻挡层、第二热辐射阻挡层和第三热辐射阻挡层的窗口均与所述第一硅片的窗口对应地设置。
在一些实施例中，在所述第二玻璃基片和所述第二热辐射阻挡层上设置电极通孔，使所述加热线圈和所述测温线圈的电极露出以便于引线。
在一些实施例中，
所述第一硅片的第二表面与所述第一玻璃基片的第一表面通过阳极键合工艺键合在一起；和/或
所述第二硅片的第二表面与所述第三玻璃基片的第一表面通过阳极键合工艺键合在一起。
在一些实施例中，
所述第一硅片的第一表面与所述第二玻璃基片的第二表面通过密封胶粘合在一起；和/或
所述第二硅片的第一表面与所述第二玻璃基片的第二表面通过密封胶粘合在一起。
在一些实施例中，所述密封胶为环氧树脂胶。
在一些实施例中，所述内腔室内注有碱金属和缓冲气体。
基于上述技术方案可知，本发明至少取得了以下有益效果：
本发明提出的带有真空绝热层的MEMS原子腔可以有效减少MEMS原子腔与空气热对流所引起的热损耗，同时通过内层腔和外层腔的设计，使得在后续的系统封装中不必再次进行隔热措施，避免了后续封装的复杂工艺。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的MEMS原子腔的立体示意图；
图2为图1中的MEMS原子腔的剖视图；
图3为图1中的MEMS原子腔去除第二玻璃基片后的俯视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
参照图1、图2和图3，本发明提供了一种MEMS原子腔，该MEMS原子腔包括第一本体、第二本体以及用于控制MEMS原子腔的工作温度的加热组件，在第一本体和第二本体之间形成真空绝热层。第一本体由第一玻璃基片4、第二玻璃基片7和带窗口的第一硅片1构成，并在第一本体的内部形成内腔室6。在第二本体的内部形成外腔室13，使得第一本体容纳在外腔室13内。
本发明的实施例提出的带有真空绝热层的MEMS原子腔可以有效减少MEMS原子腔与空气热对流所引起的热损耗。
根据一些实施例，第二本体由第二玻璃基片7、第三玻璃基片11和带窗口的第二硅片10组成。
在本实施例中，第一本体和第二本体通过同一块玻璃基片即第二玻璃基片7固定在一起。
根据一些实施例，第一硅片1、第二硅片10、第一玻璃基片4、第二玻璃基片7和第三玻璃基片11均包括第一表面和第二表面，参照图2，在本实施例中，第一表面均指图2中的上表面，第二表面均指图2中的下表面；
第一硅片1的第一表面与第二玻璃基片7的第二表面连接，第一硅片1的第二表面与第一玻璃基片4的第一表面连接；
第二硅片10的第一表面与第二玻璃基片7的第二表面连接，第二硅片10的第二表面与第三玻璃基片11的第一表面连接。
优选地，第一硅片1的第二表面与第一玻璃基片4的第一表面通过阳极键合工艺键合在一起；第二硅片10的第二表面与第三玻璃基片11的第一表面通过阳极键合工艺键合在一起。
优选地，第一硅片1的第一表面与第二玻璃基片7的第二表面通过密封胶粘合在一起；第二硅片10的第一表面与第二玻璃基片7的第二表面通过密封胶粘合在一起。
优选地，所用密封胶可以为环氧树脂胶，环氧树脂胶具有良好的密封性，而且其固化温度低，可以实现低温粘合，此外，环氧树脂对于可见光透明，不影响光路。
根据一些实施例，加热组件包括加热线圈2和测温线圈3，参照图2和图3，加热线圈2和测温线圈3设置在第一硅片1的第一表面上，且不覆盖第一硅片1的窗口。通过将加热线圈和测温线圈集成在硅片窗口外围，提高了加热效率和测温精度，同时不影响光路。
根据一些实施例，第一玻璃基片4的第二表面上设有带窗口的第一热辐射阻挡层5；第二玻璃基片7的第一表面上设有带窗口的第二热辐射阻挡层8；第三玻璃基片11的第二表面上设有带窗口的第三热辐射阻挡层12。
第一热辐射阻挡层5、第二热辐射阻挡层8和第三热辐射阻挡层12的窗口均与第一硅片1的窗口对应地设置。热辐射阻挡层可以为铝层，用于减少热辐射造成的热损耗。当然，热辐射阻挡层也可以是能够阻挡热辐射的其他金属材料层或非金属材料层。
根据一些实施例，在第二玻璃基片7和第二铝层8上设置电极通孔9，使加热线圈2和测温线圈3的电极露出以便于引线。
根据一些实施例，在内层腔6内注有碱金属和缓冲气体。碱金属可以为例如铷或铯，缓冲气体可以为例如氮气、氖气或氩气。在MEMS原子腔的使用过程中，碱金属原子可以在内层腔6中与激光发生作用；碱金属的化学性质活泼，注入缓冲气体以进行保护。
本发明的实施例中的MEMS原子腔采用真空绝热层降低了热传导与热对流所引起的热损耗；并采用低热辐射系数的涂层降低了热辐射所引起的热损耗；加热线圈和测温线圈集成在硅片窗口外围，提高了加热效率和测温精度，同时不影响光路。
以下对本发明的一个实施例中的MEMS原子腔的制备方法作详细的描述。
(1)加热线圈和测温线圈的制备
选取第一硅片，在其第一表面采用光刻工艺制作出所需要的加热线圈和测温线圈的图形，并使得该图形不覆盖预留的第一硅片窗口的范围；然后在第一硅片的第一表面分别溅射钽和铂，采用剥离工艺完成加热线圈和测温线圈的制作。
(2)第一硅片窗口的制备
在第一硅片的第二表面上溅射一层铝用作掩模，采用干法刻蚀工艺在第一硅片刻蚀出窗口，再利用85％的磷酸溶液去除铝。
(3)第一玻璃基片的预处理
通过光刻工艺及溅射工艺在第一玻璃基片的第二表面上溅射一层铝层，并使得铝层上存在与第一硅片的窗口对应的窗口。
(4)第一硅片与第一玻璃基片的阳极键合
通过阳极键合工艺将第一硅片的第二表面与第一玻璃片的第一表面进行键合。
(5)第二玻璃基片的预处理
通过光刻工艺及溅射工艺在第二玻璃基片的上表面上溅射一层铝层，并使得铝层上存在与第一硅片的窗口对应的窗口；然后通过激光打孔工艺在该铝层和第二玻璃基片制作电极通孔，电极通孔的位置与加热线圈和测温线圈的电极的位置对应。
(6)碱金属及缓冲气体的注入和内腔室的密封
在厌氧箱中创造出真空环境，将碱金属注入内层腔室中；在第一硅片的第一表面涂一层环氧树脂；然后厌氧箱中通入一定比例的缓冲气体，将第二玻璃基片的第二表面和第一硅片的第一表面对准紧贴在一起，施加一定压力加热固化。
(7)去除电极通孔处的环氧树脂
在第二玻璃片上表面进行反应离子刻蚀，以去除电极通孔处的环氧树脂。
(8)内腔室的成型
将内腔室划片形成通过第二玻璃基片连接的数个孤立的内腔室。以上完成了内腔室的制备。
(9)第二硅片窗口的制备
第二硅片厚度大于第一硅片；在第二硅片第二表面溅射一层铝用作掩模，采用干法刻蚀工艺在第二硅片刻蚀出窗口，利用85％的磷酸溶液去除铝。
(10)第三玻璃基片的预处理
通过光刻工艺及溅射工艺在第三玻璃基片下表面上溅射一层铝层，并使得铝层上存在与第一硅片的窗口对应的窗口。
(11)第二硅片与第三玻璃基片阳极键合
通过阳极键合工艺将第二硅片的第二表面与第三玻璃基片的第一表面进行键合。
(12)外腔室的密封
在厌氧箱中创造出真空环境，在第二硅片的第一表面涂一层环氧树脂，将第二硅片的第一表面和第二玻璃基片的第二表面对准紧贴在一起，并使得已成型内腔室容纳于第二硅片的窗口中，施加一定压力加热固化。同时内腔室和外腔室间已形成了真空绝热层。
至此，完成了本发明实施例中的MEMS原子腔的制作，可以理解的是，以上的步骤之间并没有明确的顺序关系，部分内腔室相关的工艺和外腔室相关的工艺可以同步进行。本发明实施例中的MEMS原子腔完全采用MEMS工艺加工制作，避免了复杂的机械加工；同时，通过这样的设计，不必在后续的系统封装中再次进行隔热措施，避免了后续封装的复杂工艺。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一个元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS原子腔，包括：
第一本体，所述第一本体由第一玻璃基片、第二玻璃基片和带窗口的第一硅片形成，在所述第一本体的内部形成内腔室；以及
加热组件，用于控制所述MEMS原子腔的工作温度；
其特征在于，所述MEMS原子腔还包括第二本体，在所述第二本体的内部形成外腔室，所述第一本体容纳在所述外腔室内，在所述第一本体和所述第二本体之间包括真空绝热层。
2.根据权利要求1所述的MEMS原子腔，其特征在于，所述第二本体由第二玻璃基片、第三玻璃基片和带窗口的第二硅片组成。
3.根据权利要求2所述的MEMS原子腔，其特征在于，
所述第一硅片、第二硅片、第一玻璃基片、第二玻璃基片和第三玻璃基片均包括第一表面和第二表面，
所述第一硅片的第一表面与所述第二玻璃基片的第二表面连接，所述第一硅片的第二表面与所述第一玻璃基片的第一表面连接；并且
所述第二硅片的第一表面与所述第二玻璃基片的第二表面连接，所述第二硅片的第二表面与所述第三玻璃基片的第一表面连接。
4.根据权利要求3所述的MEMS原子腔，其特征在于，所述加热组件包括加热线圈和测温线圈，所述加热线圈和所述测温线圈设置在所述第一硅片的第一表面上，且不覆盖所述第一硅片的窗口。
5.根据权利要求4所述的MEMS原子腔，其特征在于，
在所述第一玻璃基片的第二表面上设有带窗口的第一热辐射阻挡层；
在所述第二玻璃基片的第一表面上设有带窗口的第二热辐射阻挡层；以及
在所述第三玻璃基片的第二表面上设有带窗口的第三热辐射阻挡层，
其中，所述第一热辐射阻挡层、第二热辐射阻挡层和第三热辐射阻挡层的窗口均与所述第一硅片的窗口对应地设置。
6.根据权利要求5所述的MEMS原子腔，其特征在于，在所述第二玻璃基片和所述第二热辐射阻挡层上设置电极通孔，使所述加热线圈和所述测温线圈的电极露出以便于引线。
7.根据权利要求3所述的MEMS原子腔，其特征在于，
所述第一硅片的第二表面与所述第一玻璃基片的第一表面通过阳极键合工艺键合在一起；和/或
所述第二硅片的第二表面与所述第三玻璃基片的第一表面通过阳极键合工艺键合在一起。
8.根据权利要求3所述的MEMS原子腔，其特征在于，
所述第一硅片的第一表面与所述第二玻璃基片的第二表面通过密封胶粘合在一起；和/或
所述第二硅片的第一表面与所述第二玻璃基片的第二表面通过密封胶粘合在一起。
9.根据权利要求8所述的MEMS原子腔，其特征在于，所述密封胶为环氧树脂胶。
10.根据权利要求1所述的MEMS原子腔，其特征在于，在所述内腔室内注有碱金属和缓冲气体。
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