CN109068414B - 面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置及制备方法，采用厚膜技术将发热电阻一层层刷到基板上，并进行绝缘隔离，形成多层加热结构，并将三极管、热敏电阻和单片机等元器件都集成到基片上，每一层发热电阻都与一个三极管连接后由单片机的DAC输出端口控制，单片机通过其ADC模块采集热敏电阻的电压收集温度信号，经过PID算法后通过DAC控制每一层发热电阻的加热功率，实现多档连续控制的高集成度加热装置。本发明电路结构简单、集成度高、控制加热一体，能够改善目前微型原子气室加热装置的诸多问题，可以扩展应用到更多需要加热的器件中，并且工艺简单，易于制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置及制备方法，适用于高集成度、高性能的芯片级原子钟、微小型原子自旋陀螺仪、SERF(spin-exchangerelaxation-free，无自旋交换弛豫)原子磁强计等属于微机电系统领域。
背景技术
很多物理研究与精密测量都是基于光与原子相互作用的量子过程，需要在原子蒸汽中制备长寿命的原子极化态，通常人们会将原子储存在玻璃的封闭容器内，这个容器就是原子气室。实验过程中需要通过给原子气室加热升温并稳定在一定的温度值，得到更高的原子数密度，利用气态原子进行精密测量。微型原子气室作为芯片原子钟、原子自旋陀螺仪、原子磁强计等的核心部件，其加热装置的集成度和精度将直接影响整体系统的体积和量子过程的测量精度。
原子钟的精度可以达到每2000万年误差1秒。其中，芯片原子钟(Chip ScaleAtomic Clock，CSAC)由于体积小、重量轻、功率消耗小等优点，在守时、定位、导航、通信、军事等多个领域具有广泛的应用前景。目前研制出的芯片原子钟的频率稳定度基本满足了应用需求，但在体积方面，芯片原子钟目前只能达到16cm3～20cm3，对于尺寸要求苛刻的便携式设备来说，体积问题严重限制了芯片原子钟的应用。因此，提高微型原子气室的加热装置的集成度是减小芯片原子钟体积的必然选择。
原子自旋陀螺仪可在微小体积、低成本条件下实现米级定位精度，提供不依赖卫星的全空域、全时域无缝定位导航新能力。提高微型原子气室的加热装置的控制精度和集成度，将有助于进一步提高微小型原子自旋陀螺仪的精度与集成度，实现全空域、全时域的无缝定位导航，达到未来定位导航产业的技术制高点。
SERF原子磁强计以其超高灵敏、小体积、低功耗成为空间探测磁强计的优先选择，越来越多的应用于地质勘探、航空测磁、卫星姿态控制以及空间探测等领域，通过对各项技术的改进，原子磁强计有望得到更广泛的应用领域。减小其内部微型原子气室的加热装置的体积，将会为原子磁强计的进一步微型化提供强有力的帮助。
目前微型原子气室的加热装置多采用加热丝、加热玻璃和TEC(Thermo ElectricCooler，半导体制冷器)等加热器件。加热丝的加热面积较小，温度分布梯度较大；加热玻璃制作工艺繁琐，成本较高，产生的噪声较大；TEC一端吸热，一端放热，体积较大，加热上升时间过长，加热效率不高，控制精度差。现有加热装置都是单一固定的发热电阻，只能通过驱动电路来调节加热功率，功率调节范围有限，存在调节范围小，控制精度差，加热效率低，产生的噪声大，连线杂多混乱，加热装置集成度不高等问题。
从上世纪六十年代开始，厚膜混合集成电路就以其元件参数范围广，精度、稳定度和可靠性高，电路设计灵活性大，研制生产周期短，适合于大批量低成本生产等特点，与半导体集成电路相互补充、相互渗透，成为集成电路的一个重要组成部分。其高集成度、高精度、低噪声等特点得到社会的一致认可，广泛应用于电控设备系统中，对电子设备的微型化起到了重要的推动作用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置及制备方法，装置电路结构简单、集成度更高、控制加热一体，能够改善目前微型原子气室加热装置的温度分布梯度大、功率调节范围小、体积大、加热效率低、噪声大、连线杂乱、控制精度差等问题，可以扩展应用到更多需要加热的器件中，且制备方法简单，采用将厚膜技术将放大三极管、单片机、热敏电阻和多个不同阻值的发热电阻混合集成到基片的方法制作加热装置，易于控制生产。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置，包括加热片，所述加热片包括设有通光孔的基片以及基片表面印刷的2至10层发热电阻，每层发热电阻的上表面印刷有用于间隔相邻两层发热电阻的绝缘介质层，各层发热电阻的一端均与电源连接，另一端分别与一个贴片三极管的集电极连接，各贴片三极管的发射极分别通过限流电阻接地，各贴片三极管的基极分别通过串联电阻与单片机的数模转换端口连接，所述单片机的模数转换端口与热敏电阻连接。
所述各层加热膜上的发热电阻成弓字形分布于基片上。
所述单片机通过印刷于基片的第一层导体与热敏电阻连接，所述发热电阻的两端均通过印刷于第一层导体上层的第二层导体与电源或贴片三极管连接，两层导体之间由绝缘介质层间隔，且两层导体之间的绝缘介质层设有用于两层导体熔合接触的通孔。
每层绝缘介质层分别与其下层发热电阻的形状对应。
所述不同加热膜的发热电阻的阻值各不相同。
所述基片采用96氧化铝陶瓷片。
所述绝缘介质层采用微晶玻璃。
所述单片机采用具有PID处理功能的芯片。
本发明同时提供了一种用于制备上述厚膜混合集成加热装置的方法，包括以下步骤：
(1)分别将各层发热电阻和绝缘介质层制成丝网；
(2)将第一层导体印刷于设有通光孔的基片表面，烘干；
(3)将绝缘介质层印刷于第一层导体上表面，印刷时在第一层导体上预留用于与第二层导体连接的留孔，烘干；
(4)将第二层导体印刷于绝缘介质层上表面，烘干；
(5)在第二层导体的上表面印刷绝缘介质层，烘干；
(6)将各层发热电阻和绝缘介质层交替印刷于基片表面，在印刷每一层发热电阻或绝缘介质层后，进行烘干，各导体和发热电阻的焊盘裸露于绝缘介质层外；
(7)将基片进行烧结，使相邻两层导体通过其间的绝缘介质层的留孔熔合互连；
(8)清洗基片，在各焊盘上涂焊锡膏，利用自动贴装机将贴片三极管、串联电阻、热敏电阻和单片机组装于基片表面并进行回流焊接。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明提供的一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置，集成度更高，将所有器件集成到基片上，无需复杂连线，直接接入电源即可进行加热并根据单片机程序和温度反馈自动进行功率调节，电路结构简单，制作方便，易于实现；
(2)本发明提供的一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置，采用了厚膜混合集成加热装置的原理，新颖简便，精度高，应用扩展性强，通过集成多个发热电阻，从加热器件上增大加热功率的调节范围，当各发热电阻阻值不同时，可实现多档连续性调节，增大了功率调节精度，尤其适合原子气室加热调节，同时可以方便的扩展应用到其他需要精确加热的装置上；
(3)本发明提供的一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置，发热电阻可采用特殊的结构，通过弓字形走线，减小加电阻产生的磁场噪声，减小其对原子气室的干扰，厚膜混合集成电路由于其精细加工制作的牢固结构和采用耐高温高精度元器件，通过对不同温度的电路工作状态进行标定，大大提高了加热装置的可靠性；
(4)本发明提供的一种用于制备上述厚膜混合集成加热装置的方法，采用了厚膜混合集成电路的成熟工艺，采用多层导体、多层发热电阻、多层绝缘介质层交替印刷过程，并在多层导体之间印刷绝缘介质层时预留孔，最后两层导体通过留孔熔合连接，烧结使得发热电阻阻值稳定，进一步增强发热电阻的阻值稳定，步骤简单，制作方便。
附图说明
图1是本发明提供的一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置的电路原理示意图。
图2是本发明提供的一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置的结构示意图。
图3是本发明提供的一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置的各层发热电阻形状示意图。
图4是工艺流程示意图。
图中：1-基片，2-第二层导体，3-第一层导体，4-第一三极管(Q1)，5-第二三极管(Q2)，6-第三三极管(Q3)，7-第四三极管(Q4)，8-第五三极管(Q5)，9-第六三极管(Q6)，10-热敏电阻(R19)，11-通光孔，12-发热电阻，13-电源正极接口，14-接地电阻(R20)，15-地线接口，16-第13限流电阻(R13)，17-第14限流电阻(R14)，18-第15限流电阻(R15)，19-第16限流电阻(R16)，20-第17限流电阻(R17)，21-第18限流电阻(R18)，22-第7串联电阻(R7)，23-第8串联电阻(R8)，24-第9串联电阻(R9)，25-第10串联电阻(R10)，26-第11串联电阻(R11)，27-第12串联电阻(R12)，28-单片机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置，包括加热片，所述加热片包括设有通光孔的基片以及基片表面印刷的2至10层发热电阻，每层发热电阻的上表面印刷有用于间隔相邻两层发热电阻的绝缘介质层，各层发热电阻的一端均与电源连接，另一端分别与一个贴片三极管的集电极连接，各贴片三极管的发射极分别通过限流电阻接地，各贴片三极管的基极分别通过串联电阻与单片机的数模转换端口连接，所述单片机的模数转换端口与热敏电阻连接。
参照图1和图2，为具体采用6层发热电阻的布线情况。六层不同阻值的发热电阻12(分别为R1、R2、R3、R4、R5和R6)，各发热电阻的两端分别通过第二层导体2(共7根导线)与电源正极接口13VCC以及第一三极管(Q1)4、第二三极管(Q2)5、第三三极管(Q3)6、第四三极管(Q4)7、第五三极管(Q5)8、第六三极管(Q6)9的集电极连接，单片机28的六个DAC输出端口(DAC1、DAC2、DAC3、DAC4、DAC5、DAC6)分别通过贴片式的第7串联电阻(R7)22、第8串联电阻(R8)23、第9串联电阻(R9)24、第10串联电阻(R10)25、第11串联电阻(R11)26、第12串联电阻(R12)27连接各个三极管的基极，各个三极管的发射极连接限流电阻(第13限流电阻(R13)16、第14限流电阻(R14)17、第15限流电阻(R15)18、第16限流电阻(R16)19、第17限流电阻(R17)20、第18限流电阻(R18)21)后通过地线接口15接入地线GND。热敏电阻(R19)10和接地电阻(R20)14组成分压电路，单片机的ADC(模数转换端口)通过第一层导体3与热敏电阻连接，单片机通过ADC采集热敏电阻(R19)10的电压收集温度信号，经过PID算法计算后由六个DAC(数模转换端口)输出控制量，并经三极管放大进而控制各个发热电阻的加热功率。DAC输出的连续模拟量控制不同阻值的发热电阻可实现加热功率的多档连续调节，增大了加热功率的调节范围并提高了其控制精度。
基片1设有通光孔11。
参照图3，所述不同加热膜的发热电阻的阻值可各不相同，每层绝缘介质层分别与其下层发热电阻的形状对应。六层发热电阻可分别采用如图3(1)、图3(2)、图3(3)、图3(4)、图3(5)、图3(6)的弓字形分布，每层发热电阻上端位置一致，所述单片机通过印刷于基片的第一层导体与热敏电阻连接，所述发热电阻的两端均通过印刷于第一层导体上层的第二层导体与电源或贴片三极管连接，两层导体之间由绝缘介质层间隔，且两层导体之间的绝缘介质层设有用于两层导体熔合接触的通孔。通过弓字形走线，能够降低发热电阻产生的磁场噪声，减小其对原子气室的干扰。
所述基片采用96氧化铝陶瓷片。
所述绝缘介质层采用微晶玻璃。
所述单片机采用具有PID处理功能的芯片，如PIC单片机。
本发明同时提供了一种用于制备上述厚膜混合集成加热装置的方法，参照图2和图4，包括以下步骤：
(1)分别将各层发热电阻和绝缘介质层制成丝网；
(2)将第一层导体印刷于设有通光孔的基片1表面，烘干；
(3)将绝缘介质层印刷于第一层导体上表面，印刷时在第一层导体上预留用于与第二层导体连接的留孔，烘干；
(4)将第二层导体印刷于绝缘介质层上表面，烘干；
(5)在第二层导体的上表面印刷绝缘介质层，烘干；
(6)将各层发热电阻和绝缘介质层交替印刷于基片表面，在印刷每一层发热电阻或绝缘介质层后，进行烘干，各导体和发热电阻的焊盘裸露于绝缘介质层外；
(7)将基片进行烧结，使相邻两层导体通过其间的绝缘介质层的留孔熔合互连；
(8)清洗基片，在各焊盘上涂焊锡膏，利用自动贴装机将贴片三极管、串联电阻、热敏电阻和单片机组装于基片表面并进行回流焊接。
本发明采用厚膜技术将发热电阻一层层刷到基板上，并进行绝缘隔离，形成多层加热结构，并将三极管、热敏电阻和单片机等元器件都集成到基片上，每一层发热电阻都与一个三极管连接后由单片机的DAC(数模转换器)输出端口控制，单片机通过其ADC(模/数转换器)模块采集热敏电阻的电压收集温度信号，经过PID算法(比例(proportion)、积分(integral)、微分(derivative))后通过DAC控制每一层发热电阻的加热功率，实现多档连续控制的高集成度加热装置，通过对不同温度的电路工作状态进行标定，单片机可根据热敏电阻的温度信号自动调整算法参数，最大程度减小温度对控制电路的影响。
本发明整体电路结构简单、集成度高、控制加热一体，能够改善目前微型原子气室加热装置的温度分布梯度大、功率调节范围小、体积大、加热效率低、噪声大、连线杂乱、控制精度差等问题，可以扩展应用到更多需要加热的器件中，并且工艺简单，易于制备。
Claims (6)
1.一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置，包括加热片，其特征在于：所述加热片包括设有通光孔的基片以及基片表面印刷的2至10层发热电阻，每层发热电阻的上表面印刷有用于间隔相邻两层发热电阻的绝缘介质层，各层发热电阻的一端均与电源连接，另一端分别与一个贴片三极管的集电极连接，各贴片三极管的发射极分别通过限流电阻接地，各贴片三极管的基极分别通过串联电阻与单片机的数模转换端口连接，所述单片机的模数转换端口与热敏电阻连接，所述加热片上的各层发热电阻成弓字形分布于基片上，每层绝缘介质层分别与其下层发热电阻的形状对应，所述加热片的不同发热电阻的阻值各不相同。
2.根据权利要求1所述的厚膜混合集成加热装置，其特征在于：所述单片机通过印刷于基片的第一层导体与热敏电阻连接，所述发热电阻的两端均通过印刷于第一层导体上层的第二层导体与电源或贴片三极管连接，两层导体之间由绝缘介质层间隔，且两层导体之间的绝缘介质层设有用于两层导体熔合接触的通孔。
3.根据权利要求1所述的厚膜混合集成加热装置，其特征在于：所述基片采用96氧化铝陶瓷片。
4.根据权利要求1所述的厚膜混合集成加热装置，其特征在于：所述绝缘介质层采用微晶玻璃。
5.根据权利要求1所述的厚膜混合集成加热装置，其特征在于：所述单片机采用具有PID处理功能的芯片。
6.一种用于制备权利要求1至3任一项所述厚膜混合集成加热装置的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）分别将各层发热电阻和绝缘介质层制成丝网；
（2）将第一层导体印刷于设有通光孔的基片表面，烘干；
（3）将绝缘介质层印刷于第一层导体上表面，印刷时在第一层导体上预留用于与第二层导体连接的留孔，烘干；
（4）将第二层导体印刷于绝缘介质层上表面，烘干；
（5）在第二层导体的上表面印刷绝缘介质层，烘干；
（6）将各层发热电阻和绝缘介质层交替印刷于基片表面，在印刷每一层发热电阻或绝缘介质层后，进行烘干，各导体和发热电阻的焊盘裸露于绝缘介质层外；
（7）将基片进行烧结，使相邻两层导体通过其间的绝缘介质层的留孔熔合互连；
（8）清洗基片，在各焊盘上涂焊锡膏，利用自动贴装机将贴片三极管、串联电阻、热敏电阻和单片机组装于基片表面并进行回流焊接。
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