CN110998854B - 具有谐振腔的分子光谱室 - Google Patents
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Abstract
一种装置包括衬底(100)，该衬底包括谐振腔(125)。谐振腔(125)包括具有吸收频率的偶极分子。谐振腔(125)以等于偶极分子的吸收频率的频率谐振。该装置还包括谐振腔(125)上的第一端口(110)，该第一端口被配置成接收射频(RF)信号。
Description
背景技术
各种应用可以包括形成在半导体结构中的密封腔体。在一种应用中，芯片级原子钟可以包括在密封腔体中处于低压下的选定蒸气。使这样的装置小型化且同时使与腔体中的分子相互作用的横截面积最大化是一种挑战。
发明内容
在一个实施例中，一种装置包括衬底，该衬底包括谐振腔。该谐振腔包括具有吸收频率的偶极分子。该谐振腔以等于偶极分子的吸收频率的频率谐振。该装置进一步包括在谐振腔上的第一端口，该第一端口被配置为接收射频(RF)信号。
一种装置包括包括衬底，该衬底包括谐振腔。该谐振腔包括具有吸收频率的偶极分子。该谐振腔以等于偶极分子的吸收频率的频率谐振。该装置进一步包括在谐振腔上的第一端口，该第一端口被配置为接收射频(RF)信号。此外，该装置包括耦合到第一端口的收发器，以将RF信号的频率锁定到吸收频率。
在另一实施例中，一种装置包括衬底，该衬底包括谐振腔。该谐振腔包括具有吸收频率的水分子。该谐振腔以等于水分子的吸收频率的频率谐振。第一端口被设置在谐振腔上并且被配置为接收射频(RF)信号。信号发生器耦合到第一端口并且被配置为生成RF信号。功率监控器耦合到第一端口以检测来自该端口的反射功率。
附图说明
图1A-图1E示出了形成光谱室的谐振腔的操作序列。
图1F示出了多端口谐振腔的示例。
图1G示出了没有中心柱的谐振腔的示例。
图2示出了根据各种实施例的通过混合耦合器耦合到收发器的单端口谐振腔的示例。
图3示出了根据各种实施例的耦合到收发器的多端口谐振腔的示例。
具体实施方式
本文所描述的实施例针对一种光谱室，其包括在诸如半导体衬底之类的衬底中形成的腔体。该腔体容纳有处于相对低的压力下的一种偶极分子(例如水分子)。腔体被气密地密封，并且射频(RF)信号被以近似等于腔体中的偶极分子的吸收频率的频率注入到腔体中。对于水分子，吸收频率为183.31GHz。所描述的光谱法可用于各种应用，例如时钟发生器，以产生不随温度、压力或过程而变化的183.31GHz的时钟信号。
腔体内的压力是相对低的。在水分子的示例中，该压力可以是大约0.1毫巴(mbar)，尽管一系列可接受的压力是可能的。例如，如果使用氩分子，那么该压力可能是几个大气压。过高的压力会导致吸收峰相对于频率的宽度增加，因此难以在吸收频率处定位局部最小值。过低的压力会导致腔体中的分子太少，以致于信号幅度太小，并且因此信噪比太高。通常，希望在腔体中有尽可能多的分子来提供可接受的信号幅度，但对于给定尺寸的腔体来说，则没有太多的分子数量，以避免压力太高而无法成功识别吸收峰。
在所描述的实施例中，光谱室中的腔体是谐振腔。作为谐振腔，以该腔体的谐振频率注入到该腔体中的RF信号使得电磁波被增强。谐振腔的品质(Q)因子可以相对较高，从而增加光谱室的稳定性。在一个实施例中，光谱室由半导体衬底制成，该半导体衬底被处理以形成谐振腔。
图1A-图1E示出了制造光谱室的一系列步骤。在图1A中，在第一衬底100上形成第一氧化物层102。第一金属层104被形成在第一氧化物层102的与第一衬底100相对的表面上。第一金属层104可以包括铜或另一种合适的金属。第二氧化物层106被形成在第一金属层104的与第一氧化物层102相对的表面上。这些氧化物层可以包括氧化硅，并且可以根据任何合适的半导体工艺操作形成层102-106。在一些实施例中，衬底100是半导体衬底(例如硅)，但在其他实施例中，衬底100可以不同于半导体衬底，例如陶瓷或电介质(例如玻璃)材料或三维(3D)机加工金属腔。
在图1B中，非导电结构108被键合(或沉积)到第二氧化物层106的与第一金属层104相对的表面。在一个示例中，非导电结构包括玻璃(例如130微米厚)，但在其它实施例中可以包括其它介电材料，例如陶瓷或聚合物。将非导电结构108键合到第二氧化物层106的工艺可以包括阳极、熔融、共晶焊料、过渡液相(TLP)、共烧或其他合适的键合工艺。在一些实施例中，非导电结构108可以被直接键合到第一金属层104，而不需要第二氧化物层106。
图1C示出了天线110已被图案化到非导电结构108的表面上。天线110包括诸如铜或金的导电材料，并且电RF信号可以被提供给天线。在一些实施例中，谐振腔是具有天线110的单端口腔体，但在其他实施例中，谐振腔包括多个端口，其中针对每个端口具有一个天线。对于多端口腔体，一个端口用于将射频信号注入谐振腔内，而另一个端口用于监控来自腔体的信号。图1F示出了具有天线110a和110b的多端口腔的示例。
图1D示出已在衬底100中创建了腔体125。可以使用合适的湿蚀刻剂(例如氢氧化钾(KOH)或四甲基氢氧化铵(TMAH))将腔体125湿法蚀刻到衬底120中。从衬底100的与第一氧化层102相对的表面126将腔体125刻蚀到第一氧化物层102，从而暴露第一氧化物层102的一部分。腔体可以形成为圆形、正方形、矩形或其他横截面形状。在图1D的实施例中，腔体围绕中心柱129形成，使得该柱占据腔体125的中心的一部分。柱129是在形成腔体125时未被蚀刻掉的衬底100的一部分。腔体的中心频率可以通过选择柱的尺寸来调节。在一个示例中，空载(无柱)的直径为4mm且高为0.5mm的八边形腔体提供大约60GHz的谐振频率。通过引入底座直径为1.75毫米且侧壁轮廓根据蚀刻晶面逐渐变细的中心柱，在柱129上的导电表面(金属层130，下面讨论)和衬底140上的导电表面(金属层142，下面讨论)之间的间隙为3.5微米时，谐振频率可以被减小到大约6GHz。任何中频都可以通过设计几个微米和全腔体深度之间的柱间隙来实现，并且可以随着柱直径来进一步调谐。另外，这可以将柱的区域中的最大电场强度增加几个数量级。在其它实施例中，腔体125不包括中心柱。图1D中的腔体125还示出另一金属层130已被沉积在衬底100的与第一氧化物层102相对的表面上。如图所示，金属层130被沉积在腔体125中，并且在一些示例中可以被溅射沉积(例如，40nm的Ti或Cr和1μm的Cu或Au)。
参考图1D，在通常与天线110相邻的金属层130中形成可变光阑(iris)127。可变光阑127被图案化在金属层130中，并且暴露出第二氧化物层106的至少一部分。可变光阑140允许来自由天线110提供的入射射频(RF)信号的RF能量能够穿透可变光阑127并进入腔体125内。
图1E示出了第二衬底140和形成于其上的金属层142。衬底140可以包含与衬底100相同或不同的材料。在一个示例中，衬底140包括半导体衬底(例如硅晶片的一部分)，但在其他示例中可以不是半导体材料(例如，陶瓷、可伐/因瓦合金(kovar/invar)或其他3D制造的金属结构)。键合结构145被沉积并图案化在衬底100和140中的一者或两者上。在一个示例中，键合结构包括当被加热至合适温度时形成合金的金、铝、硅或其他类型的材料。所得到的结构包括气密密封的谐振腔。尽管在各种应用中可能存在一定范围的压力，但是偶极分子(例如，水分子)可以被捕集在腔体125内并且处于大约0.1mbar的内部压力下。
一些实施例不包括腔体中的中心柱。图1G示出了没有中心柱的谐振腔的示例。
腔体125的形状和尺寸可以在各个实施例之间变化。通常，腔体被设定尺寸以在特定频率下或频率范围内谐振。腔体的尺寸随着频率而缩放。为了实现在低于10GHz范围内的谐振频率，腔体将变得非常大(厘米量级)。如上所述，该尺寸可以在后加载的情况下被显著减小。例如，在硅中蚀刻的八边形腔体在180GHz附近产生共振，该腔体将在腔体顶部上具有大约2.75mm的直径并且在底部处具有大约2.2mm的直径。然而，模式选择和激励结构在腔体的尺寸确定中起着重要作用。腔体125的谐振频率包括被捕集在腔体内部的特定偶极分子种类的吸收频率(例如，对于水分子为183.31GHz)。
如上所述，光谱室包括具有仅一个端口或多个端口的谐振腔。图2示出了单端口谐振腔200的实施例。谐振腔200包括端口202。端口202通过混合耦合器212耦合到收发器210。包括信号发生器和功率监控器的收发器210产生频率近似等于腔体200中的偶极分子的吸收频率的RF信号。混合耦合器212向腔体上的端口202提供RF信号并且也从腔体接收反射信号。收发器210接收表示反射信号的信号并计算来自端口的反射功率，该反射功率指示收发器生成的RF信号与腔体中的分子种类的吸收频率的接近程度。RF频率越接近吸收频率，来自腔体的反射功率就越低。收发器210使用反射功率的大小作为反馈信号来锁定到腔体中的分子的吸收频率。
图3示出了双端口谐振腔300。该腔体包括第一端口302和第二端口304。收发器310(其包括信号发生器)连接到端口302和304。收发器310生成RF信号并通过端口302将RF信号注入谐振腔内。收发器310监控来自端口304的信号。收发器可以扫描RF信号的频率，因为已知该频率是腔体的偶极分子的吸收频率。与其他频率的输出信号相比，在吸收峰处，来自第二端口304的输出信号(例如电压)的幅度是最小电压。收发器310使用来自端口304的信号来保持对谐振腔中的偶极分子种类的吸收频率的锁定。
在本说明书中，术语“耦合”或“耦接”是指间接或直接的有线或无线连接。因此，如果第一装置耦合到第二装置，则该连接可以是通过直接连接或通过经由其他装置和连接件的间接连接。另外，在本说明书中，“基于”是指“至少部分基于”。因此，如果X基于Y，则X可能是Y和任何数量的其他因素的函数。
在所描述的实施例中可以进行修改，并且在权利要求的范围内其他实施例是可能的。
Claims (8)
1.一种用于分子光谱室的装置，其包括：
密封结构；
附接到所述密封结构的衬底，所述衬底具有通过所述密封结构密封的腔体，所述腔体包括具有吸收频率的偶极分子，并且所述腔体被配置为以所述吸收频率谐振；
在所述衬底或所述密封结构上的端口，所述端口被配置为接收射频信号即RF信号；
收发器；以及
混合耦合器，其耦合在所述收发器和所述端口之间，所述混合耦合器被配置为将来自所述收发器的所述RF信号提供给所述端口，并且将来自所述端口的反射信号提供给所述收发器，并且所述收发器被配置为将所述RF信号的频率锁定到所述吸收频率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述收发器被配置为基于所述反射信号的功率来调整所述RF信号的频率。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述端口是第一端口，并且所述装置进一步包括在所述衬底或所述密封结构上的第二端口。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述收发器被配置为将所述RF信号提供给所述第一端口，并且基于由所述收发器从所述第二端口接收到的信号来调整所述RF信号的频率。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述衬底是半导体衬底，并且所述腔体具有衬有金属的壁。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述腔体包括在所述腔体的表面的中心处的柱。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述偶极分子包括水分子。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述腔体是通过所述密封结构气密密封的。
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