CN114578677B

CN114578677B - 悬挂式芯片原子钟物理系统

Info

Publication number: CN114578677B
Application number: CN202210164101.7A
Authority: CN
Inventors: 孟红玲; 苏其明
Original assignee: Zhongke Qidi Optoelectronic Technology Guangzhou Co ltd
Current assignee: Zhongke Qidi Optoelectronic Technology Guangzhou Co ltd
Priority date: 2022-02-22
Filing date: 2022-02-22
Publication date: 2023-05-26
Anticipated expiration: 2042-02-22
Also published as: CN114578677A

Abstract

本申请公开了一种悬挂式芯片原子钟物理系统，支撑架安装在LCC底座中，U型框、气室支架、第二加热片和探测器自下而上依次设置在支撑架上，U型框中靠近第二加热片的方向上依次设置有激光器底座、垫高片、衰减片、1/4波片和第一加热片，VCSEL激光器和热敏电阻安装在激光器底座上，原子气室安装在气室支架中，吸气剂设置在U型框和气室支架外围，陶瓷管帽安装在吸气剂外围与LCC底座密封焊接。本发明提供的悬挂式芯片原子钟物理系统强度高、功耗较低、结构简单、生产成本低，为芯片原子钟的公众应用提供了坚实基础。

Description

悬挂式芯片原子钟物理系统

技术领域

本申请涉及原子钟技术领域，具体涉及一种悬挂式芯片原子钟物理系统。

背景技术

原子钟是一种计量时间和频率的高级标准和工具。原子钟利用了原子内部十分稳定的能级结构，它们受到外部条件的影响很小，因此具有很高的准确度和稳定度，可用于高精度授时、精密测量、卫星导航定位、高速通信等诸多领域。

传统原子钟的体积和功耗都较大，相应的成本也很高，这很大程度上限制了原子钟的应用。例如，在潜艇导航、水下作业等无法接受卫星信号的场合，以及在高精密制造中，对于低功耗的小型化原子钟的需求是尤为迫切和必要的。基于原子相干布居囚禁(CPT)现象的芯片原子钟具有功耗低、体积小，便于携带、可用电池供电等优于传统原子钟的优势。

物理系统是芯片原子钟的核心，其性能直接决定了原子钟的性能和指标，同时在很大程度上还决定了原子钟整体的体积和功耗。目前市场上存在的芯片原子钟物理系统有着结构复杂、制作成本高、强度较低、功耗较高等缺点，限制了芯片原子钟的应用。

发明内容

为此，本申请提供一种悬挂式芯片原子钟物理系统，以解决现有技术存在的结构复杂、制作成本高、强度较低、功耗较高等的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种悬挂式芯片原子钟物理系统，包括LCC底座、支撑架、激光器底座、VCSEL激光器、热敏电阻、垫高片、U型框、衰减片、1/4波片、第一加热片、气室支架、原子气室、第二加热片、探测器、吸气剂和陶瓷管帽，所述支撑架安装在所述LCC底座中，所述U型框、所述气室支架、所述第二加热片和所述探测器自下而上依次设置在所述支撑架上，所述U型框中靠近所述第二加热片的方向上依次设置有所述激光器底座、所述垫高片、所述衰减片、所述1/4波片和所述第一加热片，所述VCSEL激光器和所述热敏电阻安装在所述激光器底座上，所述探测器正对所述VCSEL激光器的发射端，所述原子气室安装在所述气室支架中，所述吸气剂设置在所述U型框和所述气室支架外围，所述陶瓷管帽安装在所述吸气剂外围与所述LCC底座密封焊接。

作为优选，所述支撑架包括硅框和聚酰亚胺膜，所述聚酰亚胺膜镂空设置在所述硅框中间，所述U型框、所述气室支架、所述第二加热片和所述探测器自下而上依次设置在所述聚酰亚胺膜上。

作为优选，所述聚酰亚胺膜为光敏型聚酰亚胺。

作为优选，所述聚酰亚胺膜厚度为10μm。

作为优选，所述硅框为六边形晶硅材质。

作为优选，所述激光器底座、所述第一加热片和所述第二加热片为玻璃或石英材质。

作为优选，所述激光器底座、所述第一加热片和所述第二加热片上蒸镀有金属电极。

作为优选，所述U型框和所述气室支架为硅材质。

作为优选，所述吸气剂为多金属材质。

作为优选，所述原子气室为方形或球形气室。

相比现有技术，本申请至少具有以下有益效果：

1、所有组件处在同一个腔室里进行整体控温，而不是将VCSEL激光器和原子气室分别控温，这样使得系统整体结构较为简单、生产成本较低，且可以实现真空回流焊接，降低设备的功耗，为芯片原子钟的公众应用提供了坚实基础；

2、支撑架将激光器底座及其上的1/4波片、衰减片、加热片、原子气室、探测器等组件与LCC底座分隔开，降低热传导与损耗，同时支撑架的PI膜呈‘井’字形镂空，减少了支撑架PI膜与激光器底座的接触面积，同样降低热传导与损耗，可以起到降低设备功耗的结果。

3、采用了包括玻璃、石英、金属、硅、高分子材料、陶瓷等各种材料作为基础材料，有很大的选择范围，同时所有连接均采用高强度粘合剂粘接，强度高；

4、实现真空回流焊接，降低设备的功耗；

5、为芯片原子钟的公众应用提供了坚实基础。

附图说明

为了更直观地说明现有技术以及本申请，下面给出几个示例性的附图。应当理解，附图中所示的具体形状、构造，通常不应视为实现本申请时的限定条件；例如，本领域技术人员基于本申请揭示的技术构思和示例性的附图，有能力对某些单元(部件)的增/减/归属划分、具体形状、位置关系、连接方式、尺寸比例关系等容易作出常规的调整或进一步的优化。

图1为本申请实施例提供的悬挂式芯片原子钟物理系统整体结构示意图；

图2为本申请实施例的提供的悬挂式芯片原子钟物理系统爆炸图；

图3为本申请实施例提供的支撑架的结构示意图。

附图标记说明：

1、LCC底座；2、支撑架；21、硅框；22、聚酰亚胺膜；3、激光器底座；4、垫高片；5、U型框；6、衰减片；7、1/4波片；8、第一加热片；9、气室支架；10、原子气室；11、第二加热片；12、探测器；13、吸气剂；14、陶瓷管帽；15-VCSEL激光器；16-热敏电阻。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本申请作进一步详述。

在本申请的描述中：除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”等旨在区别指代的对象，而不具有技术内涵方面的特别意义(例如，不应理解为对重要程度或次序等的强调)。“包括”、“包含”、“具有”等表述方式，同时还意味着“不限于”(某些单元、部件、材料、步骤等)。

本申请中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，通常是为了便于对照附图直观理解，而并非对实际产品中位置关系的绝对限定。在未脱离本申请揭示的技术构思的情况下，这些相对位置关系的改变，当亦视为本申请表述的范畴。

请参阅图1和图2，本发明的实施例提供一种悬挂式芯片原子钟物理系统，包括LCC底座1、支撑架2(也称“硅框-PI膜”)、激光器底座3、两个玻璃垫高片4、两个U型框5、衰减片6、1/4波片7、第一加热片8、气室支架9、原子气室10、第二加热片11、探测器12、吸气剂13、陶瓷管帽14、VCSEL激光器15和热敏电阻16；支撑架2安装在LCC底座1中，U型框5、气室支架9、第二加热片11和探测器12自下而上依次设置在支撑架2上，U型框5中靠近第二加热片11的方向上依次设置有激光器底座3、垫高片4、衰减片6、1/4波片7和第一加热片8，激光器底座3上设置有VCSEL激光器15和热敏电阻16，探测器12正对VCSEL激光器15的发射端；原子气室10方形或球形气室，原子气室10安装在气室支架9中，吸气剂13设置在U型框5和气室支架9外围，陶瓷管帽14安装在吸气剂13外围与LCC底座1密封焊接。本发明提供的悬挂式芯片原子钟物理系统仅需单激光器的单光频调制方法，以及单控温方案，即所有组件处在同一个腔室里进行整体控温，而不是将VCSEL激光器和原子气室分别控温，这样使得系统整体结构较为简单、生产成本较低，且可以实现真空回流焊接，降低设备的功耗，为芯片原子钟的公众应用提供了坚实基础。

具体的，LCC底座1与陶瓷管帽14通过真空密封焊接或者非真空焊接构成密封结构，支撑架2、激光器底座3、VCSEL激光器15、热敏电阻16、垫高片4、1/4波片7、衰减片6、U型框5、第一加热片8、原子气室10、气室支架9、第二加热片11、探测器12及吸气剂13均位于密封结构内。

激光器底座3、第一加热片8和第二加热片11为玻璃或石英材质；激光器底座3、第一加热片8和第二加热片11上蒸镀有金属电极，用于引线；U型框5和气室支架9为硅材质；吸气剂13的材质为钛锆等多金属成分。本发明采用了包括玻璃、石英、金属、硅、高分子材料和陶瓷等各种材料作为基础材料，有很大的选择范围，同时所有连接均采用高强度粘合剂粘接，强度高。

请参阅图3，支撑架2包括硅框21和聚酰亚胺膜22(简称PI膜)，聚酰亚胺膜22镂空设置在硅框21中间，U型框5、气室支架9、第二加热片11和探测器12自下而上依次设置在聚酰亚胺膜22上，支撑架2将激光器底座3及其上的1/4波片7、衰减片6、第一加热片8、原子气室10、探测器12等组件与LCC底座1分隔开，降低热传导与损耗。

具体的，硅框21上表面为平面，硅框21的上表面贴有悬空的聚酰亚胺膜22，硅框21下表面为平面，硅框21的形状为正方形将四个角切掉而形成的八边形形状，硅框21的框宽较窄为1mm，厚度较薄为0.6mm。

聚酰亚胺膜22厚度为10μm，呈‘井’字型，除中间部分外其余部分均镂空，减少了支撑架21的聚酰亚胺膜22与激光器底座3的接触面积，同样降低热传导与损耗，起到了降低设备功耗的作用，聚酰亚胺膜22为光敏型聚酰亚胺。

硅框21为六边形晶硅材质，PI膜材质为光敏型PI(光敏型聚酰亚胺)。硅框-PI膜制作工艺为：以600μm双抛硅片为衬底，正面旋涂光敏PI并图形化、亚胺化，背面深硅刻蚀刻出硅环，保证PI膜在硅环上完整悬空。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。

上文中通过一般性说明及具体实施例对本申请作了较为具体和详细的描述。应当理解，基于本申请的技术构思，还可以对这些具体实施例作出若干常规的调整或进一步的创新；但只要未脱离本申请的技术构思，这些常规的调整或进一步的创新得到的技术方案也同样落入本申请的权利要求保护范围。

Claims

1.一种悬挂式芯片原子钟物理系统，其特征在于，包括LCC底座、支撑架、激光器底座、VCSEL激光器、热敏电阻、垫高片、U型框、衰减片、1/4波片、第一加热片、气室支架、原子气室、第二加热片、探测器、吸气剂和陶瓷管帽，所述支撑架安装在所述LCC底座中，所述U型框、所述气室支架、所述第二加热片和所述探测器自下而上依次设置在所述支撑架上，所述U型框中靠近所述第二加热片的方向上依次设置有所述激光器底座、所述垫高片、所述衰减片、所述1/4波片和所述第一加热片，所述VCSEL激光器和所述热敏电阻安装在所述激光器底座上，所述探测器正对所述VCSEL激光器的发射端，所述原子气室安装在所述气室支架中，所述吸气剂设置在所述U型框和所述气室支架外围，所述陶瓷管帽安装在所述吸气剂外围与所述LCC底座密封焊接；

所述支撑架包括硅框，所述硅框的上表面贴有悬空的聚酰亚胺膜，硅框下表面为平面，所述U型框、所述气室支架、所述第二加热片和所述探测器自下而上依次设置在所述聚酰亚胺膜上；所述聚酰亚胺膜为光敏型聚酰亚胺；所述聚酰亚胺膜厚度为10μm；所述聚酰亚胺膜呈“井”字型，除中间部分外其余部分均镂空；

所述支撑架的制作工艺为：以600μm双抛硅片为衬底，正面旋涂光敏PI并图形化、亚胺化，背面深硅刻蚀刻出硅环，使得所述聚酰亚胺膜在硅环上完整悬空。

2.根据权利要求1所述的悬挂式芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述硅框为六边形晶硅材质。

3.根据权利要求1所述的悬挂式芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述激光器底座、所述第一加热片和所述第二加热片为玻璃或石英材质。

4.根据权利要求1所述的悬挂式芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述激光器底座、所述第一加热片和所述第二加热片上蒸镀有金属电极。

5.根据权利要求1所述的悬挂式芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述U型框和所述气室支架为硅材质。

6.根据权利要求1所述的悬挂式芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述吸气剂为多金属材质。

7.根据权利要求1所述的悬挂式芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述原子气室为方形或球形气室。