CN114967408B - 一种整机真空封装的芯片原子钟及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种整机真空封装的芯片原子钟及其实现方法。该芯片原子钟包括：物理系统与电路系统，物理系统与电路系统安装在底板上，且物理系统、电路系统、底板的外部设置真空绝热外壳，真空绝热外壳为密封外壳，物理系统、电路系统、底板与真空绝热外壳之间的空间为真空，且电路系统通过导线连接到外部的电路系统引脚上。本发明提供的一种整机真空封装的芯片原子钟及其实现方法能够克服由于环境的影响造成的芯片原子钟跃迁频率的漂移的问题，保证原子钟频率输出的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及芯片原子钟技术领域，特别是涉及一种整机真空封装的芯片原子钟及其实现方法。
背景技术
芯片原子钟是目前最精确的时间频率标准装置，由于重量轻、功耗低，体积小，在对体积和功耗有严格要求而需要较高频率稳定度的场合中有广泛的应用前景，比如物联网领域、无人驾驶、移动通讯、导航定位、精密仪器仪表测准和地球物理勘探等领域。它利用原子内部能级间的跃迁谱线作为鉴频信号，通过电子学方法对实用频率源进行频率或相位的锁定，得到与原子参考频率同样准确和稳定的标准频率信号。由于芯片原子钟的性能主要由频率准确度和频率稳定度来决定的，因此，需要对这两个指标进行精准的控制，但是往往整个系统会受外界环境干扰，例如温度、电磁、湿度、灰尘颗粒等等，所以为了克服这些外部影响因素，往往会增加一些辅助设备，这样就增加了整个系统的热功耗。
作为目前流行的高速直调特性的垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL)光源，本身具有比较大的温度系数，容易受到周边环境温度波动的影响，光谱特性不稳定，会发生随温度变化的物理位移，从而导致激光频率和光路发生慢漂，不利于系统的中长期稳定度指标；另一方面，外界环境温度变化还有可能扰动量子参考的频率，也将影响系统性能，因此需要精准的温控系统对激光器进行温度控制，保证光谱的稳定性，这样就造成了系统一定的热功耗，并且温控系统也会受到周围环境的影响，造成系统工作不正常。
因此，如何保证原子频标高精度的特性以及整机系统性能稳定特性同时，降低整机系统的功耗，尤其是热功耗，是目前研究领域至关重要的方向。
目前芯片原子钟系统由物理系统和电路系统组成，其中，物理系统中激光器的温控系统容易受到外界环境的影响，造成系统稳定度变差。为了改善上述情况，比较常见的是将物理系统中气室部分进行真空处理，减少外界环境对气室内原子的影响，例如中国发明专利(ZL201010248337)公开的相干布局数囚禁原子钟中的单层碱金属原子气泡；中国发明申请(ZL201711235817)公开的基于复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室；中国发明申请专利号为(ZL202011294671.5)的基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟及实现方法，都是采用单层或者双层真空系统对原子气室部分隔离，减小原子的温度漂移，从而减小钟跃迁频率的漂移，保证芯片原子钟频率准确度和频率稳定度。但是对于整机来说，整机系统是与外界环境相连通的，并未与外界隔离，容易受到外界环境的干扰。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种整机真空封装的芯片原子钟及系统及其实现方法，能够克服上述由于环境的影响造成的激光器波长不稳定导致芯片原子钟原子跃迁频率漂移的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种整机真空封装的芯片原子钟，所述原子钟包括：物理系统与电路系统，物理系统与电路系统安装在底板上，且物理系统、电路系统、底板的外部设置真空绝热外壳，真空绝热外壳为密封外壳，物理系统、电路系统、底板与真空绝热外壳之间的空间为真空，且电路系统通过导线连接到外部的电路系统引脚上。
在一些实施方式中，真空绝热外壳材质包括：玻璃钢、高硼硅玻璃、石英玻璃、有机玻璃、泡沫玻璃保温板、金属、塑料。
在一些实施方式中，真空绝热外壳包括：单层外壳，或者多层外壳。
在一些实施方式中，多层外壳的不同层之间放置隔热材料，填充相应的惰性气体，或者涂覆保温层。
在一些实施方式中，保温层包括：气凝胶、聚四氟乙烯、聚氨酯和酚醛泡沫。
在一些实施方式中，真空绝热外壳包括：圆柱形真空绝热外壳、正方体形真空绝热外壳、长方体型真空绝热外壳、球形真空绝热外壳、半球形真空绝热外壳以及不规则形状真空绝热外壳。
在一些实施方式中，真空绝热外壳的密封方式包括：光胶键合、烧接、吹制、焊接、熔接。
在一些实施方式中，底板包括：金属板、塑料板、玻璃板。
在一些实施方式中，物理系统包括激光部分和原子气室部分，电路系统包括温控，激光供电、伺服反馈。
此外，本发明还提供了一种整机真空封装的芯片原子钟的实现方法，用于实现根据前文所述的整机真空分装的芯片原子钟，包括：依据芯片原子钟要求及真空绝热外壳空间尺寸，把物理系统固定在底板上；调整物理系统，达到光学技术要求，确定物理系统位置，并将之固定在底板上；依据底板尺寸及真空绝热外壳内部空间尺寸，将电路系统放置在物理系统一侧，并固定在底板上；通过导线将电路系统和外部电路引脚连接；将固定好物理系统、电路系统的底板固定在真空绝热外壳内部；将整个系统抽真空，密封。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明提供了一种整机真空封装的芯片原子钟及其实现方法，降低整机系统内外热传导系数，提升了整机芯片原子钟的稳定性。
将整机系统与外界隔离，抽成真空系统，减小外界的干扰和传输媒介，实现一种整机真空封装的芯片原子钟，使整机系统处于稳定的真空状态，从而达到激光器稳定频率，减小热功耗的目的。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明提供的一种整机真空封装的芯片原子钟的结构示意图。
其中：
1—物理系统、2—电路系统、3—真空绝热外壳、4—外部电路引脚、5—底板、6—底板固定柱、7—电路系统固定柱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的目的是提出一种整机真空封装的芯片原子钟及其实现方法，通过将芯片原子钟整机系统放在一个密封的真空环境中，电路系统部分2的所有导线都通过引脚导出，从而减小环境对芯片原子钟整机系统的波动影响，同时提高真空内部系统温度稳定性，减少温控系统的不停工作而造成的系统热量过大，减小整机功耗和系统内部自身产生的热量，稳定的温度环境对提高电子元器件在自身温度系数的线性条件下性能的提升也有很大的帮助，从而提高整机系统的稳定性；同时，一种整机真空封装的芯片原子钟也可以提升整机适应的温度范围，可以在恶劣的环境下运行，例如高温、低温、潮湿、腐蚀环境等等，提高了芯片原子钟适用条件。
一种整机真空封装的芯片原子钟，从结构上分为外壳3、电路系统引脚4、内部整机真空系统。外壳3为密封整个系统的外部结构，保证内部系统处在一个真空介质中，隔绝与外部环境的热交换。外壳3材质的选择，一般是导热系数和漏气率比较低的材质，例如高硼硅玻璃、石英玻璃或有机玻璃，泡沫玻璃保温板，或者采用双层金属壳，中间内封隔热材料或者充入适量的惰性气体，也可以采用注塑的PC、PVC等塑料材质等，通过对应材质的密封工艺，将内部抽成真空。电路引脚4为芯片原子钟外部接线引脚，材质为铜或者冷镀锡，功能主要是与外部应用电路的连接，例如电源输入、控制引脚、频率输出等，引脚可以通过外壳热成型时，或者注塑时通过对应密封工艺一次密封成型；内部整机真空系统为整个芯片原子钟的心脏，包括物理系统1和电路系统2组成，物理系统1包括激光部分和原子气室部分，电路系统2包括温控，激光供电、伺服反馈。通过一定的结构设计，将物理系统1、电路系统2安装在一块底板上，使之固定位置，并做一定的防振动设计，电路系统2通过导线连接到外部的电路系统引脚4上，以便与外部电路相连通，然后将整块底板5以及安装好的物理系统1、电路系统2整体放进外壳3中，并根据外壳3材质的不同，采用不同的密封工艺，抽成真空。
其中所述的一种整机真空封装的芯片原子钟包括外壳3、电路系统引脚4、内部整机真空系统，利用真空层断绝外部与内部的热交换，同时降低内部温控系统工作强度，降低功耗和自身产生的热量，以及保证关键电子元器件在对应温度系数的线性条件下工作的稳定性，确保芯片原子钟整个系统的温度稳定性，另外，提高整个芯片原子钟适应条件，可在恶劣的环境中工作。
本发明提出的一种整机真空封装的芯片原子钟及其实现方法，首次将芯片原子钟整机置于一个真空系统中，创新性的利用真空隔热原理保证了芯片原子钟整机对外界环境的苛刻要求，以及减小芯片原子钟整机内部控温系统的工作强度，降低了整机的功耗以及热功耗，同时提高了对芯片原子钟电路系统2中关键电子元器件在自身温度系数下的工作性能，在很大程度上提升了芯片原子钟整机的工作性能，特别是解决了芯片原子钟易受外界环境影响而造成频率漂移的问题，以及提高芯片原子钟工作适应环境，创新性的实现了频率更稳定，功耗更低，适应范围更广的新一代芯片原子钟。
本发明的一实施例提供一种整机真空封装的芯片原子钟及其实现方法，包括如下步骤：
1)调节物理系统1，使之达到光路的技术要求。
2)通过螺丝，将物理系统1按照调试好的位置固定在底板5上。
3)依据真空绝热壳体内部空间，通过螺丝及电路系统固定柱7将电路系统2固定在底板5上。
4)通过导线将电路系统2与外部电路引脚4依据输出定义进行连接。
5)通过螺丝及固定柱6将安装好物理系统1、电路系统2的底板5安装在芯片原子钟真空绝热外壳3上。
6)将整机系统抽取真空，密封。
如图1所示，本实施例公开一种整机真空封装的芯片原子钟，包括1—物理系统、2—电路系统、3—真空绝热外壳、4—外部电路引脚、5—底板、6—底板固定柱、7—控制电路系统固定柱。
在底板5上选取适当的位置，可根据整个原子钟内部结构，以及其他光学部件的大小和所占有空间大小来决定，将物理系统1安装在底板5上，可以通过螺丝，也可以通过其他固定方式，保证物理系统1稳定。
依据物理系统1和底板5的尺寸大小，将调试完成的电路系统2通过螺丝及其他固定方式固定在底板5上。
通过导线将电路系统2与外部电路引脚4连接。
将完成以上步骤的底板5通过螺丝及其他固定方式固定在芯片原子钟真空绝热外壳3内。
将整机系统与真空机连接，抽取真空，密封。
需要说明，由于环境的影响，造成了激光波长的不稳定，为了控制波长的稳定性，需要增加额外的控制电路，这样就增加了热功耗。本发明技术方案中，整机真空封装，隔绝了外部环境，保证了激光器环境稳定，从而保证了原子跃迁的稳定性，另外，也不需要额外的温控电路，这样就降低了热功耗。
最后需要注意的是，上述实施例仅是本发明所提供的一种优选实施方式，并非限制本发明的范围。本发明实施例中将真空绝热外壳应用于芯片原子钟，能够克服传统芯片原子钟易受环境温度波动影响的问题，温控电路因为频繁控温而造成的功耗升高，以及电子元器件在温度系数的线性范围内的性能提升，进而提升芯片原子钟中长期的频率稳定度指标，另外，可以提高芯片原子钟对应用环境的要求。本发明不仅适用于芯片原子钟，同时也适用其他类型原子钟，本领域技术人员应当充分理解，在不脱离本发明创意构思的前提下，不可对本发明技术方案进行修改、替换和改进。因此，本发明的保护范围以权利要求书所限定者为准。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种整机真空封装的芯片原子钟，其特征在于，包括：
物理系统与电路系统，物理系统与电路系统安装在底板上，且物理系统、电路系统、底板的外部设置真空绝热外壳，真空绝热外壳为密封外壳，物理系统、电路系统、底板与真空绝热外壳之间的空间为真空，且电路系统通过导线连接到外部的电路系统引脚上；其中，
所述真空绝热外壳采用多层外壳；所述多层外壳的不同层之间放置隔热材料、填充惰性气体或者涂覆保温层。
2.根据权利要求1所述的一种整机真空封装的芯片原子钟，其特征在于，真空绝热外壳材质采用玻璃钢、高硼硅玻璃、石英玻璃、有机玻璃、泡沫玻璃保温板、金属或者塑料。
3.根据权利要求1所述的一种整机真空封装的芯片原子钟，其特征在于，保温层采用气凝胶、聚四氟乙烯、聚氨酯或者酚醛泡沫。
4.根据权利要求1所述的一种整机真空封装的芯片原子钟，其特征在于，真空绝热外壳采用圆柱形真空绝热外壳、正方体形真空绝热外壳、长方体型真空绝热外壳、球形真空绝热外壳、半球形真空绝热外壳以及不规则形状真空绝热外壳。
5.根据权利要求1所述的一种整机真空封装的芯片原子钟，其特征在于，真空绝热外壳的密封方式采用光胶键合、烧接、吹制、焊接或者熔接。
6.根据权利要求1所述的一种整机真空封装的芯片原子钟，其特征在于，底板采用金属板、塑料板或者玻璃板。
7.根据权利要求1所述的一种整机真空封装的芯片原子钟，其特征在于，物理系统包括激光部分和原子气室部分，电路系统包括温控，激光供电、伺服反馈。
8.一种整机真空封装的芯片原子钟的实现方法，用于实现根据权利要求1至7任意一项所述的一种整机真空分装的芯片原子钟，其特征在于，包括：
依据芯片原子钟要求及真空绝热外壳空间尺寸，把物理系统固定在底板上；
调整物理系统，达到光学技术要求，确定物理系统位置，并将之固定在底板上；
依据底板尺寸及真空绝热外壳内部空间尺寸，将电路系统放置在物理系统一侧，并固定在底板上；
通过导线将电路系统和外部电路引脚连接；
将固定好物理系统、电路系统的底板固定在真空绝热外壳内部；
将整个系统抽真空，密封。
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