CN116592865A - 一种用于三轴陀螺仪的mems原子气室及制作方法 - Google Patents
一种用于三轴陀螺仪的mems原子气室及制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116592865A CN116592865A CN202310551507.5A CN202310551507A CN116592865A CN 116592865 A CN116592865 A CN 116592865A CN 202310551507 A CN202310551507 A CN 202310551507A CN 116592865 A CN116592865 A CN 116592865A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- glass substrate
- silicon substrate
- optical lens
- triangular prism
- atomic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 100
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 66
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 45
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 45
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 44
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 30
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 150000001340 alkali metals Chemical group 0.000 claims description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 8
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 3
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 claims description 3
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 3
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 7
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 4
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
- B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
- B81C1/00436—Shaping materials, i.e. techniques for structuring the substrate or the layers on the substrate
- B81C1/00523—Etching material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C3/00—Assembling of devices or systems from individually processed components
- B81C3/001—Bonding of two components
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
- B81B2201/02—Sensors
- B81B2201/0228—Inertial sensors
- B81B2201/0242—Gyroscopes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室及制作方法，包括原子气室、顶层BF玻璃基片、底层BF玻璃基片、硅基片和三棱柱光学镜片；MEMS原子气室为三层结构，其顶层为底层BF玻璃基片，其底层为底层BF玻璃基片，其中层包括原子气室、硅基片和三棱柱光学镜片；硅基片紧密键合与顶层BF玻璃基片和底层BF玻璃基片边缘，三棱柱光学镜片与硅基片紧密贴合，原子气室为顶层BF玻璃基片、底层BF玻璃基片、硅基片和三棱柱光学镜片组成的密闭气室，本发明实现了MEMS原子气室的三轴共用，避免了气室之间不同气体参数差异造成的影响。
Description
技术领域
本发明涉及量子精密测量仪器领域，特别是涉及一种用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室及制作方法。
背景技术
近年来，随着微机电系统(Micro-electro Mechanical Systems，MEMS)技术的快速发展，其应用领域不断拓展。其中，“与原子物理相结合，实现体积小、功耗低、成本低、精度高的精密量子测量仪器”是一个重要的发展方向，如芯片原子钟、芯片磁强计、芯片级核磁共振陀螺仪等，在这些量子精密测量仪器中，都离不开一个核心器件——原子气室。
目前，基于MEMS技术实现双轴正交的原子气室通常是由硅-玻璃-硅构成的三明治结构，该方案可以实现单轴的NMRG单元(Nuclear Magnetic Resonance Gyroscopes)，但是三轴NMRG单元的实现需要一个三轴正交光的原子气室，该方案无法实现三轴正交光的功能，因而需要重新设计一款MEMS气室，用来实现三轴正交光的方案。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室及制作方法解决了现有技术无法实现三轴正交光功能的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：提供一种用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室，包括原子气室、顶层BF33玻璃基片、底层BF33玻璃基片、硅基片和三棱柱光学镜片；
所述MEMS原子气室为三层结构，其顶层为所述顶层BF33玻璃基片，其底层为所述底层BF33玻璃基片，其中层包括从外向内依次设置的硅基片、三棱柱光学镜片和原子气室；
所述硅基片的上下表面分别与所述顶层BF33玻璃基片的下表面边缘和底层BF33玻璃基片的上表面边缘紧密键合，所述三棱柱光学镜片与所述硅基片的内侧面紧密贴合，所述原子气室为所述顶层BF33玻璃基片、所述底层BF33玻璃基片和所述三棱柱光学镜片组成的密闭气室。
进一步地：所述硅基片具有通孔。
进一步地：所述顶层BF33玻璃基片和所述底层BF33玻璃基片均为长度为6mm的正方形基片，所述硅基片的厚度和宽度均为1mm，所述三棱柱光学镜片的上下底面均为直角边长为1mm的等边直角三角形，所述三棱柱光学镜片的镜面与所述硅基片的晶圆表面呈45°角。
进一步地：所述原子气室内充入有碱金属原子、氮气和氙气。
为了达到上述发明目的，本发明还提供了一种用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室的制作方法，包括以下步骤：
S1、将两个BF33玻璃基片的表面抛光，并进行清洗和烘干，得到顶层BF33玻璃基片和底层BF33玻璃基片；
S2、采用匀胶光刻技术制作得到基础形状的硅基片；
S3、采用深硅刻蚀工艺技术对基础形状的硅基片进行通孔的制作，得到硅基片；
S4、采用机械结构固定三棱柱光学镜片，使三棱柱光学镜片的镜面与硅基片的晶圆表面呈45°角，得到中间层；
S5、采用硅-玻璃阳极键合工艺，使中间层与底层BF33玻璃基片完成键合，得到未密封的原子气室；
S6、在真空状态下向未密封的原子气室冲入一定量的碱金属原子、氮气和氙气；
S7、采用硅-玻璃阳极键合工艺，使中间层与顶层BF33玻璃基片完成键合，得到密封好的原子气室；
S8、对密封好的原子气室表面的通光端面做镀增透膜处理，得到用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室。
本发明的有益效果为：
1.以硅基片的通孔为单元格，对整个玻璃片进行划分，形成许多的单个原子气体腔；并对单个原子气体腔玻璃端面做抛光及镀增透膜处理，通光端面镀增透膜后透光好、光强损失小，圆偏度高，有利于提高整机的性能指标，保证很好的入射端面和透光性；
2.采用一个原子气室实现三轴NMRG单元，使得微型导航定位授时单元的总体积、功耗有明显的降低；
3.采用三轴共用的MEMS原子说气室实现三轴共用，避免了气室之间不同气体参数差异造成的影响；
4.由于惰性气体相对于碱金属拉莫尔频率低、驰豫时间长，本发明采用惰性气体与碱金属混合物，其中，惰性气体不影响光泵浦，可以通过自旋交换过程把碱金属电子自旋极化转移到惰性气体原子核上。
附图说明
图1为本发明所述的MEMS原子气室侧剖面图。
图2为本发明所述的MEMS原子气室的制作方法工艺流程图。
其中：1、原子气室；2、顶层BF33玻璃基片；3、底层BF33玻璃基片；4、硅基片；5、三棱柱光学镜片。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，提供了一种用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室，包括原子气室1、顶层BF33玻璃基片2、底层BF33玻璃基片3、硅基片4和三棱柱光学镜片5；
所述MEMS原子气室为三层结构，其顶层为所述顶层BF33玻璃基片2，其底层为所述底层BF33玻璃基片3，其中层包括从外向内依次设置的硅基片4、三棱柱光学镜片5和原子气室1；
所述硅基片4的上下表面分别与所述顶层BF33玻璃基片2的下表面边缘和底层BF33玻璃基片3的上表面边缘紧密键合，所述三棱柱光学镜片5与所述硅基片4的内侧面紧密贴合，所述原子气室1为所述顶层BF33玻璃基片2、所述底层BF33玻璃基片3和所述三棱柱光学镜片5组成的密闭气室。
在本实施例中，所述硅基片4具有通孔。
在本实施例中，所述顶层BF33玻璃基片2和所述底层BF33玻璃基片3均为长度为6mm的正方形基片，所述硅基片4的厚度和宽度均为1mm，所述三棱柱光学镜片5的上下底面均为直角边长为1mm的等边直角三角形，所述三棱柱光学镜片5的镜面与所述硅基片4的晶圆表面呈45°角，且所述原子气室1内充入有碱金属原子、氮气和氙气。
上述结构具有三个方向的光正交的功能，满足物理系统正交通光及特定温度需求。物理系统激光产生三束光，经过透镜变平行光再经过偏振片与1/4波片胶合件，变圆偏振光且可调光强，通过碱金属气室后经过光检后锁定激光频率。现有技术都需要在BF33玻璃基片上增加反射面工艺，工艺实现难度增加，而且会损失激光光强和偏振特性，而本发明申请则可完全避免该问题。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，还提供了一种用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室的制作方法，包括以下步骤：
S1、将两个BF33玻璃基片的表面抛光，并进行清洗和烘干，得到顶层BF33玻璃基片和底层BF33玻璃基片；
S2、采用匀胶光刻技术制作得到基础形状的硅基片；
S3、采用深硅刻蚀工艺技术对基础形状的硅基片进行通孔的制作，得到硅基片；
S4、采用机械结构固定三棱柱光学镜片，使三棱柱光学镜片的镜面与硅基片的晶圆表面呈45°角，得到中间层；
S5、采用硅-玻璃阳极键合工艺，使中间层与底层BF33玻璃基片完成键合，得到未密封的原子气室；
S6、在真空状态下向未密封的原子气室冲入一定量的碱金属原子、氮气和氙气；
S7、采用硅-玻璃阳极键合工艺，使中间层与顶层BF33玻璃基片完成键合，得到密封好的原子气室；
S8、对密封好的原子气室表面的通光端面做镀增透膜处理，得到用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室。
本发明以硅基片的通孔为单元格，对整个玻璃片进行划分，形成许多的单个原子气体腔；并对单个原子气体腔玻璃端面做抛光及镀增透膜处理，通光端面镀增透膜后透光好、光强损失小，圆偏度高，有利于提高整机的性能指标，保证很好的入射端面和透光性。
在本实施例中，采用三轴共用MEMS原子气室，当测试X轴时，X轴方向的VCSEL激光器产生NMRG单元的抽运光，与其正交的一个VCSEL激光器产生NMRG单元的检测光；当测试Y轴时，Y轴方向的VCSEL激光器产生NMRG单元的抽运光，与其正交的一个VCSEL激光器产生NMRG单元的检测光；当测试Z轴时，Z轴方向的VCSEL激光器产生NMRG单元的抽运光，与其正交的一个VCSEL激光器产生NMRG单元的检测光；通过时分复用的方案利用三个VCSEL激光器实现三轴正交的核磁共振原子陀螺仪方案。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。
Claims (5)
1.一种用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室，其特征在于：包括原子气室(1)、顶层BF33玻璃基片(2)、底层BF33玻璃基片(3)、硅基片(4)和三棱柱光学镜片(5)；
所述MEMS原子气室为三层结构，其顶层为所述顶层BF33玻璃基片(2)，其底层为所述底层BF33玻璃基片(3)，其中层包括从外向内依次设置的硅基片(4)、三棱柱光学镜片(5)和原子气室(1)；
所述硅基片(4)的上下表面分别与所述顶层BF33玻璃基片(2)的下表面边缘和底层BF33玻璃基片(3)的上表面边缘紧密键合，所述三棱柱光学镜片(5)与所述硅基片(4)的内侧面紧密贴合，所述原子气室(1)为所述顶层BF33玻璃基片(2)、所述底层BF33玻璃基片(3)和所述三棱柱光学镜片(5)组成的密闭气室。
2.根据权利要求1所述的用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室，其特征在于：所述硅基片(4)具有通孔。
3.根据权利要求1所述的用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室，其特征在于：所述顶层BF33玻璃基片(2)和所述底层BF33玻璃基片(3)均为长度为6mm的正方形基片，所述硅基片(4)的厚度和宽度均为1mm，所述三棱柱光学镜片(5)的上下底面均为直角边长为1mm的等边直角三角形，所述三棱柱光学镜片(5)的镜面与所述硅基片(4)的晶圆表面呈45°角。
4.根据权利要求1所述的用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室，其特征在于：所述原子气室(1)内充入有碱金属原子、氮气和氙气。
5.一种基于权利要求1-4任一权利要求所述的三轴陀螺仪的MEMS原子气室的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将两个BF33玻璃基片的表面抛光，并进行清洗和烘干，得到顶层BF33玻璃基片和底层BF33玻璃基片；
S2、采用匀胶光刻技术制作得到基础形状的硅基片；
S3、采用深硅刻蚀工艺技术对基础形状的硅基片进行通孔的制作，得到硅基片；
S4、采用机械结构固定三棱柱光学镜片，使三棱柱光学镜片的镜面与硅基片的晶圆表面呈45°角，得到中间层；
S5、采用硅-玻璃阳极键合工艺，使中间层与底层BF33玻璃基片完成键合，得到未密封的原子气室；
S6、在真空状态下向未密封的原子气室冲入一定量的碱金属原子、氮气和氙气；
S7、采用硅-玻璃阳极键合工艺，使中间层与顶层BF33玻璃基片完成键合，得到密封好的原子气室；
S8、对密封好的原子气室表面的通光端面做镀增透膜处理，得到用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310551507.5A CN116592865A (zh) | 2023-05-16 | 2023-05-16 | 一种用于三轴陀螺仪的mems原子气室及制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310551507.5A CN116592865A (zh) | 2023-05-16 | 2023-05-16 | 一种用于三轴陀螺仪的mems原子气室及制作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116592865A true CN116592865A (zh) | 2023-08-15 |
Family
ID=87594938
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310551507.5A Pending CN116592865A (zh) | 2023-05-16 | 2023-05-16 | 一种用于三轴陀螺仪的mems原子气室及制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116592865A (zh) |
-
2023
- 2023-05-16 CN CN202310551507.5A patent/CN116592865A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102323738B (zh) | 一种采用mems工艺制作的槽型原子气体腔及其构造的原子钟物理系统 | |
| EP2829925B1 (en) | Atomic sensor physics package having optically transparent panes and external wedges | |
| US10545294B1 (en) | Microfabrication method for optical components | |
| US20080218281A1 (en) | Anodically Bonded Cell, Method for Making Same and Systems Incorporating Same | |
| EP3987362A1 (en) | Optical resonator device with crossed cavities for optically trapping atoms, and applications thereof in an optical atomic clock, a quantum simulator or a quantum computer | |
| US20160010995A1 (en) | Physical unit of chip-scale nmr gyroscope | |
| CN105973217A (zh) | 一种微型核磁共振陀螺仪气室 | |
| EP2674820B1 (en) | Atomic sensor physics package with integrated transmissive and reflective portions along light paths and relative method of production | |
| CN105712282A (zh) | 一种适用于正交光抽运、探测的mems原子气室及其制作方法 | |
| US7606454B2 (en) | Optical fiber array, optical component and optical switch using the optical fiber array | |
| WO2022148211A1 (zh) | 用于原子钟的微型微波腔及制备方法 | |
| CN109298504B (zh) | 微机电光学波长参考标准具 | |
| CN116592865A (zh) | 一种用于三轴陀螺仪的mems原子气室及制作方法 | |
| CN111717883B (zh) | 原子腔结构及其制作方法 | |
| CN113030513A (zh) | 一种衍射型硅光加速度传感器 | |
| JPWO2003020633A1 (ja) | マイクロデバイス及びその製造方法 | |
| US20220269011A1 (en) | Microfabrication method for optical components | |
| CN114035129B (zh) | 具有高透射率的原子气室及其制作方法以及原子磁力仪 | |
| TWI833045B (zh) | 用於2d光纖準直器之玻璃光纖孔板以及用於光交換應用的對準及製造之方法 | |
| CN113311189A (zh) | 一种衍射型硅光加速度传感器制备工艺及得到的传感器 | |
| CN113686483A (zh) | 一种集成温度传感器的谐振式差压传感器及其制备方法 | |
| JP5067019B2 (ja) | 力学量検出センサの製造方法 | |
| CN116826521B (zh) | 一种反射式原子气室及其制备方法 | |
| Hsieh et al. | Low-actuation-voltage MEMS for 2-D optical switches | |
| US20230296380A1 (en) | Low power atomic sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |