CN116609710B - 一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，所述方法将阳极键合技术应用到气室制作中，采用机械切割超薄柱面镜和加工高精度制作模具相结合的方法，将Herriott腔的两腔镜侧面键合于硅片上，并利用高度经过设计的通孔玻璃罩，精确定位两腔镜之间的距离，制作方法简单巧妙且成功率极高。本发明利用双正极电极的键合装置，可完成两腔镜与硅片的同时固定以及通孔玻璃罩与两硅片的同时密封，实现高效率标准化批量化制备。本发明还提供一种所述方法制成的小尺寸原子气室，将其应用到原子磁力仪中，可使磁力仪具有高灵敏度的同时，大幅度降低功耗和尺寸，为低功耗和小型化磁力仪的实际应用提供便利。

Description

一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法

技术领域

本发明涉及原子器件领域，尤其涉及一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，将所述方法制作出的小尺寸多反射腔原子气室应用到原子磁力仪中，可使其同时具有高灵敏度、低功耗和小型化的特性。

背景技术

多反射腔可用于小空间内实现较长光程，被广泛地应用在精密光谱测量中。作为几何光学多反射腔的典型代表，Herriott腔于上世纪60年代被提出，是将两个相等焦距的球凹面镜共轴放置，组成了一个谐振腔。当光从其中一面镜的开孔入射时，在腔内周期性地反射和重新聚焦，光斑主要分布在镜面边缘，导致腔的镜面利用率不高。之后经过多次改良，改用柱面反射腔镜，多了柱面镜主轴之间夹角这个参数，但同时也使光斑分布变得更加均匀且密集。

2011年，普林斯顿大学的Romalis教授课题组首次将Herriott腔用于原子磁力仪中，得到了信噪比超过一个量级的提升。在最初的设计中，他们利用胶水粘合实现腔的固定,在2013年制作出可以反射42次的Herriott多反射腔，并将其应用在标量磁力仪中展示了亚飞特斯拉量级的磁场灵敏度，已在美国申请了专利。通过手工胶粘的方法完成多反射腔的固定时，会存在多反射腔气室的稳定性不够且无法标准化制备的问题，胶水也会与后续冲入原子气室中的原子发生反应，影响磁力仪的性能。2019年中国科学技术大学的盛东教授课题组利用阳极键合技术和机械加工制作模具相结合的方法，逐一将前腔镜、后腔镜和玻璃罩键合固定在同一块硅片上，实现了可以反射22次的多反射腔原子气室的标准化制作，气室的整体尺寸为30×18×16.5mm。他们将两腔镜立在同一块硅片上，底部作为键合平面，电极施加在腔镜顶部，且通过在腔镜上人工粘贴铝箔纸的方法增大腔镜与硅片之间的电极强度。这种方法存在铝箔纸的人工粘贴无法实现标准化的问题，且操作不当会导致腔镜与硅片之间键合失败。为了保证键合过程中腔镜整个底面与硅片重合接触且产生足够的键合强度，腔镜的厚度需≥2.5mm，且玻璃罩尺寸需足够大，保证可以完全罩住两个腔镜的同时，在与硅片键合密封时不会被腔镜干涉，由此限制了含多反射腔的原子气室尺寸的进一步缩小。

含有多反射腔的原子气室可以在小空间内，实现增大光束与原子的相互作用距离的目的，是构成高灵敏度原子磁力仪的核心器件，且气室的尺寸也决定着原子磁力仪探头的尺寸和功耗，因此，设计出一种简单巧妙的新型气室制作方法，并利用其制作出含有多反射腔的小尺寸原子气室，对于高灵敏度、低功耗和小型化的原子磁力仪的实际应用至关重要。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，应用阳极键合技术，并采用机械切割超薄柱面镜和加工高精度制作模具相结合的方法，将Herriott腔的两腔镜侧面键合于硅片上，利用高度经过设计的通孔玻璃罩，精确定位两腔镜之间的距离，使用双正极电极的键合装置，完成两腔镜与硅片的同时固定以及通孔玻璃罩与两硅片的同时密封，实现高效率标准化批量化制备。本发明还提供一种基于上述方法制成的小尺寸原子气室，将其应用到原子磁力仪中，可使磁力仪具有高灵敏度的同时，大幅度降低功耗和尺寸，为低功耗和小型化磁力仪的实际应用提供便利。

本发明技术解决方案：

一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，所述多反射腔原子气室包括：前腔镜、后腔镜、玻璃罩、增透窗口、前硅片和后硅片，所述制作方法包括：

步骤1)：

制作模具，所述模具包括陶瓷模具和铜块模具，所述陶瓷模具包括：窗口定位块、腔镜定位块和玻璃罩定位块；所述铜块模具包括：窗口第一铜块、窗口第二铜块、腔镜中间定位铜块、挡块和压板；

设置电极装置，所述电极装置包括：负极、单正极和双正极；

将所述前硅片放置在所述窗口第一铜块的凹槽中，再将所述窗口第一铜块放置在所述窗口定位块的下端凹槽中，所述增透窗口和所述窗口第二铜块先后放置在所述窗口定位块的上端凹槽中。

步骤2)：

利用阳极键合装置，且选取所述负极和所述单正极，将定位好的所述增透窗口固定在所述前硅片上：将上述放置完成的套件放置在键合装置的工作台上，所述单正极通过所述窗口第一铜块与所述前硅片连通，所述负极通过所述窗口第二铜块与所述增透窗口连通，加热并稳定持续时间t1后，加直流电压，完成所述增透窗口与所述前硅片的固定；

步骤3)：

撤掉所述窗口定位块，将所述腔镜中间定位铜块放置在所述腔镜定位块的中间凹槽内的中间突起平台上，所述前腔镜和所述后腔镜分别放置于所述腔镜中间定位铜块的左右凹槽中，且腔镜的底部平面与所述腔镜定位块的中间凹槽内的突起平台接触，将上述制作完成的带有所述增透窗口的前硅片放置于所述腔镜定位块的中间凹槽的左侧平台上，且所述前硅片上没有所述增透窗口的一面与所述前腔镜接触，所述后硅片放置于所述腔镜定位块的中间凹槽的右侧平台上，所述压板由两块相同的铜块组成，分别放置在所述腔镜定位块上端的左右凹槽内，且与所述前后腔镜的顶部平面接触，确保所述前后腔镜的底部平面与所述腔镜定位块的中间突起平台完全接触，达到所述前后腔镜分别在所述前后硅片上具有相同的相对位置的目的；

利用阳极键合装置，且选取所述负极和所述双正极，将上述放置完成的套件放置在键合装置的工作台上，所述挡块由两块相同的铜块组成，所述双正极分别通过所述挡块与所述前后硅片连通，加热并稳定持续时间t2后，加直流电压，完成所述前后腔镜与所述前后硅片的固定；

步骤4)：

撤掉所述腔镜定位块，将所述玻璃罩放置在所述玻璃罩定位块的凹槽中间位置，上述制作完成的所述前后硅片分别放置在所述玻璃罩定位块的凹槽左右两侧位置，与所述玻璃罩通孔两侧平面接触，且所述前后腔镜位于所述玻璃罩内部；

利用阳极键合装置，且选取所述负极和所述双正极，将上述放置完成套件放置在键合装置的工作台上，所述双正极分别通过所述挡块与所述前后硅片连通，所述负极通过缠绕在所述玻璃罩外围中部的铝箔纸与其连通，加热并稳定持续时间t3后，加直流电压，键合出含多反射腔原子气室。

进一步的，所述步骤1)中的所述前后腔镜为两个曲率相同的超薄柱面镜，机械切割的厚度精度为0.1mm，通过选取该两腔镜的侧面作为键合平面，将其分别键合在所述前后硅片上；所述前后腔镜的外径为7.5mm，中心厚度为1.16mm。足够小的腔镜厚度可以增大腔镜与硅片之间的电场强度，无需额外人工引入其他导电性能更好的辅助材料便可完成键合，实现腔镜与硅片的标准化固定，且成功率极高；所述前后腔镜的侧面是键合平面，因此具有足够大的键合面积，保证了腔镜与硅片之间的连接具有更大的键合强度，制作出更加牢固的原子气室。

进一步的，所述前腔镜的中心开设有一个圆形孔，直径为1.2mm，所述前硅片的中心开设有一个方形孔，边长为4mm，所述增透窗口的中心区域镀有增透膜，边长为3.5mm。这使得上述键合完成的所述增透窗口—所述前硅片—所述前腔镜的结构，在实现密封原子气室的目的的同时，可以确保制作出的原子气室更加紧凑且小型化，并且在应用上述原子气室的原子磁力仪中，光束可以无损失入射到多反射腔中。

进一步的，上述步骤1)中的所述玻璃罩为通孔结构，通孔两侧是键合平面，且所述玻璃罩的高度为8.5mm，该高度的精度为0.05mm，用于精确定位所述前后腔镜之间的相对距离。高度的具体设计步骤为：根据需求数值计算出Herriott多反射腔的腔长，选定所述前后腔镜的中心厚度，便可确定所述玻璃罩的高度。

进一步的，所述双正极由相向放置的两根相同的电极轴组成，且轴线平行于加热陶瓷板面。优选的，上述步骤1)中的所述双正极由相向放置的两根相同的电极轴组成，且轴线平行于加热陶瓷板面，可以同时完成所述前后腔镜分别与所述前后硅片之间的键合固定，以及同时完成所述前后硅片与所述玻璃罩的通孔两侧的密封，极大提高了原子气室的制作效率，有助于其高效批量化生产。

进一步的，所述陶瓷模具和所述铜块模具的内部凹槽设计如下：

所述腔镜定位块的中间凹槽的左右两侧平台相通，通过机械加工后共面，确保键合完成后，所述前后腔镜分别在所述前后硅片上具有相同的相对位置的；所述窗口第一铜块的凹槽，内部设有凸起平台，该凸起平台由边长7.8mm的方形凸台的中间挖去直径7.6mm的圆凹槽组成；中间区域和边缘区域保持干净平整，不会影响后续与所述前腔镜和所述玻璃罩之间的键合连接；同样的设计也存在于所述窗口第二铜块、腔镜中间定位铜块和挡块，所述窗口第二铜块的下表面中间开有边长5mm，深度1mm的方孔；所述腔镜中间定位铜块在与所述前后腔镜接触的两个侧表面开有直径6.5mm，深度0.5mm的圆孔；所述挡块在与所述前后硅片接触的侧表面开有边长8mm，深度1mm的方孔。确保在键合过程中，所述增透窗口中间的镀膜区域和所述前后腔镜的柱面上的高反膜不被破坏。

进一步的，所述步骤2)、步骤3)和步骤4)中，使用的阳极键合技术具体包括：

所述增透窗口与所示前硅片之间的键合固定：加热至260℃，稳定30分钟，加电压1100V，观测键合电流变化至初始电流值的10％时，键合结束，关闭电压，停止加热，从而将所述增透窗口固定在所述前硅片上；

所述前后腔镜分别与所述前后硅片之间的键合固定：加热至280℃，稳定30分钟，加电压1400V，观测键合电流变化至初始电流值的10％时，键合结束，关闭电压，停止加热，从而将所述前后腔镜分别固定在所述前后硅片上；

所述玻璃罩与所述前后硅片之间的键合密封：加热至280℃，稳定30分钟，加电压1300V，观测键合电流变化至初始电流值的10％时，键合结束，关闭电压，停止加热，从而键合出含有Herriott多反射腔的小尺寸原子气室，该气室的外部尺寸为10×10×10.5mm。

将本发明提供的一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法制作出的小尺寸原子气室应用在原子磁力仪中，可增大光束与气室内原子之间的相互作用距离，减小加热表面积，使磁力仪在具有高灵敏度的同时，还具有低功耗和小型化的特点。

本发明的优点和积极效果为：

(1)选用超薄的柱面镜作为前后腔镜，并将两腔镜的侧面作为键合平面，固定在硅片上，便可以在保证二者之间的连接具有足够的键合强度的同时，无需额外人工加入其他导电性能更好的辅助材料就可以完成键合，实现腔镜与硅片的标准化固定，且制作方法简单巧妙，在键合装置和制作模具均正常情况下，腔镜与硅片之间的键合固定几乎零失败率。

(2)前后腔镜分别固定在前后硅片上，形成了两个独立的模块，然后利用高精度通孔玻璃罩确定两腔镜之间的距离，这样的气室设计方案，便可以通过加工出不同高度的玻璃罩，制作出满足需求的、任意目标尺寸的原子气室，尤其是可以制作出有多反射腔的小尺寸气室。

(3)利用含有双正极电极的阳极键合装置，可以同时实现前后腔镜分别与前后硅片之间的固定，以及同时完成前后硅片与玻璃罩的通孔两侧的密封，极大缩短了原子气室的制作时间，提高了气室的制作效率，有助于更加高效批量化生产。

(4)基于含多反射腔的小尺寸原子气室研制的原子磁力仪，同时具有高灵敏度、低功耗和小型化的特性。通过在原子气室中引入Herriott多反射腔，增大光束与原子的相互作用距离，实现增大磁力仪信噪比的目的；小尺寸原子气室具有更小的加热表面积，可以大幅度降低磁力仪的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的含多反射腔的小尺寸原子气室结构示意图；

图2为本发明实施例提供的完成增透窗口与前硅片之间固定的键合装置示意图；

图3为本发明实施例提供的完成腔镜与硅片之间固定的键合装置示意图；

图4为本发明实施例提供的完成玻璃罩与硅片之间密封的键合装置示意图；

图5为本发明实施例提供的含多反射腔的小尺寸原子气室实物图及后腔镜光斑分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1至图5，图1为本发明实施例提供的含有多反射腔的小尺寸原子气室结构示意图；图2为本发明实施例提供的完成增透窗口与前硅片之间固定的键合装置示意图；图3为本发明实施例提供的完成腔镜与硅片之间固定的键合装置示意图；图4为本发明实施例提供的完成玻璃罩与硅片之间密封的键合装置示意图；图5为本发明实施例提供的含有多反射腔的小尺寸原子气室实物图及后腔镜光斑分布示意图。

本发明实施例提供的一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，所述原子气室包括：前腔镜1、后腔镜2、玻璃罩6、增透窗口5、前硅片3和后硅片4；所述方法包括步骤：

步骤1)

制作模具，所述模具根据制作材料分为陶瓷模具和铜块模具，其中，所述陶瓷模具包括：窗口定位块7、腔镜定位块12和玻璃罩定位块17；所述铜块模具包括：窗口第一铜块8、窗口第二铜块9、腔镜中间定位铜块13、挡块14、压板15；

设置电极装置，电极装置包括：负极10、单正极11、双正极16；其中，负极10和单正极11的轴线垂直于加热陶瓷板面，单正极11通过平铺在加热陶瓷板面的铜块与硅片导电连通，双正极16由两根相同的电极轴组成，且轴线平行于加热陶瓷板面；

将所述前硅片3放置在窗口第一铜块8的凹槽中，再将窗口第一铜块8放置在窗口定位块7的下端凹槽中，而后将增透窗口5和窗口第二铜块9先后放置在窗口定位块7的上端凹槽中，从而，完成套件放置。

步骤2)利用阳极键合装置，且选取负极10和单正极11，将定位好的增透窗口5固定在前硅片3上，具体包括：将上述放置完成的套件放置在阳极键合装置的工作台上，将单正极11通过窗口第一铜块8与前硅片3连通，负极10通过窗口第二铜块9与增透窗口5连通，加热并稳定持续时间t1后，对电极装置施加直流电压，从而完成增透窗口5与前硅片3的固定；

步骤3)撤掉上述模具，将腔镜中间定位铜块13放置在腔镜定位块12的中间凹槽的中间突起平台上，前后腔镜1、2分别放置于腔镜中间定位铜块13的左右凹槽中，且腔镜的底部平面与所述腔镜定位块12的中间凹槽内中间突起平台接触，前后硅片3、4分别放置于腔镜定位块12的中间凹槽内左右侧平台上，且前硅片3上没有增透窗口5的一面与前腔镜1的键合平面接触；所述压板15由两块相同的铜块组成，分别放置在腔镜定位块12上端的左右凹槽内，且与前后腔镜的顶部平面接触，确保前后腔镜1、2的底部平面与腔镜定位块12的凹槽内中间平台完全接触，从而达到前后腔镜1、2分别在前后硅片3、4上具有相同的相对位置的目的。

利用阳极键合装置，且选取负极10、双正极16，完成腔镜与硅片的固定。具体的，将上述放置完成的套件放置在键合装置的工作台上，双正极16分别通过挡块14与前后硅片连通，负极10通过腔镜中间定位铜块13与前后腔镜连通，加热并稳定持续时间t2后，加直流电压，同时完成前后腔镜1、2分别与前后硅片3、4的固定；

步骤4)撤掉上述模具，将玻璃罩6放置在玻璃罩定位块17的凹槽中间位置，上述制作完成的前后硅片3、4分别放置在玻璃罩定位块17的凹槽左右两侧位置，与玻璃罩6的通孔两侧平面接触，且前后腔镜1、2位于玻璃罩6内部，两底部平面共面。

利用阳极键合装置，且选取负极10、双正极16，完成玻璃罩6与前后硅片3、4之间的密封：将上述放置完成套件放置在键合装置的工作台上，双正极16分别通过挡块14与前后硅片3、4连通，负极10通过缠绕在玻璃罩6外围中部的铝箔纸与玻璃罩6连通，加热并稳定持续时间t3后，加直流电压，键合出含有多反射腔的原子气室。

本发明实施例提供的一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，将阳极键合技术应用气室制作中，选用超薄的Herriott多反射腔的前后腔镜1、2侧面键合于前后硅片3、4上，无需借助其他导电性能那个更好的辅助材料来增大电场强度，键合失败率几乎为零；利用高度经过设计的通孔玻璃罩6，精确确定Herriott多反射腔的前后腔之间的距离，通过机械加工出高精度的制作模具，保证两腔镜主轴之间的相对转角和在硅片上的绝对位置，机械加工模具保证间距误差小于0.1mm，误差完全由机械加工控制，避免人工胶粘或者人工调节等因素造成的不确定性带来的影响。本发明利用双正极电极的键合装置，同时完成前后腔镜1、2分别与前后硅片3、4的键合固定以及通孔玻璃罩6与两片硅片的同时密封，实现原子气室的高效率标准化批量化制备。

将阳极键合的方法应用于原子气室的制作，可以避免因人工胶粘引起的不稳定以及误差的不可控性，同时避免胶水与后续充入的原子可能进行的反应，从而实现原子其实的高稳定性使用。

具体的：

首先根据需求确定Herriott腔需要反射的次数，数值计算出两个腔镜之间的相对距离d、主轴相对夹角θ以及光入射到腔中的入射角度φ。根据计算出的参数，在Tracepro中仿真得到实际光线轨迹；再根据原子气室的尺寸需求，确定两个腔镜的尺寸，计算出通孔玻璃罩的高度。

为了进一步优化上述方案，步骤1)还包括前后腔镜1、2为曲率相同的超薄柱面镜，中心间距为6.17mm，主轴的相对转角为52.5°，两腔镜的外径均为7.5mm，中心厚度均为1.16mm，在确保制作出的原子气室小型化的同时，足够小的腔镜厚度可以增大腔镜与硅片之间的电场强度，无需额外加入其他导电性能更好的辅助材料，例如在腔镜上人工粘贴铝箔纸，便可以完成与前后硅片3、4之间的键合；所述前后腔镜1、2的柱面的侧面是键合平面，键合面积足够大，可实现腔镜与硅片之间的连接具有更大的键合强度的同时，制作出更加牢固的小尺寸原子气室。

为了进一步优化上述方案，步骤1)中的前腔镜1的中心开设有一个圆形孔，直径为1.2mm，前后硅片3、4是使用晶圆划片机，切割出的10x 10.5mm的双面抛光硅片，并且利用激光切割的方法，将前硅片3的中心切割出边长为4mm的方形孔，增透窗口5的尺寸为7x 7x0.5mm，中心区域镀有增透膜，边长为3.5mm，四周区域用于与前硅片3之间的键合连接。这样的设计使得上述键合完成的增透窗口5—前硅片3—前腔镜1的结构，在实现密封原子气室目的的同时，还可以确保制作出的原子气室更加紧凑且小型化，并且应用上述原子气室的原子磁力仪中的光束可以无损失入射到多反射腔中。

为了进一步优化上述方案，步骤1)中的玻璃罩6的尺寸为8.5×10×10.5mm，具有通孔结构，通孔两侧是键合平面，且玻璃罩6的高度是经过特殊设计的，具有0.05mm的高制作精度，用于精确定位所述前后腔镜1、2之间的相对距离，高度的具体设计步骤为：根据原子气室的尺寸等需求，数值计算出Herriott多反射腔的腔长，选定前后腔镜1、2的中心厚度，便可以确定玻璃罩6的高度。玻璃罩6的上表面带有一个通孔尾管，直径为3mm，用于后续向原子气室内充入原子。

图2、图3和图4为使用高精度机械加工模具，利用阳极键合装置完成增透窗口5与前硅片3之间的固定，前后腔镜1、2分别与前后硅片3、4之间的固定，玻璃罩6与前后硅片3、4之间的密封。高精度键合模具可以实现原子气室的各组成件之间精准定位，且模具的内部结构是经过以下设计的，具体为：

腔镜定位块13的第一凹槽的左右两侧平台相通，通过机械加工后共面，确保键合完成后，前后腔镜1、2分别在前后硅片3、4上具有相同的相对位置的；窗口第一铜块8的凹槽，内部含有凸起平台，该凸起平台由边长7.8mm的方形凸台的中间挖去直径7.6mm的圆凹槽组成，确保阳极键合时，前硅片1与剩余四角凸起平台接触，中间区域和边缘区域保持干净平整，不会影响后续与前腔镜1和玻璃罩6之间的键合连接；窗口第二铜块9的下表面中间开有边长5mm，深度1mm的方孔；腔镜中间定位铜块13在与所述前后腔镜接触的两个侧表面开有直径6.5mm，深度0.5mm的圆孔；挡块14在与所述前后硅片接触的侧表面开有边长8mm，深度1mm的方孔，确保在键合过程中，增透窗口5中间的镀膜区域和前后腔镜1、2的柱面上的高反膜不被破坏。

阳极键合装置中，阳极键和装置由加热台(控制温度范围：室温～500℃)、高压电压源(电压输出范围：0～5000V)、三维位移台以及相关的机械结构组成，本发明在原键合装置基础上，加入双正极16，可以实现前后腔镜1、2分别与前后硅片3、4之间同时键合固定，以及前后硅片3、4与玻璃罩的通孔两侧同时完成密封，极大缩短了原子气室的制作时间，提高了气室的制作效率，有助于更加高效批量生产。

为了进一步优化上述方案，步骤2)、步骤3)和步骤4)中利用阳极键合技术，完成所述原子气室的制作，具体为：

增透窗口5与前硅片3之间的键合固定：加热至260℃，稳定30分钟，加电压1100V，实时监测记录键合电流的变化，初始电流一般为几十微安量级，键合时间约两个小时，当键合电流变化至初始电流值的10％时，键合结束，关闭电压，停止加热，将增透窗口5固定在前硅片3上；

前后腔镜1、2分别与前后硅片3、4之间的键合固定：加热至280℃，稳定30分钟，加电压1400V，键合时间约四个小时，观测键合电流变化至初始电流值的10％时，键合结束，关闭电压，停止加热，将前后腔镜1、2分别固定在前后硅片3、4上；

玻璃罩6与前后硅片3、4之间的键合密封：加热至280℃，稳定30分钟，加电压1300V，键合时间约八个小时，观测键合电流变化至初始电流值的10％时，键合结束，关闭电压，停止加热，键合出含有Herriott腔的小尺寸原子气室。

图5为本发明制作出的含多反射腔的小尺寸原子气室实物图及后腔镜光斑分布示意图。气室的整体尺寸为10x 10x 10.5mm，光束沿11°的入射角，通过前腔镜1的中心小孔入射到多反射腔气室中，往复反射26次后，再从同一小孔出射，在后腔镜2上呈现出均匀分布的13个光斑。

做好原子气室后，将气室接在真空系统上，根据需要向其中充入碱金属原子、惰性气体原子以及氮气等缓冲气体，最后通过火焰灼烧将原子池从真空系统上取下并且密封。

将制作好的原子气室放入高精度3D打印装配平台，应用到原子磁力仪中。将原子气室及磁力仪的加热模块放入3D打印的保温盒中，再将保温盒放在3D打印的装配平台上，光纤头嵌入相应的槽中，光将沿固定的角度(本实施例为11°)射入原子气室中的多反射腔中，经过指定次反射后射出。再将整个集成结构放入五层坡莫合金磁屏蔽桶中，构成基于高灵敏度原子光谱的原子器件核心结构，完成磁力仪的性能测试。将本发明提供的含多反射腔的小尺寸原子气室应用到原子磁力仪中，可使其具有高灵敏度的同时，大幅度降低磁力仪的功耗和尺寸，为低功耗和小型化磁力仪的实际应用提供便利。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，其特征在于，所述多反射腔原子气室包括：前腔镜、后腔镜、玻璃罩、增透窗口、前硅片和后硅片，所述制作方法包括：

步骤1）：

制作模具，所述模具包括陶瓷模具和铜块模具，所述陶瓷模具包括：窗口定位块、腔镜定位块和玻璃罩定位块；所述铜块模具包括：窗口第一铜块、窗口第二铜块、腔镜中间定位铜块、挡块和压板；

设置电极装置，所述电极装置包括：负极、单正极和双正极；

将所述前硅片放置在所述窗口第一铜块的凹槽中，再将所述窗口第一铜块放置在所述窗口定位块的下端凹槽中，所述增透窗口和所述窗口第二铜块先后放置在所述窗口定位块的上端凹槽中，从而所述前硅片、窗口第一铜块、窗口定位块、增透窗口和所述窗口第二铜块构成了放置完成的套件；

步骤2）：

利用阳极键合装置，且选取所述负极和所述单正极，将定位好的所述增透窗口固定在所述前硅片上：将上述放置完成的套件放置在键合装置的工作台上，所述单正极通过所述窗口第一铜块与所述前硅片连通，所述负极通过所述窗口第二铜块与所述增透窗口连通，加热并稳定持续时间t1后，加直流电压，完成所述增透窗口与所述前硅片的固定；

步骤3）：

撤掉所述窗口定位块，将所述腔镜中间定位铜块放置在所述腔镜定位块的中间凹槽内的中间突起平台上，所述前腔镜和所述后腔镜分别放置于所述腔镜中间定位铜块的左右凹槽中，且腔镜的底部平面与所述腔镜定位块的中间凹槽内的突起平台接触，将上述制作完成的带有所述增透窗口的前硅片放置于所述腔镜定位块的中间凹槽的左侧平台上，且所述前硅片上没有所述增透窗口的一面与所述前腔镜接触，所述后硅片放置于所述腔镜定位块的中间凹槽的右侧平台上，所述压板由两块相同的铜块组成，分别放置在所述腔镜定位块上端的左右凹槽内，且与所述前腔镜和后腔镜的顶部平面接触，确保所述前腔镜和后腔镜的底部平面与所述腔镜定位块的中间突起平台完全接触，达到所述前腔镜和后腔镜分别在所述前硅片和后硅片上具有相同的相对位置的目的；

利用阳极键合装置，且选取所述负极和所述双正极，将上述放置完成的套件放置在键合装置的工作台上，所述挡块由两块相同的铜块组成，所述双正极分别通过所述挡块与所述前硅片和后硅片连通，加热并稳定持续时间t2后，加直流电压，完成所述前腔镜和后腔镜与所述前硅片和后硅片的固定；

步骤4）：

撤掉所述腔镜定位块，将所述玻璃罩放置在所述玻璃罩定位块的凹槽中间位置，上述制作完成的所述前硅片和后硅片分别放置在所述玻璃罩定位块的凹槽左右两侧位置，与所述玻璃罩通孔两侧平面接触，且所述前腔镜和后腔镜位于所述玻璃罩内部；

利用阳极键合装置，且选取所述负极和所述双正极，将上述放置完成套件放置在键合装置的工作台上，所述双正极分别通过所述挡块与所述前硅片和后硅片连通，所述负极与缠绕在所述玻璃罩外围中部的铝箔纸连通，加热并稳定持续时间t3后，加直流电压，键合出含多反射腔原子气室。

2.根据权利要求1所述的一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，其特征在于：所述前腔镜和后腔镜为两个曲率相同的超薄柱面镜，机械切割的厚度精度为0.1 mm，通过选取该前腔镜和后腔镜的侧面作为键合平面，将其分别键合在所述前硅片和后硅片上；所述前腔镜和后腔镜的外径为7.5 mm，中心厚度为1.16 mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，其特征在于：所述前腔镜的中心开设有一个圆形孔，直径为1.2 mm，所述前硅片的中心开设有一个方形孔，边长为4 mm，所述增透窗口的中心区域镀有增透膜，边长为3.5 mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，其特征在于：所述玻璃罩为通孔结构，通孔两侧是键合平面，且所述玻璃罩的高度为8.5mm，该高度的精度为0.05 mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，其特征在于：所述双正极由相向放置的两根相同的电极轴组成，且轴线平行于加热陶瓷板面。

6.根据权利要求1所述的一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，其特征在于：所述陶瓷模具和所述铜块模具的内部凹槽设计如下：

所述腔镜定位块的中间凹槽的左右两侧平台相通，通过机械加工后共面，确保键合完成后，所述前腔镜和后腔镜分别在所述前硅片和后硅片上具有相同的相对位置的；所述窗口第一铜块的凹槽，内部设有凸起平台，该凸起平台由边长7.8 mm的方形凸台的中间挖去直径7.6 mm的圆凹槽组成；所述窗口第二铜块的下表面中间开有边长5 mm，深度1 mm的方孔；所述腔镜中间定位铜块在与所述前腔镜和后腔镜接触的两个侧表面开有直径6.5 mm，深度0.5 mm的圆孔；所述挡块在与所述前硅片和后硅片接触的侧表面开有边长8 mm，深度1mm的方孔。

7.根据权利要求1所述的一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，其特征在于：所述步骤2）、步骤3）和步骤4）中，使用的阳极键合技术具体包括：

所述增透窗口与所示前硅片之间的键合固定：加热至260 ℃，稳定30分钟，加电压1100V，观测键合电流变化至初始电流值的10%时，键合结束，关闭电压，停止加热，从而将所述增透窗口固定在所述前硅片上；

所述前腔镜和后腔镜分别与所述前硅片和后硅片之间的键合固定：加热至280 ℃，稳定30分钟，加电压1400 V，观测键合电流变化至初始电流值的10%时，键合结束，关闭电压，停止加热，从而将所述前腔镜和后腔镜分别固定在所述前硅片和后硅片上；

所述玻璃罩与所述前硅片和后硅片之间的键合密封：加热至280 ℃，稳定30分钟，加电压1300 V，观测键合电流变化至初始电流值的10%时，键合结束，关闭电压，停止加热，从而键合出含有Herriott多反射腔的小尺寸原子气室，该气室的外部尺寸为10×10×10.5mm。