DE102020206031A1

DE102020206031A1 - Vorrichtung zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung mit einem Gas, Verfahren zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung, und Dampfzelleneinrichtung

Info

Publication number: DE102020206031A1
Application number: DE102020206031.2A
Authority: DE
Inventors: Tino Fuchs; Mawuli Ametowobla; Peter Frey; Janine Riedrich-Moeller; Andreas Brenneis; Tobias Joachim Menold; Robert Roelver
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung (10) zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung (1) mit einem Gas, umfassend ein Gasverteilungssubstrat (2), welches zumindest einen Gasverteilungskanal (2a) umfasst, ein Gasreservoir (8), welches an den Gaseinlass (3) anschließbar ist; und eine Pumpeinrichtung (PE), welche dazu eingerichtet ist, um das Gas in den Gasverteilungskanal (2a) hineinzupumpen und herauszupumpen und wieder in dem Gasreservoir (8) zu speichern; und eine Abdichteinrichtung (AE), welche zwischen der Dampfzelleneinrichtung (1) und dem Gasverteilungssubstrat (2) anbringbar ist und mittels welcher ein abgedichteter Zwischenraum (ZR) zwischen dem Gasverteilungssubstrat (2) und der Dampfzelleneinrichtung (1) erzeugbar ist, durch welchen das Gas von dem Individualgasauslass (4) in die Dampfzelleneinrichtung (1) einleitbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung mit einem Gas, ein Verfahren zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung, und eine Dampfzelleneinrichtung.
Stand der Technik
Bekannte Drehratensensoren, welche auf der Basis von MEMS-Technologie gebildet sind, erlauben als Backup für Radar-, Videoassistierte- und GPS-Positionierung unter Umständen nur eine Möglichkeit des Spurhaltens für einen Zeitraum von etwa 40 Sekunden. Um die Sicherheit und den Komfort autonom fahrender Fahrzeuge zu verbessern, wäre hierbei eine Steigerung der Driftstabilität und eine signifikante Reduktion des Rauschens von Drehratensensoren wünschenswert, um ein rein inertiales Navigieren auch für längere Strecken wie z.B. in Tunneln oder in Häuserschluchten zu ermöglichen. Bekannte Gyroskope, welche die Kernspinresonanzsignale von Atomkernen mit nicht-verschwindendem magnetischen Moment (z.B. Spin ½ Kerne) auswerten können, sind in der Lage eine 100-fach erhöhte Driftstabilität und 50-fach geringeres Rauschen gegenüber heutigen in der Automobilindustrie eingesetzten MEMS Drehratensensoren erzielen.
Es kann unter Umständen davon ausgegangen werden, dass ein miniaturisiertes Kernspingyroskop deutlich geringere Herstellkosten aufweisen kann als Sagnac-Gyroskope, die in der Luftfahrt eingesetzt werden. Außerdem kann eine Miniaturisierung eines NMR-Gyroskops denkbar sein, wohingegen für ein Sagnac-Gyroskop ein deutlich größerer Aufbau aufgrund seines Wirkprinzips notwendig sein kann. Für das Wirkprinzip kernspinbasierter Drehratensensoren ist das Kernelement dabei die Erzeugung der Kernspinpolarisation, etwa von Xe-Atomen über den Rb-Elektronenspin, sowie das Auslesen der Lamorfrequenz über den Fraday-Effekt an den Rb-Atomen. Ein zirkular polarisierter Pump-Laserstrahl kann einer Dampfzelle zur Polarisation des Rb-Elektronenspins führen, was durch Elektron-Kernspin-Kopplung zwischen Rb und Xe zu einer Polarisation des Xe-Kernspins führen kann. Ein, etwa durch eine Spule erzeugtes Magnetfeld, kann zur Kernspinpräzession in den Xe-Atomen führen. Ein magnetisches (wechselndes) Feld senkrecht zur Rotationsachse dessen Frequenz der Larmor-Präzessionsfrequenz der Xe-Kerne entspricht führt zur kollektiv kohärenten Präzession aller Kernspins, was zu einer harmonisch oszillierenden makroskopischen Magnetisierung führt. Um diese Präzession in ein auslesbares Signal umzuwandeln, wird ein linear polarisierter Probe-Laserstrahl durch die Dampfzelle gestrahlt. Aufgrund des Faraday Effekts, für linear polarisiertes Licht der Wellenlänge, die zu einem optischen Übergang der Rb-Atome gehört, wird die Präzession der Xe-Atome in eine periodische Änderung der Polarisationsrichtung des Probe-Laserstrahls überführt. Ein Polarisationsfilter vor der Fotodiode führt zu einer Abschwächung des Probe-Strahls in Abhängigkeit von dieser Polarisationsdrehung, so dass an der Fotodiode eine Intensitätsschwankung beobachtet werden kann, die mit der Larmorfrequenz der Xe-Atome moduliert ist. Im Falle eines ruhenden Mess-Systems ist diese Larmorfrequenz gleich dem Produkt aus dem gyromagnetischen Verhältnis der Xe-Kerne und dem Magnetfeld. Im Falle eines gleichförmig rotierenden Mess-System misst man eine um diese Rotationsfrequenz des Mess-Systems höhere oder niedrigere Larmorfrequenz, was dazu genutzt werden kann, die Rotationsfrequenz (Drehrate) des Mess-Systems zu bestimmen.
Für die Funktion des Sensors kann es dabei notwendig sein, dass Rb als Dampf mit konstantem Druck in der Mess-Zelle vorliegt. Dies erfordert ein aktives Beheizen der Zelle auf ca. 115°. Dies kann z.B. durch einen Infrarot-Laser erfolgen.
In der US 8,217,293 BB wird eine Vorrichtung zum Erzeugen von spinpolarisiertem Xenon-Gas beschrieben, welche eine Glaszelle umfasst.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung mit einem Gas nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung nach Anspruch 4, und eine Dampfzelleneinrichtung nach Anspruch 16.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Vorrichtung zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung mit einem Gas, ein Verfahren zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung, sowie eine zugehörige Dampfzelleneinrichtung anzugeben, wobei ein Gasverteilungssubstrat eine verbesserte Möglichkeit zum Befüllen der Dampfzelleneinrichtung mit Gas bietet, wobei aus dem Gasverteilungskanal das Restgas nach der Befüllung wieder besser herausgesaugt werden kann und der Ausnutzungsgrad der Befüllung und der Handhabe mit dem Gas erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung mit einem Gas ein Gasverteilungssubstrat mit einem Gaseinlass und zumindest einem Individualgasauslass, welches zumindest einen Gasverteilungskanal umfasst, welcher sich von einem Gaseinlass bis zu einem Individualgasauslass für die Dampfzelleneinrichtung erstreckt; ein Gasreservoir, welches an den Gaseinlass anschließbar ist; und eine Pumpeinrichtung, welche mit dem Gasreservoir und mit dem Gaseinlass verbunden ist und dazu eingerichtet ist, um das Gas in den Gasverteilungskanal hineinzupumpen und herauszupumpen und wieder in dem Gasreservoir zu speichern; und eine Abdichteinrichtung, welche zwischen der Dampfzelleneinrichtung und dem Gasverteilungssubstrat anbringbar ist und mittels welcher ein abgedichteter Zwischenraum zwischen dem Gasverteilungssubstrat und der Dampfzelleneinrichtung erzeugbar ist, durch welchen das Gas von dem Individualgasauslass in die Dampfzelleneinrichtung einleitbar ist.
Das Gasverteilungssubstrat sowie die Dampfzelleneinrichtung kann dabei in Mikrobauweise, etwa als MEMS (mikroelektromechanisches Bauteil) ausgebildet werden. Der Gasverteilungskanal kann dabei sehr fein und kleinskalig ausgebildet werden, aus welchen sich das Gas oder ein Gasgemisch vorteilhaft einfach in die Dampfzelleneinrichtung einleiten lässt, und auch aus dieser herausleiten lässt, wobei vorteilhaft dabei nur geringfügige Restbestände des Gases in dem Gasverteilungskanal verbleiben oder dieses gänzlich wieder in ein Reservoir zurückgezogen werden kann. Das Gasreservoir kann nun als Quelle für das Gas dienen, in welche das in dem Gasverteilungssubstrat verbleibende Gas nach Befüllung der Dampfzelleneinrichtung jedoch wieder zu einem hohen Anteil, oder gänzlich, wieder zurückgepumpt werden kann, womit Verluste des Gases bei der Herstellung vorteilhaft verringert oder gänzlich vermieden werden können. Auf diese Weise könne die Kosten für die Bereitstellung des Gases verringert werden. Die Dampfzelleneinrichtung kann vorteilhaft direkt mit dem Gasverteilungssubstrat verbunden werden, vorteilhaft ohne etwaige Zwischenleitungen, diesbezüglich etwa mit der Abdichteinrichtung den Zwischenraum für die Befüllung schaffen.
Bei dem Gas kann es sich um Xenon, etwa ein Xenongemisch aus ¹²⁹Xe und ¹³¹Xe handeln.
Gegenüber bisher bekannten Prototypen von Kernspinresonanz-basierten Gyroskopen, welche meist ausschließlich Glas zur Realisierung der mit Gas (Rb und Xe) gefüllten Dampfzelle aufweisen, kann durch die Anwendung eines ersten und/oder zweiten Trägers aus einem anderen Material als Glas, etwa Silizium, eine einfachere Herstellung sowie geringere Kosten erzielt werden. Zwar ist Glas in dem für die Funktion relevanten Spektralbereich transparent, hält der für die Funktion erforderlichen Betriebstemperatur von ca. 140°C stand und ist chemisch hinreichend stabil, aber die Skalierbarkeit der Herstellungskosten beim Übergang zu hohen Stückzahlen kann äußerst hoch sein. Hierfür kann sich Silizium als Basismaterial wesentlich besser eignen. Da Silizium im optischen Spektralbereich nicht transparent ist, bietet sich das heterogen
aufgebaute System bestehend aus Silizium- und Glas-Wafer (träger) an, die beispielsweise durch Wafer-Bondverfahren wie z.B. anodisches Bonden hermetisch dicht miteinander verbunden werden können. Auf diese Weise lässt sich durch Bonden eines Glaswafers (trägers) auf einen zuvor strukturierten Siliziumwafer (erster Träger) ein optisch zugänglicher hermetisch dichter Hohlraum (erste Ausnehmung) realisieren,
der die Dampfzelle selbst bildet. Bei den Kernspinresonanz-basierten Gyroskopen kommt als Herausforderung hinzu, dass ein definiertes Gemisch aus isotopenreinem ¹²⁹Xe und ¹³¹Xe bei definiertem Druck zusätzlich zum Rb in die Dampfzelle gebracht werden kann. Isotopenreines Xe kann sehr teuer sein. Da die Dampfzellen für ein Kernspinresonanz-basierten Gyroskopen ein kleines Volumen von ca. 5µl besitzen können, belaufen sich die reinen Materialkosten für das Gemisch aus 129Xe und 131Xe auf weniger als 0.20€ pro Zelle.
Bei einer Stückzahl von ca. 1Mio/Jahr können dies akzeptable Kosten sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung umfasst das Gasverteilungssubstrat eine Vielzahl von Gasverteilungskanälen, welche mit dem Gaseinlass und jeweils mit einem Individualgasauslass für eine jeweilige Dampfzelleneinrichtung verbunden sind.
Jeder der Gasverteilungskanäle kann vorteilhaft mit dessen eigenem Individualgasauslass verbunden sein, welcher eine Öffnung im Gasverteilungssubstrat verkörpern kann und an einen eigenen Zwischenraum mit einer eigenen Abdichteinrichtung anschließbar sein kann. Die Befüllung kann dabei von einem einzigen und zentralen Befüllstutzen vom Gasreservoir aus erfolgen, hierbei als Gaseinlass bezeichnet.
Auf diese Weise können eine Vielzahl von Dampfzelleneinrichtungen gleichzeitig mit dem Gasverteilungssubstrat mit Gas befüllt werden. Auch die Herstellungsschritte für die Herstellung der Dampfzelleneinrichtungen können gleichzeitig erfolgen. So kann es möglich sein, etwa die Dampfzelleneinrichtungen auf Wafer-Basis (Wafer-Stack) herzustellen. Beispielsweise können 250 Dampfzellen, oder mehr oder weniger, mit einem Silizium-Wafer von 200 mm Durchmesser hergestellt werden, welcher eine Dicke von beispielsweise 1 mm aufweisen kann (einer oder beide Wafer). Die Gasverteilungskanäle können möglichst geradlinig ausgerichtet sein, und durch ihre geringen Durchmesser das Gas einfach wieder abpumpen lassen. So können Gasverteilungskanäle mit einem geringen oder minimalen Totvolumen, in welchem sich Restgas sammeln könnte, erzielt werden. Unter idealen Bedingungen kann damit ein signifikant erhöhter Ausnutzungsgrad des Gases erzielt werden, unter Umständen auch bis zu 100 %.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung ist das Gasverteilungssubstrat als ein MEMS-Wafer ausgebildet.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung mit einem Gas ein Bereitstellen eines ersten Trägers und ein Verbinden des ersten Trägers mit einem Glasträger; ein Ausbilden zumindest einer ersten Ausnehmung im ersten Träger, welche sich bis zum Glasträger erstreckt; ein Aufbringen einer Diffusionsbarriere auf eine dem Glasträger abgewandte Seite des ersten Trägers und in die erste Ausnehmung; in bevorzugter Ausführung ein Anordnen eines ersten Materialdepots in der ersten Ausnehmung; weiterhin erfindungsgemäß ein Anordnen eines zweiten Trägers auf dem ersten Träger, wobei der zweite Träger auf der dem Glasträger abgewandten Seite des ersten Trägers und auf der Diffusionsbarriere angeordnet wird, so dass der zweite Träger die erste Ausnehmung überdeckt, wobei der zweite Träger ein Durchloch aufweist oder das Durchloch nach dem Anordnen des zweiten Trägers auf dem ersten Träger ausgeformt wird, derart dass sich das Durchloch durch den zweiten Träger bis in die erste Ausnehmung erstreckt, und wobei durch das Anordnen des zweiten Trägers auf dem ersten Träger die Dampfzelleneinrichtung erzeugt wird; ein Anordnen der Dampfzelleneinrichtung auf dem Gasverteilungssubstrat, derart dass ein abgedichteter Zwischenraum zwischen dem Gasverteilungssubstrat und der Dampfzelleneinrichtung erzeugt wird, und das Durchloch und der Gasverteilungskanal an den Zwischenraum angeschlossen werden; ein Einleiten des Gases in den Gaseinlass des Gasverteilungskanals und Befüllen der ersten Ausnehmung mit dem Gas; und ein Verschließen des Durchlochs mittels einer Laserstrahlung durch den Glasträger.
Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die in Verbindung mit der Vorrichtung zum Befüllen und der Dampfzelleneinrichtung genannten Merkmale auszeichnen und umgekehrt.
Der abgedichtete Zwischenraum kann direkt zwischen dem Gasverteilungssubstrat und der Dampfzelleneinrichtung ausgeformt werden.
Durch das Verbinden des zweiten Trägers mit dem ersten Träger kann die erste Ausnehmung vollständig, vorzugsweise hermetisch, verschlossen werden. Der erste Träger kann mit dem zweiten Träger und/oder mit dem Glasträger oder der zweite Träger mit dem Gasverteilungssubstrat beispielsweise mit einem Bondverfahren verbunden werden, etwa ein anodisches Bondverfahren oder ein Wafer-direkt-Bondverfahren, oder auch ein eutektisches-Bondverfahren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Anordnen des zweiten Trägers auf dem ersten Träger eine Reflexionsschicht bereichsweise auf dem zweiten Träger angeordnet, und beim Anordnen des zweiten Trägers auf dem ersten Träger wird die Reflexionsschicht der ersten Ausnehmung zugewandt. Die Reflexionsschicht ermöglicht es in einer speziellen Ausführung der Erfindung, dass ein Probestrahl (Licht, Teststrahl) in die erste Ausnehmung und der Photodetektor zur Messung der Polarisationsänderung durch den Faraday-Effekt im gleichen Halbraum liegen und ein Durchstrahlen der Dampfzelle verringert oder vermieden wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Anordnen des zweiten Trägers auf dem ersten Träger eine Reflexionsschicht bereichsweise an anderer Stelle als dem zweiten Träger angeordnet, jedoch derart, dass diese in die erste Ausnehmung hineinzeigt wenn die Ausnehmung fertiggestellt wird.
Die Reflexionsschicht kann beispielsweise als eine Dünnschicht, etwa in Dünnschicht-Abscheidung, ausgeformt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Anordnen des zweiten Trägers auf dem ersten Träger eine Absorptionsschicht bereichsweise auf dem zweiten Träger angeordnet, und beim Anordnen des zweiten Trägers auf dem ersten Träger wird die Absorptionsschicht der ersten Ausnehmung zugewandt. Durch Verwendung der Absorptionsschicht kann vermieden werden, dass Licht eines Pumplasers in diesen zurück reflektiert wird, so dass ein stabiler Laserbetrieb möglich wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Anordnen des zweiten Trägers auf dem ersten Träger eine Absorptionsschicht bereichsweise an anderer Stelle als dem zweiten Träger angeordnet, jedoch derart, dass diese in die erste Ausnehmung hineinzeigt wenn die Ausnehmung fertiggestellt wird
Die Absorptionsschicht kann beispielsweise als eine Dünnschicht, etwa in Dünnschicht-Abscheidung, ausgeformt werden. Die Absorptionsschicht kann andererseits auch durch eine weitere Reflexionsschicht ersetzt werden. Dabei kann ein Laserstrahl von außen unter einem schrägen Winkel auf diese weitere Reflexionsschicht eingestrahlt werden, damit eine Rückreflexion in die Laserquelle möglichst vermieden wird. Für den Fall, dass der zweite Träger selbst, für die angewandten Wellenlängen, eine reflektierende Materialzusammensetzung aufweist, kann auf eine weitere oder auf jede Reflexionsschicht verzichtet werden. Dabei kann der zweite Träger beispielsweise eine polierte Siliziumoberfläche aufweisen. Das Absorptions- und Reflexionsverhalten der Absorptionsschicht und der Reflexionsschicht kann auf eine Wellenlänge einer Pump- oder Probestrahlung bei einem Gyroskop bezogen sein, etwa ein NMR-Gyroskop (nuclear magnetic resonance), beispielsweise anwendbar für Rubidium-Atome bezüglich der Wellenlänge von 780 nm (Rb D2-Linie) und /oder 795 nm (Rb D1-Linie).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Durchloch derart eingebracht, dass es die Reflexionsschicht oder die Absorptionsschicht durchdringt.
So kann sich das Durchloch von einer Außenseite der Dampfzelleneinrichtung bis in die erste Ausnehmung hinein erstrecken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Durchloch derart eingebracht, dass es den zweiten Träger lateral zwischen der Reflexionsschicht und der Absorptionsschicht durchdringt, wobei die Reflexionsschicht und die Absorptionsschicht lateral voneinander beabstandet sind.
Auf diese Weise wird keine der Reflexionsschicht oder die Absorptionsschicht von dem Durchloch, dessen Herstellungsprozess oder dessen Verschließungsprozess beeinträchtigt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Gas nach dem Verschließen des Durchlochs wieder durch den Gasverteilungskanal in ein Gasreservoir zurückgezogen.
Das Verschließen kann mittels eines von außen eingestrahlten Laserstrahls erfolgen, indem beispielsweise das Material des zweiten Trägers auf einer Innenseite der ersten Ausnehmung aufgeschmolzen werden kann und dadurch das Durchloch verschließen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das erste Materialdepot durch den Glasträger hindurch mit einem Ultraviolet-Licht, etwa mit einer Wellenlänge von etwa 100 - 350 nm, bestrahlt.
Durch eine Bestrahlung des Materialdepots, welches ein bestimmtes Material umfassen kann, welches sich einfach in der ersten Ausnehmung anordnen lässt, kann dieses Material vorteilhaft verändert werden, etwa eine weitere Gaskomponente bilden. Beispielsweise kann das erste Materialdepot eine Rubidium-Verbindung umfassen, welche durch UV-Strahlung in ein metallisches Rubidium umgeformt werden kann.
Das erste Materialdepot kann in der ersten Ausnehmung angeordnet sein, beispielsweise auf der Diffusionsbarriere und dem Glasträger und dem Innenraum der ersten Ausnehmung zugewandt, etwa auf einer gegenüberliegenden Seite der Absorptions- und Reflexionsschicht in der ersten Ausnehmung. Dabei kann das UV-Licht den Glasträger und die Diffusionsbarriere durchstrahlen und das erste Materialdepot bestrahlen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Xenon als Gas verwendet und Rubidium oder eine Rubidiumverbindung als das erste Materialdepot verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Gas ein Gemisch aus isotopenreinem ¹²⁹Xe und ¹³¹Xe verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Gas ein Gemisch aus isotopenreinem ¹²⁹Xe und ¹³¹Xe und einer Beimischung von weiteren Gasen wie Stickstoff, Wasserstoff, oder Helium verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Materialdepot reines ⁸⁵Rb oder reines ⁸⁷Rb oder in definiertes Gemisch aus ⁸⁵Rb und ⁸⁷Rb verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Materialdepot statt Rubidium Kalium oder Cäsium verwendet.
Erfindungsgemäß umfasst die Dampfzelleneinrichtung, welche mit einem Gas befüllbar ist, einen ersten Träger und einen Glasträger, welcher mit dem ersten Träger verbunden ist, wobei der erste Träger eine erste Ausnehmung umfasst, welche sich bis zum Glasträger erstreckt; eine Diffusionsbarriere, welche auf einer dem Glasträger abgewandten Seite des ersten Trägers und in der ersten Ausnehmung angeordnet ist; ein erstes Materialdepot in der ersten Ausnehmung, welches durch den Glasträger mit UV-Licht bestrahlbar ist; einen zweiten Träger auf dem ersten Träger, wobei der zweite Träger auf der dem Glasträger abgewandten Seite des ersten Trägers und auf der Diffusionsbarriere angeordnet ist, so dass der zweite Träger die erste Ausnehmung überdeckt, wobei der zweite Träger ein Durchloch aufweist, derart dass sich das Durchloch durch den zweiten Träger bis in die erste Ausnehmung erstreckt, wobei ein Gas durch das Durchloch in die erste Ausnehmung einleitbar ist und danach das Durchloch mittels einer Laserstrahlung durch den Glasträger verschließbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Dampfzelleneinrichtung umfassen der erste Träger und der zweite Träger Silizium und die erste Ausnehmung ist hermetisch verschlossen.
Die Vorrichtung zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung und die Dampfzelleneinrichtung können sich auch durch die in Verbindung mit dem Verfahren genannten Merkmale und dessen Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Seitendarstellung eines Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6a eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 eine schematische Seitendarstellung einer Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 einen Verfahrensschritt für ein Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Gasverteilungssubstrats; und
14 einen weiteren Verfahrensschritt für ein Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Gasverteilungssubstrats.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Seitendarstellung eines Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In einem ersten Verfahrensschritt S1a wird ein erster Träger T1 bereitgestellt, beispielsweise als Wafer, welcher beispielsweise Silizium umfassen kann. Der erste Träger T1 kann in einem weiteren Schritt S1b mit einem Glasträger 5 verbunden werden, vorteilhaft auf einer ersten Oberseite des ersten Trägers T1. Der erste Träger T1 kann dabei dicker ausgeformt sein als der Glasträger 5. Der erste Träger kann ein von beiden Seiten (oben und unten) polierter Silizium-Wafer sein.
2 zeigt eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nach den Verfahrensschritten der 1 kann ein Ausbilden S2 einer ersten Ausnehmung A1 im ersten Träger T1 erfolgen. Diese erste Ausnehmung A1 kann mit einer vorbestimmten Breite B über die gesamte Dicke d des ersten Trägers T1 in diesen eingebracht werden und sich bis zum Glasträger 5 erstrecken. Die erste Ausnehmung A1 kann etwa durch reaktives lonenätzen eingebracht werden.
3 zeigt eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nach dem Verfahrensschritten der 2 kann ein Aufbringen S3 einer Diffusionsbarriere 6 auf eine dem Glasträger 5 abgewandte Seite T1a des ersten Trägers T1, etwa durch einen Abscheidungsprozess, und in die erste Ausnehmung A1 erfolgen. Dabei kann sich die Diffusionsbarriere 6 auch auf dem Boden der Ausnehmung A1, somit auf dem Glasträger 5, und auf den Seitenwänden den ersten Ausnehmung A1, welche der erste Träger T1 darstellt, befinden. Die Diffusionsbarriere 6 kann beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) umfassen und eine Diffusion von Rb in den Glasträger 5 verringern oder verhindern und beispielsweise mittels ALD-Verfahren aufgebracht werden (atomic layer deposition).
4 zeigt eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nach den Verfahrensschritten der 3 kann ein Anordnen S4 eines ersten Materialdepots MD1 in der ersten Ausnehmung A1 erfolgen. Das erste Materialdepot MD1 kann eine Rubidiumverbindung Rb umfassen. Das erste Materialdepot kann in die Ausnehmung A1 auf deren Boden aufgesetzt werden.
5 zeigt eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nach den Verfahrensschritten der 4 kann ein Anordnen S5 eines zweiten Trägers T2 auf dem ersten Träger T1 erfolgen, wobei der zweite Träger T2 auf der dem Glasträger 5 abgewandten Seite T1a des ersten Trägers T1 und auf der Diffusionsbarriere 6 angeordnet wird, so dass der zweite Träger T2 die erste Ausnehmung A1 überdeckt. Der zweite Träger T2 kann die erste Ausnehmung A1 vollständig verschließen und diese vorzugsweise hermetisch abdichten. Der zweite Träger kann Silizium umfassen und als ein Wafer ausgebildet sein.
Vor dem Anordnen des zweiten Trägers T2 auf dem ersten Träger T1 kann eine Reflexionsschicht R2 bereichsweise auf dem zweiten Träger T2 angeordnet werden, und beim Anordnen S5 des zweiten Trägers T2 auf dem ersten Träger T1 kann die Reflexionsschicht R2 dann der ersten Ausnehmung A1 zugewandt werden. Vor dem Anordnen des zweiten Trägers T2 auf dem ersten Träger T1 kann eine Absorptionsschicht A2 bereichsweise auf dem zweiten Träger T2 angeordnet werden, und beim Anordnen S5 des zweiten Trägers T2 auf dem ersten Träger T1 kann die Absorptionsschicht A2 der ersten Ausnehmung A1 zugewandt werden. Die Absorptionsschicht A2 und die Reflexionsschicht R2 können zueinander lateral und zu den Innenseiten der ersten Ausnehmung lateral beabstandet sein. Das erste Materialdepot MD1 kann der Reflexionsschicht R2 oder der Absorptionsschicht A2 gegenüberliegen.
6a zeigt eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nach den Verfahrensschritten der 5 kann ein Durchloch D im zweiten Träger T2 ausgeformt werden, etwa durch Laserbohren LB, derart dass sich das Durchloch D durch den zweiten Träger T2 bis in die erste Ausnehmung A1 erstreckt. Somit kann nach dem Ausformen des Durchlochs D eine Dampfzelleneinrichtung in einer Vorstufe erzeugt werden, welche noch mit Gas befüllt werden kann und bei welcher das Materialdepot noch durch Einstrahlung (UV) verändert werden kann. Das Durchloch kann alternativ auch schon vor dem Zusammensetzen der beiden Träger im zweiten Träger vorhanden sein.
6b zeigt eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die 6b zeigt eine analoge Ausführung mit einem Durchloch D zur Ausführung der 6a, mit dem Unterschied, dass das Durchloch sich nicht durch die Reflexionsschicht R2 erstreckt, wie in der 6a gezeigt, sondern im lateralen Zwischenbereich zwischen der Reflexionsschicht R2 und der Absorptionsschicht A2. Durch den Zwischenbereich können gegenseitige Einflüsse der beiden Schichten aufeinander verringert oder vermieden werden, etwa durch Verdampfungen oder Aufschmelzen.
7 zeigt eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das den zweiten Träger T2 vollständig durchdringende Durchloch D aus dem Verfahrensschritt der 6a wird in 7 gezeigt. Das Durchloch (oder mehrere Durchlöcher gleichzeitig) kann auch durch einen Trench-Prozess in den Si-Wafer (zweiten Träger) geätzt werden, es ist jedoch auch möglich das Durchloch (oder mehrere Durchlöcher) mit anderen Methoden in den Träger einzubringen, etwa mit chemischen und/oder mechanischen Prozessen.
8 zeigt eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nach den Verfahrensschritten der 6a oder 6b oder 7 (mit durchgehenden Durchloch) kann ein Verbinden S6 der Dampfzelleneinrichtung 1 mit dem Gasverteilungssubstrat 2 erfolgen, derart dass ein abgedichteter Zwischenraum ZR zwischen dem Gasverteilungssubstrat 2 und der Dampfzelleneinrichtung 1 erzeugt wird und das Durchloch D und der Gasverteilungskanal 2a an den Zwischenraum ZR angeschlossen sind.
Das Gasverteilungssubstrat 2 ist mit einer Vorrichtung 10 zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung 1 mit einem Gas ausgeformt, umfassend das Gasverteilungssubstrat 2 mit einem Gaseinlass 3 und zumindest einem Individualgasauslass 4, welches zumindest einen Gasverteilungskanal 2a umfasst, welcher sich von dem Gaseinlass 3 bis zu dem Individualgasauslass 4 für die Dampfzelleneinrichtung 1 erstreckt. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 10 ein Gasreservoir 8, welches an den Gaseinlass 3 anschließbar ist, etwa mit einem Einfüllstutzen; und eine Pumpeinrichtung PE, etwa mit einem Regelventil S (Solenoid-valve), welche mit dem Gasreservoir 8 und mit dem Gaseinlass 3 verbunden ist und dazu eingerichtet ist, um das Gas in den Gasverteilungskanal 2a hineinzupumpen und herauszupumpen und wieder in dem Gasreservoir 8 zu speichern; und eine Abdichteinrichtung AE, etwa eine Dichtung, welche zwischen der Dampfzelleneinrichtung 1 und dem Gasverteilungssubstrat 2 anbringbar ist und mittels welcher ein abgedichteter Zwischenraum ZR zwischen dem Gasverteilungssubstrat 2 und der Dampfzelleneinrichtung 1 erzeugbar ist, durch welchen das Gas von dem Individualgasauslass 4 in die Dampfzelleneinrichtung 1 einleitbar ist.
In einem weiteren Schritt erfolgt dann ein Einleiten S7 des Gases in den Gaseinlass 3 des Gasverteilungskanals 2a und ein Befüllen der ersten Ausnehmung A1 mit dem Gas. Bei dem Gas kann es sich um ein Xenongemisch (Xenonisotope 129 und 131) und eventuelle weiter beigemischte Gase, z.B. N2 oder H2 oder Mischungen hieraus handeln. Das Gas kann somit durch das Durchloch D in die erste Ausnehmung A1 eingeleitet werden. Die Pumpe PE kann selbst auch mit einer weiteren Abdichteinrichtung AE' auf dem Gasverteilungssubstrat 2 angebracht und abgedichtet werden und mit dem Gaseinlass 3 abgedichtet verbunden werden.
9 zeigt eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nach den Verfahrensschritten der 8 erfolgt ein Verschließen S8 des Durchlochs D mittels einer Laserstrahlung LS durch den Glasträger 5. Hierbei kann des Material des zweiten Trägers T1 im Bereich des Durchlochs zu ersten Ausnehmung A1 hin verschmolzen werden und das Durchloch dort schließen (Laser-reseal). Das Verschmelzen kann mit einem für das Material des zweiten Trägers und zum Durchdringen der Diffusionsbarriere und des Glasträgers geeigneter Laser genutzt werden. Das Material des zweiten Trägers, etwa Silizium, kann an dem Durchloch (um dieses herum) lokal erwärmt und aufgeschmolzen werden. Durch eine Minimierung der Oberflächenenergie des geschmolzenen Materials kann das Durchloch verschlossen werden, zumindest an die erste Ausnehmung angrenzend. Nach einem Erstarren des verschmolzenen Materials kann ein dauerhafter hermetischer Verschluss der ersten Ausnehmung erzielt werden. Der Glasträger 5 und die Diffusionsbarriere 6 für die Materialien, welche für die erste Ausnehmung A1 vorgesehen sind, können vorteilhaft transparent für die Laser-reseal Laserstrahlung LS sein.
10 zeigt eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nach den Verfahrensschritten der 9 kann ein Absaugen des Gases aus dem Gasverteilungssubstrat 2 erfolgen, dabei kann wenig oder kein Restgas in den Gasverteilungskanal 2a verbleiben und das Gas wieder zum Befüllen weiterer Zellen oder zu anderen Zwecken genutzt werden. Das Restgas kann in das Gasreservoir 8 oder in ein weiteres Reservoir 8' geleitet werden, etwa mit der Pumpeinrichtung PE oder mit einer Zusatzpumpe PE', etwa eine Vakuumpumpe. In den 8, 9, 10 und 11 sind die mit Gas befüllten Bereiche mit einer Schraffierung versehen.
11 zeigt eine schematische Seitendarstellung eines weiteren Verfahrensschrittes eines Verfahrens zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nachdem die Dampfzelleneinrichtung 1 gemäß der 10 bereitgestellt wurde, kann ein UV Licht von außen durch den Glasträger 5 auf das erste Materialdepot MD1 eingestrahlt werden, und vorteilhaft dessen chemische Konsistenz verändern. Das erste Materialdepot kann ursprünglich als Festkörper in die erste Ausnehmung eingebracht werden. Das erste Materialdepot MD1 kann beispielsweise eine Rubidiumverbindung umfassen und zu einem metallischen Rubidium, verändert werden, welches sich dann mit dem eingeleiteten Gas in der ersten Ausnehmung A1 mischen kann. Die Diffusionsbarriere 6 kann vorteilhaft auf ein Eindringen dieser neuen Substanz in den Glasträger 5 verhindern. Rb liegt bei Raumtemperatur im festen Aggregatzustand vor. Der Schmelzpunkt liegt bei Atmosphärendruck bei 39°C. Durch Beheizen der Dampfzelle im Betreib auf ca. 115°C, etwa mit einem Laser, kann Rb in hinreichend hohem Dampfdruck als atomares Gas vorliegen (betreffend ein Erwärmen eines ursprünglichen ersten Materialdepots oder eines UV-veränderten).
12 zeigt eine schematische Seitendarstellung einer Dampfzelleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nachdem das erste Materialdepot nach der Darstellung in der 11 verändert wurde, ist die Dampfzelleneinrichtung 1 fertiggestellt und kann als Sensor, etwa als Gyroskop, vorteilhaft als MEMS-Bauteil, verwendet werden. Die Schritte der 1 bis 11 können auch zur Herstellung einer Vielzahl von Dampfzelleneinrichtungen 1 genutzt werden, welche gleichzeitig mit dem ersten und dem zweiten Träger und jeweiligen Ausnehmungen geformt werden können. Von einem zentralen Gaseinlass 3 kann dabei an die Vielzahl der Individualauslässe 4 das Gas in die jeweiligen Ausnehmungen eingeleitet werden. Nach dem Schritt der 11 kann dann ein Vereinzeln in die jeweiligen einzelnen Dampfzelleneinrichtungen 1 erfolgen.
Zum Betrieb kann der erste und/oder der zweite Träger T2 mit einer Strahlung H aufgeheizt werden, beispielsweise auf etwa 100 °C.
Ein Teststrahl Lin kann von außen durch den Glasträger 5 in ein Testvolumen VT einstrahlen, etwa unter +/- 45°. Ein Pumplaserstrahl (vertikaler Pfeil durch den Kreis VT, kann auf eine Absorptionsschicht treffen) kann in einem Kreis VT (Testvolumen) eine geometrische Schnittmenge von Pump-Laserstrahl und Teststrahl Lin bilden, was ein effektives Messvolumen innerhalb der Dampfzelle definieren kann.
Eine erfindungsgemäße Dampfzelleneinrichtung 1 kann vorteilhaft als Gyroskop verwendet werden, etwa im Automobilbereich oder bei anderen Fahrzeugen, etwa für autonom fahrende Fahrzeuge.
Durch optisches Pumpen wird der Elektronenspin von Rb in der Dampfzelle polarisiert. Diese Elektronenspin-Polarisation führt durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen Rb und Xe zu einer Polarisation des Xe-Kernspins. Dieser wird dann über ein magnetisches Feld in z-Richtung zur Präzession gebracht. Damit alle Kerne gleichphasig präzidieren wird ein magnetisches Wechselfeld in x-Richtung aufgeprägt dessen Frequenz der Lamorfrequenz vom Xe entspricht. Die durch die gleichphasige Kernspinpräzession hervorgerufene periodische Magnetfeldänderung wirkt zurück auf den Rb-Elektronenspin und kann durch den Faraday Effekt im Rb mit einem Probelaser nachgewiesen werden.
13 zeigt einen Verfahrensschritt für ein Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Gasverteilungssubstrats.
Ein einem ersten Wafer W1 kann eine Strukturierung erfolgen, die als Ausnehmung einen oder mehrere Kanäle AN ergibt. Das Strukturieren kann durch Ätzen der Kanäle, etwa reaktives lonenätzen oder andere Ätzprozesse, oder durch andere chemische oder mechanische Verfahren erfolgen. In einem zweiten Wafer W2 kann ein Gaseinlass 3, durch diesen Wafer durchgehend, sowie ein oder mehrere Individualgasauslässe 4, durch diesen Wafer durchgehend, ausgeformt werden. Die beiden Wafer W1 und W2 können jeweils Silizium oder Glas oder ein anderes gleiches oder verschiedenes Material umfassen.
14 zeigt einen weiteren Verfahrensschritt für ein Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Gasverteilungssubstrats.
Die beiden Wafer W1 und W2 aus der 13 können miteinander verbunden werden, etwa durch anodisches oder andersartiges Bonden oder direktes Bonden, vorteilhaft so dass der Gaseinlass 3 und die/der Individualgasauslässe 4 mit dem einen oder mehreren mehrere Kanälen AN verbunden sind. Der Kanal bildet dann den Gasverteilungskanal 2a im Gasverteilungssubstrat 2. Durch ein derartiges Gasverteilungssubstrat kann ein Befüllen einer oder mehrerer Dampfzelleneinrichtungen gleichzeitig oder nacheinander erfolgen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8217293 [0005]

Claims

Vorrichtung (10) zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung (1) mit einem Gas, umfassend - ein Gasverteilungssubstrat (2) mit einem Gaseinlass (3) und zumindest einem Individualgasauslass (4), welches zumindest einen Gasverteilungskanal (2a) umfasst, welcher sich von dem Gaseinlass (3) bis zu dem Individualgasauslass (4) für die Dampfzelleneinrichtung (1) erstreckt; - ein Gasreservoir (8), welches an den Gaseinlass (3) anschließbar ist; und - eine Pumpeinrichtung (PE), welche mit dem Gasreservoir (8) und mit dem Gaseinlass (3) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, um das Gas in den Gasverteilungskanal (2a) hineinzupumpen und herauszupumpen und wieder in dem Gasreservoir (8) zu speichern; und - eine Abdichteinrichtung (AE), welche zwischen der Dampfzelleneinrichtung (1) und dem Gasverteilungssubstrat (2) anbringbar ist und mittels welcher ein abgedichteter Zwischenraum (ZR) zwischen dem Gasverteilungssubstrat (2) und der Dampfzelleneinrichtung (1) erzeugbar ist, durch welchen das Gas von dem Individualgasauslass (4) in die Dampfzelleneinrichtung (1) einleitbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, welche eine Vielzahl von Gasverteilungskanälen (2a) umfasst, welche mit dem Gaseinlass (3) und jeweils mit einem Individualgasauslass (4) für eine jeweilige Dampfzelleneinrichtung (1) verbunden sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das Gasverteilungssubstrat (2) als ein MEMS-Wafer ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer mit einem Gas befüllten Dampfzelleneinrichtung (1) mittels einer Vorrichtung (10) zum Befüllen einer Dampfzelleneinrichtung (1) mit einem Gas nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfassend die Schritte: - Bereitstellen (S1a) eines ersten Trägers (T1) und Verbinden (S1b) des ersten Trägers (T1) mit einem Glasträger (5); - Ausbilden (S2) zumindest einer ersten Ausnehmung (A1) im ersten Träger (T1), welche sich bis zum Glasträger (5) erstreckt; - Aufbringen (S3) einer Diffusionsbarriere (6) auf eine dem Glasträger (5) abgewandte Seite (T1a) des ersten Trägers (T1) und in die erste Ausnehmung (A1); - - Anordnen (S5) eines zweiten Trägers (T2) auf dem ersten Träger (T1), wobei der zweite Träger (T2) auf der dem Glasträger (5) abgewandten Seite (T1a) des ersten Trägers (T1) und auf der Diffusionsbarriere (6) angeordnet wird, so dass der zweite Träger (T2) die erste Ausnehmung (A1) überdeckt, wobei der zweite Träger (T2) ein Durchloch (D) aufweist oder das Durchloch (D) nach dem Anordnen (S5) des zweiten Trägers (T2) auf dem ersten Träger (T1) im zweiten Träger (T2) ausgeformt wird, derart dass sich das Durchloch (D) durch den zweiten Träger (T2) bis in die erste Ausnehmung (A1) erstreckt, und wobei durch das Anordnen (S5) des zweiten Trägers (T2) auf dem ersten Träger (T1) die Dampfzelleneinrichtung (1) erzeugt wird; - Verbinden (S6) der Dampfzelleneinrichtung (1) mit dem Gasverteilungssubstrat (2), derart dass ein abgedichteter Zwischenraum (ZR) zwischen dem Gasverteilungssubstrat (2) und der Dampfzelleneinrichtung (1) erzeugt wird und das Durchloch (D) und der Gasverteilungskanal (2a) an den Zwischenraum (ZR) angeschlossen werden; - Einleiten (S7) des Gases in den Gaseinlass (3) des Gasverteilungskanals (2a) und Befüllen der ersten Ausnehmung (A1) mit dem Gas; und - Verschließen (S8) des Durchlochs (D) mittels einer Laserstrahlung durch den Glasträger (5).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei vor dem Anordnen (S5) des zweiten Trägers (T2) auf dem ersten Träger (T1) ein erstes Materialdeport (MD1) in der ersten Ausnehmung angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem vor dem Anordnen des zweiten Trägers (T2) auf dem ersten Träger (T1) eine Reflexionsschicht (R2) bereichsweise auf dem zweiten Träger (T2) angeordnet wird, und beim Anordnen (S5) des zweiten Trägers (T2) auf dem ersten Träger (T1) die Reflexionsschicht (R2) der ersten Ausnehmung (A1) zugewandt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6 , bei welchem vor dem Anordnen des zweiten Trägers (T2) auf dem ersten Träger (T1) eine Absorptionsschicht (A2) bereichsweise auf dem zweiten Träger (T2) angeordnet wird, und beim Anordnen (S5) des zweiten Trägers (T2) auf dem ersten Träger (T1) die Absorptionsschicht (A2) der ersten Ausnehmung (A1) zugewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem das Durchloch (D) derart eingebracht wird, dass es die Reflexionsschicht (R2) oder die Absorptionsschicht (A2) durchdringt.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, bei welchem das Durchloch (D) derart eingebracht wird, dass es den zweiten Träger (T2) lateral zwischen der Reflexionsschicht (R2) und der Absorptionsschicht (A2) durchdringt, wobei die Reflexionsschicht (R2) und die Absorptionsschicht (A2) lateral voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei welchem das Gas nach dem Verschließen (S8) des Durchlochs (D) wieder durch den Gasverteilungskanal (2a) in ein Gasreservoir (8) zurückgezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei welchem das erste Materialdepot (MD1) durch den Glasträger (5) hindurch mit einem Ultraviolet-Licht bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei welchem Xenon als Gas verwendet wird und Rubidium oder eine Rubidiumverbindung als das erste Materialdepot (MD1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, bei welchem als Gas ein Gemisch aus isotopenreinem ¹²⁹Xe und ¹³¹Xe verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, bei welchem als Gas ein Gemisch aus isotopenreinem ¹²⁹Xe und ¹³¹Xe und einer Beimischung von weiteren Gasen wie Stickstoff, Wasserstoff, oder Helium verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei welchem als Materialdepot reines ⁸⁵Rb oder reines ⁸⁷Rb oder in definiertes Gemisch aus ⁸⁵Rb und ⁸⁷Rb verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei welchem als Materialdepot statt Rubidium Kalium oder Cäsium verwendet wird.
Dampfzelleneinrichtung (1), welche mit einem Gas befüllbar ist, umfassend - einen ersten Träger (T1) und einen Glasträger (5), welcher mit dem ersten Träger (T1) verbunden ist, wobei der erste Träger (T1) eine erste Ausnehmung (A1) umfasst, welche sich bis zum Glasträger (5) erstreckt; - eine Diffusionsbarriere (6),welche auf einer dem Glasträger (5) abgewandten Seite (T1a) des ersten Trägers (T1) und in der ersten Ausnehmung (A1) angeordnet ist; - ein erstes Materialdepot (MD1) in der ersten Ausnehmung (A1), welches durch den Glasträger (5) mit UV-Licht bestrahlbar ist; - einen zweiten Träger (T2) auf dem ersten Träger (T1), wobei der zweite Träger (T2) auf der dem Glasträger (5) abgewandten Seite (T1a) des ersten Trägers (T1) und auf der Diffusionsbarriere (6) angeordnet ist, so dass der zweite Träger (T2) die erste Ausnehmung (A1) überdeckt, wobei der zweite Träger (T2) ein Durchloch (D) aufweist, derart dass sich das Durchloch (D) durch den zweiten Träger (T2) bis in die erste Ausnehmung (A1) erstreckt, wobei ein Gas durch das Durchloch (D) in die erste Ausnehmung (A1) einleitbar ist und danach das Durchloch (D) mittels einer Laserstrahlung durch den Glasträger (5) verschließbar ist.
Dampfzelleneinrichtung (1) nach Anspruch 16, bei welcher der erste Träger (T1) und der zweite Träger (T2) Silizium umfassen und die erste Ausnehmung (A1) hermetisch verschlossen ist.