DE102021212479A1 - Vapor cell, sensor with vapor cell and method of manufacturing a vapor cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Dampfzelle aufweisend ein Substrat mit einer Substratebene, wobei in dem Substrat ein Substratboden und eine sich vom Substratboden erstreckende, einen Dampfzellenhohlraum ausbildende Substratwand gebildet sind, wobei die Substratwand wenigstens zwei Öffnungen zum Durchstrahlen mit Licht aufweist, und eine Glasabdeckung zum Einschließen des Dampfzellenhohlraums. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dampfzelle und einen Sensor mit einer solchen Dampfzelle, einer Lichtquellenanordnung zum Einstrahlen von Licht in eine der wenigstens zwei Öffnungen in der Substratwand und eine Photodetektoranordnung zum Empfangen von Licht aus einer anderen der wenigstens zwei Öffnungen in der Substratwand.The invention relates to a vapor cell having a substrate with a substrate plane, a substrate base and a substrate wall extending from the substrate base and forming a vapor cell cavity being formed in the substrate, the substrate wall having at least two openings for light to shine through, and a glass cover for enclosing the vapor cell cavity. The invention further relates to a method for producing such a vapor cell and a sensor with such a vapor cell, a light source arrangement for radiating light into one of the at least two openings in the substrate wall and a photodetector arrangement for receiving light from another of the at least two openings in the substrate wall.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfzelle, einen Sensor mit einer solchen Dampfzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dampfzelle.The present invention relates to a vapor cell, a sensor with such a vapor cell and a method for producing such a vapor cell.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Man kann Quantensensoren unter anderem für Atom-Uhren, -Magnetometer, - Gyroskope, -Quantenspeicher, -Lichtquellen, -Präzisionsmessgeräte und - Bildgebung verwenden. Diese Quantensensoren beruhen auf der präzisen Kontrolle eines präparierten atomaren Gases in einem abgeschlossenen Probenvolumen. Dieses Probenvolumen kann durch Dampfzellen realisiert werden. In diesen können Alkaliatome wie Kalium (K), Cäsium (Cs) oder Rubidium (Rb) gasförmig vorliegen und unter einem definierten Druck stehen.Quantum sensors can be used for atomic clocks, magnetometers, gyroscopes, quantum memories, light sources, precision measuring devices and imaging, among other things. These quantum sensors are based on the precise control of a prepared atomic gas in a closed sample volume. This sample volume can be realized by steam cells. In these, alkali atoms such as potassium (K), cesium (Cs) or rubidium (Rb) can be present in gaseous form and under a defined pressure.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß werden eine Dampfzelle, ein Sensor mit einer solchen Dampfzelle und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dampfzelle mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a steam cell, a sensor with such a steam cell and a method for producing such a steam cell with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.
Im Einzelnen weist die erfindungsgemäße Dampfzelle ein Substrat, insbesondere Silizium-Substrat, mit einer Substratebene auf, wobei in dem Substrat ein Substratboden und eine sich vom Substratboden erstreckende, einen Dampfzellenhohlraum ausbildende Substratwand gebildet sind, wobei die Substratwand wenigstens zwei Öffnungen zum Durchstrahlen mit Licht aufweist. Zusätzlich weist die Dampfzelle eine Glasabdeckung zum Einschließen des Dampfzellenhohlraums auf, die vorzugsweise durch ein Glas-Reflow-Verfahren, d.h. ein thermisches Erweichen und „Fließen“ des Glases, gebildet ist. Als Glas eignet sich dafür vorzugsweise Borosilikatglas, Phosphorsilikatglas oder Borphosphorsilikatglas.In detail, the vapor cell according to the invention has a substrate, in particular a silicon substrate, with a substrate plane, with a substrate base and a substrate wall extending from the substrate base and forming a vapor cell cavity being formed in the substrate, the substrate wall having at least two openings for light to pass through . In addition, the vapor cell includes a glass cover for enclosing the vapor cell cavity, which is preferably formed by a glass reflow process, i.e., thermally softening and "flowing" the glass. Borosilicate glass, phosphorus silicate glass or borophosphorus silicate glass is preferably suitable as the glass.
Dadurch lassen sich die vorteilhaften und erprobten Herstellungsmöglichkeiten von Wafer- bzw. Halbleiterstrukturen mit den optischen Vorteilen einer Glasschicht für die Durchlässigkeit von Licht verbinden.As a result, the advantageous and tried-and-tested production options for wafer or semiconductor structures can be combined with the optical advantages of a glass layer for light transmission.
Durch das Reflow-Verfahren umgibt die Glasabdeckung die Substratwand (bzw. schließt diese ein) und verbindet sich mit dem Substratboden. Es wird also ein gasdichtes Volumen gebildet. Insbesondere lassen sich auch in Bezug auf die Substratebene schräge Glaswände (und nicht nur parallele) herstellen, so dass eine Durchstrahlung der Dampfzelle parallel zur Substratebene möglich wird. Dazu weist die Substratwand die wenigstens zwei Öffnung auf, die jedoch auch innerhalb des von der Glasabdeckung eingeschlossen Volumens liegen. Insbesondere kann die Glasabdeckung mit der Substratebene einen Winkel kleiner 90° und/oder größer 45° einschließen. Schräge Glaswände verhindern auch ein Rückstrahlen von Anregungslicht, üblicherweise Laserlicht, in die Lichtquelle und eine daraus resultierende Beschädigung der Lichtquelle.Due to the reflow process, the glass cover surrounds (or encloses) the substrate wall and connects to the substrate base. A gas-tight volume is thus formed. In particular, inclined glass walls (and not just parallel ones) can also be produced in relation to the substrate plane, so that radiation through the vapor cell is possible parallel to the substrate plane. For this purpose, the substrate wall has the at least two openings, which, however, also lie within the volume enclosed by the glass cover. In particular, the glass cover can enclose an angle of less than 90° and/or greater than 45° with the substrate plane. Sloping glass walls also prevent excitation light, usually laser light, from reflecting back into the light source and resulting damage to the light source.
Bei herkömmlichen Dampfzellen mit Glasböden und Glasdeckeln ist nur eine Durchstrahlung senkrecht zur Substratebene möglich, so dass die Wechselwirkungslänge sehr klein ist. Bei der Erfindung ist die Wechselwirkungslänge nur durch die „horizontale“ Ausdehnung der Dampfzelle begrenzt, die mehr oder weniger beliebig groß gewählt werden kann. Um, insbesondere bei großer Ausdehnung, ein Eindringen des erweichten Glases in die Dampfzelle beim Reflow-Verfahren zu verhindern, können Stützstrukturen, wie z.B. Säulen, horizontale Balken o.ä., in der Dampfzelle ausgebildet sein.In conventional vapor cells with glass bottoms and glass lids, only radiation perpendicular to the substrate plane is possible, so that the interaction length is very small. In the case of the invention, the interaction length is limited only by the “horizontal” expansion of the vapor cell, which can be chosen more or less as large as desired. In order to prevent the softened glass from penetrating into the vapor cell during the reflow process, particularly in the case of large expansions, supporting structures such as columns, horizontal bars or the like can be formed in the vapor cell.
Vorzugsweise ist die Glasabdeckung (vor dem Erhitzen) auf die Substratwand gebondet. Damit kann eine noch bessere Abdichtung erzielt werden.Preferably the glass cover is bonded (prior to heating) to the substrate wall. An even better seal can thus be achieved.
Um eine größtmögliche Wechselwirkungslänge zu erzielen, weist die Substratwand vorzugsweise zwei ein Paar bildende Öffnungen zum Durchstrahlen mit Licht auf, die so in der Substratwand platziert sind, dass sie einen größtmöglichen Abstand voneinander aufweisen. Verläuft die Substratwand zylinderförmig, befinden sich die beiden Öffnungen eines Paars gegenüberliegend an einem Durchmesser, d.h. die Verbindungsgerade des Paares ist ein Durchmesser. Es versteht sich, dass die Substratwand auch polygonal, z.B. rechteckig, oder elliptisch oder in anderer beliebiger Form verlaufen kann.In order to achieve the greatest possible interaction length, the substrate wall preferably has have two pair of openings for light transmission, which are placed in the substrate wall so that they are as far away from each other as possible. If the substrate wall is cylindrical, the two openings of a pair are located opposite one another at a diameter, ie the straight line connecting the pair is a diameter. It goes without saying that the substrate wall can also run polygonally, for example rectangularly, or elliptically or in any other shape.
Um eine Messung mehrerer Richtungen möglich zu machen, weist die Substratwand vorzugsweise zwei solche Paare von Öffnungen zum Durchstrahlen mit Licht auf. Die Verbindungsgeraden der zwei Paare stehen dann in bevorzugter Ausgestaltung zweckmäßigerweise senkrecht aufeinander.In order to make it possible to measure in several directions, the substrate wall preferably has two such pairs of openings for the passage of light. In a preferred embodiment, the straight lines connecting the two pairs are then expediently perpendicular to one another.
Zur Bildung eines Sensors enthält die Dampfzelle vorzugsweise ein Edelgas und Alkalimetall. Das Edelgas kann insbesondere Xenon, Helium, Krypton oder Neon oder ein spezielles Isotopengemisch der Gase sein, zum Beispiel Xe-129 und Xe-131. Auch eine Edelgasmischung mit speziell eingestelltem Isotopengemisch von zum Beispiel Xenon mit mindestens einem anderen Gas wie z.B. Helium, Neon oder Krypton ist denkbar. Auch die Befüllung mit weiteren Gasen ist denkbar. Insbesondere Stickstoff ist als weiteres Füllgas für NMR-Gyroskop-Dampfzellen vorteilhaft. Dieser dient als Puffergas und sorgt dafür, dass die Alkalimetall-Atome und die Edelgas-Atome nicht durch Wandstöße ihre Spin-Polarisation verlieren. Bevorzugt ist das Alkalimetall Rubidium. Dies ist besonders vorteilhaft, da es bei etwa 110 bis 120° C gasförmig ist und Rubidium-Elektronenspins gut mit Xenon-Kernspins koppeln.The vapor cell preferably contains an inert gas and alkali metal to form a sensor. In particular, the noble gas can be xenon, helium, krypton or neon or a special isotope mixture of the gases, for example Xe-129 and Xe-131. A noble gas mixture with a specially adjusted isotope mixture of, for example, xenon with at least one other gas such as helium, neon or krypton is also conceivable. Filling with other gases is also conceivable. Nitrogen in particular is advantageous as a further filling gas for NMR gyroscope vapor cells. This serves as a buffer gas and ensures that the alkali metal atoms and the noble gas atoms do not lose their spin polarization due to wall collisions. The alkali metal is preferably rubidium. This is particularly advantageous as it is gaseous at around 110 to 120°C and rubidium electron spins couple well with xenon nuclear spins.
Ein erfindungsgemäßer Sensor weist eine erfindungsgemäße Dampfzelle, eine Lichtquellenanordnung zum Einstrahlen von Licht, insbesondere Pump- bzw. Anregungslicht und/oder Proben- bzw. Auswertelicht, in eine der wenigstens zwei Öffnungen in der Substratwand, und eine Photodetektoranordnung zum Empfangen von Licht aus einer anderen der wenigstens zwei Öffnungen in der Substratwand auf. Damit wird ein kompakter und robuster und insbesondere einfach herzustellender Sensor vorgestellt. Ein solcher Sensor kann insbesondere ein NMR-Gyroskop oder ein Zeitsensor sein.A sensor according to the invention has a vapor cell according to the invention, a light source arrangement for radiating light, in particular pump or excitation light and/or sample or evaluation light, into one of the at least two openings in the substrate wall, and a photodetector arrangement for receiving light from another of the at least two openings in the substrate wall. A compact and robust sensor that is particularly easy to produce is thus presented. Such a sensor can in particular be an NMR gyroscope or a time sensor.
Vorzugsweise sind Lichtquellenanordnung und Photodetektoranordnung auf einem gemeinsamen Sensorsubstrat angeordnet und können so einen Elektronikteil des Sensors bilden. Auf dem gemeinsamen Sensorsubstrat können auch alle weiteren nötigen elektrischen Bauteile zur Kontaktierung (insbesondere auch durch das Sensorsubstrat hindurch mittels elektrischer Durchführungen), Stromversorgung usw. angeordnet werden. Auch optische Bauteile z.B. zur Strahlformung oder Strahlumlenkung, wie z.B. Polarisationsfilter, Spiegel, Prismen, Linsen, Blenden usw. können dort einfach platziert werden. So können einerseits eine Vielzahl von Dampfzellen und andererseits eine Vielzahl von Elektronikteilen separat hergestellt und dann einfach zu einem Sensor zusammengefügt werden.The light source arrangement and the photodetector arrangement are preferably arranged on a common sensor substrate and can thus form an electronic part of the sensor. All other necessary electrical components for contacting (in particular also through the sensor substrate by means of electrical feedthroughs), power supply, etc. can also be arranged on the common sensor substrate. Optical components, e.g. for beam shaping or beam deflection, such as polarization filters, mirrors, prisms, lenses, screens, etc. can also be easily placed there. On the one hand, a large number of vapor cells and, on the other hand, a large number of electronic parts can be manufactured separately and then simply assembled to form a sensor.
Bevorzugt liegt im Detektionspfad ein polarisationstrennendes Element wie ein Wollaston-Prisma mit zwei Detektoren. Auf diese Weise können Intensitäten für zueinander orthogonal liegende Polarisationsrichtungen ermittelt werden.A polarization-separating element such as a Wollaston prism with two detectors is preferably located in the detection path. Intensities for mutually orthogonal polarization directions can be determined in this way.
Vorzugsweise ist der Elektronikteil in einer Einkapselung eingeschlossen, welche vorzugsweise gasdicht ist, so dass dort insbesondere eine erwünschte Atmosphäre, z.B. Schutzgasatmosphäre (mit Edelgas und/oder Stickstoff usw.), herrschen kann. Die Einkapselung kann zumindest teilweise durch Substratwände und/oder die Glasabdeckung und/oder weitere Dichtungselemente wie z.B. Kunststoff oder Kunstharz gebildet sein.The electronics part is preferably enclosed in an encapsulation, which is preferably gas-tight, so that in particular a desired atmosphere, e.g. protective gas atmosphere (with inert gas and/or nitrogen, etc.), can prevail there. The encapsulation can be at least partially formed by substrate walls and/or the glass cover and/or other sealing elements such as plastic or synthetic resin.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.The invention is shown schematically in the drawings using an exemplary embodiment and is described below with reference to the drawings.
Figurenlistecharacter list
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1a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dampfzelle in einer schematischen Schnittansicht,1a shows a preferred embodiment of a vapor cell according to the invention in a schematic sectional view, -
1b in einer Draufsicht.1b in a top view. -
2a zeigt einen Elektronikteil einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors in einer schematischen Schnittansicht,2a shows an electronic part of a preferred embodiment of a sensor according to the invention in a schematic sectional view, -
2b in einer Draufsicht.2 B in a top view. -
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer Dampfzelle gemäß1 und Elektronik gemäß2 .3 shows a preferred embodiment of a sensor according to the invention with a vapor cell according to1 and electronics according to2 . -
4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemä-ßen Sensors mit einer Dampfzelle gemäß1 und Elektronik gemäß2 .4 shows a further preferred embodiment of a sensor according to the invention with a vapor cell according to FIG1 and electronics according to2 . -
5 zeigt die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors aus3 in einer Draufsicht.5 shows the preferred embodiment of the sensor according to the invention3 in a top view. -
6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors in einer Draufsicht.6 shows a further preferred embodiment of a sensor according to the invention in a plan view. -
7a zeigt Schritte einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Dampfzelle in einer schematischen Schnittansicht,7a shows steps of a preferred embodiment of a method according to the invention for producing a vapor cell in a schematic sectional view, -
7b in einer Draufsicht.7b in a top view. -
8a zeigt Schritte einer alternativen bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Dampfzelle in einer schematischen Schnittansicht,8a shows steps of an alternative preferred embodiment of a method according to the invention for producing a vapor cell in a schematic sectional view, -
8b in einer Draufsicht.8b in a top view.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Dampfzelle 110 weist ein Substrat 11 mit einer in der Figur horizontal verlaufenden Substratebene bzw. Haupterstreckungsebene 10 auf. In dem Substrat 11 ist ein Substratboden 11a gebildet, der sich vorliegend entlang der Substratebene 10 erstreckt. Aus dem Substratboden 11a erstreckt sich - hier im Wesentlichen senkrecht - eine Substratwand 11b, die, wie in der Draufsicht in
In der Seitenwand 11b sind auf einem Durchmesser gegenüberliegend zwei Öffnungen 13 ausgebildet, die vorliegend in Form von Schlitzen bzw. Spalten in der Seitenwand 11b ausgeführt sind.In the
Oberhalb des Substrats 11 ist eine Glasabdeckung 12 zum Einschließen des Dampfzellenhohlraums 9 angeordnet, die durch ein Glas-Reflow-Verfahren gebildet ist, sodass ein Bereich 12a der Abdeckung 12 außerhalb des Dampfzellenhohlraums mit dem Substratboden 11a verbunden ist, ein Bereich 12b der Abdeckung 12 den Dampfzellenhohlraum 9 nach oben abschließt und ein Bereich 12c der Abdeckung 12 schräge Wände bildet, die mit dem Substratboden 11a und der Substratebene 10 einen Winkel von hier ca. 75-80° einschließen. Wie später in
Der Elektronikteil 200 weist eine Lichtquellenanordnung 201 zum Erzeugen eines polarisierten Pump-Laserstrahls und/oder polarisierten Auswerte-Laserstrahls 8b auf. Die Lichtquellenanordnung 201 kann somit ein oder zwei Laserlichtquellen aufweisen. Beispielsweise soll ein Pumplaser zirkular polarisiertes Licht in einer Frequenz, die dazu geeignet ist, die Elektronenspins der Rubidiumatome zu polarisieren, ausstrahlen. Ein Auswerte-Laserstrahl soll aufgrund des Faraday-Effekts mit den Elektronenspins des Rubidiums wechselwirken.The
Weiterhin weist der Elektronikteil 200 eine Photodetektoranordnung 205 auf, die vorliegend neben einem oder zwei Photodetektoren z.B. in Form von Photodioden einen Strahlumlenker 203, hier in Form eines Strahlteilerprismas, beispielsweise in Form eines Wollaston-Prismas, aufweist, in der Folge steht eine Sensorebene nicht senkrecht zu der Richtung des einfallenden Lichts, sondern verläuft in der Figur im Wesentlichen parallel dazu und parallel zum Sensorsubstrat. Dadurch kann die Sensorebene vergrößert werden. Auch wirkt das Strahlteilerprisma hier als polarisierender Strahlteiler, so dass ein Differenzsignal zwischen den beiden Polarisationsrichtungen gebildet werden kann, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu erhöhen.Furthermore, the
Die Lichtquellenanordnung 201 und die Photodetektoranordnung 205 sind auf einem gemeinsamen Sensorsubstrat 202 angeordnet. Sowohl die Lichtquellenanordnung 201 als auch die Photodetektoranordnung 205 können mittels Durchführungen 204 (Vias) im Sensorsubstrat 202 kontaktiert werden, sodass eine elektrische Kontaktierung von der Oberseite in
In
Die Seitenwände 11c können beispielsweise zylinderförmig, polygonal (insbesondere rechteckig) usw. um die in
In
Auf den in den
Aus den
In
In einem ersten Schritt wird ein Substrat 11 bereitgestellt und Substratmaterial so entfernt, dass ein Substratboden 11a und eine sich vom Substratboden, hier im Wesentlichen senkrecht, erstreckende, einen Dampfzellenhohlraum 9 ausbildende Substratwand 11b mit zwei Öffnungen 13, und im Falle der Ausführungsform gemäß
In einem späteren Schritt wird unter Bereitstellung einer erwünschten Atmosphäre, welche das in dem Dampfzellenhohlraum 9 vorzusehende Gasgemisch enthält, eine Glasschicht 12, beispielsweise Borosilikatglas, in Form einer Scheibe auf die Substratwand 11b aufgebracht. Insbesondere kann die Glasschicht 12 dann auf die Substratwand 11b und gegebenenfalls Seitenwände 11c gebondet werden, um an dieser Stelle bereits eine feste Verbindung herzustellen.In a later step, to provide a desired atmosphere containing the gas mixture to be provided in the
Schließlich wird die Glasschicht 12 in einem Glas-Reflow-Verfahren so erhitzt, dass diese erweicht und an nicht abgestützten Stellen nach unten, das heißt in Richtung Substratboden fließt und dadurch die Glasabdeckung 12 zum Einschließen des Dampfzellenhohlraums 9 bildet. Abstützungen können insbesondere durch Substratsäulen bzw. Substratbalken, die bei der Herstellung innerhalb des Dampfzellenhohlraums stehengelassen werden, bewirkt werden.Finally, the
Die Glasabdeckung 12 verbindet sich in Bereichen 12a mit dem Substratboden 11a gasdicht, sodass der Dampfzellenhohlraum 9 gasdicht eingeschlossen ist. The
In
In einem späteren Schritt wird eine Öffnung 14 in den Deckelbereich 12b der Glasabdeckung 12 eingebracht, durch welche das gewünschte Gasgemisch in den Dampfzellenhohlraum 9 eingebracht wird. Die Öffnung kann beispielsweise gebohrt oder durch einen Laser, der dazu eingerichtet ist, eine Öffnung durch Aufschmelzen des Glases zu erzeugen, gebildet werden.In a later step, an
Anschließend wird die Öffnung 14 wieder verschlossen, beispielsweise durch Verschmelzen. Beispielsweise kann dazu eine Glaskugel auf die Öffnung 14 aufgelegt und durch Aufschmelzen mittels eines Lasers die Öffnung verschlossen werden.The
Zur Bildung eines Sensors wird dann noch, in den Figuren nicht gezeigt, der Elektronikteil 200 auf die Dampfzelle aufgebracht und zweckmäßigerweise fest mit der Dampfzelle bzw. deren Glasabdeckung verbunden, beispielsweise verklebt. Dies erfolgt zweckmäßigerweise in einer gewünschten Gasatmosphäre, die damit für den Elektronikteil in dessen Einkapselung konserviert wird.In order to form a sensor, the electronics part 200 (not shown in the figures) is then applied to the vapor cell and expediently firmly connected to the vapor cell or its glass cover, for example glued. This is expediently done in a desired gas atmosphere, which is thus preserved for the electronic part in its encapsulation.
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- 2021-11-05 DE DE102021212479.8A patent/DE102021212479A1/en active Pending
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