DE102022202178A1

DE102022202178A1 - Dampfzelle mit verbesserter Heizerstruktur

Info

Publication number: DE102022202178A1
Application number: DE102022202178.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Brenneis; Janine Riedrich-Moeller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-09-07
Also published as: CN116699481A

Abstract

Um eine Dampfzelle (10) für eine Sensoranordnung (100) zur Messung von Larmorfrequenzen, aufweisend ein mit mindesten einem chemischen Stoff gefülltes Volumen (11), welches in Form einer Durchführung in einen Substratabschnitt (12) eingebracht ist und von einer ersten Seite (14) durch einen ersten Glasabschnitt (15) und von einer zweiten Seite (16) durch einen zweiten Glasabschnitt (17) verschlossen ist, zu schaffen, welche eine gleichmäßigere Erwärmung des Volumens (11) mit einem reduzierten Energieverbrauch ermöglicht, wird vorgeschlagen, auf der ersten Seite (14) und/oder der zweiten Seite (16) des Substratabschnitts (12) mindestens eine Heizerstruktur (20) auf dem Substratabschnitt (12) anzuordnen, die das Volumen (11) zumindest bereichsweise umgreift.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfzelle für eine Sensoranordnung zur Messung von Larmorfrequenzen sowie eine Sensoranordnung, insbesondere zur Messung von Veränderungen von Larmorfrequenzen.
Stand der Technik
Ultragenaue Zeit- bzw. Frequenzgeber sind ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen, wie beispielsweise der Nachrichtenübertragung, und von Navigationssystemen. Darüber hinaus ist die ultragenaue Zeitmessung für eine präzise Navigation von autonomen Fahrzeugen essenziell.
Das wichtigste Hilfsmittel für die Navigation und Ortsbestimmung von autonom fahrenden Fahrzeugen sind satellitengestützte Navigationssysteme. In diesen Systemen, wie beispielsweise dem GPS-System, wird über die Differenz der Signallaufzeiten von einzelnen Navigationssatelliten zum Fahrzeug die genaue Position bestimmt. Dabei sendet jeder Satellit kontinuierlich seine Position sowie den Sendezeitpunkt seines Signals zum Empfänger. Der Empfänger vergleicht die Ankunftszeiten der Signale und kann über die Laufzeitdifferenzen der eintreffenden Satellitensignale sowie mit den mitgesendeten Satellitenpositionen eine genaue Ortung durchführen. Um eine korrekte Ortsbestimmung (x, y und z-Richtung) durchzuführen, müssen die Signale von mindestens vier Satelliten am Empfänger vorliegen. Insbesondere in urbanen Gebieten mit hohen Gebäuden kann der Empfang der Satellitensignale durch die Bebauung eingeschränkt sein. Dies verhindert ein ausschließlich auf Satellitennavigation gestütztes autonomes Fahren. Die Robustheit der Satellitennavigation kann durch eine genaue Zeitreferenz am Empfänger, mit der die absolute Ankunftszeit der Satellitensignale erfasst werden kann, verbessert werden. Durch eine präzise Zeitmessung kann somit die Anzahl der benötigten Satellitensignale reduziert und das Wiederfinden eines verlorenen Satellitensignals beschleunigt werden. Beispielsweise ist eine Stabilität der Zeitmessung von ca. 5x10-12 erforderlich, um einen Signalausfall von 10 Minuten zu überbrücken. Eine derartige Präzision kann mit den bisher verfügbaren Quarz- oder Silizium-MEMS-Oszillatoren nicht erreicht werden.
Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, durch welche eine derartig präzise Zeitmessung möglich ist, wie beispielsweise Atomuhren oder Laser-Gyroskope aus der Luft- und Raumfahrt. Derartige Vorrichtungen sind jedoch aufwändig in der Herstellung und somit kostenintensiv. Des Weiteren sind hochpräzise Drehratensensoren basierend auf Kernspinresonanzeffekten in Edelgasisotopen bekannt, durch welche eine ultrapräzise Zeitmessung möglich ist. Derartige Drehratensensoren weisen nicht die Nachteile der Atomuhren oder der Laser-Gyroskope auf. Die Drehratensensoren weisen eine Dampfzelle auf, die typischerweise aus einem strukturierten Stapel aus Glas-Silizium-Glas besteht. In die Siliziumschicht werden Kavitäten geätzt, die mit dem gewünschten Gasgemisch befüllt sind. Für den optischen Zugang zu den Atomen des Gases werden Glaswafer verwendet, die an die Ober- und/oder Unterseite des Siliziumwafers gebondet werden.
Bei der Verwendung von Alkalimetallen wie Rubidium, Cäsium, Kalium, die vorzugsweise bei solchen Dampfzellen in den Kavitäten eingesetzt werden, muss die Dampfzelle geheizt werden, damit die Alkalimetalle in ihrer Dampfphase vorliegen. Beispielsweise ist bei der Verwendung von Rubidium in der Kavität typischerweise eine Betriebstemperatur im Bereich von 70°C-150°C erforderlich. Um diese Betriebstemperatur zu erreichen, werden Heizerstrukturen üblicherweise auf die Außenseite der Glaswafer der Dampfzelle aufgebracht. Problematisch hierbei ist die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Glas. Um dennoch gewünschte Temperaturen der Dampfzelle im Bereich 70-150°C zu erreichen, ist eine hohe Heizleistung erforderlich. Außerdem resultiert die schlechte Wärmeleitfähigkeit in einer inhomogenen Temperaturverteilung über den Querschnitt der Dampfzelle.
Die US 2011/0147367 A1 beschreibt eine Dampfzelle mit transparenten Heizstrukturen, die auf einem Glaswafer unmittelbar über der Kavität angeordnet sind.
Aus der JP 2017-215226 A5 ist ebenfalls eine Dampfzelle bekannt, bei der außenseitig an der Dampfzelle Heizelemente angeordnet sind, um die Kavität auf eine Betriebstemperatur zu heizen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfzelle zu schaffen, die eine gleichmäßigere Erwärmung der Kavität bzw. Kammer mit einem reduzierten Energieverbrauch ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Dampfzelle für eine Sensoranordnung zur Messung von Larmorfrequenzen bereitgestellt. Die Dampfzelle weist ein mit mindesten einem chemischen Stoff gefülltes Volumen bzw. Kammer auf, welche(s) in Form einer Durchführung in ein Substrat eingebracht ist. Die Kammer bzw. das Volumen ist von einer ersten Seite durch einen ersten Glasabschnitt und von einer zweiten Seite durch einen zweiten Glasabschnitt verschlossen.
Erfindungsgemäß ist auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite des Substrats mindestens eine Heizerstruktur auf dem Substratabschnitt angeordnet. Die mindestens eine Heizerstruktur umgreift das Volumen zumindest bereichsweise.
Insbesondere kann die Heizerstruktur das Volumen zumindest bereichsweise umfangsseitig umgreifen oder zu dem Volumen benachbart angeordnet sein.
Die Dampfzelle kann vorzugsweise als eine Alkalidampfzelle für Quantensensorik ausgestaltet sein. Dabei kann die Dampfzelle im Bereich von Magnetometrie, von Atomuhren und von Gyroskopen eingesetzt werden.
Der Substratabschnitt kann vorzugsweise aus Silizium hergestellt sein. Silizium ist mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 150 W/m. K ein guter Wärmeleiter, insbesondere gegenüber dem Glas der Glasabschnitte ist die Wärmeleitfähigkeit um ca. zwei Größenordnungen höher. Damit lassen sich die gewünschten Betriebstemperaturen mit sehr viel weniger Heizleistung erreichen. Außerdem stellt sich aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Silizium eine homogenere Temperaturverteilung um die Kammer ein. Darüber hinaus sorgt das Glas, welches die Kammer in der Siliziumschicht beidseitig abschließt, für eine gute Isolation.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Volumen eine Messkammer und eine Reservoirkammer auf, die fluidleitend miteinander verbunden sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind mindestens eine Heizerstruktur zum Beheizen der Messkammer und mindestens eine Heizerstruktur zum Beheizen der Reservoirkammer vorgesehen. Durch diese Maßnahme kann jede Kammer individuell beheizt werden, wodurch eine besonders präzise Temperatursteuerung ermöglicht wird.
Alternativ ist mindestens eine Heizerstruktur zum Beheizen der Messkammer und der Reservoirkammer vorgesehen. Hierbei kann eine Heizstruktur, insbesondere in Form einer Leiterschleife, beide Kammern zumindest bereichsweise umspannen oder umgreifen. Eine derartige gemeinsame Beheizung durch eine Heizstruktur kann einseitig oder beidseitig des Substratabschnitts angeordnet sein.
Die Heizstrukturen können sowohl auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite des Substratabschnitts angeordnet sein, sodass wahlweise eine einseitige oder beidseitige Beheizung der Kammer möglich ist.
Eine derartige zweiteilige Anordnung der Kammern, die durch einen Verbindungskanal miteinander verbunden sind, hat sich bei Alkalidampfzellen als vorteilhaft erwiesen. Grund für dieses Vorgehen ist, dass Alkalimetalle (Cäsium, Kalium, Rubidium) bei Raumtemperatur und einem in der (kalten) Dampfzelle typischen Druck von wenigen mbar bis einigen 100mbar als Feststoff vorliegen und sich auf den Oberflächen der Kammern niederschlagen. Rückstände dieses Niederschlags wirken im Betrieb störend, da die notwendige Transmission der Laserstrahlung, die zum Auslesen einer entsprechenden Sensoranordnung dient, gestört wird. Daher wird die Reservoirkammer bei einer geringeren Temperatur gehalten im Vergleich zu der Messkammer.
Der Temperaturunterschied zwischen den Kammern bewirkt, dass der Alkalidampf vorzugsweise in der Reservoirkammer kondensiert und sich nicht an den Wänden der Messkammer niederschlägt. Hierdurch kann eine Störung der Transmission des Detektionslasers durch die Messkammer vermieden werden. Darüber hinaus können die Spinkohärenzzeiten der Alkaliatome verlängert und das Messprinzip robuster ausgestaltet werden.
Die Oberflächen der beiden Seiten des Substratabschnitts können für das Bonden der Glasabschnitte besonders vorteilhaft ausgestaltet sein, wenn die Heizerstruktur zumindest bereichsweise innerhalb mindestens einer Trenchgrabenstruktur des Substratabschnitts angeordnet ist, die von der ersten Seite und/oder der zweiten Seite in den Substratabschnitt eingebracht ist. Der glatte bzw. ebene Abschluss der beiden Seiten des Substratabschnitts ermöglicht insbesondere ein technisch einfaches und zuverlässiges Bonden.
Nach einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die mindestens eine auf den Substratabschnitt angeordnete Heizerstruktur durch eine Isolationsschicht elektrisch isoliert. Vorzugsweise ist die mindestens eine durch die Isolationsschicht bedeckte Heizerstruktur innerhalb einer Verbindungsschicht zwischen dem Substratabschnitt und dem ersten Glasabschnitt und/oder zwischen dem Substratabschnitt und dem zweiten Glasabschnitt angeordnet. Durch diese Maßnahme kann das Einbringen von zusätzlichen Trenchgräben bzw. Trenchstrukturen entfallen.
Die Heizstrukturen können technisch besonders einfach an eine Heizvorrichtung oder eine externe Steuerung angeschlossen werden, wenn der erste Glasabschnitt und/oder der zweite Glasabschnitt zumindest eine Aussparung aufweisen. Die mindestens eine Heizerstruktur mündet in mindestens zwei Anschlusspads, die vorteilhafterweise in der Aussparung des ersten Glasabschnitts und/oder der Aussparung des zweiten Glasabschnitts ausgebildet sind. Die entsprechenden Anschlusspads können durch Löten angeschlossen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die mindestens eine Heizerstruktur als eine induktiv koppelbare Empfängerspule ausgebildet. Die Empfängerspule ist vorzugsweise dazu eingerichtet, einen Induktionsstrom und/oder Wirbelstrom von mindestens einer umfangsseitig und/oder stirnseitig angeordneten Sendespule zu empfangen. Hierdurch kann der direkte Anschluss der Heizerstrukturen über Anschlusspads entfallen. Entsprechend kann das Bereitstellen von strukturierten Glasabschnitten mit einer Aussparung entfallen. Durch die Energieübertragung mittels Induktion können extern angeordnete Sendespulen zum Übertragen von Energie zu den Heizerstrukturen verwendet werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Sensoranordnung zur Messung von Larmorfrequenzen, insbesondere einer Veränderung von Larmorfrequenzen, bereitgestellt. Die Sensoranordnung weist mindestens eine erfindungsgemäße Dampfzelle auf. Mindestens eine Heizvorrichtung ist zum Erzeugen von Wärmeenergie durch mindestens eine Heizerstruktur der Dampfzelle vorgesehen. Mindestens ein Anregungslaser dient zum optischen Pumpen von mindestens einem chemischen Stoff in einem Volumen der Dampfzelle. Darüber hinaus weist die Sensoranordnung einen ersten Elektromagneten zum Beaufschlagen des Volumens der Dampfzelle mit einem statischen Magnetfeld und einen zweiten senkrecht zum ersten Elektromagneten ausgerichteten Elektromagneten zum Beaufschlagen des Volumens mit einem Wechselmagnetfeld auf.
Darüber hinaus weist die Sensoranordnung einen Infrarotlaser auf, welcher durch eine Messkammer der Dampfzelle hindurchstrahlt und auf einen Detektor gerichtet ist, um eine von der Larmorfrequenz abhängige Intensität zu ermitteln.
Die Heizvorrichtung kann ein Steuergerät aufweisen, welches mit der mindestens einen Heizerstruktur der Dampfzelle gekoppelt ist. Dabei kann das Steuergerät stromleitend oder induktiv mit der mindestens einen Heizerstruktur gekoppelt sein, wodurch eine direkte oder indirekte Ansteuerung der Heizerstrukturen durch das Steuergerät der Heizvorrichtung möglich ist.
Insbesondere kann das Steuergerät die Heizerstruktur direkt mit einem voreingestellten oder veränderlichen Strom beaufschlagen, um eine Heizwirkung zu erzielen. Alternativ kann das Steuergerät eine Sendespule mit einer Wechselspannung ansteuern, die einen Stromfluss in die als Empfangsspule ausgestaltete Heizerstruktur induziert, um eine Heizwirkung durch die Heizerstruktur zu ermöglichen. Somit weist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung die Heizvorrichtung mindestens eine umfangsseitig und/oder stirnseitig an der Dampfzelle angeordnete Sendespule auf, die induktiv mit mindestens einer als Empfangsspule ausgebildeten Heizstruktur gekoppelt ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Dampfzelle bereitgestellt. In einem Schritt wird ein Substratwafer bereitgestellt. In den Substratwafer wird eine Vielzahl von Durchführungen zum Ausbilden von Kammern eingebracht. Diese Kammern werden im späteren Verlauf der Herstellung durch transparente Wafer bzw. Glaswafer abgeschlossen, um hermetisch abgeschlossene Volumen auszubilden. Diese Kammern können insbesondere als einteilige Kammern oder als mehrteilige Kammern, beispielsweise Messkammern und Reservoirkammern, mit Verbindungsstegen durch Tiefentrenchen geformt werden.
In einem weiteren Schritt werden auf eine erste Seite und/oder auf eine zweite Seite des Substratwafers Heizerstrukturen aufgebracht, die die Durchführungen zumindest bereichsweise umgreifen.
Auf der ersten Seite des Substratwafers wird ein erster Glaswafer und auf der zweiten Seite des Substratwafers wird ein zweiter Glaswafer durch Bonden positioniert. Somit werden die Kammern durch den ersten Glaswafer und den zweiten Glaswafer gasdicht verschlossen. Vor dem Verschließen der Kammern können die Kammern mit einem oder mehreren chemischen Stoffen befüllt werden.
Anschließend werden die miteinander gebondeten ersten Glaswafer, Substratwafer mit Heizstrukturen und zweiten Glaswafer in erste Glasabschnitte, in Substratabschnitte und in zweite Glasabschnitte, die jeweils Dampfzellen ausbilden, separiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Vielzahl von Trenchstrukturen in die erste Seite und/oder zweite Seite des Substratwafers eingebracht werden. Die Trenchstrukturen können parallel zur Formung der Kammern durch Tiefentrench oder durch separate Fertigungsschritte in den Substratwafer eingebracht werden. Die Trenchstrukturen werden anschließend mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung beschichtet oder mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt. Die elektrisch leitfähige Beschichtung oder Füllung der Trenchstrukturen fungiert als Heizerstruktur und kann direkt oder indirekt zum Erzeugen einer Heizleistung angesteuert werden. Derartig ausgestaltete Heizerstrukturen können als Anschlüsse für eine direkte elektrische Anbindung durch ein Steuergerät oder als geschlossene Leiterschleifen bzw. Spulen ausgestaltet sein, die als Empfangsspulen fungieren.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung wird eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Heizerstrukturen auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite des Substratwafers angeordnet. Die angeordneten Heizerstrukturen werden durch Isolationsschichten elektrisch isoliert. Das Einbringen von Trenchstrukturen kann bei dieser Ausgestaltung entfallen. Darüber hinaus werden die erste Seite und die zweite Seite des Substratwafers mit einer Kupferschicht als Verbindungsschicht für eutektisches Bonden des ersten Glaswafers und/oder zweiten Glaswafers beschichtet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen von Larmorfrequenzen, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, bereitgestellt, wobei die Sensoranordnung zumindest eine erfindungsgemäße Dampfzelle aufweist. Die mindestens eine Dampfzelle wird durch die im oder am Substratabschnitt angeordneten Heizstrukturen erwärmt. In einem weiteren Schritt wird mindestens ein chemischer Stoff in einem Volumen der Dampfzelle durch mindestens einen Anregungslaser optisch gepumpt. Parallel hierzu wird das Volumen mit einem statischen Magnetfeld mittels eines ersten Elektromagneten beaufschlagt und mittels eines zweiten senkrecht zum ersten Elektromagneten ausgerichteten Elektromagneten mit einem Wechselmagnetfeld beaufschlagt. Anschließend wird eine Messkammer der Dampfzelle durch einen Infrarotlaser belichtet, wobei die aus der Dampfzelle austretenden Strahlen auf einen Detektor gerichtet werden, um eine von der Larmorfrequenz abhängige Intensität der durch den Infrarotlaser erzeugten Strahlen zu ermitteln.
Nachstehend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2a - 2f Prozessschritte zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Dampfzelle gemäß einer ersten Ausführungsform,
3a - 3c Prozessschritte zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Dampfzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4 eine Draufsicht auf eine Dampfzelle gemäß einer dritten Ausführungsform,
5 eine Draufsicht auf eine Dampfzelle gemäß einer vierten Ausführungsform
6 a, b Schnittdarstellungen einer Dampfzelle gemäß einer fünften und sechsten Ausführungsform,
7 a, b Draufsichten auf Dampfzellen gemäß der fünften und sechsten Ausführungsform, und
8 a, b Schnittdarstellungen zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Dampfzelle gemäß einer siebten Ausführungsform.

In der 1 ist eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Sensoranordnung 100 ist beispielhaft als ein sogenanntes NMR-Drehraten-Sensorsystem ausgestaltet und dient zur Messung von Larmorfrequenzen.
Die Sensoranordnung 100 weist eine Dampfzelle 10 auf. Ein in 2f beziffertes Volumen 11 der Dampfzelle 10 ist beispielhaft mit Rb und Xe als chemische Stoffe gefüllt.
Ein als ein polarisierter Pump-Laser ausgestalteter Anregungslaser 110 führt in der Dampfzelle 10 zur Polarisation eines Rb-Elektronenspins, was durch Elektron-Kernspin Kopplung zwischen Rb und Xe auch in einer Polarisation des Xe-Kernspins resultiert.
Des Weiteren ist ein erster Elektromagnet 111 zum Beaufschlagen der Dampfzelle 10 mit einem statischen Magnetfeld Bo vorgesehen. Das durch den ersten Elektromagneten 111 erzeugte Magnetfeld B₀ führt zu einer endlichen Larmorfrequenz der Xe-Atome. Alternativ zu Xe können auch andere Atome mit einem nicht verschwindenden Kernspin, wie beispielsweise He oder Kr, in der Dampfzelle 10 verwendet werden. Im Folgenden wird mit B₀ ein statisches Magnetfeld bezeichnet.
Ein zweiter Elektromagnet 112 dient zum Erzeugen eines magnetischen AC-Felds B_x senkrecht zur Rotationsachse bzw. senkrecht zum statischen Magnetfeld B₀. Die Frequenz des magnetischen AC-Felds B_x entspricht der Larmor-Präzessionsfrequenz und resultiert in einer kohärenten Präzession aller Kernspins. Die kohärente Präzession der Xe-Kernspins beeinflusst wiederum die Präzession der Rb-Elektronenspins. Um diese Modifikation der Rb-Elektronenspins aufgrund der kohärenten Xe-Präzession in ein auslesbares Signal umzuwandeln, wird ein polarisierter Laserstrahl durch einen Infrarotlaser 113 erzeugt, welcher auf die Rb-Wellenlänge abgestimmt ist. Der Infrarotlaser 113 strahlt durch die Dampfzelle 10 hindurch. Der entsprechende vom Infrarotlaser 113 erzeugte Laserstrahl kann nach dem Transmittieren durch die Dampfzelle 10 auf einen Detektor 114 treffen und ausgewertet werden.
Aufgrund des Faraday-Effekts, der von der geänderten Rb-Spinpräzession des Gases herrührt, wird die Polarisation des Laserstrahls des Infrarotlasers 113 periodisch mit der Larmorfrequenz gedreht. Ein Polarisationsfilter 115 vor dem als Fotodiode beispielhaft ausgeführten Detektor 114 ermöglicht eine Abschwächung des von dem Infrarotlaser 113 erzeugten Laserstrahls in Abhängigkeit dieser Polarisationsdrehung, sodass an dem Detektor 114 eine Intensitätsschwankung beobachtet werden kann, die mit der Larmorfrequenz moduliert ist.
Eine Rotation der Sensoranordnung 100 führt zu einer Verschiebung der Larmorfrequenz proportional zur Drehrate der Sensoranordnung 100, die an dem Detektor 114 gemessen werden kann. Eine Heizvorrichtung 120 ist zum Einstellen einer konstanten Temperierung der Dampfzelle 10 auf ca. 115 °C vorgesehen. Die Heizvorrichtung 120 weist eine Heizerstruktur 20 auf, die mit einem Steuergerät 121 elektrisch leitend verbunden ist. Insbesondere ist das Steuergerät 121 über Anschlusspads 21 mit der Heizerstruktur 20 gekoppelt. Insbesondere kann das Steuergerät 121 die Heizerstruktur 20 direkt mit einem voreingestellten oder veränderlichen Strom beaufschlagen, um eine Heizwirkung zu erzielen.
Durch die resultierende Erwärmung der Dampfzelle 10 liegt das Rb in der Dampfzelle 10 dampfförmig vor und weist einen konstanten Rb-Dampfdruck auf. Die für die Sensoranordnung 100 benötigten Dampfzellenatmosphären bzw. chemischen Stoffe können auch durch Stoffgemische, beispielsweise aus Xe129, Xe131 und Ar, realisiert werden.
Kombinationen mit anderen Edelgasisotopen wie He, Ne oder Kr und anderen Puffergasen wie Stickstoff sind ebenfalls möglich. Beiden Ausführungen gemein sind atomare Dampfzellen 10 als sensitives Element, die mit definierten Zusammensetzungen von Alkali-Atomen sowie isotopenreinen Edelgasen und Puffergasen gefüllt werden. Je nach Ausgestaltung können die chemischen Stoffe in der Dampfzelle 10 mit einem Überdruck eingeschlossen sein.
Die Sensoranordnung 100 kann weiterhin durch ein Gehäuse 116 geschützt werden. Vorzugsweise ist das Gehäuse 116 in Form einer magnetischen Abschirmung ausgebildet.
In den 2a - 2f sind Prozessschritte zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Dampfzelle 10 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. Dabei wird beispielhaft eine 1-Kammer Dampfzelle 10 mit Heizerstruktur 20 in einem Substratabschnitt 12 aus Silizium hergestellt. Dabei sind in den 2a, 2b und 2c Schnittdarstellungen entlang der Linie L der 2d, 2e und 2f illustriert.
Die Dampfzelle 10 wird mit Hilfe eines waferbasierten Herstellungsverfahrens erstellt, jedoch wird der Übersicht halber lediglich ein Ausschnitt dargestellt, der einen Substratabschnitt 12 als Teil eines Substratwafers zeigt. Somit zeigen die 2d, 2e und 2f Detailansichten eines Dampfzellenchips bzw. einer Dampfzelle 10 auf einen Wafer während unterschiedlicher Prozessschritte.
In einem ersten in 2a und 2d gezeigten Schritt wird mittels Tiefenätzverfahren eine Durchgangsöffnung 41 in den als Siliziumwafer ausgestalteten Substratwafer 40 hineingebracht, die später die Kammer 13 mit dem Volumen 11 ausbildet. Um den Tiefentrench bzw. die Durchgangsöffnung 41 werden zudem ringförmige Trenchstrukturen 42 von geringerer Tiefe in den Substratwafer 40 hineingetrencht.
Derartige Trenchstrukturen 42 mit einer geringeren Tiefe können entweder durch eine zusätzliche Prozessabfolge bestehend aus Lithographie, Tiefentrench, Lack-Strip realisiert werden.
Alternativ wird eine Abhängigkeit einer vertikalen Ätzrate des Tiefentrench von der Öffnungsfläche ausgenutzt. Da die Kammer 13 typischerweise einen Durchmesser von mehreren Hundert µm bis zu einigen mm aufweist, ist die vertikale Ätzrate hier deutlich höher als bei kleiner strukturierten Flächen, wie man sie für die zusätzlichen Trenchstrukturen 42 verwendet. Die Breite dieser Trenchstrukturen 42 liegt typischerweise im Bereich von einigen µm bis hin zu einigen zehn µm.
In einem weiteren Schritt, welcher in den 2b und 2e gezeigt ist, werden die Trenchstrukturen 42 mit einem Metall 43 zumindest teilweise beschichtet oder aufgefüllt. Dieses Metall 43 in den Trenchstrukturen 42 bildet später die Heizerstruktur 20 aus. Als Metall kann beispielsweise Kupfer, Aluminium, Platin, Gold und dergleichen eingesetzt werden.
Die 2c und 2e zeigen einen Schritt, bei dem an einer ersten Seite 14 des Substratwafers 40 ein erster Glaswafer und an einer zweiten Seite 16 des Substratwafers 40 ein zweiter Glaswafer angeordnet und anschließend separiert wurden. Hierdurch entstehen mehrere Dampfzellen 10, die einen Substratabschnitt 12 aufweisen, welcher auf einer ersten Seite 14 einen ersten Glasabschnitt 15 und auf einer zweiten Seite 16 einen zweiten angeordneten Glasabschnitt 17 aufweist. Der erste Glasabschnitt 15 und der zweite Glasabschnitt 17 begrenzen die Öffnungen 41 beidseitig und bilden somit die Kammern 13 aus. Darüber hinaus bedeckt im dargestellten Ausführungsbeispiel der erste Glasabschnitt 15 die Heizerstrukturen 20 zumindest bereichsweise.
Insbesondere kann der nicht dargestellte zweite Glaswafer an einer Unterseite bzw. zweiten Seite 16 des Substratwafers 40 gebondet werden. Die Öffnung 41 kann nun mit einer Flüssigkeit oder einem Feststoff befüllt werden, welcher später das Volumen 11 einnimmt. Anschließend wird ein strukturierter erster Glaswafer, der nicht im Detail dargestellt ist, auf die Oberseite bzw. erste Seite 14 des Substratwafers 40 gebondet. Der erste Glaswafer ist derart strukturiert, dass sich an der Stelle der späteren Anschlusspads 21 für die Heizerstrukturen 20 eine Öffnung bzw. Aussparungen 45 im ersten Glaswafer befindet. Optional ist es möglich, während des Bondprozesses die Kammer 13 mit einem Gas zu befüllen. Für das Bonden können verschiedene klassische Bondverfahren, wie anodisches Bonden, eutektisches Bonden und dergleichen, genutzt werden.
Das in den 2 gezeigte Verfahren kann auch auf Dampfzellen 10 mit zwei oder mehreren Kammern 13 übertragen werden. Die Fig, 3a, 3b und 3c zeigen die wesentlichen Prozessschritte für eine Dampfzelle 10 mit zwei Kammern 18, 19, wobei das Volumen 11 in eine Messkammer 18 und in eine Reservoirkammer 19 aufgeteilt ist, die fluidleitend miteinander verbunden sind.
Die zwei Kammern 18, 19 weisen ebenfalls in den Substratabschnitt 12 eingebrachte Heizerstrukturen 20 auf, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel eine gemeinsame Heizerstruktur 20 die Messkammer 18 und die Reservoirkammer 19 vollständig umgreift. Die Messkammer 18 und die Reservoirkammer 19 sind durch einen Verbindungskanal 44 miteinander verbunden. Insbesondere ist die Messkammer 18 und die Reservoirkammer 19 mit mindestens einem chemischen Stoff befüllt und hermetisch verschlossen durch die Glasabschnitte 15, 17.
Zum Herstellen einer Dampfzelle mit zwei Kammern 18, 19 werden in einem ersten Schritt in dem Substratwafer 40 mittels eines Tiefentrench-Prozesses zwei Kammern 18, 19 erzeugt. Daneben werden Trenchstrukturen 42 von geringerer Tiefe getrencht bzw. geätzt. Die Trenchstrukturen 42 dienen später als Heizerstrukturen 20. Neben den Trenchstrukturen 42 wird auch eine Struktur 44 in Form des Verbindungskanals 44 in den Substratwafer 40 eingebracht. In der 3a ist ein Substratwafer 40 nach dem beschriebenen Materialabtrag durch Trenchen bzw. Ätzen dargestellt.
Darüber hinaus werden in einem weiteren, in 3b gezeigten, Schritt die getrenchten bzw. geätzten Trenchstrukturen 42 mit einem Metall zumindest teilweise beschichtet bzw. aufgefüllt und bilden später die Heizerstrukturen 20. Die Struktur zum Ausbilden des Verbindungskanals 44 wird nicht befüllt.
Weiterhin werden an beiden Seiten 14, 16 des Substratwafers 40 Glaswafer 15, 17 analog zur 2 gebondet. Vor oder während des letzten Bondschrittes werden die Kammern 18, 19 der Dampfzelle 10 mit einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Feststoff befüllt.
Anschließend wird analog zu der 2c bzw. 2f die Anordnung in Abschnitte separiert, die eine Vielzahl von Dampfzellen 10 mit jeweils zwei Kammern 18, 19 bilden. Diesen finalen Schritt zeigt die 3c.
Bei 2-Kammer Dampfzellen 10 besteht die Möglichkeit, eine Heizerstruktur 20 zu designen, die beide Kammern 18, 19 gleichzeitig beheizt. Beispiele für kombinierte Heizerstrukturen 20 für beide Kammern 18, 19 sind in 3c und 4 dargestellt
Die 4 zeigt eine 2-Kammer Dampfzelle 10 mit kombinierter Heizerstruktur 20 für die Messkammer 18 und die Reservoirkammer 19. Die Heizerstruktur 20 umfasst somit beide Kammern 18, 19 der Dampfzelle 10. Die unterschiedliche Anzahl von Windungen, unterschiedliche Dicke der eingebrachten Leiter, unterschiedliche Abstände zu den Kammern 18, 19 und dergleichen ermöglichten eine Steuerung der Temperaturverteilung und der Temperaturunterschiede zwischen der Reservoirkammer 19 und der Messkammer 18. Insbesondere kann in der Reservoirkammer 19 eine geringere Temperatur gegenüber der Messkammer 18 eingestellt werden.
Somit kann der in das Volumen 11 hineingefüllte Alkalidampf vorrangig in der Reservoirkammer 19 kondensieren und sich nicht an den Seitenwänden der Messkammer 18 niederschlagen.
Die 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Dampfzelle 10 gemäß einer vierten Ausführungsform, bei der die Dampfzelle 10 zwei Heizerstrukturen 20 aufweist, die eine individuelle und voneinander unabhängige Beheizung der Messkammer 18 und der Reservoirkammer 19 ermöglichen.
Jede der Heizerstrukturen 20 mündet in entsprechenden Anschlusspads 21, die durch Aussparungen 45 in dem ersten Glasabschnitt 15 für eine elektrische Kontaktierung zugängig sind.
Bei allen bisher beschriebenen Heizerstrukturen 20 ist es vorgesehen, die Heizerstrukturen 20 direkt elektrisch zu kontaktieren und mit einem über die Anschlusspads 21 gespeisten Strom zu heizen. Hierzu müssen in dem ersten Glasabschnitt 15 Aussparungen 45 bzw. Perforationen geformt sein, um die Anschlusspads 21 kontaktieren zu können. Evtl. ist die Vorstrukturierung des ersten und/oder zweiten Glaswafers nicht gewünscht.
Die 6a und 6b zeigen alternative, induktiv koppelbare Heizerstrukturen 22, die als Empfangsspulen fungieren. Dabei sind Schnittdarstellungen einer Dampfzelle 10 gemäß einer fünften und sechsten Ausführungsform gezeigt. Die induktiv koppelbaren Heizerstrukturen 22 weisen keinerlei Anschlusspads 21 auf und benötigen somit keinerlei Perforationen in den Glasabschnitten 15, 17.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen gezeigte Heizerstrukturen 22 fungieren als induktive Heizungen, die über eine externe Sendespule 23 mit einem entsprechenden Strom gespeist werden. Insbesondere können in die Heizerstrukturen 22 Wirbelströme durch die Sendespule 23 induziert werden.
In der 6a ist eine um die Dampfzelle 10 außen bzw. umfangsseitig angeordnete, wechselstromdurchflossene Sendespule 23 gezeigt. Die 6b zeigt eine externe, wechselstromdurchflossene Sendespule 23, die unterhalb der Dampfzelle 10 positioniert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Sendespule 23 oberhalb der Dampfzelle 10 angeordnet sein.
Die entsprechenden Trenchstrukturen 42 zum Herstellen der als Empfangsspulen ausgestalteten Heizerstrukturen 22 können in Form von Kreisen, Polygonen oder Ovalen geformt sein.
Dabei können die Sendespulen 23 sich auf einer nicht dargestellten Dampfzellenhalterung, oder auf einer Platine bzw. PCB befinden. Zum Veranschaulichen der Form der als Empfangsspulen ausgestalteten Heizerstrukturen 22 sind in der 7a und der 7b Draufsichten auf Dampfzellen 10 gemäß der fünften und sechsten Ausführungsform gezeigt. Dabei zeigt die 7a eine 1-Kammer Dampfzelle 10 und die 7b eine 2-Kammer Dampfzelle 10 mit induktiv koppelbaren Heizerstrukturen 22.
Bei der 2-Kammer Dampfzelle 10 ist eine Steuerung der Heizleistung (lateral) durch die unterschiedliche Breite der Heizerstruktur 22 um die Kammern 18, 19 einstellbar. Alternativ können die Wicklungszahlen der Sendespulen 23 lokal variieren, um die induzierte Stromstärke in der Heizerstruktur 22 zu steuern.
In den vorherigen Ausführungsbeispielen wurden Heizerstrukturen 20 oder passive, metallische Strukturen bzw. induktiv koppelbare Heizerstrukturen 22 beschrieben, die in den Substratabschnitt 12 hineinprozessiert wurden. Vorteil dieses Verfahrens ist eine (geschlossene), ebene Oberfläche auf der ersten Seite 14 und/oder der zweiten Seite 16, die anschließend gebondet werden kann. In der 8a und 8b sind Schnittdarstellungen zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Dampfzelle 10 gemäß einer siebten Ausführungsform gezeigt.
Insbesondere wird eine alternative Möglichkeit beschrieben, die aktiven oder passiven Heizerstrukturen 20, 22 direkt auf der Oberseite des Substratabschnitts 12 aufzubringen und anschließend ein eutektisches Bondverfahren zu verwenden. Das Erzeugen von Trenchstrukturen 42 kann somit entfallen. Die Metallstrukturen 43 werden beispielsweise durch Schablonen bzw. Masken in Kombination mit Bedampfen oder durch Klebeverfahren aufgebracht.
Nach dem Aufbringen der metallischen Heizerstrukturen 20, 22 werden diese mit einer Isolationsschicht 24, wie beispielsweise SiO2, umschlossen.
Anschließend wird eine Kupferschicht als Verbindungsschicht 30 für eutektisches Boden des ersten Glaswafers bzw. ersten Glasabschnitts 15 und/oder zweiten Glaswafers bzw. zweiten Glasabschnitts 17 aufgebracht.
Die Heizerstrukturen 20, 22 mit der Isolationsschicht 24 werden nach dem Bonden in der Verbindungsschicht 30 eingeschlossen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeweils eine als Empfangsspule ausgestaltete Heizerstruktur 22 für die Messkammer 18 und die Reservoirkammer 19 vorgesehen. Die Pfeile veranschaulichen die Fügerichtung durch das Bonden, welches beispielhaft als eutektisches Bonden ausgestaltet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20110147367 A1 [0006]
JP 2017215226 A5 [0007]

Claims

Dampfzelle (10) für eine Sensoranordnung (100) zur Messung von Larmorfrequenzen, aufweisend ein mit mindesten einem chemischen Stoff gefülltes Volumen (11), welches in Form einer Durchführung in einen Substratabschnitt (12) eingebracht ist und von einer ersten Seite (14) durch einen ersten Glasabschnitt (15) und von einer zweiten Seite (16) durch einen zweiten Glasabschnitt (17) verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Seite (14) und/oder der zweiten Seite (16) des Substratabschnitts (12) mindestens eine Heizerstruktur (20) auf dem Substratabschnitt (12) angeordnet ist, die das Volumen (11) zumindest bereichsweise umgreift.
Dampfzelle nach Anspruch 1, wobei das Volumen (11) eine Messkammer (18) und eine Reservoirkammer (19) aufweist, die fluidleitend miteinander verbunden sind, wobei mindestens eine Heizerstruktur (20) zum Beheizen der Messkammer (18) und mindestens eine Heizerstruktur (20) zum Beheizen der Reservoirkammer (19) vorgesehen sind; oder mindestens eine Heizerstruktur (20) zum Beheizen der Messkammer (18) und der Reservoirkammer (19) vorgesehen ist.
Dampfzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Heizerstruktur (20) zumindest bereichsweise innerhalb mindestens einer Trenchgrabenstruktur (42) des Substratabschnitts (12) angeordnet ist, die von der ersten Seite (14) und/oder der zweiten Seite (16) in den Substratabschnitt (12) eingebracht ist.
Dampfzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine auf dem Substratabschnitt (12) angeordnete Heizerstruktur (20, 22) durch eine Isolationsschicht (24) elektrisch isoliert ist, wobei die mindestens eine durch die Isolationsschicht (24) bedeckte Heizerstruktur (20, 22) innerhalb einer Verbindungsschicht (30) zwischen dem Substratabschnitt (12) und dem ersten Glasabschnitt (15) und/oder zwischen dem Substratabschnitt (12) und dem zweiten Glasabschnitt (17) angeordnet ist.
Dampfzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Glasabschnitt (15) und/oder der zweite Glasabschnitt (17) zumindest eine Aussparung (45) aufweisen, wobei die mindestens eine Heizerstruktur (20) in mindestens zwei Anschlusspads (21) mündet, die in der Aussparung (45) des ersten Glasabschnitts (15) und/oder der Aussparung (45) des zweiten Glasabschnitts (17) ausgebildet sind.
Dampfzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens eine Heizerstruktur (22) als eine induktiv koppelbare Empfängerspule ausgebildet ist, wobei die Empfängerspule dazu eingerichtet ist, einen Induktionsstrom und/oder Wirbelstrom von mindestens einer umfangsseitig und/oder stirnseitig angeordneten Sendespule (23) zu empfangen.
Sensoranordnung (100) zur Messung von Larmorfrequenzen, insbesondere einer Veränderung von Larmorfrequenzen, aufweisend mindestens eine Dampfzelle (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mindestens eine Heizvorrichtung (120) zum Erzeugen von Wärmeenergie durch mindestens eine Heizerstruktur (20, 22) der Dampfzelle (10), mindestens einen Anregungslaser (110) zum optischen Pumpen von mindestens einem chemischen Stoff in einem Volumen (11) der Dampfzelle (10), aufweisend einen ersten Elektromagneten (111) zum Beaufschlagen des Volumens (11) der Dampfzelle (10) mit einem statischen Magnetfeld (Bo) und aufweisend einen zweiten senkrecht zum ersten Elektromagneten (111) ausgerichteten Elektromagneten (112) zum Beaufschlagen des Volumens (11) mit einem Wechselmagnetfeld (B_x) und aufweisend einen Infrarotlaser (113), welcher durch eine Messkammer (18) der Dampfzelle (10) hindurchstrahlt und auf einen Detektor (114) gerichtet ist, um eine von der Larmorfrequenz abhängige Intensität zu ermitteln.
Sensoranordnung nach Anspruch 7, wobei die Heizvorrichtung (120) mindestens eine umfangsseitig und/oder stirnseitig an der Dampfzelle (10) angeordnete Sendespule (23) aufweist, die induktiv mit mindestens einer als Empfangsspule ausgebildeten Heizerstruktur (22) gekoppelt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Dampfzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: - ein Substratwafer (40) bereitgestellt wird und in den Substratwafer (40) eine Vielzahl von Durchführungen (41) zum Ausbilden von Kammern (13, 18, 19) eingebracht wird, - auf eine erste Seite (14) und/oder eine zweite Seite (16) des Substratwafers (40) Heizerstrukturen (20, 22) aufgebracht werden, die die Durchführungen (41) zumindest bereichsweise umgreifen, - auf der ersten Seite (14) des Substratwafers (40) ein erster Glaswafer und auf der zweiten Seite (16) des Substratwafers (40) ein zweiter Glaswafer durch Bonden positioniert werden, wobei die Kammern (13, 18, 19) durch den ersten Glaswafer und den zweiten Glaswafer gasdicht verschlossen werden, - die miteinander gebondeten ersten Glaswafer, Substratwafer (40) mit Heizerstrukturen (20, 22) und zweiten Glaswafer in erste Glasabschnitte (15), in Substratabschnitte (12) und in zweite Glasabschnitte (17), die jeweils Dampfzellen (10) ausbilden, separiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Vielzahl von Trenchstrukturen (42) in die erste Seite (14) und/oder zweite Seite (16) des Substratwafers (40) eingebracht wird, wobei die Trenchstrukturen (42) mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (43) beschichtet oder mit einem elektrisch leitfähigen Material (43) gefüllt werden, oder wobei eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Heizerstrukturen (20, 22) auf der ersten Seite (14) und/oder der zweiten Seite (16) des Substratwafers (40) angeordnet wird, wobei die angeordneten Heizerstrukturen (20, 22) durch Isolationsschichten (23) elektrisch isoliert werden, und wobei die erste Seite (14) und die zweite Seite (16) des Substratwafers (40) mit einer Kupferschicht als Verbindungsschicht (30) für eutektisches Bonden des ersten Glaswafers und/oder zweiten Glaswafers beschichtet wird.