KR20070111957A - 칩 스케일 원자 자이로스코프 - Google Patents

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KR20070111957A
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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

칩-스케일 원자 자이로스코프 및 물체의 기계적 회전을 감지하고 측정하는 방법이 개시된다.
이 칩-스케일 원자 자이로스코프는 알카리금속 원자 및 비활성가스원자의 증기화 소스를 함유하는 증기 캐비티,
상기 증기 캐비티내의 알카리 금속원자를 여기 상태로 광 펌핑하도록 광펌핑 축을 따라 제 1 레이저빔을 생성하는 펌프레이저 소스, 및
상기 증기 캐비티내의 비활성가스 원자의 편광 각을 탐침하기 위해 상기 광 펌핑축에 교차하는 감지축을 따라 제 2 레이저빔을 생성하는 감지 레이저 소스를 포함한다.
상기 펌프 및 감지레이저 소스는 상기 서보 메커니즘에 연결될수 있으며, 이는 알카리 금속원자의 캐리어 파장에 상응하는 파장 및 그 캐리어 파장에서 이조(detune)된 파장에서 상기 레이저 빔을 유지하도록 배열될 수 있다.

Description

칩 스케일 원자 자이로스코프{CHIP SCALE ATOMIC GYROSCOPE}
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 칩 스케일 원자 자이로스코프의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 예시적인 칩 스케일 원자 자이로스코프의 개략적인 측면도이다.
도 3a 내지 3c는 87Rb 알카리-금속 원자와 129Xe 비활성 가스 원자 소스를 이용하여 도 1 및 2의 예시적인 원자 자이로스코르의 동작을 보여주는 개략적인 도면이다.
본 발명은 DARPA 계약 번호 N66001-02-C-8019호 하에 정부의 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대하여 소정의 권리를 가질 수 있다.
본 발명은 일반적으로 원자를 바탕으로 한 감지 장치의 기술분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 배향(orientation) 및 속도 감지를 위한 칩 스케일 원자 자이로스코프 및 그 방법에 관한 것이다.
자이로스코프는 물체의 배향 및/또는 관성 움직임을 감지하는 광범위한 적용례에서 사용된다. 예를 들어, 항공 및 통신 시스템의 설계에 있어서 이러한 장치는 공간을 움직이는 물체의 선형 및 회전 움직임에 있어서의 미세한 변화를 감지하는데 유용하다. 예를 들어, 항공 등급의 자이로스코프는, 특히, GPS 안내가 불가능한 환경에서, 원하는 비행 경로가 높은 정확도를 가지고 추적될 수 있게 한다.
자이로스코프의 설계영역은 설계에 따라 기계공학, 섬유 광학 및 링 레이저를 포함하여 왔다. 최근의 추세는 웨이퍼(wafer)의 표면에 소형화된 소자를 형성하기 위하여 반도체 제조 기술을 사용하는 마이크로 전기기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS) 기반의 장치와 같은 극소형화되고 고성능의 구조를 강조한다. MEMS 진동 속도 자이로스코프로 종종 언급되는 이러한 설계에서, 예를 들어, 관성 질량체와 같은 공진 구조체는 실리콘 또는 유리 웨이퍼와 같은 기판에 고정된 만곡부에 의해 매달린다. 일반적으로 구현된 서스펜션 구조체 , 서로 맞물리는 콤(inerdigitated comb), 외팔보 형 빔, 디스크, 및/또는 링 구조체를 포함할 수 있다. 속도축에 대하여 움직임에 따른 변위 또는 가속도를 감지하기 위해, 일반적으로 관성 질량체는 다수의 구동 전극을 사용하여 높은 Q의 공진 상태로 구동된다. 각 회전에서는 속도축에 대한 소자의 움직임으로부터의 코리올 리(Coriolis)의 힘은 관성 질량체에 직각인 감지축의 방향으로 움직임을 유도하며, 이는 용량성으로 감지되고 속도 신호로 출력된다.
MEMS 진동 속도 자이로스코프와 같은 기계적인 자이로스코프는 종종 높은 Q 충격 환경에서 동작하며, 이러한 소자는 노화와 재질의 열화 및 스트레스 때문에 시간이 경과함에 따라 유동하며, 자이로스코프에서 배율 인자의 불안정성을 야기한다. 소정의 경우에 있어서, 구동 방향과 감지 방향의 사이에서의 교차하여 연결된 견고성 및 제동은 자이로스코프의 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 바이어스 드리프트(bias drift)에 대한 문제점을 야기한다. 더하여, 충격과 진동에 대한 서스펜션 구조의 자화는 배향 및/또는 각 회전에서의 미세한 변화를 정확하게 감지하는 소장의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 출력되고 측정된 상대적으로 작은 용량성 감지 신호 때문에, MEMS 진동-속도 자이로스코프는 매우 안정적이고 정확한 감지 전극을 요구하며, 이는 전력 소모와 제조상의 복잡성을 증가시킨다.
기계적인 자이로스코프와 관련된 여러 가지 문제점들을 극복하기 위하여, 각 회전을 감지하고 측정하기 위하여 알카리-금속 원자의 섭동 속도(precession rate)에 의존하는 원자 기반의 자이로스코프가 제안되었다. 라모르 섭동 자이로스코프(Lamor prescession gyroscope)로 종종 칭해지는 예시적인 설계에서, 알카리 금속 및 비활성 가스 동위체(isotrope)로 채워진 증기 캐비티가 회전을 감지하는데 사용된다. 회전하지 않는 프레임에서, 고정 자기장이 인가되고 동위체는 광학적 펌핑을 사용하여 스핀이 정렬된다. 그 다음, 각 동위체에 대하여 2개의 직교하는 진동 자기장이 라모르 섭동 주파수에 근접한 주파수로 인가되어, 자기 광학 기술을 사용하여 측정될 수 있는 고정 자기장에 대한 섭동을 유도한다. 시스템이 회전함에 따라, 각 속도는 섭동 주파수를 변경시키며, 이는 자이로스코프의 회전 속도를 결정하기 위하여 수치적으로 얻어질 수 있다.
라모르 섭동 자이로스코프의 한가지 중요한 문제점은 회전각을 정확하게 얻기 위하여 유사한 완화 시정수(relaxation time constant)를 갖는 2개의 개별 동위체를 사용하는 것이 필요하다는 것이다. 예를 들어, 소정의 설계에 있어서, 상이한 자기 회전비를 각각 갖는 2개의 원자핵은 인가된 자기장에서 상이한 속도로 섭동할 수 있다. 자이로스코프의 기계적 회전비는 각 원자핵의 섭동비를 동시에 추적하고, 측정된 각 섭동비로부터 자기장의 기여분을 공제함으로써 추론할 수 있다. 그러나, 소량의 자기장 변화는 원자를 상이한 속도로 섭동시켜 출력에서 계속적인 변화를 야기하기 때문에, 이와 같이 제안된 설계는 실제로는 구현되기 어렵다. 또한, 완화 속도에서의 차이는 동위체가 상이한 비로 스핀의 응집력(spin coherence)을 느슨하게 하여 시스템을 매우 복잡한 미지의 상태로 만든다. 이러한 자이로스코프는 양 동위체로부터 동기화된 섭동 정보를 필요로 하기 때문에, 높은 신호 충실도가 이러한 설계에서는 어렵다.
자기의 변화 및 과도현상에 대한 소자의 높은 교차축 감도 및 극단의 감도와 관련된 이러한 측면들은 정상적으로 배치된 3축의 회전 운동에서 추출하기 힘든 각회전을 갖는 복합 시스템을 유발한다. 따라서, 배향 및/또는 속도 감지에서 사용하 기 위한 개선된 원자 센서가 필요하다.
본 발명은 배향 및 속도 검출을 위한 칩 스케일 원자 자이로스코프 및 그 방법에 관한 것이다.
예시적인 칩 스케일 원자 자이로스코프는 알카리-금속 원자, 비활성 가스 원자 및 하나 이상의 완충 가스의 증발된 소스를 수용하는 증기 캐비티를 갖는 증기 셀을 포함할 수 있다. 증기 셀은 분리되어 밀폐된 캐비티(들)을 포함하는 것에 의해 자이로스코프의 패키지 구조체 내에 수용될 수 있다. 다른 실시예에서, 증기 셀은 다중 웨이퍼 스택(stack)에 의해 형성될 수 있다. 또한, 알카리-금속 원자 및 비활성 가스 원자의 공급을 저장하는 다수의 저장 챔버도 형성될 수 있다. 소정의 실시예에서, 다수의 내재된 차폐부가 자기 및 열 차폐를 위하여 패키지 구조체에 제공될 수 있다. 또한, 패키지 구조체는 자기필드 소스 및 히터 소스와 같은 하나 이상의 기타 구성요소를 포함할 수 있다.
자이로스코프의 광 펌프 축을 따라 펌프 레이저 빔을 생성하는 펌프 레이저 소스는 증기 캐비티 내에서 알카리-금속 원자를 여기 상태로 광학적으로 펌핑하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 소정의 실시예에서, 비활성 가스 원자에서의 원자핵 스핀 편광을 포함하는 알카리-금속 원자에서의 각 모멘텀을 생성하면서, 펌프 레이저 소스에 의해 출력된 레이저 빔은 알카리-금속 원자의 캐리어 파장에 상응하는 파장으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 알카리-금속의 캐리어 파장으로 펌프 레 이저 소스를 고정시키는 것은 펌프 레이저 빔과 증기 캐비티와의 광학적인 통신을 하는 광 검출기로부터 피이드백 신호를 수신하는 서보 메커니즘을 통해 달성될 수 있다.
센서 레이저 소스는 증기 캐비티 내에서 비활성 가스 원자의 편광각을 검사하기 위해 광학 펌핑 축을 가로지르는 탐침(probe) 축을 따라 제2 레이저 빔을 생성한다. 비활성 가스 원자의 편광각을 감지하는 것은 감지 레이저 빔과 제2 광 검출기와 광학적으로 통신하는 적어도 2개의 직교하는 편광 필터를 이용한 자기측량기술을 통해 달성될 수 있다. 감지 레이저 소스는 제2 광 검출기로부터 피드백 신호를 수신하는 제2 서보 메커니즘을 통해 알카리-금속 원자의 이조(detuned)된 파장에 록킹될 수 있다.
원자 자이로스코프를 이용하여 움직이는 물체의 기계적 회전을 감지하고 측정하는 예시적인 방법은, 증기 캐비티 내에서 여기 상태까지 알카리-금속 원자를 광 펌핑하여 초미세 스핀 교환을 통해 비활성 가스 원자의 원자핵 스핀 편광을 유도하는 단계, 증기 캐비티 내에서 비활성 가스 원자의 편광 각을 검사하기 위하여 펌프 레이저 소스를 펌프 레이저 빔을 가로지르도록 향하게 하는 단계, 증기 캐비티 내에서 비활성 가스 원자의 회전각을 측정하는 단계 및 자이로스코프의 기계적인 회전에 대한 측정값을 출력하는 단계를 포함한다.
다음의 설명은 유사한 구성요소는 유사한 도면 부호를 갖는 도면을 참조하여 이해되어야 한다. 척도에 따를 필요가 없는 도면은 선택된 실시예를 도시하며, 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것이 아니다. 구축, 치수 및 재질의 예는 다양한 구성요소에 대하여 예시되지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제공된 많은 예들은 사용가능한 적합한 대체물을 갖는다는 것을 인식할 것이다.
도 1 내지 2는 각각 평면도 및 측면도이며, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 칩 스케일 원자 자이로스코프(10)를 도시한다. 도 1 내지 2에 도시된 바와 같이, 원자 자이로스코프(10)는 알카리-금속 원자 및 비활성 가스 상에서 외부 회전 효과를 모니터링함으로써 배향 및/또는 각회전을 감지하는데 사용되는 다수의 광학적 전기적 구성요소를 지지하기 위한 패키지 구조체(18)를 함께 형성하는 하부 웨이퍼 기판(12), 중간 웨이퍼 기판(14) 및 상부 웨이퍼 기판(16)을 포함하는 3중 웨이퍼 스택으로부터 형성된다. 예를 들어, 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 원자 자이로스코프(10)는 알카리-금속, 비활성 가스 동위체 정금(specie) 및 적합한 완충 가스를 수용하는 증기 캐비티(22)를 갖는 증기 셀(20)을 포함한다. 원자 셋트는 펌프 레이저 소스(24)를 이용하여 여기상태로 광학적으로 펌핑될 수 있으며, 비활성 가스(22) 내의 알카리-금속 원자가 비활성 가스 동위체의 원자핵에 전달되는 각 모멘텀을 획득하게 한다. 감지 레이저 소스(26)는 동위체의 편광각의 상대적 변화를 판단하는데 사용될 수 있으며, 원자 자이로스코프(10)의 기계적 회전이 측정될 수 있게 한다.
패키지 구조체(18)의 하부 웨이퍼 기판(12)은 유리 재질로부터 형성될 수 있으며, 원자 자이로스코프(10)의 다양한 광학적 전기적 구성요소를 위한 구조적인 기반을 제공한다. 다음으로, 중간 웨이퍼 기판(14)는 실리콘으로부터 형성될 수 있 으며, 알카리-금속 원자와 비활성 가스 동위체를 저장하기 위하여 여러개의 진공 챔버(32, 34)와 증기 캐비티(22)의 다양한 측벽(28, 30)을 각각 지지할 수 있다. 이 대신에, 또는 다른 실시예에서, 패키지 구조체(18)의 중간 웨이퍼 기판(14)은 웨이퍼 스택으로 삽입될 수 있는 증기 캐비티(22)를 제자리에서 지지할 수 있다. 중간 웨이퍼 기판(14)은 펌프 레이저 소스(24)로부터 방출되는 레이저 빔을 비활성 가스(22) 및 이어진 광 검출기(40)로 방향을 바꾸게 하는 다수의 미러링된 표면(36, 38)을 포함할 수 있다. 상부 웨이퍼 기판(16)은 유리로부터 형성될 수 있으며, 원자 자이로스코프(10)가 상대적으로 낮은 전력 레벨로 대략 -55℃에서 대략 +85℃의 온도 범위를 갖는 환경에서 동작되게 하는 증기 셀(20)을 위한 열적으로 분리된 진공 인클로저(enclosure)(42)를 제공한다. 다양한 웨이퍼 기판(12, 14, 16)의 형성은 리소그라피 또는 표면 마이크로 에칭과 같은 MEMS 제조에 일반적으로 사용되는 반도체 제조 기술을 이용하여 달성될 수 있다.
하부 웨이퍼 기판(12)은 원자 자이로스코프(10)의 각 단부(48, 50)에 있거나 그 가까운 곳에 위치한 다수의 솔더 및/또는 접착 본드(44, 46)를 통해 중간 웨이퍼 기판(14)에 연결될 수 있다. 다음으로, 상부 웨이퍼 기판(16)은 유사하게 원자 자이로스코프(10)의 각 단부(48, 50)에 있거나 그 가까운 곳에 위치한 다수의 솔더 및/또는 접착 본드(52, 54)를 통해 중간 웨이퍼 기판(14)에 연결될 수 있다. 필요한 경우, 다른 연결 수단이 원자 자이로스코프(10)의 다양한 구성요소를 외부 소자에 광학적 및 전기적으로 연결하기 위해 더 제공될 수 있다. 예를 들어, 소정의 실시예에서, 광 및/또는 전기 피드스루(feedthrough)가 원자 자이로스코프(10)가 관 성 측정 유닛(inertial measurement unit; IMU)에 연결되도록 패키지 구조체(18)의 주변부에 제공될 수 있다.
원자 자이로스코프(10)가 빠른 과도현상과 변화에 상대적으로 둔감하지만, 외부 DC 및/또는 낮은 주파수 자기장은 원자핵 자기 공명(nulear magnetic resonance, NMR)을 유도하기 위하여 자이로스코프(10)에 의해 사용되는 서보 제어식 필드 제거 메커니즘으로 바이어스를 발생시킨다. 자기장 방해를 감쇄시키기 위하여, 패키지 구조체(18)는 원자 자이로스코프(10)의 다양한 부품을 자기적 및 열적으로 차폐할 수 있는 다수의 내재된 차폐부(nested shield) 내에 수용되거나 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 2의 예시적인 실시예에서, 원자 자이로스코프(10)의 부품을 수용하는 이와 같은 차폐부(56, 58)가 도시된다. 그러나, 원자 자이로스코프(10)의 사용 환경에 따라 더 많거나 더 적은 수의 차폐부가 제공될 수 있다. 차폐부(56, 58)의 구성은 일반적으로 자기장의 특성에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 단일 축의 필드 코일은 자기장 방해로부터 기인하는 1차 효과를 무효시키기 위하여 전체 필드 제거를 얻기 위하여 사용될 수 있다. 다음으로, 내재된 3축 3필드 구성이 자기장 필드 방해로부터 기인하는 2차 효고를 제거하기 위하여 사용될 수 있다. 소정의 실시예에서, 레이저 소스(24, 26)는 광학 신호가 차폐부(56, 58)을 통해 공급될 수 있는 경우에는 차폐부(56, 58)를 외측에 위치할 수 있다.
상기 차폐부(56,58)는 상기 DC와 저주파 자기장(low frequency magnetic fields)을 차폐(impermeable)할 수 있는 적당한 재질로 형성될 수 있다. 예컨대 이와 같은 차폐부(56,58)는 자기장 변화(gradients)와 많은 자이로스코프 응용에 사 용된 과도 현상(transient common)을 차폐하는 것으로 알려진 니켈(nickel)과 철(iron)의 합성물로 이루어 진 슈퍼멀로이(supermalloy) 또는 멀로이(permalloy) 재질로부터 구성될 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 필요한 경우 다른 적당한 재질을 이용하여 상기 차폐부(56,58)를 구성하는 것도 가능함은 물론이다. 차폐를 위한 다른 보조적인 것으로서, 상기 패키지 구조체(packaging structure)(18)의 내부로 자기장이 들어오는 것을 추가로 방지하는 광 및 전기 피드스루(feedthroughs)가 지그제그(zigzag) 배열로 상기 차폐부(56,58)를 통하여 배열될 수 있다.
추가로 상기 원자 자이로스코프(10)은 패키지 구조체(18)에 남아 있을 수 있는 잔류 산화 액(60)과/또는 가스 들을 흡수할 수 있는 티타늄과 같은 게터 물질(getter material)(60)을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 게터 물질(60)은 상기 원자 자이로스코프(10)의 상부 진공 챔버(42)내에 형성되고, 작은 구멍 또는 터널(62)과 통하는 증기 셀(20)과 통신될 수 있다. 상기 게터 물질(60)은 상부 웨이퍼 기판(16)의 내측 면(64)상에 캡슐화된 게터 돗트(dots)들을 증착함으로써 형성되는데, 이때 상기 웨이퍼 기판(12)(14)(16)들은 오염되지 않은 게터를 방출하기 위하여 일단 밀봉 상태로 있고, 상기 캡슐화된 게터 물질(60)들을 용융 또는 가열시킨다. 실제 상기 게터 물질(60)은, 통상의 대기중 가스와 패킹-물질(packing-material)인 증기로 부터 가스가 빠져 나가는 것에 기인하고/또는 정시 외에 상기 패키지 구조체(18)의 내부로 이와 같은 물질들이 확산 또는 미세 누설됨에 따라 상기 패키지 구조체(18)의 내부에 있을 수 있는 오염물질을 화학적으로 흡수하기 위 하여 사용될 수 있다.
상기 증기 셀(20)은 에칭과 같은 적당한 공정을 통하여 상기 하부 웨이퍼 기판(12)상에 적어도 형성될 수 있다. 예컨대 알려진 기술에 의하면, 실리콘 이산화물(SiO2)과 같은 투명한 산화물이 상기 증기 셀(20)의 일부분을 형성하기 위하여 상기 하부 웨이퍼 기판(12)위에 생성 또는 증착될 수 있다. 상기 증기 셀(20)은 통상 하나 이상의 저장 챔버(storage chamber)(32)(34)와 증기 캐비티(vapor cavity) (22)로 나누어 질 수 있다. 상기 저장 챔버(32)(34)는 각각 상기 저장 챔버(32)(34)내에 증착될 수 있고 알루미늄 층과 같은 페시베이션(passivation) 층으로 제공되는 알칼리-금속(alkali-metal) 원자들과 비활성 가스(noble gas) 원자들을 잡아두는 챔버(holding chamber)로서 배열된다. 바람직하게는 상기 저장 챔버(32)(34)는 적당한 기하하적 구조와 재질을 사용하는 웨이퍼 스택(wafer stack)의 바깥쪽에 제공될 수 있고, 이와 같은 챔버들은 상기 웨이퍼 스택의 제조시 그 내부에 삽입될 수 있다. 다음, 상기 증기 캐비티(22)는 펌프 레이저 소스(pump laser source)(24)에서 출력되는 레이저 빔(66)과 광 검출기(phodector)(40)와 통신 상태에 있고, 작은 구멍 또는 터널(68)을 통하여 상기 저장 챔버(32)의 내부에 증착된 알칼리-금속 원자 소스와 연결될 수 있다. 가열되면, 상기 저장 챔버(32)내의 알칼리-금속 원자들은 증기화되어 상기 증기 캐비티(22)에 채워진다. 상기 알칼리-금속의 증기 압력은 증기화된 알칼리-금속이 원하는 가동 온도 예컨대 220℃의 온도에서 포화 증기 압력(saturation vapor pressure)으로 상기 증기 캐비티(22)에 채워질 정도의 압력이면 충분하다. 그러나 상기 포화 증기 압력이 형성될 때의 정확한 온도는 원자 전체의 구조, 상기 증기 캐비티(22)의 스케일 뿐만 아니라 다른 인자(factor)에 따라 달라질 수 있다.
상기 증기 셀(20)은 높은 열 전도성 물질로 된 하나 이상의 벽 또는 층(70)으로 포위되거나 내재되는데, 상기 벽이나 층들은 상기 증기 캐비티(22)의 내부 온도를 적당하게 유지시키기 위한 열적으로 분리된 갭(thermal isolation gap)을 구현하는 열적 인클로져로 제공된다. 또한 열적 가교(thermal bridge)(72)가 상기 증기 캐비티(22)의 내부 온도를 적당하게 유지시키도록 상기 증기 캐비티(22) 주위에 제공될 수 있다. 다른 형태의 가열 요소(heating elements)(미도시)들이 증기 캐비티(22)의 내부 가동 온도를 일정 온도(예를들어, +200℃)로 유지시키도록 상기 증기 셀(20) 가열용으로 사용될 수 있다. 이와 같은 가열 요소(elements)들은 예컨대 와이어 권취 형태(wire winding), 방열 형(heat dissipation mode) 파워 트랜지스터(power transistor) 또는 상기 증기 셀(20)에 열을 가하는 다른 적당한 형태의 수단들을 포함할 수 있다. 온도 센서가 상기 와이어 권취수단을 통하는 전류를 일정하게 하여 원하는 온도에서 상기 알칼리-금속 원자들을 유지하기 위한 온도 콘트롤러에 피이드백(feedback)을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
심사중인 미국 특허 출원 번호 제11/276,538호(명칭;"Passive Analog Thermal Isolation Structure")에 개시된 바와 같은 열 분리 구조체(thermal isolation structure)가 외부로 부터의 열 분리를 제공하기 위하여 상기 웨이퍼 기판(12)(14)(16)들의 일측에 형성 또는 결합될 수 있다.
이와 같은 열 분리 구조체는 가열 전력(heating power)을 낮은 수준에서 사용하여도 증기 캐비티(22)의 내부 온도를 정밀하게 제어하는 것과 상기 원자 자이로스코프(10)의 가동에 필요한 전체 전력 소비를 줄이는 것을 가능하게 한다.
상기 증기 셀(20)의 각각의 면에 배치된 다수의 윈도우 구멍(window aperature)(74)(76)들이, 상기 펌프 레이저 소스(24)의 레이저 빔(66)이 증기 셀(20)의 벽(70)들을 통하여 광 펌핑 축(78) 방향으로 광 검출기(40)까지 송신하도록 배열된다. 다른 윈도우 구멍(80)(82)들이 상기 증기 셀(20)의 상부와 바닥 부분에 배열되는데, 이와 같은 윈도우 구멍들은 감지 레이저 소스(sense laser source)(26)의 레이저 빔(86)이 상기 광 펌핑 축(78)에 교차하는 감지 축(sense axis)(88) 방향으로 제2의 광 검출기(86)까지 상기 증기 셀(20)을 통하여 송신되는 것을 가능하게 한다. 이와 같은 윈도우 구멍(74)(76)(80)(82)들은 상기 레이저 빔이 알칼리-금속의 초미세 주파수에서도 이동없이 상기 구멍(74)(76)(80)(82)들을 통과하는 것을 가능하게 하는 어떠한 광 통과성 물질 예컨대, 유리, 용융 규소, 수정 및/또는 사파이어와 같은 물질로부터 형성될 수 있다. 상기 원도우 구멍(74)(76)(80)(82) 들은 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)와 같은 에칭 기술을 사용하여 가공될 수 있고, Pb-Sn 리플로우 솔더(reflow sorder)로서 같이 밀봉될 수 있다. 다른 실시예로서, 상기 원도우 구멍(74)(76)(80)(82)들은 본 건에 참조자료로 첨부된 미국 특허 출원 번호 제11/164,455호(명칭;"Miniature Optically Transparent Window")에서 개시된 에칭 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 그러나, 필요한 경우 다른 가공 기술을 이용하는 것이 가능함은 물론이다.
상기 증기 캐비티(22)는 85Rb,87Rb 또는 133Cs와 같은 알칼리-금속 원자들, 129Xe,131Xe 또는 3He와 같은 비활성 가스(noble gas) 및, 상기 증기 캐비티(22)의 내부에서의 위상 충돌(dephasing collisions)을 감소시키기 위한 N2,Ar,Kr 및/또는 Ne와 같은 적당한 완충 가스(buffer gas)를 포함할 수 있다. 예컨대, 알칼리-금속 원자들과 비활성 가스 원자들의 조합은 상기 원자 자이로스코프(10)에 원하는 특성을 제공하도록 이행될 수 있는, 스핀-교환 커플링 정수(spin-exchange coupling constants)의 넓은 범위를 제공하도록 사용된다. 또한, 이와 같은 조합은 상기 증기 캐비티(22)의 내부 압력에 영향을 미치는 상기 원자 자이로스코프로서 사용되는 완화 시 정수(relaxation time constants)를 변경하기 위하여 선택될 수 있다.
상기 원자 자이로스코프(10)의 스케일 인자(scale factor)는 상기 감지 레이저 빔(84)의 파장 및/또는 상기 증기 캐비티(22)의 내부 알칼리-금속 원자들의 증기 압력을 조정함으로서 변경될 수 있다. 일 예로 증기 압력은 상기 증기 캐비티(22)의 내부 셀 온도를 조정함으로써 구현될 수 있다. 또한 알칼리-금속 원자, 블활성 가스 원자 및/또는 완충 가스 원자의 밀도는 상기 증기 캐비티(22)의 증기 압력을 일정하게 조정함으로써 제어될 수 있고, 결국 상기 스케일 인자가 제어될 수 있다. 또한 상기 증기 캐비티(22)의 내부 비활성 가스 원자의 밀도는, 상기 원자 자이로스코프(10)의 편광 전달량(polarization transfer)과 신호 레벨의 균형을 맞춤으로써 화학량적으로 제어될 수 있다.
마찬가지로 상기 완충 가스의 압력도 회전하는 원자에 대한 증기 캐비티 벽(28)(30)의 영향을 최소화하도록 조정될 수 있다. 일 예로 가스 밀도와 열적 속도와 같은 인자들에 기인하는 알칼리-금속 원자의 스핀 파괴 속도(spin destruction rate)의 제어에 사용되는 미네랄 오일 또는 다른 적당한 물질이 상기 증기 캐비티(22)의 내측 벽에 도포된다. 또한 펌프 시간(pump time)과 신호 레벨과 같은 다른 시스템 특성도 상기 증기 캐비티(22)내 완충 가스의 상호 압력(relative pressure)에 적어도 일정 부분 의존한다.
상기 펌프 레이저 소스(24)는 상기 패키지 구조체(18) 주위에 위치되고, 상기 비활성 가스 원자의 원자핵 스핀 편광을 유발하는 알칼리-금속 원자의 각도 모멘텀(angular momentum)을 생성하도록 상기 증기 캐비티(22)로 원자 집단(atomic ensemble)을 광 펌핑하도록 배열된다. 예컨대, 상기 펌프 레이저 소스(24)는 비교적 낮은 전력을 소비하는 알칼리-금속 원자의 캐리어 파장(wavelength)에서 작동할 수 있는 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser,VECSEL)를 포함할 수 있다. 그러나 다른 적당한 레이저 소스들이 광학적으로 상기 증기 캐비티(22)를 펌핑하기 위하여 사용될 수 있다. 바람직한 레이저 소스의 일 예로 레이저 방사(radiation)을 생성하기 위한 갈륨-비소(gallium-arsenic)(GaAs) 반도체 레이저 다이오드(diode)를 사용하는 분배 DBR(Distributed Bragg reflector)(DBR)을 포함할 수 있다. 상기 증기 캐비티(22)로의 광 펌핑을 가능하게 하도록, 상기 펌프 레이저 소스(24)는 상기 알칼리-금속 원자의 캐리어 파장 근처에서 연속적으로 편광(polarized light)을 출력하도록 배열된다. 이와 같은 일예들에서 87Rb 또는 85Rb 알칼리-금속 원자의 소스로 사용될 수 있는데, 예를 들어 상기 펌프 레이저 소스(24)는 통상 루비듐 원자용 D1 흡수 라인에 상응하는 대략 795nm 의 파장(wavelenghth)에서 유지될 것이다.
도 1-2의 실시예에서, 상기 펌프 레이저 소스(24)에서 방출되는 상기 레이저 빔(66)은 상기 레이저 빔 강도를 약화시키는 데에 사용될 수 있는, 전기변색(electrochromic) 또는 수동 신경 밀도 필터(passive neural density filter)(90)을 통하여 통신된다. 그리고 4분 파 플레이트(wave plate)(92)가 상기 펌프 레이저 소스(24)로부터 방출된 선형 편광(polarized light)을 원 편광으로 전환시키기 위하여 사용된다. 다른 광 변경 요소들이 원하는 방식으로 상기 레이저 빔의 특성을 바꾸기 위하여 사용될 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 이와 같은 요소들은 일예로 빔 확장기, 시준기, 감쇄기, 초점 렌즈들 또는 이와 유사한 것들을 포함할 수 있다.
상기 4분 파 플레이트(92)에서 출력된 상기 원 편광은, 상기 하부 웨이퍼 기판(12) 내부로 상기 레이저 빔을 향하게 하는 광 섬유 또는 웨이브 가이드(94)를 통하여 통신된다. 일단 상기 하부 웨이브 기판(12)을 통과하면, 상기 레이 빔(66)은 상기 중간 웨이퍼 기판(14)상의 제1 미러링된 표면(36)에서 반사되고, 상기 증기 캐비티(22)를 통과한다. 상기 증기 캐비티(22)를 통과한 상기 레이저 빔(66)은 상기 중간 웨이퍼 기판(14)상의 제2 미러링된 표면(38)에서 반사되고, 상기 레이저 빔을 광 검출기(40)에 도달한다.
아래에서 설명하듯이, 작동 중 상기 펌프 레이저 소스(24)로부터 방출된 상기 레이저 빔(66)은 상기 증기 캐비티(22)로 알칼리-금속 원자를 광 펌핑하고, 상기 알칼리-금속 원자와 불활성가스 원자 모두가 광 펌핑 축(78) 방향으로 강하게 스핀-정렬되도록 사용된다. 상기 증기 캐비티(22)의 알칼리-금속 원자의 광 펌핑은 상기 펌프 레이저 소스(24)에서 방출된 상기 레이저 빔의 파장을 상기 증기 캐비티(22)내 알칼리-금속 원자의 정밀한 캐리어 파장으로 록킹하여 구현될 수 있다. 일예로 87Rb 가 상기 소스 또는 알칼리-금속 원자용으로 사용되고, 상기 펌프 레이저 소스(24)는 루비듐 원자의 초미세 주파수에 상응하는 대략 794.97nm의 캐리어 파장으로 록킹될 수 있다. 그러나 상기 캐리어 파장은 133Cs, 23Na 또는 39K 와 같은 통상적인 알칼리-금속 원자의 다른 형태에 맞추어 변경될 수 있다. 예를 들어 상기 캐리어 파장에 대한 펌프 레이저 소스(24)의 록킹(locking)은 상기 광 검출기(40)에서 출력된 피이드백 신호를 기반으로 상기 펌프 레이저 소스(24)에 공급되는 전류를 일정하게 하도록 배열된 서보 메커니즘(96)을 사용하여 구현할 수 있다. 그러나 이와 같은 상기 캐리어 파장에서의 펌프 레이저 소스(24)의 록킹은 본 발명으로 한정되는 것은 아님은 물론이다.
도 1-2에서 도시한 바와 같이, 감지 레이저 소스(26)가 상기 패키지 구조체(18)에 주위에 배열되는데, 이와 같은 감지 레이저 소스는 상기 펌프 레이저 소스(24)를 통한 상기 알칼리-금속 원자의 광 펌핑에 의하여 생성되는 비활성 가스 원자의 회전을 감지하는 레이저 빔(84)을 방출하도록 배열된다. 화살표 88로 나타 낸 바와 같이, 상기 감지 레이저 소스(26)로부터 방출된 레이저 빔(84)은 광 펌핑용의 상기 레이저 빔(66)을 가로질러 상기 증기 캐비티(22)로 향한다. 일 예로, 상기 감지 레이저 소스(26)에서 방출된 상기 레이저 빔의 파장은 상기 알칼리-금속 원자의 캐리어 파장과 상기 제2 광 검출기(86)에서 피이드백 신호를 받도록 배치된 서보 메커니즘(122)을 사용하여 록킹되는 파장으로 이조(detuned)될 수 있다.
(34) 작동 중, 상기 비활성 가스 원자의 회전이 한 셋트의 수직 편광 필터(124)(126)가 감지 빔 방사(radiation)를 무효(null)시키도록 사용되는 편광측정 기술을 사용하여 측정될 수 있다. 예를 들어 도 1-2에서 일 예로 도시된 바와 같이, 수평 편광 필터(124)와 수직 편광 필터(126)는 상기 레이저 빔(84)을 무효시키도록 사용될 수 있다. 물론 필요한 경우, 광 섬유 또는 웨이브 가이드(127)와 같은 다른 광 변경 요소들이 상기 감지 레이저 소스(26)에서 방출되는 레이저 빔(84)과의 광 통신에 제공될 수 있다. 상기 감지 빔(84)이 상기 증기 캐비티(22)를 통과하여 위로 향하면, 그 편광은 상기 감지 축(88)을 따라 전달되는 감지 방사의 생성된 필드 강도(field strength)량에 따라 상응 회전되고, 그 다음 상기 원자 자이로스코프(10)의 기계적 회전의 각도 함수로 구현된다. 따라서 상기 감지 빔의 편광 회전은 상기 원자 자이로스코프(10)의 네트 기계적 회전(net mechanical rotation)에 상응하는 신호를 제공한다.
도 3a-3c는 87Rb 알카리-금속 원자와 129Xe 비활성 가스 원자 소스를 이용하여 도 1 및 2의 예시적인 원자 자이로스코르(10)의 작동을 보여주는 개략적인 도면이다. 도 3a는 시간 t=0 인 초기 시작 상태를 도시한 것으로서, 상기 펌프 레이저 빔(24)에서 방출된 레이저 빔은 상기 필터(90)를 통과하여 4분 파 플레이트(92)를 향하고, 선형 편광 레이저 빔은 원 편광 레이저 방사로 전환된다. 상기 펌프 레이저 소스(24)에서 출력된 상기 레이저 빔의 파장은 87Rb 원자의 2S1 /2 접지상태에서 최저 2P1 /2 여기 상태(excited atate)까지 대략 794.97nm의 파장 λ에 따른 그 변이(transition)에 상응하도록 조정된다. 이와 같은 D1 흡수라인에 대한 상기 87Rb 원자의 여기(excition)는 상기 87Rb 원자가 광(photo)을 흡수하고 상기 증기 캐비티(22)내 각 모멘텀(angular momentum) 획득을 가능하게 한다. 이때 이와 같은 각 모멘텀은 상기 비활성 가스 원자의 핵을 전이시키고 비활성 가스 원자의 스핀-업(spin-up)을 가능하게 한다. 상기 원자 자이로스코프(10)를 스핀-업 하기 위하여 필요한 시간은 인자들 예컨대, 상기 증기 캐비티(22)내 온도, 상기 증기 캐비티(22)의 크기, 상기 알칼리-금속 원자와 불활성가스 원자의 밀도 또는 그 외에 다른 인자들에 따라 다르다.
상기 펌프 레이저 빔(24)에서 방출된 상기 레이저 빔(66)의 파장은 상기 87Rb 의 D1 흡수 라인까지 상기 펌프 레이저 소스(24) 파장 λ를 록킹하도록 광 검출기(40)에 의해 감지될 수 있다. 일예로, 상기 펌프 레이저 소스(24)는 상기 87Rb 원자의 여기시, 정밀한 파장으로 상기 펌프 레이저 소스(24)로 부터 방출된 상기 레이저 빔(66)을 록킹하는 상기 제1 서보 메커니즘(96)과 연결될 수 있다. 이와 같은 일 예에서, 상기 알칼리-금속 원자의 다른 소스가 상기 소스 펌핑 원자로서 사용되면서, 상기 펌프 레이저 소스(24)의 파장은 필요에 따라 원자의 여기 상태 또는 여기 상태들로 상기 알칼리-금속 원자를 광 펌핑하도록 가변될 수 있다. 일단 현저히 적은 비활성 가스 핵들이 상기 광 펌핑 축"z"을 따라 스핀-정렬되고, 상기 비활성 가스의 모아진 원자핵 자기 모멘트(magnetic moment)는 상기 증기 셀(200)내 여러 밀리가우스(milligauss)까지 상승하는 네트 자기필드(net magnetic field)(-λMz)를 생성한다.
상기 펌프와 감지 레이저 소스(24)(26)는 서로 교차되어, 상기 펌프 레이저 소스(24)로부터 방출되는 레이저 빔은 상기 원자 자이로스코프(10)의 펌핑/편광 축"z"로 제공되고, 반면에 상기 감지 레이저 소스(26)에서 방출되는 상기 레이저 빔은 상기 원자 자이로스코프(10)의 감지 축"x"로 제공된다. 특히 도 3a에서 이해되는 바와 같이, 초기 사용시 상기 원자 자이로스코프(10)은 나중에는 상기 원자 자이로스코프의 배향(orientation)을 보상하는 데에 사용되는 비-회전 보조 프레임에 배치될 수 있다.
상기 증기 캐비티(22)내 상기 87Rb 원자가 그 여기 상태까지 연속적으로 펌핑되면, 상기 증기 캐비티(22)에 포함된 비활성 가스 원자의 원자핵 스핀(nuclear spin)은 복수의 알칼리-금속 원자와 비활성 가스 원자로 부터 생성되는 준안정 반 데발스(van der Waal) 분자내에서 초미세 스핀 교환을 통하여 상기 z-축을 따라 편광된다. 이와 같은 원자들사이의 상호 교환은 상기 원자 자이로스코프(10)의 원하는 기준을 제공하는 상기 비활성 가스 원자내 원자핵 스핀 편광을 포함한다.
상기 비활성 가스 원자의 원자핵 스핀 편광으로 기인하는 네트 자기 장 -λMz의 영향을 제거하기 위하여, 스테틱(static) 자기 필드 Bz은 상기 패키지 구조체내에 배열된 다수의 자기 요소(magnetic element)(128)(130)를 사용하여 광 펌핑 축z를 따라 작용될 수 있다. 예를 들어 상기 스테틱 자기 필드 Bz은 도시된 바와 같이 상기 증기 캐비티(22)의 양측에 배열된 다수의 헤임홀츠 코일(Heimholtz coil)을 사용하여 생성될 수 있다.
상기 선형 편광 방사 빔의 분리된 σ+ 와 σ- 부분은 이들이 상기 87Rb 의 대략 m=+1/2 및 m=-1/2 상태로 펌핑하여 다른 광 공진 주파수들을 생성한다. 편광분석 기술들을 사용하여, 상기 감지 빔(84)의 σ+ 와 σ- 성분들은 다른 지수들 n- 와 n+ 들을 생성한다. 이와 같은 영향으로 상기 빔의 σ+ 와 σ- 성분들에 대한 다른 위상 속도들이 형성되고, 직진성 산란 빔(scattered beam)의 네트 회전(net rotation)이 발생된다. 그 결과 상기 감지 빔 84의 선형 편광은 각도
Figure 112007014788425-PAT00001
만큼 회전되는데, 여기서 다음의 수학식 1로 이해될 수 있다.
Figure 112007014788425-PAT00002
일단, 상기 자기필드 -λMz이 무효(null)되면, 상기 원자 자이로스코프(10)는 도 3b에서 시간 t>0 인 경우를 도시한 바와 같이, 상기 원자 자이로스코프(10)의 감지 축"y"에 대한 회전을 감지하도록 배열된다. 상기 y-축에 대한 회전이 발생하면, 상기 비활성 가스 원자핵 스핀은 바로 이어져 생성되지는 않지만, 일정 시간 동안 기계적 회전을 대신 주춤거리게 할 것이다. 이와 같은 주춤 거리게 하는 시간동안, 원자 자이로스코프(10)내에 네트 자기 필드 Bx가 생성되고, 이와 같은 네트 자기필드는 상기 자이로스코프(10)의 기계적 회전에 바로 상응하는 측정된 신호로 편광 회전을 유발시킨다. 이때 상기 원자 자이로스코프(10)의 스케일 인자(factor)는 상기 측정된 신호의 편광 회전과 상기 원자 자이로스코프(10)의 기계적 회전간의 상호 관계를 설정하는 데에 사용된다. 통상 잔류 자기 필드 Bx의 투영은 상기 감지 빔(84)의 편광에서의 변화를 유발한다. 작동중 이와 같은 현상은 상기 원자 자이로스코프가 낮은 교차축 민감성(cross-axis sensitivity)으로 작동하는 것은 가능하게 한다.
상기 원자 자이로스코프(10)가 계속 회전하면, 다음의 도 3c에서 도시된 바와 같이, 상기 적용된 자기 필드 Bz과 상기 비활성 가스의 원자핵 스핀 방향(spin orientation)사이의 각도는, 나타난 배향상태에 따라 상기 비활성 가스 동위체들을 재배열하는 상기 펌핑 속도(rate)에 상응하여 상기 원자 자이로스코프(10)의 기계적 회전의 상대 속도에 따라 커지거나 작아질 수 있다. 이와 같은 배열에서, 상기 비활성 가스의 배향이 연속하여 시스템 회전을 추적하고 측정된 상기 원자 자이로스코프(10)의 기계적 회전을 허용하는 비-균형 상태로 유발한다.
상기 펌프 레이저 소스(24)로부터의 광 펌핑은 비교적 짧은 응답 시간에 새로운 "z"축을 따라 상기 비활성 가스 동위체들을 연속적으로 재 배열하고, 상기 y-축에 대한 상기 원자 자이로스코프의 기계적 회전시의 미세한 변화를 상기 감지레이저 빔이 감지하도록 제공된다. 예를 들어 상기 시스템의 응답 시간은 정형화되어 상기 원자 자이로스크프(10)가 비교적 높은 대역폭(예컨대 300Hz 이하)에서 사용되는 것을 가능하게 한다.
상기 원자 자이로스코프(10)의 밴드폭과 민감성은 상기 증기 캐비티(22)의 증기 압력 및/또는 셀 온도와 같은 여러 파라미터들을 조정함으로서 여러 형태로 변경될 수 있다. 회전의 비교적 높은 회전 속도에서 회전 검출을 가능하게 하여 밴드폭을 높이기 위하여, 상기 비활성 가스 동위체의 원자핵 스핀은 주기적으로 재 배열되는데, 그렇지 않으면 상기 원자 자화 방향(magnetization direction)은 상기 감지 빔 축 "y"에 의한 회전 각도를 정밀하게 추적하는 것을 어렵게 한다. 상기 비활성 가스 원자(예를 들어 129Xe)의 원자핵 스핀 편광은 아래의 수학식 2,3으로 설정되는 광 펌핑된 87Rb 증기에 의한 스핀 교환 충돌을 통하여 구현된다.
Figure 112007014788425-PAT00003
Figure 112007014788425-PAT00004
상기 수학식 2,3에서,
Figure 112007014788425-PAT00005
는 87Rb의 편광이고,
Figure 112007014788425-PAT00006
는 밀도이며,
Figure 112007014788425-PAT00007
는 속도 평균 쌍성 스핀 교환 교차 섹션이고,
Figure 112007014788425-PAT00008
는 반데발스 조합시 스핀 교환에 따른 것이다.
129Xe 원자의 최적 편광화를 이루는데 필요한 시간은 37Rb밀도와 129Xe 밀도 양자모두의 영향을 받는다. 증기 캐비티 22내에 비교적 낮은 온도를 유지함으로써 비교적 낮은 편광화 시간을 이룰수 있다. 판독 신호(readout signal)의 시간 적분(time integral)은 원자 자이로스코프 10의 y-축 주위로의 기계적 회전전체각 Ωy에 비례하며 기계적 회전 Ωy의 시간의존성과는 독립이다. 더욱이 임의의 자기장 과도 현상으로 생긴 네트 회전각은 그 과도 현상 동안 스핀편광화가 작은 각 만큼 회전되는한 거의 0과 같다. 이같은 현상은 높은 대역(high bandwidth)뿐만아니라 높은 다이나믹 영역과 바이어스 안정성을 확고히 한다.
원자 자이로스코프 10은 신뢰도, 크기, 전력소모량, 진동오차, 및/또는 비용등을 고려할때 여러 적용처에 사용될 수 있다. 예를들어 몇몇 적용처중에서 상기 원자 자이로스코프 10은 고도의 신뢰성 및 낮은 전력 소비를 필요로하는 OAV(orgnic air vehicle)제어나 기타 항해 시스템에 사용될 수 있다. 자율적 지상차량 운항, 로보트 공학, 지하용 운항 및/또는 경비행기 제어 및 운항에도 또한 응용 될수 있다. 예를들어 몇몇 경우에, 상기 원자 자이로스코프(10)은 동굴안이나 대형 빌딩내부등 GPS를 사용하기 어려운 곳에서 개인용 운항시스템에 사용 될 수도 있다.
상기 원자 자이로스코프(10)은 스핀-편광 증기 가스(spin-polarized vapor gas)의 자기-광학적 성질을 이용하기 때문에, 자이로스코프(10)은 라모르 섭동(Larmor Precession)을 측정하는, 원자핵 자기 공명(NMR) 자이로스코프에 보편적인 B-필드 및 광학 필드 비균일성 과 변동에 비교적 덜 민감하다. 또한 본 발명의 원자 자이로 스코프는 아주 낮은 교차-축 민감도(cross-axis sensitivity)를 갖고 있으며, 이는 종래의 자이로스코프가 그 복잡성으로 인해 많이 갖고 있던 것이다. 더욱이, 본 발명의 자이로스코프(10)은 단일축을 따라 펌핑하고 감지하는 원자 자이로스코프에서 일반적인 주파수 이동(frequency shifts)및 바이어스 드리프트 (bias drift)에 비교적 덜 민감하다. 진동, 사용기간 경과 및 재질 열화등에 영향 받기 쉬운 기계적 여기 및 검출을 이용하는 MEMS 진동 자이로스코프와는 달리 본 발명의 원자 자이로스코프(10)은 이동하거나 진동하는 부품을 갖고 있지 않아 오류가능성이 적다. 또한 몇몇 링 레이저 자이로스코프 설계와는 달리 본 발명의 자이로 스코프(10)은 낮은 회전 속도에서의 록-인(lock-in)에 덜 민감하다.
본 발명의 여러 실시예에 대하여 기술하였으나 이 분야에서 통상의 지식을 가진자는 본 발명의 범위내에서 그 변형이 가능할 것이다. 본 발명의 많은 잇점은 상기 기술한 바와같으나 이는 단지 예시적인 것으로서 본 발명의 범위내에서 여러가지 요소에 대한 변형이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 알카리-금속원자와 비활성 가스 원자의 증기화소스를 함유하도록 된 증기 캐비티(vapor cavity)를 포함하는 증기 셀(vapor cell);
    상기 증기 캐비티내의 알카리-금속 원자를 여기 상태까지 광학적으로 펌핑하기 위해 광 펌핑축을 따라 제 1 레이저빔을 생성하는 펌프 레이저 소스; 및
    상기 증기 캐비티내의 비활성 가스 원자의 편광 각을 탐침하기 위해 상기 광학적 펌핑축과 교차하는 탐침축(probe axis)을 따라 제 2 레이저 빔을 생성하는 감지 레이저 소스;를 포함하고, 상기 제 1 레이저빔은 비활성 가스 원자에 원자핵 스핀 편광화를 유발함을 특징으로 하는 칩-스케일 원자 자이로스코프.
  2. 제 1항에 있어서, 나아가 상기 증기셀을 지지하는 패키지 구조체를 포함함을 특징으로 하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  3. 제 1항에 있어서, 상기 증기셀은 나아가
    상기 알카리-금속원자 및/또는 비활성 가스 원자 공급을 포함하기 위한 하나 이상의 저장챔버를 상기 증기 캐비티와 연통되게 포함함을 특징으로 하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  4. 제 2항에 있어서, 나아가 상기 패키지 구조체를 자기적으로 그리고 열적으로 차단하기 위한 다수의 내재된 차폐부를 포함함을 특징으로 하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  5. 제 1항에 있어서, 나아가 상기 증기 캐비티내에서 자기장을 유도하는 수단을 포함함을 특징으로 하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  6. 제 1항에 있어서, 상기 증기 캐비티는 나아가 하나 이상의 완충 가스를 포함함을 특징으로 하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  7. 제 1항에 있어서, 나아가
    상기 증기 캐비티를 통해 전달된 상기 제 1레이저 빔과 광학적 통신하는 제 1광 검출기;
    상기 알카리 금속 원자의 캐리어 파장에서 상기 제 1 레이저빔을 록킹(locking)하고, 상기 제 1 광 검출기로부터의 피드백 신호를 수신하는 제 1 서보 메커니즘;
    상기 증기 캐비티를 통해 전달된 제 2 레이저빔과 광학적 통신하는 제 2 광 검출기; 및,
    상기 알카리-금속 원자의 캐리어 파장으로 부터 이조(離調, detune)된 파장에서 상기 제 2 레이저빔을 록킹하고, 상기 제 2 광 검출기로 부터의 피드백 신호를 수신하는 제 2 서보 메커니즘;을 포함하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  8. 제 7항에 있어서, 나아가 상기 제 2 레이저빔 및 제 2 광검출기와 광학적 통신하는 수직 편광 필터 셋트를 포함함을 특징으로 하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  9. 제 1항에 있어서, 상기 펌프 레이저 소스는 단일 VCSEL 소스를 포함함을 특징으로 하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  10. 제 1항에 있어서, 나아가 상기 증기셀을 가열하기 위한 수단을 포함하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  11. 제 1항에 있어서, 나아가 상기 증기셀과 열역학적 통신하는 수동 아나로그 열 분리 구조체(passive analog thermal isolation structure)를 포함함을 특징으로 하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 칩-스케일 원자 자이로스코프는 미세전자기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS)자이로스코프임을 특징으로 하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  13. 알카리 금속원자와 비활성 가스 원자의 증기화된 소스를 함유하도록 된 증기 캐비티를 포함하는 증기 셀;
    상기 증기 캐비티내의 알카리 금속원자를 여기 상태까지 광학적으로 펌핑하기 위해 광 펌핑축을 따라, 상기 비활성 가스 원자내에 원자핵 스핀 편광화를 유발하는, 제 1 레이저빔을 생성하는 펌프 레이저 소스;
    상기 제1 레이저빔 및 증기 캐비티와 광학적 통신하며, 상기 알카리-금속 원자의 캐리어 파장에서 상기 제 1 레이저빔의 파장을 유지하도록 제 1 서보 메커니즘에 연결된 제 1광 검출기;
    상기 증기 캐비티내에 자기장을 유도하는 수단;
    상기 증기 캐비티내에서 비활성 가스 원자의 편광각을 탐침하기 위해 상기 광 펌핑축과 교차하는 탐침축을 따라 제2레이저 빔을 생성하는 감지 레이저 소스;
    상기 제2레이저 빔 및 증기 캐비티와 광학적 통신하며, 상기 알카리 금속원자의 캐리어 파장에서 이조(detune)된 제2 레이저빔의 파장을 유지하도록 제 2서보 메커니즘에 연결된 제 2 광 검출기; 및,
    상기 제 2 레이저빔 및 상기 제 2 광 검출기와 광학적 통신하는 최소 2개의 수직 편광 필터;를 포함하는 칩-스케일 원자 자이로스코프
  14. 알카리-금속 원자와 비활성가스원자의 증기화된 소스를 함유한 증기 캐비티를 포함하는 증기 셀을 제공하는 단계;
    상기 증기 캐비티 및 제 1광 검출기와 광학적 통신되며, 상기 광학적 캐비티내의 알카리 금속원자를 여기 상태까지 광 펌핑하기 위해 상기 증기 캐비티내로 제 1 레이저 빔을 향하게 하는 제 1 레이저 소스를 제공하는 단계;
    상기 증기 캐비티 및 제 2 광 검출기와 광학적 통신되며 내부의 비활성 가스원자의 원자핵 스핀 편광화를 탐침하기 위해, 상기 제 1 레이저 빔에 교차하여 상기 증기 캐비티내에 제 2 레이저 빔을 향하게 하는 제 2 레이저 소스를 제공하는 단계;
    상기 증기 캐비티내의 상기 비활성 가스 원자의 회전 각을 측정하는 단계; 및
    자이로스코프의 기계적 회전 측정값을 출력시키는 단계;를 포함하는 물체의 기계적 회전 감지 및 측정방법.
  15. 제 14항에 있어서, 나아가
    상기 증기 캐비티내에서 자기장을 생성하도록 배열된 자기장 소스를 제공하는 단계; 및
    상기 증기 캐비티내에서 비활성 가스 원자의 핵 스핀 편광화로 생긴 네트 자기장을 없애기 위해 상기 자기장 소스를 활성화시키는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 방법
  16. 제 14항에 있어서, 나아가
    상기 제1 레이저 소스 및 제1 광 검출기와 통신하는 제 1 서보 메커니즘을 제공하는 단계; 및
    상기 제 1광 검출기로부터의 피드백 신호를 이용하여 어느 파장에서 상기 제 1레이저 소스에 공급된 전류를 록킹(locking)하는 단계;를 포함하며,
    상기 제 1 레이저 소스로부터의 파장은 상기 증기 캐비티내의 알칼리-금속원자의 캐리어 파장과 상응함을 특징으로 하는 방법
  17. 제 16항에 있어서, 나아가
    상기 제 2 레이저 소스 및 제 2 광 검출기와 통신하는 제 2 서보 메커니즘을 제공하는 단계; 및
    상기 제 2 광검출기로부터의 피드백 신호를 이용하여 어느 파장에서 상기 제 2 레이저 소스에 공급된 전류를 록킹하는 단계;를 포함하며,
    상기 제 2 레이저 소스로부터의 파장은 상기 증기 캐비티내의 알카리-금속 원자의 파장으로부터 이조된(detuned) 파장에 상응함을 특징으로 하는 방법
  18. 제 14항에 있어서, 상기 증기 캐비티내에서의 비활성 가스 원자의 회전각 측정 단계는,
    상기 제2 레이저 빔 및 증기 캐비티와 광 통신하는 수직 편광 필터 셋트를 제공하는 단계; 및
    상기 제 2 레이저 빔에 의해 생성된 감지빔 방사를 무효(nulling)시키는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 방법
  19. 제 14항에 있어서, 나아가
    상기 증기 캐비티를 가열하기 위해 상기 증기셀 부근에 히터 소스를 제공하 는 단계; 및,
    상기 히터 소스로서 상기 증기 캐비티를 가열함으로서 상기 증기 캐비티내의 알카리-금속 원자의 압력을 원하는 수준으로 유지시키는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 방법.
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