[发明专利]微流控原子腔、片上原子钟芯片及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微电子机械系统)制造技术，尤其涉及一种小体积，低成本，密封性好，稳定度高，可批量生产的圆片级球形铷蒸汽腔的制备方法。

背景技术

目前原子钟是最精准的人造钟，原子钟测量时间的精确度可以达到十亿分之一秒甚至更高。原子钟量子跃迁的特殊类型是超精细跃迁，超精细跃迁涉及原子核磁场和核外电子磁场的相互作用。从原理上讲，原子钟的原理已经基本清楚，目前发展的主要方向有两个方面：一方面提高原子钟在精度方面的性能；另一方面，就是在保证其性能的前提下将其小型化。目前，世界上最精准的原子钟在美国科罗拉多，其体积有一辆小汽车那么大。GPS和通信卫星等对于原子钟有迫切的需求，因此如何减小体积和重量，同时降低其功耗，并具有较高的准确度和稳定度，是目前的主要技术挑战。

铷原子钟体积小，重量轻，性能较好，并且成本较低，是所有原子钟中应用最广泛的一种。铷原子钟由物理部分和电路伺服部分构成，物理部分对铷原子钟的短期及长期稳定性起到决定性的作用。要实现铷原子钟的微型化，关键是减小其物理部分核心部件——铷蒸汽腔的体积。

现有部分芯片级原子钟设计，在硅-玻璃-硅的结构中直接氯化铷和叠氮化钡等物质，反应生成铷以后，反应残留物氯化钡滞留在原子腔内，对光学窗口会产生污染，会严重影响铷、铯等物质与光的作用，因而获得的原子腔性能不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺方法简单、成本低廉、密封性好、稳定度高，能够集成在微型原子钟系统中的铷蒸汽腔的制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种微流控原子腔，带有微流道槽的硅衬底和对应于微流道槽形成玻璃微腔结构的硼硅玻璃组装圆片键合形成密闭系统，该密闭系统包括玻璃原子腔、反应物阻隔微流道和反应物微腔，反应物微腔中放置有产生原子钟所必须物质的反应物颗粒，玻璃原子腔与反应物微腔通过反应物阻隔微流道相连通，键合面上反应物玻璃微腔的口径小于玻璃原子腔的口径，反应物阻隔微流道的最小宽度不大于反应物颗粒的最小粒径。

上述技术方案中，反应物阻隔微流道为弯流道，所述微流道上至少设有一个折弯。所述产生原子钟所必须物质的反应物颗粒为氢化钙和氯化铷的混合物。

一种微流控原子腔的制备方法，包括如下步骤：在硅衬底上刻蚀微流道槽，由反应物槽、反应物阻隔微流道和原子槽组成，其中反应物槽的口径小于原子槽的口径，反应物槽与原子槽通过反应物阻隔微流道相连接，在所述反应物槽内放置反应物颗粒，然后将上述刻蚀有微流道槽的硅衬底与硼硅玻璃组装圆片进行阳极键合，形成密封腔体；在上述键合好圆片的硼硅玻璃组装圆片一侧表面对应于微槽的位置垂直放置硅片模具，然后在空气中加热至820℃~900℃，保温10~20min，反应物颗粒放出气体使得对应于原子槽的玻璃形成玻璃微腔，同时反应形成的产物—原子钟所必须的物质蒸汽通过反应物阻隔微流道槽进入原子槽，并充满在玻璃微腔中，软化变形后的玻璃微腔与所述垂直放置的硅片模具接触挤压，从而在玻璃微腔的侧面形成平面，冷却，去除玻璃微腔侧面的硅片模具，得到带有光入射平面的微型原子腔。

一种微型原子钟芯片，包括激光发生器、滤波器、四分之一波片、激光探测器和所述的具有光入射平面的微型原子腔，激光发生器、滤波器、四分之一波片激光探测器均组装于硼硅玻璃组装圆片上，它们的中心与玻璃微腔的中心位于同一根光轴上，激光发生器位于密闭玻璃原子腔设有光入射平面的一侧，在激光发生器与光入射平面之间还依次设有滤波器和四分之一波片，激光发生器发出的激光经过滤波器、四分之一波片，通过光入射平面进入密闭玻璃原子腔，再出射后，被激光探测器探测到，玻璃微腔周围还设有加热器，上述加热器、激光发生器和激光探测器均设有与外界连接的引脚。

一种微型原子钟芯片的制备方法，包括以下步骤：

第一步，采用所述方法制备具有光入射平面的微型原子腔；

第二步，在所述玻璃微腔周围的硼硅玻璃组装圆片上制备加热器；

第三步，将激光发生器，激光探测器，滤波器和四分之一波片分别组装到硼硅玻璃组装圆片相应的位置上并与密闭玻璃原子腔位于同一条光轴上，激光发生器发出的激光经过滤波器、四分之一波片和密闭玻璃原子腔后能够被激光探测器所探测到；

第四步，制备加热器、激光发生器和激光探测器的引脚，并分别与电源及处理电路相连接。

第二步所述的加热器是金属电阻丝。

 

本发明获得如下效果：