[发明专利]一种碱金属谐振器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碱金属谐振器及其制备方法，可用于芯片级原子钟物理封装用谐振腔的制作。

背景技术

目前原子钟是最精准的人造时钟，根据报道，最新研制出的原子钟的精度达10的18次方。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。目前原子钟主要朝两个方面发展：一方面是提高原子钟的精度；另一方面，就是在保证其性能的前提下将其小型化，以适合GPS和通信卫星等对于原子钟的迫切需求。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，是目前原子钟遇到的主要技术挑战。

碱金属原子钟，比如铷、铯原子钟，体积小、重量轻、性能好，并且成本较低，是目前应用最广泛的一种原子钟。碱金属原子钟由物理封装部分和电路伺服部分构成，物理封装部分对碱金属原子钟的短期和长期稳定性起到决定性作用。物理部分的核心部件是碱金属谐振器，其一般为玻璃-硅-玻璃的三明治结构，中间的硅片有部分被掏空而形成腔体，称为谐振腔，碱金属或者用于制备碱金属的原料置入腔体内，特殊调制的激光，通过四分之一波片变成圆偏振光，然后照射谐振腔，在碱金属谐振腔中发生CPT谐振，通过光电二极管探测光能量变化。要实现碱金属原子钟的微型化，关键是减小碱金属谐振器的体积；要实现原子钟的长期稳定性，关键是增加碱金属谐振器的稳定性。

目前原子钟碱金属谐振器的制作方法共有以下几种：1、在玻璃-硅-玻璃的三明治结构中直接加入氯化铷和叠氮化钡，再通过反应生成碱金属铷；但是反应残留物氯化钡滞留在碱金属谐振腔内，对化学窗口产生污染，会严重影响铷与光作用，因而获得的原子钟的性能不高；2、在玻璃-硅-玻璃的结构中，设计两个腔室：一个腔室用于放置碱金属（比如铷、铯）释气剂，一个腔室用于碱金属谐振，释气剂在激活状态下会释放碱金属蒸汽，进而扩散到这个腔体中；但是这种设计增加了碱金属谐振器的总体面积，从而增加了原子钟物理封装的体积，不符合原子钟小型化的发展趋势；3、在玻璃-硅-玻璃的结构中，先在腔体中置入纯的碱金属，再通过静电键合上玻璃，封闭腔体，但是，碱金属的熔点低于静电键合温度，所以，静电键合温度会导致碱金属的挥发，影响静电键合质量，降低了碱金属谐振器的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种碱金属谐振器及其制备方法，由此制备的碱金属谐振器体积小、性能稳定。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种制备碱金属谐振器的方法，包括以下步骤：

（1）在清洗后的硅片中间制备出作为谐振腔的通孔，并在硅片的周边制备一开口，所述开口的一端与谐振腔连通； 

（2）通过静电键合方式对上述带有通孔与开口的硅片进行玻璃-硅片-玻璃静电键合，形成三明治结构；

（3）在开口两侧硅片的表面溅射金属；

（4）在手套箱中，将碱金属通过开口移植至谐振腔内；然后将缓冲气体充入谐振腔内；再利用熔点为45～180℃的焊料将开口密封即完成碱金属谐振器的制备。

上述技术方案中，所述步骤（1）中，采用KOH湿法腐蚀工艺或者深反应离子干法刻蚀工艺制备通孔与开口。

上述技术方案中，所述步骤（3）中，溅射的金属为后面低温焊料提供粘附作用，溅射的金属可以是任何具有此作用的金属；本发明优选为钛或者铬。

上述技术方案中，所述步骤（4）中，碱金属为铷或者铯。

上述技术方案中，所述步骤（4）中，缓冲气体为惰性气体；熔点为45～180℃的焊料为铟锡合金。

本发明还公开了一种碱金属谐振器，包括腔体与六个侧面，其中一对相对的侧面为玻璃，其余侧面为硅片，所述硅片上设置一开口，开口的一端与谐振腔连通，另一端由熔点为45～180℃的焊料封闭；所述焊料与硅片之间设置金属层；谐振腔内放置碱金属并充入缓冲气体。

上述技术方案中，所述金属为钛或者铬；所述碱金属为铷或者铯；所述缓冲气体为惰性气体。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:

1．本发明利用碱金属谐振腔侧面预留的开口将碱金属移植到谐振腔内，此过程在通过静电键合制备玻璃-硅-玻璃三明治结构之后，不会与静电键合互相影响；

2．本发明在碱金属谐振腔内植入纯碱金属，不含任何其余物质，不会影响光信号质量；并且不需要对碱金属做任何处理，有效的降低了碱金属谐振器的制造成本和制作周期；