使用溶胶-凝胶技术对原子传感器的密闭密封的制作方法
【专利摘要】一种形成原子传感器的物理封装的方法包括：提供多个嵌板，其中，所述嵌板中的每一个具有多个边缘；以及在三维多面几何配置中组装所述嵌板，使得相邻嵌板的边缘彼此对准。将溶胶-凝胶材料施加到所述嵌板的边缘，并且对所述溶胶-凝胶材料进行固化以将相邻嵌板密闭地密封在一起。
【专利说明】使用溶胶-凝胶技术对原子传感器的密闭密封
[0001 ] 关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是在由美国军队授予的契约N0.W31P4Q-09-C-0348下在政府支持下作出的。政府在本发明中具有特定权利。
【背景技术】
[0002]传统地，诸如原子时钟之类的基本时间标准已经是相对较大的桌面设备。例如，传统原子时钟的物理封装趋于较大，并需要昂贵的支撑系统。诸如通过减小物理封装的尺寸来减小基本时间标准的尺寸是许多应用中所期望的。然而，使物理封装更小具有独特且复杂的挑战，这是由于物理封装需要多个窗、镜以及非磁性材料的密闭密封。
[0003]对原子时钟的更小尺寸要求对当前的构建技术发起挑战。附加地，原子时钟的尺寸减小影响了其性能，这是由于镜和窗收缩。此外，内容积减小对原子时钟的性能造成不利影响。
[0004]用于制造原子时钟的物理封装的当前方法包括:加工具有多个孔的玻璃体，以利用固定装置来附着高温熔块镜(frit mirror)、窗和填充口。有时，泄漏或密封开口在具有熔块的制造期间出现，这典型地需要将玻璃粉浆料(frit paste)的混合物添加至泄漏区域，重新固定整个物理封装，并通过熔块炉(frit furnace)来发回物理封装。如果在仍处于固定装置中时未立刻发现泄漏，则这需要从填充站的完全分解。
[0005]在一些实例中，已经在真空站安装的时钟上使用硅凝胶来暂时地密封泄漏。然而，硅酮是高度可迁移的并且不容易被清洗。因此，硅酮可能污染实验室和工厂以及阻止接合，使得必须废弃被污染的产品。
【发明内容】
[0006]一种形成原子传感器的物理封装的方法包括:提供多个嵌板，其中，所述嵌板中的每一个具有多个边缘；以及在三维多面几何配置中组装所述嵌板，使得相邻嵌板的边缘彼此对准。将溶胶-凝胶材料施加到所述嵌板的边缘，并且对所述溶胶-凝胶材料进行固化以将相邻嵌板密闭地密封在一起。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]所理解的是，附图仅描绘示例性实施例而因此不应被视为在范围上进行限制，将通过使用附图、以附加的特定性和细节来描述示例性实施例，在附图中:
图1示意了利用溶胶-凝胶材料密闭地密封的根据一个实施例的用于原子传感器的物理封装的物理块。
【具体实施方式】
[0008]在以下详细描述中，充分详细地描述了实施例以使本领域技术人员能够实施本发明。应当理解的是，在不脱离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例。因此，以下详细描述不应在限制意义上被采用。
[0009]用于密闭地密封原子传感器的方法利用溶液凝胶(溶胶-凝胶)技术。可以将本方法应用于构建原子传感器的新物理封装以及现有物理封装的修复或重作。此外，提供了利用溶胶-凝胶材料密闭地密封的物理封装。
[0010]本方法可以通过以下操作来消除对高温熔块处理的需要:使用溶胶-凝胶材料(也被称作液体玻璃)来密闭地密封诸如原子时钟之类的原子传感器的物理封装。可以通过溶胶-凝胶芯处理(Wicking)以及对物理封装的部件的配对边缘进行密封来实现密闭密封。可替换地，可以在部件的外部上施加溶胶-凝胶材料作为片(fillet)或皮，以将物理封装的部件密封在一起。
[0011]溶胶-凝胶材料作为永久密封物而被施加，并且，可以在室温下施加该溶胶-凝胶材料，可以在室温下或者利用最小热量对该溶胶-凝胶材料进行固化，并且当被完全固化时，该溶胶-凝胶材料能够进行高温处理。例如，当溶胶-凝胶密封物被固化时，其将经受真空站处理和高达约300°C的加热。溶胶-凝胶材料的优势在于:在物理封装的密封期间不生成污染。
[0012]在形成原子传感器的物理封装的示例性方法中，提供了多个嵌板，这些嵌板包括各个窗和镜。嵌板可以由玻璃或其他光学材料形成。在三维多面几何配置中组装嵌板，使得在多个接缝处将相邻嵌板的边缘彼此对准。例如，可以在支撑框架周围组装各个光学嵌板并在适当位置处固定各个光学嵌板，使得嵌板的边缘被对准在一起。然后，将溶胶-凝胶材料施加到邻接嵌板的所有接缝。可替换地，可以在支撑框架周围组装嵌板之前将溶胶-凝胶材料施加到嵌板的边缘。可以使用溶胶-凝胶材料的毛细管作用、芯处理或扩散来在施加之后填充到嵌板的接缝中。可选地，可以将染料添加至溶胶-凝胶材料，以帮助确保利用溶胶-凝胶材料覆盖了所有接缝。溶胶-凝胶材料可以在施加前或后具有气泡，因此，可以添加真空处理步骤以从库存和/或所施加的溶胶-凝胶材料移除气泡。
[0013]然后，对溶胶-凝胶材料进行固化，以密闭地密封嵌板接缝。由于在固化期间发生收缩，因此需要足够的溶胶-凝胶材料来维持嵌板接缝的密封。可以处理所组装的嵌板，以对溶胶-凝胶材料中的液体(溶剂)进行相位分离。例如，可以使用离心过程来加速相位分离。此后，可以执行低温热处理，以针对密封的结构稳定性增强机械属性。该热处理是烧结的低温烧成、稠化和晶粒生长。
[0014]本技术中利用的溶胶-凝胶材料可以包括各种化学制品。合适的示例包括硅酸钠、硅酸钾、氧化锆、二氧化硅、甲醇钠或其他金属醇盐。可以以溶液或凝胶形式施加溶胶-凝胶材料。可以诸如利用注射器手动地或者通过使用诸如旋涂或浸涂之类的传统涂覆工艺来施加溶胶-凝胶材料。当使用涂覆工艺时，可以利用掩模来覆盖将不利用溶胶-凝胶材料涂覆的区域。
[0015]图1示意了根据本技术密封的根据一个实施例的用于原子传感器的物理封装的物理块100。物理块100包括多个嵌板102，这些嵌板102包括窗和镜，窗和镜具有被组装至具有多面几何结构的三维结构中的各种多边形形状。至少一个嵌板104具有填充管孔径106。在多个接缝108处将嵌板102、104的边缘对准，并利用溶胶-凝胶材料将这些边缘密闭地密封在一起。密封的物理块100被配置为围住用于物理封装的内真空室。
[0016]还可以在修复或重作原子传感器的物理封装时利用本技术。当检测到物理封装中的泄漏或裂缝时，将溶胶-凝胶材料施加到泄漏或裂缝的区域。然后，对溶胶-凝胶材料进行固化以密封泄漏或裂缝。在将物理封装安装至真空站的同时可以进行修复或重作，而不必分解物理封装的部分。
[0017]本方法可以用于修复先前利用熔块进行的密闭密封的泄漏或裂缝或者密封玻璃裂缝、缝隙或其他材料密封缺陷。例如，可以容易地修复原子时钟中的泄漏的熔接密封，而不是通过熔块处理、针对较长重作周期发回该泄漏的熔接密封。附加地，溶胶-凝胶材料可以用于修补先前利用光学密封物、金属密封物或溶胶-凝胶材料密封的泄漏的组件。可以通过芯处理以及皮或圆块形成来施加溶胶-凝胶补丁。原子传感器体中的泄漏的密封或缝隙的修补允许所构建的原子传感器被回收利用而不是被废弃。
[0018]附加地，本技术还可以用于在原子传感器的内表面上密封裂缝，以防止物理封装中的“虚拟”泄漏。虚拟泄漏是被困在室内且由诸如内焊缝之类的非常小的裂缝导致的气体的来源。尽管该气体未泄漏到外部，但是其可能改变物理封装的内室中的压力。可以将溶胶-凝胶材料施加到这种缝隙，以修复虚拟泄漏并保持缝隙不进行传播。
[0019]在用于手动地施加溶胶-凝胶材料的示例性方法中，诸如通过脱脂、施加臭氧、有机清洗、氧化带、离子清洗、去离子水冲洗、O2等离子体等等来清洗要组装的部分和/或要修补的区域/缝隙。然后，利用注射器来施加溶胶-凝胶材料以覆盖密封区域。在施加了溶液之后，使用光压或重力，使得部件不受脱离。例如，如果诸如镜之类的嵌板未被固定，则可以利用光压来保持该嵌板。
[0020]溶胶-凝胶材料快速地形成皮并从外到里变干，因此，将其保持在适当位置处确保了室温下的完全固化。可能需要或使用更高的固化温度来更快速地建立溶胶-凝胶材料，并且然后，可以使用甚至更高的固化温度。
[0021]在原子传感器构建或重作期间，为了方便，可以将溶胶-凝胶材料成形为各种凝胶预制件。例如，可以将溶胶-凝胶材料铸造成具有预制件的期望形状的合适容器。可以将溶胶-凝胶预制件施加到嵌板，并通过其粘性、通过重力或者通过将液体溶胶-凝胶用作固定液(tacking fluid)将其保持在适当位置处。
[0022]示例实施例
示例I包括一种形成原子传感器的物理封装的方法，所述方法包括:提供多个嵌板，所述嵌板中的每一个具有多个边缘；在三维多面几何配置中组装所述嵌板，使得相邻嵌板的边缘彼此对准；将溶胶-凝胶材料施加到所述嵌板的边缘；以及对所述溶胶-凝胶材料进行固化以将相邻嵌板密闭地密封在一起。
[0023]示例2包括示例I的方法,其中,所述嵌板包括玻璃嵌板。
[0024]示例3包括示例2的方法,其中,所述玻璃嵌板包括窗或镜。
[0025]示例4包括示例1-3中任一项的方法,其中,所述溶胶-凝胶材料包括娃酸钠、娃酸钾、氧化锆、二氧化硅、甲醇钠或金属醇盐。
[0026]示例5包括示例1-4中任一项的方法，其中，所述溶胶-凝胶材料是利用注射器来施加的。
[0027]示例6包括示例1-4中任一项的方法,其中,所述溶胶-凝胶材料是通过旋涂或浸涂来施加的。
[0028]示例7包括示例1-6中任一项的方法,其中,所述溶胶-凝胶材料是在室温下固化的。
[0029]示例8包括示例1-7中任一项的方法，其中，所述物理封装针对原子时钟而配置。
[0030]示例9包括一种原子传感器的物理封装，所述物理封装包括:多个嵌板，在三维多面几何配置中被耦合在一起，使得相邻嵌板的边缘在多个接缝处彼此对准；以及固化的溶胶-凝胶材料，密闭地密封所述接缝。
[0031 ] 示例10包括示例9的物理封装，其中，所述嵌板包括玻璃嵌板。
[0032]示例11包括示例10的物理封装，其中，所述玻璃嵌板包括窗或镜。
[0033]示例12包括示例9-11中任一项的物理封装,其中,所述溶胶-凝胶材料包括娃酸
钠、硅酸钾、氧化锆、二氧化硅、甲醇钠或金属醇盐。
[0034]示例13包括示例9-12中任一项的物理封装，其中，所述物理封装针对原子时钟而配置。
[0035]示例14包括一种修复原子传感器的物理封装的方法，所述方法包括:检测所述物理封装中的泄漏或裂缝；将溶胶-凝胶材料施加到所述泄漏或裂缝；以及对所述溶胶-凝胶材料进行固化以密封所述泄漏或裂缝。
[0036]示例15包括示例14的方法，其中，所述溶胶-凝胶材料包括硅酸钠、硅酸钾、氧化
锆、二氧化硅、甲醇钠或金属醇盐。
[0037]示例16包括示例14-15中任一项的方法，其中，所述泄漏或裂缝处于所述网络封装的一个或多额个玻璃嵌板中。
[0038]示例17包括示例16的方法,其中,所述玻璃嵌板包括窗或镜。
[0039]示例18包括示例14-17中任一项的方法，其中，所述溶胶-凝胶材料是利用注射器来施加的。
[0040]示例19包括示例14-18中任一项的方法,其中,所述溶胶-凝胶材料是在室温下固化的。
[0041]示例20包括示例14-19中任一项的方法，其中，所述物理封装针对原子时钟而配置。
[0042]在不脱离本发明的实质特性的前提下，可以以其他形式体现本发明。所描述的实施例应当在所有方面仅被视为示意性的而非限制性的。因此，意图是，本发明应当仅由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种形成原子传感器的物理封装的方法，所述方法包括: 提供多个嵌板，所述嵌板中的每一个具有多个边缘； 在三维多面几何配置中组装所述嵌板，使得相邻嵌板的边缘彼此对准； 将溶胶-凝胶材料施加到所述嵌板的边缘；以及 对所述溶胶-凝胶材料进行固化以将相邻嵌板密闭地密封在一起。
2.一种原子传感器的物理封装，所述物理封装包括: 多个嵌板，在三维多面几何配置中被耦合在一起，使得相邻嵌板的边缘在多个接缝处彼此对准；以及 固化的溶胶-凝胶材料，密闭地密封所述接缝。
3.一种修复原子传感器的物理封装的方法，所述方法包括: 检测所述物理封装中的泄漏或裂缝； 将溶胶-凝胶材料施加到所述泄漏或裂缝；以及 对所述溶胶-凝胶材料进行固化以密封所述泄漏或裂缝。
【文档编号】G04F5/14GK103676619SQ201310299824
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年7月17日 优先权日:2012年9月18日
【发明者】C.M.肖伯, T.戈德伯格, J.A.韦塞拉, D.L.史密斯, T.D.斯塔克 申请人:霍尼韦尔国际公司