一种碱金属谐振器及其制备方法

文档序号:6254291阅读:162来源:国知局
一种碱金属谐振器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种碱金属谐振器及其制备方法。碱金属谐振器是由玻璃-硅-玻璃,通过两次静电键合,形成的三明治结构。碱金属通过谐振器侧面预留通孔移植到碱金属谐振腔内;然后,用低温焊料,在手套箱中完成碱金属谐振器的封闭操作。本发明采用了MEMS的工艺,可以进行批量生产,成本低;另外,碱金属的移植是在静电键合工艺过程之后进行的,不会影响静电键合质量;碱金属谐振腔内植入是纯碱金属,不含任何其余物质,不会影响信号质量;不需要对碱金属做任何处理,有效的降低了碱金属谐振器制造成本和制作周期。
【专利说明】一种碱金属谐振器及其制备方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]目前原子钟碱金属谐振器的制造方法共有以下几种: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(t匕如铷、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】

[0005]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。
[0006]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:
(I)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°C的焊料将开口密封即完成碱金属谐振器的制备。
[0007]上述技术方案中,所述步骤(I)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。
[0008]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。
[0009]上述技术方案中,所述步骤(4)中,碱金属为铷或者铯。
[0010]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°C的焊料为铟锡合金。
[0011]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°C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。
[0012]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。
[0013]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;
3.本发明通过两次静电键合,形成玻璃-硅-玻璃的三明治结构,然后将碱金属通移植到碱金属谐振腔内,最后在手套箱中,用低温焊料封闭即完成碱金属谐振器的制备;制备方法简单、成本低,适于工业化生产。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1为实施例一中制备的碱金属谐振器的结构示意图;
其中,1、铟锡合金,2、钛金属,3、玻璃,4、玻璃,5、硅片,6、谐振腔,7、开口,8、碱金属铯。
【具体实施方式】
[0015]下面结合实施例以及附图对本发明作进一步描述:
实施例一:碱金属谐振器的制备
附图1为本实施例制备的碱金属谐振器的结构示意图;参见附图1,碱金属谐振器包括铟锡合金1、钛金属2、玻璃3、玻璃4、硅片5、谐振腔6、开口 7以及碱金属铯8,其中谐振腔为方形结构,腔体的一个硅片侧面设置长方形开口,开口的一端与腔体连通,一端由低温焊料(铟锡合金)封闭;开口两侧硅片的表面溅射钛金属。其具体制备方法如下: (I)采用RCA标准清洗步骤清洗硅片;在清洗后的硅片两面热氧化生长氧化层并在氧化层上通过LPCVD淀积氮化硅;根据所需腔体形状,采用双面光刻刻蚀,刻蚀氧化硅和氮化硅,露出部分硅片,再利用双面KOH湿法腐蚀去除没有氧化硅和氮化硅保护的硅片,从而制备出作为谐振腔的通孔以及开口 ;再采用双面光刻刻蚀,刻蚀氧化硅和氮化硅,露出剩余的娃片;
(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;至此谐振器的腔体已形成,其中的一个侧面通过开口与外界连通;
(3)在开口两侧硅片的表面溅射钛金属;
(4)在手套箱中,将碱金属铯通过开口移植至谐振腔内;然后将缓冲气体氮气充入谐振腔内;再利用低温焊料铟锡合金将开口密封即完成碱金属谐振器的制备。
[0016]实施例二:碱金属谐振器的制备
(I)采用RCA标准清洗步骤清洗硅片;在清洗后的硅片两面热氧化生长氧化层并在氧化层上通过LPCVD淀积氮化硅;根据所需腔体形状,采用双面光刻刻蚀,刻蚀氧化硅和氮化硅,露出部分硅片,再利用双面KOH湿法腐蚀去除没有氧化硅和氮化硅保护的硅片,从而制备出作为谐振腔的通孔以及开口 ;再采用双面光刻刻蚀,刻蚀氧化硅和氮化硅,露出剩余的娃片;
(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;至此谐振器的腔体已形成,其中的一个侧面通过开口与外界连通;
(3)在开口两侧硅片的表面溅射铬金属;
(4)在手套箱中,将碱金属铷通过开口移植至谐振腔内;然后将缓冲气体氩气充入谐振腔内;再利用低温焊料金锡焊料将开口密封即完成碱金属谐振器的制备。
【权利要求】
1.一种制备碱金属谐振器的方法,其特征在于,包括以下步骤: (I)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°C的焊料将开口密封即完成碱金属谐振器的制备。
2.根据权利要求1所述制备碱金属谐振器的方法,其特征在于:所述步骤(I)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。
3.根据权利要求1所述制备碱金属谐振器的方法,其特征在于:所述步骤(3)中,金属为钛或者铬。
4.根据权利要求1所述制备碱金属谐振器的方法,其特征在于:所述步骤(4)中,碱金属为铷或者铯。
5.根据权利要求1所述制备碱金属谐振器的方法,其特征在于:所述步骤(4)中,缓冲气体为惰性气体。
6.根据权利要求1所述制备碱金属谐振器的方法,其特征在于:所述步骤(4)中,熔点为45?180°C的焊料为铟锡合金。
7.—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,其特征在于: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°C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。
8.根据权利要求7所述碱金属谐振器,其特征在于:所述金属为钛或者铬。
9.根据权利要求7所述碱金属谐振器,其特征在于:所述碱金属为铷或者铯。
10.根据权利要求7所述碱金属谐振器,其特征在于:所述缓冲气体为惰性气体。
【文档编号】G04F5/14GK103744283SQ201410037275
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】张忠山, 于连忠, 汤亮, 乔东海 申请人:苏州大学
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