用于具有改善的频率稳定性的蒸气池原子频率参考的设备和方法与流程

文档序号:18950742发布日期:2019-10-23 02:11阅读:310来源:国知局
用于具有改善的频率稳定性的蒸气池原子频率参考的设备和方法与流程

使用原子蒸气池的芯片级原子钟(csac)在作为频率参考时提供比温控振荡器(tcxo)高多达四个数量级的准确度。与基于冷原子的时钟相比,csac更便宜也更小,但频率参考的准确度较低。需要提高csac在温度下的稳定性,从而延长与主频率参考的同步之间所需的时间段。



技术实现要素:

提供了芯片级原子钟(csac)。该csac包括:温稳物理系统,该温稳物理系统包括蒸气池和磁场线圈且包封在磁屏蔽罩中;以及电耦合到温稳物理系统的温稳电子电路。

附图说明

应当理解,附图仅示出示例性实施方案并且因此不被视为在范围上进行限制,将通过使用附图以额外的特征性和细节来描述示例性实施方案,其中:

图1示出了包括温稳电子电路的芯片级原子钟的一个实施方案的框图;

图2示出了温稳电子电路的一个实施方案;

图3a示出了电气系统的一个实施方案的平面图;

图3b示出了包括散热器系统的电气系统的一个实施方案的平面图;

图3c示出了制作温稳物理系统或温稳电子电路的示例性方法;

图3d示出了制作温稳物理系统或温稳电子电路的示例性方法;并且

图4示出了使用蒸气池的改善的芯片级原子钟的一个实施方案的剖视图。

根据惯例,各种所述特征未按比例绘制,而是被绘制来强调与示例性实施方案相关的具体特征。参考字符在整个图和文本中表示类似的元素。

具体实施方式

在以下详细描述中,参考了形成其一部分的附图,并且在附图中以举例说明的方式示出了具体的示例性实施方案。然而,应当理解,可使用其他实施方案,并且可进行结构、机械和电气更改。此外,附图和说明书中呈现的方法不应理解为限制各个步骤可被执行的顺序。因此,以下详细描述不应被理解成具有限制性意义。

原子钟依赖于具有频率分量的光信号,该频率分量引起该原子的电子被刺激到较高的能量水平。使用蒸气池的芯片级原子钟(csac)包括(a)物理封装或系统,以及(b)电子电路以用于(i)控制和/或(ii)处理发送至物理系统的部件的数据和/或由物理系统的部件接收的数据。物理系统可以是温度稳定的以降低物理系统部件的温度变化从而降低频率的变化,进而增强频率稳定性;因此,物理系统也可被称为温稳物理系统。然而,电子电路可以不是温度稳定的,从而引起csac在环境温度变化时在环境中变得较不准确。为了进一步增强频率稳定性,可对全部或部分电子电路进行温度稳定以降低电子电路部件的温度变化从而进一步降低频率的变化,进而进一步增强频率稳定性。

图1示出了包括温稳电子电路的芯片级原子钟(改善的csac)100的一个实施方案的框图。改善的csac100包括温稳物理封装或系统(物理封装或pp)102和温稳电子电路(温稳电子电路(ep))104。任选地,改善的csac100包括非温稳电子电路(温稳电子电路(ep))106。

温稳物理系统102是一种系统,包括气体池102d和光源(例如,激光器)、至少一个光检测器(例如,光检测器1102c和光检测器2102f)以及磁场线圈(如下所例示),该系统的全部或一些部件在宽的外部环境温度范围内(例如,-40℃至85℃)被保持为基本上恒定的设定点温度,例如,约90℃。基本上恒定的设定点温度意指介于一定温度范围内的不降低csac的稳定性的温度。因此,基本上恒定的设定点温度大于环境温度。这可通过将此类全部或一些部件与外部环境热隔离并提供额外的热能以保持所期望的升高的设定点温度来部分地实现。为此,温稳物理系统102包括至少一个加热器,例如vscel加热器和/或气体池加热器102e。

所示的温稳物理系统102包括为激光器的光源。出于示教原因,激光器将被示出为垂直腔表面发射激光器(vcsel)102a。然而,可使用其他类型的激光器,诸如水平二极管激光器。图1中的其他部件可被标记为vscel加热器或电流控制器,但这也是出于示教目的;加热器和电流控制器可与其他类型的激光器一起使用。vcsel102a热耦合到加热器(vcsel加热器)102b,并且被配置为控制和稳定vcsel102a的温度。相似地,气体池102d热耦合到加热器(气体池加热器)102e,并且被配置为控制和稳定气体池102d的温度。

气体池102通常包括处于蒸气状态的碱原子。例如,碱为铯或铷。从vcsel102a发出的光信号被投射到气体池102d。

图1中示出了温稳物理系统102的一个实施方案,然而,温稳物理系统102能够以其他方式与其他部件类型一起实现。

在图1中,实线指示模拟电信号的路径。虚线指示数字电子信号的路径。

温稳电子电路104是包括控制和信号处理电路(如下所例示)的系统,该系统的部件在宽的外部环境温度范围内(例如,-40℃至85℃)被保持为基本上恒定的设定点温度,例如,90℃。这可通过将全部或一些部件与外部环境热隔离来部分地实现。

任选地,如图1所示,改善的csac100包括非温稳电子电路(非温稳电子电路(ep))106。非温稳电子电路106可与温稳电子电路104分离,因为非温稳电子电路106可以:

(a)产生不期望的电气噪音,该噪音会对其他电路的操作产生不利影响;

(b)不依赖于精确电流和/或电压,因此对温度变化不敏感;

(c)作为闭环系统或作为闭环系统的一部分来操作,因此对温度变化不敏感;并且/或者

(d)体积或功率消耗过大,使得如果包括在温稳电子电路104中,则由温稳电子电路104消耗的功率将过高(例如,超过允许的系统操作规格)。

任选地,全部(而不是部分)电子电路位于温稳电路104内。

所示的温稳物理系统102还包括用于促进相干群体捕获(cpt)的磁场线圈(磁场线圈)102g。所示的温稳物理系统102还包括第一光检测器(光检测器1)102c和第二光检测器(光检测器2)102f,该第一光检测器和该第二光检测器用于分别感测(a)从vcsel102a发出的光信号以及(b)从气体池(或蒸气池)102d输出的对应光信号的光学功率量。从vcsel102a发出的光信号进入、穿过气体池102d并且从该气体池输出。第一光检测器102c和该第二光检测器102f(以及它们的对应的互阻抗放大器和滤波器)各自为反馈回路的部分,例如用于调节本文所述的晶体振荡器、信号振幅和加热器电流控制电路的频率。

所示的温稳电子电路104包括电流控制电路(vcsel电流控制器)104a、晶体振荡器104b(例如,10mhz晶体振荡器)、锁相环104c、电压控制振荡器104d(vco)(例如,3.417ghzvco)、第一数模数据转换器(dac)(dac1)104e、第一加热器电流控制电路(加热器电流控制器1)104f、第二dac(dac2)104g、第一滤波器(滤波器1)104h、第一互阻抗放大器(tia)(tia1)104i、第二加热器电流控制电路(加热器电流控制器2)104j、第三dac(dac3)104k、第二tia(tia2)104l、第二滤波器(滤波器2)104m、第四dac(dac4)104n、精确电压和/或电流参考(精确电压/电流参考)104o、线圈电流控制电路(线圈电流控制器)104p、加热器104q、加热器电流控制电路(加热器电流控制器)104r和第五dac(dac5)104s。精确电压和/或电流参考104o可电耦合到温稳物理系统102、温稳电子电路104和/或非温稳电子电路106的一个或多个部件。本文所示的dac将数字信号(例如,从微控制器发送至模拟控制部件的数字信号)转换成模拟信号。

vcsel电流控制电路104a被配置为控制vcsel102a的频率。vcsel电流控制电路104a被配置为耦合到锁相频率源的vco104d、以及微控制器106a,它们中的一者或两者任选地位于非温稳电子电路106中。为了清楚起见,本文所述的微控制器可以是以下中的一者或多者:微控制器电路、中央处理单元电路、数字信号处理电路和/或专用集成电路。微控制器在本文中也可被称为控制器电路。

vcsel102a生成的光信号的频率由微控制器106a控制。锁相频率源包括vco104d、锁相环(pll)104c和晶体振荡器104b。vco104d耦合到pll104c并且被配置为耦合到微控制器106a以用于改变频率计数器设置从而调节vco104d的输出频率。晶体振荡器104b耦合到pll104c并且被配置为耦合到第一dac104e;第一dac104e被配置为耦合到微控制器106a以允许对晶体振荡器频率104b的细微控制和校正。

vscel102a的设定点电流和温度用于控制由vscel102a发出的光信号的载波频率。锁相频率源生成的微波输出信号与dc电流相加。dc电流和微波输出信号均被提供给vcsel102。微波输出信号频率调制vcsel102的光输出,从而在匹配碱原子谐振频率的频率下产生边带。

第一加热器电流控制电路104f被配置为耦合到vcsel加热器102b和第二dac104g;第二dac104g被配置为耦合到微控制器106a。因此,vcsel102a的温度由微控制器106a调节。

本文所述的光检测器将入射光学功率转换成电流信号;电流电平与入射光学功率电平成比例。第一tia104i被配置为耦合到第一光检测器102c和第一滤波器104h;第一滤波器104h被配置为耦合到微控制器106a。第一tia104i将第一光检测器102c的电流输出从电流信号转换成电压信号。第一滤波器104h对由微控制器106a产生的恢复的刺激信号进行滤波(例如,隔离并放大),并且将经滤波的电压信号提供到微控制器106a以用于相干解调。

第一滤波器104h被配置为耦合到微控制器106a,并且将经滤波的电压信号提供到微控制器106a以用于相干解调。电流电平和电压电平对应于入射到第一光探测器102c上的光学功率。

第二加热器电流控制电路104j被配置为耦合到气体池加热器102e和第三dac104k;第三dac104g被配置为耦合到微控制器106a。第三dac104k将来自微控制器106a的数字信号转换成模拟信号,加热器电流控制电路104j被配置为接收模拟信号;该模拟信号控制加热器电流控制电路104j生成的电流并且因此控制气体池加热器102e的热能。因此,气体池102d的温度被微控制器106a结合驱动气体池加热器102e的基于温度敏感电阻器的伺服控制电路来调节。

第二tia104l被配置为耦合到第二光检测器102e和第二滤波器104m;第二滤波器104h被配置为耦合到微控制器106a。第二tia104l将第二光检测器102f的电流输出从电流信号转换成电压信号。第二滤波器104h对由微控制器106a产生的多个恢复的刺激信号进行滤波(例如,隔离并放大),并且将经滤波的电压信号提供到微控制器106a以用于多个刺激信号的相干解调。电流电平和电压电平对应于入射到第二光探测器102f上的光学功率。

线圈电流控制电路104p被配置为控制流过磁场线圈102g的电流。线圈电流控制电路104p被配置为耦合到第四dac104n。第四dac104k被配置为耦合到微控制器106a。第四dac104k将来自微控制器106a的数字信号转换成模拟信号,线圈电流控制电路104p被配置为接收该模拟信号;该模拟信号控制线圈电流控制电路104p生成的电流并且因此控制磁场线圈102g生成的磁场能量。因此,流过磁场线圈102g的电流被微控制器106a控制。

温稳电子电路还包括至少一个ep加热器104q、至少一个ep加热器电流控制电路(ep加热器电流控制器)104r和/或至少一个第五dac(dac5或第五dac)104s。ep加热器104q热耦合到温稳电子电路中的全部或一些部件,并且被配置为控制和稳定此类全部或一些部件的温度。

在所示的实施方案中,ep加热器104q耦合到ep加热器控制电路104r。任选地,ep加热器104q可为在至少一个拴系件和/或第二衬底中实现的至少一个电阻加热器。任选地,ep加热器控制电路104r在第二衬底中用惠斯通电桥实现。下文进一步描述了栓系件和第二衬底。

ep加热器控制电路104r耦合到第五dac104s。第五dac104s被配置为耦合到微控制器106a。第五dac104s将来自微控制器106a的数字信号转换成模拟信号,ep加热器电流控制电路104r被配置为接收该模拟信号;该模拟信号控制ep加热器电流控制电路104r生成的电流并且因此控制ep加热器生成的热能。因此,温稳电子电路104的温度被微控制器106a控制。

微控制器106a具有模拟和/或数字输入和/或输出。在一个实施方案中,发送至和/或来自第一滤波器104a、第二滤波器104m和/或精确电压和/或电流参考104o的模拟信号分别电耦合到微控制器106a的模拟输入和/或输出。在另一个实施方案中,发送至和/或来自vcsel电流控制电路104a、vco104d、第一dac104e、第二dac104g、第三dac104k、第四dac104n和/或第五dac104s的数字信号分别电耦合到微控制器106a的数字输入和/或输出。任选地,微控制器106a仅具有数字输入和/或输出,并且耦合至和/或自微控制器的模拟信号被一个或多个模数转换器转换成数字信号。

非温稳电子电路106可包括其他电路,诸如所示的功率调节电路106b。功率调节电路106可包括一个或多个低压差输出调节器、dc-dc稳压器、非临界电压参考(例如,带隙电压参考)和/或非临界电流参考(例如,恒定电流源)。功率调节电路106b可耦合到温稳物理系统102、温稳电子电路104和/或非温稳电子电路106中的一个或多个部件,并为其提供功率。

如果微控制器106a不在温稳电子电路中,则非温稳电子电路106可包括该部件。为了减小温稳电子电路104的(例如,加热器的)体积和/或功耗,温稳电子电路104的一些前述部件可包括在非温稳电子电路106中。任选地,非温稳电子电路106(而不是温稳温度系统104)可包括晶体振荡器104b、pll104c、第一加热器电流控制电路104f、第二加热器电流控制电路104j和/或线圈电流控制电路104p,因为这些部件要么通过例如来自第一光检测器102c和/或第二光检测器102f的反馈来实现,从而使得它们较不易受温度变化影响,要么是包括反馈机构的系统的一部分,从而使得它们较不易受温度变化影响。另外,任选地,如果第一dac104e、第二dac104g、第三dac104k、第四dac104n、第五dac104s、第一滤波器104h和/或第二滤波器104m以使得其操作参数相对不受温度变化影响的方式实现,则非温稳电子电路106可包括这些部件。例如,第一滤波器104h和/或第二滤波器104m可被实现为有源滤波器,如果有源滤波器被设计为具有相对于其基本无源部件参数(例如,电阻器的电阻、电容器的电容以及电感器的电感)具有低温度系数的无源部件,则有源滤波器较不易受温度变化影响。任选地,如果滤波器由有源滤波器实现,则可在温稳电子电路104中实现非温度补偿型无源部件,而有源部件(例如,运算放大器)因为其反馈架构具有由于其闭环实现而相对不受温度变化影响的参数,可包括在非温稳电子电路106中。dac可使用外部温度补偿型电压参考和/或通过不受温度变化影响的脉冲宽度调制器和/或积分器来实现。

图2示出了温稳电子电路204的一个实施方案。温稳电子电路204包括安装在封装220中的至少一个电气系统(电气系统)。在图2中,示出了第一电气系统223a和第二电气系统223b。

所示的封装220包括附接到主体220b的封盖220a。任选地,封盖220a被气密地密封220a到主体220b;任选地,封装220的内部被抽空并且基本上为真空;真空增加了封装220中的部件与封装220以及其外部环境之间的热隔离。任选地,封盖220a和/或主体220b可由陶瓷制成。可将吸气剂材料施加到封盖220a上,以有助于在装置的整个寿命期间保持接近真空水平的压力。主体220b的内部包括至少一组凸缘。所示的主体220b包括两组凸缘220c-1、220c-2。

每个电气系统安装在对应的一组凸缘上。在图2中,第一电气系统223a安装在第一组凸缘220c-1上,并且第二电气系统223b安装在第二组凸缘220c-2上。每个电气系统通过粘合剂材料221(诸如环氧树脂或焊料)附接到对应的一组凸缘。电气系统可使用常规封装技术彼此互连和/或互连到外部系统(诸如温稳物理封装和/或非温稳电子电路),所述常规封装技术例如为在电子电路204之中和/或之上的结合互连件,诸如导电通孔、引线框架和/或焊球。

每个电气系统包括第一衬底、第二衬底、栓系件和至少一个电路。第一衬底和第二衬底可由硅制成。可将电导体形成在第一衬底、第二衬底和/或栓系件中的每一者上,以用于为数据信号(诸如控制信号和测得的数据信号)、参考信号(诸如参考电压和/或参考电流)和/或电功率提供电气路径。栓系件提供第一衬底与第二衬底之间的电耦合和热隔离。栓系件可包括衬底,该衬底为热绝缘体(其提供热隔离),诸如聚酰亚胺。导体可由金形成;导体促进在第一衬底与对应的第二衬底之间传输数据和功率。

至少一个电路可通过焊球或另一种粘合剂(诸如焊膜或环氧树脂)机械地附接到第二衬底。至少一个电路可通过焊球、导电焊丝和/或导电焊带电耦合到第二衬底中的例如传输线。另选地或除此之外,至少一个电路可例如通过常规半导体加工集成到第二衬底中;此类集成消除了对集成电路与第二衬底的例如传输线之间的机械附接和外部电耦合(以促进传输数据和功率)的需要。

所示的第一电气系统223a包括至少一个第一电路226a。所示的第二电气系统223b包括至少一个第二电路226b。电路可为有源和/或无源电气装置。

所示的第一电气系统223a包括通过第一栓系件228a耦合到第二电气衬底224a的第一衬底222a。所示的第二电气系统223b包括通过第二栓系件228b耦合到第二电气衬底224b的第二衬底222b。

图3a示出了电气系统323a的一个实施方案的平面图;电气系统323a包括通过栓系件328a、328b、328c、328d耦合到第二衬底324的第一衬底322。任选地,可使用两个或更多个栓系件来从第一衬底支撑第二衬底。然而,如果第二衬底由一个或多个其他支撑结构支撑,则可使用零个、一个或更多个栓系件将第一衬底322机械耦合、热耦合和/或电耦合到第二衬底324。否则,第二衬底324通过空间或空隙(例如,两个栓系件之间的基本上圆饼形的区域)分离;该空间在第一衬底322与第二衬底324之间提供额外的热隔离。

图3b示出了包括散热器系统323b的电气系统的一个实施方案的平面图。散热器系统323b促进降低第一衬底322与第二衬底324及其上部件之间的热导率,使得当改善的csac100的环境温度升高时,第二衬底324及其上部件可将更多热能耗散到第一衬底以促进保持第二衬底324及其上部件的恒定温度。

包括散热器系统323b的电气系统包括通过栓系件328a、328b、328c、328d耦合到第二衬底324的第一衬底322。散热器系统用于将第二衬底324上的电路保持在相对恒定的温度。随后描述的散热器系统也可用在温稳物理系统102中,以在温稳物理系统102中保持电路、vcsel102a、气体池102d以及第二衬底上任何其他部件的相对恒定的温度。

所示的散热器系统是无源散热器系统。无源散热器系统在较宽的环境温度范围内保持温稳系统的基本上恒定的设定点温度。因此,成本较低且较容易获得的部件(其较易受因温度变化所致的其操作参数改变的影响)可用在温稳系统中。另外,温稳系统可在较高环境温度下操作。

散热器系统包括安装在第一衬底322和/或第二衬底324之上或之中的至少一个贮存器332。出于示教目的,至少一个贮存器332将被示出为位于第一衬底322中。第一衬底322中的至少一个微通道(一个或多个微通道)334以及一个或多个栓系件耦合到至少一个贮存器332。贮存器以及微通道的至少一部分填充有流体,例如,液体金属(例如汞)或液体低共熔合金(例如镓铟锡合金)。

当改善的csac100的环境温度升高时,微通道中的流体将从第一衬底322朝向第二衬底324延伸,或反之亦然,具体取决于贮存器位于哪个衬底中。因此,第二衬底324与第一衬底322之间的热隔离降低。因此,第二衬底322及其上部件可将更多热能耗散到第一衬底322。

图3c示出了制作温稳物理系统或温稳电子电路的示例性方法300a。就图3c中所示的方法300在本文中被描述为在图1至图3b中所示的系统中实现而言,应当理解,其他实施方案能够以其他方式来实现。为了便于说明,流程图的方框以大体上按顺序的方式布置;然而,应当理解,这种布置仅是示例性的,并且应当认识到,与这些方法相关联的处理(以及图中所示的方框)可以不同的顺序发生(例如,其中与方框相关联的处理中的至少一些处理以并行和/或以事件驱动的方式执行)。

在方框380中,由单个衬底形成第一衬底322和第二衬底324,该第一衬底322上具有第一层333a,该第二衬底324上具有第一层333a,该单个衬底上具有第一层333a。例如,单个衬底为硅晶圆。具有第一层333a的第一衬底322通过第一衬底322与第二衬底324之间的开口与具有第一层333的第二衬底324分离。第一层333a可为电介质,诸如聚酰亚胺,或其他类型的材料,并且可通过常规沉积技术沉积在单个衬底上。第一衬底322和第二衬底324可使用常规光刻和蚀刻(例如干法蚀刻)技术由单个衬底形成。

在方框382中,在第一衬底322和第二衬底324中的至少一者上方的第一层333中形成至少一个开口335a。开口335a可使用常规光刻和蚀刻(例如干法或湿法蚀刻)技术由单个衬底形成。

在方框384中,在每个开口335a下方的第一衬底322中形成贮存器332。每个贮存器332可使用常规光刻和蚀刻(例如湿法蚀刻)技术形成在衬底中。

在方框386中,用流体331填充每个贮存器332,例如如上所述。在方框388中,在操作晶圆334上的第二层333b中形成至少一个凹陷部335b。第二层333b可为电介质,诸如聚酰亚胺,或其他类型的材料。操作晶圆334可为衬底,诸如硅衬底。凹陷部335b可使用常规光刻和蚀刻(例如干法或湿法蚀刻)技术由单个衬底形成。任选地,将剥离层337放置在第二层333b与操作晶圆334之间。剥离层可为稍后容易被常规溶剂移除的光致抗蚀剂。任选地,导体可被图案化并形成在第二层333b上,例如,第二层333b与剥离层337和/或操作晶圆334之间。

在方框390中,诸如通过在增高的温度(例如,等于或高于400℃)下使聚酰亚胺回流,来将第二层333b附接到第一层333a。第一层333a和第二层333b的组合形成将第一衬底322连接到第二衬底324的至少一个栓系件。此类拴系件中的一个或多个包括耦合到贮存器的至少一个毛细管336,该贮存器允许流体331被配置为接收流体331。在方框392中,例如通过将操作晶圆和剥离层337浸入溶剂(例如,丙酮)中以活化剥离层从而释放操作晶圆334,或通过研磨或蚀刻操作晶圆中的至少一者,来移除操作晶圆334。

图3d示出了制作温稳物理系统或温稳电子电路的示例性方法300b。就图3d中所示的方法300在本文中被描述为在图1至图3b中所示的系统中实现而言,应当理解,其他实施方案能够以其他方式来实现。为了便于说明,流程图的方框以大体上按顺序的方式布置;然而,应当理解,这种布置仅是示例性的,并且应当认识到,与这些方法相关联的处理(以及图中所示的方框)可以不同的顺序发生(例如,其中与方框相关联的处理中的至少一些处理以并行和/或以事件驱动的方式执行)。

在方框362中,在csac(例如,csac中的热隔离系统,诸如温稳电子电路和/或温稳物理系统)的环境温度升高时,由于流体由于温度升高而热膨胀,使流体延伸远离至少一个贮存器,即朝向或远离热隔离子系统。因此,例如,贮存器的环境温度的温度升高是由于包含贮存器的csac的温稳系统的环境温度升高而升高。

该温稳系统包括非热隔离子系统和热隔离子系统。任选地,非热隔离子系统和热隔离子系统分别为第一衬底322(以及第一衬底322之上或之中的任何部件)和第二衬底324(以及第二衬底324之上或之中的任何部件);非热隔离子系统和热隔离子系统通过材料(和/或其缺乏)诸如栓系件和/或真空进行热隔离。

任选地,流体流过材料,例如,连接热隔离子系统和非热隔离子系统的栓系件中的至少一个毛细管中的材料。因此,热隔离子系统与非热隔离子系统之间的热隔离降低。因此,可将更多热能从热隔离子系统之上或之中的部件(例如,电路)传递到非热隔离子系统(以及因此传递到外部环境)。在方框364中,通过经由流体将热能从热隔离子系统耗散到非热隔离子系统,来保持热隔离子系统的基本上恒定的设定点温度。

任选地,在csac的环境温度降低时,例如,在温稳系统中的贮存器处,由于温度降低所致的热收缩,使流体朝向至少一个贮存器撤回。因此,较少的热能从热隔离子系统之上或之中的部件(例如,电路)传递到外部环境;因此就保持了热隔离子系统的基本上恒定的设定点温度。

任选地,当csac的环境温度变化(例如较高和较低)时,流体流动(如上所述)通过材料,例如,连接热隔离子系统和非热隔离子系统的栓系件中的至少一个毛细管中的材料。因此,热隔离子系统与非热隔离子系统之间的热隔离随环境温度的改变而波动。因此就保持了热隔离子系统的基本上恒定的设定点温度。

图4示出了使用蒸气池的改善的芯片级原子钟(改善的csac)400的一个实施方案的剖视图。改善的csac400包括温稳物理系统402、温稳电子电路404、以及非温稳电子电路406。温稳物理系统402包封在第一磁屏蔽罩448a中以防止周围磁场进入气体池102d中并且防止磁场线圈生成的磁场离开温稳物理系统402。温稳物理系统402例如通过焊球442电耦合且机械附接到第一csac衬底440a。温稳电子电路404例如通过焊球442电耦合且机械附接到第二csac衬底440b。非温稳电子电路406例如通过焊球442电耦合且机械附接到第三csac衬底440c。

任选地,温稳物理系统402和温稳电子电路404由封装448b包封,该封装可为第二磁屏蔽罩以进一步保护温稳物理系统402和温稳电子电路404例如免受来自环境和非温稳电子电路406的电磁噪声的影响。第一csac衬底440a和第二csac衬底440b通过第一csac互连件(诸如柔性电路板446a)电耦合。第二csac衬底440b和第三csac衬底440c通过第三柔性电路板446b电耦合。本文所述的磁屏蔽罩可由高导磁合金制成,该高导磁合金为具有非常高穿透性的镍铁软铁磁合金。

任选地,温稳电子电路404由第三磁屏蔽罩448c单独包封。温稳电子电路404发出电磁能量,该电磁能量可有害地影响温稳物理系统402的操作。尽管温稳物理系统402由第一磁屏蔽罩448a包封,但电磁能可例如由于第一磁屏蔽罩448a中的用于接线的孔而穿透到温稳物理系统402。因此,通过由第三磁屏蔽罩448c包封温稳电子电路404,温稳物理系统402进一步与此类电磁能量隔离。

示例性实施方案

实施例1包括芯片级原子钟(csac),该csac包括:温稳物理系统,该温稳物理系统包括蒸气池和磁场线圈且包封在磁屏蔽罩中;以及电耦合到温稳物理系统的温稳电子电路。

根据实施例1所述的csac,还包括电耦合到温稳物理系统和温稳电子电路中的至少一者的非温稳电子电路。

根据实施例2所述的csac,其中非温稳电子电路包括控制器电路和功率调节电路中的至少一者。

实施例4包括根据实施例3所述的csac,其中非温稳电子电路还包括以下中的至少一者:晶体振荡器、锁相环、至少一个加热器电流控制电路和至少一个线圈电流控制电路。

实施例5包括根据实施例4所述的csac,其中非温稳电子电路还包括以下中的至少一者:至少一个数模转换器和至少一个加热器。

实施例6包括根据实施例1至5中任一项所述的csac,其中第二磁屏蔽罩仅包封温稳电子电路。

实施例7包括根据实施例1至7中任一项所述的csac,其中第三磁屏蔽罩包封温稳物理系统和温稳电子电路。

实施例8包括根据实施例1所述的csac,其中温稳电子电路和温稳物理系统中的至少一者还包括无源散热器。

实施例9包括根据实施例8所述的csac,其中温稳电子电路和温稳物理系统中的至少一者包括:第一衬底;第二衬底;附接到第二衬底的部件;耦合第一衬底和第二衬底的至少一个栓系件;其中至少一个无源散热器包括:位于至少一个栓系件中的至少一者之中或之上的至少一个毛细管;以及耦合到至少一个毛细管中的每一者的至少一个贮存器;其中至少一个贮存器被配置为存储液体;其中至少一个贮存器安装在第一衬底和第二衬底中的至少一者之中或之上;并且其中液体被配置为在csac的环境温度波动时流过至少一个毛细管中的每一者。

实施例10包括根据实施例9所述的csac,其中第一衬底和第二衬底包含硅;并且其中至少一个毛细管包括电介质中的凹陷部。

实施例11包括根据实施例9至10中任一项所述的csac,其中形成在栓系件上的电导体将第一衬底电耦合到第二衬底。

实施例12包括根据实施例1至11中任一项所述的csac,其中温稳电子电路包括:第一衬底;第二衬底;安装在第二衬底上的至少一个电气部件;耦合在第一衬底与第二衬底之间并且被配置为将第一衬底与第二衬底热隔离的至少一个拴系件;主体,其中第一衬底附接到主体;以及附接到主体的封盖,其中第一衬底、第二衬底、至少一个电气部件以及至少一个拴系件被封盖和主体包封在内部。

实施例13包括根据实施例12所述的csac,其中封盖气密地密封到主体;并且其中第一衬底、第二衬底、至少一个电气部件以及至少一个拴系件被封盖和主体包封在真空中。

实施例14包括根据实施例12至13中任一项所述的csac,其中栓系件包括以导电方式耦合第一衬底和第二衬底的至少一个导体。

实施例15包括方法,包括:当芯片级原子钟(csac)的环境温度升高时,以朝向或远离温稳电子电路和温稳物理系统中的至少一者中的热隔离子系统的方式,使流体由于热膨胀而延伸远离至少一个贮存器,其中csac包括温稳电子电路和温稳物理系统,该温稳电子电路和温稳物理系统中的每一者都包括非热隔离子系统和热隔离子系统,该非热隔离子系统和热隔离子系统彼此热隔离;以及通过增加经由流体从热隔离子系统耗散到非热隔离子系统的热能来在温稳电子电路和温稳物理系统中的至少一者中保持热隔离子系统的基本上恒定的设定点温度,其中基本上恒定的设定点温度意指介于一定温度范围内的不降低csac的稳定性的温度。

实施例16包括根据实施例15所述的方法,其中使流体延伸远离至少一个贮存器包括流体流过至少一个栓系件中的至少一个毛细管,其中至少一个毛细管耦合到至少一个贮存器。

实施例17包括根据实施例15至16中任一项所述的方法,还包括:升高csac的环境温度;以远离或朝向热隔离子系统的方式,使流体由于热收缩而朝向至少一个贮存器回缩;以及通过减少经由流体从热隔离子系统耗散到非热隔离子系统的热能来保持热隔离子系统的基本上恒定的设定点温度。

实施例18包括在芯片级原子钟(csac)的温稳电子电路或温稳物理系统中形成无源散热器的方法,该方法包括:由单个衬底形成第一衬底和第二衬底,该第一衬底上具有第一层,该第二衬底上具有该第一层,该单个衬底上具有该第一层;在第一衬底和第二衬底中的至少一者上方的第一层中形成至少一个开口;在每个开口下方形成贮存器;用流体填充每个贮存器;在操作晶圆上的第二层中形成至少一个凹陷部;将第二层附接到第一层;以及移除操作晶圆。

实施例19包括根据实施例18所述的方法,其中用流体填充每个贮存器包括用液体金属或低共熔金属合金填充每个贮存器。

实施例20包括根据实施例18至19中任一项所述的方法,其中移除操作晶圆包括研磨或蚀刻操作晶圆中的至少一者。

虽然已相对于一个或多个具体实施示出了本发明的教导内容,但在不脱离所附权利要求书的范围的情况下,可对所示的示例进行更改和/或修改。此外,虽然本公开的特定特征可能仅是相对于若干具体实施中的一个进行描述的,但此类特征可与其他具体实施的一个或多个其他特征组合,如对于任何给定或特定功能而言可能是期望和有利的那样。此外,就在具体实施方式和权利要求中使用了术语“包括”、“包含”、“具有”、“具备”、“带有”或其变体而言,此类术语旨在以类似于术语“包含”的方式具有包括性。术语“…中的至少一者”用于意指可以选择所列出项目中的一者或多者。如本文所用,相对于项目列表(诸如a和b或a和/或b)的术语“…中的一者或多者”意指仅a、仅b或者a和b。术语“…中的至少一者”用于意指可以选择所列出项目中的一者或多者。

术语“约”或“基本上”表示所指定的值或参数可稍微改变,只要这种改变不会导致工艺或结构与所示实施方案不一致即可。最后,“示例性的”表示该描述用作示例,而不是暗示该描述是理想的。尽管本文已说明和描述了具体实施方案,但本领域的普通技术人员将理解,经计算以实现相同目的的任何布置都可替代所示出的具体实施方案。因此,本发明明显意在仅受权利要求书及其等同物的限制。

如本申请中所用的相对位置的术语是基于与装置、晶圆或衬底的常规平面或工作表面平行或者(在有术语“共面”的情况下)相同的平面来定义的,与取向无关。如本申请中所用的术语“水平”或“侧向”被定义为与装置、晶圆或衬底的常规平面或工作表面平行的平面,与取向无关。术语“垂直”是指垂直于水平的方向。诸如“在…上”、“侧”(如在”侧壁”中)、“较高”、“较低”、“上面”、“顶部”和“下方”的术语是相对于装置、晶圆或衬底的顶部表面上的常规平面或工作表面来定义的,与取向无关。如本申请中所用的术语“共面”被定义为位于与装置、晶圆或衬底的常规平面或工作表面相同的平面中的平面,与取向无关。

尽管本文已说明和描述了具体实施方案,但本领域的普通技术人员将理解,经计算以实现相同目的的任何布置都可替代所示出的具体实施方案。因此,本发明明显意在仅受权利要求书及其等同物的限制。

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