一种碱金属原子气室的制作方法

1.本实用新型涉及原子光学、原子钟技术领域，尤其是一种碱金属原子气室。


背景技术：

2.随着量子技术和原子物理的快速发展，而碱金属原子气室是制造磁力仪、原子钟、原子陀螺仪的关键核心部件，目前，现有的都采用玻壳熔接、玻璃吹制、刻蚀、键合等技术制造出碱金属原子气室，其工序较多、精度低、尺寸大、制造效率低、成本高，不适用工业规模化生产，其次，因碱金属原子气室的工作运行温度一般为80～85
°
c，玻璃材质的导热性不好，需配套较大功率的加热器，其应用于磁力仪、原子钟、原子陀螺仪等移动设备中导致功率能耗较大，需匹配较大容量电池，不利于应用设备的小型化及轻量化，原子钟的低功耗和微型化已成为其应用的技术瓶颈。


技术实现要素：

3.为了克服背景技术中的技术问题，本实用新型提供了一种碱金属原子气室。
4.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种碱金属原子气室，包括单晶硅材料的原子气室方体，呈方形的原子气室方体设有铣削通孔，在开设有铣削通孔的原子气室方体端面上分别阳极键合连接有作为光学窗口的玻璃片，所述玻璃片围合封闭铣削通孔构成原子气体腔室，在原子气室方体上未开设有铣削通孔的一个端面上开设有用于加注碱金属原子的加注孔，所述加注孔与铣削通孔连通。
6.进一步优选的，所述原子气室方体上，通过高速铣削开设的铣削通孔为一个或两个圆形孔，铣削通孔为两个圆形孔时，两个铣削通孔中心轴线垂直相交。两个相互垂直相交的铣削通孔形成的原子气室腔体可构成两个光学窗口通道，可实现双向激光照射，两个铣削通孔的中心轴线垂直相交更易提高铣削开孔精度，加工成型的原子气室整体尺寸小、结构紧凑，工作运行功耗更低。
7.优选的，所述铣削通孔位于原子气室方体的端面中心位置，便于提高铣削精度，原子气室整体尺寸小、结构紧凑。
8.优选的，铣削通孔为两个直径相同、垂直相交的圆形孔，构成两个相同口径光学窗口通道，便于提高铣削精度，原子气室整体尺寸小、结构紧凑。
9.优选的，通过高速铣削开设的加注孔中心轴线与铣削通孔中心轴线垂直相交，加注孔位于原子气室方体的端面中心位置，利于提高铣削开孔加工精度和加注管键合连接。
10.优选的，所述原子气室方体的表面粗糙度ra值不大于0.002 μm，所述铣削通孔内表面的表面粗糙度ra值不大于0.001μm，使其表面达到与玻璃片的键合要求，并提高光学窗口透光率。
11.优选的，所述玻璃片为无碱光学玻璃，实现光学窗口极高的透光率，无碱玻璃避免对碱金属原子工作产生不利影响。
12.优选的，所述原子气室方体为正方体，正方体实现原子气室尺寸小、结构紧凑。
13.优选的，所述原子气室方体的长、宽、高分别为2
×2×
2mm，所述铣削通孔直径为1.5 mm，所述加注孔直径为0.8 mm，所述玻璃片厚度为0.2 mm。正方体利于铣削加工，原子气室结构更为紧凑，实现轻量化和微型化，并可大大降低其工作能耗，解决了原子钟的低功耗和微型化的技术瓶颈。
14.优选的，所述加注孔上连接有加注管，用于加注碱金属原子。
15.优选的，所述加注孔上阳极键合连接有加注管，所述注管为玻璃管。
16.实施过程，本碱金属原子气室采用单晶硅材料制备碱金属原子气室，具体步骤如下：
17.a、开孔：在单晶硅材料的单晶硅板上，采用高速铣削工艺开设出铣削通孔；
18.b、切割：沿开设的铣削通孔周边切割单晶硅板，切割为方形的原子气室方体；
19.c、开设加注孔：在原子气室方体上未开设有铣削通孔的一个端面上通过高速铣削工艺开设用于碱金属原子加注的加注孔，所述加注孔与铣削通孔连通；
20.d、研磨抛光：对开孔后的原子气室方体表面和铣削通孔内表面进行研磨、抛光处理；
21.e、清洗：将研磨抛光后的原子气室方体进行去离子水超声波清洗；
22.f、键合封闭：采用与开设有铣削通孔的原子气室方体端面尺寸一致的玻璃片，与开设有铣削通孔的原子气室方体端面进行阳极键合，封闭的原子气室方体的铣削通孔构成原子气体腔室，相对端面的玻璃片形成光学窗口；
23.g、在所述加注孔上阳极键合连接加注管，完成碱金属原子气室的制备。
24.本实用新型的有益效果是：本实用新型采用单晶硅材料的碱金属原子气室，单晶硅材料具有良好的导热性，工作运行仅需较小的加热功率，其应用于磁力仪、原子钟、原子陀螺仪移动设备中能大幅度降低装置能耗，同时可降低电源重量和体积，在单晶硅材料通过高速铣削开设的铣削通孔构成原子气体腔室，高速铣削开设的铣削通孔的制造精度高、开孔直径小、表面光洁度高、制造效率高、成本低，适用工业规模化生产，原子气室结构紧凑、尺寸小，并实现设备的轻量化、微型化和低能耗。
25.在原子气室方体可开设两个铣削通孔，两个相互垂直的铣削通孔成型的原子气室腔体可形成两个光学窗口通道，可实现双向激光照射，两个铣削通孔的中心轴线垂直相交更易提高铣削开孔精度，加工成型的原子气室整体尺寸小、结构紧凑，工作运行功耗低。
26.本实用新型采用单晶硅材料开设铣削通孔，玻璃片阳极键合封闭，单晶硅材料与玻璃之间具有较好的键合特性，可大大提高了原子气室制造效率和制造精度、降低成本，适合工业化规模化生产，本原子气室结构紧凑，并实现微型化和轻量化，大大降低其工作能耗；并可进一步实现其应用的设备的低功耗、小型化和轻量化，解决了原子钟的低功耗和微型化的技术瓶颈，对数字通信、航空航天、导航定位的技术发展具有重大意义。
附图说明
27.图1是本实用新型实施例1铣削通孔示意图；
28.图2是本实用新型实施例1的原子气室方体结构示意图；
29.图3是本实用新型实施例1的原子气室方体与玻璃片键合示意图；
30.图4是本实用新型实施例1的原子气室方体封闭后结构示意图；
31.图5是本实用新型实施例1的原子气室方体连接加注管示意图；
32.图6是本实用新型实施例2铣削通孔示意图；
33.图7是本实用新型实施例2的原子气室方体结构示意图；
34.图8是本实用新型实施例2的原子气室方体与玻璃片键合示意图；
35.图9是本实用新型实施例2的原子气室方体封闭后结构示意图；
36.图10是本实用新型实施例2的原子气室方体连接加注管示意图。
37.图中零部件及编号：
38.1-原子气室方体；2-铣削通孔；3-玻璃片；4-单晶硅板；5-加注孔；6-加注管。
具体实施方式
39.以下实施例用于说明本实用新型的一种碱金属原子气室，但不用来限制本实用新型的保护范围。
40.实施例1
41.如图2～5所示，一种碱金属原子气室，包括单晶硅材料的原子气室方体1，呈方形的原子气室方体1设有铣削通孔2，在开设有铣削通孔2的原子气室方体1端面上分别阳极键合连接有作为光学窗口的玻璃片3，所述玻璃片3围合封闭铣削通孔2构成原子气体腔室，在原子气室方体1上未开设有铣削通孔2的一个端面上开设有用于加注碱金属原子的加注孔5，所述加注孔5与铣削通孔2连通。
42.其中，所述原子气室方体1上，通过高速铣削开设的铣削通孔2为一个。铣削通孔2可开设于原子气室方体1相对端面中心位置，结构更加紧凑。
43.优选的，所述加注孔5中心轴线与铣削通孔2中心轴线垂直相交。加注孔5位于原子气室方体1的端面中心位置，且利于铣削开孔加工和加注管6安装。
44.所述原子气室方体1的表面粗糙度ra值不大于0.002 μm，所述铣削通孔2内表面的表面粗糙度ra值不大于0.001μm。使其表面达到与玻璃片3的键合要求，提高光学窗口透光率。
45.所述原子气室方体1为正方体，其长、宽、高分别为2
×2×
2mm，所述铣削通孔2直径为1.5 mm，所述加注孔5直径为0.8 mm，加注孔5上连接有加注管6，所述玻璃片3为无碱光学玻璃，厚度为0.2 mm。正方体利于铣削加工，原子气室结构更为紧凑，并实现设备的轻量化和小型化，并大大降低其工作的功率消耗。
46.所述加注孔5上阳极键合连接有加注管6，所述加注管6为玻璃管。
47.本实施例的碱金属原子气室的具体制备步骤如下：
48.a、开孔：如图1所示，在单晶硅材料的单晶硅板4上，采用高速铣削工艺开设出铣削通孔2；
49.b、切割：如图2所示，沿开设的铣削通孔2周边切割单晶硅板4，切割为方形的原子气室方体1；
50.c、开设加注孔5：如图2所示，在原子气室方体1上未开设有铣削通孔2的一个端面上通过高速铣削工艺开设用于碱金属原子加注的加注孔5，所述加注孔5与铣削通孔2连通；
51.d、研磨抛光：对开孔后的原子气室方体1表面和铣削通孔2内表面进行研磨、抛光
处理；原子气室方体1的至表面粗糙度ra值不大于0.002 μm，所述铣削通孔2内表面表面粗糙度ra值不大于0.001μm；
52.e、清洗：将研磨抛光后的原子气室方体1进行去离子水超声波清洗；
53.f、键合封闭：如图3、4所示，采用与开设有铣削通孔2的原子气室方体1端面尺寸一致的玻璃片3，与开设有铣削通孔2的原子气室方体1两个端面进行阳极键合，封闭的原子气室方体1的铣削通孔2构成原子气体腔室，相对端面的玻璃片3形成光学窗口；
54.g、如图5所示，在所述加注孔5上阳极键合连接加注管6，完成碱金属原子气室的制备。
55.其中，所述步骤a，所述单晶硅板4厚度为2.1mm以上，在单晶硅板4上铣削出的铣削通孔2为10个，相邻的铣削通孔2边缘的距离不小于1.8mm。
56.优选的，所述步骤a中，所述铣削通孔2直径为1.5 mm。
57.在所述步骤b中，切割成的原子气室方体1为正方体，其长、宽、高分别为2
×2×
2mm，优选采用晶圆划片机进行切割，切割后铣削通孔2位于原子气室方体1相对端面中心位置，结构更加紧凑。
58.优选的，所述步骤d中，所述铣削通孔2的内表面采用斯曼克流体抛光工艺抛光。抛光效率高、效果好、对材料损坏小。
59.优选的，所述步骤f中，所述玻璃片3为无碱光学玻璃片3，厚度为0.2 mm。
60.实施例2
61.如图7～10所示，一种碱金属原子气室，包括单晶硅材料的原子气室方体1，呈方形的原子气室方体1设有铣削通孔2，在开设有铣削通孔2的原子气室方体1端面上分别阳极键合连接有作为光学窗口的玻璃片3，所述玻璃片3围合封闭铣削通孔2构成原子气体腔室，在原子气室方体1上未开设有铣削通孔2的一个端面上开设有用于加注碱金属原子的加注孔5，所述加注孔5与铣削通孔2连通。
62.其中，所述原子气室方体1上，通过高速铣削开设的铣削通孔2为两个。两个圆形铣削通孔2中心轴线垂直相交。两个铣削通孔2成型的原子气室腔体可形成两个光学窗口通道，实现双向激光照射，两个铣削通孔2的中心轴线垂直相交，结构紧凑且更易提高铣削开孔精度，铣削通孔2可开设于原子气室方体1相对端面中心位置，加工成型的原子气室整体尺寸小、结构紧凑，可实现设备的低功耗工作运行。
63.优选的，所述加注孔5中心轴线与铣削通孔2中心轴线垂直相交，加注孔5位于原子气室方体1端面中心位置，且利于铣削开孔加工和加注管6安装。
64.所述原子气室方体1的表面粗糙度ra值不大于0.002 μm，所述铣削通孔2内表面的表面粗糙度ra值不大于0.001μm。使其表面达到与玻璃片3的键合要求，提高光学窗口透光率。
65.所述原子气室方体1为正方体，其长、宽、高分别为2
×2×
2mm，所述铣削通孔2直径为1.5 mm，所述加注孔5直径为0.8 mm，加注孔5上连接有加注管6，所述玻璃片3为无碱光学玻璃，厚度为0.2 mm。正方体利于铣削加工，原子气室结构更为紧凑，并实现设备的轻量化和小型化，并大大降低其工作的功率消耗。
66.所述加注孔5上阳极键合连接有加注管6，所述加注管6为玻璃管。
67.本实施例的碱金属原子气室的具体制备步骤如下：
68.a、开孔：如图6所示，在单晶硅材料的单晶硅板4上，采用高速铣削工艺开设出铣削通孔2；
69.b、切割：如图7所示，沿开设的铣削通孔2周边切割单晶硅板4，切割为方形的原子气室方体1；在原子气室方体1上通过高速铣削工艺开设第二个铣削通孔2，两个铣削通孔2的中心轴线垂直相交；开设两个铣削通孔2可形成两个光学窗口通道；
70.c、开设加注孔5：如图7所示，在原子气室方体1上未开设有铣削通孔2的一个端面上通过高速铣削工艺开设用于碱金属原子加注的加注孔5，所述加注孔5与铣削通孔2连通；
71.d、研磨抛光：对开孔后的原子气室方体1表面和铣削通孔2内表面进行研磨、抛光处理；原子气室方体1的表面粗糙度ra值不大于0.002 μm，所述铣削通孔2内表面的表面粗糙度ra值不大于0.001μm；
72.e、清洗：将研磨抛光后的原子气室方体1进行去离子水超声波清洗；
73.f、键合封闭：如图8～9所示，采用与开设有铣削通孔2的原子气室方体1端面尺寸一致的玻璃片3，与开设有铣削通孔2的原子气室方体1四个端面进行阳极键合，封闭的原子气室方体1的铣削通孔2构成原子气体腔室，相对端面的玻璃片3形成光学窗口；
74.g、如图10所示，在所述加注孔5上阳极键合连接加注管6，完成碱金属原子气室的制备。
75.其中，所述步骤a，所述单晶硅板4厚度为2.1mm以上，在单晶硅板4上铣削出的铣削通孔2为10个，相邻的铣削通孔2边缘的距离不小于1.8mm。
76.优选的，所述步骤a、b中，两个铣削通孔2直径军为1.5 mm。
77.在所述步骤b中，切割成的原子气室方体1为正方体，其长、宽、高分别为2
×2×
2mm，优选采用晶圆划片机进行切割，切割后铣削通孔2位于原子气室方体1相对端面中心位置，结构更加紧凑。
78.优选的，所述步骤d中，所述铣削通孔2的内表面采用斯曼克流体抛光工艺抛光。抛光效率高、效果好、对材料损坏小。
79.优选的，所述步骤f中，所述玻璃片3为无碱光学玻璃片3，厚度为0.2 mm。
80.在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例做了描述，但是，很显然仍可以做出各种修改而不背离本实用新型的范围。因此，说明书应被认为是说明性的而非限制性的。