用于晶片级原子钟的系统和方法

文档序号:8256684阅读:564来源:国知局
用于晶片级原子钟的系统和方法
【专利说明】用于晶片级原子钟的系统和方法
【背景技术】
[0001] 芯片级原子钟(CSAC)包括气室(gascell),所述气室包含诸如铷(Rb)的碱金属 的蒸气。该室还典型地包含缓冲气体,诸如氩-氮缓冲气体混合物。典型地,经RF调制、 偏振的光被照射到室中以询问(interrogate)蒸气来获取构成蒸气的原子的共振频率的测 量。CSAC可以用在精确定时系统中以改进诸如手持GPS的位置定位设备的精度。尽管令人 印象深刻地小,但是CSAC对于一些低剖面(lowprofile)应用而言太大。

【发明内容】

[0002] 提供了用于晶片级(waferscale)原子钟的系统和方法。在至少一个实施例中, 一种晶片级设备包括:第一衬底;接合到所述第一衬底的室层,所述室层包括多个密封地 隔离的室,其中针对所述多个密封地隔离的室中的每个室产生分离的测量;以及接合到所 述室层的第二衬底,其中所述第一衬底和所述第二衬底包括用以控制分离的测量的电子器 件,其中分离的测量被组合成单个测量。
【附图说明】
[0003] 理解到附图仅仅描绘了示例性实施例并且并不因此将被认为在范围上是限制性 的,将通过使用附图以附加特性和细节来描述这些示例性实施例,在附图中: 图1是在本公开中描述的一个实施例中的晶片级设备的横截面图; 图2是在本公开中描述的一个实施例中的示例性晶片级原子钟的横截面图; 图3是在本公开中描述的一个实施例中的用于晶片级设备的晶片级物理封装的横截 面视图;以及 图4是图示了在本公开中描述的一个实施例中的用于制造晶片级设备的方法的流程 图。
[0004] 根据通常的实践,各种描述的特征未按比例绘制,而是绘制为强调与示例性实施 例相关的特定特征。
【具体实施方式】
[0005] 在以下详细描述中,对形成其一部分的附图进行参考,并且其中作为说明而示出 特定的说明性实施例。然而,要理解的是,可以利用其它实施例,并且可以做出逻辑、机械以 及电气上的改变。此外,在绘制的图和说明书中呈现的方法不要解释为限制可以用来执行 单独步骤的顺序。因此,不将在限制性意义上理解以下详细描述。
[0006] 本公开的实施例允许一种晶片级原子钟,其提供比在通常可用的CSAC设备的情 况下可得到的剖面更低的剖面,同时实现精度并且产生改进,这通过使用多个减小尺寸的 室,其中每个室包含共振材料,所述共振材料被测量以提供共振特征(signature)或其它类 型的测量。此外,来自单独室的共振特征被一起平均以提供对于时钟信号的最终测量。由 于包含振荡材料的室变得更小,振荡测量的精度可能降低。为了增加测量的精度,形成多个 小室,其各自提供不同的测量。阵列的单独室可以被调谐以得到期望的独立灵敏性,从而使 平均值对环境更鲁棒。不同的测量被平均,其中平均测量是对特定材料的振荡的更准确测 量。另外,与产生自不同室的多数测量显著不同的共振特征("异常值")可以从平均值的计 算中被排除。
[0007] 图1是包含了室层102中所形成的多个室104的晶片级设备100的横截面图,其 中所述多个室104各自包封以特定频率共振的材料。在个不例性实现中,在室104内的 气体混合物可以是温度稳定的并且经受稳定的磁场,并且然后被询问以提供诸如共振频率 之类的测量。在一个示例性实现中,共振频率用于规定(discipline)由温度补偿的晶体振 荡器(TCX0)提供的时钟振荡,其中晶片级设备100和TCX0共同起原子钟的作用。在另外 的示例中,室104内的材料可以包含铷、铯等。为了在室层102中形成室104,在晶片层103 内形成孔。例如,可以由硅材料形成的晶片层103可以具有穿过晶片层103而延伸的多个 孔。晶片层103然后可以密封地结合到第一层106。当晶片层103接合到第一层106时, 材料可以沉积到多个室104内。当材料沉积到多个室104内时,第二层108可以在晶片层 103的与第一层106相对的侧上密封地接合到晶片层103。在至少一个实现中,第一层106 和第二层108到晶片层103的结合将材料密封地封闭在多个室104内并形成室层102。在 某些实施例中,第一衬底110和第二衬底112可以接合到室层102的相对侧以提供对于晶 片级设备100的操作的功能和结构支持。
[0008] 在本文描述的实施例中,多个室104可以足够小以形成为晶片的部分。在至少一 个实现中,室层102近似30密耳厚。由于室104的小尺寸,可以从多个室104中的单个室 产生的测量的精度受到室的小尺寸的负面影响。然而,由多个室104产生的多个测量的组 合可以产生具有增加的精度的测量。由于室层102、第一层106和第二层108薄,设备100 具有低剖面,这允许将晶片级设备1〇〇安装在具有受限空间要求的仪器中。
[0009] 图2是示例性晶片级原子钟200的横截面图。以与图1中的设备100类似的方式, 原子钟200包括多个室204,所述多个室204以与上文在图1中描述的多个室104类似的方 式起作用。例如,原子钟200包括三个室204,其各自包括以共振频率共振的共振材料,其中 材料的共振频率可以被检测以为其它系统提供参考时钟。为了制造原子钟200,原子钟200 包括多个晶片层,这多个晶片层以与上文关于图1描述的晶片级设备100类似的方式接合 在一起。例如,原子钟200包括电子器件层202。电子器件层202包括支持原子钟200的 操作的电子器件。在至少一个实现中,电子器件层202是硅晶片,其具有形成于其中的基于 CMOS的电子器件。
[0010] 在另外的实现中,原子钟200包括光源层206。光源层206包括多个光源214,其中 每个光源214将光发射到室层213中的多个室204之一中。例如,光源214可以包括单独的 垂直空腔表面发射激光器(VCSEL),其中每个VCSEL将激光束发射到相关联的室204中。在 至少一个实现中,光源层由GaA制造。此外,光源层206可以包括光检测器(photodetector) 连同相关联的增益和采样设备,所述光检测器检测从多个室204反射出的光。在一个实现 中,电子器件层202和光源层206二者各自都具有近似10密耳的厚度。
[0011] 在某些实施例中,四分之一波长板层208被制造并接合到光源层206,使得四分之 一波长板层208在光源层206与室层213之间。例如,四分之一波长板层208可以是诸如石 英之类的双折射晶体材料的薄层。可替代地,四分之一波长板层208可以包括具有金属化 图案的玻璃的层,所述金属化图案在玻璃表面上形成为四分之一波长板线阵列。从多个光 源214发射的光在它进入室层213中的室204之前通过四分之一波长板层208中的平面四 分之一波长板。当光通过四分之一波长板层208时,形成波干扰,其使得光变成圆偏振的。 经偏振的光继续穿过室204中的气体混合物并且从光控制层212的表面被反射。经反射的 光然后向后通过室204中的气体混合物并且通过四分之一波长板层208,其中光照射在也 位于光源层206中的光检测器上。在某些实现中,图1中的第一衬底110包括电子器件层 202、光源层206以及四分之一波长板层208。
[0012] 如上文关于图1所陈述的,通过在硅晶片中形成室并将气体混合物密封地封闭在 室内来制造室层213。在一个示例性实现中,为了形成室层213,在晶片层210内将室挖空。 在至少一个实现中,晶片层210由硅晶片制造。当室被挖空时,晶片层210阳极地结合到第 一玻璃层209以形成金属或液体可以被放置于其中的杯状储藏库。例如,第一玻璃层209 阳极地结合到晶片层210的一侧,使得室204的一侧被封闭。当第一玻璃层209结合到晶 片层210时,固体或液体被放置在室204内。例如,铷或铯被放置在室204内。当固体被放 置在室204内时,第二玻璃层211在晶片层210的打开侧上结合到晶片层210以密封地封 闭室204。例如,第二玻璃层211阳极地结合到晶片层210的与晶片层210结合到第一玻璃 层209的侧所相对的侧。当室被形成时,晶片层210在存在真空的情况下结合到第二玻璃 层211。可替代地,晶片层210在存在处于低压的缓冲气体的情况下结合到第二玻璃层211。 当晶片层210在存在缓冲气体的情况下结合到第二玻璃层211时,缓冲气体起作用以防止 从固体或液体脱气的原子以高速碰撞室204的壁。当晶片层210结合到第一玻璃层209和 第二玻璃层208以形成室层213时,固体/液体材料由于缓冲气体的较低压和原子钟暴露 于热中而变成气体。
[0013] 在另外的实施例中,原子钟200包括光控制层212。在至少一个实现中,光控制层 212是金属化的反射器。当光控制层212是金属化的反射器时,光控制层212将离开室层 213中的室204的光反射回室204中。可替代地,光控制层212是CMOS电子衬底,其包括光 检测器、放大器以及采样设备。当光控制层212是CMOS电子衬底时,光检测器检测离开室 204、入射在光检测器上的光。
[0014] 在某些实施例中,原子钟200中的不同层,电子器件层202、光源层206、四分之一 波长板层208、室层213以及光控制层212被分别制造并然后结合在一起作为堆叠的晶片以 形成原子钟200。例如,不同的层通过热压缩、热
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