用于微细加工原子钟、磁力计和其他装置的具有由通道连接的腔的汽室结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于微细加工原子钟、磁力计和其他装置的具有由通道连接的腔的汽室结构。第一设备包括具有由多个通道流体连接的第一腔和第二腔的汽室。所述第一腔被配置以接收能够分解成包含在所述汽室内的一种或更多种气体的材料。所述第二腔被配置以接收所述一种或更多种气体。所述汽室被配置以允许辐射穿过所述第二腔。第二设备包括具有第一晶片和第二晶片的汽室，第一晶片具有第一腔和第二腔，第二晶片具有流体连接所述腔的一个或更多个通道。第一腔被配置以接收能够分解成包含在所述汽室内的一种或更多种气体的材料。所述第二腔被配置以接收所述一种或更多种气体。所述汽室被配置以允许辐射穿过第二腔。
【专利说明】用于微细加工原子钟、磁力计和其他装置的具有由通道连接的腔的汽室结构
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及气室(gas cell)。更具体地，本发明涉及用于微细加工原子钟、磁力计和其他装置的具有由通道连接的腔的汽室结构。
【背景技术】
[0002]各种类型的装置使用气室内的放射气体或其它气体运转。例如，微细加工原子钟(MFAC)和微细加工原子磁力计(MFAM)通常包括含有金属蒸汽和缓冲气体的腔。在一些装置中，通过将叠氮化铯(CsN3)分解成铯蒸汽和氮气(N2)来生成金属蒸汽和缓冲气体。
【发明内容】
[0003]本公开提供了用于微细加工原子钟、磁力计和其他装置的具有由通道连接的腔的汽室结构。
[0004]在第一示例中，一种设备包括具有由多个通道流体连接的第一腔和第二腔的汽室。第一腔被配置以接收能够分解成包含在汽室内的一种或更多种气体的材料。第二腔被配置以接收一种或更多种气体。汽室被配置以允许辐射穿过第二腔。
[0005]在第二示例中，一种系统包括汽室和照明源。汽室包括由多个通道流体连接的第一腔和第二腔。第一腔被配置以接收能够分解成包含在汽室内的一种或更多种气体的材料。第二腔被配置以接收一种或更多种气体。所述照明源被配置以引导辐射通过第二腔。
[0006]在第三示例中，一种设备包括具有第一晶片和第二晶片的汽室,第一晶片具有第一腔和第二腔，第二晶片具有流体连接腔的一个或更多个通道。第一腔被配置以接收能够分解成包含在汽室内的一种或更多种气体的材料。第二腔被配置以接收一种或更多种气体。汽室被配置以允许辐射穿过第二腔。
[0007]根据下面附图、说明和权利要求，本发明其它技术特征对于本领域的技术人员来说是明显的。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]为了更充分理解本发明及其特征，现在结合附图参照下面描述，其中:
[0009]图1至图4不出根据本公开的不例性汽室结构；
[0010]图5和图6示出根据本公开的另一个示例性汽室结构；
[0011]图7和图8示出根据本公开的包含至少一个汽室结构的示例性装置；以及
[0012]图9示出根据本公开的用于形成汽室结构的示例性方法。
【具体实施方式】
[0013]在本申请文件中，下面讨论的图1到图9和各种实例仅通过示例的方式用于描述本发明的原理，并不被解释为以任何方式限制本发明的范围。本领域的技术人员将理解，本发明的原理可以以任何合适的方式实施，并且在任何类型的适当配置的装置和系统中实施。
[0014]图1到图4示出根据本公开的一种示例性汽室结构100。汽室结构100能够用于，例如，接收基于碱金属的材料(诸如，叠氮化铯)以及允许将基于碱金属的材料分解成金属蒸汽和缓冲气体(诸如，铯蒸汽和氮气)。然而，这代表汽室结构100的一个示例性用途。在此描述的汽室结构100可以以任何其它合适的方式使用。
[0015]如图1至图3所示出的，汽室结构100包括底部晶片102、中间晶片104和顶部晶片106。底部晶片102通常表示汽室结构100的其它组件能够被放置在其上的结构。在装置(诸如，微细加工原子钟、磁力计或其它装置)运转期间，底部晶片102也基本上是光学透明的，以便辐射穿过汽室结构100。底部晶片102能够由任何合适的材料(一种或更多种)并以任何合适的方式形成。底部晶片102可以，例如，由硼硅玻璃(诸如，PYREX(派热克斯玻璃)或BOROFLOAT玻璃)形成。
[0016]中间晶片104固定到底部晶片102,诸如通过粘接。中间晶片104包括通过中间晶片104的多个腔108-110。在汽室结构100中，每个腔108-110可以用于不同目的。例如，腔108能够接收将被分解的材料，诸如，叠氮化铯(CsN3)或其它基于碱金属的材料。腔108能够被称为“容器腔(reservoir cavity)”。腔110能够接收来自腔108的气体,诸如金属蒸汽和缓冲气体。激光器照明或其它照明可以在装置(诸如，微细加工原子钟、磁力计或其它装置)运转期间穿过腔110。腔110能够被称为“审讯腔(interrogat1n cavity)”。
[0017]多个通道112流体连接汽室结构100中的腔108-110。每个通道112表示气体或其他材料(一种或更多种)能够流过的任何合适的通路。在这个示例中，存在三个通道112，尽管汽室结构100可以包括两个或多于三个的通道112。此外，此处的通道112—般是直的、具有相同长度并且彼此平行。然而，通道112可以具有任何合适的形式(一种或更多种)。
[0018]中间晶片104可以由任何合适的材料(一种或更多种)并以任何合适的方式形成。例如，中间晶片104可以表示硅晶片，并且腔108-110和通道112可以使用湿式刻蚀或其他合适的处理技术中的一种或更多种在硅晶片中形成。作为一个具体的示例，通道112可以使用氢氧化钾(KOH)湿式刻蚀在硅晶片中形成。硅晶片的刻蚀还可以自限制方式执行，是指刻蚀在期望深度处或其附近处自停止。例如，当窄掩模开口用于暴露硅晶片并且刻蚀以合适角度(诸如约54.75° )进行时，刻蚀能够在刻蚀完全通过硅晶片之前自终止。
[0019]每个腔108-110和通道112可以具有任何合适的大小、形状和尺寸。而且，图1到图3所示的腔108-110和通道112的相对大小仅是用于示例，并且每个腔108-110或通道112相对于其它腔或通道可以具有不同的大小。进一步，相比于腔108-110的深度(一个或更多个)，每个通道112的相对深度仅用于示例，并且每个腔108-110和通道112可以具有任何其它合适的深度。此外，尽管每个腔108-110被示为形成完全通过晶片104，但是每个腔108-110可以被形成部分通过晶片104。
[0020]顶部晶片106固定至中间晶片104,诸如通过粘接。顶部晶片106通常表不覆盖中间晶片104的腔108-110和通道112的结构，从而帮助将材料(诸如气体)密封到汽室结构100中。在装置诸如微细加工原子钟、磁力计或其他装置的运转期间，顶部晶片106还基本上是光学透明的，以便辐射穿过汽室结构100。顶部晶片106能够由任何合适的材料(一种或更多中)并以任何合适的方式形成。顶部晶片106可以，例如，由诸如PRREX玻璃或BOROFLOAT玻璃等的硼硅玻璃形成。
[0021]如此处所示，顶部晶片106的一部分114可以比顶部晶片106的剩余部分薄。这可以有助于促进放置在容器腔108内的材料更容易受到紫外线照射。注意，汽室结构100中的任何晶片102-106在晶片的任何期望区域(一个或更多个)处可以具有不均匀的厚度。还注意，顶部晶片106的一部分114可以具有任何合适的大小、形状和尺寸并且可以比容器腔108更大或更小。顶部晶片106的一部分114可以任何合适的方式(诸如，利用湿式蛤同性蚀刻)变薄。
[0022]在汽室结构100制造期间，底部和中间晶片102-104可以被固定到一起，并且中间晶片104能够被刻蚀以形成腔108-110和通道112(在底部晶片和中间晶片固定到一起之前或之后)。基于碱金属的材料116 (诸如叠氮化铯)或其他材料(一种或更多种)能够被沉积到如图3和图4所示的容器腔108内。能够使用任何合适的沉积技术沉积材料(一种或更多种)116至腔108中。一旦材料116被放置在腔108内，顶部晶片106能够固定到中间晶片104。就这一点，腔108-110和通道112能够被密封。
[0023]腔108中的材料116的至少一部分能够分解。这可以通过将腔108中的材料116暴露于紫外线(UV)辐射来实现。例如，基于碱金属的材料116能够分解成金属蒸汽和缓冲气体。作为一个具体示例，叠氮化铯可以分解为铯蒸汽和氮气(N2)。注意，然而，可以使用其他机制启动分解，诸如热分解。材料116的分解产生容器腔108内的气体，其能够通过通道112流动至审讯腔110中。
[0024]在常规装置中，材料经常在单个腔中分解，并且所得的气体被保持在相同的腔中。虽然在装置运转期间，单个腔中的气体能够穿过辐射，但是来自原始材料的残留仍然会存在于那个单个腔中。残留能够干扰腔的光学性质并导致装置故障。
[0025]根据本公开，材料116能够被放置在一个腔108中并被分解，并且所得的气体能够在装置运转期间用于不同的腔110中。如图4所示，照明源118 (诸如垂直腔表面发射激光器(“VCSEL”)或其他激光器)可以引导辐射通过审讯腔110。即使残留存在于容器腔108中，也不会干扰腔110的光学性质。
[0026]多个通道112的使用还帮助确保蒸汽能够从容器腔108行进至审讯腔110，即使一个或更多个通道112被碎片或其他材料(一种或更多种)阻塞。在具体的实施例中，通道112可以表示使用湿式蚀刻而非更昂贵且耗时的干式蚀刻制造的高度自消除通道(self-height eliminating channel)。这能够帮助简化汽腔结构100的制造。此外,通过变薄顶部晶片106的部分114，UV辐射被直接引导到容器腔108中，允许容器腔108中的材料116的增强分解(可能在降低的功率水平上)并保持整个装置的机械完整性。
[0027]尽管图1至图4示出汽室结构100的一个示例，可以对图1至图4做出各种变化。例如，汽室结构100不必包括两个腔并且可以包括三个或更多个腔。此外，腔108-110和通道112不必要被线性地配置，并且通道112不必是直的。可以使用由通道连接的腔的任何配置，包括非线性配置和多层配置。此外，汽室结构100可以与任何其他材料连用且不限于基于碱金属的材料或金属蒸汽和缓冲气体。此外，汽室结构100能够以任何其他合适的方式使用并且不限于图4所示的使用。
[0028]图5和图6根据本公开示出另一个示例性汽室结构500。此处示出的汽室结构500在结构上类似于图1至图4所示的。此处使用的附图标记102-110和114-118示出的结构可以与上述结构相同或相似。然而，在这个示例中，通道不在中间晶片104中形成。而是一个或更多个通道512在顶部晶片106中形成。在这个示例中，顶部晶片106可以表示为“覆盖”层，因为其在材料116插入到腔108中之后，能够固定到中间晶片104，从而覆盖结构500。
[0029]通道512(并且可能是腔108-110的部分)能够以任何合适的方式被蚀刻到顶部晶片106。例如，光致抗蚀剂掩模能够在顶部晶片106上形成、被图案化以及烘烤/固化。接着能够执行蛤同性湿式蚀刻(如使用氢氟酸浸溃)以刻蚀顶部晶片106的暴露部分。能够选择湿式刻蚀槽和刻蚀时间的组成以根据需要降低顶部晶片106的厚度。然后能够移除光致抗蚀剂层，并且顶部晶片106能够被清除以准备固定到中间晶片104。以这种方式，审讯腔110上方的顶部晶片106不必显著变薄或者根本不需要变薄，帮助维持汽室结构500的机械强度。覆盖层中的通道112也能够用于其他功能，诸如通过用作汽室结构500中的冷凝位置。
[0030]图6示出能够被刻蚀到覆盖层(诸如顶部晶片106)中的通道和腔部分的各种示例。例如，配置602包括两个大小不相同的腔的部分和所述腔之间的单个通道。配置604包括两个大小不相同的腔的部分和所述腔之间的两个通道。配置606包括两个大小相同的腔的部分和所述腔之间的三个通道。配置608包括两个大小不相同的腔的部分和所述腔之间的四个通道。配置610包括三个大小不相同的腔的部分和耦合每个相邻腔对的五个通道。配置612包括三个大小不相同的腔的部分和耦合每个相邻腔对的五个通道。这些配置仅用于示例，并且汽室结构500中可以使用腔和通道的其他配置(无论是线性或是非线性的)。
[0031]在具体实施例中，顶部晶片106可以由硼硅玻璃形成，并且顶部晶片106的刻蚀可以使用氢氟酸(BHF)槽进行。硬掩模可以用来掩模顶部晶片106。也可以使用任何合适的刻蚀、硬掩模和刻蚀深度。
[0032]尽管图5和图6示出汽室结构500的另一个示例，但是可以对图5和图6做出各种改变。例如，汽室结构500可以以任何合适配置包括任何数量的腔和任何数量的通道。此夕卜，汽室结构500可以与任何合适的材料(一种或更多种)连用并不限于基于碱金属的材料或金属蒸汽和缓冲气体。而且，能够以任何合适的方式使用汽室结构500。
[0033]图7和8示出根据本公开的包含至少一个汽室结构的示例性装置。如图7所示，装置700表示微细加工原子钟或其它原子钟。此处的装置700包括一个或更多个照明源702和汽室704。每个照明源702包括用于产生辐射的任何合适的结构，所述辐射被引导通过汽室704。每个照明源702可以，例如，包括激光器或照射器。
[0034]汽室704表示汽室结构，诸如上述汽室结构100或500。来自照明源(一个或更多个)702的辐射穿过汽室704的审讯腔110并与金属蒸汽相互作用。辐射还能够与一个或更多个光电探测器相互作用，所述光电探测器测量穿过审讯腔110的辐射。例如，光电探测器能够测量来自一个或更多个激光器或照射器的辐射。
[0035]来自光电探测器的信号被提供给时钟发生电路706，其使用该信号产生时钟信号。当金属蒸汽是，例如，铷87或铯133时，时钟发生电路706产生的信号可以表示高精确度时钟。来自光电探测器的信号也被提供给控制器708，其控制照明源(一个或更多个)702的运转。控制器708有助于保证原子钟的闭环稳定。
[0036]如图8所示，装置80表示微细加工原子磁力计或其它原子磁力计。此处的装置800包括一个或更多个照明源802和汽室804。每个照明源802包括用于产生辐射的任何合适的结构，所述辐射被引导通过汽室804。每个照明源802可以，例如，包括激光器和照射器。
[0037]汽室804表示汽室结构，诸如，上述汽室结构100或500。来自照明源(一个或更多个)802的辐射能够穿过汽室804的审讯腔110并与金属蒸汽相互作用。辐射也能够与一个或更多个光电探测器相互作用，所述光电探测器测量穿过审讯腔110的辐射。例如，光电探测器(一个或更多个)能够测量来自一个或更多个激光器或照射器的辐射。
[0038]来自光电探测器(一个或更多个)的信号被提供给磁场计算器806，其使用该信号测量穿过审讯腔110的磁场。此处的磁场计算器806能够测量极小的磁场。来自光电探测器(一个或更多个)的信号也能够被提供给控制器808，其控制照明源(一个或更多个)802的运转。
[0039]虽然图7和图8示出包含至少一个汽室结构的示例性装置700和800，但是可以对图7和图8进行各种改变。例如，图7和图8所示的装置700和800已被简化以示出上述汽室结构100和500的示例性使用。原子钟和原子磁力计能够具有其复杂性随一个或更多个汽室结构而变化的各种其它设计。
[0040]图9示出用于形成根据本公开的汽室结构的示例性方法900。如图9所示，在步骤902处，在汽室结构的中间晶片中形成多个腔。这可以包括，例如，在硅晶片或其它中间晶片104中形成腔108-110。任何合适的技术(诸如，湿式或干式蚀刻)可以用于形成腔。
[0041]在步骤904处，在汽室结构的中间晶片或顶部晶片中形成一个或更多个通道。这可以包括，例如，在硅晶片或其它中间晶片104中形成一个或更多个通道112。这还可以包括在中间晶片106或其他覆盖层中形成一个或更多个通道512。可以使用任何合适的技术(诸如，湿式蚀刻)形成通道。腔和通道的形成也可以重叠，诸如，当使用相同的蚀刻形成腔108-110和通道112时。
[0042]在步骤906处，使顶部晶片的一部分变薄。这可以包括，例如，在相邻容器腔108的区域中刻蚀顶部晶片106的一部分。此处能够进行任何合适的刻蚀，诸如蛤同性湿式刻蚀。顶部晶片中通道的形成和顶部晶片的变薄也可以重叠，诸如，当使用相同的刻蚀形成通道512和变薄的部分114时。
[0043]在步骤908处，中间晶片被固定到下部晶片。这可以包括，例如，将中间晶片104粘接到底部晶片102。如果腔108-110被形成完全通过中间晶片104，则将中间晶片104固定到底部晶片102能够密封腔108-110的下部开口。
[0044]在步骤910处，将要分解的材料沉积在至少一个腔中。这可以包括，例如，将材料116沉积在容器腔106中。任何合适的沉积技术可以用于沉积任何合适的材料(一种或更多种)116，诸如，基于碱金属的材料。
[0045]在步骤912处，顶部晶片固定到中间晶片。这可以包括，例如，将顶部晶片106粘接到中间晶片104。将顶部晶片106固定至中间晶片104能够密封腔108-110和通道112、512的上部开口。就这一点而言,汽室结构中的腔和通道能够对外部环境密封。
[0046]在步骤914处，材料被分解以产生金属蒸汽和缓冲气体。这可以包括，例如，通过顶部晶片106的变薄的部分114将UV辐射施加到材料116。这还可以包括将材料116的至少一部分转换成金属蒸汽和缓冲气体。然而，注意，也可以使用其它分解技术。
[0047]以这种方式，汽室结构能够以允许材料116的较容易分解并保持汽室的结构完整性的方式被制造。此外，多个通道的使用能够帮助确保气体能够流进审讯腔110，甚至在一个或更多个通道被阻塞时。
[0048]虽然图9示出用于形成汽室结构的方法900的一个示例，但是可以对图9进行各种改变。例如，如上面所提到的，能够对制造工艺进行各种修改。而且，尽管示出一系列步骤，但图9中的各种步骤可以重叠、并行发生或以不同的顺序发生。
[0049]阐述整个申请文件使用的某些词语或短语可能是有益的。术语“顶部”、“中间”和“底部”是指图中的相对位置中的结构，并不是指对装置如何在其上制造或使用进行结构限制。术语“固定”及其衍生词是指附接，经由另一个结构或直接或间接附接。术语“包括”和“包含”及其衍生词是指包括但不限于。术语“或”是包括的，意思是或/和。短语“与...关联”及其衍生词可以指包括、被包含在、与...互连、包含、被包含在、连接到或与...连接、耦合到或与...耦合、可与...通信、与...协作、交错、并列、邻近于、粘接到或与...粘接、具有、具有...属性、具有...关系等等。短语“至少一个”，当与项目列表连用时，意思是可以使用所列项目的一个或更多个的不同组合，并且可以只需要列表中的一个项目。例如，“A、B和C中的至少一个”包括任意下列组合:A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。
[0050]尽管本公开已经描述了某些实施例及其相关方法，但是这些实施例和方法的修改和转换对于本领域的技术人员来说是明显的。因此，示例性实施例的上面描述不限定或约束本公开。在不脱离如下权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下，其它变化、替换和修改也是可能的。
【权利要求】
1.一种设备，其包括: 汽室，其具有由多个通道流体连接的第一腔和第二腔； 所述第一腔，其被配置以接收能够分解成包含在所述汽室内的一种或更多种气体的材料；和 所述第二腔，其被配置以接收所述一种或更多种气体； 其中所述汽室被配置以允许辐射穿过所述第二腔。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述汽室包括: 包括所述腔和所述通道的第一晶片。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述汽室进一步包括: 固定到所述第一晶片的至少一个第二晶片，所述至少一个第二晶片密封所述腔和所述通道的端部。
4.根据权利要求2所述的设备，其中: 所述汽室进一步包括固定至所述第一晶片的第二晶片；并且 所述第二晶片在靠近所述第一腔的位置中较薄。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述汽室包括: 包括所述腔的第一晶片；和 固定至所述第一晶片的第二晶片，所述第二晶片包括所述通道。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述材料包括基于碱金属的材料，所述基于碱金属的材料能够分解成金属蒸汽和缓冲气体。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述材料包括叠氮化铯，即CsN3,并且其能够分解成铯蒸汽和氮气即N2。
8.一种系统，其包括: 汽室，其包括: 由多个通道流体连接的第一腔和第二腔； 所述第一腔被配置以接收能够分解成包含在所述汽室内的一种或更多种气体的材料；以及 所述第二腔被配置以接收所述一种或更多种气体；和 照明源，其被配置以弓I导辐射通过所述第二腔。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述汽室包括: 包括所述腔和所述通道的第一晶片。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述汽室进一步包括: 固定至所述第一晶片的至少一个第二晶片，所述至少一个第二晶片密封所述腔和所述通道的端部。
11.根据权利要求9所述的系统，其中: 所述汽室进一步包括固定至所述第一晶片的第二晶片；并且 所述第二晶片在靠近所述第一腔的位置中较薄。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述汽室包括: 包括所述腔的第一晶片；和 固定至所述第一晶片的第二晶片，所述第二晶片包括所述通道。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述材料包括基于碱金属的材料，所述基于碱金属的材料能够分解为金属蒸汽和缓冲气体。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述材料包括叠氮化铯，即CsN3，并且其能够分解成铯蒸汽和氮气即N2。
15.根据权利要求8所述的系统，其进一步包括: 时钟发生电路，其被配置以基于引导通过所述第二腔的所述辐射产生时钟信号。
16.根据权利要求8所述的系统，其进一步包括: 磁场计算器，其被配置以基于引导通过所述第二腔的所述辐射确定通过所述汽室的磁场的测量。
17.—种设备,其包括: 汽室，其具有包括第一腔和第二腔的第一晶片和包括流体连接所述腔的一个或更多个通道的第二晶片； 所述第一腔被配置以接收能够分解成包含在所述汽室内的一种或更多种气体的材料；以及 所述第二腔被配置以接收所述一种或更多种气体； 其中所述汽室被配置以允许辐射穿过所述第二腔。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述汽室进一步包括: 固定至所述第一晶片的第三晶片，所述第三晶片密封所述腔的端部。
19.根据权利要求17所述的设备，其中所述第二晶片在靠近所述第一腔的位置中较薄。
20.根据权利要求17所述的设备，其中所述材料包括基于碱金属的材料，所述基于碱金属的材料能够分解为金属蒸汽和缓冲气体。
【文档编号】G04F5/14GK104345634SQ201410347317
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2013年7月23日
【发明者】R·伯尔萨, P·J·霍佩尔 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司