一种原子气体腔室以及制备方法与流程

本申请涉及原子光学、原子钟技术领域，尤其涉及一种微型CPT(Coherent Population Trapping，相干布居)原子钟的原子气体腔室以及制备方法。

背景技术：

微型CPT原子钟是利用双色相干光与原子作用将原子制备成相干态，利用CPT信号作为微波鉴频信号而实现的原子钟频率源。微型CPT原子钟的微型原子气体腔室通常采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电机系统)技术制造。

微型原子气体腔室的制备方法通常是：首先，在单晶硅片上制作通孔；然后，与Pyrex玻璃片键合形成半腔结构；再次，将碱金属与缓冲气体冲入该半腔结构；最后，与另一片Pyrex玻璃片键合形成密封结构，即为原子气体腔室。

由此可见，由于微型原子气体腔室采用多次键合，第一次的键合操作对第二次键合操作产生影响，导致微型原子气体腔室的气密性较差，影响原子气体腔室的寿命。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供了一种CPT原子钟的原子气体腔室以及制备方法，用于解决微型原子气体腔室的气密性差的问题。

本申请实施例提供了一种原子气体腔室，包括：第一玻璃板、中间硅片层和第二玻璃板，且所述第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板通过一次键合得到所述原子气体腔室，其中：

所述中间硅片层中包含通孔，所述第二玻璃板上包含凹槽；

所述通孔的位置与所述凹槽的位置相对。

本申请实施例还提供了一种原子气体腔的制备方法，包括：

根据确定的原子气体腔室的直径，通过蚀刻或者激光打孔的方式，在中间硅片层上刻蚀出设定数量的通孔；

根据在所述中间硅片层上刻蚀的所述通孔的位置，采用刻蚀的方式，在第二玻璃板上刻蚀设定数量的凹槽，所述凹槽的深度小于所述第二玻璃板的厚度；

通过键合机的夹具将第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板夹好，并置于所述键合机的腔体内部，以键合得到原子气体腔室。

本申请提供的上述至少一个实施例所带来的有益效果如下：

本申请实施例提供的原子气体腔室包含第一玻璃板、中间硅片层和第二玻璃板，且所述第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板通过一次键合得到所述原子气体腔，所述中间硅片层中包含通孔，所述第二玻璃板上包含凹槽；所述通孔的位置与所述凹槽的位置相对。通过一次性键合的方式完成原子气体腔室的密封，有效提升了原子气体腔室的密封性，提高了原子气体腔室的寿命；同时，通过在第二玻璃板上刻蚀凹槽，实现反应化合物和反应生成物存在凹槽内，与第二玻璃板的透光部分区分开，保证了原子气体腔室的透光性，同时保证了CPT原子钟的频率的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的截面结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的中间硅片层的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的第二玻璃板的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的制备方法的流程示意图；

图6为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的制备方法的流程示意图；

图7为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，本申请实施例提供了一种原子气体腔室以及制备方法，原子气体腔室包含第一玻璃板、中间硅片层和第二玻璃板，且所述第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板通过一次键合得到所述原子气体腔，所述中间硅片层中包含通孔，所述第二玻璃板上包含凹槽；所述通孔的位置与所述凹槽的位置相对。通过一次性键合的方式完成原子气体腔室的密封，有效提升了原子气体腔室的密封性；同时，通过在第二玻璃板上刻蚀凹槽，实现反应化合物和反应生成物存在凹槽内，与第二玻璃板的透光部分区分开，保证了原子气体腔室的透光性，同时保证了CPT原子钟的频率的稳定性。

需要说明的是，本申请实施例提供的原子气体腔室应用于CPT原子钟中，还可以应用在其他原子钟中，这里不做具体限定。本申请实施例中记载的“第一玻璃板”和“第二玻璃板”中的“第一”和“第二”没有特殊含义，仅为了区分不同功能的玻璃板。

下面结合说明书附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的结构示意图。所述原子气体腔室包括：第一玻璃板101、中间硅片层102和第二玻璃板103，且所述第一玻璃板101、所述中间硅片层102和所述第二玻璃板103通过一次键合得到所述原子气体腔室，其中：

所述中间硅片层102中包含通孔，所述第二玻璃板103上包含凹槽；

所述通孔的位置与所述凹槽的位置相对。

具体地，本申请实施例记载的原子气体腔室包含三层结构，如图2所示，为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的截面结构示意图。

从图2中可以看出，第一层为第一玻璃板101，该第一玻璃板作为原子气体腔的透光层，可以为普通透光玻璃，例如：Pyrex玻璃片或者含Na+较多易于阳极键合的玻璃板，其厚度为200μm～500μm。

第二层为中间硅片层102，该中间硅片层102中的硅片为双抛硅片，厚度为200μm～1000μm。

该中间硅片层102中包含通孔，该通孔可以是圆孔，也可以是方孔，这里对于通孔的形状不做具体限定。如图3所示，为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的中间硅片层的结构示意图。

较优地，所述中间硅片层102中包含通孔的数量根据所述原子气体腔室的直径大小确定。

例如：假设原子气体腔室的直径大小为1mm～5mm，那么可以在硅片上刻蚀出10～40个通孔。

第三层为第二玻璃板103，所述第二玻璃103为易于阳极键合的玻璃板，例如：Pyrex玻璃片或者含Na+较多易于阳极键合的玻璃板，厚度为500μm～2000μm。

该第二玻璃板103中包含凹槽，该凹槽的直径小于所述中间硅片层中包含的通孔的直径；该凹槽的深度小于所述第二玻璃板的厚度。

例如：凹槽的面积为硅片面积的1/4～1/2；凹槽的深度为第二玻璃板的厚度的1/3～1/2。

较优地，中间硅片层中通孔的位置与第二玻璃板中凹槽的位置对应，且通孔的数目与凹槽的数目相同，即一个凹槽对应一个通孔。如图4所示，为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的第二玻璃板的结构示意图。

从图2可以看出，凹槽可位于通孔的一侧，这样能够避免气体腔室内存放在凹槽内的混合液体发生反应后生成的残余物影响原子气体腔室的透光问题，进而保证了激光与工作物质的相互作用，使CPT原子钟的频率稳定性提高。

本申请实施例提供的原子气体腔，包含第一玻璃板、中间硅片层和第二玻璃板，且所述第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板通过一次键合得到所述原子气体腔，所述中间硅片层中包含通孔，所述第二玻璃板上包含凹槽；所述通孔的位置与所述凹槽的位置相对。通过一次性键合的方式完成原子气体腔室的密封，有效提升了原子气体腔室的密封性；同时，通过在第二玻璃板上刻蚀凹槽，实现反应化合物和反应生成物存在凹槽内，与第二玻璃板的透光部分区分开，保证了原子气体腔室的透光性，同时保证了CPT原子钟的频率的稳定性。

图5为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的制备方法的流程示意图。所述方法可以如下所示。

步骤501：根据确定的原子气体腔室的直径，通过蚀刻或者激光打孔的方式，在中间硅片层上刻蚀出设定数量的通孔。

步骤502：根据在所述中间硅片层上刻蚀的所述通孔的位置，采用刻蚀的方式，在第二玻璃板上刻蚀设定数量的凹槽，所述凹槽的深度小于所述第二玻璃板的厚度。

需要说明的是，本申请实施例中所记载的步骤501和步骤502可以顺序执行，也可以并列执行，只要保证通孔的位置与凹槽的位置相对即可。

较优地，在执行步骤503之前，还可以对第一玻璃板、中间硅片层和第二玻璃板进行清洗，例如：将它们浸入丙酮溶液中，超声清洗4～5次，去除表面有机物等；再例如：利用酒精清洗2～3次；再用清水冲洗2～3次。

较优地，在对它们清洗之后，可以将清洗好的第一玻璃板、中间硅片层和第二玻璃板置于烘箱烘干12小时左右。

较优地，在执行步骤503之前，还可以利用移液器(例如：精密移液器)向所述第二玻璃板的所述凹槽中滴入混合溶液；其中，所述混合溶液中包含氯化铷(RbCl)/氯化铯(CsCl)、叠氮化钡(BaN₆)。

具体的，将含有反应化合物或者其他含有工作物质的混合溶液，多次搅拌使其混合均匀，用精密移液器滴入第二玻璃板的凹槽内。

步骤503：通过键合机的夹具将第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板夹好，并置于所述键合机的腔体内部，以键合得到原子气体腔室。

具体的，置于所述键合机的腔体内部，以键合得到原子气体腔室，包括：

对所述键合机的腔体内部抽真空；

在真空度达到设定度数的情况下，抽出所述夹具；

对第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板进行封装，以键合得到原子气体腔室。

较优地，在封装过程中，第二玻璃板的温度小于第一玻璃板的温度，温度差为30℃～100℃。

具体的，将第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板夹好，并置于所述键合机的腔体内部，第一玻璃板和第二玻璃板分别于键合机的上下板接触。对键合机的腔体内部抽真空后，升高温度至300℃，同时控制上下板的温度，保持下板温度低于上板温度，温度差为30℃～100℃；增加电压至800V，等待约30分钟后完成键合，得到原子气体腔室。

图6为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的制备方法的流程示意图。本申请实施例采用原位化学反应方法制备碱金属原子的原子气体腔室。

步骤601：第一玻璃板选择Pyrex，其厚度为500μm。

步骤602：对厚度为500μm的双抛硅片进行刻蚀，刻蚀出14个表面积为25mm²的通孔，且相邻通孔之间相隔设定距离。

步骤603：在厚度为1000μm的含Na+较多易于阳极键合的第二玻璃板上刻蚀出14个凹槽。

其中，凹槽的位置与通孔的位置相对，凹槽的面积为通孔面积的1/2，凹槽的深度为第二玻璃板厚度的1/2。

步骤604：将带通孔的硅片、带凹槽的第二玻璃板和第一玻璃板浸入丙酮溶液中，超声清洗4次，去除表面有机物等。

步骤605：用酒精清洗3次；用清水清洗3次。

步骤606：将清洗好的带通孔的硅片、带凹槽的第二玻璃板和第一玻璃板置于烘箱中烘干。

时间可以为12小时。

步骤607：将反应物为氯化铷(RbCl)/氯化铯(CsCl)、叠氮化钡(BaN₆)的混合溶液多次搅拌使其混合均匀，用精密移液器将其滴入第二玻璃板的凹槽内部，等待液体蒸发成白色粉末。

步骤608：通过键合机的夹具将第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板夹好，并置于所述键合机的腔体内部。

步骤609：对所述键合机的腔体内部抽真空；在真空度达到设定度数的情况下，抽出所述夹具；对第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板进行封装，以键合得到原子气体腔室。

具体的，将第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板夹好，并置于所述键合机的腔体内部，第一玻璃板和第二玻璃板分别于键合机的上下板接触。对键合机的腔体内部抽真空后，升高温度至300℃，同时控制上下板的温度，保持下板温度低于上板温度，温度差为30℃～100℃；增加电压至800V，等待约30分钟后完成键合，得到原子气体腔室。

图7为本申请实施例提供的一种原子气体腔室的制备方法的流程示意图。本申请实施例采用直接冲铷方法制备碱金属原子的原子气体腔室。

步骤701：第一玻璃板选择Pyrex，其厚度为300μm。

步骤702：对厚度为500μm的双抛硅片进行刻蚀，刻蚀出25个表面积为16mm²的通孔，且相邻通孔之间相隔设定距离。

步骤703：在厚度为1000μm的含Na+较多易于阳极键合的第二玻璃板上刻蚀出25个凹槽。

其中，凹槽的位置与通孔的位置相对，凹槽的面积为通孔面积的1/2，凹槽的深度为第二玻璃板厚度的1/3。

步骤704：将带通孔的硅片、带凹槽的第二玻璃板和第一玻璃板浸入丙酮溶液中，超声清洗5次，去除表面有机物等。

步骤705：用酒精清洗3次；用清水清洗3次。

步骤706：将清洗好的带通孔的硅片、带凹槽的第二玻璃板和第一玻璃板置于烘箱中烘干。

时间可以为15小时。

步骤707：将键合机置于真空手套箱内，对手套箱抽真空，除去环境中的氧气和水蒸气，将Rb原子或者Cs原子用精密移液器滴入第二玻璃板的凹槽中。

这里环境中的氧气和水蒸气需降到10ppm以下。

步骤708：通过键合机的夹具将第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板夹好，并置于所述键合机的腔体内部。

步骤709：对所述键合机的腔体内部抽真空；在真空度达到设定度数的情况下，抽出所述夹具；对第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板进行封装，以键合得到原子气体腔室。

具体的，将第一玻璃板、所述中间硅片层和所述第二玻璃板夹好，并置于所述键合机的腔体内部，第一玻璃板和第二玻璃板分别于键合机的上下板接触。对键合机的腔体内部抽真空后，升高温度至300℃，同时控制上下板的温度，保持下板温度低于上板温度，温度差为30℃～100℃；增加电压至800V，等待约30分钟后完成键合，得到原子气体腔室。

本领域的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。