用于原子钟的微型微波腔及制备方法

本发明涉及到原子钟技术领域，更具体涉及用于原子钟的微型微波腔，还涉及用于原子钟的微型微波腔的制备方法，适用于微型或芯片型原子钟的研制生产。

背景技术：

原子钟是一种以原子能级间精确且稳定的跃迁频率为计时基准的时频装置。其中，铷原子钟以其体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等特点，成为目前应用最广泛的原子钟。然而，在自主导航终端设备、远程通讯系统同步、水下导航系统和武器装备的便携化等应用领域，仪器设备往往不具备长期持续供电能力，要求所装载的频率源体积小、功耗低且稳定度高，以维持设备较好的续航能力。目前，仅芯片cpt(相干布局囚禁)原子钟的体积、功耗能满足需求。该原子钟采用相干双色光与碱金属原子作用产生的cpt谱线做鉴频信号，借助微机电系统和专用集成电路技术，实现物理系统和电路系统关键模块的芯片化，达到原子钟小体积低功耗的目的。但是cpt芯片原子钟的频率稳定度性能较传统铷原子钟差，若能设计一款体积、功耗与cpt芯片原子钟相近的铷原子钟，就可以在满足上述设备供电要求的前提下提供更高稳定度的时间频率源。

铷原子钟是利用铷原子的光-微波双共振跃迁谱线作为鉴频信号来实施微波稳频的高稳时频装置，它由物理系统和电路系统两部分组成。其中物理系统是铷原子钟的核心，决定铷钟的体积和性能，主要包括原子抽运光源、微波腔、原子气室和光电探测器等。抽运光源通常为无极放电铷光谱灯或激光器。微波腔谐振于原子跃迁频率附近，在外加电磁场的激励下产生并维持特定的微波场分布(微波场模式)，并将微波场的电磁能量贮存起来。原子气室两端透明并置于微波腔内，抽运光源发出的抽运光经气室的一个透明端入射进气室，对气室内的⁸⁷rb蒸气原子进行光抽运，同时，微波腔内存储的微波磁场也作用于气室内的⁸⁷rb蒸气原子，产生原子鉴频信号，并被光电探测器接收，经电路系统处理后用于微波稳频。

物理系统的体积和功耗主要取决于微波腔的小型化、集成化程度。首先微波腔是铷钟物理系统中最主要的结构组件，决定物理系统的体积。其次，为了维持原子正常工作的热环境，需要将微波腔加热到70℃左右，而当前铷钟的微波腔均由分立的零部件组成，这些零部件均由金属板材或棒材以及高比热的非金属材料经传统机械加工工艺制得，热容较大，正常工作状态下需要较大的加热功耗。

技术实现要素：

为了解决现有技术中铷原子钟微波腔分立零部件多、结构难于集成、加热功耗大的问题，本发明提供一种集成于硅基片上的用于原子钟的微型微波腔，还提供用于原子钟的微型微波腔的制备方法，利用微体加工、表面微加工、片键合等微机电加工工艺，将原子气室、微波谐振腔、屏蔽罩集成在硅基片上，形成结构简单、腔内微波磁力线平行度高的微型微波腔，可用于研制高集成度、低功耗的铷原子钟。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

用于原子钟的微型微波腔，包括原子气室，还包括基片，基片包括长方形薄板状电介质，长方形薄板状电介质的底面全区域镀金属镀膜，长方形薄板状电介质的顶面中部镀设矩形金属镀膜，长方形薄板状电介质的顶面四周镀设口字型金属镀膜，

原子气室包括气室基体，气室基体中空且两端开口，气室基体的两端开口分别设置有前玻片和后玻片，气室基体的两个侧壁上镀有旋向相同的螺旋铜走线，两个旋向相同的螺旋铜走线构成亥姆霍兹线圈，两个旋向相同的螺旋铜走线产生与光轴方向垂直的静磁场，

屏蔽罩的底面开口罩设在长方形薄板状电介质的顶面四周的口字型金属镀膜上，

耦合天线一端绝缘固定在屏蔽罩的侧壁，耦合天线另一端靠近但不接触长方形薄板状电介质的顶面中部的矩形金属镀膜。

如上所述的气室基体的中空横截面为矩形，气室基体材质为硅片。

用于原子钟的微型微波腔的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、通过对具有顶面金属镀膜和底面金属镀膜的氧化硅片进行光刻、腐蚀，保留氧化硅片的底面金属镀膜，在氧化硅片的顶面金属镀膜上进行刻蚀，形成氧化硅片的顶面中部的矩形金属镀膜和氧化硅片的顶面四周的口字型金属镀膜，获得基片；

步骤2、在硅基上刻蚀得到气室基体，气室基体为两端开口、中空贯穿的长方体状壳体；通过阳极键合的方式将前玻片固定在气室基体的一开口端面，再将铷金属蒸气和缓冲气体充入气室基体内，然后将后玻片键合固定在气室基体的另一开口端面，获得原子气室，在气室基体的一对侧壁镀设铜膜，对两个镀设有铜膜的侧壁进行刻蚀、填充，得到旋向相同的螺旋铜走线，两螺旋铜走线一起构成亥姆霍兹线圈；

步骤3、使用机械加工方式制得屏蔽罩，屏蔽罩外形为底面开口的矩形盒体，屏蔽罩两端面分别开设有与前玻片和后玻片对应的通孔，将屏蔽罩的底面开口向下罩住基片的口字型金属镀膜并紧密接触，屏蔽罩的底面开口与口字型金属镀膜之间通过导电胶连接，

将耦合天线一端通过环氧树脂胶固定在开设在屏蔽罩侧壁的耦合天线安装孔内，另一端靠近但不接触基片顶面的矩形金属镀膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、微波腔结构简单，可借助微机电加工工艺将腔体集成在硅基片上，取代传统的采用机械加工工艺制得的金属腔体，大幅降低微波腔的体积和功耗，实现铷钟的微型化和芯片化设计；

2、原子气室内微波磁场的偏振方向一致性好且与量子化轴的方向平行，易于获得高强度原子鉴频信号，对制得高稳定度的原子钟是有益的。

附图说明

图1为用于原子钟的微型微波腔的局部剖视图。

图2为用于原子钟的微型微波腔的爆炸图。

图3为用于原子钟的微型微波腔的基片的结构图。

图4为用于原子钟的微型微波腔中原子气室内的微波磁场分布图，其中(a)为沿光轴方向、平行于基板的剖面的微波场型图，(b)为沿光轴方向、垂直于基板的剖面的微波场型图。

其中：1-基片；2-原子气室；2a-气室基体；2b-前玻片；2c-后玻片；2d-赫姆霍兹线圈；3-屏蔽罩；4-耦合天线。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

由图1、2、3可知，用于原子钟的微型微波腔，包括基片1、原子气室2、屏蔽罩3和耦合天线4。

基片1包括长方形薄板状电介质和镀设在长方形薄板状电介质的顶面和底面的金属镀膜，长方形薄板状电介质的材料为硅，长方形薄板状电介质外形尺寸为宽×长×高为7mm×9mm×0.5mm。

长方形薄板状电介质的底面全区域镀金属镀膜，长方形薄板状电介质的底面的金属镀膜的材料为铜，厚度为1um。

长方形薄板状电介质的顶面分区镀金属镀膜，长方形薄板状电介质的顶面设置有口字型金属镀膜和矩形金属镀膜，矩形金属镀膜位于长方形薄板状电介质的顶面中部，口字型金属镀膜位于长方形薄板状电介质的顶面四周，口字型金属镀膜和矩形金属镀膜的材料为铜，厚度为1um。矩形金属镀膜形状为矩形，外形尺寸为宽×长为4mm×6.6mm，长方形薄板状电介质的顶面四周的金属镀膜为口字型金属镀膜，口字型金属镀膜的外边框尺寸为宽×长为7mm×9mm，内边框尺寸为宽×长为5.8mm×7.8mm。

原子气室2为两端透明的长方体状壳体，外形尺寸宽×长×高为4mm×6mm×3mm，壳厚为1mm。原子气室2包括气室基体2a，气室基体2a由硅片经刻蚀制得，气室基体2a中空且两端开口，呈筒状，气室基体2a的中空横截面为矩形；气室基体2a的两端开口分别设置有前玻片2b和后玻片2c，材料为pyrex玻璃片或schott硼硅酸盐浮法玻璃，通过阳极键合的方式分别固定在气室基体2a两端，形成内空的封闭原子气室2。原子气室2内充有工作原子铷金属蒸气和设定气压的缓冲气体。气室基体2a的两个侧壁上镀有旋向相同的螺旋铜走线，两个旋向相同的螺旋铜走线一起构成亥姆霍兹线圈2d，产生与光轴方向垂直的均匀稳定的静磁场，光轴方向为前玻片2b至后玻片2c方向，为原子气室2内原子的微波跃迁提供量子化轴。

屏蔽罩3由黄铜材料制得，外形为底面开口的矩形盒体，外形尺寸为宽×长×高7mm×9mm×4mm，盒体壁厚0.3mm，盒体两端面分别开设有与前玻片2b和后玻片2c对应的通孔，屏蔽罩3的底面开口罩设在长方形薄板状电介质的顶面四周的口字型金属镀膜上。

耦合天线4为直径0.5mm的圆铜线，耦合天线4一端绝缘固定在屏蔽罩3的侧壁，与屏蔽罩3绝缘，耦合天线3另一端靠近但不接触所述长方形薄板状电介质的顶面中部的矩形金属镀膜。

用于原子钟的微型微波腔的制备方法，具体步骤如下：

步骤1、通过对具有顶面金属镀膜和底面金属镀膜的氧化硅片进行光刻、腐蚀，保留氧化硅片的底面金属镀膜，在氧化硅片的顶面金属镀膜上进行刻蚀，形成氧化硅片的顶面中部的矩形金属镀膜和氧化硅片的顶面四周的口字型金属镀膜，获得所述基片。

步骤2、采用体微加工方法，在硅基上刻蚀得到气室基体2a，气室基体2a为两端开口、中空贯穿的长方体状壳体；通过阳极键合的方式将前玻片2b固定在气室基体2a的一开口端面，再将铷金属蒸气和设定气压的缓冲气体充入气室基体2a内，然后将后玻片2c键合固定在气室基体2a的另一开口端面，以制备所述原子气室2。采用光刻、腐蚀、微铸造技术，在气室基体2a的一对侧壁镀设有铜膜，对两个镀设有铜膜的侧壁进行刻蚀、填充，得到旋向相同的螺旋铜走线，两螺旋铜走线一起构成亥姆霍兹线圈2d。

步骤3、使用机械加工方式制得屏蔽罩3，屏蔽罩3外形为底面开口的矩形盒体，屏蔽罩3两端面分别开设有与前玻片2b和后玻片2c对应的通孔，将屏蔽罩3开放底面朝下，向下罩住基片1，原子气室2位于屏蔽罩3内，屏蔽罩3的底面的四条开口边分别与基片1的顶面外沿的口字型金属镀膜的四条边紧密接触，使用导电胶将屏蔽罩3的底面的四条开口边固定在基片1的顶面外沿的口字型金属镀膜的四条边上。

将耦合天线4一端通过环氧树脂胶固定在开设在屏蔽罩3侧壁的耦合天线安装孔内，耦合天线4的轴线与所连接的屏蔽罩3侧壁垂直，另一端靠近但不接触基片1正面的矩形金属镀膜。

图4给出了用于原子钟的微型微波腔原子气室2内的微波磁场分布图，(a)为沿光轴方向、平行于基板1的剖面的微波场型图，(b)为沿光轴方向、垂直于基板1的剖面的微波场型图。从图中可以看出，通过设定、调整口字型金属镀膜的外边框、内边框以及屏蔽罩的内空尺寸，使得在合适的谐振频率下，屏蔽罩盒体内的微波场呈tem模式，微波磁场偏振方向垂直于光轴方向，与量子化轴平行，原子气室2内的磁场分布十分均匀，有利于激发铷原子发生钟跃迁，进而获得高信噪比的微波探寻信号，这对研制微型高性能铷原子频标是有益的。

由以上实施例可以看出，用于原子钟的微型微波腔，具有结构简单、腔内微波磁力线平行度高、具备芯片化潜力的特点，可用于低功耗铷原子钟的研制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。