[發明專利]微流控原子腔、片上原子鐘芯片及制備方法

無效

• 申請號: 201110457573.3
• 申請日: 2011-12-30
• 公開（公告）號: CN102515084A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 尚金堂;魏文龍;秦順金;蒯文林;于慧;王亭亭
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: B81B7/00
• 分類號: B81B7/00;B81C1/00;G04F5/14
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 張惠忠

技術領域

本發明涉及一種MEMS(微電子機械系統)制造技術，尤其涉及一種小體積，低成本，密封性好，穩定度高，可批量生產的圓片級球形銣蒸汽腔的制備方法。

背景技術

目前原子鐘是最精準的人造鐘，原子鐘測量時間的精確度可以達到十億分之一秒甚至更高。原子鐘量子躍遷的特殊類型是超精細躍遷，超精細躍遷涉及原子核磁場和核外電子磁場的相互作用。從原理上講，原子鐘的原理已經基本清楚，目前發展的主要方向有兩個方面：一方面提高原子鐘在精度方面的性能；另一方面，就是在保證其性能的前提下將其小型化。目前，世界上最精準的原子鐘在美國科羅拉多，其體積有一輛小汽車那么大。GPS和通信衛星等對于原子鐘有迫切的需求，因此如何減小體積和重量，同時降低其功耗，并具有較高的準確度和穩定度，是目前的主要技術挑戰。

銣原子鐘體積小，重量輕，性能較好，并且成本較低，是所有原子鐘中應用最廣泛的一種。銣原子鐘由物理部分和電路伺服部分構成，物理部分對銣原子鐘的短期及長期穩定性起到決定性的作用。要實現銣原子鐘的微型化，關鍵是減小其物理部分核心部件——銣蒸汽腔的體積。

現有部分芯片級原子鐘設計，在硅-玻璃-硅的結構中直接氯化銣和疊氮化鋇等物質，反應生成銣以后，反應殘留物氯化鋇滯留在原子腔內，對光學窗口會產生污染，會嚴重影響銣、銫等物質與光的作用，因而獲得的原子腔性能不高。

發明內容

本發明的目的是提供一種工藝方法簡單、成本低廉、密封性好、穩定度高，能夠集成在微型原子鐘系統中的銣蒸汽腔的制備方法。

本發明采用如下技術方案：

一種微流控原子腔，帶有微流道槽的硅襯底和對應于微流道槽形成玻璃微腔結構的硼硅玻璃組裝圓片鍵合形成密閉系統，該密閉系統包括玻璃原子腔、反應物阻隔微流道和反應物微腔，反應物微腔中放置有產生原子鐘所必須物質的反應物顆粒，玻璃原子腔與反應物微腔通過反應物阻隔微流道相連通，鍵合面上反應物玻璃微腔的口徑小于玻璃原子腔的口徑，反應物阻隔微流道的最小寬度不大于反應物顆粒的最小粒徑。

上述技術方案中，反應物阻隔微流道為彎流道，所述微流道上至少設有一個折彎。所述產生原子鐘所必須物質的反應物顆粒為氫化鈣和氯化銣的混合物。

一種微流控原子腔的制備方法，包括如下步驟：在硅襯底上刻蝕微流道槽，由反應物槽、反應物阻隔微流道和原子槽組成，其中反應物槽的口徑小于原子槽的口徑，反應物槽與原子槽通過反應物阻隔微流道相連接，在所述反應物槽內放置反應物顆粒，然后將上述刻蝕有微流道槽的硅襯底與硼硅玻璃組裝圓片進行陽極鍵合，形成密封腔體；在上述鍵合好圓片的硼硅玻璃組裝圓片一側表面對應于微槽的位置垂直放置硅片模具，然后在空氣中加熱至820℃~900℃，保溫10~20min，反應物顆粒放出氣體使得對應于原子槽的玻璃形成玻璃微腔，同時反應形成的產物—原子鐘所必須的物質蒸汽通過反應物阻隔微流道槽進入原子槽，并充滿在玻璃微腔中，軟化變形后的玻璃微腔與所述垂直放置的硅片模具接觸擠壓，從而在玻璃微腔的側面形成平面，冷卻，去除玻璃微腔側面的硅片模具，得到帶有光入射平面的微型原子腔。

一種微型原子鐘芯片，包括激光發生器、濾波器、四分之一波片、激光探測器和所述的具有光入射平面的微型原子腔，激光發生器、濾波器、四分之一波片激光探測器均組裝于硼硅玻璃組裝圓片上，它們的中心與玻璃微腔的中心位于同一根光軸上，激光發生器位于密閉玻璃原子腔設有光入射平面的一側，在激光發生器與光入射平面之間還依次設有濾波器和四分之一波片，激光發生器發出的激光經過濾波器、四分之一波片，通過光入射平面進入密閉玻璃原子腔，再出射后，被激光探測器探測到，玻璃微腔周圍還設有加熱器，上述加熱器、激光發生器和激光探測器均設有與外界連接的引腳。

一種微型原子鐘芯片的制備方法，包括以下步驟：

第一步，采用所述方法制備具有光入射平面的微型原子腔；

第二步，在所述玻璃微腔周圍的硼硅玻璃組裝圓片上制備加熱器；

第三步，將激光發生器，激光探測器，濾波器和四分之一波片分別組裝到硼硅玻璃組裝圓片相應的位置上并與密閉玻璃原子腔位于同一條光軸上，激光發生器發出的激光經過濾波器、四分之一波片和密閉玻璃原子腔后能夠被激光探測器所探測到；

第四步，制備加熱器、激光發生器和激光探測器的引腳，并分別與電源及處理電路相連接。

第二步所述的加熱器是金屬電阻絲。

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本發明獲得如下效果：