一種適用于正交光抽運、探測的mems原子氣室及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種堿金屬氣室，尤其是涉及一種適用于正交光抽運、探測的MEMS原子氣室及其制作方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著微機電系統(tǒng)(micro-electromechanical systems，MEMS)技術的快速發(fā)展，其應用領域不斷的拓展。其中，“與原子物理相結合，實現(xiàn)體積小、功耗低、成本低、精度高的精密測量器件”是一個重要的發(fā)展方向，如芯片原子鐘、芯片磁強計、芯片級核磁共振陀螺儀。在這些原子精密測量器件中，堿金屬氣室都是核心部件。
[0003]基于相干布居囚禁(coherent populat1n trapping，CPT)原理的芯片鐘和基于光抽運和磁共振技術的芯片磁強計二者物理系統(tǒng)中都只用到一束光與原子相互作用，因此，目前使用的堿金屬氣室通常是中間位硅片兩邊為玻璃的三明治結構，如圖1所示，該結構中間層為中部具有通孔的硅片，硅片的兩側為Pyrex玻璃。制作時先進行一次玻璃與底層的硅片鍵合形成半腔結構，待沖入堿金屬和緩沖氣體后再與Pyrex玻璃片鍵合，完成原子氣體密封。如實用型專利:基于MEMS技術的原子氣體腔器件(CN203950129)。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種結構簡單，且能夠在不增加工藝實現(xiàn)難度的前提下巧妙解決正交光束入射的技術難題的MEMS原子氣室。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
一種適用于正交光抽運、探測的MEMS原子氣室，包括三層結構，其中，中間層為中部具有通孔的玻璃基片，頂層和底層均為硅片，硅片與玻璃基片鍵合形成密閉的堿金屬氣室，堿金屬氣室內充入有堿金屬原子和惰性氣體。
[0006]進一步的，在所述頂層和/或底層的硅片的端面上還鍍加熱膜、溫度傳感器和電極。
[0007]適用于正交光抽運、探測的MEMS原子氣室的制作方法，包括以下步驟:
(1)將玻璃基片表面拋光，清洗并烘干備用的步驟；
(2)采用刻蝕工藝技術制作玻璃基片的通孔的步驟；
(3)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝，完成玻璃基片與底層硅片的鍵合的步驟；
(4)充入堿金屬原子和惰性氣體；
(5)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝，完成玻璃基片與頂層硅片的鍵合的步驟，完成堿金屬氣室的密封。
[0008]進一步的，還包括步驟(6):在頂層和/或底層的硅片的端面上鍍加熱膜及溫度傳感器的步驟。
[0009]以玻璃片的通孔為單元格，對整個玻璃片進行劃分，形成若干單個的原子氣體腔，單個原子氣體腔的玻璃基片端面做拋光及鍍增透膜處理。
[0010]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于:
(I)本發(fā)明具有光強損失小的突出優(yōu)勢，而且不會影響激光的偏振狀態(tài)，可提高核磁共振原子陀螺儀整機的性能指標，適用于抽運/探測光通過的NMR原子陀螺儀和SERF磁強計等傳感器，抽運/探測光能更好的耦合到堿金屬氣室，更有效的達到極化原子和檢測信號的目的。另一方面，本發(fā)明中通光端面鍍增透膜后透光好、光強損失小，圓偏度高，有利于提高整機的性能指標。
[0011](2)本發(fā)明把加熱膜和溫度傳感器鍍到硅基片面的技術方案，不影響玻璃面的通光效果，而且有利于提高原子氣室的控溫精度。
[0012](3)本發(fā)明基于硅-玻璃陽極鍵合技術等成熟的MEMS工藝、拋光鍍膜工藝，易于實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0013]圖1為現(xiàn)有技術的結構示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明的結構示意圖。
[0015]圖3為本發(fā)明中電鍍加熱膜及溫度傳感器示意圖。
[0016]其中，附圖標記所對應的名稱:1_頂層硅片、2-玻璃基片、3-底層硅片、4-探測光，5-抽運光，6-溫度傳感器，7-加熱膜，8-電極。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。
實施例
[0018]如圖2和3所示，本實施例提供了一種適用于正交光抽運、探測的MEMS原子氣室，該原子氣室采用三明治結構，包括有三層結構，一層Pyrex玻璃基片、兩層硅片，其中，Pyrex玻璃基片為中間層，頂層和底層則為硅片:頂層硅片和底層硅片，硅片均與玻璃基片鍵合形成密閉的堿金屬氣室，Pyrex玻璃基片的中部具有通孔，通孔為采用刻蝕工藝技術制作的毫米級別的通孔。上述結構具有四個通光面，滿足物理系統(tǒng)正交通光及特定溫度需求。物理系統(tǒng)激光產生兩束光，一束栗浦光，栗浦光經過透鏡變平行光再經過偏振片與1/4波片膠合件，變圓偏振光且可調光強，通過堿金屬氣室后經過光檢后鎖定激光頻率;一束探測光，通過堿金屬氣室檢測頻率?，F(xiàn)有技術都需要在硅片上增加反射面工藝，工藝實現(xiàn)難度增加，而且會損失激光光強和偏振特性，而本發(fā)明申請則可完全避免該問題。
[0019]僅通過堿金屬實現(xiàn)來獲得靈敏傳感器是十分困難的，由于惰性氣體相對于堿金屬拉莫爾頻率低、馳豫時間長。本實施例中堿金屬氣室內充入有堿金屬原子(銣或銫)、N2和Xe，本實施例采用惰性氣體與堿金屬混合物，惰性氣體不影響光栗浦，通過自旋交換過程把堿金屬電子自旋極化轉移到惰性氣體原子核上。
[0020]在傳統(tǒng)玻璃-硅-玻璃原子氣室方案中，為保證激光不被加熱膜和溫度傳感器遮擋，一般都鍍在邊緣不通光的位置，僅為局部加熱。而本實施例中，在硅片的其中一面或雙面(頂層和/或底層硅片端面)采用加熱膜及溫度傳感器控制腔體的溫度，保證氣室蒸汽，相較于現(xiàn)有技術而言，本方案則是整體加熱，因此溫度梯度更小，控溫精度更高。
[0021 ]適用于正交光抽運、探測的MEMS原子氣室的制作方法如下:
(I)選用合適尺寸的玻璃基片，基片表面拋光，保證其平整度與光潔度，清洗并烘干備用。
[0022](2)采用刻蝕工藝技術制作毫米量級左右的玻璃基片通孔；
(3)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝，完成帶通孔的玻璃與底層硅片的鍵合；
(4)然后沖入一定量的堿金屬原子(銣或銫)、N2和Xe；
(5)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝再進行一次玻璃和硅片的鍵合，完成原子腔體的密封；
(6)在硅片的其中一面或雙面鍍加熱膜及溫度傳感器達到控溫目的。
[0023]以玻璃片的通孔為單元格，對整個玻璃片進行劃分，形成許多的單個原子氣體腔。最后，對單個原子氣體腔玻璃端面做拋光及鍍增透膜處理，通光端面鍍增透膜后透光好、光強損失小，圓偏度高，有利于提高整機的性能指標，保證很好的入射端面和透光性。
[0024]按照上述實施例，便可很好地實現(xiàn)本發(fā)明。值得說明的是，基于上述設計原理的前提下，為解決同樣的技術問題，即使在本發(fā)明所公開的結構基礎上做出的一些無實質性的改動或潤色，所采用的技術方案的實質仍然與本發(fā)明一樣，故其也應當在本發(fā)明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種適用于正交光抽運、探測的MEMS原子氣室，其特征在于，包括三層結構，其中，中間層為中部具有通孔的玻璃基片，頂層和底層均為硅片，硅片與玻璃基片鍵合形成密閉的堿金屬氣室，堿金屬氣室內充入有堿金屬原子和惰性氣體。2.根據(jù)權利要求1所述的適用于正交光抽運、探測的MEMS原子氣室，其特征在于，在所述頂層和/或底層的硅片的端面上還鍍加熱膜、溫度傳感器和電極。3.根據(jù)權利要求1或2所述的適用于正交光抽運、探測的MEMS原子氣室的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將玻璃基片表面拋光，清洗并烘干備用的步驟； (2)采用刻蝕工藝技術制作玻璃基片的通孔的步驟； (3)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝，完成玻璃基片與底層硅片的鍵合的步驟； (4)充入堿金屬原子和惰性氣體； (5)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝，完成玻璃基片與頂層硅片的鍵合的步驟，完成堿金屬氣室的密封。4.根據(jù)權利要求3所述的制作方法，其特征在于，包括以下步驟:還包括步驟(6):在頂層和/或底層的硅片的端面上鍍加熱膜及溫度傳感器的步驟。5.根據(jù)權利要求4所述的制作方法，其特征在于，以玻璃片的通孔為單元格，對整個玻璃片進行劃分，形成若干單個的原子氣體腔，單個原子氣體腔的玻璃基片端面做拋光及鍍增透膜處理。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于正交光抽運、探測的MEMS原子氣室及其制作方法，主要解決了現(xiàn)有技術工藝難度大、核磁共振原子陀螺儀物理系統(tǒng)抽運/探測光束與原子相互作用的堿金屬氣室及氣室溫度控制等問題。該適用于正交光抽運、探測的MEMS原子氣室，其特征在于，包括三層結構，其中，中間層為中部具有通孔的玻璃基片，頂層和底層均為硅片，硅片與玻璃基片鍵合形成密閉的堿金屬氣室，堿金屬氣室內充入有堿金屬原子和惰性氣體。本發(fā)明具有光強損失小的突出優(yōu)勢，而且不會影響激光的偏振狀態(tài)，可提高核磁共振原子陀螺儀整機的性能指標。
【IPC分類】B81C1/00, B81C3/00, B81B1/00, G04F5/14, B81B7/00
【公開號】CN105712282
【申請?zhí)枴緾N201610142545
【發(fā)明人】杜潤昌, 楊林, 王守云
【申請人】成都天奧電子股份有限公司