一種晶片式銣濾光泡的製作方法

2023-05-26 17:30:36

專利名稱：一種晶片式銣濾光泡的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種濾光裝置，尤其是涉及一種主要適用於常規、微小型化與晶片式以及應 用雷射作為光源的各種銣原子鐘的濾除特定譜線的晶片式銣濾光泡。
背景技術：
隨著現代科技的發展，許多領域如衛星通信技術、全球衛星定位系統(GPS)、雷達系統、 交通控制系統以及電力調度等都需要更加穩定而精確的時間頻率信號，傳統的機械定時和晶 振定時已經不能滿足需要。原子頻標具有極高的穩定度和準確度，所以得到了越來越廣泛的 運用。其中銣原子頻標體積小，重量輕，性能較好，並且成本較低，是所有原子頻標中應用 最廣泛的一種。
銣原子頻標由物理部分和電路伺服部分構成。物理部分對銣原子頻標的短期及長期穩定 性起到決定性的作用，物理部分由產生抽運光的銣燈(或稱銣光譜燈)和腔泡系統組成。腔 泡系統包括微波諧振腔、銣吸收泡、銣濾光泡和光電探測器等。銣燈發出的光譜經過濾光泡 後，濾除了不需要的光譜得到抽運光，吸收泡內的銣原子被抽運光照射後，使得銣原子基態 兩個超精細能級之間粒子數發生反轉，即上能級的粒子數高於下能級。當加在吸收泡上的微 波頻率與兩能級頻率間隔相吻合時，銣原子將從上能級躍遷至下能級，即發生微波躍遷。當
微波躍遷發生時，光電池探測到光強信號將發生變化，稱為光檢信號。銣原子頻標正是利用 這一光檢信號作為誤差信號，來控制晶體振蕩器的輸出頻率，並將通過頻率變換後得到的微 波頻率鎖定在銣原子基態超精細能級的躍遷譜線上，最終在晶體振蕩器得到穩定的標準頻率 輸出。其中，抽運光質量即抽運光的譜線寬度及對稱性對原子鐘的長期穩定性影響很大。為 了得到高質量的抽運光，濾光泡性能就顯得至關重要。由此可見，濾光泡的濾光效果對原子 鐘的性能有很大的影響。
目前，銣原子鐘裡現有的常規濾光泡的構造是一個圓柱形或球形的玻璃泡，直徑在1 2cm，厚度在0.3 2cm，裡面充入銣(通常是銣-85)或銣蒸汽(通常是銣-85蒸汽)與緩衝 氣體(通常是惰性氣體)。這種濾光泡體積較大，由於濾光泡要工作在50 13(TC下，較大的 體積會造成較多的熱能損耗，因此功耗過高；同時，由於厚度較大，在不需要的譜線被濾除 的同時，所需要的譜線經過常規濾光泡後，衰減比較大。公開號為CN101237077的中國發明專利申請公開一種小型化銣原子頻標的腔泡系統，其 微波腔筒由高磁導率材料製作，微波腔筒套裝有加熱筒，在加熱筒的抽運光入射埠還裝有 把銣光譜燈所發的光線匯聚後透射到微波腔內的凸透鏡，C場線圈直接繞制在置於微波腔筒 和吸收泡之間的介質筒上，且濾光泡的尾部尖頭集中於泡端圓形平面的中心，吸收泡尾部尖 頭集中於泡端圓形平面的邊緣，光電池和階躍二極體固聯在可移動固定的腔端蓋內壁端面上。 該發明腔內無機械調節杆，以腔內倍頻方式，釆用圓柱形TE111模式、填充介質方法摒棄了現 有技術磁屏筒的複雜結構，減小了腔泡系統體積。在加熱筒抽運光入射埠加裝凸透鏡增大 抽運光光強，確保了腔泡系統性能。腔頻微調採用移動光電組件，調試方便且不會引起場形 畸變。
周忠石等(周忠石，王亮，郭鵬翔，銣原子頻率標準的小型化研究，宇航計測技術，2002, 22 (1): 1-6)報導了有關銣原子頻率標準的小型化研究。
馮浩等(馮浩，崔敬忠，翟浩，張俊，濾光對被動式銣鍾穩定性影響的研究，真空與低 溫，2007， 13 (3): 151-154)報導了有關濾光對被動式銣鍾穩定性影響。

發明內容
本發明的目的在於針對現有的濾光泡所存在的體積大、功耗高、濾光效果不理想等缺點， 提供一種不僅體積較小、功耗較低，而且可有效濾除不需要的譜線，減小所需要的譜線的衰 減，獲得較好濾光效果的晶片式銣濾光泡。
本發明設有一矽片，在矽片中央設有一個通孔，在通孔的一邊上設有溝道，通孔經溝道 與外部連通。在矽片兩側面分別設有玻璃片，矽片與兩側面的玻璃片鍵合成一塊晶片，矽片 中央的通孔與矽片兩側面的玻璃片構成的腔體內充入銣-85惰性氣體。
所述矽片兩側面的玻璃片的外形和尺寸最好均與矽片相同，所述矽片可為方形矽片或圓 形矽片等，矽片的厚度可為0.1 2mm，方形矽片的邊長可為3 30mm，圓形矽片的直徑可為 3 30mm，矽片兩側面的玻璃片可為方形玻璃片或圓形玻璃片，方形玻璃片的邊長可為3 30mm,圓形玻璃片的直徑可為3 30mm，所述通孔可為方形通孔或圓形通孔等，方形通孔的 邊長可為2 15mm，圓形通孔的直徑可為2 15mm。玻璃片的厚度最好與矽片厚度相同。
所述溝道的橫截面可以是三角形、方形、梯形或圓形等，三角形、方形、梯形的每邊邊 長可為0.1 2mm，圓形的直徑可為0.1 2mm。
充入的銣-85的量最好為0.1 10mg，充入的惰性氣體的氣壓最好為10 200Tor。
製備時，在矽片上利用光刻、腐蝕等技術刻蝕出一個通孔以及在通孔的一條邊上刻蝕出 一條微溝道，用於充入銣-85與緩衝氣體(通常是惰性氣體)，並將矽片切成所需形狀，形成一個中央帶有通孔的矽片，然後切出與矽片外形相同的兩片玻璃片，而後利用鍵合技術將矽 片及兩片玻璃片按照玻璃片-矽片-玻璃片的順序鍵合成一塊晶片。這樣，兩片玻璃片與矽片 中央的通孔就構成一個微腔即泡的結構，然後利用先前刻蝕加工出來的微溝道，往微腔中先 充入銣-85，再充入惰性氣體，用膠密封微溝道，即得一個晶片式銣濾光泡。
與現有的濾光泡相比，由於本發明採用了微機電系統即MEMS技術，因此可以將濾光泡 做的很小，其厚度可為0.6 6mm，可以在有效濾除不需要的譜線的同時，使所需要的譜線經 過濾光泡後的衰減大為減小，並且整個濾光泡的體積與功耗都大為降低。


圖l為本發明實施例的整體結構示意圖。 圖2為本發明實施例的分解結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。 實施例l
參見圖1和2，製備時，採用微機電系統(MEMS技術)在矽片2上利用光刻、腐蝕等技術 刻蝕出一個正方形通孔5以及在正方形通孔5的一條邊上刻蝕出一條橫截面為三角形的微溝道 4，用於充入銣-85與氖氣，並將矽片2切成正方形，形成一個中央帶有正方形通孔5的方形矽 片，然後切出與正方形矽片2外形相同的兩片正方形玻璃片1和3，而後利用鍵合技術將矽片2 及兩片玻璃片l和3按照玻璃片l-矽片2-玻璃片3的順序鍵合成一塊晶片。這樣，兩片玻璃片l 和3與矽片2中央的通孔5就構成一個微腔即泡的結構，然後利用先前刻蝕加工出來的微溝道4， 往微腔中充入銣-85與氖氣，充入的銣-85的量為lmg，充入的氖氣的氣壓為200Tor，再用膠密 封微溝道4，即得一個晶片式銣吸收泡。
正方形矽片2的厚度為0.5mm,正方形矽片的邊長為3 10mm，正方形玻璃片1和3的邊長 為3 10mm，正方形通孔的邊長為2mm，玻璃片的厚度與矽片厚度相同。
微溝道4的橫截面為三角形，三角形的每邊邊長為0.1 2mm。
實施例2
與實施例l類似，其區別在於通孔為長方形通 L，在長方形通孔的一條邊上刻蝕出一條橫 截面為方形的微溝道，矽片切成長方形，形成一個中央帶有長方形通孔的長方形矽片，然後 切出與長方形矽片外形相同的兩片長方形玻璃片，往微腔中充入銣-85蒸汽與氬氣，充入的銣 -85蒸汽的量為5mg，充入的氬氣的氣壓為60Tor。
長方形矽片的厚度為2mm，長方形矽片的長為8 10mm，寬為3 5mm;長方形玻璃片的長為8 10mm，寬為3 5mm;長方形通孔的長為3mm，寬為2mm;玻璃片的厚度與矽片 厚度相同。
微溝道的橫截面為長方形，長方形的長為lmm，寬為0.3mm。 實施例3
與實施例l類似，其區別在於通孔為圓形通 L，在圓形通孔的邊上刻蝕出一條橫截面為梯 形的微溝道，並將矽片切成圓形，形成一個中央帶有圓形通孔的圓形矽片，然後切出與圓形 矽片外形相同的兩片圓形玻璃片，往微腔中充入銣-85和氮氣，充入的銣-85的量為5mg，充入 的氮氣的氣壓為50Tor。
圓形矽片的厚度為lmm，圓形矽片的直徑為10 15mm，圓形玻璃片的直徑為10 15mm， 圓形通孔的直徑為7mm，玻璃片的厚度與矽片厚度相同。
微溝道的橫截面為等腰梯形，等腰梯形的上底為lmm，下底為0.8mm，腰為0.6mm。
實施例4
與實施例l類似，其區別在於通孔為圓形通孔，在圓形通孔的一條邊上刻蝕出一條橫截面 為梯形的微溝道，矽片切成圓形，形成一個中央帶有圓形通孔的圓形矽片，然後切出與圓形 矽片外形相同的兩片圓形玻璃片，往微腔中充入銣-85與氦氣，充入的銣-85的量為3mg，充入 的氦氣的氣壓為10Tor。
圓形矽片的厚度為2mm，圓形矽片的直徑為20 30mm，圓形玻璃片的直徑為20 30mm， 圓形通孔的直徑為10 15mm，玻璃片的厚度與矽片厚度相同。
微溝道的橫截面為三角形，三角形的邊長為lmm。
權利要求
1. 一種晶片式銣濾光泡，其特徵在於設有一矽片，在矽片中央設有一個通孔，在通孔的一邊上設有溝道，通孔經溝道與外部連通，在矽片兩側面分別設有玻璃片，矽片與兩側面的玻璃片鍵合成一塊晶片，矽片中央的通孔與矽片兩側面的玻璃片構成的腔體內充入銣-85和惰性氣體。
2. 如權利要求l所述的一種晶片式銣濾光泡，其特徵在於所述矽片兩側面的玻璃片的外 形和尺寸均與矽片相同。
3. 如權利要求1或2所述的一種晶片式銣濾光泡，其特徵在於所述矽片為方形矽片或圓形矽片°
4. 如權利要求1或2所述的一種晶片式銣濾光泡，其特徵在於矽片的厚度為0.1 2mm， 方形矽片的邊長為3 30mm，圓形矽片的直徑為3 30mm。
5. 如權利要求1或2所述的一種晶片式銣濾光泡，其特徵在於矽片兩側面的玻璃片為方形 玻璃片或圓形玻璃片，方形玻璃片的邊長為3 30mm,圓形玻璃片的直徑為3 30mm。
6. 如權利要求l所述的一種晶片式銣濾光泡，其特徵在於所述通孔為方形通孔或圓形通 孔，方形通孔的邊長為2 15mm，圓形通孔的直徑為2 15mm。
7. 如權利要求1或2所述的一種晶片式銣濾光泡，其特徵在於所述玻璃片的厚度與矽片厚 度相同。
8. 如權利要求l所述的一種晶片式銣濾光泡，其特徵在於所述溝道的橫截面為三角形、 方形、梯形或圓形，三角形、方形、梯形的每邊邊長為0.1 2mm，圓形的直徑為0.1 2mm。
9. 如權利要求l所述的一種晶片式銣濾光泡，其特徵在於充入的銣-85的量為0.1 10mg。
10. 如權利要求l所述的一種晶片式銣濾光泡，其特徵在於充入的惰性氣體的氣壓為10 200Tor。
全文摘要
一種晶片式銣濾光泡，涉及一種濾光裝置，尤其是涉及一種主要適用於常規、微小型化與晶片式以及應用雷射作為光源的各種銣原子鐘的濾除特定譜線的晶片式銣濾光泡。提供一種不僅體積較小、功耗較低，而且可有效濾除不需要的譜線，減小所需要的譜線的衰減，獲得較好濾光效果的晶片式銣濾光泡。設有一矽片，在矽片中央設有一個通孔，在通孔的一邊上設有溝道，通孔經溝道與外部連通。在矽片兩側面分別設有玻璃片，矽片與兩側面的玻璃片鍵合成一塊晶片，矽片中央的通孔與矽片兩側面的玻璃片構成的腔體內充入銣-85和惰性氣體。
文檔編號H01S3/098GK101510779SQ20091011137
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月27日 優先權日2009年3月27日
發明者林立偉, 王盛貴, 航 郭 申請人:廈門大學