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1、(10)申请公布号 CN 103342335 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103342335 A *CN103342335A* (21)申请号 201310250469.6 (22)申请日 2013.06.21 B81C 1/00(2006.01) (71)申请人 中国科学院上海微系统与信息技术 研究所 地址 200050 上海市长宁区长宁路 865 号 (72)发明人 吴亚明 李绍良 徐静 (74)专利代理机构 上海光华专利事务所 31219 代理人 李仪萍 (54) 发明名称 一种微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和 封堵系统及方法 (57) 摘要 本发明涉及一。
2、种微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽 腔的充气和封堵方法及其系统， 主要包括缓冲气 体储气瓶、 碱金属蒸汽储气瓶、 真空室、 MEMS 圆片 承载台、 真空泵和激光封堵装置等部分。碱金属 蒸汽腔 MEMS 圆片制作方法为在硅片上利用干法 刻蚀或湿法腐蚀制作出硅上碱金属蒸汽腔和通 气槽， 在玻璃材料上利用机械打孔或激光打孔等 方法制作出玻璃上充气孔， 或在玻璃材料上利用 湿法腐蚀制作出玻璃上充气微通道， 最后进行阳 极键合制作得到圆片级微型 CPT 原子钟的碱金属 蒸汽腔。用 CO2激光束透过真空室的光学窗口对 MEMS 圆片上的碱金属蒸汽腔芯片逐个熔融封堵 玻璃充气孔或充气微管道。本发明使得微型 。
3、CPT 原子碱金属蒸汽腔的制作具有操作简单、 不易引 入杂质、 便于批量制作等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书7页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103342335 A CN 103342335 A *CN103342335A* 1/2 页 2 1. 一种微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵系统， 其特征在于 ： 该系统包括放 置于工作台上的第一加热器 ； 放置于所述第一加热器上的真空室 ； 所述真空室上方设有用于透过激光束的光学窗口 ； 所述真空室。
4、一端设有第一阀门， 所述第一阀门的另一端通过不锈钢管道依次连通设有 第三阀门的缓冲气体储气瓶、 设有第二阀门的碱金属蒸汽储气瓶以及第一真空计 ； 所述碱 金属蒸汽储气瓶下方设有第二加热器 ； 所述真空室另一端设有第四阀门， 所述第四阀门的另一端通过不锈钢管道依次连通有 真空泵以及第二真空计 ； 所述真空室内、 光学窗口下方设有包括固定夹具的热隔离台用于放置碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片 ； 所述碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片包括若干碱金属蒸汽腔芯片。 2. 根据权利要求 1 所述的微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵系统， 其特征在 于 ： 所述光学窗口的材料采用硒化锌材料。 3. 根据权。
5、利要求 1 所述的微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵系统， 其特征在 于 ： 所述第一加热器上设有温度数值显示模块。 4. 根据权利要求 1 所述的微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵系统， 其特征在 于 ： 所述真空泵包括前级泵以及与该前级泵级联的后级泵。 5. 根据权利要求 1 所述的微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵系统， 其特征在 于 ： 所述不锈钢管道上面套有加热带。 6. 根据权利要求 1 所述的微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵系统， 其特征在 于 ： 所述碱金属蒸汽腔芯片包括设有通气槽和碱金属蒸汽腔的硅衬底、 与该硅衬底键合并 设有充气孔的。
6、玻璃片 ； 所述充气孔正下方对应的通气槽上设有氧化硅层。 7. 根据权利要求 1 所述的微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵系统， 其特征 在于 ： 所述碱金属蒸汽腔芯片包括设有通气槽和碱金属蒸汽腔的硅衬底、 与该硅衬底键合 并设有充气孔和充气微通道的玻璃片 ； 所述充气微通道正下方对应的硅衬底上设有氧化硅 层。 8. 根据权利要求 1 所述的微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵系统， 其特征在 于 ： 所述碱金属蒸汽腔芯片包括第一玻璃片、 键合在第一玻璃片上面且设有通气槽和碱金 属蒸汽腔的硅衬底、 键合在该硅衬底上面并设有充气孔的第二玻璃片 ； 所述充气孔正下方 对应的通气槽。
7、上设有氧化硅层。 9. 根据权利要求 1 所述的微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵系统， 其特征在 于 ： 所述碱金属蒸汽腔芯片包括第一玻璃片、 键合在第一玻璃片上面且设有通气槽和碱金 属蒸汽腔的硅衬底、 键合在该硅衬底上面并设有充气孔和充气微通道的第二玻璃片 ； 所述 充气微通道正下方对应的硅衬底上设有氧化硅层。 10. 一种采用权利要求 1 至 9 任意一项系统实现微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气 和封堵的方法， 该方法包括以下步骤 ： 首先打开真空室， 放入碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片， 并通过固定夹具将 MEMS 圆片位置固 定， 所述第二、 第三阀门为关闭状态， 打开。
8、所述第一、 第四阀门， 并打开真空室下方的第一加 热器及真空泵， 先用前级泵抽成低度真空， 再用后级泵抽成真空度较高的真空 ； 待两个真空 权 利 要 求 书 CN 103342335 A 2 2/2 页 3 计显示的数值基本一致并达到所需值时， 关闭真空泵， 打开碱金属蒸汽储气瓶下方的第二 加热器和套在不锈钢管道上的加热带， 再同时打开所述第二、 第三阀门， 将碱金属蒸汽及缓 冲气体赶到真空室的碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片中， 维持一段时间直至缓冲气体和碱金属蒸 汽充分充入到碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片中的若干个碱金属蒸汽腔芯片中 ； 然后关闭所有阀 门， 开始用 CO2 激光束分别照射所述。
9、碱金属蒸汽腔芯片， 使其熔融密封实现封堵， 封堵结束 后， 打开所述第一、 第四阀门， 开启第一加热器及真空泵， 将真空室内及碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片表面残余碱金属蒸汽抽除干净， 从而得到微型 CPT 原子钟气密封装的碱金属蒸汽腔。 11.根据权利10所述的微型CPT原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵方法， 其特征在于 ： 所述碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片采用键合方法制得， 首先在半导体硅材料上利用干法刻蚀或 湿法腐蚀制作出通气槽和碱金属蒸汽腔， 然后在玻璃材料上利用机械打孔或激光打孔等方 法制作出充气孔， 最后进行阳极键合得到待充气和密封碱金属蒸汽腔的 MEMS 圆片。 12.根据权利10所。
10、述的微型CPT原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵方法， 其特征在于 ： 所述碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片采用键合方法制得， 首先在半导体硅材料上利用干法刻蚀或 湿法腐蚀制作出通气槽和碱金属蒸汽腔， 然后在玻璃材料上利用机械打孔或激光打孔等方 法制作出充气孔并且在玻璃材料上利用湿法腐蚀制作出玻璃上充气微通道， 最后进行阳极 键合得到待充气和密封碱金属蒸汽腔的 MEMS 圆片。 13.根据权利10所述的微型CPT原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵方法， 其特征在于 ： 所述碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片采用键合方法制得， 首先在半导体硅材料上利用湿法腐蚀制 作出通气槽和腐蚀对穿的碱金属蒸汽腔， 然后将一玻璃。
11、片与硅片背面进行阳极键合， 形成 键合片， 然后在另一玻璃片上制作充气孔， 最后将制作有充气孔的玻璃片与所述键合片进 行正面阳极键合， 制作得到待充气和密封的微型 CPT 原子钟的碱金属蒸汽腔。 14.根据权利10所述的微型CPT原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵方法， 其特征在于 ： 所述碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片采用键合方法制得， 首先在半导体硅材料上利用湿法腐蚀制 作出通气槽和碱金属蒸汽腔， 然后将一玻璃片与硅片背面进行阳极键合， 形成键合片， 然后 在另一玻璃片制作充气孔， 在制作有充气孔的玻璃片上用湿法腐蚀制作出充气微通道， 最 后将制作有充气孔和充气微通道的玻璃片与所述键合片进行正面。
12、阳极键合， 制作得到待充 气和密封的微型 CPT 原子钟的碱金属蒸汽腔。 权 利 要 求 书 CN 103342335 A 3 1/7 页 4 一种微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵系统及方 法 技术领域 0001 本发明涉及微型 CPT 原子钟领域， 具体涉及微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气 和封堵方法及系统。 背景技术 0002 原子钟是当前最精确的计时工具， 在天文、 航空航天、 卫星导航定位、 守时授时和 物理科学等方面都有着重要作用。 然而由于其庞大的体积和高昂的价格限制了其应用范围 的进一步扩展， 原子钟的微型化将大大扩展其应用范围， 将对通信、 电子、 航空、 航。
13、天、 国防 等领域产生深远的影响， 并且在各种测量仪器中安装原子钟也将会使测量更加精确可靠。 传统原子钟由于微波谐振腔的存在而导致体积很难进一步减小， 1976 年发现的相干布局数 囚禁(CPT,Coherent Population Trapping)原理给原子钟的微型化带来希望， 由于CPT原 子钟系统中不再含有微波谐振腔而成为原子钟微型化的主要对象， CPT 原子钟也是目前从 原理上唯一可实现微型化的原子钟。 0003 芯片级原子钟的核心部件就是提供频率振荡基准的碱金属蒸汽腔， 制作出体积 小、 可靠性高的碱金属蒸汽腔是实现芯片级原子钟工作的关键。 目前， 原子钟碱金属蒸汽腔 主要的制作。
14、方法有玻璃吹制法、 原位化学反应法、 石蜡包裹法、 光分解法等。其中玻璃吹制 法是是传统原子钟碱金属蒸汽腔的主要制作方法， 体积很大且很难制作出体积进一步减小 的碱金属蒸汽腔， 因而不利与实现蒸汽腔的微型化和批量化制作。目前芯片原子钟碱金属 蒸汽腔的制作方法主要是原位反应法。 0004 现在已有的利用原位反应法法制作原子钟碱金属蒸汽腔的方法主要是利用化学 反应生成碱金属元素法制作碱金属蒸汽腔， 这种方法是利用在蒸汽腔里面密封好已经按 比例调好的化合物的混合物， 然后通过加热来生成所需要的碱金属元素， 基本过程如附图 6a-6d所示， 首先将双面抛光硅片61经光刻后， 用KOH腐蚀或者深反应离子。
15、刻蚀制作出一个 方形通孔， 然后将其与 Pyrex7740 玻璃片 62 键合得到半成品 ； 将 RbCl 盐 65 加到含有 BaN6 为15%的水溶液中， 形成无色的液体64， 然后用微吸管63将液体滴到半成品的小空腔中， 将 半成品放到带有加热器的键合机中， 在 UHV（超高真空） 环境下进行键合， 键合过程中， RbCl 与 BaN6由于加热， 发生反应生成 BaCl2和所需的 Rb 元素 66， 总的反应如下 ： 0005 0006 再抽除所生成的 N2， 反充所需的缓冲气体后完成键合， 从而制作得到密封的碱金 属蒸汽腔。这种方法有以下几种缺点 ： 0007 （1） 由于碱金属单质具。
16、有非常活泼的化学性质， 极易被氧化， 所以这种方法需要极 高的真空环境或厌氧环境， 这对阳极键合机有极高的要求。 0008 （2） 通过腔体内化学反应得到碱金属元素的最大缺点是蒸汽腔里面含有钡、 氯化 物等杂质， 杂质的存在会阻挡光路从而影响信号强度， 同时碱金属原子与杂质的碰撞可能 会影响碱金属原子的能级， 从而引起频率漂移。 说 明 书 CN 103342335 A 4 2/7 页 5 0009 （3） 此种方法对操作要求极高， 需要在手套箱中操作， 需要用微吸管吸取化合物溶 液， 并滴在很小的空腔内， 操作难度很大。 0010 （4） 由于每个芯片都必须手工操作， 所以只能单个制作， 不。
17、易进行批量化制作等。 0011 石蜡包裹法和光分解法是实验室阶段提出的制作工艺。 石蜡包裹法是首先用MEMS 工艺将碱金属原子包裹在石蜡之中形成蜡包， 然后用湿法腐蚀和阳极键合工艺制作出一面 为玻璃一面为 SiN 膜层的 Si 腔， 将蜡包粘附在 SiN 膜层下面， 用激光透过玻璃照射使 SiN 膜层分解、 蜡包上部融化， 激光直接照射到了碱金属原子上从而蒸发进入 Si 腔中， Si 腔的 另一面被未融化的石蜡所封闭， 形成一个密封的碱金属原子腔。 该方法存在制作工艺复杂、 石蜡密封性差、 不易批量化制作等缺点 ； 光分解法是首先在双面精密抛光的硅片上刻蚀出 穿透的Si孔阵列， 进行阳极键合形。
18、成半成品， 然后在半成品上沉积叠氮化铯 （CsN3） 薄膜， 在 超高真空环境下进行第二面键合， 最后通过紫外线照射使 CsN3分解为铯 （Cs） 单质和氮气 （N2） ， 划片得到密封好的碱金属蒸汽腔。光分解法的工艺都是圆片级工艺， 非常容易实现批 量化制作， 但是该方法存在需要开发专用的沉积 CsN3薄膜的设备， 且缓冲气体只能为氮气 并且氮气气压一般偏高， 从而使该碱金属蒸汽腔制作的芯片级原子钟的 CPT 线宽增宽， 单 一的缓冲气体也使芯片原子钟的频率稳定度变差。 发明内容 0012 本发明针对目前原子钟碱金属蒸汽腔制作方法中环境要求高、 引入杂质从而引起 频率漂移、 操作复杂、 不易。
19、批量化制作等问题， 提出了一种微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的 充气和封堵方法及系统， 能够使原子钟碱金属蒸汽腔的制作克服上述问题。 0013 为了达到上述目的， 本发明采用如下技术方案 ： 一种微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽 腔的充气和封堵系统， 该系统包括放置于工作台上的第一加热器 ； 0014 放置于所述第一加热器上的真空室 ； 0015 所述真空室上方设有用于透过激光束的光学窗口 ； 0016 所述真空室一端设有第一阀门， 所述第一阀门的另一端通过不锈钢管道依次连通 设有第三阀门的缓冲气体储气瓶、 设有第二阀门的碱金属蒸汽储气瓶以及第一真空计 ； 所 述碱金属蒸汽储气瓶下方设有第二加。
20、热器 ； 0017 所述真空室另一端设有第四阀门， 所述第四阀门的另一端通过不锈钢管道依次连 通有真空泵以及第二真空计 ； 0018 所述真空室内、 光学窗口下方设有包括固定夹具的热隔离台用于放置碱金属蒸汽 腔 MEMS 圆片 ； 所述碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片包括若干碱金属蒸汽腔芯片。 0019 本发明还提供一种实现微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵的方法， 该方 法包括以下步骤 ： 0020 首先打开真空室， 放入碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片， 并通过固定夹具将 MEMS 圆片位 置固定， 所述第二、 第三阀门为关闭状态， 打开所述第一、 第四阀门， 并打开真空室下方的第 一加。
21、热器及真空泵， 先用前级泵抽成低度真空， 再用后级泵抽成真空度较高的真空 ； 待两个 真空计显示的数值基本一致并达到所需值时， 关闭真空泵， 打开碱金属蒸汽储气瓶下方的 第二加热器和套在不锈钢管道上的加热带， 再同时打开所述第二、 第三阀门， 将碱金属蒸汽 及缓冲气体赶到真空室的碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片中， 维持一段时间直至缓冲气体和碱金 说 明 书 CN 103342335 A 5 3/7 页 6 属蒸汽充分充入到碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片中的若干个碱金属蒸汽腔芯片中 ； 然后关闭所 有阀门， 开始用 CO2 激光束分别照射所述碱金属蒸汽腔芯片， 使其熔融密封实现封堵， 封堵 结束后，。
22、 打开所述第一、 第四阀门， 开启第一加热器及真空泵， 将真空室内及碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片表面残余碱金属蒸汽抽除干净， 从而得到微型 CPT 原子钟气密封装的碱金属蒸汽 腔。 0021 由以上技术方案可以看出， 本发明可以使原子钟碱金属蒸汽腔的制作与现有的制 作方法相比， 具有以下优点 ： 0022 （1） 原子钟碱金属蒸汽腔内不易引入杂质而引起频率漂移。由于不需要在蒸汽腔 内通过反应的方法获得碱金属元素， 在碱金属蒸汽储存装置出来的碱金属蒸汽是非常纯净 的碱金属单质蒸汽， 因而在蒸汽腔内不易引入杂质， 不会出现由于杂质及缓冲气体消耗而 引起的频率漂移现象。 0023 （2） 此方法对操。
23、作的要求相对较低， 只需要根据流量计与真空计的指示操作阀门 的开关， 用计算机控制 CO2激光器的熔融封堵过程， 不需要在手套箱内用微吸管向小腔体内 滴化合物的水溶液等高难度的操作， 同时也不需要开发复杂的专用设备。 0024 （3） 此方法可以进行批量化制作， 可以大大的降低制作成本， 同时也具有很高的可 靠性。 附图说明 0025 图 1 为本发明微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔充气及封堵系统示意图。 0026 图2a-2b为本发明充气通道为充气孔的两层键合结构的微型CPT原子钟碱金属蒸 汽腔芯片单元示意图。 0027 图3a-3b为本发明充气通道为充气微通道的两层键合结构的微型CPT原子。
24、钟碱金 属蒸汽腔芯片单元示意图。 0028 图4a-4b为本发明充气通道为充气孔的三层键合结构的微型CPT原子钟碱金属蒸 汽腔芯片单元示意图。 0029 图5a-5b为本发明充气通道为充气微通道的三层键合结构的微型CPT原子钟碱金 属蒸汽腔芯片单元示意图。 0030 图 6a-6d 为现有技术中基于原位反应法的原子钟碱金属蒸汽腔制作方法示意图。 0031 图中标号 ： 0032 1 缓冲气体储气瓶 2 碱金属蒸汽储气瓶 0033 5 不锈钢管道 6 第一、 第二真空计 0034 7 光学窗口 8 真空室 0035 9 固定夹具 10 碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片 0036 11 热隔离台 12。
25、 工作台 0037 13 真空泵 14 CO2激光束 0038 31 第二加热器 32 第一加热器 0039 41 第三阀门 42 第二阀门 0040 43 第一阀门 44 第四阀门 0041 26 氧化硅层 21 通气槽 说 明 书 CN 103342335 A 6 4/7 页 7 0042 22 碱金属蒸汽腔 23 充气孔 0043 24 充气微通道 25 激光照射区标志 0044 61 双面抛光硅片 62 Pyrex 7740 玻璃片 0045 63 微吸管 64 RbCl 与 BaN6的水溶液 0046 65 碱金属元素 66 反应生成的 BaCl2等杂质 具体实施方式 0047 下面。
26、结合附图， 通过具体实施例来说明本发明的部分应用， 进一步阐述本发明的 实质性特点和显著地进步， 但本发明绝非仅限于实施例的描述。 0048 请参阅图1所示， 一种微型CPT原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵系统， 该系统包 括设置于工作台12上的第一加热器32 ； 放置于所述第一加热器32上的真空室8 ； 所述真空 室 8 上方设有用于透过 CO2激光束 14 的光学窗口 7 ； 所述真空室 8 一端设有第一阀门 43， 所述第一阀门 43 的另一端通过不锈钢管道 5 依次连通设有第三阀门 41 的缓冲气体储气瓶 1、 设有第二阀门 42 的碱金属蒸汽储气瓶 2 以及第一真空计 6 ； 所述碱金。
27、属蒸汽储气瓶 2 下 方设有第二加热器31 ； 所述真空室8另一端设有第四阀门44， 所述第四阀门44的另一端通 过不锈钢管道依次连通有真空泵 13 以及第二真空计 6 ； 所述真空室 8 内、 光学窗口 7 下方 设有包括固定夹具 9 的热隔离台 11 用于放置碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片 10 ； 所述碱金属蒸汽 腔 MEMS 圆片 10 包括若干碱金属蒸汽腔芯片。 0049 所述光学窗口 7 的材料采用硒化锌材料。所述第一加热器 32 上设有温度数值显 示模块。所述真空泵 13 包括前级泵以及与该前级泵级联的后级泵。所述不锈钢管道上面 套有加热带。 0050 本发明还提供一种实现微型 C。
28、PT 原子钟碱金属蒸汽腔的充气和封堵的方法， 该方 法包括以下步骤 ： 首先打开真空室 8， 放入碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片 10， 并通过固定夹具将 MEMS 圆片位置固定， 所述第二、 第三阀门为关闭状态， 打开所述第一、 第四阀门， 并打开真空 室 8 下方的第一加热器 32 及真空泵 13， 先用前级泵抽成低度真空， 再用后级泵抽成真空度 较高的真空 ； 待两个真空计 6 显示的数值基本一致并达到所需值时， 关闭真空泵 13， 打开碱 金属蒸汽储气瓶2下方的第二加热器31和套在不锈钢管道上的加热带， 再同时打开所述第 二、 第三阀门， 将碱金属蒸汽及缓冲气体赶到真空室的碱金属蒸汽腔 。
29、MEMS 圆片 10 中， 维持 一段时间直至缓冲气体和碱金属蒸汽充分充入到碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片中的若干个碱金 属蒸汽腔芯片中 ； 然后关闭所有阀门， 开始用 CO2激光束 14 分别照射所述碱金属蒸汽腔芯 片， 使其熔融密封实现封堵， 封堵结束后， 打开所述第一、 第四阀门， 开启第一加热器 31 及 真空泵 13， 将真空室内及碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片表面残余碱金属蒸汽抽除干净， 从而得到 微型 CPT 原子钟气密封装的碱金属蒸汽腔。 0051 实施例 1 0052 如附图 2a-2b 所示， 其中 2a 为 2b 的俯视图。原子钟碱金属蒸汽腔采用 Si-Glass 两层阳极键。
30、合结构， 下层为硅片， 采用普通N型双面精密抛光硅片， 上层为玻璃片， 采 用 Pyrex7740 玻璃， 充气及封堵通道为玻璃上充气孔 23。首先在半导体硅材料上利用湿法 腐蚀制作出硅上通气槽 21 和硅上碱金属蒸汽腔 22， 然后在玻璃材料上利用机械打孔或激 光打孔等方法制作出碱金属蒸汽的玻璃上充气孔 23， 在充气孔正下方对应的硅上通气槽上 说 明 书 CN 103342335 A 7 5/7 页 8 制作一层薄薄的 SiO2层 26， 最后进行 Si-Glass 阳极键合， 制作得到待充气和密封的微型 CPT 原子钟的碱金属蒸汽腔。 0053 然后将微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的圆。
31、片放入充气及封堵系统中， 充气及封堵 系统如附图 1 所示， 主要包括缓冲气体储气瓶 1、 碱金属蒸汽储气瓶 2、 真空室 8、 碱金属蒸 汽腔 MEMS 圆片 10、 真空泵 13 和激光封堵装置 14 等部分， 碱金属蒸汽储气瓶 2 置于加热器 31 上， 缓冲气体储气瓶 1、 碱金属蒸汽储气瓶 2 分别接阀门 41、 42 控制其开关， 真空室上端 为光学窗口 7， 两端通过不锈钢管道 5 分别连接阀门 43、 44 和真空计 6， 并且真空室 8 置于 带有温度数值显示的加热器 32 上， 真空泵 13 部分采用二级级联方式， 前级泵进行粗抽， 抽 成粗真空， 然后再用后级泵抽成真空度。
32、较高的真空， 各部分通过不锈钢管道 5 连接在一起， 不锈钢管道 5 上面套有加热带， 激光封堵装置采用的是 CO2激光束 14。 0054 充气及封堵过程为首先打开真空室 8， 放入碱金属蒸汽腔 MEMS 圆片 10， 并通过固 定夹具 9 将 MEMS 圆片位置固定在热隔离台 11 上， 关闭储气瓶阀门 41、 42， 打开真空室阀门 43、 44， 并打开真空室的加热器 32， 开启真空泵 13， 先用前级泵抽成低度真空， 再用后级泵 抽成真空度较高的真空， 并除去 MEMS 圆片中的杂气， 待两个真空计显示的数值基本一致并 达到所需值时， 关闭真空泵 13， 打开碱金属蒸汽储气瓶的加热。
33、器 31 和套在不锈钢管道上的 加热带， 再同时打开两个储气瓶的阀门 41、 42， 将缓冲气体及碱金属蒸汽赶到真空室 8 的碱 金属蒸汽腔MEMS圆片中， 维持一段时间， 使缓冲气体及碱金属蒸汽充分充入到MEMS圆片中 的小芯片单元， 然后关闭所有阀门， 开始用 CO2激光束 14 照射 MEMS 圆片中小芯片单元的玻 璃管道， 使其熔融密封， 然后通过计算机精确控制 CO2激光束 14 的位置， 对圆片上的小芯片 逐个实现激光熔融封堵， 封堵结束后， 打开真空室阀门 43、 44， 开启第一加热器 31， 开启真 空泵 13， 将真空室 8 内及 MEMS 圆片表面残余碱金属蒸汽抽除干净，。
34、 从而得到微型 CPT 原子 钟气密性封装的碱金属蒸汽腔。 0055 实施例 2 0056 微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的圆片放入充气及封堵系统与实施例 1 一致， 不同 之处在于， 本实施例中， 原子钟碱金属蒸汽腔采用 Si-Glass 两层阳极键合结构， 下层为硅 片， 采用普通 N 型 双面精密抛光硅片， 上层为玻璃片， 采用 Pyrex 7740 玻璃， 充气及 封堵通道为玻璃上微充气通道 24， 如附图 3a-3b 所示， 其中 3a 为 3b 的俯视图。首先在半导 体硅材料上利用湿法腐蚀制作出硅上通气槽 21 和硅上碱金属蒸汽腔 22， 然后在玻璃材料 上利用机械打孔或激光打孔。
35、等方法在硅上通气槽正上方对应的玻璃上制作出碱金属蒸汽 的玻璃上充气孔 23， 在玻璃材料上利用湿法腐蚀制作出玻璃上充气微通道 24， 在充气微通 道下方对应的硅上制作一层薄薄的SiO2层26， 最后进行Si-Glass阳极键合， 制作得到待充 气和密封的微型 CPT 原子钟的碱金属蒸汽腔。之后进行充气和封堵过程， 本实施例中的碱 金属蒸汽腔芯片制作方法与实施例 1 中提到的充气和封堵系统、 充气封堵方法一起构成实 施例 2。 0057 实施例 3 0058 微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的圆片放入充气及封堵系统与实施例 1 一致， 不同 之处在于， 本实施例中， 原子钟碱金属蒸汽腔采用 Gl。
36、ass-Si-Glass 三层阳极键合结构， 中 间层为硅片， 采用 N 型 双面精密抛光硅片， 上、 下层为玻璃片， 采用 Pyrex 7740 玻璃， 充气及封堵通道为玻璃上充气孔 23， 如附图 4a-4b 所示， 其中 4a 为 4b 的俯视图。首先在半 说 明 书 CN 103342335 A 8 6/7 页 9 导体硅材料上利用湿法腐蚀制作出硅上通气槽 21 和腐蚀对穿的硅上碱金属蒸汽腔 22， 然 后将玻璃跟硅片背面进行阳极键合， 然后在玻璃材料上利用机械打孔或激光打孔等方法制 作出碱金属蒸汽的玻璃上充气孔 23， 在充气孔正下方对应的硅上通气槽上制作一层薄薄的 SiO2层 26。
37、， 最后将打孔玻璃跟之前的 Si-Glass 键合片进行正面阳极键合， 制作得到待充气 和密封的微型 CPT 原子钟的碱金属蒸汽腔。之后进行充气和封堵过程， 本实施例中的碱金 属蒸汽腔芯片制作方法与实施例 1 中提到的充气和封堵系统、 充气封堵方法一起构成实施 例 3。 0059 实施例 4 0060 微型 CPT 原子钟碱金属蒸汽腔的圆片放入充气及封堵系统与实施例 1 一致， 不同 之处在于， 本实施例中， 原子钟碱金属蒸汽腔采用 Glass-Si-Glass 三层阳极键合结构， 中 间层为硅片， 采用 N 型 双面精密抛光硅片， 上、 下层为玻璃片， 采用 Pyrex 7740 玻璃， 充。
38、气及封堵通道为玻璃上微充气通道 24， 如附图 5a-5b 所示， 其中 5a 为 5b 的俯视图。首先 在半导体硅材料上利用湿法腐蚀制作出硅上通气槽 21 和硅上碱金属蒸汽腔 22， 然后将玻 璃跟硅片背面进行阳极键合， 然后在玻璃材料上利用机械打孔或激光打孔等方法在玻璃上 制作出碱金属蒸汽的玻璃上充气孔 23， 在玻璃材料上利用湿法腐蚀制作出玻璃上充气微通 道 24， 在充气通道 24 正下方对应的硅上制作一层薄薄的 SiO2层 26， 最后将打孔玻璃跟之 前的Si-Glass键合片进行正面阳极键合， 制作得到待充气和密封的微型CPT原子钟的碱金 属蒸汽腔。之后进行充气和封堵过程， 本实施。
39、例中的碱金属蒸汽腔芯片制作方法与实施例 1 中提到的充气和封堵系统、 充气封堵方法一起构成实施例 4。 0061 由以上技术方案可以看出， 本发明可以使原子钟碱金属蒸汽腔的制作与现有的制 作方法相比， 具有以下优点 ： 0062 （4） 原子钟碱金属蒸汽腔内不易引入杂质而引起频率漂移。由于不需要在蒸汽腔 内通过反应的方法获得碱金属元素， 在碱金属蒸汽储存装置出来的碱金属蒸汽是非常纯净 的碱金属单质蒸汽， 因而在蒸汽腔内不易引入杂质， 不会出现由于缓冲气体消耗而引起的 频率漂移现象。 0063 （5） 此方法对操作的要求相对较低， 只需要根据流量计与真空计的指示操作阀门 的开关， 用计算机控制 。
40、CO2激光器的熔融封堵过程， 不需要在手套箱内用微吸管向小腔体内 滴化合物的水溶液等高难度的操作， 同时也不需要开发复杂的专用设备。 0064 （6） 此方法可以进行批量化制作， 可以大大的降低制作成本， 同时也具有很高的可 靠性。 0065 本发明所提出的碱金属蒸汽腔的充气和封堵方法及系统适用于微型 CPT 原子钟 的批量化制造， 但并不仅限于此。 本发明微型原子磁强计、 微型原子陀螺仪等领域也有广泛 的应用前景。 0066 本发明可以用于微型原子磁强计的批量化制作。 利用充入碱金属蒸汽和缓冲气体 的碱金属蒸汽腔制作的毫米尺寸量级的高灵敏度微型原子磁强计具有灵敏度高、 尺寸小、 功耗低等优点。
41、。 CPT原子磁强计是基于全光共振， 其磁探头不需要射频线圈， 结合MEMS制作 工艺可以使磁探头的尺寸非常小从而提高空间分辨率 ； 根据 CPT 信号中心频率与磁场强度 的关系， 可以用来鉴别磁场的微弱变化。Scully 等曾预言 , 利用此原理的磁力计 , 其磁场 测量的极限分辨能力可达 0.1fT 水平 ； 同时由于 CPT 磁强计不存在射频线圈产生额外磁场 说 明 书 CN 103342335 A 9 7/7 页 10 噪声的问题 , 可以使对外磁场的测量更加准确。 0067 本发明可以用于微型原子陀螺仪的批量化制作。 利用碱金属蒸汽腔制作的微型原 子陀螺仪， 利用类似光学陀螺仪中的萨。
42、格奈克效应 , 在原子干涉仪环路中 , 原子感受到科 里奥利加速度， 利用旋转引起的相移和旋转速度的关系来提取旋转速率， 其精度和分辨率 相对于目前的陀螺都有大幅度提高， 是下一代的高精度陀螺。基于本发明制作微型原子陀 螺仪具有精度高、 体积小、 功耗低、 成本低都优势， 具有良好的应用前景。 0068 上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。 熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改， 并把在此说明的一般 原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。 因此， 本发明不限于这里的实施例， 本 领域技术人员根据本发明的揭示， 对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范 围之内。 说 明 书 CN 103342335 A 10 1/4 页 11 图 1 图 2a 图 2b 说 明 书 附 图 CN 103342335 A 11 2/4 页 12 图 3a 图 3b 图 4a 说 明 书 附 图 CN 103342335 A 12 3/4 页 13 图 4b 图 5a 图 5b 图 6a 图 6b 说 明 书 附 图 CN 103342335 A 13 4/4 页 14 图 6c 图 6d 说 明 书 附 图 CN 103342335 A 14 。