CN114136377A - 一种碱金属原子气室及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碱金属原子气室及其制造方法，其中碱金属原子气室包括下层蓝宝石晶片、上层蓝宝石晶片、化学反应腔、光作用腔、微通道、小孔、玻璃导管以及碱金属化合物，化学反应腔和光作用腔形成于下层蓝宝石晶片中，高度小于下层蓝宝石晶片的厚度，碱金属化合物填充在化学反应腔中，微通道连通化学反应腔和光作用腔，微通道的宽度小于化学反应腔和光作用腔的宽度，高度小于下层蓝宝石晶片的厚度，小孔形成于上层蓝宝石晶片上并与化学反应腔连通，小孔的横截面积小于化学反应腔的横截面积，玻璃导管与小孔连接，直径大于小孔的直径，并通过小孔与化学反应腔连通。本发明能够解决现有技术的碱金属原子气室耐高温性能差、碱金属渗透损耗的问题。
Description
技术领域
本发明属于原子气室制造技术领域，涉及一种碱金属原子气室及其制造方法。
背景技术
芯片原子钟、芯片长度标准测量装置、芯片多普勒展宽测温、芯片电压和电流测量装置、原子磁力仪、原子陀螺仪等可以测量时间、长度、温度、电压和电流、磁场、旋转等物理量，在通信、医学和导航领域中有广泛的应用。碱金属原子气室是这些量子仪表的核心物理部件，决定其体积、精度、功耗与稳定度。
原子气室通常为内部密封了碱金属蒸气与惰性气体的透明玻璃腔室或玻璃/硅片/玻璃腔室，利用玻璃吹制法、微电子机械***(MEMS)超精细加工工艺法或机械加工结合阳极键合工艺法可实现原子气室的制造。一些碱金属原子气室的实验需要通过高温来增加碱金属原子的数量密度。然而，在光学实验中使用玻璃原子气室时，有一个大约200℃的温度上限。在高温下，碱金属原子会与原子气室的玻璃内壁发生化学反应，形成渗透到玻璃内部几十微米深度的渗透层，玻璃会变得机械弱性并且变色。虽然铝硅酸盐玻璃比硼硅酸盐和硅玻璃更能抵抗碱金属的侵蚀，但在350℃下使用数周后，腐蚀性的碱液会使铝硅酸盐变成不透明的棕色，影响原子气室的寿命和稳定性。
目前的碱金属原子气室存在着难以在高温下长期稳定工作的问题，限制了许多原子物理实验的研究以及原子器件高温下的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种碱金属原子气室及其制造方法，解决现有技术的碱金属原子气室耐高温性能差、碱金属渗透损耗的问题。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种碱金属原子气室，包括下层蓝宝石晶片、上层蓝宝石晶片、化学反应腔、光作用腔、微通道、小孔、玻璃导管以及碱金属化合物，所述化学反应腔和所述光作用腔形成于所述下层蓝宝石晶片中，所述碱金属化合物填充在所述化学反应腔中，所述化学反应腔和所述光作用腔的高度小于所述下层蓝宝石晶片的厚度，所述微通道连通所述化学反应腔和所述光作用腔，所述微通道的宽度小于所述化学反应腔和所述光作用腔的宽度，高度小于所述下层蓝宝石晶片的厚度，所述小孔形成于所述上层蓝宝石晶片上并与所述化学反应腔连通，所述小孔的横截面积小于所述化学反应腔的横截面积，所述玻璃导管与所述小孔连接，并通过所述小孔与所述化学反应腔连通，所述玻璃导管的直径大于所述小孔的直径。
优选地，所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片为透明双面抛光蓝宝石。
优选地，所述化学反应腔和所述光作用腔为圆形槽或方形槽。
本发明的另一个方面提供一种上述的碱金属原子气室的制造方法，包括：步骤S1：在所述下层蓝宝石晶片上加工多个所述化学反应腔、微通道以及光作用腔；步骤S2：在所述上层蓝宝石晶片上加工多个小孔；步骤S3：对所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片进行预键合处理；步骤S4：将上述预键合处理后的所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片进行高温直接键合，形成蓝宝石-蓝宝石结构；步骤S5：将形成的蓝宝石-蓝宝石结构切割成单个的原子气室；步骤S6：将所述玻璃导管与所述小孔进行焊接，使所述玻璃导管与所述化学反应腔连通；步骤S7：通过所述玻璃导管将碱金属化合物填充到所述化学反应腔中；步骤S8：在真空环境下燃烧密封所述玻璃导管；步骤S9：激光辐照所述化学反应腔，使所述化学反应腔中的碱金属化合物分解得到碱金属原子，并经所述微通道扩散到所述光作用腔。
优选地，所述碱金属原子气室的制造方法在步骤S1之前还包括：将所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片依次放入丙酮、乙醇和去离子水中进行清洗并烘干。
优选地，所述预键合处理包括：对所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片的键合面进行抛光处理和表面活化处理。
优选地，所述预键合处理还包括：对所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片进行亲水处理，使键合面吸附高浓度的-OH基团。
优选地，所述碱金属原子气室的制造方法在步骤S2之后、步骤S3之前还包括：对加工后的所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片进行超声腐蚀。
优选地，所述碱金属化合物为碱金属叠氮化物，在步骤S7中，将碱金属叠氮化物溶解，通过所述玻璃导管将溶液填充到所述化学反应腔中，再通过烘烤将溶液中的水分去除，在所述化学反应腔中留下固体的碱金属叠氮化物。
优选地，在步骤S9中，激光辐照所述化学反应腔，使所述化学反应腔中的碱金属叠氮化物分解成碱金属原子和氮气，经所述微通道扩散到所述光作用腔，获得以氮气作为缓冲气体的碱金属原子气室。
本发明的碱金属原子气室及其制造方法能够解决现有技术的碱金属原子气室耐高温性能差、碱金属渗透损耗的问题。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的碱金属原子气室的结构示意图；
图2为本发明一种实施方式的下层蓝宝石晶片的平面示意图；
图3为本发明一种实施方式的上层蓝宝石晶片的平面示意图；
图4为本发明一种实施方式的碱金属原子气室的制造方法的流程图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明的实施方式提供一种碱金属原子气室，适用于耐高温高精度量子仪表。图1为本发明一种实施方式的碱金属原子气室的结构示意图。如图1所示，本发明实施方式的碱金属原子气室包括下层蓝宝石晶片1、上层蓝宝石晶片2、化学反应腔3、光作用腔5、微通道4、小孔6、玻璃导管7以及碱金属化合物8。
下层蓝宝石晶片1和上层蓝宝石晶片2的材料可以为透明双面抛光蓝宝石，尺寸可以为2英寸、4英寸、6英寸等，厚度可以为200～1000μm。
图2为本发明一种实施方式的下层蓝宝石晶片的平面示意图。如图1和图2所示，化学反应腔3和光作用腔5形成于下层蓝宝石晶片1中。化学反应腔3用于填充碱金属化合物8以及用于碱金属化合物8发生化学反应生成碱金属原子。化学反应腔3的腔体的横截面长度可以为200～4000μm，宽度为200～4000μm，腔体高度为200～800μm。化学反应腔3的腔体的高度小于下层蓝宝石晶片2的厚度，化学反应腔3可以为圆形槽或者方形槽，但不限于这两种形状。
光作用腔5用于光与碱金属化合物8发生化学反应生成的碱金属原子作用。光作用腔5的腔体的横截面长度可以为1000～6000μm，宽度为1000～6000μm，腔体高度为200～800μm，光作用腔5的腔体高度小于下层蓝宝石晶片2的厚度，光作用腔5可以为圆形槽或者方形槽，但不限于这两种形状。
微通道4连通化学反应腔3和光作用腔5。微通道4的长度可以为200～1000μm，宽度为10～200μm，高度为10～500μm。微通道4的宽度小于化学反应腔3和光作用腔5的宽度，高度小于下层蓝宝石晶片1的厚度，用于将碱金属原子及缓冲气体传输到光作用腔5。
图3为本发明一种实施方式的上层蓝宝石晶片的平面示意图。如图1和图3所示，小孔6形成于上层蓝宝石晶片2上并与化学反应腔3连通，小孔6的横截面积小于化学反应腔3的横截面积。小孔6的直径可以为600～1000μm。
玻璃导管7与小孔6连接，并通过小孔6与化学反应腔3连通，玻璃导管7的直径大于小孔6的直径。在此，玻璃导管7的直径只要略大于小孔6的直径，从而通过燃烧玻璃导管7能够密封小孔6即可。玻璃导管7的材料不限于硼硅酸盐玻璃等。玻璃导管7的直径可以为1000～2000μm。
本发明的实施方式还提供一种上述的碱金属原子气室的制造方法。图4为本发明一种实施方式的碱金属原子气室的制造方法的流程图。如图4所示，本实施方式的碱金属原子气室的制造方法包括步骤S1～S9。
在步骤S1中，利用飞秒激光技术在下层蓝宝石晶片1上加工多个化学反应腔3、微通道4以及光作用腔5。这里不限于飞秒激光技术，也可以使用干法刻蚀、湿法刻蚀等技术。
在步骤S1之前，本实施方式的制造方法还可以包括：将下层蓝宝石晶片1和上层蓝宝石晶片2依次放入丙酮、乙醇和去离子水中进行清洗并烘干，去除蓝宝石表面的杂质。
在步骤S2中，利用紫外激光钻孔技术在上层蓝宝石晶片2上加工多个小孔6。这里不限于紫外激光钻孔技术，也可以使用干法刻蚀、湿法刻蚀等技术。
在步骤S3中，对下层蓝宝石晶片1和上层蓝宝石晶片2进行预键合处理。所述预键合处理可以包括对下层蓝宝石晶片1和上层蓝宝石晶片2的键合面(要键合的晶片表面)进行抛光处理，防止在键合过程中由于键合面粗糙引起裂片。所述预键合处理还可以包括对下层蓝宝石晶片1和上层蓝宝石晶片2的键合面进行表面活化处理。具体地，可以将下层蓝宝石晶片1和上层蓝宝石晶片2清洗后放入氧气等离子体***中对晶片表面活化赋能。晶片表面活化主要是通过离子对晶片表面的机械撞击及溅射来增加悬挂键，对晶片表面赋能，使其具有很强的吸附能力，晶片键合界面就可具有较强的键和强度。
所述预键合处理还可以包括：对下层蓝宝石晶片1和上层蓝宝石晶片2的进行亲水处理，使键合面吸附高浓度的-OH基团。室温下将已吸附-OH基团的两块蓝宝石晶片键合面面对面接触，则上下表面上的-0H基团会迅速形成氢键的作用，使两片蓝宝石晶片无需加压就能结合在一起。
在步骤S2之后、步骤S3之前，本实施方式的制造方法还可以包括：对加工后的下层蓝宝石晶片1和上层蓝宝石晶片2进行超声腐蚀。具体地，利用一定浓度的酸溶液(例如氢氟酸溶液)对步骤S1和步骤S2中加工后的下层蓝宝石晶片1和上层蓝宝石晶片2进行超声腐蚀，去除激光加工后蓝宝石上的颗粒杂质和损伤。
在步骤S4中，将上述预键合处理后的下层蓝宝石晶片1和上层蓝宝石晶片2放入热压炉中进行高温直接键合，键合温度可以为800～1200℃，键合压力为3～6MPa，键合时间1～3个小时，形成蓝宝石-蓝宝石结构。
在步骤S5中，利用紫外激光划片等工艺将步骤S4中形成的蓝宝石-蓝宝石结构切割成单个的原子气室。在步骤S6中，将玻璃导管7与小孔6进行焊接，使玻璃导管7与化学反应腔3连通。
在步骤S7中，通过玻璃导管7将碱金属化合物8填充到化学反应腔3中。在以N2作为缓冲气体的情况下，碱金属化合物8可以是碱金属叠氮化物。在该步骤中，可以将碱金属叠氮化物溶解在蒸馏水中，然后用微量进样器通过玻璃导管7将溶液定量填充到化学反应腔3中，再通过烘烤将溶液中的水分去除，在化学反应腔3中留下固体的碱金属化合物8。
在步骤S8中，在真空环境下燃烧密封玻璃导管7，完成原子气室的密封。在步骤S9中，采用紫外激光辐照化学反应腔3，辐照足够长时间，使化学反应腔3中的碱金属化合物8分解得到碱金属原子，并经微通道4扩散到光作用腔5。在碱金属化合物8是碱金属叠氮化物的情况下，使化学反应腔3中的叠氮化物分解成碱金属原子和N2，经微通道4扩散到光作用腔5，获得以N2作为缓冲气体的碱金属原子气室。
综上所述，本发明实施方式的碱金属原子气室及其制造方法通过制造蓝宝石原子气室，既保留了传统MEMS原子气室便于集成的优点，又解决了传统碱金属原子气室耐高温性能差、碱金属渗透损耗的问题，有效提高了原子气室的寿命和稳定性。本发明实施方式的碱金属原子气室结构简单，效果显著，易于实施，可实现批量化生产。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施方式，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施方式进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种碱金属原子气室，其特征在于，包括下层蓝宝石晶片、上层蓝宝石晶片、化学反应腔、光作用腔、微通道、小孔、玻璃导管以及碱金属化合物，所述化学反应腔和所述光作用腔形成于所述下层蓝宝石晶片中，所述碱金属化合物填充在所述化学反应腔中，所述化学反应腔和所述光作用腔的高度小于所述下层蓝宝石晶片的厚度，所述微通道连通所述化学反应腔和所述光作用腔，所述微通道的宽度小于所述化学反应腔和所述光作用腔的宽度，高度小于所述下层蓝宝石晶片的厚度，所述小孔形成于所述上层蓝宝石晶片上并与所述化学反应腔连通，所述小孔的横截面积小于所述化学反应腔的横截面积，所述玻璃导管与所述小孔连接，并通过所述小孔与所述化学反应腔连通，所述玻璃导管的直径大于所述小孔的直径。
2.如权利要求1所述的碱金属原子气室，其特征在于，所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片为透明双面抛光蓝宝石。
3.如权利要求1或2所述的碱金属原子气室，其特征在于，所述化学反应腔和所述光作用腔为圆形槽或方形槽。
4.一种权利要求1-3中任一项所述的碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在所述下层蓝宝石晶片上加工多个所述化学反应腔、微通道以及光作用腔；
步骤S2：在所述上层蓝宝石晶片上加工多个小孔；
步骤S3：对所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片进行预键合处理；
步骤S4：将上述预键合处理后的所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片进行高温直接键合，形成蓝宝石-蓝宝石结构；
步骤S5：将形成的蓝宝石-蓝宝石结构切割成单个的原子气室；
步骤S6：将所述玻璃导管与所述小孔进行焊接，使所述玻璃导管与所述化学反应腔连通；
步骤S7：通过所述玻璃导管将碱金属化合物填充到所述化学反应腔中；
步骤S8：在真空环境下燃烧密封所述玻璃导管；
步骤S9：激光辐照所述化学反应腔，使所述化学反应腔中的碱金属化合物分解得到碱金属原子，并经所述微通道扩散到所述光作用腔。
5.如权利要求4所述的碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：将所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片依次放入丙酮、乙醇和去离子水中进行清洗并烘干。
6.如权利要求4或5所述的碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，所述预键合处理包括：对所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片的键合面进行抛光处理和表面活化处理。
7.如权利要求6所述的碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，所述预键合处理还包括：对所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片进行亲水处理，使键合面吸附高浓度的-OH基团。
8.如权利要求4-7中任一项所述的碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，在步骤S2之后、步骤S3之前还包括：对加工后的所述下层蓝宝石晶片和所述上层蓝宝石晶片进行超声腐蚀。
9.如权利要求4-8中任一项所述的碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，所述碱金属化合物为碱金属叠氮化物，在步骤S7中，将碱金属叠氮化物溶解，通过所述玻璃导管将溶液填充到所述化学反应腔中，再通过烘烤将溶液中的水分去除，在所述化学反应腔中留下固体的碱金属叠氮化物。
10.如权利要求9所述的碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，在步骤S9中，激光辐照所述化学反应腔，使所述化学反应腔中的碱金属叠氮化物分解成碱金属原子和氮气，经所述微通道扩散到所述光作用腔，获得以氮气作为缓冲气体的碱金属原子气室。
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| CN202111479150.1A Pending CN114136377A (zh) | 2021-12-02 | 2021-12-02 | 一种碱金属原子气室及其制造方法 |
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2021
- 2021-12-02 CN CN202111479150.1A patent/CN114136377A/zh active Pending
Patent Citations (8)
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 李新坤 等: "碱金属原子气室研究进展", 《导航与控制》, vol. 19, no. 1, 29 February 2020 (2020-02-29), pages 125 - 132 * |
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