一种全玻璃碱金属原子气室的制备方法与流程

本发明属于精密测量技术领域，具体是原子钟、原子陀螺仪、原子光学磁力仪等领域，涉及一种全玻璃碱金属原子气室的制备方法，可用于百微米左右尺寸气室的制备。

技术背景

作为目前精密测量领域的新技术，原子钟、原子陀螺仪、原子光学磁力仪这些新一代量子传感器都是目前精密测量领域迫切需要的。碱金属原子气室作为这些设备的核心部件，也是这些传感器性能提升的关键所在。

为了制备适合的原子气室，近年来有多种技术手段被提出，主要包括三类：玻璃吹注成形技术，采用mems工艺结合阳极键合成形的加工技术，另外也有采用机械加工结合阳极键合成形的办法。其中：

(1)玻璃吹注成形的原子腔加工技术，通常被用来制造尺寸大于毫米的较大原子气室，同时该技术所能加工的原子腔在形貌上也受到一定限制，无法保证原子气室透光面的平整。

(2)采用mems工艺结合阳极键合形成碱金属原子腔的技术，可以用来制造尺寸较小的原子气室，也可以保证气室透光面的平整度。然而采用这种技术，因为阳离子键合技术对设备条件要求高，制备过程中需要高温高压，采用这种加工方式来制备原子气室，也会在碱金属的加注上存在困难，通常采用碱金属化合物的加注方法，造成这种技术很难保证气室内碱金属的纯度。

(3)采用机械加工结合阳极键合的办法形成碱金属原子腔的技术，这种技术通过机械加工气室的各个面，之后采用阳极键合的办法形成气室。这种技术支持相比常规的阳极键合可以使用更多的材料来制备原子气室，但是依然存在着碱金属加注困难的问题，同时难以实现尺寸小于毫米的碱金属原子气室。

目前的碱金属气室加工技术存在着难以在较低温度的加工条件下，实现可填充纯碱金属的微米尺度气室的问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种全玻璃碱金属原子气室的制备方法。

本发明中的碱金属原子气室为带有纯碱金属注入通道的微米尺度原子气室，具体包括：

原子气室主体结构，作为原子气室的主要工作空间；所述的原子气室主体结构为全玻璃包围的腔体，腔体的纵截面宽度为1～500μm，高度为1～500μm，总长度l为500～5000μm；

碱金属原子填充通道，用于碱金属进入到原子气室内；所述的碱金属原子填充通道为开设在原子气室主体结构一端的微孔，微孔的截面面积s为10μm²～10mm²；

碱金属原子注入通道，用于纯碱金属的直接加注及烧结封闭后密闭气室的成形；所述的碱金属原子注入通道为连接碱金属原子填充通道的玻璃微管，玻璃微管的横截面面积s′＝ks,k＝1.01～1.1。

具体制备方法如下：

步骤1.选取玻璃基底作为气室的加工材料，采用激光或者meme加工工艺在玻璃基底表面进行微通道成形加工，形成原子气室主体结构形貌；原子气室主体结构形貌为槽状，其纵截面的宽度为1～500μm，深度为1～500μm，总长度为500～5000μm；

步骤2.在原子气室主体结构形貌的一端采用微小结构成形加工方法加工出通孔，形成碱金属原子填充通道；加工的通孔横截面面积s控制在2μm²～2mm²；

步骤3.选取另一个玻璃基底，与玻璃基底的形成原子气室主体结构形貌的一面进行键合封闭，形成原子气室主体结构；

步骤4.加工玻璃毛细管，玻璃毛细管的的横截面面积s′略大于通孔横截面面积s，s′＝ks,k＝1.01～1.1，将玻璃毛细管的一端与通孔的开放端相互键合，形成碱金属原子注入通道；

步骤5.采用纯碱金属加注工艺，通过玻璃毛细管加注所需的纯碱金属之后，采用玻璃烧结的方法封闭碱金属气室，自然形成封闭结构，形成闭合的碱金属原子气室。

所述的玻璃为石英玻璃、高硼硅玻璃、或软玻璃。

本发明方法提出了采用激光加工，结合可低温的键合办法，完成整体气室的加工。同时提出了大尺度碱金属加注通道和微米尺度气室结合的结构，可以满足百微米尺度气室加注纯碱金属的要求。

本发明提出了微小的碱金属原子气室连通较大的碱金属注入通道，可以实现在微小碱金属原子气室中直接加入纯碱金属，拓展了碱金属原子气室的成形范围。相比传统采用mems加工，阳极键合的制造方法，本发明所提出的制造方法可以实现全玻璃腔体的碱金属原子气室，制造成本低，同时可以实现气室的批量化制备。

附图说明

图1为本发明的碱金属原子气室结构示意图；

图2为制备方法步骤1的示意图；

图3为制备方法步骤2的示意图；

图4为制备方法步骤3的示意图；

图5为制备方法步骤4的示意图；

图6为制备方法步骤5的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明方法做进一步说明。

一种全玻璃碱金属原子气室，结构如图1所示，包括：

原子气室主体结构ⅰ，作为原子气室的主要工作空间；

碱金属原子填充通道ⅱ，用于碱金属进入到原子气室内；

碱金属原子注入通道ⅲ，用于纯碱金属的直接加注及烧结封闭后密闭气室的成形。

具体制备方法如下：

步骤1.如图2，选取玻璃基底1作为气室的加工材料，玻璃基底为石英玻璃、高硼硅玻璃、或软玻璃；采用现有的激光或者meme加工工艺在玻璃基底1表面进行微通道成形加工，形成原子气室主体结构形貌2；原子气室主体结构形貌2为槽状，其纵截面的宽度a为1～500μm，深度h为1～500μm，总长度l为500～5000μm；

步骤2.如图3，在原子气室主体结构形貌2的一端采用微小结构成形加工方法加工出通孔3，形成碱金属原子填充通道ⅱ；加工的通孔3横截面面积s控制在2μm²～2mm²；

步骤3.如图4，选取另一个玻璃基底4，与玻璃基底1的形成原子气室主体结构形貌2的一面进行键合封闭，形成原子气室主体结构ⅰ；

步骤4.如图5，采用常规的玻璃工艺加工玻璃毛细管5，玻璃毛细管5的的横截面面积s′略大于通孔3横截面面积s，s′＝ks,k＝1.01～1.1，将玻璃毛细管5的一端与通孔3的开放端相互键合，形成碱金属原子注入通道ⅲ；

步骤5.如图6，采用现有的纯碱金属加注工艺，通过毛细管5加注所需的纯碱金属之后，采用玻璃烧结的方法封闭碱金属气室，自然形成封闭结构6，形成闭合的碱金属原子气室。

技术特征：技术总结本发明涉及一种全玻璃碱金属原子气室的制备方法。目前加工技术难以在较低温度条件下实现可填充纯碱金属的微米尺度气室。本方法首先在玻璃基底表面进行微通道成形加工，形成原子气室主体结构形貌，在该形貌一端加工出通孔，形成碱金属原子填充通道；然后用另一个玻璃基底对前玻璃基底进行键合封闭，形成原子气室主体结构；将玻璃毛细管一端与通孔的开放端相互键合，形成碱金属原子注入通道，通过玻璃毛细管加注所需纯碱金属之后，采用玻璃烧结的方法封闭碱金属气室，自然形成封闭结构，形成闭合的碱金属原子气室。本发明方法实现了全玻璃腔体碱金属原子气室，制造成本低，可满足百微米尺度气室加注纯碱金属要求，同时可以实现气室的批量化制备。技术研发人员：李德钊;吴彬;张桂迎;李衎;林强受保护的技术使用者：浙江工业大学技术研发日：2019.03.27技术公布日：2019.07.16