一种集成抗弛豫OTS膜的MEMS碱金属气室结构及其制备方法

本发明涉及微机械电子系统(mems)领域与量子传感领域，具体为一种集成抗弛豫ots膜的mems碱金属气室结构及其制备方法。

背景技术：

1、随着原子钟和原子磁强计在内的原子器件技术不断发展，为了满足便携式应用需求，使用mems工艺制作的气室具有体积小，可批量制造等特点，使得芯片级原子钟和原子磁强计的批量生产成为现实。与使用非mems微型碱金属气室的原子磁强计相比，使用mems微型碱金属气室的芯片级原子磁强计由于碱金属原子和气室壁碰撞次数显着增加导致原子极化寿命缩短，因此，其灵敏度会变差。为了提高mems微型碱金属气室中碱金属的极化寿命，可在气室中充入缓冲气体或者在气室壁镀抗弛豫膜。与充入缓冲气体相比，气室壁制作有抗弛豫膜的碱金属气室具有更低功率和更低压力展宽等优点。为了保证mems碱金属气室的气密性，目前常用的气室制作工艺为阳极键合工艺。但ots膜因无法在碱金属蒸汽作用时耐受170℃上高温，而常规阳极键合工艺大多在200℃以上进行，因此亟需通过改进气室结构和工艺方法来制造集成抗弛豫ots膜的mems碱金属气室。

技术实现思路

1、为了调高基于mems碱金属气室的原子磁强计灵敏度，本发明提出一种集成抗弛豫ots膜的mems碱金属气室结构及其制备方法，以解决阳极键合工艺(温度通常大于200℃)与抗弛豫ots膜(耐温上限170℃)工艺的温度兼容性问题，为制备具有低功耗、低压力展宽等特点的芯片级原子钟和原子磁强计等原子器件奠定技术基础。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种集成抗弛豫ots膜的mems碱金属气室结构，包括第一玻璃片、高阻硅片和第二玻璃片，高阻硅片中设有工作腔、辅助腔和连接通道，工作腔在高阻硅片的厚度方向上贯穿高阻硅片，辅助腔和连接通道在高阻硅片的厚度方向上未贯穿高阻硅片并留有一层硅隔膜，第一玻璃片和第二玻璃片分别键合于高阻硅片的两侧并将工作腔、辅助腔和连接通道密封，工作腔的表面、第一玻璃片和第二玻璃片上与工作腔相对的表面均设有抗弛豫ots膜；所述辅助腔内设有碱金属液体单质，工作腔、辅助腔和连接通道内填充有保护气体；硅隔膜与第二玻璃片之间留有预设间隙，连接通道的一端与工作腔连通，连接通道的另一端与硅隔膜和第二玻璃片之间的间隙连通；

4、在高阻硅片和第一玻璃片键合而成的整体结构和第二玻璃片阳极键合时，碱金属液体单质和抗弛豫ots膜通过硅隔膜隔开，第二次阳极键合完成后，采用激光将硅隔膜居中部分烧穿，形成辅助腔通道；硅隔膜上在与第二玻璃片之间的间隙处设置有档条，档条的作用是阻止激光烧蚀硅隔膜后的硅碎屑进入连接通道。

5、优选的，所述档条与连接通道端部之间留有预设距离，档条与连接通道的端部垂直，档条的顶部与连接通道的顶部平齐；档条两端留有空隙，碱金属液体单质的蒸汽能够通过档条两侧的空隙进入连接通道。

6、优选的，档条与第一玻璃片通过阳极键合固定。

7、优选的，辅助腔通道的径向尺寸小于档条的长度；辅助腔通道与档条之间留有间距。

8、本发明如上所述的集成抗弛豫ots膜的mems碱金属气室结构的制备方法，包括如下步骤：

9、s1，在高阻硅片的正面溅射一层铝掩膜，在高阻硅片的背面溅射一层铬掩膜，之后在铬掩膜表面溅射一层金掩膜；

10、s2，在铝掩膜表面旋涂一层光刻胶，将工作腔对应区域的光刻胶光刻掉，然后以剩余的光刻胶作为掩膜，用铝腐蚀液将工作腔对应区域的铝掩膜去除；

11、s3，将工作腔在高阻硅片正面对应的区域刻蚀一定深度，以后续形成硅隔膜；

12、s4，在铝掩膜表面以及高阻硅片上工作腔对应的区域旋涂一层光刻胶，将辅助腔对应区域的光刻胶光刻掉，然后以剩余的光刻胶作为掩膜，用铝腐蚀液将辅助腔对应区域的铝掩膜去除；

13、s5，将工作腔和辅助腔刻蚀至设定深度，之后使用铝腐蚀液将硅片正面的铝掩膜完全腐蚀掉；

14、s6，去除工作腔、辅助腔、挡条和连接通道在高阻硅片背面区域对应的铬掩膜和金掩膜；

15、s7，保留剩余的铬掩膜和金掩膜，并从高阻硅片背面将工作腔完全刻穿，高阻硅片背面在辅助腔对应区域保留预设厚度的硅隔膜，档条和连接通道通过刻蚀形成；

16、s8，从高阻硅片正面向辅助腔内填充碱金属液体单质；

17、s9，在保护气氛下，将第一玻璃片和高阻硅片正面键合在一起，使得碱金属液体单质封闭于辅助腔中；

18、s10，将第一玻璃片上工作腔对应的区域以及高阻硅片上工作腔对应的区域进行表面羟基化；

19、s11，将s10得到的器件浸泡在ots溶液预设时间，之后将器件取出后清洗、真空烘烤，在第一玻璃片上工作腔对应的区域以及高阻硅片上工作腔对应的区域形成所述抗弛豫ots膜，之后去除铬掩膜和金掩膜；

20、s12，通过掩膜法在第二玻璃片表面上制备抗弛豫ots膜，之后去除掩膜；

21、s13，在保护气氛中，将经s12处理后的第二玻璃片与s11得到的器件的高阻硅片的背面进行键合；

22、s14，采用激光将高阻硅片上硅隔膜对应区域烧穿形成辅助腔通道；

23、s15，真空条件下，将s14得到的器件进行烘烤，使得气室中碱金属原子的密度增加，使抗弛豫ots膜熟化，得到所述集成抗弛豫ots膜的mems碱金属气室结构。

24、优选的，s9中，将第一玻璃片和高阻硅片正面键合在一起时，先将第一玻璃片和高阻硅片正面进行非等温预键合30-40min，阳极键合机上极板温度280-290℃，下极板温度40-50℃，电压1000-1200v；之后等温键合30-40min，阳极键合机上下两极板280-290℃，电压1000-1200v。

25、优选的，s10中，将第一玻璃片上工作腔对应的区域以及高阻硅片上工作腔对应的区域通过食人鱼溶液进行表面羟基化。

26、优选的，s11中，所述ots溶液的浓度为2-5mmol/l。

27、优选的，s11中，将s10得到的器件在ots溶液中浸泡时间为15-20min，清洗时采用氯仿，烘烤温度为120-130℃，烘烤时间为8-12h。

28、优选的，s15中，将s14得到的器件在80-90℃下进行烘烤2-3天。

29、与现有技术相比，本发明集成以下有益效果：

30、本发明提出的一种集成抗弛豫ots膜的mems碱金属气室结构中，工作腔的表面、第一玻璃片和第二玻璃片上与工作腔相对的表面均设有抗弛豫ots膜，使用气室应用于原子器件时，可以延长原子的自旋极化寿命，提高测量精度；相较于使用缓冲气体进行抗弛豫的气室而言，所发明的气室需要的泵浦光功率更低，有利于原子器件小型化，同时减弱了磁场梯度对碱金属原子的影响，且在测量共振谱线时，具有更小的压力展宽。

31、本发明制备方法中，该结构基于ots膜在无碱金属蒸汽作用时相比于与碱金属蒸汽作用时可耐更高温度的原理，在辅助腔对应区域保留预设厚度的硅隔膜，采用硅隔膜在阳极键合时隔绝碱金属蒸汽与ots膜，使得抗弛豫ots膜与阳极键合温度兼容。综上，本发明解决了阳极键合工艺与抗弛豫ots膜工艺的温度兼容性问题，为制备具有低功耗、低压力展宽特点的芯片级原子钟和原子磁强计等原子器件奠定技术基础。