一种基于MEMS技术的芯片级碱金属原子气室

本技术属于涉及原子钟、原子磁力仪、原子陀螺仪等器件的，具体涉及一种基于微机电系统（mems, micro-electro-mechanical systems）技术的芯片级碱金属原子气室。

背景技术：

1、原子气室是众多原子器件的核心部分，例如原子钟、原子磁力仪等。通过mems技术制作原子气室实现了这些器件的小型化。这种原子气室通常是由玻璃-硅-玻璃三层结构构成。常见的做法是采用刻蚀工艺在硅上形成通孔，再通过阳极键合技术在硅的两面各键合一片玻璃，从而将所需要的碱金属原子封闭在硅通孔中形成原子气室。

2、原子气室通常可以分为单腔室原子气室和双腔室原子气室，这是由于制作方法不同导致的。不同的器件，对原子气室的规格尺寸要求不同。例如原子磁力仪，通常需要有足够的光路空间来使探测光与原子气室中的碱金属原子充分作用，才能形成易于检测到的光信号，穿过原子气室的探测光过短会导致光信号无法被检测到或者检测结果不准确。通常情况下，穿过原子气室的光路长度即为硅片的厚度。此外，由于制作原子气室使用的不同工艺方法以及某些阳极键合设备对硅圆晶厚度的最低限制等因素影响，在制作原子气室时有时需要对较厚的硅片进行硅通孔结构加工。

3、湿法腐蚀和干法刻蚀是两种常用的硅通孔加工技术。湿法腐蚀一般适用于单腔室原子气室的制作。采用湿法腐蚀对硅片进行加工时，需要将硅片浸泡在腐蚀液中。当需要腐蚀较厚的硅片时，需要长时间浸泡，这对硅掩蔽层的质量和抗腐蚀能力要求较高，而且腐蚀液的组分、浓度、温度以及硅片本身的纯度等众多因素都会对硅的腐蚀速率和腐蚀效果产生影响，长时间的腐蚀可能会导致这些因素变得不可控从而使对硅的腐蚀失败。相比之下，干法刻蚀的影响因素则少得多。由于干法腐蚀具有高加工精度，可以用来刻蚀腔室间的沟道，因而干法刻蚀常用于制作单腔室原子气室和双腔室原子气室。然而干法刻蚀虽然具有高深宽比，但随着刻蚀深度的增加，刻蚀难度将逐渐增大。当刻蚀达到一定的深度以后，刻蚀将很难继续进行下去。因此，当需要刻蚀的通孔达到一定的深度时，干法刻蚀将不再适用。除此之外，干法刻蚀的成本较高，这与发展低成本原子气室的理念相违背，不利于相关器件的发展。

4、对于采用较厚的硅片制作原子气室常常还会用到机械钻孔的方法，但机械钻孔不仅会导致原子气室的内壁非常粗糙，而且在钻孔过程中会出现内应力过于集中，从而对机械器具造成损伤并且极易使硅片裂开。

5、随着激光技术的不断进步和完善，激光打孔技术也日益成熟。采用激光打孔技术，可以避免与硅的物理接触，减少加工过程中的摩擦和磨损从而延长设备的寿命，而且激光打孔对于打孔材料和打孔的深度没有限制。通过计算机自动控制还可以实现激光打孔的数字化控制，在生产过程中无需人工干预，大大提高了生产效率。但是利用激光打孔技术直接对硅片进行通孔结构加工，会在孔边缘发生物质堆积使硅片表面变得粗糙，这非常不利于后续采用阳极键合工艺对原子气室内部气体环境进行密封。

技术实现思路

1、有鉴于此，本实用新型旨在提供一种基于mems技术的芯片级碱金属原子气室的制作方法，实现对任意深度硅通孔结构的加工，弥补采用mems湿法或干法加工工艺制作原子气室时在深硅通孔结构加工上的不足，并且这种制作方法制作成本低、通用性强，还能实现原子气室的小型化批量生产。

2、在本实用新型中，所述原子气室本体是通过玻璃-硅-玻璃三层密封形成的长方体结构，硅与玻璃均通过阳极键合密封连接，在所述硅表面刻蚀有矩形凹槽结构，在所述凹槽结构中开设有两个圆形通孔结构分别作为原子气室本体的第一腔室和第二腔室，所述第一腔室用于存放可以通过化学反应生成碱金属原子的反应物，第一腔室和第二腔室之间通过凹槽结构连通。第一腔室和第二腔室的圆心以及矩形凹槽结构的中心点位于同一直线上。

3、在本实用新型的一个实施例中，所述原子气室本体的玻璃采用高硼硅玻璃。高硼硅玻璃具有良好的机械性能、化学稳定性、高耐热性、较高的透明性以及与硅相近的热膨胀系数，能够与硅完成良好键合并在一定程度上抵抗外界环境的影响。

4、在本实用新型的一个实施例中，采用激光打孔技术加工形成时，具有相同大小的通孔结构并在凹槽结构上呈中心对称分布有利于简化操作流程并降低通孔加工的操作难度。

5、在本实用新型的一个实施例中，所述原子气室本体的硅和玻璃的表面粗糙度ra低于5nm，光滑的表面有利于硅与玻璃进行阳极键合，提高原子气室本体的气密性，保证内部环境的稳定。

6、在本实用新型的一个实施例中，所述第一腔室中的反应物为铯释放剂，该物质可以吸收阳极键合过程中产生的氢气、氧气等杂质气体，保证原子气室本体内部气体环境的稳定，同时在温度不高于500℃时能够稳定存在，有利于阳极键合的顺利进行。

7、在本实用新型的一个实施例中，所述通孔直径均为1.5mm，同一个凹槽结构中两个通孔边缘的距离为1mm，在保证能够容纳铯释放剂的同时两个通孔之间互不影响。

8、在本实用新型的一个实施例中，所述凹槽结构平面尺寸为5mm×2.5mm，深度为100μm，较小的平面尺寸有利于使原子气室本体的结构更紧凑并降低原子气室本体的整体尺寸；浅的凹槽结构可以降低硅的加工时间，降低设备要求和加工成本。

9、在本实用新型的一个实施例中，所述硅片厚度为2mm，使用较厚的硅片可以提高光路在原子气室本体中的有效长度，提高光与原子的作用时间，同时防止铯释放剂在进行阳极键合时发生膨胀从而对玻璃造成损害。

10、本实用新型采用在凹槽结构中进行激光打孔的方式，克服了激光打孔容易使硅表面变得粗糙并且只适用于制作单腔室原子气室本体的缺点，同时也弥补了湿法腐蚀和干法刻蚀在深硅通孔刻蚀中的不足。

11、本实用新型采用先激光打孔再去除氧化硅层的办法，克服了激光打孔会导致打孔过程中形成的熔融物质溅射到硅片表面的缺点，有利于保持硅片表面的平整度和光洁度，从而保证了后续硅片与玻璃进行阳极键合的顺利实施。

12、除此之外，本实用新型同样适用于制作单腔室原子气室本体结构，当密封在原子气室本体中的反应物本身的存在不会对光路通过造成影响或者反应物能够通过化学反应完全分解为所需要的碱金属原子和缓冲气体分子时，可以采用本实用新型制作单腔室原子气室本体，并适当减小气室的整体尺寸。

技术特征：

1.一种基于mems技术的芯片级碱金属原子气室，包括原子气室本体，其特征在于，所述原子气室本体包括上玻璃层、硅层和下玻璃层，所述上玻璃层、硅层和下玻璃层三层组合成一个密封的长方体结构，所述上玻璃层和下玻璃层均通过阳极键合与硅层密封连接，所述硅层的表面刻蚀有矩形的凹槽结构，所述凹槽结构中开设有两个圆形通孔结构，两个圆形通孔结构分别为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室用于存放可以通过化学反应生成碱金属原子的反应物，第一腔室和第二腔室之间通过凹槽结构连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于mems技术的芯片级碱金属原子气室，其特征在于，所述凹槽结构的深度小于所述硅层的厚度。

3.根据权利要求1所述的一种基于mems技术的芯片级碱金属原子气室，其特征在于，所述第一腔室和第二腔室的直径均为1.5mm，位于同一个所述凹槽结构之中的第一腔室和第二腔室的孔边缘相距1mm，所述凹槽结构的尺寸为5mm×2.5mm，凹槽结构的深度为100μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于mems技术的芯片级碱金属原子气室，其特征在于，所述第一腔室和第二腔室的圆心以及矩形凹槽结构的中心点位于同一直线上。

技术总结本技术公开了一种基于MEMS技术的芯片级碱金属原子气室，原子气室是通过玻璃‑硅‑玻璃三层密封形成的长方体结构，硅与玻璃均通过阳极键合密封连接，在硅表面刻蚀有矩形凹槽结构，在凹槽结构中开设有两个圆形通孔结构分别作为原子气室的第一腔室和第二腔室，第一腔室用于存放可以通过化学反应生成碱金属原子的反应物，第一腔室和第二腔室之间通过凹槽结构连通。本技术旨在提供一种基于MEMS技术的芯片级碱金属原子气室，实现对任意深度硅通孔结构的加工，弥补采用MEMS湿法或干法加工工艺制作原子气室时在深硅通孔结构加工上的不足，并且这种制作方法制作成本低、通用性强，还能实现原子气室的小型化批量生产。技术研发人员：车录锋,黄帅受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：20230914技术公布日：2024/7/4