用可消耗支撐結(jié)構(gòu)制造的氣密密封的原子傳感器封裝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用可消耗支撐結(jié)構(gòu)制造的氣密密封的原子傳感器封裝。具體地，一種形成用于原子傳感器的物理封裝的方法包括：提供具有三維構(gòu)造的可消耗支撐結(jié)構(gòu)；提供多個光學(xué)面板；以及將所述光學(xué)面板組裝在所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)上，使得相鄰面板的邊緣彼此對準(zhǔn)。將相鄰面板的邊緣密封到一起以形成具有多面幾何構(gòu)造的物理塊。然后，去除所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)而留下所述物理塊完好無損。
【專利說明】用可消耗支撐結(jié)構(gòu)制造的氣密密封的原子傳感器封裝
[0001 ] 關(guān)于聯(lián)邦贊助研發(fā)的聲明
本發(fā)明是在由美國軍方資助的合同N0.W31P4Q-09-C-0348的政府支持下完成的。政府在本發(fā)明中享有一定的權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如原子鐘的主時間原器通常是相對大型的臺面裝置。例如，常規(guī)原子鐘的物理封裝趨向于是大型的并且需要昂貴的支撐系統(tǒng)。因此，一直致力于例如通過減小原子鐘及其它傳感器(其采用冷原子云作為感測元件)的封裝的尺寸來減小主時間原器的尺寸。
[0003]將物理封裝制造成較小面臨獨特且復(fù)雜的挑戰(zhàn)，因為物理封裝需要多個窗口、鏡子和非磁性材料的氣密密封件。在常規(guī)的制造物理封裝的方法中，將玻璃主體加工成具有多個孔和多個鉆孔，多個孔用于在其外部上放置鏡子和窗口，多個鉆孔充當(dāng)光路以捕獲、冷卻和操縱冷原子樣本。腔排空結(jié)構(gòu)或泵送端口被附接以提供物理封裝的初始排真空。所述加工必須留下足夠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以支持建造該物理封裝。
[0004]一般而言，原子鐘是通過用來自一個或多個激光器的光束探詢原子而進(jìn)行操作的。物理封裝限定真空密封室，該真空密封室保持住被探詢的原子。物理封裝中的原子被捕獲在該容積中，使得多個光路從不同的角度與原子相互作用。
[0005]對于開發(fā)高性能微型原子物理封裝而言，開發(fā)出允許大光束和多光束構(gòu)造的附加靈活性的小容積物理封裝是重要的。然而，對于原子鐘而言，更小的尺寸要求對當(dāng)前的建造技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。原子鐘的減小的尺寸會影響它們的性能，因為鏡子和窗口縮小。此外，減小的內(nèi)部容積會影響原子鐘的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種形成用于原子傳感器的物理封裝的方法包括:提供具有三維構(gòu)造的可消耗支撐結(jié)構(gòu)；提供多個光學(xué)面板；以及將所述光學(xué)面板組裝在所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)上，使得相鄰面板的邊緣彼此對準(zhǔn)。將相鄰面板的邊緣密封到一起以形成具有多面幾何構(gòu)造的物理塊。然后，去除所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)而留下所述物理塊完好無損。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]請理解，附圖僅僅示出示例性實施例，從而不應(yīng)被認(rèn)為對范圍產(chǎn)生限制，將通過使用附圖來更具體和詳細(xì)地描述所述示例性實施例，附圖中:
圖1示出了根據(jù)實施例的原子傳感器的物理封裝的物理塊；
圖2A是圖1的物理塊的頂視圖；
圖2B是圖1的物理塊的側(cè)視圖；
圖2C是圖1的物理塊的相對的側(cè)視圖；
圖2D是圖1的物理塊的前視圖；
圖2E是圖1的物理塊的后視圖； 圖2F是圖1的物理塊的底視圖；
圖3A-3F示出了根據(jù)一種方式的用于組裝圖1的物理塊的可消耗芯部的各種視圖；并
且
圖4A-4D示出了根據(jù)另一種方式的組裝原子傳感器的物理封裝的物理塊的方法。【具體實施方式】
[0008]在下面的詳細(xì)描述中，足夠詳細(xì)地描述了實施例，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，可在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下采用其它實施例。因此，下面的詳細(xì)描述不是限制性的。
[0009]提供了一種用于制造氣密密封的物理封裝的方法，該物理封裝用于諸如原子鐘的原子傳感器。一般而言，在可消耗支撐結(jié)構(gòu)(例如犧牲性內(nèi)部或外部支撐結(jié)構(gòu))上組裝用于該物理封裝的多個面板，然后在氣密地密封了組裝好的封裝后去除該可消耗支撐結(jié)構(gòu)。
[0010]在用于構(gòu)造該物理封裝的一種技術(shù)中，可消耗中央芯部形成在內(nèi)腔的三維形狀中，該內(nèi)腔用作物理封裝的真空室。將多個面板圍繞可消耗中央芯部組裝，使得相鄰面板的邊緣在各接縫處彼此對準(zhǔn)，并且然后將相鄰面板的邊緣在該接縫處密封到一起。然后，用化學(xué)藥品溶解該可消耗中央芯部，并將其從物理封裝去除。
[0011]在另一種示例性技術(shù)中，使用內(nèi)部或外部犧牲性骨骼框架來組裝物理封裝的面板。然后將骨骼框架從組裝好的面板去除。例如，該框架可與化學(xué)藥品接觸，該化學(xué)藥品溶解或熔化該框架以便從物理封裝去除，或者可使用離子刻蝕來去除框架。
[0012]本方法允許在沒有永久內(nèi)部或外部支撐結(jié)構(gòu)的情況下建造物理封裝。這允許面板的基本所有表面區(qū)域都被用作物理封裝中的窗口或鏡子，由此提高了原子傳感器的性能。
[0013]圖1和圖2A-2F示出了根據(jù)一個實施例的用于原子傳感器的物理封裝的物理塊100，其可根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)來構(gòu)造。物理塊100包括多個面板，包括窗口和鏡子，其具有各種多邊形形狀并且被組裝成三維結(jié)構(gòu)，該三維結(jié)構(gòu)構(gòu)造成包封用于物理封裝的內(nèi)部真空室。相鄰面板相對于彼此以一角度定向并且形成物理封裝的相鄰面。面板的放置和定向構(gòu)造成提供真空室中的期望光路。在一個示例中，面板是大致平坦結(jié)構(gòu)，其具有平的內(nèi)和外表面。在其它示例中，面板中的一個或多個可具有其它幾何形狀(例如，凹的或凸的)。
[0014]特別的，物理塊100包括多個主窗口面板106a、106b、106c和106d，其各自在圖1、2B、2C、2D和2F中示出。主窗口面板構(gòu)造成允許激光在原子傳感器操作期間進(jìn)入真空室。物理塊100的窗口面板可由光學(xué)透明的材料構(gòu)成，例如玻璃、光學(xué)玻璃(例如BK-7或Zerodur?)或諸如藍(lán)寶石的其它透明材料。
[0015]物理塊100還包括如圖1、2A和2D所示的第一長形鏡子面板IlOa以及如圖2E和2F所示的第二長形鏡子面板110b。鏡子面板IlOa和IlOb具有內(nèi)部反射表面，其構(gòu)造成在原子傳感器操作期間反射和引導(dǎo)真空室內(nèi)的激光。鏡子面板可由非光學(xué)透明的材料構(gòu)成，該非光學(xué)透明的材料是光學(xué)反射性的或者在其上具有光學(xué)反射涂層。替代地，鏡子面板可由光學(xué)玻璃(例如BK-7或Zerodur?)或諸如藍(lán)寶石的其它透明材料構(gòu)成，并且在其上具有光學(xué)反射涂層。在使用反射涂層的示例中，反射涂層可包括單層或多層金屬或電介質(zhì)堆涂層，或其組合。另外，單獨的涂層可被施加到單獨的面板。鏡子面板的反射表面可以是平坦的或者彎曲的以根據(jù)需要略微地聚焦光束。[0016]物理塊100還包括如圖1、2A、2C和2D所示的第一光電探測器窗口面板114a以及如圖1、2A、2B和2D所不的第二光電探測器窗口面板114b。光電探測器窗口面板114a和114b提供真空室中的光和原子傳感器的各自光電探測器之間的光學(xué)連通。
[0017]物理塊100還可任選地包括如圖1、2A、2B和2E所示的第一填充管面板118a以及如圖2A、2C和2E所示的第二填充管面板118b。填充管面板118a、118b包括各自的孔120a和120b，其可用于提供填充管和真空室之間的流體連通。
[0018]物理塊100可任選地包括如圖2A和2E所示的吸氣劑杯面板124，該吸氣劑杯面板124在其內(nèi)具有孔126?？?26構(gòu)造成保持住帶有吸氣劑材料的杯，以便從內(nèi)部真空室去除污染物并且限制某些氣體的氣體分壓。
[0019]為了組裝根據(jù)一種方式的物理塊100，在物理塊100的內(nèi)部真空室的形狀中制造犧牲性的可消耗芯部。
[0020]因此，可消耗芯部具有與物理塊100所示的構(gòu)造和表面相同的構(gòu)造和表面。圖3A-3F示出了示例性的可消耗芯部200，其對應(yīng)于圖2A-2F所示的物理塊100的相同的視圖。可消耗芯部200具有對應(yīng)于物理塊100的內(nèi)部真空室的形狀和尺寸的三維形狀。因此，芯部200的每個外表面具有對應(yīng)于物理塊100的面板之一的多邊形形狀的多邊形形狀。
[0021]可消耗芯部可由各種材料被鑄造或機(jī)加工成物理塊的期望形狀，例如沙子、黏土、鹽或其組合。用于可消耗芯部的示例性材料包括溶解于諸如水的溶劑的沙子/黏土組合、溶解于水的鹽型模、或者能夠經(jīng)受熔結(jié)溫度但可溶解以便之后去除的其它材料。例如，沙子鑄件型模可與其它材料一起被制成為復(fù)合材料，以保持所成形的形狀，例如與阿拉伯樹膠和/或高嶺土一起。另外，可消耗芯部可由其它材料形成，例如鎵或者諸如碳基氣凝膠的氣凝膠。
[0022]物理塊的面板被圍繞可消耗芯部組裝，從而每個面板在對應(yīng)多邊形形狀的芯部的外表面上。面板相遇的區(qū)域可以是凹陷的，從而用于將面板密封到一起的密封材料不會粘接到芯部。例如，面板的邊緣可被修剪以允許玻璃料流動而不會接觸芯部材料。另外，芯部表面可具有凹陷的中央?yún)^(qū)域，從而面板的窗口和鏡子區(qū)域不會接觸芯部，但仍然在其面板邊緣被支撐。
[0023]外部固定件可被定位成在組裝期間將面板保持成抵靠可消耗芯部，直到面板的邊緣被密封到一起。例如，可將單獨的栓釘或支架(standoff )插入芯部以便對準(zhǔn)面板表面。使用玻璃料、銅焊、溶膠凝膠材料或其它合適的附接機(jī)構(gòu)將各種面板在它們的鄰接邊緣處密封到一起。當(dāng)使用玻璃料時，整個組件(包括固定件、熔結(jié)到一起的玻璃面板以及芯部)通過熔結(jié)火爐，以密封玻璃面板接縫。
[0024]在面板的密封完成之后，將化學(xué)溶劑施加到芯部，該化學(xué)溶劑能夠溶解芯部結(jié)構(gòu)而不損傷面板，并且去除所得到的芯部材料漿體。在示例性實施例中，面板之一中的填充管孔可用于添加化學(xué)溶液以及去除被溶解的芯部材料。來自固定裝置(fixturing)的任何栓釘或支架可通過填充管孔隨被溶解的芯部材料一起被去除。為了在建造期間保護(hù)鏡子和窗口的表面免于損傷，可向鏡子和窗口表面施加諸如鍍鉻層的保護(hù)性涂層，并且隨后從經(jīng)密封的物理塊去除該保護(hù)性涂層。
[0025]在用于構(gòu)造物理封裝的另一示例性實施例中，使用內(nèi)部或外部犧牲性骨骼框架來組裝物理封裝的物理塊的面板，例如用圖4A所示的可消耗框架400。框架400具有帶有多面幾何結(jié)構(gòu)的三維形狀，其對應(yīng)于物理塊的內(nèi)部或外部表面的形狀和尺寸?？蚣?00包括在三維結(jié)構(gòu)中在彼此之間延伸的多個互連的支撐構(gòu)件402。支撐構(gòu)件402被互連并且尺寸被設(shè)置成提供骨骼結(jié)構(gòu)，以便將面板附接到支撐構(gòu)件402的外表面或內(nèi)表面上。因此，互連的支撐構(gòu)件402限定多個開放的框架結(jié)構(gòu)404，其具有對應(yīng)于物理塊的面板的各種多邊形形狀。
[0026]在一個實施例中，框架400是由可消耗材料形成的單體結(jié)構(gòu)。也就是說，所有的支撐構(gòu)件402均形成在一起，作為單個一體化結(jié)構(gòu)。在另一實施例中，框架400由連接到一起的多個支撐構(gòu)件402形成。支撐框架400可以由可消耗的犧牲性材料構(gòu)成，例如沙子、黏土、鹽、鎵或其組合。用于框架400的其它合適材料包括鋁、銅、錳、鑰、鎳、釩等等。
[0027]如圖4B所示，提供了諸如光學(xué)面板406的多個面板，面板406中的一個或多個具有與支撐構(gòu)件402所限定的開放框架結(jié)構(gòu)404中的一個或多個相同的多邊形形狀。光學(xué)面板406與對應(yīng)的框架結(jié)構(gòu)404對準(zhǔn)。在一個示例中，光學(xué)面板406是大致平坦結(jié)構(gòu)，具有平的內(nèi)和外表面。在其它示例中，面板中的一個或多個可具有其它幾何形狀(例如凹的或凸的)。面板包括光學(xué)透射面板和光學(xué)反射面板，其形成物理封裝的各種窗口和鏡子。
[0028]光學(xué)面板406被圍繞框架400組裝，例如圖4C所示，使得每個面板覆蓋開放框架結(jié)構(gòu)中的具有對應(yīng)多邊形形狀的一個。光學(xué)面板406的邊緣被用諸如玻璃料、溶膠凝膠材料等對準(zhǔn)和密封到一起。在一個實施例中，至少一個面板可設(shè)置有在圍繞框架400組裝之前或之后穿過其中形成的填充管孔口。例如，面板408可具有填充管孔410，如圖4C所示。
[0029]一旦面板406被組裝和密封，框架400被去除，而不損傷面板。例如，當(dāng)框架400由鎵構(gòu)成時，可用被加熱到約29.8°C的水來熔化框架400?？蓪⒈患訜岬乃畠A倒到填充管孔410中，并且可將被熔化的鎵和水倒出孔410。當(dāng)框架400由沙子、黏土、鹽或氣凝膠構(gòu)成時，可通過用溶劑來溶解框架400而去除框架400。當(dāng)框架400由其它金屬材料(例如鋁、銅、錳、鑰、鎳、釩)構(gòu)成時，可通過離子刻蝕來去除框架400，而不會損傷光學(xué)面板。
[0030]一旦框架被去除，則留下了沒有任何支撐結(jié)構(gòu)的組裝好的物理塊412，如圖4D所示。所得到的物理塊412具有多面的幾何結(jié)構(gòu)，其包括圍繞其外部以不同角度定向的多個基本平坦的面414。
[0031 ] 在替代性方式中，光學(xué)面板被組裝而抵靠支撐構(gòu)件402的內(nèi)表面，使得框架400充當(dāng)臨時的外骨骼。然后，例如用玻璃料或溶膠凝膠材料將面板的邊緣密封到一起。然后，去除圍繞光學(xué)面板的框架400，而不損傷面板。這留下了沒有任何支撐結(jié)構(gòu)的組裝好的物理塊，例如圖4D所示的物理塊412。
[0032]取決于使得將面板連結(jié)到一起的材料固化所需的溫度，可以適當(dāng)?shù)剡x擇可消耗芯部或骨骼材料。例如，鎵限于用真空密封材料將面板連結(jié)到一起的應(yīng)用，該真空密封材料在小于鎵的熔化溫度的溫度下固化。因此，如果使用室溫固化玻璃粘接，例如硅酸鈉溶膠凝膠，則鎵可用作用于內(nèi)芯部或骨骼框架的可消耗材料。由于固化不會超過鎵的熔點，通過加熱到超過熔點而在固化之后去除鎵。然后，可在去除鎵之后，對所得到的結(jié)構(gòu)玻璃粘接材料進(jìn)行加熱強(qiáng)化。
[0033]在其它實施例中，沒有填充管孔的面板可用于組裝用于物理封裝的塊。例如，可使用熱玻璃密封，其中，密封在真空中進(jìn)行。另一個可選方式是當(dāng)短玻璃管被空氣包圍時熱密封該短玻璃管。替代地，可在真空容器內(nèi)具有受控(真空)氣氛的情況下，將最終玻璃面板添加到真空容器內(nèi)的適當(dāng)位置。通過在密封之前獲得足夠低的壓力，溫度的降低將會使得壓力進(jìn)一步下降，并且烘烤將會有助于清潔組件。密封到主裝置的囊盒或小容器可保持Rb，允許物理封裝的填充甚至再填充。超聲振動或聲振動可用于破裂選擇小容器到物理封裝中。
[0034]示例性實施例
示例I包括一種形成用于原子傳感器的物理封裝的方法，所述方法包括:提供具有三維構(gòu)造的可消耗支撐結(jié)構(gòu)；提供多個光學(xué)面板；將所述光學(xué)面板組裝在所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)上，使得相鄰面板的邊緣彼此對準(zhǔn)；將相鄰面板的邊緣密封到一起以形成具有多面幾何構(gòu)造的物理塊；以及去除所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)而留下所述物理塊完好無損。
[0035]示例2包括示例I的方法，其中，所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)是內(nèi)芯部，所述光學(xué)面板組裝在所述內(nèi)芯部上。
[0036]示例3包括示例I的方法，其中，所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)是骨骼框架，所述光學(xué)面板組裝在所述骨骼框架上。
[0037]示例4包括示例1-3中任一項的方法，其中，所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)由溶解于溶劑中的材料形成。
[0038]示例5包括示例1-3中任一項的方法，其中，所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)由包括沙子、黏土、鹽、氣凝膠或其組合的材料形成。
[0039]示例6包括示例1-3中任一項的方法，其中，所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)由包括鎵的材料形成。
[0040]示例7包括示例6的方法，其中，用溶膠凝膠材料將所述相鄰面板的邊緣密封到一起。
[0041]示例8包括示例I和3的方法，其中，所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)包括鋁、銅、錳、鑰、鎳、鑰;或其組合。
[0042]示例9包括示例8的方法，其中，用離子刻蝕來去除所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)。
[0043]不例10包括不例1-9中任一項的方法其中，所述光學(xué)面板包括窗口和鏡子。
[0044]示例11包括由示例1-10的任一項方法形成的物理封裝。
[0045]示例12包括一種制造用于原子傳感器的物理封裝的方法，所述方法包括:形成具有三維構(gòu)造的可消耗芯部，所述三維構(gòu)造對應(yīng)于所述物理封裝的內(nèi)室的輪廓，所述可消耗芯部包括具有不同多邊形形狀的多個外表面；提供多個光學(xué)面板，所述光學(xué)面板的每一個具有對應(yīng)于所述芯部結(jié)構(gòu)的外表面的至少一個的多邊形形狀的多邊形形狀；圍繞所述芯部結(jié)構(gòu)來組裝所述光學(xué)面板，使得每個面板在所述芯部結(jié)構(gòu)的具有對應(yīng)多邊形形狀的外表面上，每個面板具有多個邊緣，其與相鄰面板的其它邊緣對準(zhǔn)；將相鄰面板的邊緣圍繞所述芯部結(jié)構(gòu)密封到一起，使得所述面板處于多面幾何構(gòu)造；使化學(xué)液體與所述芯部結(jié)構(gòu)接觸，使得所述芯部結(jié)構(gòu)溶解成芯部材料的漿體；以及去除所述芯部材料的漿體。
[0046]示例13包括示例12的方法，其中，所述可消耗芯部由包括沙子、黏土、鹽、氣凝膠、鎵或其組合的材料形成。
[0047]示例14包括示例12或13的方法，其中，所述物理封裝構(gòu)造成用于原子鐘。
[0048]示例15包括一種制造用于原子傳感器的物理封裝的方法，所述方法包括:形成具有三維結(jié)構(gòu)的可消耗框架，所述三維結(jié)構(gòu)對應(yīng)于所述物理封裝的內(nèi)室的輪廓，所述可消耗框架包括限定多個開放框架結(jié)構(gòu)的多個互連的支撐構(gòu)件；提供多個光學(xué)面板，所述光學(xué)面板的每一個具有對應(yīng)于所述開放框架結(jié)構(gòu)的至少一個的多邊形形狀的多邊形形狀；在所述可消耗框架上組裝所述光學(xué)面板，使得每個面板覆蓋所述開放框架結(jié)構(gòu)中的具有對應(yīng)多邊形形狀的一個，每個面板具有多個邊緣，其與相鄰面板的其它邊緣對準(zhǔn)；將相鄰面板的邊緣密封到一起，使得所述面板處于多面幾何構(gòu)造；以及從組裝好的面板去除所述可消耗框架。
[0049]示例16包括示例15的方法，其中，所述可消耗框架形成內(nèi)骨骼框架，所述光學(xué)面板組裝在所述內(nèi)骨骼框架上。
[0050]示例17包括示例15的方法，其中，所述可消耗框架形成外骨骼框架，所述光學(xué)面板組裝在所述外骨骼框架上。
[0051]示例18包括示例15-17中任一項的方法，其中，所述可消耗框架包括沙子、黏土、鹽、氣凝膠、鎵或其組合。
[0052]示例19包括示例15-17中任一項的方法，其中，所述可消耗框架包括鋁、銅、錳、鑰、鎳、f凡或其組合。
[0053]示例20包括示例15-19中任一項的方法,其中，所述物理封裝構(gòu)造成用于原子鐘。
[0054]本發(fā)明可具體實施為其它形式，而不偏離其實質(zhì)特性。所描述的實施例應(yīng)當(dāng)在所有方面均被認(rèn)為僅僅是示例性的而非限制性的。因此，所意圖的是，本發(fā)明僅受權(quán)利要求及其等同物的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種形成用于原子傳感器的物理封裝的方法，所述方法包括: 提供具有三維構(gòu)造的可消耗支撐結(jié)構(gòu)； 提供多個光學(xué)面板； 將所述光學(xué)面板組裝在所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)上，使得相鄰面板的邊緣彼此對準(zhǔn)； 將相鄰面板的邊緣密封到一起以形成具有多面幾何構(gòu)造的物理塊；以及 去除所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)而留下所述物理塊完好無損。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)是內(nèi)芯部，所述光學(xué)面板組裝在所述內(nèi)芯部上；并且其中，所述內(nèi)芯部由溶解于溶劑中的材料形成。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，所述可消耗支撐結(jié)構(gòu)是骨骼框架，所述光學(xué)面板組裝在所述骨骼框架上。
【文檔編號】G04F5/14GK103676620SQ201310310331
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月24日
【發(fā)明者】C.M.肖伯, T.D.斯塔克, D.L.史密斯, J.A.韋塞拉 申請人:霍尼韋爾國際公司