專利名稱：一種芯片式銣濾光泡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種濾光裝置，尤其是涉及一種主要適用于常規(guī)、微小型化與芯片式以及應(yīng) 用激光作為光源的各種銣原子鐘的濾除特定譜線的芯片式銣濾光泡。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，許多領(lǐng)域如衛(wèi)星通信技術(shù)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、雷達(dá)系統(tǒng)、 交通控制系統(tǒng)以及電力調(diào)度等都需要更加穩(wěn)定而精確的時(shí)間頻率信號(hào)，傳統(tǒng)的機(jī)械定時(shí)和晶 振定時(shí)已經(jīng)不能滿足需要。原子頻標(biāo)具有極高的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，所以得到了越來越廣泛的 運(yùn)用。其中銣原子頻標(biāo)體積小，重量輕，性能較好，并且成本較低，是所有原子頻標(biāo)中應(yīng)用 最廣泛的一種。
銣原子頻標(biāo)由物理部分和電路伺服部分構(gòu)成。物理部分對銣原子頻標(biāo)的短期及長期穩(wěn)定 性起到?jīng)Q定性的作用，物理部分由產(chǎn)生抽運(yùn)光的銣燈(或稱銣光譜燈)和腔泡系統(tǒng)組成。腔 泡系統(tǒng)包括微波諧振腔、銣吸收泡、銣濾光泡和光電探測器等。銣燈發(fā)出的光譜經(jīng)過濾光泡 后，濾除了不需要的光譜得到抽運(yùn)光，吸收泡內(nèi)的銣原子被抽運(yùn)光照射后，使得銣原子基態(tài) 兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，即上能級(jí)的粒子數(shù)高于下能級(jí)。當(dāng)加在吸收泡上的微 波頻率與兩能級(jí)頻率間隔相吻合時(shí)，銣原子將從上能級(jí)躍遷至下能級(jí)，即發(fā)生微波躍遷。當(dāng)
微波躍遷發(fā)生時(shí)，光電池探測到光強(qiáng)信號(hào)將發(fā)生變化，稱為光檢信號(hào)。銣原子頻標(biāo)正是利用 這一光檢信號(hào)作為誤差信號(hào)，來控制晶體振蕩器的輸出頻率，并將通過頻率變換后得到的微 波頻率鎖定在銣原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)的躍遷譜線上，最終在晶體振蕩器得到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率 輸出。其中，抽運(yùn)光質(zhì)量即抽運(yùn)光的譜線寬度及對稱性對原子鐘的長期穩(wěn)定性影響很大。為 了得到高質(zhì)量的抽運(yùn)光，濾光泡性能就顯得至關(guān)重要。由此可見，濾光泡的濾光效果對原子 鐘的性能有很大的影響。
目前，銣原子鐘里現(xiàn)有的常規(guī)濾光泡的構(gòu)造是一個(gè)圓柱形或球形的玻璃泡，直徑在1 2cm，厚度在0.3 2cm，里面充入銣(通常是銣-85)或銣蒸汽(通常是銣-85蒸汽)與緩沖 氣體(通常是惰性氣體)。這種濾光泡體積較大，由于濾光泡要工作在50 13(TC下，較大的 體積會(huì)造成較多的熱能損耗，因此功耗過高；同時(shí)，由于厚度較大，在不需要的譜線被濾除 的同時(shí)，所需要的譜線經(jīng)過常規(guī)濾光泡后，衰減比較大。公開號(hào)為CN101237077的中國發(fā)明專利申請公開一種小型化銣原子頻標(biāo)的腔泡系統(tǒng)，其 微波腔筒由高磁導(dǎo)率材料制作，微波腔筒套裝有加熱筒，在加熱筒的抽運(yùn)光入射端口還裝有 把銣光譜燈所發(fā)的光線匯聚后透射到微波腔內(nèi)的凸透鏡，C場線圈直接繞制在置于微波腔筒 和吸收泡之間的介質(zhì)筒上，且濾光泡的尾部尖頭集中于泡端圓形平面的中心，吸收泡尾部尖 頭集中于泡端圓形平面的邊緣，光電池和階躍二極管固聯(lián)在可移動(dòng)固定的腔端蓋內(nèi)壁端面上。 該發(fā)明腔內(nèi)無機(jī)械調(diào)節(jié)桿，以腔內(nèi)倍頻方式，釆用圓柱形TE111模式、填充介質(zhì)方法摒棄了現(xiàn) 有技術(shù)磁屏筒的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，減小了腔泡系統(tǒng)體積。在加熱筒抽運(yùn)光入射端口加裝凸透鏡增大 抽運(yùn)光光強(qiáng)，確保了腔泡系統(tǒng)性能。腔頻微調(diào)采用移動(dòng)光電組件，調(diào)試方便且不會(huì)引起場形 畸變。
周忠石等(周忠石，王亮，郭鵬翔，銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的小型化研究，宇航計(jì)測技術(shù)，2002, 22 (1): 1-6)報(bào)道了有關(guān)銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的小型化研究。
馮浩等(馮浩，崔敬忠，翟浩，張俊，濾光對被動(dòng)式銣鐘穩(wěn)定性影響的研究，真空與低 溫，2007， 13 (3): 151-154)報(bào)道了有關(guān)濾光對被動(dòng)式銣鐘穩(wěn)定性影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的濾光泡所存在的體積大、功耗高、濾光效果不理想等缺點(diǎn)， 提供一種不僅體積較小、功耗較低，而且可有效濾除不需要的譜線，減小所需要的譜線的衰 減，獲得較好濾光效果的芯片式銣濾光泡。
本發(fā)明設(shè)有一硅片，在硅片中央設(shè)有一個(gè)通孔，在通孔的一邊上設(shè)有溝道，通孔經(jīng)溝道 與外部連通。在硅片兩側(cè)面分別設(shè)有玻璃片，硅片與兩側(cè)面的玻璃片鍵合成一塊芯片，硅片 中央的通孔與硅片兩側(cè)面的玻璃片構(gòu)成的腔體內(nèi)充入銣-85惰性氣體。
所述硅片兩側(cè)面的玻璃片的外形和尺寸最好均與硅片相同，所述硅片可為方形硅片或圓 形硅片等，硅片的厚度可為0.1 2mm，方形硅片的邊長可為3 30mm，圓形硅片的直徑可為 3 30mm，硅片兩側(cè)面的玻璃片可為方形玻璃片或圓形玻璃片，方形玻璃片的邊長可為3 30mm,圓形玻璃片的直徑可為3 30mm，所述通孔可為方形通孔或圓形通孔等，方形通孔的 邊長可為2 15mm，圓形通孔的直徑可為2 15mm。玻璃片的厚度最好與硅片厚度相同。
所述溝道的橫截面可以是三角形、方形、梯形或圓形等，三角形、方形、梯形的每邊邊 長可為0.1 2mm，圓形的直徑可為0.1 2mm。
充入的銣-85的量最好為0.1 10mg，充入的惰性氣體的氣壓最好為10 200Tor。
制備時(shí)，在硅片上利用光刻、腐蝕等技術(shù)刻蝕出一個(gè)通孔以及在通孔的一條邊上刻蝕出 一條微溝道，用于充入銣-85與緩沖氣體(通常是惰性氣體)，并將硅片切成所需形狀，形成一個(gè)中央帶有通孔的硅片，然后切出與硅片外形相同的兩片玻璃片，而后利用鍵合技術(shù)將硅 片及兩片玻璃片按照玻璃片-硅片-玻璃片的順序鍵合成一塊芯片。這樣，兩片玻璃片與硅片 中央的通孔就構(gòu)成一個(gè)微腔即泡的結(jié)構(gòu)，然后利用先前刻蝕加工出來的微溝道，往微腔中先 充入銣-85，再充入惰性氣體，用膠密封微溝道，即得一個(gè)芯片式銣濾光泡。
與現(xiàn)有的濾光泡相比，由于本發(fā)明采用了微機(jī)電系統(tǒng)即MEMS技術(shù)，因此可以將濾光泡 做的很小，其厚度可為0.6 6mm，可以在有效濾除不需要的譜線的同時(shí)，使所需要的譜線經(jīng) 過濾光泡后的衰減大為減小，并且整個(gè)濾光泡的體積與功耗都大為降低。


圖l為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的分解結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 實(shí)施例l
參見圖1和2，制備時(shí)，采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS技術(shù))在硅片2上利用光刻、腐蝕等技術(shù) 刻蝕出一個(gè)正方形通孔5以及在正方形通孔5的一條邊上刻蝕出一條橫截面為三角形的微溝道 4，用于充入銣-85與氖氣，并將硅片2切成正方形，形成一個(gè)中央帶有正方形通孔5的方形硅 片，然后切出與正方形硅片2外形相同的兩片正方形玻璃片1和3，而后利用鍵合技術(shù)將硅片2 及兩片玻璃片l和3按照玻璃片l-硅片2-玻璃片3的順序鍵合成一塊芯片。這樣，兩片玻璃片l 和3與硅片2中央的通孔5就構(gòu)成一個(gè)微腔即泡的結(jié)構(gòu)，然后利用先前刻蝕加工出來的微溝道4， 往微腔中充入銣-85與氖氣，充入的銣-85的量為lmg，充入的氖氣的氣壓為200Tor，再用膠密 封微溝道4，即得一個(gè)芯片式銣吸收泡。
正方形硅片2的厚度為0.5mm,正方形硅片的邊長為3 10mm，正方形玻璃片1和3的邊長 為3 10mm，正方形通孔的邊長為2mm，玻璃片的厚度與硅片厚度相同。
微溝道4的橫截面為三角形，三角形的每邊邊長為0.1 2mm。
實(shí)施例2
與實(shí)施例l類似，其區(qū)別在于通孔為長方形通 L，在長方形通孔的一條邊上刻蝕出一條橫 截面為方形的微溝道，硅片切成長方形，形成一個(gè)中央帶有長方形通孔的長方形硅片，然后 切出與長方形硅片外形相同的兩片長方形玻璃片，往微腔中充入銣-85蒸汽與氬氣，充入的銣 -85蒸汽的量為5mg，充入的氬氣的氣壓為60Tor。
長方形硅片的厚度為2mm，長方形硅片的長為8 10mm，寬為3 5mm;長方形玻璃片的長為8 10mm，寬為3 5mm;長方形通孔的長為3mm，寬為2mm;玻璃片的厚度與硅片 厚度相同。
微溝道的橫截面為長方形，長方形的長為lmm，寬為0.3mm。 實(shí)施例3
與實(shí)施例l類似，其區(qū)別在于通孔為圓形通 L，在圓形通孔的邊上刻蝕出一條橫截面為梯 形的微溝道，并將硅片切成圓形，形成一個(gè)中央帶有圓形通孔的圓形硅片，然后切出與圓形 硅片外形相同的兩片圓形玻璃片，往微腔中充入銣-85和氮?dú)?，充入的?85的量為5mg，充入 的氮?dú)獾臍鈮簽?0Tor。
圓形硅片的厚度為lmm，圓形硅片的直徑為10 15mm，圓形玻璃片的直徑為10 15mm， 圓形通孔的直徑為7mm，玻璃片的厚度與硅片厚度相同。
微溝道的橫截面為等腰梯形，等腰梯形的上底為lmm，下底為0.8mm，腰為0.6mm。
實(shí)施例4
與實(shí)施例l類似，其區(qū)別在于通孔為圓形通孔，在圓形通孔的一條邊上刻蝕出一條橫截面 為梯形的微溝道，硅片切成圓形，形成一個(gè)中央帶有圓形通孔的圓形硅片，然后切出與圓形 硅片外形相同的兩片圓形玻璃片，往微腔中充入銣-85與氦氣，充入的銣-85的量為3mg，充入 的氦氣的氣壓為10Tor。
圓形硅片的厚度為2mm，圓形硅片的直徑為20 30mm，圓形玻璃片的直徑為20 30mm， 圓形通孔的直徑為10 15mm，玻璃片的厚度與硅片厚度相同。
微溝道的橫截面為三角形，三角形的邊長為lmm。
權(quán)利要求
1. 一種芯片式銣濾光泡，其特征在于設(shè)有一硅片，在硅片中央設(shè)有一個(gè)通孔，在通孔的一邊上設(shè)有溝道，通孔經(jīng)溝道與外部連通，在硅片兩側(cè)面分別設(shè)有玻璃片，硅片與兩側(cè)面的玻璃片鍵合成一塊芯片，硅片中央的通孔與硅片兩側(cè)面的玻璃片構(gòu)成的腔體內(nèi)充入銣-85和惰性氣體。
2. 如權(quán)利要求l所述的一種芯片式銣濾光泡，其特征在于所述硅片兩側(cè)面的玻璃片的外 形和尺寸均與硅片相同。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種芯片式銣濾光泡，其特征在于所述硅片為方形硅片或圓形硅片°
4. 如權(quán)利要求1或2所述的一種芯片式銣濾光泡，其特征在于硅片的厚度為0.1 2mm， 方形硅片的邊長為3 30mm，圓形硅片的直徑為3 30mm。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的一種芯片式銣濾光泡，其特征在于硅片兩側(cè)面的玻璃片為方形 玻璃片或圓形玻璃片，方形玻璃片的邊長為3 30mm,圓形玻璃片的直徑為3 30mm。
6. 如權(quán)利要求l所述的一種芯片式銣濾光泡，其特征在于所述通孔為方形通孔或圓形通 孔，方形通孔的邊長為2 15mm，圓形通孔的直徑為2 15mm。
7. 如權(quán)利要求1或2所述的一種芯片式銣濾光泡，其特征在于所述玻璃片的厚度與硅片厚 度相同。
8. 如權(quán)利要求l所述的一種芯片式銣濾光泡，其特征在于所述溝道的橫截面為三角形、 方形、梯形或圓形，三角形、方形、梯形的每邊邊長為0.1 2mm，圓形的直徑為0.1 2mm。
9. 如權(quán)利要求l所述的一種芯片式銣濾光泡，其特征在于充入的銣-85的量為0.1 10mg。
10. 如權(quán)利要求l所述的一種芯片式銣濾光泡，其特征在于充入的惰性氣體的氣壓為10 200Tor。
全文摘要
一種芯片式銣濾光泡，涉及一種濾光裝置，尤其是涉及一種主要適用于常規(guī)、微小型化與芯片式以及應(yīng)用激光作為光源的各種銣原子鐘的濾除特定譜線的芯片式銣濾光泡。提供一種不僅體積較小、功耗較低，而且可有效濾除不需要的譜線，減小所需要的譜線的衰減，獲得較好濾光效果的芯片式銣濾光泡。設(shè)有一硅片，在硅片中央設(shè)有一個(gè)通孔，在通孔的一邊上設(shè)有溝道，通孔經(jīng)溝道與外部連通。在硅片兩側(cè)面分別設(shè)有玻璃片，硅片與兩側(cè)面的玻璃片鍵合成一塊芯片，硅片中央的通孔與硅片兩側(cè)面的玻璃片構(gòu)成的腔體內(nèi)充入銣-85和惰性氣體。
文檔編號(hào)H01S3/098GK101510779SQ20091011137
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者林立偉, 王盛貴, 航 郭 申請人:廈門大學(xué)