芯片级原子器件MEMS碱金属蒸气腔室制作.pdf

MEMS（微机电系统）技术是一种将微型机械元件、传感器、执行器、电子设备等集成于一体的高新技术。它的应用范围广泛，包括但不限于航空航天、生物医疗、汽车电子、消费电子等领域。MEMS技术的出现使得器件的微型化和集成化成为可能，极大地推动了现代科技的发展。 在本文件中，提到了芯片级原子器件的一个重要应用方向，即原子钟、原子磁力计及原子陀螺仪等原子级敏感仪器的集成。这些仪器的核心部分是碱金属蒸气腔室，它们利用碱金属原子的量子性质来实现高精度的时间、磁场以及角速度的测量。然而，要将这些敏感的原子腔室集成到芯片级别的原子器件中，就需要一套精密的制作工艺。 为了实现这一目标，研究人员提出了基于两步低温阳极键合工艺的碱金属蒸气腔室的制作方法。阳极键合是一种利用硅和玻璃之间在高温高压下形成的化学键来封装的方法。由于硅和玻璃在特定条件下具有相近的热膨胀系数，因此它们在冷却过程中不会产生过大的应力，从而使得密封性更好、可靠性更高。 本文件所介绍的两步阳极键合工艺，第一步在低于缓冲气体击穿电压下进行，目的是预封装腔室，而第二步则在大气氛围中进行，电压提升至1200V，以增强封装质量。该工艺的关键在于控制键合温度低于石蜡燃点（198℃），以确保引入腔室的微量碱金属铷或铯不受损害。通过局部加热的方式，可以实现碱金属的释放，并在腔壁上形成均匀的石蜡镀层，从而延长极化原子的寿命。文档中提到实现了160℃的低温阳极键合封装，并且封装率达到95%以上，这对于碱金属蒸气腔室的封装是至关重要的。 此外，文中提到的实现最小体积的双腔室，尺寸为6.5mm×4.5mm×2mm。腔室的体积直接影响到原子器件的集成度和响应速度，因此在设计中需要根据具体应用场景来优化腔室尺寸。 碱金属蒸气腔室在原子器件中的封装还涉及到化学性质的控制。碱金属非常活泼，易与空气中的水分和氧气发生反应，因此必须在严格的无氧或惰性气体环境中进行操作。文档中引入了惰性石蜡包覆的微量碱金属铷或铯，保证了原子器件在长期使用过程中性能的稳定性。 最终，文档指出，通过高功率激光器局部加热释放碱金属，并通过光谱分析证明碱金属有效封装在腔室中。这说明了所提出的两步低温阳极键合工艺是切实可行的，能够有效地用于制造MEMS碱金属蒸气腔室。 在微机电系统(MEMS)的领域内，文章中所描述的技术和方法具有重要的指导意义，对于希望在原子级器件集成方面进行深入研究的工程师和技术人员来说，这是一份宝贵的参考资料。这些知识的掌握，可以帮助实现芯片级原子器件的小型化、高精度和高可靠性，从而推动相关科技的发展。