一种用于原子磁力仪的MEMS气室及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种用于原子磁力仪的MEMS气室及其制造方法，及磁传感器技术领域，旨在解决现有MEMS技术研制原子气室中固态化合物易从生成腔移动到作用腔，进而影响到原子与激光相互作用，以及原子气室小型化导致灵敏度低，并且片上集成加工不易实现的问题，本发明专利技术通过“S”形通道设计，解决了气室中固态化合物易从生成腔移动到作用腔的问题，降低了对原子与激光相互作用的影响，通过硅硅键合工艺增加了气室厚度，提高激光与原子相互作用距离，提高信噪比，解决了原子气室小型化导致的低灵敏度问题，增强了小型原子气室的灵敏度，采用MEMS工艺完成气室研制，易与其他组件集成，拓展了气室的应用场景。展了气室的应用场景。展了气室的应用场景。

【技术实现步骤摘要】
一种用于原子磁力仪的MEMS气室及其制造方法


[0001]本专利技术涉及磁传感器
，具体为一种用于原子磁力仪的MEMS气室及其制造方法。

技术介绍

[0002]原子磁力仪是一种磁场强度测量仪器，目前已有较为深入的研究与广泛的应用，涉及诸多领域，包括地球物理勘测、基础科学研究、生物医疗检测和弱磁异常探测等领域。
[0003]目前常用的原子磁力仪包括质子磁力仪、相干布里囚禁(CPT)原子磁力仪、无自旋交换驰豫(SERF)原子磁力仪和非线性磁致旋光(NMOR)原子磁力仪，原子磁力仪结构分为垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光学元件、原子气室、加热组件和信号检测电路，原子气室作为其核心部件，提供激光与碱金属原子相互作用的空间，隔离外界环境避免碱金属原子与氧气和水等反应，并且决定了原子磁力仪整体结构的小型化，传统制造的原子气室多基于玻璃吹制技术，制造方法简单，但是很难做到小型化、批量加工和集成化，同时，基于原子磁力仪磁场测量原理，原子气室的小型化会导致原子磁力仪的低灵敏度。
[0004]因此，采用MEMS技术研制原子气室受到广泛关注，MEMS气室制造流程分为预成型结构研制、碱金属源填充和键合永久密封，使用的MEMS技术包括：光刻、干法刻蚀和阳极键合等。
[0005]现有MEMS技术研制原子气室，固态化合物易从生成腔移动到作用腔进而影响到原子与激光相互作用，原子气室小型化导致灵敏度低，并且片上集成加工不易实现。

技术实现思路

[0006]鉴于现有技术中所存在的问题，本专利技术公开了一种用于原子磁力仪的MEMS气室，采用的技术方案是，包括玻璃层与硅片层，所述玻璃层还包括第一玻璃片、第二玻璃片，所述硅片层的顶面设有所述第一玻璃片，所述硅片层的底面设有第二玻璃片，所述硅片层上设有双腔结构，所述双腔结构还包括生成腔、作用腔，所述生成腔、所述作用腔均上下通透，所述生成腔内设有碱金属源，所述硅片层的顶面上设有连接通道，所述连接通道连接所述生成腔与所述作用腔，所述连接通道为弯曲结构。
[0007]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述硅片层由多组的硅晶圆经硅硅键合工艺组成，位于顶部的所述硅晶圆为第一硅晶圆，所述第一硅晶圆的顶面设有所述连接通道，其余的所述硅晶圆为第二硅晶圆。
[0008]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述生成腔与所述作用腔均为圆柱状空腔，所述生成腔的半径小于或等于所述作用腔的半径，所述生成腔的半径尺寸为1～2mm，所述作用腔的半径尺寸为1～2.65mm，所述作用腔处的所述玻璃层上设有增透膜。
[0009]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述弯曲结构为S形连续直角弯，所述连接通道有多组且对称设置，所述连接通道的通道截面宽度为50～100μm，所述连接通道的通道截面深度为200～300μm。
[0010]为实现上述用于原子磁力仪的MEMS气室，本专利技术公开了一种MEMS气室的制造方法，采用的技术方案是，包括以下步骤：
[0011](a)使用RCA标准清洗工艺清洗所述硅晶圆和玻璃片；
[0012](b)在所述硅晶圆的表面沉积二氧化硅和旋涂光刻胶作为掩膜，使用双腔结构光刻掩膜板进行曝光、显影，实现双腔室结构的深硅刻蚀制造，制备第二硅晶圆；
[0013](c)基于二氧化硅牺牲掩膜层的多深度一体化刻蚀加工工艺，实现单步深硅刻蚀出含S形的所述连接通道的双腔室结构，制备第一硅晶圆；
[0014](d)通过RIE进行表面等离子体活化，在＜200℃温度环境下，施加压力，将第一硅晶圆与第二硅晶圆进行硅硅键合，得到组合结构，制备成所述硅片层；
[0015](e)在大气环境中进行所述第二玻璃片与所述硅片层的高温阳极键合，得到气室预成型结构，然后引入所述碱金属源；
[0016](f)分别在惰性气体及低电压和大气环境及高电压下完成所述第一玻璃片与所述硅片层的两步低温阳极键合，完成气室的密封；然后启动紫外光激光器，在UV紫外光长时间照射下，加热所述碱金属源，释放气态碱金属，完成气室的研制。
[0017]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤(c)的具体步骤包括：
[0018](c1)利用等离子体增强气相化学沉积PECVD设备沉积二氧化硅作为可牺牲掩膜；
[0019](c2)均匀旋涂光刻胶并用双腔结构掩膜图案完成光刻，显影，去胶工艺步骤；
[0020](c3)使用反应离子刻蚀RIE设备刻蚀双腔结构上二氧化硅薄膜并去除表面光刻胶；
[0021](c4)重新均匀旋涂光刻胶并用双腔室及通道结构掩膜图案完成光刻，显影，去胶工艺；
[0022](c5)基于可牺牲二氧化硅掩膜层完成单步DRIE，通过不同刻蚀选择比得到所需双腔室及所述连接通道结构。
[0023]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤(e)中，所述碱金属源的引入方法为，在常温条件下，称取定量固态碱金属化合物溶解于水中，使用滴管取等体积溶液滴入所述生成腔中，实现所述碱金属源的引入。
[0024]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤(f)中，密封键合之前对所述气室预成型结构进行加热，在200℃加热2h，使步骤(f)中额外引入的水完全蒸发，之后开始密封键合。
[0025]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤(f)中，所述低电压为＜400V的电压条件，所述高电压为＞1000V的电压条件。
[0026]作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤(f)中，UV紫外光的波长为267nm，照射时间为50h。
[0027]本专利技术的有益效果：本专利技术通过“S”形通道设计，解决了气室中固态化合物易从生成腔移动到作用腔的问题，降低了对原子与激光相互作用的影响，通过硅硅键合工艺增加了气室厚度，提高激光与原子相互作用距离，提高信噪比，解决了原子气室小型化导致的低灵敏度问题，增强了小型原子气室的灵敏度，采用MEMS工艺完成气室研制，易与其他组件集成，拓展了气室的适用场景。
附图说明
[0028]图1为本专利技术气室结构示意图；
[0029]图2为本专利技术气室制造方法流程示意图；
[0030]图3为本专利技术气室制造方法步骤C过程立体示意图；
[0031]图4为本专利技术气室制造方法步骤C过程二维示意图；
[0032]图5为本专利技术A处放大结构示意图；
[0033]图6为本专利技术连接通道的剖面结构示意图。
[0034]图中：1、生成腔；2、作用腔；3、碱金属源；4、连接通道；5、玻璃层；6、硅片层；7、紫外光激光器；51、第一玻璃片；52、第二玻璃片；61、第一硅晶圆；62、第二硅晶圆。
具体实施方式
[0035]实施例1
[0036]如图1至图6所示，本专利技术公开了一种用于原子磁力仪的MEMS气室，采用的技术方案是，包括玻璃层5与硅片层6，所述玻璃层5还包括第一玻璃片51、第二玻璃片52，所述第一玻璃片51、所述第二玻璃片52的厚度均为500μm，面内尺寸为4寸，所述硅片层6的顶面设有所述第一玻璃片51，所述硅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于原子磁力仪的MEMS气室，其特征在于：包括玻璃层(5)与硅片层(6)，所述玻璃层(5)还包括第一玻璃片(51)、第二玻璃片(52)，所述硅片层(6)的顶面设有所述第一玻璃片(51)，所述硅片层(6)的底面设有第二玻璃片(52)，所述硅片层(6)上设有双腔结构，所述双腔结构还包括生成腔(1)、作用腔(2)，所述生成腔(1)、所述作用腔(2)均上下通透，所述生成腔(1)内设有碱金属源(3)，所述硅片层(6)的顶面上设有连接通道(4)，所述连接通道(4)连接所述生成腔(1)与所述作用腔(2)，所述连接通道(4)为弯曲结构。2.根据权利要求1所述的一种用于原子磁力仪的MEMS气室，其特征在于：所述硅片层(6)由多组的硅晶圆经硅硅键合工艺组成，位于顶部的所述硅晶圆为第一硅晶圆(61)，所述第一硅晶圆(61)的顶面设有所述连接通道(4)，其余的所述硅晶圆为第二硅晶圆(62)。3.根据权利要求1所述的一种用于原子磁力仪的MEMS气室，其特征在于：所述生成腔(1)与所述作用腔(2)均为圆柱状空腔，所述生成腔(1)的半径小于或等于所述作用腔(2)的半径，所述作用腔(2)处的所述玻璃层(5)上设有增透膜。4.根据权利要求1所述的一种用于原子磁力仪的MEMS气室，其特征在于：所述弯曲结构为S形连续直角弯，所述连接通道(4)有多组且对称设置，所述连接通道(4)的通道截面宽度为50～100μm，所述连接通道(4)的通道截面深度为200～300μm。5.一种MEMS气室的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)使用RCA标准清洗工艺清洗所述硅晶圆和玻璃片；(b)在所述硅晶圆的表面沉积二氧化硅和旋涂光刻胶作为掩膜，使用双腔结构光刻掩膜板进行曝光、显影，实现双腔室结构的深硅刻蚀制造，制备第二硅晶圆(62)；(c)基于二氧化硅牺牲掩膜层的多深度一体化刻蚀加工工艺，实现单步深硅刻蚀出含所述连接通道(4)的双腔室结构，制备第一硅晶圆(61)；(d)通过RIE进行表面等离子体活化，在＜200℃温度环境下，施加...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴俊，刘骅锋，欧阳浩，焦世民，涂良成，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：