一种芯片式铷灯制造技术

一种芯片式铷灯，涉及一种高频发光装置，尤其是涉及一种不仅可以用于微小型化与芯片式铷原子钟，也可以用于各种传统常规的铷原子钟，同时作为一个光源，也可广泛地应用于各种需要节能低功耗光源的芯片式铷灯。提供一种体积较小、功耗较低和便于携带的芯片式铷灯。为三层结构，从上至下设有上层玻璃片、中层硅片和下层硅片，在中层硅片中央设有一个通孔，在通孔的一边上设有沟道，通孔经沟道与外部连通，在下层硅片底面设有电感线圈，电感线圈两端分别设有接头，两接头外接射频电源；将上层玻璃片、中层硅片与下层硅片上表面键合成一片芯片，中层硅片中央的通孔与上层玻璃片和下层硅片之间构成的腔体内充入铷－８７与惰性气体。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高频发光装置，尤其是涉及一种不仅可以用于微小型化与芯片式铷原子 钟，也可以用于各种传统常规的铷原子钟，同时作为一个光源，也可广泛地应用于各种需要 节能低功耗光源的芯片式铷灯。
技术介绍
随着现代科技的发展，许多领域如卫星通信技术、全球卫星定位系统(GPS)、雷达系统、 交通控制系统以及电力调度等都需要更加稳定而精确的时间频率信号，传统的机械定时和晶 振定时已经不能满足需要。原子频标，亦称为原子钟，具有极高的稳定度和准确度，得到了 越来越广泛的运用。其中铷原子频标体积小，重量轻，性能较好，并且成本较低，是所有原 子频标中应用最广泛的一种。铷原子频标由物理部分和电路伺服部分构成。物理部分对铷原子频标的短期及长期稳定 性起到决定性的作用，物理部分由产生抽运光的铷灯(或称铷光谱灯)和腔泡系统组成。腔 泡系统包括微波谐振腔、铷吸收泡、铷滤光泡、光电探测器等。铷光谱灯中充有金属铷(通 常是铷-87)和惰性气体，在外部加热线圈的作用下，金属铷变为蒸汽，同时，在外部高频线 圈产生的高频电磁场的作用下，灯泡内的惰性气体被射频激发，发生高频击穿，由此产生的 各种粒子，包括电子、离子、气体分子与光子，与铷蒸汽中的铷原子碰撞，使得铷原子电离 发光。在铷灯发出的光谱经过铷滤光泡后，滤除了不需要的光谱，得到了所需的抽运光。作 为整个物理系统的第一个部件，铷光谱灯对于整个铷原子钟的性能有着很大的影响。微小型化、芯片化是目前各种原子钟的发展趋势。世界各主要科技强国都在探讨应用各 种技术将原子钟微小型化，芯片化，大幅度减小体积与功耗。常规的用于原子钟的铷灯都是 用玻璃做的，呈球形、圆柱形等，直径为l 2cm，长度亦为l 2cm，体积较大，因而功耗也 非常大，同时，加热线圈与射频线圈都是另外用铜线绕在灯泡上的，加热及射频电磁场耦合 到铷蒸汽与惰性气体组成的混合气体中的耗能较多，能量利用率都较低，而且装置复杂，还 进一步增大了整个系统的体积与功耗，不能适应现代科学技术对微小型化以及芯片化原子频 标的要求。公开号为CN101237077的中国专利技术专利申请公开一种小型化铷原子频标的腔泡系统，其微波腔筒由高磁导率材料制作，微波腔筒套装有加热筒，在加热筒的抽运光入射端口还装有把铷光谱灯所发的光线汇聚后透射到微波腔内的凸透镜，c场线圈直接绕制在置于微波腔筒和吸收泡之间的介质筒上，且滤光泡的尾部尖头集中于泡端圆形平面的中心，吸收泡尾部尖 头集中于泡端圆形平面的边缘，光电池和阶跃二极管固联在可移动固定的腔端盖内壁端面上。 该专利技术腔内无机械调节杆，以腔内倍频方式，采用圆柱形TE111模式、填充介质方法摒弃了现 有技术磁屏筒的复杂结构，减小了腔泡系统体积。在加热筒抽运光入射端口加装凸透镜增大 抽运光光强，确保了腔泡系统性能。腔频微调采用移动光电组件，调试方便且不会引起场形 畸变。周忠石等(周忠石，王亮，郭鹏翔，铷原子频率标准的小型化研究，宇航计测技术，2002， 22 (1): 1-6)报道了有关铷原子频率标准的小型化研究。余钫等(余钫，金鑫，管妮娜，高军毅，盛荣武， 一种小型化铷光谱灯的设计，宇航计 测技术，2008， 28 (1): 13-16)报道了一种小型化铷光谱灯的设计。涂建辉等(涂建辉，李冠斌，达道安，杨炜，铷光谱灯老化过程分析，真空与低温，2006， 12 G): 173-175)报道了铷光谱灯老化过程分析的研究。曾媛等(曾媛，赵峰，吴汉华，钟达，安绍锋，梅刚华，气泡型铷原子频标光谱灯优化 设计，波谱学杂志，2004， 21 (3): 345-350)报道了气泡型铷原子频标光谱灯优化设计的研究
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有的铷灯所存在的体积大、功耗高、不方便携带等缺点，提供 一种体积较小、功耗较低和便于携带的芯片式铷灯。本专利技术为三层结构，从上至下设有上层玻璃片、中层硅片和下层硅片，在中层硅片中央 设有一个通孔，在通孔的一边上设有沟道，通孔经沟道与外部连通，在下层硅片底面设有电 感线圈，电感线圈两端分别设有接头，两接头外接射频电源；将上层玻璃片、中层硅片与下 层硅片上表面键合成一片芯片，中层硅片中央的通孔与上层玻璃片和下层硅片之间构成的腔 体内充入铷-87与惰性气体。所述中层硅片两侧面的上层玻璃片和下层硅片的外形和尺寸均与中层硅片最好相同，所 述中层硅片可为方形硅片或圆形硅片等，中层硅片的厚度可为0.1 2mm，方形硅片的边长可 为3 30mm，圆形硅片的直径可为3 30mm;上层玻璃片可为方形玻璃片或圆形玻璃片，方 形玻璃片的边长可为3 30mm，圆形玻璃片的直径可为3 30mm;下层硅片可为方形硅片或 圆形硅片，方形硅片的边长可为3 30mm，圆形硅片的直径可为3 30mm;所述通孔可为方 形通孔或圆形通孔等，方形通孔的边长可为2 15mm，圆形通孔的直径可为2 15mm。玻璃片的厚度最好与中层硅片的厚度相同，下层硅片的厚度最好与中层硅片的厚度相同。电感线 圈的线条宽度可为l 300nm，线条高度可为l 200pm，线条间距可为l 100pm。所述沟道 的横截面可以是三角形、方形或梯形等，三角形、方形、梯形的每边边长可为0.1 2mm。 充入的铷-87的量最好为0.1 10mg，充入的惰性气体的气压最好为10 300Tor。 制备时，从上至下，采用上层玻璃片-中层硅片-下层硅片的三层结构，上层玻璃片与中 层硅片和下层硅片的外形尺寸相同，对于中层硅片，利用薄膜生长、光刻、腐蚀等技术在其 中间刻蚀出一个通孔以及在一条边上刻蚀出一条微小的沟道，再将中层硅片切成所需形状， 形成一个中央带有通孔、边上带有一个微沟道的小硅片。对于下层硅片，其底面集成有微制 造加工的微型电感线圈，电感线圈两端用于外接射频电源。上层玻璃片与中层硅片和下层硅 片外形尺寸可以相同；利用键合技术将中间硅片与底部硅片不带电感线圈的一面用硅-硅键合 技术将其键合在一起，而后再用阳极键合技术将其与上层玻璃片合在一起，成为一块芯片， 这样，中间硅片的通孔在上下都被盖住后就成为一个微腔，然后利用中间硅片先前刻蚀加工 出来的微沟道，往微腔中充入铷-87和惰性气体，再用胶密封微沟道以后，就成为一个芯片式 铷灯。与现有的铷灯相比，由于本专利技术采用了MEMS技术进行微制造加工，因此可以将此灯做 的很小，每层玻璃片或硅片的厚度只有0.2 2mm，并且将射频线圈直接集成在灯底部，利用 射频电磁场在硅中产生的涡流效应加热金属铷，使其成为铷蒸汽，并将射频电磁场能量耦合 到铷蒸汽与惰性气体的混合气体当中，激发混合气体放电发光，可以大幅度降低功耗。本发 明不仅可以用于微小型化、芯片式铷原子钟，也可以用于各种常规的铷原子钟，同时作为一 个光源，也可广泛地应用于各种需要节能低功耗光源的场合。附图说明图l为本专利技术实施例的整体结构示意图。 图2为本专利技术实施例的分解结构示意图。图3为本专利技术实施例的下层硅片底部的微加工制造的电感线圈结构示意图。 在图中，l.玻璃片、2.中间硅片、3.下层硅片、4.微沟道、5.电感线圈、6.电感线圈外接 头、7.电感线圈内接头。 具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。 实施例l参见图1 3，本专利技术为三层结构，从上至下设有上层玻璃片l、中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种芯片式铷灯，其特征在于为三层结构，从上至下设有上层玻璃片、中层硅片和下层硅片，在中层硅片中央设有一个通孔，在通孔的一边上设有沟道，通孔经沟道与外部连通，在下层硅片底面设有电感线圈，电感线圈两端分别设有接头，两接头外接射频电源；将上层玻璃片、中层硅片与下层硅片上表面键合成一片芯片，中层硅片中央的通孔与上层玻璃片和下层硅片之间构成的腔体内充入铷－８７与惰性气体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭航，骆明辉，陈杰，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：92[中国|厦门]