[实用新型]一种碱金属谐振器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种碱金属谐振器。

背景技术

目前原子钟是最精准的人造时钟，根据报道，最新研制出的原子钟的精度达10的18次方。原子钟量子跃迁的特殊类型是超精细跃迁，超精细跃迁涉及原子核磁场和核外电子磁场的相互作用。目前原子钟主要朝两个方面发展：一方面是提高原子钟的精度；另一方面，就是在保证其性能的前提下将其小型化，以适合GPS和通信卫星等对于原子钟的迫切需求。因此如何减小体积和重量，同时降低其功耗，并具有较高的准确度和稳定度，是目前原子钟遇到的主要技术挑战。

碱金属原子钟，比如铷、铯原子钟，体积小、重量轻、性能好，并且成本较低，是目前应用最广泛的一种原子钟。碱金属原子钟由物理封装部分和电路伺服部分构成，物理封装部分对碱金属原子钟的短期和长期稳定性起到决定性作用。物理部分的核心部件是碱金属谐振器，其一般为玻璃-硅片-玻璃的三明治结构，中间的硅片有部分被掏空而形成腔体，称为谐振腔，碱金属或者用于制备碱金属的原料置入腔体内，特殊调制的激光，通过四分之一波片变成圆偏振光，然后照射谐振腔，在碱金属谐振腔中发生CPT谐振，通过光电二极管探测光能量变化。要实现碱金属原子钟的微型化，关键是减小碱金属谐振器的体积；要实现原子钟的长期稳定性，关键是增加碱金属谐振器的稳定性。

目前原子钟碱金属谐振器共有以下几种：1、在玻璃-硅-玻璃的三明治结构中直接加入氯化铷和叠氮化钡，再通过反应生成碱金属铷；但是反应残留物氯化钡滞留在碱金属谐振腔内，对化学窗口产生污染，会严重影响铷与光作用，因而获得的原子钟的性能不高；2、在玻璃-硅-玻璃的结构中，设计两个腔室：一个腔室用于放置碱金属（比如铷、铯）释气剂，一个腔室用于碱金属谐振，释气剂在激活状态下会释放碱金属蒸汽，进而扩散到这个腔体中；但是这种设计增加了碱金属谐振器的总体面积，从而增加了原子钟物理封装的体积，不符合原子钟小型化的发展趋势；3、在玻璃-硅-玻璃的结构中，先在腔体中置入纯的碱金属，再通过静电键合上玻璃，封闭腔体，但是，碱金属的熔点低于静电键合温度，所以，静电键合温度会导致碱金属的挥发，影响静电键合质量，降低了碱金属谐振器的稳定性。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种碱金属谐振器，其不仅体积小，而且性能稳定。

为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种碱金属谐振器，其为玻璃-硅片-玻璃三明治结构，包括谐振腔腔体与包围腔体的六个侧面，在由硅片构成的一个侧面上设有一开口，开口的一端与谐振腔连通，另一端由焊料封闭；所述焊料与硅片之间设有金属层；谐振腔腔体内放有碱金属并充有缓冲气体。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点:

根据本实用新型的碱金属谐振器，碱金属可以通过其侧面预留的开口进入谐振腔中，不会与静电键合互相影响；焊料将开口封闭，使谐振腔密闭，保持谐振腔中的缓冲气体；与现有相比，本实用新型提供的碱金属谐振器制备方法简单、成本低、性能优异，适于工业化生产。

附图说明

图1为实施例一中的碱金属谐振器的结构示意图；

其中，1、焊料，2、金属层，3、玻璃，4、玻璃，5、硅片，6、谐振腔，7、开口，8、碱金属。

具体实施方式

下面结合实施例以及附图对本实用新型作进一步描述：

实施例一：一种碱金属谐振器

附图1为本实施例提供的碱金属谐振器的结构示意图；参见附图1，碱金属谐振器包括焊料1、金属层2、玻璃3、玻璃4、硅片5、谐振腔6、开口7以及碱金属8，其为玻璃-硅片-玻璃三明治结构，包括谐振腔腔体与包围腔体的六个侧面，其中谐振腔为方形结构，腔体的一个由硅片构成的侧面设置长方形开口，开口的一端与腔体连通，一端由焊料封闭；所述焊料与硅片之间设有金属层；谐振腔腔体内放有碱金属并充有缓冲气体。

上述碱金属谐振器的具体制备方法如下：

（1）采用RCA标准清洗步骤清洗硅片；在清洗后的硅片两面热氧化生长氧化层并在氧化层上通过LPCVD淀积氮化硅；根据所需腔体形状，采用双面光刻刻蚀，刻蚀氧化硅和氮化硅，露出部分硅片，再利用双面KOH湿法腐蚀去除没有氧化硅和氮化硅保护的硅片，从而制备出作为谐振腔的通孔以及开口；再采用双面光刻刻蚀，刻蚀氧化硅和氮化硅，露出剩余的硅片； 

（2）通过静电键合方式对上述带有通孔与开口的硅片进行玻璃-硅片-玻璃静电键合，形成三明治结构；至此谐振器的腔体已形成，其中的一个侧面通过开口与外界连通；

（3）在开口两侧硅片的表面溅射金属； 

（4）在手套箱中，将碱金属通过开口移植至谐振腔内；然后将缓冲气体氮气充入谐振腔内；再利用焊料将开口密封即完成碱金属谐振器的制备。