[发明专利]面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置及制备方法

说明书

本发明提供了一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置及制备方法，采用厚膜技术将发热电阻一层层刷到基板上，并进行绝缘隔离，形成多层加热结构，并将三极管、热敏电阻和单片机等元器件都集成到基片上，每一层发热电阻都与一个三极管连接后由单片机的DAC输出端口控制，单片机通过其ADC模块采集热敏电阻的电压收集温度信号，经过PID算法后通过DAC控制每一层发热电阻的加热功率，实现多档连续控制的高集成度加热装置。本发明电路结构简单、集成度高、控制加热一体，能够改善目前微型原子气室加热装置的诸多问题，可以扩展应用到更多需要加热的器件中，并且工艺简单，易于制备。

技术领域

本发明涉及一种面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置及制备方法，适用于高集成度、高性能的芯片级原子钟、微小型原子自旋陀螺仪、SERF(spin-exchangerelaxation-free，无自旋交换弛豫)原子磁强计等属于微机电系统领域。

背景技术

很多物理研究与精密测量都是基于光与原子相互作用的量子过程，需要在原子蒸汽中制备长寿命的原子极化态，通常人们会将原子储存在玻璃的封闭容器内，这个容器就是原子气室。实验过程中需要通过给原子气室加热升温并稳定在一定的温度值，得到更高的原子数密度，利用气态原子进行精密测量。微型原子气室作为芯片原子钟、原子自旋陀螺仪、原子磁强计等的核心部件，其加热装置的集成度和精度将直接影响整体系统的体积和量子过程的测量精度。

原子钟的精度可以达到每2000万年误差1秒。其中，芯片原子钟(Chip ScaleAtomic Clock，CSAC)由于体积小、重量轻、功率消耗小等优点，在守时、定位、导航、通信、军事等多个领域具有广泛的应用前景。目前研制出的芯片原子钟的频率稳定度基本满足了应用需求，但在体积方面，芯片原子钟目前只能达到16cm³～20cm³，对于尺寸要求苛刻的便携式设备来说，体积问题严重限制了芯片原子钟的应用。因此，提高微型原子气室的加热装置的集成度是减小芯片原子钟体积的必然选择。

原子自旋陀螺仪可在微小体积、低成本条件下实现米级定位精度，提供不依赖卫星的全空域、全时域无缝定位导航新能力。提高微型原子气室的加热装置的控制精度和集成度，将有助于进一步提高微小型原子自旋陀螺仪的精度与集成度，实现全空域、全时域的无缝定位导航，达到未来定位导航产业的技术制高点。

SERF原子磁强计以其超高灵敏、小体积、低功耗成为空间探测磁强计的优先选择，越来越多的应用于地质勘探、航空测磁、卫星姿态控制以及空间探测等领域，通过对各项技术的改进，原子磁强计有望得到更广泛的应用领域。减小其内部微型原子气室的加热装置的体积，将会为原子磁强计的进一步微型化提供强有力的帮助。

目前微型原子气室的加热装置多采用加热丝、加热玻璃和TEC(Thermo ElectricCooler，半导体制冷器)等加热器件。加热丝的加热面积较小，温度分布梯度较大；加热玻璃制作工艺繁琐，成本较高，产生的噪声较大；TEC一端吸热，一端放热，体积较大，加热上升时间过长，加热效率不高，控制精度差。现有加热装置都是单一固定的发热电阻，只能通过驱动电路来调节加热功率，功率调节范围有限，存在调节范围小，控制精度差，加热效率低，产生的噪声大，连线杂多混乱，加热装置集成度不高等问题。

从上世纪六十年代开始，厚膜混合集成电路就以其元件参数范围广，精度、稳定度和可靠性高，电路设计灵活性大，研制生产周期短，适合于大批量低成本生产等特点，与半导体集成电路相互补充、相互渗透，成为集成电路的一个重要组成部分。其高集成度、高精度、低噪声等特点得到社会的一致认可，广泛应用于电控设备系统中，对电子设备的微型化起到了重要的推动作用。

发明内容