[发明专利]用于超冷原子惯性传感器的原子芯片及相关联的传感器

说明书

本发明涉及一种用于超冷原子传感器的原子芯片(Ach)，所述芯片包括垂直于Z轴的XY平面，所述原子芯片包括：‑第一和第二共面波导(CPWX1，CPWX2)，适用于以各自的角频率ω_a和ω_b传播微波，所述波导对称地放置在X轴的任一侧并且被称为X向导向器，‑第一和第二共面波导(CPWY'1，CPWY'2)，适用于以各自的角频率ω'_a和ω'_b传播微波，所述波导对称地放置在轴的任一侧并且被称为Y'向导向器，所述轴在XY平面中的投影沿着不同于X轴并且包含在XY平面中的轴Y'，X向导向器与Y'向导向器电绝缘，所述导向器的交叉点形成中心O的平行四边形，所述中心O定义参考系XYZ的原点，‑至少第一导线(W1)和第二导线(W2)，其各自在XY平面中的投影正割于O并且在它们之间形成大于或等于20°的角度，所述导线为适合直流电流通过。

技术领域

本发明涉及超冷原子惯性传感器领域。更具体地，本发明涉及允许测量围绕两个或三个测量轴的角速度的芯片以及相关联的传感器。

背景技术

文献WO2017089489中描述的传感器描述了一种片上超冷原子惯性传感器(陀螺仪)，该传感器使用捕获的物质波，其描述封闭区域的闭合路径，该传感器的结构和工作原理将在下面回顾。

这种类型的设备中的旋转测量是通过利用萨格纳克效应(Sagnac effect)来进行的。在以角速度Ω旋转的参考系中反向旋转的两个物质波之间的萨格纳克效应引起的相移θ由下式给出：

其中A是原子路径所包围的面积，m是原子的质量，是简化的普朗克常数。

超冷原子被定义为温度低于400纳开尔文，优选低于300纳开尔文的原子。热超冷原子的温度，例如对于铷原子，被包括在50和400纳开尔文之间，优选地被包括在100和300纳开尔文之间。

原理是获得两个反向传播的磁捕获原子云要穿过的一条路径。磁笼(magnetictrap)经由导线和微波导向器沿路径形成并移动，例如如图1所示布置。

图1示意性地示出了超冷原子芯片1、其超冷原子12以及两个原子云N1和N2的路径16。芯片1的表面的一部分形成测量平面13。垂直于测量平面13的轴定义了测量轴Z，陀螺仪围绕该轴进行旋转Ωz的测量。

芯片1包括适用于产生第一超冷原子笼Tl和第二超冷原子笼T2的装置，笼允许超冷原子云12以与另一个笼不同的内部状态被固定在距所述测量平面13的预定距离h处。例如，笼T1包括处于电子状态|a的原子(云N1)，而笼T2包括处于状态|b的原子(云N2)。状态|a和|b由频率ω₀/2π分开。例如，在铷87的情况下，这是两个超精细状态|F＝1,m-_F＝-1和|F＝2,m-_F＝1的问题，它们相隔约6.8GHz。

这些装置还允许云沿着路径16移动，路径16位于与测量平面13平行的平面中，距该平面的高度为h，如图1中所示。这些装置包括波导以及如下所描述的导线。

该装置包括适合于以角频率ω_a和ω_b传播微波的第一波导CPW1和第二波导CPW2。波导平行并相对于测量平面的Y轴对称放置。两个波导CPW1和CPW2连接到微波频率处的电压或电流的至少一个发生器。例如，每个波导通过沉积三个平行的导线以形成共面波导而产生。在其他实施例中，可以使用其他类型的波导，特别是其生产与采用沉积或蚀刻的微制造技术兼容的波导。例如，可以生产微带线。

该装置还包括集成到芯片1中并且能够被DC电流通过的导线。导线被分类为沿着与X垂直的对称轴Y并包含在测量平面13中的导线WIz，以及多条n导线Wldi，索引i从1变化到n，它们相互平行并且平行于X轴，n至少等于2。在图1的示例中，n＝3，即有3条导线WId1、WId2和WId3。导线布置成定义位于Y轴上的n个交叉点Ci(WIz和Wldi之间的交叉点)，此处为3个交叉点C1、C2、C3。