CPT原子钟MEMS气室工艺研究
发布时间：2022-01-19 12:30
Micro-PNT系统与卫星导航和惯性导航技术相结合,可构建不受时间、地域、空间限制的自主、实时、连续的PNT网络,实现在国民经济、军事领域和国家安全方面的广泛应用。作为该系统核心模块的芯片原子钟在实现定位导航授时功能的同时,更加注重低功耗、小体积和高稳定度。基于CPT原理的原子钟作为唯一原理可实现的芯片级器件,利用光与原子相互作用使得碱金属原子基态两个超精细能级耦合到共同的激发态从而制备CPT态,具有非常高的稳定度,克服了石英晶振在恶劣条件下易受温度、湿度等外界条件影响的缺点。芯片原子钟的物理部分主要包括电路系统、光路系统以及磁屏蔽系统,物理部分体积的减小是芯片原子钟微型化的关键,本文以被动型CPT原子钟的物理部分作为主要研究对象,对作为其核心部位的MEMS气室工艺开展了详细的研究。本文所做工作简述如下:首先,对芯片原子钟的国内外现状进行了回顾,对各个国家、地区和实验室对于芯片原子钟的实现方法进行了总结,并对原子频标、CPT原理进行了详细的说明,对影响气室频移的不同种类的缓冲气体进行了仿真分析。其次,结合化学反应法和光分解法,避免引入杂质对实验造成干扰,采用感应耦合等离子体深硅刻蚀技...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Micro-PNT项目设置Fig.1-1SettingsofMicro-PNTproject
，第13届国际度量衡会议上重新定义了时间的标准，会议上将“秒”定义为：“把不受外场影响的，133Cs的同位素原子基态62S1/2的两超精细能级（F=4，MF=0）与（F=3，MF=0）之间的跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间”。随着激光冷却和囚禁原子原理的深入研究与技术的不断进步发展，离子阱微波原子频标、喷泉钟、CPT原子钟、光抽运钟等不断出现。1999年，NIST实现了世界上最精确的原子钟，其精度可达3×10-16。图1-2显示了1950年以来NBS制造的原子钟到2010年NIST-F2问世，60年间原子钟精度的发展[22]。图1-2NBS原子钟的发展历史Fig.1-2DevelopmenthistoryofNBSatomicclock自提出基于MEMS工艺来实现原子钟的想法以来，美国DARPA项目提出了“CSAC”概念和计划并拟定了相关参数，相关参数的优化和改善目标如下：（1）1小时内输出信号的不稳定度<10-11；（2）体积有超过20倍的缩减，要达到从230cm3向10cm3的目标缩减；（3）功耗有超过300倍的缩减，要达到从10W向300mW的迈进。这些指标对当时的技术是一个巨大的挑战，同时也推动了纳米加工、材料工艺、器件设计和电子封装技术的发展。2001年启动的DARPA项目吸引了法国、瑞士、波兰、德国、芬兰、意大
中北大学学位论文4利等欧洲国家、世界各地的研究所、实验室以及工业集团参与进来，为实现这一目标而付出努力，投入极大的精力。他们所取得的成就如下：美国NIST于2002年首次从理论上提出MEMS技术对原子频率标准可实现性[23]并于2004年首次成功研制出芯片原子钟[24,25]。2002年，意大利国家电子所构建了主动型CPT原子钟的实验装置，实验测得1000s不稳定度为3×10-14。2004年，NIST的J.Kitching成功研制出了第一台Cs原子钟物理封装，包含四个部分：VCSEL光学系统、光路部分（ND镜、λ/4波片及透镜）、MEMS气室以及探测系统。CSAC物理封装如图1-3所示，体积小于1mm3，功耗低于75mW，短期稳定度可达2.4×10-10τ-1/2[26]。图1-3NIST首个铯原子钟物理封装Fig.1-3NIST"sfirstcesiumatomicclockphysicalpackage美国的Symmetricom作为DARPA项目的被资助公司之一，也参与了CSAC项目的研究。该公司与桑迪亚国家实验室（SandiaNationalLaboratories）合作，设计并开发了一款最先进也是最复杂的芯片原子钟。在CSAC项目初始阶段，Lutwak团队已经研究了一些原子钟的参数，并对双共振曲线进行了优化[27]。他们还对比了基于Cs原子的D1线和D2线下的CPT共振，结果表明D1线提供了高3~4倍的品质因数[28]。随后，他们于2005年推出了第一代原理样机，样机尺寸为10cm3，短期不稳定度为4×10-11，功耗仅为155mW[29]。如图1-4（a）所示，该设计采用悬空支撑的方法（其中兼容MEMS技术）最大程度的减少由于热传导引起的功率消耗。2007年，Symmetricom公司成功构建了10个原子钟模型用于实验测试，这些原子钟的体积约为15cm3，功耗约为152mW。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Micro-fabrication and hermeticity measurement of alkali-atom vapor cells based on anodic bonding[J]. 张璐,张文栋,张首刚,闫树斌. Chinese Optics Letters. 2019(10)
[2]芯片原子钟的工作原理及其研究进展[J]. 李松松,张奕,田原,陈杰华. 导航与控制. 2018(06)
[3]光泵磁力仪磁屏蔽筒的尺寸设计[J]. 郭敬滨,孟佳旭,李醒飞,杨颖. 电子测量与仪器学报. 2018(02)
[4]硅的深度反应离子刻蚀切割可行性研究[J]. 刘学勤,董安平. 电子与封装. 2016(09)
[5]基于85Rb的微型化CPT原子钟的设计和实现[J]. 段巍,邢城,赵建业. 太赫兹科学与电子信息学报. 2015(04)
[6]构建微型定位导航授时体系,改变PNT格局[J]. 尤政,马林. 科技导报. 2015(12)
[7]芯片级铷原子气室的制备[J]. 李新坤,王飞飞,梁德春,金鹏,王占国. 中国科学:信息科学. 2015(05)
[8]芯片原子钟的现状与发展[J]. 杜润昌,杨林,赵海清. 导航定位与授时. 2015(02)
[9]微型铷原子钟专用795nm垂直腔表面发射激光器[J]. 张建,宁永强,张建伟,张星,曾玉刚,王立军. 光学精密工程. 2014(01)
[10]芯片级原子器件MEMS碱金属蒸气腔室制作[J]. 尤政,马波,阮勇,陈硕,张高飞. 光学精密工程. 2013(06)
博士论文
[1]CPT原子钟物理系统的研究与探索[D]. 杨晶.中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所） 2014
硕士论文
[1]相干布居囚禁原子钟和磁强计的差分探测研究[D]. 张樊.中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所) 2016
[2]用于原子气室中实施光存储的高磁屏蔽腔的研制[D]. 邱淑伟.西安石油大学 2012
本文编号：3596853
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Micro-PNT项目设置Fig.1-1SettingsofMicro-PNTproject
，第13届国际度量衡会议上重新定义了时间的标准，会议上将“秒”定义为：“把不受外场影响的，133Cs的同位素原子基态62S1/2的两超精细能级（F=4，MF=0）与（F=3，MF=0）之间的跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间”。随着激光冷却和囚禁原子原理的深入研究与技术的不断进步发展，离子阱微波原子频标、喷泉钟、CPT原子钟、光抽运钟等不断出现。1999年，NIST实现了世界上最精确的原子钟，其精度可达3×10-16。图1-2显示了1950年以来NBS制造的原子钟到2010年NIST-F2问世，60年间原子钟精度的发展[22]。图1-2NBS原子钟的发展历史Fig.1-2DevelopmenthistoryofNBSatomicclock自提出基于MEMS工艺来实现原子钟的想法以来，美国DARPA项目提出了“CSAC”概念和计划并拟定了相关参数，相关参数的优化和改善目标如下：（1）1小时内输出信号的不稳定度<10-11；（2）体积有超过20倍的缩减，要达到从230cm3向10cm3的目标缩减；（3）功耗有超过300倍的缩减，要达到从10W向300mW的迈进。这些指标对当时的技术是一个巨大的挑战，同时也推动了纳米加工、材料工艺、器件设计和电子封装技术的发展。2001年启动的DARPA项目吸引了法国、瑞士、波兰、德国、芬兰、意大
中北大学学位论文4利等欧洲国家、世界各地的研究所、实验室以及工业集团参与进来，为实现这一目标而付出努力，投入极大的精力。他们所取得的成就如下：美国NIST于2002年首次从理论上提出MEMS技术对原子频率标准可实现性[23]并于2004年首次成功研制出芯片原子钟[24,25]。2002年，意大利国家电子所构建了主动型CPT原子钟的实验装置，实验测得1000s不稳定度为3×10-14。2004年，NIST的J.Kitching成功研制出了第一台Cs原子钟物理封装，包含四个部分：VCSEL光学系统、光路部分（ND镜、λ/4波片及透镜）、MEMS气室以及探测系统。CSAC物理封装如图1-3所示，体积小于1mm3，功耗低于75mW，短期稳定度可达2.4×10-10τ-1/2[26]。图1-3NIST首个铯原子钟物理封装Fig.1-3NIST"sfirstcesiumatomicclockphysicalpackage美国的Symmetricom作为DARPA项目的被资助公司之一，也参与了CSAC项目的研究。该公司与桑迪亚国家实验室（SandiaNationalLaboratories）合作，设计并开发了一款最先进也是最复杂的芯片原子钟。在CSAC项目初始阶段，Lutwak团队已经研究了一些原子钟的参数，并对双共振曲线进行了优化[27]。他们还对比了基于Cs原子的D1线和D2线下的CPT共振，结果表明D1线提供了高3~4倍的品质因数[28]。随后，他们于2005年推出了第一代原理样机，样机尺寸为10cm3，短期不稳定度为4×10-11，功耗仅为155mW[29]。如图1-4（a）所示，该设计采用悬空支撑的方法（其中兼容MEMS技术）最大程度的减少由于热传导引起的功率消耗。2007年，Symmetricom公司成功构建了10个原子钟模型用于实验测试，这些原子钟的体积约为15cm3，功耗约为152mW。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Micro-fabrication and hermeticity measurement of alkali-atom vapor cells based on anodic bonding[J]. 张璐,张文栋,张首刚,闫树斌. Chinese Optics Letters. 2019(10)
[2]芯片原子钟的工作原理及其研究进展[J]. 李松松,张奕,田原,陈杰华. 导航与控制. 2018(06)
[3]光泵磁力仪磁屏蔽筒的尺寸设计[J]. 郭敬滨,孟佳旭,李醒飞,杨颖. 电子测量与仪器学报. 2018(02)
[4]硅的深度反应离子刻蚀切割可行性研究[J]. 刘学勤,董安平. 电子与封装. 2016(09)
[5]基于85Rb的微型化CPT原子钟的设计和实现[J]. 段巍,邢城,赵建业. 太赫兹科学与电子信息学报. 2015(04)
[6]构建微型定位导航授时体系,改变PNT格局[J]. 尤政,马林. 科技导报. 2015(12)
[7]芯片级铷原子气室的制备[J]. 李新坤,王飞飞,梁德春,金鹏,王占国. 中国科学:信息科学. 2015(05)
[8]芯片原子钟的现状与发展[J]. 杜润昌,杨林,赵海清. 导航定位与授时. 2015(02)
[9]微型铷原子钟专用795nm垂直腔表面发射激光器[J]. 张建,宁永强,张建伟,张星,曾玉刚,王立军. 光学精密工程. 2014(01)
[10]芯片级原子器件MEMS碱金属蒸气腔室制作[J]. 尤政,马波,阮勇,陈硕,张高飞. 光学精密工程. 2013(06)
博士论文
[1]CPT原子钟物理系统的研究与探索[D]. 杨晶.中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所） 2014
硕士论文
[1]相干布居囚禁原子钟和磁强计的差分探测研究[D]. 张樊.中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所) 2016
[2]用于原子气室中实施光存储的高磁屏蔽腔的研制[D]. 邱淑伟.西安石油大学 2012
本文编号：3596853
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