面向芯片原子钟应用的MEMS气室关键技术研究

发布时间：2020-04-28 02:19

【摘要】：基于相干布居囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原理的被动型原子钟,由于摆脱了微波腔的束缚,相比于主动型原子钟,在很大程度上减小了结构体积。同时,微机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术的引入,取代了传统的吹玻璃法工艺制造碱金属气室,从而使原子气室尺寸从厘米量级降到了毫米量级,不仅缩小了物理系统体积,也大大降低了包括光源、探测、加热单元在内的功耗。因此,基于CPT共振原理的原子钟又被称之为芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock,CSAC)。CSAC的频率稳定度比传统的晶振钟高出3~4个数量级,而在定位系统中,1μs的时钟误差将会引起近300 m的位置误差,因此,高精度的时钟在导航定位中显得尤为重要。CSAC存在两个关键问题,一是尺寸芯片化,二是频率稳定度最优化。尺寸芯片化的关键在于原子气室的芯片化,因此,制作高密封、多气氛的原子气室是核心技术。同时,原子气室的优劣也将直接决定整个原子钟系统的频率稳定度。论文主要对微型化的原子气室进行了研究,主要工作分为以下几点:第一,详细说明了本课题的背景及意义,梳理了国内外研究CPT原子钟的发展脉络以及研究进展;第二,研究了CPT原理,重点研究了原子气室在微型化尺度下产生的碰撞、磁场偏移以及光位移对CPT共振的影响;第三,将CSAC的结构分为两个部分,电学系统与光学系统,然后对两者进行了详细介绍,同时介绍了本课题采取的方案设计;第四,研究了MEMS气室的制作流程,基于MEMS技术,采用感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)深硅刻蚀机刻蚀硅片,得到气室结构。结合阳极键合机,分两次键合完成对气室的封装,得到了充有缓冲气体与不含缓冲气体两种类型的气室。在制备气室的过程中,硅片的掩膜采用AZ4620光刻胶,同时研究了深硅刻蚀后硅片表面的形貌特征,计算了刻蚀过程中不同尺寸下刻蚀机对硅片的刻蚀速率,分析了不同尺寸下刻蚀速率差异的原因。第五,对不充缓冲气体的碱金属气室进行了饱和吸收测试,对充有缓冲气体的碱金属气室进行了CPT共振测试,测试结果表明:制备的不充缓冲气体的微碱金属气室,在温度为80℃的条件下具有明显的饱和吸收现象;充有缓冲气体的气室也观察到了CPT共振谱线。
【图文】：

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图 1.1 Micor-PNT 与信息化战场示意图原子钟以原子的振荡频率作为计时的基准，Cs 原子钟的成功研制，在 1967 年的国计量大会中改变了人类对秒的定义[12-14]。原子内部能级间的跃迁具有固有频率，这一率可以用来锁定本地晶振。芯片原子钟是目前能够实现的最小化原子钟，其原理是基相干布居囚禁，无需微波腔，具有结构紧凑、简单、微小的特点。工作物质通常为铷b)或铯(Cs)[15-16]，光源可以用近年来新兴的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surfacmitting Laser，VSCEL)，，VCSEL 具有调制带宽高、单纵模输出、阈值电流低的特点[17]。传统的晶振钟相比，CSAC 不仅保留体积小的优点，精度也比传统晶振钟高出 3~4 个量级，若说最好的石英钟一年误差 5~8s，难么 CSAC 在 1000 年内的误差不超过 2s[18]。于上述性能，CSAC 可以广泛应用到各种通信设备中，以提高信号的传输的可靠性CPT原子钟是基于激光与原子相干作用的一种新型原子钟，与传统原子钟相比，不要臃肿的微波腔，可以实现芯片级微型原子钟。CSAC由于体积、功耗有望达到电子

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中北大学学位论文场频率之差与钠原子基态超精细分裂频率一致时，原子被束缚在基态的相干叠加态)，此时原子不再吸收入射光子，产生电磁诱导透明现象，又称相干布居囚禁。1[21]，加拿大科学家 Cyr 等人建议将 CPT 原理用在碱金属原子钟上，从此 CPT 原子到了广泛的研究，美国对芯片原子钟的研究脉络见图 1.2 所示。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH714.14

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