Page 101 - 《真空与低温》2025年第3期
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372 真空与低温 第 31 卷 第 3 期
0 引言 对气室的信噪比产生了不利影响。为了在 MEMS
结构的基础上增加光路长度，本文采用激光切割打
随着量子传感技术和微机电系统（Micro-elec-
孔和喷砂的技术加工 3 mm 厚的通孔硅片，并利用
tro-Mechanical System，MEMS）技术的发展，量子传
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感器件逐渐向片上化、集成化的方向发展 ，包括 阳极键合技术和激光分解释放剂的方法制备含有
缓冲气体的 MEMS 原子气室，同时搭建光学实验
以碱金属原子的能级跃迁提供频率标准的原子钟、
原子磁强计、原子陀螺仪等。其中基于相干布居 平台测量铷原子的吸收谱线信号。
囚禁原理（Coherent Population Trapping，CPT）的原 1 结构设计
子钟，和传统的微波钟相比，由于物理部分不需要
由于光路长度增加对原子气室的信噪比和阿
微波谐振腔，体积小、功耗低、更利于集成化，是原
伦方差都有所提升 ，近年来有多种提升气室中光
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子钟微型化的一个重要发展方向 。CPT 原子钟
路长度的结构设计，包括加入反射镜结构 [5，7] ，采用
的主要工作原理是通过相干双色光与碱金属原子
[8]
五层厚玻璃片结构 ，采用加热回流技术制成横向
相互作用，如图 1 所示，当两束频率分别为 ω 1 和
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光路结构 等，但这些工艺方法较为复杂，为了提
ω 2 的相干激光满足共振条件时，原子就会被囚禁
升更简单的三层玻璃/硅/玻璃结构气室的光路长度，
在两个基态能级上，不再向激发态跃迁。此时控制
本文利用激光切割打孔和喷砂的技术，加工 3 mm
光频差的微波频率可以锁定在原子基态的两个超
厚的通孔硅片，同时考虑到键合需要保证的热膨胀
精细能级之间的跃迁频率上，从而获得高精度的参
系数匹配以及气密性强度问题，在硅片两侧都选用
考标准频率 。对于使用热原子的微型化芯片级
[3]
了 1 mm 厚的 BF33 玻璃片。
CPT 原子钟，碱金属原子必须被限制在气室内才能
此外，MEMS 气室制备的一个关键问题是碱
与激光作用产生 CPT 现象，因此，原子气室的结构
金属填充工艺。目前常用的填充工艺主要包括：直
和性能直接影响了原子钟整体的性能，是 CPT 原
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接填充法 、石蜡包裹法 、化学反应法 、紫外线
子钟的核心部件。 光分解法 [12] 等，其中直接填充法需要在真空环境
F′=2 5 P 1/2 中进行，对设备要求高、操作难度大；石蜡熔点较
2
低，无法与阳极键合工艺兼容；化学反应法操作较
87 Rb
简单，但是在键合的高温下存在可逆反应，使碱金
ω 2
属含量减少，影响气室寿命；紫外线光分解法避免
ω 1
F=2 了杂质的干扰，但是反应时间较长 。为了简化工
[13]
2
6.8 GHz 5 S 1/2 艺的同时保证键合质量，本文选择结合了化学反应
法和光分解法优点的释放剂光分解法。由于本实
F=1
验的目的主要是展示一种工艺方法和证明其可行
图 1 CPT 原理示意图
性，因此选用了成本较低的含自然铷的释放剂
Fig. 1 CPT principle schematic diagram
（SAES Getters RB/AMAX/PILL/1-0.6），其在阳极键
[4]
从 20 世纪 60 年代以来 ，原子气室主要通过 合的温度下不会分解，同时设计了双腔结构，避免
玻璃吹制的方法加工，这种结构可以实现较高的透 释放剂分解后留下的残余物对光产生干扰。气室的
明度和一定程度的小型化，但是批量生产时产量较 整体结构如图 2 所示，包括光学腔和反应腔两个腔
低，且一致性较差，难以精准控制尺寸并实现集成。 室，加工时先将碱金属释放剂放置在反应腔中，封
随着 MEMS 加工技术的发展，MEMS 原子气室由 装完成后用高功率激光照射释放剂，在 800~900 ℃
于其可大批量生产、可实现微型化和集成化，得到 温度范围内，其中的 Zr/Al 合金与钼酸铷发生反应，
了快速的发展。MEMS 气室通常为玻璃/硅/玻璃 释放出铷原子。在水平尺寸上，由于实验中采用
三层结构，其光路长度取决于硅片的厚度，为了提 的 VCSEL 激光器输出的光束直径为 3~4 mm，因此
高光与碱金属原子作用的路径长度，需要采用更厚 设计光学腔的直径为 3 mm，反应腔的尺寸略大于
的硅晶片。但是，由于深度反应离子刻蚀（Deep 释放剂，为了保证键合的气密性和机械强度，四周
Reactive Ion Etching，DRIE）技术的限制，硅片的厚 的键合界面需要 1 mm 左右的宽度，综合考虑整体
度一般小于 2 mm ，这限制了与光作用的原子数量， 尺寸，最后设计的结构体积为 6 mm×6 mm×5 mm。
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