芯片级原子钟的气密性能分析

　　原子钟自出现以来,以其极高的时间准确度和频率稳定度在国际基准时间发布、全球定位与导航、高速数字通信、保密通信、精密计量等方面获得了成功的应用。但是传统原子钟体积大、功耗高、价格昂贵等因素大大限制了它的应用范围,如便携式设备。原子钟的微型化和低成本化将极大拓展原子钟的应用,是原子钟技术发展的趋势之一。

　　相干布居囚禁(CPT,Coherent Population Trap-ping)原子钟是基于原子的CPT原理而实现的一种新型原子钟,由于CPT原子钟没有微波谐振腔,是目前从原理上唯一可实现芯片化的原子钟。芯片级原子钟(CSAC,Chip-Scale Atomic Clock)的发展目标是保持较高频率长期稳定度的条件下实现微型化和极低功耗,用于需要高精度频标的便携式设备,如高精度GPS定位和导航接收机、带宽保密通信系统等。由于CSAC的原子腔工作温度高出环境温度60℃左右,微型化是实现极低功耗的必要条件。基于微电子机械系统(MEMS)批量制造工艺的CPTCSAC技术,具有体积小、功耗低、可批量化制造等优点,是目前原子钟技术研究的热点方向。美国国家标准与技术研究所(NIST)于2004年研制出了CSAC样机^[1],其物理系统体积仅为9·5 mm³,秒级频率稳定度为2·5×10^-10,总功耗小于75 mW;美国Symmetricom、DraperLab和Sandia国家实验室于2005年联合研制出的CSAC^[2],包含外围电路总体积10 cm³,总功耗小于200 mW,短期频率稳定度为4×10^-10τ^-1/2;美国Honeywell公司2007年研制出总体积1·7 cm³,总功率预算57 mW,1 h阿伦偏差为5×10^-12的CSAC^[3]。国内在CSAC研究领域开展研究工作的单位有中科院武汉物理与数学研究所、中科院上海微系统与信息技术研究所、北京大学、华中科技大学等,目前还属于起步阶段^[3-4]。CSAC的微型原子腔体积小,同时MEMS工艺相比传统小型玻璃原子腔的玻璃熔封工艺有很大不同,微型原子腔的气密性成为决定CSAC可靠性的关键问题,目前的公开文献均未涉及这一关键问题,本文主要研究分析CSAC的气密性问题,为CSAC的气密性设计提供理论基础。

　　1　CSAC气密性问题及多层缓冲原子腔结构

　　CSAC由微型物理系统和集成控制电路组成,其中微型物理系统基于MEMS工艺的制作是CSAC的关键技术。微型物理系统由MEMS原子腔、微光学系统和集成温控系统组成,MEMS原子腔内密封碱金属(Rb或Cs)原子蒸气和混合缓冲气体(Ar和N₂),其某一方向要求能够透过近红外激光,如图1所示。传统的玻璃吹制工艺制作的小型玻璃碱金属原子腔其最小体积在cm³量级,而MEMS原子腔体积可以缩小至mm³量级。目前制造MEMS原子腔的主流技术是硅-玻璃阳极键合技术,其主要制作工艺为:KOH腐蚀厚硅片刻蚀出通孔并与Pyrex玻璃键合,腔体中充入碱金属蒸气和混合缓冲气体,再在硅片的另一面与Pyrex玻璃二次键合,最后划片分离出MEMS原子腔体。硅-玻璃键合区域的材料结合层由于存在微小键合缺陷而发生微小泄漏,产生CSAC由于气密性导致的可靠性问题。