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用于微型铷原子频标中6.835GHz微波器件的研究

作　者: 魏秀燕
导　师: 郭航
学　校: 厦门大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 铷原子钟 微制造 介质谐振腔 谐振频率 微电镀
分类号: TN629.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


铷气室型原子频标结构简单、体积小、重量轻,并且具有良好的稳定性,因此得到了广泛应用。近年来,由于MEMS技术的迅速发展,以及小型原子钟在实际应用上的优越性,实现铷原子频标的微小型化成为各国的主要研究热点。针对铷原子频标的量子部分中需要提供6.835GHz的微波信号,本文主要从微小型化方向研究提供该信号的两种微波器件：介质谐振腔和MEMS电感,并对MEMS电感微制造过程中的电镀工艺做了详细研究。论文主要分为以下三个部分：第一,对铷原子频标中6.835GHz微波谐振腔进行小型化研究,通过填充高介电常数的陶瓷介质来减小谐振腔的体积。首先,利用混合磁壁法分析介质谐振腔内电磁场分布和频率变化,并根据格林函数法得出谐振频率与探针尺寸、位置的关系方程。其次,基于Ansoft HFSS软件对介质谐振腔进行优化仿真,当填充5.05mm厚的纯度为96%氧化铝陶瓷介质,且谐振腔尺寸取12mm×15mm×18mm时,谐振频率为6.835GHz,模式为TE101,电磁场分布均匀。最后,依据仿真尺寸对谐振腔进行加工制造,得出谐振腔填充5.66mm厚氧化铝陶瓷片,达到6.83GHz的谐振频率,理论分析与实验结果基本一致。第二,通过研究MEMS电感来代替铷原子频标中的谐振腔来提供6.835GHz的微波信号。从数值和理论上对MEMS电感线圈进行分析设计,得出当电感的线宽30um,间距20m,线高6um,内径550um,外径710um时,频率达到3.417GHz。利用MEMS工艺对微电感进行加工,得出Q值取最高点时的频率为3.308GHz,与设计的频率相对误差为3.2%。第三,对MEMS电感制造工艺中的微电镀工艺进行详细研究。首先讨论了电镀过程中各工艺参数对镀层质量的影响；接着通过在硅片上的镀铜实验,实际得出电镀时间和电流密度对电镀层的影响,并对铜镀层的形貌、成分以及电导率进行表征；最后,对MEMS电感的微电镀铜实验步骤做了详细讨论,得出当电镀液温度取40℃,电镀时间取27.2mA,电流密度取1A·dm-2时,MEMS电感铜镀层质量最优。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章 绪论  13-25
  1.1 引言  13
  1.2 原子频标  13-17
    1.2.1 原子频标的工作原理及其分类  14-15
    1.2.2 原子频标的发展  15-16
    1.2.3 原子频标的应用  16-17
  1.3 微波谐振腔  17-18
    1.3.1 谐振腔原理及分类  17-18
    1.3.2 谐振腔的主要特性参数  18
  1.4 电镀技术  18-19
    1.4.1 电镀的定义及工艺  18-19
    1.4.2 电镀的应用  19
  1.5 MEMS技术  19-23
    1.5.1 MEMS加工工艺  20-22
    1.5.2 射频MEMS  22-23
  1.6 本文内容和框架  23-25
第二章 用于小型铷原子频标中介质谐振腔的研究  25-53
  2.1 铷原子频标工作原理  25-30
    2.1.1 铷原子能级  26-27
    2.1.2 光抽运原理  27-29
    2.1.3 光检测原理  29
    2.1.4 吸收泡中缓冲气体的作用  29-30
  2.2 微波谐振腔的原理分析及设计  30-38
    2.2.1 谐振腔模式选择  31-32
    2.2.2 电磁场分析  32-36
    2.2.3 激励分析  36-38
  2.3 6.835GHz介质谐振腔仿真及优化  38-47
    2.3.1 介质层对谐振腔的影响  39-43
    2.3.2 集成玻璃泡对谐振腔的影响  43-45
    2.3.3 铷气体对谐振腔的影响  45-47
  2.4 6.835GHz小型介质谐振腔制造及性能测试  47-51
  2.5 小结  51-53
第三章 用于微型铷原子频标中MEMS电感线圈的研究  53-63
  3.1 电感线圈的理论分析  53-56
  3.2 MEMS电感线圈数值分析  56-57
  3.3 MEMS电感的制造工艺  57-61
  3.4 MEMS电感的测试与分析  61-62
  3.5 小结  62-63
第四章 MEMS电感线圈中微电镀铜工艺的研究  63-83
  4.1 微电镀铜工艺的理论研究与分析  63-71
    4.1.1 电沉积铜的基本原理  63-65
    4.1.2 金属电沉积的基本要求与相关理论  65-66
    4.1.3 电沉积铜的影响因素  66-68
    4.1.4 镀层表征方法  68-71
  4.2 电镀铜工艺研究  71-79
    4.2.1 电镀铜工艺步骤  71-74
    4.2.2 结果与分析  74-79
  4.3 用于MEMS电感上的电沉积铜  79-81
  4.4 小结  81-83
第五章 总结和展望  83-85
  5.1 工作总结  83-84
  5.2 展望  84-85
参考文献  85-89
作者攻读硕士学位期间发表论文  89-90
致谢  90

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 电子元件、组件 > 微波传输控制元件 > 空腔谐振器
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