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原子钟碱金属蒸汽腔制作设备研制与工艺研究

作　者: 刘鑫
导　师: 刘胜
学　校: 华中科技大学
专　业: 精微制造工程
关键词: MEMS 阳极键合设备浮动夹具 CPT原子钟碱金属蒸汽腔气密封装三层键合
分类号: TH714.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

原子钟是通过原子基态的超精细能级间的跃迁辐射频率来实现精确计时的工具。基于CPT(Coherent Population Trapping)现象的微型原子钟是原子钟微型化发展的必然趋势,而其中的核心芯片碱金属蒸汽腔的微型化制造对原子钟的微型化起着关键性的作用。本论文围绕原子钟的微型化制造进行其关键核心芯片——碱金属蒸汽腔的设计与制作,结合近年来出现的微机电系统(MEMS:Micro-Electro-Mechanical System)技术介绍了适合碱金属蒸汽腔制作的高气密性封装方法,重点讲述了其中的阳极键合技术,制定了碱金属蒸汽腔制作的阳极键合工艺及整个碱金属蒸汽腔的制作流程;根据阳极键合的原理及所需条件,研制了特殊用途下的阳极键合平台,利用已有真空获得设备,实现了多种气氛环境下的键合实验,能用于高真空到几个大气压的气氛下;其中设计并制造的新型浮动工作台能较好的满足阳极键合的需要;使用铷元素进行实验,对于铷蒸汽腔的制作工艺作了较为详尽的研究,蒸汽腔中硅孔的制作选用了湿法腐蚀、超声波打孔方法;在铷蒸汽腔的键合工艺中,给出了铷在阳极键合过程中的影响,分析了制作铷蒸汽腔所需的阳极键合的温度、电压、气压等;对键合强度与气密性能进行了测试;并针对碱金属蒸汽腔的三层结构,做了两电极三层一次阳极键合的实验,利用该方法成功的制作出了铷蒸汽腔;对制作的碱金属蒸汽腔进行了吸收光谱测试,与铷单质的吸收光谱对比,确定得到了含有铷的密封蒸汽腔;对于三层键合的机理也给予了分析与研究,发现了三层键合的界面间出现了有金属光泽的物质,经过理论分析确定是玻璃中析出的钠单质或化合物。经过铷蒸汽腔的制作实验验证了碱金属蒸汽腔制作设备的可操作性以及制作工艺的可行性。利用此设备与工艺也可同样对铯原子进行封装实验,满足原子钟碱金属蒸汽腔制作的需求。最后对于碱金属蒸汽腔的制作做了展望,为蒸汽腔的更进一步精确化、高效率化制作提供了基础。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
1 引言  8-19
  1.1 课题来源及目的  8
  1.2 原子钟发展综述  8-12
    1.2.1 原子钟与计时  8-11
    1.2.2 原子钟的微型化研究  11-12
  1.3 MEMS 封装综述  12-17
    1.3.1 MEMS 及其封装技术  12-13
    1.3.2 MEMS 气密键合技术  13-17
  1.4 本论文主要研究内容  17-19
2 碱金属蒸汽腔制作工艺  19-29
  2.1 铷、铯与原子钟  19-20
  2.2 碱金属蒸汽腔制作综述  20-26
  2.3 碱金属蒸汽腔制作工艺实现  26-28
  2.4 本章小结  28-29
3 碱金属蒸汽腔制作设备研制  29-42
  3.1 可浮动阳极键合台设计  30-38
  3.2 气密手套箱设计  38-39
  3.3 温度控制设备设计  39-40
  3.4 附件设计及整体集成  40-41
  3.5 本章小结  41-42
4 碱金属蒸汽腔制作工艺研究  42-57
  4.1 键合样品的清洗  42-44
  4.2 蒸汽腔制作与三层键合技术研究  44-51
    4.2.1 蒸汽腔的制作  44-48
    4.2.2 三层键合技术研究  48-51
  4.3 铷对键合的影响研究  51-53
  4.4 铷蒸汽腔检测  53-56
    4.4.1 键合强度检测  53-55
    4.4.2 光谱检测  55-56
  4.5 本章小结  56-57
5 总结与展望  57-59
  5.1 本文总结  57
  5.2 碱金属蒸汽腔制作展望  57-59
致谢  59-60
参考文献  60-62

原子钟碱金属蒸汽腔制作设备研制与工艺研究

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