使用溶膠-凝膠技術(shù)對原子傳感器的密閉密封的制作方法
【專利摘要】一種形成原子傳感器的物理封裝的方法包括：提供多個嵌板，其中，所述嵌板中的每一個具有多個邊緣；以及在三維多面幾何配置中組裝所述嵌板，使得相鄰嵌板的邊緣彼此對準(zhǔn)。將溶膠-凝膠材料施加到所述嵌板的邊緣，并且對所述溶膠-凝膠材料進行固化以將相鄰嵌板密閉地密封在一起。
【專利說明】使用溶膠-凝膠技術(shù)對原子傳感器的密閉密封
[0001 ] 關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)的聲明
本發(fā)明是在由美國軍隊授予的契約N0.W31P4Q-09-C-0348下在政府支持下作出的。政府在本發(fā)明中具有特定權(quán)利。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)地，諸如原子時鐘之類的基本時間標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)是相對較大的桌面設(shè)備。例如，傳統(tǒng)原子時鐘的物理封裝趨于較大，并需要昂貴的支撐系統(tǒng)。諸如通過減小物理封裝的尺寸來減小基本時間標(biāo)準(zhǔn)的尺寸是許多應(yīng)用中所期望的。然而，使物理封裝更小具有獨特且復(fù)雜的挑戰(zhàn)，這是由于物理封裝需要多個窗、鏡以及非磁性材料的密閉密封。
[0003]對原子時鐘的更小尺寸要求對當(dāng)前的構(gòu)建技術(shù)發(fā)起挑戰(zhàn)。附加地，原子時鐘的尺寸減小影響了其性能，這是由于鏡和窗收縮。此外，內(nèi)容積減小對原子時鐘的性能造成不利影響。
[0004]用于制造原子時鐘的物理封裝的當(dāng)前方法包括:加工具有多個孔的玻璃體，以利用固定裝置來附著高溫熔塊鏡(frit mirror)、窗和填充口。有時，泄漏或密封開口在具有熔塊的制造期間出現(xiàn)，這典型地需要將玻璃粉漿料(frit paste)的混合物添加至泄漏區(qū)域，重新固定整個物理封裝，并通過熔塊爐(frit furnace)來發(fā)回物理封裝。如果在仍處于固定裝置中時未立刻發(fā)現(xiàn)泄漏，則這需要從填充站的完全分解。
[0005]在一些實例中，已經(jīng)在真空站安裝的時鐘上使用硅凝膠來暫時地密封泄漏。然而，硅酮是高度可遷移的并且不容易被清洗。因此，硅酮可能污染實驗室和工廠以及阻止接合，使得必須廢棄被污染的產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種形成原子傳感器的物理封裝的方法包括:提供多個嵌板，其中，所述嵌板中的每一個具有多個邊緣；以及在三維多面幾何配置中組裝所述嵌板，使得相鄰嵌板的邊緣彼此對準(zhǔn)。將溶膠-凝膠材料施加到所述嵌板的邊緣，并且對所述溶膠-凝膠材料進行固化以將相鄰嵌板密閉地密封在一起。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]所理解的是，附圖僅描繪示例性實施例而因此不應(yīng)被視為在范圍上進行限制，將通過使用附圖、以附加的特定性和細節(jié)來描述示例性實施例，在附圖中:
圖1示意了利用溶膠-凝膠材料密閉地密封的根據(jù)一個實施例的用于原子傳感器的物理封裝的物理塊。
【具體實施方式】
[0008]在以下詳細描述中，充分詳細地描述了實施例以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下，可以利用其他實施例。因此，以下詳細描述不應(yīng)在限制意義上被采用。
[0009]用于密閉地密封原子傳感器的方法利用溶液凝膠(溶膠-凝膠)技術(shù)?？梢詫⒈痉椒☉?yīng)用于構(gòu)建原子傳感器的新物理封裝以及現(xiàn)有物理封裝的修復(fù)或重作。此外，提供了利用溶膠-凝膠材料密閉地密封的物理封裝。
[0010]本方法可以通過以下操作來消除對高溫熔塊處理的需要:使用溶膠-凝膠材料(也被稱作液體玻璃)來密閉地密封諸如原子時鐘之類的原子傳感器的物理封裝?？梢酝ㄟ^溶膠-凝膠芯處理(Wicking)以及對物理封裝的部件的配對邊緣進行密封來實現(xiàn)密閉密封。可替換地，可以在部件的外部上施加溶膠-凝膠材料作為片(fillet)或皮，以將物理封裝的部件密封在一起。
[0011]溶膠-凝膠材料作為永久密封物而被施加，并且，可以在室溫下施加該溶膠-凝膠材料，可以在室溫下或者利用最小熱量對該溶膠-凝膠材料進行固化，并且當(dāng)被完全固化時，該溶膠-凝膠材料能夠進行高溫處理。例如，當(dāng)溶膠-凝膠密封物被固化時，其將經(jīng)受真空站處理和高達約300°C的加熱。溶膠-凝膠材料的優(yōu)勢在于:在物理封裝的密封期間不生成污染。
[0012]在形成原子傳感器的物理封裝的示例性方法中，提供了多個嵌板，這些嵌板包括各個窗和鏡。嵌板可以由玻璃或其他光學(xué)材料形成。在三維多面幾何配置中組裝嵌板，使得在多個接縫處將相鄰嵌板的邊緣彼此對準(zhǔn)。例如，可以在支撐框架周圍組裝各個光學(xué)嵌板并在適當(dāng)位置處固定各個光學(xué)嵌板，使得嵌板的邊緣被對準(zhǔn)在一起。然后，將溶膠-凝膠材料施加到鄰接嵌板的所有接縫。可替換地，可以在支撐框架周圍組裝嵌板之前將溶膠-凝膠材料施加到嵌板的邊緣?？梢允褂萌苣z-凝膠材料的毛細管作用、芯處理或擴散來在施加之后填充到嵌板的接縫中?？蛇x地，可以將染料添加至溶膠-凝膠材料，以幫助確保利用溶膠-凝膠材料覆蓋了所有接縫。溶膠-凝膠材料可以在施加前或后具有氣泡，因此，可以添加真空處理步驟以從庫存和/或所施加的溶膠-凝膠材料移除氣泡。
[0013]然后，對溶膠-凝膠材料進行固化，以密閉地密封嵌板接縫。由于在固化期間發(fā)生收縮，因此需要足夠的溶膠-凝膠材料來維持嵌板接縫的密封。可以處理所組裝的嵌板，以對溶膠-凝膠材料中的液體(溶劑)進行相位分離。例如，可以使用離心過程來加速相位分離。此后，可以執(zhí)行低溫?zé)崽幚?，以針對密封的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強機械屬性。該熱處理是燒結(jié)的低溫?zé)?、稠化和晶粒生長。
[0014]本技術(shù)中利用的溶膠-凝膠材料可以包括各種化學(xué)制品。合適的示例包括硅酸鈉、硅酸鉀、氧化鋯、二氧化硅、甲醇鈉或其他金屬醇鹽?？梢砸匀芤夯蚰z形式施加溶膠-凝膠材料?？梢灾T如利用注射器手動地或者通過使用諸如旋涂或浸涂之類的傳統(tǒng)涂覆工藝來施加溶膠-凝膠材料。當(dāng)使用涂覆工藝時，可以利用掩模來覆蓋將不利用溶膠-凝膠材料涂覆的區(qū)域。
[0015]圖1示意了根據(jù)本技術(shù)密封的根據(jù)一個實施例的用于原子傳感器的物理封裝的物理塊100。物理塊100包括多個嵌板102，這些嵌板102包括窗和鏡，窗和鏡具有被組裝至具有多面幾何結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)中的各種多邊形形狀。至少一個嵌板104具有填充管孔徑106。在多個接縫108處將嵌板102、104的邊緣對準(zhǔn)，并利用溶膠-凝膠材料將這些邊緣密閉地密封在一起。密封的物理塊100被配置為圍住用于物理封裝的內(nèi)真空室。
[0016]還可以在修復(fù)或重作原子傳感器的物理封裝時利用本技術(shù)。當(dāng)檢測到物理封裝中的泄漏或裂縫時，將溶膠-凝膠材料施加到泄漏或裂縫的區(qū)域。然后，對溶膠-凝膠材料進行固化以密封泄漏或裂縫。在將物理封裝安裝至真空站的同時可以進行修復(fù)或重作，而不必分解物理封裝的部分。
[0017]本方法可以用于修復(fù)先前利用熔塊進行的密閉密封的泄漏或裂縫或者密封玻璃裂縫、縫隙或其他材料密封缺陷。例如，可以容易地修復(fù)原子時鐘中的泄漏的熔接密封，而不是通過熔塊處理、針對較長重作周期發(fā)回該泄漏的熔接密封。附加地，溶膠-凝膠材料可以用于修補先前利用光學(xué)密封物、金屬密封物或溶膠-凝膠材料密封的泄漏的組件?？梢酝ㄟ^芯處理以及皮或圓塊形成來施加溶膠-凝膠補丁。原子傳感器體中的泄漏的密封或縫隙的修補允許所構(gòu)建的原子傳感器被回收利用而不是被廢棄。
[0018]附加地，本技術(shù)還可以用于在原子傳感器的內(nèi)表面上密封裂縫，以防止物理封裝中的“虛擬”泄漏。虛擬泄漏是被困在室內(nèi)且由諸如內(nèi)焊縫之類的非常小的裂縫導(dǎo)致的氣體的來源。盡管該氣體未泄漏到外部，但是其可能改變物理封裝的內(nèi)室中的壓力?？梢詫⑷苣z-凝膠材料施加到這種縫隙，以修復(fù)虛擬泄漏并保持縫隙不進行傳播。
[0019]在用于手動地施加溶膠-凝膠材料的示例性方法中，諸如通過脫脂、施加臭氧、有機清洗、氧化帶、離子清洗、去離子水沖洗、O2等離子體等等來清洗要組裝的部分和/或要修補的區(qū)域/縫隙。然后，利用注射器來施加溶膠-凝膠材料以覆蓋密封區(qū)域。在施加了溶液之后，使用光壓或重力，使得部件不受脫離。例如，如果諸如鏡之類的嵌板未被固定，則可以利用光壓來保持該嵌板。
[0020]溶膠-凝膠材料快速地形成皮并從外到里變干，因此，將其保持在適當(dāng)位置處確保了室溫下的完全固化?？赡苄枰蚴褂酶叩墓袒瘻囟葋砀焖俚亟⑷苣z-凝膠材料，并且然后，可以使用甚至更高的固化溫度。
[0021]在原子傳感器構(gòu)建或重作期間，為了方便，可以將溶膠-凝膠材料成形為各種凝膠預(yù)制件。例如，可以將溶膠-凝膠材料鑄造成具有預(yù)制件的期望形狀的合適容器?？梢詫⑷苣z-凝膠預(yù)制件施加到嵌板，并通過其粘性、通過重力或者通過將液體溶膠-凝膠用作固定液(tacking fluid)將其保持在適當(dāng)位置處。
[0022]示例實施例
示例I包括一種形成原子傳感器的物理封裝的方法，所述方法包括:提供多個嵌板，所述嵌板中的每一個具有多個邊緣；在三維多面幾何配置中組裝所述嵌板，使得相鄰嵌板的邊緣彼此對準(zhǔn)；將溶膠-凝膠材料施加到所述嵌板的邊緣；以及對所述溶膠-凝膠材料進行固化以將相鄰嵌板密閉地密封在一起。
[0023]示例2包括示例I的方法,其中,所述嵌板包括玻璃嵌板。
[0024]示例3包括示例2的方法,其中,所述玻璃嵌板包括窗或鏡。
[0025]示例4包括示例1-3中任一項的方法,其中,所述溶膠-凝膠材料包括娃酸鈉、娃酸鉀、氧化鋯、二氧化硅、甲醇鈉或金屬醇鹽。
[0026]示例5包括示例1-4中任一項的方法，其中，所述溶膠-凝膠材料是利用注射器來施加的。
[0027]示例6包括示例1-4中任一項的方法,其中,所述溶膠-凝膠材料是通過旋涂或浸涂來施加的。
[0028]示例7包括示例1-6中任一項的方法,其中,所述溶膠-凝膠材料是在室溫下固化的。
[0029]示例8包括示例1-7中任一項的方法，其中，所述物理封裝針對原子時鐘而配置。
[0030]示例9包括一種原子傳感器的物理封裝，所述物理封裝包括:多個嵌板，在三維多面幾何配置中被耦合在一起，使得相鄰嵌板的邊緣在多個接縫處彼此對準(zhǔn)；以及固化的溶膠-凝膠材料，密閉地密封所述接縫。
[0031 ] 示例10包括示例9的物理封裝，其中，所述嵌板包括玻璃嵌板。
[0032]示例11包括示例10的物理封裝，其中，所述玻璃嵌板包括窗或鏡。
[0033]示例12包括示例9-11中任一項的物理封裝,其中,所述溶膠-凝膠材料包括娃酸
鈉、硅酸鉀、氧化鋯、二氧化硅、甲醇鈉或金屬醇鹽。
[0034]示例13包括示例9-12中任一項的物理封裝，其中，所述物理封裝針對原子時鐘而配置。
[0035]示例14包括一種修復(fù)原子傳感器的物理封裝的方法，所述方法包括:檢測所述物理封裝中的泄漏或裂縫；將溶膠-凝膠材料施加到所述泄漏或裂縫；以及對所述溶膠-凝膠材料進行固化以密封所述泄漏或裂縫。
[0036]示例15包括示例14的方法，其中，所述溶膠-凝膠材料包括硅酸鈉、硅酸鉀、氧化
鋯、二氧化硅、甲醇鈉或金屬醇鹽。
[0037]示例16包括示例14-15中任一項的方法，其中，所述泄漏或裂縫處于所述網(wǎng)絡(luò)封裝的一個或多額個玻璃嵌板中。
[0038]示例17包括示例16的方法,其中,所述玻璃嵌板包括窗或鏡。
[0039]示例18包括示例14-17中任一項的方法，其中，所述溶膠-凝膠材料是利用注射器來施加的。
[0040]示例19包括示例14-18中任一項的方法,其中,所述溶膠-凝膠材料是在室溫下固化的。
[0041]示例20包括示例14-19中任一項的方法，其中，所述物理封裝針對原子時鐘而配置。
[0042]在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)特性的前提下，可以以其他形式體現(xiàn)本發(fā)明。所描述的實施例應(yīng)當(dāng)在所有方面僅被視為示意性的而非限制性的。因此，意圖是，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)僅由權(quán)利要求及其等同物限定。
【權(quán)利要求】
1.一種形成原子傳感器的物理封裝的方法，所述方法包括: 提供多個嵌板，所述嵌板中的每一個具有多個邊緣； 在三維多面幾何配置中組裝所述嵌板，使得相鄰嵌板的邊緣彼此對準(zhǔn)； 將溶膠-凝膠材料施加到所述嵌板的邊緣；以及 對所述溶膠-凝膠材料進行固化以將相鄰嵌板密閉地密封在一起。
2.一種原子傳感器的物理封裝，所述物理封裝包括: 多個嵌板，在三維多面幾何配置中被耦合在一起，使得相鄰嵌板的邊緣在多個接縫處彼此對準(zhǔn)；以及 固化的溶膠-凝膠材料，密閉地密封所述接縫。
3.一種修復(fù)原子傳感器的物理封裝的方法，所述方法包括: 檢測所述物理封裝中的泄漏或裂縫； 將溶膠-凝膠材料施加到所述泄漏或裂縫；以及 對所述溶膠-凝膠材料進行固化以密封所述泄漏或裂縫。
【文檔編號】G04F5/14GK103676619SQ201310299824
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月18日
【發(fā)明者】C.M.肖伯, T.戈德伯格, J.A.韋塞拉, D.L.史密斯, T.D.斯塔克 申請人:霍尼韋爾國際公司