本發(fā)明涉及原子鐘領(lǐng)域。更具體地，涉及一種芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

原子鐘是一種利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來計(jì)時(shí)的精密時(shí)間計(jì)量儀器，廣泛應(yīng)用于定位、導(dǎo)航、通信、軍事等多個(gè)領(lǐng)域。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確?，F(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫(hydrogen)、銫(cesium)、銣(rubidium)等，原子鐘的精度可以達(dá)到每2000萬年誤差1秒，這為天文、航海、宇宙航行提供了強(qiáng)有力的保障。

其中，芯片原子鐘(chipscaleatomicclock，csac)由于體積小、重量輕、功率消耗小等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式低能耗的守時(shí)定時(shí)和導(dǎo)航領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用前景。芯片原子鐘功能的實(shí)現(xiàn)，主要依賴于其內(nèi)部的微型物理系統(tǒng)。對(duì)于現(xiàn)有的芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)而言，其中的mems原子腔的制作工藝無法滿足漏氣率的要求，限制了芯片原子鐘的使用壽命。

因此，需要提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、氣密性高的芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的微型物理系統(tǒng)氣密性低、壽命短的問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)，包括磁屏蔽外殼、核心組件和由磁屏蔽外殼與核心組件圍成的緩沖氣體腔，其中

磁屏蔽外殼，包括磁屏蔽桶及用于密封磁屏蔽桶的磁屏蔽底座；

核心組件，設(shè)置于磁屏蔽外殼內(nèi)部，包括依次設(shè)置的光源單元、光路單元和原子腔單元，原子腔單元包括mems原子腔，mems原子腔內(nèi)充有銣原子和緩沖氣體；及

緩沖氣體腔，充入與mems原子腔內(nèi)相等壓強(qiáng)的緩沖氣體。

可選的，磁屏蔽桶與磁屏蔽底座采用真空金屬焊接工藝進(jìn)行密封。

磁屏蔽桶的高度與內(nèi)部核心組件相匹配，核心組件的頂部通過強(qiáng)力膠與磁屏蔽桶相連，保證微型物理系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，滿足抗振動(dòng)和沖擊要求。

可選的，光源單元包括激光器、第一微加熱器和空間支架，其中

激光器，為垂直腔面發(fā)射激光器，粘接于第一微加熱器上，用于發(fā)出線偏振激光；

第一微加熱器，粘接于磁屏蔽底座上，用于產(chǎn)生熱量并將熱量傳遞至激光器；

空間支架，為絕熱塑料聚乙烯材料，粘接于第一微加熱器上，用于為線偏振激光提供自由空間，使激光發(fā)散至預(yù)定光斑大小。

激光器粘接于第一微加熱器上，使第一微加熱器的熱量能迅速地傳遞到激光器上，提高溫控靈敏度；第一微加熱器通過絕熱膠與磁屏蔽底座粘接在一起，減小了第一微加熱器的熱量通過磁屏蔽底座散失；空間支架采用絕熱塑料聚乙烯材料，減少了熱傳導(dǎo)的熱量散失；激光器的溫度可通過自帶的熱敏電阻進(jìn)行采集。

可選的，光路單元包括沿線偏振光方向設(shè)置的透鏡、隔熱層和波片，其中

透鏡，粘接于空間支架上，形成將激光器封閉在內(nèi)部的封閉空間，用于將發(fā)散的線偏振光會(huì)聚為平行光；

隔熱層，粘接于透鏡和波片之間，用于隔絕激光器與mems原子腔中間的溫控干擾；

波片，用于將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。

透鏡粘接在空間支架上，形成包括激光器在內(nèi)部的封閉空間，減小氣體流動(dòng)的熱量散失；隔熱層處于透鏡和波片之間，隔絕激光器與mems原子腔的溫控干擾，使激光器和mems原子腔可以完全獨(dú)立地控溫。

可選的，原子腔單元還包括磁場線圈、第二微加熱器、光電探測(cè)器和熱敏電阻，mems原子腔設(shè)置于磁場線圈內(nèi)部，磁場線圈和第二微加熱器沿沿圓偏振光方向粘接，光電探測(cè)器和熱敏電阻粘接于第二微加熱器遠(yuǎn)離磁場線圈一側(cè)表面，其中

mems原子腔，采用陽極鍵合工藝且內(nèi)部充有銣87原子和緩沖氣體，用于與圓偏振光作用得到原子吸收譜和cpt共振譜線；

磁場線圈，用于在mems原子腔內(nèi)產(chǎn)生恒定的均勻磁場；

第二微加熱器，用于產(chǎn)生熱量并將熱量傳遞至mems原子腔；

光電探測(cè)器，用于探測(cè)透射的激光強(qiáng)度信息并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，輸出至外部電路系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，進(jìn)行芯片原子鐘的鎖定；

熱敏電阻，用于采集溫度信號(hào)并基于溫度信號(hào)控制mems原子腔的溫度。

緩沖氣體具有熒光焠滅作用和壓窄譜線線寬作用；第二微加熱器通過導(dǎo)熱硅膠與mems原子腔粘接，使第二微加熱器的熱量能迅速地傳遞到mems原子腔上，提高溫控靈敏度，第二微加熱器的基底材料為al2o3晶體材料，具有導(dǎo)熱性能好、透光性高的優(yōu)點(diǎn)。

可選的，磁場線圈為亥姆霍茲型線圈，設(shè)置為mems原子腔的外形相匹配，用于在mems原子腔體內(nèi)產(chǎn)生均勻恒定的磁場，有利于提高芯片原子鐘的性能。

可選的，激光器、空間支架、透鏡、隔熱層、波片、mems原子腔和第二微加熱器設(shè)置為具有相同直徑的圓形片狀結(jié)構(gòu)，有利于層與層之間的對(duì)齊，便于安裝。

可選的，粘接為導(dǎo)熱硅膠粘接，即磁屏蔽底座、第一微加熱器、激光器、空間支架、透鏡、隔熱層、波片、mems原子腔、磁場線圈、第二微加熱器、光電探測(cè)器和熱敏電阻之間的粘接為導(dǎo)熱硅膠粘接。

可選的，核心組件外層涂覆有絕熱層，保證核心組件內(nèi)的熱量集中不散失，可降低微型物理系統(tǒng)的功耗。

可選的，第一微加熱器和/或第二微加熱器采用ito材料。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明的芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)，通過在所述核心區(qū)與磁屏蔽桶之間充入與mems原子腔具有相同成分相等壓強(qiáng)的緩沖氣體，形成緩沖氣體腔，可使mems原子腔內(nèi)外的氣體成分和壓強(qiáng)一致，從而保證mems原子腔內(nèi)的氣體成分和壓強(qiáng)不變。利用真空金屬焊接技術(shù)密封磁屏蔽桶外殼可使微型物理系統(tǒng)的漏氣率達(dá)到10^-13pa·m³/s量級(jí)以上，保證了緩沖氣體腔具有很高的氣密性，從而提高了芯片原子鐘的使用壽命。本發(fā)明的芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)具有便于安裝、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功耗低和壽命長等特點(diǎn)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1示出芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的屬于“第一”、“第二”等是用于區(qū)別不同的對(duì)象，而不是用于描述特定順序。此外，術(shù)語“包括”和“具有”以及它們?nèi)魏巫冃危鈭D在于覆蓋不排他的包含。例如包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備沒有限定于已列出的步驟或單元，而是可選地還包括沒有列出的步驟或單元，或可選地還包括對(duì)于這些過程、方法或設(shè)備固有的氣體步驟或單元。

如圖1及圖2所示，一種芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)，包括磁屏蔽外殼c、核心組件a和由磁屏蔽外殼c與核心組件a圍成的緩沖氣體腔b，其中磁屏蔽外殼c包括磁屏蔽桶1及用于密封磁屏蔽桶1的磁屏蔽底座13；核心組件a設(shè)置于磁屏蔽外殼c內(nèi)部，包括依次設(shè)置的光源單元、光路單元和原子腔單元，原子腔單元包括mems原子腔6，mems原子腔內(nèi)6充有銣原子和緩沖氣體；及緩沖氣體腔b，充入與mems原子腔內(nèi)相等壓強(qiáng)的緩沖氣體。

具體地，光源單元包括激光器10、第一微加熱器12和空間支架11，其中激光器10為垂直腔面發(fā)射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser，vcsel)，粘接于第一微加熱器12上，用于發(fā)出線偏振激光；第一微加熱器12，粘接于磁屏蔽底座13上，用于產(chǎn)生熱量并將熱量傳遞至激光器10；空間支架11，為絕熱塑料聚乙烯材料，粘接于第一微加熱器上12，用于為線偏振激光提供自由空間，使激光發(fā)散至預(yù)定光斑大小。

光路單元包括沿線偏振光方向設(shè)置的透鏡9、隔熱層8和波片7，其中透鏡9粘接于空間支架11上，形成將激光器10封閉在內(nèi)部的封閉空間，用于將發(fā)散的線偏振光會(huì)聚為平行光；隔熱層8粘接于透鏡9和波片7之間，用于隔絕激光器10與mems原子腔6中間的溫控干擾；波片7用于將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。

原子腔單元包括mems原子腔6、磁場線圈5、第二微加熱器4、光電探測(cè)器3和熱敏電阻2，mems原子腔6設(shè)置于磁場線圈5內(nèi)部，磁場線圈5和第二微加熱器4沿沿圓偏振光方向粘接，光電探測(cè)器3和熱敏電阻2粘接于第二微加熱器4遠(yuǎn)離磁場線圈一側(cè)表面。其中mems原子腔6采用陽極鍵合工藝且內(nèi)部充有銣87原子和緩沖氣體，用于與圓偏振光作用得到原子吸收譜和cpt共振譜線；磁場線圈5用于在mems原子腔6內(nèi)產(chǎn)生恒定的均勻磁場；第二微加熱器4用于產(chǎn)生熱量并將熱量傳遞至mems原子腔6；光電探測(cè)器3用于探測(cè)透射的激光強(qiáng)度信息并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，輸出至外部電路系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，進(jìn)行芯片原子鐘的鎖定；熱敏電阻2用于采集溫度信號(hào)并基于溫度信號(hào)控制mems原子腔6的溫度。

本發(fā)明中，磁屏蔽桶1與磁屏蔽底座13采用真空金屬焊接工藝進(jìn)行密封。磁場線圈為亥姆霍茲型線圈。激光器10、空間支架11、透鏡9、隔熱層8、波片7、mems原子腔6和第二微加熱器4設(shè)置為具有相同直徑的圓形片狀結(jié)構(gòu)。核心組件中各物理單元的粘接為導(dǎo)熱硅膠粘接。核心組件外層涂覆有絕熱層。第一微加熱器12和/或第二微加熱4器采用ito材料。

下面通過一個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明中芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)的組成及效果進(jìn)行說明

如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)的爆炸結(jié)構(gòu)示意圖。具體地，如圖2所示，一種芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)，包括磁屏蔽外殼c、核心組件a和由磁屏蔽外殼c與核心組件a圍成的緩沖氣體腔b。本發(fā)明中芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)包括：磁屏蔽桶1、熱敏電阻2、光電探測(cè)器3、第二微加熱器4、磁場線圈5、mems原子腔6、波片7、隔熱層8、透鏡9、激光器10、空間支架11、第一微加熱器12和磁屏蔽底座13。

微型物理系統(tǒng)的光源單元包括：激光器10、空間支架11、第一微加熱器12。具體地，激光器10通過導(dǎo)熱硅膠粘接在第一微加熱器12上，使第一微加熱器12的熱量能迅速地傳遞到激光器10上，提高溫控靈敏度；第一微加熱器12通過絕熱膠與磁屏蔽底座13粘接在一起，減小第一微加熱器12的熱量通過磁屏蔽底座13散失。空間支架11通過強(qiáng)力膠粘接在第一微加熱器12上，提供激光的自由空間，使激光發(fā)散到一定的光斑大小?？臻g支架11采用絕熱塑料聚乙烯材料，減少熱傳導(dǎo)的熱量散失。激光器10的溫度可通過自帶的熱敏電阻采集。

本發(fā)明實(shí)施例中的激光放射器是垂直腔面發(fā)射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser，vcsel)。

微型物理系統(tǒng)的光路單元包括：波片7、隔熱層8、透鏡9。具體地，透鏡9粘接在空間支架11上，形成激光器10的封閉空間，減小氣體流動(dòng)的熱量散失；透鏡9的功能是將發(fā)散的激光聚為平行光。隔熱層8處于透鏡9和波片7之間，隔絕激光器19與mems原子腔6的溫控干擾，使激光器10和mems原子腔6可以完全獨(dú)立地控溫。調(diào)節(jié)波片7的角度可使激光器10輸出的線偏振激光轉(zhuǎn)換為圓偏振激光。

微型物理系統(tǒng)的原子腔部分包括：熱敏電阻2、光電探測(cè)器3、第二微加熱器4、磁場線圈5、mems原子腔6。具體地，mems原子腔6充入適量的銣87原子和緩沖氣體，緩沖氣體具有熒光焠滅作用和壓窄譜線線寬作用。mems原子腔6中的銣87原子與圓偏振激光作用得到原子吸收譜和cpt共振譜線。mems原子腔6的尺寸為厚2mm、直徑5mm的圓片，因此磁場線圈5設(shè)計(jì)成直徑為5mm的亥姆霍茲型線圈，可在mems原子腔6內(nèi)產(chǎn)生恒定的均勻磁場。第二微加熱器4通過導(dǎo)熱硅膠與mems原子腔6，使第二微加熱器4的熱量能迅速地傳遞到激光器6上，提高溫控靈敏度；而且第二微加熱器4的基底材料為al2o3晶體材料，具有導(dǎo)熱性能好、透光性高的優(yōu)點(diǎn)。熱敏電阻2和光電探測(cè)器3固定在第二微加熱器4上，光電探測(cè)器3探測(cè)透射的激光強(qiáng)度信息，并轉(zhuǎn)為電流信號(hào)，輸出外部電路系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，用于芯片原子鐘的鎖定；熱敏電阻2采集溫度信號(hào)，用于控制mems原子腔6的溫度。

微型物理系統(tǒng)的磁屏蔽外殼包括：磁屏蔽桶1和磁屏蔽底座13。具體地，磁屏蔽桶1和磁屏蔽底座13通過真空金屬焊接技術(shù)密封。而且磁屏蔽桶1的高度必須與內(nèi)部核心組件a匹配，核心組件a的頂部通過強(qiáng)力膠與磁屏蔽桶1相連，保證微型物理系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，滿足抗振動(dòng)和沖擊要求。另外磁屏蔽桶1內(nèi)部涂敷有絕熱層，減小微型物理系統(tǒng)的內(nèi)部熱量散失。

本實(shí)施例中微型物理系統(tǒng)的核心組件中的第二微加熱器4、mems原子腔6、波片7、隔熱層8、透鏡9、激光器10、空間支架11均為直徑5mm的圓形片狀結(jié)構(gòu)，有利于層與層之間的對(duì)齊，便于安裝。

本實(shí)施例中微型物理系統(tǒng)的核心組件a組裝后，外層涂敷郵絕熱層，保證核心組件a內(nèi)的熱量集中不散失，可降低微型物理系統(tǒng)的功耗。

本實(shí)施例中微型物理系統(tǒng)的第一和第二微加熱器加熱薄膜采用pt材料，金屬線采用雙絞線模式。

綜上所述，本發(fā)明中的芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)可以達(dá)到如下效果：

1、通過采用本發(fā)明的芯片原子鐘的微型物理系統(tǒng)，使得核心組件的工作區(qū)的結(jié)構(gòu)緊湊，體積更小。通過在所述核心區(qū)與磁屏蔽桶之間充入與mems原子腔具有相同成分相等壓強(qiáng)的緩沖氣體，形成緩沖氣體腔，可使mems原子腔內(nèi)外的氣體成分和壓強(qiáng)一致，從而保證mems原子腔內(nèi)的氣體成分和壓強(qiáng)不變。利用真空金屬焊接技術(shù)密封磁屏蔽桶外殼可使微型物理系統(tǒng)的漏氣率達(dá)到10^-13pa·m³/s量級(jí)以上，保證了緩沖氣體腔具有很高的氣密性，從而提高了芯片原子鐘的使用壽命。另外，緩沖氣體腔內(nèi)的氣體壓強(qiáng)很低，可降低核心組件的熱量散失，從而提高微型物理系統(tǒng)的加熱效率，降低了功耗。

2、微加熱器加熱薄膜采用pt材料，金屬線采用雙絞線模式，兩條金屬線上的電流大小相等、方向相反，產(chǎn)生的磁場相互抵消，從而消除微加熱器在加熱過程中產(chǎn)生的附加磁場。

3、磁場線圈為亥姆霍茲線圈，與mems原子腔的外形非常匹配，可在mems原子腔體內(nèi)產(chǎn)生均勻恒定的磁場，有利于提高芯片原子鐘的性能。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。