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芯片级铯原子钟关键技术研究

张忠山  
【摘要】:随着技术的进步,高端电子设备对时间和频率参考的精度和稳定性方面都提出了更严格的要求。由于准确度高,长期稳定性好,传统原子钟被广泛应用于GPS授时、导航定位、导弹及卫星定位、天文观测、精密仪器仪表校准,通信、高速交通管理、地球物理勘探等领域。但是,传统原子钟体积大,功耗高,价格昂贵,使之在手持电子设备和移动电子设备中的应用受到一定的限制。芯片级原子钟(CSAC,Chip-scale Atomic Clock)的出现,为上述应用提供了一条新的途径。芯片级原子钟系统主要有三大部分组成,即物理封装、微波射频模块和微处理器伺服环路控制模块。其中最核心的部分是物理封装部分,该部分由垂直腔表面发射激光器(VCSEL,Vertical Cavity Surface Emitting Laser)、微光学透镜组、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)铯蒸汽泡、铟锡氧化物(ITO,Indium Tin Oxide)加热器和光电探测器组成。微波射频模块利用一个高品质因数的薄膜体声波谐振器(FBAR,Film Bulk Acoustic wave Resonator)构建的压控振荡器(VCO,Voltage Controlled Oscillator)实现。伺服环路控制模块由低功耗的单片机进行控制,主要包括温度控制伺服环路、垂直腔表面发射激光器的电流控制伺服环路、射频功率和频率伺服环路四个部分。与传统的小型原子钟相比,芯片级原子钟在三个方面进行了改进:一是用微型的VCSEL激光器代替了铷灯(或铯灯);二是用稳定的微波信号源直接调制VCSEL激光器替代体积庞大的微波谐振腔;三是用微小的MEMS铯蒸汽泡代替大的含有铯(或铷)蒸汽的玻璃泡。这些改进在频率精度和稳定性相同的情况下,大幅度降低了芯片级原子钟的功耗(从大于10W降低到100mW以下)和体积(从大于230cm3减小到10cm3以下),扩大了芯片级原子钟的应用领域,但同时也带来了新的技术挑战。本文就芯片级原子钟系统的关键技术,展开了研究,主要工作如下:(1)设计了满足芯片级原子钟系统需要的FBAR:以氮化铝(AlN)为压电层材料,通过理论分析、数值建模、仿真等,设计出谐振频率为4.6GHz,品质因数为754的FBAR器件。(2)提出了制备MEMS铯蒸汽泡的新方法,解决了MEMS铯蒸汽泡漏气的问题:通过制备工艺优化,采用同时加载特定静电键合电压和合适温度等成功制备同时包含缓冲气体和铯的MEMS铯蒸汽泡,该方法制备出的MEMS铯蒸汽泡在时隔1年被测得重合的铯吸收谱线,证明新的方法解决了MEMS铯蒸汽泡漏气的问题。(3)设计了透明ITO薄膜的制备工艺流程,解决了满足一定透光率的局部加热问题:利用优化的射频磁控溅射参数制备出高透射率的ITO薄膜,由该薄膜构成的加热结构对895nm波长激光的透射率为82.3%,将非真空物理封装加热到85℃的时间小于420s。(4)设计了低功耗的真空组装结构,实现了CSAC的物理封装:组装结构由VCSEL、四分之一波片、MEMS铯蒸汽泡、ITO加热器、光电探测器组成,该组装结构被压焊在电路板上,之后被真空封装;通过使用低导热系数材料减小了物理封装热传导,将物理封装功耗降低到300mW。该物理封装被测试到铯的吸收谱线和微波调制的铯吸收谱线,证明物理封装可以满足芯片级原子钟系统的要求。


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