本发明专利技术涉及一种基于微机电系统(MEMS)制造工艺的微型原子腔气密性封装结构与方法。其特征在于应用MEMS工艺制作的微型原子腔通过支撑结构放置于玻璃或金属密封缓冲腔中，改善微型原子腔的气密性，从而提高基于微型原子腔的器件如微型原子钟等的寿命和稳定性。本发明专利技术的关键在于玻璃或金属缓冲腔结构，缓冲腔内抽真空或充入与微型原子腔内气体成分、压强接近的缓冲气体，微型原子腔器件引线穿过缓冲腔实现气密性引出。这种封装结构及方法能够有效降低微型原子腔与外界的泄漏率，解决了微型原子腔器件的寿命短的技术问题。本发明专利技术所涉及的气密封装结构，特别适合在低功耗、微小体积的微型原子钟、微型原子磁强计、微型原子陀螺仪等微型原子腔器件的应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于MEMS工艺的微型原子腔器件的气密性封装结构及方法，属于微电子机械系统(MEMS)器件制作与封装领域，以及原子物理器件领域。
技术介绍
微电子机械系统(MEMQ技术的发展产生了一系列微细加工工艺技术，使得微型化器件的制造发生了根本变化，可以制造的微型化器件的种类得到了很大的拓展，可以实现电子、机械、光学、流体、化学、生物等技术的集成制造，即可以实现芯片级的微系统，实现多样化的微型化器件或微系统。这些微型化器件具有体积小、功耗低的特点，同时MEMS批量化制造工艺可以使得制造成本更低，MEMS集成化制造工艺可以集成更多的功能。MEMS技术使各种器件的微型化、多功能化和低成本化成为发展的必然趋势，正在发展成为继微电子之后的重要的工业技术。原子物理技术与MEMS技术结合产生了多种新技术，如微型原子钟、微型原子磁强计、微型原子陀螺仪等微型原子腔器件，其共同的特点是采用MEMS技术制造微型真空腔体，并在腔体中充入碱金属原子蒸汽和缓冲气体，通过激光与原子的相互作用实现各种功能。微型原子钟是目前研究、开发非常活跃的微型原子腔器件。基于MEMS工艺的微型化原子钟克服了传统原子钟的缺点，具有体积小、功耗低、可批量化制造等优点，可用于各种需要高精度时间频标的便携式设备，如便携式高精度精确GPS定位和导航系统、高带宽保密通信中的手持双向无线电等，具有广阔的应用前景。微型原子钟是目前国际上的热点研究方向，美国霍尼韦尔航空航天研究实验室2007年提出的基于MEMS技术的微型原子钟总体积1. 7cm3,总功率预算57mW，1小时阿伦偏差为5X 10_12。而国内在微型原子钟研究领域目前还处于起步阶段，有数家单位正在开展原型样机的研发。(参考文献: 1. D. W. Youngner, L. M. Lust,D. R. Carlson,et al. , A manufacturable chip-scale atomic clock[C], in Transducers' 07&Eurosensors Xxi,Digest of Technical Papers,Vols 1 and 2，New York, 2007, pp. U23-U25. 2. J. Su, K. Deng, D. Guo, et al.，Stable 85Rb micro vapour cells :fabrication based on anodic bonding and application in chip-scale atomic clocks[J], Chinese Physics B, vol. 19, p.110701,2010.)基于MEMS工艺的微型原子钟技术中，MEMS工艺制造的微型气体原子腔是微型化的关键部分。微型原子腔内密封的碱金属(铷或铯)原子蒸气和混合缓冲气体，为了实现光与原子的相互作用，要求微型原子腔在某一方向能够透过激光，如图1所示。目前制造微型原子腔的主流技术是硅-玻璃阳极键合工艺。阳极键合得到的微型原子腔体体积为立方毫米量级，用通用的氦气检漏的方法测得的极限泄漏率为10_9atm. cc. s—1量级。而保证微型原子钟气体腔不漏气是其正常工作的必要条件，如果微型原子腔发生极微小的漏气，由于腔体体积仅数立方毫米，腔体内部的无氧密封环境受到破坏，碱金属原子蒸汽发生氧化， 原子钟将失效，缩短了微型原子钟寿命。与此同时，极微小的漏气还会导致内部缓冲气体成分发生较大的改变，微型原子钟的频率稳定度发生漂移，使其性能下降。对于微型原子钟来说，由于其微型原子腔体积很小，具有应用价值的微型原子钟的泄漏率需要低于10_13atm. cc. s—1量级，这对MEMS硅-玻璃阳极键合工艺制造的微型原子腔来说是极大的技术挑战。 (参考文献Y. Tao, A. P. Malshe, Theoretical investigation on hermeticity testing of MEMS packages based on MIL-STD-883E[J],Microelectronics Reliability,vol. 45, pp. 559-566,Mar-Apr 2005.)本专利技术拟提出一种大幅度提高键合原子腔气密性能的封装结构及方法，在满足微型原子钟寿命和稳定性的同时，可以降低对阳极键合微型原子腔的气密性能技术要求，从而解决了微型原子钟制造面临的微型原子腔的气密性困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于MEMS工艺的微型原子腔器件的气密性封装与实现方法。本专利技术首先提供一种基于MEMS工艺的原子腔气密性封装结构。其特征在于应用 MEMS工艺制作的微型原子腔通过支撑结构放置于应用玻璃熔融吹制工艺制作的密封玻璃缓冲腔或平行封焊技术制作的密封金属管壳缓冲腔中。本专利技术的关键在于采用玻璃或金属管壳缓冲腔的封装结构及制作封装上。具体如下1.微型原子腔通过微细加工技术得来，通常内充所需要的作用物质和缓冲气体。 如微型原子钟的碱金属气体原子腔即是通过微细加工中的光刻、腐蚀、阳极键合等工艺制作得到，并在其中充入碱金属原子蒸汽(如铷MM金属蒸汽)和缓冲气体。2.微型原子腔器件除了原子腔之外还包含外围处理电路及其他物理部分。如微型原子钟器件就包含碱金属气体腔，光学系统，温控系统，控制电路等。3.原子腔器件可以通过一定支撑方式放置在玻璃熔融吹制工艺制作的玻璃缓冲腔中或者平行封焊工艺制作的金属管壳缓冲腔内，如图2所示。支撑方式可以是支撑框架或直接粘结。4.必要时缓冲腔要抽真空或者充入缓冲气体，所述的缓冲气体指充入与微型原子腔内气体成分相同、压强接近的缓冲气体，或充入碱金属原子蒸汽，或同时充入缓冲气体与碱金属原子蒸汽。并放置吸气剂，吸收氧气等活性气体，保证器件所需气氛。同时将原子腔器件的信号引线引出缓冲腔外。本专利技术提供的微型原子腔气密性封装结构的缓冲腔内如果根据设计需要放入吸气剂材料，吸气剂材料可以是蒸散型吸气剂包括金属镁、钡、铝、钙和碱金属、非金属磷等， 或者非蒸散型吸气剂如锆及其复合物，形状可以做成薄膜或者体积型。缓冲腔的制造、充气及密封方法，采用不同的缓冲腔材料、吸气剂、碱金属蒸汽及缓冲气体成分等都有不同的流程。本专利技术采用的制造工艺分为玻璃熔融工艺和金属管壳平行封焊工艺，此两种工艺均为现有成熟工艺。本专利技术具有如下优点1.本专利技术提出的微型原子腔的气密性封装结构设计方便，工艺简单，成本低廉，适合于微型原子腔制造便携式器件的批量整体封装。2.采用本专利技术的缓冲腔或带吸气剂的真空缓冲腔改善微型原子腔气密性的方法， 有效地降低原子腔与外界的泄漏率，提高了原子腔的气密性，从而提高了微型原子腔的寿命，并提高器件的可靠性。3.采用本专利技术的缓冲腔可以大幅度降低维持微型原子腔工作温度的功耗。本专利技术的应用范围包括1.本专利技术提出的微型原子腔气密性封装结构方案，适用于基于微型原子腔的多种微型原子腔器件的封装，包括下述微型原子磁强计和微型冷原子陀螺仪特别是微型原子钟的应用。2.微型原子磁强计应用。利用微型原子腔充入碱金属蒸汽和缓冲气体制作的毫米级尺寸的高灵敏度微型原子磁强计具有灵敏度高、功耗低、尺寸小、可响应低频和高频的磁信号的优点，可广本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于ＭＥＭＳ工艺的微型原子腔器件气密性封装结构，包括微型原子腔、外围电路和微型光路组成，其特征在于所述的微型原子腔通过支撑框架式直接粘结方式放置在玻璃或金属缓冲腔内。
【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS工艺的微型原子腔器件气密性封装结构，包括微型原子腔、外围电路和微型光路组成，其特征在于所述的微型原子腔通过支撑框架式直接粘结方式放置在玻璃或金属缓冲腔内。2.如权利要求1所述的结构，其进一步的特征在于微型原子腔采用光刻、腐蚀、阳极键合微细加工工艺制作得到气密性腔体，腔内充有碱金属原子蒸汽和缓冲气体。3.如权利要求1所述的结构，其进一步的特征在于用于气密性封装的玻璃或金属缓冲腔内充入与微型原子腔内气体成分相同、压强接近的缓冲气体，或充入碱金属原子蒸汽，或同时充入缓冲气体与碱金属原子蒸汽。4.如权利要求1所述的结构，其进一步的特征在于用于气密性封装的玻璃或金属缓冲腔内或是真空。5.如权利要求1或3所述的结构，其进一步的特征在于用于气密性封装的玻璃缓冲腔或金属缓冲腔放置吸气剂。6.如权利要求1所述的结构，其进一步的特征在于①用于气密性封装的玻璃或金属缓冲腔具有气密性信号引线，将微型原子腔器件的电信号引出缓冲腔外；②微型原子腔的等效池漏率降低3-5个数量级。7.按权利要求5所述的结构，其特征在于①所述的吸气剂为包括镁、钡、铝、钙、碱金属或非金属磷在内的蒸散型吸光剂和包括锆及其复合物在内的非蒸散型吸气剂；②所述的吸气剂呈薄膜型或体积型。8.制作如权利要求1-4或6中任一项所述结构的方法，其特征在于由下面两种方法中任一种方法A 缓冲腔材料采用玻璃，缓冲腔内气氛为与原子腔类似的碱金属蒸汽和缓冲气体，玻璃加工工艺采用熔融工艺，其制作流程如下(1)MEMS工艺制作原子腔原子腔的形状为长方体或圆柱体，先在硅片上刻蚀出 2X2mm的方孔并与Pyrex玻璃键合，在腔体中充入碱金属蒸气和混合缓冲气体，再将硅片的另一面与Pyrex玻璃第二次键合，最后划片分离出MEMS原子腔体；(2)集成微光学系统和温控系统的微型原子钟物理系统的制作所述的微光学系统包括垂直腔发射激光器、滤光镜、聚焦准直透镜、1/4波片和反射镜，温控系统则是金属钼或多晶硅等材料制作的平面薄膜线圈，包括加热部分和温度检测部分，采用MEMS金属溅射和刻蚀工艺制作；(3)集成了外围电路的微型原子钟的制作将微型原子钟物理系统与原子钟外围集成电路融合；(4)聚酰亚胺悬挂结构的制作与安装用硅片作为支撑架，在硅片表面制作聚酰亚胺图层并刻蚀出弹性悬挂带的形状，同时在聚酰亚胺悬挂带上制作金属引线...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴亚明，张志强，李绍良，徐静，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31
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