一种应用于原子传感器的MEMS气室

技术领域

本发明涉及微型气室领域，尤其涉及一种应用于原子传感器的MEMS气室。

背景技术

原子传感器是利用原子在光抽运和磁场条件下实现自旋进动来敏感载体角速度的传感器。其精度高、抗扰能力强等优势使其在航天、地质勘探、物理学等诸多不同领域具有巨大的潜力和应用前景。

随着智能穿戴设备和其他微小型高精度测量测试设备的不断更新迭代，对于传感器小体积的需求也日益增加，多应用于无人机、智能机器人、无人驾驶、无人潜航等领域。将微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术应用到原子传感器中，可具有小体积、低功耗、低成本的优势，因此小型化的原子传感器将成为未来的发展趋势，在军工乃至民用的小型化惯性导航系统中都将成为不可或缺的一环。

其中，气室是原子传感器的核心，气室的质量将直接影响传感器的性能。该器部件主要作为原子传感器的核心敏感元件，用于容纳工作物质、敏感载体角速度，适用于具有小型化、高精度，有长时稳定惯性导航需求的传感器及相关产品。

目前，关于此研究对象的专利主要包括两类，第一类是传统的气室，采用的是将五片玻璃片与一片带有充气管的玻璃片通过键合形成玻璃立方体结构，如专利CN202211410601.0提出的一种自下而上的原子气室制造装置及方法；以及在此基础之上做出的变化，如专利CN202310321576.7提出的一种基于腔镜侧面键合的含多反射腔原子气室的制作方法，其通常具有如下缺陷：

（1）气室需要人工充气、赶气，且需要人工进行尾管截断，会造成截尾一致性差且气压不稳定等问题；

（2）气室制作依靠多片玻璃片进行键合，小型化不易进行操作且制备质量难以保证，同时两路透光路径使得光源和光电探测器两两分散，不利于样机的集成化设计。

第二类是利用MEMS技术制作带有空腔的气室，并通过阳极键合密封空腔的气室方案，如专利CN202310021985.5提出的一种用于原子磁力仪的MEMS气室及其制造方法及专利CN202310551507.5提出的一种用于三轴陀螺仪的MEMS原子气室及制作方法。虽然目前已出现不同种类的原子传感器MEMS气室设计方案，但仍存在一定问题：

（1）针对原子传感器，MEMS气室常见的玻璃-硅-玻璃三层结构无法满足两路正交光束的技术需求。

（2）对于满足两路透光路径中间层为玻璃的MEMS气室设计，其光源独立分布且光电探测器与光源各自处于异侧，不利于光源的同步控制及样机的进一步小型化。

（3）对于满足两路透光路径中间层为玻璃的MEMS气室设计，气室小型化之后，通过气室的抽运光和检测光的光程随着气室边长相应减小，会导致弛豫变大、极化率降低的问题。

（4）对于在气室中间粘接光学反射镜的MEMS气室设计，其粘接的操作难度和对准难度较大，不易制作，且批量制作无法保证一致性。

综上，随着MEMS技术的发展和应用的普及，针对原子传感器气室设计有了广阔的前景，而这方面的研究还比较缺乏。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：克服常规MEMS气室无法满足原子传感器垂直双光束透光需求的问题，同时改善气室体积减小的情况下光程减小导致弛豫变大、极化率降低等问题，提供一种应用于原子传感器的MEMS气室，用以满足双路透光的同时提高光程。

根据本发明实施方式，提供一种应用于原子传感器的MEMS气室，包括：上层玻璃，材料为高硼硅玻璃；基体层，材料为硅材料，具有不规则结构，中间加工有孔槽，贯穿顶面和底面，孔槽为多边形，其中一面加工成斜坡，其余面均为垂直侧壁，所述斜坡与两处垂直侧壁均为反射面，为反射面的垂直侧壁与所述斜坡相对，孔槽被所述上层玻璃及下层玻璃进行密封；下层玻璃，材料为高硼硅玻璃；其中所述上层玻璃与所述基体层连接，所述基体层与所述下层玻璃连接。

在上述MEMS气室中，所述上层玻璃、基体层、下层玻璃均为矩形板件。

在上述MEMS气室中，所述斜坡与两处垂直侧壁镀有金属反射镜。

在上述MEMS气室中，所述孔槽的斜坡与气室边缘平行，与斜坡相邻的两面均与斜坡垂直且为垂直侧壁，作为反射面的垂直侧壁位于角落，每个反射面与气室边缘成45°夹角。

在上述MEMS气室中，所述斜坡的反射面与相对的垂直侧壁的反射面均进行了镀膜处理以增大反射率，镀膜材料为低磁噪声特性的金属材料。

在上述MEMS气室中，对于垂直侧面的反射面，采用倾斜垫板正反蒸镀的方式进行镀膜处理。

相对于现有技术方案，本发明技术方案带来以下有益技术效果：

相较于传统玻璃气室，本发明技术方案的MEMS气室基于MEMS工艺，在满足了设计需求的同时具有简易制作、可批量生产的特点，增加了通过气室光线的光程并使其在基体层平面被折叠，同时改善了气室体积减小的情况下光程减小导致弛豫变大、极化率降低的问题。

进一步地，结合MEMS技术制作气室，不需要尾管截断步骤，一致性好。相较于其他三明治结构MEMS气室，可满足原子传感器双光路透光需求。

另外，相较于其他折反射式MEMS气室，本发明技术方案的MEMS气室采用镀低磁噪声金属反射镜增大反射效率，比粘接光学反射镜的处理方式无需手动粘接，更易操作，更易对准，保证反射角度的一致性。

附图说明

图1 示出根据本发明实施方式的MEMS气室整体结构的示意图；

图2 示出根据本发明实施方式的MEMS气室的爆炸视图；

图3 示出根据本发明实施方式的MEMS气室的半剖视图；

图4 示出根据本发明实施方式的MEMS气室基体层结构示意图；

图5 示出根据本发明实施方式的MEMS气室基体层结构俯视图；

图6 示出根据本发明实施方式的MEMS气室抽运光及检测光的通光路径示意图。

图中：1-上层玻璃；2-基体层；3-下层玻璃；4-孔槽；5-斜坡；6-第一垂直侧壁反射面；7-第二垂直侧壁反射面；8-抽运光；9-检测光。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开，且本公开不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

下面结合附图对本发明作详细描述。

图1 示出根据本发明实施方式的MEMS气室整体结构的示意图。图2 示出根据本发明实施方式的MEMS气室的爆炸视图。图3 示出根据本发明实施方式的MEMS气室的半剖视图。图1-3示出了MEMS气室整体结构及组成。如图1-3所示，气室整体由三片晶圆基板键合而成，分别为上层玻璃1、基体层2和下层玻璃3。

上层玻璃1及下层玻璃3材料为高硼硅玻璃，基体层2为硅材料，具有不规则结构，基体层中间加工有孔槽4，贯穿顶面和底面，其中孔槽4为多边形，其中一面加工成斜坡5，其余面均为垂直侧壁。多边形可以是任意多边形，包括规则多边形和不规则多边形。斜坡5与两处垂直侧壁均为反射面，垂直侧壁反射面分别为第一垂直侧壁反射面6和第二垂直侧壁反射面7，其上镀有金属反射镜。上层玻璃1、基体层2和下层玻璃3均为矩形板件，上层玻璃1与基体层2进行连接，基体层2与下层玻璃3进行连接，连接的方式可以包括阳极键合方式、牺牲微通道键合方式、金属膜热压焊键合方式等。孔槽4被上层玻璃1及下层玻璃3进行密封并构成气室中心孔槽4。射入孔槽4的光线有两束：一束经由一系列反射通过孔槽4，如抽运光8所示；另一束由上至下穿过孔槽4，如检测光9所示。穿过所述MEMS气室的两束垂直光束，其光源与光电探测器仅分布在上层玻璃以上及下层玻璃以下。

在一可选实施例中，中心多边形孔槽4其中一面加工成斜坡，与气室边缘平行，孔槽4中与斜坡5相邻的两面均与斜坡垂直且为垂直侧壁，角落两处作为反射面的垂直侧壁相互垂直，每个反射面与气室边缘成45°夹角。所述的角落，指的是基体层2正方形轮廓四个角落中，与斜坡5相对的两处角位置，如图5中右上角及右下角所示。图中所示仅是示例，角落还可以包括其他设置，比如角落处的反射面与斜坡呈其他角度，只要光束能在反射面之间反射射出孔槽4即可，本发明在这方面不受限制。这里的气室边缘指的是基体层2的正方形外轮廓，如图5中正方形外轮廓的上边、右边及下边所示。

在一可选实施例中，基体层2中的斜坡5与第一垂直侧壁反射面6、第二垂直侧壁反射面7均进行了镀膜处理以增大反射效率，镀膜材料为低磁噪声特性的金属材料，包括但不限于金属铝。镀膜时涉及角落的垂直侧壁，采用倾斜垫板正反蒸镀的方式增强其均匀性。

下面描述制作上述MEMS气室的过程。

首先将上层玻璃1、基体层2和下层玻璃3用工业标准湿法清洗工艺进行清洗，并用氮气将表面吹干。之后对于中间基体层2加工：采用干法刻蚀与湿法刻蚀相结合的工艺，首先加工出斜坡，斜坡角度为湿法刻蚀晶向为（100）的硅片所生成的自然角度54.7°，或者通过提前以9.7°剔除部分材料刻蚀成为45°斜坡；与斜坡相邻的两面需要与斜坡所在面垂直，角落的两边需要与气室边缘成45°夹角，这里的角落指的是基体层2正方形轮廓四个角落中，与斜坡5相对的两处角位置，如图5中右上角及右下角所示，这里的气室边缘指的是基体层2的正方形外轮廓，如图5中正方形外轮廓的上边、右边及下边所示。再利用干法刻蚀将多边形除斜坡外的其余边加工成垂直侧壁；其中斜坡和与斜坡对应角落处的垂直侧壁为反射面，可利用磁控溅射等设备镀低磁噪声金属反射镜，在一个可选实施例中反射镜材料为铝。之后采用MEMS气室标准三明治结构的加工工艺，先通过阳极键合连接下层玻璃3和基体层2制成预制件，再通过第二次阳极键合连接预制件和上层玻璃1；进行第二次阳极键合前可利用不同方式为气室充制碱金属，最后划片获得单个气室。

综上，该MEMS气室的制作过程是由MEMS气室常见三明治结构进行拓展，主体由材料为高硼硅玻璃的上层玻璃、下层玻璃以及材料为硅的基体层构成。其中间基体层经过特殊设计加工，形成孔槽，孔槽贯穿顶面和底面，与上层玻璃及下层玻璃封闭形成孔槽，连接采用阳极键合的方式。孔槽可为多边形，在本发明一个实施方式中采用六边形，其中一边加工为斜坡，斜坡角度为湿法刻蚀晶向为（100）的硅片所生成的自然角度54.7°，或者通过提前以9.7°剔除部分材料刻蚀成为45°斜坡；与斜坡相邻的两面可以与斜坡所在面垂直，角落的两面可以与气室边缘成45°夹角。多边形除斜坡外的其余面，均加工成垂直侧壁。其中斜坡和与斜坡对应角落处的垂直侧壁为反射面，镀有低磁噪声金属反射镜，本发明中反射镜材料可以为铝。

经过湿法刻蚀后，可获得如图4和图5所示的斜坡5结构，此时因为湿法刻蚀的特性另一侧也应为斜坡；经由过干法刻蚀后，可获得如图4和图5所示角落处的两个垂直侧壁，以及孔槽4中的其他垂直侧壁，此时上述另一侧的斜坡也被加工成了垂直侧壁。经过镀金属反射镜后，斜坡5成为斜坡反射面，且镀有金属铝层；经过将硅晶圆倾斜的方式，正反镀金属反射镜后，上述角落处的两个垂直侧壁分别成为第一垂直侧壁反射面6和第二垂直侧壁反射面7。对于如基体层2这种需要在与气室边缘成45°夹角的垂直侧壁上镀反射层，可以在加工时利用挡板将硅片倾斜，通过旋转180°的方式正反两次进行溅射或蒸镀实现反射面更高的均匀性及足够的厚度。

最终的通光路径如图6所示，抽运光8由上侧的激光器光源发出，可由反射镜反射倾斜照入孔槽4，并被斜坡5的反射面反射（在一个示例中斜坡为54.7°），进一步由第一垂直侧壁反射面6反射至第二垂直侧壁反射面7，之后由第二垂直侧壁反射面7反射回斜坡5的反射面，射出孔槽4，并通过反射镜等调整角度，被与光源处于同一平面内的光电探测器所接收；检测光9则由与抽运光8的光源和光电探测器在同一平面的光源（或为同一光源，可由反射镜组实现）发出，竖直穿过孔槽4，并由在下侧的光电探测器所接受，由此光源和光电探测器分于与气室平行的两个平面，有利于样机的集成。

经由多次反射通过MEMS气室孔槽4的抽运光8，其对于传感器的作用部分在基体层平面孔槽4中被延长并折叠。

抽运光8的光源与光电探测器在气室同一侧，可搭载到高于上层玻璃1的同一平面内；检测光9的光源与抽运光8的光源及光电探测器在同一侧，其光电探测器在气室另一侧，可位于低于下层玻璃3的平面内，与气室下层玻璃3表面平行。

根据本发明实施方式的技术方案，光线传播的路径为：抽运光由斜坡一端射入，经由斜坡反射面反射入基体层水平面，由第一个垂直侧壁反射面反射射向第二个垂直侧壁反射面，再由第二个垂直侧壁反射面反射射向斜坡，最终由斜坡反射面反射射出气室孔槽；检测光由上至下穿过孔槽，由此实现垂直双光束。这样，可以使射入气室的光线的光程增加并在基体层平面被折叠，实现小体积下延长透光路径，另一束垂直光可以由上至下经由贯穿孔槽射入和射出，满足垂直双光束透光需求，解决了气室体积减小的情况下光程减小导致弛豫变大极化率降低的问题。

为顺应小型化的发展趋势，将气室体积减小并使光斑直径变小有利于减小准直焦距进而帮助样机集成。同时光源和光电探测器的分布有利于传感器整体的小型化集成，适用于具有小型化、高精度、有长时稳定惯性导航需求的传感器及相关产品。

以上通过最佳的实施例对本发明进行了描述，但本发明不局限于以上实施例，对于材料、碱金属充制方式、内腔形状等近似的修改与组合也应当被涵盖进本发明中。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施方式可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

尽管根据有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施方式。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。