原子振蕩器和用于制造原子振蕩器的方法

專利名稱：原子振蕩器和用于制造原子振蕩器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種原子振蕩器以及一種用于制造原子振蕩器的方法。
背景技術(shù)：
原子鐘(原子振蕩器)被視為具有顯著的時針精確度的計時器。已經(jīng)有人開始研究將原子鐘最小化技術(shù)。原子鐘作為振蕩器而形成，其與組成如堿金屬等原子的電子的瞬變能量有關(guān)。特別地，基于堿金屬的原子的電子在沒有擾動的狀態(tài)下的瞬變能量而獲得顯著精準(zhǔn)的值。相比于晶體振蕩器，其可獲得具有顯著的更高位數(shù)的頻率穩(wěn)定性。已有某些原子鐘的方法。在其它方法中，一種相干布居俘獲(CPT)方法的原子鐘具有比晶體振蕩器高約三位數(shù)的頻率穩(wěn)定性，并且被期望達到超小型和實現(xiàn)超能耗(參見非專利文獻I和2)。如圖I所示，CPT方法的原子鐘包括光源910例如激光元件等、以及密封有堿金屬的堿金屬單元940，以及光檢測器950，其接收穿過堿金屬單元940的激光。該激光被調(diào)制，并通過以出現(xiàn)在特定波長的載波兩側(cè)的邊帶波長同時將堿金屬原子中的電子的進行兩次躍遷而被激發(fā)。這些躍遷中的瞬變能量是恒定的。當(dāng)該激光的邊帶波長對應(yīng)于瞬變能量各自的波長時，產(chǎn)生清除響應(yīng)，其中堿金屬中的光吸收率被降低。該原子振蕩器具有以下特征，其中，載波波長被調(diào)整以使堿金屬的光吸收率被降低，由光檢測器950所檢測的信號被反饋至調(diào)制器960，且來自光源910如激光元元件等的激光的調(diào)制頻率由該調(diào)制器960進行調(diào)整。該激光從光源910發(fā)出，并通過準(zhǔn)直透鏡920和λ /4板930照射堿金屬單元940。已經(jīng)公開了(參見專利文獻I至4)用于利用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造微細化原子鐘中的堿金屬單元的方法。在這些公開的方法中，在利用光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)在Si襯底上形成開口之后，玻璃和Si襯底陽極結(jié)合。通過將約250V至1000V的電壓施加于玻璃和Si襯底之間的界面，陽極結(jié)合在200°C至450°C下進行。其后，堿金屬和緩沖氣體被注入，并且形成上表面的開口部分通過與玻璃陽極結(jié)合而被密封。堿金屬單元通過將組成上述每個單元的原材料進行切片而形成。多種方法被提供以將堿金屬封裝在單元中。非專利文獻3公開了一種方法，其中金屬Cs (銫)直接落入要密封的真空中。并且，非專利文獻3還公開了一種將BaN6水溶液與CsCl混合的液體溶液注入該單元，而在該單元被密封之后，通過在200°C反應(yīng)而生成金屬Cs。非專利文獻4公開了一種方法，其中金屬Cs通過安瓿中的BaN6+CsCl以及加熱器反應(yīng)生成，并蒸發(fā)而轉(zhuǎn)移到單元中。非專利文獻5公開了一種方法，其中利用一般蒸發(fā)方法，在CsN3在單元中形成薄膜之后，紫外線被照射，而生成Cs和N2。非專利文獻6公開了一種方法，其中在空氣中穩(wěn)定的Cs分配器被置入單元中之后，激光單獨照射在該Cs分配器上以加熱，從而生成Cs。還可提供其它方法。在利用陽極結(jié)合對單元進行密封的情況下，由陽極結(jié)合所生成的氧、OH、H2O等與單元中的堿金屬反應(yīng)。例如，在Cs的情況下，由于CsxOy等被生成，激光的滲透性會產(chǎn)生波動，并發(fā)生頻率偏移。因而，存在的一個問題是，頻率的短期穩(wěn)定性被降低。
[專利文獻]專利文獻I :美國專利第6806784號專利文獻2 :美國專利公開說明書第2005/0007118號專利文獻3 :日本專利申請公開說明書第2009-212416號專利文獻4 :日本專利申請公開說明書第2009-283526號[非專利文獻]非專利文獻I Applied Physics Letters,第 85 卷，第 1460-1462 頁(2004) 非專利文獻2 Comprehensive MicroSystems,第 3 卷，第 571-612 頁非專利文獻3 Applied Physics Letters,第 84 卷,第 2694-2696 頁(2004)非專利文獻4 0PTICS LETTERS,第 30 卷，第 2351-2353 頁(2005)非專利文獻5 :Applied Physics Letters,第 90 卷，114106 (2007)非專利文獻6 J. Micro/Nanolith, MEMS M0EMS7 (3)，033013 (2008)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決或減少一個或多個上述問題。在本公開的一方面，提供了一種原子振蕩器，包括密封有堿金屬的堿金屬單元，將激光束照射至該堿金屬單元的光源，以及檢測穿過該堿金屬單元的光的光檢測器，其中該堿金屬單元包括第一元件，其中第一玻璃襯底結(jié)合于第一襯底的第二表面，第一開口部分在該第一襯底形成以從第一表面穿透至該第二表面；第二兀件，其中第二玻璃襯底結(jié)合于第二襯底的第四表面，第二開口部分形成在該第二襯底處以從第三表面穿透至第四表面；單元內(nèi)部，其通過將第一元件的第一襯底的第一表面結(jié)合至第二元件的第二襯底的第三表面，由第一元件的第一開口部分和第二元件的第二開口部分而形成；以及堿金屬原材料，其由單元內(nèi)部所封裝。在本公開的另一方面，提供了一種用于制造原子振蕩器的方法，該原子振蕩器包括密封有堿金屬的堿金屬單元，將激光束照射至該堿金屬單元的光源，以及檢測穿過該堿金屬的光的光檢測器，所述方法包括形成從第一襯底的第一表面穿透至第二表面的第一開口部分以及從第二襯底的第三表面穿透至第四表面的第二開口部分，該第一開口部分和第二開口部分具有近似相同的形狀；通過將第一玻璃襯底結(jié)合到形成第一開口部分的第一襯底的第二表面，形成第一元件，以及通過將第二玻璃襯底結(jié)合到形成第二開口部分的第二襯底的第四表面，形成第二兀件；將堿金屬原材料置入第一兀件的第一開口或第二兀件的第二開口 ；以及將第一元件的第一襯底的第一表面結(jié)合于第二元件的第二表面的第三表面，其中堿金屬單元的單元內(nèi)部是由第一元件的第一開口部分與第二元件的第二開口部分形成的。


在下文中，本發(fā)明的實施例將結(jié)合附圖進行描述。圖I是用于說明第一實施例中的原子振蕩器的視圖；圖2是用于說明第一實施例中的原子振蕩器的視圖；圖3A至圖3H是圖示第一實施例中的原子振蕩器的制造方法流程圖的視圖4A至圖4H是圖示第二實施例中的原子振蕩器的制造方法流程圖的視圖；圖5A至圖5C是圖示第二實施例中的原子振蕩器的另一種制造方法流程圖的視圖；圖6A至圖6H是圖示第三實施例中的原子振蕩器的制造方法流程圖的視圖；圖7A至圖7F是圖示第四實施例中的原子振蕩器的制造方法流程圖的視圖；
圖8A至圖SB是用于說明第四實施例中的原子振蕩器的制造方法的視圖；圖9A至圖9H是圖示第五實施例中的原子振蕩器制造方法流程圖的視圖；圖IOA至圖IOC是圖示第五實施例中的原子振蕩器的另一種制造方法流程圖的視圖；圖IlA至圖IlH是圖示第六實施例中的原子振蕩器制造方法流程圖的視圖；圖12A至圖12E是圖示第七實施例中的原子振蕩器制造方法流程圖的視圖；圖13A至圖13E是用于說明第七實施例中的原子振蕩器制造方法的視圖；圖14是圖示第八實施例中的原子振蕩器配置的視圖；圖15是用于說明在CPT方法中原子能級的配置的視圖；圖16是用于說明當(dāng)表面發(fā)射激光被調(diào)制時的輸出波長的視圖；及圖17是圖示調(diào)制頻率和透射光量之間關(guān)聯(lián)性的視圖。
具體實施例方式下文中，根據(jù)本發(fā)明的實施例將結(jié)合附圖進行描述。相同的元件等由相同的附圖標(biāo)記來表示，而重復(fù)的說明可省略。[第一實施例]將描述在第一實施例中的原子振蕩器和用于制造該原子振蕩器的方法。如圖2所示，第一實施例中的原子振蕩器被視為小型化的相干布居俘獲(CPT)方法的原子振蕩器，并包括光源10、準(zhǔn)直透鏡20、λ /4板30、堿金屬單元40、光檢測器50以及調(diào)制器60。對于光源10，可使用表面發(fā)射激光元件等的激光元件。Cs(銫)原子氣體由該堿金屬單元40所封裝，作為堿金屬。光電二極管可用于光檢測器50。在第一實施例的原子振蕩器中，從光源10發(fā)射的光透過準(zhǔn)直透鏡20和λ/4板30照射至堿金屬單元40，并且在堿金屬原子中的電子被激發(fā)。穿過堿金屬單元40的光被光檢測器50所檢測，光檢測器50檢測到的信號反饋至調(diào)制器60，并且光源10中的表面發(fā)射激光元件被調(diào)制器60所調(diào)制。接下來，參照圖3Α至圖3Η描述用于制造在第一實施例中的原子振蕩器所用的堿金屬單元40的方法。首先，如圖3Α所示，配備作為堿金屬單元40基底的Si襯底110。Si襯底110厚度為O. 75毫米，其兩側(cè)為鏡面加工。在第一實施例中，如下文將要描述的，由于兩個Si襯底被結(jié)合以形成堿金屬單元，因此配備了兩個Si襯底110。接下來，如圖3Β所示，為每個Si襯底110形成開口部分111。特別地，抗蝕劑涂設(shè)于每個Si襯底110的一側(cè)表面，被曝光裝置曝光和顯影，從而形成抗蝕劑圖案(未示出)，在形成該開口部分111的區(qū)域具有開口。其后，通過干蝕刻如ICP (感性耦合等離子體)等，Si在未形成抗蝕劑圖案的區(qū)域被除去，而形成了穿過Si襯底110的開口部分111。Si的干蝕刻通過Bosch過程進行,其通過交替地提供SF6和C4F8進行蝕刻。在Bosch過程中，可在高速下進行具有更高各向異性的蝕刻。在該蝕刻中，功率可為2kW。上文描述了一種通過干蝕刻形成開口部分111的方法。該開口部分111也可通過濕蝕刻形成。特別地，在Si襯底110表面上，SiN薄膜(未示出)通過低壓化學(xué)氣相沉積(CVD)形成?？刮g劑涂設(shè)于SiN薄膜之上，并被曝光裝置曝光和顯影。因而，形成抗蝕劑圖案(未示出)以在形成開口部分111的區(qū)域具有開口。隨后，SiN薄膜在未形成抗蝕劑圖案的區(qū)域通過使用CF4作為蝕刻氣體進行干蝕刻被除去。此外，通過除去該抗蝕劑圖案，形成了 SiN的掩膜。隨后，通過使用K0H(30wt% )在85°C下進行濕蝕刻，在未形成由SiN形成的掩膜的區(qū)域Si被除去。因此，開口部分111在Si襯底110上形成。并且，在此之后，由SiN形成的掩膜利用溶解SiN的溶液進行濕蝕刻而被除去。Si的濕蝕刻被視為一種各向異性的蝕刻，而在每個開口部分111的側(cè)向邊形成54. 7度傾斜角的倒轉(zhuǎn)坡。接下來，如圖3C所示，透明玻璃襯底120陽極結(jié)合于形成開口部分111的Si襯底 110的另一表面。特別地，在真空室中，該玻璃襯底120接觸形成開口部分111的Si襯底110的另一表面，并通過在380°C將-800V施加于該玻璃襯底120進而陽極結(jié)合。在這種情況下，由于堿金屬等的原材料尚未排列，因此不存在堿金屬被陽極結(jié)合所產(chǎn)生的氧氣等氧化的問題。在第一實施例中，由于兩個Si襯底相結(jié)合，產(chǎn)生了又一個具有相同配置的Si襯底。因此，在兩個Si襯底上形成了近似相同形狀的開口部分111。在第一實施例中，形成了兩個元件，其每個由玻璃襯底120所陽極結(jié)合的Si襯底110所構(gòu)成。隨后，Si襯底110之一可稱為第一元件101，Si襯底110的另一個可稱為第二元件102。接下來，如圖3D所示，在每個Si襯底110上，粘合于未結(jié)合玻璃襯底120的一個表面上的沉積物被除去。特別地，結(jié)合玻璃襯底120的Si襯底110所形成的元件置于兩個真空室中的每一個。在真空室被排空后，Ar離子束被照射至真空中的兩個Si襯底110中的每一個的一個表面上。因此，通過除去粘合于兩個Si襯底110中的每一個的一個表面上的自然氧化膜和沉積物，在兩個Si襯底110中的每一個的一個表面執(zhí)行活化處理。如上所述，等離子活化處理在兩個Si襯底110中的每一個的一個表面上進行。在圖3D中，僅圖示了第一元件101。相同的處理也執(zhí)行于第二元件102。接下來，如圖3E所示，堿金屬原材料130如Cs、Rb等被置入第一元件101上Si襯底110的開口部分111。接下來，如圖3F所示，第一元件101和第二元件102被對齊，以使兩個Si襯底110的一個表面，即，在其上執(zhí)行活化處理的表面彼此相對。特別地，定位被執(zhí)行以使第一元件101的開口部分111對應(yīng)于第二元件102的開口部分111。接下來，如圖3G所示，作為緩沖氣體的氮被引入真空室以產(chǎn)生氮氣環(huán)境。在該氮氣環(huán)境中，第一元件101和第二元件102相互結(jié)合。特別地，等離子的活化處理在第一元件101上的Si襯底110的一個表面和第二元件102上的Si襯底110的一個表面上執(zhí)行。因此，通過接觸并施加壓力，第一元件101上的Si襯底110的一個表面在常溫下通過Si-Si的直接鍵合而結(jié)合于第二元件102上的Si襯底110的一個表面。直接鍵合對應(yīng)于一種狀態(tài)，其中一個襯底的一個表面上的原子的鍵結(jié)合于另一襯底的一個表面上的原子的鍵，而沒有其它原子的干擾。如上所述，通過在結(jié)合區(qū)域112上將兩個Si襯底110的表面進行結(jié)合，形成了單元內(nèi)部113，其由第一元件101和第二元件102的兩個開口部分111形成。在上述Si-Si的直接鍵合中，未產(chǎn)生氣體如氧氣。在結(jié)合過程中，不會出現(xiàn)雜質(zhì)如氧氣等進入每個密封堿金屬原材料130的單元內(nèi)部113的情況。接下來，如圖3H所示，在第一元件101和第二元件102的相互結(jié)合的狀態(tài)中，每個單元在圖3G所示的虛線4A處被分離。形成了堿金屬單元40。通過這種配置，堿金屬單元40被制成，以用于第一實施例中的原子振蕩器。由于通過上述過程制成的堿金屬單元40在單元內(nèi)部113中包括更少量的雜質(zhì)如氧氣，故其能夠獲得高度穩(wěn)定的原子振蕩器。在利用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)以用于CPT原子振蕩器的氣體單元中，兩個彼此相對的玻璃之間的空間成為激光束穿過該單元的光路。光路長度對應(yīng)于讓激光束穿過空間的長度，并可按照慣例約為I. 5毫米的最大值。光路長度越長，對激光束穿過堿金屬單元時被吸收的激光束產(chǎn)生貢獻的原子數(shù)增加得就越大。優(yōu)選地，S/N(信噪比)被增強。
此外，在第一實施例中，形成堿金屬單元40的兩個玻璃襯底120之間的距離對應(yīng)于兩個Si襯底110的厚度。因而，可簡單地將兩個玻璃襯底120之間的距離變寬。特別地，在通過對一片厚的Si襯底進行蝕刻的情況下，例如厚度為I. 5毫米的Si襯底，由于Si襯底110較厚，形成開口部分111時的工作量變大。此外，開口部分111可能沒有形成所希望的形狀。然而，在第一實施例中，該開口部分111通過對半厚度即厚度為O. 75毫米的兩個Si襯底110同時進行蝕刻而形成。有利的是，其可減少形成開口部分111的工作量，進而簡單地通過MEMS技術(shù)形成氣體單元以使光路長度大于I. 5毫米等。在堿金屬原材料130中，在堿金屬為Cs的情況下，作為原材料，可使用在空氣中穩(wěn)定的包括Cs金屬和Cs的化合物。作為堿金屬原材料130，在使用在空氣中穩(wěn)定的包括Cs金屬和Cs的化合物的情況下，在堿金屬原材料130被封裝于單元內(nèi)部113中之后，通過加熱等方法生成Cs。例如，作為堿金屬原材料130，在利用混合了 BaN6水溶液與CsCl的溶液的情況下，在混合了 BaN6水溶液與CsCl的溶液被封裝于單元內(nèi)部113中之后，通過使該溶液在200°C下反應(yīng)生成Cs。而且，作為堿金屬原材料130，在利用CsN3的情況下，在單元內(nèi)部113中通過普通蒸發(fā)方法形成了 CsN3薄膜。在CsN3被封裝于單元內(nèi)部113之后，紫外線(UV)被照射，而生成包括Cs的隊以及緩沖氣體。并且，作為堿金屬原材料130，在利用在空氣中穩(wěn)定的Cs分配器(dispenser)的情況下,在Cs分配器置入單元內(nèi)部113中之后,激光單獨照射在該Cs分配器上以加熱。從而生成Cs。Cs、Rb等堿金屬與氧、H20等發(fā)生劇烈的反應(yīng)。因而，在將Cs金屬本身置入單元內(nèi)部113的情況下，即使在Cs原材料放入真空室之后Cs原材料被密封，微量的氧、H2O等也會駐留在真空室中。因此Cs被氧化。很難完全使得Cs避免被氧化。相反，在利用在空氣中穩(wěn)定的包括Cs的化合物作為堿金屬原材料130的情況下，通過用于在堿金屬原材料130密封于單元內(nèi)部113之后進行加熱等生成Cs的方法，可以顯著地抑制Cs的氧化。因此，可進一步增強原子振蕩器的頻率穩(wěn)定性。此外，在將堿金屬原材料130封裝于單元內(nèi)部113的情況下，取代將堿金屬原材料130在空氣中封裝，優(yōu)選地利用緩沖氣體如N2將堿金屬原材料130進行封裝。在單元內(nèi)部113的堿金屬中，當(dāng)堿金屬原子與單元內(nèi)部113內(nèi)壁相碰撞時，堿金屬原子的內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生改變。在將堿金屬用于原子振蕩器的情況下，其頻率穩(wěn)定性被降低。而通過優(yōu)選地在單元內(nèi)部113封裝緩沖氣體，可以減少堿金屬原子與單元內(nèi)部113內(nèi)壁相碰撞的可能性，并抑制頻率穩(wěn)定性的惡化。作為緩沖氣體，優(yōu)選為氮氣、惰性氣體等。例如可用N2、Ne、Ar、Ne-Ar混合氣體等。[第二實施例]接下來，將描述第二實施例。在第二實施例中，將結(jié)合圖4A至圖4H來描述包括不同于第一實施例的堿金屬單元的原子振蕩器，及其制造方法。在圖4A至圖4H中，與前述附圖所圖示的相同元件由相同附圖標(biāo)記表示并將省略其解釋。首先，如圖4A所示，配備Si襯底110。Si襯底110厚度為I毫米，其兩側(cè)為鏡面加工。在第二實施例中，如下文將要描述的，通過將兩個Si襯底110進行結(jié)合，形成了堿金屬單元。因此，配備了兩個Si襯底110。接下來，如圖4B所示，金屬薄膜210形成于一個Si襯底110 —個表面的預(yù)定區(qū) 域。該金屬薄膜210形成于開口部分111形成區(qū)域之外的區(qū)域，其將在下文描述，即形成于作為下文將描述的結(jié)合區(qū)域的區(qū)域中。特別地，該金屬薄膜210被視為700納米Au或10納米Cr的疊層薄膜，并通過濺射、真空沉積等形成。作為用于在預(yù)定義區(qū)域形成金屬薄膜210的方法，在Au薄膜或Cr薄膜形成之后，抗蝕劑圖案形成于金屬薄膜210形成的區(qū)域，而Au薄膜或Cr薄膜在抗蝕劑圖案未形成的區(qū)域通過蝕刻被除去。可選地，可執(zhí)行提脫(liftoff)等來形成金屬薄膜210。即，在形成金屬薄膜210的區(qū)域包括開口部分111的抗蝕劑圖案，在Si襯底110的一個表面上形成。在此之后，形成Au薄膜或Cr薄膜。其后，通過有機溶劑等方式形成于抗蝕劑圖案上的Au薄膜或Cr薄膜連同該抗蝕劑圖案被除去。接下來，如圖4C所示，開口部分111形成于Si襯底110。特別地，抗蝕劑涂設(shè)于形成金屬薄膜210的Si襯底110的表面。通過曝光裝置的曝光和顯影，在開口部分111形成的區(qū)域形成了包括開口的抗蝕劑圖案(未示出)。其后，通過蝕刻如ICP等，Si在未形成抗蝕劑圖案的區(qū)域被除去，而形成了穿過Si襯底110的開口部分111。Si的干蝕刻通過Bosch過程進行，其通過交替地提供SF6和C4F8進行蝕刻。接下來，如圖4D所示，透明玻璃襯底120結(jié)合于形成開口部分111的Si襯底110的另一表面上。特別地，在真空室中，該玻璃襯底120接觸形成開口部分111的Si襯底110的另一表面，并通過在380°C將-800V施加于該玻璃襯底120進而陽極結(jié)合。上述形成的元件可稱為第一元件201，包括玻璃襯底120所結(jié)合的Si襯底110。在第二實施例中，兩Si襯底110相互結(jié)合。第二實施例中的第二元件102以與第一實施例中的第二元件102相同的方式形成。接下來，如圖4E所示，在第一元件201中，堿金屬原材料130如Cs、Rb等被置入Si襯底110的開口部分111。接下來，如圖4F所示，定位被執(zhí)行以將第一元件201的金屬薄膜210表面面向第二元件102的Si襯底110被曝光的表面。對于第二元件102，在定位之前，在未結(jié)合玻璃襯底120的Si襯底110的表面，沉積物和氧化膜通過利用氫氟酸進行光蝕刻而除去。接下來，如圖4G所示，作為緩沖氣體的氮被引入真空室，以產(chǎn)生氮氣環(huán)境。在該氮氣環(huán)境中，第一兀件201和第二兀件102通過金屬薄膜210以金屬-Si共晶鍵合的方式結(jié)合。特別地，在真空室中，形成于第一元件201的Si襯底110—個表面的金屬薄膜210接觸第二元件102的Si襯底110 —個表面。在400°C下，以15kN進行20分鐘的壓力處理。因此，在結(jié)合區(qū)域212形成金屬-Si共晶體。第一元件201和第二元件102通過共晶鍵合的來結(jié)合。如上所述，每個單元內(nèi)部213由第一元件201和第二元件102的兩個開口部分111所構(gòu)成。在上述金屬-Si共晶鍵合中，未生成氣體如氧氣。因而，在共晶鍵合過程中，不會出現(xiàn)雜質(zhì)如氧氣等進入堿金屬原材料130所密封的單元內(nèi)部213的情況。接下來，如圖4H所示，第一元件201和第二元件102所結(jié)合的元件沿圖4G所示的虛線6A被分離，以單獨形成每個堿盒屬單元240。通過這種配置，可制成堿金屬單元240以用于第二實施例中的原子振蕩器。在上述制成的堿金屬單元240中，由于在單元內(nèi)部213中包括更少量的雜質(zhì)如氧氣，故其能夠獲得高度穩(wěn)定的原子振蕩器。在第二實施例中的原子振蕩器中，第一實施例中的原子振蕩器的堿金屬單元40被替換為堿金屬單元240。并且，作為金屬薄膜210，除Au和Cr外，還可利用Au-Sn (合金)、Au等。
此外，在第二實施例中，堿金屬單元240可通過利用第二元件202來制造，其金屬薄膜210類似于第一元件201而形成。在這種情況下，第二元件202通過類似于用于第一元件201的方法來制造。這種情況下的制造方法為與前面參照圖4A至圖4E描述的方法相同，不包括第二元件102。后續(xù)的制造步驟將結(jié)合圖5A至圖5C來描述。在圖4E所描繪的步驟之后，如圖5A所示，定位被執(zhí)行以將第一元件201的金屬薄膜210表面面向第二兀件202的金屬薄膜210形成的表面。接下來，如圖5B所示，作為緩沖氣體的氮被引入真空室，以產(chǎn)生氮氣環(huán)境。在該氮氣環(huán)境中，第一元件201和第二元件202通過彼此的金屬薄膜210相結(jié)合。特別地，在真空室中，第一元件201的金屬薄膜210接觸第二元件202的金屬薄膜210。金屬薄膜210通過加壓和加熱而由于直接鍵合而結(jié)合。如上所述，通過在結(jié)合區(qū)域212金屬薄膜210的直接結(jié)合，每個單元內(nèi)部213由兩個開口部分111所構(gòu)成。在上述金屬相互結(jié)合的情況下，未產(chǎn)生如氧氣等氣體。因此，在第二實施例中，當(dāng)金屬薄膜被結(jié)合時，如氧氣等雜質(zhì)不會進入堿金屬原材料130所密封的單兀內(nèi)部213。在金屬210相互結(jié)合的情況下,金屬薄膜210優(yōu)選地均由金屬材料組成，包括Au(金)或Au。接下來，如圖5C所示，第一元件201和第二元件202所結(jié)合的元件沿圖5B所示的虛線7A被分離，以單獨形成了每個堿金屬單元240。此外，在第二實施例中，每個堿金屬單元240所形成的兩個玻璃襯底120之間的距離(光路長度)約為2毫米。傳統(tǒng)上，該距離約為I. 5毫米。由于該距離對應(yīng)于兩個Si襯底110的厚度，可以簡單地增大兩個玻璃襯底120之間形成的距離。除以上之外的描述與第一實施例中相同。[第三實施例]接下來，將描述第三實施例。在第三實施例中，將結(jié)合圖6A至圖6H來描述包括不同于那些在第一和第二實施例中的堿金屬單元的原子振蕩器，及其制造方法。在圖6A至圖6H中，與前述附圖所圖示的相同元件由相同附圖標(biāo)記所表示，并將省略其解釋。首先，如圖6A所示，配備Si襯底110。Si襯底110厚度為I毫米，其兩側(cè)為鏡面加工。在第三實施例中，如下文將要描述的，由于三個Si襯底被結(jié)合以形成堿金屬單元，因此配備了三個Si襯底110。接下來，如圖6B所示，為三個Si襯底110的每一個形成開口部分111。特別地，抗蝕劑涂設(shè)于每個Si襯底110的一個表面。通過曝光裝置的曝光和顯影，在開口部分111形成的區(qū)域形成包括開口的一抗蝕劑圖案(未示出)。其后，通過干蝕刻如ICP等，通過在未形成抗蝕劑圖案的區(qū)域除去Si,而形成穿過Si襯底110的開口部分111。Si的干蝕刻通過Bosch過程進行，其通過交替地提供SF6和C4F8進行蝕刻。接下來，如圖6C所示，在形成開口部分111的三個Si襯底中，透明玻璃襯底120陽極結(jié)合于兩個Si襯底110的其它表面的每一個上。特別地，在真空室中，該玻璃襯底120接觸形成開口部分111的Si襯底110的另一表面，并通過在380°C將-800V施加于該玻璃襯底120進而陽極結(jié)合。第三實施例中，形成了兩個元件，每個元件包括玻璃襯底120所結(jié)合的Si襯底110。一個元件可稱為第一元件301，另一個元件可稱為第二元件302。并且，沒有結(jié)合玻璃襯底120的Si襯底稱為Si襯底110a。接下來，如圖6D所示，粘合于包括結(jié)合了玻璃襯底120的Si襯底110的第一元件301和形成開口部分111的其他Si襯底IlOa的結(jié)合表面上的沉積物被去除。特別地，第一元件301和形成開口部分111的Si襯底IlOa置于真空室中。在真空室內(nèi)部被排空之后， Ar離子束被照射至真空中的Si襯底110和IlOa的作為結(jié)合表面的表面上。自然氧化膜和沉積物粘合于要作為結(jié)合表面的Si襯底110和IlOa的表面上。通過上述過程，自然氧化膜和沉積物被除去，以對表面執(zhí)行活化處理。即，等離子的活化處理在第一元件301和Si襯底IlOa的要作為結(jié)合表面的每個表面上進行。接下來，如圖6E所示，通過執(zhí)行活化處理的表面接觸并相互施加壓力，第一元件301通過Si-Si的直接鍵合而結(jié)合于Si襯底110a。接下來，如圖6F所示，堿金屬原材料130如Cs、Rb等被置入第一元件301中開口部分111。接下來，如圖6G所示，作為緩沖氣體的氮被引入真空室，以產(chǎn)生氮氣環(huán)境。在該氮氣環(huán)境中，形成開口部分111的Si襯底IlOa結(jié)合于第二元件302。特別地，沒有描述，Ar離子束被照射至第二元件302和形成開口部分111的Si襯底IlOa的結(jié)合表面上。通過除去Si襯底110和IlOa的結(jié)合表面上的自然氧化膜和沉積物，對結(jié)合表面進行活化處理。其后，通過執(zhí)行活化處理的表面接觸并相互施加壓力，第二元件302通過Si-Si直接鍵合而結(jié)合于形成開口部分111的Si襯底110a。在Si-Si的直接鍵合中，未產(chǎn)生如氧氣等氣體。因此，如氧氣等雜質(zhì)不會進入密封堿金屬原材料130的單元內(nèi)部313。如上所述，單元內(nèi)部313由第一元件301的開口部分lll、Si襯底IlOa的開口部分111以及第二元件302的開口部分111所形成。接下來，如圖6H所示，其中第一元件301、形成開口部分111的Si襯底IlOa和第二元件302的相結(jié)合的元件沿圖6G所示的虛線9A被分離，以單獨形成了每個堿金屬單元340。通過上述過程，可以制造用于第三實施例中的原子振蕩器的堿金屬單元340。在上述制造的堿金屬單元340中，由于單元內(nèi)部313所包含的雜質(zhì)如氧氣等的量更少，故其可獲得高度穩(wěn)定的原子振蕩器。通過將第一實施例中原子振蕩器的堿金屬單元替換為堿金屬單元340，可以獲得第三實施例中的原子振蕩器。在第三實施例中，由于厚度為I毫米的三個Si襯底110和IlOa被結(jié)合，因而組成堿金屬單元340的兩個玻璃襯底120之間的距離(光路長度)約為3毫米。在上面描述了利用三個Si襯底110和IlOa的情況。并且，對于利用四個以上的Si襯底110和IlOa的情況，可以類似地形成堿金屬單元340。在第三實施例中，通過增加Si襯底110和IlOa的數(shù)量以形成堿金屬單元340，可簡單地將穿過堿盒屬單元340的激光束的光路長度變得更長。除以上之外的描述與第一實施例中那些相同。[第四實施例]接下來，將描述第四實施例。在第四實施例中，將結(jié)合圖7A至圖7F及圖8A和圖SB來描述包括不同于第一至第三實施例中那些的堿金屬單元的原子振蕩器及其制造方法。在圖7A至圖7F及圖8A和圖8B中，與前述附圖所圖示的相同元件由相同附圖標(biāo)記所表示，并將省略其解釋。首先，如圖7A所示，配備作為基底的Si襯底410a和410b。Si襯底410a和410b具有相同配置，厚度為I毫米，其兩側(cè)為鏡面加工。 接下來，如圖7B所示，開口部分411a、411b形成于Si襯底410a上，而開口部分411a、411b和411c形成于Si襯底410b上。通過這種形式,如圖8A所示，開口部分41 Ia和開口部分411b單獨形成于Si襯底410a上。如圖8B所示，開口部分411a和開口部分411b在Si襯底410b上形成為通過開口部分411c連接。開口部分411c形成單元連接部分，并由細槽所形成，其中Cs原子氣體可通過而Cs化合物不允許通過。圖7B示出了由圖8A的虛線12A-12B所分割的Si襯底410a的橫截面以及由虛線12C-12D所分割的Si襯底410b的橫截面。接下來，如圖7C所示，第一元件401通過將玻璃襯底120陽極結(jié)合于Si襯底410a之上而形成，并且第二元件402通過將玻璃襯底120陽極結(jié)合于Si襯底410b之上而形成。接下來，如圖7D所示，堿金屬原材料130如Cs、Rb等被置入第一元件401上的Si襯底410a的開口部分411b。在第一元件401中，在未結(jié)合玻璃襯底120的Si襯底410a的表面上粘附的沉積物(未示出)通過Ar離子束的照射而被除去。在第二元件402中，結(jié)合玻璃襯底120的Si襯底410b的表面上粘附的沉積物(未示出)通過Ar離子束的照射而被除去。由此，等離子的活化處理在第一元件401和第二元件402的結(jié)合表面上進行。接下來，如圖7E所示，定位被執(zhí)行以將第一元件401的表面面向第二元件402的表面。接下來，如圖7F所示，作為緩沖氣體的氮被引入真空室，以產(chǎn)生氮氣環(huán)境。在該氮氣中，通過將第一元件401結(jié)合于第二元件402，形成堿金屬單元440。特別地，等離子的活化處理對第一元件401結(jié)合于第二元件402的兩個表面執(zhí)行。通過使元件401和402接觸并對相互施加壓力，第一元件401和第二元件402通過Si-Si直接鍵合而結(jié)合。在這些過程中，通過在結(jié)合區(qū)域412將第一元件401結(jié)合于第二元件402，第一單元內(nèi)部413a由兩個開口部分411a所形成，并且第二單元內(nèi)部413b由兩個開口部分411b所形成。第一單元內(nèi)部413a和第二單元內(nèi)部413b通過作為單元連接部分的開口部分411c而連接。堿金屬原材料130被置入第二單元內(nèi)部413b中。在第四實施例的堿金屬單元440中，堿金屬通過加熱等方式生成。生成的堿金屬氣體穿過作為單元連接部分的開口部分411c，并用于進入第一單元內(nèi)部413a的狀態(tài)。因而，在第四實施例的原子振蕩器中，光照射至堿金屬單元440的第一單元內(nèi)部413a。
對于第四實施例中所用的堿金屬原材料130,當(dāng)堿金屬為Cs時,可應(yīng)用在空氣中穩(wěn)定的包括Cs的化合物。特別地，在利用混合了 BaN6水溶液與CsCl的溶液作為堿金屬原材料130的情況下，在混合了 BaN6水溶液與CsCl的溶液被封裝于第二單元內(nèi)部413b中之后，使該溶液在200°C下反應(yīng)，生成Cs。而且，在利用CsN3作為堿金屬原材料130的情況下，通過普通蒸發(fā)方法在第二單元內(nèi)部413b形成CsN3薄膜。在CsN3被封裝于第二單元內(nèi)部413b之后，紫外線被照射，以生成包括Cs和作為緩沖氣體的N2。并且，作為堿金屬原材料130，在利用在空氣中穩(wěn)定的Cs分配器的情況下，在Cs分配器被置入第二單元內(nèi)部413b并密封之后，激光單獨照射在該Cs分配器上以加熱。從而生成Cs。在第四實施例中，由于只有堿金屬如Cs等以及緩沖氣體駐留于第一單元內(nèi)部413a，故其可進一步提高原子振蕩器的穩(wěn)定性。在第四實施例中，由于厚度為I毫米的兩個Si襯底410a和410b相互結(jié)合，因而組成堿金屬單元440的兩個玻璃襯底120之間的距離約為2毫米。
除以上之外的描述與第一實施例中那些相同。[第五實施例]接下來，將描述第五實施例。在第五實施例中，將參照圖9A至圖9H來描述包括不同于第一至第四實施例那些的堿金屬單元的原子振蕩器及其制造方法。參照圖9A至圖9H，將描述用于制造用于第五實施例的原子振蕩器的堿金屬單元540的方法。首先，如圖9A所示，配備Si襯底110。Si襯底110厚度為I毫米，其兩側(cè)為鏡面加工。在第五實施例中，如稍后描述的，由于兩個Si襯底被結(jié)合以形成堿金屬單元，因此配備了兩個Si襯底110。接下來，如圖9B所示，兩個Si襯底110的每一個的一個表面被蝕刻，并形成凹形部分511a。特別地，抗蝕劑涂設(shè)于Si襯底110的一個表面。通過曝光裝置的曝光和顯影，在凹形部分511a形成的區(qū)域形成包括開口的抗蝕劑圖案(未示出)。其后，通過干蝕刻如ICP等，在未形成抗蝕劑圖案的區(qū)域的Si被除去。因此，形成凹形部分511a。接下來，如圖9C所示，對應(yīng)于凹形部分511a的區(qū)域通過在每個Si襯底110的另一表面進行蝕刻而被除去，以穿過每一個Si襯底110，使得形成開口部分511。接下來，如圖9D所示，玻璃襯底120陽極結(jié)合于形成每個開口部分511的Si襯底110的另一表面。通過該過程，形成了兩個元件，每個元件包括結(jié)合了玻璃襯底120的Si襯底110。分別地，一個元件可稱為第一元件501，而另一個元件可稱為第二元件502。接下來，如圖9E所示，Ar離子束被照射至兩個Si襯底110的每一個中玻璃襯底120未結(jié)合的一個表面上，而粘合于兩個Si襯底110的每一個的所述一個表面上的自然氧化膜和沉積物被除去。因此，對兩個Si襯底110中每一個的所述一個表面執(zhí)行活化處理。如上所述，等離子的活化處理和結(jié)合在兩個Si襯底110中每一個的所述一個表面上進行。接下來，如圖9F所示，堿金屬原材料130如Cs、Rb等被置入第一元件501的Si襯底Iio的開口部分511。接下來，如圖9G所示，作為緩沖氣體的氮被引入真空室，以產(chǎn)生氮氣環(huán)境。在該氮氣環(huán)境中，第一元件501和第二元件502在結(jié)合區(qū)域512相互結(jié)合。由此，單元內(nèi)部513由第一元件501和第二元件502的開口部分511形成。
接下來，如圖9H所示，其中第一元件501和第二元件502相互結(jié)合的元件沿圖9G所示的虛線14A被分離，以單獨形成每個堿金屬單元540。在第五實施例中，由于該開口部分511在其兩側(cè)同時進行蝕刻，因而可減少單位時間的蝕刻工作量。此外，在第五實施例中，開口部分511可由不同的方法形成。特別地，如圖IOA所示，配備Si襯底110。接下來，如圖IOB所示，在Si襯底110上，沿形成每個開口部分511的區(qū)域邊沿，從一個表面穿透至另一表面的槽518通過蝕刻而形成。接下來，如圖IOC所示，通過除去槽518所圍繞的Si部分519，可制造與圖9A所示的相同的元件。因此，可在Si襯底110上形成開口部分511。
后續(xù)步驟與圖9D至圖9H那些相同。并且，第五實施例可應(yīng)用于第二至第四實施例。[第六實施例]接下來，將描述第六實施例。在第六實施例中，將參照圖IlA至圖IlH描述包括不同于第一至第五實施例那些的堿金屬單元的原子振蕩器及其制造方法。在圖IlA至圖IlH中，與前述附圖所圖示的相同元件由相同附圖標(biāo)記所表示，并將省略其解釋。首先，如圖IlA所示，配備Si襯底110。兩個Si襯底110中每一個厚度為I毫米，其兩側(cè)為鏡面加工。在第六實施例中，如稍后描述的，由于兩個Si襯底被結(jié)合以形成堿金屬單元，因此配備了兩個Si襯底110。接下來，如圖IlB所示，開口部分111形成于一個Si襯底110上。特別地，抗蝕劑涂設(shè)于一個Si襯底110的一側(cè)上，并通過曝光裝置進行曝光和顯影。因此，在開口部分111形成的區(qū)域形成了包括開口的抗蝕劑圖案(未示出)。其后，通過進行ICP等干蝕刻并除去未形成抗蝕劑圖案的區(qū)域的Si，形成穿過Si襯底110的開口部分111。Si的干蝕刻通過Bosch過程進行，其通過交替地提供SF6和C4F8進行蝕刻。接下來，如圖IlC所示，透明玻璃襯底120陽極結(jié)合于形成開口部分111的Si襯底110的另一表面。特別地，在真空室中，該玻璃襯底120接觸形成開口部分111的Si襯底110的另一表面，并通過在380°C將-800V施加于該玻璃襯底120進而陽極結(jié)合。接下來，如圖IlD所示，通過在Si襯底110中形成開口部分111的一個表面上涂設(shè)低熔點玻璃膏并干燥，玻璃熔塊610在開口部分111形成區(qū)域之外的區(qū)域形成，即結(jié)合區(qū)域。作為玻璃熔塊610的該低熔點玻璃膏包括低熔點玻璃微粒子作為主成分，其中無機填充劑被包含以調(diào)整熱膨脹系數(shù)，其可在低溫下回流。如上所述形成的元件可稱為第一元件601，其由結(jié)合玻璃襯底120的Si襯底110形成。在第六實施例中，兩個Si襯底110被結(jié)合。此外，第二元件102以與第一實施例中的形成方法相同的方式而形成。接下來，如圖IlE所示，在第一元件601中，堿金屬原材料130如Cs、Rb等被置入的Si襯底110的開口部分111。接下來，如圖IlF所示，定位被執(zhí)行以將第一元件601的玻璃熔塊610表面面向Si襯底110的第二元件102被曝光的表面。對于第二元件102，在定位之前，在未結(jié)合玻璃襯底120的Si襯底110的一個表面上，沉積物和氧化膜通過利用氫氟酸進行光蝕刻而除去。接下來，如圖IlG所示，作為緩沖氣體的氮被引入真空室，以產(chǎn)生氮氣環(huán)境。在該氮氣環(huán)境中，第一元件601和第二元件102通過玻璃熔塊610相互結(jié)合。特別地，在氮氣環(huán)境的真空室中，形成于第一元件601的Si襯底110 —個表面上的玻璃熔塊610接觸第二元件102的Si襯底110的一個表面。然后，通過在470°C下以300千帕進行20分鐘的熱處理將玻璃熔塊610結(jié)合于第二元件102的Si襯底110的一個表面上。如上所述，通過將第一元件601和第二元件102在結(jié)合區(qū)域612相結(jié)合，形成了兩個單元內(nèi)部613。由兩個開口部分111形成該兩個單元內(nèi)部613中的每一個。在上述通過玻璃熔塊610的結(jié)合中，未生成如氧氣的氣體。因而，在結(jié)合第一元件601和第二元件102的情況下，不會出現(xiàn)雜質(zhì)如氧氣等進入堿金屬原材料130所密封的單元內(nèi)部613的情況。接下來，如圖IlH所示，在第一元件601和第二元件102相互結(jié)合的元件沿圖IlG所示的虛線17A被分離，以單獨形成每個堿金屬單元640。通過上述過程，可制成用于第六實施例中的原子振蕩器的堿金屬單元640。在上述制成的堿金屬單元640中，在單元內(nèi)部613中包括更少量的雜質(zhì)如氧氣。可獲得高度穩(wěn)定的原子振蕩器。通過將第一實施例的原子振蕩器中的堿金屬單元40替換為堿金屬單元640，可獲得第六實施例中的原子振蕩器。 除以上之外的描述與第一實施例中那些相同。[第七實施例]接下來，將描述第七實施例。在第七實施例中，將參照圖12A至圖12E來描述包括不同于第一至第六實施例那些的堿金屬單元的原子振蕩器及其制造方法。在圖12A至圖12E中，與前述附圖所圖示的相同元件由相同附圖標(biāo)記所表示，并將省略其解釋。首先，如圖12A所示，配備作為基底的Si襯底710a和710b。Si襯底710a和710b彼此相似，厚度為I毫米，其兩側(cè)為鏡面加工。接下來，如圖12B所示，形成了開口部分711a、711b以在Si襯底710a上形成氣體單元室和原材料室。而且，形成了開口部分711a、711b和711c，以形成Si襯底710b上的氣體單元室、原材料室和單元連接部。通過這些形式，如圖13A所示，對于Si襯底710a，開口部分711a和開口部分711b獨立地形成，以形成氣體單元室和原材料室。如圖13B所示，對于Si襯底710b，用于形成氣體單元室和原材料室的開口部分71 Ia和開口部分711b被形成為通過作為單元連接部的開口部分711c來連接。如圖13C所示，開口部分711c之間的單元連接部由細槽所形成，其通過兩個步驟的蝕刻而形成，以低于氣體單元室和原材料室。在這個形式中，Cs原子氣體可通過該單元連接部而Cs化合物不允許通過。圖12A至12E示出了對應(yīng)于沿圖13A的虛線20A-20B所分割的Si襯底710a的橫截面的部分，以及沿圖13B的虛線20C-20D所分割的Si襯底710b的橫截面的部分。并且，圖13C至13E示出了對應(yīng)于沿圖13A的虛線20E至20F所分割的Si襯底710a的橫截面的部分，以及由圖13B的虛線20G-20H所分割的Si襯底710b的橫截面的部分。此外，在第七實施例中，用于構(gòu)成單元連接部的開口部分711c由一個細槽所形成?？蛇x地，可形成多個細槽。接下來，如圖12C所示，第一元件701通過將玻璃襯底陽極結(jié)合于Si襯底710a而制成。并且，第二元件702通過將玻璃襯底120陽極結(jié)合于Si襯底而形成。接下來，如圖12D和13D所示，在堿金屬原材料130如Cs、Rb等被置入第一元件701的開口部分711b之后，第一元件701和第二元件702的表面在暴露Si的地方彼此粘合。沉積物(未示出)附著于未結(jié)合玻璃襯底120的Si襯底710a和710b的表面上。沉積物通過Ar離子束的照射而被除去。通過該過程，等離子的活化處理在第一元件701和第二元件702的結(jié)合表面上進行。特別地，定位被執(zhí)行以將第一元件701的活性表面面向第二元件702的活性表面。其后，作為緩沖氣體的氮被引入真空室，以產(chǎn)生氮氣環(huán)境。在該氮氣環(huán)境中，通過將第一元件701和第二元件702彼此結(jié)合，形成整體元件。等離子的活化過程在第一元件701和第二元件702的相互結(jié)合的兩個表面上進行。通過接觸并施加壓力，第一元件701和第二元件702通過Si-Si直接鍵合而結(jié)合。如上所述，通過在結(jié)合區(qū)域712將第一元件701結(jié)合于第二元件702，形成了第一單元內(nèi)部713a和第二單元內(nèi)部713b。由此，第一單元內(nèi)部713a成為由兩個開口部分711a所形成的氣體單元室，而第二單元內(nèi)部713b成為由兩個開口部分711b所形成的原材料室。第一單元內(nèi)部713a和第二單元內(nèi)部713b通過作為單元連接部分的開口部分711c而連接。堿金屬原材料130被置入第二單元內(nèi)部713b中。在第七實施例的堿金屬單元740中，堿金屬通過加熱等方式生成，且生成的堿金屬穿過作為單元連接部分的開口部分711c。堿金屬單元740在堿金屬進入第一單元內(nèi)部713a的狀態(tài)下使用。因而，光照射至堿金屬單元740的第一單元內(nèi)部713a。在堿金屬為Cs的情況下，第七實施例中所用的堿金屬原材料130可為在空氣中穩(wěn)定的包括Cs的化合物。特別地，在利用混合了 BaN6水溶液與CsCl的溶液作為堿金屬原材料130的情況下，在混合了 BaN6水溶液與CsCl的溶液被封裝于第二單元內(nèi)部713b中之后，通過使該溶液在200°C下反應(yīng)以生成Cs。而且，在利用CsN3作為堿金屬原材料130的情況 下，通過普通蒸發(fā)方法在第二單元內(nèi)部713b中形成CsN3薄膜。在CsN3被封裝于第二單元內(nèi)部713b之后，紫外線被照射，以生成包括Cs和作為緩沖氣體的N2。并且，作為堿金屬原材料130，在利用在大氣中穩(wěn)定的Cs分配器的情況下，在Cs分配器被置入第二單元內(nèi)部713b中之后，激光單獨照射在該Cs分配器上以加熱。然后，生成Cs。接下來，如圖12E和13E所示，在氮氣環(huán)境的烤爐中，玻璃熔塊721通過在470°C下以300千帕進行20分鐘的壓力處理而融化，以使該單元連接部被密封。通過上述過程，可以制造用于第七實施例中的原子振蕩器的堿金屬單元740。在上述制造的堿金屬單元740中，單元內(nèi)部713a所包含的雜質(zhì)如氧氣等的量更少。并且，由于作為單元連接部的開口部分721被玻璃熔塊721所密封，因而作為氣體單元室的第一單元內(nèi)部713a和作為原材料室的第二單元內(nèi)部713b是分離的。作為氣體單元室的第一單元內(nèi)部713a的環(huán)境不受堿金屬原材料130因吸收等而隨時間變化的影響。因此，其可進一步提高原子振蕩器的頻率穩(wěn)定性。在該單元連接部被密封之后，不再有用的堿金屬原材料室被分離，而僅利用該氣體單元室作為堿金屬單元740。在這種情況下，堿金屬單元的熱容量變少，而提高了能源節(jié)省。除以上之外的描述與第一實施例中那些相同。[第八實施例]接下來，將描述第八實施例。第八實施例包括集成了第一至第七實施例的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)。將參照圖14描述第八實施例的原子振蕩器。第八實施例的原子振蕩器沿長度方向形成在電路襯底71上。在電路襯底71上，提供了氧化鋁襯底72，并且表面發(fā)射激光元件作為光源10在氧化鋁襯底72上被提供。在氧化鋁襯底72上，提供了用于表面發(fā)射激光元件的加熱器73，以控制光源10的溫度等。在光源10上方，提供了 ND (中性密度)濾光片74。該ND濾光片74通過玻璃等組成的隔熱墊片75被設(shè)置于預(yù)定位置。準(zhǔn)直透鏡20設(shè)置在ND濾光片74之上。λ/4板30設(shè)置在準(zhǔn)直透鏡20之上。λ/4板30通過硅等組成的墊片76被設(shè)置于預(yù)定位置。該堿金屬單元40提供在入/4板30上方。堿金屬單元40包括兩個玻璃襯底41。在兩個玻璃襯底41彼此相對的狀態(tài)下，兩個玻璃襯底41的邊緣通過硅襯底42相連接。堿金屬封裝于玻璃襯底41和硅襯底42所包圍的部分中。在堿金屬單元40中，激光穿過的表面由玻璃襯底41形成。加熱器77設(shè)置在堿金屬單元40的上側(cè)和下偵U。其可將堿金屬單元40設(shè)置于預(yù)定的溫度。光檢測器50提供在堿金屬單元40上方，并通過硅組成的墊片78被設(shè)置于預(yù)定位置。接下來，圖15示出了與CPT相關(guān)的原子能級的一種配置。當(dāng)電子從兩個基態(tài)級同時激發(fā)至激發(fā)級時，光吸收率被降低。光吸收率的這種降低被利用。載波波長接近894. 6納米的元件用于表面發(fā)射激光器。該載波波長可通過改變表面發(fā)射激光器的溫度和輸出來調(diào)諧。如圖16所示，通過應(yīng)用調(diào)制，邊帶產(chǎn)生于載波的兩側(cè)。載波在4. 6GHz下調(diào)制，以使其 頻率差對應(yīng)于9. 2GHz,即Cs原子的固有頻率。如圖17所示，當(dāng)邊帶頻率差對應(yīng)于Cs原子的固有頻率時，穿過被激發(fā)的Cs氣體的激光達到最大值。通過由調(diào)制器60反饋光檢測器50的輸出以保持最大值，表面發(fā)射激光器元件在光源處的調(diào)制頻率被調(diào)整。由于原子的固有振蕩頻率是非常穩(wěn)定的，該調(diào)制頻率達到穩(wěn)定值，而該值被讀出，作為要輸出的信息。在波長為894. 6納米的情況下，可能需要±1納米范圍內(nèi)的波長。在第八實施例的堿金屬單元40中，第八實施例的硅襯底42對應(yīng)于第一實施例等的Si襯底110。玻璃襯底41對應(yīng)于第一實施例等的玻璃襯底120。并且，在第八實施例的原子振蕩器中，取代堿金屬單元40，可類似地應(yīng)用第二至第七實施例中的堿金屬單元240、340、440、540、640 或 740。此外,在第八實施例中，Cs作為堿金屬，而具有894. 6納米波長的表面發(fā)射激光器用于利用Dl線的躍遷。可選地，可在利用Cs的D2線的情況下應(yīng)用852. 3納米的波長。而且，Rb (銣)也可作為堿金屬。795. O納米的波長可用于利用Dl線，780. 2納米的波長可用于利用D2線。而且，對利用Rb而言，調(diào)制頻率在87Rb的情況下，可由3. 4GHz調(diào)制，在85Rb的情況下，可由I. 5GHz調(diào)制。在這些波長中，可能需要±1納米范圍內(nèi)的波長。根據(jù)本發(fā)明，可提供高度穩(wěn)定的原子振蕩器，其堿金屬單元中的雜質(zhì)如氧氣等被減少。此外，本發(fā)明不限于上述第一至第八實施例的配置，包括與其它元件的組合。在這種觀點中，可以作出變化和修改而不背離本發(fā)明的范圍，并可根據(jù)其應(yīng)用情況被適當(dāng)?shù)囟x。
權(quán)利要求
1.一種原子振蕩器，包括密封有堿金屬的堿金屬單元，將激光束照射至該堿金屬單元的光源，以及檢測穿過該堿金屬單元的光的光檢測器，其中該堿金屬單元的特征在于 第一元件，其中，第一玻璃襯底結(jié)合于形成第一開口部分的第一襯底的第二表面，該第一開口部分從第一表面穿透至第二表面； 第二元件，其中，第二玻璃襯底結(jié)合于形成第二開口部分的第二襯底的第四表面，所述第二開口部分從第三表面穿透至第四表面； 單元內(nèi)部，該單元內(nèi)部通過將第一元件的第一襯底的第一表面結(jié)合至第二元件的第二襯底的第三表面而由第一元件的第一開口部分和第二元件的第二開口部分形成，以及堿金屬原材料，該堿金屬原材料由該單元內(nèi)部所封裝。
2.如權(quán)利要求I所述的原子振蕩器，其特征在于，所述第一元件中的第一襯底的第一表面和第二元件中的第二襯底的第三表面通過直接鍵合而結(jié)合。
3.如權(quán)利要求I所述的原子振蕩器，其特征在于，金屬薄膜進一步形成在第一元件中的第一襯底的第一表面和第二元件中的第二襯底的第三表面中的一個或二者上；且 第一元件中的第一襯底的第一表面和第二元件中的第二襯底的第三表面通過金屬薄膜的共晶鍵合或金屬的直接鍵合而結(jié)合。
4.如權(quán)利要求I所述的原子振蕩器，其特征在于，所述第一襯底和第二襯底由硅形成。
5.如權(quán)利要求I所述的原子振蕩器，其特征在于 在第一元件和第二元件之間提供的至少一個第三襯底，該至少一個第三襯底包括具有與第一開口部分和第二開口部分的形狀近似相同的形狀的第三開口部分，其中， 第一元件結(jié)合于所述至少一個第三襯底，而第二元件結(jié)合于所述至少一個第三襯底；且 該單元內(nèi)部由第一元件的第一開口部分、第二元件的第二開口部分以及至少一個第三襯底的第三開口部分所形成。
6.如權(quán)利要求4所述的原子振蕩器，其特征在于，所述第一玻璃襯底和第二玻璃襯底之間的距離大于或等于I. 5毫米。
7.如權(quán)利要求I所述的原子振蕩器，其特征在于 該單元內(nèi)部包括第一單元內(nèi)部和第二單元內(nèi)部； 所述第一單元內(nèi)部通過單元連接部連接至所述第二單元內(nèi)部； 所述堿金屬原材料為堿金屬化合物，并置于所述第二單元內(nèi)部中；且 光源照射的光穿過所述第一單元內(nèi)部。
8.如權(quán)利要求I所述的原子振蕩器，其特征在于，該原子振蕩器通過由兩種類型諧振光導(dǎo)致的量子干擾效應(yīng)所產(chǎn)生的光吸收特性，以及通過控制光源所發(fā)射的具有不同波長的兩種光進入包括邊帶的堿金屬單元，來控制調(diào)制頻率。
9.一種用于制造原子振蕩器的方法，該原子振蕩器包括密封有堿金屬的堿金屬單元，將激光束照射至該堿金屬單元的光源，以及檢測穿過該堿金屬的光的光檢測器，所述方法的特征在于 形成從第一襯底的第一表面穿透至第二表面的第一開口部分以及從第二襯底的第三表面穿透至第四表面的第二開口部分，該第一開口部分和第二開口部分具有近似相同的形狀；通過將第一玻璃襯底結(jié)合到形成第一開口部分的第一襯底的第二表面，形成第一兀件，并且通過將第二玻璃襯底結(jié)合到形成第二開口部分的第二襯底的第四表面，形成第二元件； 將堿金屬原材料置入第一元件的第一開口部分或第二元件的第二開口部分中；以及 將第一元件的第一襯械的第一表面結(jié)合于第二元件的第二表面的第三表面， 其中堿金屬單元的單元內(nèi)部由第一元件的第一開口部分與第二元件的第二開口部分形成。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于 所述第一襯底和第二襯底由硅形成；且 所述第一元件和第二元件通過硅的直接鍵合而結(jié)合。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于 形成與第一和第二開口部分的形狀近似的一第三開口部分，并且在至少一個第三襯底中從第五表面穿透至第六表面， 其中在第一元件和第二元件的結(jié)合中，第一元件的第一襯底的第一表面通過該至少一個第三襯底結(jié)合于第二元件的第二襯底的第三表面。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于 金屬薄膜形成于第一元件的第一襯底的第一表面和第二元件的第二襯底的第三表面中的一個或兩者之上，且 第一元件通過金屬薄膜的共晶鍵合或金屬的直接鍵合而結(jié)合于第二元件。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于 該堿金屬原材料為堿金屬化合物；且 在形成單元內(nèi)部之后，該堿金屬通過加熱該堿金屬原材料、照射紫外線以及照射激光束而生成。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于 該單元內(nèi)部包括第一單元內(nèi)部和第二單元內(nèi)部； 該第一單元內(nèi)部通過單元連接部連接至第二單元內(nèi)部； 該堿金屬原材料為堿金屬化合物，并置于第二單元內(nèi)部中；且該堿金屬通過加熱該堿金屬原材料、照射紫外線以及照射激光束而生成，以使堿金屬進入該第一單元內(nèi)部。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括 在將堿金屬移入第一單元內(nèi)部之后，通過密封單元連接部而將第一單元內(nèi)部和第二單元內(nèi)部在空間上分離。
全文摘要
公開了一種原子振蕩器，包括堿金屬單元，將激光束照射至該堿金屬單元的光源，以及檢測穿過該堿金屬單元的光的光檢測器。該堿金屬單元包括第一元件、第二元件、單元內(nèi)部以及堿金屬原材料。在第一元件中，第一玻璃襯底結(jié)合于形成第一開口部分的第一襯底的第二表面。在第二元件中，第二玻璃襯底結(jié)合于形成第二開口部分的第二襯底的第四表面。該單元內(nèi)部通過將第一表面結(jié)合至第三表面，由第一開口部分和第二開口部分形成。該堿金屬原材料由該單元內(nèi)部所封裝。
文檔編號H03L7/26GK102970035SQ201210419400
公開日2013年3月13日 申請日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者佐藤俊一, 伊藤彰浩, 佐藤幸人 申請人:株式會社理光