發(fā)布時(shí)間：2022-01-19 12:30

　　Micro-PNT系統(tǒng)與衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合,可構(gòu)建不受時(shí)間、地域、空間限制的自主、實(shí)時(shí)、連續(xù)的PNT網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事領(lǐng)域和國(guó)家安全方面的廣泛應(yīng)用。作為該系統(tǒng)核心模塊的芯片原子鐘在實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航授時(shí)功能的同時(shí),更加注重低功耗、小體積和高穩(wěn)定度�；贑PT原理的原子鐘作為唯一原理可實(shí)現(xiàn)的芯片級(jí)器件,利用光與原子相互作用使得堿金屬原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)耦合到共同的激發(fā)態(tài)從而制備CPT態(tài),具有非常高的穩(wěn)定度,克服了石英晶振在惡劣條件下易受溫度、濕度等外界條件影響的缺點(diǎn)。芯片原子鐘的物理部分主要包括電路系統(tǒng)、光路系統(tǒng)以及磁屏蔽系統(tǒng),物理部分體積的減小是芯片原子鐘微型化的關(guān)鍵,本文以被動(dòng)型CPT原子鐘的物理部分作為主要研究對(duì)象,對(duì)作為其核心部位的MEMS氣室工藝開展了詳細(xì)的研究。本文所做工作簡(jiǎn)述如下:首先,對(duì)芯片原子鐘的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧,對(duì)各個(gè)國(guó)家、地區(qū)和實(shí)驗(yàn)室對(duì)于芯片原子鐘的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了總結(jié),并對(duì)原子頻標(biāo)、CPT原理進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明,對(duì)影響氣室頻移的不同種類的緩沖氣體進(jìn)行了仿真分析。其次,結(jié)合化學(xué)反應(yīng)法和光分解法,避免引入雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾,采用感應(yīng)耦合等離子體深硅刻蝕技... 

【文章來(lái)源】：中北大學(xué)山西省

【文章頁(yè)數(shù)】：77 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

Micro-PNT項(xiàng)目設(shè)置Fig.1-1SettingsofMicro-PNTproject

，第13屆國(guó)際度量衡會(huì)議上重新定義了時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)議上將“秒”定義為：“把不受外場(chǎng)影響的，133Cs的同位素原子基態(tài)62S1/2的兩超精細(xì)能級(jí)（F=4，MF=0）與（F=3，MF=0）之間的躍遷對(duì)應(yīng)輻射的9,192,631,770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間”。隨著激光冷卻和囚禁原子原理的深入研究與技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，離子阱微波原子頻標(biāo)、噴泉鐘、CPT原子鐘、光抽運(yùn)鐘等不斷出現(xiàn)。1999年，NIST實(shí)現(xiàn)了世界上最精確的原子鐘，其精度可達(dá)3×10-16。圖1-2顯示了1950年以來(lái)NBS制造的原子鐘到2010年NIST-F2問(wèn)世，60年間原子鐘精度的發(fā)展[22]。圖1-2NBS原子鐘的發(fā)展歷史Fig.1-2DevelopmenthistoryofNBSatomicclock自提出基于MEMS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)原子鐘的想法以來(lái)，美國(guó)DARPA項(xiàng)目提出了“CSAC”概念和計(jì)劃并擬定了相關(guān)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化和改善目標(biāo)如下：（1）1小時(shí)內(nèi)輸出信號(hào)的不穩(wěn)定度<10-11；（2）體積有超過(guò)20倍的縮減，要達(dá)到從230cm3向10cm3的目標(biāo)縮減；（3）功耗有超過(guò)300倍的縮減，要達(dá)到從10W向300mW的邁進(jìn)。這些指標(biāo)對(duì)當(dāng)時(shí)的技術(shù)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也推動(dòng)了納米加工、材料工藝、器件設(shè)計(jì)和電子封裝技術(shù)的發(fā)展。2001年啟動(dòng)的DARPA項(xiàng)目吸引了法國(guó)、瑞士、波蘭、德國(guó)、芬蘭、意大

中北大學(xué)學(xué)位論文4利等歐洲國(guó)家、世界各地的研究所、實(shí)驗(yàn)室以及工業(yè)集團(tuán)參與進(jìn)來(lái)，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而付出努力，投入極大的精力。他們所取得的成就如下：美國(guó)NIST于2002年首次從理論上提出MEMS技術(shù)對(duì)原子頻率標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)性[23]并于2004年首次成功研制出芯片原子鐘[24,25]。2002年，意大利國(guó)家電子所構(gòu)建了主動(dòng)型CPT原子鐘的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)測(cè)得1000s不穩(wěn)定度為3×10-14。2004年，NIST的J.Kitching成功研制出了第一臺(tái)Cs原子鐘物理封裝，包含四個(gè)部分：VCSEL光學(xué)系統(tǒng)、光路部分（ND鏡、λ/4波片及透鏡）、MEMS氣室以及探測(cè)系統(tǒng)。CSAC物理封裝如圖1-3所示，體積小于1mm3，功耗低于75mW，短期穩(wěn)定度可達(dá)2.4×10-10τ-1/2[26]。圖1-3NIST首個(gè)銫原子鐘物理封裝Fig.1-3NIST"sfirstcesiumatomicclockphysicalpackage美國(guó)的Symmetricom作為DARPA項(xiàng)目的被資助公司之一，也參與了CSAC項(xiàng)目的研究。該公司與桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（SandiaNationalLaboratories）合作，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款最先進(jìn)也是最復(fù)雜的芯片原子鐘。在CSAC項(xiàng)目初始階段，Lutwak團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研究了一些原子鐘的參數(shù)，并對(duì)雙共振曲線進(jìn)行了優(yōu)化[27]。他們還對(duì)比了基于Cs原子的D1線和D2線下的CPT共振，結(jié)果表明D1線提供了高3~4倍的品質(zhì)因數(shù)[28]。隨后，他們于2005年推出了第一代原理樣機(jī)，樣機(jī)尺寸為10cm3，短期不穩(wěn)定度為4×10-11，功耗僅為155mW[29]。如圖1-4（a）所示，該設(shè)計(jì)采用懸空支撐的方法（其中兼容MEMS技術(shù)）最大程度的減少由于熱傳導(dǎo)引起的功率消耗。2007年，Symmetricom公司成功構(gòu)建了10個(gè)原子鐘模型用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試，這些原子鐘的體積約為15cm3，功耗約為152mW。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Micro-fabrication and hermeticity measurement of alkali-atom vapor cells based on anodic bonding[J]. 張璐,張文棟,張首剛,閆樹斌.  Chinese Optics Letters. 2019(10)
[2]芯片原子鐘的工作原理及其研究進(jìn)展[J]. 李松松,張奕,田原,陳杰華.  導(dǎo)航與控制. 2018(06)
[3]光泵磁力儀磁屏蔽筒的尺寸設(shè)計(jì)[J]. 郭敬濱,孟佳旭,李醒飛,楊穎.  電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào). 2018(02)
[4]硅的深度反應(yīng)離子刻蝕切割可行性研究[J]. 劉學(xué)勤,董安平.  電子與封裝. 2016(09)
[5]基于85Rb的微型化CPT原子鐘的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 段巍,邢城,趙建業(yè).  太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào). 2015(04)
[6]構(gòu)建微型定位導(dǎo)航授時(shí)體系,改變PNT格局[J]. 尤政,馬林.  科技導(dǎo)報(bào). 2015(12)
[7]芯片級(jí)銣原子氣室的制備[J]. 李新坤,王飛飛,梁德春,金鵬,王占國(guó).  中國(guó)科學(xué):信息科學(xué). 2015(05)
[8]芯片原子鐘的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 杜潤(rùn)昌,楊林,趙海清.  導(dǎo)航定位與授時(shí). 2015(02)
[9]微型銣原子鐘專用795nm垂直腔表面發(fā)射激光器[J]. 張建,寧永強(qiáng),張建偉,張星,曾玉剛,王立軍.  光學(xué)精密工程. 2014(01)
[10]芯片級(jí)原子器件MEMS堿金屬蒸氣腔室制作[J]. 尤政,馬波,阮勇,陳碩,張高飛.  光學(xué)精密工程. 2013(06)

博士論文
[1]CPT原子鐘物理系統(tǒng)的研究與探索[D]. 楊晶.中國(guó)科學(xué)院研究生院（武漢物理與數(shù)學(xué)研究所） 2014

碩士論文
[1]相干布居囚禁原子鐘和磁強(qiáng)計(jì)的差分探測(cè)研究[D]. 張樊.中國(guó)科學(xué)院研究生院(武漢物理與數(shù)學(xué)研究所) 2016
[2]用于原子氣室中實(shí)施光存儲(chǔ)的高磁屏蔽腔的研制[D]. 邱淑偉.西安石油大學(xué) 2012



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