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)建不受時間、地域、空間限制的自主、實時、連續(xù)的PNT網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)在國民經(jīng)濟、軍事領(lǐng)域和國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現(xiàn)定位導(dǎo)航授時功能的同時,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現(xiàn)的芯片級器件,利用光與原子相互作用使得堿金屬原子基態(tài)兩個超精細能級耦合到共同的激發(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。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,本文以被動型CPT原子鐘的物理部分作為主要研究對象,對作為其核心部位的MEMS氣室工藝開展了詳細的研究。本文所做工作簡述如下:首先,對芯片原子鐘的國內(nèi)外現(xiàn)狀進行了回顧,對各個國家、地區(qū)和實驗室對于芯片原子鐘的實現(xiàn)方法進行了總結(jié),并對原子頻標、CPT原理進行了詳細的說明,對影響氣室頻移的不同種類的緩沖氣體進行了仿真分析。其次,結(jié)合化學反應(yīng)法和光分解法,避免引入雜質(zhì)對實驗造成干擾,采用感應(yīng)耦合等離子體深硅刻蝕技... 

【文章來源】：中北大學山西省

【文章頁數(shù)】：77 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

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

，第13屆國際度量衡會議上重新定義了時間的標準，會議上將“秒”定義為：“把不受外場影響的，133Cs的同位素原子基態(tài)62S1/2的兩超精細能級（F=4，MF=0）與（F=3，MF=0）之間的躍遷對應(yīng)輻射的9,192,631,770個周期的持續(xù)時間”。隨著激光冷卻和囚禁原子原理的深入研究與技術(shù)的不斷進步發(fā)展，離子阱微波原子頻標、噴泉鐘、CPT原子鐘、光抽運鐘等不斷出現(xiàn)。1999年，NIST實現(xiàn)了世界上最精確的原子鐘，其精度可達3×10-16。圖1-2顯示了1950年以來NBS制造的原子鐘到2010年NIST-F2問世，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工藝來實現(xiàn)原子鐘的想法以來，美國DARPA項目提出了“CSAC”概念和計劃并擬定了相關(guān)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化和改善目標如下：（1）1小時內(nèi)輸出信號的不穩(wěn)定度<10-11；（2）體積有超過20倍的縮減，要達到從230cm3向10cm3的目標縮減；（3）功耗有超過300倍的縮減，要達到從10W向300mW的邁進。這些指標對當時的技術(shù)是一個巨大的挑戰(zhàn)，同時也推動了納米加工、材料工藝、器件設(shè)計和電子封裝技術(shù)的發(fā)展。2001年啟動的DARPA項目吸引了法國、瑞士、波蘭、德國、芬蘭、意大

中北大學學位論文4利等歐洲國家、世界各地的研究所、實驗室以及工業(yè)集團參與進來，為實現(xiàn)這一目標而付出努力，投入極大的精力。他們所取得的成就如下：美國NIST于2002年首次從理論上提出MEMS技術(shù)對原子頻率標準可實現(xiàn)性[23]并于2004年首次成功研制出芯片原子鐘[24,25]。2002年，意大利國家電子所構(gòu)建了主動型CPT原子鐘的實驗裝置，實驗測得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Cs原子鐘物理封裝，包含四個部分：VCSEL光學系統(tǒng)、光路部分（ND鏡、λ/4波片及透鏡）、MEMS氣室以及探測系統(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2.4×10-10τ-1/2[26]。圖1-3NIST首個銫原子鐘物理封裝Fig.1-3NIST"sfirstcesiumatomicclockphysicalpackage美國的Symmetricom作為DARPA項目的被資助公司之一，也參與了CSAC項目的研究。該公司與桑迪亞國家實驗室（SandiaNationalLaboratories）合作，設(shè)計并開發(fā)了一款最先進也是最復(fù)雜的芯片原子鐘。在CSAC項目初始階段，Lutwak團隊已經(jīng)研究了一些原子鐘的參數(shù)，并對雙共振曲線進行了優(yōu)化[27]。他們還對比了基于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，樣機尺寸為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個原子鐘模型用于實驗測試，這些原子鐘的體積約為15cm3，功耗約為152mW。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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本文編號：3596853