近些年来，低功耗小体积的便携式原子钟吸引着越来越多的人去研究。随着相干布局数囚禁（CPT）以及微机电（MEMS）相关技术的发展，超低功耗的芯片尺度的原子钟已经不再是一种设想。
本文围绕 CPT 原子钟的设计，完成了其中两个核心器件的研究：MEMS 铷气室和专用的温度补偿晶体振荡器（TCXO）。
其中 MEMS 铷气室的研究过程中采用阳极键合工艺作为封装技术，成功实现了 Pyrex 玻璃—打孔硅片—Pyrex 玻璃的三明治密封结构。硅片中的通孔作为气室的蒸汽腔，同时使用 RbCl 与 BaN6 之间的化学反应来完成金属铷和缓冲气体的填充。为了能够更精确的控制 RbCl 与 BaN6 之间化学反应的进行，实验中使用热分析技术研究了铷反应生成的机制。在 MEMS 铷气室的制作过程中，使用自行搭建的测试系统测试气室的性能，根据测试结果指导制作工艺的改进方向，从而提高气室的性能。在完成 MEMS 铷气室的研制后，实现了气室与 CPT原子钟的联调，并进行了稳定度的测量。
在文章的最后，介绍了专用 TCXO 的研制过程。文章中首先阐述了 TCXO
的工作原理，然后对专用 TCXO 的各指标进行了详细的分析，最后实测了专用
TCXO 的稳定度，其秒稳可达 1-2*10-10，满足系统要求。
关键词：MEMS 铷气室，CPT 原子钟，阳极键合，TCXO
目 录
第一章 序言 1
1.1相干布居囚禁（CPT）现象 2
1.2CPT 原子钟系统结构与工作原理 3
1.3微型化碱金属气室的研究状况以及本文所采用的研究方案 5
1.4本章小结 11
第二章 MEMS 铷气室制作过程的研究 12
2.1阳极键合材料的选取以及参数的研究 12
2.1.1阳极键合技术的原理 12
2.1.2专用键合设备的介绍 14
2.1.3键合材料的选取与清洗 16
2.1.4阳极键合参数的研究 18
2.2金属铷的填充 20
2.2.1铷生成机制的研究 21
2.2.2反应物的填充 24
2.3缓冲气体压强的控制 24
2.3.1对生成N2 总量的控制 24
2.3.2氮气泄漏时间和速率的控制 27
2.3.3缓冲气体压强对气室信号的影响 28
2.4MEMS 气室制作流程总结 30
2.5本章小结 31
第三章 MEMS 铷气室测试系统的搭建 32
3.1MEMS 气室测试系统原理介绍 32
3.2专用激光器电流源的研制 34
3.3MEMS 气室加热系统的设计 38
3.3.1温控电路的设计 38
3.3.2MEMS 气室加热装置的设计 40
3.4本章小结 41
第四章 MEMS 铷气室与 CPT 原子钟的联调以及稳定度的测量 42
4.1MEMS 气室小光路的制作 42
4.2MEMS 气室与CPT 原子钟的联调 43
4.3CPT 原子钟稳定度测量 46
4.4本章小结 48
第五章 专用 TCXO 的研制 49
5.1TCXO 工作原理 49
5.2TCXO 性能指标 51
5.3本章小结 52
第六章 总结与展望 53
6.1本文主要工作总结 53
6.2工作展望 53
6.2.1降低反应残余物对CPT 信号的影响 53
6.2.2对直接注入缓冲气体的探索 55
6.2.3多片MEMS 气室的同时制作 56
参考文献 57
攻读硕士学位期间发表的论文 60
致 谢 61
时间和频率，作为一个基础物理量，在许多科学研究领域中都扮演着极其重要的地位。随着科学技术的不断发展，人类对时间（或频率）测量的精确性要求越来越高，因此许多稳频技术也应运而生。随着时间的推移，量子力学，原子物理等一些基础学科得到了深入的发展，人们对原子内部结构的了解也越来越透彻，发现原子的能级十分稳定，使用原子能级之间的跃迁频率作为频率基准可以极大的提高频率的稳定度，同时人们把这种以原子能级作为频率标准的技术称为原子钟。
目前，人们的生活中已经有许多地方使用了原子钟，例如 GPS（Global Positioning System），通信网络，信号的同步等。然而，传统的原子钟体积与功耗都很大，很难将他们用在一些便携的设备中。同时对于传统的微波钟，由于其基本原理限制，物理部分微波谐振腔的尺寸必须与微波波长相当，而波长最少也在厘米量级，因此其体积已经很难进一步减小。这使得将原子钟进一步的小型化变得十分困难。
近些年来，随着人们对于相干布居囚禁（CPT）现象的深入研究以及MEMS
（micro-electro-mechanical systems）技术的逐步成熟，微型化原子钟的实现成为了可能[1,2]。芯片尺度的微型原子钟的概念是美国国家标准技术研究所（NIST）在 2001 年首先提出的。这种新概念的微型原子钟，采用了 CPT 原理和 MEMS技术，原理上体积可以小到芯片尺寸，功耗 100mW 甚至几十 mW 量级[3]。最大的优势还在于，由于采用MEMS 技术，这种钟可以大批量、低成本的制造。
国际上从事微型原子钟相关研究的单位主要集中在美国、德国、法国、意大利的主要大学、研究机构和大公司。目前实际制作出芯片级 CPT 微型原子钟样机的有美国NIST、Agilent 和Symmetricom。其中 Symmetricom 公司处于领先地位，于 2005 年在IFCS（International Frequency Control Symposium）上报道出短期稳定度小于 1*10-9，功耗小于 200mW 的芯片级原子钟。并且在 2007 年将短期稳定度提高到 2-3*10-10，功耗降至 125mW[3-5]。目前，Symmetricom 公司已成功推出商用化的芯片级 CPT 原子钟，并且销售量已过万。应用方面他们瞄准小
型原子钟和高稳晶振的传统市场，以小载荷、低功耗的优势进军卫星导航、定位，通信同步、海洋勘探等需求迫切的应用领域。
关于芯片级CPT 原子钟的研究国内起步较晚。迄今为止研制出这种原子钟的单位主要有北京大学和中科院武汉数学与物理研究所等少数几个单位。同时在微型化 MEMS 气室的制作、物理部分的整体集成、微波芯片的设计这几个关键技术上与国外还有一定的差距。
1.1相干布居囚禁（CPT）现象
一束激光照射在原子上，如果激光的频率恰好等于原子基态能级与某一激发态能级的频差，原子会吸收光子，同时从基态跃迁至激发态。此时，如果观测透射光的光强，会发现由于原子对光子的吸收，透射光会变弱，出现吸收峰。由于原子在激发态并不稳定，会产生自发辐射，从激发态又跃迁至基态能级，同时释放出荧光，因此，在荧光谱中，该过程会出现一条亮线。但如果用两束相干激光同时照射在原子上，当这两束相干光的频率差恰好等于原子的超精细能级差时，原子会被囚禁在基态，此时原子不再吸收光子。这一现象即为相干布居囚禁
（Coherent Population Trapping），是由 G. Alzetta 等人于 1976 年首次发现的[6]。由其原理可知，有两种方法可以观测到 CPT 现象：一是透射光的增强，由于原子不再吸收光子，表现出对透射光是透明的，因此 CPT 又称为电磁感应透明
（electromagnetically induced transparency, EIT），他们只是同一物理现象从不同角度的解释[7]。另一种是荧光谱上的暗线，由于原子被囚禁在基态，因此不会有原子从激发态跃迁至基态，自然也就不会有荧光释放出来[8]。
图 1-1 为 85Rb D1 线的三能级结构，是一个典型的 Λ 型三能级系统，其中 5S1/2 F = 2, F = 3 为 85Rb 的两个超精细能级，其频率差为 3.035GHz 左右，这个频率即为CPT 原子钟的基准频率。
