在微型定位、导航、授时(Micro-PNT)系统中,芯片原子钟(CSAC)作为微型时钟模块的核心,其发展关乎到Micro-PNT系统的定位精度与授时能力。原子气室作为芯片原子钟的“心脏”,其制备工艺直接决定着原子钟的体积、稳定度与功耗等多项性能指标。随着原子钟功耗的降低与体积的减小,加工制造出与之相适应的微型原子气室势在必行。从玻璃吹制法与微电子机械系统(MEMS)超精细加工法两个方面介绍了原子气室的加工工艺,综述了其研究进展,并分析了目前微型原子气室在制备工艺中存在的不足,对未来原子气室制备工艺的进一步优化具有一定的参考作用。

利用感应耦合等离子体深硅刻蚀机与阳极键合机,制备出了应用于芯片原子钟的碱金属气室。以AZ4620光刻胶为硅片掩模,研究了深硅刻蚀后硅表面的形貌特征,对比了不同结构下深硅刻蚀速率。经过阳极键合,获得了三明治结构的微碱金属气室,并检测其饱和吸收谱线。实验结果表明:制备出的微碱金属气室在温度为80 ℃条件下出现明显的饱和吸收现象。

芯片级原子钟主要包括射频模块、物理封装模块以及其他的外围控制模块。射频模块的设计关系到芯片级原子钟的短期稳定度, 所以射频模块在芯片级原子钟的设计时是非常重要的一部分。本文利用数字锁相环技术实现频率为4.596 GHz的射频源, 射频源由三部分组成, 包括小数分频频率综合器、压控振荡器和环路滤波器。数字锁相环具有相位噪声低, 频谱稳定度高等特点。此外, 由于小数分频频率综合器是可编程的, 可以通过配置N分频器与R分频器实现输出频率的快速扫描。与此同时, 根据相关公式, 可以计算出三阶无源环路滤波器的近似参数值, 所设计的环路滤波器具有300 kHz的环路带宽以及55°的相位裕度。最后, 整个基于数字锁相环技术实现的射频源通过仿真、硬件实现以及测试。测试结果显示, 射频源的相位噪声为-74.02 dBc/Hz@300 Hz, 符合芯片级原子钟射频源的设计要求。