(57)【要約】【課題】熱隔離ダイ上にヒータを有する原子源を提供する。【解決手段】一実施形態では、チップスケール原子センサが提供される。チップスケール原子センサは、少なくとも１つの感知室を画定する本体を含む。本体は、本体に取り付けられた熱隔離ダイを含む。熱隔離ダイは、少なくとも１つの感知室と連通する場所に配置される。熱隔離ダイは、フレーム部分および隔離部分を画定する基板と、基板の隔離部分をフレーム部分に機械的に結合する複数のテザーとを含む。熱隔離ダイは、また、基板の隔離部分上に取り付けられた原子源と、隔離部分上に取り付けられ、原子源を加熱するように構成された加熱要素とを含む。【選択図】図３
2015165556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの感知室（１０３、２０３、２０５）を画定する本体（１０２、２０２）と、
前記本体（１０２、２０２）に取り付けられた熱隔離ダイ（１１２、２１２、２１３、３００）と
を備え、前記熱隔離ダイ（１１２、２１２、２１３、３００）が、前記少なくとも１つの感知室（１０３、２０３、２０５）と連通する場所に配置され、前記熱隔離ダイ（１１２、２１２、２１３、３００）が、
フレーム部分（３０４）および隔離部分（３０６、４０６）を画定する基板（３０２）と、
前記基板（３０２）の前記隔離部分（３０６、４０６）を前記フレーム部分（３０４）に機械的に結合する複数のテザー（３０８）と、
前記基板（３０２）の前記隔離部分（３０６、４０６）上に取り付けられた原子源（１１０、２１０、２１１、３１０、４１０）と、
前記隔離部分（３０６、４０６）上の、前記原子源（１１０、２１０、２１１、３１０、４１０）を加熱するように構成された加熱要素（３１２）と
を含む、チップスケール原子センサ（１００、２００）。
【請求項２】
前記熱隔離ダイ（１１２、２１２、２１３、３００）が、前記隔離部分（３０６、４０６）上に配置された温度センサ（３０９）を含み、前記温度センサ（３０９）が、前記原子源（１１０、２１０、２１１、３１０、４１０）近傍の温度を感知するように構成され、
前記チップスケール原子センサ（１００、２００）が、前記温度センサ（３０９）から温度読み取り値を取得し、前記原子源（１１０、２１０、２１１、３１０、４１０）近傍の前記温度を温度設定点に維持するために、前記加熱要素（３１２）を制御するように構成された制御電子機器を含む、請求項１に記載のチップスケール原子センサ（１００、２００）。
【請求項３】
前記感知室内に光を放射するように配置されたレーザ（４２２）であって、前記原子源（１１２、２１２、２１３、３００）のアルカリ原子の原子微細遷移にロックされた、レーザ（４２２）と、
前記熱隔離ダイ（１１２、２１２、２１３、３００）の前記隔離部分（３０６、４０６）上に取り付けられ、前記感知室（１０３、２０３、２０５）内の蒸気圧を示す前記感知室（１０３、２０３、２０５）内の光を感知するように配置された光検出器（４２０）と
を備え、
前記制御電子機器が、前記光検出器（４２０）から信号を受信し、それに基づいて、前記感知室（１０３、２０３、２０５）内のアルカリ原子の所望の蒸気圧を維持するために、前記加熱要素（３１２）を制御するように構成され、前記制御電子機器が、前記感知室（１０３、２０３、２０５）内の蒸気圧を維持するために、前記光検出器（４２０）からの蒸気圧を示す前記信号に基づいて前記温度設定点を調整するように構成された、請求項２に記載のチップスケール原子センサ（１００、２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]関連出願の相互参照
本出願は、その開示が参照により本明細書に組み込まれている、２０１４年２月１２日に出願した米国仮出願第６１／９３９，０９０号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本願は、熱隔離ダイ上にヒータを有する原子源に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0002]原子時計および原子慣性センサを含む原子ベースセンサは、感知室内にアルカリ蒸気を形成するために、アルカリ金属原子を放出するアルカリ金属源を使用する。原子ベースセンサの１つのタイプは、レーザ冷却センサである。レーザ冷却原子ベースセンサは、アルカリ蒸気中のアルカリ原子の原子標本を冷却するために、アルカリ蒸気に向けられた１つまたは複数のレーザビームを使用する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0003]原子ベースセンサで一般的に使用されるアルカリ金属であるルビジウム（Ｒｂ）およびセシウム（Ｃｓ）は、摂氏４０度以下の融点と、指数関数的に増加する蒸気圧とを有する。多くの原子ベースセンサ用途でそのようなアルカリ金属を使用することは、感知室内の望ましくない高い蒸気圧をもたらす可能性がある。この高い蒸気圧は、レーザ冷却原子と衝突し、原子標本の寿命を制限する大きい背景蒸気をもたらす。
【０００５】
[0004]背景蒸気圧を低減するために、動作温度でアルカリ金属自体よりも低い蒸気圧を有する合金または化合物を形成するために、アルカリ金属源は、少なくとも１つの他の元素とアルカリ金属から構成され得る。ソース材料は、また、アルカリ金属を含む黒鉛層間化合物から構成され得る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0005]一実施形態では、チップスケール原子センサが提供される。チップスケール原子センサは、少なくとも１つの感知室を画定する本体を含む。本体は、本体に取り付けられた熱隔離ダイを含む。熱隔離ダイは、少なくとも１つの感知室と連通する場所に配置される。熱隔離ダイは、フレーム部分および隔離部分を画定する基板と、基板の隔離部分をフレーム部分に機械的に結合する複数のテザーとを含む。熱隔離ダイは、また、基板の隔離部分に取り付けられた原子源と、隔離部分に取り付けられ、原子源を加熱するように構成された加熱要素とを含む。
【０００７】
[0006]図面は、例示的な実施形態のみを示し、したがって範囲を限定するものとみなされるべきではないことを理解し、例示的な実施形態は、添付図面の使用を通じて、さらに具体的かつ詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】[0007]熱隔離ダイ上に配置された原子源および加熱要素を有するチップスケール原子ベースセンサの例示的な物理パッケージの平面図である。
【図２】[0008]熱隔離ダイ上に配置された原子源および加熱要素を有するチップスケール原子ベースセンサの別の例示的な物理パッケージの切断斜視図である。
【図３】[0009]原子源および加熱要素が上に配置されている、図１および図２に示す物理パッケージ内で使用するための例示的な熱隔離ダイの斜視図である。
【図４】[0010]原子源を加熱するための図３の熱隔離ダイ上の加熱要素の閉ループ制御のための例示的なレーザおよび光検出器の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0011]慣行に従って、説明される様々な特徴は、一定の縮尺で描かれておらず、例示的な実施形態に関連する特定の特徴を強調するように描かれている。
[0012]原子源に適した二元合金の例は、ルビジウム−インジウム（Ｒｂ−Ｉｎ）、ルビジウム−鉛（Ｒｂ−Ｐｂ）、およびルビジウム−ガリウム（Ｒｂ−Ｇａ）を含む。９０パーセントのアルカリ金属（溶媒）中に少量（１０パーセント程度）の（溶質）金属を有する合金の融解温度は、１００℃よりも十分に上である。さらに、溶質原子の蒸気圧は、ア
ルカリ溶媒の蒸気圧と比較して非常に低い。これは、複合原子源を使用する原子ベースセンサが、基本的な原子源と比較して低下した蒸気圧で、上昇した温度（１００℃程度）で動作することを可能にすることができる。溶媒に対する溶質の比率は、所望の蒸気圧曲線を達成するように選択され得る。
【００１０】
[0013]黒鉛層間化合物によって提供される原子源は、アルカリ金属の単原子層によって分離された黒鉛の単原子層または多原子層のシートから構成され得る。黒鉛層間化合物中のアルカリ層に対する炭素の比率は、所望の蒸気圧曲線を達成するように選択され得る。
【００１１】
[0014]二元合金または黒鉛層間化合物の例のいずれでも、原子源の組成は、センサの最高の所望の動作温度で、望まれるよりも低い蒸気圧を有するように選択され得る。次いで、原子源は、感知室内の所望の蒸気圧を上昇させ、維持するために、制御された方法で加熱され得る。一例では、そのような原子源は、原子源の低電力温度制御を可能にする熱隔離ダイ上に配置され得る。有利には、そのような二元合金または黒鉛層間化合物は、感知室から過剰なアルカリ蒸気を再吸収するために、可逆的な方法で作用することもできる。
【００１２】
[0015]図１は、チップスケール原子ベースセンサの物理パッケージ１００の一例の平面図である。一例では、物理パッケージ１００は、原子時計用である。別の例では、物理パッケージ１００は、原子慣性センサ用である。物理パッケージ１００は、感知室１０３を画定する本体１０２を含む。本体１０２は、構造部材であり、ガラスまたはセラミックなどの任意の適切な材料から構成され得る。図１に示す例では、本体１０２は、球状であるが、本体１０２は、任意の適切な幾何学的形状を有することができる。
【００１３】
[0016]アルカリ蒸気は、感知室１０３内に維持される。一例では、アルカリ蒸気は、ルビジウム（Ｒｈ）原子またはセシウム（Ｃｓ）原子から構成される。１つまたは複数のレーザ１０４、１０５、１０６は、アルカリ蒸気中の原子を冷却し、原子の状態を感知するために、および／またはアルカリ蒸気の密度を感知するために、感知室１０３内に光を放射するように構成される。１つまたは複数のレーザ１０４、１０５、１０６は、物理パッケージ１００の本体１０２上に配置され得、または、本体１０２の外部に配置され得る。一例では、１つまたは複数のレーザ１０４、１０５、１０６のうちの少なくとも１つは、熱隔離ダイ１１４上に取り付けられる。１つまたは複数の光検出器１０８は、アルカリ蒸気中の原子から放射される光を感知するために、感知室１０３内からの光を感知するように構成される。アルカリ蒸気中の原子から放射された光は、次いで、原子時計または原子慣性センサのための出力を生成するために使用され得る。
【００１４】
[0017]感知室１０３内のアルカリ蒸気は、原子源１１０から放出される。原子源１１０は、アルカリ単体、アルカリおよび別の元素の化合物、アルカリおよび別の金属の合金、または、アルカリを含む黒鉛層間化合物から構成され得る。原子源１１０は、原子源１１０から放出された原子が感知室１０３に入るように取り付けられた熱隔離ダイ１１２上に配置される。すなわち、熱隔離ダイ１１２は、感知室１０３と連通する場所に配置される。図１は、感知室１０３と連通する場所に配置されたそのような熱隔離ダイ１１２の一例を示す。例えば、熱隔離ダイ１１２は、アルカリ原子が感知室１０３内に直接放出されるように、感知室１０３内に取り付けられ得る。別の例では、熱隔離ダイ１１２は、図１の例に示すように、感知室に開口する凹部に取り付けられる。
【００１５】
[0018]図２は、チップスケール原子ベースセンサの物理パッケージ２００の別の例を示す。図２は、感知室２０３と連通する場所に配置された原子源２１０を有する熱隔離ダイ２１２の別の例を示す。物理パッケージ２００では、熱隔離ダイ２１２は、感知室２０３とは別個の副室２１６内に取り付けられる。そのような副室２１６は、原子源２１０によって副室２１６内に放出された原子が感知室２０３内に移動することができるように、感知室２０３と連通する。副室２１６は、原子源２１０によって放出された原子が感知室２０３内に移動する前に広がるための初期位置を提供するために使用され得る。
【００１６】
[0019]図１の物理パッケージ１００と同様に、物理パッケージ２００は、感知室２０３を画定する本体２０２を含む。図２に示す物理パッケージ２００の例は、慣性センサに対応し、２つの感知室２０３、２０５を画定する。１つまたは複数のレーザ（図示せず）および１つまたは複数の光検出器（同様に図示せず）は、物理パッケージ１００に関して上記で説明したものと同様の各感知室２０３、２０５のために使用される。加えて、図２の物理パッケージ２００の例は、それぞれの熱隔離ダイ２１２、２１３上に取り付けられた原子源２１０、２１１を各々が有する２つの副室２１６、２１８を有する。
【００１７】
[0020]図３は、熱隔離ダイ１１２、２１２、２１４のいずれかのために使用され得る熱隔離ダイ３００の一例の斜視図である。熱隔離ダイ３００は、ケイ素などの任意の適切な材料から構成されたモノリシック基板３０２を含む。モノリシック基板３０２は、フレーム部分３０４と、隔離部分３０６と、フレーム部分３０４を隔離部分３０６に接続する複数のテザー３０８とを画定する。フレーム部分３０４、隔離部分３０６、および複数のテザー３０８の各々は、フレーム部分３０４、隔離部分３０６、および複数のテザー３０８を残して基板３０２の一部を除去するために、モノリシック基板３０２をエッチングすることによって形成される。したがって、複数のテザーは、基板３０２内に画定される（すなわち、基板３０２の材料で形成される）。フレーム部分３０４は、テザー３０８によって吊り下げられた隔離部分３０６を取り囲む。図３に示すように、隔離部分３０６とフレーム３０２との間の基板３０２に大きな間隙が存在するように、基板３０２の大部分（例えば、少なくとも７５パーセント）は、フレーム部分３０４と隔離部分３０６との間で除去されている。フレーム部分３０４と隔離部分３０６との間の基板３０２のこの除去は、隔離部分３０６のフレーム部分３０４からの高い熱隔離をもたらす。図３に示す例では、隔離部分３０６は、円形状を有し、環状間隙が、（テザー３０８を除いて）隔離部分３０６とフレーム３０４との間の隔離部分３０６を取り囲む。テザー３０８は、環状間隙を介して隔離部分３０６からフレーム３０４まで延在する。他の例では、円形状および環状以外の形状が使用され得る。
【００１８】
[0021]一例では、基板３０２の上部作業面上の電子的構成要素（例えば、リード線）を基板３０２から絶縁するために、酸化物層などの絶縁層が、基板３０２の上部作業面上に配置される。原子源３１０は、基板３０２の隔離部分３０６上に取り付けられる。加熱要素３１２も、基板３０２の隔離部分３０６上に取り付けられ、隔離部分３０６および周囲の領域を加熱するように構成される。原子源３１０は、アルカリ単体、アルカリおよび別の元素の化合物、アルカリおよび別の金属の合金、または、アルカリを含む黒鉛層間化合物などの、任意の適切な組成物から構成され得る。原子源３１０の組成は、原子源３１０が使用されるセンサの最高の所望の動作温度で、望まれるよりも低い蒸気圧を有するように選択され得る。次いで、原子源３１０は、感知室内の所望の蒸気圧を上昇させ、維持するために、制御された方法で加熱要素３１２によって加熱され得る。加熱要素３１２は、隔離部分３０４内の基板３０２内に製作された抵抗器であり得る。一例では、加熱要素３１２は、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）から構成された抵抗器である。複数の電気リード線は、１つまたは複数のテザー３０８を横切って延在し、加熱要素３１２を、フレーム部分３０４上のまたはフレーム部分３０４に結合された構成要素に結合する。
【００１９】
[0022]動作中、加熱要素３１２は、原子源３１０の温度を制御し、感知室内の所望の蒸気圧を維持するように制御される。具体的には、原子源３１０の温度が上昇するにつれて、原子源３１０によってもたらされる蒸気圧は、上昇する。基本的な例では、加熱要素３１２は、開ループ方式で制御される。有利には、加熱要素３１２および原子源３１０を熱隔離ダイ３００の隔離部分３０６上に配置することは、原子源３１０が低電力で加熱されることを可能にする。一例では、そのような構成で原子源３１０を加熱するために、約２０ｍＷを要する。
【００２０】
[0023]他の例では、加熱要素３１２は、閉ループ方式で制御される。１つのそのような例では、温度センサが、隔離部分３０６上に、その温度を感知するために配置される。温度設定点は、原子源３１０の所望の蒸気圧に基づいて選択される。温度センサは、隔離部分２０６の／その周囲の温度を感知し、それを示す信号を制御電子機器（図示せず）に送信する。制御電子機器は、加熱要素３１２に結合され、隔離部分３０６の温度を設定点に維持するために、加熱要素３１２によってもたらされる熱を調整する。そのような例では、温度設定点は、静的であり得る。図３に示すそのような例の一実施態様では、温度センサは、基板３０２の隔離部分３０６内に製作されたホイートストンブリッジ３０９である。そのようなホイートストンブリッジ３０９は、２つのプラチナ（Ｐｔ）抵抗器に結合された２つのニッケルクロム（ＮｉＣｒ）抵抗器から構成され得る。複数の電気リード線は、ホイートストンブリッジ３０９をフレーム３０４上のまたはフレーム３０４に結合された他の構成要素に結合するために、１つまたは複数のテザー３０８を横切って延在することができる。代替例では、隔離部分３０６上の温度センサは、完全なホイートストンブリッジの代わりに、プラチナ抵抗器単独であり得る。
【００２１】
[0024]図４は、加熱要素３１２の閉ループ制御の別の例の図である。この例は、図３に関して上記で説明したような熱隔離ダイの隔離部分４０６を示す。隔離部分４０６は、その上に取り付けられた原子源４１０を有する。加えて、レーザ４２２は、チップスケール原子センサの本体に取り付けられ、センサ室内に光を放射するように配置される。具体的には、レーザ４２２は、感知室内のアルカリ蒸気雲内に光を放射するように配置される。レーザ４２２は、アルカリ蒸気中のアルカリ原子（すなわち、原子源４１０によって放出されるアルカリ原子）の原子超微細遷移にロックされる。ＡＣ変調は、当該技術分野で公知のように、原子微細遷移にレーザをロックするために使用され得る。光検出器（例えば、光検出器４２０または４２６）は、レーザ４２２によって放射された光に基づいて、感知室からの光を感知するように構成される。光検出器によって感知されたこの光は、アルカリ蒸気雲中に存在するアルカリ原子の量を示す。したがって、光検出器からの出力は、感知室内のアルカリ原子の蒸気圧を示す。
【００２２】
[0025]光検出器４２０は、アルカリ蒸気雲中のアルカリ原子の量を示す光を感知するように構成された光検出器の第１の例である。光検出器４２０は、蒸気雲を通って伝播するレーザ４２２からの光の強度を感知するように配置される。レーザ４２２からの光がアルカリ蒸気雲を通って伝播するにつれて、光は、その経路中の任意のアルカリ原子によって吸収される。したがって、アルカリ蒸気雲の密度がより高くなると、光検出器４２０によって感知される光は、より少なくなる。この第１の例では、光検出器４２０は、レーザ４２２によって放射された光と整列され、この光を感知するように構成される。レーザ４２２および光検出器４２０は、レーザ４２２からの光が感知室内のアルカリ蒸気雲を通って伝播するように配置される。
【００２３】
[0026]光検出器４２６は、アルカリ蒸気雲中のアルカリ原子の量を示す光を感知するように構成された光検出器の第２の例である。光検出器４２６は、光検出器４２０の代わりに、またはそれに加えて使用され得る。光検出器４２６は、アルカリ原子がレーザ４２２からの光を吸収した後に、アルカリ原子によって放射される蛍光を感知するように配置される。アルカリ蒸気雲の密度がより高くなると、レーザ４２２からの光の経路中にあるアルカリ原子は、より多くなり、したがって、レーザ４２２からの光を吸収するアルカリ原子は、より多くなる。レーザ４２２からの光を吸収する各アルカリ原子は、蛍光を発する。したがって、アルカリ蒸気雲の密度がより高くなると、より多くの蛍光が放射される。このようにして、感知された蛍光を示す光検出器４２０からの信号は、制御電子機器に提供され得、加熱要素３１２は、それによって、感知室内の所望の蒸気圧を維持するように制御され得る。そのような光検出器４２６は、限定はしないが、レーザ４２２と同じ熱隔離ダイ上（具体的には、同じ隔離部分４２４上）を含む、任意の実際的な場所に取り付けられ得る。熱隔離ダイの隔離部分４２４は、レーザ４２２および／または第２の光検出器４２６の温度を安定化するために（例えば、上記で図３に関して考察したのと同様の加熱要素を介して）制御されたその温度を有することができる。
【００２４】
[0027]いずれの場合でも、光検出器４２０および／または４２６は、感知室内の蒸気圧を示す信号を、加熱要素３１２に結合された制御電子機器に出力する。一例では、光検出器４２０、４２６からの出力信号は、ＤＣ信号である。制御電子機器は、感知室内の所望の蒸気圧を維持するために、感知室内のアルカリ蒸気雲の密度に基づいて、加熱要素３１２によってもたらされる熱を制御するために、この信号を使用することができる。光検出器４２０、４２６は、また、隔離部分４０６上に取り付けられる。有利には、光検出器４２０、４２６を、原子源４１０および加熱要素と同じ熱隔離ダイ（具体的には、同じ隔離部分４０６）上に取り付けることは、光検出器４２０、４２６のためのフィードバック抵抗器の温度安定化をもたらす。しかしながら、光検出器４２０、４２６が、原子源４１０および加熱要素と同じ熱隔離ダイ上に取り付けられることは、必要ではない。したがって、他の例では、光検出器４２０、４２６は、異なる熱隔離ダイ上に取り付けられる。さらに他の例では、光検出器４２０、４２６は、物理パッケージの本体などの、熱隔離ダイではない構造上に取り付けられる。
【００２５】
[0028]レーザ４２２は、また、（原子源４１０のための熱隔離ダイとは異なる）熱隔離ダイ上に取り付けられ得る。具体的には、レーザ４２２は、レーザ４２２が光検出器４２０、４２６に向けて光を放射するように配置された熱隔離ダイの隔離部分４２４上に取り付けられ得る。レーザ４２２は、ＶＣＳＥＬまたはＤＢＲレーザなどの、任意の適切なレーザであり得る。
【００２６】
[0029]いくつかの例では、（原子超微細遷移にロックされた）レーザ４２２は、また、レーザ冷却および他の原子感知タスクを実行するために使用される他のスレーブレーザを位相ロックするためのマスタレーザとして使用され得る。
【００２７】
[0030]一例では、原子源３１０、４１０の温度は、原子源３１０、４１０が取り付けられた隔離部分３０６、４０６上の温度センサ（例えば、ホイートストンブリッジ３０９）と、レーザ４２２および光検出器４２０、４２６との両方を使用して制御され得る。具体的には、原子源３１０、４１０を有する隔離部分３０６、４０６上の温度センサは、粗調整を提供するために使用され得、光検出器４２０および／または光検出器４２６を有するレーザ４２２は、微調整を提供することができる。例えば、初期温度設定点は、ホイートストンブリッジ３０９のために、隔離部分３０６、４０６のための初期想定温度に選択され得る。制御電子機器は、ホイートストンブリッジ３０９および初期温度設定点を維持するために、加熱要素３１２を制御することができる。一例では、初期温度設定点は、摂氏約１００度である。加熱要素３１２がホイートストンブリッジ３０９を初期温度設定点に維持するように制御されている間、光検出器４２０、４２６を有するレーザ４２２は、感知室内のアルカリ蒸気の密度を測定することができる。密度が所望のものよりも低い場合、制御電子機器は、原子源３１０、４１０によって放出されるアルカリ原子を増加させるために、ホイートストンブリッジ３０９のための温度設定点を上昇させることができる。密度が所望のものよりも高い場合、制御電子機器は、ホイートストンブリッジ３０９のための温度設定点を低下させることができ、それによって、原子源３１０、４１０によって放出されるアルカリ原子を減少させることができ、いくつかの例では、原子源３１０、４１０に、感知室からのアルカリ原子を再吸収させることができる。制御電子機器は、次いで、感知室内の蒸気圧を微調整するために、ホイートストンブリッジ３０９および調整温度設定点を維持することができる。
【００２８】
[0031]熱隔離ダイ３００は、ホウ素などのエッチストップを用いて、基板３０２の上面の一部の上にドープされた層を形成することによって、製作され得る。具体的には、隔離部分３０６、その周囲の間隙、およびテザー３０８に対応する上面の少なくとも一部は、ドープされ得る。基板３０２は、次いで、裏面側から、基板を経て、ドープされた層までエッチングされ得る。このエッチングは、隔離部分３０６、その周囲の間隙、およびテザー３０８に対応する裏面の領域をエッチングすることができる。このエッチングは、例えば、深堀反応性イオンエッチングを使用して実行され得る。この第１のエッチングの後、上面の基板３０２の層は、隔離部分３０６、その周囲の間隙、およびテザー３０８に残る。次に、（例えば、ホウ素がドープされた層を含む）この層は、間隙を形成し、それによって、テザー３０８および隔離部分３０６を画定するために、前面側からエッチングされる。そのような第２のエッチングは、リソグラフィで実行され得る。いくつかの例では、テザー３０８は、ケイ素の酸化物もしくは窒化物、またはパイレックス（登録商標）などの適当なガラスなどの、基板３０２（例えば、ケイ素）以外の材料から形成され得る。
【００２９】
[0032]酸化物層は、基板３０２を電気的構成要素（例えば、リード線）から絶縁するために、フレーム３０４、隔離部分３０６、およびテザー３０８の上面上に形成され得る。電気リード線、加熱要素３１２、ホイートストンブリッジ３０９、および任意の他の構成要素は、上面に製作（パターン化）され得る。加熱要素３１２およびホイートストンブリッジ３０９は、隔離部分３０６に製作され得、電気リード線は、隔離部分３０６上の構成要素をフレーム部分３０４上のまたはフレーム部分３０４に結合された構成要素に結合するために、１つまたは複数のテザー３０８を横切って製作され得る。例えば、ＮｉＣｒ加熱要素３１２は、隔離部分３０６内のリソグラフィでパターン化された抵抗器であり得る。１つまたは複数のビアは、前面側の電気リード線を、フレーム部分３０４の裏面に結合された構成要素に結合するために、基板の前面側から、フレーム部分３０４を経て、裏面側まで製作され得る。原子源３１０は、隔離部分３０６上に取り付けられ得る。フレーム部分３０４の裏面は、熱隔離ダイ３００を別の構造に取り付けるための別の部材に取り付けられ得る。
【００３０】
[0033]例示的実施形態
例１は、少なくとも１つの感知室を画定する本体と、本体に取り付けられた熱隔離ダイとを備えるチップスケール原子センサを含み、熱隔離ダイは、少なくとも１つの感知室と連通する場所に配置され、熱隔離ダイは、フレーム部分および隔離部分を画定する基板と、基板の隔離部分をフレーム部分に機械的に結合する複数のテザーと、基板の隔離部分上に取り付けられた原子源と、隔離部分上の、原子源を加熱するように構成された加熱要素とを含む。
【００３１】
[0034]例２は、例１のチップスケール原子センサを含み、熱隔離ダイは、隔離部分上に配置された温度センサを含み、温度センサは、原子源近傍の温度を感知するように構成され、チップスケール原子センサは、温度センサからの温度読み取り値を取得し、原子源近傍の温度を温度設定点に維持するために加熱要素を制御するように構成された制御電子機器を含む。
【００３２】
[0035]例３は、例２のチップスケール原子センサを含み、温度センサは、ホイートストンブリッジである。
[0036]例４は、例２〜３のいずれかのチップスケール原子センサを含み、熱隔離ダイは、複数のテザー上に部分的に配置された複数の電気リード線を含み、複数の電気リード線は、ヒータおよび温度センサに電気的に結合される。
【００３３】
[0037]例５は、例２〜４のいずれかのチップスケール原子センサを含み、感知室内に光を放射するように配置されたレーザであって、原子源のアルカリ原子の原子微細遷移にロックされたレーザと、感知室内の蒸気圧を示す感知室内の光を感知するように配置された光検出器とを備え、制御電子機器は、光検出器から信号を受信し、それに基づいて、感知室内のアルカリ原子の所望の蒸気圧を維持するように加熱要素を制御するように構成される。
【００３４】
[0038]例６は、例５のチップスケール原子センサを含み、光検出器は、レーザによって放射された光が感知室内のアルカリ原子の蒸気雲を通過した後、この光と整列され、この光を感知するように構成される。
【００３５】
[0039]例７は、例５〜６のいずれかのチップスケール原子センサを含み、光検出器は、アルカリ原子がレーザからの光を吸収した後、感知室内の蒸気雲中のアルカリ原子によって放射された蛍光を感知するように配置される。
【００３６】
[0040]例８は、例５〜７のいずれかのチップスケール原子センサを含み、光検出器は、熱隔離ダイの隔離部分上に取り付けられる。
[0041]例９は、例８のチップスケール原子センサを含み、レーザは、第２の熱隔離ダイの隔離部分上に取り付けられる。
【００３７】
[0042]例１０は、例５〜９のいずれかのチップスケール原子センサを含み、制御電子機器は、感知室内の蒸気圧を維持するために、光検出器からの蒸気圧を示す信号に基づいて、温度設定点を調整するように構成される。
【００３８】
[0043]例１１は、例１〜１０のいずれかのチップスケール原子センサを含み、複数のテザーは、基板内に画定される。
[0044]例１２は、例１〜１１のいずれかのチップスケール原子センサを含み、基板は、ケイ素から構成される。
【００３９】
[0045]例１３は、例１〜１２のいずれかのチップスケール原子センサを含み、原子源は、アルカリおよび他の元素の化合物、アルカリおよび他の金属の合金、または、アルカリを含む黒鉛層間化合物のうちの１つを含む。
【００４０】
[0046]例１４は、例１〜１３のいずれかのチップスケール原子センサを含み、熱隔離ダイは、感知室内、感知室に開口する凹部内、または、感知室と連通する副室内に配置される。
【００４１】
[0047]例１５は、チップスケール原子センサ内の蒸気圧を制御する方法を含み、方法は、原子源近傍の温度を感知するステップと、原子源近傍の温度を温度設定点に維持するために、感知された温度に基づいて原子源近傍の加熱要素を制御するステップと、チップスケール原子センサの感知室内のアルカリ原子の蒸気雲に向けてレーザから光を放射するステップと、感知室内の光を感知するステップであって、光が感知室内のアルカリ原子の蒸気圧を示す、ステップと、感知室内の蒸気圧を所望のレベルに維持するために、感知室内の感知された光に基づいて温度設定点を調整するステップとを含む。
【００４２】
[0048]例１６は、例１５の方法を含み、光を感知するステップは、蒸気雲を通過したレーザによって放射された光を感知するステップと、アルカリ原子がレーザからの光を吸収した後に、アルカリ原子によって放射された蛍光を感知するステップとのうちの１つまたは複数を含む。
【００４３】
[0049]例１７は、感知室を画定する本体と、本体に取り付けられた熱隔離ダイとを備えるチップスケール原子センサを含み、熱隔離ダイは、感知室と連通する場所に配置され、熱隔離ダイは、ケイ素から構成された基板を含み、基板は、フレーム部分、隔離部分、および、隔離部分とフレーム部分との間に機械的に延在する複数のテザーを画定し、複数のテザーは、フレーム部分と隔離部分との間の基板の間隙を通って延在し、熱隔離ダイは、基板の隔離部分上に取り付けられた原子源と、基板の隔離部分上に取り付けられた加熱要素と、複数のテザー上に部分的に配置された複数の電気リード線とを含み、複数の電気リード線は、ヒータに電気的に結合される。
【００４４】
[0050]例１８は、例１７のチップスケール原子センサを含み、感知室内に光を放射するために配置されたレーザであって、原子源のアルカリ原子の原子微細遷移にロックされた、レーザと、感知室内の蒸気圧を示す感知室内の光を感知するために配置された光検出器とを備え、制御電子機器は、光検出器からの信号を受信し、それに基づいて、感知室内のアルカリ原子の所望の蒸気圧を維持するために、加熱要素を制御するように構成される。
【００４５】
[0051]例１９は、例１８のチップスケール原子センサを含み、熱隔離ダイは、隔離部分上に配置された温度センサを含み、温度センサは、原子源近傍の温度を感知するように構成され、チップスケール原子センサは、温度センサからの温度読み取り値を取得し、原子源近傍の温度を温度設定点に維持するために、加熱要素を制御するように構成された制御電子機器を含む。
【００４６】
[0052]例２０は、例１９のチップスケール原子センサを含み、制御電子機器は、感知室内の蒸気圧を維持するために、光検出器からの蒸気圧を示す信号に基づいて温度設定点を調整するように構成される。
【図１】
2015165556.tif 000003
【図２】
2015165556.tif 000004
【図３】
2015165556.tif 000005
【図４】
2015165556.tif 000006
【外国語明細書】
2015165556000001.pdf