一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置，包括外部封裝、上下支架、框架空間器以及內(nèi)部元件，所述外部封裝由陶瓷封裝及底座組成，所述內(nèi)部元件包括激光器、光電探測(cè)器、堿性原子泡氣室、1/4波片以及C場偏置模塊，所述C場偏置模塊包括永磁體組件，所述永磁體組件產(chǎn)生沿物理封裝軸向方向的磁場。本發(fā)明將永磁體產(chǎn)生的磁場全部或部分代替原有芯片級(jí)原子鐘物理封裝中的線圈產(chǎn)生的磁場，使得流過線圈的電流達(dá)到最少，從而大大減少芯片級(jí)原子鐘物理封裝的能耗。
【專利說明】一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種原子鐘物理封裝裝置，具體涉及一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]作為七個(gè)最基本的物理量之一的時(shí)間(頻率)，其復(fù)現(xiàn)精度是最高的。自從世界上第一臺(tái)原子鐘于1949年研制成功以來，時(shí)間單位的精度飛速發(fā)展，每10年提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。除提供時(shí)間頻率輸出外，原子鐘還廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、通信、導(dǎo)彈及衛(wèi)星定位、天文觀測(cè)、大地測(cè)量、精密儀器儀表的校準(zhǔn)、電網(wǎng)調(diào)節(jié)以及高速交通管理等領(lǐng)域，且在過去的50年中已然成為不可或缺的器件之一。
[0003]隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)于原子鐘的研究主要在兩個(gè)方面:一方面是探索研制準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高的原子鐘。近年來，已經(jīng)成功研制出許多不同種類的具備更高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的新型原子鐘，例如冷原子噴泉鐘、離子阱鐘、光鐘等；另一方面是積極尋找實(shí)現(xiàn)高精度的小型工程原子鐘的途徑，以滿足各種工程技術(shù)發(fā)展需要。氫鐘、銫鐘和銣鐘等傳統(tǒng)原子鐘由于體積、功耗偏大，其應(yīng)用形式為單獨(dú)設(shè)備或內(nèi)置于設(shè)備的部件，應(yīng)用范圍也基本上局限在高端設(shè)備或系統(tǒng)。而不需要傳統(tǒng)微波腔的CPT (CPT, CoherentPopulation Trapping,相干布居囚禁)原子鐘，因其體積、功耗可以較傳統(tǒng)原子鐘減小2_3個(gè)數(shù)量級(jí)，使得原子鐘的便攜化應(yīng)用成為可能。
[0004]在CPT原子鐘里，選擇基態(tài)超精細(xì)分裂能級(jí)的0-0躍遷譜線作為鐘躍遷譜線。而基態(tài)除了 0-0磁子能級(jí)，還有其他塞曼分裂磁子能級(jí)，為了分離各個(gè)塞曼磁子能級(jí)，外加磁場是必不可少的。為了減小其他磁子能級(jí)對(duì)0-0躍遷的影響，應(yīng)該使相鄰子能級(jí)的間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0-0躍遷的譜線寬度。在微型銫氣室上一般需要施加IOuT左右的軸向靜態(tài)磁場用來分離各個(gè)塞曼子能級(jí)。另外良好的磁屏蔽是必須的，用來屏蔽地磁場以及其他雜散磁場。
[0005]以前的發(fā)明里或目前使用的芯片級(jí)原子鐘系統(tǒng)的物理封裝中，這個(gè)磁場是由線圈通過一定的電流產(chǎn)生的(如圖1所示)，這需要消耗一定功率。對(duì)于手持或野外或海底等電池供電的應(yīng)用中，降低功耗非常必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種低能耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置，通過新的產(chǎn)生磁場的方法，降低芯片級(jí)原子鐘物理封裝的功耗。
[0007]為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置，包括外部封裝、上下支架、框架空間器以及內(nèi)部元件，所述外部封裝由陶瓷封裝和底座組成，所述內(nèi)部元件包括激光器、光電探測(cè)器、堿性原子泡氣室、1/4波片以及C場偏置模塊，所述C場偏置模塊包括永磁體組件，所述永磁體組件產(chǎn)生沿物理封裝軸向方向的磁場。
[0008]上述技術(shù)方案中，所述永磁體組件為置于物理封裝上支架和下支架兩側(cè)的兩個(gè)極性相反的永磁體，所述永磁體可以為圓形、方形、多邊形等不同形狀。
[0009]上述技術(shù)方案中，所述永磁體組件圍繞在框架空間器外圍。
[0010]進(jìn)一步技術(shù)方案，所述永磁體組件為筒形永磁體，所述筒形永磁體可以為圓筒形或方筒形。
[0011]進(jìn)一步技術(shù)方案，所述永磁體組件為均勻分布的條形永磁體。
[0012]進(jìn)一步技術(shù)方案，所述永磁體組件外圍繞有線圈。
[0013]進(jìn)一步技術(shù)方案，所述框架空間器外圍繞有線圈，所述線圈位于框架空間器和永磁體組件之間。
[0014]由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明通過永磁體產(chǎn)生的磁場全部或部分代替芯片級(jí)原子鐘物理封裝中的線圈產(chǎn)生的磁場，這樣流過線圈的電流就會(huì)達(dá)到最少，從而最大限度地減少芯片級(jí)原子鐘物理封裝的功耗。
[0015]2.本發(fā)明通過強(qiáng)永磁體對(duì)堿性原子泡氣室形成磁場，抵消外界的磁場強(qiáng)度，從而達(dá)到使堿性原子進(jìn)行穩(wěn)定能級(jí)分裂的目的。
[0016]3.本發(fā)明具有加工簡單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是【背景技術(shù)】中現(xiàn)有的芯片級(jí)原子鐘物理封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是實(shí)施例一中本發(fā)明的芯片級(jí)原子鐘整體系統(tǒng)框圖。
[0019]圖3是實(shí)施例一中本發(fā)明的芯片級(jí)原子鐘物理封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4是實(shí)施例二中產(chǎn)生外加磁場的物理封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖5和6是實(shí)施例三中產(chǎn)生外加磁場的物理封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖7是實(shí)施例四中精確控制外加磁場的物理封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖8是實(shí)施例五中產(chǎn)生外加磁場的物理封裝結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
實(shí)施例一:參見圖2所示，為芯片級(jí)原子鐘整體系統(tǒng)框圖，主要包括物理封裝100和電子學(xué)電路兩個(gè)主要的部分。其中物理封裝100可以參見圖2所示，主要包含陶瓷封裝101、光電探測(cè)器110、上支架120、框架空間器130、堿性原子泡氣室140、CPT諧振腔150、1/4波片、下支架160、激光器170、C場偏置模塊180、加熱裝置(ΙΤ0薄膜)190、和底座102。所述堿金屬可以是銣、銫或其他具有超精細(xì)能級(jí)分裂的堿金屬。所述C場偏置模塊180可以通過線圈、永磁體或者線圈和永磁體配合來產(chǎn)生，參見圖3所示。本發(fā)明中所述C場偏置模塊180可以通過永磁體來產(chǎn)生或者通過永磁體和線圈配合來產(chǎn)生。這樣可以大大減小通過線圈里面的電流，從而最大限度地降低物理封裝的功耗。電子學(xué)電路主要包含激光器伺服電路200、射頻伺服電路300和微控制電路400。
[0025]所述物理封裝100中的光電探測(cè)器110的輸出信號(hào)端連接至微控制電路400的輸入端，微控制電路400的輸出端分別連接至激光器伺服電路200和射頻伺服電路300，激光器伺服電路200和射頻伺服電路300的輸出端連接至激光器170的控制端。所述射頻伺服電路300包括可編程頻率合成器330、環(huán)路濾波器320、壓控振蕩器310和溫補(bǔ)晶振340。
[0026]微控制系統(tǒng)400首先對(duì)射頻伺服電路300進(jìn)行初始化，使得鎖相環(huán)路鎖定到原子超精細(xì)能級(jí)躍遷的頻率上，微控制系統(tǒng)400通過控制進(jìn)入電調(diào)衰減器的電流來控制進(jìn)入物理封裝100的微波功率，使得CPT諧振峰達(dá)到最大。判定諧振峰是否達(dá)到最大的最直接的方法是提取物理封裝內(nèi)部光電探測(cè)器反饋回來的電流信號(hào)，經(jīng)過外圍鎖相放大電路后將誤差信號(hào)反饋給微控制系統(tǒng)400，此時(shí)微控制系統(tǒng)400對(duì)鎖相環(huán)路300進(jìn)行編程調(diào)整，同時(shí)對(duì)激光器的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)CPT諧振峰達(dá)到最大，使得整個(gè)系統(tǒng)鎖定。
[0027]在CPT原子鐘里，選擇基態(tài)超精細(xì)分裂能級(jí)的0-0躍遷譜線作為鐘躍遷譜線。為此必須外加磁場180，從而分離各個(gè)塞曼磁子能級(jí)?，F(xiàn)有芯片級(jí)原子鐘系統(tǒng)的物理封裝100中，這個(gè)磁場180是由線圈通過一定的電流產(chǎn)生的，這需要消耗一定功率。對(duì)于手持或野外或海底等電池供電的應(yīng)用中，降低功耗非常必要。因此本發(fā)明采用永磁體產(chǎn)生的磁場全部或部分代替芯片級(jí)原子鐘物理封裝100中的線圈產(chǎn)生的磁場，這樣流過線圈的電流就會(huì)達(dá)到最少，從而最大限度地減少芯片級(jí)原子鐘物理封裝100的功耗。
[0028]實(shí)施例二:參見圖4所示，可以將不同屬性的永磁體磁極181放置在物理封裝100的兩端，永磁體181產(chǎn)生沿物理封裝100軸向方向的磁場。該磁場可以用于分離各個(gè)塞曼磁子能級(jí)，使得基態(tài)的0-0磁子能級(jí)躍遷作為原子鐘的躍遷譜線。所示磁極181可以是圓形、方形、多邊形等各種形狀。磁極181放置在物理封裝上下支架120、160兩側(cè)。若是對(duì)磁場的精度要求比較高，我們可以同時(shí)在物理封裝100的框架空間器130外圍繞上線圈40，用來微調(diào)磁場強(qiáng)度。
[0029]實(shí)施例三:參見圖5和6所示，永磁體還可以是圓筒形182或者方筒形183。圓筒形182或方筒形183永磁體會(huì)產(chǎn)生沿物理封裝100軸向方向的磁場，將物理封裝100放置在圓筒形182或方筒形183永磁體中，永磁體產(chǎn)生的磁場可以實(shí)現(xiàn)原子超精細(xì)能級(jí)分裂的各個(gè)塞曼磁子能級(jí)分離，從而滿足物理封裝100正常工作的條件。
[0030]實(shí)施例四:參見圖7所示，若是對(duì)磁場的精度要求比較高，可以在永磁體外邊繞上線圈40，用于微調(diào)磁場強(qiáng)度。永磁體的形狀可以是圓筒形182或者方筒形183?；蛘呶覀円部梢栽谖锢矸庋b100的框架空間器130外面繞上線圈40，然后將繞有線圈40的物理封裝100放置在圓筒形182或方筒形183永磁體中。
[0031]實(shí)施例五:參見圖8所示，所述永磁體還可以是均勻分布的條形永磁體184。將均勻分布的條形永磁體184放置在物理封裝100的框架空間器130周圍，產(chǎn)生沿物理封裝100軸向方向的磁場。若是對(duì)磁場的精度要求比較高，可以在條形永磁體184周圍繞上線圈40，用于微調(diào)磁場強(qiáng)度。也可以將物理封裝100的框架空間器130外面繞上線圈40，然后將繞有線圈40的物理封裝100放置在均勻分布的條狀磁鐵184中。
[0032]由上述實(shí)施例可以看出，在本發(fā)明中，利用永磁體產(chǎn)生的磁場全部或部分代替現(xiàn)有芯片級(jí)原子鐘物理封裝中的線圈產(chǎn)生的磁場，使得流過線圈的電流達(dá)到最少，從而最大限度地減少芯片級(jí)原子鐘物理封裝的功耗。
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置，包括外部封裝、上下支架、框架空間器以及內(nèi)部元件，所述外部封裝由陶瓷封裝和底座組成，所述內(nèi)部元件包括激光器、光電探測(cè)器、堿性原子泡氣室、1/4波片以及C場偏置模塊，其特征在于:所述C場偏置模塊包括永磁體組件，所述永磁體組件產(chǎn)生沿物理封裝軸向方向的磁場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置，其特征在于:所述永磁體組件為置于物理封裝上支架和下支架兩側(cè)的兩個(gè)極性相反的永磁體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置，其特征在于:所述永磁體組件圍繞在框架空間器外圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置，其特征在于:所述永磁體組件為筒形永磁體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置，其特征在于:所述永磁體組件為均勻分布的條形永磁體。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置，其特征在于:所述永磁體組件外圍繞有線圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低功耗芯片級(jí)原子鐘物理封裝裝置，其特征在于:所述框架空間器外圍繞有線圈，所述線圈位于框架空間器和永磁體組件之間。
【文檔編號(hào)】H03L7/26GK103856215SQ201410074290
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】韓勝男, 喬?hào)|海, 湯亮, 張忠山, 季磊, 栗新偉 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)