一種低功耗芯片級原子鐘物理封裝裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種低功耗芯片級原子鐘物理封裝裝置，包括外部封裝、上下支架、框架空間器以及內部元件，所述外部封裝由陶瓷封裝及底座組成，所述內部元件包括激光器、光電探測器、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，所述永磁體組件產生沿物理封裝軸向方向的磁場。本發明將永磁體產生的磁場全部或部分代替原有芯片級原子鐘物理封裝中的線圈產生的磁場，使得流過線圈的電流達到最少，從而大大減少芯片級原子鐘物理封裝的能耗。
【專利說明】一種低功耗芯片級原子鐘物理封裝裝置
【技術領域】
[0001]本發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原子鐘物理封裝裝置。
【背景技術】
[0002]作為七個最基本的物理量之一的時間(頻率)，其復現精度是最高的。自從世界上第一臺原子鐘于1949年研制成功以來，時間單位的精度飛速發展，每10年提高一個數量級。除提供時間頻率輸出外，原子鐘還廣泛應用于導航定位、通信、導彈及衛星定位、天文觀測、大地測量、精密儀器儀表的校準、電網調節以及高速交通管理等領域，且在過去的50年中已然成為不可或缺的器件之一。
[0003]隨著電子技術和控制技術的飛速發展，對于原子鐘的研究主要在兩個方面:一方面是探索研制準確度和穩定度更高的原子鐘。近年來，已經成功研制出許多不同種類的具備更高準確度和穩定度的新型原子鐘，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現高精度的小型工程原子鐘的途徑，以滿足各種工程技術發展需要。氫鐘、銫鐘和銣鐘等傳統原子鐘由于體積、功耗偏大，其應用形式為單獨設備或內置于設備的部件，應用范圍也基本上局限在高端設備或系統。而不需要傳統微波腔的CPT (CPT, CoherentPopulation Trapping,相干布居囚禁)原子鐘，因其體積、功耗可以較傳統原子鐘減小2_3個數量級，使得原子鐘的便攜化應用成為可能。
[0004]在CPT原子鐘里，選擇基態超精細分裂能級的0-0躍遷譜線作為鐘躍遷譜線。而基態除了 0-0磁子能級，還有其他塞曼分裂磁子能級，為了分離各個塞曼磁子能級，外加磁場是必不可少的。為了減小其他磁子能級對0-0躍遷的影響，應該使相鄰子能級的間距遠遠大于0-0躍遷的譜線寬度。在微型銫氣室上一般需要施加IOuT左右的軸向靜態磁場用來分離各個塞曼子能級。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]以前的發明里或目前使用的芯片級原子鐘系統的物理封裝中，這個磁場是由線圈通過一定的電流產生的(如圖1所示)，這需要消耗一定功率。對于手持或野外或海底等電池供電的應用中，降低功耗非常必要。
【發明內容】
[0006]本發明的發明目的是提供一種低能耗芯片級原子鐘物理封裝裝置，通過新的產生磁場的方法，降低芯片級原子鐘物理封裝的功耗。
[0007]為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是:一種低功耗芯片級原子鐘物理封裝裝置，包括外部封裝、上下支架、框架空間器以及內部元件，所述外部封裝由陶瓷封裝和底座組成，所述內部元件包括激光器、光電探測器、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，所述永磁體組件產生沿物理封裝軸向方向的磁場。
[0008]上述技術方案中，所述永磁體組件為置于物理封裝上支架和下支架兩側的兩個極性相反的永磁體，所述永磁體可以為圓形、方形、多邊形等不同形狀。
[0009]上述技術方案中，所述永磁體組件圍繞在框架空間器外圍。
[0010]進一步技術方案，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]進一步技術方案，所述永磁體組件為均勻分布的條形永磁體。
[0012]進一步技術方案，所述永磁體組件外圍繞有線圈。
[0013]進一步技術方案，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]由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:
1.本發明通過永磁體產生的磁場全部或部分代替芯片級原子鐘物理封裝中的線圈產生的磁場，這樣流過線圈的電流就會達到最少，從而最大限度地減少芯片級原子鐘物理封裝的功耗。
[0015]2.本發明通過強永磁體對堿性原子泡氣室形成磁場，抵消外界的磁場強度，從而達到使堿性原子進行穩定能級分裂的目的。
[0016]3.本發明具有加工簡單，易于實現的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是【背景技術】中現有的芯片級原子鐘物理封裝結構示意圖。
[0018]圖2是實施例一中本發明的芯片級原子鐘整體系統框圖。
[0019]圖3是實施例一中本發明的芯片級原子鐘物理封裝結構示意圖。
[0020]圖4是實施例二中產生外加磁場的物理封裝結構示意圖。
[0021]圖5和6是實施例三中產生外加磁場的物理封裝結構示意圖。
[0022]圖7是實施例四中精確控制外加磁場的物理封裝結構示意圖。
[0023]圖8是實施例五中產生外加磁場的物理封裝結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述:
實施例一:參見圖2所示，為芯片級原子鐘整體系統框圖，主要包括物理封裝100和電子學電路兩個主要的部分。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能級分裂的堿金屬。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生，參見圖3所示。本發明中所述C場偏置模塊180可以通過永磁體來產生或者通過永磁體和線圈配合來產生。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中的光電探測器110的輸出信號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、環路濾波器320、壓控振蕩器310和溫補晶振340。
[0026]微控制系統400首先對射頻伺服電路300進行初始化，使得鎖相環路鎖定到原子超精細能級躍遷的頻率上，微控制系統400通過控制進入電調衰減器的電流來控制進入物理封裝100的微波功率，使得CPT諧振峰達到最大。判定諧振峰是否達到最大的最直接的方法是提取物理封裝內部光電探測器反饋回來的電流信號，經過外圍鎖相放大電路后將誤差信號反饋給微控制系統400，此時微控制系統400對鎖相環路300進行編程調整，同時對激光器的電流進行調節，直到系統CPT諧振峰達到最大，使得整個系統鎖定。
[0027]在CPT原子鐘里，選擇基態超精細分裂能級的0-0躍遷譜線作為鐘躍遷譜線。為此必須外加磁場180，從而分離各個塞曼磁子能級。現有芯片級原子鐘系統的物理封裝100中，這個磁場180是由線圈通過一定的電流產生的，這需要消耗一定功率。對于手持或野外或海底等電池供電的應用中，降低功耗非常必要。因此本發明采用永磁體產生的磁場全部或部分代替芯片級原子鐘物理封裝100中的線圈產生的磁場，這樣流過線圈的電流就會達到最少，從而最大限度地減少芯片級原子鐘物理封裝100的功耗。
[0028]實施例二:參見圖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塞曼磁子能級，使得基態的0-0磁子能級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。若是對磁場的精度要求比較高，我們可以同時在物理封裝100的框架空間器130外圍繞上線圈40，用來微調磁場強度。
[0029]實施例三:參見圖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永磁體會產生沿物理封裝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，永磁體產生的磁場可以實現原子超精細能級分裂的各個塞曼磁子能級分離，從而滿足物理封裝100正常工作的條件。
[0030]實施例四:參見圖7所示，若是對磁場的精度要求比較高，可以在永磁體外邊繞上線圈40，用于微調磁場強度。永磁體的形狀可以是圓筒形182或者方筒形183。或者我們也可以在物理封裝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放置在圓筒形182或方筒形183永磁體中。
[0031]實施例五:參見圖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，產生沿物理封裝100軸向方向的磁場。若是對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，用于微調磁場強度。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]由上述實施例可以看出，在本發明中，利用永磁體產生的磁場全部或部分代替現有芯片級原子鐘物理封裝中的線圈產生的磁場，使得流過線圈的電流達到最少，從而最大限度地減少芯片級原子鐘物理封裝的功耗。
【權利要求】
1.一種低功耗芯片級原子鐘物理封裝裝置，包括外部封裝、上下支架、框架空間器以及內部元件，所述外部封裝由陶瓷封裝和底座組成，所述內部元件包括激光器、光電探測器、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，所述永磁體組件產生沿物理封裝軸向方向的磁場。
2.根據權利要求1所述的一種低功耗芯片級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的兩個極性相反的永磁體。
3.根據權利要求1所述的一種低功耗芯片級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.根據權利要求3所述的一種低功耗芯片級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.根據權利要求3所述的一種低功耗芯片級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.根據權利要求3所述的一種低功耗芯片級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.根據權利要求3所述的一種低功耗芯片級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】H03L7/26GK103856215SQ201410074290
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月3日 優先權日:2014年3月3日
【發明者】韓勝男, 喬東海, 湯亮, 張忠山, 季磊, 栗新偉 申請人:蘇州大學