用于微型铷原子频标中6.835GHz微波器件的研究

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铷气室型原子频标结构简单、体积小、重量轻,并且具有良好的稳定性,因此得到了广泛应用。近年来,由于MEMS技术的迅速发展,以及小型原子钟在实际应用上的优越性,实现铷原子频标的微小型化成为各国的主要研究热点。针对铷原子频标的量子部分中需要提供6.835GHz的微波信号,本文主要从微小型化方向研究提供该信号的两种微波器件:介质谐振腔和MEMS电感,并对MEMS电感微制造过程中的电镀工艺做了详细研究。论文主要分为以下三个部分:第一,对铷原子频标中6.835GHz微波谐振腔进行小型化研究,通过填充高介电常数的陶瓷介质来减小谐振腔的体积。首先,利用混合磁壁法分析介质谐振腔内电磁场分布和频率变化,并根据格林函数法得出谐振频率与探针尺寸、位置的关系方程。其次,基于Ansoft HFSS软件对介质谐振腔进行优化仿真,当填充5.05mm厚的纯度为96%氧化铝陶瓷介质,且谐振腔尺寸取12mm×15mm×18mm时,谐振频率为6.835GHz,模式为TE101,电磁场分布均匀。最后,依据仿真尺寸对谐振腔进行加工制造,得出谐振腔填充5.66mm厚氧化铝陶瓷片,达到6.83GHz的谐振频率,理论分析与实验结果基本一致。第二,通过研究MEMS电感来代替铷原子频标中的谐振腔来提供6.835GHz的微波信号。从数值和理论上对MEMS电感线圈进行分析设计,得出当电感的线宽30um,间距20m,线高6um,内径550um,外径710um时,频率达到3.417GHz。利用MEMS工艺对微电感进行加工,得出Q值取最高点时的频率为3.308GHz,与设计的频率相对误差为3.2%。第三,对MEMS电感制造工艺中的微电镀工艺进行详细研究。首先讨论了电镀过程中各工艺参数对镀层质量的影响;接着通过在硅片上的镀铜实验,实际得出电镀时间和电流密度对电镀层的影响,并对铜镀层的形貌、成分以及电导率进行表征;最后,对MEMS电感的微电镀铜实验步骤做了详细讨论,得出当电镀液温度取40℃,电镀时间取27.2mA,电流密度取1A·dm-2时,MEMS电感铜镀层质量最优。
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