用于传感器装置的蒸汽单元设备和用于制造传感器装置用的蒸汽单元设备的方法与流程

本发明涉及一种用于传感器装置的蒸汽单元设备和一种用于制造传感器装置用的蒸汽单元设备的方法。

背景技术：

1、量子传感器尤其可以存在于原子钟、磁力计、陀螺仪、量子存储器、光源或其他传感器单元中，以用于进行精密测量或成像。这些量子传感器在此可以基于对封闭的样品体积中的准备好的原子气体进行的控制。这种封闭的样品体积可以在蒸汽单元中嵌入和实现，其中例如碱性原子(alkaliatome)，如钾、铯或铷可以以气态形式存在于这种样品体积中并且可以处于规定的压力下。

2、以前，带有碱性原子的气体在由玻璃吹制的蒸汽单元中被封闭和控制。当下，现在在微机电系统技术的帮助下可以实现蒸汽单元的微型化。

3、除了蒸汽单元外，量子传感器系统也可以具有光学结构，以用于读出原子，其中量子传感器也可以配备有磁场线圈、加热系统或微波源。通过核磁共振陀螺仪就可以实现这种应用。对于磁力计或核磁共振陀螺仪，用于读出碱性原子的寻址轴的数量是重要的。微机电系统蒸汽单元的典型的晶片堆(waferstapel)允许用激光在一个空间方向上光学地读出碱性原子。这些微机电系统蒸汽单元可通过相对简单和众所周知的硅加工技术来制造。在这里，腔体可以用透明的盖密封封闭，可以适用于此的是具有与硅相适应的热膨胀系数的硼硅玻璃晶片(borosilikatglaswafer)。不过，在蒸汽单元的这种结构的情况下通常可以读出围绕仅一个轴的旋转速率。

4、为了测量围绕所有三个空间方向的旋转速率，通常建议在传感器系统中安装三个所述的单轴的陀螺仪。可以将凹槽中的初始物质通过紫外线分解为样品物质，例如分解为碱性金属。

5、在带有蒸汽单元的量子传感器中，可从外部制备碱性金属原子，并通过激光将其读出。碱性金属气体的产生基于叠氮化物(如csn3或rbn3)的分解。在制造微机电系统蒸汽单元时，紫外光的光解分解已被证实为是可复现的。

6、通常情况下，可采用键合方法(bondverfahren)来对凹槽进行密封封闭。在常见的结构中，可以首先使用阳极键合方法。阳极键合方法基于玻璃晶片中的离子移动，从而可以使用经过特殊改性的玻璃晶片，如硼硅玻璃晶片。在这种情况下，玻璃晶片可以与硅晶片直接连接，并且而后就可以省去进一步的键合材料。

7、在蒸汽单元生产中，可分别将一硼硅玻璃晶片键合到硅晶片前侧和后侧上。硼硅玻璃晶片可以在下述方面出众：热膨胀系数与硅的热膨胀系数相适应，由此可以避免玻璃-硅(-玻璃)-层堆中的晶片断裂或高机械应力或者可以至少降低此方面的风险。

8、影响微机电系统蒸汽单元的寿命的一个主要因素(其也限制了频率稳定性)可以是蒸汽单元中的光强的变化。强度波动的原因是蒸汽单元中含有的气体在激光的光路中凝结成滴。根据已知的方法，为了防止在光路中出现冷凝，例如在吹制玻璃单元时，可以在几厘米的范围内提供一个冷的区域，在该冷的区域处可以发生这种冷凝。与此相比，在微型化的微机电系统蒸汽单元中，可以在蒸汽单元的透明窗口上制造在微米范围内的由金制成的圆盘，其中这种圆盘可以促进冷凝。

9、在us7,292,031b2中提到了一种由硅、pyrex玻璃和硅组成的蒸汽单元晶片堆。

技术实现思路

1、本发明提供了一种根据权利要求1所述的用于传感器装置的蒸汽单元设备和一种根据权利要求11所述的用于制造传感器装置用的蒸汽单元设备的方法。

2、优选的改进方案是从属权利要求的主题。

3、本发明的优点：

4、本发明的基本思想在于：提供一种用于传感器装置的蒸汽单元设备和一种用于制造传感器装置用的蒸汽单元设备的方法，其中冷凝结构可在用于样品物质的凹槽的边缘区域内实现，而在此不会显著减小光学通道。为了分析目的和/或为了改变样品物质，可以在蒸汽单元设备的凹槽内用一种或多种波长的光在超过仅一个空间方向上照射或透射蒸汽单元设备。

5、根据本发明，用于传感器装置的蒸汽单元设备包括：基底晶片，该基底晶片包括至少一个凹槽，样品物质嵌入在所述凹槽中；上盖晶片，该上盖晶片布置在基底晶片的上侧上并且至少完全覆盖凹槽；以及底部，该底部从下侧完全覆盖凹槽，其中基底晶片侧向地(lateral)完全包围凹槽；以及至少一个第一键合层，其位于上盖晶片和基底晶片之间，并且上盖晶片利用所述第一键合层键合在基底晶片处，其中第一键合层至少局部地延伸直至凹槽，其中上盖晶片和底部对第一辐射而言是能透过的。

6、第一键合层可延伸直至下述区域，在该区域内上盖晶片覆盖基底晶片的凹槽，并且由此可以使第一键合层的材料与来自凹槽的气体接触。在基底晶片的俯视图中，第一键合层在此可以侧向地包围凹槽。

7、“晶片”一词在此可以包括用于形成蒸汽单元设备的所有可使用类型的支架、板、梁或盘，它们至少对于上面提到的辐射而言是能透过的。凹槽可以垂直地完全穿过基底晶片地延伸。侧向的方向在此可对应于基底晶片以及底部和上盖晶片的微长的主延伸方向的平面。

8、利用所提到的蒸汽单元设备，还可以实现从所有三个空间方向光学地接近所述蒸汽单元设备，特别是相对于凹槽中的样品物质，由此例如可以实现一陀螺仪，该陀螺仪可以测量围绕所有三个旋转轴的旋转速率。

9、在应用键合方法来形成键合层时，可利用金属层的有利的键合方法，例如具有材料系统au-sn(金-锡)、al-ge(铝-锗)、au-al(金-银)、au-si(金-硅)、au-ge(金-锗)、au-in(金-铟)、cu-sn(铜-锡)或相应的材料系统的共晶晶片键合。可使用金属的键合层来制造冷凝结构。

10、在此可以实现：冷凝结构——这些冷凝结构可以由第一(或其他)键合层的区域形成并且这些冷凝结构可以到达凹槽——因此可以与样品物质的气体直接接触。这种冷凝结构于是可以有利地位于凹槽的最外边缘处，从而对于激光而言可以实现相对于上盖晶片或底部的平坦表面更加平缓的入射角，并且可以减少或避免通过否则通常位于光路中的冷凝结构造成的干扰，因为位于光路中的冷凝结构可以被省去或可以减少其数量。对于蒸汽单元设备的所有材料而言，这也引起了更加自由的材料选择。因此，可以进行例如对颗粒和不平整度有更高容忍度的键合方法(即关于更高收益的潜力)。通过在完全延伸到晶片(基底晶片或底部)上的键合界面上的改善的散热，获得了提高了的冷凝效率。有利的是，冷凝结构的生产在此可以集成到生产蒸汽单元设备时的工艺流程中，并且可以省去用于产生冷凝结构的单独工艺。

11、因此，可以在凹槽的光学可及的面的外部或最外边缘处实现一个或多个冷凝结构。冷凝结构可以是第一或其他键合层的部分区域，所述第一或其他键合层到达凹槽并至少部分地包围该凹槽，即冷凝结构与所述部分区域相对应或仅涉及所述部分区域的部分。因此，一个唯一的冷凝结构或多个冷凝结构可以部分或全部侧向地包围所述凹槽。因此，通过使用这种键合层，可以在使用有利的键合方法的情况下将冷凝结构集成到蒸汽单元设备中。

12、在压制成型()第一键合层时，也可以省略阳极键合方法。因此，可以更自由地选择所有的晶片材料，并且因此不局限于硅和硼硅玻璃晶片的组合。由于可以省去光程中的冷凝结构(通常为金质圆盘)，因此凹槽的光学通道上的激光入射角可以更大。

13、根据蒸汽单元设备的一种优选的实施方式，该蒸汽单元设备被压制成型为微机电系统。

14、由于特别小规模的结构类型，蒸汽单元设备可被成型为微机电系统构件，并且例如可以用在便携式的用具(如移动电话)中或者用于支持车辆或飞行物(如无人机)中的导航或运动稳定性。

15、微机电系统蒸汽单元可以由三个彼此键合在一起的加工晶片组成，如硼硅玻璃-盖晶片、硅晶片、硼硅玻璃-盖晶片。一方面，晶片堆的这种结构允许以较低的热失调进行晶片键合，并且另一方面，允许光学地接近样品物质(如碱性原子)。

16、通过阳极键合方法可以将硅用于蒸汽单元腔。为了密封地封闭凹槽，由于合适的热膨胀系数和必要的光学传输性能，为硅提供了硼硅玻璃晶片。

17、根据蒸汽单元设备的一种优选的实施方式，底部和/或上盖晶片在垂直的空间方向上对第二辐射和/或对第三辐射而言是能透过的，其中垂直的空间方向垂直于上盖晶片和底部的平面范围而延伸。上盖晶片和底部可以沿其平面范围相互平行，并且基底晶片可以位于其两个平面范围方向之间。

18、第三辐射有利地可以用于加工，例如用于活化或分解样品物质，并且在此有利地仅能从一个方向透过。

19、根据蒸汽单元设备的一种优选的实施方式，基底晶片在第一侧向空间方向和/或第二侧向空间方向上对第一辐射和/或对第三辐射而言是能透过的，其中第一侧向空间方向和/或第二侧向空间方向平行于上盖晶片和底部的平面范围而延伸。

20、根据蒸汽单元设备的一种优选的实施方式，第一辐射在可见波长范围内，并且第二辐射在紫外线波长范围内，并且第三辐射在红外线范围内。

21、根据蒸汽单元设备的一种优选的实施方式，基底晶片和底部一体地成型。

22、通过这种一体成型的方式能够生产出可特别易于制造且坚固耐用的构件。在这种情况下，可以省去底部在基底晶片处的键合，由此可以放弃由于基底晶片和底部的热膨胀特性不同而对底部和基底晶片之间的键合连接造成的损坏。

23、根据蒸汽单元设备的一种优选的实施方式，凹槽包括第一凹槽和第二凹槽，它们彼此侧向地间隔开，并分别被基底晶片侧向地包围。

24、第一样品物质可以位于一凹槽中，并且另一物质或相同的样品物质或真空可以位于第二凹槽中。

25、这两个凹槽可以通过通道相连或者彼此分开。

26、根据蒸汽单元设备的一种优选的实施方式，凹槽包括用于利用激光进行磁场测量和/或陀螺测量的原子气体。

27、根据蒸汽单元设备的一种优选的实施方式，第一键合层包括金属的键合材料。

28、金属的键合材料可以有利地用作冷凝材料。

29、根据蒸汽单元设备的一种优选的实施方式，底部利用第二键合层与基底晶片连接，所述第二键合层包括金属的键合材料并且在基底晶片和底部之间延伸并且至少部分地延伸直至凹槽。

30、于是，也可以类似于在第一键合层处的冷凝结构地，恰好在第二键合层处并且在凹槽的下边缘处产生和定位这种冷凝结构。

31、根据本发明，在用于制造传感器装置用的蒸汽单元设备的方法中，提供底部并在底部上布置基底晶片，其中在底部上成型第二键合层，并且基底晶片通过键合方法布置在底部和第二键合层上，其中基底晶片包括至少一个凹槽，或者提供带有底部的基底晶片，其中基底晶片包括至少一个凹槽，并且其中底部从下侧完全覆盖凹槽，其中基底晶片侧向地完全包围凹槽；将样品物质引入到至少一个凹槽内；布置上盖晶片，该上盖晶片布置在基底晶片的上侧上并且至少完全覆盖凹槽，其中在基底晶片上成型第一键合层，并且上盖晶片布置在第一键合层上并且通过第一键合层利用键合方法与基底晶片连接，其中第一键合层至少局部地延伸直至凹槽，并且其中底部和上盖晶片对第一辐射而言是能透过的。

32、根据该方法的一种优选的实施方式，经由底部或经由盖晶片射入第二辐射，并且样品物质至少部分分解和/或汽化。

33、有利地，该方法也可以通过蒸汽单元设备的已经提到的特征而出众，且反之亦然。

34、本发明的实施方式的其他特征和优点从参照附图进行的以下说明中得出。