西安交大在MEMS碱金属气室领域取得进展，助力微型量子传感器应用
2025-08-16 20:29:23 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
西安交通大学开发出一种基于超快激光焊接与微细加工工艺相结合的MEMS碱金属气室制造方法，并分析了焊接的能量耦合机理。研究人员利用MEMS碱金属气室制作了SERF磁力计，并通过实验测量了其灵敏度。
微机电系统（MEMS）碱金属气室的研究及发展为原子钟、原子磁力计和原子陀螺仪等微型量子传感器的批量制造提供了可能。传统上，MEMS碱金属气室的密封是通过阳极键合实现的。然而，阳极键合过程中的高温和高直流电压条件会对MEMS碱金属气室的性能产生不利影响。
据麦姆斯咨询报道，近日，西安交通大学赵立波教授团队开发出一种基于超快激光焊接与微细加工工艺相结合的MEMS碱金属气室制造方法，并分析了焊接的能量耦合机理。该方法在激光焊接过程中将高温限制在局部区域。通过对焊接样品的横截面进行分析以及元素分布进行表征，结果表明该制造方法实现了MEMS碱金属气室的高强度密封。此外，研究人员还开发了碱金属注入与缓冲气体填充平台，以实现利用超快激光焊接技术制造MEMS碱金属气室。利用吸收光谱对MEMS碱金属气室进行了测试，高温真空条件下的泄漏率证实，超快激光焊接可以实现高密封性。最后，利用MEMS碱金属气室制作了SERF磁力计，并通过实验测量了其灵敏度。该工艺为MEMS碱金属气室的高效制造提供了一种新方法，相关研究成果以“The fabrication of MEMS alkali metal vapor cells based on ultrafast laser welding for single beam magnetometer”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
在这项研究工作中，MEMS碱金属气室的整体尺寸为9 mm × 7 mm × 2.5 mm。玻璃晶圆采用厚度为500 μm的BOROFLOAT 33（BF33）双面抛光玻璃，并镀有20 nm厚的Al₂O₃薄膜。硅晶圆为厚度 1.5 mm的双面抛光单晶硅。MEMS碱金属气室由两个腔室和连接通道组成：工作腔室尺寸为Φ4 mm × 1.5 mm，用于实现碱金属的极化和检测；辅助腔室尺寸为2 mm × 1.5 mm × 1.5 mm，用于储存多余的碱金属；连接通道尺寸为500 μm × 50 μm × 100 μm，用于连接工作腔室和辅助腔室。当MEMS碱金属气室工作时，气室被加热，碱金属蒸气通过连接通道从辅助腔室进入工作腔室，最终在工作腔室内完成极化与检测。
MEMS碱金属气室结构及制造方法
光学接触是实现玻璃和硅之间超快激光焊接的先决条件。因此，有必要对硅和玻璃施加压力以确保它们之间的光学接触。使用构造的夹紧平台夹紧硅晶圆和玻璃晶圆，并静置一段时间，以在焊接界面实现光学接触。在这项研究中，超快飞秒激光是高斯光束，波长为1064 nm，脉冲持续时间为484 fs，重复频率为25 kHz-1 MHz，聚焦光斑直径为30 μm。激光功率由λ/2板和偏振分束器（PBS）控制。随后，飞秒激光通过激光准直系统（LCS），被物镜聚焦到界面上，实现了玻璃晶圆和硅晶圆之间的焊接。
超快激光焊接MEMS碱金属气室制造系统
研究人员利用扫描电镜（SEM）和电子万能试验机对不同焊接参数下样品的焊接截面形貌和抗拉强度进行表征，确定了最佳焊接参数。此外，为了表征焊缝的元素分布，利用能谱仪（EDS）对焊接截面进行了元素分析。
超快激光焊接截面及焊接强度测试
研究人员还建立了用于制造MEMS碱金属气室的加工平台。该平台可以进行焊接晶圆的真空干燥、碱金属注入、焊接晶圆的夹紧、抽真空、残余气体分析和充气等。
实验结果表明，采用所开发的方法制造的MEMS碱金属气室的泄漏率（7.40 × 10⁻¹⁰ Pa·m³/s）与阳极键合的泄漏率相当，但高于金属键合。然而，金属键合的方法会引入金属，增加制造成本。此外，对填充有氮气的MEMS碱金属气室进行了气压测试。结果表明，该气室的压力没有显著变化，证明使用这种方法制造的气室具有优异的气密性和稳定性。
泄漏率和SERF磁力计测试系统与结果
研究人员利用MEMS碱金属气室制作了SERF磁力计，并对其灵敏度进行了实验测定，结果表面，SERF磁力计的灵敏度为40 fT/√Hz。
综上所述，研究人员提出了一种基于超快激光焊接的MEMS碱金属气室制造新方法。该方法确保了MEMS碱金属气室的高气密性，同时避免了阳极键合过程中对MEMS碱金属气室的不利影响。分析了超快激光焊接的机理，对硅-玻璃焊缝的横截面形貌和强度进行了表征，确定了最佳焊接参数。分析了焊缝的元素分布，阐明了超快激光焊接工艺。研究人员开发了一种MEMS碱金属气室制造平台，可实现碱金属注入、充气和超快激光焊接等功能。MEMS碱金属气室在150℃的真空下放置15天并进行压力测试，结果表明其等效标准泄漏率为7.40 × 10⁻¹⁰ Pa·m³/s，与阳极键合的泄漏率相当。最后，将MEMS碱金属气室应用于SERF磁力计，获得了40fT/√Hz灵敏度。研究结果表明，采用该方法制造的MEMS碱金属气室具有优异的密封性，能够满足微型量子传感器的要求。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-025-00976-6
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