一种SIP封装的芯片原子钟样机研制

摘要

原子钟是以原子跃迁谱为基础制作的时间频率信号标准设备或仪器，具有最高的频率精度，是航空航天、数字通信、网络授时、广播电视、铁路交通、电力传递等各系统中的时间频率基准，在国家战略领域，乃至整个国民生产生活中起着基础性的支撑作用。芯片原子钟是结合了集成电路制造的技术工艺方法，以相干布居数囚禁（CPT）原理为基础，研制出来的一种器件级别的微型化原子频率基准产品。它是未来国内外时间频率领域研究的重要方向，无论是在军用还是民用领域，它的应用范围都会十分广泛，是一种可以在各种电子仪器设备中大规模替代晶体振荡器的器件。本课题通过采用集成电路制造的各种技术和工艺，对以相干布居囚禁（CPT）为原理的芯片原子钟各个组成部分开展研究，摸索出一套能够实现工程化的设计和封装方法，以实现体积小于2mL、功耗小于150mW、守时精度优于1μs/天的芯片原子钟样机。为今后芯片原子钟的大规模生产和应用，提供技术和工艺验证的基础。 为此，本课题拟解决以下重大科学问题或关键技术问题。 （1）以MEMS原子气室为核心的高性能物理系统 采用微电子机械系统（MEMS）工艺，加工高性能物理系统。 采用MEMS技术制作的MEMS原子气室容纳了提供发生原子/量子效应的碱原子样品，其尺寸和缓冲气体配方对共振信号的线宽、对比度具有决定性的影响，将很大程度上决定芯片原子钟的频率稳定度和准确度指标，因此是本课题的主要研究内容。高性能MEMS原子泡设计技术研究内容包括：高性能MEMS原子气室结构设计与分析、微型透光空腔制作技术、碱金属注入技术、原子吸收泡加热技术、缓冲气体充填技术等。 （2）基于伺服控制电路的数模混合SoC设计技术 芯片原子钟的数字伺服电路，主要功能是要实现从光检信号中提取激光频率和微波频率的误差信号、对锁频主环路（TCXO）进行控制、对VCSEL电流的环路控制、对VCSEL温度的环路控制、对吸收泡温度的控制、对C场的控制和外秒驯服。该部分的设计，首先需要确定各个功能单元的接口类型和数量，确定SoC系统总体架构，再据此确定需要集成的CPU、DAC、ADC和TDC等芯片的指标，最后再进行流片。 （3）总体集成和整机设计 开展力、热、光、电、磁多物理场一体化仿真设计与MEMS/CMOS混合架构设计，实现多功能高密度互联集成和系统级集成散热，满足整机光路集成与电路集成的技术要求。开展面向技术指标分解的仿真和实验研究，确保整机指标顺利实现。开展面向自主定位与授时应用的芯片原子钟整机指标测试评价技术研究，完善整机的测试项目和测试方法。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 概述

1.2 研究意义和价值

1.3 芯片原子钟的历史进程

1.4 芯片原子钟的研究现状和趋势分析

1.4.1 国外芯片原子钟的发展和趋势

1.4.2 国内芯片原子钟的发展和趋势

1.5 本文主要工作

1.5.1 主要研究目标

1.5.2 研究内容

1.5.3 研究过程

1.6 本论文的结构安排

第二章 芯片原子钟的基本知识

2.1 原子钟的概念

2.1.1 原子钟的基本概念

2.1.2 原子钟的组成和原理

2.2 芯片原子钟的概念

2.2.1 芯片原子钟的基本概念

2.2.2 芯片原子钟的组成和工作原理

2.2.3 芯片原子钟的主要制造理论

2.3 本章小结

第三章 芯片原子钟的设计

3.1 系统设计概况

3.2 物理系统设计

3.2.1 MEMS原子气室及加热丝设计

3.2.2 加热板设计

3.2.3 悬臂梁设计

3.2.4 VCSEL激光器设计

3.2.5 玻片与偏振片设计

3.2.6 降低物理系统功耗的设计措施

3.3 伺服控制SoC集成芯片设计

3.3.1 光电信号解调

3.3.2 温控环路

3.3.3 激光和微波环路控制

3.3.4 C场控制

3.3.5 伺服控制SoC芯片架构设计

3.4 整机集成与封装设计

3.4.1 整机的总体架构设计要求

3.4.2 整机的协同仿真方案

3.4.3 整机的总体集成设计方案

3.5 频率合成器（微波倍频芯片）设计

3.5.1 参考buffer电路设计

3.5.2 PFD电路设计

3.6 快速外秒驯服技术设计

3.7 本章小结

第四章 芯片原子钟样机研制情况

4.1样机研制工作情况

4.1.1 样机研制工作的合作情况

4.1.2 工作历程

4.2 样机实现情况

4.2.1 MEMS原子气室与物理系统实现情况

4.2.2 微波倍频芯片实现情况

4.2.3 总体集成的实现情况

4.2.4 快速外秒驯服技术实现情况

4.3 样机指标测试结果

4.3.1 常规指标

4.3.2 自主守时能力

4.4 测试结果分析

4.4.1 测试结果对照表

4.4.2 测试结果分析

4.5 芯片原子钟样机抗震分析

4.6 本章小结

第五章 结 论

5.1 本文的主要贡献

5.2 下一步工作的展望

5.3 结束语

致谢

参考文献