Mikrosystemtechnisch integriertes, optisch gepumptes Magnetometer

Woetzel, Stefan

Die vorliegende Arbeit beinhaltet unterschiedliche Aspekte von Entwurf, Fertigung und Erforschung mikrofabrizierter Alkalidampfzellen. Alkalidampfzellen, also hermetisch versiegelte Volumina gefüllt mit Atomen eines Alkalimetalls, haben besondere Bedeutung als zentrales Element innerhalb von optisch gepumpten Magnetometern (OPM) sowie von kleinformatigen Frequenzstandards (bzw. Atomuhren). Moderne Entwicklungen in diesem Bereich gehen insbesondere zu einer Verringerung des Volumens bzw. der Größe der verwendeten Bauteile, da dies zum einen die bessere Integrierbarkeit der Sensoren gewährleistet und außerdem Probleme bei Messungen in inhomogenen Magnetfeldern (z.B. bei der Verwendung im Erdmagnetfeld) vermeidet bzw. beschränkt. Die Verringerung des Zellvolumens widerspricht jedoch gleichzeitig der Forderung an eine hohe Empfindlichkeit der Messung. Diesem aufkommenden Widerspruch zum einen, sowie dem mikrosystemtechnischen Fertigungsprozess der Zellen zum anderen ist diese Arbeit gewidmet. Hinsichtlich des Fertigungsprozesses werden Entwicklungen für die Handhabung des hier verwendeten, hochreaktiven Cäsiums sowie die Möglichkeit zur Passivierung des Zellkörpers mit dünnen Schichten aus Al2O3 , abgeschieden mittels Atomlagenabscheidung, gegen den Einfluss des verwendeten Cäsiums vorgestellt. Hervorzuheben ist eine für den hermetischen Zellverschluss entwickelte Methode, welche anodisches Bonden bei Raumtemperatur und Spannungen im Bereich von 100V erlaubt. Diese einzigartige Parameterkombination wird durch die Verwendung dünner Schichten eines lithiumhaltigen Glases mit hoher Ionenleitfähigkeit ermöglicht. Das Ergebnis dieser Arbeit besteht in einem Array aus mehreren Alkalidampfzellen, welche über Kanäle mit einer zentralen Struktur, dem Reservoir, verbunden sind. Das Reservoir dient der Aufnahme des Cäsiums. Der Aufbau des Arrays gewährleistet identische Eigenschaften bzw. Charakteristika der einzelnen Zellen. Insbesondere durch Anpassungen des verwendeten Puffergases sowie des in den Zellen herrschenden Puffergasdrucks konnte die erreichbare schrotrauschbegrenzte Empfindlichkeit der hergestellten Zellen auf Werte von ca. 150fT/ √ Hz gesteigert werden. Bringt man diesen Wert in Relation zum Zellvolumen von 50mm 3 ergibt sich für die Zellen ein Wert von 33,6 fTcm3/2 / √ Hz. Dieser stellt für Messungen im verwendeten Arbeitsregime international einen Spitzenwert dar.

The present work includes different aspects of the design, fabrication and research of microfabricated atomic vapor cells. Atomic vapor cells, corresponding to hermetically sealed volumes filled with atoms of the alkali metals, have a special importance as the central element of optically pumped magnetometers (OPM) and for small frequency standards (atomic clocks respectively). Modern developments in optical magnetometry are pointing in particular to a reduction of the size and volume of the devices used. The objective of this is to achieve a better integrability of the sensors but also to prevent problems, connected with measuring in inhomogeneous magnetic fields (for instance during the application of the sensor in the earth’s magnetic field). The reduction of the cell volume counters the demand on a high resolution of the measurement, however. This work is devoted to the mentioned contradiction of using atomic vapor cells with reduced volumes on the one hand and to the fabrication process of those cells based on microsystem technology on the other. With regards to the fabrication process a new development for the handling of the highly reactive alkali metal (cesium) is presented. To prevent bothering interactions of the cesium with the cell’s body, a technique to passivate the cell walls with ultra-thin layers of Al2O3 , deposit by atomic layer deposition, is introduced. Special emphasis should be placed on a method to seal the vapor cells hermetically with an adapted anodic bonding process, carried out at room temperature and with voltages of about 100V. This unique combination in the process parameters is enabled by the application of thin, highly ion-conductive, lithium containing glass layers. The final result of this work is an array of several atomic vapor cells, connected via canals to a central structure. This so-called reservoir is used to gather the metallic cesium. The structure of this setup guarantees identical characteristics of each cell during the measurements. By adjustments of the type and especially the pressure of the buffer gas used, the shot-noise-limited sensitivity of the cells fabricated here was enhanced to values of about 150fT/ √ Hz. In relation to the cell’s volume of 50mm3 it follows a sensitivity of about 33.6 fTcm3/2 / √ Hz. With regard to the used working regime this is a peak value compared with values published to date.

Zitieren

Zitierform:

Woetzel, Stefan: Mikrosystemtechnisch integriertes, optisch gepumptes Magnetometer. gw 2017.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export