Des microvannes actionnées par laser pour remplir la cellule d'une horloge atomique miniature
Une équipe de l'Institut Femto-ST a transposé en microfabrication la technique de remplissage des cellules de gaz utilisées pour les horloges atomiques traditionnelles. Cette méthode, qui ouvre la voie à la production à grande échelle de micro-horloges pour de multiples applications, a fait l'objet d'une publication dans Nature Microsystems & Nanoengineering.
Les horloges atomiques miniatures sont des instruments compacts de haute précision, destinés notamment à des équipements de télécommunications ou de navigation. Le cœur de ces micro-horloges est constitué d'une cellule de dimensions millimétriques, qui contient des atomes de métal alcalin en phase vapeur dont l'état est mesuré par voie optique à l’aide d’un laser. Ces cellules sur puce sont réalisées par des techniques de microfabrication collective, mais leur remplissage par des gaz n'a pas encore trouvé de solution vraiment satisfaisante : les différentes techniques utilisées, qui doivent éviter l'introduction d'impuretés et garantir l'étanchéité de la cellule, ont chacune des inconvénients et des limitations. Une méthode a été mise au point à l'Institut Femto-ST (CNRS/Comue Université Bourgogne Franche-Comté), en collaboration avec l'Institut d’électronique de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université de Lille/Université Polytechnique Hauts-de-France), deux laboratoires de Renatech, le réseau académique français des équipements de pointe dans le domaine des micro et nanotechnologies, piloté par le CNRS. Cette méthode apporte une solution fiable pour remplir des cellules miniatures de manière collective, à l'échelle d'un wafer. De plus, elle peut être adaptée au développement d’autres capteurs et instruments atomiques réalisés par microfabrication.
La nouvelle approche, qui a fait l'objet d'un dépôt de brevet, transpose à l’échelle de la microfabrication des techniques de remplissage des cellules en verre centimétriques utilisées dans les horloges atomiques traditionnelles. Ces dernières sont fabriquées par des techniques spécifiques de soufflage de verre, qui permettent de connecter la cellule avec des sources de gaz, puis de la sceller hermétiquement. Sur le même principe, l'équipe de Femto-ST a réalisé des microstructures actionnables par laser qui, en ouvrant et fermant successivement des ''vannes'' micrométriques, réalisent le remplissage de la cellule par la vapeur de métal alcalin et différents gaz tampon.
Le dispositif sur puce, constitué de verre et de silicium, comprend la cellule à remplir, des réservoirs de gaz, et des canaux microfluidiques. L'action d'un laser, en perçant une mince paroi de silicium, met en communication un réservoir de gaz avec la cellule. De même, la fusion locale par laser d'une structure en verre ferme le micro canal après remplissage.
Le remplissage séquentiel, réalisé par le laboratoire à l'échelle d'un wafer de 200 cellules, a permis de créer des mélanges de gaz dont les proportions sont précisément contrôlées, et adaptées aux applications visées. L'étanchéité du dispositif a été validée sur une durée d'un an. Les dispositifs d'ouverture et de fermeture des ''vannes'' ont été testés séparément, mais seront prochainement intégrés.
Femto-ST est en discussion avec ses partenaires industriels, Tronics et Syrlinks (récemment intégré au groupe Safran), conjointement en charge du développement de la micro-horloge atomique commerciale française, afin de tester le nouveau procédé dans un contexte plus industriel et d'envisager un transfert technologique.
Références
Wafer-level vapor cells filled with laser-actuated hermetic seals for integrated atomic devices
V. Maurice, C. Carlé, S. Keshavarzi, R. Chutani, S. Queste, L. Gauthier-Manuel, J-M. Cote, R. Vicarini, M. A. Hafiz, R. Boudot & N. Passilly
Nature Microsystems & Nanoengineeringvolume 8, Article number: 129 (2022)
Publié le 14 décembre 2022
https://doi.org/10.1038/s41378-022-00468-x