CN103743390B

CN103743390B - 基于nv-色心金刚石—mems混合结构的陀螺仪及制作方法

Info

Publication number: CN103743390B
Application number: CN201310752272.2A
Authority: CN
Inventors: 房建成; 张宁; 张晨; 袁珩
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103743390A

Abstract

本发明提供的一种基于NV^‑色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪及制作方法，包括信号调理电路板、雪崩光电二极管（APD）、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、制作于绝缘衬底上的硅材料（SOI）上的NV^‑色心金刚石—MEMS混合结构和滤波片；结合了NV^‑色心金刚石自旋陀螺仪和MEMS陀螺仪的优点，克服了NV^‑色心金刚石陀螺仪和MEMS陀螺仪的不同误差源影响，具有更高的理论灵敏度和更好的稳定性，具有体积小、成本低、灵敏度高、操作条件简易等优势，对研制新一代基于固体原子自旋效应和MEMS效应的混合陀螺仪有着重要的价值，将服务于未来各个领域特别是低成本的惯性导航和测姿系统。

Description

基于NV-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪及制作方法

技术领域

本发明涉及陀螺仪的技术领域，具体涉及一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪及制作方法，对研制新一代基于固体原子自旋效应和MEMS效应的混合结构的陀螺仪有着重要的价值，将服务于未来各个领域特别是低成本的惯性导航和测姿系统。

背景技术

随着对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制技术的不断进步，MEMS陀螺仪的性能指标越来越高，以其尺寸小、价格便宜的优势在消费电子产品、汽车、工业以及医疗等各个行业得到了广泛的应用，为人们的生活带来了高效和便利。另外在国防技术方面，各类战术武器平台和导弹也需要更多低成本但仍保证一定精度的陀螺仪，采用体积更小、成本更低的陀螺仪代替目前价格相对较贵的光学陀螺仪。

目前使用的低精度惯性导航或测姿系统中使用的MEMS陀螺仪，虽然其成本仅几百元，且灵敏度可做到0.05°/h^1/2，但是漂移很差，通常为几度甚至十几度每小时，几分钟之内就不能继续用于惯性导航，需要重新标定。因此有必要探索保持MEMS陀螺仪成本的同时，提高其漂移精度。随着原子物理领域的重大科学发现与实验技术的突破，目前国内外都在探索基于量子力学的原子陀螺仪，主要包括核磁共振陀螺仪、无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋陀螺仪、冷原子干涉陀螺仪及固体原子自旋陀螺仪，这一类原子陀螺仪从理论上将陀螺仪的各方面性能提高了数个量级。通过结合新型原子陀螺技术和已有的MEMS加工技术，有望获得更高性能的微型陀螺仪。

内含NV^-色心的金刚石材料可用于制作固体原子陀螺仪，并可方便的和MEMS陀螺仪结合起来。采用NV^-色心中的电子自旋与核自旋可以实现空间旋转的测量。通过离子辐照后的金刚石材料中的NV^-色心可达10¹⁸cm^-3的密度，通过微波和射频场实现核自旋的极化，利用核自旋旋磁比小的特点，可以有效的降低磁场、温度波动、材料表面张力等引入的误差，大大提高陀螺的稳定性指标。利用核自旋和电子自旋之间的耦合作用，可将核自旋布居数写入电子自旋布居数，从而实现高效读出。利用NV^-色心氮原子核自旋进行惯性测量，可实现随机游走优于0.05°/h^1/2mm³的高稳定性固体原子陀螺仪，其敏感源金刚石材料可以为微米尺度，可方便的结合MEMS陀螺仪。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，同时结合了MEMS陀螺的低成本小尺寸特性与核自旋陀螺的高精度高灵敏特性。本发明还提供了所述新型陀螺仪的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的制作方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，包括信号调理电路板、雪崩光电二极管（APD）、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、制作于绝缘衬底上的硅材料（SOI）上的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构和滤波片；所述NV^-色心金刚石—MEMS混合结构包括两种不同机理的敏感部件：NV^-色心金刚石惯性敏感部件和MEMS悬臂梁惯性敏感部件；

所述MEMS悬臂梁惯性敏感部件包括位于SOI材料的中心位置的MEMS悬臂梁，其根部由SOI上层硅板伸出并与SOI下层硅板分离，其顶端与SOI下层硅板边缘齐平；SOI中层二氧化硅板的下边缘与MEMS悬臂梁的根部齐平；在SOI下层硅板上具有第一金电极与第二金电极，相对于MEMS悬臂梁对称分布，形成MEMS惯性敏感部件输出电容变化信号；所述NV^-色心金刚石惯性敏感部件包括NV^-色心金刚石，其位于在MEMS悬臂梁上形成的波导槽中，所述波导槽从MEMS悬臂梁中部贯穿至SOI上层硅板的上边缘；在波导槽的底端粘贴有永磁体，用来产生操控电子能级所需要的静磁场，同样大小的反射镜固定于永磁体之前以反射NV^-色心金刚石发出的637nm荧光；NV^-色心金刚石放置于反射镜前面；在波导槽中滴入SU-8光刻胶形成波导介质以传递532nm激光和637nm荧光，从而实现电子自旋极化和荧光检测；作为微波天线的金导线位于波导槽的中线上，从SOI上层硅板上边缘延伸至金刚石下边缘以实现电子能级操控；

所述APD、VCSEL、SOI和滤波片均位于信号调理电路板上；信号调理电路板发生微波频率控制信号、接收并调理APD输出的荧光强度信号、接收并调理第一金电极和第二金电极输出的电容变化信号和发生VCSEL通断控制信号；VCSEL放置于SOI上方，发出532nm激光来激发金刚石电子自旋；金导线接到信号调理电路板上，通过传输无线电频率控制信号实现电子能级间的跃迁，从而从而控制荧光强度的变化同时控制APD输出的检测电压；APD紧贴在波导槽底部，吸收SU-8光刻胶传递出的金刚石发出的637nm荧光；滤波片（5）位于APD和SOI输出荧光端之间，阻断532nm光的同时使637nm荧光透过到APD（2）；SOI下层硅板上的第一金电极和第二金电极通过导线连接到信号调理电路板上，输出MEMS悬臂梁振动引起的电容变化信号。

其中，所述波导槽的宽为120μm，深为80μm，长为600μm。

其中，所述永磁体的大小为190×80×10μm³。

其中，所述NV^-色心金刚石的大小为100×80×20μm³，NV^-色心金刚石中NV^-色心浓度达10¹⁸/cm³以上。

其中，所述金导线的宽为5μm，长为580μm。

其中，所述SOI材料的大小800×800×300μm³。

其中，所述信号调理电路板利用现有技术实现发生微波频率控制信号、接收并调理APD2输出的荧光强度信号、接收并调理SOI1输出的电容变化信号和发生VCSEL3通断控制信号等功能。

另外，本发明提供一种基于上述陀螺仪的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、提供一块未加工的SOI材料，通过干式蚀刻工艺在SOI上形成一个凸台，用于制作MEMS悬臂梁，并使部分SOI中层二氧化硅板暴露出来；

步骤二、通过深层离子蚀刻技术DRIE在凸台上形成宽120μm深800μm的波导槽，波导槽由凸台中部延伸至SOI上层硅板上边缘；

步骤三、在SOI上通过湿式蚀刻工艺去除暴露出来的SOI中层二氧化硅板，从而形成MEMS悬臂梁，并使部分SOI下层硅板暴露出来；

步骤四、在波导槽底部分别依次固定一块800×100×10μm³的永磁体、一块800×100×10μm³的反射镜和一块800×100×20μm³的NV^-色心金刚石材料；之后在波导槽内滴入SU-8光刻胶形成波导介质；

步骤五、在SOI上通过化学气相淀积工艺形成一层金通过湿式蚀刻工艺形成第一金电极、第二金电极和5μm宽的金导线。

本发明的原理在于：

本发明通过结合MEMS陀螺仪和NV^-色心金刚石自旋陀螺仪两种惯性敏感机理来实现转动角速度的测量。MEMS陀螺仪的基本原理为：利用科里奥利原理把角速率转换成一个特定感应结构的位移，再将位移转换成电极间电容的变化。为MEMS悬臂梁提供励磁使其发生规律振荡，若外部施加一个角速率，会产生一个与MEMS悬臂梁振荡方向垂直的科里奥利力。产生的科里奥利力使MEMS悬臂梁自由端发生侧向位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。MEMS悬臂梁自由端发生的侧向位移将引起第一金电极与第二金电极之间的电容变化，因此在MEMS陀螺仪输入施加的角速率被转化成一个信号调理电路板可以检测的电参数。陀螺仪的信号调理电路板包括MEMS电机驱动部分和MEMS加速传感器感应电路两部分：MEMS电机驱动部分通过静电激励方法，使驱动电路前后振荡，为MEMS悬臂梁提供励磁。MEMS加速传感器感应电路部分通过测量两电极间电容变化来测量科里奥利力在MEMS悬臂梁自由端上产生的侧向位移。

NV^-色心金刚石自旋陀螺仪的基本原理为：通过检测NV^-色心金刚石自旋在空间旋转时产生的几何相来实现转动角速度的测量。利用532nm激光将NV^-色心电子自旋极化，使电子自旋初始化至自旋S=0的态。通过施加频率约为2.87GHz的微波，同时利用双光子跃迁技术实现电子自旋极化到核自旋极化的传递。当金刚石样品在空间中发生旋转时，被极化的核自旋在Ramsey序列下将发生几何相的积累。通过一组微波序列作用可以实现核自旋能量和电子自旋能量的交换，从而将核自旋布居数转移为电子自旋的布居数。利用532nm激光照射可将电子自旋从基态激发，此时自旋S=0态的电子从激发态落回基态时发出的荧光多于自旋S=1态的电子发出的荧光，利用该效应即可实现电子自旋布居数的检测，从而可得到核自旋布居和几何相位的大小，进而可获得色心NV轴绕旋转轴的角速度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

采用内含高浓度氮原子-空位(NV^-)色心的金刚石材料与MEMS结构组合形成的混合结构作为敏感元件，利用激光及微波等手段实现电子能级与荧光强度的操控和检测，同时结合MEMS工作原理得到复合信号，最后通过Kalman滤波技术实现惯性信号的测量。

（1）、本发明结合了MEMS陀螺仪和NV^-色心金刚石自旋陀螺仪各自的优点，克服了两种不同惯性敏感误差源，集尺寸小价格便宜和高灵敏度高稳定性于一体，提高了系统信噪比；

（2）、本发明利用NV^-色心金刚石固体材料，相比于以气态原子为敏感元的原子自旋陀螺，可以使单位体积内敏感原子数目提高了4至5个数量级，可有效减小陀螺仪体积并提高信噪比；

（3）、本发明对操作环境没有严格要求，扩大了系统应用范围。

附图说明

图1为本发明的结构图侧视图；

图2为本发明制作于绝缘衬底上的硅材料（SOI）上的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的俯视图；

图3为本发明制作于绝缘衬底上的硅材料（SOI）上的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的侧视图；

图4为本发明所用未加工的绝缘衬底上的硅材料（SOI）的侧视图；

图5为本发明制作于绝缘衬底上的硅材料（SOI）上的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的制作流程示意图。

附图标记列示如下：1-制作于绝缘衬底上的硅材料（SOI）上的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构，2-雪崩光电二极管，3-垂直腔面发射激光器，4-信号调理电路板，5-滤波片，6-SOI材料上层硅板，7-SOI材料中层硅板，8-SOI材料下层硅板，9-第一金电极，10-第二金电极，11-波导槽，12-SU-8光刻胶，13-金导线，14-NV^-色心金刚石，15-反射镜，16-永磁体，17-MEMS悬臂梁，18-NV^-色心金刚石惯性敏感部件，19-MEMS悬臂梁惯性敏感部件。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的新型陀螺仪，包括信号调理电路板4、雪崩光电二极管（APD）2、垂直腔面发射激光器（VCSEL）3、制作于绝缘衬底上的硅材料（SOI）上的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构1和滤波片5；

雪崩光电二极管（APD）2、垂直腔面发射激光器（VCSEL）3、SOI材料1和滤波片5均位于信号调理电路板4上。信号调理电路板4发生微波频率控制信号、接收并调理APD2输出的荧光强度信号、接收并调理SOI1输出的电容变化信号和发生VCSEL3通断控制信号等。信号调理电路板包括MEMS电机驱动部分和MEMS加速传感器感应电路两部分。在信号调理电路内部有先进的电源关断功能，当不需要MEMS陀螺仪功能时，可关闭整个传感器以大幅降低陀螺仪的总功耗，当需要检测MEMS陀螺仪上施加的角速率时，在接到用户的命令后，MEMS陀螺仪可以立即开始工作。

VCSEL3放置于SOI1上方，发出532nm激光来激发SOI1中的NV^-色心金刚石电子自旋。SOI1中的金导线接到信号调理电路板4上，通过传输无线电频率控制信号实现电子能级间的跃迁，从而从而控制荧光强度的变化同时控制APD输出的检测电压。APD2紧贴在SOI1的底部，吸收SOI1中的金刚石发出的637nm荧光。滤波片（5）位于APD和SOI输出荧光端之间，阻断532nm光的同时使637nm荧光透过到APD2；SOI下层硅板上的第一金电极和第二金电极通过导线连接到信号调理电路板4上，输出SOI1中的MEMS悬臂梁振动引起的电容变化信号。

SOI1上的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构包括两种不同机理的敏感部件：NV^-色心金刚石惯性敏感部件18和MEMS悬臂梁惯性敏感部件19，见图2和图3。MEMS悬臂梁惯性敏感部件19中的MEMS悬臂梁17根部位于SOI1的中心位置，由SOI上层硅板6伸出并与SOI下层硅板8分离，其顶端与SOI下层硅板8边缘齐平。SOI中层二氧化硅板7的下边缘与MEMS悬臂梁17的根部齐平。第一金电极9与第二金电极10位于SOI下层硅板8上，相对于MEMS悬臂梁17对称分布形成MEMS惯性敏感部件19输出电容变化信号。在MEMS悬臂梁17上形成宽120μm深800μm的波导槽11，波导槽11从MEMS悬臂梁17中部贯穿至SOI上层硅板6上边缘。800×100×10μm³的永磁体16粘贴于波导槽11的底端用来产生操控电子能级所需要的静磁场，同样大小的反射镜15固定于永磁体16之前以反射金刚石发出的637nm荧光。800×100×20μm³的金刚石14放置于反射镜15前面，金刚石14中NV^-色心浓度达10¹⁸/cm³以上。在波导槽11中滴入SU-8光刻胶12形成波导介质以传递532nm激光和637nm荧光，从而实现电子自旋极化和荧光检测。作为微波天线的5μm宽的金导线13位于SU-8光刻胶12的中线上，从SOI上层硅板6上边缘延伸至金刚石14下边缘以实现电子能级操控。

基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的新型陀螺仪的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的一种制作方法，包括以下步骤，如图5所示：

步骤一、提供一块通未加工的SOI1见图4，过干式蚀刻工艺在SOI1上形成一个凸台，用于制作MEMS悬臂梁17，并使部分SOI中层二氧化硅板7暴露出来；

步骤二、通过深层离子蚀刻技术DRIE在凸台上形成宽120μm深800μm的波导槽11，波导槽11由凸台中部延伸至SOI上层硅板上边缘；

步骤三、在SOI1上通过湿式蚀刻工艺去除暴露出来的SOI中层二氧化硅板7，从而形成MEMS悬臂梁17，并使部分SOI下层硅板8暴露出来；

步骤四、在波导槽11底部分别依次固定一块800×100×10μm³的永磁体16、一块800×100×10μm³的反射镜15和一块800×100×20μm³的NV^-色心金刚石材料。之后在波导槽11内滴入SU-8光刻胶12形成波导介质；

步骤五、在SOI1上通过化学气相淀积工艺形成一层金通过湿式蚀刻工艺形成第一金电极9、第二金电极10和5μm宽的金导线13，这样就完成了完整NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的制造。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，其特征在于，包括信号调理电路板(4)、雪崩光电二极管(APD)(2)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)(3)、制作于绝缘衬底上的硅材料(SOI)(1)上的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构和滤波片(5)；所述NV^-色心金刚石—MEMS混合结构包括两种不同机理的敏感部件：NV^-色心金刚石惯性敏感部件(18)和MEMS悬臂梁惯性敏感部件(19)；

所述的MEMS悬臂梁惯性敏感部件(19)包括位于SOI(1)中心位置的MEMS悬臂梁(17)，其根部由SOI上层硅板(6)伸出并与SOI下层硅板(8)分离，其顶端与SOI下层硅板(8)边缘齐平；SOI中层二氧化硅板(7)的下边缘与MEMS悬臂梁(17)的根部齐平；SOI下层硅板(8)上具有第一金电极(9)与第二金电极(10)，相对于MEMS悬臂梁(17)对称分布，形成MEMS悬臂梁惯性敏感部件(19)输出电容变化信号；所述NV^-色心金刚石惯性敏感部件包括NV^-色心金刚石，其位于在MEMS悬臂梁(17)上形成的波导槽(11)中，波导槽(11)从MEMS悬臂梁(17)中部贯穿至SOI上层硅板(6)上边缘；在波导槽(11)的底端粘贴有永磁体(16)，用来产生操控电子能级所需要的静磁场，同样大小的反射镜(15)固定于永磁体(16)之前以反射NV^-色心金刚石发出的637nm荧光；NV^-色心金刚石(14)放置于反射镜(15)前面；在波导槽(11)中滴入SU-8光刻胶(12)形成波导介质以传递532nm激光和637nm荧光，从而实现电子自旋极化和荧光检测；作为微波天线的金导线(13)位于波导槽(11)的中线上，从SOI上层硅板(6)上边缘延伸至NV^-色心金刚石(14)下边缘以实现电子能级操控；

所述的APD(2)、VCSEL(3)、SOI(1)和滤波片(5)均位于信号调理电路板(4)上；信号调理电路板(4)发生微波频率控制信号、接收并调理APD(2)输出荧光强度信号、接收并调理第一金电极(9)和第二金电极(10)输出电容变化信号和发生VCSEL(3)通断控制信号；VCSEL(3)放置于SOI(1)上方，发出532nm激光来激发NV^-色心金刚石(14)电子自旋；金导线(13)接到信号调理电路板(4)上，通过传输无线电频率控制信号实现电子能级间的跃迁，从而控制荧光强度的变化同时控制APD输出的检测电压；APD(2)紧贴在波导槽(11)底部，吸收SU-8光刻胶(12)传递出的NV^-色心金刚石(14)发出的637nm荧光；滤波片(5)位于APD和SOI输出荧光端之间，阻断532nm光的同时使637nm荧光透过到APD(2)；SOI下层硅板(8)上的第一金电极(9)和第二金电极(10)通过导线连接到信号调理电路板(4)上输出MEMS悬臂梁(17)振动引起的电容变化信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，其特征在于，所述波导槽的宽为120μm，深为80μm，长为600μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，其特征在于，所述永磁体的大小为190×80×10μm³。

4.根据权利要求1所述的一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，其特征在于，所述NV^-色心金刚石的大小为100×80×20μm³，NV^-色心金刚石中NV^-色心浓度达10¹⁸/cm³以上。

5.根据权利要求1所述的一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，其特征在于，所述金导线的宽为5μm，长为580μm。

6.根据权利要求1所述的一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，其特征在于，所述SOI材料的大小为800×800×300μm³。

7.根据权利要求1所述的一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，其特征在于，所述信号调理电路板利用现有技术实现发生微波频率控制信号、接收并调理APD(2)输出的荧光强度信号、接收并调理SOI(1)输出的电容变化信号和发生VCSEL(3)通断控制信号功能。

8.一种如权利要求1至7之一所述的陀螺仪的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、提供一块未加工的SOI材料，通过干式蚀刻工艺在SOI(1)上形成一个凸台，用于制作MEMS悬臂梁(17)，并使部分SOI中层二氧化硅板(7)暴露出来；

步骤二、通过深层离子蚀刻技术DRIE在凸台上形成宽120μm深800μm的波导槽(11)，波导槽(11)由凸台中部延伸至SOI上层硅板上边缘；

步骤三、在SOI(1)上通过湿式蚀刻工艺去除暴露出来的SOI中层二氧化硅板(7)，从而形成MEMS悬臂梁(17)，并使部分SOI下层硅板(8)暴露出来；

步骤四、在波导槽(11)底部分别依次固定一块800×100×10μm³的永磁体(16)、一块800×100×10μm³的反射镜(15)和一块800×100×20μm³的NV^-色心金刚石材料；之后在波导槽(11)内滴入SU-8光刻胶(12)形成波导介质；

步骤五、在SOI(1)上通过化学气相淀积工艺形成一层金，通过湿式蚀刻工艺形成第一金电极(9)、第二金电极(10)和5μm宽的金导线(13)。