CN107144392A - 固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统，包括探头，所述探头包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上表面中部加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底上表面生长一层覆盖NV色心波导的金刚石折射率匹配层作为反射膜，所述金刚石衬底上表面加工微带天线阵列，所述微带天线阵列延伸有微带天线端口，所述微带天线端口连接微波源，所述微带天线阵列上表面镀有压磁薄膜。本发明采用内嵌NV色心的波导的金刚石衬底作为敏感单元，利用激光实现电子能级跃迁，通过扫描微波，压力探头内的压磁薄膜感受外界压力会产生与压力大小相关的磁场，通过荧光强度谱线两个峰值对应的微波频率的差值来对压力进行标定，实现压力的超高精度测量。

Description

固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统

技术领域

本发明涉及量子传感领域，具体是一种基于金刚石NV色心量子自旋效应的敏感单元结构表面应力噪声超高精度测试系统。

背景技术

微机械(MEMS)传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的传感器类型，对于加工、实验、测试过程中需要精确测量微机械结构的表面应力来提高微机械结构的性能，同时也对测量器件在复杂环境中稳定工作提出了更高的要求。另外传感器产品结构向全面、协调、持续发展。产品品种要向高技术、高附加值倾斜，尤其要填补“空白”品种。目前广泛使用的表面应力/压力传感方法易出现的故障主要有以下几种：一是表面压力加上去，变送器输也上不去。二是加压变送器输出不变化，三是变送器输出信号不稳。

针对上述这些问题，开发一种面向微机械固态传感器环境适应性强,应用范围广的超高精度表面应力噪声测试方法十分必要。

发明内容

本发明目的是鉴于固态NV色心金刚石原子自旋共振效应，提出一种量子技术新领域的超高精度表面应力噪声测试系统，其基于平面色心波导、平面微波和射频微带天线、纳米磁性薄膜集成度高且具有压力范围大、精度高、应用范围广抗干扰能力强等特性。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统，包括探头，所述探头包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上表面中部加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底上表面生长一层覆盖NV色心波导的金刚石折射率匹配层作为反射膜，所述金刚石衬底上表面加工微带天线阵列，所述微带天线阵列延伸有微带天线端口，所述微带天线端口连接微波源，所述微带天线阵列上表面镀有压磁薄膜；所述金刚石衬底背面加工有光纤端口，所述光纤端口包括激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口，所述光纤端口与耦合器的光纤端口连接，且光纤端口中的激光输入端口与耦合器的光纤端口联通，所述光纤端口中的荧光信号输出光电检测端口与耦合器的光纤端口联通；所述耦合器的光纤端口通过光纤与激光器的输出端连接，所述耦合器的光纤端口通过光纤与的光电探测器输入端连接，所述光电探测器的输入端安装滤光片，所述光电探测器的输出端与信号调制器的输入端连接，所述信号调制器的输出端与压力显示器的输入端连接。

工作时，当半导体激光器发出的激光经光纤进入耦合器，经光纤端口和光纤端口到达内嵌NV色心波导的金刚石衬底，激光经NV色心的电子从基态激发到激发态。对于NV色心，在只有外加微波而没有外加磁场时，只有1个荧光强度峰值，外加磁场后，由于塞曼效应和电子自旋，NV色心的能级会发生分裂，从而出现2个荧光强度峰值，而且两个荧光强度的峰值所对应的两个微波频率的差值与磁场强度有着一定的线性关系，通过测量两个荧光强度峰值之间的微波频率差就可以得到外加磁场的磁场强度，外加磁场强度由压磁薄膜感受外界压力后提供。

激光器发出532nm激光，具体压力读取方法如下：

1、使用时，当用532nm的激光辐照NV色心金刚石时，NV色心电子从基态将被激发到激发态，NV色心激发态电子将与微波发生共振并发出600nm～800nm的荧光。NV色心的基态能级为三重态，存在2.87Ghz的零场分裂，即当微波频率为2.87Ghz时NV色心电子能级发生分裂。压磁薄膜在受到外界某一压力时产生一定的磁场，金刚石电子基态能级在微波源2.85～2.89Ghz的扫描下，可以得到NV色心的电子磁共振波谱或超精细能级磁共振谱线。

2、不同压力下的电子磁共振波谱的两个共振峰值之间的微波频率差值不同，亦即对应的压力不同。通过对其进行一定的标定，可以将两者之间建立线性关系，从而实现了压力的超高精度测量。

本发明对研制、开发、应用基于固态原子自旋效应的新一代压力传感器意义非凡，特别是在恶劣环境下的航空航天、军工、石化、油井、船舶、管道等行业的流体压力和气压测量有其明显的优势。

附图说明

图1表示本发明的结构示意图。

图2表示本发明中耦合器的光路传播示意图。

图3表示本发明探头端面示意图。

图中：1-探头保护外壳，2-压磁薄膜，3-微带天线端口，4-微带天线，5-反射膜，6-金刚石衬底，7-微波源，8-激光器，9-光纤，10-压力显示器，11-光纤端口，12-滤光片，13-光电探测器，14-信号调制器，15-压力传感器外框，16-耦合器，17-光纤端口，18-光纤端口，19-光纤端口，20-通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统，包括532nm激光器、微波源、耦合器、光电探测器、信号调制器、压力显示器等。

具体连接关系如图1所示，压力传感器包括压力探头，所述压力探头包括金刚石衬底6，所述金刚石衬底6上表面中部加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石NV色心波导的厚度200微米、直径200微米。所述金刚石衬底6上表面生长一层覆盖NV色心波导的厚度为200nm的金刚石折射率匹配层作为反射膜5，用以反射金刚石受激产生的荧光。所述金刚石衬底6上表面加工微带天线阵列4，用于接收微波信号。所述微带天线阵列4中微带天线的规格为：长250微米，宽和高均为40微米。所述微带天线阵列4延伸有微带天线端口3，所述微带天线端口3连接微波源7，所述微带天线阵列4上表面镀有压磁薄膜2，充当外加磁场；所述金刚石衬底6背面横截面积上加工有光纤端口 11，与金刚石衬底6配合。所述光纤端口 11包括激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口，所述光纤端口 11与耦合器16的光纤端口 18连接，且光纤端口 11中的激光输入端口与耦合器16的光纤端口 17联通，所述光纤端口 11中的荧光信号输出光电检测端口与耦合器16的光纤端口 19联通；也就是说，如图2所示，光纤耦合器可使光在其里边实现单向传输，从光纤端口 17进去的激发光只能经光纤端口 18传输出去，而从光纤端口 18处传出的NV 色心荧光只能传向光纤端口 19，因此，光纤端口 19处只能接受到NV色心荧光信号，而没有光纤端口 17传出532nm激发光，从而避免了多种光信号性干叠加导致的测量不准确。所述耦合器16的光纤端口 17通过光纤9与激光器8的输出端连接，半导体激光器8发出532nm的激光通过光纤9由光纤端口 17进入耦合器16，经光纤端口 18出去后在经光纤端口 11到达金刚石衬底6。所述耦合器16的光纤端口 19通过光纤9与的光电探测器13输入端连接，所述光电探测器13的输入端安装滤光片12，所述光电探测器13的输出端与信号调制器14的输入端连接，所述信号调制器14的输出端与压力显示器10的输入端连接。金刚石NV色心波导的荧光信号随光纤端口 11经光纤端口 18进入到耦合器16，再经光纤端口 19到达滤光片12，光电探测器13接受从滤光片12出来的不含激光的荧光，在通过信号调制器14的处理系统，在压力显示器10上显示出测量的压力。

如图3所示，所述探头外部设有探头保护外壳1，所述探头保护外壳1端面开设有用于传输外界压力的通孔20。所述压磁薄膜2通过探头保护外壳1上的通孔20感受外界气压或流体压力。所述探头保护外壳1外表面镀有隔热膜，以减少温度对传感器精度的影响。

如图1所示，激光器8、耦合器16、微波源7、光电探测器13、信号调制器14及压力显示器10集成在压力传感器外框15内。

当半导体激光器8发出532nm的激光经光纤9进入耦合器16，经光纤端口 18、光纤端口 11到达内嵌NV色心波导的金刚石衬底6，532nm的激光经NV色心的电子从基态激发到激发态。对于NV色心，在只有外加微波而没有外加磁场时，只有1个荧光强度峰值，外加磁场后，由于塞曼效应和电子自旋，NV色心的能级会发生分裂，从而出现2个荧光强度峰值，而且两个荧光强度的峰值所对应的两个微波频率的差值与磁场强度有着一定的线性关系，通过测量两个荧光强度峰值之间的微波频率差就可以得到外加磁场的磁场强度，外加磁场强度由压磁薄膜2感受外界压力后提供。

本发明所提供的基于金刚石NV色心自旋量子效应的超高精度芯片级压力传感器的制备方法，具体如下：首先采用微纳米制造工艺在金刚石表面加工制造了高浓度色心波导结构，通过兼容工艺共面集成微波、射频天线和磁性纳米薄膜。

1、采用MEMS加工工艺，制备低损耗金刚石色心波导及其波导表面折射率匹配包裹结构，实现对NV色心荧光信号高效率收集，工艺流程如下：

1.1、采用MPCVD外延工艺和电子束辐射技术，在高温退火后在衬底上形成高质量的NV色心薄膜层，具体流程如下：

1.1.1、高浓度金刚石色心制备工艺：利用微波化学气相沉积（MPCVD）技术制备浓度高于10¹⁸cm^-1的金刚石色心；即采用高纯化N₂气源（99.99%）和高内壁清洁净度气管，气源入腔口采用12500目过滤网进行微尘，净化气体；在超高真空（10^-7torr）下采用高压微波等离子化CH₄、H₂、N₂三种气体，激发出C、N原子，利用原子磁矩相互作用效应，采用磁、电约束方法，精确操控C、N原子比例，实现超高均匀性的浓度高于10¹⁸cm^-1的氮元素可控制造高浓度金刚石色心。

1.1.2、NV色心活化工艺：采用高能10MeV电子束辐射对金刚石衬底进行5小时辐照，进行原位电子与晶格中的碳元素碰撞，产生空位；在超高真空环境下，快速退火驱使碳元素向表面移动，消除晶格畸变和残余应力，然后在真空下850℃高温下退火2h，使空位发生迁移，并捕获电子，形成NV色心。

1.2、采用多次抛光技术对金刚石衬底的上下表面进行抛光。

1.3、在金刚石衬底上表面外延生长一层氧化硅掩膜层200nm。

1.4、采用光刻和刻蚀技术，图像化转移制备出金刚石NV色心波导图像结构。

1.5、采用干法刻蚀技术进行金刚石体结构刻蚀，在金刚石衬底中部形成金刚石NV色心波导，厚度200微米，宽度200微米。

1.6、去除氧化硅掩膜层，然后采用MPCVD外延生长一层金刚石折射率匹配层200nm，作为全反射包层，实现对波导内中光信号局限传输，实现对输出信号的高效率收集和增强读出。

2、芯片级平面集成与制造

在加工的金刚石波导结构上进行微波、射频天线以及磁性纳米薄膜集成加工，具体步骤如下：

2.1、在反射膜上共面集成微波、射频天线；具体如下：

2.1.1、采用电子束蒸发技术，在加工好的金刚石衬底上制备一层800~850nm的Ti/Pt/Au，其中Ti厚度为100nm～200nm，Pt厚度约为50nm～100nm，Au厚度为300nm～600nm。

2.1.2、采用IBE刻蚀技术，在衬底上位于金刚石NV色心波导的两侧分别刻蚀出微带天线阵列结构，微带天线长250微米，宽和高为40微米。

2.2、在共面集成微波、射频天线阵列上表面镀一层纳米磁性颗粒，作为压磁薄膜。

2.3、金刚石衬底及其上的反射膜、微带天线、磁性纳米薄膜、光刻胶封装于探头保护壳体内，进行芯片级压力探头平面集成与制造。全固化封装整个芯片级结构，通过端面耦合方式，在金刚石NV色心波导两端封装激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口，在微带天线的输入端封装微波、射频信号输入端口。封装后，微带天线则通过端面耦合方式连接微波输入端口，荧光信号从光纤端口接受，经光纤传输出去。全固化封装整个芯片级结构，整个封装过程中对NV色心的激发和收集均是在光纤中完成的，并不需要采用共聚焦显微系统。通过光纤方便的对该NV色心进行激发和荧光收集，传输稳定，可永久使用。

2.4、将激光器、耦合器、微波源、光电探测器、信号调制器及压力显示器集成在压力传感器外框内。

本发明采用内嵌NV色心的波导的金刚石衬底作为敏感单元，利用532nm激光实现电子能级跃迁，通过扫描微波，压力探头内的压磁薄膜感受外界压力会产生与压力大小相关的磁场，通过荧光强度谱线两个峰值对应的微波频率的差值来对压力进行标定，从而实现压力的超高精度测量。

本发明设计合理，利用MPCVD磁、电约束方法制备了浓度大于10¹⁸cm^-1的氮元素掺杂金刚石结构，利用微纳加工工艺方法制备了金刚石色心波导结构，实现了NV色心结构的波导内全激发，同时结合电子束加工方法实现了微波、射频天线的共面制造以及压磁薄膜的芯片化一体集成。

以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统，其特征在于：包括探头，所述探头包括金刚石衬底（6），所述金刚石衬底（6）上表面中部加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底（6）上表面生长一层覆盖NV色心波导的金刚石折射率匹配层作为反射膜（5），所述金刚石衬底（6）上表面加工微带天线阵列（4），所述微带天线阵列（4）延伸有微带天线端口（3），所述微带天线端口（3）连接微波源（7），所述微带天线阵列（4）上表面镀有压磁薄膜（2）；所述金刚石衬底（6）背面加工有光纤端口（11），所述光纤端口（11）包括激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口，所述光纤端口（11）与耦合器（16）的光纤端口（18）连接，且光纤端口（11）中的激光输入端口与耦合器（16）的光纤端口（17）联通，所述光纤端口（11）中的荧光信号输出光电检测端口与耦合器（16）的光纤端口（19）联通；所述耦合器（16）的光纤端口（17）通过光纤（9）与激光器（8）的输出端连接，所述耦合器（16）的光纤端口（19）通过光纤（9）与的光电探测器（13）输入端连接，所述光电探测器（13）的输入端安装滤光片（12），所述光电探测器（13）的输出端与信号调制器（14）的输入端连接，所述信号调制器（14）的输出端与压力显示器（10）的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统，其特征在于：所述探头外部设有探头保护外壳（1），所述探头保护外壳（1）端面开设有用于传输外界压力的通孔（20）。

3.根据权利要求1或2所述的固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统，其特征在于：所述金刚石NV色心波导的厚度200微米、直径200微米。

4.根据权利要求3所述的固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统，其特征在于：所述微带天线阵列（4）中微带天线的规格为：长250微米，宽和高均为40微米。

5.根据权利要求4所述的固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统，其特征在于：所述金刚石折射率匹配层厚200nm。

6.根据权利要求1或2所述的固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统，其特征在于：激光器（8）、耦合器（16）、微波源（7）、光电探测器（13）、信号调制器（14）及压力显示器（10）集成在压力传感器外框（15）内。

7.根据权利要求2所述的固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统，其特征在于：所述探头保护外壳（1）外表面镀有隔热膜。

8.根据权利要求6所述的固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统，其特征在于：所述激光器（8）发出532nm激光。