CN107314833B - 原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统，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磁性纳米薄膜。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，温度探头内的磁性纳米薄膜感受外界温度会产生与温度大小相关的磁场，通过荧光强度谱线两个峰值对应的微波频率的差值来对温度进行标定，实现温度的超高精度测量。

Description

原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统

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温度噪声超高精度测试标定系统。

背景技术

随着电子、医疗、通讯、航空航天行业的技术的飞速发展和广泛普及，由此带来的对于加工、实验、测试过程中需要精确测量温度的需求日趋重要，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。目前广泛用于温度测量的传感器工作原理普遍采用：根据金属丝的电阻随温度变化的原理工作的热电阻；两种导体接触在一块，结点处会有一个稳定的电动势。同一导体，两端温度不同会有一定大小的电动势的热电偶和利用感温液体受热膨胀原理工作的液体温度计。

因此，开发一种环境适应性强，应用范围广的传感器十分必要。

发明内容

本发明目的是针对固态NV色心金刚石原子自旋效应，提出一种基于平面色心波导、平面微波和射频微带天线、纳米磁性材料的集成芯片级金刚石色心温度噪声超高精度测试标定系统，具有体积小、精度高、温度范围大、操作简单和可持续工作等特性。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统，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磁性纳米薄膜；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温度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，外加磁场强度由磁性纳米薄 膜感受外界温度后提供。

激光器发出532nm激光，具体温度读取方法如下：

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，由于NV色心电子激发态特有的激发态能级结构在电子回落到基态时会发出一定强度的荧光。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。磁性纳米薄膜在感受到外界某一温度时产生与之对应的磁场，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共振谱线。

2、通过温度影响磁场，不同磁场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。温度越高，对应的磁场越大，峰-峰值的微波频率差值越大，如附图3所示的光探测磁共振波谱图。对其进行一定的标定，可以通过磁场将温度和共振波谱峰-峰值对应的微波两者建立线性关系，从而实现了温度的超高精度测量。

本发明对研制新一代基于固态原子自旋效应的温度传感器有着重要的意义和价值，将服务于未来各个领域，特别是对灵敏度要求较高的电子、医疗、通讯、航空航天等的温度测量。

附图说明

图1表示本发明的结构示意图。

图2表示本发明耦合器中光路传播示意图。

图3表示光探测磁共振波谱图。

图中：1-光刻胶，2-磁性纳米薄膜，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-温度显示器，11-光纤端口，12-滤光片，13-光 电探测器，14-信号调制器，15-温度传感器外框，16-耦合器，17-光纤端口，18-光纤端口，19-光纤端口。

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。

一种原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统，包括532nm激光器、微波源、耦合器、光电探测器、信号调制器、温度显示器等。

具体连接关系如图1所示，温度传感器包括温度探头，所述温度探头包括金刚石衬 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上表面镀有磁性纳米薄膜2，充当外加磁场，所 述磁性纳米薄膜2上表面用光刻胶1保护，光刻胶1厚度2微米。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 的输出端与温度显示器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，在温度显示器10上显 示出测量的温度。

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及温度显示器10集成在温度传感器外框15内。金刚石衬底6及其上的反射膜5、微带天线4、磁性纳米薄膜2、光刻胶1封装于探头保护壳体内。

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 度由磁性纳米薄膜2感受外界温度后提供。

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温度传感器的制备方法，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，作为磁性纳米薄膜。

2.3、在磁性纳米薄膜上表面旋涂一层2微米的光刻胶，80度热烘2分钟，保护上表面结构。

2.4、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。

2.5、将激光器、耦合器、微波源、光电探测器、信号调制器及温度显示器集成在温度传感器外框内。

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，温度探头内的磁性纳米薄膜感受外界温度会产生与之对应的相关磁场，通过荧光强度谱线两个峰值对应的微波频率的差值来对温度进行标定，从而实现温度的超高精度测量。

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磁性纳米薄膜的芯片化一体集成，针对金刚石NV色心对温度的敏感测量常温到600K范围内的温度，达到所需要求。

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 (9)

1.一种基于金刚石NV色心量子自旋效应的温度传感器，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）上表面镀有磁性纳米薄膜（2）；所述金刚石衬底（6）背面加工有光纤端口Ⅰ（11），所述光纤端口Ⅰ（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Ⅰ（11）与耦合器（16）的光纤端口Ⅲ（18）连接，且光纤端口Ⅰ（11）中的激光输入端口与耦合器（16）的光纤端口Ⅱ（17）联通，所述光纤端口Ⅰ（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Ⅳ（19）联通；所述耦合器（16）的光纤端口Ⅱ（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Ⅳ（19）通过光纤（9）与光电探测器（13）的输入端连接，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）的输出端与温度显示器（10）的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心量子自旋效应的温度传感器，其特征在于：所述磁性纳米薄膜（2）上表面覆盖有光刻胶（1）。

3.根据权利要求1或2所述的基于金刚石NV色心量子自旋效应的温度传感器，其特征在于：所述金刚石NV色心波导的厚度为200微米、直径为200微米。

4.根据权利要求3所述的基于金刚石NV色心量子自旋效应的温度传感器，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所述的基于金刚石NV色心量子自旋效应的温度传感器，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所述的基于金刚石NV色心量子自旋效应的温度传感器，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）及温度显示器（10）集成在温度传感器外框（15）内。

7.根据权利要求2所述的基于金刚石NV色心量子自旋效应的温度传感器，其特征在于：所述光刻胶（1）厚2微米。

8.根据权利要求6所述的基于金刚石NV色心量子自旋效应的温度传感器，其特征在于：所述激光器（8）发出532nm激光。

9.根据权利要求6所述的基于金刚石NV色心量子自旋效应的温度传感器，其特征在于：金刚石衬底（6）及其上的反射膜（5）、微带天线（4）、磁性纳米薄膜（2）、光刻胶（1）封装于探头保护壳体内。