CN108732518B - 集成化的小型nv色心固态磁强计及制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于固态原子磁强计领域和微纳加工制造领域，特别是公开了一种集成化的小型NV色心固态磁强计及其制作工艺，本发明对含有NV色心的块状金刚石进行聚合物封装，形成共振微腔体，同时，将ODMR测试的相关功能器件，包括激光二极管、微波天线和干涉截止滤波片，通过微组装工艺进行集成，该集成化系统将金刚石和微波天线都集成到共振腔体内，激光二极管置于金刚石顶端用于直接产生532nm波长的激光，激发金刚石内部的NV色心产生荧光，该系统能够更好的囚禁532激光，使其在腔体内部多次进行全反射，且将微波天线与金刚石同时包裹在腔体内，高效的收集激发荧光信号。运用这套集成化腔增强磁测量系统能进行高灵敏度磁测量。

Description

集成化的小型NV色心固态磁强计及制作工艺
技术领域
本发明属于固态原子磁强计领域和微纳加工制造领域，特别是涉及一种集成化的小型NV色心固态磁强计及其制作工艺。
背景技术
微弱磁场测量作为研究物质特性、探测未知世界的一种有效手段，在许多研究领域起着重要作用，受到越来越多研究人员的关注。NV色心固态原子磁强计研究是集量子技术、光电信息技术、精密微加工、微波技术、高速信号处理技术和计算机信息处理技术于一体的综合性多学科交叉研究课题。经过近十年的发展，原子磁强计已成为最有可能取代超导量子干涉仪(SQUID)并微型化的新一代磁强计。
金刚石固态磁强计主要通过微波调制NV色心能级跃迁辐射出的荧光信号实现对周围磁场信息的检测。金刚石中的NV色心是通过在人造金刚石中注入一定浓度的N取代的原金刚石中C，并且在相邻晶格存在一个空位(Vacancy)，形成一个氮-空位(N-V)结构。N比C多出一个电子，因此形成的NV结构便多出一个易于操控的电子，受波长532nm绿激光激发后会发出荧光，在频率2.87GHz微波调制下辐射出的荧光谱显示出电子自旋共振(ESR)。当处于不同磁场环境中，ESR谱中塞曼分裂程度对应了不同大小及方向的磁信息。利用这一原理搭建一个光激发检测磁共振(ODMR)信息的多物理场系统可以检测到微弱磁信号。采用微纳加工集成技术实现金刚石与微波天线全包裹在同一腔体内可以减小各种中间传输损耗。同时，由于需要激光与微波信号共同作用调制出所检测的磁信号，通常系统体积较大。
只有当磁检测敏感部件足够小，且集成封装到一个较小尺寸范围内才具备更为广阔的商业用途。可以通过多种微加工及微组装技术构建聚合物微腔体包裹NV色心系综金刚石，以实现器件小型化与高性能。例如专利申请号：2018105741906，专利名称：集成ODMR功能部件的金刚石NV磁强计及制作工艺。该专利就是采用微加工及微组装技术集成的金刚石NV磁强计。但是在制作过程中，这种结构的金刚石NV磁强计制作工艺复杂，不适合产业化应用。
发明内容
本发明旨在克服现有技术不足，解决了现阶段磁强计体积大、集成度低以及制作工艺复杂问题，提供一种集成化的小型NV色心固态磁强计及其制作工艺，本发明为了提高NV色心磁强计的荧光效率，在金刚石基底上运用微纳加工技术与微组装技术实现NV色心的高效激发、全荧光收集和高效微波调制的ODMR系统，并将其应用于微弱磁信号的高精度探测。
为解决上述技术问题，本发明保护的一个技术方案为：集成化的小型NV色心固态磁强计，包括：PDMS腔体，PDMS腔体的上表面包覆有反射膜，PDMS腔体的下表面微组装有玻璃基片，玻璃基片的下表面设置有干涉截止滤波膜系，PDMS腔体、反射膜以及干涉截止滤波膜系共同构成陷光腔体；
所述PDMS腔体内包裹有微波天线和带NV色心的金刚石，微波天线为环形，带NV色心的金刚石位于微波天线的中心，带NV色心的金刚石顶部的PDMS腔体上设置有激光器，用于发出激发光源，所述干涉截止滤波膜系的底部设置有光电二极管，用于收集激发后的荧光信号。
进一步地，所述激光器为绿激光二极管，其产生波长为532nm的激光。
进一步地，所述PDMS腔体的整体结构为梯台型。
进一步地，所述反射膜采用DBR全反射膜。
本发明保护的另外一个技术方案：集成化的小型NV色心固态磁强计的制作工艺，按照以下步骤进行：
1)制备出阵列型规则NV色心：对金刚石基片进行处理，包括清洗、涂刻光刻胶、喷金、电子束曝光、N离子注入、退火、氧化与清洗等处理，得到阵列型规则的带NV色心的金刚石；
2)制备PDMS腔体：将处理好的金刚石用PDMS进行包裹，形成PDMS腔体，再经过光刻技术，预留微组装激光二极管结合处；
3)激光二极管组装：将激光二极管置于金刚石顶端用于直接产生532nm波长的激光，激发金刚石内部的NV色心产生荧光；
4)微波天线制备：在玻璃基片上通过溅射金属层，之后进行一次完整的紫外光刻工艺图形化出微波天线的结构；
5)干涉截止滤波膜系外延生长；在刻画好微波天线结构的玻璃基片上进行干涉截止滤波膜系外延生长；
6)光电二极管组装：在干涉截止滤波膜系外溅射一层PD，且包括正负接线头；
7)整体微组装：将上下部件进行微组装工艺集成，并在在其PDMS腔体最外层包裹一层DBR反射膜。
与现有技术相比，本发明的创新点及其优势体现在以下几点：
1、本发明巧妙地使用光学功能膜结构，以块状金刚石为主体，完成NV色心荧光光场辐射模型和调制微波场模型的构建，围绕金刚石集成制造了一个小型ODMR系统，实现了磁检测所需各功能部件最大化集成。
2、本发明将制备有NV色心系综的块状金刚石片通过薄膜生长工艺在金刚石上表面制备出PDMS腔体，并且玻璃基片上制备多层介质组合的干涉截止滤波膜，两种光学功能膜包裹金刚石介质形成一个陷光腔体，将激发光子陷制在PDMS腔体内高效激发出荧光，而同时激发出的荧光能通过截止滤波膜层被光电二极管高效收集。
3、本发明通过在微腔上对ODMR测试系统相关部件进行精准微组装集成，实现尽可能小尺寸上达到最高磁测量性能。另外本发明利用PDMS腔体替代金刚石腔体，简化了结构，降低了生产工艺的同时，还能够达到最高磁测量性能。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明的一种集成金刚石NV磁强计示意图。
图2为本发明的集成金刚石NV磁强计各功能部件展开图。
图3为本发明器件加工工艺流程图。
图中：1为激光器，2为反射膜，3为PDMS腔体，4为微波天线，5为带NV色心的金刚石，6为玻璃基片，7为干涉截止滤波膜系，8为光电二极管。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
如图1、图2所示，集成化的小型NV色心固态磁强计，由激光器1，反射膜2，PDMS腔体3，微波天线4，带NV色心的金刚石5，玻璃基片6，干涉截止滤波膜系7以及光电二极管8这几部分组成。
激光器1采用绿激光二极管，负责产生532nm波长激光，带NV色心的块状金刚石5被PDMS腔体3和干涉截止滤波膜系7包裹形成一个金刚石介质腔陷住激光二极管所产生的532nm绿光。
环形微波天线4被包裹在PDMS腔体3内，外接微波信号后对NV色心荧光信号产生电子自旋共振调制。光电二极管8处于干涉截止滤波膜系7外侧，负责收集经滤波后NV色心发出的荧光。
所述DBR全反射膜2具备在可见光范围内全反射性，而滤波膜具备反射低于600nm波长光，高效透射大于600nm波长光，两种膜的组合应用有效实现将激光二极管产生的532nm波长激光限制在金刚石腔体内反复激发NV辐射出荧光，并限制荧光只能通过底部滤波膜被光电二极管8收集。
本发明的金刚石4NV磁强计的工作原理为：
本发明利用金刚石NV色心受532nm激光激发出荧光信号，荧光信号经微波调制得到电子自旋谱。受外部磁场影响ESR谱塞曼分裂程度跟磁场变化严格相关，当提高激光激发效率，荧光收集效率和微波调制效率时，磁检测灵敏度会大大提高。配合外部信号处理技术，如锁相放大，噪声抑制等可以对微弱磁信号进行高精度检测。
如图3所示，本发明保护的另一个技术方案为：集成化的小型NV色心固态磁强计的制作工艺，按照以下步骤进行：
1)制备出阵列型规则NV色心(a)：对金刚石基片进行处理，包括清洗、涂刻光刻胶、喷金、电子束曝光、N离子注入、退火、氧化与清洗等处理，得到阵列型规则的带NV色心的金刚石5；
2)制备PDMS腔：将处理好的金刚石用PDMS进行包裹(b)，形成PDMS腔，再经过光刻技术，预留微组装激光二极管结合处(c)；
3)激光二极管组装(d)：将激光二极管置于金刚石顶端用于直接产生532nm波长的激光，激发金刚石内部的NV色心产生荧光；
4)微波天线4制备(e)-(f)：在玻璃基片6上通过溅射金属层，之后进行一次完整的紫外光刻工艺图形化出微波天线4的结构；
5)干涉截止滤波膜系7外延生长(g)；在刻画好微波天线4结构的玻璃基片6上进行截止滤波层膜系外延生长；
6)光电二极管8组装(h)：在干涉截止滤波膜系7外溅射一层PD，且包括正负接线头；
7)整体微组装：将上、下部件(d)、(h)进行微组装工艺集成(i)，并在在其PDMS腔体3最外层包裹一层DBR膜(j)。
本发明将含有NV色心的块状金刚石进行聚合物封装，形成共振微腔体，同时，将ODMR测试的相关功能器件，包括532激光二极管、微波天线4和干涉截止滤波片，通过微组装工艺进行集成。这个集成化的系统能够更好的囚禁532nm激光，使其在腔体内部多次进行全反射，且将微波天线4与金刚石同时包裹在腔体内，高效的收集激发荧光信号。本发明利用PDMS腔体3替代金刚石腔体，简化了结构，降低了生产工艺的同时，还能够达到高灵敏度磁测量的目的。
上面结合附图对本发明方案的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.集成化的小型NV色心固态磁强计，其特征在于，包括：PDMS腔体(3)，PDMS腔体(3)的上表面包覆有反射膜(2)，PDMS腔体(3)的下表面微组装有玻璃基片(6)，玻璃基片(6)的下表面设置有干涉截止滤波膜系(7)，PDMS腔体(3)、反射膜(2)以及干涉截止滤波膜系(7)共同构成陷光腔体；
所述PDMS腔体(3)内包裹有微波天线(4)和带NV色心的金刚石(5)，微波天线(4)为环形，带NV色心的金刚石(5)位于微波天线(4)的中心，带NV色心的金刚石(5)顶部的PDMS腔体(3)上设置有激光器(1)，用于发出激发光源，所述干涉截止滤波膜系(7)的底部设置有光电二极管(8)，用于收集激发后的荧光信号。
2.根据权利要求1所述的集成化的小型NV色心固态磁强计，其特征在于：所述激光器(1)为绿激光二极管，其产生波长为532nm的激光。
3.根据权利要求1所述的集成化的小型NV色心固态磁强计，其特征在于：所述PDMS腔体(3)的整体结构为梯台型。
4.根据权利要求1所述的集成化的小型NV色心固态磁强计，其特征在于：所述反射膜(2)采用DBR全反射膜。
5.权利要求2-4所述的任一集成化的小型NV色心固态磁强计的制作工艺，其特征在于，按照以下步骤进行：
1)制备出阵列型规则NV色心：对金刚石基片进行处理，包括清洗、涂刻光刻胶、喷金、电子束曝光、N离子注入、退火氧化与清洗处理，得到阵列型规则的带NV色心的金刚石(5)；
2)制备PDMS腔体(3)：将处理好的金刚石用PDMS进行包裹，形成PDMS腔体(3)，再经过光刻技术，预留微组装激光二极管结合处；
3)激光二极管组装：将激光二极管置于金刚石顶端用于直接产生532nm波长的激光，激发金刚石内部的NV色心产生荧光；
4)微波天线(4)制备：在玻璃基片(6)上通过溅射金属层，之后进行一次完整的紫外光刻工艺图形化出微波天线(4)的结构；
5)干涉截止滤波膜系(7)外延生长；在刻画好微波天线(4)结构的玻璃基片(6)上进行干涉截止滤波膜系(7)外延生长；
6)光电二极管(8)组装：在干涉截止滤波膜系(7)外溅射一层PD，且包括正负接线头；
7)整体微组装：将上下部件进行微组装工艺集成，并在其PDMS腔体(3)最外层包裹一层DBR反射膜(2)。
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