CN112903688B - 钻石nv色心磁场传感器探头器件及传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钻石NV色心磁场传感器探头器件及传感器，该探头器件包括：光纤耦合模块及多层叠探头芯片模块。多层叠探头芯片的加工基于高精准度、高可靠的芯片加工工艺和MEMS产线标准流程，可实现高一致性的批量加工；另外，多层叠探头芯片通过MEMS键合技术，实现了单晶钻石与晶圆的异质集成，实现了毫米芯片尺寸级别的光学封装，极大地减小了传感器体积；再者，光纤耦合模块与多层叠探头芯片的耦合形成高Q值的FP腔结构，极大地提高了激发光的腔内功率，从而提高传感器的激发效率；最后，多层叠探头芯片的三层带开腔的键合结构，结合对荧光高反射的介电膜层形成全高反射内腔，荧光唯一出口为耦合的光纤，极大地提高了荧光的收集效率。

Description

钻石NV色心磁场传感器探头器件及传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种钻石NV色心磁场传感器探头器件及传感器。
背景技术
磁场测量在国民生产各个领域如汽车电子、电力电子系统、医疗影像装备和地质勘探等方面都有广泛的应用。随着科学技术的飞速发展，相关装备制造对磁场传感技术的精确度、磁场及空间分辨率的要求越来越高，并且对高集成度、小型化的磁场传感器有迫切的需求。
当前，磁场测量主要基于霍尔效应、磁阻效应、超导量子干涉等物理机制。霍尔效应磁场传感器已发展十分成熟，国内外都已经有批量供应产品化的霍尔效应磁场器件。然而受限于其原理，基于霍尔效应的磁场传感器无法突破10-6特斯拉(简称T)的灵敏度极限，同时无法在大磁场背景下进行大动态范围精确测量，限制了其在某些场景下的应用。磁阻式传感器基于磁场中的阻抗改变，转换为电流信号探测磁场，其优点在于带宽大，可达100MHz，但由于动态范围仅有几个mT，灵敏度最高达到10-9T，因此在大量程、高精度的探测中限制了使用范围。超导量子干涉仪(SQUID)是一种基于磁通量子化和超导约瑟夫森效应的超灵敏磁场探测设备，磁场分辨率可达10-15T，但由于用于保持超导特性的低温温控设备尺寸庞大且造假昂贵，也使其广泛应用极其困难。
近年来，基于钻石晶体中氮-空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心的光检测磁共振(Optically Detected Magnetic Resonance，ODMR)传感技术，通过NV电子自旋的顺磁共振现象可实现对磁场的探测，这种新的磁共振探测原理，相比传统方法能够将灵敏度提高几个数量级，同时实现室温下的磁场测量，具有独特的技术优势，大大拓展了应用场景。
ODMR的原理是在532nm激光的作用下，钻石NV色心将电子泵浦到上能级，上能级电子通过自发辐射637nm～800nm的荧光回到下能级。在外加微波频率达到电子自旋能级的能隙时，可以使下能级电子自旋受到调控，由自旋零态转变为自旋±1态，此时在532nm激光作用下使下能级电子跃迁到上能级并保持其电子自旋状态，上能级电子自旋±1态大概率通过非辐射跃迁到一个另外系统的超稳态，导致辐射跃迁回基态的光子数减少。通过记录NV色心的荧光强度，得到荧光强度与微波频率的关系，即ODMR谱线。微波频率和自旋中的其中一个跃迁频率共振时，NV色心的荧光强度下降，形成一个波谷。当所加的外磁场变化的时候，由于塞曼效应，对应到±1电子自旋的共振频率的位置在频谱上以频率2.87GHz为中心发生劈裂，即为塞曼频移。此现象可以用在外磁场作用下的NV色心系统Hamiltonian来表示：Η＝γB·S，其中γ≈2.8GHz/T为电子旋磁比，B和S分别代表矢量磁场和电子自旋投影矢量。根据频移量可以计算出所加的外磁场的大小，从而实现基于NV色心的磁场传感。
虽然，钻石NV色心具有种种技术优势，但目前利用钻石NV色心的磁场传感器，需要使用桌置式光学平台的荧光共聚焦显微光学系统以及外置激光器、探测器进行信号的激发及解调，系统的体积依然庞大，成本高昂，导致应用场景仍然局限在实验室内部。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种钻石NV色心磁场传感器探头器件及传感器，用于解决上述背景技术中所述的现有技术中的利用钻石NV色心的磁场传感器需要使用桌置式光学平台的荧光共聚焦显微光学系统以及外置激光器、探测器进行信号的激发及解调，系统体积庞大，成本高昂，导致应用场景仍然局限在实验室内部等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种钻石NV色心磁场传感器探头器件，所述探头器件包括：光纤耦合模块及多层叠探头芯片模块；
所述光纤耦合模块由上至下依次包括光纤、变折射率透镜及第一高反膜；
所述多层叠探头芯片模块由上至下依次包括上层垫片、带有NV色心的钻石、中间层垫片及底层垫片；所述上层垫片设有贯通所述上层垫片的第一开腔，所述中间层垫片设有贯通所述中间层垫片的第二开腔，所述底层垫片的上表面设有弧形微腔，且所述弧形微腔上镀有第二高反膜；所述带有NV色心的钻石横跨所述第一开腔且键合于所述上层垫片的下表面上，同时所述带有NV色心的钻石位于所述第二开腔内；所述中间层垫片分别与所述上层垫片及所述底层垫片键合；
所述光纤耦合模块固定于所述上层垫片的所述第一开腔中，且所述弧形微腔、所述第二开腔及所述第一开腔与所述光纤共轴对准；
所述第一高反膜与所述第二高反膜之间形成平-凹腔的FP腔结构。
可选地，所述中间层垫片的所述第二开腔表面镀有金属膜。
可选地，所述第一高反膜为DBR高反膜，所述第二高反膜为DBR高反膜。
可选地，所述光纤耦合模块还包括：尾纤插芯及光纤毛细管，所述光纤固定于所述尾纤插芯中，所述尾纤插芯与所述变折射率透镜在所述光纤毛细管中共轴对准固定。
可选地，所述光纤为单模光纤。
可选地，所述弧形微腔为椭圆形状、双曲面形状或球面形状。
可选地，所述带有NV色心的钻石的厚度介于1μ～500μ之间，所述弧形微腔的最低点至其最高点之间的距离介于2μ～500μ之间，所述第二高反膜的最低点与所述第一高反膜之间的距离介于5μ～500μ之间。
可选地，所述上层垫片、所述中间层垫片及所述底层垫片为硅片。
可选地，所述变折射率透镜的数值孔径介于0.46～0.6之间。
本发明还提供一种钻石NV色心磁场传感器，所述磁场传感器包括如上所述的钻石NV色心磁场传感器探头器件。
如上所述，本发明的钻石NV色心磁场传感器探头器件及传感器，其多层叠探头芯片的加工基于高精准度、高可靠的芯片加工工艺和MEMS产线标准流程，可实现高一致性的批量加工；另外，多层叠探头芯片通过MEMS键合技术，实现了单晶钻石与晶圆的异质集成，实现了毫米芯片尺寸级别的光学封装，极大地减小了传感器体积；再者，所述光纤耦合模块与所述多层叠探头芯片的耦合形成高Q值(可达到50000以上)的FP腔结构，极大地提高了激发光的腔内功率，从而提高传感器的激发效率；最后，所述多层叠探头芯片的三层带开腔的键合结构，结合对荧光高反射的介电膜层形成全高反射内腔，可使520nm至800nm范围内的波长反射率达到98％至99.99％之间，且荧光唯一出口为耦合的光纤，极大地提高了荧光的收集效率。
附图说明
图1显示为本发明的钻石NV色心磁场传感器探头器件中光纤耦合模块的结构示意图。
图2显示为本发明的钻石NV色心磁场传感器探头器件中多层叠探头芯片的结构示意图。
图3显示为本发明的钻石NV色心磁场传感器探头器件的结构示意图。
图4显示为本发明的钻石NV色心磁场传感器探头器件中激发光的光纤收集模拟仿真图，其采用trace-pro光路追迹图软件。
图5显示为本发明的钻石NV色心磁场传感器探头器件中钻石荧光的光纤收集模拟仿真图，其采用trace-pro光路追迹图软件。
元件标号说明
10 光纤耦合模块
101 光纤
102 变折射率透镜
103 第一高反膜
104 尾纤插芯
105 光纤毛细管
106 间隙
20 多层叠探头芯片
201 上层垫片
202 中间层垫片
203 底层垫片
204 带有NV色心的钻石
205 第一开腔
206 第二开腔
207 弧形微腔
208 第二高反膜
30 FP腔结构
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本实施例的钻石NV色心磁场传感器探头器件中用到的钻石带有NV色心，钻石NV色心是一种具有光学性质的缺陷，在波长532nm的激光激发下，可使处于不同基态的NV色心能够发出不同强度的荧光，而磁场大小可以改变NV色心基态状态，其与特定微波频率匹配。基于此，本实施例的钻石NV色心磁场传感器可以通过记录NV色心所发散的荧光的变化来得到待测磁场强度。
如图1至图3所示，所述钻石NV色心磁场传感器探头器件包括：光纤耦合模块10及多层叠探头芯片模块20；
如图1所示，所述光纤耦合模块10由上至下依次包括光纤101、变折射率透镜102(简称GRIN透镜，GRIN透镜是折射率沿其径向逐渐减小的柱状光学透镜，能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点)及第一高反膜103；
如图2所示，所述多层叠探头芯片模块20由上至下依次包括上层垫片201、带有NV色心的钻石204、中间层垫片202及底层垫片203；所述上层垫片201设有贯通所述上层垫片201的第一开腔205，所述中间层垫片202设有贯通所述中间层垫片202的第二开腔206，所述底层垫片203的上表面设有弧形微腔207，且所述弧形微腔207上镀有第二高反膜208；所述带有NV色心的钻石204横跨所述第一开腔205且键合于所述上层垫片201的下表面上，同时所述带有NV色心的钻石204位于所述第二开腔206内；所述中间层垫片202分别与所述上层垫片201及所述底层垫片203键合；
如图3所示，所述光纤耦合模块10固定于所述上层垫片201的所述第一开腔205中，且所述弧形微腔207、所述第二开腔206及所述第一开腔205与所述光纤101共轴对准，如图3中的共轴AA，即自所述弧形微腔207的最低点向上竖直延伸的中心线与所述光纤101共轴，以实现光纤激光和钻石荧光的耦合；
所述第一高反膜103与所述第二高反膜208之间形成平-凹腔的FP腔结构30，以使激发光在FP腔结构30内共振增强。
该钻石NV色心磁场传感器探头器件的工作过程为：激光器发出的激光(或称激发光)通过1×2的光纤环形器引入，第一端通过法兰连接所述光纤101，第二端连接激光器，第三端连接雪崩光电探测器。激发光通过分光器端口引进入所述光纤耦合模块10，激发光通过所述变折射率透镜102聚焦在所述带有NV色心的钻石204表面，所述第一高反膜103与所述第二高反膜208之间形成平-凹腔的FP腔结构30，激发光在该FP腔结构30内共振增强，共振增强效应的公式遵循：I腔内≈(1-r1)-1·(1-r2)-1*·I入射，其中I腔内代表FP腔结构30内平衡态时的激发光强，I入射代表进入光纤101的激发光强，r1、r2分别代表第一高反膜的反射率及第二高反膜的反射率，共振增强的激发光共振激发钻石中的NV色心产生荧光，荧光在经过所述第二高反膜208的多次反射后进入光纤101，通过光纤分路器进入光纤耦合的雪崩光电探测器，转化为电信号进入信号解调系统。
本实施例的钻石NV色心磁场传感器探头器件其多层叠探头芯片的加工基于高精准度、高可靠的芯片加工工艺和MEMS产线标准流程，可实现高一致性的批量加工；另外，多层叠探头芯片通过MEMS键合技术，实现了单晶钻石与晶圆的异质集成，实现了毫米芯片尺寸级别的光学封装，极大地减小了传感器体积；再者，所述光纤耦合模块与所述多层叠探头芯片的耦合形成高Q值(可达到50000以上)的FP腔结构，极大地提高了激发光的腔内功率，从而提高传感器的激发效率；最后，所述多层叠探头芯片的三层带开腔的键合结构，结合对荧光高反射的介电膜层形成全高反射内腔，可使520nm至800nm范围内的波长反射率达到98％至99.99％之间，且荧光唯一出口为耦合的光纤，极大地提高了荧光的收集效率。
作为示例，所述带有NV色心的钻石204表面可以镀增透膜，增透膜为500nm～800nm的高透。所述第一高反膜为532nm高反，600nm～800nm高透，所述第二高反膜为500nm～800nm高反。
作为示例，所述中间层垫片202的所述第二开腔206表面镀有金属膜(图中未示出)，该金属膜可以有效防止FP腔结构30内光的溢出(即损失)，荧光可在第二高反膜208及该金属膜的多次反射后进入光纤，以进一步提高荧光的收集效率。所述金属膜可以是金或银材料的金属膜，厚度一般在100nm～500nm之间，但也不限于此，具体根据实际情况进行设置。如图4及图5所示，即为所述第二开腔206表面镀有金属膜的情况下激发光A及钻石荧光B的光纤收集模拟仿真图，其中，可看出激发光A及钻石荧光B均被有效的收集进入光纤中。
作为示例，所述第一高反膜103为DBR高反膜，所述第二高反膜208为DBR高反膜。但也不限于此，所述第一高反膜103及所述第二高反膜208也可以选择其他适合的高反膜，只要满足所述第一高反膜103具有高反激发光的波长及高透荧光的波长即可，所述第二高反膜208高反激发光及荧光的波长即可。
如图1所示，作为示例，所述光纤耦合模块10还包括：尾纤插芯104及光纤毛细管105，所述光纤101固定于所述尾纤插芯104中，所述尾纤插芯104与所述变折射率透镜102在所述光纤毛细管105中共轴对准固定。尾纤插芯104与光纤毛细管105可达到对光纤101的准直固定，实现后续光纤激光和钻石荧光的耦合。不限制所述尾纤插芯104及所述光纤毛细管105的材料，可以为玻璃材料，也可以是其他适合的耐高温材料。基于此，该光纤耦合模块10的装配方式可有多种，例如，先采用热塑胶或紫外胶将尾端去除涂覆层(保留纤芯)的光纤101固定在尾纤插芯104中，固定后，对光纤101及尾纤插芯104端面进行抛光；然后将尾纤插芯104与镀有第一高反膜103的变折射率透镜102在光纤毛细管105中共轴对准，且采用热塑胶或紫外胶固化，实现光纤耦合。此步骤中，可使将尾纤插芯104与变折射率透镜102之间间隔一定的间隙106，以防止尾纤插芯104对变折射率透镜102的磨损。
作为示例，不限制所述光纤101的模式，较佳地，所述光纤101采用单模光纤。
如图2所示，作为示例，不限制所述弧形微腔207的形状，较佳地，所述弧形微腔207为椭圆形状、双曲面形状或球面形状，所述弧形微腔207的最低点至其最高点之间的距离L1介于2μ～500μ之间。本实施例中选择半球形。
如图2及图3所示，作为示例，所述带有NV色心的钻石204的厚度介于1μ～500μ之间，所述第二高反膜的最低点与所述第一高反膜之间的距离L2介于5μ～500μ之间。
如图2所示，作为示例，所述上层垫片201、所述中间层垫片202及所述底层垫片203的材料可以为现有MEMS工艺中常用的材料，例如可以为半导体材料，有机玻璃等，基于加工工艺的便捷及材料成本考虑本实施例中选择为硅材料。
作为示例，所述变折射率透镜102的数值孔径(NA)介于0.46～0.6之间。本实施例中优选为0.5。
基于以上钻石NV色心磁场传感器探头器件，本实施例还提供了一种钻石NV色心磁场传感器，该磁场传感器包括如上所述的钻石NV色心磁场传感器探头器件。
综上所述，本发明提供一种钻石NV色心磁场传感器探头器件及传感器，其多层叠探头芯片的加工基于高精准度、高可靠的芯片加工工艺和MEMS产线标准流程，可实现高一致性的批量加工；另外，多层叠探头芯片通过MEMS键合技术，实现了单晶钻石与晶圆的异质集成，实现了毫米芯片尺寸级别的光学封装，极大地减小了传感器体积；再者，所述光纤耦合模块与所述多层叠探头芯片的耦合形成高Q值(可达到50000以上)的FP腔结构，极大地提高了激发光的腔内功率，从而提高传感器的激发效率；最后，所述多层叠探头芯片的三层带开腔的键合结构，结合对荧光高反射的介电膜层形成全高反射内腔，可使520nm至800nm范围内的波长反射率达到98％至99.99％之间，且荧光唯一出口为耦合的光纤，极大地提高了荧光的收集效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种钻石NV色心磁场传感器探头器件，其特征在于，所述探头器件包括：光纤耦合模块及多层叠探头芯片模块；
所述光纤耦合模块由上至下依次包括光纤、变折射率透镜及第一高反膜；
所述多层叠探头芯片模块由上至下依次包括上层垫片、带有NV色心的钻石、中间层垫片及底层垫片；所述上层垫片设有贯通所述上层垫片的第一开腔，所述中间层垫片设有贯通所述中间层垫片的第二开腔，且所述第二开腔表面镀有金属膜，所述底层垫片的上表面设有弧形微腔，且所述弧形微腔上镀有第二高反膜；所述带有NV色心的钻石横跨所述第一开腔且键合于所述上层垫片的下表面上，同时所述带有NV色心的钻石位于所述第二开腔内；所述中间层垫片分别与所述上层垫片及所述底层垫片键合；
所述光纤耦合模块固定于所述上层垫片的所述第一开腔中，且所述弧形微腔、所述第二开腔及所述第一开腔与所述光纤共轴对准；
所述第一高反膜与所述第二高反膜之间形成平-凹腔的FP腔结构，且所述第二高反膜及所述金属膜使所述FP腔结构形成为对荧光的全高反射内腔。
2.根据权利要求1所述的钻石NV色心磁场传感器探头器件，其特征在于：所述第一高反膜为DBR高反膜，所述第二高反膜为DBR高反膜。
3.根据权利要求1所述的钻石NV色心磁场传感器探头器件，其特征在于，所述光纤耦合模块还包括：尾纤插芯及光纤毛细管，所述光纤固定于所述尾纤插芯中，所述尾纤插芯与所述变折射率透镜在所述光纤毛细管中共轴对准固定。
4.根据权利要求1所述的钻石NV色心磁场传感器探头器件，其特征在于：所述光纤为单模光纤。
5.根据权利要求1所述的钻石NV色心磁场传感器探头器件，其特征在于：所述弧形微腔为椭圆形状、双曲面形状或球面形状。
6.根据权利要求1所述的钻石NV色心磁场传感器探头器件，其特征在于：所述带有NV色心的钻石的厚度介于1μ～500μ之间，所述弧形微腔的最低点至其最高点之间的距离介于2μ～500μ之间，所述第二高反膜的最低点与所述第一高反膜之间的距离介于5μ～500μ之间。
7.根据权利要求1所述的钻石NV色心磁场传感器探头器件，其特征在于：所述上层垫片、所述中间层垫片及所述底层垫片为硅片。
8.根据权利要求1所述的钻石NV色心磁场传感器探头器件，其特征在于：所述变折射率透镜的数值孔径介于0.46～0.6之间。
9.一种钻石NV色心磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感器包括如权利要求1至8中任意一项所述的钻石NV色心磁场传感器探头器件。
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