CN113049996B - 一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器 - Google Patents

一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，包括从上到下依次设置的第一金属层、第一基板层、第二金属层、第二基板层、第三金属层、第三基板层和第四金属层，所述第一金属层为微波信号层，所述第三金属层和第四金属层为荧光探测和放大电路层；所述微波电路包括SIW谐振器、电容C2、电容C1、电阻R0、微带线s3、传输线t1、传输线t2、传输线t3、传输线t4、传输线t5、晶体管4Fx、微波传导结构耦合座、微带线f2、微带线f3、微带线f4、微带线f5；本发明利用混合微波集成电路传感器技术将微波源、滤光片、光电二极管Pho以及荧光探测和放大电路层集成在一起，形成一个紧凑的集成系统。

Description

一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器
技术领域
本发明属于弱磁测量技术领域，具体涉及一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器。
背景技术
金刚石中的氮空位色心(NV色心)具有对磁场高度敏感、稳定的自旋量子态、量子态可操控等优点。因此，近年来，广大研究者在量子信息、磁场测量、角度测量、荧光生物标记等方面对NV色心展开了广泛的研究，并在量子调控技术及荧光检测等方面有了长足的进展。NV色心是由一个氮原子和空位取代金刚石结构中的碳原子而形成的一种稳定的缺陷结构，它的能级系统可以通过激光泵浦和微波辐射进行初始化、量子操控和读取。
经典的基于金刚石氮空位色心的量子传感器系统需要一些特定的微波和光电仪器：用于驱动NV电子自旋的微波源和放大器、用于NV自旋相关荧光测量的光电二极管Pho探测器、滤光片和532nm的绿色泵浦激光器，但是，这些微波和光学单元涉及各自独立的仪器和组件，体积庞大且成本高昂，这些独立组件严重降低了于金刚石氮空位测量方法的灵活性，限制了基于金刚石氮空位测量方法的实际应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种紧凑的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器。
本发明的技术方案如下：
一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，包括从上到下依次设置的第一金属层、第一基板层、第二金属层、第二基板层、第三金属层、第三基板层和第四金属层，所述第一金属层上集成有微波电路，所述第三金属层和第四金属层上集成有荧光探测和放大电路层荧光探测和放大电路层；
所述微波信号层包括SIW谐振器、若干电容C2、电容C1、电阻R0、微带线s3、传输线t1、传输线t2、传输线t3、传输线t4、传输线t5、晶体管4Fx、微波传导结构耦合座、微带线f2、微带线f3、微带线f4、微带线f5、第一接电片Vgs和第二接电片Vds；所述微波传导结构包括微带结构和设置在微带结构上的金刚石基片；所述SIW谐振器经一个电容C2、微带线s3、电容C1、传输线t3、一个电容C2、传输线t2、传输线t1连接晶体管4Fx的DRAIN极，所述晶体管4Fx的GATE极经传输线t4、一个电容C2、传输线t5连接耦合座，所述微波传导结构通过插指结构连接在耦合座上，所述耦合座经电阻R0接地；所述第一接电片Vgs通过微带线f3、微带线f2连接至传输线t1和传输线t2之间，所述第二接电片Vds通过微带线f5和微带线f4连接至出传输线t5和传输线t5之间；所述微带线s3连接有SMA接头；
所述荧光探测和放大电路层用于将金刚石基片中的氮空位色心出射的荧光转变为电信号并输出，所述荧光探测和放大电路层包括运算放大器ISL、可变电阻Rv和光电二极管Pho，所述可变电阻Rv和光电二极管Pho分别连接至运算放大器ISL，所述运算放大器ISL还连接有SMA输出接头。
进一步的，在所述金刚石基片和光电二极管Pho之间还设置有光学滤波器fi，所述光学滤波器fi为600nm长波通滤光片。
进一步的，所述微带结构包括一个封闭的六边形微带环，所述金刚石基片设置在六边形微带环的中央。
进一步的，所述晶体管4Fx的一个SOURACE极经微带线s1接地，所述晶体管4Fx的另一个SOURACE极经微带线s2接地。
进一步的，所述基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器还包括变容二极管Cv，所述微带线S3经变容二极管Cv接地。
进一步的，所述基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器还包括电容C2和电阻R1，所述电容C2串联接在微带线s3和传输线t3之间，所述微带线S3同时经电阻R1接地。
进一步的，所述基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器还包括第一扇形短截线p1、第二扇形短截线p2和第三扇形短截线p3，所述第一扇形短截线p1连接在微带线s3与SMA接头之间，所述第二扇形短截线p2连接在微带线f2和微带线f3之间，所述第三扇形短截线p3连接在微带线f4和微带线f5之间。
进一步的，所有金属层的材质均为铜，所述第一基板层采用RT/5880材质，所述第二基板层和第三基板层采用FR-4材质，所述第一基板层、第二基板层、第三基板层的厚度分别为0.254mm、1.80mm和0.6mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
相比于传统的依赖于昂贵且笨重的微波和光学仪器的磁测量方法，本发明利用混合微波集成电路传感器技术将微波源、滤光片、光电二极管Pho以及荧光探测和放大电路层荧光探测和放大电路层集成在一起，形成一个紧凑的，同时实现微波产生、自旋驱动和探测功能，大大增加了电路集成度并降低了器件整体成本，简化和优化了磁测量检测器件；所制备的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器可实现对磁场的精密测量，灵敏度可达107.2THzμ-1/2。
附图说明
图1为本发明实施例的结构三维示意图。
图2为本发明实施例的截面图。
图3为本发明实施例的荧光探测和放大电路层的布局图。
图4为本发明实施例的荧光探测和放大电路层的电路原理图。
图5为本发明实施例的微波电路的电路原理图。
图6为本发明实施例的实物图。
图7为本发明验证实验的流程示意图。
图8为本发明验证实验得到的金刚石基片电子自旋共振光谱图。
图9为本发明验证实验的实测噪声密度图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图6所示，一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，包括从上到下依次设置的第一金属层、第一基板层、第二金属层、第二基板层、第三金属层、第三基板层和第四金属层，所述第一金属层为微波信号层，所述第三金属层和第四金属层为荧光探测和放大电路层；
所述微波信号层包括SIW谐振器、若干电容C2、电容C1、电阻R0、微带线s3、传输线t1、传输线t2、传输线t3、传输线t4、传输线t5、晶体管4Fx、微波传导结构耦合座、微带线f2、微带线f3、微带线f4、微带线f5、第一接电片Vgs和第二接电片Vds；所述微波传导结构包括微带结构和设置在微带结构上的金刚石基片；金刚石基片中具有氮空位色心，氮空位(NV)中心是由一个氮原子取代金刚石中的一个碳原子，然后捕获周围的一个空穴形成的，是一种独特的荧光光散射吸收光谱晶格缺陷，NV中心具有一种特殊的物理性质，被称为塞曼效应，可以用于测量高灵敏度的磁场，通过外加静态磁场B，可以通过光探测磁共振(0ptically Detected Magnetic Resonance，ODMR)自旋依赖荧光测量微波光谱的塞曼效应；所述SIW谐振器经一个电容C2、微带线s3、电容C1、传输线t3、一个电容C2、传输线t2、传输线t1连接晶体管4Fx的DRAIN极，所述晶体管4Fx的GATE极经传输线t4、一个电容C2、传输线t5连接耦合座，所述微波传导结构通过插指结构连接在耦合座上，通过插指结构的连接增强耦合强度；所述耦合座经电阻R0接地，电阻R0约50Ω；所述第一接电片Vgs通过微带线f3、微带线f2连接至传输线t1和传输线t2之间，所述第二接电片Vds通过微带线f5和微带线f4连接至出传输线t5和传输线t5之间；所述微带线s3连接有SMA接头，所述微带线S3同时经电阻R1接地；晶体管4Fx的型号为ATF-54143GaAs；所述晶体管4Fx的一个SOURACE极经微带线s1接地，所述晶体管4Fx的另一个SOURACE极经微带线s2接地，为了增加震荡，通过调整微带线s1和微带线s2以确保输入和输出的返回损耗高于零；电阻R1和电容C1为负载电阻和电容，通过调整传输线t3可以调整它们的阻抗；所述微波电路的输出功率中心频率约为15dBm，SIW谐振器的工作范围为2.60GHz(Cv＝4.08pF)到3.13GHz(Cv＝1.72pF)，这个范围包括了2.87GHz的自然基态分裂频率；
所述荧光探测和放大电路层用于将金刚石基片中的氮空位色心出射的荧光转变为电信号并输出，所述荧光探测和放大电路层包括运算放大器ISL、可变电阻Rv和光电二极管Pho，光电二极管Pho用于接收荧光信号，光电二极管Pho型号可采用PDB-C160SM，对红光敏感，在650nm波长处的响应率为0.37A/W；运算放大器ISL型号可采用ISL28210，可变电阻Rv为1MΩ，可变电阻Rv用于改变电流的放大系数，电容器C01用于滤除电源中的交流信号，并在信号输出端构建了RC低通滤波器；所述可变电阻Rv和光电二极管Pho分别连接至运算放大器ISL，所述运算放大器ISL还连接有SMA输出接头；在绿色激光泵浦的情况下，所述微波电路激励金刚石氮空位色心，通过光电二极管Pho采集荧光信号，信号经运算放大器ISL放大后通过SMA输出接头输出，然后进行信号分析和磁强计读出；
本发明利用混合微波集成电路传感器技术将微波源、滤光片、光电二极管Pho以及荧光探测和放大电路层集成在一起，形成一个紧凑的结构，同时实现微波产生、自旋驱动和探测功能，大大增加了电路集成并降低了器件整体成本，简化和优化了磁测量检测器件。
具体的，如图4所示，在所述荧光探测和放大电路层中电容器C01为100nF，电容器C02为1.2nF，电容器C03为270nF，电容器C04为0.2pF，电阻R01为1MΩ、电阻R02为47kΩ、电阻R03为470Ω、电阻R04为430MΩ。
优选的，如图1、图2和图6所示，在所述金刚石基片和光电二极管Pho之间还设置有光学滤波器fi，所述光学滤波器fi为600nm长波通滤光片，通过设置光学滤波器fi来选择相应的荧光并拒绝绿色激光，光学滤波器fi夹在第三金属层和第四层金属层之间；如图6所示，在图6(a)中，SIW谐振器和金刚石基片集成于第一金属层，在图6(b)中的实物的背面包括运算放大器ISL、可变电阻Rv等元件。
优选的，如图1、图5和图6所示，所述微带结构包括一个封闭的六边形微带环，所述金刚石基片设置在微带环的中央。
优选的，如图1、图5和图6所示，所述基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器还包括变容二极管Cv，所述微带线S3经变容二极管Cv接地，变容二极管Cv型号为SMV１405，变容二极管Cv用于SIW谐振器的频率调谐，变容二级管Cv接收的调制信号可通过微带线s3施加。
优选的，如图1、图5和图6所示，所述基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器还包括电容C2和电阻R1，所述电容C2串联接在微带线s3和传输线t3之间，电容C2为1000nF。
优选的，如图1、图5和图6所示，所述基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器还包括第一扇形短截线p1、第二扇形短截线p2和第三扇形短截线p3，所述第一扇形短截线p1连接在微带线s3与SMA接头之间，所述第二扇形短截线p2连接在微带线f2和微带线f3之间，所述第三扇形短截线p3连接在微带线f4和微带线f5之间。
具体的，如图2所示，所有金属层的材质均为铜，所述第一基板层采用RT/5880材质，所述第二基板层和第三基板层采用FR-4材质，所述第一基板层、第二基板层、第三基板层的厚度分别为0.254mm、1.80mm和0.Gmm。
在完成本发明的实物后，为了验证效果，进行了验证实验，如图7所示，使用532nm的绿光激光器与透镜、反射镜一起形成光束激光照射金刚石形成荧光后由光电二极管Pho将光信号转变为电信号，同时SIW振荡器通过信号发生器调制以产生扫描波形，经荧光探测和放大电路层输出的信号由频谱分析仪读取、同步等，在本实验中为了获得最佳的荧光对比度，激光功率约为2mW。在进行测量前，需要调整金刚石基片的空间位置，以便激光聚焦，通过光学滤波器fi，用肉眼观察到明显的红色荧光后，即可进行测量。图8给出了得到的电子自旋共振(ESR)光谱，从中可以观察到在金刚石ESR谱在外加静磁场作用下分裂出8个离散共振峰，8个谐振峰对称分布在零场分裂的两侧，磁场的偏置分量可以通过频率偏移来确定，由于实验是在恒温室内进行的，零场分裂的频率为2.87GHz；图9给出了实测噪声密度，在本实验中，采用了60kHz频率对应的噪声79.5μT，通过计算得出本发明所制备的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器的灵敏度可达107.2THzμ-１/2
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，其特征在于：包括从上到下依次设置的第一金属层、第一基板层、第二金属层、第二基板层、第三金属层、第三基板和第四金属层，所述第一金属层为微波信号层，所述第三金属层和第四金属层上为荧光探测和放大电路层；
所述微波信号层包括SIW谐振器、若干电容C2、电容C1、电阻R0、微带线s3、传输线t1、传输线t2、传输线t3、传输线t4、传输线t5、晶体管4Fx、微波传导结构耦合座、微带线f2、微带线f3、微带线f4、微带线f5、第一接电片Vgs和第二接电片Vds；所述微波传导结构包括微带结构和设置在微带结构上的金刚石基片；所述SIW谐振器经一个电容C2、微带线s3、电容C1、传输线t3、一个电容C2、传输线t2、传输线t1连接晶体管4Fx的DRAIN极，所述晶体管4Fx的GATE极经传输线t4、一个电容C2、传输线t5连接耦合座，所述微波传导结构通过插指结构连接在耦合座上，所述耦合座经电阻R0接地；所述第一接电片Vgs通过微带线f3、微带线f2连接至传输线t1和传输线t2之间，所述第二接电片Vds通过微带线f5和微带线f4连接至出传输线t5和传输线t5之间；所述微带线s3连接有SMA接头；
所述荧光探测和放大电路层用于将金刚石基片中的氮空位色心的荧光信号转变为电信号并输出，所述荧光探测和放大电路层荧光探测和放大电路层包括运算放大器ISL、可变电阻Rv和光电二极管Pho，所述可变电阻Rv和光电二极管Pho分别连接至运算放大器ISL，所述运算放大器ISL还连接有SMA输出接头。
2.根据权利要求1所述的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，其特征在于：在所述金刚石基片和光电二极管Pho之间还设置有光学滤波器fi，所述光学滤波器fi为600nm长波通滤光片。
3.根据权利要求1所述的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，其特征在于：所述微带结构包括一个封闭的六边形微带环，所述金刚石基片设置在微带环的中央。
4.根据权利要求1所述的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，其特征在于：所述晶体管4Fx的一个SOURACE极经微带线s1接地，所述晶体管4Fx的另一个SOURACE极经微带线s2接地。
5.根据权利要求1所述的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，其特征在于：还包括变容二极管Cv，所述微带线S3经变容二极管Cv接地。
6.根据权利要求1所述的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，其特征在于：还包括电容C2和电阻R1，所述电容C2串联接在微带线s3和传输线t3之间，所述微带线S3同时经电阻R1接地。
7.根据权利要求1所述的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，其特征在于：还包括第一扇形短截线p1、第二扇形短截线p2和第三扇形短截线p3，所述第一扇形短截线p1连接在微带线s3与SMA接头之间，所述第二扇形短截线p2连接在微带线f2和微带线f3之间，所述第三扇形短截线p3连接在微带线f4和微带线f5之间。
8.根据权利要求1所述的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，其特征在于：所有金属层的材质均为铜，所述第一基板层采用RT/5880材质，所述第二基板层和第三基板层采用FR-4材质，所述第一基板层、第二基板层、第三基板层的厚度分别为0.254mm、1.80mm和0.6mm。
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固态自旋系综NV色心集成磁强计关键技术研究;张少文;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》(第第10期期);C042-295 *

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CN113049996A (zh) 2021-06-29

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