CN113514786A - 基于金刚石中固态自旋的集成化传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于金刚石中固态自旋的集成化传感器，包括：光学子系统，包括：发光单元；敏感子系统，包括：含固态自旋的金刚石；以及读出子系统，包括：光电探测单元；以及模数转换单元；其中，所述光学子系统、所述敏感子系统和所述读出子系统以子系统组件载体为基础集成为所述集成化传感器，所述子系统组件载体为用于将系统传感器各子系统以及全部所需功能集成为一个整体，包括印刷电路板、柔性印刷电路板、以及半导体集成电路芯片的三者的至少之一。本发明的集成化传感器，体积小、稳定性好、成本低。

Description

基于金刚石中固态自旋的集成化传感器

技术领域

本发明涉及磁场测量方法的技术领域，特别涉及一种基于金刚石中固态自旋的集成化传感器。

背景技术

氮-空位色心(Nitrogen-Vacancy Center，NV Center，NV色心)是金刚石中的一种点缺陷，它属于固态自旋中的一种，也是其中最为广泛研究的一种。氮-空位色心用于磁测量理论上灵敏度可达飞特斯拉量级。同时，基于氮-空位色心的磁力计能够工作于室温大气中，这些优点是其得到广泛研究的重要原因。

现有的磁传感器中，金刚石氮-空位色心磁传感器是大约在2008年开始发展起来的，目前相应的硬件系统多数都由商用产品组合搭建而成，其中包括光学子系统、微波子系统、读出子系统以及敏感子系统(或可称为探头)。此类磁测量系统除了体积功耗方面较大之外，成本也较高。

面向不同应用的磁传感器其形态是不一样的，但多数针对宏观磁测量应用的磁传感器系统通常人们都希望其功耗低、体积小、重量小以及成本低。例如在材料检测、地磁勘探等应用中，受限于使用场景，都无法像实验平台一样使用松散连接的磁测量系统。这就造成了对磁传感器的研究开始接近应用层面后，由于前述问题限制了其应用场景。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于金刚石中固态自旋的集成化传感器，以期部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于金刚石中固态自旋的集成化传感器，包括：光学子系统，包括：发光单元，用于提供激发光；敏感子系统，包括：含固态自旋的金刚石，用于在待测磁场和所述发光单元提供的激发光的作用下，产生包含待测磁场信息的荧光信号；以及读出子系统，包括：光电探测单元，用于将所述敏感子系统产生的荧光信号转为电信号；以及模数转换单元，用于将所述光电探测单元产生的模拟电信号转为数字信号；其中，所述光学子系统、所述敏感子系统和所述读出子系统以子系统组件载体为基础集成为所述集成化传感器，所述子系统载体为用于将系统传感器各子系统以及全部所需功能集成为一个整体，包括印刷电路板、柔性印刷电路板、以及半导体集成电路芯片的三者的至少之一。

从上述技术方案可以看出，本发明的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)高集成度：本发明将所述光学子系统、所述敏感子系统和所述读出子系统以印刷电路板、柔性印刷电路板、以及半导体集成电路芯片中三者的至少之一集成的方式形成所述集成化传感器，集成度高。

(2)高稳定性：本发明的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器，将各子系统集成，减少了由于各子系统离散导致的各子系统之间信号传输的损失，减少了外部干扰的影响，提高了测量的稳定性。

(3)低成本：本发明通过基于各子系统一体化的设计方案，根据金刚石传感器的总体指标分解得到各子系统所需实现的指标和功能，从而能够减少系统中存在的冗余功能，减少系统的成本。同时由于金刚石传感器的设计从底层实现，进一步减少了商用模块级/仪器级产品的成本占比，也能够极大地降低系统成本，为集成化传感器走向工业化大规模生产和商业化应用提供了基础。

附图说明

图1为本发明提供的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器的一种子系统空间分布俯视示意图；

图2为本发明实施例1提供的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器的结构框图；

图3为本发明实施例1提供的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器的敏感子系统装配示意图；

图4为本发明实施例2提供的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器的敏感子系统装配示意图；

图5为本发明实施例1的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器空间结构布局样例概念示意图。

附图标记说明

1 金刚石

2 微波天线线圈

3 滤波片

4 光电二极管

5 微波线阵列

6 滤波光栅

7 PN结硅光电二极管

8 发光单元

9 光电探测单元

10 滤波单元

11 辐射结构单元

12 印刷电路板

具体实施方式

在实现本发明的过程中发现，磁传感器的集成化是极其重要的。集成化的优势包括：将各子系统刚性连接之后能够利用补偿方法解决由于传感器自身器件所产生的磁干扰问题；通过一体化设计，能够根据传感器的总体指标分解得到各子系统所需实现的指标和功能，从而减少系统中存在的冗余功能以及系统的成本。

近些年来，随着金刚石NV色心磁力计性能指标的提升以及研究的深入，对其集成化研究工作也逐渐开展，但其中主要的研究工作都是以部分子系统尤其是探头部分的集成化为主。例如部分工作通过光纤与金刚石结合的方案来实现探头的集成化。但是，这种方案需要外部的激光器等体积较为庞大的设备，从而导致整个磁传感器的体积也较大。目前尚未有对整体系统进行总体集成化的工作。

目前基于NV色心的常规精密测磁技术主要基于激发光来极化NV色心，通过使用微波场对NV色心进行操控，最后通过读出NV色心产生的荧光信号强度变化得到NV色心自旋量子态的布居度，从而能够得到外磁场的强度。除了常规方法以外，也可以利用NV色心的荧光强度随不沿轴磁场的变化而变化、或者NV色心能级免交叉点的荧光特征来实现磁场测量，这种方法由于不需要微波场的参与称为无微波测量方法。无微波测量方法不使用微波场来操控NV色心，而是通过观测外磁场对NV色心产生的荧光的影响来得到外磁场的强度。此外，基于NV色心的磁测量方法中还存在略微不同于上述工作模式的情形，称为红外探测方法。红外探测方法则利用NV色心的单态对红外光的吸收来判断NV色心的量子态从而实现读出。需要注意到一些探测方法中还需要偏置磁场单元来解除NV色心±1能级的简并。但这些方法的总体共性特征都是需要激发NV色心的激发光，需要探测反映NV色心状态的光学信号，因此本发明的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器中的各子系统分别实现上述激发、操控、和读出功能。

在此基础上，本发明旨在提出一种高集成度的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器，通过以印刷电路板或者是半导体集成电路芯片为主体，将光学子系统、微波子系统、读出子系统以及敏感子系统都集成为一体，以解决现有集成化传感器集成度低的问题，为集成化传感器的大规模应用打下基础。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明的实施例，提供了一种基于金刚石中固态自旋的集成化传感器，包括：光学子系统，包括：发光单元，用于提供激发光；敏感子系统，包括：含固态自旋的金刚石，用于在待测磁场和发光单元提供的激发光的作用下，产生包含待测磁场信息的荧光信号；以及读出子系统，包括：光电探测单元，用于将敏感子系统产生的荧光信号转为电信号；以及模数转换单元，用于将光电探测单元产生的电信号转为数字信号；其中，所述光学子系统、所述敏感子系统和所述读出子系统以子系统组件载体为基础集成为所述集成化传感器，所述子系统载体为用于将系统传感器各子系统以及全部所需功能集成为一个整体，包括印刷电路板、柔性印刷电路板、以及半导体集成电路芯片的三者的至少之一。

本发明的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器基于高集成度的各子系统来实现NV色心的测磁功能，其集成度高、测量时稳定性好、成本低、有利于大规模的应用。

根据本发明的实施例，含固态自旋的金刚石为含NV色心的金刚石。

根据本发明的实施例，读出子系统的光电探测单元集成在半导体集成电路芯片上，且发光子系统的发光单元、读出子系统的模数转换单元和敏感子系统集成在印刷电路板或柔性电路板上。

根据本发明的实施例，多个印刷电路板或柔性印刷电路板之间除了板级互联接口以外，还需要采用玻璃、铝、碳纤维等特别设计的支架架构来实现电路板之间的固定连接；将敏感子系统集成于印刷电路板、柔性印刷电路板、半导体集成电路芯片时，也需要通过支架架构来实现同定连接，这些支架结构需要满足抗震、抗热膨胀、透光性好以及散热等方面的需求，称为辅助支撑组件或者辅助支架结构。该辅助支撑组件或辅助支架结构可直接布置在印刷电路板、柔性印刷电路板或者是半导体集成电路芯片上。基于一块或多块印刷电路板承载传感器的各子系统，印刷电路板外结合辅助刚性支架与外壳实现集成化传感器的稳定性，印刷电路板上可以基于自制芯片级组件或商用芯片级组件实现各子系统功能。

根据本发明的实施例集成化传感器还包括：微波子系统，包括振荡器单元，用于产生微波信号；以及辐射结构单元，用于将微波信号从同轴线中辐射到空间中，从而操控敏感子系统中的金刚石的NV色心。

根据本发明的实施例，振荡器单元包括集成于印刷电路板或柔性印刷电路板的压控振荡器(VCO)或锁相环(PLL)，或者集成于芯片的片上VCO。

根据本发明的实施例，微波子系统还包括数字信号合成单元，用于产生低频信号，低频信号与振荡器单元产生的微波信号混频后产生频率可调微波信号，其中数字信号合成单元包括集成于印刷电路板或柔性印刷电路板的数字频率合成(Direct DigitalSynthesizer，DDS)芯片。

根据本发明的实施例，微波子系统还包括功率放大单元，用于对频率可调微波信号进行放大，其中功率放大单元包括集成于印刷电路板或柔性印刷电路板的功率放大器。

根据本发明的实施例，辐射结构单元包括集成于印刷电路板或柔性印刷电路板的微波辐射结构单元，以环状形态绕着含有NV色心的金刚石，或者集成于芯片的微波线阵列。可选的，微波辐射结构单元为直接缠绕在敏感单元上的微波天线线圈、微波线阵列式辐射结构、双开口环式辐射结构、或是微带线式辐射结构。

根据本发明的实施例，读出子系统包括主控核心单元，包括集成于印刷电路板或柔性印刷电路板的系统级芯片(System on Chip，简称SoC)，或者集成于芯片的片上SoC。该SoC芯片或片上SoC主要由现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，和/或，处理器，和/或，数字信号处理器等器件构成，负责进行数据的处理以及整个传感器的控制。

根据本发明的实施例，读出子系统还包括：放大器单元，用于放大光电探测单元产生的电信号；滤波单元，用于过滤敏感单元产生的荧光信号后输入光电探测单元。

根据本发明的实施例，放大器单元包括集成于印刷电路板或者柔性印刷电路板的跨阻放大器。

根据本发明的实施例，滤波单元是设置于金刚石和光电二极管之间长波通滤波片，或者集成于芯片的滤波光栅，设置于金刚石和PN结式硅光电二极管之间。根据本发明的实施例，读出子系统还包括：时钟管理单元，用于对振荡器单元，数字信号合成单元、和模数转换单元提供参考时钟信号；电源管理单元，用于对光学子系统、读出子系统、微波子系统的各功能单元提供供电电源；通讯管理单元，用于在主控核心单元的控制下与外部进行通讯；其中时钟管理单元、电源管理单元、通讯管理单元以多个芯片为载体集成在印刷电路板或者柔性印刷电路板上。

根据本发明的实施例，发光单元包括以氮化镓为基础的激光二极管或以氮化镓为基础的发光二极管，集成于印刷电路板或者柔性印刷电路板；或者以氮化镓基PN结为基础的发光二极管或者以氮化镓基PN结为基础的激光二极管，集成于半导体集成电路芯片上。

可选的，以氮化镓为基础的激光二极管或发光二极管通过热沉与印刷电路板或者柔性印刷电路板连接，以氮化镓PN结为基础的激光二极管或发光二极管，以裸片形式连接在芯片上。

根据本发明的实施例，光学子系统还包括：电流源单元，用于驱动光学子系统的发光单元产生激发光。

根据本发明的实施例，电流源单元为集成于印刷电路板或柔性印刷电路板的基于运算放大器的反馈电路，结合场效应晶体管实现运算放大器的输出电压对晶体管流通电流强度的控制。

根据本发明的实施例，读出子系统中的光电探测单元包括集成于印刷电路板或者柔性印刷电路板的光电探测器，或者集成于半导体集成电路芯片的PN结式硅光电二极管。

根据本发明的实施例，模数转换单元包括集成于印刷电路板或者柔性印刷电路板的模数转换器，或者集成于半导体集成电路芯片的片上模数转换器。

根据本发明的实施例，敏感子系统还包括：磁通聚集单元，能够用于放大待测磁场，实现集成化传感器磁测量灵敏度的提升；偏置磁场单元，为NV色心提供偏置磁场，解除NV色心的能级简并，或者是将NV色心设置于能级免交叉点处；利用镀膜工艺在敏感子系统的金刚石表面形成的表面处理结构；可选的，表面处理结构为金属膜和非金属氧化物的结合结构；金属膜为金膜、银膜、或者铝膜，氧化物包括一氧化硅、氟化镁、二氧化硅或三氧化二铝。

基于前述的集成化传感器，与现有技术相比，本发明提出三个方案，囊括金刚石磁传感器的所需组件：第一种方案是以印刷电路板和/或柔性印刷电路板为基础将各子系统中的所需功能以芯片为载体集成为一体，第二种方案是以半导体集成电路芯片为基础，将各子系统所需的功能都以晶体管或逻辑门的形式集成为一体，第三种采用印刷电路板和/或柔性电路板与半导体集成电路芯片共同组成基础载体。其中，比较重要的光源部分本发明的方案是采用以发光二极管/激光二极管为主题的高集成度组件以实现激发光的产生。

以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。

实施例1

本实施例提供了一种集成在印刷电路板上的集成化传感器。

传感器的一种子系统空间分布示意图如图1所示，各子系统在在印刷电路板上紧密连接在一起。其中微波子系统、光学子系统与读出子系统在空间上紧贴敏感子系统，从而实现系统的整体功能。

传感器的系统框图如图2所示，光学子系统包括电流源单元、发光单元。微波子系统包括振荡器单元、数字信号合成单元、功率放大单元和辐射结构单元。读出子系统包括滤波单元、光电探测单元、放大器单元、模数转换单元、主控核心单元、时钟管理单元、电源管理单元、以及通讯管理单元。

在电流源单元的驱动下发光单元产生能够施加在敏感子系统上的激发光。振荡器单元产生的微波信号和数字信号合成单元产生低频信号经混频后，产生频率可调的微波信号。频率可调的微波信号经功率放大器单元放大后，产生特定的微波信号。特定的微波信号经辐射结构单元作用于敏感子系统，敏感子系统在受到激光和特定的微波信号的共同作用后产生包含磁场信息的荧光信号，经滤波单元滤波后输入光电探测单元，光电探测单元将荧光信号转为电信号，电信号经放大器单元放大后再由模数转换单元转为数字信号后交给主控核心单元进行处理、存储以及向外发送。时钟管理单元为集成化传感器的各个器件单元提供参考时钟信号；电源管理单元在接收外部输入电源后为整个集成化传感器的各个器件单元提供供电电源；通讯管理单元用于管理并处理集成化传感器与外部的通讯，包括接收指令以及发送数据等。

其中，电流源单元，发光单元为激光二极管或者发光二极管，振荡器单元包括芯片级压控振荡器，数字信号合成单元包括DDS芯片，功率放大单元包括芯片级功率放大器，辐射结构单元是由微波天线线圈构成的，敏感子系统包括含有NV色心的金刚石，滤波单元包括芯片级滤波片，光电探测单元包括芯片级光电探测器，在本实施例中，该芯片级光电探测器为光电二极管，放大器单元包括芯片级跨阻放大器，模数转换单元包括芯片级模数转换器。

传感器的敏感子系统装配示意图如图3所示，含有NV色心的金刚石1设置在滤波片3上方，下方紧贴光电二极管4，微波天线线圈2以环状形态绕着敏感子系统将压控振荡器产生的微波发散到空间中，从而作用到金刚石1的NV色心，提供操控金刚石1的NV色心的微波场。图5为该实施例的集成化传感器空间结构布局样例概念示意图，示出了本实施例中发光单元8、光电探测单元9、滤波单元10、含有NV色心得金刚石1和辐射结构单元11集成在印刷电路板12的空间布局。

本实施例相对于已知类型的金刚石磁力计具备高集成度、高稳定性且低成本的优点。

实施例2

本实施例提供了一种集成在半导体集成电路芯片的集成化传感器，实施例2采用互补式金属氧化物半导体工艺(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，简称CMOS)把微波子系统、光学子系统、读出子系统、敏感子系统集成在同一块芯片中，本实施例中的半导体集成电路芯片为硅基半导体集成电路芯片。

光学子系统包括发光单元、微波子系统包括振荡器单元、辐射结构单元，读出子系统包括滤波单元、光电探测单元、模数转换单元、放大器单元、和主控核心单元。

发光单元通过正向电压偏置产生绿光，通过光导结构传输至敏感子系统，并作用于敏感子系统。振荡器单元产生的微波信号传输至辐射结构单元后产生微波场，并作用于敏感子系统，使敏感子系统处于磁测量工作模式。敏感子系统在受到绿光和微波场激发之后，产生荧光，通过滤波单元对绿光的滤除后，荧光能够作用于光电探测单元，并产生光电流。光电流通过放大器单元处理后送至模数转换单元转为数字信号，再送至主控核心单元，主控核心单元用于控制振荡器单元的微波输出信号，以及对模数转换单元输出的数字信号处理得到磁场数据。

其中，发光单元包括氮化镓基PN结，敏感子系统包括含有NV色心的金刚石，该含有NV色心的金刚石和硅基半导体集成电路芯片中的硅基半导体形成含有NV色心的金刚石异质结，辐射结构单元包括微波线阵列，振荡器单元包括片上压控振荡器，滤波单元包括滤波光栅，光电探测单元包括PN结式硅光电二极管，模数转换单元包括片上模数转换器，放大器单元包括跨阻抗放大器，主控核心单元包括片上单片系统(System on Chip，SoC)，其中片上SoC可以包括数模转换器，用于控制片上压控振荡器的输出信号。

传感器的敏感子系统装配示意图如图4所示，含有NV色心的金刚石1下方依次设置微波线阵列5、滤波光栅6、PN结式硅光电二极管7。

片上压控振荡器、片上模数转换器、片上数模转换器、片上SoC等组件，可以使用堆叠硅片互联技术将各功能组件裸片集成在传感器上子系统组件载体上，能够进一步降低传感器的制备难度及成本。

实施例2相对于其他类型的金刚石磁力计以及实施例1具有更高集成度、更高稳定性且更低成本的优点。

实施例3

本实施例提供了一种把微波子系统、光学子系统、读出子系统、和敏感子系统集成在硅基半导体集成电路芯片以及印刷电路板上的集成化传感器。

光学子系统包括发光单元，微波子系统包括振荡器单元、辐射结构单元，读出子系统包括滤波单元、光电探测单元、模数转换单元、放大器单元、和主控核心单元。

发光单元产生能够施加在敏感子系统的激光。振荡器单元产生的微波信号传输至辐射结构单元后产生微波场，并作用于敏感子系统，使敏感子系统处于磁测量工作模式。敏感子系统设置于辐射结构单元、光电探测单元之上，敏感子系统在受到激光和微波场激发之后，产生荧光，通过滤波单元对绿光的滤除后，荧光能够作用于光电探测单元，并产生光电流。光电流通过放大器单元处理后送至模数转换单元转为数字信号，再送至主控核心单元，主控核心单元用于控制振荡器单元输出微波信号，以及对模数转换单元输出的数字信号处理得到磁场数据。

其中，发光单元为激光二极管，主控核心单元包括SoC芯片，振荡器单元包括片上压控振荡器，辐射结构单元包括微波线阵列，敏感子系统包括含有NV色心的金刚石，光电探测单元包括片上PN结式硅光电二极管，滤波单元包括滤波光栅，放大器单元包括跨阻抗放大器，模数转换单元包括芯片级模数转换器。其中以硅基半导体集成电路芯片为载体，实现振荡器单元、辐射结构单元、滤波单元和光电探测单元的集成，以印刷电路板为载体，实现发光单元、模数转换单元、放大器单元和主控核心单元的集成

本实施例相对于其他类型的金刚石磁力计以及实施例1具有更高集成度、更高稳定性且更低成本的优点。相对于实施例2，其技术难度更低，开发成本也更低。

实施例4

本实施例提供了一种把光学子系统、读出子系统、敏感子系统集成在印刷电路板上的集成化传感器。

光学子系统包括发光单元与电流源单元；读出子系统包括滤波单元、光电探测单元、模数转换单元、和主控核心单元；敏感子系统包括含有NV色心的金刚石以及偏置磁场单元。

偏置磁场单元将NV色心设置于能级免交叉点，在受到激发光的作用下产生包含磁场信息的荧光信号，通过读出子系统的模数转换单元将荧光信号转换为数字信号，再通过主控核心单元转换成为磁场数据，最后进行存储或传输。

其中，发光单元为发光二极管，电流源单元包括运算放大器、场效应晶体管、以及低温漂电阻，滤波单元为长波通滤波片，光电探测单元为硅光电二极管，模数转换单元为芯片级的模数转换器，主控核心单元为基于ARM架构的单片机芯片，偏置磁场单元基于磁铁设置为海尔贝克阵列的形态。

从空间架构来看，集成化传感器的子系统组件载体包含主印刷电路板以及金刚石样品装配印刷电路板。其中，主印刷电路板实现电流源产生、模数转换、以及磁场数据的处理传输存储等功能的实现，发光二极管、金刚石样品、长波通滤波片、硅光电二极管、偏置磁场单元设置于金刚石样品装配印刷电路板上。发光二极管的正负极通过导线连接至主印刷电路板的电流源输出上；光电二极管的正负级输出通过板级连接结构连接到模数转换器的输入端上；金刚石样品装配印刷电路板安装在主印刷电路板的边缘上方，整个传感器能够控制在10厘米的尺度以下。

本实施例相对于其他类型的金刚石磁力计以及前述实施例具有更低成本的优点。成本低的主要原因是因为本发明进一步精简了微波子系统，利用NV色心的能级免交叉点来实现磁场的测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于金刚石中固态自旋的集成化传感器，包括：

光学子系统，包括：

发光单元，用于提供激发光；

敏感子系统，包括：

含固态自旋的金刚石，用于在待测磁场和所述发光单元提供的激发光的作用下，产生包含待测磁场信息的荧光信号；以及

读出子系统，包括：

光电探测单元，用于将所述敏感子系统产生的荧光信号转为电信号；以及

模数转换单元，用于将所述光电探测单元产生的电信号转为数字信号；

其中，所述光学子系统、所述敏感子系统和所述读出子系统以子系统组件载体为基础集成为所述集成化传感器，所述子系统组件载体为用于将系统传感器各子系统以及全部所需功能集成为一个整体，包括印刷电路板、柔性印刷电路板、以及半导体集成电路芯片的三者的至少之一。

2.如权利要求1所述的集成化传感器，其中，所述读出子系统的光电探测单元集成在半导体集成电路芯片上，且所述发光子系统的发光单元、所述读出子系统的模数转换单元和所述敏感子系统集成在所述印刷电路板或柔性印刷电路板上；

作为优选，所述含固态自旋的金刚石为含NV色心的金刚石。

3.如权利要求2所述的集成化传感器，其中，所述集成化传感器还包括：

微波子系统，包括：

振荡器单元，用于产生微波信号；以及

辐射结构单元，用于将所述微波信号从同轴线中辐射到空间中，从而操控敏感子系统中的金刚石的NV色心；

作为优选，所述振荡器单元包括集成于所述印刷电路板或柔性印刷电路板的压控振荡器，或者集成于所述半导体集成电路芯片的片上压控振荡器。

4.如权利要求3所述的集成化传感器，其中，所述微波子系统还包括数字信号合成单元，用于产生1GHz以下的射频信号，所述射频信号与所述振荡器单元产生的微波信号混频后产生频率可调的微波信号，其中所述数字信号合成单元包括集成于所述印刷电路板或柔性印刷电路板的数字频率合成芯片；

作为优选，所述微波子系统还包括功率放大单元，用于对所述频率可调的微波信号进行放大，其中所述功率放大单元包括集成于所述印刷电路板或柔性印刷电路板的功率放大器；

作为优选，所述辐射结构单元包括集成于所述印刷电路板或柔性印刷电路板的微波辐射结构，以环状形态绕着所述含有NV色心的金刚石，或者集成于所述半导体集成电路芯片的微波线阵列。

5.如权利要求4所述的集成化传感器，其中，所述微波辐射结构为直接缠绕在敏感子系统上的微波天线线圈、微波线阵列式辐射结构、双开口环式辐射结构、或是微带线式辐射结构。

6.如权利要求1所述的集成化传感器，其中，所述读出子系统还包括：

放大器单元，用于放大所述光电探测单元产生的电信号；

滤波单元，用于过滤所述敏感子系统产生的荧光信号后输入所述光电探测单元；

主控核心单元，用于对所述模数转换单元产生的数字信号进行处理，最终得到待测磁场信号；

时钟管理单元，用于对所述振荡器单元、所述数字信号合成单元和所述模数转换单元提供参考时钟信号；

电源管理单元，用于对所述光学子系统、所述微波子系统和所述读出子系统的各功能单元提供供电电源；

通讯管理单元，用于在所述主控核心单元的控制下与外部进行通讯；

其中所述主控核心单元包括集成于所述印刷电路板或柔性印刷电路板的系统级芯片，或者集成于所述半导体集成电路芯片的片上系统级芯片；

所述时钟管理单元、所述电源管理单元、所述通讯管理单元集成在印刷电路板或者柔性印刷电路板上；

作为优选，所述放大器单元包括集成于所述印刷电路板或者柔性印刷电路板的跨阻放大器；

作为优选，所述滤波单元为设置于所述金刚石和光电二极管之间的长波通滤波片，或者集成于所述半导体集成电路芯片的滤波光栅，设置于所述金刚石和PN结式硅光电二极管之间。

7.如权利要求1所述的集成化传感器，其中，所述光学子系统还包括：

电流源单元，用于驱动所述光学子系统的发光单元产生激发光；

作为优选，所述电流源单元为集成于所述印刷电路板或柔性印刷电路板的基于运算放大器的反馈电路。

8.如权利要求1所述的集成化传感器，其中，所述发光单元包括以氮化镓为基础的激光二极管或以氮化镓为基础的发光二极管，集成于所述印刷电路板或者柔性印刷电路板；或者以氮化镓基PN结为基础的发光二极管或者以氮化镓基PN结为基础的激光二极管，集成于所述半导体集成电路芯片上；

所述光电探测单元包括集成于所述印刷电路板或者柔性印刷电路板的光电二极管，或者集成于所述半导体集成电路芯片的PN结式硅光电二极管；

所述模数转换单元包括集成于所述印刷电路板或者柔性印刷电路板的模数转换器，或者集成于所述半导体集成电路芯片的片上模数转换器；

所述以氮化镓为基础的激光二极管或发光二极管通过热沉与所述印刷电路板或者柔性印刷电路板连接，所述以氮化镓PN结为基础的激光二极管或发光二极管，以裸片形式连接在所述半导体集成电路芯片上。

9.如权利要求1所述的集成化传感器，其中，所述敏感子系统还包括利用镀膜工艺在所述敏感子系统的金刚石表面形成的表面处理结构；

所述表面处理结构为金属膜和非金属氧化物膜的结合结构；所述金属膜为金膜、银膜、或者铝膜，所述非金属氧化物膜包括一氧化硅、氟化镁、二氧化硅或三氧化二铝。

10.如权利要求1所述的集成化传感器，敏感子系统还包括：

偏置磁场单元，用于为所述固态自旋的金刚石提供偏置磁场；

磁通聚集单元，用于放大所述待测磁场以实现灵敏度的提升；

所述偏置磁场单元和所述磁通聚集单元集成在所述印刷电路板或者柔性印刷电路板上。

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