CN117310279A - 信号频率分析装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种信号频率分析装置和方法，该装置(10)包括：具有限定出子区域的NV中心的金刚石晶体(12)；对每一个子区域进行光致激发或电致激发的激发单元(14)；用于注入信号的注入单元(16)，以使得所述子区域存在该信号；磁场发生器(18)，该磁场发生器用于在每一个子区域内产生磁场，该磁场沿第一方向具有幅度上的空间变化；以及检测器(20)，用于检测所述区域的每一个子区域的共振频率，该检测器(20)包括用于检测子区域内所生成的电荷的电触点以及读取电路。
Description
本申请是申请号为201980025459.8，申请日为2019年2月14日，发明名称为“信号频率分析装置和方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种信号频率分析装置。本发明还涉及一种相应的信号频率分析方法。本发明涉及信号频率分析领域，即涉及未知信号的频率分量的频率识别以及频率分量的幅度的确定。更具体而言，本领域为微波频率领域。频率通常位于数兆赫(MHz)与数百吉赫(GHz)之间(包括此两值)的信号被视为微波频率信号。
背景技术
微波频率信号的频谱分析通过模拟或数字方式进行。
在模拟方式中，通过变化本地振荡器的频率而与待测信号外差干涉。这一频率扫描操作无法瞬间获取整个频谱。
虽然光谱烧孔(SHB)技术等固态技术能够瞬间测得整个所需频谱，但是该技术的限制在于需要使用冷却至极低温的晶体。
在数字频谱分析中，首先以模数转换器将输入信号数字化，然后再对数字化的信号进行快速傅立叶变换(FFT)。
然而，这一技术受限于在高频下工作的所述转换器的动态状况。
因此，需要一种具有更高性能的微波频率信号分析装置。
发明内容
为此目的，本说明书提出一种信号频率分析装置，包括：具有晶格、价带及导带的金刚石晶体，该金刚石晶体包含有处于所述晶格中的NV中心，每一个NV中心均由取代碳原子且与空位耦合的氮原子构成，如此成对的氮原子和空位构成所述晶格中的有色中心，该金刚石晶体具有含多个子区域的至少一个区域，每一个子区域均具有介于NV-中心能级之间的共振频率，其中，对于每一个子区域，当该子区域存在光致激发或电致激发作用时，在所述导带内生成电荷，以及当存在至少一个频率与所述子区域的共振频率相等的信号时，电荷量随该信号在所述共振频率下的频率分量的幅度变化。该分析装置还包括：对每一个子区域进行光致激发或电致激发的激发单元；用于注入信号的注入单元，以使得所述子区域存在该信号；用于在每一个子区域内产生磁场的磁场发生器，该磁场沿第一方向具有幅度上的空间变化；以及用于检测所述区域的每一个子区域的所述共振频率的检测器。该检测器包括针对共振频率待检测的每一个子区域的电触点，每一个电触点均能够检测相应的子区域在所述金刚石晶体的导带内产生的电荷，以在该子区域同时存在源自所述激发单元的光致激发或电致激发以及所述注入单元注入的信号时，获得信号。该检测器还包括硅制读取电路，该电路与所述电触点相连，以将所获取的每一个信号转换为转换信号，每一个转换信号均取决于所述频率分量在所述子区域的共振频率下的幅度。
根据特定实施方式，所述装置包括以下的一项或多项特征，这些特征既可视为相互独立的特征，也可按照技术上可行的组合方式进行组合：
-两个电触点之间的距离小于300纳米；
-所述读取电路为CMOS电路；
-所述读取电路包括多个处理单元，每一个处理单元均与相应的电触点相连；
-每一个处理单元均通过铟制垫片或通过导线与相应的电触点相连；
-所述检测器还包括印刷电路板，该印刷电路板将所述读取电路与所述电触点相连；
-每一个电触点均由沿第二方向的相互叉指的两个电极形成，所述第二方向与所述第一方向垂直；
-所述晶体为主要沿平面延伸层状物，并具有处于所述平面内的轴线111；
-所述电触点的数目大于500。
本公开内容还涉及一种信号频率分析方法，该方法包括提供具有晶格、价带及导带的金刚石晶体的步骤，该金刚石晶体包含有处于所述晶格中的NV中心，每一个NV中心均由取代碳原子且与空位耦合的氮原子构成，如此成对的氮原子和空位构成所述晶格中的有色中心，其中，该金刚石晶体具有含多个子区域的至少一个区域，每一个子区域均具有介于NV-中心能级之间的共振频率，其中，对于每一个子区域，当该子区域同时存在光致激发或电致激发以及至少一个频率与该子区域的共振频率相等的信号时，则所述导带内所生成的电荷数量发生变化。该方法还包括如下步骤：对所述金刚石晶体的每一个子区域进行光致激发或电致激发；注入信号，以使得所述子区域存在该信号；在每一个子区域内产生磁场，该磁场沿第一方向具有幅度空间变化；以及通过如下方式检测所述区域的每一个子区域的共振频率：以分别针对各个子区域的相应的电触点检测每一个子区域在所述金刚石晶体的导带内所产生的电荷，以获得信号；以及通过与所述电触点相连的硅制读取电路将所获取的每一个信号转换为转换信号，其中，每一个转换信号均取决于所述信号在所述子区域共振频率下的频率分量。
附图说明
通过阅读以下以举例方式给出且参考附图的本发明实施方式说明内容，本发明的其他特征和优点将变得容易理解，附图中：
图1为一例示微波频率信号分析装置的示意图；
图2为另一例示微波频率信号分析装置的示意图。
具体实施方式
图1为分析装置10的示意图。
分析装置10能够分析信号。
在本发明背景下，“分析”一词是指以下操作当中的一者：识别信号频率分量的频率；确定信号频率分量的幅度。
分析装置10适于识别信号频率分量的频率并确定信号频率分量的幅度。
因此，分析装置10为一种频谱分析装置。
在本实施例中，分析装置10为用于微波频率信号分析的装置，该微波频率信号的频率介于1MHz和数百GHz(含此两端点值)之间。
装置10包括金刚石晶体12，激发单元14，待分析信号注入单元16，磁场发生器18以及检测器20，该检测器由触点26和读取电路28形成，该读取电路包括一组处理单元30。
金刚石晶体12具有晶格。各能级由价带和导带表征。
晶体12包括处于晶格中的NV(氮空位)中心。
NV中心处于表面附近或处于内部。
每一个NV中心均由取代碳原子且与空位耦合的氮原子构成，成对的氮原子和空位构成晶格内的有色中心。
更具体而言，NV中心为金刚石晶格内的周期性缺陷，该缺陷由替代碳原子且与晶格相邻位置的空位(V表示“空位”)耦合的氮原子(N)构成。
金刚石内的NV中心能以良好受控的方式产生。大尺寸金刚石通过化学气相沉积(CVD)法生成，而且形式通常为每边长度为数毫米且厚度为数百微米的平行六面体。NV中心可通过氮原子的离子注入法形成。NV中心还可通过在金刚石生长过程中以“原位掺杂”法受控式地掺氮而形成。最后，通过将金刚石退火(800℃)而使得空位与氮杂质相结合，以形成NV中心。NV中心形成于内部或形成于表面附近的匀质层。
如此，构成NV中心的氮与空位的组合体便形成掺入金刚石基质内且能够以单一比例被检测出的“人造原子”。NV中心具有极为精确的位置，并且该位置不随时间发生变化。
NV中心能够以数种不同的电荷状态存在。本例中使用的电荷状态为相对于中性状态额外捕获一个电子的NV-中心。NV-中心具有与基态3A2和激发态3E的能级ms＝0和能级ms＝-1和ms＝+1之间的跃迁对应的电子自旋共振。在没有磁场的情况下，能级ms＝-1和ms＝+1退化。当施加外部磁场时，基态3A2和激发态3E的自旋能级mS＝-1和mS＝1均在塞曼(Zeeman)效应的作用下消除退化。其中，塞曼效应通过外部磁场与电子磁矩的耦合来消除退化。金刚石晶体12具有至少一个所含数个子区域的共振频率均处于NV中心各能级之间的区域，其中，对于每一个此类子区域，当该子区域存在光致激发或电致激发作用时，导带中将产生电荷。此时，当存在具有至少一个频率与所述子区域共振频率相等的微波频率信号时，导带中转移的电荷量将会发生变化。
有利地，晶体12具有平面几何形状，该平面包含有由图1中X轴和Y轴表示的两个方向。在下文中，第一方向称为第一方向X，第二方向称为第二方向Y。
激发单元14能够激发每一个子区域。
更具体而言，激发单元14能够激发各子区域所含的NV中心。
根据图1的实施方式，激发单元14能够通过光致激发作用激发每一个子区域。
激发单元14为激光二极管。
该激光二极管能够在可见光区域，尤其400纳米(nm)与650nm之间(包括此两端点值)的波长段内发光。
该激光二极管与晶体12相接触。
更一般而言，激发单元14为光源，尤其为泵浦激光器，如激光二极管。
注入单元16能够注入待分析信号，以使得每一个子区域均存在该待分析信号。
根据本实施方式，注入单元16为发射天线22和线缆24。
发射天线22设置于晶体12附近，并发出待分析信号。
发射天线22例如包括能够确保晶体12可获得均强场的环路。
线缆24为同轴线缆。
待分析信号来自供该信号在其内环形的同轴线缆24。
根据一种具体实施方式，线缆24与接收天线连接，以更好地捕获信号。
磁场发生器18设计为在每一个子区域产生磁场，该磁场在第一方向X上存在幅度上的空间变化。
有利地，所述磁场在幅度上的空间变化为单调变化。
根据一种实施方式，所述空间变化为线性变化。
例如，磁场发生器18能够施加数百T/m的磁场梯度。
根据一种具体情形，磁场发生器18为钕磁铁。
如上所述，检测器20包括触点26和读取电路28。
检测器20能够检测所述区域的每一个子区域的共振频率。
更具体而言，检测器20包括针对每一个子区域的电触点26，其中，检测器20能够检测每一个子区域的共振频率。
每一个电触点26能够检测相应的子区域在金刚石的导带内所产生的电荷，以在当该子区域内同时存在源自激发单元14的光致激发或电致激发以及注入单元16所注入的信号时获得信号。
由于该种电荷收集作用，电触点26也可称为电极。
此外，需要注意的是，每一个触点26可包括与晶体之间的多个接触点(具体见图2及下文)。
触点26的数目决定检测器20的频率分辨率。
根据本实施例，金属触点26为金制迹线，该迹线具有结合于晶体12上的钨制扣件。
触点26例如通过光刻技术沉积于金刚石晶体12上。
两个触点26之间的距离表示为d触点。
两个触点26之间的距离定义为两个触点26之间的最小距离。
有利地，对所有触点26而言，两个触点26之间的距离均相等。
根据该实施例，两个触点26之间的距离d触点介于10纳米(nm)和50微米(μm)之间(包括此两端点值)。
当两个触点26之间的距离d触点和所需分辨率已知时，可以推导出晶体12的尺寸。一般情况下，当两个触点26之间的距离d触点为1.0μm，且频率分辨率为待分析信号的频谱宽度的1/1000时，晶体12长度为1mm。
触点26收集的每一个电荷均形成所得信号。
读取电路28能够将触点26获得的每一个信号转换为转换信号，每一个转换信号均为相应的子区域的共振频率特有的，而且为相应频率分量的幅度的函数。该函数由与NV中心产生的背景信号相关的恒定部分与所测频率分量减去背景信号后的幅度成比例的部分构成。由此可见，为了获得与所测频率分量幅度成正比的信号，必须通过对上述信号进行处理以从中减去背景信号。
也就是说，读取电路28为能够对来自多个检测器的每一个模拟电信号进行处理的处理电路。所述处理例如包括放大或数字化。该处理电路包括分别针对各个检测器的相应的处理单元30。
处理单元30之间的间隙在下文中称为“间距”。
读取电路28由硅制成。
读取电路28例如为CMOS(互补金属氧化物半导体)电路。
在变型例中，读取电路28为电荷耦合装置(CCD)。
举例而言，读取电路28为可读取充电电阻器内电流的跨阻放大器，或者为可读取电容器电荷的电荷放大器。此类读取电路28已知具有较低的工作噪声，并适于检测低量电荷。
读取电路28与触点26相连，以将获取的每一个信号转换为转换信号，每一个转换信号均取决于与相应的子区域共振频率对应的频率分量的幅度。
这表示，每一个触点26均与读取电路28的相应的处理单元30相连。
例如，每一个处理单元30均通过导线与相应的触点26相连。
在变型例中，每一个处理单元30通过铟制垫片连接至相应触点26。
在该变型例中，上述间距与触点26之间的距离d触点相等。
根据另一实施方式，检测器20还包括印刷电路板(PCB)。
该印刷电路将读取电路28与触点26相连。
更具体而言，该印刷电路包括导电迹线，每一个触点26均通过导电迹线与相应的处理单元30相连。
以下，参考一种例示信号分析方法实施方式，对分析装置10的操作进行描述。
该方法包括激发步骤、注入步骤、生成步骤及检测步骤，这些步骤同时进行。
在激发步骤中，激发单元14以光学方式激发金刚石晶体12的每一个子区域。
如此，NV中心的电子在光学泵浦的作用下进入导带。
在注入步骤中，注入单元16注入待分析信号，从而使得每一个子区域均存在该信号。
在生成步骤中，磁场发生器18在每一个子区域中生成磁场。
该磁场通过塞曼效应改变每一个子区域内的共振频率。
所述激发、注入及生成步骤同时进行，从而使得每一个子区域同时存在光致激发、注入信号及磁场。
当子区域同时存在光致激发作用以及至少一个频率与该子区域共振频率相等的信号时，导带内所生成的电荷数将发生变化，从而能够检测到信号。
在检测步骤中，在每一个子区域的共振频率下检测频率分量的幅度。相应地，该检测步骤为对金刚石晶体12的NV中心的电子自旋状态进行光电检测的步骤。
为此目的，每一个触点26均对由NV中心生成于导带中的电荷进行收集。如此，可获得每一个触点26的信号。
该信号传导或传送至与触点26相连的处理单元30。
随后，处理单元30对每一个信号进行转换。
转换信号取决于子区域在共振频率下的频率分量。
由此可见，该分析方法能够利用金刚石的NV中心对感兴趣的信号进行分析，并对利用光电效应的磁共振信号(英文首字母缩写为“PDMR”)进行电学检测。
与磁共振的光学检测(英文首字母缩写为“ODMR”)相比，由于装置10不涉及光学读取单元，尤其显微镜，因此尺寸更小。
根据一种具体实施方式，两个触点26之间的距离d触点小于300nm，因此能够获得比光学检测更好的分辨率。事实上，所述距离小于光学分辨率的极限。
分析装置10能够对整个待分析信号进行瞬时检测。因此，装置10的速度高于现有扫描系统。此外，由于结构简单，因此装置10的成本更低且尺寸更小。
因此，分析装置10为一种在环境温度下工作的小尺寸固态装置。
以下，参考图2，描述分析装置10的另一实施方式。
该实施方式的分析装置10与图1分析装置10类似。以下，不再重复描述相同元件，仅强调两者之间的区别。
在该情形中，每一个触点26均由两个叉指电极32形成。
叉指电极32为一对梳状网络，每一梳齿均构成电极。各对梳状网络彼此交织，以使得第二网络的每一个电极处于第一网络的两个电极之间。
与上同，每对网络均与读取电路28的单个处理单元30相连。
此外，需要注意的是，处于叉指电极32网络中间的电极称为中点电极。
在本例中，每一个叉指电极32均定义有方向，而且各方向平行。
此外，该方向沿第二方向Y延伸，并与磁场梯度的施加方向垂直。
图2的分析装置10的操作与图1的装置10的操作类似，其区别在于，通过使用叉指电极32，可进一步施加额外激发场。该激发场的幅度为若干伏特。
图2的装置10与图1的装置10具有相同优点。
此外，由于各电极为沿第二方向Y延伸的叉指电极，因此可以降低空间要求，并提高电荷收集效率，从而改善装置10的信噪比。
通常，检测信号预计可增大50倍。
除此之外，还能想到其他能够改善所需信号收集状况的实施方式。
在所需信号的收集方面，尤其优选的实施方式为任何容易将NV中心的轴线、第一方向X以及光致激发或电致激发的传播方向对齐的实施方式。
为此目的，金刚石晶体12例如为具有轴线111的层状物，其中NV中心沿轴线111对其，并且轴线111处于金刚石晶体12的主要延伸平面内。
如果无此类晶体12，则可先预备具有小面110且厚度通常为500μm的商用晶体12，然后通过对其进行适当加工，获得长度约为500μm且具有正确取向的晶体12。
此外，也可采用NV中心均沿单条轴线111取向的晶体12，该晶体可通过对其生长过程进行监测的方式获得。如果晶体质量不够高，也可使用沿113生长的晶体12，以使得NV中心的优选取向能够发挥有益作用，然后沿111晶向进行加工。
有利地，磁场发生器18设置为使得磁场在与晶体12平面垂直的垂直方向Z以及处于晶体12平面内的第二方向Y上具有恒定幅度。这一特征可通过在需要磁场具有恒定幅度的垂直方向Z和第二方向Y上具有较大长度的磁体实现。如此，可使得均沿垂直方向Z和第二方向Y排列且在第一方向X上具有相同坐标的所有NV中心具有相同的共振频率。如此，可通过将所述各NV中心的贡献量相加而形成收集信号，从而能够增大检测信号并改善信噪比。
Claims (10)
1.一种信号频率分析装置(10)，其特征在于，包括：
具有晶格、价带及导带的金刚石晶体(12)，所述金刚石晶体(12)包含处于所述晶格中的NV中心，每一个NV中心均由取代碳原子且与空位耦合的氮原子构成，一对氮原子和空位构成所述晶格中的有色中心，其中，所述金刚石晶体(12)具有含多个子区域的至少一个区域，每一个子区域均具有介于NV-中心能级之间的共振频率，其中，对于每一个子区域，当所述子区域存在光致激发或电致激发时，在所述导带内生成电荷，以及当存在具有至少一个频率与所述子区域的所述共振频率相等的信号时，电荷量随所述信号在所述共振频率下的频率分量的幅度变化；
-对每一个子区域进行光致激发或电致激发的激发单元(14)；
-用于注入信号的注入单元(16)，以使得所述子区域存在所述信号；
-用于在每一个子区域内产生磁场的磁场发生器(18)，所述磁场沿第一方向具有幅度上的空间变化；以及
-用于检测所述区域的每一个子区域的所述共振频率的检测器(20)，所述检测器(20)包括：
针对共振频率待检测的每一个子区域的电触点(26)，每一个电触点(26)均能够检测相应的子区域在所述金刚石晶体(12)的导带内产生的电荷，以在所述子区域同时存在源自所述激发单元(14)的所述光致激发或所述电致激发以及所述注入单元(16)注入的信号时，获得信号；以及
连接至所述电触点(26)的硅制读取电路(28)，以将所获得的每一个信号转换为转换信号，每一个转换信号均取决于所述频率分量在所述子区域的所述共振频率下的幅度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两个所述电触点(26)之间的距离小于300纳米。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述读取电路(28)为CMOS电路。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述读取电路(28)包括多个处理单元(30)，其中，每一个处理单元(30)均与相应的电触点(26)相连。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，每一个处理单元(30)均通过铟制垫片或通过导线(31)与相应的电触点(26)相连。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测器(20)还包括印刷电路板，所述印刷电路板将所述读取电路(28)与所述电触点(26)相连。
7.根据权利要求1至6当中任何一项所述的装置，其特征在于，每一个电触点(26)均由沿第二方向(Y)的相互叉指的两个电极(32)形成，其中，所述第二方向(Y)与所述第一方向(X)垂直。
8.根据权利要求1至6当中任何一项所述的装置，其特征在于，所述晶体(12)为主要沿平面延伸的层状物，并且具有处于所述平面内的轴线111。
9.根据权利要求1至6当中任何一项所述的装置，其特征在于，所述电触点的数目大于500。
10.一种信号频率分析方法，其特征在于，所述方法至少包括如下步骤：
提供具有晶格、价带及导带的金刚石晶体(12)，所述金刚石晶体(12)包含处于所述晶格中的NV中心，每一个NV中心均由取代碳原子且与空位耦合的氮原子构成，一对氮原子和空位构成所述晶格中的有色中心，其中，所述金刚石晶体(12)具有含多个子区域的至少一个区域，每一个子区域均具有介于NV-中心能级之间的共振频率，其中，对于每一个子区域，当所述子区域同时存在光致激发或电致激发以及具有至少一个频率与所述子区域的所述共振频率相等的信号时，则所述导带内所生成的电荷数量发生变化；
-对所述金刚石晶体(12)的每一个子区域进行光致激发或电致激发；
-注入信号，以使得所述子区域存在所述信号；
-在每一个子区域内产生磁场，所述磁场沿第一方向(X)具有幅度上的空间变化；以及
-通过如下方式检测所述区域的每一个子区域的所述共振频率：
-以分别针对各个子区域的相应的电触点(26)检测每一个子区域在所述金刚石晶体的所述导带内所产生的电荷，以获取信号；以及
-通过与所述电触点(26)相连的硅制读取电路(28)将所获取的每一个信号转换为转换信号，其中，每一个转换信号均取决于所述信号在所述子区域的所述共振频率下的频率分量。
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