CN212228259U - 一种温度传感器及温度测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于金刚石NV色心的光纤温度传感器，包括光纤，微波传输天线和含有NV色心的金刚石，其中，光纤，用于传输激发光以及收集NV色心发射的荧光；微波传输天线，为环绕在光纤陶瓷插芯外的铜丝，用于传输微波以操控NV色心的基态能级，继而进行光学探测磁共振；含有NV色心的金刚石，位于所述光纤的端面，温度变化会引起NV色心基态能级的变化，继而用于温度传感。本实用新型还公开了一所述的基于金刚石NV色心的光纤温度传感器的温度测量系统。本实用新型的传感器结构简单，实用性强，并能实现很高的温度探测灵敏度，且探测的时候不受环境中的磁场噪声以及微波抖动的影响，体现很强的鲁棒性。金刚石作为主要的传感部件，本身就具有很高的热传导系数，使得本实用新型能够响应到毫秒量级的温度变化。

Description

一种温度传感器及温度测量系统

技术领域

本实用新型涉及光纤荧光传感领域，尤其涉及一种基于金刚石NV色心的光纤温度传感器及温度测量系统。

背景技术

光纤的发展促进了近些年各种技术的创新，比如光纤通信、光纤传感等，时时刻刻改变这人们的生活。其中光纤传感器在位移、震动、转动、压力、弯曲、速度、加速度、磁场、电压、湿度、温度、声场、PH值和应变等物理量的测量方面都有所研究和应用，主要因为光纤具有非常优秀性能，就材料本身而言，光纤具有抗电磁和原子辐射干扰性能，径细、质软、重量轻的机械性能，以及绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能；在光传输方面，光纤中传输的光的强度、相位、频率或偏振态等可直接或间接被测量，而且在光信息系统中也表现出大宽带、大容量、远距离传输以及能实现多参数、分布式、低能耗传感。

对于温度传感，目前基于光纤的温度传感主要利用以下两个原理，第一是温度会改变光纤材料的折射率，继而改变传输光的偏振态等性质，第二是在光纤中掺杂的特殊物质的吸收光谱会随着温度发生蓝移或者红移。基于这两种原理发生出了各种光纤温度传感器，然而大部分的传感器也存在着以下几个问题，首先对材料的性能依赖性很高，再此就是光纤弯曲，扭曲也会对温度测量产生影响，继而限制其在应用范围。总之光纤的性质和形态对于温度测量起着关键性的作用，也因为此，测量过程中的不稳定性和不确定性是必须考虑的因素；另一方面光纤本身作为传感器的核心部分，难以实现高空间分辨率的温度测量和扫描，加上此种类型的传感器往往提供不了很高的测量灵敏度，满足不了更高精度实验和应用的需求。

近些年金刚石NV色心的研究在量子传感领域开辟了无限的可能性，尤其在温度测量方面，发展出了以ODMR为主的探测方法，并实现了mK以下的探测灵敏度，只不过这些技术都是基于共聚焦光路系统，很难走向实用化。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种基于金刚石NV色心的光纤温度传感器及温度测量系统，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本实用新型的一方面，提供了一种基于金刚石NV色心的光纤温度传感器，包括光纤，微波传输天线和含有NV色心的金刚石，其中，

光纤，用于传输激发光以及收集NV色心发射的荧光；

微波传输天线，为环绕在光纤陶瓷插芯外的铜丝，用于传输微波以操控NV色心的基态能级，继而进行光学探测磁共振；

含有NV色心的金刚石，位于所述光纤的端面，温度变化会引起NV色心基态能级的变化，继而用于温度传感。

其中，所述的金刚石形状为块状或颗粒状，生长方式为气象化学沉积或高温高压制备。

其中，所述光纤是裸光纤(无陶瓷插芯)或含有包层的光纤，单模光纤或多模光纤。

其中，改变所述金刚石的大小能够适应不同空间分辨率的需求。

作为本实用新型的另一方面，提供了一种基于金刚石NV色心的光纤温度传感器的温度测量系统，包括传感模块、荧光激发和收集模块、信号处理与分析模块和温度扫描测量模块，其中，

传感模块，包括如上所述的光纤温度传感器，用于将温度变化转化为NV色心所发射的荧光强度变化；

荧光激发和收集模块，包括激光器、双色片、光纤耦合器、多模光纤、滤光片和光电探测器，用于NV色心的激发以及荧光的收集，并将光信号转化为电信号；

信号处理与分析模块，包括微波源和锁相放大器，用于将温度变化信息从光电探测器输出的电信号中提取出来；

温度扫描测量模块,包括步进电机和智能显示端，用于进行温度扫描及显示温度信息。

其中，上述温度测量系统能够应用于芯片温度测量。

基于上述技术方案可知，本实用新型的基于金刚石NV色心的光纤温度传感器及温度测量系统相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

1、传感器结构简单，实用性强，并能实现很高的温度探测灵敏度，且探测的时候不受环境中的磁场噪声以及微波抖动的影响，体现很强的鲁棒性。

2、金刚石作为主要的传感部件，本身就具有很高的热传导系数，使得本实用新型能够响应到毫秒量级的温度变化。

3、光纤只用于激发光的传输以及荧光的收集，所以光纤的弯折扭曲在一定程度上不会对探测结果造成影响，使用起来更加便利。

4、可以将探头作为微米级别的探针，可用于微米尺寸的温度测量，尤其在工业领域，芯片的温度测量，甚至说生物体内温度探测都有很大的应用潜力。

5、荧光收集系统，信号处理系统，传感系统是相互独立，便于系统更换或者升级。

6、可以优化金刚石中的NV色心浓度以及自旋性质，继而显著的提高温度测量的灵敏度，为更高精度的温度测量提供了充分方案。

附图说明

图1是金刚石NV色心的能级图；

图2是基于金刚石NV色心的温度传感器；

图3光纤温度传感的荧光激发和收集系统，以及信号分析与处理系统，温度扫描系统；

图4是频率调制下的ODMR谱；

图5是把微波的中心频率设定为f₀可有效地探测温度变化，并去除环境中的磁场噪声以及微波功率抖动的影响；

图6是噪声谱，显示本实用新型的温度探测灵敏度；

图7是对芯片表面的温度进行扫描和测量。

上图中，附图标记含义如下：

6、多模光纤，a、纤芯，8、微波传输天线，c、块状金刚石样品，

d、光纤陶瓷插芯；

1、激光器，2、反射镜，3、双色片，4、光纤耦合器，

5、滤波片，6、多模光纤，7、光电探测器，8、微波传输天线，

9、微波源，10、锁相放大器，11、电脑，12、步进电机。

具体实施方式

本实用新型将光纤和金刚石NV色心耦合在一起，实现高灵敏度的温度传感，并且它与光纤本身的材料性质和形状无关，避免了光纤物理状态对测量结果的影响；此外，这种方法的测量灵敏度决定于激发光的强度、金刚石中的NV色心浓度，以及荧光的收集效率，极大地拓宽了提高温度测量灵敏度地空间；最后，金刚石作为主要地传感器部件，其尺寸决定着温度测量地空间分辨率，通过减小金刚石地尺寸，并且提高NV色心的浓度以及荧光地收集效率，这种传感器可以很好的应用于微米尺寸地传感，比如生物传感，芯片晶元的温度测量，继而解决各种科研上的难题。

本实用新型将传感器的核心转移至金刚石NV色心。将块状的金刚石耦合在光纤的端面，光纤在整个测量过程中用于激发光和荧光的传输，光纤本身的属性对测量结果不会带来实质性的影响，而金刚石优秀的物理属性决定着此光纤温度传感器的稳定性和抗干扰能力。另一方面，利用系综NV色心的量子属性可以获得极高的温度测量灵敏度，此发明也可以应用在微米尺寸的温度测量，在科学研究和工业领域都可以很好的发挥应用价值。

本实用新型利用金刚石NV色心基态能级中的零场劈裂在一定范围内随着温度线性变化以及微波操控原理，将含有高浓度NV的金刚石与光纤耦合，实现了通过能级移动进行温度测量的光纤温度传感器。本实用新型结构简单，测量过程不受环境影响，同时也由于金刚石极高的导热系数使得本实用新型具有很快的温度响应。最后也给出了一些具体实施例子及其测量数据对本实用新型进行验证，显示本实用新型不仅具有很高的温度测量灵敏度，而且还可以进行温度扫描和成像。

下面具体介绍本实用新型的三个主题：

(1)本实用新型主题一

I)一种新型的基于金刚石NV色心的温度探测

金刚石中带负电荷的氮-空位色心(NV)缺陷是由与金刚石相邻晶格位置中的空位(V)相关联的替代氮原子(N)组成，具有C3v对称结构，对称轴在氮原子——空位连线上，可以说NV色心是一种人造原子，因为其具有稳定的能级结构，如图1所示。在没有外磁场的情况下，NV色心的基态能级是三重态，主要包括一个单重态|m_s＝0>和一个双重态|m_s＝±1>，这两个量子态之间能极差就是所谓的零场劈裂D_gs＝2.87GHz，它会随着温度发生变化，在室温下几乎满足线性关系dD_gs/dT≈74KHz/K。不过如果存在外磁场，这个双重态会发生塞曼劈裂，劈裂大小跟平行于NV轴向的磁场成正比。另一方面，处于|m_s＝±1>量子态的色心被532nm的激光激发后无辐射跃迁至亚稳态，然后再回到基态，此过程的跃迁速率低于|m_s＝0>，故在单位时间内发射的光子变少，这使得可以利用自发辐射荧光强度变化读出其电子自旋状态。若施加连续激光并且进行微波扫频，可以得到所谓的ODMR。

对于含有高浓度NV的金刚石，色心之间的相互作用，以及金刚石内部的应力使得色心即使在零磁场情况下，双重态也会发生劈裂，况且地磁场总是存在着，这些效应带来的结果是ODMR会有两个峰。测出两个峰值的位置，就可以判断出零场劈裂的大小，继而就可以知道外界的温度信息。不过在具体的应用中，此温度传感采用了锁相放大和调频探测ODMR技术，将微波的中心频率固定在两峰中间位置，并调整调频参数以达到最优的探测条件，这样可以将零场劈裂D_gs的变化，转化为锁相放大的信号，继而实现温度的实时性测量和扫描。

II)上述方案的量子力学解释如下：

考虑存在地磁场以B及其他的磁场噪声，以及与微波Ωcos(2πft)的相互作用，系综NV色心的基态哈密顿量可以写为：

其中Π_x,y,z为金刚石中的应力，z为NV色心的轴向。考虑NV色心的退相干，以及利用Lindblad主方程可以得到ODMR谱，并满足以下关系式：

其中

C和γ分别为对比度和谱线的半高宽。若要进行实时性温度探测，可以对微波进行调制，调制的微波表示为：

F(t)＝f_c+f_dcos(2πf_mt) (3)

其中f_c，f_d，f_m分别为微波的中心频率，调制深度和调制频率。紧接着对微波的中心频率进行扫频，可以得到调频信号的ODMR：

III)测量方案及测量灵敏度

温度测量的灵敏度与调频ODMR信号的最大斜率成反比，可以表示为：

经过对调频参数的优化，最后发现如果将微波的中心频率固定在f_0,±1，频率调制深度在1.6-2MHz，以及微波功率在22-27dbm的范围时，此量子温度计可提供最大的探测灵敏度。另一方面，由于NV色心很容易与磁场B耦合，再加上扫描过程中由于金属物体会对微波辐射产生影响，继而使得NV色心感知的微波功率P发生变化，锁相信号对这些变量的响应S可以表示为：

如果将微波的中心频率设定为f₀≈(f₊+f_-)/2＝D(T)+Π_z并优化微波调制参数，不仅可以得到最大的温度探测灵敏度，还可以去除磁场噪声以及微波功率的抖动对测量结果的影响，继而锁相放大器输出的信号变化直接反映出温度的变化信息，上式变为：

此时锁相放大信号响应直接反应出温度的变化。

(2)本实用新型主题二

将含有高浓度NV色心的块状金刚石样品粘贴在多模光纤端面，环绕在光纤陶瓷插芯外的铜丝作为微波传输天线，这些即是传感器的完整构造。其中多模光纤用于传输激发光以及收集NV色心发射的荧光，而荧光由光电探测器探测，并输入至锁相放大系统进行信号分析和处理，从荧光的变化中提取出温度信息。

(3)本实用新型主题三

基于金刚石NV色心光纤温度传感器可以作为温度扫描的探针。块状金刚石的大小决定着温度测量的空间分辨率，所以可以改变金刚石以及整个探头的尺寸，此发明可以作为科研甚至工业领域中的温度测量工具，并且经过后续NV色心浓度的提高，此发明可以提供更高的测量灵敏度，以满足更高精度的需求。

本实用新型的温度传感过程主要包括以下模块：传感模块，荧光激发和收集模块，信号处理与分析模块，温度扫描测量模块。

(1)传感模块。

利用气象化学沉积方法生长金刚石，期间氮气作为掺杂气体源，后续再进行800摄氏度的退火处理，使得金刚石中含有高浓度的NV色心(大约0.15ppm)。紧接着将金刚石切割打磨成200*200*100um的块状金刚石样品c，然后在紫外光的照射下，利用紫外固化胶将金刚石样品粘贴在多模光纤6头端面的纤芯位置。光纤为多模光纤6，纤芯a为100um左右，光纤头为直径为2.4mm的陶瓷插芯d，如图2所示。此时光纤起着荧光激发与收集作用。在光纤陶瓷插芯的外围绕5圈直径为0.5mm的铜丝作为微波传输天线8。这就构成了的光纤温度传感器。

(2)荧光激发和收集模块

激光器1产生的532nm的激光，被双色片3和反射镜2经反射并经光纤耦合器4耦合进入粘有金刚石的多模光纤6中，然后再激发NV色心，发射的荧光被同一根光纤收集，经过双色片3与滤波片5，耦合进入另一根多模光纤6，红色的荧光最终被光电探测器7探测。

(3)信号处理与分析模块

微波源9产生频率调制的微波，如公式(3)所示，同时微波源9输出的射频信号作为锁相放大器10的参考信号。调制的微波可以对NV色心发射的荧光进行调制，而荧光被光电探测器接收，最终作为锁相放大器10的输入信号，如图3所示。接着对微波中心频率进行扫频，并记录锁相放大器10的输出信号，就可以得到频率调制的ODMR。将微波的中心频率设定为f₀，锁相放大器10对温度变化的响应就最大，而在一定范围内，外界温度变化直接导致锁相信号的线性变化，根据此可以推算出外界的温度信息。

(4)温度扫描测量模块

将待测物体放置于步进电机12，同时探测器固定在三维调整架上，这样就可以根据实际情况改变探测器于待测物体之间的距离。在进行温度探测和扫描之前，先调节微波的中心至f₀，使得锁相放大器10输出的信号为0，这样保证锁相放大器10更加准确的记录外界温度信息。此外本实用新型包含一个自制的温度扫描软件，可以控制步进电机12的移动以及数据记录与实时性处理，扫描的温度信息会实时显示在电脑11或者屏幕上。

为使本实用新型的目的、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，对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例1：

图4显示了不施加任何外磁场下的调频ODMR，其中锁相放大器的时间常数设置为30ms，频率调制深度为2MHz，微波功率的大小为10dbm，可以明显的看出有三个特征中心频率f_±，f₀，分别处于斜率最大的位置。并且f₀≈(f₊+f_-)/2。紧接着改变微波功率大小以及微波的调制深度，可以得到最优灵敏度下对应的微波功率以及调制深度的取值范围。

实施例2：

根据实施例1达到的取值范围，调节微波功率以及调制深度以获得最优的温度探测灵敏度。

首先利用一个线圈产生1Hz的交变磁场(振幅为5.2μT)，并将微波的中心频率分别固定在f_±，f₀位置，记录锁相放大器输出的信号随时间的变化。如图5a所示，若将微波的中心频率固定在f_±，锁相放大器输出1Hz的震荡信号，但是固定在f₀时，输出信号几乎没有什么变化，由此说明此温度计可以隔绝外界磁场噪声的影响。此外通过数值分析，地磁场对温度探测灵敏度的影响可以忽略不记。

然后使用一块铝柱，逐渐改变其与传感器的距离，来增强金属对微波辐射的影响，图5b展示了锁相信号随着距离的变化，可以看出来，如果将中心频率固定在f₀位置，微弱的微波抖动对温度测量没有影响。至于灵敏度的影响，我们通过实验证明微波抖动的动态范围在8dbm左右，也就是说对于微弱的抖动，灵敏度也不发生变化。

最后进行了实际的温度测量，如图5c所示，改变铝柱的温度，并用此传感器去测量温度变化，结果显示三种不同的锁相信号都会随着温度发生变化，只是当加热器工作时，微波的中心频率为f_±1的两个锁相信号之间存在反向移动，加热器关闭时，两个信号又变得一致，主要原因时加热器在打开时产生了微弱的磁场，继而造成了信号的跃变，但是微波中心频率为f₀时，在加热器关闭时未出现跃变，进一步证明了图5a的结果，也就是说，如果将中心频率设为f₀，可以消除环境对温度测量的影响，显示出此方案的鲁棒性。

总结，基于金刚石NV色心的调频ODMR，在测量温度时，如果将微波的中心频率设定为f₀，则可以有效的去除环境中的磁场噪声以及待测物体对微波辐射的影响，使得温度测量具有很强的鲁棒性。

实施例3：

至于灵敏度，可以探测噪声谱密度，图6显示了当微波频率固定在f₀，以及关闭微波和激光的噪声谱曲线，表面发明的温度计具有

的温度测量灵敏度，以及受仪器所限的本底噪声

实施例4：

结合锁相放大器，我们将此方案应用在芯片温度扫描。首先将微波的中心频率设定在f₀处，紧接着在芯片工作和非工作的两种状态下对芯片表面的温度进行扫描，图7显示了扫描结果，可以看出来，芯片未工作时，芯片处于室温，扫描图像很均匀，但是一旦芯片工作，出现了温度分布。最终证明了此温度传感器可以很好的应用在芯片温度测量等工业领域。

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

Claims (6)

1.一种基于金刚石NV色心的光纤温度传感器，其特征在于，包括光纤，微波传输天线和含有NV色心的金刚石，其中，

光纤，用于传输激发光以及收集NV色心发射的荧光；

微波传输天线，为环绕在光纤陶瓷插芯外的铜丝，用于传输微波以操控NV色心的基态能级，继而进行光学探测磁共振；

含有NV色心的金刚石，位于所述光纤的端面，温度变化会引起NV色心基态能级的变化，继而用于温度传感。

2.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心的光纤温度传感器，其特征在于，所述的金刚石形状为块状或颗粒状。

3.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心的光纤温度传感器，其特征在于，所述光纤是无陶瓷插芯的裸光纤或含有包层的光纤，单模光纤或多模光纤。

4.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心的光纤温度传感器，其特征在于，改变所述金刚石的大小能够适应不同空间分辨率的需求。

5.一种包括如权利要求1-4任一所述的基于金刚石NV色心的光纤温度传感器的温度测量系统，其特征在于，包括传感模块、荧光激发和收集模块、信号处理与分析模块和温度扫描测量模块，其中，

传感模块，包括如权利要求1-4任一所述的光纤温度传感器，用于将温度变化转化为NV色心所发射的荧光强度变化；

荧光激发和收集模块，包括激光器、双色片、光纤耦合器、多模光纤、滤光片和光电探测器，用于NV色心的激发以及荧光的收集，并将光信号转化为电信号；

信号处理与分析模块，包括微波源和锁相放大器，用于将温度变化信息从光电探测器输出的电信号中提取出来；

温度扫描测量模块,包括步进电机和智能显示端，用于进行温度扫描及显示温度信息。

6.根据权利要求5所述的温度测量系统，其特征在于，能够应用于芯片温度测量。

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