CN218239111U - 一种基于nv色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光宽场成像技术领域，方案为一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置，包括有激光激发与收集结构、NV色心宽场探头、伸缩结构、荧光接收及分析设备、微波激发设备，激光激发与收集结构，用于产生原始激光束，并对其进行扩束后再缩束处理，处理后的原始激光束照射NV色心传感探头中，并对NV色心宽场探头反射回来的混合激光束进行筛分，本实用新型基于宽场成像原理，利用扩束激光照射片状探头，实现了对被测物表面全局温度的同步监控，本实用新型中NV色心宽场探头与物镜之间距离可通过伸缩结构进行调节，即改变了绿色激光束照射在探头上的面积，从而实现根据不同待测物的大小进行宽场大小适应性调节的功能。

Description

一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置

技术领域

本实用新型涉及激光宽场成像技术领域，具体涉及到一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置。

背景技术

近些年来，电子线路集成度不断提高，并且许多的电路装配在一个芯片内，相应的功耗与电路的规模成比例地增加。在这样的情况下，芯片温度上升，并且最严重情况可以导致芯片烧毁。为了避免这种情况发生，要求检测半导体装置的芯片温度，并控制半导体装置系统，从而保护芯片。并且半导体芯片的局域温度也是很重的指标，局部的温度过高可以导致该模块功能的损耗。

现阶段，为了得到更高灵敏度和测量精度的传感器，研究者们已经将重心转移到了量子物理的概念和技术上，其中利用电子自旋进行的磁场测量、温度信息检测的研究取得了较大进展。利用金刚石氮空位中心(NV色心)的电子自旋顺磁特性和光学性质，在外加激光和微波的作用下，可以实现超高灵敏度磁场测量。同时，将NV色心金刚石作为温度传感器的敏感元件，在外加激光、微波和给定磁场的多物理场的作用下，通过测量NV色心的光探测磁共振谱(ODMR谱)可以实现温度测量。

目前利用NV色心技术进行温度测量的设备种类较少，尤其对于需要直接接触进行温度测量的情况，如芯片温度测量等，现有技术中多是利用金刚石NV色心进行点测量的，对于芯片，其不同区域温度差异大，点测量的方式效率极低，且不具备同时监控芯片全局温度的功能。

基于此，本实用新型设计了一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置。

实用新型内容

为弥补现有技术的不足，本实用新型提出的一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置。以解决上述背景技术中提出的利用NV色心技术进行温度测量的设备种类较少，尤其对于需要直接接触进行温度测量的问题。

为实现上述目的，基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置包括有激光激发与收集结构、NV色心宽场探头、伸缩结构、荧光接收及分析设备、微波激发设备：

激光激发与收集结构，用于产生原始激光束，并对其进行扩束后再缩束处理，处理后的原始激光束照射NV色心传感探头中，并对NV色心宽场探头反射回来的混合激光束进行筛分，得到用于分析的反射荧光；

NV色心宽场探头，通过伸缩结构与激光激发与收集结构连接，所述NV色心宽场探头用于接收原始激光束并反射产生混合激光束；

伸缩结构，用于调节NV色心宽场探头与激光激发与收集结构的原始激光输出端的距离，进而改变NV色心宽场探头的探测面积；

荧光接收及分析设备，其用于接收反射荧光，并对其进行数据分析，同时用于调控微波激发设备工作状态；

微波激发设备，其用于在金刚石NV色心防水探头外围产生调制微波，通过调制微波进行微波扫频。

优选的，所述激光激发与收集结构包含激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、双色片、物镜以及滤波片，所述第一凸透镜和第二凸透镜组成一个共轭扩束镜组，所述激光器发射的532nm绿色激光束经过共轭扩束镜组扩束后与双色片接触，反射的绿色激光束再通过物镜汇聚缩束后与NV色心宽场探头接触，NV色心宽场探头应激产出红色荧光，部分红色荧光和少量绿色激光沿原路返回，经过双色片时，绿色激光被反射，红色荧光则穿透双色片，并经过滤波片过滤后被荧光接收及分析设备收集。

优选的，所述NV色心宽场探头包括基板，所述基板一侧面中部安装有含有系综NV色心的薄片金刚石，所述基板的侧面缠绕有微波天线，所述微波天线与微波激发设备电性连接。

优选的，所述伸缩结构包括物镜壳，所述物镜壳的端面设有环形圈，所述环形圈外侧滑动套设有碗状罩体，所述碗状罩体与环形圈之间设置有稳定调节结构，所述碗状罩体的碗底部设有连接NV色心宽场探头的通口，所述NV色心宽场探头与通口之间为可拆式连接。

优选的，所述稳定调节结构包括固定在物镜壳底端左侧的框体，所述框体的内侧中部沿纵向转动设置有转轴，所述转轴上前后间隔设有蜗轮和齿轮，所述框体内竖直转动设有蜗杆，所述蜗杆与蜗轮啮合连接，所述蜗杆底端贯穿框体底端连接有转帽，所述碗状罩体靠近齿轮的一侧设置有齿条，所述齿条与齿轮啮合连接。

优选的，所述荧光接收及分析设备收集包括有CCD相机、锁相放大器和计算机，所述CCD相机用于接收处理NV色心宽场探头反射的荧光，并将相应数据传输进入锁相放大器中，所述计算机的数据采集卡再对锁相放大器中输出的数据进行分析整理。

优选的，所述微波激发设备包括微波源、微波开关以及微波放大器，所述计算机用于调控微波源发出微波信号，所述微波信号经过微波开关以及微波放大器作用后进入微波天线。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型基于宽场成像原理，利用扩束激光照射片状探头，实现了对被测物表面全局温度的同步监控；

2、本实用新型中NV色心宽场探头与物镜之间距离可通过伸缩结构进行调节，即改变了绿色激光束照射在探头上的面积，从而实现根据不同待测物的大小进行宽场大小适应性调节的功能。

附图说明

图1为本实用新型中温度测量装置的整体系统示意图；

图2为本实用新型中探头部位的结构示意图；

图3为本实用新型中探头部位的主视图；

图4为本实用新型实施例中NV色心宽场探头的结构示意图；

图5为本图2中A处放大示意图。

图中：1、激光器；2、第一凸透镜；3、第二凸透镜；4、双色片；5、物镜；6、NV色心宽场探头；7、滤波片；8、CCD相机；9、锁相放大器；10、计算机；11、微波源；12、微波开关；13、微波放大器；14、物镜壳；15、环形圈；16、碗状罩体；17、稳定调节结构；61、基板；62、薄片金刚石；63、微波天线；64、外螺纹；171、框体；172、转轴；173、蜗轮；174、齿轮；175、蜗杆；176、转帽；177、齿条。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

见附图1，本实施例提供一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置，包括有激光激发与收集结构、NV色心宽场探头6、伸缩结构、荧光接收及分析设备、微波激发设备：

激光激发与收集结构，其产生原始激光束，并对其进行扩束后再缩束处理，处理后的原始激光束照射NV色心传感探头，并对NV色心宽场探头6反射回来的混合激光束进行筛分，得到用于分析的反射荧光；

NV色心宽场探头6，通过伸缩结构与激光激发与收集结构连接，NV色心宽场探头6用于接收原始激光束并反射产生混合激光束；

伸缩结构，用于调节NV色心宽场探头6与激光激发与收集结构的原始激光输出端的距离，进而改变NV色心宽场探头6的探测面积；

荧光接收及分析设备，其用于接收反射荧光，并对其进行数据分析，同时其具备调控微波激发设备工作状态的功能；

微波激发设备，其用于在金刚石NV色心防水探头外围产生调制微波，通过调制微波进行微波扫频。

由于温度会影响NV色心零场劈裂的大小，进而改变了反射荧光的强度，(温度每升高一度可以观测到NV色心ODMR谱中心频率减少74.27KHz)，通过计算分析反射荧光，即可准确计算出外界温度高低(此部分技术原理为现有技术，此处不作具体描述)。

实施例二

基于实施例一的基础上，实施例二具体提供一种优选的温度测量装置的结构；

一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置，包括有激光激发与收集结构、NV色心宽场探头6、伸缩结构、荧光接收及分析设备、微波激发设备：

见附图1，激光激发与收集结构包含激光器1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、双色片4、物镜5以及滤波片7，第一凸透镜2和第二凸透镜3组成一个共轭扩束镜组，激光器1发射的532nm绿色激光束经过共轭扩束镜组扩束后与双色片4接触，反射的绿色激光束再通过物镜5汇聚缩束后与NV色心宽场探头6接触，NV色心宽场探头6应激产出红色荧光，部分红色荧光和少量绿色激光沿原路返回，经过双色片4时，绿色激光被反射，红色荧光则穿透双色片4，并经过滤波片7过滤后被CCD相机8收集；

见附图4，NV色心宽场探头6包括基板61，基板61一侧面中部安装有含有系综NV色心的薄片金刚石62，其厚度为200um，基板61的侧面缠绕有微波天线63，微波天线63与微波放大器13电性连接；

见附图2、3以及5，伸缩结构包括物镜壳14，物镜壳14的端面设有环形圈15，环形圈15外侧滑动套设有碗状罩体16，该碗状罩体16的内表面涂覆有高效吸光材料，该设计能够有效避免其内部反射光与其表面接触反射(该部分反射光会降低热成像的准确性)，同时也可以消除掉外部杂散光对探测信号的影响，碗状罩体16与环形圈15之间设置有稳定调节结构17，稳定调节结构17包括固定在物镜壳14底端左侧的框体171，框体171的内侧中部沿纵向转动设置有转轴172，转轴172上前后间隔设有蜗轮173和齿轮174，框体171内竖直转动设有蜗杆175，蜗杆175与蜗轮173啮合连接，蜗杆175底端贯穿框体171底端连接有转帽176，碗状罩体16靠近齿轮174的一侧设置有齿条177，齿条177与齿轮174啮合连接；碗状罩体16的碗底部设有连接NV色心宽场探头6的通口，NV色心宽场探头6与通口之间为可拆式连接，本实施例中基板61为圆柱体，其上设有外螺纹64，通口内设有内螺纹，二者通过螺纹连接的方式连接；

本实施例中，优选NV色心宽场探头6与物镜5之间的距离不大于一个焦距。

物镜5与探头调节的意义：由于激光束在物镜5焦点处聚合程度最高，当探头位置越靠近物镜5焦点，其有效检测面积越小，而检测精度越高；反之，当有效检测面积越大，则检测精度越低；基于此，对于不同尺寸的芯片，调节探头是有必要的，在保证全局探测的同时，尽量保证探测精度为佳。

见附图1，荧光接收及分析设备收集包括有CCD相机8、锁相放大器9和计算机10，CCD相机8用于接收处理NV色心宽场探头6反射的荧光，并将相应数据传输进入锁相放大器9中，计算机10再对锁相放大器9中输出的数据进行分析整理，最终得到面状的温度图谱，通过该图谱可以观察待测物的表面全局温度，使得观察者能够清晰把握待测物表面的温度差异；

见附图1，微波激发设备包括微波源11、微波开关12以及微波放大器13，计算机10调控微波源11发出微波信号，微波信号经过微波开关12以及微波放大器13作用后进入微波天线63，微波天线63随即产生对应的调制微波作用于NV色心宽场探头6。

具体工作前(以检测芯片表面温度为例)，先根据芯片的尺寸大小，调节物镜5与薄片金刚石62之间的相对距离，调节时，通过旋转转帽176带动蜗杆175旋转，进而带动蜗轮173旋转，进而带动齿轮174旋转实现力的传递，从而使得碗状罩体16向上或向下移动，从而实现探头与物镜5之间的距离调节(可事先在转帽176上设置标记线，转动不同位置即达到某种尺寸的测量面积；还可以通过成像效果反向调节探头的探测面积)；

工作时，使得薄片金刚石62与芯片表面接触，启动激光器1以及微波源11，532nm绿色激光照射NV色心会产生红色反射荧光，该荧光被CCD相机8接收，并将相应数据传输进入锁相放大器9中，计算机10再对锁相放大器9中输出的数据进行分析整理，得到热成像图，实现芯片全局温度的同步监控。

这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置，其特征在于，包括有激光激发与收集结构、NV色心宽场探头(6)、伸缩结构、荧光接收及分析设备、微波激发设备：

激光激发与收集结构，用于产生原始激光束，并对其进行扩束后再缩束处理，处理后的原始激光束照射NV色心传感探头中，并对NV色心宽场探头(6)反射回来的混合激光束进行筛分，得到用于分析的反射荧光；

NV色心宽场探头(6)，通过伸缩结构与激光激发与收集结构连接，所述NV色心宽场探头(6)用于接收原始激光束并反射产生混合激光束；

伸缩结构，用于调节NV色心宽场探头(6)与激光激发与收集结构的原始激光输出端的距离，进而改变NV色心宽场探头(6)的探测面积；

荧光接收及分析设备，其用于接收反射荧光，并对其进行数据分析，同时用于调控微波激发设备工作状态；

微波激发设备，其用于在金刚石NV色心防水探头外围产生调制微波，通过调制微波进行微波扫频。

2.根据权利要求1所述的一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置，其特征在于：所述激光激发与收集结构包含激光器(1)、第一凸透镜(2)、第二凸透镜(3)、双色片(4)、物镜(5)以及滤波片(7)，所述第一凸透镜(2)和第二凸透镜(3)组成一个共轭扩束镜组，所述激光器(1)发射的532nm绿色激光束经过共轭扩束镜组扩束后与双色片(4)接触，反射的绿色激光束再通过物镜(5)汇聚缩束后与NV色心宽场探头(6)接触，NV色心宽场探头(6)应激产出红色荧光，部分红色荧光和少量绿色激光沿原路返回，经过双色片(4)时，绿色激光被反射，红色荧光则穿透双色片(4)，并经过滤波片(7)过滤后被荧光接收及分析设备收集。

3.根据权利要求2所述的一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置，其特征在于：所述NV色心宽场探头(6)包括基板(61)，所述基板(61)一侧面中部安装有含有系综NV色心的薄片金刚石(62)，所述基板(61)的侧面缠绕有微波天线(63)，所述微波天线(63)与微波激发设备电性连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置，其特征在于：所述伸缩结构包括物镜壳(14)，所述物镜壳(14)的端面设有环形圈(15)，所述环形圈(15)外侧滑动套设有碗状罩体(16)，所述碗状罩体(16)与环形圈(15)之间设置有稳定调节结构(17)，所述碗状罩体(16)的碗底部设有连接NV色心宽场探头(6)的通口，所述NV色心宽场探头(6)与通口之间为可拆式连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置，其特征在于：所述稳定调节结构(17)包括固定在物镜壳(14)底端左侧的框体(171)，所述框体(171)的内侧中部沿纵向转动设置有转轴(172)，所述转轴(172)上前后间隔设有蜗轮(173)和齿轮(174)，所述框体(171)内竖直转动设有蜗杆(175)，所述蜗杆(175)与蜗轮(173)啮合连接，所述蜗杆(175)底端贯穿框体(171)底端连接有转帽(176)，所述碗状罩体(16)靠近齿轮(174)的一侧设置有齿条(177)，所述齿条(177)与齿轮(174)啮合连接。

6.根据权利要求3所述的一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置，其特征在于：所述荧光接收及分析设备收集包括有CCD相机(8)、锁相放大器(9)和计算机(10)，所述CCD相机(8)用于接收处理NV色心宽场探头(6)反射的荧光，并将相应数据传输进入锁相放大器(9)中，所述计算机(10)再对锁相放大器(9)中输出的数据进行分析整理。

7.根据权利要求6所述的一种基于NV色心的宽场面积可调的接触式温度测量装置，其特征在于：所述微波激发设备包括微波源(11)、微波开关(12)以及微波放大器(13)，所述计算机(10)用于调控微波源(11)发出微波信号，所述微波信号经过微波开关(12)以及微波放大器(13)作用后进入微波天线(63)。

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