本發(fā)明涉及量子傳感領(lǐng)域，具體是一種基于金剛石nv色心量子自旋效應(yīng)的敏感單元結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力噪聲超高精度測(cè)試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微機(jī)械(mems)傳感器是工業(yè)實(shí)踐、儀器儀表控制中最為常用的傳感器類型，對(duì)于加工、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試過程中需要精確測(cè)量微機(jī)械結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)力來提高微機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能，同時(shí)也對(duì)測(cè)量器件在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定工作提出了更高的要求。另外傳感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向全面、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展。產(chǎn)品品種要向高技術(shù)、高附加值傾斜，尤其要填補(bǔ)“空白”品種。目前廣泛使用的表面應(yīng)力/壓力傳感方法易出現(xiàn)的故障主要有以下幾種：一是表面壓力加上去，變送器輸也上不去。二是加壓變送器輸出不變化，三是變送器輸出信號(hào)不穩(wěn)。

針對(duì)上述這些問題，開發(fā)一種面向微機(jī)械固態(tài)傳感器環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),應(yīng)用范圍廣的超高精度表面應(yīng)力噪聲測(cè)試方法十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是鑒于固態(tài)nv色心金剛石原子自旋共振效應(yīng)，提出一種量子技術(shù)新領(lǐng)域的超高精度表面應(yīng)力噪聲測(cè)試系統(tǒng)，其基于平面色心波導(dǎo)、平面微波和射頻微帶天線、納米磁性薄膜集成度高且具有壓力范圍大、精度高、應(yīng)用范圍廣抗干擾能力強(qiáng)等特性。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種固態(tài)原子自旋傳感結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力噪聲超高精度測(cè)試系統(tǒng)，包括探頭，所述探頭包括金剛石襯底，所述金剛石襯底上表面中部加工有金剛石nv色心波導(dǎo)，所述金剛石襯底上表面生長(zhǎng)一層覆蓋nv色心波導(dǎo)的金剛石折射率匹配層作為反射膜，所述金剛石襯底上表面加工微帶天線陣列，所述微帶天線陣列延伸有微帶天線端口，所述微帶天線端口連接微波源，所述微帶天線陣列上表面鍍有壓磁薄膜；所述金剛石襯底背面加工有光纖端口，所述光纖端口包括激光輸入端口和熒光信號(hào)輸出光電檢測(cè)端口，所述光纖端口與耦合器的光纖端口連接，且光纖端口中的激光輸入端口與耦合器的光纖端口聯(lián)通，所述光纖端口中的熒光信號(hào)輸出光電檢測(cè)端口與耦合器的光纖端口聯(lián)通；所述耦合器的光纖端口通過光纖與激光器的輸出端連接，所述耦合器的光纖端口通過光纖與的光電探測(cè)器輸入端連接，所述光電探測(cè)器的輸入端安裝濾光片，所述光電探測(cè)器的輸出端與信號(hào)調(diào)制器的輸入端連接，所述信號(hào)調(diào)制器的輸出端與壓力顯示器的輸入端連接。

工作時(shí)，當(dāng)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)光纖進(jìn)入耦合器，經(jīng)光纖端口和光纖端口到達(dá)內(nèi)嵌nv色心波導(dǎo)的金剛石襯底，激光經(jīng)nv色心的電子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)。對(duì)于nv色心，在只有外加微波而沒有外加磁場(chǎng)時(shí)，只有1個(gè)熒光強(qiáng)度峰值，外加磁場(chǎng)后，由于塞曼效應(yīng)和電子自旋，nv色心的能級(jí)會(huì)發(fā)生分裂，從而出現(xiàn)2個(gè)熒光強(qiáng)度峰值，而且兩個(gè)熒光強(qiáng)度的峰值所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)微波頻率的差值與磁場(chǎng)強(qiáng)度有著一定的線性關(guān)系，通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)熒光強(qiáng)度峰值之間的微波頻率差就可以得到外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度由壓磁薄膜感受外界壓力后提供。

激光器發(fā)出532nm激光，具體壓力讀取方法如下：

1、使用時(shí)，當(dāng)用532nm的激光輻照nv色心金剛石時(shí)，nv色心電子從基態(tài)將被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，nv色心激發(fā)態(tài)電子將與微波發(fā)生共振并發(fā)出600nm～800nm的熒光。nv色心的基態(tài)能級(jí)為三重態(tài)，存在2.87ghz的零場(chǎng)分裂，即當(dāng)微波頻率為2.87ghz時(shí)nv色心電子能級(jí)發(fā)生分裂。壓磁薄膜在受到外界某一壓力時(shí)產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)，金剛石電子基態(tài)能級(jí)在微波源2.85～2.89ghz的掃描下，可以得到nv色心的電子磁共振波譜或超精細(xì)能級(jí)磁共振譜線。

2、不同壓力下的電子磁共振波譜的兩個(gè)共振峰值之間的微波頻率差值不同，亦即對(duì)應(yīng)的壓力不同。通過對(duì)其進(jìn)行一定的標(biāo)定，可以將兩者之間建立線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了壓力的超高精度測(cè)量。

本發(fā)明對(duì)研制、開發(fā)、應(yīng)用基于固態(tài)原子自旋效應(yīng)的新一代壓力傳感器意義非凡，特別是在惡劣環(huán)境下的航空航天、軍工、石化、油井、船舶、管道等行業(yè)的流體壓力和氣壓測(cè)量有其明顯的優(yōu)勢(shì)。

附圖說明

圖1表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2表示本發(fā)明中耦合器的光路傳播示意圖。

圖3表示本發(fā)明探頭端面示意圖。

圖中：1-探頭保護(hù)外殼，2-壓磁薄膜，3-微帶天線端口，4-微帶天線，5-反射膜，6-金剛石襯底，7-微波源，8-激光器，9-光纖，10-壓力顯示器，11-光纖端口，12-濾光片，13-光電探測(cè)器，14-信號(hào)調(diào)制器，15-壓力傳感器外框，16-耦合器，17-光纖端口，18-光纖端口，19-光纖端口，20-通孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。

一種固態(tài)原子自旋傳感結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力噪聲超高精度測(cè)試系統(tǒng)，包括532nm激光器、微波源、耦合器、光電探測(cè)器、信號(hào)調(diào)制器、壓力顯示器等。

具體連接關(guān)系如圖1所示，壓力傳感器包括壓力探頭，所述壓力探頭包括金剛石襯底6，所述金剛石襯底6上表面中部加工有金剛石nv色心波導(dǎo)，所述金剛石nv色心波導(dǎo)的厚度200微米、直徑200微米。所述金剛石襯底6上表面生長(zhǎng)一層覆蓋nv色心波導(dǎo)的厚度為200nm的金剛石折射率匹配層作為反射膜5，用以反射金剛石受激產(chǎn)生的熒光。所述金剛石襯底6上表面加工微帶天線陣列4，用于接收微波信號(hào)。所述微帶天線陣列4中微帶天線的規(guī)格為：長(zhǎng)250微米，寬和高均為40微米。所述微帶天線陣列4延伸有微帶天線端口3，所述微帶天線端口3連接微波源7，所述微帶天線陣列4上表面鍍有壓磁薄膜2，充當(dāng)外加磁場(chǎng)；所述金剛石襯底6背面橫截面積上加工有光纖端口11，與金剛石襯底6配合。所述光纖端口11包括激光輸入端口和熒光信號(hào)輸出光電檢測(cè)端口，所述光纖端口11與耦合器16的光纖端口18連接，且光纖端口11中的激光輸入端口與耦合器16的光纖端口17聯(lián)通，所述光纖端口11中的熒光信號(hào)輸出光電檢測(cè)端口與耦合器16的光纖端口19聯(lián)通；也就是說，如圖2所示，光纖耦合器可使光在其里邊實(shí)現(xiàn)單向傳輸，從光纖端口17進(jìn)去的激發(fā)光只能經(jīng)光纖端口18傳輸出去，而從光纖端口18處傳出的nv色心熒光只能傳向光纖端口19，因此，光纖端口19處只能接受到nv色心熒光信號(hào)，而沒有光纖端口17傳出532nm激發(fā)光，從而避免了多種光信號(hào)性干疊加導(dǎo)致的測(cè)量不準(zhǔn)確。所述耦合器16的光纖端口17通過光纖9與激光器8的輸出端連接，半導(dǎo)體激光器8發(fā)出532nm的激光通過光纖9由光纖端口17進(jìn)入耦合器16，經(jīng)光纖端口18出去后在經(jīng)光纖端口11到達(dá)金剛石襯底6。所述耦合器16的光纖端口19通過光纖9與的光電探測(cè)器13輸入端連接，所述光電探測(cè)器13的輸入端安裝濾光片12，所述光電探測(cè)器13的輸出端與信號(hào)調(diào)制器14的輸入端連接，所述信號(hào)調(diào)制器14的輸出端與壓力顯示器10的輸入端連接。金剛石nv色心波導(dǎo)的熒光信號(hào)隨光纖端口11經(jīng)光纖端口18進(jìn)入到耦合器16，再經(jīng)光纖端口19到達(dá)濾光片12，光電探測(cè)器13接受從濾光片12出來的不含激光的熒光，在通過信號(hào)調(diào)制器14的處理系統(tǒng)，在壓力顯示器10上顯示出測(cè)量的壓力。

如圖3所示，所述探頭外部設(shè)有探頭保護(hù)外殼1，所述探頭保護(hù)外殼1端面開設(shè)有用于傳輸外界壓力的通孔20。所述壓磁薄膜2通過探頭保護(hù)外殼1上的通孔20感受外界氣壓或流體壓力。所述探頭保護(hù)外殼1外表面鍍有隔熱膜，以減少溫度對(duì)傳感器精度的影響。

如圖1所示，激光器8、耦合器16、微波源7、光電探測(cè)器13、信號(hào)調(diào)制器14及壓力顯示器10集成在壓力傳感器外框15內(nèi)。

當(dāng)半導(dǎo)體激光器8發(fā)出532nm的激光經(jīng)光纖9進(jìn)入耦合器16，經(jīng)光纖端口18、光纖端口11到達(dá)內(nèi)嵌nv色心波導(dǎo)的金剛石襯底6，532nm的激光經(jīng)nv色心的電子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)。對(duì)于nv色心，在只有外加微波而沒有外加磁場(chǎng)時(shí)，只有1個(gè)熒光強(qiáng)度峰值，外加磁場(chǎng)后，由于塞曼效應(yīng)和電子自旋，nv色心的能級(jí)會(huì)發(fā)生分裂，從而出現(xiàn)2個(gè)熒光強(qiáng)度峰值，而且兩個(gè)熒光強(qiáng)度的峰值所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)微波頻率的差值與磁場(chǎng)強(qiáng)度有著一定的線性關(guān)系，通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)熒光強(qiáng)度峰值之間的微波頻率差就可以得到外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度由壓磁薄膜2感受外界壓力后提供。

本發(fā)明所提供的基于金剛石nv色心自旋量子效應(yīng)的超高精度芯片級(jí)壓力傳感器的制備方法，具體如下：首先采用微納米制造工藝在金剛石表面加工制造了高濃度色心波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過兼容工藝共面集成微波、射頻天線和磁性納米薄膜。

1、采用mems加工工藝，制備低損耗金剛石色心波導(dǎo)及其波導(dǎo)表面折射率匹配包裹結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)nv色心熒光信號(hào)高效率收集，工藝流程如下：

1.1、采用mpcvd外延工藝和電子束輻射技術(shù)，在高溫退火后在襯底上形成高質(zhì)量的nv色心薄膜層，具體流程如下：

1.1.1、高濃度金剛石色心制備工藝：利用微波化學(xué)氣相沉積（mpcvd）技術(shù)制備濃度高于10¹⁸cm^-1的金剛石色心；即采用高純化n2氣源（99.99%）和高內(nèi)壁清潔凈度氣管，氣源入腔口采用12500目過濾網(wǎng)進(jìn)行微塵，凈化氣體；在超高真空（10^-7torr）下采用高壓微波等離子化ch4、h2、n2三種氣體，激發(fā)出c、n原子，利用原子磁矩相互作用效應(yīng)，采用磁、電約束方法，精確操控c、n原子比例，實(shí)現(xiàn)超高均勻性的濃度高于10¹⁸cm^-1的氮元素可控制造高濃度金剛石色心。

1.1.2、nv色心活化工藝：采用高能10mev電子束輻射對(duì)金剛石襯底進(jìn)行5小時(shí)輻照，進(jìn)行原位電子與晶格中的碳元素碰撞，產(chǎn)生空位；在超高真空環(huán)境下，快速退火驅(qū)使碳元素向表面移動(dòng)，消除晶格畸變和殘余應(yīng)力，然后在真空下850℃高溫下退火2h，使空位發(fā)生遷移，并捕獲電子，形成nv色心。

1.2、采用多次拋光技術(shù)對(duì)金剛石襯底的上下表面進(jìn)行拋光。

1.3、在金剛石襯底上表面外延生長(zhǎng)一層氧化硅掩膜層200nm。

1.4、采用光刻和刻蝕技術(shù)，圖像化轉(zhuǎn)移制備出金剛石nv色心波導(dǎo)圖像結(jié)構(gòu)。

1.5、采用干法刻蝕技術(shù)進(jìn)行金剛石體結(jié)構(gòu)刻蝕，在金剛石襯底中部形成金剛石nv色心波導(dǎo)，厚度200微米，寬度200微米。

1.6、去除氧化硅掩膜層，然后采用mpcvd外延生長(zhǎng)一層金剛石折射率匹配層200nm，作為全反射包層，實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)中光信號(hào)局限傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的高效率收集和增強(qiáng)讀出。

2、芯片級(jí)平面集成與制造

在加工的金剛石波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行微波、射頻天線以及磁性納米薄膜集成加工，具體步驟如下：

2.1、在反射膜上共面集成微波、射頻天線；具體如下：

2.1.1、采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在加工好的金剛石襯底上制備一層800~850nm的ti/pt/au，其中ti厚度為100nm～200nm，pt厚度約為50nm～100nm，au厚度為300nm～600nm。

2.1.2、采用ibe刻蝕技術(shù)，在襯底上位于金剛石nv色心波導(dǎo)的兩側(cè)分別刻蝕出微帶天線陣列結(jié)構(gòu)，微帶天線長(zhǎng)250微米，寬和高為40微米。

2.2、在共面集成微波、射頻天線陣列上表面鍍一層納米磁性顆粒，作為壓磁薄膜。

2.3、金剛石襯底及其上的反射膜、微帶天線、磁性納米薄膜、光刻膠封裝于探頭保護(hù)殼體內(nèi)，進(jìn)行芯片級(jí)壓力探頭平面集成與制造。全固化封裝整個(gè)芯片級(jí)結(jié)構(gòu)，通過端面耦合方式，在金剛石nv色心波導(dǎo)兩端封裝激光輸入端口和熒光信號(hào)輸出光電檢測(cè)端口，在微帶天線的輸入端封裝微波、射頻信號(hào)輸入端口。封裝后，微帶天線則通過端面耦合方式連接微波輸入端口，熒光信號(hào)從光纖端口接受，經(jīng)光纖傳輸出去。全固化封裝整個(gè)芯片級(jí)結(jié)構(gòu)，整個(gè)封裝過程中對(duì)nv色心的激發(fā)和收集均是在光纖中完成的，并不需要采用共聚焦顯微系統(tǒng)。通過光纖方便的對(duì)該nv色心進(jìn)行激發(fā)和熒光收集，傳輸穩(wěn)定，可永久使用。

2.4、將激光器、耦合器、微波源、光電探測(cè)器、信號(hào)調(diào)制器及壓力顯示器集成在壓力傳感器外框內(nèi)。

本發(fā)明采用內(nèi)嵌nv色心的波導(dǎo)的金剛石襯底作為敏感單元，利用532nm激光實(shí)現(xiàn)電子能級(jí)躍遷，通過掃描微波，壓力探頭內(nèi)的壓磁薄膜感受外界壓力會(huì)產(chǎn)生與壓力大小相關(guān)的磁場(chǎng)，通過熒光強(qiáng)度譜線兩個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的微波頻率的差值來對(duì)壓力進(jìn)行標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)壓力的超高精度測(cè)量。

本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，利用mpcvd磁、電約束方法制備了濃度大于10¹⁸cm^-1的氮元素?fù)诫s金剛石結(jié)構(gòu)，利用微納加工工藝方法制備了金剛石色心波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了nv色心結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)內(nèi)全激發(fā)，同時(shí)結(jié)合電子束加工方法實(shí)現(xiàn)了微波、射頻天線的共面制造以及壓磁薄膜的芯片化一體集成。

以上僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，但并不局限于此。任何以本發(fā)明為基礎(chǔ)解決基本相同的技術(shù)問題，或?qū)崿F(xiàn)基本相同的技術(shù)效果，所作出地簡(jiǎn)單變化、等同替換或者修飾等，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。