色心的加速度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及加速度傳感器的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于金剛石負(fù)價氮原子-空位(negatively charged nitrogen vacancy,簡稱 NV—)色心的加速度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，量子物理的理念與技術(shù)漸漸被應(yīng)用于實(shí)際的儀器設(shè)備中，進(jìn)而提高了儀器設(shè)備在小型化、高精度、高靈敏度等方面的性能。基于量子物理的儀器設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高靈敏度等的一個重要原因是利用了光學(xué)測量的檢測手段，能夠通過該方法與電子自旋、核自旋、能帶變化、拉比震蕩等多種對外界環(huán)境靈敏的物理量更加準(zhǔn)確并快速的檢測出來。
[0003]加速度計(jì)在日常生活、軍事等諸多方面有著廣泛且重要的應(yīng)用?，F(xiàn)有的加速度計(jì)主要有MEMS加速度計(jì)、晶振加速度計(jì)、陀螺加速度計(jì)等，但現(xiàn)有的加速度計(jì)中所使用的基本概念還是基于經(jīng)典物理層面，其靈敏度極限受到了經(jīng)典物理理論的限制，并且隨著技術(shù)的日趨成熟，諸多性能指標(biāo)已經(jīng)難以得到較大的提高。在此背景下，基于金剛石色心的量子傳感技術(shù)的研究已經(jīng)在諸多研究小組中展開，并且在磁場測量、溫度測量等測量領(lǐng)域已經(jīng)取得了較大的研究進(jìn)展，并且證實(shí)了利用金剛石色心可以實(shí)現(xiàn)大動態(tài)范圍、小型化、高穩(wěn)定性敏感元件的研制。金剛石色心的研究一般分為基于高純度的單個金剛石色心研究或者高濃度的金剛石色心系綜研究兩種。其中，利用高濃度金剛石色心作為敏感元件因具有較高的信噪比以及更快的測量速度，在近兩年已成為該領(lǐng)域所關(guān)注的熱點(diǎn)。在金剛石色心超高靈敏磁場測量的基礎(chǔ)上，增加加速度敏感單元，使其對其狀態(tài)進(jìn)行測量，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)超高靈敏加速度測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提出一種基于金剛石NV—色心的加速度傳感器，能感受到加速度作用并轉(zhuǎn)換成可測量的輸出信號，利用高濃度金剛石NV—色心可用于超高精度磁場測量的特點(diǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外界線加速度高精度測量。本發(fā)明結(jié)合傳統(tǒng)加速度傳感器結(jié)構(gòu)質(zhì)量-彈簧、微納光-機(jī)-電技術(shù)，研制新一代基于金剛石NV—色心加速度傳感器有著重要的意義和價值，將來服務(wù)于汽車安全、人工智能、導(dǎo)航、航天器姿態(tài)控制等領(lǐng)域。具有成本低、體積小、精度高、測量范圍大、操作條件簡易和工作壽命長等特性。本發(fā)明還提供了所述基于NV—色心金剛石新型加速度傳感器的基本原理和工作方式。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為:一種基于金剛石NV—色心的加速度傳感器，該加速度傳感器內(nèi)部元件包括半導(dǎo)體激光器、彈簧、U型磁鐵、濾光片、雪崩光電二極管、光纖、環(huán)形器、磁場敏感部件和固定架；所述磁場敏感部件內(nèi)部包含微波導(dǎo)線，左微波波導(dǎo)、右微波波導(dǎo)、介質(zhì)膜以及NV—色心金剛石；半導(dǎo)體激光器、彈簧、U型磁鐵、濾光片、雪崩光電二極管、光纖、環(huán)形器、磁場敏感部件和固定架集成封裝在金屬外框內(nèi)，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的532nm激光通過光纖導(dǎo)入到環(huán)形器后，經(jīng)光纖到達(dá)NV—色心金剛石，從而激發(fā)NV—色心系綜電子能級；NV—色心金剛石受激發(fā)后由于感受左微波波導(dǎo)、右微波波導(dǎo)輻射出來的微波磁場，NV色心激發(fā)態(tài)電子將與微波產(chǎn)生共振并發(fā)出波長范圍為600nm-800nm的焚光，其中心波長為637nm ;NV—色心金剛石發(fā)出的熒光經(jīng)過介質(zhì)膜反射通過光纖返回環(huán)形器，然后熒光通過光纖到達(dá)濾光片濾掉532nm綠色反射激光只讓熒光通過，之后熒光到達(dá)雪崩光電二極管，通過熒光的收集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)形成ODMR光譜，然后通過測量ODMR光譜中的拉比振蕩頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磁場測量；固定架用于固定磁場敏感元件，以防在加速度作用下，磁場敏感元件左右移動，影響測量結(jié)果；左微波波導(dǎo)、右微波波導(dǎo)通過微波導(dǎo)線連接到微波波源，并且緊貼在NV—色心金剛石兩側(cè)，給NV—色心金剛石提供2.87GHz的微波；U形磁鐵和彈簧構(gòu)成質(zhì)量-彈簧結(jié)構(gòu)，彈簧呈X形狀平衡掉U型磁鐵向下的重力；當(dāng)外界存在線加速度時，質(zhì)量-彈簧結(jié)構(gòu)左右運(yùn)動拉伸或壓縮，造成NV—色心金剛石感受到的外部磁場環(huán)境發(fā)生變化，故可以通過ODMR中的拉比振蕩頻率變化測得外界磁場環(huán)境的變化，進(jìn)而測得質(zhì)量-彈簧結(jié)構(gòu)與磁場敏感部件的相對位移變化，最終分析整個加速度傳感器內(nèi)部存在的數(shù)學(xué)關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型測得線加速度。
[0006]其中，所有加速度傳感器的部件都集成封裝在磁屏蔽性能良好的金屬外框內(nèi)；體積小，成本低，重量輕便于移動和攜帶。
[0007]其中，利用高濃度金剛石NV—色心可用于超高精度磁場測量的特點(diǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外界線加速度高精度測量。
[0008]其中，所述NV—色心金剛石是高濃度NV—色心金剛石。
[0009]其中，基于金剛石NV—色心加速度傳感器的金屬外框是磁屏蔽性能良好的材料，以避免“端接效應(yīng)”和磁力線穿透屏蔽體范圍。使得在金剛石NV—色心加速度傳感器在復(fù)雜的電磁場環(huán)境下能夠正常工作，保證了加速度測量的精度和穩(wěn)定性。
[0010]其中，所述光纖端部的橫截面尺寸與高濃度NV—色心金剛石尺寸相匹配。
[0011]其中，磁場敏感元件內(nèi)部使用了兩根微波波導(dǎo)，分別緊貼在高濃度NV—色心金剛石的兩側(cè)，作為單極子天線輻射出2.87GHz的微波。在不同微波時序期間分別向兩根微波波導(dǎo)饋送微波，對測得的信號做差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以降低噪聲。
[0012]其中，靠近NV—色心金剛石的光纖端面覆有介質(zhì)膜，反射熒光中心波長為637nm。
[0013]其中，高濃度NV—色心金剛石傳感器采用了特定的質(zhì)量-彈簧結(jié)構(gòu)；X彈簧可以平衡掉U型磁鐵的重力并且可以通過調(diào)節(jié)彈簧的阻尼系數(shù)來調(diào)節(jié)加速度傳感器的靈敏度，并且增大了加速度傳感器的測量范圍。
[0014]其中，所述的通過測量0DMR光譜中的拉比振蕩頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磁場測量為:通過測量0DMR光譜中的拉比振蕩頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度的磁場測量，其中，測量靈敏度達(dá)到ΙΟΟρΤ/Hz°.5量級。
[0015]本發(fā)明的原理在于:
[0016]本發(fā)明通過利用高濃度NV—色心金剛石的固體電子自旋與微波相互作用的原理實(shí)現(xiàn)對外界磁場強(qiáng)度的高精度測量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外界加速度的高精度測量。NV—色心的基態(tài)能級為三重態(tài)，并且存在2.87GHz的零場分裂，即當(dāng)外界微波頻率為2.87GHz時NV—色心電子基態(tài)能級將發(fā)生分裂。當(dāng)用532nm激光照射高濃度NV—色心金剛石時，NV—色心電子基態(tài)將被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，由于NV—色心特有的激發(fā)態(tài)能級結(jié)構(gòu)在電子回落到基態(tài)時會發(fā)出一定強(qiáng)度的熒光。根據(jù)中心頻率為2.87GHz、微波功率一定的微波來持續(xù)檢測在外界加速度作用下U型磁鐵與磁場敏感部件之間相對位移變化帶來的磁場強(qiáng)度變化對熒光強(qiáng)度的影響，從而通過光收集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到ODMR光譜中的拉比振蕩譜線。通過拉比振蕩頻率的變化得出外界磁場強(qiáng)度隨U型磁鐵與磁場敏感部件的相對位移變化的數(shù)學(xué)規(guī)律，最終測出線加速度。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0018](I)、本發(fā)明利用高濃度NV—色心金剛石固體材料，通過ODMR光譜中的拉比振蕩曲線測得拉比頻率。由于拉比振蕩頻率隨外界磁場強(qiáng)度增大而增大，滿足一定規(guī)律的數(shù)學(xué)關(guān)系。高濃度NV—色心金剛石磁場測量精度高，目前精度水平已達(dá)到亞nT/Hz°.5。故基于NV—色心金剛石的加速度傳感器的測量精度高?？捎行Ы鉀Q傳統(tǒng)加速度傳感器對于精度和傳感器體積的矛盾；
[0019](2)、本發(fā)明在整個測量階段采用了兩根微波波導(dǎo)，分別在不同的微波時序期間輻射2.87GHz的微波。利用不同微波時序期間產(chǎn)生的拉比信號做一個差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以降低外界環(huán)境產(chǎn)生的噪聲。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；
[0021 ] 圖2為本發(fā)明的磁場敏感部件結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖3為在外界加速度作用下加速度傳感器內(nèi)部示意圖；
[0023]附圖標(biāo)記如下:1-金屬外框，2-半導(dǎo)體激光器，3-彈簧，4-U型磁鐵，5_濾光片，6_雪崩光電二極管，7-微波導(dǎo)線，8-光纖，9-環(huán)形器，10-磁場敏感部件，11-固定架，12-左微波波導(dǎo)，13-右微波波導(dǎo)，14-介質(zhì)膜，15-金剛石，16-法拉第磁場線。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0025]如圖1-3所示，本發(fā)明一種基于金剛石NV—