[发明专利]基于金刚石中固态自旋的集成化传感器

权利要求书

1.一种基于金刚石中固态自旋的集成化传感器，包括：

光学子系统，包括：

发光单元，用于提供激发光；

敏感子系统，包括：

含固态自旋的金刚石，用于在待测磁场和所述发光单元提供的激发光的作用下，产生包含待测磁场信息的荧光信号；以及

读出子系统，包括：

光电探测单元，用于将所述敏感子系统产生的荧光信号转为电信号；以及

模数转换单元，用于将所述光电探测单元产生的电信号转为数字信号；

其中，所述光学子系统、所述敏感子系统和所述读出子系统以子系统组件载体为基础集成为所述集成化传感器，所述子系统组件载体为用于将系统传感器各子系统以及全部所需功能集成为一个整体，包括印刷电路板、柔性印刷电路板、以及半导体集成电路芯片的三者的至少之一。

2.如权利要求1所述的集成化传感器，其中，所述读出子系统的光电探测单元集成在半导体集成电路芯片上，且所述发光子系统的发光单元、所述读出子系统的模数转换单元和所述敏感子系统集成在所述印刷电路板或柔性印刷电路板上；

作为优选，所述含固态自旋的金刚石为含NV色心的金刚石。

3.如权利要求2所述的集成化传感器，其中，所述集成化传感器还包括：

微波子系统，包括：

振荡器单元，用于产生微波信号；以及

辐射结构单元，用于将所述微波信号从同轴线中辐射到空间中，从而操控敏感子系统中的金刚石的NV色心；

作为优选，所述振荡器单元包括集成于所述印刷电路板或柔性印刷电路板的压控振荡器，或者集成于所述半导体集成电路芯片的片上压控振荡器。

4.如权利要求3所述的集成化传感器，其中，所述微波子系统还包括数字信号合成单元，用于产生1GHz以下的射频信号，所述射频信号与所述振荡器单元产生的微波信号混频后产生频率可调的微波信号，其中所述数字信号合成单元包括集成于所述印刷电路板或柔性印刷电路板的数字频率合成芯片；

作为优选，所述微波子系统还包括功率放大单元，用于对所述频率可调的微波信号进行放大，其中所述功率放大单元包括集成于所述印刷电路板或柔性印刷电路板的功率放大器；

作为优选，所述辐射结构单元包括集成于所述印刷电路板或柔性印刷电路板的微波辐射结构，以环状形态绕着所述含有NV色心的金刚石，或者集成于所述半导体集成电路芯片的微波线阵列。

5.如权利要求4所述的集成化传感器，其中，所述微波辐射结构为直接缠绕在敏感子系统上的微波天线线圈、微波线阵列式辐射结构、双开口环式辐射结构、或是微带线式辐射结构。

6.如权利要求1所述的集成化传感器，其中，所述读出子系统还包括：

放大器单元，用于放大所述光电探测单元产生的电信号；

滤波单元，用于过滤所述敏感子系统产生的荧光信号后输入所述光电探测单元；

主控核心单元，用于对所述模数转换单元产生的数字信号进行处理，最终得到待测磁场信号；

时钟管理单元，用于对所述振荡器单元、所述数字信号合成单元和所述模数转换单元提供参考时钟信号；

电源管理单元，用于对所述光学子系统、所述微波子系统和所述读出子系统的各功能单元提供供电电源；

通讯管理单元，用于在所述主控核心单元的控制下与外部进行通讯；

其中所述主控核心单元包括集成于所述印刷电路板或柔性印刷电路板的系统级芯片，或者集成于所述半导体集成电路芯片的片上系统级芯片；

所述时钟管理单元、所述电源管理单元、所述通讯管理单元集成在印刷电路板或者柔性印刷电路板上；

作为优选，所述放大器单元包括集成于所述印刷电路板或者柔性印刷电路板的跨阻放大器；

作为优选，所述滤波单元为设置于所述金刚石和光电二极管之间的长波通滤波片，或者集成于所述半导体集成电路芯片的滤波光栅，设置于所述金刚石和PN结式硅光电二极管之间。