[发明专利]基于金刚石中固态自旋的集成化传感器

说明书

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；敏感子系统，包括：含固态自旋的金刚石；以及读出子系统，包括：光电探测单元；以及模数转换单元；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。本发明的集成化传感器，体积小、稳定性好、成本低。

技术领域

本发明涉及磁场测量方法的技术领域，特别涉及一种基于金刚石中固态自旋的集成化传感器。

背景技术

氮-空位色心(Nitrogen-Vacancy Center，NV Center，NV色心)是金刚石中的一种点缺陷，它属于固态自旋中的一种，也是其中最为广泛研究的一种。氮-空位色心用于磁测量理论上灵敏度可达飞特斯拉量级。同时，基于氮-空位色心的磁力计能够工作于室温大气中，这些优点是其得到广泛研究的重要原因。

现有的磁传感器中，金刚石氮-空位色心磁传感器是大约在2008年开始发展起来的，目前相应的硬件系统多数都由商用产品组合搭建而成，其中包括光学子系统、微波子系统、读出子系统以及敏感子系统(或可称为探头)。此类磁测量系统除了体积功耗方面较大之外，成本也较高。

面向不同应用的磁传感器其形态是不一样的，但多数针对宏观磁测量应用的磁传感器系统通常人们都希望其功耗低、体积小、重量小以及成本低。例如在材料检测、地磁勘探等应用中，受限于使用场景，都无法像实验平台一样使用松散连接的磁测量系统。这就造成了对磁传感器的研究开始接近应用层面后，由于前述问题限制了其应用场景。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于金刚石中固态自旋的集成化传感器，以期部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了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模拟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。

从上述技术方案可以看出，本发明的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)高集成度：本发明将所述光学子系统、所述敏感子系统和所述读出子系统以印刷电路板、柔性印刷电路板、以及半导体集成电路芯片中三者的至少之一集成的方式形成所述集成化传感器，集成度高。

(2)高稳定性：本发明的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器，将各子系统集成，减少了由于各子系统离散导致的各子系统之间信号传输的损失，减少了外部干扰的影响，提高了测量的稳定性。

(3)低成本：本发明通过基于各子系统一体化的设计方案，根据金刚石传感器的总体指标分解得到各子系统所需实现的指标和功能，从而能够减少系统中存在的冗余功能，减少系统的成本。同时由于金刚石传感器的设计从底层实现，进一步减少了商用模块级/仪器级产品的成本占比，也能够极大地降低系统成本，为集成化传感器走向工业化大规模生产和商业化应用提供了基础。

附图说明

图1为本发明提供的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器的一种子系统空间分布俯视示意图；

图2为本发明实施例1提供的基于金刚石中固态自旋的集成化传感器的结构框图；