[发明专利]一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置

说明书

一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，包括对称结构，NV色心敏感模块和检测模块，对称结构包括磁源、弹性梁和对称基底，两个NV色心敏感模块分别固定在对称基底两侧突起部分垂直于z轴的表面。其工作原理为，当外界加速度作用时，对称结构中弹性梁发生形变，将加速度量转换为磁源沿x轴、y轴和z轴的三轴位移变化量，进而影响NV色心敏感模块处的磁场，使得NV色心电子自旋能级发生变化，利用检测模块的激光和微波实现NV色心自旋的极化和操纵，并通过读取NV色心释放的双路荧光信号，解算磁场信息，实现加速度的差分测量。本发明利用NV色心测磁灵敏度高的优点，通过对称结构的合理设计，实现了加速度的差分检测，提高了加速度测量精度。

技术领域

本发明涉及惯性测量领域，特别是涉及一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置。

背景技术

惯性导航作为一种全自主、实时、连续的无源导航技术，广泛应用于航空、航天、航海、测绘和交通等军用及民用领域，加速度敏感装置是敏感轴向加速度信号并转换成电信号的装置，作为惯性导航系统的核心信息源之一，是决定导航性能的关键器件，因此，发展高性能的加速度敏感装置始终是国内外的研究热点。

目前，传统MEMS加速度敏感装置性能难以突破其材料特性和工艺技术等限制因素，而其它高精度加速度敏感装置或操控系统复杂、体积较大，难以小型化，或对温度有较高要求、成本高昂，短期内难以工程化。金刚石NV色心是一种易于实现光学操控的新型固态量子体系，基于金刚石NV色心自旋的量子传感技术，以其室温下高稳定、高灵敏度和高空间分辨率的特点，成为精密测量领域的新方向，且金刚石NV色心轴具有对称性，可用于测量矢量磁场，因此，基于NV色心固态自旋系统敏感加速度是突破传统加速度敏感装置技术瓶颈的可行方案，考虑到利用磁悬浮技术悬浮磁源实现加速度差分测量，易引入磁场干扰，且操作复杂，因此需进一步优化。

一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，利用NV色心高灵敏度测磁的特点，通过设计合理的差分对称结构实现加速度信号测量的噪声补偿，有望成为高精度、小体积、便携式的新一代加速度传感器，具有可观的发展前景。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，通过对称结构实现对加速度信号的双路检测并差分处理，可实现加速度信息的高灵敏度测量。

本发明提供一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，包括主体对称结构，NV色心敏感模块和检测模块；

所述主体对称结构包括磁源、弹性梁和对称基底，所述磁源设置在弹性梁上端，所述弹性梁底端固定在对称基底底部的中间，实现加速度作用下磁源发生三轴位移变化，所述弹性梁和磁源沿对称基底的对阵轴设置；

所述NV色心敏感模块有2个且分别为NV色心敏感模块一和NV色心敏感模块二，两个NV色心敏感模块分别固定在对称基底两侧突起部分且垂直于z轴的表面，当外界加速度作用时，对称结构中弹性梁发生形变，将加速度量转换为磁源沿x轴，y轴或z轴的三轴位移变化量，进而影响NV色心敏感模块处的磁场，使得NV色心电子自旋能级发生变化，利用检测模块的激光和微波实现NV色心自旋的极化和操纵，并通过读取NV色心释放的双路荧光信号，解算磁场信息，实现三轴加速度的差分检测；

所述NV色心敏感模块包括光纤、金刚石NV色心、反射膜和微波天线；所述光纤设置在对应金刚石NV色心上方，用于传输激光信号和荧光信号；所述反射膜固定在所述对称基底两侧凸起部分垂直于z轴的表面，用于反射金刚石NV色心发出的荧光信号到所述光纤；所述金刚石NV色心固定在所述反射膜上表面中心位置，用于敏感磁场变化；所述微波天线紧邻金刚石NV色心，且固定在所述反射膜上表面，用于辐射微波；