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专利号: 2017103675892
申请人: 中北大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统,其特征在于:包括探头,所述探头包括金刚石衬底(6),所述金刚石衬底(6)上表面中部加工有金刚石NV色心波导,所述金刚石衬底(6)上表面生长一层覆盖NV色心波导的金刚石折射率匹配层作为反射膜(5),所述金刚石衬底(6)上表面加工微带天线阵列(4),所述微带天线阵列(4)延伸有微带天线端口(3),所述微带天线端口(3)连接微波源(7),所述微带天线阵列(4)上表面镀有压磁薄膜(2);所述金刚石衬底(6)背面加工有光纤端口Ⅰ(11),所述光纤端口Ⅰ(11)包括激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口,所述光纤端口Ⅰ(11)与耦合器(16)的光纤端口Ⅲ(18)连接,且光纤端口Ⅰ(11)中的激光输入端口与耦合器(16)的光纤端口Ⅱ(17)联通,所述光纤端口Ⅰ(11)中的荧光信号输出光电检测端口与耦合器(16)的光纤端口Ⅳ(19)联通;

所述耦合器(16)的光纤端口Ⅱ(17)通过光纤(9)与激光器(8)的输出端连接,所述耦合器(16)的光纤端口Ⅳ(19)通过光纤(9)与的光电探测器(13)输入端连接,所述光电探测器(13)的输入端安装滤光片(12),所述光电探测器(13)的输出端与信号调制器(14)的输入端连接,所述信号调制器(14)的输出端与压力显示器(10)的输入端连接;

所述探头外部设有探头保护外壳(1),所述探头保护外壳(1)端面开设有用于传输外界压力的通孔(20);

所述金刚石NV色心波导的厚度为200微米、直径为200微米;

所述微带天线阵列(4)中微带天线的规格为:长为250微米,宽和高均为40微米;

所述金刚石折射率匹配层厚度为200nm;

激光器(8)、耦合器(16)、微波源(7)、光电探测器(13)、信号调制器(14)及压力显示器(10)集成在压力传感器外框(15)内;

所述探头保护外壳(1)外表面镀有隔热膜;

所述激光器(8)发出532nm激光;

上述固态原子自旋传感结构表面应力噪声超高精度测试系统的具体制备如下:首先采用微纳米制造工艺在金刚石表面加工制造了高浓度色心波导结构,通过兼容工艺共面集成微波、射频天线和磁性纳米薄膜;

步骤1、采用MEMS加工工艺,制备低损耗金刚石色心波导及其波导表面折射率匹配包裹结构,实现对NV色心荧光信号高效率收集,工艺流程如下:步骤1.1、采用MPCVD外延工艺和电子束辐射技术,在高温退火后在衬底上形成高质量的NV色心薄膜层,具体流程如下:步骤1.1.1、高浓度金刚石色心制备工艺:利用微波化学气相沉积技术制备浓度高于

1018cm-1的金刚石色心;即采用高纯化N2气源和高内壁清洁净度气管,气源入腔口采用12500目过滤网进行微尘,净化气体;在10-7torr真空下采用高压微波等离子化CH4、H2、N2三种气体,激发出C、N原子,利用原子磁矩相互作用效应,采用磁、电约束方法,精确操控C、N原子比例,实现超高均匀性的浓度高于1018cm-1的氮元素可控制造高浓度金刚石色心;

步骤1.1.2、NV色心活化工艺:采用高能10MeV电子束辐射对金刚石衬底进行5小时辐照,进行原位电子与晶格中的碳元素碰撞,产生空位;在超高真空环境下,快速退火驱使碳元素向表面移动,消除晶格畸变和残余应力,然后在真空下850℃高温下退火2h,使空位发生迁移,并捕获电子,形成NV色心;

步骤1.2、采用多次抛光技术对金刚石衬底的上下表面进行抛光;

步骤1.3、在金刚石衬底上表面外延生长一层氧化硅掩膜层厚度为200nm;

步骤1.4、采用光刻和刻蚀技术,图像化转移制备出金刚石NV色心波导图像结构;

步骤1.5、采用干法刻蚀技术进行金刚石体结构刻蚀,在金刚石衬底中部形成金刚石NV色心波导,厚度为200微米,宽度为200微米;

步骤1.6、去除氧化硅掩膜层,然后采用MPCVD外延生长一层金刚石折射率匹配层厚度为200nm,作为全反射包层,实现对波导内中光信号局限传输,实现对输出信号的高效率收集和增强读出;

步骤2、芯片级平面集成与制造

在加工的金刚石波导结构上进行微波、射频天线以及磁性纳米薄膜集成加工,具体步骤如下:步骤2.1、在反射膜上共面集成微波、射频天线;具体如下:

步骤2.1.1、采用电子束蒸发技术,在加工好的金刚石衬底上制备一层厚度为800nm~

850nm的Ti/Pt/Au,其中Ti厚度为100nm 200nm,Pt厚度为50nm 100nm,Au厚度为300nm~ ~ ~

600nm;

步骤2.1.2、采用IBE刻蚀技术,在衬底上位于金刚石NV色心波导的两侧分别刻蚀出微带天线阵列结构,微带天线长为250微米,宽和高为40微米;

步骤2.2、在共面集成微波、射频天线阵列上表面镀一层纳米磁性颗粒,作为压磁薄膜;

步骤2.3、金刚石衬底及其上的反射膜、微带天线、磁性纳米薄膜、光刻胶封装于探头保护壳体内,进行芯片级压力探头平面集成与制造;全固化封装整个芯片级结构,通过端面耦合方式,在金刚石NV色心波导两端封装激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口,在微带天线的输入端封装微波、射频信号输入端口;封装后,微带天线则通过端面耦合方式连接微波输入端口,荧光信号从光纤端口Ⅰ接受,经光纤传输出去;

步骤2.4、将激光器、耦合器、微波源、光电探测器、信号调制器及压力显示器集成在压力传感器外框内。