CN108385163A - 金刚石晶体和基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置。所述装置包括：金刚石晶体、微波天线、电磁线圈、激光器、光传感器以及信号处理器；其中，所述金刚石晶体包括分别具有若干NV缺陷中心的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一、第二和第三区域在至少一个投影面上的投影互不重叠；所述光传感器的成像平面与该投影面平行，用于感测因所述第一、第二和第三区域各自NV缺陷中心的电子自旋共振产生的光信号；所述信号处理器用于处理所述光传感器感测的所述光信号。实施本发明后，可以利用同一金刚石晶体同时感测多个惯性运动参数，相对于传统惯性传感器，本发明具有较高的集成度、稳定性和测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及利用金刚石量子缺陷中心测量惯性运动参数的技术，特别是用于同时测量多个惯性运动参数的金刚石晶体和使用该金刚石晶体的惯性运动测量装置。
背景技术
随着无人机、无人驾驶汽车的方兴未艾，以及各种物联网设备、机器人的发展，工业界对于惯性运动传感器的体积、精度、稳定性和集成度提出了更高的要求。而传统惯性传感器存在诸多局限，越来越难以满足实际需要。
金刚石氮空位中心(Nitrogen-Vacancy center,NV中心)是金刚石晶体中常见的点缺陷结构，由晶格中取代碳原子的一个氮原子和相邻格点上的一个空位构成。这一缺陷结构形成了独特的量子能级：在没有外界电磁场的情况下，按照电子自旋分解为m_s＝0的能级和m_s＝+1或-1的能级，两者之间能级间距是2.87GHz。科学研究发现，NV中心量子能级结构对磁场、电场、外力、加速度和旋转都高度敏感。例如，应力会使NV中心的能级发生偏移和混合，通过光学信号测量这种能级变化就可以推导出加速度和线性运动。同时，由于金刚石优异的物理特性，这一量子能级结构能够在广泛的温度范围内(包括室温下)保持稳定，这样就使得具有高集成度、高稳定性、高精度、小体积的基于金刚石量子缺陷的多惯性运动参数检测技术成为可能。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种用于同时测量多个惯性运动参数的金刚石晶体。
本发明通过如下技术方案实现：构造一种金刚石晶体，其特征在于，所述金刚石晶体包括分别具有若干NV缺陷中心的多个第一区域、多个第二区域和多个第三区域，所述第一、第二和第三区域在至少一个投影面上的投影互不重叠。
进一步地，所述金刚石晶体包括衬底、多个由衬底向外延伸的基座和多个由基座向外延伸的延伸体，并且所述第一区域位于所述延伸体中，所述第二区域位于所述基座中，所述第三区域位于所述衬底中。
可选地，所述延伸体为锥形体。
优选地，所述第一区域位于所述延伸体的顶部。
本发明的另一个目的在于，提供一种同时测量多个惯性运动参数的基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置。
本发明通过如下技术方案实现：构造一种基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置，其特征在于，所述装置包括：金刚石晶体、用于对所述金刚石晶体照射微波的微波天线、用于产生恒定磁场的电磁线圈、用于对所述金刚石晶体照射激光的激光器、光传感器以及信号处理器；其中，所述金刚石晶体包括分别具有若干NV缺陷中心的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一、第二和第三区域在至少一个投影面上的投影互不重叠；所述光传感器用于感测因所述第一、第二和第三区域各自NV缺陷中心的电子自旋共振产生的光信号；所述信号处理器用于处理所述光传感器感测的所述光信号。
优选地，所述金刚石晶体包括衬底、多个由衬底向外延伸的基座和多个由基座向外延伸的延伸体，并且所述第三区域位于所述衬底中，所述第二区域位于所述基座中，所述第一区域位于所述延伸体中。
优选地，所述延伸体可以为锥形体。由于锥形体底部与基座连接的部位尺寸较小，因此在外界加速度影响下基座内部容易产生较大应力，以便于测量。
优选地，所述第三区域位于所述延伸体的顶部。
优选地，所述电磁线圈镶嵌于所述金刚石晶体的所述衬底中。
优选地，所述微波天线镶嵌于所述金刚石晶体的所述衬底中。
本发明的有益效果是：1)金刚石延伸体结构顶部的第一区域中的NV中心在旋转运动时为保持角动量守恒会相对电磁线圈的固定磁场运动，从而能级获得额外相位，通过对NV中心的氮原子的原子核自旋的相位信息进行测量即可推导出角速度信息。因角运动而获得的额外相位可以采用Spin Echo方法测量。2)由于所述基座位于金刚石延伸体与衬底连接处，因此基座处的第二区域的NV中心在外界加速下受到较大的应力，应力会使所述第二区域内NV中心的能级发生偏移和混合。因此可以采用Spin Echo方法探测能级位移，从而推导出加速度和线性运动参数。3)金刚石衬底中的第三区域中的NV中心可以用于测量地磁场和温度变化。金刚石衬底的NV中心不会受运动的影响，而地磁场强度正比于衬底的NV中心的能级差，从而可以通过连续微波下的ESR两个波谷的距离，测出地磁场绝对值，地磁场信息可以作为绝对位置信息用于定位。由于第一、第二和第三区域在传感器的成像平面内的投影互不重叠，因此传感器可以同时捕获第一、第二和第三区域各自发出的荧光，而不会出现互相干扰，因此装置可以同时利用所述金刚石晶体测量加速度、角速度和地磁场等惯性运动参数。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的金刚石晶体结构示意图；
图2是图1中的金刚石晶体在投影面中的投影的示意图。；
图3是根据本发明一个实施例的基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置的结构示意图。
图中标号含义如下：
金刚石晶体10；
锥形体101；
基座102；
衬底103；
荧光104；
第一区域111；
第二区域112；
第三区域113；
投影面120；
投影121；
微波天线20；
电磁线圈30；
激光器40；
激光401；
光传感器50；
光学元件60；
信号处理器80。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是根据本发明一个实施例的金刚石晶体结构示意图。
如图1所示，金刚石晶体10包括锥形体101、基座102和衬底103。金刚石晶体10包括分别具有若干NV缺陷中心的第一区域111、第二区域112和第三区域113，同时参考图2，第一区域111、第二区域112和第三区域113在至少一个投影面120上的投影121互不重叠。在一些实施例中，金刚石晶体10包括衬底103、多个由衬底103向外延伸的基座102和多个由基座102向外延伸的锥形体101，并且第三区域111位于衬底103中，第二区域112位于基座102中，第一区域113位于锥形体101中。由于锥形体101底部与基座102连接的部位尺寸较小，因此在外界加速度影响下，基座102内部容易产生较大应力，便于测量，所以优选使用锥形体101。容易理解的是，也可以使用其他形状的延伸体替代锥形体101。
金刚石晶体10可以通过生长、沉积工艺在衬底103上形成多个底座和锥形体101来实现，衬底103尺寸可以为约1mm x 1mm x 100um。由于直接在整块的大衬底103上不同位置生长出能和探测用激光401的波前相吻合的合适高度的锥形体-基座金刚石结构较为难以实现，也可以将整个衬底103分割为一个一个的小块，在其中一部分衬底103小块上分别生长锥形体-基座金刚石结构，然后按照生长出来的高度放在其合适的位置上。并且，根据需要在锥形体、基座和衬底103通过掺杂形成NV缺陷中心，这些不同区域的金刚石NV缺陷中心分别用于测量不同的惯性运动参数。
由于基座102位于金刚石延伸体与衬底103连接处，因此基座102处的第二区域112的NV中心在外界加速下受到较大的应力，应力会使第二区域112内NV中心的能级发生偏移和混合。因此可以采用Spin Echo方法探测能级位移，从而推导出加速度和线性运动参数。
为了便于测量角速度参数，第一区域111优选位于锥形体101的顶部。这样可以在角运动过程中产生较大的动量。金刚石晶体10的锥形体101顶部的第一区域中的NV中心在旋转运动时为保持角动量守恒会相对电磁线圈30的固定磁场运动，从而能级获得额外相位，通过对NV中心的氮原子的原子核自旋的相位信息进行测量即可推导出角速度信息。因角运动而获得的额外相位依然可以采用Spin Echo方法测量。
金刚石衬底103中的第三区域113中的NV中心可以用于测量地磁场和温度变化。金刚石衬底103的NV中心不会受运动的影响，而地磁场强度正比于衬底103的NV中心的能级差，从而可以通过连续微波下的ESR两个波谷的距离，测出地磁场绝对值，地磁场信息可以作为绝对位置信息用于定位。
图2是图1中的金刚石晶体10在投影面中的投影的示意图。第一区域111、第二区域112和第三区域113在投影面120中的投影121互相不重叠。当光传感器50与投影面120平行时，第一区域111、第二区域112和第三区域113在传感器的成像平面内的像互不重叠，因此光传感器50可以同时捕获第一区域111、第二区域112和第三区域113各自发出的荧光104，而不会出现互相干扰，因此金刚石晶体10可以用于测量加速度、角速度和地磁场等惯性运动参数。
图3是根据本发明一个实施例的基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置的结构示意图。如图3所示，本发明的基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置包括：金刚石晶体10、用于对金刚石晶体10照射微波的微波天线20、用于产生恒定磁场的电磁线圈30、用于对金刚石晶体10照射激光401的激光器40、光传感器50，光学元件60以及信号处理器80。
金刚石晶体10包括分别具有若干NV缺陷中心的第一区域111、第二区域112和第三区域113，第一区域111、第二区域112和第三区域113在投影面上的投影互不重叠；激光器40产生的激光401照射金刚石晶体10激发金刚石警惕10内的NV缺陷中心从而激发电子自旋共振产生荧光104。光学元件60可以包括分光镜和滤光片，分光镜用于将激光器40产生的激光401折射到金刚石晶体方向，滤光片用于滤除电子自旋共振产生的荧光104以外的光信号。光传感器50的感光平面与投影面120平行，用于感测因第一区域111、第二区域112和第三区域113各自NV缺陷中心的电子自旋共振产生的荧光104；信号处理器80用于处理光传感器50感测结果，根据前述的算法分别计算出对应的惯性运动参数。
在一些实施例中，电磁线圈30和微波天线20可以镶嵌于金刚石晶体10的衬底103中。以便进一步提高系统的集成度和可靠性。
本发明的基本测量原理是，利用激光器40发出的532nm激光401将NV中心从量子基态|g>(即轨道单态-自旋三重态)通过吸收一个声子非共振的(off-resonance)泵到其激发态|e>。然后激发态上的原子将会试图重建玻尔兹曼分布并驰豫(optical relaxation)回到基态，在此过程中发射出～640-800nm的荧光104。这一光信号则经过分光镜、滤光片等后由光传感器50感测。
另一方面，光学过程会保持自旋守恒，因此激发态中的|e,ms＝0>态和|e,ms＝+-1>态会分别驰豫到|g,ms＝0>态和|g,ms＝+-1>态，但|e,ms＝+-1>会有更多会先驰豫到亚稳态|s>再到基态，经历时间更长。在激光401激发后，两者的荧光强度会相差30％，因此可以在激光401激发后的初期根据荧光104的光强区分多少在ms＝0态还是ms＝+-1态。衬底的电磁线圈30产生的恒定磁场会将ms＝-1和ms＝+1态分离，此为塞曼效应(Zeeman Effect)。此时可以采用光探测磁共振方法，即Optically Detected Magnetic Resonance(ODMR)方法，利用衬底内嵌入的微波天线20发射微波信号照射金刚石晶体10并调整微波频率，同时测量电子自旋共振Electron Spin Resonance(EPR)荧光强度。在无外界磁场时，当微波频率和ms＝0态与ms＝+-1态的频率差D＝2.87GHz相同时，荧光光谱会减弱(因为更多原子被微波转移到ms＝+-1态)；而如果有外加磁场，EPR则会有两个波谷，间隔对应Zeeman Effect产生的ms＝-1和ms＝+1态能级差。
具体测量能级移动可采用连续微波或用不同脉冲微波序列的Ramsey或Spin Echo方法。Ramsey方法相比连续微波的好处是在探测信号时不会出现原子被激光401重新泵回激发态的干扰，因此测量时间tau由电子自旋的退相干时间(decoherence time)T*_2决定，这个常温下在微秒量级。Ramsey方法的不足是测量信号仍然受到恒定磁场自身波动的影响。而Spin Echo的方法则是增加了一个Pi脉冲可以消除外界磁场波动的干扰，其精度决定于电子自旋的AC退相干时间T_2决定，这个可达在上百微秒量级。
综上所述，本发明的基于NV中心量子效应的小型IMU元件(～1mmx1mmx100um)，能够同时实现各种线性、角向运动和绝对位置的高精度测量，应力测量精度<1aN/Hz1/2,角度测量精度<10-4degree/s·Hz1/2,地磁场测量精度<1pT/Hz1/2，同时控制温度偏移<100mK/Hz1/2。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种金刚石晶体，其特征在于，所述金刚石晶体包括分别具有若干NV缺陷中心的多个第一区域、多个第二区域和多个第三区域，所述第一、第二和第三区域在至少一个投影面上的投影互不重叠。
2.根据权利要求1所述的金刚石晶体，其特征在于，所述金刚石晶体包括衬底、多个由衬底向外延伸的基座和多个由基座向外延伸的延伸体，并且所述第一区域位于所述延伸体中，所述第二区域位于所述基座中，所述第三区域位于所述衬底中。
3.根据权利要求2所述的金刚石晶体，其特征在于，所述延伸体为锥形体。
4.根据权利要求2所述的金刚石晶体，其特征在于，所述第三区域位于所述延伸体的顶部。
5.一种基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置，其特征在于，
所述装置包括：金刚石晶体、用于对所述金刚石晶体照射微波的微波天线、用于产生恒定磁场的电磁线圈、用于对所述金刚石晶体照射激光的激光器、光传感器以及信号处理器；
其中，所述金刚石晶体包括分别具有若干NV缺陷中心的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一、第二和第三区域在至少一个投影面上的投影互不重叠；
所述光传感器用于感测因所述第一、第二和第三区域各自NV缺陷中心的电子自旋共振产生的光信号；
所述信号处理器用于处理所述光传感器感测的所述光信号。
6.根据权利要求7所述的金刚石晶体，其特征在于，所述金刚石晶体包括衬底、多个由衬底向外延伸的基座和多个由基座向外延伸的延伸体，并且所述第三区域位于所述衬底中，所述第二区域位于所述基座中，所述第一区域位于所述延伸体中。
7.根据权利要求8所述的基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置，其特征在于，所述延伸体为锥形体。
8.根据权利要求8所述的基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置，其特征在于，所述第三区域位于所述延伸体的顶部。
9.根据权利要求8所述的基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置，其特征在于，所述电磁线圈镶嵌于所述金刚石晶体的所述衬底中。
10.根据权利要求1所述的基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置，其特征在于，所述微波天线镶嵌于所述金刚石晶体的所述衬底中。
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