本发明专利技术属于微机电系统(MEMS)的压力检测器件领域，并具体公开了一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器及制备方法。所述传感器包括基底层，基底层的底部刻蚀有空腔，基底层的顶部沉积有绝缘层，绝缘层的顶部沉积有具有氮空位色心的金刚石薄膜层，绝缘层的顶部还溅射有两个所述铁氧体，两个铁氧体关于所述金刚石薄膜层对称布置。所述方法包括在所述基底层的顶部沉积一层绝缘层，在基底层的底部刻蚀得到空腔，在绝缘层的顶部沉积一层具有氮空位色心的金刚石薄膜层和两个对称布置的铁氧体。本发明专利技术可通过电子的自旋属性去实现对压力的高灵敏度测量，大大提升了压力传感器的灵敏度。
A Quantum Pressure Sensor with Diamond Nitrogen Vacancy Color Center and Its Preparation Method
【技术实现步骤摘要】
一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器及制备方法
本专利技术属于微机电系统(MEMS)的压力检测器件领域，更具体地，涉及一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器及制备方法。
技术介绍
压力测量在汽车、自动控制、机器人、国防、航空航天、医疗、智能装备等众多领域有着极其重要的作用。传统的压力测量是利用电子的电荷属性来获得与压力相关的数据。如硅压阻式压力传感器，采用硅掺杂来实现压敏电阻，压力的变化导致电流的变化，电流是电子的电荷属性在电子移动时的表现。除了硅材料外，纳米碳族材料也已被证明具有一定的压阻系数。如碳纳米管压阻特性在压力传感器中应用已得到实验验证，但碳纳米管与衬底粘附性差。石墨烯作为最薄材料，它可在各种表面稳定粘附，能耐30％应变，已有研究发现，当石墨烯受到拉伸或压缩作用时，其电阻会发生明显变化，且在一定范围内变化呈良好线性关系。但目前压力传感器采用的本征石墨烯为零带隙材料，呈半导体或半金属性，其压阻性质受到石墨烯能带结构限制，其压阻系数较单晶硅材料低。传统的压力传感器灵敏度的提高越来越难。量子传感是利用电子的自旋属性去实现对物理量的高灵敏度测量。金刚石氮空位(NV)色心是量子传感的最重要的代表，而金刚石也是碳族材料。金刚石NV色心是金刚石晶体中的一个碳原子被氮原子取代且邻位碳原子缺失形成空穴而构成的点缺陷。金刚石氮空位色心在微纳压力传感器件中的应用具有很好的前景。因此，本领域亟待提出一种基于金刚石氮空位色心的量子压力传感器，以有效进一步提高压力传感器的灵敏度，进而解决压力传感器灵敏度难以提高的难题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器及制备方法，解决了传统压力传感器采用电荷属性来获取压力值，进而灵敏度受限的问题，其结合压力传感器自身的特征及金刚石氮空位色心的工艺特点，相应设计了一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器，并对其关键组件如基底层、空腔、绝缘层、金刚石薄膜层和铁氧体的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可通过电子的自旋属性去实现对压力的高灵敏度测量，大大提升了压力传感器的灵敏度，因而尤其适用于纳米生化及纳米医疗等的微机电系统应用场合。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器，包括基底层,所述基底层的底部刻蚀有空腔，所述基底层的顶部沉积有绝缘层，所述绝缘层的顶部沉积有具有氮空位色心的金刚石薄膜层，所述金刚石薄膜层位于所述空腔的正上方，且所述金刚石薄膜层的横截面大于所述空腔的横截面，所述绝缘层的顶部还溅射有两个所述铁氧体，两个所述铁氧体关于所述金刚石薄膜层对称布置，以此方式，在所述量子压力传感器的压力发生变化时，具有氮空位色心的金刚石薄膜层的氮空位色心自旋翻转，能级反生改变，通过光探测磁共振谱检测该能级变化，得到该压力值的大小。进一步的，所述空腔的深度不大于基底层的厚度，该空腔的横截面为矩形，该矩形长宽比大于或等于2。进一步的，所述金刚石薄膜层的横截面为矩形。进一步的，所述金刚石薄膜层掺杂有硅空位色心和/或锗空位色心。进一步的，所述基底层的材料为硅，所述绝缘层的材料为二氧化硅。进一步的，所述基底层的底部还键合有玻璃，所述玻璃上设有与所述空腔同轴的通孔。按照本专利技术的另一方面，提供一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器的制备方法，包括以下步骤：S1将洁净的硅片进行刻画处理，得到基底层，在所述基底层的顶部沉积一层绝缘层；S2对沉积有所述绝缘层的基底层的底部依次进行光刻处理和刻蚀，以获取底部具有空腔的基底层；S3在所述绝缘层的顶部沉积一层具有氮空位色心的金刚石薄膜，然后对该金刚石薄膜依次进行图形刻蚀和掺杂处理，以获取位于所述空腔的正上方且横截面大于所述空腔的横截面的具有氮空位色心的金刚石薄膜层；S4在沉积有金刚石薄膜层的绝缘层的顶部依次溅射一层铁氧膜，并对该铁氧膜进行刻蚀处理，以获取两个关于所述金刚石薄膜层对称布置的铁氧体，从而制备得到金刚石氮空位色心的量子压力传感器。进一步的，步骤S1中，采用低压力化学气相沉积法在所述基底层的顶部沉积一层绝缘层，所述绝缘层的材料为二氧化硅；步骤S2中，所述空腔的深度不大于基底层的厚度，该空腔的横截面为矩形，该矩形长宽比大于或等于2。进一步的，步骤S3中，采用微波等离子化学气相沉积的方法获取并沉积具有氮空位色心的金刚石薄膜；所述具有氮空位色心的金刚石薄膜中的晶体尺寸不小于50nm；所述掺杂处理包括向图形刻蚀后的所述金刚石薄膜掺杂硅原子和/或锗原子,以获取掺杂有硅空位色心和/或锗空位色心的金刚石薄膜层。进一步的，所述制备方法还包括：将所述具有空腔的基底层的底部与玻璃键合，并在所述玻璃上刻蚀与所述空腔同轴线的通孔。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术感应压力的薄膜为具有氮空位色心的金刚石薄膜层，其下方设置有空腔，同时，其两侧对称布置有铁氧体，进而当作用在压力传感器上的压力发生变化时，金刚石氮空位色心薄膜内外面产生压差，由于应力变化导致其氮空位色心自旋翻转，能级也发生改变，通过光探测磁共振谱即可检测该变化，从而得到压力信号，本专利技术可通过电子的自旋属性去实现对压力的高灵敏度测量，大大提升了压力传感器的灵敏度，因而尤其适用于纳米生化及纳米医疗等的微机电系统应用场合。2.本专利技术空腔的深度不大于基底层的厚度，该空腔的横截面积为矩形，该矩形长宽比大于或等于2，进而使得设于其上方且完全覆盖其横截面的金刚石薄膜层在压力作用下能发生，进而金刚石氮空位色心薄膜内外面产生压差。3.本专利技术基底层的底部还键合有玻璃，所述玻璃上设有与空腔同轴的通孔，可实现对压力传感器的封装，同时，通孔作为压力的通道，压力通过孔作用在压力感应薄膜上。4.本专利技术金刚石薄膜层还掺杂有硅空位色心和/或锗空位色心，用于进一步提高金刚石薄膜层的稳定性，从而进一步提高压力传感器的灵敏度。5.本专利技术压力传感器的制备方法，其采用感应耦合等离子刻蚀、低压力化学气相沉积法及微波等离子化学气相沉积的方法制备得到金刚石氮空位色心的量子压力传感器，其制备方法简单，所制备得到的压力传感器可通过电子的自旋属性去实现对压力的高灵敏度测量，大大提升了压力传感器的灵敏度，因而尤其适用于纳米生化及纳米医疗等的微机电系统应用场合。6.本专利技术具有氮空位色心的金刚石薄膜中的晶体尺寸不小于50nm，金刚石薄膜中的氮空位色心的效率高，进而大大提升了压力传感器的灵敏度。附图说明图1是本专利技术涉及的一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器的结构示意图；图2是图1涉及的一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器的分解图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-玻璃，2-基底层，3-绝缘层，4-铁氧体，5-金刚石薄膜层。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1和图2所示，本专利技术一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器包括：基底层2、绝缘层3、铁氧体4以及金刚石薄膜层5，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器，其特征在于，包括基底层(2)，所述基底层(2)的底部刻蚀有空腔，所述基底层(2)的顶部沉积有绝缘层(3)，所述绝缘层(3)的顶部沉积有具有氮空位色心的金刚石薄膜层(5)，所述金刚石薄膜层(5)位于所述空腔的正上方，且所述金刚石薄膜层(5)的横截面大于所述空腔的横截面，所述绝缘层(3)的顶部还溅射有两个铁氧体(4)，两个所述铁氧体(4)关于所述金刚石薄膜层(5)对称布置，以此方式，当所述量子压力传感器的压力发生变化时，具有氮空位色心的金刚石薄膜层(5)的氮空位色心自旋翻转，能级反生改变，通过光探测磁共振谱检测该能级改变的大小，以获取该压力的大小。
【技术特征摘要】
1.一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器，其特征在于，包括基底层(2)，所述基底层(2)的底部刻蚀有空腔，所述基底层(2)的顶部沉积有绝缘层(3)，所述绝缘层(3)的顶部沉积有具有氮空位色心的金刚石薄膜层(5)，所述金刚石薄膜层(5)位于所述空腔的正上方，且所述金刚石薄膜层(5)的横截面大于所述空腔的横截面，所述绝缘层(3)的顶部还溅射有两个铁氧体(4)，两个所述铁氧体(4)关于所述金刚石薄膜层(5)对称布置，以此方式，当所述量子压力传感器的压力发生变化时，具有氮空位色心的金刚石薄膜层(5)的氮空位色心自旋翻转，能级反生改变，通过光探测磁共振谱检测该能级改变的大小，以获取该压力的大小。2.如权利要求1所述的量子压力传感器，其特征在于，所述空腔的深度不大于基底层(2)的厚度，该空腔的横截面为矩形，该矩形长宽比大于或等于2。3.如权利要求1所述的量子压力传感器，其特征在于，所述金刚石薄膜层(5)的横截面为矩形。4.如权利要求1所述的量子压力传感器，其特征在于，所述金刚石薄膜层(5)掺杂有硅空位色心和/或锗空位色心。5.如权利要求1所述的量子压力传感器，其特征在于，所述基底层(2)的材料为硅，所述绝缘层(3)的材料为二氧化硅。6.如权利要求1-5任一项所述的量子压力传感器，其特征在于，所述基底层(2)的底部还键合有玻璃，所述玻璃上设有与所述空腔同轴的通孔。7.一种如权利要求1-6任一项所述金刚石氮空位色心的量子压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1将洁净的硅片进行刻画处理，得到...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪学方，许剑锋，陆栩杰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42
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