一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，包括从上到下依次设置的第一金属层、第一基板层、第二金属层、第二基板层、第三金属层、第三基板层和第四金属层，所述第一金属层为微波信号层，所述第三金属层和第四金属层为荧光探测和放大电路层；所述微波电路包括SIW谐振器、电容C2、电容C1、电阻R0、微带线s3、传输线t1、传输线t2、传输线t3、传输线t4、传输线t5、晶体管4Fx、微波传导结构耦合座、微带线f2、微带线f3、微带线f4、微带线f5；本发明专利技术利用混合微波集成电路传感器技术将微波源、滤光片、光电二极管Pho以及荧光探测和放大电路层集成在一起，形成一个紧凑的集成系统。形成一个紧凑的集成系统。形成一个紧凑的集成系统。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器


[0001]本专利技术属于弱磁测量
，具体涉及一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器。

技术介绍

[0002]金刚石中的氮空位色心(NV色心)具有对磁场高度敏感、稳定的自旋量子态、量子态可操控等优点。因此，近年来，广大研究者在量子信息、磁场测量、角度测量、荧光生物标记等方面对NV色心展开了广泛的研究，并在量子调控技术及荧光检测等方面有了长足的进展。NV色心是由一个氮原子和空位取代金刚石结构中的碳原子而形成的一种稳定的缺陷结构，它的能级系统可以通过激光泵浦和微波辐射进行初始化、量子操控和读取。
[0003]经典的基于金刚石氮空位色心的量子传感器系统需要一些特定的微波和光电仪器：用于驱动NV电子自旋的微波源和放大器、用于NV自旋相关荧光测量的光电二极管Pho探测器、滤光片和532nm的绿色泵浦激光器，但是，这些微波和光学单元涉及各自独立的仪器和组件，体积庞大且成本高昂，这些独立组件严重降低了于金刚石氮空位测量方法的灵活性，限制了基于金刚石氮空位测量方法的实际应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服现有技术的不足而提供一种紧凑的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，包括从上到下依次设置的第一金属层、第一基板层、第二金属层、第二基板层、第三金属层、第三基板层和第四金属层，所述第一金属层上集成有微波电路，所述第三金属层和第四金属层上集成有荧光探测和放大电路层荧光探测和放大电路层；
[0007]所述微波信号层包括SIW谐振器、若干电容C2、电容C1、电阻R0、微带线s3、传输线t1、传输线t2、传输线t3、传输线t4、传输线t5、晶体管4Fx、微波传导结构耦合座、微带线f2、微带线f3、微带线f4、微带线f5、第一接电片Vgs和第二接电片Vds；所述微波传导结构包括微带结构和设置在微带结构上的金刚石基片；所述SIW谐振器经一个电容C2、微带线s3、电容C1、传输线t3、一个电容C2、传输线t2、传输线t1连接晶体管4Fx的DRAIN极，所述晶体管4Fx的GATE极经传输线t4、一个电容C2、传输线t5连接耦合座，所述微波传导结构通过插指结构连接在耦合座上，所述耦合座经电阻R0接地；所述第一接电片Vgs通过微带线f3、微带线f2连接至传输线t1和传输线t2之间，所述第二接电片Vds通过微带线f5和微带线f4连接至出传输线t5和传输线t5之间；所述微带线s3连接有SMA接头；
[0008]所述荧光探测和放大电路层用于将金刚石基片中的氮空位色心出射的荧光转变为电信号并输出，所述荧光探测和放大电路层包括运算放大器ISL、可变电阻Rv和光电二极管Pho，所述可变电阻Rv和光电二极管Pho分别连接至运算放大器ISL，所述运算放大器ISL
还连接有SMA输出接头。
[0009]进一步的，在所述金刚石基片和光电二极管Pho之间还设置有光学滤波器fi，所述光学滤波器fi为600nm长波通滤光片。
[0010]进一步的，所述微带结构包括一个封闭的六边形微带环，所述金刚石基片设置在六边形微带环的中央。
[0011]进一步的，所述晶体管4Fx的一个SOURACE极经微带线s1接地，所述晶体管4Fx的另一个SOURACE极经微带线s2接地。
[0012]进一步的，所述基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器还包括变容二极管Cv，所述微带线S3经变容二极管Cv接地。
[0013]进一步的，所述基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器还包括电容C2和电阻R1，所述电容C2串联接在微带线s3和传输线t3之间，所述微带线S3同时经电阻R1接地。
[0014]进一步的，所述基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器还包括第一扇形短截线p1、第二扇形短截线p2和第三扇形短截线p3，所述第一扇形短截线p1连接在微带线s3与SMA接头之间，所述第二扇形短截线p2连接在微带线f2和微带线f3之间，所述第三扇形短截线p3连接在微带线f4和微带线f5之间。
[0015]进一步的，所有金属层的材质均为铜，所述第一基板层采用RT/5880材质，所述第二基板层和第三基板层采用FR
‑
4材质，所述第一基板层、第二基板层、第三基板层的厚度分别为0.254mm、1.80mm和0.6mm。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0017]相比于传统的依赖于昂贵且笨重的微波和光学仪器的磁测量方法，本专利技术利用混合微波集成电路传感器技术将微波源、滤光片、光电二极管Pho以及荧光探测和放大电路层荧光探测和放大电路层集成在一起，形成一个紧凑的，同时实现微波产生、自旋驱动和探测功能，大大增加了电路集成度并降低了器件整体成本，简化和优化了磁测量检测器件；所制备的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器可实现对磁场的精密测量，灵敏度可达107.2THzμ
‑1/2。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例的结构三维示意图。
[0019]图2为本专利技术实施例的截面图。
[0020]图3为本专利技术实施例的荧光探测和放大电路层的布局图。
[0021]图4为本专利技术实施例的荧光探测和放大电路层的电路原理图。
[0022]图5为本专利技术实施例的微波电路的电路原理图。
[0023]图6为本专利技术实施例的实物图。
[0024]图7为本专利技术验证实验的流程示意图。
[0025]图8为本专利技术验证实验得到的金刚石基片电子自旋共振光谱图。
[0026]图9为本专利技术验证实验的实测噪声密度图。
具体实施方式
[0027]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]如图1至图6所示，一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，包括从上到下依次设置的第一金属层、第一基板层、第二金属层、第二基板层、第三金属层、第三基板层和第四金属层，所述第一金属层为微波信号层，所述第三金属层和第四金属层为荧光探测和放大电路层；
[0029]所述微波信号层包括SIW谐振器、若干电容C2、电容C1、电阻R0、微带线s3、传输线t1、传输线t2、传输线t3、传输线t4、传输线t5、晶体管4Fx、微波传导结构耦合座、微带线f2、微带线f3、微带线f4、微带线f5、第一接电片Vgs和第二接电片Vds；所述微波传导结构包括微带结构和设置在微带结构上的金刚石基片；金刚石基片中具有氮空位色心，氮空位(NV)中心是由一个氮原子取代金刚石中的一个碳原子，然后捕获周围的一个空穴形成的，是一种独特的荧光光散射吸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，其特征在于：包括从上到下依次设置的第一金属层、第一基板层、第二金属层、第二基板层、第三金属层、第三基板和第四金属层，所述第一金属层为微波信号层，所述第三金属层和第四金属层上为荧光探测和放大电路层；所述微波信号层包括S1W谐振器、若干电容C2、电容C1、电阻R0、微带线s3、传输线t1、传输线t2、传输线t3、传输线t4、传输线t5、晶体管4Fx、微波传导结构耦合座、微带线f2、微带线f3、微带线f4、微带线f5、第一接电片Vgs和第二接电片Vds；所述微波传导结构包括微带结构和设置在微带结构上的金刚石基片；所述SIW谐振器经一个电容C2、微带线s3、电容C1、传输线t3、一个电容C2、传输线t2、传输线t1连接晶体管4Fx的DRAIN极，所述晶体管4Fx的GATE极经传输线t4、一个电容C2、传输线t5连接耦合座，所述微波传导结构通过插指结构连接在耦合座上，所述耦合座经电阻R0接地；所述第一接电片Vgs通过微带线f3、微带线f2连接至传输线t1和传输线t2之间，所述第二接电片Vds通过微带线f5和微带线f4连接至出传输线t5和传输线t5之间；所述微带线s3连接有SMA接头；所述荧光探测和放大电路层用于将金刚石基片中的氮空位色心的荧光信号转变为电信号并输出，所述荧光探测和放大电路层荧光探测和放大电路层包括运算放大器ISL、可变电阻Rv和光电二极管Pho，所述可变电阻Rv和光电二极管Pho分别连接至运算放大器ISL，所述运算放大器ISL还连接有SMA输出接头。2.根据权利要求1所述的基于金刚石氮空位色心的混合微波集成电路传感器，其特征在于：在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：高杨，李磊，乔莹莹，杨珣，单崇新，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：