[發明專利]金剛石晶體和基于金剛石量子缺陷中心的慣性運動測量裝置

在審

• 申請號: 201710154562.5
• 申請日: 2017-03-15
• 公開（公告）號: CN108385163A
• 公開（公告）日: 2018-08-10
• 發明（設計）人: 楊承;李東憲
• 申請（專利權）人: 楊承
• 主分類號: C30B29/04
• 分類號: C30B29/04;G01P3/36;G01P15/00;G01V3/40
• 代理公司: 深圳卓正專利代理事務所(普通合伙) 44388
• 代理人: 吳思瑩

本發明公開一種基于金剛石量子缺陷中心的慣性運動測量裝置。所述裝置包括：金剛石晶體、微波天線、電磁線圈、激光器、光傳感器以及信號處理器；其中，所述金剛石晶體包括分別具有若干NV缺陷中心的第一區域、第二區域和第三區域，所述第一、第二和第三區域在至少一個投影面上的投影互不重疊；所述光傳感器的成像平面與該投影面平行，用于感測因所述第一、第二和第三區域各自NV缺陷中心的電子自旋共振產生的光信號；所述信號處理器用于處理所述光傳感器感測的所述光信號。實施本發明后，可以利用同一金剛石晶體同時感測多個慣性運動參數，相對于傳統慣性傳感器，本發明具有較高的集成度、穩定性和測量精度。

技術領域

本發明涉及利用金剛石量子缺陷中心測量慣性運動參數的技術，特別是用于同時測量多個慣性運動參數的金剛石晶體和使用該金剛石晶體的慣性運動測量裝置。

背景技術

隨著無人機、無人駕駛汽車的方興未艾，以及各種物聯網設備、機器人的發展，工業界對于慣性運動傳感器的體積、精度、穩定性和集成度提出了更高的要求。而傳統慣性傳感器存在諸多局限，越來越難以滿足實際需要。

金剛石氮空位中心(Nitrogen-Vacancy center,NV中心)是金剛石晶體中常見的點缺陷結構，由晶格中取代碳原子的一個氮原子和相鄰格點上的一個空位構成。這一缺陷結構形成了獨特的量子能級：在沒有外界電磁場的情況下，按照電子自旋分解為m_s＝0的能級和m_s＝+1或-1的能級，兩者之間能級間距是2.87GHz。科學研究發現，NV中心量子能級結構對磁場、電場、外力、加速度和旋轉都高度敏感。例如，應力會使NV中心的能級發生偏移和混合，通過光學信號測量這種能級變化就可以推導出加速度和線性運動。同時，由于金剛石優異的物理特性，這一量子能級結構能夠在廣泛的溫度范圍內(包括室溫下)保持穩定，這樣就使得具有高集成度、高穩定性、高精度、小體積的基于金剛石量子缺陷的多慣性運動參數檢測技術成為可能。

發明內容

本發明的一個目的在于，提供一種用于同時測量多個慣性運動參數的金剛石晶體。

本發明通過如下技術方案實現：構造一種金剛石晶體，其特征在于，所述金剛石晶體包括分別具有若干NV缺陷中心的多個第一區域、多個第二區域和多個第三區域，所述第一、第二和第三區域在至少一個投影面上的投影互不重疊。

進一步地，所述金剛石晶體包括襯底、多個由襯底向外延伸的基座和多個由基座向外延伸的延伸體，并且所述第一區域位于所述延伸體中，所述第二區域位于所述基座中，所述第三區域位于所述襯底中。

可選地，所述延伸體為錐形體。

優選地，所述第一區域位于所述延伸體的頂部。

本發明的另一個目的在于，提供一種同時測量多個慣性運動參數的基于金剛石量子缺陷中心的慣性運動測量裝置。

本發明通過如下技術方案實現：構造一種基于金剛石量子缺陷中心的慣性運動測量裝置，其特征在于，所述裝置包括：金剛石晶體、用于對所述金剛石晶體照射微波的微波天線、用于產生恒定磁場的電磁線圈、用于對所述金剛石晶體照射激光的激光器、光傳感器以及信號處理器；其中，所述金剛石晶體包括分別具有若干NV缺陷中心的第一區域、第二區域和第三區域，所述第一、第二和第三區域在至少一個投影面上的投影互不重疊；所述光傳感器用于感測因所述第一、第二和第三區域各自NV缺陷中心的電子自旋共振產生的光信號；所述信號處理器用于處理所述光傳感器感測的所述光信號。

優選地，所述金剛石晶體包括襯底、多個由襯底向外延伸的基座和多個由基座向外延伸的延伸體，并且所述第三區域位于所述襯底中，所述第二區域位于所述基座中，所述第一區域位于所述延伸體中。

優選地，所述延伸體可以為錐形體。由于錐形體底部與基座連接的部位尺寸較小，因此在外界加速度影響下基座內部容易產生較大應力，以便于測量。

優選地，所述第三區域位于所述延伸體的頂部。