单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪及制备方法与流程

本发明涉及原子自旋陀螺仪领域，具体是一种基于金刚石色心波导共面集成的芯片级原子自旋陀螺仪。

背景技术：

第一代三浮和静电高精度陀螺仪近三十不再发展，第二代激光和光纤陀螺国内外近十年无明显进展，第三代基于量子力学、微纳工艺的原子陀螺仪技术成为发展热点，基于原子技术的陀螺仪能够达到精密物理测量的极限，且具有微型化、集成化发展的潜力，是惯性导航技术实现长航时、高精度、低功耗、微型化发展的重点方向。其中，固态金刚石色心原子陀螺由于其可微型化、可平面集成、功耗低等优势成为继气态核磁共振陀螺、原子干涉陀螺之后的新型高精度原子陀螺仪研究热点和未来惯性导航器件发展重点。

技术实现要素：

本发明针对固态金刚石色心原子自旋陀螺敏感效应，提出一种基于平面色心波导、平面微波和射频微带天线、平面磁场产生线圈的共面集成芯片级金刚石色心原子陀螺仪。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪，包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上表面中部加工金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底上表面生长一层覆盖波导的金刚石折射率匹配层；所述金刚石衬底上表面位于金刚石NV色心波导两侧分别加工微带天线阵列；所述金刚石衬底背面中心部加工磁场产生线圈。

优选的，所述金刚石衬底上加工有封装卡槽。

优选的，金刚石NV色心波导两端分别通过端面耦合方式连接激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口；所述微带天线阵列通过端面耦合方式连接微波、射频信号输入端口。

本发明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、射频天线和磁场线圈，研制芯片级金刚石色心原子陀螺仪，具体制备方法如下：

（1）、在金刚石衬底上部形成NV色心薄膜层；

（2）、对金刚石衬底的上下表面进行抛光；

（3）、在金刚石衬底上表面外延生长一层氧化硅掩膜层；

（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；

（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；

（6）、去除氧化硅掩膜层，然后外延生长一层金刚石折射率匹配层，作为全反射包层；

（7）、芯片级平面集成与制造

（71）、采用电子束蒸发技术，在加工好的金刚石衬底上制备一层800~850nm的Ti/Pt/Au，其中Ti厚度为100nm~200nm，Pt厚度约为50nm~100nm，Au厚度为300nm~600nm；

（72）、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结构；

（73）、在金刚石衬底上甩一层光刻胶，热烘后保护衬底的上表面结构；

（74）、金刚石衬底翻转过来，在下表面重复步骤（71），采用IBE刻蚀技术刻蚀出磁场产生线圈；

（75）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。

使用时，通过恒流源给线圈施加电流产生稳定磁场。

陀螺信号高信噪比读取方法如下：

1、采用532nm激光对波导内的NV色心进行初始化；同时施加500Gauss磁场实现核自旋极化，使激发态能级交叉弛豫，电子布居到+1态上；

2、初始化和核自旋极化后，磁场阶跃到10Gauss，保持电子自旋极化，然后施加射频π/2脉冲，脉冲频率为5.1MHz，经过T时间的自由演化，T小于核自旋横向弛豫时间，然后再次施加射频π/2脉冲，脉冲频率为5.1MHz，使自旋相位发生相干，产生电子重新布居，使相位调制变成强度调制；

3、接着施加π/2微波脉冲信号和激光场，通过读取电子布居信息，得到参考陀螺信号S1，接着施加π/2射频脉冲和微波脉冲信号，再次读取陀螺信号S2，通过对比得到高信噪比的陀螺信号。

本发明设计合理，利用MPCVD磁、电约束方法制备了浓度大于10¹⁸cm^-1的氮元素掺杂金刚石结构，利用微纳加工工艺方法制备了金刚石色心波导结构，实现了NV色心结构的波导内全激发和空间全反射高效率收集，同时结合电子束加工方法实现了微波、射频天线的共面制造以及磁场产生线圈的芯片化一体集成，并通过时序操控方法进行陀螺信号高信噪比检测，达到所需要求。

附图说明

图1表示芯片级金刚石色心原子陀螺整体结构

图2表示金刚石波导加工工艺流程

图3 表示一次陀螺信号检测时序

图中：1-金刚石衬底，2-金刚石NV色心波导，3-金刚石衬底背面，4-微带天线阵列，5-激光输入端口，6-荧光信号输出光电检测端口，7-微波、射频信号输入端口，8-封装卡槽，9-磁场产生线圈（金属线圈）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种单芯片级金刚石色心自旋陀螺仪，由平面金刚石色心波导、平面微波、射频微带天线、平面磁场线圈共面集成构成。具体结构如图1所示：包括金刚石衬底1，所述金刚石衬底1上表面中部加工金刚石NV色心波导2，所述金刚石衬底1上表面生长一层覆盖波导的金刚石折射率匹配层；所述金刚石衬底1上表面位于金刚石NV色心波导2两侧分别加工微带天线阵列4；所述金刚石衬底背面3中心部加工磁场产生线圈9。所述金刚石衬底1上加工有封装卡槽8，全固化封装整个芯片级结构，封装后，金刚石NV色心波导2两端分别通过端面耦合方式连接激光输入端口5和荧光信号输出光电检测端口6；所述微带天线阵列4通过端面耦合方式连接微波、射频信号输入端口7。

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、射频天线和磁场线圈，研制芯片级金刚石色心原子陀螺仪，具体制备方案如下：

1、高浓度金刚石色心制备与活化

采用微波化学气相沉积（MPCVD）技术进行浓度高于10¹⁸cm^-1的金刚石材料。采用高纯化N2气源（99.99%）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。在超高真空（10^-7torr）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。

NV色心活化工艺：采用高能10MeV电子束辐射对金刚石进行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，快速退火趋势碳元素向表面移动，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。

2、金刚石色心波导加工

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，如图2所示，工艺流程如下：

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（即上述步骤1）；

2）采用多次抛光技术对金刚石衬底上下表面进行抛光；

3）在衬底上外延生长一层氧化硅掩膜层200nm；

4）采用光刻和刻蚀技术，图像化转移制备出波导图像结构；

5）采用干法刻蚀技术进行金刚石体结构刻蚀，形成金刚石色心波导结构，厚度200微米，宽度200微米；

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。

3、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、射频天线以及磁线圈集成加工，具体步骤如下：

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800~850nm的Ti/Pt/Au，其中Ti厚度为100nm~200nm，Pt厚度约为50nm~100nm，Au厚度为300nm~600nm；

2）采用IBE刻蚀技术，刻蚀出微带天线阵列结构，微带天线长250微米，宽和高为40微米；

3）在衬底上表面旋涂一层2微米的光刻胶，80度热烘2分钟，保护上表面结构；

4）采用夹具把衬底翻转过来，下表面朝上，在该表面重复步骤1），采用IBE刻蚀技术，制备金属线圈，来可控施加磁场，完成磁场、微波、射频、色心波导共面芯片级集成；

5）最后通过封装卡槽全固化封装整个芯片级结构，通过端面耦合方式进行激光输入、微波和射频信号端面耦合输入以及荧光信号输出读取，通过恒流源给线圈施加电流产生稳定磁场。

陀螺信号高信噪比读取，一次陀螺信号检测时序如图3所示。

1）采用532nm激光对波导内的NV色心进行初始化；同时在线圈上施加500Gauss磁场实现核自旋极化，使激发态能级交叉弛豫，电子布局到+1态上；

2）初始化和核自旋极化后，磁场阶跃到10Gauss，保持电子自旋极化，然后施加射频π/2脉冲，脉冲频率为5.1MHz，经过T时间的自由演化，T小于核自旋横向弛豫时间，然后再次施加射频π/2脉冲，脉冲频率为5.1MHz，使自旋相位发生相干，产生电子重新布居，使相位调制变成强度调制；

3）接着施加π/2微波脉冲信号和激光场，通过读取电子布居信息，得到参考陀螺信号S1，接着施加π/2射频脉冲和微波脉冲信号，再次读取陀螺信号S2，通过对比得到高信噪比的陀螺信号。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。