一种固体内杂质浓度的测量系统及测量方法与流程

本发明涉及领域量子传感器的技术领域，尤其涉及一种固体内杂质浓度的测量系统及测量方法。

背景技术：

金刚石中的nv^–色心作为固体中的发光缺陷，其浓度直接影响到其量子传感的精度。现有的浓度检测通常采用荧光强度pl(photoluminescence)检测方法和光学探测磁共振odmr(opticaldetectionofmagneticresonance)检测方法。

然而，利用上述光学方法检测，首先，金刚石形状导致光发生散射，所引发的散射角会形成光波导效应，当再次反射的时候会接触到不想测量的杂质粒子，有新的nv色心会被重复激发。由于其中的散射行为以及光波导行为导致其测量不均。其次，在高浓度样品中n,c的含量较高，然而二者大小质量不同，所以会有应力，进而从单晶变成多晶，导致折射率会发生变化，更加利于散射的发生，从而也就会使得不必要的杂质被射到。最后，由于色心之间的相互遮挡，导致不能完全被激发，进而使得nv色心的逸出光子的采集率过低，对单次自旋的读出需要数万次重复的检测，检测精度不高。且因光学器件本身和金刚石折射率都限制了检测的效率，所以这种检测方法的操作较为繁琐。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种固体内杂质浓度的测量系统及测量方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种固体内杂质浓度的测量系统，包括：自旋电子磁性传感器、磁场发生源、控制器和压磁转换器，其中，

所述磁场发生源和待测量固体分别设置在所述自旋电子磁性传感器相对的两侧，所述待测量固体本身不能产生磁场；

所述压磁转换器设置在所述待测量固体与所述自旋电子磁性传感器之间；

所述压磁转换器将所述磁场发生源吸附所述待测量固体产生的压力转换为磁信号，并将所述磁信号传输至所述自旋电子磁性传感器；

所述自旋电子磁性传感器将所述磁信号转换为电信号发送至控制器；

所述控制器根据所述电信号对应的值和所述自旋电子磁性传感器的初始电信号对应的值，以及预设的电信号对应的值与固体中杂质浓度的对应关系，确定所述待测量固体中杂质的浓度值。

本发明的有益效果是：通过将磁场发生源和待测量固体分别设置在自旋电子磁性传感器相对的两侧，并利用设置在待测量固体与自旋电子磁性传感器之间的压磁转换器将铁吸附待测量固体产生的压力转换为磁信号，自旋电子磁性传感器将磁信号转换为电信号，再根据电信号对应的值与待测量固体中杂质浓度的对应关系，就可以确定出待测量固体中杂质的浓度值，利用该测量系统对待测量固体中杂质的浓度值进行测量时，操作简单，易于实现，且能提高检测效率和检测精度。另外，该测量系统有超高灵敏度且易于小型化等优点，尺寸微小，具有极高的空间分辨率，适用于高精度、高效率检测领域。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，所述自旋电子磁性传感器包括：基底、设置在所述基底表面的至少一个自旋电子器件和电极，所述电极与所述控制器连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：

进一步地，每个所述自旋电子器件为巨磁阻磁性传感器或磁性隧道结器件。

进一步地，所述压磁转换器为附着在所述巨磁阻表面的压磁转换材料。

进一步地，所述电信号对应的值包括电阻值、电压值和电流值。

进一步地，所述磁场发生源为永磁性磁铁或电磁铁。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种固体内杂质浓度的测量方法，所述方法包括：

将待测量固体通过压磁转换器设置在自旋电子磁性传感器的一侧，并将磁场发生源设置在与所述一侧相对的另一侧，所述待测量固体本身不能产生磁场；

所述压磁转换器将所述磁场发生源吸附所述待测量固体产生的压力转换为磁信号，并将所述磁信号传输至所述自旋电子磁性传感器；

所述自旋电子磁性传感器将磁信号转换为电信号传输至控制器，所述磁信号是所述压磁转换器根据所述磁场发生源吸附所述待测量固体产生的压力转换得到的；

所述控制器根据所述电信号对应的值和所述自旋电子磁性传感器的初始电信号对应的值，以及预设的电信号对应的值与待测量固体中杂质浓度的对应关系，确定所述待测量固体中杂质的浓度值。

本发明的有益效果是：通过将磁场发生源和待测量固体分别设置在自旋电子磁性传感器相对的两侧，并利用设置在待测量固体与自旋电子磁性传感器之间的压磁转换器将铁吸附待测量固体产生的压力转换为磁信号，自旋电子磁性传感器将磁信号转换为电信号，再根据电信号对应的值与待测量固体中杂质浓度的对应关系，就可以确定出待测量固体中杂质的浓度值，这种测量方法，操作简单，易于实现，且能提高检测效率和检测精度，适用于高精度、高效率检测领域。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，在将所述待测量固体通过压磁转换器设置在自旋电子磁性传感器的一侧之前，所述方法还包括：

所述控制器获取所述自旋电子磁性传感器的初始电信号。

进一步地，所述电信号对应的值包括电阻值、电压值和电流值。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个实施例提供的一种固体内杂质浓度的测量系统的结构示意图；

图2为图1中所示的自旋电子磁性传感器的剖面结构示意图；

图3为本发明的一个实施例提供的一种固体内杂质浓度的测量方法的示意性流程图；

图4为本发明的另一个实施例提供的一种固体内杂质浓度的测量方法的示意性流程图；

图5为本发明的另一个实施例提供的一种固体内杂质浓度的测量方法的示意性流程图。

图中附图标记含义为：1为磁场发生源，2为控制器，3为待测量固体，4为压磁转换器，5为自旋电子磁性传感器，51为基底，52为自旋电子器件，53为电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种固体内杂质浓度的测量系统包括：自旋电子磁性传感器5、磁场发生源1、控制器2和压磁转换器4。其中，

磁场发生源1和待测量固体3分别设置在自旋电子磁性传感器5相对的两侧。压磁转换器4设置在待测量固体3与自旋电子磁性传感器5之间。压磁转换器4将磁场发生源1吸附待测量固体3产生的压力转换为磁信号，并将磁信号传输至自旋电子磁性传感器5。

自旋电子磁性传感器5将磁信号转换为电信号发送至控制器2。控制器2根据电信号对应的值和自旋电子磁性传感器2的初始电信号对应的值，以及预设的电信号对应的值与固体中杂质浓度的对应关系，确定待测量固体3中杂质的浓度值。

具体的，在该实施例中，由于自旋电子磁性传感器自身对磁信号敏感，通过感应外界磁信号变化其电阻值也会发生变化。根据电阻的变化与磁信号变化的r-h关系曲线可以计算出磁信号变化大小。在要测量待测量固体中杂质的浓度时，可以将磁场发生源和待测量固体分别设置在自旋电子磁性传感器相对的两侧，且在待测量固体与自旋电子磁性传感器之间设置压磁转换器，用以将铁吸附待测量固体产生的压力转换为磁信号。自旋电子磁性传感器将感应到的磁信号的变化转换为电信号的变化，并将变化后的电信号发送至控制器，以便控制器根据该电信号对应的值和自旋电子磁性传感器的初始电信号对应的值，以及预设的电信号对应的值与固体中杂质浓度的对应关系，确定待测量固体中杂质的浓度值。

基于上述实施例中的固体所含杂质浓度的测量系统，通过将磁场发生源和待测量固体分别设置在自旋电子磁性传感器相对的两侧，并利用设置在待测量固体与自旋电子磁性传感器之间的压磁转换器将铁吸附待测量固体产生的压力转换为磁信号，自旋电子磁性传感器将磁信号转换为电信号，再根据电信号对应的值与待测量固体中杂质浓度的对应关系，就可以确定出待测量固体中杂质的浓度值，利用该测量系统对待测量固体中杂质的浓度值进行测量时，操作简单，易于实现，且能提高检测效率和检测精度。另外，该测量系统有超高灵敏度且易于小型化等优点，尺寸微小，具有极高的空间分辨率，适用于高精度、高效率检测领域。

具体的，在该实施例中，磁场发生源可以为永磁性磁铁或者电磁铁。电信号对应的值包括电阻值、电压值和电流值。

可选地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，自旋电子磁性传感器包括：基底、设置在基底表面的至少一个自旋电子器件和电极，电极与控制器连接。

具体的，在该实施例中，每个自旋电子器件可以为巨磁阻磁性传感器或磁性隧道结器件。其中，巨磁阻传感器的厚度为百纳米量级或者百微米量级，本发明实施例对此不做任何限定。

需要说明的是，在该实施例中，基底可以理解为硅片，则自旋电子器件为自旋电子传感单元。或者，基底也可以理解为固定器件的装置，本发明实施例对此不做任何限定。

可选地，在本发明的另一个实施例中，压磁转换器为附着在巨磁阻表面的压磁转换材料。例如，在该实施例中，压磁转换材料可以为以磁致伸缩效应为应用原理的铁氧体材料，坡莫合金，硅钢片，非晶态合金等等，本发明实施例对此不做任何限定。

下面以磁场发生源为电磁铁、以待测量固体为含有nv^–色心的金刚石、以电信号对应的值为电阻值为例，对本发明的技术方案进行详细的描述，需要说明的是，这仅仅是举例说明，并不对本发明实施例构成任何限定。

电磁铁和金刚石分别设置在自旋电子磁性传感器相对的两侧。压磁转换器设置在金刚石与自旋电子磁性传感器之间。压磁转换器将磁铁吸附金刚石产生的压力转换为磁信号，并将磁信号传输至自旋电子磁性传感器。

基于磁信号自旋电子磁性传感器的电阻值发生变化，并将变化后的电阻值发送至控制器。控制器根据初始电阻值和电阻值，确定电阻差值，并将电阻差值与对应关系进行匹配，以确定金刚石中nv^–色心的浓度值。

具体的，在该实施例中，在测量金刚石中杂质的浓度之前，控制器可以获取自旋电子磁性传感器的初始电阻值，在测量金刚石中杂质的浓度时，将电磁铁和金刚石分别设置在自旋电子磁性传感器相对的两侧，且在金刚石与自旋电子磁性传感器之间设置压磁转换器，用以将铁吸附金刚石产生的压力转换为磁信号。自旋电子磁性传感器将感应到的磁信号的变化转换为电阻值的变化，并将变化后的电阻值发送至控制器，控制器则根据该电阻值和已获取的初始电阻值，确定电阻差值，再将该电阻差值和预设的电阻值与金刚石中nv^–色心浓度的对应关系进行匹配，从而确定出待测量的金刚石中nv^–色心的浓度值。

应理解，还可以基于电信号对应的值为电流值或电压值，以及电压值与固体中杂质浓度的对应关系，确定待测量固体中杂质的浓度值，具体的确定方法与上述实施例中的描述类似，为了描述的简洁，在此不再赘述。

上文结合图1和图2，详细描述了根据本发明实施例的固体所含杂质浓度的测量系统，下面结合图3至图5，详细描述了根据本发明实施例的固体所含杂质浓度的测量方法。

如图3所示，一种固体内杂质浓度的测量方法100，包括：

110、将待测量固体通过压磁转换器设置在自旋电子磁性传感器的一侧，并将磁场发生源设置在与一侧相对的另一侧。其中，待测量固体本身不能产生磁场。

120、压磁转换器将磁场发生源吸附待测量固体产生的压力转换为磁信号，并将磁信号传输至自旋电子磁性传感器。

130、自旋电子磁性传感器将磁信号转换为电信号传输至控制器。其中，磁信号是压磁转换器根据磁场发生源吸附待测量固体产生的压力转换得到的。

140、控制器根据电信号对应的值和自旋电子磁性传感器的初始电信号对应的值，以及预设的电信号对应的值与待测量固体中杂质浓度的对应关系，确定待测量固体中杂质的浓度值。

基于上述实施例中的固体所含杂质浓度的测量方法，通过将磁场发生源和待测量固体分别设置在自旋电子磁性传感器相对的两侧，并利用设置在待测量固体与自旋电子磁性传感器之间的压磁转换器将铁吸附待测量固体产生的压力转换为磁信号，自旋电子磁性传感器将磁信号转换为电信号，再根据电信号对应的值与待测量固体中杂质浓度的对应关系，就可以确定出待测量固体中杂质的浓度值，这种测量方法，操作简单，易于实现，且能提高检测效率和检测精度，适用于高精度、高效率检测领域。

可选地，在本发明的一个实施例中，如图4所示，在步骤110之前，方法100还包括：

150、控制器获取自旋电子磁性传感器的初始电信号。

也就是说，在测量待测量固体中杂质的浓度之前，控制器可以获取自旋电子磁性传感器的初始电信号，当对待测量固体中杂质的浓度测量时，控制器就可以根据电信号对应的值和初始电信号对应的值，以及预设的电信号对应的值与待测量固体中杂质浓度的对应关系，确定出待测量固体中杂质的浓度值。

具体的，在该实施例中，电信号对应的值可以为电阻值、电压值和电流值中的一种。

例如，在本发明的另一个实施例中，以电信号对应的值为电阻值为例，如图5所示一种固体所含杂质浓度的测量方法200，包括：

210、将待测量固体通过压磁转换器设置在自旋电子磁性传感器的一侧，并将磁场发生源设置在与一侧相对的另一侧。其中，待测量固体本身不能产生磁场。

220、压磁转换器将磁场发生源吸附待测量固体产生的压力转换为磁信号，并将磁信号传输至自旋电子磁性传感器。

230、自旋电子磁性传感器将磁信号转换为电信号传输至控制器。其中，磁信号是压磁转换器根据磁场发生源吸附待测量固体产生的压力转换得到的。电信号对应的值为电压值。

241、控制器根据初始电阻值和电阻值，确定电阻差值。

242、控制器将电阻差值与预设的电阻值与固体中杂质浓度的对应关系进行匹配。

243、控制器根据匹配结果，确定待测量固体中杂质的浓度值。

具体的，在该实施例中，自旋电子磁性传感器的结构可以如图2所示，磁场发生源可以为永磁性磁铁或电磁铁，压磁转换器为附着在巨磁阻表面的压磁转换材料。

需要说明的是，在该实施例中，待测量固体可以为含有nv^–色心的金刚石，但本发明实施例对此不做任何限定。

应理解，在本发明各实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。