[发明专利]基于NV-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及陀螺仪的技术领域，具体涉及一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪及制作方法，对研制新一代基于固体原子自旋效应和MEMS效应的混合结构的陀螺仪有着重要的价值，将服务于未来各个领域特别是低成本的惯性导航和测姿系统。

背景技术

随着对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制技术的不断进步，MEMS陀螺仪的性能指标越来越高，以其尺寸小、价格便宜的优势在消费电子产品、汽车、工业以及医疗等各个行业得到了广泛的应用，为人们的生活带来了高效和便利。另外在国防技术方面，各类战术武器平台和导弹也需要更多低成本但仍保证一定精度的陀螺仪，采用体积更小、成本更低的陀螺仪代替目前价格相对较贵的光学陀螺仪。

目前使用的低精度惯性导航或测姿系统中使用的MEMS陀螺仪，虽然其成本仅几百元，且灵敏度可做到0.05°/h^1/2，但是漂移很差，通常为几度甚至十几度每小时，几分钟之内就不能继续用于惯性导航，需要重新标定。因此有必要探索保持MEMS陀螺仪成本的同时，提高其漂移精度。随着原子物理领域的重大科学发现与实验技术的突破，目前国内外都在探索基于量子力学的原子陀螺仪，主要包括核磁共振陀螺仪、无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋陀螺仪、冷原子干涉陀螺仪及固体原子自旋陀螺仪，这一类原子陀螺仪从理论上将陀螺仪的各方面性能提高了数个量级。通过结合新型原子陀螺技术和已有的MEMS加工技术，有望获得更高性能的微型陀螺仪。

内含NV^-色心的金刚石材料可用于制作固体原子陀螺仪，并可方便的和MEMS陀螺仪结合起来。采用NV^-色心中的电子自旋与核自旋可以实现空间旋转的测量。通过离子辐照后的金刚石材料中的NV^-色心可达10¹⁸cm^-3的密度，通过微波和射频场实现核自旋的极化，利用核自旋旋磁比小的特点，可以有效的降低磁场、温度波动、材料表面张力等引入的误差，大大提高陀螺的稳定性指标。利用核自旋和电子自旋之间的耦合作用，可将核自旋布居数写入电子自旋布居数，从而实现高效读出。利用NV^-色心氮原子核自旋进行惯性测量，可实现随机游走优于0.05°/h^1/2mm³的高稳定性固体原子陀螺仪，其敏感源金刚石材料可以为微米尺度，可方便的结合MEMS陀螺仪。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，同时结合了MEMS陀螺的低成本小尺寸特性与核自旋陀螺的高精度高灵敏特性。本发明还提供了所述新型陀螺仪的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的制作方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于NV^-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，包括信号调理电路板、雪崩光电二极管（APD）、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、制作于绝缘衬底上的硅材料（SOI）上的NV^-色心金刚石—MEMS混合结构和滤波片；所述NV^-色心金刚石—MEMS混合结构包括两种不同机理的敏感部件：NV^-色心金刚石惯性敏感部件和MEMS悬臂梁惯性敏感部件；

所述MEMS悬臂梁惯性敏感部件包括位于SOI材料的中心位置的MEMS悬臂梁，其根部由SOI上层硅板伸出并与SOI下层硅板分离，其顶端与SOI下层硅板边缘齐平；SOI中层二氧化硅板的下边缘与MEMS悬臂梁的根部齐平；在SOI下层硅板上具有第一金电极与第二金电极，相对于MEMS悬臂梁对称分布，形成MEMS惯性敏感部件输出电容变化信号；所述NV^-色心金刚石惯性敏感部件包括NV^-色心金刚石，其位于在MEMS悬臂梁上形成的波导槽中，所述波导槽从MEMS悬臂梁中部贯穿至SOI上层硅板的上边缘；在波导槽的底端粘贴有永磁体，用来产生操控电子能级所需要的静磁场，同样大小的反射镜固定于永磁体之前以反射NV^-色心金刚石发出的637nm荧光；NV^-色心金刚石放置于反射镜前面；在波导槽中滴入SU-8光刻胶形成波导介质以传递532nm激光和637nm荧光，从而实现电子自旋极化和荧光检测；作为微波天线的金导线位于波导槽的中线上，从SOI上层硅板上边缘延伸至金刚石下边缘以实现电子能级操控；