[发明专利]一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器及制备方法

说明书

本发明属于微机电系统(MEMS)的压力检测器件领域，并具体公开了一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器及制备方法。所述传感器包括基底层，基底层的底部刻蚀有空腔，基底层的顶部沉积有绝缘层，绝缘层的顶部沉积有具有氮空位色心的金刚石薄膜层，绝缘层的顶部还溅射有两个所述铁氧体，两个铁氧体关于所述金刚石薄膜层对称布置。所述方法包括在所述基底层的顶部沉积一层绝缘层，在基底层的底部刻蚀得到空腔，在绝缘层的顶部沉积一层具有氮空位色心的金刚石薄膜层和两个对称布置的铁氧体。本发明可通过电子的自旋属性去实现对压力的高灵敏度测量，大大提升了压力传感器的灵敏度。

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)的压力检测器件领域，更具体地，涉及一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器及制备方法。

背景技术

压力测量在汽车、自动控制、机器人、国防、航空航天、医疗、智能装备等众多领域有着极其重要的作用。传统的压力测量是利用电子的电荷属性来获得与压力相关的数据。如硅压阻式压力传感器，采用硅掺杂来实现压敏电阻，压力的变化导致电流的变化，电流是电子的电荷属性在电子移动时的表现。

除了硅材料外，纳米碳族材料也已被证明具有一定的压阻系数。如碳纳米管压阻特性在压力传感器中应用已得到实验验证，但碳纳米管与衬底粘附性差。石墨烯作为最薄材料，它可在各种表面稳定粘附，能耐30％应变，已有研究发现，当石墨烯受到拉伸或压缩作用时，其电阻会发生明显变化，且在一定范围内变化呈良好线性关系。但目前压力传感器采用的本征石墨烯为零带隙材料，呈半导体或半金属性，其压阻性质受到石墨烯能带结构限制，其压阻系数较单晶硅材料低。传统的压力传感器灵敏度的提高越来越难。量子传感是利用电子的自旋属性去实现对物理量的高灵敏度测量。金刚石氮空位(NV)色心是量子传感的最重要的代表，而金刚石也是碳族材料。金刚石NV色心是金刚石晶体中的一个碳原子被氮原子取代且邻位碳原子缺失形成空穴而构成的点缺陷。金刚石氮空位色心在微纳压力传感器件中的应用具有很好的前景。

因此，本领域亟待提出一种基于金刚石氮空位色心的量子压力传感器，以有效进一步提高压力传感器的灵敏度，进而解决压力传感器灵敏度难以提高的难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器及制备方法，解决了传统压力传感器采用电荷属性来获取压力值，进而灵敏度受限的问题，其结合压力传感器自身的特征及金刚石氮空位色心的工艺特点，相应设计了一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器，并对其关键组件如基底层、空腔、绝缘层、金刚石薄膜层和铁氧体的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可通过电子的自旋属性去实现对压力的高灵敏度测量，大大提升了压力传感器的灵敏度，因而尤其适用于纳米生化及纳米医疗等的微机电系统应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种金刚石氮空位色心的量子压力传感器，包括基底层,所述基底层的底部刻蚀有空腔，所述基底层的顶部沉积有绝缘层，所述绝缘层的顶部沉积有具有氮空位色心的金刚石薄膜层，所述金刚石薄膜层位于所述空腔的正上方，且所述金刚石薄膜层的横截面大于所述空腔的横截面，所述绝缘层的顶部还溅射有两个所述铁氧体，两个所述铁氧体关于所述金刚石薄膜层对称布置，以此方式，在所述量子压力传感器的压力发生变化时，具有氮空位色心的金刚石薄膜层的氮空位色心自旋翻转，能级反生改变，通过光探测磁共振谱检测该能级变化，得到该压力值的大小。

进一步的，所述空腔的深度不大于基底层的厚度，该空腔的横截面为矩形，该矩形长宽比大于或等于2。

进一步的，所述金刚石薄膜层的横截面为矩形。

进一步的，所述金刚石薄膜层掺杂有硅空位色心和/或锗空位色心。

进一步的，所述基底层的材料为硅，所述绝缘层的材料为二氧化硅。

进一步的，所述基底层的底部还键合有玻璃，所述玻璃上设有与所述空腔同轴的通孔。