基于NV-色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪及制作方法

摘要

本发明提供的一种基于NV^‑色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪及制作方法，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；结合了NV^‑色心金刚石自旋陀螺仪和MEMS陀螺仪的优点，克服了NV^‑色心金刚石陀螺仪和MEMS陀螺仪的不同误差源影响，具有更高的理论灵敏度和更好的稳定性，具有体积小、成本低、灵敏度高、操作条件简易等优势，对研制新一代基于固体原子自旋效应和MEMS效应的混合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。

主权项

一种基于NV^‑色心金刚石—MEMS混合结构的陀螺仪，其特征在于，包括信号调理电路板(4)、雪崩光电二极管(APD)(2)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)(3)、制作于绝缘衬底上的硅材料(SOI)(1)上的NV^‑色心金刚石—MEMS混合结构和滤波片(5)；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(18)和MEMS悬臂梁惯性敏感部件(19)；所述的MEMS悬臂梁惯性敏感部件(19)包括位于SOI(1)中心位置的MEMS悬臂梁(17)，其根部由SOI上层硅板(6)伸出并与SOI下层硅板(8)分离，其顶端与SOI下层硅板(8)边缘齐平；SOI中层二氧化硅板(7)的下边缘与MEMS悬臂梁(17)的根部齐平；SOI下层硅板(8)上具有第一金电极(9)与第二金电极(10)，相对于MEMS悬臂梁(17)对称分布，形成MEMS悬臂梁惯性敏感部件(19)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(17)上形成的波导槽(11)中，波导槽(11)从MEMS悬臂梁(17)中部贯穿至SOI上层硅板(6)上边缘；在波导槽(11)的底端粘贴有永磁体(16)，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(15)固定于永磁体(16)之前以反射NV^‑色心金刚石发出的637nm荧光；NV^‑色心金刚石(14)放置于反射镜(15)前面；在波导槽(11)中滴入SU‑8光刻胶(12)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(13)位于波导槽(11)的中线上，从SOI上层硅板(6)上边缘延伸至NV^‑色心金刚石(14)下边缘以实现电子能级操控；所述的APD(2)、VCSEL(3)、SOI(1)和滤波片(5)均位于信号调理电路板(4)上；信号调理电路板(4)发生微波频率控制信号、接收并调理APD(2)输出荧光强度信号、接收并调理第一金电极(9)和第二金电极(10)输出电容变化信号和发生VCSEL(3)通断控制信号；VCSEL(3)放置于SOI(1)上方，发出532nm激光来激发NV^‑色心金刚石(14)电子自旋；金导线(13)接到信号调理电路板(4)上，通过传输无线电频率控制信号实现电子能级间的跃迁，从而控制荧光强度的变化同时控制APD输出的检测电压；APD(2)紧贴在波导槽(11)底部，吸收SU‑8光刻胶(12)传递出的NV^‑色心金刚石(14)发出的637nm荧光；滤波片(5)位于APD和SOI输出荧光端之间，阻断532nm光的同时使637nm荧光透过到APD(2)；SOI下层硅板(8)上的第一金电极(9)和第二金电极(10)通过导线连接到信号调理电路板(4)上输出MEMS悬臂梁(17)振动引起的电容变化信号。