[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

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）的底端粘贴有的永磁体（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。