[发明专利]金刚石晶体和基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置

说明书

本发明公开一种基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置。所述装置包括：金刚石晶体、微波天线、电磁线圈、激光器、光传感器以及信号处理器；其中，所述金刚石晶体包括分别具有若干NV缺陷中心的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一、第二和第三区域在至少一个投影面上的投影互不重叠；所述光传感器的成像平面与该投影面平行，用于感测因所述第一、第二和第三区域各自NV缺陷中心的电子自旋共振产生的光信号；所述信号处理器用于处理所述光传感器感测的所述光信号。实施本发明后，可以利用同一金刚石晶体同时感测多个惯性运动参数，相对于传统惯性传感器，本发明具有较高的集成度、稳定性和测量精度。

技术领域

本发明涉及利用金刚石量子缺陷中心测量惯性运动参数的技术，特别是用于同时测量多个惯性运动参数的金刚石晶体和使用该金刚石晶体的惯性运动测量装置。

背景技术

随着无人机、无人驾驶汽车的方兴未艾，以及各种物联网设备、机器人的发展，工业界对于惯性运动传感器的体积、精度、稳定性和集成度提出了更高的要求。而传统惯性传感器存在诸多局限，越来越难以满足实际需要。

金刚石氮空位中心(Nitrogen-Vacancy center,NV中心)是金刚石晶体中常见的点缺陷结构，由晶格中取代碳原子的一个氮原子和相邻格点上的一个空位构成。这一缺陷结构形成了独特的量子能级：在没有外界电磁场的情况下，按照电子自旋分解为m_s＝0的能级和m_s＝+1或-1的能级，两者之间能级间距是2.87GHz。科学研究发现，NV中心量子能级结构对磁场、电场、外力、加速度和旋转都高度敏感。例如，应力会使NV中心的能级发生偏移和混合，通过光学信号测量这种能级变化就可以推导出加速度和线性运动。同时，由于金刚石优异的物理特性，这一量子能级结构能够在广泛的温度范围内(包括室温下)保持稳定，这样就使得具有高集成度、高稳定性、高精度、小体积的基于金刚石量子缺陷的多惯性运动参数检测技术成为可能。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种用于同时测量多个惯性运动参数的金刚石晶体。

本发明通过如下技术方案实现：构造一种金刚石晶体，其特征在于，所述金刚石晶体包括分别具有若干NV缺陷中心的多个第一区域、多个第二区域和多个第三区域，所述第一、第二和第三区域在至少一个投影面上的投影互不重叠。

进一步地，所述金刚石晶体包括衬底、多个由衬底向外延伸的基座和多个由基座向外延伸的延伸体，并且所述第一区域位于所述延伸体中，所述第二区域位于所述基座中，所述第三区域位于所述衬底中。

可选地，所述延伸体为锥形体。

优选地，所述第一区域位于所述延伸体的顶部。

本发明的另一个目的在于，提供一种同时测量多个惯性运动参数的基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置。

本发明通过如下技术方案实现：构造一种基于金刚石量子缺陷中心的惯性运动测量装置，其特征在于，所述装置包括：金刚石晶体、用于对所述金刚石晶体照射微波的微波天线、用于产生恒定磁场的电磁线圈、用于对所述金刚石晶体照射激光的激光器、光传感器以及信号处理器；其中，所述金刚石晶体包括分别具有若干NV缺陷中心的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一、第二和第三区域在至少一个投影面上的投影互不重叠；所述光传感器用于感测因所述第一、第二和第三区域各自NV缺陷中心的电子自旋共振产生的光信号；所述信号处理器用于处理所述光传感器感测的所述光信号。

优选地，所述金刚石晶体包括衬底、多个由衬底向外延伸的基座和多个由基座向外延伸的延伸体，并且所述第三区域位于所述衬底中，所述第二区域位于所述基座中，所述第一区域位于所述延伸体中。

优选地，所述延伸体可以为锥形体。由于锥形体底部与基座连接的部位尺寸较小，因此在外界加速度影响下基座内部容易产生较大应力，以便于测量。

优选地，所述第三区域位于所述延伸体的顶部。