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　　申請號：201610385284.X
　　申請人：中北大學
　　發明人：劉俊 郭浩 唐軍 馬宗敏 曹慧亮 陳宇雷 郭旭東 朱強

　　摘要：本發明提供一種單芯片級金剛石色心自旋陀螺儀，利用MPCVD磁、電約束方法制備了濃度大于1018cm?1的氮元素摻雜金剛石結構，利用微納加工工藝方法制備了金剛石色心波導結構，實現了NV色心結構的波導內全激發和空間全反射高效率收集，同時結合電子束加工方法實現了微波、射頻天線的共面制造以及磁場產生線圈的芯片化一體集成，并通過時序操控方法進行陀螺信號高信噪比檢測，發明了一種單芯片級的金剛石色心自旋陀螺儀。 　　主權利要求：1.一種單芯片級金剛石色心自旋陀螺儀，其特征在于：包括金剛石襯底（1），所述金剛石襯底（1）上表面中部加工金剛石NV色心波導（2），所述金剛石襯底（1）上表面采用MPCVD法外延生長一層金剛石折射率匹配層；所述金剛石襯底（1）上表面位于金剛石NV色心波導（2）兩側分別加工微帶天線陣列（4）；所述金剛石襯底背面（3）中心部加工磁場產生線圈（9）。
　　2.根據權利要求1所述的單芯片級金剛石色心自旋陀螺儀，其特征在于：所述金剛石襯底（1）上加工有封裝卡槽（8）。
　　3.根據權利要求2所述的單芯片級金剛石色心自旋陀螺儀，其特征在于：金剛石NV色心波導（2）兩端分別通過端面耦合方式連接激光輸入端口（5）和熒光信號輸出光電檢測端口（6）；所述微帶天線陣列（4）通過端面耦合方式連接微波、射頻信號輸入端口（7）。
　　4.根據權利要求1所述的單芯片級金剛石色心自旋陀螺儀，其特征在于：所述金剛石NV色心波導（2）的厚度200微米、寬度200微米。
　　5.根據權利要求1所述的單芯片級金剛石色心自旋陀螺儀，其特征在于：所述微帶天線陣列（4）中微帶天線的規格為：長250微米，寬和高為40微米。
　　6.根據權利要求1所述的單芯片級金剛石色心自旋陀螺儀，其特征在于：所述金剛石折射率匹配層厚200nm。
　　7.一種單芯片級金剛石色心自旋陀螺儀的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：（1）、在金剛石襯底上部形成NV色心薄膜層；（2）、對金剛石襯底的上下表面進行拋光；（3）、在金剛石襯底上表面外延生長一層氧化硅掩膜層；（4）、采用光刻和刻蝕技術，圖像化轉移制備出金剛石NV色心波導圖像結構；（5）、采用干法刻蝕技術進行金剛石體結構刻蝕，在金剛石襯底中部形成金剛石NV色心波導；（6）、去除氧化硅掩膜層，然后外延生長一層金剛石折射率匹配層，作為全反射包層；（7）、芯片級平面集成與制造（71）、采用電子束蒸發技術，在加工好的金剛石襯底上制備一層800~850nm的Ti/Pt/Au，其中Ti厚度為100nm~200nm，Pt厚度約為50nm~100nm，Au厚度為300nm~600nm；（72）、采用IBE刻蝕技術，在襯底上位于金剛石NV色心波導的兩側分別刻蝕出微帶天線結構；（73）、在金剛石襯底上表面旋涂一層光刻膠，熱烘后保護襯底的上表面結構；（74）、金剛石襯底翻轉過來，在下表面重復步驟（71），采用IBE刻蝕技術刻蝕出磁場產生線圈；（75）全固化封裝整個芯片級結構，通過端面耦合方式，在金剛石NV色心波導兩端封裝激光輸入端口和熒光信號輸出光電檢測端口，在微帶天線的輸入端封裝微波、射頻信號輸入端口。
　　8.根據權利要求7所述的單芯片級金剛石色心自旋陀螺儀的制備方法，其特征在于：步驟（1）具體如下：高濃度金剛石色心制備工藝：利用微波化學氣相沉積技術制備濃度高于1018cm-1的金剛石色心；即采用高純化N2氣源和高內壁清潔凈度氣管，氣源入腔口采用12500目過濾網進行微塵，凈化氣體；在超高真空下采用高壓微波等離子化CH4、H2、N2三種氣體，激發出C、N原子，利用原子磁矩相互作用效應，采用磁、電約束方法，精確操控C、N原子比例，實現超高均勻性的濃度高于1018cm-1的氮元素可控制造高濃度金剛石色心；NV色心活化工藝：采用高能10MeV電子束輻射對金剛石襯底進行5小時輻照，進行原位電子與晶格中的碳元素碰撞，產生空位；在超高真空環境下，快速退火驅使碳元素向表面移動，消除晶格畸變和殘余應力，然后在真空下850℃高溫下退火2h，使空位發生遷移，并捕獲電子，形成NV色心。