CN107807142A - 一种固体所含杂质浓度的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体所含杂质浓度的测量系统及测量方法，测量系统包括：自旋电子磁性传感器、磁场产生装置和控制器，磁场产生装置位于自旋电子磁性传感器的侧面，并与自旋电子磁性传感器相距预设距离；自旋电子磁性传感器探测磁场产生装置产生的磁场的初始磁场强度；待测量固体设置在自旋电子磁性传感器的表面上；自旋电子磁性传感器探测当前磁场强度；控制器根据预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，以及初始磁场强度和当前磁场强度，确定待测量固体中杂质的浓度值。利用本发明的测量系统对待测量固体中杂质的浓度值进行测量时，操作简单，易于实现，且能提高检测效率和检测精度。

Description

一种固体所含杂质浓度的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及量子传感器的技术领域，尤其涉及一种固体所含杂质浓度的测量系统及测量方法。

背景技术

金刚石中的NV^–色心作为固体中的发光缺陷，其浓度直接影响到其量子传感的精度。现有的浓度检测通常采用荧光强度PL(Photoluminescence)检测方法和光学探测磁共振ODMR(Optical detection of magnetic resonance)检测方法。

然而，利用上述光学方法检测，首先，金刚石形状导致光发生散射，所引发的散射角会形成光波导效应，当再次反射的时候会接触到不想测量的杂质粒子，有新的NV色心会被重复激发。由于其中的散射行为以及光波导行为导致其测量不均。其次，在高浓度样品中N,C的含量较高，然而二者大小质量不同，所以会有应力，进而从单晶变成多晶，导致折射率会发生变化，更加利于散射的发生，从而也就会使得不必要的杂质被射到。最后，由于色心之间的相互遮挡，导致不能完全被激发，进而使得NV色心的逸出光子的采集率过低，对单次自旋的读出需要数万次重复的检测，检测精度不高。且因光学器件本身和金刚石折射率都限制了检测的效率，所以这种检测方法的操作较为繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种固体所含杂质浓度的测量系统及测量方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种固体所含杂质浓度的测量系统，包括：自旋电子磁性传感器、磁场产生装置和控制器，其中，

所述磁场产生装置位于所述自旋电子磁性传感器的侧面，并与所述自旋电子磁性传感器相距预设距离，所述自旋电子磁性传感器探测所述磁场产生装置产生的磁场的初始磁场强度；

所述待测量固体设置在所述自旋电子磁性传感器的与所述磁场产生装置平行的侧面上，所述自旋电子磁性传感器探测当前磁场强度，所述待测量固体本身不能产生磁场；

所述控制器根据预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，以及所述初始磁场强度和所述当前磁场强度，确定所述待测量固体中杂质的浓度值。

本发明的有益效果是：通过将待测量固体设置在自旋电子磁性传感器的表面上，在自旋电子磁性传感器的侧面设置磁场产生装置，根据利用自旋电子磁性传感器探测当前磁场强度和磁场产生装置产生的磁场的初始磁场强度，以及预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，就可以确定出待测量固体中杂质的浓度值，利用该测量系统对待测量固体中杂质的浓度值进行测量时，操作简单，易于实现，且能提高检测效率和检测精度。另外，该测量系统有超高灵敏度且易于小型化等优点，尺寸微小，具有极高的空间分辨率，适用于高精度、高效率检测领域。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，所述控制器根据所述初始磁场强度和所述当前磁场强度，确定被抵消的磁场强度，并将所述被抵消的磁场强度与所述对应关系进行匹配，以确定所述待测量固体中杂质的浓度值。

进一步地，所述系统还包括：屏蔽罩，所述自旋电子磁性传感器、所述磁场产生装置和所述待测量固体均位于所述屏蔽罩内。

采用上述进一步方案的有益效果是：将自旋电子磁性传感器、磁场产生装置和待测量固体均设置在屏蔽罩内，可以有效的屏蔽来自磁场产生装置之外的磁场强度的干扰，从而使得检测结果更加准确。

进一步地，所述自旋电子磁性传感器包括：基底、设置在所述基底表面的至少一个自旋电子器件和电极，所述电极与所述控制器连接。

进一步地，所述磁场产生装置位于所述自旋电子磁性传感器的，与所述待测量固体平行的侧面。

进一步地，所述磁场产生装置为线圈，则所述线圈沿所述自旋电子磁性传感器的固定层磁矩方向绕行，使得所述线圈产生的磁场的磁场方向与所述自旋电子磁性传感器的自由层方向垂直。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用线圈作为磁场产生装置，可以更加便捷的控制磁场强调的大小、磁性的有无以及磁极的方向。

进一步地，每个所述自旋电子器件为巨磁阻磁性传感器或磁性隧道结器件。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种固体所含杂质浓度的测量方法，所述方法包括：

在自旋电子磁性传感器侧面设置磁场产生装置，所述自旋电子磁性传感器探测所述磁场产生装置产生的磁场的初始磁场强度；

将待测量固体设置在自旋电子磁性传感器的与所述磁场产生装置平行的侧面上，所述自旋电子磁性传感器探测当前磁场强度，所述待测量固体本身不能产生磁场；

控制器根据预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，以及所述磁场强度探测器探测的所述初始磁场强度和所述当前磁场强度，确定所述待测量固体中杂质的浓度值。

本发明的有益效果是：通过将待测量固体设置在自旋电子磁性传感器的表面上，在自旋电子磁性传感器的侧面设置磁场产生装置，根据利用自旋电子磁性传感器探测当前磁场强度和磁场产生装置产生的磁场的初始磁场强度，以及预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，就可以确定出待测量固体中杂质的浓度值，这种测量方式操作简单，易于实现，提高了检测效率和检测精度，适用于高精度、高效率检测领域。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，所述控制器根据预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，以及所述磁场强度探测器探测的所述初始磁场强度和所述当前磁场强度，确定所述待测量固体中杂质的浓度值，包括：

所述控制器根据所述初始磁场强度和所述当前磁场强度，确定被抵消的磁场强度；

所述控制器将所述被抵消的磁场强度与所述对应关系进行匹配；

所述控制器根据匹配结果，确定所述待测量固体中杂质的浓度值。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个实施例提供的一种固体所含杂质浓度的测量系统的结构示意图；

图2为本发明的另一个实施例提供的一种固体所含杂质浓度的测量系统的结构示意图；

图3为图1和/或图2中所示的自旋电子磁性传感器的剖面结构示意图；

图4为本发明的另一个实施例提供的一种固体所含杂质浓度的测量系统的结构示意图；

图5为本发明的一个实施例提供的一种固体所含杂质浓度的测量方法的示意性流程图；

图6为本发明的另一个实施例提供的一种固体所含杂质浓度的测量方法的示意性流程图。

图中附图标记含义为：1为磁场产生装置，2为控制器，3为待测量固体，31为金刚石，4为自旋电子磁性传感器，5为屏蔽罩，6为实验台面，41为基底，42为自旋电子器件，43为电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种固体所含杂质浓度的测量系统，包括：自旋电子磁性传感器4、磁场产生装置1、控制器2和待测量固体3。

其中，磁场产生装置1位于自旋电子磁性传感器4的侧面，并与自旋电子磁性传感器4相距预设距离。自旋电子磁性传感器4探测磁场产生装置1产生的磁场的初始磁场强度。其中，该预设距离使得磁场产生装置1所产生的磁场可以最大程度的作用在待测量固体3上。

待测量固体3设置在自旋电子磁性传感器4的表面上，该表面为自旋电子磁性传感器4的与磁场产生装置1平行的侧面，自旋电子磁性传感器4探测当前磁场强度，其中，待测量固体3本身不能产生磁场。控制器2根据预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，以及初始磁场强度和当前磁场强度，确定待测量固体3中杂质的浓度值。

具体的，在该实施例中，由于自旋电子磁性传感器自身对磁信号敏感，通过感应外界磁信号变化其电阻值也会发生变化。在要测量待测量固体中杂质的浓度之前，在自旋电子磁性传感器的侧面设置磁场产生装置，并设定初始磁场强度，自旋电子磁性传感器探测磁场产生装置产生的初始磁场强度。然后，将待测量固体设置在自旋电子磁性传感器的表面上，使得其与磁场产生装置及磁性传感器平行设置。通过自旋电子磁性传感器探测当前磁场强度，并将探测到的初始磁场强度和当前磁场强度发送至控制器，以便控制器根据预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，以及初始磁场强度和当前磁场强度，确定待测量固体中杂质的浓度值。

基于上述实施例中的固体所含杂质浓度的测量系统，通过将待测量固体设置在自旋电子磁性传感器的表面上，在自旋电子磁性传感器的侧面设置磁场产生装置，根据利用磁场强度探测器探测当前磁场强度和磁场产生装置产生的磁场的初始磁场强度，以及预设的磁场强度与待测量固体中杂质浓度的对应关系，就可以确定出待测量的待测量固体中杂质的浓度值，利用该测量系统对待测量固体中杂质的浓度值进行测量时，操作简单，易于实现，且能提高检测效率和检测精度。另外，该测量系统有超高灵敏度且易于小型化等优点，尺寸微小，具有极高的空间分辨率，适用于高精度、高效率检测领域。

需要说明的是，待测量部件包括待测量固体3和自旋电子磁性传感器4，需要位于磁场的中心位置，例如：待测量固体3和自旋传感器4放置于磁场产生装置1(线圈)的内部，或者可以将磁场产生装置1和待测量固体3分别设置在自旋电子磁性传感器4相对的两侧，或者，还可以将磁场产生装置设置3在自旋电子磁性传感器4的，与设置有待测量固体3的表面相平行的两侧。

也就是说，无论磁场产生装置1与待测量部件的相对位置是怎样，但是，磁场产生装置1产生的磁场的磁场方向应该穿过待测量固体。

可选地，在本发明的一个实施例中，控制器2根据初始磁场强度和当前磁场强度，确定被抵消的磁场强度，并将被抵消的磁场强度与对应关系进行匹配，以确定待测量固体3中杂质的浓度值。

具体的，在该实施例中，在测量待测量固体中杂质的浓度之前，将磁场产生装置设置在自旋电子磁性传感器的侧面，并设定初始磁场强度，自旋电子磁性传感器探测磁场产生装置产生的初始磁场强度。然后，将金刚石31设置在自旋电子磁性传感器的表面上，使得其与磁场产生装置及磁性传感器平行设置。通过自旋电子磁性传感器探测当前磁场强度，并将探测到的初始磁场强度和当前磁场强度发送至控制器，控制器则根据初始磁场强度和当前磁场强度，确定被抵消的磁场强度，再将被抵消的磁场强度和预设的磁场强度与待测量固体中杂质浓度的对应关系进行匹配，从而确定出待测量的待测量固体中杂质的浓度值。

可选地，在本发明的另一个实施例中，如图2所示，测量系统还可以包括：屏蔽罩5。则自旋电子磁性传感器4、磁场产生装置1和待测量固体3均位于屏蔽罩5内。

在该实施例中，通过将自旋电子磁性传感器、磁场产生装置和待测量固体均设置在屏蔽罩内，可以有效的屏蔽来自磁场产生装置之外的磁场强度的干扰，从而使得检测结果更加准确。

需要说明的是，本发明实施例中并不限定屏蔽罩的形状，可以采用任何形状的屏蔽罩。

可选地，在本发明的另一个实施例中，如图3所示，自旋电子磁性传感器4包括：基底41、设置在基底41表面的至少一个自旋电子器件42和电极43，所述电极43与所述控制器2连接。

具体的，每个自旋电子器件为巨磁阻磁性传感器或磁性隧道结器件。其中，巨磁阻传感器的厚度为百纳米量级或者百微米量级，本发明实施例对此不做任何限定。

需要说明的是，在该实施例中，基底可以理解为硅片，则自旋电子器件为自旋电子传感单元。或者，基底也可以理解为固定器件的装置，本发明实施例对此不做任何限定

可选地，在本发明的另一个实施例中，磁场产生装置1位于自旋电子磁性传感器4的，与待测量固体3平行的侧面。

具体的，在该实施例中，磁场产生装置可以为线圈，则线圈沿巨磁阻磁性传感器或磁性隧道结器件的固定层磁矩方向绕行，也就是说，线圈包围了自旋电子磁性传感器的与待测量固体平行的所有侧面，使得线圈产生的磁场的磁场方向与巨磁阻磁性传感器或磁性隧道结器件的自由层方向垂直。

因此，磁性的大小可以通过电流的强弱或线圈的匝数多少来控制；也可通过改变电阻控制电流大小来控制；磁极可以通过改变电流的方向来控制，磁性可因电流的消失而消失等等。通过采用线圈作为磁场产生装置，可以更加便捷的控制磁场强调的大小、磁性的有无以及磁极的方向。

如图4所示，线圈绕行在螺旋管上，而自旋电子磁性传感器位于绕制有线圈的螺旋管的内部。

需要说明的是，还可以采用其他的励磁方式，例如：交流励磁模式，但本发明实施例对此不作任何限定。

还需要说明的是，在该实施例中，待测量固体3可以为含有NV^–色心的金刚石31，但本发明实施例对此不做任何限定。

上文结合图1至图4，详细描述了根据本发明实施例的固体所含杂质浓度的测量系统，下面结合图5和图6，详细描述了根据本发明实施例的固体所含杂质浓度的测量方法。

如图5所示，一种固体所含杂质浓度的测量方法100，包括：

110、在自旋电子磁性传感器侧面设置磁场产生装置，自旋电子磁性传感器探测磁场产生装置产生的磁场的初始磁场强度。

120、将待测量固体设置在自旋电子磁性传感器的与磁场产生装置平行的侧面上，自旋电子磁性传感器探测当前磁场强度，该待测量固体本身不能产生磁场。

130、控制器根据预设的磁场强度与待测量固体中杂质浓度的对应关系，以及磁场强度探测器探测的初始磁场强度和当前磁场强度，确定待测量固体中杂质的浓度值。

基于上述实施例中的固体所含杂质浓度的测量方法，通过将待测量固体设置在自旋电子磁性传感器的表面上，在自旋电子磁性传感器的侧面设置磁场产生装置，根据利用自旋电子磁性传感器探测当前磁场强度和磁场产生装置产生的磁场的初始磁场强度，以及预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，就可以确定出待测量的待测量固体中杂质的浓度值，这种测量方式操作简单，易于实现，提高了检测效率和检测精度，适用于高精度、高效率检测领域。

可选地，在本发明的一个实施例中，如图6所示，步骤130具体可以包括：

131、控制器根据初始磁场强度和当前磁场强度，确定被抵消的磁场强度。

132、控制器将被抵消的磁场强度与对应关系进行匹配。

133、控制器根据匹配结果，确定待测量固体中杂质的浓度值。

需要说明的是，在该实施例中，待测量固体可以为含有NV^–色心的金刚石，但本发明实施例对此不做任何限定。

具体的，在该实施例中，自旋电子磁性传感器的结构可以如图3所示。磁场产生设备位于自旋电子磁性传感器的，与待测量固体平行的侧面。当磁场产生装置为线圈时，线圈沿着巨磁阻磁性传感器或磁性隧道结器件的固定层磁矩方向绕行，将自旋电子磁性传感器的与待测量固体平行的所有侧面都包围了，使得线圈产生的磁场的磁场方向与巨磁阻磁性传感器或磁性隧道结器件的自由层方向垂直。

应理解，在本发明各实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种固体所含杂质浓度的测量系统，其特征在于，包括：自旋电子磁性传感器、磁场产生装置和控制器，其中，

所述磁场产生装置位于所述自旋电子磁性传感器的侧面，并与所述自旋电子磁性传感器相距预设距离，所述自旋电子磁性传感器探测所述磁场产生装置产生的磁场的初始磁场强度；

所述待测量固体设置在所述自旋电子磁性传感器的与所述磁场产生装置平行的侧面上，所述自旋电子磁性传感器探测当前磁场强度，所述待测量固体本身不能产生磁场；

所述控制器根据预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，以及所述初始磁场强度和所述当前磁场强度，确定所述待测量固体中杂质的浓度值。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述控制器根据所述初始磁场强度和所述当前磁场强度，确定被抵消的磁场强度，并将所述被抵消的磁场强度与所述对应关系进行匹配，以确定所述待测量固体中杂质的浓度值。

3.根据权利要求1的测量系统，其特征在于，所述系统还包括：屏蔽罩，所述自旋电子磁性传感器、所述磁场产生装置和所述待测量固体均位于所述屏蔽罩内。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的测量系统，其特征在于，所述自旋电子磁性传感器包括：基底、设置在所述基底表面的至少一个自旋电子器件和电极，所述电极与所述控制器连接。

5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述磁场产生装置位于所述自旋电子磁性传感器的，与所述待测量固体平行的侧面。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述磁场产生装置为线圈，则所述线圈沿所述自旋电子磁性传感器的固定层磁矩方向绕行，使得所述线圈产生的磁场的磁场方向与所述自旋电子磁性传感器的自由层方向垂直。

7.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，每个所述自旋电子器件为巨磁阻磁性传感器或磁性隧道结器件。

8.一种固体所含杂质浓度的测量方法，其特征在于，包括：

在自旋电子磁性传感器侧面设置磁场产生装置，所述自旋电子磁性传感器探测所述磁场产生装置产生的磁场的初始磁场强度；

将待测量固体设置在自旋电子磁性传感器的与所述磁场产生装置平行的侧面上，所述自旋电子磁性传感器探测当前磁场强度，所述待测量固体本身不能产生磁场；

控制器根据预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，以及所述磁场强度探测器探测的所述初始磁场强度和所述当前磁场强度，确定所述待测量固体中杂质的浓度值。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述控制器根据预设的磁场强度与固体中杂质浓度的对应关系，以及所述磁场强度探测器探测的所述初始磁场强度和所述当前磁场强度，确定所述待测量固体中杂质的浓度值，包括：

所述控制器根据所述初始磁场强度和所述当前磁场强度，确定被抵消的磁场强度；

所述控制器将所述被抵消的磁场强度与所述对应关系进行匹配；

所述控制器根据匹配结果，确定所述待测量固体中杂质的浓度值。