一种基于微波谐振器的量子湿度传感器的制作方法

本技术涉及量子传感领域，特别是涉及一种基于微波谐振器的量子湿度传感器。

背景技术：

1、湿度传感器在工业、生活领域具有较为广泛的应用，现有的湿度传感器主要有基于湿敏元件实现湿度的感知与测量输出，湿敏元件主要有电阻式和电容式，测量机理为湿敏元件在感知湿度变化后，其电阻值或电容值会发生变化，通过电阻值或电容值变化的输出实现湿度测量。还有基于湿敏材料制作光纤，利用湿敏材料感湿发生形变，光在光纤中的传输波长发生变化而利用光谱仪检测波长间接实现湿度的检测的方式。以上现有的湿度传感器存在的不足在于，检测手段的空间分辨率不高，对于湿敏光纤传感器，其光纤制作工艺复杂，工艺要求较高，检测成本高。

2、量子测量作为快速发展的精密测量技术，已广泛应用于多领域，例如无损检测、建筑勘探、医疗器械等领域。基于固态色心的量子传感技术在磁场、温度等物理量的检测中获得较多关注。其检测机理在于，利用固态色心在激光、微波、磁场作用下自旋态的变化来实现磁场或温度的检测，可实现纳米级的高空间分辨率以及微量级的灵敏度。本申请利用量子技术来测量湿度，以解决现有技术中存在的上述空间分辨率低或传感器制作工艺复杂的问题。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于微波谐振器的量子湿度传感器，用于提高湿度传感器空间分辨率的问题，且利用现有的微波谐振器的谐振频率随湿度的变化来测量，无需复杂的传感器制作工艺，操作简单。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于微波谐振器的量子湿度传感器，包括：含有固态色心的量子探头、微波谐振器、微波发生装置、磁场施加单元、光学检测装置、数据采集器、脉冲发生器；微波谐振器连接于微波发生装置，当微波发生装置产生的微波传输至微波谐振器时，微波谐振器将接收的微波辐射至量子探头上，微波谐振器的谐振频率随待测环境中的湿度的变化而变化；

3、磁场施加单元用于向量子探头施加磁场；光学检测装置用于向量子探头照射激光，并收集由量子探头所产生的荧光；数据采集器连接于光学检测装置，接收其发送的荧光信号，绘制odmr谱线，并获取谱线中的微波共振频率；

4、脉冲发生器连接于微波发生装置、光学检测装置，用于向其分别发送脉冲信号，进行拉比振荡实验；数据采集器还用于绘制每个共振频率所对应的拉比振荡曲线，获取拉比振荡频率，并从所有共振频率中提取出具有最大拉比振荡频率的共振频率作为微波谐振器的谐振频率，由谐振频率与湿度的对应关系获取待测湿度值。

5、进一步地，所获取的谱线中的微波共振频率为固态色心同一轴向上的共振频率。

6、进一步地，微波谐振器为双裂环微波谐振器，包括基底以及设置在其上的双裂环、湿敏材料层，湿敏材料层的介电常数随湿度的变化而变化，微波谐振器的谐振频率随介电常数的变化而变化，量子探头位于微波谐振器的一侧。

7、进一步地，湿敏材料层覆盖在双裂环的环面、环开口以及两环之间的缝隙中。

8、进一步地，湿敏材料层的材料为聚酰亚胺或tio2。

9、进一步地，微波谐振器为腔式微波谐振器，包括两端面均设有开口的谐振腔，气体从开口进入谐振腔内，谐振腔的谐振频率随进入腔体内的气体的湿度变化而变化。

10、进一步地，量子探头位于谐振腔内或端面开口处。

11、进一步地，光学检测装置包括激光源、声光调制器、孔径光阑、双色片、滤波片、探测器，声光调制器连接于脉冲发生器。

12、进一步地，微波发生装置包括依次相连接的微波源、微波开关、微波放大器、微波环形器，微波环形器连接于微波谐振器，微波开关连接于脉冲发生器。

13、进一步地，量子探头为含有氮空位色心的金刚石、含有双空位色心的碳化硅、含有硅空位色心的碳化硅、含有锗空位色心的金刚石、含有硅空位色心的金刚石、含有硼空位色心的六方氮化硼中的一种。

14、如上所述，本实用新型的一种基于微波谐振器的量子湿度传感器，具有以下有益效果：将固态色心的精密测量技术应用到湿度的测量中，以微波谐振器的谐振频率随湿度的变化为桥梁，利用固态色心对谐振频率的探测实现湿度的测量，基于固态色心量子传感的纳米级空间分辨率，能够极大的提高检测的分辨率，获取更精密的测量效果。此外，仅需在现有的微波谐振器上制作用于湿度敏感的湿敏薄膜或直接采用腔体式微波谐振器，无需复杂的制作工艺，能够降低检测成本。

技术特征：

1.一种基于微波谐振器的量子湿度传感器，其特征在于，所述传感器包括：含有固态色心的量子探头（1）、微波谐振器（2）、微波发生装置（3）、磁场施加单元（4）、光学检测装置（5）、数据采集器（6）、脉冲发生器（7）；微波谐振器（2）连接于微波发生装置（3），当微波发生装置（3）产生的微波传输至微波谐振器（2）时，微波谐振器（2）将接收的微波辐射至量子探头（1）上，微波谐振器（2）的谐振频率随待测环境中的湿度的变化而变化；

2.根据权利要求1所述的基于微波谐振器的量子湿度传感器，其特征在于：所获取的谱线中的微波共振频率为固态色心同一轴向上的共振频率。

3.根据权利要求1所述的基于微波谐振器的量子湿度传感器，其特征在于：所述微波谐振器（2）为双裂环微波谐振器，包括基底（21）以及设置在其上的双裂环（22）、湿敏材料层（23），所述湿敏材料层（23）的介电常数随湿度的变化而变化，微波谐振器（2）的谐振频率随介电常数的变化而变化，所述量子探头（1）位于微波谐振器（2）的一侧。

4.根据权利要求3所述的基于微波谐振器的量子湿度传感器，其特征在于：湿敏材料层（23）覆盖在双裂环（22）的环面、环开口以及两环之间的缝隙。

5.根据权利要求3所述的基于微波谐振器的量子湿度传感器，其特征在于：所述湿敏材料层的材料为聚酰亚胺或tio2。

6.根据权利要求1所述的基于微波谐振器的量子湿度传感器，其特征在于：所述微波谐振器（2）为腔式微波谐振器，包括两端面均设有开口的谐振腔（24），气体从开口进入谐振腔（24）内，谐振腔（24）的谐振频率随进入腔体内的气体的湿度变化而变化。

7.根据权利要求6所述的基于微波谐振器的量子湿度传感器，其特征在于：所述量子探头（1）位于所述谐振腔（24）内或端面开口处。

8.根据权利要求1所述的基于微波谐振器的量子湿度传感器，其特征在于：所述光学检测装置（5）包括激光源（51）、声光调制器（52）、孔径光阑（53）、双色片（54）、滤波片（55）、探测器（56），声光调制器（52）连接于脉冲发生器（7）。

9.根据权利要求1所述的基于微波谐振器的量子湿度传感器，其特征在于：所述微波发生装置包括依次相连接的微波源（31）、微波开关（32）、微波放大器（33）、微波环形器（34），微波环形器（34）连接于微波谐振器（2），微波开关（32）连接于脉冲发生器（7）。

10.根据权利要求1所述的基于微波谐振器的量子湿度传感器，其特征在于：所述量子探头（1）为含有氮空位色心的金刚石、含有双空位色心的碳化硅、含有硅空位色心的碳化硅、含有锗空位色心的金刚石、含有硅空位色心的金刚石、含有硼空位色心的六方氮化硼中的一种。

技术总结
本技术提供一种基于微波谐振器的量子湿度传感器，包括：含有固态色心的量子探头、微波谐振器、微波发生装置、磁场施加单元、光学检测装置、数据采集器。微波谐振器中的微波辐射至量子探头上，微波谐振器的谐振频率随待测环境中的湿度的变化而变化，将固态色心量子精密测量技术应用到湿度的测量中，以微波谐振器的谐振频率随湿度的变化为桥梁，利用固态色心对谐振频率的探测实现湿度的测量，基于固态色心量子传感的纳米级空间分辨率，能够极大的提高检测的空间分辨率，获取更精密的测量效果。此外，仅需在现有的微波谐振器上制作用于湿度敏感的湿敏薄膜或直接采用腔体式微波谐振器，无需复杂的制作工艺，能够降低检测成本。

技术研发人员：赵博文,张少春,朱艳,谢力,刘新雨,项明明
受保护的技术使用者：安徽省国盛量子科技有限公司
技术研发日：20231229
技术公布日：2024/9/23