基于固态缺陷的量子传感器，例如金刚石氮-空位（NV）色心，具有良好的室温灵敏度、长期稳定性以及无需校准的潜力。然而，大多数量子传感器仍然存在体积庞大、重量较重、能效低以及成本高等问题，这限制了它们的广泛应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，由德国斯图加特大学（University of Stuttgart）和NVision Imaging Technologies公司组成的研究团队提出了一种定制设计的芯片集成微波（MW）电子器件，用于基于金刚石NV色心的微型化、低成本和可扩展的量子磁力仪。该微波电子器件包括一个正交锁相环（QPLL）芯片，用于产生所需的本地振荡器信号，频率为7 GHz左右，具有22%的宽调谐范围，并且在与7 GHz载波的1 MHz偏移下具有低相位噪声（PN）为−122 dBc/Hz，适用于宽带低噪声磁力测量。此外，磁力仪电子器件还包括一个4通道发射器芯片，可在6.4至8 GHz的宽频率范围内为定制设计的电感器提供高达412 mApp的电流。结合在光学透明玻璃基底上制造的定制设计线圈（其有源面积为π ×1 80 × 180 μm²），该电流足以产生高达170 μT的强微波磁场B₁，从而实现脉冲光检测磁共振（ODMR）实验。在概念验证ODMR实验中，基于芯片的自旋控制系统产生了5.49 MHz的快速拉比（Rabi）振荡。该磁力仪测得的直流和交流磁场检测限（LOD）分别为32 nT/√Hz和300 pT/√Hz。上述研究成果以“A Four-Channel BiCMOS Transmitter for a Quantum Magnetometer Based on Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond”为题发表于IEEE Journal of Solid-State Circuits期刊。
研究人员首先探讨了基于金刚石NV色心的磁力仪的物理工作原理，NV色心包含两个不成对的电子，形成自旋三重态，从而形成图1（a）所示的能级图。
本文所提出的基于金刚石NV色心的磁力仪的架构如图1（b）所示。根据图1（b），光学设置采用传统的光学组件，而整个微波生成部分集成在两个独立的ASIC中，一个QPLL芯片用于合成所需的约7 GHz微波信号，另一个4通道微波驱动芯片用于驱动外部定制设计的线圈，产生与NV色心自旋相互作用的微波磁场B1。发射器的架构如图1（b）所示。根据图1（b），PLL芯片的正交输出驱动4通道发射芯片上的正交调制器。
图1 基于金刚石NV色心的磁力仪
本文所提出的系统的目标应用是生物细胞上的纳米和微米级核磁共振（NMR），与传统的低场磁力仪相比，它提出了一套独特的要求。为了提供足够的光谱分辨率和感兴趣核（主要是氢和碳）的自旋极化，需要较高的外部磁场B₀。
研究人员选择了B₀ ≈ 150 mT的磁场，这对应于NV色心频率约为7 GHz，氢核和碳核的核拉莫尔（Larmor）频率分别为6.4 MHz和1.6 MHz。
研究人员提出了一种由线圈驱动器、适当的阻抗匹配网络和产生B₁场的电感结构组成的发射器（Tx）前端的设计方法，将ODMR规范（即所需的B₁场和有源面积）与线圈驱动器和匹配网络所需的电气属性联系起来。他们还重点强调了传统功率放大器的匹配网络设计与用于发射器前端以实现高效自旋操作所需匹配网络设计之间的主要区别。
为了设计基于金刚石NV色心的磁力仪中自旋控制的最佳微波前端，应考虑以下因素：（1）线圈应提供高品质因数（Q-factor）以尽量减少寄生损耗，同时提供尽可能大的有源面积以最大限度地提高磁力仪性能；（2）线圈和线圈驱动器之间的输出匹配网络（OMN）应将线圈阻抗传输到功率放大器的最佳负载阻抗。
研究人员详细介绍了实现所提出的金刚石NV色心磁力仪架构的微波电子器件的两个ASIC的构建块以及定制设计的线圈配置。
发射器芯片的架构和晶体管级示意图如图2和图3所示。根据图2和图3，发射器驱动芯片由正交双平衡有源上变频混频器和两级4通道A类功率放大器构成。
研究人员决定使用片外（off-chip）线圈来提高设计灵活性。他们在片上（on-chip）实现了匹配，主要是为了避免匹配所有四个芯片通道所需的片外组件的尺寸过大。
图2 用于向线圈阵列输送最大电流的输出匹配和4通道功率放大器示意图
图3 IQ双平衡上变频混频器示意图
本文所提出的QPLL的架构及其最重要的构建块的晶体管级示意图如图4所示。作为振荡器，PLL使用C类电压控制振荡器（VCO），并配有双发射极跟随器输出缓冲器，如图4（C）所示。VCO核心在其交叉耦合对中使用了最大尺寸的异质结双极晶体管（HBT），尺寸为40 × 0.13 μm²，以最小化基极电阻，从而最小化相位噪声。
图4 QPLL芯片及其主要构建块示意图
为了提供更大的有源线圈体积和更高的B₁场强度，研究人员提出了图5（a）所示的线圈设计。所提出的线圈的基本思想是采用传统的环形电感器并对其进行分段，使得对于给定的整体外线圈直径，每个分段都具有较低的电感，从而便于其驱动。为了确保最终的结构仍然产生类似于环形电感器的磁场，单个分段按照图5（b）所示的方案进行驱动。所提出的圆形线圈的有效面积为π × 180 × 180 μm²。
图5 定制设计的线圈及利用COMSOL模拟的微波磁场B₁分布
所有ODMR测量都是使用图5（a）所示的线圈结构进行的。图6（a）显示了所提出的用于量子磁力仪的测量设置的显微照片。研究人员使用了来自Element Six公司的原型样品作为金刚石，该样品具有13C的天然丰度和10 μm的化学气相沉积（CVD）生长的NV中心层（浓度为2.5 ppm）。该金刚石被放置在线圈上方，使得NV层面朝向线圈，从而经历最大强度的微波磁场B₁。在所有实验中，四个NV中心轴中的一个平行于B₀场，使得所测得的频率偏移与B₀场的大小成正比。
图6 金刚石NV色心磁力仪的ODMR测量实验
图6（b）的设置，包括金刚石，被放置在电磁铁内，以产生B₀ = 146 mT的所需静态磁场。实验测得该金刚石NV色心磁力仪系统产生了5.49 MHz的拉比振荡，直流和交流磁场检测限分别为32 nT/√Hz和300 pT/√Hz。
综上所述，这项研究提出了一种使用两个ASIC来生成和放大所需的微波信号的基于金刚石NV色心的磁力仪。发射器ASIC的微波前端（包括新提出的匹配网络）已与片外线圈共同设计，以最大化线圈电流，从而最大化系统产生的微波磁场B₁。结合两个适用于以节能方式最大化线圈电流的匹配网络，研究团队提出了闭式表达式，使设计人员能够计算出有源器件在特定所需微波磁场B₁或拉比振荡下所需的输出微波功率。利用所提出的原型实现，通过模拟和测量验证了闭式表达式。与现有技术相比，所提出的QPLL芯片为4信道发射器芯片生成正交本地振荡器信号，显示出改进的优值（FoM）。所提出的ODMR系统的出色性能已在连续（CW）和脉冲ODMR实验中得到验证。与传统的先进NV磁力仪相比，本文所提出的原型实现显著降低了传感器电子器件的尺寸、成本和功耗，该原型系统实现了出色的直流磁场LOD，并提供了300 pT/√Hz的极佳交流磁场灵敏度，是未来金刚石NV色心芯片集成自旋控制平台的有前景的候选者。
论文信息：
DOI: 10.1109/JSSC.2024.3350995
