基于晶圆级MEMS堆叠结构的无光纤NV色心量子电流传感方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及电流传感，特别是基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、电流测量技术中现有电流传感手段主要包括霍尔传感器、磁通门传感器和罗氏线圈等，在长期运行中普遍存在零点漂移、磁饱和以及动态范围受限等问题，且难以适应高压、强电磁干扰及宽温域环境下的高精度检测需求，近年来，利用金刚石中氮-空位（nv）色心进行磁场探测的量子传感技术，凭借高灵敏度和优异的热稳定性，逐渐成为高精度电流测量领域的重要研究方向。

2、然而，现有的nv色心电流传感器普遍依赖分立光学元件与光纤耦合结构实现激发光传输与荧光收集，导致传感器体积庞大、集成度低，且光路与电路彼此分离，系统结构复杂；在长期处于振动或温度剧烈变化的工业现场中，光纤耦合效率容易发生波动，进而影响测量精度与长期运行的可靠性。

3、同时，现有设计普遍缺乏针对高压侧复杂电磁环境的有效屏蔽手段，容易受到外部杂散磁场与高频电磁干扰的影响，测量结果的抗干扰能力较弱，此外，现有方案通常需要外接信号发生器和锁相放大器等辅助设备完成信号处理，导致电路系统冗余、功耗偏高，难以实现小型化与免维护运行。

技术实现思路

1、鉴于现有技术存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题在于如何在无光纤条件下实现nv色心量子电流传感器的高集成度封装，同时保证复杂电磁环境下的抗干扰能力，并解决温度漂移与长期运行精度衰减的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明实施例提供了基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法，其包括，向量子敏感层发射激发光，激励所述量子敏感层中的色心产生自旋极化；

5、对所述色心施加交变磁场，待测电流产生的感应磁场使所述色心发生能级偏移；

6、采集所述色心受激发出的荧光，得到光电信号；

7、对所述光电信号进行差分解调，得到反映所述能级偏移的共振信号，结合温度补偿对所述共振信号进行反演修正，得到所述待测电流的电流值。

8、作为本发明所述基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法的一种优选方案，其中：所述向量子敏感层发射激发光，激励所述量子敏感层中的色心产生自旋极化，包括，持续发射所述激发光，使所述色心的电子在受激跃迁后经非辐射弛豫返回预设自旋量子数对应的基态，得到自旋极化后的所述色心。

9、作为本发明所述基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法的一种优选方案，其中：所述对所述色心施加交变磁场，待测电流产生的感应磁场使所述色心发生能级偏移，包括，扫描所述交变磁场的频率，当所述交变磁场的频率与所述色心的自旋共振频率一致时，所述待测电流产生的感应磁场使所述色心的能级发生劈裂偏移。

10、作为本发明所述基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法的一种优选方案，其中：所述对所述光电信号进行差分解调，得到反映所述能级偏移的共振信号，包括，从所述光电信号中获取测量信号和参考信号，将所述测量信号与所述参考信号进行比对，抑制环境噪声，得到所述共振信号。

11、作为本发明所述基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法的一种优选方案，其中：所述结合温度补偿对所述共振信号进行反演修正，得到所述待测电流的电流值，包括，获取温度数据，基于预设的温度与所述共振信号偏移量的对应关系，从所述共振信号中扣除因所述温度数据变化引起的偏移分量，得到经温度补偿的所述共振信号，并根据经温度补偿的所述共振信号，反演得到所述待测电流的电流值。

12、作为本发明所述基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法的一种优选方案，其中：还包括：周期性向所述色心施加已知频率和幅度的参考测试磁场，通过比对解调结果与已知值对所述反演修正所采用的补偿参数进行更新；

13、以及基于待测导线感应取能为层叠结构供电，并通过无线方式将电流值对外发送。

14、作为本发明所述基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法的一种优选方案，其中：所述层叠结构外部设置有沿径向由外向内层叠的电磁屏蔽结构，所述电磁屏蔽结构包括与待测导线等电位的屏蔽层、用于抑制低频杂散磁场的软磁屏蔽层，以及用于抑制高频电磁干扰的接地屏蔽层。

15、第二方面，本发明实施例提供了基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感系统，其包括，感应激发模块，用于由层叠结构中的光源向与光源层叠设置的量子敏感层发射激发光，激励量子敏感层中的色心产生自旋极化，并由与量子敏感层集成的微波天线向色心施加交变磁场，使待测电流产生的感应磁场引起色心发生能级偏移；

16、荧光采集模块，用于由与光源同层设置的光电探测器就近接收色心受激发出的荧光，得到光电信号；

17、信号处理模块，用于对光电信号进行差分解调，抑制环境噪声后得到反映能级偏移的共振信号，并结合温度补偿对共振信号进行反演修正，得到待测电流的电流值。

18、第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法的步骤。

19、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序指令被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法的步骤。

20、本发明有益效果为：本发明通过向量子敏感层发射激发光使色心完成自旋极化，为能级偏移测量提供统一基准，解决现有方案依赖分立光学元件导致体积庞大、光路电路分离的问题；通过施加交变磁场使待测电流产生的感应磁场引起色心能级偏移并直接采集荧光得到光电信号，省去光纤传输环节，避免光纤耦合效率受振动、温度影响而波动的问题；通过差分解调抑制光电信号中的环境噪声，解决传统方案抗干扰能力弱、易受高频电磁干扰的问题；通过结合温度补偿对共振信号进行反演修正，解决色心能级随温度漂移导致电流值换算存在附加误差的问题。

1.基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法，其特征在于：包括，向量子敏感层发射激发光，激励所述量子敏感层中的色心产生自旋极化；

2.如权利要求1所述的基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法，其特征在于：所述向量子敏感层发射激发光，激励所述量子敏感层中的色心产生自旋极化，包括，持续发射所述激发光，使所述色心的电子在受激跃迁后经非辐射弛豫返回预设自旋量子数对应的基态，得到自旋极化后的所述色心。

3.如权利要求2所述的基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法，其特征在于：所述对所述色心施加交变磁场，待测电流产生的感应磁场使所述色心发生能级偏移，包括，扫描所述交变磁场的频率，当所述交变磁场的频率与所述色心的自旋共振频率一致时，所述待测电流产生的感应磁场使所述色心的能级发生劈裂偏移。

4.如权利要求3所述的基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法，其特征在于：所述对所述光电信号进行差分解调，得到反映所述能级偏移的共振信号，包括，从所述光电信号中获取测量信号和参考信号，将所述测量信号与所述参考信号进行比对，抑制环境噪声，得到所述共振信号。

5.如权利要求4所述的基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法，其特征在于：所述结合温度补偿对所述共振信号进行反演修正，得到所述待测电流的电流值，包括，获取温度数据，基于预设的温度与所述共振信号偏移量的对应关系，从所述共振信号中扣除因所述温度数据变化引起的偏移分量，得到经温度补偿的所述共振信号，并根据经温度补偿的所述共振信号，反演得到所述待测电流的电流值。

6.如权利要求5所述的基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法，其特征在于：还包括：周期性向所述色心施加已知频率和幅度的参考测试磁场，通过比对解调结果与已知值对所述反演修正所采用的补偿参数进行更新；

7.如权利要求6所述的基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法，其特征在于：所述层叠结构外部设置有沿径向由外向内层叠的电磁屏蔽结构，所述电磁屏蔽结构包括与待测导线等电位的屏蔽层、用于抑制低频杂散磁场的软磁屏蔽层，以及用于抑制高频电磁干扰的接地屏蔽层。

8.基于晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感系统，基于权利要求1-7任一所述的晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法，其特征在于：还包括，感应激发模块，用于由层叠结构中的光源向与光源层叠设置的量子敏感层发射激发光，激励量子敏感层中的色心产生自旋极化，并由与量子敏感层集成的微波天线向色心施加交变磁场，使待测电流产生的感应磁场引起色心发生能级偏移；

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一所述的晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一所述的晶圆级mems堆叠结构的无光纤nv色心量子电流传感方法的步骤。