摘要
电流是一个基本且至关重要的物理量，研究人员正在努力寻找更准确的测量方法。近年来，电流测量技术取得了长足的进步，从传统的直接测量转向间接测量，使得电流测量的精度得到了极大的提高，为科学研究和社会发展提供了强有力的支持，即从电场测量到磁场测量，使得测量更加精确、可靠，因此很多电流传感器都可以视为磁传感器。但不论哪一种电流传感方法都有自己的测量局限性，并且有一个共同的问题即线性度不够高难以突破ppm量级，无法在精密测量领域得到很好的应用，例如各种高精度设备的校准等，故市面上亟需引入新原理来开发一种新机制的电流传感方法。而金刚石中的氮空位（NV）色心是一种非常特别的缺陷，它具有出色的发光性能和自旋性，使其成为当今研究的焦点。此外，它还可以将外部环境的变化转换为自旋相关的信息，从而实现多种物理量的测量，如磁学、电学、温度场等。NV色心可以将外界变化转换为自旋相关信息实现多种物理量的测量，包括磁、电、温度场等。因此本文结合金刚石NV色心敏感机理和一种聚磁结构，利用NV色心的磁测量原理作为电流传感方法的一种新机制，实现电流的高精度测量。 本文首先简介了金刚石NV色心磁传感技术和电流传感技术的近些年的研究情况，探讨了它们之间的关系，引出对金刚石NV色心电流传感方法的研究。并使用基于哈密顿方程的方法建立金刚石NV色心磁传感模型，主要通过分析了NV色心的基本结构、自旋能级结构、跃迁机理，以及高浓度制备过程来探讨研究。紧接着解释了自旋结构光探测磁共振的测量原理，分析了金刚石NV色心的测磁机理。然后再根据霍尔电流传感器的结构中的关键组成部分聚磁环，在实现实验基础上，将两者结合给出了基于NV色心的新型电流传感方法的原理。 然后对金刚石NV色心电流传感结构进行了设计，主要包括三部分，其中光路模块用来对NV色心荧光进行激发和收集；磁聚集模块将通电导线周围磁场进行聚集，在气隙中形成稳定均匀的磁场供NV色心测量；微波模块对NV色心施加共振微波能量实现磁共振测量。并且重点阐述了对聚磁环的单独设计，主要是材料选取、结构尺寸、气隙参数设计以及结构性能的有限元仿真。 最后对金刚石NV色心电流传感系统进行了实验平台搭建和性能测试表征，结果表明所设计电流传感器拥有优异性能，在较大的测量范围内保持超高的线性度，高达33ppm。当输入电流范围为5-40A时，计算电流的绝对误差小于51μA。在40A时相对误差为2.42×10?6。并且传感器的长期稳定性好，1h时间内稳定性误差低于0.0002A。电流传感器的突出优势可以保证其在精密测量领域将具有非常广阔的应用前景。
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