Rapid and high-sensitive NV-based microwave field imaging via digital lock-in amplification for on-chip microstrip diagnostics
本文提出了一种结合金刚石氮-空位中心与数字锁相放大技术的快速且高灵敏度的宽场微波成像技术，实现了 126 nT/ 的磁场灵敏度和微米级分辨率，从而能够对片上器件进行准实时、无损的诊断。
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在现代电子产品的隐形世界中，无线电波和微波承载着驱动手机、互联网以及汽车传感器的数据。这些信号通过蚀刻在硅芯片上的微小电路，以惊人的速度移动。然而，随着这些设备变得越来越微小且复杂，工程师们面临着一个难题：如何在不接触或不停止设备运行的情况下，看到电路内部发生的情况？传统的工具往往难以足够接近以观察精细细节，或者会干扰它们试图测量的脆弱信号。为了解决这个问题，科学家们转向了一种独特的材料：钻石。在钻石内部，存在着被称为“氮-空位中心”的微小缺陷。这些地方是一个碳原子缺失并被一个氮原子取代，从而创造出一个作为微型传感器的缺陷。当受到绿色激光照射时，这些缺陷会发出红光。至关重要的是，这种红光的亮度会根据周围磁场强度的变化而改变。这使得研究人员能够使用钻石作为一台“相机”，极其精确地“看见”磁场，而此时钻石安全地放置在电子设备之上。
一支研究团队现在将这种钻石传感技术与一种巧妙的信号处理技术相结合，创造了一种成像这些隐形场的新方法。他们的目标是克服一个曾阻碍以往尝试的主要瓶颈：噪声。在典型的实验中，由磁场引起的微弱光线变化经常被激光的闪烁或摄像机的电子噪声所淹没。为了解决这个问题，研究人员开发了一个使用“数字锁相放大”（digital lock-in amplification）方法的系统。想象一下，你正试图在嘈ally拥挤且嘈杂的房间里听清一段特定的对话。如果你确切知道那个人何时会说话，你就可以将耳朵调到那个特定的节奏上，从而忽略其他的嘈杂声。研究人员对光也做了类似的处理。他们获取了想要测量的微波信号，并为其频率添加了一个轻微的、有节奏的“摆动”。当这个摆动信号与钻石传感器相互作用时，它会导致红光与该节奏完美同步地脉动。通过使用定制的计算机程序，只寻找以该精确速度脉动的光，他们便可以过滤掉所有随机的背景噪声。这使他们能够从单张快照中提取出清晰的信号，而不是需要拍摄数千张照片并进行平均处理。
结果表明，该系统比以往的方法在速度和灵敏度上都有了显著提升。研究人员构建了一个显微镜装置，其中一层薄钻石直接放置在微带电路（一种常见的微型电子天线类型）之上。他们通过钻石照射绿色激光以激发传感器，并利用高速摄像机捕捉产生的红光。由于其数字锁相系统能如此有效地隔离信号，他们实现了每平方根赫兹 126 纳特斯拉的磁场灵敏度。更重要的是，这种速度使他们能在短短几秒钟内捕获完整的磁场图像。以往使用类似钻石传感器的研究方法通常需要数分钟甚至数小时才能建立起清晰的图像，因为它们必须等待噪声被平均化。有了这种新方法，团队可以实时观察磁场。他们通过对一个工作的微带线进行成像来演示这一点，展示了随着微波信号功率的增加，磁场强度是如何变化的。他们还测试了另一种方法，即使用喇叭天线从远处将微波信号广播到电路中，证明了即使没有直接的电气连接，该系统也能正常工作。
为了证明其图像的准确性，团队将实验照片与相同电路的计算机模拟进行了对比。图案高度吻合，证实了钻石传感器正确绘制了磁场图谱。他们还通过施加一个小磁场来调节钻石的灵敏度，从而测试了系统在不同频率（特别是 2.73 GHz 和 3.0 GHz）下的工作情况。图像清晰地显示，系统可以检测到这些频率下的磁场，尽管在其中一个频率下的信号比另一个更强。最后，他们通过寻找一个真实射频开关中的故障来测试该工具的实际价值。他们特意刮掉了电路的一部分以制造线路断裂，这会导致磁场无法流经该处。当他们对设备进行成像时，断裂区域呈现为一个磁信号消失的黑暗空洞，而健康部分则闪闪发光。这表明该技术可以瞬间检测出电子元件中的缺陷，且不会造成损坏。研究人员实现了 1.6 微米的空域分辨率，这意味着他们看到的细节比人类头发丝还要细，同时能在几秒钟内扫描整个芯片。这项工作为工程师们建立了一个强大的新工具，提供了一种以前无法实现的、具有极高清晰度和速度的方法，来窥探高速电子设备的隐形世界。
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