集成电路发展迈入后摩尔时代，芯片工作频率和集成度越来越高，芯片内部各模块间的电磁干扰问题日益突出，发展晶圆级电磁兼容设计和测试技术成为产业共识。然而，现有的电磁兼容测试技术主要基于小环天线原理，空间分辨率和工作频率受到探测灵敏度限制，主要应用于板级和设备级，无法满足晶圆级电磁兼容测试需求，导致高端芯片研发周期拉长、研发成本激增。因此要发展高空间分辨率、高工作频率的芯片电磁场测量技术，以满足高集成度、高复杂度芯片的电磁兼容测试需求。在全球半导体制造加速向中国转移和西方对我技术封锁时代背景下，自主发展前沿芯片测试技术，减少对国外高端测试设备的依赖，助力我国芯片产业高质量发展。

(1)提出并研制了锥形光纤金刚石NV色心探头

晶圆级电磁兼容测试要求探头达到微米尺寸且兼顾测试效率，首先需要解决微米尺寸金刚石NV色心晶体微弱荧光探测的难题。金刚石氮空位色心在室温下具有稳定的荧光和电子自旋相干属性，近年来广泛应用于电磁场、温度和应力等的精密测量。为了提高荧光收集效率，抑制光学散粒噪声，国际上广泛使用具有高数值孔径的物镜、或在金刚石晶体表面加工微透镜提高出光效率来提高单个NV色心的荧光亮度。但这一方案体积大，结构复杂，不适合芯片电磁兼容测试应用。智能芯片精密测量团队在借鉴光纤技术的基础上，通过大胆设计光纤几何结构，提出并研制了锥形光纤，大幅度提高了光纤的荧光收集效率。相比于常规光纤，荧光收集效率提升12倍以上，团队自主发展了锥形光纤金刚石探头的可控制备关键技术。相关成果获得中国发明授权，并发表于国际知名期刊《Applied Physics Letters》。

图1（左）自主研制的锥形光纤金刚探头制备微操作手平台

（右）同一微米尺寸金刚石晶体采用锥形光纤和普通多模光纤收集荧光强度对比

(2)提出量子态脉冲副载波调制方法，实现微波磁场高灵敏度高信噪比的快速测量

微米尺寸金刚石晶体的荧光强度低至 皮瓦量级，非常微弱，即使采用灵敏的雪崩光电探测器，系统噪声幅度很大，微波引起的荧光信号变化淹没在光电探测器的噪声中，导致微波的灵敏探测非常困难。团队借鉴了传统信号处理中的调制解调机制，解决了传统调制解调技术仅适用于连续波测量的问题，提出了和量子态脉冲调控兼容的微弱信号调制解调方案。该方案在激光和微波脉冲控制的基础上加入副载波调制，将微弱信号处理技术发展相当成熟的信号分析技术和锁相放大技术创造性的应用到量子态脉冲操控中来，实现了微波磁场的高灵敏度和快速测量。在相同微波功率设置下，微波磁场的信噪比提升12 dB。

图2相同微波功率下采用连续波和数据采集卡（左）和（右）采用量子态脉冲副载波调制方法的光探测磁共振信号的信噪比对比

（3） 提出了微米尺寸金刚石晶轴标定和定向方法，实现频率可连续调谐的微波磁场的矢量测量

晶圆级电磁兼容测试要求电磁场探头具有微米尺寸分辨快速测量之外，还要求其工作频率可调谐，这是因为不同芯片表面电磁频谱不同。针对晶轴方向无法准确快速定位的问题，团队自主设计的晶轴方位角测定方法可基于塞曼效应，快速确定晶轴在实验室坐标下的取向；通过可控双轴转动，实现晶轴和外 部磁场平行；改变磁场大小实现探头工作频率从直流到14 GHz的连续调谐，并可拓展 至毫米波频段。实现了毫米波芯片的晶圆级电磁兼容测试。权威第三方测试结果如图3所示，通过改变NV色心晶体所感知的磁场强度，实现了NV色心频率从低频至14.82 GHz的连续调谐。通过更换更强的磁铁，可以将NV色心频率调谐至毫米波甚至太赫兹频段。

图3频率调谐至14.82 GHz对应的ODMR谱（左）

改变磁场大小实现频率的连续调谐（右）

该研究方向，完成/在研项目：

 “量子磁传感技术和示范应用”，国家重点研发计划“医疗影像装备关键传感器开发及示范应用”项目之课题“高分辨强磁场传感器设计制造及示范应用”，461万，2021–2024。

 “量子磁成像”，江苏特聘教授经费，100万，2015–2018。

 “高速可见光探测器”，国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项“可见光通信关键技术及系统研发”子课题，2017 - 2020。

 “微波场的量子精密测量”，南京邮电大学高层次人才启动经费，100万，2016 – 2019