金刚石是碳原子构成的晶体。因其卓越的物理性质,金刚石在国防科工、生产生活等各个领域都发挥着重要作用。随着近现代量子科技的发展,金刚石中的氮-空位色心也已成为量子精密测量领域的研究热点。氮-空位色心是金刚石中一种稳定存在的点缺陷,作为固态自旋体系,它具有低温和室温下相干时间长、体积小、可以用激光和微波实现量子态操控与读出的优异特点。在基于氮-空位色心系综的量子精密测量中,金刚石氮-空位色心系综传感器是整套测量装置的核心敏感单元。制备高品质的氮-空位色心系综传感器,有助于提升量子传感的性能指标,开拓金刚石量子传感新的应用方向。作为包含自旋探针的最小单元,金刚石氮-空位色心系综传感器的物理性质会从多个层面影响测量的灵敏度。因此,探清氮-空位色心系综传感器的各项性质及其对灵敏度的影响机制,是高性能氮-空位色心系综传感器制备研究的首要任务。在此基础上,还需要一套科学、系统的表征方法,来评估氮-空位色心系综传感器的性能。本文归纳总结了金刚石氮-空位色心系综传感器在测量过程中的重要作用,并根据传感器性质对测量灵敏度的影响机制,为传感器的制备工作提出了具体目标,同时也总结了一套关于氮-空位色心系综传感器物理性质的系统性表征方法。氮-空位色心系综传感器的制备包含单晶金刚石生长、辐照退火处理、样品优化等多个流程。利用氮-空位色心系综传感器进行的各种测量实验,会对传感器性质提出不同需求,因此传感器制备工作的目标就在于得到具有指定性质的样品,这需要对氮-空位色心的产生过程进行精确控制。本文对氮-空位色心系综传感器的制备流程进行了归纳总结。同时,在实践层面,通过改变制备过程中的各项参数,在各个节点表征样品的各项性质,分析其变化规律,最终总结出一套用于高灵敏度磁场测量的传感器制备的工艺参数。磁场测量是物理学研究的重要课题之一,基于氮-空位色心系综的磁场测量技术可以在众多领域实现应用。利用氮-空位色心系综实现量子传感,依托的是光探测磁共振手段,在此基础上,开发适用于不同场景的磁场测量技术,可以增加氮-空位色心系综传感器的泛用性。本文介绍了利用氮-空位色心系综自旋稳态实现的高频率分辨率磁场测量技术,和应用了磁通聚集器的高灵敏度磁场测量技术,并在实验中实现了（195±60）fT Hz-1/2的测磁灵敏度。金刚石氮-空位色心系综适合于可移动测量设备的开发应用,围绕此目标,本文还介绍了氮-空位色心系综磁力敏感表头的集成化设计。本文围绕金刚石氮-空位色心系综传感器的性质、制备和应用,讨论了自旋磁共振物理学、材料科学等层面的原理,介绍了物理实验、数值模拟、工程制造等方面的工作,意在为读者提供氮-空位色心系综传感器的完整物理图像,帮助金刚石氮-空位色心系综量子传感技术面向实际应用跨出坚实的一步。