-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Sensorsystem zur Erfassung eines Magnetfelds oder einer magnetfeldabhängigen Messgröße.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Zur Erfassung eines Magnetfelds werden sogenannte NV-Magnetfeldsensoren eingesetzt. Diese umfassen einen Diamanten, dessen Kristallgitter Defekte in Form von NV-Zentren aufweist. In einem NV-Zentrum besetzt ein Stickstoffatom den Gitterplatz eines Kohlenstoffatoms, wobei in direkter Nachbarschaft zu dem Stickstoffatom - wiederum auf dem Gitterplatz eines Kohlenstoffatoms - eine Fehlstelle angeordnet ist. Wird ein solches Kristallgitter mit Anregungsstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 490 nm und 575 nm bestrahlt, so wird in dem Kristallgitter ein elektronischer Übergang von einem Grundzustand 3A2 in einen angeregten Zustand 3E induziert. Aus dem angeregten Zustand 3E relaxiert das NV-Zentrum unter Emission von Fluoreszenzstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 600 nm und 850 nm wieder in den Grundzustand 3A2. Der Grundzustand 3A2 besitzt drei magnetische Unterzustände mit ms=0, ms=±1. Die Zustände mit ms=0 und ms=±1 unterscheiden sich durch eine Energiedifferenz von 2,87 GHz (Zero Field Splitting). Der angeregte Zustand 3E besitzt ebenfalls drei magnetische Unterzustände mit ms=0, ms=±1. Bei einer Bestrahlung mit der Anregungsstrahlung wird das NV-Zentrum nun zum Teil aus dem ms=±1, 3A2-Grundzustand in den angeregten ms=±1, 3E-Zustand versetzt. Von dort relaxiert es überwiegend strahlungslos und nicht Spin-erhaltend wieder in den ms=0, 3A2 -Grundzustand. Zugleich relaxiert der angeregte Zustand ms=0, 3E unter Aussendung von Fluoreszenzstrahlung ebenfalls in den ms=0, 3A2 - Grundzustand. Wird nun das NV-Zentrum im Grundzustand 3A2 Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von 2,87 GHz ausgesetzt, so oszilliert das NV-Zentrum zwischen dem ms=0, 3A2 -Grundzustand und dem ms=±1, 3A2 -Grundzustand. Misst man die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung in Abhängigkeit von der Frequenz der Mikrowellenstrahlung während der Bestrahlung mit der Anregungsstrahlung, so ergibt sich bei einer Frequenz von 2,87 GHz ein plötzlicher Abfall der Amplitude der Fluoreszenzstrahlung (ein sogenannter Dip). Der Abfall der Amplitude der Fluoreszenzstrahlung lässt sich damit erklären, dass - bei Einstrahlung von Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von 2,87 GHz - der Übergang zwischen dem ms=0, 3 A2-Grundzustand und dem ms=±1, 3A2-Grundzustand induziert wird, der durch die Anregungsstrahlung Spin-erhaltend angeregt wird, jedoch strahlungslos und nicht Spin-erhaltend in den ms=0, 3 A2-Grundzustand relaxieren kann. Wird also Mikrowellenstrahlung einer genau passenden Frequenz eingestrahlt, so leert sich der ms=0, 3 A2-Grundzustand, während der ms=±1, 3A2-Grundzustand sich füllt.
-
In einem Magnetfeld spaltet der ms=±1, 3A2-Grundzustand in zwei Zustände mit der Spinquantenzahl ms=1 und ms=-1 auf (Zeeman-Effekt). Misst man nun die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung unter Veränderung der Frequenz der Mikrowellenstrahlung, so erhält man zwei Dips. Die Frequenzen, bei denen diese Dips auftreten, hängen von der Größe der Aufspaltung des ms=±1, 3A2-Grundzustands und damit von der Feldstärke und Richtung (insbesondere der Projektion auf die jeweiligen NV-Achsen) des Magnetfelds ab. Auf diese Weise lässt sich die Projektion eines Magnetfelds auf der NV-Achse Richtung bestimmen.
-
Ein solcher Magnetfeldsensor ist bspw. aus der
DE 10 2017 205 265 bekannt. Hierin wird die Anregungsstrahlung mit Hilfe einer Lichtquelle erzeugt, die in oder an einem ersten Substrat angeordnet ist. Dier Fluoreszenzstrahlung wird mit Hilfe eines Detektors erfasst, der in oder an einem zweiten Substrat strukturiert, ausgeformt oder angeordnet ist. Der NV-Diamant und eine Mikrowellenquelle, die die Mikrowellenstrahlung aussendet, sind auf dem ersten oder dem zweiten Substrat angeordnet. Dabei sind das erste und das zweite Substrat - bspw. über ein Chip-to-Wafer- oder Chip-to-Chip-Verfahren - miteinander verbunden. Bei dem ersten Substrat handelt es sich um einen LED-Wafer, wobei die Lichtquelle als LED ausgeführt ist. Das zweite Substrat ist aus Silizium ausgeformt, wobei der Detektor in das zweite Substrat als Silizium-Photodiode strukturiert ist. Der Detektor weist dabei p-dotierte und n-dotierte Gebiete auf, die beispielsweise über lonenimplantation unter Verwendung von Schattenmasken in das zweite Substrat strukturiert werden. Eine solche Strukturierung des Silizium-Substrats ist mit einem vergleichsweise großen Aufwand verbunden. Zudem können keine handelsüblichen Bauteile verwendet werden, die in großer Stückzahl hergestellt werden und von daher vergleichsweise preisgünstig sind.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Magnetfeldsensor bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweisen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Erfassung eines äußeren Magnetfelds oder einer von einem äußeren Magnetfeld abhängigen Messgröße. Ein solches Sensorsystem weist einen Diamanten mit mindestens einem NV-Zentrum (NV-Diamant) auf. Das Sensorsystem weist weiter eine Mikrowellenquelle, eine Anregungslichtquelle und einen Detektor auf. Die Mikrowellenquelle ist dabei angeordnet und ausgebildet, ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das eine Mikrowellenstruktur speist. Die Mikrowellenstruktur ist angeordnet und ausgebildet, das von der Mikrowellenquelle erzeugte elektromagnetische Feld so zu formen, dass ein Mikrowellenfeld entsteht, das zur Manipulation von Spin-Zuständen des NV-Diamanten geeignet ist. Bei der Anregungslichtquelle kann es sich bspw. um eine Leuchtdiode handeln. Die Anregungslichtquelle ist insbesondere ausgebildet, einen Anregungslichtstrahl mit einer Wellenlänge zwischen 490 nm und 575 nm zu erzeugen. Die Anregungslichtquelle ist weiter angeordnet und ausgebildet, den Anregungslichtstrahl auf den NV-Diamanten zu richten, wobei dieser in Folge der Bestrahlung mit dem Anregungslichtstrahl ein optisches Signal, insbesondere Fluoreszenzstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 600 nm und 850 nm, aussendet. Dabei kann zwischen der Anregungslichtquelle und dem NV-Diamanten ein strahlformendes (bspw. eine Linse) oder strahlführendes (bspw. ein Umlenkspiegel) optisches Element angeordnet sein. Der Detektor ist so ausgebildet und angeordnet, dass er das von dem NV-Diamanten in Folge der Bestrahlung mit dem Anregungslichtstrahl ausgesandte, optische Signal erfassen kann. Insbesondere kann der Detektor ausgebildet sein, Strahlung in einem Wellenlängenbereich, der dem Wellenlängenbereich der von dem NV-Diamanten ausgesandten Fluoreszenzstrahlung entspricht, insbesondere zwischen 600 nm und 850 nm, zu detektieren. Zusätzlich kann mindestens ein Referenzdetektor zur Erfassung des Anregungslichtstrahls vorgesehen sein, um Schwankungen in der Intensität der Anregungslichtquelle feststellen zu können und das optische Signal unabhängig von diesen Schwankungen auswerten zu können. Dem Detektor und/oder dem mindestens einen Referenzdetektor kann ein optischer Filter vorgeordnet sein, der ausgebildet ist, den zu detektierenden Wellenlängenbereich aus der jeweils ankommenden Strahlung herausfiltern. Das Sensorsystem weist weiter eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung auf, die angeordnet und ausgebildet ist, ein inneres, statisches Magnetfeld in dem NV-Diamanten zu erzeugen.
-
Das Sensorsystem weist ein Gehäuse auf, in dem zumindest der NV-Diamant und die Anregungslichtquelle angeordnet sind. Zudem können auch der Referenzdetektor und das strahlführende und/oder strahlformende, optische Element in dem Gehäuse angeordnet sein. Das Gehäuse kann dabei vollständig oder zumindest überwiegend aus einem nicht-magnetischen Material, insbesondere einer Keramik oder einem Kunststoff, wie bspw. einem Polymer, bestehen. Das Gehäuse weist eine Gehäusewand auf, in der der - vorzugsweise als Photodiode ausgebildete - Detektor angeordnet ist. Dies ermöglicht eine platzsparende Anordnung der Komponenten des Sensorsystems und damit einen miniaturisierten Aufbau des Sensorsystems. Zudem können auf diese Weise die Produktions- und Bauteilkosten gesenkt werden.
-
Die Gehäusewand kann dabei eine Öffnung aufweisen, in der der Detektor angeordnet ist. Alternativ kann die Gehäusewand auch eine Vertiefung zur Aufnahme des Detektors aufweisen. Auf diese Weise kann der Detektor auch als selbstständiges Bauteil auf einfache Art und Weise in die Gehäusewand integriert werden.
-
Das Gehäuse kann bspw. zweiteilig mit einem Deckel und einer Gehäusebasis, die insbesondere fünf Gehäusewände aufweist, ausgebildet sein. Die Gehäusewände sind dabei als Seitenwände oder als Gehäusegrundplatte ausgebildet. Der Detektor ist insbesondere in die Gehäusegrundplatte integriert.
-
Der Detektor kann benachbart zu dem NV-Diamanten angeordnet sein. Zudem kann ein optischer Filter vorgesehen sein, der auf einer dem NV-Diamanten zugewandten Seite des Detektors - und somit zwischen dem NV-Diamanten und dem Detektor - angeordnet ist. Der optische Filter kann dabei ebenfalls in der Gehäusewand, insbesondere in der Öffnung, angeordnet sein. Der optische Filter ist ausgebildet, Licht mit der Wellenlänge der Anregungsstrahlung, insbesondere Licht mit einer Wellenlänge zwischen 490 nm und 575 nm, zu blockieren, so dass am Detektor Strahlung in diesem Wellenlängenbereich nicht oder fast nicht ankommt. Der optische Filter ist weiter dazu ausgebildet, Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 600 nm und 850 nm zu transmittieren. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit des Sensorsystems erhöht. Dabei ist der optische Filter insbesondere so angeordnet, dass er mit einer dem Inneren des Gehäuses zugewandten Innenfläche der Gehäusewand eine plane Ebene bildet. Eine solche Anordnung ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau des Sensorsystems.
-
Die Öffnung kann in einen ersten Teilabschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche und in einen zweiten Teilabschnitt mit einer zweiten Querschnittsfläche unterteilt sein. Dabei kann der Detektor in dem ersten Teilabschnitt und der optische Filter in dem zweiten Teilabschnitt angeordnet sein. Die beiden Teilabschnitte sind dabei - senkrecht zu der Gehäusewand, insbesondere zu der Gehäusegrundplatte, betrachtet - übereinander angeordnet. Die Querschnitte der beiden Teilabschnitte sind in ihrer Form und Größe jeweils auf die Querschnitte des optischen Filters und des Detektors abgestimmt. Eine solche Ausgestaltung der Gehäusewand des Sensorsystems ermöglicht einen besonders schnellen und wenig fehleranfälligen Zusammenbau des Sensorsystems.
-
Der Detektor und der optische Filter sind insbesondere durch eine Klebstoffschicht miteinander verbunden. Die Klebstoffschicht kann insbesondere ausgebildet sein, den optischen Übergang zwischen dem optischen Filter und dem Detektor zu optimieren. Insbesondere kann ein der Klebstoffschicht zugrunde liegender Klebstoff so ausgewählt sein, dass sich der Brechungsindex sowohl beim Übergang der Fluoreszenzstrahlung von dem optischen Filter zu der Klebstoffschicht als auch beim Übergang von der Klebstoffsicht zu dem Detektor weniger stark ändert als dies an einer Grenzfläche zwischen dem Detektor und dem optischen Filter der Fall wäre. Auf diese Weise können Verluste bei der Erfassung der Fluoreszenzstrahlung minimiert werden und die Empfindlichkeit des Sensorsystems erhöht werden.
-
Das Gehäuse kann weiter auf einer Leiterplatte angeordnet sein. Auf der Leiterplatte können weitere Bauelemente des Sensorsystems, wie bspw. die Mikrowellenquelle und Leitungen angeordnet sein. Die Mikrowellenquelle ist durch eine Verbindungsleitung mit der Mikrowellenstruktur wirkverbunden, wobei die Verbindungsleitung zumindest teilweise in oder an der Leiterplatte angeordnet ist. Die Anordnung des Gehäuses auf der Leiterplatte ermöglicht einen kompakten Aufbau des Sensorsystems. Zudem können so standardisierte Bauelemente verwendet werden und somit Kosten eingespart werden.
-
Weiter kann die Mikrowellenstruktur in dem Gehäuse angeordnet sein. Die Mikrowellenstruktur kann auf der Innenfläche der Gehäusewand, bspw. auf der Gehäusegrundplatte, insbesondere in derselben Ebene wie der NV-Diamant angeordnet sein. Insbesondere kann der NV-Diamant von der Mikrowellenstruktur umgeben sein, was zu einem besonders kompakten Aufbau des Sensorsystems führt.
-
Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung des Sensorsystems kann mindestens einen Permanentmagneten umfassen. Der Permanentmagnet kann dabei als Ringmagnet ausgebildet sein. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung kann auch mehrere Einzelmagneten umfassen, die bspw. in einer Halbach-Anordnung um den NV-Diamanten herum angeordnet sind. Alternativ kann auch eine Helmholtz-Spule als Magnetfelderzeugungsvorrichtung vorgesehen sein. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung kann ein inneres, statisches Magnetfeld erzeugen, das dort, wo der NV-Diamant angeordnet ist, weitgehend homogen ist. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung kann außerhalb des Gehäuses auf der Leiterplatte oder innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Letzteres führt zu einer noch kompakteren Ausführung des Sensorsystems.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
- Die Fig. zeigt einen schematischen Aufbau eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Die einzige Figur zeigt ein Sensorsystem 1 zur Erfassung eines Magnetfeldparameters eines äußeren Magnetfelds mit einem NV-Diamanten 2, und einer Anregungslichtquelle 4. Die Anregungslichtquelle 4 ist ausgebildet, einen Anregungslichtstrahl 15 zu erzeugen. Der Anregungslichtstrahl 15 kann auf den NV-Diamanten 2 gerichtet werden. Infolge der Anregung der NV-Zentren durch den Anregungslichtstrahl 15 emittiert der NV-Diamant 2 Fluoreszenzstrahlung, die von einem Detektor 8 erfasst wird. Bei der Anregungslichtquelle 4 handelt es sich bspw. um eine Leuchtdiode, bei dem Detektor 8 um eine Photodiode. Der NV-Diamant 2 ist in eine Mikrowellenstruktur 3 eingebettet, die ausgebildet ist, ein Mikrowellenfeld zur Manipulation von Spin-Zuständen des NV-Diamanten 2 zu erzeugen. Die Mikrowellenstruktur 3, die Anregungslichtquelle 4 und der NV-Diamant 2 sind dabei auf einer Gehäusewand 10, insbesondere einem Gehäuseboden, eines Gehäuses 7 angeordnet. Die Mikrowellenstruktur 3 ist mit einer Mikrowellenquelle 6 durch eine Verbindungsleitung 16 wirkverbunden. Die Mikrowellenquelle 6 ist ausgebildet, ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das die Mikrowellenstruktur 3 speist. Die Mikrowellenstruktur 3 ist wiederum ausgebildet, das elektromagnetische Feld so zu formen, dass ein Mikrowellenfeld entsteht, das zur Manipulation der Spin-Zustände des NV-Diamanten 2 geeignet ist. Das Gehäuse 7 ist insbesondere auf einer Leiterplatte 11 angeordnet. In oder an der Leiterplatte sind auch die Verbindungsleitung 16 und weitere Leitungen zur Versorgung und Steuerung der Komponenten des Sensorsystems 1 angeordnet.
-
Zumindest die Anregungslichtquelle und der NV-Diamant 2 sind in dem Gehäuse 7 angeordnet. Eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung 5 kann innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 7 angeordnet sein. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 5 weist insbesondere eine Mehrzahl von Permanentmagneten auf, die bspw. in einer Halbach-Anordnung, um den NV-Diamanten 2 herum angeordnet sind. Auf diese Weise wird ein inneres, statisches Magnetfeld erzeugt, das am Ort des NV-Diamanten 2 sehr homogen ist. Das Gehäuse 7 weist Gehäusewände 10 und einen Deckel auf. Die Gehäusewände 10 sind dabei als Seitenwände oder als Gehäuseboden ausgebildet. In dem Gehäuseboden ist eine Öffnung 12 vorgesehen, in der der Detektor 8 angeordnet ist. Die Öffnung 12 kann in einen ersten Teilabschnitt 13 und einen zweiten Teilabschnitt 14 unterteilt sein. In dem ersten Teilabschnitt 13 ist der Detektor 8 und in dem zweiten Teilabschnitt 14 ein optischer Filter 9 angeordnet. Die beiden Teilabschnitte 13, 14 sind - in einer Richtung senkrecht zu dem Gehäuseboden gesehen - übereinander angeordnet, wobei der optische Filter 9 zwischen dem NV-Diamanten 2 und dem Detektor 8 angeordnet ist. Die Querschnittsform- und größe der beiden Teilabschnitte 13, 14 ist dabei jeweils auf die Querschnittsform- und größe des optischen Filters 9 und des Detektors 8 abgestimmt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10 2017 205 265 [0004]