DE102017205268A1 - Method for manufacturing a crystal body unit for a sensor device, method for producing a sensor device, system and method for detecting a measured variable and sensor device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigen einer Kristallkörpereinheit (1100) für eine Sensorvorrichtung. Das Verfahren weist einen Schritt des Herstellens einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem optisch zumindest partiell transparenten Trägersubstrat (1115) und zumindest einem Kristallkörper (100) mit zumindest einer Fehlstelle auf. Das Verfahren weist auch einen Schritt des Behandelns des Trägersubstrats (1115) und/oder des zumindest einen Kristallkörpers (100) auf. Dabei wird im Schritt des Behandelns der zumindest eine Kristallkörper (100) und/oder das Trägersubstrat (1115) in einzelne Segmente aufgeteilt. The invention relates to a method for manufacturing a crystal body unit (1100) for a sensor device. The method comprises a step of producing a material connection between an optically at least partially transparent carrier substrate (1115) and at least one crystal body (100) with at least one defect. The method also includes a step of treating the carrier substrate (1115) and / or the at least one crystal body (100). In this case, in the step of treating the at least one crystal body (100) and / or the carrier substrate (1115) is divided into individual segments.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.
Beispielsweise können Stickstoff-Fehlstellen in einem Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV = Nitrogen Vacancy) bezeichnet, auf dem Gebiet der Sensorik angewandt werden. Durch Anregung der NV-Zentren mit Licht und Mikrowellenstrahlung kann eine magnetfeldabhängige Fluoreszenz derselben beobachtet werden.For example, nitrogen defects in a diamond lattice, also referred to as NV centers (NV = Nitrogen Vacancy), can be applied in the field of sensor technology. By exciting the NV centers with light and microwave radiation, a magnetic field-dependent fluorescence of the same can be observed.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Sensorvorrichtung, ein System, Verfahren, weiterhin ein Steuergerät, das zumindest eines der Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, with the approach presented here, a sensor device, a system, methods, furthermore a control device which uses at least one of the methods, and finally a corresponding computer program according to the main claims are presented. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.
Gemäß Ausführungsformen können insbesondere unter Ausnutzung von Kristallkörper-Fehlstellen bzw. Kristallgitter-Fehlstellen Magnetfelder gemessen werden und entsprechende Magnetfeldsensoren vorteilhaft hergestellt werden. Hierbei können beispielsweise Eigenschaften von Kristallgitter-Fehlstellen bzw. kombinierten Stickstoff-Kohlenstofffehlstellen-Defektzentren in Diamant (Nitrogen-Vacancies in Diamond; sogenannten NV-Zentren) für hochempfindliche Magnetfeldsensorik genutzt werden. Insbesondere kann zur Herstellung zumindest eines Teils eines solchen Sensors ein Waferbondprozess oder Klebeprozess zur festen Verbindung eines Kristallkörpers, beispielsweise eines Diamantkristalls, mit einem mechanischen Träger verwendet werden. Somit kann insbesondere ein Verfahren zur Integration photonischer Diamantstrukturen in Magnetsensoren basierend auf Kristallgitter-Fehlstellen, zum Beispiel NV-Zentren in Diamant, bereitgestellt werden.According to embodiments, magnetic fields can be measured, in particular by utilizing crystal body defects or crystal lattice defects, and corresponding magnetic field sensors can be advantageously produced. For example, properties of crystal lattice defects or combined nitrogen-carbon defect centers in diamond (nitrogen vacancies in diamond, so-called NV centers) can be used for highly sensitive magnetic field sensors. In particular, for producing at least a part of such a sensor, a wafer bonding process or bonding process for firmly bonding a crystal body, for example a diamond crystal, with a mechanical support can be used. Thus, in particular, a method of integrating photonic diamond structures in magnetic sensors based on crystal lattice vacancies, for example NV centers in diamond, can be provided.
Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen insbesondere erreicht werden, mit minimaler Lichtleistung eine maximale Anzahl von Kristallgitter-Fehlstellen anzuregen. Es kann beispielsweise eine hohe Sensitivität bei minimalem Leistungsbedarf für eine Lichtanregung realisiert werden. Um eine möglichst hohe Integrationsdichte von Komponenten eines solchen Sensors zu erreichen, können bei einem Herstellungsverfahren unter anderem etablierte Prozesse und Strategien aus der MEMS-Technologie (MEMS = microelectromechanical systems) bzw. Mikrosystemtechnik zur Anwendung kommen, wie beispielsweise ein Aufeinanderstapeln von Einzelkomponenten und eine Integration von optischen und elektronischen Funktionsblöcken in einem miniaturisierten Sensor. Ein solcher Prozess aus der Mikrosystemtechnik kann insbesondere für eine Integration eines Kristallkörpers, beispielsweise eines Diamantkristalls, als Funktionsteil für einen solchen Sensor angewandt werden. Es kann eine kostengünstige Lösung bereitgestellt werden, um einen Kristallkörper mit massenfertigungstauglichen Verfahren zu bearbeiten. Auch kann eine genaue und berührungslose Messung bzw. Erfassung von Messgrößen, insbesondere von Magnetfeldern, ermöglicht werden. Ein weiterer Vorteil der vorgestellten Magnetsensortechnologie besteht unter anderem darin, dass auch bei starken Magnetfeldern, beispielsweise bis in den Tesla-Bereich, noch kleinste Änderungen im Pico-Tesla-Bereich detektiert werden können, was einen zuverlässigen und exakten Betrieb auch bei der einer Anwesenheit von hohen Störfeldern ermöglicht.Advantageously, according to embodiments can be achieved in particular to stimulate a maximum number of crystal lattice defects with minimal light output. For example, a high sensitivity with minimum power requirement for light excitation can be realized. In order to achieve the highest possible integration density of components of such a sensor, among other things, established processes and strategies from MEMS technology (microelectromechanical systems) or microsystem technology can be used in a production method, such as a stacking of individual components and an integration of optical and electronic function blocks in a miniaturized sensor. Such a process from microsystem technology can be used in particular for integration of a crystal body, for example a diamond crystal, as a functional part for such a sensor. An inexpensive solution can be provided to process a crystal body with mass production processes. Also, an accurate and non-contact measurement or detection of measured variables, in particular of magnetic fields, can be made possible. A further advantage of the presented magnetic sensor technology is, inter alia, that even with strong magnetic fields, for example up to the Tesla range, even the smallest changes in the pico-tesla range can be detected, resulting in reliable and exact operation even in the presence of high interference fields allows.
Es wird ein Verfahren zum Fertigen einer Kristallkörpereinheit für eine Sensorvorrichtung vorgestellt, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
- Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einem optisch zumindest partiell transparenten Trägersubstrat und zumindest einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle; und
- Behandeln des Trägersubstrats und/oder des zumindest einen Kristallkörpers, wobei im Schritt des Behandelns der zumindest eine Kristallkörper und/oder das Trägersubstrat in einzelne Segmente aufgeteilt wird.
- Producing a cohesive connection between an optically at least partially transparent carrier substrate and at least one crystal body having at least one defect; and
- Treating the carrier substrate and / or the at least one crystal body, wherein in the step of treating the at least one crystal body and / or the carrier substrate is divided into individual segments.
Die Sensorvorrichtung kann ausgebildet sein, um eine Messgröße zu erfassen. Die Messgröße kann beispielsweise ein externes Magnetfeld, ein elektrischer Strom, eine Temperatur, eine mechanische Spannung, ein Druck und zusätzlich oder alternativ eine andere Messgröße sein. Der Kristallkörper kann beispielsweise Diamant, Siliziumcarbid (SiC) oder hexagonales Bornitrid (h-BN) sein. Eine Fehlstelle kann beispielsweise eine Stickstoff-Fehlstelle in einem Diamant, eine Silizium-Fehlstelle in Siliziumcarbid oder ein Fehlstellen-Farbzentrum in hexagonalem Bornitrid sein. Anders ausgedrückt kann eine Fehlstelle eine Gitterfehlstelle bzw. Fehlstelle in einer Gitterstruktur des Kristallkörpers sein. Die Kristallkörpereinheit kann somit den zumindest einen Kristallkörper mit der zumindest einen Fehlstelle und zumindest einen Teilabschnitt des Trägersubstrats aufweisen. Im Schritt des Herstellens kann die stoffschlüssige Verbindung durch Waferbonden oder Kleben, insbesondere Wafer-to-Wafer-Bonden oder Chip-to-Wafer-Bonden hergestellt werden. Beispielsweise können beim Chip-to-Wafer-Bonden einzelne Funktionselemente auf einen vorprozessierten Wafer platziert und mit diesem, z. B. durch löten, bonden oder kleben, verbunden werden. Im Schritt des Herstellens kann der zumindest eine Kristallkörper einer Hauptoberfläche des Trägersubstrats angeordnet werden. Das Trägersubstrat kann als ein mechanischer Träger bezeichnet werden. Insbesondere kann das Substrat als ein Wafer, insbesondere ein Silizium-Wafer ausgeführt sein. Bei einer Ausführung des Trägersubstrats als Silizium-Wafer kann beispielsweise eine Weiterverarbeitung des zumindest einen Kristallkörpers mit halbleitertechnologischen Prozessen und Anlagen ermöglicht werden. Im Schritt des Behandelns können somit zumindest zwei Segmente erzeugt werden, wobei jedes Segment zumindest einen Kristallkörper und einen Teilabschnitt des Trägersubstrats aufweisen kann. So kann eine kostengünstige Herstellung miniaturisierter Kristallkörpereinheiten mit unaufwendiger Vereinzelung in Segmente erfolgen.The sensor device can be designed to detect a measured variable. The measured variable may be, for example, an external magnetic field, an electrical current, a temperature, a mechanical stress, a pressure and additionally or alternatively another measured variable. The crystal body may be, for example, diamond, silicon carbide (SiC) or hexagonal boron nitride (h-BN). For example, a defect may be a nitrogen defect in a diamond, a silicon defect in silicon carbide, or a vacancy color center in hexagonal boron nitride. In other words, a defect may be a lattice defect in a lattice structure of the crystal body. The crystal body unit can thus comprise the at least one crystal body with the at least one defect and at least one partial section of the body Have carrier substrate. In the step of manufacturing, the integral connection can be produced by wafer bonding or gluing, in particular wafer-to-wafer bonding or chip-to-wafer bonding. For example, in chip-to-wafer bonding, individual functional elements can be placed on a preprocessed wafer and used with this, for. B. by soldering, bonding or bonding, are connected. In the step of manufacturing, the at least one crystal body of a main surface of the support substrate may be arranged. The carrier substrate may be referred to as a mechanical carrier. In particular, the substrate may be designed as a wafer, in particular a silicon wafer. In one embodiment of the carrier substrate as a silicon wafer, for example, a further processing of the at least one crystal body with semiconductor technology processes and systems can be made possible. In the step of treating, at least two segments can thus be produced, wherein each segment can have at least one crystal body and a partial section of the carrier substrate. Thus, a cost-effective production of miniaturized crystal body units can be carried out with simple separation into segments.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Schritt des Behandelns vor und zusätzlich oder alternativ nach dem Schritt des Herstellens der stoffschlüssigen Verbindung ausgeführt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass mindestens der zumindest eine Kristallkörper auch in stark miniaturisierter Form einfach, genau und zuverlässig weiter bearbeitet werden kann.According to one embodiment, the step of treating may be performed before and additionally or alternatively after the step of producing the integral connection. Such an embodiment offers the advantage that at least the at least one crystal body can be further processed in a highly miniaturized form simply, accurately and reliably.
Auch kann im Schritt des Behandelns ein Teil des zumindest einen Kristallkörpers von dem Trägersubstrat entfernt werden. Hierbei kann ein Ätzprozess und zusätzlich oder alternativ ein Schleifprozess oder Polierprozess zur Anwendung kommen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der zumindest eine Kristallkörper auf zuverlässige und exakte Weise mit geeigneten bzw. erforderlichen Abmessungen versehen werden kann.Also, in the step of treating, a part of the at least one crystal body may be removed from the support substrate. In this case, an etching process and additionally or alternatively a grinding process or polishing process can be used. Such an embodiment offers the advantage that the at least one crystal body can be provided with suitable or required dimensions in a reliable and exact manner.
Zudem kann im Schritt des Behandelns der zumindest eine Kristallkörper strukturiert werden, um integrierte photonische Strukturelemente in dem zumindest einen Kristallkörper zu erzeugen. Dabei können integrierte photonische Strukturelemente optische Resonatoren, Lichtwellenleiterstrukturen, Antireflexstrukturen, Taperstrukturen oder optische Streugitter zur Einkopplung von Licht, Bragg-Gitter, quadratische Strukturen, in denen an einer angeschrägten Seitenkante Licht eingekoppelt und ausgekoppelt werden kann, oder dergleichen aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass bei minimaler Lichtleistung eine maximale Anzahl von Kristallgitter-Fehlstellen angeregt werden kann.In addition, in the step of treating, the at least one crystal body may be patterned to produce integrated photonic structural elements in the at least one crystal body. Integrated photonic structural elements may include optical resonators, optical waveguide structures, antireflection structures, tapered structures or optical scattering gratings for coupling light, Bragg gratings, square structures in which light can be coupled in and coupled out on a bevelled side edge, or the like. Such an embodiment offers the advantage that with minimal light output, a maximum number of crystal lattice defects can be excited.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Behandelns eine optische Filtereinrichtung an dem Trägersubstrat angeordnet werden. Insbesondere kann dabei eine optische Filterschicht auf eine Rückseite oder weitere Hauptoberfläche des optisch transparenten Trägersubstrats aufgebracht werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine weitere funktionale Integration bereits auf der Ebene der Kristallkörpereinheit erreicht werden kann.According to one embodiment, in the step of treating, an optical filter device may be arranged on the carrier substrate. In particular, an optical filter layer can be applied to a rear side or further main surface of the optically transparent carrier substrate. Such an embodiment offers the advantage that a further functional integration can already be achieved at the level of the crystal body unit.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Erzeugens des zumindest einen Kristallkörpers auf einem Wachstumssubstrat aufweisen. Alternativ kann ein Schritt des Bereitstellens zumindest eines erzeugten Kristallkörpers auf einem Wachstumssubstrat vorgesehen sein. Hierbei kann das Wachstumssubstrat nach dem Schritt des Herstellens der stoffschlüssigen Verbindung in einem Schritt des Entfernens von dem zumindest einen Kristallkörper entfernt werden. Ein solcher Schritt des Entfernens kann vor oder nach dem Schritt des Herstellens der stoffschlüssigen Verbindung ausgeführt werden. Optional kann zusätzlich ein Teil des zumindest einen Kristallkörpers im Schritt des Entfernens entfernt werden. Der Schritt des Entfernens kann unter Verwendung von Schleifen oder nass- bzw. trockenchemischen Ätzverfahren oder Polieren ausgeführt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch speziell aufgewachsene Kristallkörper einfach und sicher für die Kristallkörpereinheit verwendet werden können.Further, the method may include a step of forming the at least one crystal body on a growth substrate. Alternatively, a step of providing at least one generated crystal body on a growth substrate may be provided. In this case, the growth substrate can be removed from the at least one crystal body in a step of removal after the step of producing the cohesive connection. Such a removal step may be performed before or after the step of producing the integral connection. Optionally, in addition, a part of the at least one crystal body can be removed in the removal step. The removing step may be carried out using grinding or wet or dry chemical etching or polishing. Such an embodiment offers the advantage that even specially grown crystal bodies can be easily and safely used for the crystal body unit.
Auch wird ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung vorgestellt, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:A method for producing a sensor device is also presented, wherein the method has at least the following steps:
Bereitstellen einer nach einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens gefertigten Kristallkörpereinheit, einer Lichtquelle zum Bestrahlen des Kristallkörpers der Kristallkörpereinheit mit Anregungslicht, einer Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit einem Hochfrequenzsignal und einer Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper in und/oder an einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat; und
Verbinden des ersten Substrats und des zweiten Substrats miteinander.Providing a crystal body unit fabricated according to an embodiment of the above method, a light source for irradiating the crystal body of the crystal body with excitation light, a high frequency means for exciting the crystal body with a high frequency signal, and detecting means for detecting at least one signal characteristic of a magnetic field dependent fluorescence signal from the crystal body in and / or on a first substrate and a second substrate; and
Bonding the first substrate and the second substrate together.
Durch Ausführen des Verfahrens ist eine Ausführungsform der nachfolgend genannten Sensorvorrichtung herstellbar. Dabei kann eine Kristallkörpereinheit eingesetzt oder verwendet werden, die nach einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens gefertigt ist. Im Schritt des Verbindens können das erste Substrat und das zweite Substrat stoffschlüssig miteinander verbunden werden.By executing the method, an embodiment of the following sensor device can be produced. In this case, a crystal body unit can be used or used, which is manufactured according to an embodiment of the aforementioned method. In the joining step, the first substrate and the second substrate can be bonded together in a material-locking manner.
Gemäß einer Ausführungsform können im Schritt des Bereitstellens das erste Substrat mit der Lichtquelle bereitgestellt werden und das zweite Substrat mit der Detektionseinrichtung, der Kristallkörpereinheit und der Hochfrequenzeinrichtung bereitgestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Detektionseinrichtung in dem zweiten Substrat ausgeformt werden, kann die Kristallkörpereinheit an dem zweiten Substrat angeordnet oder ausgeformt werden und zusätzlich oder alternativ kann die Hochfrequenzeinrichtung an dem zweiten Substrat angeordnet oder ausgeformt werden. Insbesondere kann die Kristallkörpereinheit auf einem als Photodiodenwafer ausgeführten zweiten Substrat angeordnet werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Sensorvorrichtung einfach, platzsparend und kostengünstig gefertigt werden kann. According to an embodiment, in the step of providing, the first substrate may be provided with the light source, and the second substrate may be provided with the detection means, the crystal body unit, and the high-frequency means. Additionally or alternatively, the detection device may be formed in the second substrate, the crystal body unit may be disposed or formed on the second substrate, and additionally or alternatively, the high-frequency device may be disposed or formed on the second substrate. In particular, the crystal body unit can be arranged on a second substrate designed as a photodiode wafer. Such an embodiment offers the advantage that the sensor device can be manufactured in a simple, space-saving and cost-effective manner.
Auch kann im Schritt des Bereitstellens eine optische Filtereinrichtung zwischen der Detektionseinrichtung und dem Kristallkörper oder der Kristallkörpereinheit bereitgestellt werden. Hierbei kann die Filtereinrichtung ausgebildet sein, um Anregungslicht herauszufiltern und das Fluoreszenzsignal zu der Detektionseinrichtung durchzulassen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die zumindest eine Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals einfacher, genauer und zuverlässiger detektiert werden kann.Also, in the step of providing, an optical filter device may be provided between the detection device and the crystal body or the crystal body unit. In this case, the filter device can be designed to filter out excitation light and to transmit the fluorescence signal to the detection device. Such an embodiment offers the advantage that the at least one signal property of the fluorescence signal can be detected in a simpler, more accurate and reliable manner.
Ferner wird ein Verfahren zum Erfassen einer Messgröße vorgestellt, wobei das Verfahren in Verbindung mit einer Ausführungsform einer nachfolgend genannten Sensorvorrichtung ausführbar ist, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
- Bestrahlen des Kristallkörpers der Kristallkörpereinheit mit Anregungslicht;
- Beaufschlagen des Kristallkörpers mit dem Hochfrequenzsignal, wobei eine Frequenz des Hochfrequenzsignals variiert wird;
- Auswerten des magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper ansprechend auf das Anregungslicht und das Hochfrequenzsignal, um zumindest eine Anregungsfrequenz des Hochfrequenzsignals zu ermitteln, bei der zumindest eine detektierte Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals eine vordefinierte Bedingung erfüllt; und
- Irradiating the crystal body of the crystal body unit with excitation light;
- Impinging the crystal body with the high-frequency signal, wherein a frequency of the high-frequency signal is varied;
- Evaluating the magnetic field dependent fluorescence signal from the crystal body in response to the excitation light and the radio frequency signal to determine at least one excitation frequency of the radio frequency signal, wherein at least one detected signal property of the fluorescence signal satisfies a predefined condition; and
Bestimmen der Messgröße unter Verwendung der zumindest einen Anregungsfrequenz des Hochfrequenzsignals.Determining the measurand using the at least one excitation frequency of the high frequency signal.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des hier vorgestellten Verfahrens zum Erfassen in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The approach presented here also creates a control unit which is designed to carry out, to control or to implement the steps of the method presented here for detecting in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM, eine optische Speichereinheit oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.For this purpose, the control unit can have at least one arithmetic unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and / or or at least a communication interface for reading or outputting data embedded in a communication protocol. The arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit may be a flash memory, an EPROM, an optical storage unit or a magnetic storage unit. The communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output in a corresponding data transmission line.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based design, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung zumindest einer Sensorvorrichtung, genauer gesagt der Lichtquelle, der Detektionseinrichtung und der Hochfrequenzeinrichtung einer Ausführungsform der vorstehend genannten Sensorvorrichtung. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf das Fluoreszenzsignal von der Detektionseinrichtung zugreifen. Das Steuergerät kann ausgebildet sein, um die Lichtquelle und die Hochfrequenzeinrichtung mittels Steuersignalen anzusteuern.In an advantageous embodiment, the control unit performs a control of at least one sensor device, more precisely the light source, the detection device and the high-frequency device of an embodiment of the aforementioned sensor device. For this purpose, the control unit can, for example, access the fluorescence signal from the detection device. The control unit can be designed to handle the Light source and the high-frequency device by means of control signals to control.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.
Es wird auch eine Kristallkörpereinheit für eine Sensorvorrichtung vorgestellt, wobei die Kristallkörpereinheit zumindest folgende Merkmale aufweist:
- ein optisch zumindest partiell transparentes Trägersubstrat; und
- zumindest einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, wobei zwischen dem optisch zumindest partiell transparenten Trägersubstrat und dem zumindest einen Kristallkörper eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt ist, wobei die Kristallkörpereinheit nach einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens gefertigt ist.
- an optically at least partially transparent carrier substrate; and
- at least one crystal body having at least one defect, wherein between the optically at least partially transparent carrier substrate and the at least one crystal body, a material connection is made, wherein the crystal body unit is manufactured according to an embodiment of the above method.
Es wird zudem eine Sensorvorrichtung vorgestellt, die zumindest folgende Merkmale aufweist:
- eine nach einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens gefertigte Kristallkörpereinheit;
- eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Kristallkörpers der Kristallkörpereinheit mit Anregungslicht;
- eine Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit einem Hochfrequenzsignal;
- eine Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper;
- ein erstes Substrat, wobei zumindest die Lichtquelle in und/oder an dem ersten Substrat angeordnet ist; und
- ein zweites Substrat, wobei zumindest die Detektionseinrichtung in und/oder an dem zweiten Substrat angeordnet ist, wobei die Kristallkörpereinheit und die Hochfrequenzeinrichtung in und/oder an dem ersten Substrat oder dem zweiten Substrat angeordnet sind, wobei das erste Substrat und das zweite Substrat miteinander verbunden sind.
- a crystal body unit made according to one embodiment of the above method;
- a light source for irradiating the crystal body of the crystal body unit with excitation light;
- a high-frequency device for applying a high-frequency signal to the crystal body;
- a detection device for detecting at least one signal characteristic of a magnetic-field-dependent fluorescence signal from the crystal body;
- a first substrate, wherein at least the light source is disposed in and / or on the first substrate; and
- a second substrate, wherein at least the detection device is arranged in and / or on the second substrate, wherein the crystal body unit and the high-frequency device are arranged in and / or on the first substrate or the second substrate, wherein the first substrate and the second substrate are interconnected are.
Die Detektionseinrichtung kann ausgebildet sein, um die zumindest eine Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper der Kristallkörpereinheit optisch und/oder elektrisch zu erfassen. Die zumindest eine Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper der Kristallkörpereinheit kann eine Lichtintensität sein. Somit kann die Detektionseinrichtung ausgebildet sein, um die zumindest eine Signaleigenschaft mittels einer optischen Auswertung über eine Intensität des Fluoreszenzsignals oder mittels einer elektrischen Auswertung über eine sogenannte Photocurrent Detection of Magnetic Resonance (PDMR) zu detektieren. Das Hochfrequenzsignal kann ein Mikrowellensignal oder anderes Hochfrequenzsignal sein. Das erste Substrat und das zweite Substrat können in einem miteinander verbundenen Zustand eine monolithisch integrierte Baugruppe eine gekapselte Baugruppe oder dergleichen repräsentieren. Das erste Substrat und das zweite Substrat können stoffschlüssig miteinander verbunden sein.The detection device may be configured to optically and / or electrically detect the at least one signal characteristic of the fluorescence signal from the crystal body of the crystal body unit. The at least one signal property of the fluorescence signal from the crystal body of the crystal body unit may be a light intensity. Thus, the detection device can be designed to detect the at least one signal property by means of an optical evaluation via an intensity of the fluorescence signal or by means of an electrical evaluation via a so-called Photocurrent Detection of Magnetic Resonance (PDMR). The high frequency signal may be a microwave signal or other high frequency signal. The first substrate and the second substrate may, in an interconnected state, represent a monolithically integrated package, an encapsulated package, or the like. The first substrate and the second substrate may be bonded together in a material-locking manner.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung eine optische Filtereinrichtung zwischen der Detektionseinrichtung und dem Kristallkörper oder der Kristallkörpereinheit aufweisen. Hierbei kann die Filtereinrichtung ausgebildet sein, um Anregungslicht herauszufiltern und das Fluoreszenzsignal zu der Detektionseinrichtung durchzulassen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Detektieren der zumindest einen Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals einfacher, genauer und zuverlässiger erfolgen kann.According to one embodiment, the sensor device may comprise an optical filter device between the detection device and the crystal body or the crystal body unit. In this case, the filter device can be designed to filter out excitation light and to transmit the fluorescence signal to the detection device. Such an embodiment offers the advantage that the detection of the at least one signal property of the fluorescence signal can be made simpler, more accurate and more reliable.
Es wird ferner ein System zum Erfassen einer Messgröße vorgestellt, wobei das System zumindest folgende Merkmale aufweist:
- zumindest ein Exemplar einer Ausführungsform der vorstehend genannten Sensorvorrichtung; und
- eine Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergerätes, wobei das Steuergerät signalübertragungsfähig mit der zumindest einen Sensorvorrichtung verbindbar oder verbunden ist.
- at least one example of an embodiment of the aforementioned sensor device; and
- An embodiment of the above-mentioned control unit, wherein the control unit is signal transmission capable connected to the at least one sensor device or connected.
Bei dem System kann somit zumindest ein Exemplar einer Ausführungsform der vorstehend genannten Sensorvorrichtung eingesetzt oder verwendet werden, um in Verbindung mit einer Ausführungsform des vorstehend genannten Steuergerätes eine Messgröße zu erfassen.In the system, at least one example of an embodiment of the aforementioned sensor device can thus be used or used to detect a measured variable in conjunction with an embodiment of the aforementioned control device.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer Stickstoff-Fehlstelle in einem Diamantgitter; -
2 bis7 Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften gemäß Ausführungsbeispielen; -
8 eine schematische Darstellung einer Ausrichtung einer Stickstoff-Fehlstelle in einem Diamantgitter; -
9 ein Mikrowellenfrequenz-Fluoreszenz-Diagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
10 eine schematische Schnittdarstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
11 schematische Darstellungen zur Herstellung einer Kristallkörpereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
12 schematische Darstellungen zur Herstellung einer Kristallkörpereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
13 schematische Darstellungen zur Herstellung einer Kristallkörpereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
14 schematische Darstellungen zur Herstellung einer Kristallkörpereinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
15 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Fertigen gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
16 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel; und -
17 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 a schematic representation of a nitrogen defect in a diamond lattice; -
2 to7 Energy schemes and diagrams of fluorescence properties according to embodiments; -
8th a schematic representation of an alignment of a nitrogen defect in a diamond lattice; -
9 a microwave frequency fluorescence diagram according to an embodiment; -
10 a schematic sectional view of a sensor device according to an embodiment; -
11 schematic representations for producing a crystal body unit according to an embodiment; -
12 schematic representations for producing a crystal body unit according to an embodiment; -
13 schematic representations for producing a crystal body unit according to an embodiment; -
14 schematic representations for producing a crystal body unit according to an embodiment; -
15 a flowchart of a method for manufacturing according to an embodiment; -
16 a flowchart of a method of manufacturing according to an embodiment; and -
17 a flowchart of a method for detecting according to an embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Ferner werden nachfolgend Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaft anhand von Stickstoff-Fehlstellen in einem Diamantgitter bzw. Diamant beschrieben.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted. Furthermore, exemplary embodiments are described below by way of example only with reference to nitrogen defects in a diamond lattice or diamond.
Unter Bezugnahme auf die
Dieses Verfahren wird auch als ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance; optisch detektiert Magnetresonanz) bezeichnet. Hierbei kommt es bei Übereinstimmung der Mikrowellenfrequenz mit dem Energieabstand zwischen dem Zustand 3A ms=0 und dem Niveau mS=±1 zu einem Einbruch der Fluoreszenz. Bei externem Magnetfeld spaltet das Niveau mS=±1 auf und es existieren zwei definierte Mikrowellenfrequenzen, bei denen die Fluoreszenz abnimmt bzw. Minima vorliegen. Der Frequenzabstand ist dabei proportional zum Magnetfeld B.This method is also referred to as ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance). In this case, if the microwave frequency coincides with the energy gap between the state 3 A ms = 0 and the level m S = ± 1, the fluorescence will break. With an external magnetic field, the level splits m S = ± 1 and there are two defined microwave frequencies at which the fluorescence decreases or minima are present. The frequency spacing is proportional to the magnetic field B.
Unter Bezugnahme auf
Die Sensorvorrichtung
Das erste Substrat
Das zweite Substrat
Der Kristallkörper
Das erste Substrat
Anders ausgedrückt ist die Sensorvorrichtung
In der Teildarstellung A von
Unter Bezugnahme auf die Teildarstellungen A, B, C, D und E von
In der Teildarstellung A von
In der Teildarstellung A von
Unter Bezugnahme auf die Teildarstellungen A, B, C, D, E und F von
Hierbei entspricht die Teildarstellung A von
Um eine Integration für ein NV-Messystem benötigter Komponenten zu erleichtern, kann somit ein Teil der benötigten Funktionen, wie z. B. die optische Filterschicht, nach dem Diamanttransfer auf die Rückseite des optisch transparenten Trägersubstrats
Unter Bezugnahme auf die
Das Verfahren
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Schritt
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren
In einem Schritt
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt
Zusätzlich wird gemäß einem Ausführungsbeispiel im Schritt
In einem Schritt
Nachfolgend wird in einem Schritt
Unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Figuren werden nachfolgend Ausführungsbeispiele sowie Hintergründe und Vorteile von Ausführungsbeispielen zusammenfassend und mit anderen Worten beschrieben und/oder kurz vorgestellt.With reference to the figures described above, embodiments and background and advantages of exemplary embodiments are described below in summary and in other words and / or briefly presented.
Im Bereich der Sensorik besteht eine Entwicklung hin zur Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit. Dabei lässt sich die Entwicklung differenzieren in Neuerungen, die darauf abzielen, bestehende Sensorlösungen durch evolutionäre Ansätze in ihren Kosten und ihrer Performance zu steigern, und Ansätze, die neue Wirkprinzipien ausnutzen und damit deutlich höhere Performancegewinne als beim erstgenannten evolutionären Ansatz ermöglichen können, jedoch meistens zu höheren Kosten. Aus diesem Grund geht der Weg der Markteinführung solcher Sensorprodukte beispielsweise häufig über high-Performance-Anwendungen, und erst nach einer gewissen evolutionären Entwicklungszeit werden auch Massenanwendungen mit höherem Kostendruck adressierbar.In the field of sensor technology, there is a trend towards miniaturization while at the same time increasing performance. However, development can be differentiated into innovations that aim to increase existing sensor solutions through evolutionary approaches in their costs and performance, and approaches that exploit new principles of action and thus significantly higher performance gains than the first-mentioned evolutionary approach can, but mostly to higher costs. For this reason, for example, the path of market introduction of such sensor products is often via high-performance applications, and only after a certain evolutionary development time mass applications with higher cost pressure are addressed.
Bei Magnetfeldsensoren ist eine empfindliche verfügbare Sensortechnologie die Verwendung von supraleitenden Quanteninterferenz-Bauelementen (SQUIDS), mit denen einzelne magnetische Flussquanten aufgelöst werden können. Hiermit lassen sich Anwendungen realisieren wie z. B. die Magnetoenzephalographie mit lokalisierter Messung von Gehirnaktivität anhand der in den Neuronen erzeugten Signalströme und durch induzierter Magnetfelder. Dabei wird ein Auflösungsvermögen der Magnetsensoren von wenigen pico-Tesla (pT) benötigt. Anders als bei SQUIDS ist bei der Sensorvorrichtung
Die Sensorvorrichtung
NV-Zentren
Eine Empfindlichkeit der Sensorvorrichtung
Ein Optimum für die NV-Konzentration liegt beispielsweise im Bereich von 100 ppB, wobei sich im Bereich von 10 ppB bis 10 ppm aber auch funktionale NV-Sensoren abbilden lassen. Bei dieser Konzentration gibt es noch kein Überlapp der quantisierten Elektronenzustände im NV-Zentrum
Eine Herstellung photonischer Strukturen ist nachfolgend kurz erläutert. Bei einer Limitierung einer verfügbaren Lichtleistung ist auch ein Diamantvolumen, welches konstant ausgeleuchtet werden kann, und damit eine Anzahl der NV-Zentren
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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