CN109219756A

CN109219756A - 传感器装置、用于校准传感器装置的方法和用于检测测量参量的方法

Info

Publication number: CN109219756A
Application number: CN201780035460.XA
Authority: CN
Inventors: T.卢茨; F.普尔克尔; D.奥希努比; R.勒尔弗
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2019-01-15
Also published as: DE102016210259B4; WO2017211504A1; EP3469388A1; DE102016210259A1

Abstract

本发明涉及一种传感器装置（800）。该传感器装置（800）具有：具有至少一个缺陷的晶体（810）。该传感器装置（800）还具有用于用激励光（210）照射晶体（810）的光源（820）。该传感器装置（800）还具有至少一个用于给晶体（810）加载微波的微波天线（830）。该传感器装置（800）还具有用于探测晶体（810）的荧光信号（220）的至少一个信号特性的探测装置（840、850、855）。该传感器装置（800）还具有施加装置（860、870、880），其被构造用于将用于产生微波的微波信号和用于生成内部磁场的磁场信号施加到至少一个微波天线（830）上，其中能够利用所述内部磁场加载晶体（810）。

Description

传感器装置、用于校准传感器装置的方法和用于检测测量参量的方法

技术领域

本发明从按照独立权利要求类型的装置或方法出发。本发明的主题也是一种计算机程序。

背景技术

例如金刚石晶格中的氮缺陷（也称为NV中心（NV=Nitrogen Vacancy，氮空位））可以应用于传感机构领域。通过用光和微波辐射激发NV中心可以观察到金刚石的荧光。

DE 37 42 878 A1描述一种光学磁场传感器，其中将晶体用作磁灵敏的光学部件。

发明内容

在该背景下，利用在此介绍的方案提出根据并列独立权利要求的一种传感器装置、方法、还有一种控制设备，该控制设备使用所述方法中的至少一个，以及最后一种相应的计算机程序。通过在从属权利要求中实施的措施能够实现在独立权利要求中说明的装置的有利的扩展和改进。

根据实施方式，特别是可以提供一种传感器装置以及基于晶体中的缺陷或晶格缺陷的用于传感器装置的校准和分析方法。在此，用于产生恒定磁场或交变磁场的至少一个电线圈的功能例如可以集成到传感器装置中，其方式是，将感应电流附加地施加到微波天线上。换言之，微波天线特别是可以在两重方面使用，一方面用于微波并且另一方面用于内部磁场。因此，传感器装置特别是可以在使用或运行期间以有效的方式校准并且从荧光信号简单并且准确地推断出测量值。

有利地，在此可探测的荧光的微波相关性可以灵敏地对外部影响、如作为测量参量的磁场、温度变化或机械应力做出反应。因此，通过测量该荧光能够实现，提供针对磁场、电流、温度、机械应力、压力和其他测量参量的灵敏且鲁棒的传感器。基于晶格中的缺陷的高灵敏度，例如弱的磁场已经能够是足够的并且因此也仅仅需要小的电流，这可以导致能量高效的方法或传感器。在基于晶体中的缺陷的传感器的情况下，因此特别是可以实现校准和分析方法的改进。

提出一种传感器装置，其具有以下特征：

具有至少一个缺陷的晶体；

用于用激励光照射晶体的光源；

至少一个用于给晶体加载微波的微波天线；

用于探测晶体的荧光信号的至少一个信号特性的探测装置；和

施加装置，其被构造用于将用于产生微波的微波信号和用于生成内部磁场的磁场信号施加到至少一个微波天线上，其中可以利用该内部磁场加载晶体。

传感器装置可以被构造用于检测测量参量。测量参量例如可以是外部磁场、电流、温度、机械应力、压力，和附加地或替代地是其他测量参量。传感器装置例如可以用作电池电流传感器和附加地或替代地用作燃烧室压力传感器、组合的压力传感器和地磁场传感器导电性传感器等。施加装置可以有信号传输能力地与至少一个微波天线可连接或连接。晶体例如可以是金刚石、碳化硅（SiC）或六角形氮化硼（h-BN）。缺陷例如可以是金刚石中的氮缺陷、碳化硅中的硅缺陷或六角形氮化硼中的缺陷色心。换言之，缺陷可以是晶格空位或晶体的晶格结构中的缺陷。探测装置可以被构造用于光学地和/或电地探测晶体的荧光信号的至少一个信号特性。晶体的荧光信号的至少一个信号特性可以是光强度。因此，探测装置可以被构造用于借助关于荧光信号的强度的光学分析或借助经由所谓的磁共振光电流检测（PDMR）的电分析来探测所述至少一个信号特性。

根据一种实施方式，传感器装置可以具有下面提到的控制设备的一种实施方式。在此，控制设备可以有信号传输能力地与光源、至少一个微波天线、探测装置和施加装置可连接或连接。这样的实施方式提供以下优点，借助控制设备可以执行传感器装置的精确的、快速的且简单的校准以及测量参量检测。

传感器装置也可以具有至少一个用于引起至少一个另外的内部磁场的电线圈。在此，至少一个另外的内部磁场可以具有另外的场方向，其与内部磁场的场方向不同。这样的实施方式提供以下优点，由于缺陷沿着晶体中的晶向的定向，通过属于所述方向的荧光最小值的位移例如也可以确定外部磁场的方向。

特别是，施加装置可以具有微波源、电流源和附加地或替代地具有用于将微波源和电流源的相反影响最小化的电过滤器。电流源可以被构造用于将直流电或交流电作为磁场信号注入到至少一个微波天线中。这样的实施方式提供以下优点，可以通过至少一个微波天线以简单、可靠、高效并且准确的方式给金刚石加载微波以及内部磁场。

还提出一种用于校准传感器装置的方法，其中传感器装置具有：具有至少一个缺陷的晶体；用于用激励光照射晶体的光源；至少一个用于给晶体加载微波的微波天线；和用于探测晶体的荧光信号的至少一个信号特性的探测装置；其中该方法至少具有以下步骤：

将用于产生微波的微波信号施加到至少一个微波天线上；

将用于生成内部磁场的磁场信号施加到至少一个微波天线上，其中可以利用该内部磁场加载晶体；和

在使用响应于内部磁场的荧光信号的情况下在微波的频谱内确定至少一个微波频率，在该微波频率下出现预先确定的信号特性，以便产生校准数据以用于在检测测量参量中使用。

该方法例如可以以软件或硬件或者以软件和硬件的混合形式例如在控制设备中实现。该方法可以在结合前述传感器装置的实施方式来使用的情况下有利地实施，以便校准传感器装置。因此，通过借助感应磁场实施该方法可以执行在运行期间的传感器装置的灵敏度以及方向相关性方面的例如定期的校准。在确定的步骤中可以选择微波频率，在该微波频率下可以观察荧光信根据内部磁场的变化。预先确定的信号特性可以代表光强度的最小值。

根据一种实施方式，该方法可以具有在使用荧光信号的情况下在频谱中求取至少一个参考频率的步骤，在该参考频率下出现参考信号特性。在此，可以在施加磁场信号的步骤之前实施求取的步骤。在此，在确定的步骤中，可以计算在内部磁场作用的情况下的至少一个参考频率与至少一个微波频率之间的至少一个位移值。这样的实施方式提供以下优点，可以考虑例如外部磁场的干扰影响，以便能够实现准确的校准。

此外，在施加磁场信号的步骤中可以施加适合于生成周期变化的内部磁场的磁场信号。这样的实施方式提供以下优点，在校准期间以简单的方式滤出荧光信号的随着周期变化的磁场的已知频率而变化的改变。因此可以最小化外部磁场对校准的干扰影响。

还提出一种用于检测测量参量的方法，其中该方法可以结合以下传感器装置来实施，该传感器装置具有：具有至少一个缺陷的晶体；用于用激励光照射晶体的光源；至少一个用于给晶体加载微波的微波天线；和用于探测晶体的荧光信号的至少一个信号特性的探测装置；其中该方法至少具有以下步骤：

将用于产生微波的微波信号施加到至少一个微波天线上，以便遍历微波的频谱；

分析响应于所施加的微波信号的荧光信号，以便在频谱中确定至少一个微波频率，在该微波频率下出现预先确定的信号特性；

调节微波信号，以便产生具有在确定步骤中确定的微波频率的微波；

响应于预先确定的信号特性的由测量参量的变化所决定的位移来调整微波信号，以便围绕着确定的微波频率来改变微波的频率，直至找到新的微波频率，在该新的微波频率下出现经位移的预先确定的信号特性；和

在使用微波频率和新的微波频率的情况下计算测量参量。

该方法例如可以以软件或硬件或者以软件和硬件的混合形式例如在控制设备中实现。该方法可以在结合前述传感器装置的实施方式来使用的情况下有利地实施，以便检测至少一个测量参量。至少一个最小值、例如ODMR最小值（ODMR=光学检测磁共振）的位移的跟踪可以通过实施该方法得到简化和加速，因为并非在每次改变中需要测量参量的微波谱的完全遍历。

根据一种实施方式，在计算的步骤中可以在使用校准数据的情况下计算测量参量，所述校准数据按照前述方法的一种实施方式来产生以用于校准。这样的实施方式提供以下优点，在变换的环境条件下也可以实现测量参量的精确且可靠的确定。

该方法也可以具有将用于生成内部磁场的磁场信号施加到至少一个微波天线上的步骤，以便生成随着激励频率周期变化的内部磁场，其中可以利用该内部磁场加载晶体。在此，在调整的步骤中可以调整微波信号，直至荧光信号的与激励频率相关的并且分配给预先确定的信号特性的频率分量是最大的，以便找到新的微波频率。这样的实施方式提供以下优点，可以简化从荧光谱导出测量值。在此，特别是可以在使用感应交变磁场的情况下有利地调制荧光信号。通过沿着一个方向交替的磁场，通过微波频率的交替的位移也可以简单并且可靠地识别和平衡空间方向，其中在该微波频率下可以探测至少一个预先确定的信号特性，所述至少一个预先确定的信号特性对所述空间方向做出反应。

在此并且附加地或替代地，在用于校准的方法中，在施加磁场信号的步骤中可以将磁场信号施加到至少一个微波天线上并且将至少一个另外的磁场信号施加到至少一个另外的微波天线或至少一个电线圈上。在此，磁场信号和至少一个另外的磁场信号可以关于频率或相位彼此不同。这样的实施方式提供以下优点，通过沿不同的空间方向具有不同的频率或不同的相位的交替磁场，通过微波频率的交替的位移也可以简单并且可靠地识别和平衡空间方向，其中在该微波频率下可以探测荧光的至少一个预先确定的信号特性，所述至少一个预先确定的信号特性对所述空间方向做出反应。

此外，该方法可以具有改变微波信号的步骤，以便围绕着确定的微波频率用激励频率周期性地改变微波的频率。在此，在调整的步骤中可以调整微波信号，直至荧光信号的与激励频率相关的并且分配给预先确定的信号特性的频率分量是最大的，以便找到新的微波频率。这样的实施方式提供以下优点，不需要内部磁场，其中也可以在多个空间方向上进行测量，而不需要另外的线圈。

在此提出的方案还实现一种控制设备，该控制设备被构造用于在相应装置中执行、控制或实现在此提出的方法的变型的步骤。

通过本发明以控制设备形式的该实施变型也可以快速且有效地解决本发明所基于的任务。

对此，控制设备可以具有至少一个用于处理信号或数据的计算单元、至少一个用于存储信号或数据的存储单元、至少一个至传感器或执行器来从传感器读入传感器信号或将控制信号输出到执行器的接口和/或至少一个用于读入或输出数据的通信接口，在所述通信接口中嵌入有通信协议。计算单元例如可以是信号处理器、微控制器等，其中存储单元可以是闪存、EPROM或磁存储单元。通信接口可以被构造用于无线地和/或线连接地读入或输出数据，其中可以读入或输出线连接的数据的通信接口例如可以电或光地从相应的数据传输线读入这些数据或将这些数据输出到相应的数据传输线中。

控制设备当前可以理解成电设备，其处理传感器信号并且据此输出控制和/或数据信号。控制设备可以具有能够以硬件和/或软件方式构造的接口。在硬件方式构造的情况下，接口例如可以是所谓的系统ASIC的包含控制设备的极不同功能的部分。然而，也可以的是，接口是自身的集成电路或至少部分由分立器件构成。在软件方式构造的情况下，接口可以是软件模块，其例如除了其他软件模块之外而存在于微控制器上。

在一种有利的设计方案中，通过控制设备进行传感器装置的控制，更准确的说，进行前述传感器装置的实施方式的光源、探测装置和施加装置的控制。对此，控制设备例如可以存取探测装置的荧光信号。控制设备可以被构造用于控制光源和施加装置。

也有利的是具有程序代码的计算机程序或计算机程序产品，该程序代码可以存储在机器可读的载体或存储介质、如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上并且特别是当程序产品或程序在计算机或装置上实施时用于执行、实现和/或控制根据前述实施方式之一的方法的步骤。

根据实施方式的装置和方法可以被构造用于利用或应用ODMR方法（ODMR=光学检测磁共振）。在此，特别是这样的缺陷的性能可以在晶体中充分利用，在正常状态中在光学激励的情况下示出一定波长下的荧光。如果除了光学激励之外还照射微波辐射，则在确定的频率下发生荧光的扰动，因为电子在该情况下被提高到较高的能级上并且从那里非放射性地重组。在施加磁场的情况下，发生能级的分裂、所谓的塞曼分裂，并且在关于微波激励的频率绘制荧光时关于单独的缺陷显示出特别是两个在荧光谱中的最小值，这两个最小值的频率间隔与磁场强度成比例。

附图说明

在此提出的方案的实施例在附图中示出并且在随后的描述中更详细地予以解释。其中：

图1示出金刚石晶格中的氮缺陷的示意图；

图2至7示出根据实施例的荧光特性的图形和能量图式；

图8示出根据一个实施例的传感器装置的示意图；

图9和10示出根据实施例的围绕金刚石感生磁场的示意图；

图11至13示出根据一个实施例的关于荧光测量的方向相关性的示意图和图形；

图14至19示出根据一个实施例的在附加的微波激励和磁场激励的情况下荧光测量的图形；

图20示出根据一个实施例的用于校准的方法的流程图；

图21示出根据一个实施例的用于检测的方法的流程图；

图22示出根据一个实施例的测量过程的流程图；和

图23至28示出根据一个实施例的在附加的微波激励的情况下关于荧光测量的图形。

在本发明适宜实施例的下面描述中，对于在不同图中示出的并且起相似作用的元件使用相同或相似的附图标记，其中放弃对这些元件的重复描述。此外，下面仅仅示例性地借助金刚石晶格或金刚石中的氮缺陷来描述实施例。

具体实施方式

图1示出金刚石晶格100或金刚石100中的氮缺陷105的示意图。氮缺陷105也可以称为氮空位中心105或NV中心105。在此，碳原子通过氮原子110代替，其中金刚石晶格100中的一个直接相邻的碳原子缺失并且因此得出氮缺陷105。

图2至7示出根据实施例的荧光特性的图形和能量图式。在此，图2示出在没有微波激励和没有磁场激励的情况下的能量图式200，其中激励光hv 210、荧光信号220和三个状态³A、³E和¹A以及关于电子的状态³A和³E的相应的能级m_s=0和m_s=±1被示出。

图3示出关于图2中的能量图式的图形300。在图形300中，在横轴302上绘出以兆赫兹或MHz为单位的微波频率并且在纵轴304上绘出以任意单位的荧光，其中与纵轴304平行的箭头306代表增加的磁场B。此外，在图3中示例性示出四个特征曲线或曲线图310、312、314和316，它们代表不同强度的磁场下的荧光曲线。第一曲线图310代表具有强度0，B=0的磁场；第二曲线图312例如代表具有2.8mT的强度的磁场；第三曲线图314例如代表具有5.8mT的强度的磁场；第四曲线图360例如代表具有8.3mT的强度的磁场。荧光的最小值仅仅示例性地针对第二曲线图312以ω₁和ω₂来表示。第一曲线图310上的标记320代表图2的能量图示中的事实情况，即在没有磁场（B=0）和没有微波激励或微波频率f≠2.9GHz的情况下。

图4示出具有微波激励并且没有磁场激励的能量图式400，其中激励光hv 210、微波辐射430和三个状态³A、³E和¹A以及关于电子的状态³A和³E的相应的能级m_s=0和m_s=±1被示出。

图5示出关于图4中的能量图式的图形500。在此，图5中的图形500对应于图3中的除了以下例外的图形，即第一曲线图310上的标记520代表图4的能量图式中的事实情况，即没有磁场（B=0）和具有微波激励或微波频率f=2.9GHz。在此，标记520布置在第一曲线图310的最小值或荧光最小值的区域中。

图6示出具有微波激励并且具有磁场激励的能量图式600，其中激励光hv 210、微波辐射430和三个状态³A、³E和¹A以及关于电子的状态³A和³E的相应的能级m_s=0和m_s=±1被示出。即使在图6中没有明确或不同地示出，状态³E m_s=±1在施加磁场时如状态³A m_s=±1那样由于塞曼分裂而同样分裂。因此，状态³E在此具有另外的能级或两个分裂的能级m_s=+1和m_s=-1。

图7示出关于图6中的能量图式的图形700。在此，图7中的图形700对应于图3或图5中的除了以下例外的图形，即第二曲线图312上的两个标记720和725代表图6的能量图式中的事实情况，即具有磁场（B≠0）和具有可变的微波激励或微波频率。标记720和725分别布置在第二曲线图312的各一个最小值或荧光最小值的区域中。例如，第一标记720布置在第一最小值ω₁的区域中并且第二标记725布置在第二最小值ω₂的区域中。

参考图2至7，换句话并且综合来说，示出了在附加的微波激励下关于通过荧光测量来进行磁场测量的工作原理的能量图式和图形或测量磁场的一个示例。金刚石中的氮缺陷具有在室温下在图2中示出的图形或能量图式200中示出的能量谱。在正常状态中，即没有微波并且没有磁场，氮缺陷在光学激励下示出630nm波长下的荧光。如果除了通过激励光210的光学激励之外还照射微波辐射430，则在2.88GHz处发生荧光的扰动，因为电子在该情况下从状态³A的等级m_s=±1提高到状态³E的等级m_s=±1上并且从那里不放射性地重组。在外部磁场的情况下发生等级m_s=±1的分裂（塞曼分裂）并且在关于微波激励的频率绘制荧光的情况下在荧光谱中显示出两个最小值、例如ω₁和ω₂，它们的频率间隔与磁场强度B成比例。磁场灵敏度在此通过最小可分辨的频率位移来限定并且可以达到若干。该方法也称为ODMR（光学检测磁共振）。在微波频率与状态³A m_s=0和等级m_s=±1之间的能量间隔一致的情况下，发生荧光的扰动。在外部磁场的情况下，等级m_s=±1分裂并且存在两个定义的微波频率，在所述微波频率下荧光减小或存在最小值。频率间隔在此与磁场B成比例。

图8示出根据一个实施例的传感器装置800的示意图。传感器装置800根据在图8中示出的实施例具有：具有至少一个氮缺陷的金刚石810、用于用激励光210照射金刚石810或用于金刚石810的光学激励的光源820、示例性地仅仅一个用于给金刚石810加载微波或微波辐射的微波天线830、具有探测器850和光学过滤器855的用于探测金刚石810的荧光信号220的光强度的探测装置840、具有微波源870和用于内部磁场的电流源880的施加装置860和控制设备890或读取电路890。

金刚石810布置在光源820和探测装置840之间。在此，光学过滤器855布置在金刚石810和探测器850之间。微波天线830至少部分围绕金刚石810地来布置。微波天线830有信号传输能力地与施加装置860或微波源870和电流源880连接。

施加装置860被构造用于将用于产生微波的微波信号和用于生成内部磁场B_mod的磁场信号施加到微波天线830上，可以利用该内部磁场加载金刚石810。

控制设备890有信号传输能力地与光源820、探测装置840、更确切地说探测器850和施加装置860或微波源870和电流源880连接。控制设备890被构造用于实施在图20中示出的用于校准的方法或类似方法、在图21中示出的用于检测的方法或类似方法和/或在图22中示出的测量过程或类似测量过程。

换言之，图8示出基于金刚石810中的氮缺陷或NV中心的传感器或传感器装置800的示例性布置的示意图。金刚石810在运行传感器800中由光源820照射而激励并且由微波源870通过微波天线830加载微波。荧光信号220由光学过滤器855与激励光210分离并且射到探测器850上，该探测器将光强度的测量值转发给分析电路890或控制设备890。控制设备890被构造用于特别是也控制光源820和微波源870。附加地，用于感生磁场B_mod的电流源880连接到微波天线830上。因此，图8示出基于金刚石810中的NV中心的传感器装置800的示例性结构。微波源880在此与微波天线830电连接，该微波天线以例如由具有一个或多个围绕着金刚石810的绕组的导线来实现和构造，以便用微波激励金刚石810中的氮缺陷。替代地，可以使用其他用于制造线圈或微波天线的方法、诸如应用电路板上的印制导线。

图9示出根据一个实施例的围绕金刚石810感生磁场或内部磁场B_mod的示意图。在此，在图9中示出图8中的传感器装置或类似传感器装置的金刚石810以及微波天线830、内部磁场B_mod或磁场B_mod和磁场信号I_mod或附加的电流I_mod或感应电流I_mod，所述磁场信号I_mod或附加电流I_mod或感应电流I_mod施加到微波天线830上。因此，图9示出通过施加附加电流I_mod到微波天线830上而围绕金刚石810感生磁场B_mod。

图10示出根据一个实施例的围绕金刚石810感生磁场B_y和B_x。换言之，图10通过布置多个线圈830和1030或微波天线830和1030而沿两个空间方向产生磁场B_y和B_x。

参考图9和图10可见，使用微波天线830，以便感生作用到金刚石810上的磁场B_mod。为此，将感应电流I_mod形式的直流电或交流电注入到微波天线830中，该感应电流I_mod产生相应的磁场B_mod，如图9中所示。为了能够沿多于一个空间方向产生磁场B_y和B_x，在图10中规定，使用多于一个的微波天线830，如图10中借助另外的微波天线1030或电线圈1030示出。在此，微波天线830和另外的微波天线1030或电线圈1030例如彼此正交地布置。如果使用微波天线830来产生交变磁场B_mod，则可以通过电过滤器、例如由无源器件构成的网络来防止为此使用的交变电流源（例如在kHz范围内的频率）和微波源（例如在GHz范围内的频率）的影响。

图11示出根据一个实施例的关于荧光测量的方向相关性的示意图。在此示出图8中的传感器装置或类似传感器装置的金刚石810和微波天线830以及内部磁场B_mod、测量方向1101和象征性示出金刚石810中的四个晶向上的各个氮缺陷的定向1102。换言之，图11示出通过施加内部磁场B_mod或参考场B_mod来确定四个ODMR最小值或荧光最小值对测量方向1101上的磁场B_mod的灵敏度的布置，其中所述四个ODMR最小值或荧光最小值与金刚石810中的四个晶向相关，所述内部磁场B_mod或参考场B_mod通过微波天线830或电线圈感生。

图12示出根据一个实施例的关于荧光测量的方向相关性的图形1200。图12中的图形1200针对图11中的事实情况根据横轴上的微波频率1202来示出纵轴上的荧光信号的光强度1204。在此，在图12中阐明针对光学探测的磁共振（ODMR）的各个ODMR最小值由于内部磁场B_mod的位移。在此，在图形1200中标出四对ODMR最小值1210、1212、1214和1216。第一对ODMR最小值1210涉及金刚石的第一晶向并且示出第一位移间隔。第二对ODMR最小值1212涉及金刚石的第二晶向并且示出第二位移间隔。第二位移间隔小于第一位移间隔。第三对ODMR最小值1214涉及金刚石的第三晶向并且示出第三位移间隔。第三位移间隔小于第二位移间隔。第四对ODMR最小值1216涉及金刚石的第四晶向并且示出第四位移间隔。第四位移间隔小于第三位移间隔。更准确的说，第四位移间隔为零，其中第四对ODMR最小值1216彼此不相对位移。

图13示出根据一个实施例的关于荧光测量的方向相关性的图形1300。图13中的图形1300针对图11或图12中的事实情况根据横轴上的晶向1302来示出纵轴上的有关测量方向上的四个晶向的相对灵敏度1304。在此，给第一晶向分配具有第一灵敏度值的第一柱条1310。给第二晶向分配具有第二灵敏度值的第二柱条1312。第二灵敏度值小于第一灵敏度值。给第三晶向分配具有第三灵敏度值的第三柱条1314。第三灵敏度值小于第二灵敏度值。给第四晶向分配具有为零的高度或第四灵敏度值的第四柱条1316。

图14至19示出根据一个实施例的在附加的微波激励和磁场激励的情况下荧光测量的图形。在此，荧光测量可以在使用图8中示出的传感器装置或类似传感器装置的情况下或结合图20和图21中的方法中的至少一个来执行。

图14示出根据一个实施例的根据微波频率的不同的内部产生的磁场B_mod的ODMR谱的图形1400。在横轴1402上绘出以兆赫兹（MHz）为单位的微波频率的相对变化并且在纵轴1404上绘出以任意单位的ODMR信号。此外，在图形1400中标出三个曲线图1410、1412和1414。三个曲线图1410、1412和1414分别示例性地示出图2至7中的两个由塞曼分裂产生的最小值中的仅仅一个最小值。在此，ODMR谱连锁到最小值中。第一曲线图1410代表在所施加的磁场B_mod=0或没有施加磁场的情况下的第一ODMR信号。第二曲线图1412代表在所施加的磁场B_mod=+B的情况下的第二ODMR信号。第三曲线图1414代表在所施加的磁场B_mod=-B的情况下的第三ODMR信号。

图15示出关于图14中的ODMR谱的信号时间图1500。更确切地说是针对恒定微波激励的由微波天线或线圈产生的磁场B_mod1510和所产生的ODMR输出信号1520的时间变化。在此，在横轴1502上绘出以秒（S）乘以10^-3为单位的时间并且在纵轴1504上绘出以任意单位的信号。

图16示出图15中的信号的频谱或频率内容的图形1600。更确切地说，图形1600示出针对以下情况的图15中的信号的频谱，即微波频率与ODMR最小值的通过外部磁场确定的位置一致。在横轴1602上绘出以赫兹（Hz）为单位的频率并且在纵轴1604上绘出以任意单位的傅里叶变换。第一曲线图1610代表磁场B_mod的傅里叶变换并且第二曲线图1620代表ODMR信号的傅里叶变换。

图17示出根据一个实施例的根据微波频率的不同的内部产生的磁场B_mod的ODMR谱的图形1700。图17中的图形1700在此对应于图14中的除了以下例外的图形，即ODMR谱在外部恒定磁场的附加作用下示出。在此，三个曲线图1410、1412和1414由于外部磁场而位移。

图18示出关于图17中的ODMR谱的信号时间图1800。图18中的信号时间图1800在此对应于图15中的除了以下例外的信号时间图，即ODMR输出信号1520的信号曲线与图15中示出的信号曲线不同。

图19示出图18中的信号的频谱或频率内容的图形1900。图19中的图形1900在此对应于图16中的除了以下例外的图形，即代表ODMR信号的傅里叶变换的第二曲线图1620示出与图16中的第二曲线图不同的曲线。换言之，图19示出针对以下情况的图18中的信号的频谱，即微波频率与ODMR最小值的通过外部磁场确定的位置不一致。

图20示出根据一个实施例的用于校准的方法2000的流程图。可以实施方法2000来校准传感器装置。特别是可以实施方法2000来校准图8中的传感器装置或类似传感器装置。一般来说，可以实施用于校准的方法2000来校准以下传感器装置，其具有：具有至少一个氮缺陷的金刚石；用于用激励光照射金刚石的光源；至少一个用于给金刚石加载微波的微波天线和用于探测金刚石的荧光信号的光强度的探测装置。

在用于校准的方法2000中，在施加的步骤2010中，将用于产生微波的微波信号施加到传感器装置的至少一个微波天线上。随后，在施加的另一步骤2020中，将用于生成内部磁场的磁场信号施加到所述至少一个微波天线上，其中可以用该内部磁场加载金刚石。然后，在确定的步骤2030中在使用响应于内部磁场的荧光信号的情况下在微波的频谱内确定至少一个微波频率，在该微波频率下出现光强度的最小值，以便产生校准数据以用于在检测测量参量时使用。

根据在图20中示出的实施例，用于校准的方法2000还具有求取的步骤2040，在该步骤中在使用荧光信号的情况下在频谱内求取至少一个参考频率，在该参考频率下出现光强度的参考最小值。求取的步骤2020在此可以在施加磁场信号的步骤2020之前实施。特别是，求取的步骤2040在施加微波信号的步骤2010与施加磁场信号的步骤2020之间实施。在这种情况下，然后在确定的步骤2030中计算至少一个参考频率和至少一个微波频率之间的至少一个位移值。

换言之，通过在使用内部磁场的情况下实施用于校准的方法2000，可以在运行期间校准传感器装置对磁场的灵敏度，其中该内部磁场例如通过微波天线或线圈或以其他已知的方式产生。对此，产生具有已知强度的磁场并且在ODMR谱中测量一个或多个最小值的所属的位移。所述校准数据例如被存储并且随后被使用，以便从ODMR最小值的所测量的位移计算外部磁场的矢量大小。

因为在借助传感器装置中产生的磁场进行校准期间，同时施加的外部磁场可以引起干扰，所以根据一个实施例执行ODMR信号的相对测量。对此，可以在求取的步骤2040中和在确定的步骤2030中直接在接通或施加内部磁场之前和之后执行例如两次测量并且进行比较。可选地，可以产生或施加周期性变化的磁场。对于这样的变化场B_mod的ODMR谱的位移示例性地在图14中示出（分别示出两个由塞曼分裂产生的最小值中的仅仅一个峰值）。在实施用于校准的方法2000期间，现在可以仅仅滤出ODMR谱的随着所产生的磁场的已知频率变化的位移。因此可以最小化外部磁场对校准的影响。

根据一个实施例，各个最小值的方向相关的灵敏度也可以分配给传感器装置的空间方向。金刚石中的NV中心或氮缺陷分别对准金刚石中的四个晶向之一并且也在该方向上对磁场灵敏。根据磁场的方向，ODMR谱中的与这四个定向相关的四个最小值对不同强烈地位移，如图12中所示。在使用至少一个沿所期望的或多个所期望的测量方向布置的微波天线或线圈并且在测量不同的ODMR最小值由于所产生的磁场而位移的情况下可以确定这些最小值对测量方向的灵敏度。该原理例如在图11至13中示出。测量值被存储并且用来从最小值的所测量的位移计算外部磁场的矢量。通过多个微波天线和/或线圈校准多个空间方向例如可以依次执行。替代地可以的是，给不同的微波天线和/或线圈施加在频率或相位上不同的电流或磁场信号。因此，ODMR谱的相对位移对测量方向的分配也可以通过在使用频率或相位信息的情况下的识别而同时实现。

图21示出根据一个实施例的用于检测测量参量的方法2100的流程图。特别是，用于检测的方法2100可以结合或在使用图8中的传感器装置或类似传感器装置的情况下实施。一般来说，用于检测的方法2100可以结合或在使用以下传感器装置的情况下实施，该传感器装置具有：具有至少一个氮缺陷的金刚石；用于用激励光照射金刚石的光源；至少一个用于给金刚石加载微波的微波天线和用于探测金刚石的荧光信号的光强度的探测装置。

在用于检测的方法2100中，在施加的步骤2110中，将用于产生微波的微波信号施加到至少一个微波天线上，以便遍历微波的频谱。然后，在分析的步骤2120中，响应于所施加的微波信号地分析荧光信号，以便在频谱中确定至少一个微波频率，在该微波频率下出现光强度的最小值。然后，在调节的步骤2130中，调节微波信号，以便产生具有在确定的步骤中确定的微波频率的微波。随后，在调整的步骤2140中，响应于最小值的由测量参量的变化所决定的位移来调整微波信号，以便围绕确定的微波频率改变微波的频率，直至找到新的微波频率，在该新的微波频率下出现光强度的经位移的最小值。最后，在计算的步骤2150中，在使用微波频率和新的微波频率的情况下计算测量参量。

根据一个实施例，在计算的步骤2150中，在使用校准数据的情况下计算测量参量，所述校准数据按照图20中的用于校准的方法或类似方法来产生。换言之，在此在计算的步骤2150中，使用按照图20中的用于校准的方法或类似方法来产生的校准数据。

可选地，用于检测的方法2100具有施加磁场信号的步骤2160和改变微波信号的步骤2170。施加磁场信号的步骤2160或改变微波信号的步骤2170在此可以在调节微波信号的步骤2130和调整微波信号的步骤2140之间实施。

在施加的步骤2160中将用于生成内部磁场的磁场信号施加到至少一个微波天线上，以便生成随着激励频率周期性变化的内部磁场，其中可以利用该内部磁场加载金刚石。在此，然后在调整的步骤2140中调整微波信号，直至荧光信号的与激励频率相关的并且分配给光强度的最小值的频率分量是最大的，以便找到新的微波频率。根据一个实施例，在施加磁场信号的步骤2160中，将磁场信号施加到至少一个微波天线上并且将至少一个另外的磁场信号施加到至少一个另外的微波天线或至少一个电线圈上。在此，磁场信号和至少一个另外的磁场信号关于频率或相位彼此不同。

在改变的步骤2170中改变微波信号，以便用激励频率周期地围绕确定的微波频率来改变微波的频率。在此，然后在调整的步骤2140中调整微波信号，直至荧光信号的与激励频率相关的并且分配给光强度的最小值的频率分量是最大的，以便找到新的微波频率。

图22示出根据一个实施例的测量过程2200的流程图。换言之，图22示出测量或测量过程2200的流程的一个示例，其中内部生成的磁场被用于调制ODMR谱。测量过程2200可以结合图21中的用于检测的方法或类似方法来实施。

在块2201中开始测量。然后，在块2202中记录在所有微波频率上的ODMR谱。块2202在此与图21中的用于检测的方法中的施加微波信号的步骤是可比较的。然后，测量过程2200转至块2203，其中在ODMR谱中识别最小值的位置（微波频率）。块2203与图21中的用于检测的方法中的分析荧光信号的步骤是可比较的。随后，在块2204中将微波频率调节到相关最小值的位置上。块2204与图21中的用于检测的方法中的调节微波信号的步骤是可比较的。

然后，测量过程2200转至块2205，其中产生具有频率或激励频率f_mag的内部交变磁场。块2205与图21中的根据用于检测的方法的一个实施例的施加磁场信号的步骤是可比较的。

然后，测量过程2200到达判定块2206，其中检查ODMR信号的频率分量f_mag是否是最大的。如果是，则过程转至块2207，其中从微波频率确定外部磁场的大小。块2207与图21中的用于检测的方法中的计算的步骤是可比较的。测量过程2200以一个回环从块2207跳回至判定块2206。

如果在判定块2206中确定ODMR信号的频率分量f_mag不是最大的，则测量过程2200转至块2208，其中确定最小值是否在初始频率附近被猜想到。如果并非如此，则测量过程2200返回至块2202。如果情况如此，则测量过程2200转至块2209，其中从先前位置出发沿两个方向执行微波频率的系统改变。测量过程2200从块2207跳回至判定块2206。

参考图21和图22，随后综合并且换言之示出用于检测的方法2100或测量过程2200。

提出用于检测的方法2100或测量过程2200，其中内部产生的磁场被用于调制，以便以简单的方式在传感器装置的ODMR谱中确定和跟踪各个最小值的位置和位移。在例如可以为外部磁场、温度或机械张力的测量参量变化的情况下，微波频率发生位移，在所述微波频率下出现荧光的各个最小值。通过所述位移，在用于检测的方法2100或测量过程2200中确定外部测量参量。

通常，经常为了确定最小值的位移而测量荧光的强度，在此期间微波频率改变。于是，在如此记录的谱中，通常通过数学运算识别最小值并且与之前记录的谱进行比较，以便确定最小值的相对位移。

然而，根据实施例，在用于检测的方法2100或测量过程2200中可以减小计算耗费并且增大传感器装置的带宽，因为可以缩小通常为了记录谱而待遍历的微波频率的范围。对此，在用于检测的方法2100或测量过程2200中首先记录完整的ODMR谱，以便识别最小值的位置，如在施加微波信号的步骤2110中和分析荧光信号的步骤2120中或在块2202和2203中所示那样。然而，将微波源调节到待测量的最小值的频率上，如在调节微波信号的步骤2130中或在块2204中所示那样。

现在，在块2205中或在施加磁场信号的步骤2160中，在传感器装置内部沿以下方向感生周期性变化的、如图15或图18中所示的例如正弦形磁场B_mod，该最小值对该方向灵敏。在此调节交变场的频率f_mod，使得该频率高于传感器装置的所期望的带宽，但是小于氮缺陷的反应时间。通过内部产生的磁场，最小值的位置如图14中所示围绕着之前确定的中间的微波频率变化。因此，荧光信号的在恒定保持的微波频率下测量的强度也以所注入的磁场的两倍频率（2f_mod）周期性变化，如图15和图16中所示。外部信号或测量参量、诸如外部磁场导致中间微波频率的位移，ODMR最小值围绕着该中间微波频率周期性振荡，如图17中所示。在不变的微波频率的情况下，出于该原因，所观察的荧光信号变化。荧光信号的具有两倍激励频率的分量特别是减小，如图18和图19中所示。当微波频率与ODMR最小值的在没有内部磁场的情况下记录的频率一致时，荧光信号的具有两倍激励频率的分量是最大的。因此，借助分析该信号分量，可以简单地探测外部测量值的改变并且实现类似于所谓的锁定方法的分析方案。

如果确定外部测量值的这样的变化，则在块2209中微波频率沿初始频率的两个方向变化，即朝跟高和更低频率变化，直至ODMR信号中的具有两倍激励频率（2f_mod）的分量变得最大并且找到经位移的ODMR最小值的新的微波频率。从经位移的最小值的该位置可以例如可选地在使用图20中的用于校准的方法中的校准值的情况下确定外部测量参量的新的测量值。只有当通过微波频率的重复变化不能重新找到最小值时，才重新记录ODMR谱，以便确定最小值的位置，如前述那样。

对于在多于一个测量轴中的调制，例如使用多个微波天线和/或多个线圈。在此又可设想的是，感生的磁场彼此在频率或相位上变化，使得场的作用对测量轴的分配通过该变化是可能的。

图23至28示出根据一个实施例的在附加的微波激励下的荧光测量的图形。在图23至28中示出的图形类似于在图14至19中示出的图形。荧光测量在此可以在使用图8中示出的传感器装置或类似传感器装置的情况下或者结合图20和图21中的方法中的至少一个来执行。

图23示出根据一个实施例的针对微波激励的周期性变化的频率的ODMR谱的图形2300。在横轴2302上绘出以兆赫兹（MHz）为单位的微波频率△f_MW的变化并且在纵轴2304上绘出以任意单位的ODMR信号。此外，在图形2300中标出曲线图2310，其示例性代表图2至7中的两个通过塞曼分裂产生的最小值中的仅仅一个最小值。在此，ODMR谱连锁到最小值中。在这里示出的读取方案中，微波频率或微波激励的频率周期性变化，在此例如在通过线2320和2330标记的界限内周期性变化，这导致具有与图14至19中的类似的特性的输出信号，而没有通过内部生成的磁场进行调制。ODMR最小值由于外部测量参量的位移可以如前述那样探测到。

图24示出关于图23中的ODMR谱的信号时间图2400。信号时间图2400在此对应于图15中的除了以下例外的信号时间图，即代替产生的磁场而标记周期性变化的微波频率△f_MW2410作为曲线图。换言之，图24示出△f_MW和ODMR信号的变化。

图25示出图24中的ODMR信号的频谱或频率内容的图形2500。图形2500在此对应于图16中的除了以下例外的图形，即仅仅标出ODMR信号的通过曲线图1620代表的傅里叶变换。

图26示出根据一个实施例的针对微波激励的周期性变化的频率的ODMR谱的图形2600。图26中的图形2600在此对应于图23中的除了以下例外的图形，即示出在外部恒定磁场的附加作用下的ODMR谱。在此，曲线图2310由于外部磁场而位移。

图27示出关于图26中的ODMR谱的信号时间图2700。图27中的信号时间图2700在此对应于图24中的除了以下例外的信号时间图，即ODMR输出信号1520的信号曲线与图24中示出的信号曲线不同。

图28示出图27中的ODMR信号的频谱或频率内容的图形2800。图28中的图形2800在此对应于图25中的除了以下例外的图形，即代表ODMR信号的傅里叶变换的曲线图1620示出与图25中的曲线图不同的曲线。

因此，图23至28示出分析方案，其中相对于荧光信号的调制通过内部生成的磁场（围绕着ODMR谱中的最小值的之前确定的频率）周期性改变微波频率。这导致与通过交替磁场相似的输出信号，而没有施加相应的交替磁场。外部测量参量的变化可以如前述那样探测。因此可以在多个空间方向上进行测量，而不需要由于另外的线圈的附加耗费。

如果实施例在第一特征和第二特征之间包括“和/或”连接，则这可以理解为，该实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征而根据另一种实施方式仅具有第一特征或仅具有第二特征。

Claims

1.一种传感器装置（800），其具有以下特征：

具有至少一个缺陷（105）的晶体（810）；

用于用激励光（210）照射所述晶体（810）的光源（820）；

至少一个用于给所述晶体（810）加载微波（430）的微波天线（830；1030）；

用于探测所述晶体（810）的荧光信号（220）的至少一个信号特性的探测装置（840、850、855）；和

施加装置（860、870、880），其被构造用于将用于产生所述微波（430）的微波信号和用于生成内部磁场（B_mod）的磁场信号（I_mod）施加到所述至少一个微波天线（830；1030）上，其中能够利用所述内部磁场加载所述晶体（810）。

2.根据权利要求1所述的传感器装置（800），具有根据以下权利要求之一所述的控制设备（890），其中所述控制设备（890）有信号传输能力地与所述光源（820）、所述探测装置（840、850、855）和所述施加装置（860、870、880）可连接或连接。

3.根据前述权利要求之一所述的传感器装置（800），具有至少一个用于引起至少一个另外的内部磁场的电线圈（1030），其中所述至少一个另外的内部磁场具有另外的场方向，所述另外的场方向与所述内部磁场（B_mod）的场方向不同。

4.根据前述权利要求之一所述的传感器装置（800），其中所述施加装置（860）具有微波源（870）、电流源（880）和/或用于最小化所述微波源（870）和所述电流源（880）的相反影响的电过滤器，其中所述电流源（880）被构造用于将直流电或交流电作为磁场信号（I_mod）注入到所述至少一个微波天线（830；1030）中。

5.用于校准传感器装置（800）的方法（2000），其中所述传感器装置（800）具有：具有至少一个缺陷（105）的晶体（810）；用于用激励光（210）照射所述晶体（810）的光源（820）；至少一个用于给所述晶体（810）加载微波（430）的微波天线（830；1030）；和用于探测所述晶体（810）的荧光信号（220）的至少一个信号特性的探测装置（840、850、855）；其中所述方法（2000）至少具有以下步骤：

将用于产生所述微波（430）的微波信号施加（2010）到所述至少一个微波天线（830；1030）上；

将用于生成内部磁场（B_mod）的磁场信号（I_mod）施加（2020）到所述至少一个微波天线（830；1030）上，其中能够利用所述内部磁场加载所述晶体（810）；和

在使用响应于所述内部磁场（B_mod）的荧光信号（220）的情况下在所述微波（430）的频谱内确定（2030）至少一个微波频率，在该微波频率下出现预先定义的信号特性，以便产生校准数据以用于在检测测量参量中使用。

6.根据权利要求5所述的方法（2000），具有在使用所述荧光信号（220）的情况下在所述频谱内求取至少一个参考频率的步骤（2040），在该参考频率下出现参考信号特性，其中求取的步骤（2040）在施加磁场信号（I_mod）的步骤（2020）之前实施，其中在确定的步骤（2030）中计算在所述内部磁场（B_mod）影响下的所述至少一个参考频率与所述至少一个微波频率之间的至少一个位移值。

7.根据权利要求5至6之一所述的方法（2000），其中在施加磁场信号（I_mod）的步骤（2020）中施加适合于生成周期性变化的内部磁场（B_mod）的磁场信号（I_mod）。

8.用于检测测量参量的方法（2100），其中所述方法（2100）能够结合以下传感器装置（800）来实施，所述传感器装置具有：具有至少一个缺陷（105）的晶体（810）；用于用激励光（210）照射所述晶体（810）的光源（820）；至少一个用于给所述晶体（810）加载微波（430）的微波天线（830；1030）；和用于探测所述晶体（810）的荧光信号（220）的至少一个信号特性的探测装置（840、850、855）；其中所述方法（2100）至少具有以下步骤：

将用于产生所述微波（430）的微波信号施加（2110）到所述至少一个微波天线（830；1030）上，以便遍历所述微波（430）的频谱；

分析（2120）响应于所施加的微波信号的荧光信号（220），以便在所述频谱中确定至少一个微波频率，在该微波频率下出现预先定义的信号特性；

调节（2130）所述微波信号，以便产生具有在确定步骤（2120）中确定的微波频率的微波（430）；

响应于预先定义的信号特性的由测量参量的变化所决定的位移来调整（2140）所述微波信号，以便围绕着确定的微波频率来改变所述微波（430）的频率，直至找到新的微波频率，在该新的微波频率下出现经位移的预先定义的信号特性；和

在使用所述微波频率和所述新的微波频率的情况下计算（2150）所述测量参量。

9.根据权利要求8所述的方法（2100），其中在计算的步骤（2150）中在使用校准数据的情况下来计算所述测量参量，所述校准数据按照根据权利要求5至7之一所述的用于校准的方法（2000）来产生。

10.根据权利要求8至9之一所述的方法（2100），具有将用于生成内部磁场（B_mod）的磁场信号（I_mod）施加到所述至少一个微波天线（830；1030）上的步骤（2160），以便生成随着激励频率周期变化的内部磁场（B_mod），其中能够利用所述内部磁场加载所述晶体（810），其中在调整的步骤（2140）中调整所述微波信号，直至荧光信号（220）的与所述激励频率相关的并且分配给预先定义的信号特性的频率分量是最大的，以便找到新的微波频率。

11.根据权利要求5至7和10之一所述的（2100），其中在施加磁场信号（I_mod）的步骤（2160）中将所述磁场信号（I_mod）施加到所述至少一个微波天线（830）上并且将至少一个另外的磁场信号施加到至少一个另外的微波天线（1030）或至少一个电线圈（1030）上，其中所述磁场信号（I_mod）和所述至少一个另外的磁场信号关于频率或相位彼此不同。

12.根据权利要求8至9之一所述的（2100），具有改变所述微波信号的步骤（2170），以便围绕着确定的微波频率用激励频率周期性地改变所述微波（430）的频率，其中在调整的步骤（2140）中调整所述微波信号，直至荧光信号（220）的与所述激励频率相关的并且分配给预先定义的信号特性的频率分量是最大的，以便找到新的微波频率。

13.一种控制设备（890），其被设立用于在相应单元中实施根据前述权利要求之一所述的方法（2000；2100）的步骤。

14.一种计算机程序，其被设立用于实施根据前述权利要求之一所述的方法（2000；2100）。

15.一种机器可读的存储介质，在其上存储有根据权利要求14所述的计算机程序。