CN110325869A - 金刚石磁传感器 - Google Patents

Abstract

一种金刚石磁传感器，所述金刚石磁传感器包括：金刚石，所述金刚石包含至少一个NV^—中心；微波发生器，所述微波发生器向所述金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向所述金刚石的NV^—中心发射激发光；以及荧光传感器，所述荧光传感器接收从所述金刚石的NV^—中心产生的荧光，所述荧光金刚石磁传感器包括模式测量装置，所述模式测量装置基于由所述荧光传感器感测的荧光强度的变化来测量磁场强度的时间变化模式。

Description

金刚石磁传感器

技术领域

本发明涉及一种包括金刚石的磁传感器。

本申请要求于2017年2月21日提交的日本专利申请No.2017-029689的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

霍尔元件已被广泛地用作测量磁场的强度的磁传感器。利用超导的SQUID已知用于小磁场的测量。最近已提出一种能够通过利用在金刚石中形成的氮空位复合体(NV^—中心)来高度灵敏地检测小区域中的磁场的传感器作为新传感器(NPL1)。这样的传感器在它以约2.8GHz的频率向包含NV^—中心的金刚石发射微波的同时检测在它向NV^—中心发射绿色光作为激发光时作为荧光从NV^—中心产生的红色光。磁场的强度是在扫描发射的微波的频率时在荧光强度的降低点中基于依赖于磁场强度的变化来检测的(PTL 1)。已进行了关于适合于这样的传感器的金刚石的研究(PTL 2)。

引用列表

专利文献

PTL 1：WO2015/107907A1。

PTL 2：日本专利公开No.2012-121748。

非专利文献

NPL 1：J.R.Maze等人,"Nanoscale magnetic sensing with an individualelectronic spin in diamond,"Nature,Vol.第455卷,第644页(2008)。

发明内容

技术问题

利用NV^—中心的传感器能够测量非常弱的磁场强度的变化。在发射的微波的频率被固定情况下测量荧光强度的变化的方法一直受到限制的原因在于可检测的磁场强度的范围窄。通常，存在大于要检测的小磁场的环境磁场。因此，应该提供用于切断环境磁场的大型屏蔽室。即使在这种情况下，也难以完全切断诸如源自诸如传感器的电路的磁场这样的环境磁场，并且这样的困难对实际用途施加很大限制。本发明的目的是为了获得一种实现可检测的磁性强度的加宽范围并且利用清除环境磁场的方案而适合于实际用途的金刚石磁传感器。

问题的解决方案

根据本发明的一种方式的金刚石磁传感器包括：金刚石，所述金刚石包含至少一个NV^—中心；微波发生器，所述微波发生器向所述金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向所述金刚石的NV^—中心发射激发光；以及荧光传感器，所述荧光传感器接收从所述金刚石的NV^—中心产生的荧光，并且所述金刚石磁传感器包括模式测量装置，所述模式测量装置基于由所述荧光传感器感测的荧光强度的变化来测量磁性强度的时间变化模式。

根据另一方式，一种金刚石磁传感器包括：金刚石，所述金刚石为板状，在平面图中包含多个NV^—中心区域；磁阵列，所述磁阵列与所述NV^—中心区域对应地布置；微波发生器，所述微波发生器向所述金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向所述金刚石发射激发光；以及荧光传感器阵列，所述荧光传感器阵列分别接收从所述多个NV^—中心区域产生的荧光。

发明的有益效果

根据上文，可获得一种实现可检测的磁性强度的加宽范围并且通过清除环境磁场而适合于实际用途的金刚石磁传感器。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一实施例的金刚石磁传感器的基本配置的示意图。

图2是用于图示包括NV^—中心的金刚石磁传感器的基本原理的曲线图。

图3是用于图示用常规的金刚石磁传感器来测量小磁场的变化的原理的曲线图。

图4是用于图示根据本实施例的金刚石磁传感器的一种测量原理的曲线图。

图5是用于图示由根据本实施例的金刚石磁传感器所获得的时间变化模式的曲线图。

图6是示出根据本发明的第二实施例的金刚石磁传感器的基本配置的示意图。

图7A是示出金刚石和磁阵列的布置的状态的立体图。

图7B是示出通过图7A中的区域a和区域b的横截面C1的横截面图。

图7C是示出图7B中的荧光传感器阵列31的进一步布置的状态的横截面图。

图8是示出与相应的区域a至e相对应的荧光强度信号的曲线图。

图9是示出作为施加某个外部磁场的结果的频率间隔移位Fx的状态的曲线图。

图10是示出在区域d中检测到的荧光强度的变化的曲线图。

图11是用于图示由根据第三实施例的金刚石磁传感器进行测量的方法的曲线图。

图12是示出图11中所示的曲线图的加权和加法的结果的曲线图。

图13是示出在峰间隔中与图11和图12不同的曲线图的加权和加法的结果的曲线图。

图14是示出在峰间隔中与图11至图13不同的曲线图的加权和加法的结果的曲线图。

图15是示出在峰间隔中与图11至图14不同的曲线图的加权和加法的结果的曲线图。

图16是示出在峰间隔中与图11至图15不同的曲线图的加权和加法的结果的曲线图。

图17A是示出根据第一实施例的金刚石磁传感器当被作为模块安装在单个电路板上时的配置的示例的侧视图。

图17B是示出根据第一实施例的金刚石磁传感器当被作为模块安装在单个电路板上时的配置的示例的平面图。

图18A是示出根据第二实施例的金刚石磁传感器当被作为模块安装在单个电路板上时的配置的示例的侧视图。

图18B是示出根据第二实施例的金刚石磁传感器当被作为模块安装在单个电路板上时的配置的示例的平面图。

图19是用于图示环境磁场和要感测的磁场当被组合时的测量的曲线图。

图20是示出原型样品E的平面图。

图21是示出示例1中使用的装置的配置的示意图。

图22是示出示例1中的测量条件的曲线图。

图23是示意性地示出在图22中的测量条件下的测量结果的曲线图。

图24是示出与示例1中的图22中的测量条件不同的测量条件的曲线图。

图25是示意性地示出在图24中的测量条件下的测量结果的曲线图。

图26是示出示例2中使用的装置的配置的示意图。

图27是示出示例2中的测量条件和测量结果的曲线图。

图28是示出与示例2中的图27中的那些测量条件和测量结果不同的测量条件和测量结果的曲线图。

图29是示出与示例2中的图27和图28中的那些测量条件和测量结果不同的测量条件和测量结果的曲线图。

图30是示出与示例2中的图27至图29中的那些测量条件和测量结果不同的测量条件和测量结果的曲线图。

图31是示出与示例2中使用的图26中的装置不同的装置的配置的示意图。

图32是示出示例5中使用的装置的配置的示意图。

具体实施方式

[本发明的实施例]

将列举本发明的适合的实施例。

实施例之一涉及一种金刚石磁传感器，所述金刚石磁传感器包括：金刚石，所述金刚石包含至少一个NV^—中心；微波发生器，所述微波发生器向所述金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向所述金刚石的NV^—中心发射激发光；以及荧光传感器，所述荧光传感器接收从所述金刚石的NV^—中心产生的荧光，所述金刚石磁传感器包括模式测量装置，所述模式测量装置基于由所述荧光传感器感测的荧光强度的变化来测量磁场强度的时间变化模式。

所述模式测量装置合意地执行用于控制所述微波的频率的扫描的功能、用于指定产生所述荧光强度的相对最小值的所述微波的频率的功能以及用于基于所指定的频率检测磁场强度的功能，并且所述模式测量装置通过通过重复所述频率的扫描而重复所述磁场强度的检测来测量所述磁场强度的时间变化模式。

合意地进一步提供一种数据分析装置，所述数据分析装置基于所述时间变化模式使源自测量环境的磁场的强度和源自要测量的对象的磁场的强度彼此分离。

所述数据分析装置合意地是通过在所述时间变化模式中基于频率滤波来使所述磁场的强度分离的金刚石磁传感器。

另一实施例涉及一种金刚石磁传感器，所述金刚石磁传感器包括：金刚石，所述金刚石为板状，在平面图中包含多个NV^—中心区域；磁阵列，所述磁阵列与所述NV^—中心区域对应地布置；微波发生器，所述微波发生器向所述金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向所述金刚石发射激发光；以及荧光传感器阵列，所述荧光传感器阵列分别接收从所述多个NV^—中心区域产生的荧光。

以上述的每种方式，合意地进一步提供一种消除消圈，所述消除线圈通过产生规定的磁场来降低施加到所述金刚石的环境磁场。

所述金刚石磁传感器被合意地配置成使所述金刚石、所述微波发生器、所述激发光发生器和所述荧光传感器或荧光传感器阵列被直接地或者其间插入有另一构件地安装在单个电路板上。因此实现了作为磁传感器的性能和可靠性方面的改进，诸如整个传感器的配置的更小且更紧凑的大小、稳定的光轴、激发光的发射和微波的发射的更高效率以及发射位置的准确性和稳定性的增加。

一种配置还可进一步包括：磁屏蔽件，所述磁屏蔽件切断施加到所述金刚石的环境磁场；以及天线，所述天线将包括要感测的对象的外部信号引入到所述磁屏蔽件的内部中。

在上述金刚石磁传感器中，所述模式测量装置还可通过这样的装置来实现：所述装置测量磁场强度的空间方向模式或者针对每个空间方向测量时间变化模式，而不是测量磁场强度的时间变化模式。

在这种情况下，所述数据分析装置合意地通过这样的装置来实现：所述装置基于所述空间方向模式或者基于所述空间方向模式和所述时间变化模式两者使源自测量环境的磁场的强度和源自要测量的对象的磁场的强度彼此分离。

又一个实施例涉及一种金刚石磁传感器，所述金刚石磁传感器包括：金刚石，所述金刚石为板状，在平面图中包含多个NV^—中心区域；磁阵列，所述磁阵列与所述NV^—中心区域对应地布置；微波发生器，所述微波发生器向所述金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向所述金刚石发射激发光；以及荧光传感器，所述荧光传感器接收从所述多个NV^—中心产生的荧光，从所述多个NV^—中心区域产生的荧光的强度的相对最小值的幅度被依照所发射的微波的频率和由所述磁阵列施加的磁场针对每个NV^—中心区域不同地加权。

一种包括在平面图中包含多个NV^—中心区域的板状的金刚石和与所述NV^—中心区域对应地布置的磁阵列的配置，所述金刚石和所述磁阵列彼此接触，所述配置被合意地用作所述金刚石磁传感器的单元。固定磁场因此可有效地被施加到每个NV^—中心区域。

合意地，所述金刚石和包括所述荧光传感器的电子电路部分彼此相距至少1cm，并且将所述金刚石和所述电子电路部分彼此电连接的构件未被插入在所述金刚石与所述电子电路部分之间。为了尽可能地清除从所述金刚石磁传感器中的用作感测部分的金刚石和所述电子电路部分(产生激发光的电子电路、作为荧光接收部分的电子电路和产生微波的电子电路)产生的弱磁场，一种具有所述金刚石和电子电路在物理上且在空间上彼此远离的结构的装置是所希望的。因此，可清除通过磁场对所述金刚石磁传感器的不必要的影响。

在所述金刚石磁传感器中，包括所述荧光传感器的所述电子电路部分由透过可见光或红外光的固体与所述金刚石间隔开，并且能够被用于不同于标准状态的温度环境、不同于所述标准状态的压力环境和除空气以外的气体气氛中的至少一个环境中。

所述金刚石磁传感器可通过具有这样的结构的装置来实现，即用作所述感测部分的所述金刚石和所述电子电路部分通过对可见光区域或红外区域透明的板彼此间隔开并且被放置在彼此不同的环境中。因此，可测量电子电路不耐受但是金刚石耐受的环境中的磁场。

[本发明实施例的描述]

将在下面参考附图描述本发明的实施例。除非另外指定，否则附图为了描述的清楚起见是示意性的。因此，可以以方便查看的比例放大或者示出构件的大小和位置关系。在多个附图中分配有相同的附图标记的元件表示相同的部分或构件。尽管为了方便参考附图或描述起见，必要时使用表达诸如上、下、左和右方向这样的位置关系的术语，但是那些术语被用于方便理解本发明，并且本发明的技术范围不受那些术语的含义限制。

基本上，磁性用于意指在空间中产生磁场的源(包括具有N极和S极及量子力学自旋的源)，然而磁场用于意指通过磁性在围绕它的空间中形成的磁力的场。本文的磁传感器指代测量传感器所位于的位置处的磁场的传感器，然而，这也意指磁性的测量。因此，使用术语“磁性”。当不必严格地区分磁性和磁场时，不提供清楚有区别的描述。

表述磁场强度或磁性强度用于意指所测量的是磁场强度或磁性的强度。表述磁场方向或磁性方向用于意指所测量的是磁场或磁性的方向。

为了方便理解，通过磁场(磁性)所表达的是表示磁场(磁性)的时间变化模式的一个时刻的分段。即使要感测的磁场(磁性)不能简单地借助于在一个时刻的磁场(磁性)它本身来与磁场(磁性)区分开，当从磁场(磁性)强度或磁场(磁性)方向的时间变化模式的观点来观察它们时，可将它们彼此区分开。这是因为通过关注时间或频率，强度或其方向的变化的特性是不同的。

通过还关注表示磁性的空间分布的空间方向模式，可进一步将它们彼此区分开。时间变化模式指代磁场(磁性)强度或其方向随着时间的推移的总变化。空间方向模式指代在感测位置处观察到的磁场(磁性)方向的分布。因此，可通过将时间变化模式和空间方向模式彼此组合来获得磁场的矢量模式。

<第一实施例>

(由金刚石磁传感器进行的基本操作)

图1是示出根据本发明的第一实施例的金刚石磁传感器的基本配置的示意图。金刚石1是感测磁场的感测体。金刚石1在其晶格中包括至少一个氮空位复合物(其在下面将被表示为NV^—中心)。具有NV^—中心的金刚石1用来自微波发生源10的约2.8GHz的频率的微波12照射。在这种状态下，金刚石1用来自诸如具有532nm的波长的绿色激光的光源这样的激发光发生器20的激发光21照射。金刚石1然后从NV^—中心发射红色光作为荧光22。发射的荧光22被透镜23会聚并引导到检测其强度的荧光传感器30。在图1中示意性地描绘了每个部件的布置并且不旨在限于此。例如，配置不限于金刚石1的检测到荧光22的一侧及其用微波12照射的一侧位于相反的前侧和后侧这样的配置，并且配置不限于来自激发光发生器20的激发光21从上方倾斜地发射这样的配置。

从金刚石的NV^—中心产生的荧光在来自基态(磁量子自旋数m_s为0的状态)的激发与来自电子被微波谐振和激发的能级(磁量子自旋数m_s为-1或+1的状态)的激发之间的强度上不同。在前者示例中，荧光强度高，而在后者示例中，荧光强度低。在来自磁量子自旋数m_s为±1的状态的激发中，荧光强度低，因为电子由于不发射荧光的非发光跃迁而返回到基态。在电子被激发的能级下，通过在与能级差相对应的具体频率下用微波进行照射被激发来导致荧光的基态下的电子数减少。因此，通过在此特定频率下用微波进行照射来降低荧光强度。当存在磁场时，激发态在能量方面分裂(塞曼效应)。因此，存在荧光强度的至少两个相对最小值。由于在通过磁场分裂之前彼此已相等的两个能级之间的微波频率(能量差)中的差异与磁场强度成比例，所以可基于微波频率中的差异来计算磁场强度。

当存在单个NV^—中心时，在横坐标表示微波频率的示出荧光强度的曲线图中仅存在相对最小值的一个对。当在存在多个NV^—中心的示例中N与V之间的结合方向(定向)不同时，其中每个方向的磁场强度不同，荧光强度的曲线图展示多个相对最小值。在单片单晶金刚石中，在N与V之间最多有四个结合方向。因此，荧光强度的曲线图中的相对最小值的数目不超过八。即使存在多个相对最小值，也通过相同的磁场强度来产生微波频率中的差异的计算基于的相对最小值的对，因此可将它与其它对区分开。由于每对被定中心在零磁场被建立时的频率附近(由于相对最小值的对使在零磁场被建立时的频率作为其中心)，所以可将每对与其它对区分开。

考虑从微波发生源10发射的微波频率由图1中的频率扫描装置11扫描的示例。图2是用于图示具有NV^—中心的金刚石磁传感器的基本原理的曲线图并且示意性地示出由荧光传感器30检测到的荧光强度I与微波频率F之间的关系。如上所述，存在荧光强度I的至少两个相对最小值，并且表示频率差的ΔF通过施加到金刚石1中的NV^—中心的磁场的强度来确定。此磁场强度指代外部磁场和内部磁场。外部磁场指代由金刚石外部的因素所引起的磁场，而内部磁场指代由金刚石内部的因素所引起的磁场(例如，由诸如¹³C或¹⁵N这样的核自旋所引起的磁场或由缺陷中的电子自旋所引起的磁场)。

照惯例在研究中的这种类型的金刚石磁传感器捕获例如小磁场的变化，其中图2中的微波频率被固定为f1。将参考图3描述此状态，同时注意单个NV^—中心。图3是用于图示用常规的金刚石磁传感器来测量小磁场的变化的原理的曲线图。在微波频率被固定为f1的情况下检测荧光强度I。在图3的示例中，假定了初始状态下的磁场被施加到金刚石的NV^—中心并且荧光强度的相对最小值与频率f1确切地匹配。荧光强度I1被检测。假定了磁场稍微变化并且荧光强度的相对最小值移位到微波频率f2。在这种状态下，所检测到的是固定微波频率f1下的荧光强度，因此荧光强度达到I2。通过在发射恒定频率的微波的同时如此测量荧光强度，可测量小磁场的变化作为荧光强度的变化。

(金刚石磁传感器)

将参考图1及图4和图5描述根据本申请的发明的第一实施例的金刚石磁传感器。已在上面描述了如在图2中一样的荧光强度的相对最小值是通过通过用图1中的频率扫描装置11扫描微波12的频率来用荧光传感器30测量荧光22的强度而获得的。

图4是图示本申请中的金刚石磁传感器的一个实施例中的测量原理的曲线图。假定了当微波频率被重复地扫描时，通过微波频率的第一扫描来检测荧光强度的两个相对最小值并且频率差被检测为ΔF1。假定了磁场随着时间的推移而变化。假定了当微波频率被再次扫描时，表示检测到的荧光强度的相对最小值的频率差是ΔF2。因此，图5示出每次Δt通过对微波频率的重复扫描所检测到的频率差的线图，其中横坐标表示时间。纵坐标表示检测到的频率差ΔF。可通过使用预先准备的对应表达式或对应的转换数据来将ΔF转换为磁性强度。示出磁场强度随着时间的推移的变化的曲线图(其中纵坐标表示磁性强度并且其中横坐标表示时间)被称作磁场强度的时间变化模式，并且示出作为该磁场的产生源的磁性的强度的曲线图被称作磁性强度的时间变化模式。

尽管在上面描述了使用两个相对最小值之间的频率差的示例，但是能够测量可比较的变化的方法仅应该是适用的。例如，在已经知道两个相对最小值之间的中值频率的情况下，也可以仅检测任何一个相对最小值并且还可检测与已经知道的中值频率的差异作为ΔF/2。在这种情况下，频率的扫描的跨度可以更窄。中值指代磁性为零的点，并且当预先评估它时，可稍后校准它。

本申请的实施例中的金刚石磁传感器因此可通过重复微波的频率的扫描来基于展示了检测到的荧光强度的相对最小值的频率找到磁性强度的时间变化模式。为了获得磁性强度的更清楚的时间变化模式，微波的频率的扫描的速率(一次扫描所需要的时间)优选地短于1msec，更优选地短于10μsec，并且进一步优选地不短于1μsec。这是因为，随着频率的扫描的速率越高，可再现周期较短或更复杂的波形。微波的频率的扫描的范围(频率范围)和频率之间的间隔(在一次扫描中设定的频率之间的间隔)被设定为可观察到荧光强度的两个相对最小值的范围和间隔，并且优选地可观察至少一个相对最小值的范围和间隔，以便清楚地再现相对最小值。所感测的是微波的频率的变化。因此，即使频率大大地偏移，对磁性的灵敏度也被计算为频率差/频率并且未大大地变化。与在强度的变化被作为信号给出的示例中相比，可在磁场的更宽范围上感测小磁场。即，可维持对磁性强度的高分辨率灵敏度。对磁性强度的分辨率灵敏度取决于频率的分辨率。

这里呈现的磁性测量方法包括扫描微波频率的过程、指定在扫描期间测量的荧光的强度展示相对最小值的微波频率的过程、基于所指定的频率检测磁性强度的过程以及通过借助于金刚石磁传感器通过重复频率的扫描而重复磁性强度的检测来测量磁性强度的时间变化模式的过程，所述金刚石磁传感器包括：金刚石，所述金刚石包含至少一个NV^—中心；微波发生器，所述微波发生器向金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向金刚石的NV^—中心发射激发光；以及荧光传感器，所述荧光传感器接收从金刚石的NV^—中心辐射的荧光，并且包括模式测量装置，所述模式测量装置基于荧光强度的变化来测量磁性强度的时间变化模式。

可在替代实施例中采用相位扫描装置代替频率扫描装置。代替扫描频率的过程，可实现包括扫描相位的过程的磁性测量方法。发射具有期望频率宽度的微波和由其相移产生的微波的组合波并且扫描相位的方法是适用的。在这种情况下，可通过通过按相移量使用荧光强度的变化量的傅立叶变换来相对于频率获得作为荧光强度的变化的光谱而知道磁性强度。

尽管参考图3描述的常规方法已能够通过在微波频率固定的情况下观察荧光强度的变化来捕获非常弱的磁场中的变化，但是它一直无法解决大磁场中的变化。相比之下，本申请中的方法可处理要检测的磁场的量级更宽的范围，同时它可感测小磁场，其中在频率的扫描的范围内的荧光强度的相对最小值中的变化量被定义为极限。

感测荧光强度的变化的常规方法还可通过使来自荧光强度传感器的输出数字化来获得磁性强度的时间变化模式。在这种情况下，时间响应通过荧光强度传感器的响应速度和采样的时间间隔来确定，并且可预期非常高速的响应。参考图4和图5描述的方法在每次微波频率被扫描时获得磁性强度。因此，数据采样的间隔(在多次扫描中从一次扫描到下一次扫描的时间)依赖于微波频率的扫描的速率。优选的扫描速率等如先前所描述的。作为背景或环境的磁性强度的变化的模式优选地不高于100Hz或1000Hz，并且要在该范围中捕获的磁性强度的变化的模式优选地高于1kHz，更优选地高于100kHz，并且进一步优选地高于1MHz。然而，如果通过分析成功地使要在环境磁性强度中捕获的磁性强度与环境磁性强度分离，则情况并非如此。在分析时间变化模式时，通过减去环境磁性强度仅留下要捕获的磁性强度是有效的，并且优选地低于70Hz的频率、更优选地低于1kHz的频率或进一步优选地低于10kHz的频率被截止。

以上述的相移的使用的方式，每次相移量被扫描时获得磁性强度。因此，数据采样的间隔依赖于微波的相移量的扫描的速率。

<第二实施例>

(金刚石磁传感器)

图6是示出根据本发明的第二实施例的金刚石磁传感器的基本配置的示意图。金刚石2为板状，并且在平面图中包含多个NV^—中心区域。金刚石的来自定义板状的主表面(前表面和后表面中的在面积上最大的一个表面)的视图被定义为平面图。金刚石2包括多个NV^—中心所位于的区域，并且每个NV^—中心区域是聚合有一个NV^—中心或多个NV^—中心的区域。所述多个NV^—中心区域可以规则地或随机地布置在平面图中。应该预先指定每个NV^—中心区域的位置。在形成按照阵列布置的金刚石2的NV^—中心的方法中，NV^—中心可通过经由通过光刻而形成的掩模通过电子束照射在阵列中局部地提供空位(V)而形成在阵列中，或者可用类似的光刻方法像盒子一样处理金刚石中的NV^—中心位于阵列中的空间。各自包含NV^—中心的单片金刚石也可在类型不同的衬底上被对齐。

作为磁场发生器的磁阵列3与所述多个NV^—中心区域对应地布置。磁阵列3布置在金刚石2的主表面或后表面上。在磁阵列3中，多个磁性发生构件布置在与金刚石2中的所述多个NV^—中心区域的位置相对应的位置处。因此，准备(对应地布置)规则布置比随机布置更容易。通常，磁性发生构件由磁材料(铁磁体)制成并且应该仅具有已经知道的磁性并且足够小以便于布置。可以使磁材料图案化，或者也可采用具有磁图案的磁材料的片材。可基于磁材料的体积(量)来控制通过磁材料形成在单独的NV^—中心区域中的磁场的强度，并且可通过预先测量无磁场的环境中的空间分布来知道强度。

最终单个NV^—可以实现先前描述的NV^—中心区域，并且磁性产生源最终可以是表示金刚石中的同位素的¹³C或¹⁵N的核磁性。通过¹³C或¹⁵N与NV^—之间的最短距离中的差异来自动地且随机地产生要施加到NV^—的不同的磁场强度。当可用显微镜单独地观察NV^—中心时，每个对应于多个随机地布置的NV^—中心区域中的每一个。

本实施例的最大特征(即，不同的磁阵列和NV^—中心区域的阵列布置在单片金刚石2中的形式)是允许在空间上单独地知道已经历各种类型的塞曼分裂的NV^—中心。单独地知道NV^—中心的能力意味着立即知道不同的微波频率已发生改变的状态，这表示微波频率的扫描中的辅助的一种形式。对于所有NV^—中心区域来说磁性强度与微波频率之间的关系优选地是相同的。然而，即使关系不同，如果在最初单独地校准了NV^—中心区域，则不会出现问题。

参考图6，向金刚石2发射微波的微波发生器至少由微波发生源10和优选地频率扫描装置11构成。微波12被配置成被均匀地发射到整个金刚石2。设置了向金刚石2发射激发光21的激发光发生器20。金刚石2中的所有NV^—中心用激发光21照射。激发光发生器可以例如通过光学系统从一个激光光源传播光，或者它可以包括多个光源。为了分别接收从所述多个NV^—中心区域产生的荧光22，荧光传感器阵列31设置在金刚石2的主表面上或者在其后表面中的相对位置处。荧光传感器阵列31应该仅通过布置多个光接收元件来实现。荧光传感器阵列31可以是这样的：多个各独立的光接收元件布置在与金刚石2的NV^—中心区域相反的位置处，或者是这样的：大量小光接收元件像互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器或电荷耦合器件(CCD)那样布置。可替选地，光可以像通过透镜系统传播那样被投影在光接收元件上。

为了控制微波的频率并且为了测量接收到的荧光的强度以获得时间变化模式，设置了模式测量装置40。

描述在这里示出多个NV^—中心位于单个金刚石衬底中的示例。多个NV^—中心可以位于多个金刚石衬底中并且可以组合所述多个金刚石衬底。单片金刚石是优选的，因为传感器总体上是紧凑的并且方便在相同的磁场环境中进行测量。例如，已经知道的通过电子束照射在其晶格中包含氮的金刚石中形成空位并且此后通过退火来形成N-V缺陷的方法可被用作在金刚石中形成NV^—中心的方法。

将进一步参考图7A、图7B和图7C描述金刚石2中的NV^—中心区域与磁阵列3和荧光传感器阵列31的关系。

图7A是示意性地示出金刚石2和磁阵列3当彼此层叠时的布置的状态的立体图。磁阵列3被布置为与平板状的金刚石2的一个主表面相反。金刚石2被假定包括包括有NV^—中心的五个区域并且相应的区域被称作a至e。必要时可任意地确定区域的数目并且其布置也未特别限制。单个NV^—中心或多个NV^—中心可以被包括在一个区域中。当存在多个NV^—中心时，检测到的荧光的强度可以更高并且展示相对最小值的强度往往广泛地分布。

在磁阵列中，产生已经知道的磁性的磁材料在平面图中布置在与金刚石2中的区域a至e中的每一个相对应的位置处。图7B示意性地示出通过垂直于主表面切割以便包括图7A中的区域a和区域b而获得的横截面C1。因此，磁材料3a被与区域a对应地嵌入并且磁材料3b被与区域b对应地嵌入。在此示例中，区域a、b、c、d和e将在下面被描述为按照递增顺序以规则间隔产生磁性。

图7C是示意性地示出图7B中的荧光传感器阵列31的进一步布置的状态的横截面图。像CMOS传感器或CCD一样的光接收元件阵列通过示例的方式作为荧光传感器阵列被示出。在荧光传感器阵列31中，光接收传感器二维地布置在一个表面上。图7C示出位于与区域a相对应的位置处的光接收元件32a和位于与区域b相对应的位置处的光接收元件32b。尽管不使用来自与除NV^—中心区域以外的区域相对应的位置处的光接收元件的输出，但是它也可被用于背景噪声的测量。除了这样的通用光接收元件阵列之外，依照NV^—中心区域的位置而布置的光接收元件还可以被用作荧光传感器阵列。

可酌情在NV^—中心与光接收元件之间布置切断激发光的滤光器。可放大NV^—中心的一部分以通过透镜从那里会聚光，并且可酌情将该光引导到光接收元件。还可酌情在激发光发生器与包括NV^—中心的金刚石之间设置用于限制激发光使得激发光不太可能出射到外部的方案。

将在下面描述由这样的传感器检测到的信号。图8是用于图示当在扫描微波频率时测量与区域a至区域e中的每一个相对应的荧光强度时的信号中的差异的曲线图。如已经描述的，荧光强度依照微波频率具有两个相对最小值，并且相对最小值之间的频率差依赖于磁场强度。在本示例中，已经知道的磁场通过磁阵列3被分别施加到区域a到区域e的每一个中的每个NV^—中心，并且磁场按照a、b、c、d和e的顺序以规则间隔(差异是恒定的)变得较强。

与施加到区域a的磁场对应地产生的荧光的强度的相对最小值之间的频率差通过ΔFa来表示，与施加到区域b的磁场对应地产生的荧光的强度的相对最小值之间的频率差通过ΔFb来表示，与施加到区域c的磁场对应地产生的荧光的强度的相对最小值之间的频率差通过ΔFc来表示，与施加到区域d的磁场对应地产生的荧光的强度的相对最小值之间的频率差通过ΔFd来表示，并且与施加到区域e的磁场对应地产生的荧光的强度的相对最小值之间的频率差通过ΔFe来表示。在这种情况下，图8示出与每个区域对应地感测的荧光强度，其中横坐标表示微波频率。图8示出针对如在垂直方向上与对应参考对齐的区域a至e中的每一个所获得的测量波形(分布(profile))。尽管每个波形的垂直方向表示荧光强度的轴线，但是荧光强度的轴线不是共有的，而是每个波形中的平坦部分表示基本上相同的荧光强度。因此，相对最小值之间的间隔随着磁场的强度而变宽。在下面的描述中，为了方便理解，下文中的前提被定义为优选的方式。在与图8中的每个区域相对应的荧光强度的分布中，(i)与展示相对最小值的荧光强度的谷的宽度相对应的频率宽度被表示为2×ΔF1(与谷的宽度相对应的频率宽度的1/2在下面被称为频率半值宽度)并且(ii)相邻区域之间的频率差同样地是2×ΔF1。具体地，建立了2×ΔF1＝ΔFb-ΔFa＝ΔFc-ΔFb＝ΔFd-ΔFc＝ΔFe-ΔFd的关系。

当要检测的磁场在做出这样的设定情况下被施加到传感器时，要检测的磁场被添加到由每个NV^—中心区域中的磁阵列原先施加的磁场。因此，来自每个区域的荧光强度相对于微波频率的相对最小值之间的间隔均匀地改变了从初始状态添加的磁场量。在变化被表示为Fx情况下，与区域a至区域e相对应的频率差分别被改变为ΔFa+Fx、ΔFb+Fx、ΔFc+Fx、ΔFd+Fx和ΔFe+Fx。

现在将描述通过此传感器对磁性强度的时间变化模式的测量。假定了在观察到图8中的初始状态之后，用于测量的微波频率被固定为图8中所示的fe。已知在施加外部磁场之前，如在图8中一样在频率fe处检测到的荧光强度仅在区域e中展示了相对最小值，并且来自区域a、b、c和d的荧光的强度与在未施加磁场的示例中相同。图9示出如上所述作为施加某个外部磁场的结果来自所有区域的荧光的强度已偏移了频率间隔Fx的状态的示例。尽管图9示出横坐标表示频率的每个区域中的荧光强度，但是在实际的测量中，在频率被固定为频率fe的同时检测来自每个区域的荧光的强度。因此，区域a、b和c中的荧光强度可被检测为等于初始值，区域e中的荧光强度可被检测为已改变为磁场为零的状态，并且区域d中的荧光强度可被检测为已改变。由于区域之间的差异已被设定为2×ΔF1，所以可看到施加的磁场Fx在ΔF1±ΔF1/2的范围内。通过随着时间的推移改变而测量来自区域d的荧光的检测强度，例如，可获得如在图10中一样的时间变化模式。图10仅示出在区域d中检测到的荧光强度的变化。荧光强度在与Fx相对应的磁场周围变化。随着磁性强度的进一步变化，来自区域d的荧光强度变得恒定，并且来自作为相邻区域的区域c的荧光的强度开始变化。因此，可通过组合在相应的区域中检测到的荧光强度来找到在更大变化宽度上的磁性强度的时间变化模式。

可通过增加NV^—中心区域的数目并且进一步增加在初始状态下施加的磁场的数目来加宽可检测的磁场的范围，这意味着可将测量范围加宽至磁场的量级更宽的范围，而不用甚至在频率固定的测量中扫描微波频率。因此，可测量相对高磁性的时间变化模式，而不像在图5中所示的数据中那样受到微波频率的扫描之间的时间间隔Δt限制。区域(NV^—中心区域)的数目为此优选地不小于一千，更优选地不小于一万，并且进一步优选地不小于十六万。随着区域的数目增加，区域的面积往往更小。因此，区域的大小(例如，最大直径)优选地不大于100μm，更优选地不大于50μm，并且进一步优选地不大于20μm。区域之间的间隔(最短间隔)优选地不大于100μm，更优选地不大于50μm，并且进一步优选地不大于20μm。区域的大小(例如，最大直径)优选地小于区域之间的间隔。通过利用微制造技术来实现这样的大小并不困难，并且这样的大小适合作为容易在光学上感测的大小的准则。

这里呈现的磁性测量方法包括针对每个NV^—中心区域来测量荧光强度的过程以及借助于金刚石磁传感器基于单独的荧光(从磁场为零的示例降低)的变化的位置和荧光强度的变化来测量磁性强度的时间变化模式的过程，所述金刚石磁传感器包括：金刚石，所述金刚石为板状，在平面图中包含多个NV^—中心区域；磁阵列，所述磁阵列与NV^—中心区域对应地布置；微波发生器，所述微波发生器向金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向金刚石发射激发光；以及荧光传感器阵列，所述荧光传感器阵列分别接收从所述多个NV^—中心区域产生的荧光。如在第一实施例中一样，作为背景或环境的磁性强度的变化的模式再次优选地不高于100Hz或1000Hz，并且要捕获的磁性强度的变化的模式优选地高于1kHz，更优选地高于100kHz，并且进一步优选地高于1MHz。然而，如果通过分析成功地使要在环境磁性强度中捕获的磁性强度与环境磁性强度分离，则情况并非如此。在分析时间变化模式时，通过减去环境磁性强度仅留下要捕获的磁性强度是有效的，并且优选地低于70Hz的频率、更优选地低于1kHz的频率或进一步优选地低于10kHz的频率被截止。

<第三实施例>

(金刚石磁传感器)

如先前所描述的，已在第二实施例中陈述了通过借助于包括多个NV^—中心区域、磁阵列和荧光传感器阵列的金刚石磁传感器来测量如在空间上分离的每个NV^—中心区域中检测到的荧光，可在不用扫描微波频率的情况下进行宽范围上的测量。也可与微波频率的扫描一起进行测量。可进一步开发这些特征。具体地，根据第三实施例的金刚石磁传感器不需要扫描微波频率，并且此外，基于在每个NV^—中心区域中检测到的总荧光强度的变化来测量磁性强度的时间变化模式，而无需知道来自在空间上分离的NV^—中心的单独的荧光。

这里呈现的磁性测量方法包括测量总荧光的强度的过程以及在不用在金刚石磁传感器中使用分别接收从多个NV^—中心区域产生的荧光的荧光传感器阵列的情况下基于总荧光强度的变化来测量磁性强度的时间变化模式的过程。

在本实施例中，采用金刚石磁传感器，所述金刚石磁传感器包括：金刚石，所述金刚石为板状，在平面图中包含多个NV^—中心区域；磁阵列，所述磁阵列与NV^—中心区域对应地布置；微波发生器，所述微波发生器向金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向金刚石发射激发光；以及荧光传感器，所述荧光传感器接收从金刚石的NV^—中心区域产生的荧光，从所述多个NV^—中心区域产生的荧光的强度的相对最小值的幅度被依照所发射的微波的频率和由磁阵列施加的磁场针对每个NV^—中心区域不同地加权。

如将稍后描述的，从最大值到荧光强度相对于微波频率的相对最小值的变化通过同时地叠加在彼此上来绘制平缓的曲线，谷包括从多个NV^—中心区域产生的荧光的加权强度的相对最小值。因此，即使频率在宽范围上变化，也可通过在不用扫描频率的情况下进行频率被固定到具体频率的测量来将在具体频率下的荧光强度随着时间的推移的变化转换为微波频率随着时间的推移的变化。即，可将荧光强度随着时间的推移的变化转换为磁性强度的时间变化模式。此外，当至少一部分在可测量范围内时，即使一部分超出该可测量范围，也可获得有效数据。

作为示例，做出了包括以下各项的磁阵列：如在图7A中的区域a中一样的十个NV^—中心区域、如在区域b中一样的八个NV^—中心区域、如在区域c中一样的六个NV^—中心区域、如在区域d中一样的四个NV^—中心区域以及如在区域e中一样的两个NV^—中心区域。数字指代用于与来自每个NV^—中心区域的荧光的强度有关的加权(权重)的数字值。做出了每个荧光强度的谷的频率半值宽度(其在下面也被简称为半值宽度)被设定为图8中所示的ΔF1的磁阵列。数字和半值宽度作为示例，并且更大的数字是优选的。谷的半值宽度优选地不小于每个NV^—中心区域中的相对最小值之间的间隔(例如，ΔFb-ΔFa(参见图8))，使得准确性被增强。表示权重的数字可以相差二，并且每个数字(权重)应该仅被设定为不同的整数值。只要每个NV^—中心区域被不同地加权效果就被实现。然而，优选地，为在特性上彼此靠近的区域选择彼此靠近的数字，并且随着特性远离(单调增加、单调减小或其组合(例如，单调增加然后单调减小))而连续选择彼此远离且变化的数字。

参考图11至图16示出关于上述的仿真的结果。在图11至图16中，曲线图中的横坐标对应于微波频率并且纵坐标对应于荧光强度。图11中的曲线图用符号示出荧光强度的七个分布(与图3中的波形相对应)，并且每个谷的半值宽度被设定为“5”。相邻的相对最小值的点之间的间隔(其在下面也被称为谷之间的间隔)被同样地设定为“4”。每个符号的含义被示出在图11的右端处。

图12示出通过对图11中所示的七个分布的加权和加法而获得的图表，其中七个分布被设置为前提。用于第一分布至第七分布的权重分别被设定为“2”、“4”、“6”、“8”、“6”、“4”和“2”，并且加权荧光强度P_w被计算为P_w＝2P₁+4P₂+6P₃+8P₄+6P₅+4P₆+2P₇，其中P₁至P₇分别表示第一分布至第七分布的荧光强度。

图13至图16示出每个谷的半值宽度被固定为“5”并且相邻谷之间的间隔不同于“4”的分布的与上述类似地加权的荧光强度P_w的计算的结果的曲线图。图13至图16示出七个分布的相邻谷之间的间隔分别被设定为“3”、“2”、“5”和“7”的示例中的结果。如可在图12至图15中看到的，可通过对荧光强度的分布进行加权并且对荧光强度的分布进行相加来获得具有一个宽谷的波形。当谷的半值宽度等于相邻谷之间的间隔(图15)时，获得了通过单调减小值和单调增加值所定义的并且具有一个相对最小值的一个谷。当谷的半值宽度大于相邻谷之间的间隔(图12至图14)时，获得了通过不单调地减小而是基本上单调地减小的值和不单调地增加而是基本上单调地增加的值所定义的一个谷。当谷的半值宽度也小于相邻谷之间的间隔(图16)时，获得了基本上一个谷，但是未清楚地定义它。

因此，可基于所有荧光强度的总数的数字值来确定微波频率的数字值。当每个NV^—中心区域中的谷的半值宽度小于每个NV^—中心区域中的相对最小值之间的间隔(参见图16)时，基于所有荧光强度的总数的数字值确定微波频率的数字值的准确性降低。然而，如果等于或低于此准确性的准确性是允许的，则可做出确定。因此，即使谷的半值宽度小于相邻谷之间的间隔，也不会出现问题。

可根据上述仿真的结果来估计当激发光被发射到所述多个NV^—中心区域中的全部并且同时地接收到来自所述多个NV^—中心区域中的全部的荧光时，获得了图8中所示的ΔFe宽度上的大谷。轻微的不规则性是可忽略的。然后，是区域a还是区域b主要对荧光强度作出贡献可基于其荧光强度被确定。在牺牲微波频率的准确性(磁性强度的准确性)的情况下，在阵列中没有光接收元件的情况下，可以知道微波频率的值(磁性强度的值)源自哪一个区域。

尽管多个NV^—中心区域的同时集体测量的方法因此在对磁场的灵敏度方面低于仅对单独的NV^—中心区域的测量，但是可加宽磁场的幅度的测量的范围(范围)。因此，在大磁场中的变化的测量方面是有效的。要测量的对象包括优选地至少一千个NV^—中心区域，更优选至少一万个NV^—中心区域，并且进一步优选地至少十六万个NV^—中心区域。随着区域的数目越大，整个曲线越平滑。由于其效果与数目的平方根成比例，所以灵敏度被提高了数个量级。如在本方法中一样，在被准备成允许集体测量的测试样品中，表示集体测量的结果的分布(表示微波的频率依赖性的荧光强度的曲线图)的两个相对最小值还由于它自己设定的磁场的效果而被优选地观察到。当存在单个相对最小值时，在施加外部磁场的情况下，相对最小值因此被分成两个值，所述两个值反映初始状态与外部磁场的施加的状态之间的不同状态，并且分析变得复杂。因此，荧光强度的相对最小值被优选地最初分成两个值，同时没有施加外部磁场。

(用于清除环境磁场的机制)

尽管在上面描述了第一实施例至第三实施例，但是在磁性的实际测量中，除要检测的磁场以外还存在各种磁场，其干扰弱磁性的检测。这样的磁场源自地球的磁性、源自装置的电流等的磁性以及诸如无线电波这样的空间场，并且除测量的感兴趣磁场以外的这些磁场被统称作环境磁场。在使用根据第一实施例至第三实施例的金刚石磁传感器时，要求清除环境磁场以便仅测量要检测的磁场。为了清除环境磁场，屏蔽环境磁场并消除环境磁场是可能的。

为了切断环境磁场，磁屏蔽件是有效的。优选地防止磁性进入传感器的位置，例如，通过在金刚石磁传感器周围布置诸如坡莫合金这样的高磁导率的软磁材料作为清除所有环境磁场的方法。可以通过使用具有这样的屏蔽效果的构件来提供密封空间或者通过使用超导材料的迈斯纳效应来清除磁场。

仅要检测的信号的磁场被引导到传感器，同时因此清除所有环境磁场。当要检测的磁场是频率高的波动磁场时，可在磁屏蔽件的内部中布置天线，使得可通过天线将电流的波动引入到磁屏蔽件的内部中。

消除线圈也被优选地用作消除环境磁场的方法。消除线圈用来通过产生在定向上与传感器中的环境磁场相反的磁场来将环境磁场理想地设定为零(其在下面也被称为消除磁场)。难以用消除磁场来消除所有环境磁场。然而，通过反转预先假定的具体磁性模式或在传感器附近单独地检测到的磁性模式以产生消除磁场，可实现在某种程度上的消除。例如，仅消除具有具体频率的交流(AC)磁场是相对容易的。还可以消除等于或低于包括环境中的主磁场模式的频率的频率下的磁场模式，而不可以消除包括要感测的磁场模式的更高频率下的磁场模式。也可选择如下方法：通过形成消除线圈和引入线圈的双线圈来产生磁场，用消除线圈来消除所有磁场模式，并且通过引入线圈作为天线仅引入包括感测信号的频率周围的磁场模式的频率。

可通过使用金刚石中的方向不同的多个NV^—中心来检测磁场的方向。利用此功能，可消除环境磁场。要测量的磁场常常还在定向上与环境磁场不同。由于金刚石中的NV^—中心可被设计成具有用于检测四个定向上的磁场的传感器，所以可感测磁场的定向和幅度。通过输出垂直于环境磁场的磁场的幅度和定向，可获得关于环境磁场的消除的信息。

因此难以将环境磁场完全减小到零。然而，通过使环境磁场最小化，可增强通过稍后描述的方法来清除环境磁场的效果。

(金刚石磁传感器模块)

根据第一实施例至第三实施例的金刚石磁传感器被优选地配置为金刚石磁传感器模块，其中部件直接地或者利用插入的另一构件布置在单个电路板上。金刚石、微波发生器、激发光发生器和荧光传感器或荧光传感器阵列被安装在单个电路板上，并且电源和信号布线通过电路板上的布线图案来实现。

图17A和图17B是各自示出图1中作为模块所示的根据第一实施例的金刚石磁传感器的单个电路板上的配置的示例的示意图。图17A是沿着电路板的主表面的方向的侧视图并且图17B是垂直于电路板的主表面的方向上的平面图。两个图都仅示出磁屏蔽构件80的框架并且可透视磁屏蔽构件的内部。电路板指代被称作印刷板并在表面上或在内部中包括电线的刚性或柔性板。由微处理器实现的微波发生源10、频率扫描装置11、激发光发生器20、荧光传感器30和模式测量装置40布置在电路板60的一个表面上，并且它们通过电路板上的布线图案来连接。在此示例中金刚石1布置在微波发生源10上。尽管未示出其它电子部件和诸如透镜这样的光学部件，但是它们必要时被布置。这种布置仅作为示例，并且不旨在限于图17A和图17B中所示的布置。

消除线圈70设置在电路板60的后表面上的与金刚石1相对应的位置处。尽管消除线圈70不是必需的，但是消除线圈70可消除期望的磁场。消除线圈70可被形成为电路板60上的印刷线，并且这样的形成消除对于单独的线圈部件的需要，并且空间效率优选地是良好的。

上面如此安装有部件的整个电路板被磁屏蔽构件80覆盖。尽管磁屏蔽构件80不是必要的，但是可通过磁屏蔽构件80来切断环境磁场。可通过在磁屏蔽构件80的一部分中设置开口并且使要测量的磁性更靠近或者将磁场引导到开口来进行测量。可替代地，如果可在不设置开口的情况下将要测量的对象本身放置在磁屏蔽构件80的内部中，则这种形式的布置是所希望的。在未设置开口的情况下，还可通过在磁屏蔽构件80的内部中设置天线(未示出)来引入磁场作为电流。

图18A和图18B是各自示出图6中所示的根据第二实施例的金刚石磁传感器被作为模块配置在单个电路板上的示例的示意图。图18A是沿着电路板的主表面的方向的侧视图并且图18B是垂直于电路板的主表面的方向上的平面图。由微处理器实现的微波发生源10、频率扫描装置11、激发光发生器20和模式测量装置40布置在电路板60的一个表面上。金刚石2与磁阵列3和荧光传感器阵列31一起作为堆叠布置在电路板60上。这些部件通过电路板60上的布线图案或单独的电线来连接。尽管未示出其它电子部件和诸如透镜这样的光学部件，但是它们必要时被布置。这种布置仅作为示例，并且不旨在限于图18A和图18B中所示的布置。

消除线圈70和磁屏蔽构件80与在图17A和图17B中的相同。

用于每个部件的驱动电路和与电源连接的辅助电路以及另外用于信号处理的处理器也可布置在同一电路板上。然而，安装的电路可能是磁噪声源。因此，额外的电路和电线优选地尽可能少。如果可能的话，整个模块或仅用作传感器部分的金刚石周围的一部分优选地被磁屏蔽件覆盖或者配置为使得通过消除线圈从其中清除环境磁场。将金刚石磁传感器作为模块配置在单个电路板上因此在环境磁场的清除或紧凑大小及其与要检测的对象(诸如活体)极为接近布置的容易方面是优选的。

传感器的配置总体上因此是紧凑的。实现了传感器的可靠性方面的改进，诸如稳定的光轴、用激发光照射和用微波照射的效率的改进以及照射的位置的稳定性的增强。

(传感器部分可拆的金刚石磁传感器模块)

使用作感测部分的金刚石1(图1)或金刚石2(图6)与金刚石磁传感器中的另一电子电路(用于产生激发光的电子电路、荧光接收部分的电子电路和用于产生微波的电子电路)部分在空间上间隔开是有效的。然而，对于金刚石2来说，这样的布置限于没有邻近的光接收元件阵列的实验布局。这是因为感测部分合意地更靠近合意地感测到磁性的部分，并且这与距离的正方形或立方成比例有效，而不取决于传感器的灵敏度。即使当没有足够的空间时，也可布置仅小感测部分并且也增强感测模块或感测系统的自由度。在尽可能多地清除从其它电子电路部分产生的弱磁场方面，可设置具有这样的结构的装置：金刚石在物理上且在空间上与其它电路间隔开。因此可清除不必要的磁场对金刚石磁传感器的影响。为了实现这个，重要的是甚至从相当大的距离容易地发射的激光束被采纳作为激发光。人们已经发现全景监视器或远摄透镜的使用对于光接收是有效的。人们已经发现在金刚石的感测部分周围设置透镜也是有效的。如在金刚石的情况下一样，由绝缘体制成并且尚未降级的透镜作为要靠近的透镜是必要的。在布置有显微镜类型的这样的透镜的示例中，光接收部分放大位于远处的金刚石并且还可设置光接收元件阵列作为光接收部分。方便微波的发射也很重要。抛物面天线的使用是有效的并且椭圆球面天线的使用是更有效的。通过在天线的焦点处设置用于使微波振荡的部分并且将金刚石设置成在另一焦点处用微波进行照射，效率显著地更高。金刚石的感测部分与诸如除那个以外的电子电路部分或微波振荡器的天线部分这样的最近部分之间的距离优选地不短于10cm，更优选地不短于20cm，并且进一步优选地不短于50cm。当在金刚石部分附近产生高电压并且最近部分位于在附近时，正在进行测量的人和测量仪器受到从高电压部分到不可测量程度的放电的影响。每个天线中的开口的直径优选地不小于15cm，更优选地不小于20cm，并且进一步优选地不小于30cm。这是因为当开口的大小大于微波的波长时，变得难以使微波会聚在一个焦点处。

金刚石磁传感器可作为模块或装置被实现，所述装置被构造为使得用作感测部分的金刚石和其它电子电路部分通过对可见光区域或红外区域透明的板(玻璃或石英)彼此间隔开并且布置在彼此不同的环境中。因此，可通过甚至在电子电路不耐受的环境(酸性环境、耐碱环境、耐腐蚀环境、压力环境、高温环境和高湿度环境)中使用高度耐受的金刚石来测量放置有金刚石的环境中的磁性。环境指代在气体气氛中或在诸如水、酸和碱这样的强液体中的环境。其它感测材料很难以在这样的环境中获得高可靠性。

由电子电路部分所引起的噪声在与电子电路部分相距至少1cm的距离处显著地降低。因此，金刚石和电子电路部分优选地彼此间隔开至少1cm。金刚石与电子电路部分之间的距离更优选不短于2cm，并且进一步优选地不短于5cm。

(环境磁场的解析分析)

由于根据第一实施例至第三实施例的金刚石磁传感器能够测量磁性强度的时间变化模式，所以它可基于时间变化模式检测受到环境磁场的影响被排除的小磁场。例如，当包括多个AC磁场的模式作为环境磁场而存在时，在所述多个AC磁场当中具有最大磁场的磁场模式下小于最大磁场的1/10的磁场可被感测为被分离和提取。

图19是示出环境磁场和要感测的磁场被组合的曲线图。将参考图19描述环境磁场的解析分析。在图19中，(i)中的曲线图示出作为环境磁场的AC磁场，其中横坐标表示时间并且纵坐标表示磁场强度。(ii)中的曲线图示出要测量的信号磁场并且表示频率更高且比环境磁场弱的波动。(iii)中的曲线图示出作为由模式测量装置进行的实际测量的结果的时间变化模式。(iii)中的信号由表示环境磁场的(i)中的信号和表示信号磁场的(ii)中的信号的组合产生。为了描述的简洁起见，假定了在测量环境中不存在除这些以外的磁场。

环境磁场的时间模式(i)是通过在不存在要测量的对象的情况下进行测量来获得的。环境磁场的频率分量是通过对预先测量的数据的频率分析来找到的。所找到的频率被表示为f0。尽管在本示例中给出了关于单个频率的描述，但是当多个分量彼此叠加时，合意地找到多个频率分量。

根据所测量到的时间变化模式(iii)来分离和提取信号(ii)的一种方法是滤波。当信号是模拟的时，可采用滤出不高于频率f0的信号的高通滤波器。可通过对信号(iii)进行滤波来获得信号(ii)。时间变化模式通常作为实际装置中的数字地处理的离散值的数据串被获得。同样在此示例中，可通过通过使用已经知道的数字滤波技术来实现任意滤波器而获得信号(ii)。

当多个频率混合存在时，通过使用傅里叶分析来实现有效滤波。通过使所测量到的时间变化模式(iii)经历数字傅里叶变换，可将时间变化模式分成频率分量，并且应该仅排除这些频率分量当中的预先指定为环境磁场的频率分量或假定的频率分量。通过用逆傅立叶变换方法来将所排除的信号转换回到时间变化模式，可获得信号(ii)。可采用其它信号处理手段，诸如利用信号的自相关函数的方法。

尽管在上面给出了AC磁场被假定为环境磁场的描述，但是许多噪声也可被理解为AC磁场的叠加。也可分离包含诸如白噪声这样的宽频率分量的环境磁场。可通过分析包括在测量到的时间变化模式中的频率分量并且提取和分离与预先研究和分析的噪声分量不同的信号分量来取出要测量的信号。因此，根据本申请中的金刚石磁传感器，可获得磁性强度的时间变化模式并且可在环境磁场被清除的情况下高效地测量弱磁场。

(通过使用间歇数据来分析时间变化模式)

磁场的时间变化模式的连续测量对于分析数据是有效的。即使磁场的实际变化超出可测量范围以导致在获得连续数据时失败而在仅获得间歇性数据时成功，可测量范围内的时间变化模式也可帮助在可测量范围外进行估计。如果预测或者已经知道时间变化模式，则可基于考虑到也包括可测量范围的外部的时间变化模式在可测量范围内获得的值来获得概要。具体地，如果已知时间变化模式由正弦波、余弦波或三角波构成，则可基于它们中的一些的值来计算相位和最大值。这也适用于第一实施例至第三实施例中的每一个。

<本发明的优选方式>

在下面附加地描述本发明的另一优选方式。

(附加方面1)

一种金刚石磁传感器，所述金刚石磁传感器包括：金刚石，所述金刚石包含在N-V结合的方向上不同的至少两个NV^—中心；微波发生器，所述微波发生器向所述金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向所述金刚石的NV^—中心发射激发光；荧光传感器，所述荧光传感器分别接收从所述金刚石的在N-V结合的方向上不同的相应的NV^—中心产生的荧光；以及模式测量装置，所述模式测量装置基于单独的荧光的强度的变化来测量磁场的磁场强度和方位的变化的模式。

(附加方面2)

附加方面1中所述的金刚石磁传感器，其中所述模式测量装置基于与每个NV^—中心的空间分布相对应的荧光强度的空间分布来测量所述磁场强度的空间方向模式。

(附加方面3)

附加方面1中所述的金刚石磁传感器，其中所述模式测量装置基于与每个NV^—中心的空间分布相对应的荧光强度的空间分布来测量所述磁场强度的空间方向模式并且基于每个NV^—中心的荧光强度来测量所述磁场强度的时间变化模式。

(附加方面4)

附加方面1至3中的任一方面所述的金刚石磁传感器，其中所述模式测量装置执行用于控制所述微波的频率的扫描的功能、用于指定产生所述荧光强度的相对最小值的所述微波的频率的功能以及用于基于所指定的频率检测磁场强度的功能，并且通过通过重复所述频率的扫描而重复所述磁场强度的检测来测量与每个NV^—中心相对应的磁性强度的时间变化模式。

(附加方面5)

附加方面1至4中的任一方面所述的金刚石磁传感器，所述金刚石磁传感器还包括数据分析装置，所述数据分析装置基于所述空间方向模式使源自测量环境的磁场的强度和源自要测量的对象的磁场的强度彼此分离。

(附加方面6)

一种金刚石磁传感器，所述金刚石磁传感器包括：金刚石，所述金刚石包含至少一个NV^—中心；微波发生器，所述微波发生器向所述金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向所述金刚石的NV^—中心发射激发光；荧光传感器，所述荧光传感器接收从所述金刚石的NV^—中心产生的荧光；以及模式测量装置，所述模式测量装置基于由所述荧光传感器感测的荧光强度的变化来测量磁场强度的时间变化模式，所述微波发生器产生具有期望频率宽度的微波和通过所述微波的相移而产生的微波的组合波，所述模式测量装置通过通过重复相移量的扫描而重复所述磁场强度的检测来利用控制所述组合波的相移量的扫描的功能测量所述磁场强度的时间变化模式。

<示例>

实验的结果被示出在下面。

(为传感器准备样品)

最初准备如下单晶金刚石的样品A至D。

(1)样品A

样品A是通过通过高温高压法制造包含至多0.1ppm的取代氮的单晶金刚石来准备的。在制造时，通过向溶剂添加用作氮吸气剂的金属来获得包含少量氮的样品。

(2)样品B

样品B是通过通过高温高压法制造被控制以包含60ppm的取代氮的单晶金刚石来准备的。在制造时，通过采用清除自然地引入到溶剂中的氮并向溶剂添加氮化物(例如，FeN)的方法来控制氮的浓度而获得杂质的均匀性在±25％内的均匀样品。

(3)样品C

样品C是通过通过采用(1)中的单晶金刚石的样品A作为晶种衬底并且用CVD外延生长金刚石来制造包含至多20ppb的氮和至多1ppb的取代氮的CVD单晶金刚石来准备的。在制造时，为了减少氮杂质和其它杂质，不仅采用高纯度晶种衬底，而且还采纳如添加适当量的氧原子以及用高纯度金刚石板材在保持器周围铺设延伸达+30mm的区域这样的方案。

(4)样品D1和D2

样品A、B和C由以天然丰度比包含同位素碳的金刚石制成。另一方面，样品D1和D2是通过通过高温高压法制造分别包含50ppm和100ppm的取代氮并且包含5％的丰度比的¹³C的单晶金刚石来准备的。样品是均匀的，同时杂质的均匀性在±25％内。

作为用SIMS分析评估包含在单晶金刚石的样品A、B、C、D1和D2中的氮的浓度的结果，取代氮的浓度基本上与所含氮相匹配。由单晶金刚石制成的样品C中的取代氮的浓度用NV^—光发射中心的密度和NV⁰光发射中心的密度的总数取代。由于氮的浓度低并且充分地引入了空位，所以能估计量级没有差异。样品A、B和C中的每一个是被测量部分中的浓度。空位(V)通过电子束照射(照射条件包括4MeV的能量和20MGy的辐射剂量)来引入，并且在后续退火(在1600℃下3小时)中与取代氮结合。基于光致发光确认NV^—中心的形成。在样品A和C中，能观察到如被单独隔离的NV^—中心。在样品B、D1和D2中，能观察到NV^—中心的无数聚集体。

如下样品E和F被制造。

(5)样品E1和E2

最初制造包含了基本上比得上样品B中的那些NV^—中心的NV^—中心的样品，并且其后表面被抛光至100μm并且通过反应离子蚀刻被进一步蚀刻至70μm的最终厚度。通过在后表面上气相沉积Fe至2μm的厚度来以200μm的间隔在晶格中形成具有约5、8、13、20和30μm的直径的点的阵列。Fe点是以约10:8:6:4:2的数字比准备的。图20示意性地示出Fe点(阴影部分)的布置。在由点划线界定的四个区域R1至R4当中的区域R1中，列c1和行r1至r10中的点被形成为约5μmφ，列c2和行r1至r 8中的点被形成为约8μmφ，列c3和行r1到r6中的点被形成为约13μmφ，列c4和行r1到r4中的点被形成为约20μmφ，并且列c5和行r1到r2中的点被形成为约30μmφ。区域R2中的点的布置是通过使区域R1转动180度来获得的。区域R3和R4中的点的布置与在相应的区域R1和R2中的相同。

然后，用光刻在前表面侧以200μm的间隔在晶格中做出20μmφ的Al掩模并且蚀刻包括NV^—中心的金刚石(蚀刻的深度被设定为40μm)。照原样包括蚀刻部分的样品被采纳为用于制造样品E1的构件。通过外延生长再次掩埋蚀刻部分的样品被制造，并且采纳为用于制造样品E2的构件。由于Al掩模的位置与在后表面上形成Fe点阵列的位置基本上准确地匹配，所以能制造用于制造包括NV^—中心的小柱状金刚石位于Fe点阵列上的样品E1的构件和用于制造包括NV^—中心的各部分散布在Fe点阵列上的样品E2的构件。最后，通过磁化用于制造样品E1的构件中的Fe来制造包括在磁场环境中不同的NV^—中心的样品E1。通过磁化用于制造样品E2的构件中的Fe来制造包括在磁场环境中不同的NV^—中心的样品E2。目前的样品E1和E2被各自制成为包括磁阵列(用于磁传感器的金刚石衬底)的金刚石磁传感器。

(6)样品F

样品F是通过与用于样品E的方法基本上相同的方法制造部分在晶格中包括NV^—中心的阵列来做出的。具体地，通过在0.5mm的铅板中以200μm的间隔在晶格中钻出40μmφ的孔并且通过在板被采纳作为掩模情况下发射电子束在晶格中引入缺陷而不是在准备类似于样品B的样品的步骤中到处做出NV^—中心来制造NV^—中心的阵列。诸如在后表面上形成磁阵列(Fe阵列)的方法这样的其它特征与在制造样品E时相同。

示例1

制造像图21中所示的那样配置的实验装置并且通过使用金刚石的样品A和C中的每一个来进行实验。输出用作激发光的绿色激光束(具有520nm波长)的GaN基半导体激光器(激光光源102)、微波发生器和半导体光接收元件104被准备为测量系统。要观察的激光束和荧光通过光学透镜系统106(包括显微镜透镜108、三角棱镜110和反射器112)来透射。微波发生器能够扫描约2.87GHz的频率。螺线管线圈状的天线(微波线圈114)被原型化并设定在与样品(金刚石100)相距约5mm的距离处以能够发射微波。

通过用透镜放大每个样品的表面的图像来针对样品A和C搜索单个荧光点。最靠近样品(金刚石100)的是物镜并且其之间的距离是约1mm。

然后，准备产生了仿真的磁波形的装置。准备0.8mmφ的铜线X116，并且控制要由AC电流源122馈送到铜线X 116的AC电流。AC被设定为60Hz并且酌情设定电流值。0.1mm的铜线Y 118被布置为接近于铜线X 116并与其平行，使得能从脉冲电源124馈送脉冲电流。脉冲电流被设定成具有60Hz的脉冲间隔和1msec的脉冲宽度。铜线X 116和铜线Y 118布置在与被配置成执行感测的金刚石的样品A和C相距0.5cm的最近距离处。AC电流源122和脉冲电源124实现了用于产生要感测的仿真信号的仿真电路。

如下的实验被进行为准备测量。当用具有520nm的波长的半导体激光束照射金刚石的样品A和C同时在向铜线X 116馈送恒定直流(DC)电流情况下用微波照射这些样品时，检测到具有约638nm的波长的红色荧光。当在2.87GHz周围扫描微波的频率时，荧光在不同的频率下展现了两个相对最小值(谷)(参见图2)。当通过铜线X 116的电流的值变化时，两个相对最小值之间的频率间隔变化。频率间隔基本上与流过铜线X 116的电流的值成比例。由于两个相对最小值对称地变化，所以能确认的是，一个相对最小值的频率的时间变化模式总体上能被转换为变化(磁性的时间变化模式)。

然后，进行主要测量。60Hz的AC电流(1.2A的最高电流)被馈送到铜线X 116。通过铜线Y 118的电流为零。实验在不受地球的磁性影响的盒子中进行。金刚石通过半导体激光器来激发并用微波照射，并且在测量红色荧光在约638nm的波长下的强度的同时扫描微波的频率。通过在短时间段(扫描周期不长于1msec)内扫描微波频率，基于所获得的荧光强度的波形来检测相对最小值，并且存储与其相对应的频率。因此，获得了与相对最小值相对应的频率的时间变化模式。能将此时间变化模式转换为磁性时间变化模式。此部分由这样的装置执行，所述装置能获得关于与相对最小值相对应的微波频率中的时间变化的数据并且将该数据转换为磁性时间变化模式。

图22示出馈送到铜线X 116的形成了磁场的AC电流的波形。图23示出获得的荧光强度的分布。图23示出在图22中的定时t1至t5处测量的在垂直方向上与分配了对应参考对齐的分布。尽管每个分布的垂直方向表示荧光强度的轴线，但是荧光强度的轴线不是共有的，但是每个分布中的平坦部分展示基本上相同的荧光强度。尽管图23用实线示出分布，但是实线实际上是以1msec为间隔的一组数据。在此时间变化模式中，由于相对最小值之间的间隔Δf1至Δf5按与60Hz的AC电流的那些周期和相位相同的周期和相位而变化，所以磁场强度的变化的周期和相位能作为信息被获得。

脉冲电流(具有10msec的最大电流值)被馈送到铜线Y 118，同时AC电流被馈送到铜线X 116。图24示意性地示出馈送到铜线X 116的AC电流和馈送到铜线Y 118的脉冲电流的组合波形。被点划线围绕的一部分源自馈送到铜线Y 118的脉冲电流。测量否则在与上述相同的条件下进行。图25示出获得的荧光强度的分布。图25示出在图24中的定时t1至t5处测量的在垂直方向上与如在图23中一样分配了对应参考对齐的分布。尽管图25用实线示出分布，但是实线实际上是以1msec为间隔的一组数据。类似地获得了时间变化模式，并且能获得AC电流的磁性模式和脉冲电流的磁性模式的测量的结果。

基于图23与图25之间的比较，分布在t1和t3至t5处的相对最小值(Δf1和Δf3至Δf5)之间的间隔在图23与图25之间相等，然而，在t2处的分布中的相对最小值之间的间隔Δf2在图25中比在图23中大。这是因为在定时t2处馈送脉冲电流(参见图24)。因此，可基于相对最小值之间的间隔的变化来检测在AC磁场中产生的脉冲磁场。因此，通过将微波频率的扫描的短周期设定为1msec，能甚至在大AC磁场中检测到小脉冲磁场，并且能容易地通过通过分析时间变化模式来计算与AC电流的差异而确定脉冲电流。尽管对时间变化模式的分析能产生作为通过减去来自铜线X 116的高信号(AC信号)而获得的简单差异的结果，但是也通过分析时间变化模式的频率并且截止来自铜线X 116的高信号的频率来获得结果。即，电路配置可以是这样的：可以在数据处理中并入高通滤波器。在这种情况下，低于70Hz的频率截止(用于清除作为馈送到铜线X 116的AC电流的频率的60Hz)并且允许保持等于或高于该频率的频率(1kHz)，这导致成功。

由于常规的金刚石磁传感器主要目的旨在为灵敏度高(以感测非常小的磁场)，所以它在测量之前并在当存在很少基础磁场时的时间点遭受超范围，并且它不能通过感测时间变化模式来知道产生了磁场的电流的波形。根据本发明的一种方式，提高了频率的扫描的速率并且数据被解释为时间变化模式。因此，磁场的可测量范围显著地更大并且甚至能观察到其中的磁场的较小变化。

根据本方法，当要检测频率分量较高的脉冲电流时，应该更快且更精细地扫描频率。然而，当要扫描的频率的范围更宽时，人们发现仅将谷追踪为单个相对最小值并且在基于时间预期的相对最小值周围扫描频率是高效的。

示例2

制造像图26中所示的那样配置的实验装置并且通过使用金刚石的样品B、D1和D2来进行实验。与在示例1中相同的作为激发光(520nm)的半导体激光器(激光光源102)、微波发生器和半导体光接收元件104被准备。为了发射微波，螺线管线圈状的天线(微波线圈114)如在示例1中一样被原型化，并且与示例1不同，微波线圈114被设定在与样品(金刚石100)相距约1cm的距离处。

对于样品B、D1和D2中的每一个，半导体激光束被发射到样品中心部分，而不经过诸如透镜这样的光学系统，并且由光接收元件通过在50倍的放大率下使用全景镜(长透镜126)来检测从样品中心部分辐射的红色荧光。为了防止激光束进入光接收元件，采用了切断绿色光的滤光器。远离约1cm的微波天线最靠近样品(金刚石源材料)。

然后，如在示例1中一样准备产生了仿真的磁波形的装置(AC电流源122和脉冲电源124)。铜线X 116和铜线Y 118布置在与被配置成执行感测的金刚石的样品相距0.5cm的最近距离处。

最初进行如下初步测量。当在用微波照射金刚石的样品的同时用具有520nm的波长的半导体激光束照射金刚石的样品时，检测到638nm的波长周围的红色荧光。当在2.87GHz周围扫描微波频率时，荧光在不同的频率下展示两个相对最小值(谷)。与示例1不同，谷宽并且两个谷彼此重叠。然而，能确认的是存在两个相对最小值。这是因为在样品B、D1和D2中存在处于各种状态的NV^—中心(具有核磁性的原子(诸如¹³C和¹⁴N)布置在NV^—中心附近)。当NV^—中心的浓度高时，分布宽度越来越大。通过以大大远离相对最小值处的频率的频率发射微波，荧光强度展示了最大值。即使当微波被固定到包括在相对最小值处的谷中的单个频率并且微波的发射被停止(微波的输出被设定为零)时，荧光也展示了最大值。

然后，进行主要测量如下。DC电流通过恒流电源被馈送到铜线X116，并且确认了当电流在流动时，两个相对最小值之间的频率间隔在附近的金刚石的样品中变化。本实验中使用的样品B、D1和D2相对于磁性的变化在荧光强度的变化方面是相对渐进的，并且能基于荧光强度确认宽磁范围。

然后，进行如下测量。在10msec(100Hz)和0.1msec(10kHz)的每个周期中用脉冲束作为具有50％的占空比(脉冲宽度为周期的一半)的激光束照射样品，并且观察到红色荧光。因此，在发射激光束的同时确认了100Hz和10kHz的每个周期中的发射。

恒定电流(1A)到铜线X 116的供应被接通(电力馈送)或者关闭(非电力馈送)，同时激光束的脉冲间隔(周期)被设定为10msec(100Hz)，以与荧光强度的两个相对最小值中的一个相对应的频率发射微波，并且荧光强度达到相对最小值。图27示出那时观察到的荧光强度的时间变化模式。电流到铜线X 116的供应被关闭并再次接通，同时到铜线X 116的恒定电流(1A)被接通并且以荧光强度达到相对最小值的频率发射微波。图28示出那时观察到的荧光强度的时间变化模式。尽管图27和图28各自示出实线，但是实线实际上是以10msec(100Hz)为间隔的一组数据。通过如此知道利用激发激光束的脉冲照射和作为其响应的荧光强度的时间变化模式，能在短距离上非接触地确认测量到的荧光强度的时间变化模式与到铜线的电流的模式的准确匹配(模式匹配)。在不知道时间变化模式的情况下，关于是否从铜线X得到电流的不确定性不可避免地仍然存在。

然后，在1A的电流在激光束的脉冲间隔(周期)被设定为0.1msec(10kHz)的情况下被馈送到铜线X 116的同时并且在荧光强度通过以与荧光强度的两个相对最小值中的一个相对应的频率发射微波而处于相对最小值的同时，具有60Hz的频率和1.2A的最大值的AC电流被馈送到铜线X 116。图29示出此时测量到的荧光强度以及通过铜线X116的电流的波形。用任意单位(a.u.)表达的荧光强度在每次电流值达到1A时展示了相对最小值。尽管图29示出实线，但是实线实际上是以0.1msec为间隔的一组数据。能通过分析荧光强度的时间变化模式来找到磁性的时间变化模式，并且能知道馈送到铜线X 116的电流随着时间的推移的变化。由于荧光强度与磁性之间的关系对于每个金刚石样品是不同的，所以应该预先研究对应并且应该创建数据库。(对磁性的灵敏度按照样品B、D1和D2的顺序下降，并且要测量的磁性的范围依照此顺序变大。)尽管不能从正弦波的所有部分获得数据(荧光强度)，但是人们已知正弦波甚至部分地简单。因此，通过在这样的条件下进行分析，能确认与流过铜线X116的电流的模式的匹配。还能从获得的荧光强度的模式感测AC电流的相位。也在实际情形下做出这样的条件假定并且它是处理数据的有效方法。

在铜线X 116和铜线Y 118被设定的情况下，具有1.05A的最大值的60Hz的AC电流被馈送到铜线X 116并且具有60Hz的脉冲间隔(周期)、1msec的脉冲宽度和1mA的最大电流值的脉冲电流被馈送到铜线Y 118。图30示出此时测量到的荧光强度以及馈送到铜线X 116和铜线Y 118的电流的组合波形。每当AC电流和脉冲电流的总数达到1A时，荧光强度展示了相对最小值。尽管图30示出实线，但是实线实际上是以0.1msec为间隔的一组数据。提供了具有用于累积荧光强度的时间变化模式的功能的装置和分析累积数据的装置。由于样品的数据库，能将荧光强度的时间变化模式转换为磁性时间变化模式。利用关于这样的时间变化模式的数据，还能基于频率分析确认脉冲电流。具体地，不高于70Hz的分量通过高通滤波器从提取的数据中被切断(用于排除馈送到铜线X 116的AC电流的60Hz的频率)，并且等于或高于70Hz的分量被分析。然后，检测到脉冲电流的1kHz的分量。

制造像图31中所示的那样配置的实验装置并且进行实验。铜线X116和铜线Z 120并联连接，同时插入彼此直接连接的电容器128和电阻器130，并且从AC电流源122向电容器128与电阻器130之间的连接节点供应规定频率的AC电流。电阻器130的电阻值与铜线X 116和铜线Z 120的电阻相比较被设定为可忽略的小值，并且电容器128的电容被设定为高的，使得其阻抗与铜线X 116和铜线Z 120的阻抗相比较是可忽略的。铜线X 116的电压和电流在相位上与铜线Z 120的电压和电流相差90°。与接近于铜线X 116布置的金刚石100分开地，金刚石136被布置为接近于铜线Z 120。用于金刚石100的测量系统132由激光光源102、微波线圈114、长透镜126和半导体光接收元件104实现，并且用于金刚石136的测量系统134类似于测量系统132被实现。未示出测量系统134中的微波线圈和长透镜。样品的对是用相同方法制造的样品，并且采用样品B、D1和D2中的每一个。利用任何样品，能感测在值上与AC电流相同的相位差。

类似于借助于测量系统132通过在从AC电流源122向铜线X 116供应电流的同时用激光束和微波照射接近于铜线X 116的金刚石100对辐射荧光的强度的测量，借助于测量系统134通过用激光束和微波照射接近于铜线Z 120的金刚石136来测量辐射荧光的强度。能通过分析如上获得的结果来感测90°的相位差。

由于常规的金刚石磁传感器主要目的旨在为灵敏度高(以感测非常小的磁场)，所以它在测量工位稍微移位的情况下遭受超范围，并且不能通过感测时间变化模式来知道产生了磁场的电流的波形。根据本发明的一种方式，制造了各种类型的背景磁性布置在NV^—中心周围的单晶金刚石，并且在不用允许荧光强度的两个相对最小值消失的情况下维持了灵敏度。因此，能确保荧光强度中的足够差异(相对最小值与最大值之间的差异为至少2％)和宽磁场范围(不低于10nT)，使得能获得时间变化模式。当NV^—中心的浓度高于200ppm时，不再能观察到两个相对最小值，并且不能获得荧光强度中的足够差异。¹³C的浓度为28％的样品X被单独地原型化为上述样品并且经历测量。因此，当¹³C的浓度高于20％时，尽管NV^—中心的浓度为1ppm，但是不再能观察到两个相对最小值并且不能获得荧光强度中的足够差异。此外，在激光束的脉冲间隔被设定为1μsec的情况下进行类似于上述的实验。然后，能准确地感测到类似的相位差。还可以以与在示例1中相同的方式确切地感测馈送到铜线Y 118的脉冲电流。

示例3

通过使用金刚石的样品A、C、E1、E2和F中的每一个来进行实验。当最初通过使用样品A和C中的每一个来用与在示例1中相同的方法进行实验(参见图21)并且在高放大率下观察样品时，观察到荧光的一些发光点。由于每个发光点具有不同的内部磁场背景(核磁性)，所以它满足这样的条件：不管在相同频率下用微波进行照射(这在下面也被称为谐振)，荧光强度都在幅度不同的外部磁场中达到相对最小值。进行这样的实验：如示例2中的图29和图30中所示的电流被馈送到铜线X 116和铜线Y 118以形成外部磁场并且测量荧光强度的变化。通过处理关于荧光强度的变化和荧光位置(观察到荧光的位置)的变化的数据，能获得与图29和图30中的每个荧光强度模式相对应的磁性的时间变化模式。即，能通过位置的时间变化模式来执行代替示例1中的频率扫描的功能。通过进行观察以包括至少一千个发光点，能确定光发射的位置和在外部磁场中谐振的微波的频率(荧光强度达到相对最小值的微波的频率)彼此对应，并且能做出光发射的位置不管外部磁场中的显著变化都存在于某处的观察。因此，通过预先在数据库中累积与外部磁场的相关性，能基于展示了荧光强度的相对最小值的位置来测量外部磁场，并且还能随着时间的推移而获得荧光强度的时间变化模式或位置变化模式。当数据被处理时，能在磁场强度的大范围上获得磁场的时间变化模式。本方法通过用将相当于频率变化的位置数据作为数据库预先存储代替微波频率的扫描来表征。该方法基于关于单独的荧光强度的信息和关于荧光位置的信息的组合信息获得了磁性的时间变化模式。

然后，在与在示例2中相同的实验系统中进行用于通过用设定在光接收元件之前的级中的长透镜放大样品E1和E2来识别在晶格中对齐的点的荧光的实验(参见图26)。在样品E1和E2的每一个中，由于包括20μmφ的NV^—中心的区域(NV^—中心区域)在晶格中对齐的一个光发射区域具有多个NV^—中心，所以高于单个NV^—中心的荧光强度的荧光强度被获得作为强度的绝对值。当对整个样品施加磁场时，在衬底的背面上的Fe阵列保持磁场，并且产生具有基本上与每个Fe阵列的区域一致的强度的磁场。因此，阵列中的多个区域具有不同的磁场背景(通过Fe阵列的磁场)，并且在不同的微波频率下展示荧光强度的相对最小值。放大率较低，荧光强度较高，频率的范围也较宽，并且能覆盖比在高放大率下测量样品A和C时更宽的磁场范围。由于Fe点在晶格中对齐并且能设计内部中的磁场强度中的差异，所以容易地进行测量。进行用于通过通过将如示例2中的图29和图30中所示的电流馈送到铜线X 116和铜线Y 118来形成外部磁场而测量荧光强度的变化的实验。通过处理关于荧光强度的变化和荧光位置的变化的数据，能获得与图29和图30中的荧光强度模式相对应的磁性的时间变化模式。样品E1和E2与样品A和C的差异是能通过预先进行设计而不是搜索涉及对测量来说方便的光发射的一组NV^—中心来创建一组方便的NV^—中心。

通过使用样品F来与上述类似地进行实验。因此，尽管样品F的NV^—中心区域具有40μmφ的大小，但是能确认的是，能执行与样品E1和E2的功能基本上相同的功能(由AC电流产生的磁性的感测和由AC电流中的脉冲电流产生的磁性的感测)。

如上面所阐述的，能通过以下两种方法来在大磁场范围上测量磁性中的个别轻微变化：在样品A和C中的每一个中以高放大率进行观察使得NV^—中心用作至少一千个发光点(单独的发光点能被定义为NV^—中心区域)并且对这些发光点中的每一个进行寻址的方法；以及通过设计包括在样品E1、E2和F中的每一个中的在低放大率处的多个NV^—中心的、在晶格中的阵列(NV^—中心区域)并且将该阵列与磁阵列组合来形成不同的背景磁性的方法。即，能测量大磁场中的小磁场。能通过测量这样的时间变化模式来指定磁场(例如，电流)的原因。

示例4

尽管通过使用上述样品E1、E2和F来观察单独的阵列的荧光强度，但是在本示例中用激发光照射整个样品并且集体地观察从整个样品辐射的荧光的强度。存在特性类似的多个点(晶格中的点)，并且针对每个不同的特性设定不同数目的点。即，针对每个不同的特性对点进行加权。类似的特性意指在相同的微波频率下谐振的NV^—中心。不同的特性意指不同的谐振微波频率。因此，基于展示相对最小值的荧光强度知道微波频率。所有获得的荧光强度的叠加提供荧光强度的一个大变化。因此，荧光强度基本上确定微波频率。当谐振频率较低时，点的数目应该较大，并且当谐振频率较高时，点的数目应该较小。通过这样做，可形成相对于微波频率具有宽且大谷的荧光强度的曲线图。荧光强度与微波频率之间的关系(即，荧光强度与磁性之间的关系)通过金刚石的性能和设计的性能来确定，并且能被预先存储为数据库，使得能基于荧光强度计算关于磁性的数据。此外，由于能做出任意设计，所以能松散地设定荧光强度与磁性之间的关系，并且能在磁性的宽范围上进行测量。类似地，也能获得时间变化模式。当如在示出了示例2中的测量的图29中一样将电流馈送到铜线X 116时，基于测量到的整个样品的荧光强度的变化，能将关于外部磁场的信息观察为时间变化模式，能知道磁性的时间变化模式，并且能将针对磁性的因素指定为AC电流。由于时间变化模式也与AC波形一致，所以也能知道其相位。因此，也能如在示例2中一样确认与具有正交相位差的电流的波形的差异(参见图31)。此外，当如在同样示出了示例2中的测量的图30中一样将电流馈送到铜线X 116时，基于测量到的整个样品的荧光强度的变化，能将关于外部磁场的信息观察为时间变化模式，能知道磁性的时间变化模式，并且能像在图30的上部中的曲线图中类似地在AC电流与脉冲电流之间进行区分那样计算针对磁性的因素。

示例5

制造像图32中所示的那样配置的实验装置并且通过使用金刚石的样品E1、E2和F中的每一个来进行实验。通过使用椭圆球面镜138来用微波照射样品。具体地，样品被设定在部分地由椭圆球面镜138构成的椭圆球面(球体)的一个焦点处，并且螺线管线圈状的天线(微波线圈114)布置在另一个焦点处。椭圆球面镜138仅位于布置有线圈状的天线的一侧，并且面向金刚石100的一侧是打开的。然而，从布置在焦点处的天线辐射的微波被椭圆球面镜138反射并且在布置在另一焦点处的金刚石100处被收集。椭圆球面镜138的端面(开口部分)具有30cm的直径，并且布置有微波线圈114的焦点与椭圆球面镜138的端面相距20cm。样品用来自布置在与样品(金刚石100)相距30cm的位置处的激光光源的激发光照射，并且用布置在与样品相距20cm的位置处的长焦显微镜来观察从样品辐射的荧光。利用这样的配置，AC电流像示例2中的图29中所示的那样被馈送到铜线X 116，能基于磁阵列的地址和该地址处的荧光强度的变化将关于外部磁场的信息观察为时间变化模式，能知道磁性的时间变化模式，并且能将针对磁性的因素指定为AC电流。即使当用作传感器部分的金刚石的样品远离由激发半导体元件部分(激光光源)、光接收半导体部分(光接收元件)和包括微波线圈的微波发生器构成的测量仪器布置时，也能感测磁场和磁性的时间模式并且能感测磁场的原因。

示例6

远离测量电子元件(激发半导体激光器和半导体光接收元件)的用作传感器部分的金刚石的样品E1、E2和F中的每一个的布置与在示例5中相同。用作感测部分的金刚石的样品被设定在真空(0.01大气压)下的环境中、在高压(10个大气压)下的水中并且在高温(200℃)下的油中，激光束和微波通过石英玻璃的窗口来远程地发射，并且检测到荧光。配置、布置和测量条件否则与在示例5中相同。尽管在感测部分(金刚石的样品)周围的环境与标准状态(例如，一个大气压(101325Pa)0℃)显著地不同，但是能进行与上述基本上相同的测量。

示例7

采纳与在示例1中相同的样品和测量系统，并且用于产生磁场的线圈被布置成覆盖用作感测部分的金刚石的样品。磁场被产生为使得在布置有金刚石的样品的位置处由通过铜线X 116的AC电流所产生的AC磁场被用于产生磁场的线圈消除。由于通过铜线X 116和用于产生磁场的线圈所形成的组合磁场在金刚石上不均匀，所以它在严格意义上不能消除磁场。然而，当要观察的部分小并且预期到AC磁场时，磁场被基本上消除。在这种状态下，磁场的变化能在仍然存在而未被消除的正弦磁场的所有相位下被感测到并且能被感测为时间变化模式，并且能像图30中所示的那样感测AC磁场中的脉冲磁场(参见示例2)。

示例8

采纳与在示例2中相同的样品和测量系统，并且在同一电路板上制造用作感测部分的金刚石的样品以及包括用于感测的激发半导体元件和光接收元件的感测电路部分，使得能感测磁性和磁性的时间变化模式。通过像示例2中的图29中所示的那样感测AC磁场，不在同一电路板上制造它们的示例和在同一电路板上制造它们的示例被彼此比较。测量在用于形成AC磁场的电流的值被从示例2中的1.2A逐渐降低到0.12A、12mA和1.2mA情况下进行。当不在同一电路上制造它们时，在1.2mA的示例中的测量是困难的。然而，当在同一电路上制造它们时，能同样在1.2mA的示例中测量AC磁场的磁性时间变化模式。

示例9

通过采纳与在示例7中相同的样品和测量系统并且如在示例7中一样也布置用于产生磁场的线圈来进行实验。磁场被产生为使得用于产生磁场的线圈消除了在布置有金刚石的样品的位置处由通过铜线X116的AC电流所产生的AC磁场，并且由通过铜线Y 118的脉冲电流所产生的磁场被另一线圈增加。能如在示例7中一样消除由铜线X 116所引起的AC磁场，并且由铜线Y 118所产生的磁场能在被放大时被施加到金刚石并且能被感测为磁性的时间变化模式。能感测图30(示例2)中所示的AC磁场中的脉冲磁场。在本示例中，当样品和感测部分的电路部分被放置在磁屏蔽件内并且通过天线用来自用于增加由通过铜线Y 118的脉冲电流所产生的磁场的线圈的磁性(电流)照射金刚石时也获得类似的结果。

尽管已在上面通过描述实施例描述了本发明，但是这些实施例是说明性的，并且本发明不仅局限于这些实施例。本发明的范围通过权利要求的范围内的每个权利要求参考本发明的详细描述中的描述来限定，并且包括相当于权利要求的项的范围和含义内的任何修改。

附图标记列表

1、2金刚石；3磁阵列；3a、3b磁材料；10微波发生器；11频率扫描装置；12微波；20激发光发生器；21激发光；22荧光；30荧光传感器；31荧光传感器阵列；32a、32b光接收元件；40模式测量装置；60电路板；70消除线圈；80磁屏蔽构件；a、b、c、d、e、R1、R2、R3、R4区域；C1横截面；100、136金刚石(样品)；102激光光源；104半导体光接收元件；106光学透镜系统；108显微镜透镜；110三角棱镜；112反射器；114微波线圈；116铜线X；118铜线Y；120铜线Z；122AC电流源；124脉冲电源；126长透镜；128电容器；130电阻器；132、134测量系统；138椭圆球面镜。

Claims (12)

1.一种金刚石磁传感器，包括：金刚石，所述金刚石包含至少一个NV^—中心；微波发生器，所述微波发生器向所述金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向所述金刚石的所述NV^—中心发射激发光；以及荧光传感器，所述荧光传感器接收从所述金刚石的所述NV^—中心产生的荧光，所述金刚石磁传感器包括

模式测量装置，所述模式测量装置基于由所述荧光传感器感测的荧光强度的变化来测量磁场强度的时间变化模式。

2.根据权利要求1所述的金刚石磁传感器，其中

所述模式测量装置执行用于控制所述微波的频率的扫描的功能、用于指定产生所述荧光强度的相对最小值的所述微波的所述频率的功能以及用于基于指定的所述频率来检测磁场强度的功能，并且

所述模式测量装置通过重复所述频率的扫描而重复所述磁场强度的检测来测量所述磁场强度的所述时间变化模式。

3.根据权利要求1或2所述的金刚石磁传感器，所述金刚石磁传感器还包括数据分析装置，所述数据分析装置基于所述时间变化模式使源自测量环境的磁场的强度和源自要测量的对象的磁场的强度彼此分离。

4.根据权利要求3所述的金刚石磁传感器，其中

所述数据分析装置通过在所述时间变化模式中基于频率进行滤波来使所述磁场的强度分离。

5.一种金刚石磁传感器，包括：

金刚石，所述金刚石为板状，在平面图中包含多个NV^—中心区域；

磁阵列，所述磁阵列与所述NV^—中心区域对应地布置；

微波发生器，所述微波发生器向所述金刚石发射微波；

激发光发生器，所述激发光发生器向所述金刚石发射激发光；以及

荧光传感器阵列，所述荧光传感器阵列分别接收从所述多个NV^—中心区域产生的荧光。

6.根据权利要求1至5中的任何一项所述的金刚石磁传感器，所述金刚石磁传感器还包括消除线圈，所述消除线圈通过产生规定的磁场来减弱施加到所述金刚石的环境磁场。

7.根据权利要求1至6中的任何一项所述的金刚石磁传感器，其中

所述金刚石、所述微波发生器、所述激发光发生器和所述荧光传感器或荧光传感器阵列被直接地或者其间插入有另一构件地安装在单个电路板上。

8.根据权利要求1至7中的任何一项所述的金刚石磁传感器，所述金刚石磁传感器还包括：

磁屏蔽件，所述磁屏蔽件切断施加到所述金刚石的环境磁场；以及

天线，所述天线将包括要感测的对象的外部信号引入到所述磁屏蔽件的内部中。

9.一种金刚石磁传感器，包括：金刚石，所述金刚石为板状，在平面图中包含多个NV^—中心区域；磁阵列，所述磁阵列与所述多个NV^—中心区域对应地布置；微波发生器，所述微波发生器向所述金刚石发射微波；激发光发生器，所述激发光发生器向所述金刚石发射激发光；以及荧光传感器，所述荧光传感器接收从所述多个NV^—中心产生的荧光，

根据发射的所述微波的频率和由所述磁阵列施加的磁场，从所述多个NV^—中心区域产生的荧光的强度的相对最小值的幅度被针对每个NV^—中心区域不同地加权。

10.一种金刚石磁传感器，包括：

金刚石，所述金刚石为板状，在平面图中包含多个NV^—中心区域；以及

磁阵列，所述磁阵列与所述NV^—中心区域对应地布置，

所述金刚石和所述磁阵列彼此接触。

11.根据权利要求1至6及权利要求9和10中的任何一项所述的金刚石磁传感器，其中

所述金刚石和包括所述荧光传感器的电子电路部分彼此相距至少1cm，并且在所述金刚石与所述电子电路部分之间没有插入将所述金刚石和所述电子电路部分彼此电连接的构件。

12.根据权利要求11所述的金刚石磁传感器，其中

包括所述荧光传感器的所述电子电路部分利用透过可见光或红外光的固体与所述金刚石间隔开，并且能够被用于不同于标准状态的温度环境、不同于所述标准状态的压力环境和除空气以外的气体气氛中的至少一个环境中。