CN113260947A

CN113260947A - 用于产生和控制磁场强度的设备和方法

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Publication number: CN113260947A
Application number: CN201980087657.7A
Authority: CN
Inventors: J·B·梅耶尔; R·斯塔克; F·诺伊豪泽尔; R·约翰; M·巴赫尔; B·布尔查德
Original assignee: Kunteng Technology Co ltd
Current assignee: Quantum Technology Co Ltd
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2039-11-01
Also published as: WO2020089465A2; JP7333394B2; US11391793B2; EP3874343A2; EP4290260A2; DE102018127394A1; US20210405129A1; EP3874343B1; CN113260947B; JP2022506930A; EP4290260A3; WO2020089465A3

Abstract

本发明涉及一种用于产生和控制磁场强度的设备(50)以及用于产生和控制磁场强度的方法，其中磁场强度的产生是非常稳定且精确的。优选地，可以相对简单地并且经济地生成物理变量的参考值。同时，可以以高分辨率并且特别是高鲁棒性地测量磁通量密度。本发明还可以用于传输信息，特别是用于超宽带通信。所需设备(50)可以非常小，特别是微型的，并且可以移动。

Description

用于产生和控制磁场强度的设备和方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1中的上位术语的用于产生和控制磁场强度的设备，以及根据权利要求18中的上位术语的用于产生和控制磁场强度的方法。

背景技术

通常借助于线圈装置来产生磁场和相关联的特定磁场强度。问题在于，在这样做时，不能考虑外部磁场。这些仅能经由磁屏蔽来消除。

同样困难的目的是生成物理变量的参考值。这样的参考值在科学和技术中是非常重要的。这与时间有关是立刻就能看出来的，但参考值作为用于其它物理变量(例如，电流强度、电压、磁场、电场等)的基础值也是非常重要的。

用于时间的参考值是秒，其被定义为对应于铯同位素¹³³Cs的原子的基态的两个超精细级别之间的过渡的辐射周期的9,192,631,770倍。用于预设秒的持续时间的参考值发射器是通过所谓的“原子钟”知道的。

对于长度，可以从以下定义导出米的参考值：一米等于光在真空中在1/299792458秒期间行进的距离的长度。因此，这样的参考值被追溯到用于时间的参考值。

电流强度由以下事实定义：1A是时间恒定电流的强度，该电流强度在两个平行的、无限长的、直的导体之间的真空中的导体长度的每一米上产生2×10^-7牛顿的力，这些导体具有可忽略的、小的圆形横截面，并且这些导体之间的距离为1m。由此，不可能找到用于提供用于电流强度的参考值的既经济又实用的直接解决方案。这也适用于例如电压、磁场和电场。

最后，磁通量密度的测量是传感器技术的基本功能，由此，目标是进一步提高相应的传感器的分辨率和鲁棒性。

根据DE 10 2015 208 151 A1和DE 10 2017 205 099 A1，已知如下方法：通过这些方法评估具有氮空位中心的金刚石材料的荧光强度，以便能够推断作用在氮空位中心的磁场和引起这种磁场的导体的电流。由此，使用两个不同的激励(特别是氮空位中心的光学激励和微波激励)，这使得相应的设备昂贵且复杂。

根据A.Wickenbrock等人的“利用金刚石中的氮空位中心的无微波磁测定法”(“Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond”,应用物理快报(Appl.Phys.Lett).109,053505(2016))，可知不使用微波的磁场测量。然而，问题在于：必须精确地调节通量密度。

发明内容

在本发明的框架内，在磁场强度(磁的强度)和磁通量密度之间区分磁场。严格地说，磁通量密度B取决于根据关系B＝μ₀μ_rH的磁激励H，其中μ₀是真空磁导率，并且μ_r是相对磁导率。由此，测量磁通量密度，同时，当电流流过导体(特别是线圈)时，产生具有特定场强的磁场。

因此，本发明的目的是提供一种设备和方法，利用该设备和方法可以产生和控制磁场强度。优选地，这是为了消除上述缺点中的一个或多个。优选地，这允许相对简单和经济地生成物理变量的参考值。特别地，该设备也非常小，并且以移动的形式来使用。此外，如果该设备还可以用于以高分辨度并且特别是以高鲁棒性来测量磁通量密度，这将是有利的。

通过根据权利要求1所述的设备和根据权利要求18所述的方法来实现这样的目的。从属权利要求以及以下说明书和附图一起指示了其它有利的改进。

发明人已经认识到，通过将磁场强度追溯到发光中的谐振极值(取决于材料或光电流，视情况而定)，可以以令人惊讶的方式实现这一目标。由于这种依赖性是非常公知的，并且也是非常稳定的，可以非常可靠并且可重现地控制相应的磁场强度。更确切地说，根据具体情况，磁场强度基本上取决于在发光或光电流中心的位置处触发谐振极值的磁通量密度B，并且因此有利地、专有地取决于不需要校准的自然常数。例如，谐振点表示作为磁通量密度B的函数的反向发光值的极点。由于与磁通量密度B的参数相关的这种点形状的谐振点，磁通量B的最小偏差导致非常高的信号灵敏度，使得可以独立于其它影响非常准确地产生磁场强度。根据文献(参见例如J.Lepper的“激励晶体的电子发射和发光解离之间的关系”(“Der Zusammenhang von Elektronenemission und Lumineszenzerscheinungenangeregter Kristalle”,自然研究杂志(Z.Naturforschg.),10a,47-52(1955)))，可知发光和光电流之间存在紧密的关系。

根据本发明的用于产生和控制磁场强度的设备的特征在于：

-在物理激励时产生发光和/或光电流的第一材料，其中根据具体情况，发光或光电流在至少一个磁通量密度下具有关于磁场的极值(以谐振的形式)，

-用于产生物理激励的装置，

-用于产生磁场的装置，其中所述第一材料暴露于所产生的磁场，其中磁场强度是可调节的，

-用于根据具体情况测量发光或光电流的装置，其具有表示检测到的发光信号或光电流信号的强度的检测信号。

-用于控制的装置，其适于输出用于控制用于产生磁场的装置的控制信号，并且适于将磁场强度控制为检测信号的函数，使得检测信号呈现极值。

“用于产生物理激励的装置”是指可以通过其产生物理激励的任何装置。在这样做时，物理激励的大小实际上是可变的就不重要了。如果可以产生物理激励，以使得根据具体情况在发光或光电流中产生共振，那就足够了。在优选的进一步开发中，可以借助用于产生物理激励的装置在至少某个范围内离散地或连续地调谐激励的大小(例如其频率)。

为了确定极值，优选地可以存在用于检测检测信号的一阶和/或二阶导数的装置，该检测信号作为磁通量密度的函数。而根据具体情况，检测信号中的最大值或最小值可以经由一阶导数中的零点来确定，一阶导数中的极值可以经由二阶导数中的零点来控制。二阶变体是非常有利的，因为在该点可以以最高灵敏度进行控制。因此，根据具体情况，“检测信号中的极值”不仅意味着检测信号中的最大或最小值，而且意味着检测信号的一阶导数中的最大值或最小值；因此，“检测信号中的极值”优先地被解读为“检测信号中的极值或检测信号的一阶导数中的极值”。

在有利的进一步开发中，提供了用于生成作为控制信号的函数的物理变量的装置。这允许非常准确并且可重现地生成参考值。由此，在“物理变量”和“物理激励”之间进行严格的区别，“物理变量”是指参考值，“物理激励”是指用于根据具体情况在材料中产生发光或光电流的特定物理变量。

在有利的进一步开发中，提出物理变量是从由电流、电压、磁场(磁通量密度B或磁场强度H)、电场、时间和频率组成的组中选择的变量。特别地，经常地需要这样的参考值，并且应用的不同领域需要这样的参考值。

在有利的进一步开发中，提出用于生成物理变量的装置包括从以下组中选择的至少一个元素：电流镜、源阻抗、线圈、电容器、跨导放大器和运算放大器。然后，可以生成用于电流、电压、磁场、电场、时间和频率的参考值。

在有利的进一步开发中，进一步提出存在：

-在进一步的物理激励时，产生发光和/或光电流的另外的材料，其中根据具体情况，发光或光电流在至少一个磁通量密度下具有关于磁场的极值(以谐振的形式)，

-产生另外的物理激励的另外的装置，

-用于产生磁场的另外的装置，其中所述另外的材料暴露于所产生的磁场，其中所述磁场强度是可调节的，其中所述用于产生磁场的另外的装置适于将所述另外的材料暴露于与第一材料相同或不同的磁场，

-根据具体情况，用于测量发光或光电流的另外的装置可以是具有另外的检测信号的另外的材料，根据具体情况，所述另外的检测信号表示所检测到的另外的发光信号的强度或所检测到的另外的光电流信号的强度。此时，可以非常容易地确定磁场中的梯度。代替该另外的材料和另外的装置的组合，可以使用其任何组合，或者甚至可以单独使用另外的材料或另外的设备中的任一者。也可以使用多种另外的材料和/或多种另外的设备。

“物理激励”可以与“另外的物理激励”相同，使得“用于产生物理激励的装置”也可以与“用于产生另外的物理激励的另外的装置”相同。此外，“用于产生磁场的装置”可以与“用于产生磁场的另外的装置”相同。

在有利的进一步开发中，提供的第一材料和/或另外的材料具有晶体结构，该晶体结构具有至少一个空位，其中根据具体情况，第一材料或另外的材料优选为金刚石、碳化硅或硅，并且空位是色心，特别地，是氮空位中心或与铕空位中心、钒空位中心或锰空位中心结合的氮空位中心。当使用金刚石时，也可以想到使用ST1和L2中心。优选地，它是荧光材料。这种材料在其发光中具有非常公知的谐振点。此时，应参考A.Zaitsev的“金刚石的光学性质”(“Optical Properties of Diamond”,2001,施普林格出版社(Springer),柏林)，其中指示了金刚石中的许多适当的色心。据此，这样的公开中关于金刚石中的色心的公开内容的全文以引用方式并入本文。

在有利的进一步开发中，根据具体情况，提出用于产生物理激励的装置或用于产生物理激励的另外的装置，提供电激励或电磁激励，优选地为在光学范围中和/或在微波范围中的激励，特别是激光激励或LED激励或借助于电离辐射的激励。根据具体情况，这使得非常容易激励发光或光电流，并且该装置可以保持得非常紧凑。通过使用微波激励，可以分辨发光或光电流频谱中的精细结构，进一步提高生成的参考值的准确性。

如果使用电激励(例如利用电接触)而不是电磁激励，则可以省略用于光学激励的LED，例如，这使得相应的传感器系统更加紧凑。此外，将可以极大地增加相应的传感器的空间分辨率。更具体地，激励可以被电接触限制到小得多的区域，并且与光学检测不同，将不会从整个材料获得信号。直到现在，电激励已经失败，因为金刚石中的NV中心被电离；然而，可以通过例如通过金刚石中的磷掺杂提高费米能级来防止这一点。

在有利的进一步开发中，提出电接触在第一材料和/或另外的材料上是透明的。例如，可以使用所谓的“透明导电氧化物(TCO)”，例如氧化铟锡(“ITO”)、氟氧化锡、氧化锌铝或氧化锑锡。这样的接触可以用于读取光电流的框架内以及用于电激励。

金刚石中的色心的电激励的示例性方法是已知的，例如，从DE 43 22 830A1以及B.Burchard的“电子和光电元器件及金刚石基元器件的基本结构”(“Elektronische undoptoelektronische Bauelemente und Bauelemente Grundstrukturen aufDiamantbasis”，学位论文(Dissertation),哈根(Hagen),1994)中得知。特别地，可以通过PIP或PIN二极管进行发光的激励。在这一点上，还应当参考B.Tegetmeyer等人的“通过在p-i-n结上施加正向电压来对金刚石中的氮空位中心进行电荷状态调制”(“Charge statemodulation of nitrogen vacancy centers in diamond by applying a forwardvoltage across a p–i–n junction”,金刚石和相关材料(Diamond and RelatedMaterials),第65卷,2016年5月,第42至46页)，以及B.Tegetmeyer等人的“金刚石p-i-n二极管中硅空位中心的电致发光”(“Electroluminescence from silicon vacancy centersin diamond p–i–n diodes”,金刚石和相关材料(Diamond and Related Materials),第65卷,2016年5月,第42至46页)。也可以想到经由PN二极管的激励。利用金刚石和PIP二极管的示例性使用，当足够高的电压被施加到PIP二极管时，第一掺杂区域(例如，P⁺掺杂区域)将电荷载流子(在这种情况下是空穴)注入到本征区域中。在那里，它们被施加的电压的电场加速，并且通过冲击来激励色心，于是它们开始发光。经由注入电子和空穴(例如，在PIN二极管中)的激励更加有效。借助于带隙工程或使用其它材料，也可以产生直接的过渡，但是然后必须使用其它色心，因为色心总是以特定于材料的方式存在。可以想到的是，仅电容性地或借助于变压器或者另外地以在电流上隔离到AC信号源的方式联接LED(例如以上描述的那些)。这对于CMOS集成特别有利。

在有利的进一步开发中，根据具体情况，提出用于产生磁场的装置或用于产生磁场的另外的装置包括可以被电流激励的至少一个线圈，其中优选地存在磁导体(特别是以具有气隙的轭的形式存在)，其中第一材料和/或另外的材料被布置在气隙中。根据具体情况，这允许在第一材料或另外的材料上非常容易地并且同时非常均匀地产生磁场。还可以使用亥姆霍兹(Helmholtz)线圈装置，可以与一个或多个轭元件组合，以实现一定集中，其中可以再次使用气隙。

在有利的进一步开发中，用于测量发光的装置和/或用于测量发光的另外的装置包括光电检测器，并且优选地包括衰减物理激励的滤波器。这使得能够非常容易地测量发光，其中小型化是很可能的。

在有利的进一步开发中，提出用于测量光电流的装置和/或用于测量光电流的另外的装置以这样的方式形成：根据具体情况，在第一材料和另外的材料上的两个电接触之间施加电压，并且串联地测量光电流，其中例如利用锁定放大器或简单地经由已知电阻器两端的电压降来执行测量。也可以使用光电二极管和/或CCD元件和/或雪崩光电二极管和/或SPAD(单光子雪崩光电二极管)来执行光电流测量。用于测量光电流的另一简单设备通过DE 10 2010 060 527 B3获知。当使用这种技术时，必须对控制器进行时钟控制。然后，优选地，以开关电容器技术将它们全部或部分地实现。此时，可以特别容易地进行光电流的测量。特别地，可以以特别紧凑的方式来设置相应的设备。

在有利的进一步开发中，提出用于控制的装置被形成为连续线性控制器，优选地作为PI或PID控制器。这使得能够特别精确地控制谐振的极值，这进一步改善了参考值的准确性和稳定性。

在有利的进一步开发中，提出：存在至少一个高通滤波器用于对检测信号和/或另外的检测信号进行滤波。此时，可以确定施加在磁场上的高频有用信号，通过该信号启用宽带信息传输。此外，还可以非常精确地分析磁背景场。

在有利的进一步开发中，提供用于对控制信号进行滤波的至少一个低通滤波器。该低通滤波器可以单独存在；然而，用于控制的装置也可以提供这样的低通滤波器功能。这防止高频分量流入控制而不存在于检测信号中或仅以修改后的形式存在。

在有利的进一步开发中，根据具体情况，提出高通滤波器的下截止频率的大小大于低通滤波器或用于控制的装置的上截止频率的大小。此时，根据具体情况，宽带信息传输或背景磁场的分析可以是非常精确的，其中，特别地，防止对作用于材料上的磁通量密度B的操作点的控制的干扰。然后，通过对磁通量密度的信号进行评估，借助于自然调制或人工调制的电磁辐射，该设备可以用于典型地高宽带接收有用信号。自然地调制的辐射可以是，例如，在有机体中的神经信号的传输期间产生的电磁场。本文提出的发明，(如果适当地设计成检测这样的生物调制信号)可以在医学技术中找到特定应用。因此，该设备和方法特别适合于脑电图学。

在有利的进一步开发中，提出用于产生磁场的装置具有至少两个(优选地为三个)磁性区域，根据具体情况，这些磁性区域具有不同的磁阻，使得第一材料或另外的材料的至少两个(优选地为三个)材料区域暴露于不同的磁场，其中根据具体情况，每个材料区域被分配其自己的用于测量发光或光电流的装置，其中根据具体情况，各自的检测信号表示检测到的发光信号或光电流信号的强度，其中用于控制的装置适于输出用于控制用于产生磁场的装置的控制信号，并且适于以使得材料区域的检测信号呈现极值的方式将磁场强度控制为检测信号的函数。这有效地防止了用于控制的装置“跑出”谐振点。优选地，调节不同的磁阻，使得磁通量密度B所得到的偏差不大于在谐振点处近似为高斯函数的信号曲线中的统计值西格玛(Sigma)。特别地，磁阻将适于使得所得到的磁通量密度在0.5mT至3mT、优选地在1mT-2mT的范围内不同。此时，实现了特别稳定的控制。

在有利的进一步开发中，提出用于磁场生成的装置和/或用于磁场生成的另外的装置具有对外部磁场的磁屏蔽。此时，所产生的磁场强度独立于外部磁场。

在有利的进一步开发中，提供的用于产生磁场的装置适于向材料供应外部磁场。此时，可以特别容易地分析这样的外部磁场。

在有利的进一步开发中，提出用于产生物理激励的装置适于进行物理激励的调制，其中存在用于使物理激励的调制与检测信号相关的装置。因此，存在非常精确并且稳定的磁场强度的产生。

要求对用于根据本发明的用于产生和控制磁场强度的方法进行独立的保护，其特征在于使用：

-在物理激励时产生发光和/或光电流的第一材料，其中根据具体情况，发光或光电流在至少一个磁通量密度下具有关于磁场的极值(以谐振的形式)；

-用于生成物理激励的装置，

-用于产生磁场的装置，其中第一材料暴露于所产生的磁场，其中磁场强度是可调节的，以及

-用于测量发光或光电流的装置根据具体情况具有表示检测到的发光信号的强度或检测到的光电流信号的强度的检测信号，

其中输出控制信号，用于控制用于产生磁场的装置，以便将磁场强度控制为检测信号的函数，使得检测信号呈现极值。

要求对根据本发明的用于接收以具有至少一个色心的有用信号进行调制的电磁波的接收器进行独立保护，其中，所述色心发光，并且其中，发光取决于在该色心的位置处的磁通量密度，其中，该接收器适于经由这样的发光来对所述有用信号进行解调，和/或其中，该色心是用于已调制的电磁波的天线。这允许提供宽带接收器，特别是用于加密通信。

此外，要求对将色心作为天线从而作为用于接收和/或解调已调制的电磁信号(特别是已调制的消息或测量信号)的子设备的用途进行独立保护。

最后，要求对将色心作为天线从而作为用于接收和/或解调生物性的已调制的电磁信号(特别是已调制的神经信号)的子设备的用途进行独立保护。

在有利的进一步开发中，提出使用根据本发明的设备。

附图说明

通过对优选示例性实施例的描述及其附图，本发明的特征和进一步的优点将在以下变得显而易见。因此，以下示出的是纯示意性的。

图1a示出金刚石中的NV中心的光致发光对磁通量密度的大小的依赖性，

图1b示出金刚石中的NV中心的光致发光的一阶导数对磁通量密度的大小的依赖性，

图2示出本发明所基于的基本原理，

图3示出根据图3的基本原理的替代实施例，

图4示出根据本发明的根据第一优选实施例的设备，

图5示出根据本发明的根据第二优选实施例的设备，

图6示出根据本发明的根据第三优选实施例的设备，

图7示出根据本发明的根据第四优选实施例的设备，

图8示出根据本发明的根据第五优选实施例的设备，

图9示出根据本发明的根据第六优选实施例的设备，

图10示出根据图9的第六优选实施例的平面实现，

图11示出根据本发明的根据第七优选实施例的设备，

图12示出根据本发明的根据第八优选实施例的设备，

图13示出根据本发明的在设备之一中使用的PI控制器，

图14示出根据图3在本发明的设备中使用的控制器，以及

图15示出根据图4、图5或图7在本发明的设备之一中使用的电流镜装置。

在下文中，相同的附图标记用于相同的元件。

具体实施方式

色心是吸收电磁辐射(例如，在UV、可见光和/或IR范围内)的晶体中的晶格缺陷。这产生具有特定波长的带。

金刚石中所谓的“氮空位”(NV中心)(它是在金刚石中超过100个已知缺陷中的一个，其由金刚石晶格中被氮原子取代的碳原子和相邻原子的缺失所引起)，已经被非常好地研究。Ib类金刚石是已知的，对于Ib类金刚石，这样的NV中心均匀地分布在整个金刚石结构上。

这种NV中心的光致发光强烈地取决于作用在NV中心上的磁场的磁通量。

图1a和图1b示出了金刚石中的这种NV中心的光致发光和光致发光的一阶导数(视情况而定)作为磁通量密度的大小的函数，其中场在NV轴线上对准。在|B|＝102.4mT的通量密度下，光致发光假定为最小。该磁通密度也被称为“GSLAC磁通密度”(GSLAC–基态能级反交叉)。理论预测光致发光在此应当具有清晰的最小值。最小值非常尖锐，并且具有大于4.5％的对比度，这使得灵敏度最大化。此外，该点不取决于环境参数，这是显著的优点。(理论上，存在对外部E场、压力和温度的依赖性。然而，由于此类依赖性非常弱，它们是可忽略的)。

此外，在约60mT下，存在NV-NV谐振，在约51.2mT下，存在NV-P1谐振。

带负电荷的NV中心的发光发生在600nm至800nm的波长范围中，零声子线在638nm处。可以利用小于或等于638nm的波长来激励NV中心。借助于晶体中的施加机械应力(例如，通过空腔或高压)，可以改变必要的激励能，并且可以改变发光特性。

图2示出了本发明的基本原理的电气控制电路10。可以看到，控制电路10具有子磁路12，子磁路12包括(以示例的方式)轭装置14，轭装置14包括，例如，优选的铁磁材料(例如，铁芯)的两个芯16、18，在这两个芯之间布置有气隙20。例如，第一芯16缠绕具有一定数量的绕线的线圈22，其用于磁性地激励子磁路12。

例如，气隙20包含Ib类型的金刚石24，其具有作为发光材料的NV中心26，发光材料被具有第一波长的电磁辐射30的激光二极管28照射，该电磁辐射30足以激励金刚石24中的光致发光。然后，NV中心26发射第二波长的电磁辐射32，第二波长与第一波长不同。例如，第一波长是532nm，并且第二波长在600nm到800nm的范围内。

此外，存在接收所发射的辐射32的光电检测器34。为了将第一波长的电磁辐射30保持在第二波长的电磁辐射32的接收路径之外，滤光器35被插入到发射路径中，这不使第一波长的电磁辐射30穿过或至少使其充分地衰减，并且其传输第二波长的电磁辐射32或至少使其充分地传输而不衰减。还可以根据需要在光路中提供其它光学部件，例如光束分离器等。

光电检测器34检测第二波长的电磁辐射32，并且将检测信号36产生为来自NV中心26的这种检测到的第二波长电磁辐射32的函数。检测信号36的值优选地与第二波长的电磁辐射32的能量强度的幅度大小成比例。然而，至少，检测信号36取决于第二波长的电磁辐射32的能量强度。

最后，提供控制器38，其从检测信号36产生控制信号40，以经由电导体42控制线圈22。因此，由线圈22产生的磁激励取决于控制信号40。由此，选择控制器38的控制以使得由第一NV中心26发射的第二波长的电磁辐射32最小化。由此，控制器是例如已知类型的PI或PID控制器，其中PID控制器是优选的，使用它来执行对由光检测器34测量的检测信号的导数的零点的控制。导数可以是检测信号的一阶或二阶导数。

在金刚石24的适当的磁屏蔽(未示出)的情况下，控制信号40仅取决于子磁路12的几何参数，使得控制信号40可以作为用于物理参考值的基础。然而，即使没有磁屏蔽，控制信号40也可以作为物理参考值的基础，特别是如果外部磁场(例如地球的磁场)的大小是已知的。这样的外部磁场可以用于选择性地减小控制信号40，这对于某些应用是有用的。在任一情况下，控制电路10通过激励线圈22来提供磁场强度H。

为了清楚起见，假设谐振位置周围的发光L由如下函数近似：

由此，磁通密度B₀是谐振点的位置，并且σ是其宽度。在控制开始时，将采用磁通量密度B的起始值，这确保在发光极值的方向上进行控制。

谐振点正下方是灵敏度

因此，发光可以被估计为通量密度偏差ΔB在位置B_k处谐振点B₀正下方的磁通量密度B的函数：

因此，作为光电检测器34的检测信号36的电平P₃₆，假设它提供与发光L的强度成比例的值，则得到以下：

因此，k是比例常数。然后，控制器38提供与来自光电检测器34的检测信号36的电平P₃₆成比例的电流。为了简单起见，这里省略了控制器38(优选为PI控制器)的积分特性，并且仅描述了具有P控制器的变量。

然后将控制信号R₄₀描述为：

由此，f是控制器的另一常数，通常是增益。优选以如下的方式选择-f的符号：在该方式中补偿变化ΔB以用于后续，从而建立稳定性。线圈22将控制信号40转换成附加磁激励H，其在NV中心26上再次用作附加的磁通量ΔB_L。因此，这导致了：

根据ΔB_L的分辨率产生：

这可以被写作：

现在，增益被调节到非常高，优选在约10¹⁰或更高的范围内。此时，如果正确地选择了-f的符号，则该等式被简化为：

ΔB_L～ΔB

然而，这也意味着：

因此，控制信号微分成正比于叠加在NV中心26中的附加磁通密度ΔB_L。因此，控制信号40可以用作附加的叠加磁通量密度ΔB_L的测量。

通过将一个NV中心与不同的顺磁中心NV-EuV、NV-NV、NV-MgV组合，可以产生并且读出不同的校准点。其它适当的中心的示例是St1和L2中心。St1中心具有581nm的发射线，并且必须以比NV中心的能量更高的光被激励。

此外，可以以适当的色心的形式在SiC和Si中产生适当的自旋系统，代替金刚石24和金刚石24中的NV中心。

通过选择适当的材料及其缺陷并且适当地选择子磁路12的参数，因此可以有针对性地选择所需的磁通量密度以及因此所需的控制信号40。

由于取决于控制算法，磁通量密度优选地线性地取决于控制信号40，因此仅需要关于子磁路12的实际参数(因此特别是绕线直径、绕线的数量、导体厚度和轭装置14)对这样的控制信号校准一次。在高精度制造技术(例如微技术制造工艺)的情况下，甚至校准可能不是必要的。

图3示出了根据本发明的控制回路50的替代实施例。

这里可以看出，反过来，发光材料24被布置在轭装置54的气隙52中，并且被激光二极管28照射。

与根据图2的控制电路10相比，这里的轭装置54除了气隙52之外是闭合的，然而，其中，在气隙52处存在彼此平行地布置的三个不同的磁体区域56、58、60。这些磁性区域56、58、60中的每一个影响金刚石22中的不同NV中心62、64、66，导致在被激光二极管28以第一波长的电磁辐射30激励之后发射第二波长的不同电磁辐射68、70、72。继而存在用于第一波长的电磁辐射30的滤波器74，并且第二波长的每个电磁辐射68、70、72被各自相关联的光电检测器76、78、80接收，并且相应的检测信号82、84、86被作为输入信号馈送到PID控制器88，PID控制器88经由电导体92输出控制信号90，以借助于线圈94产生电场强度。

磁性区域56、58、60形成为使得它们各自具有不同的磁阻。更具体地，例如，形成磁性区域56、58、60，使得间隙52中的磁通量B具有用于磁性区域58的值B、用于磁性区域56的值B-1mT，以及用于磁性区域60的值B+1mT。

这实现了多维控制，其防止控制器88在GSLAC谐振点的一阶导数的实际过零点之外运行。由于不同磁体区域56、58、60的间隔的通量密度，控制器88总是识别它在谐振点处的位置。所产生的磁通量密度之间的距离优选地不大于谐振点的宽度，即1σ。因此，±1mT的值也被不同地选择，但其不应大于1σ。优选地，这样的距离由此相对于对称点被对称地选择。

可以仅使用两个这样的磁体区域，但是优选地为三个磁体区域56、58、60，因为，此时可以形成检测信号的二阶导数，在这种情况下可以形成发光曲线。此时，可以控制该二阶导数中的过零，即根据具体情况为一阶导数中的最大值或最小值，其中存在最高的控制灵敏度。

理论上，根据图3的这种实施例可以有利地用于以下描述的所有设备100、200、300、400、500、600、700、800中。

图4示出了根据本发明的第一优选实施例的设备100。

可以看出，这样的设备本质上具有图2的控制电路10，不同之处在于，代替具有两个芯16、18的子磁路12，在此已经选择了具有连续的磁轭104的磁路102，该连续磁轭104具有气隙106，通过该磁路102，由线圈108感应的磁场在气隙106中是特别均匀的。

在其它方面，设备100包括电流镜110，通过电流镜110，由控制信号112提供的用于线圈108的电流被转换成输出电流114(I₀)。如果设备100被充分地屏蔽掉来自外部的磁场和电磁场的照射，则该电流114的大小|I₀|独立于环境参数。因此，设备100适于用作高精度的参考电流源。通过调节不同的镜像比率，很容易调节不同的参考电流值，随后仅通过电流镜110内的晶体管区域的比率来确定这些参考电流值。关于电路技术，在此通过示例的方式参考Tietze,Schenk的“半导体”(“Halbleiter-Schaltungstechnik”,施普林格(Springer))。

图5示出了根据本发明的第二优选实施例的设备200。

可以看出，在这方面存在关于图4的设备100的修改，因为除了电流镜110之外，电阻器202被用作源电阻器。通过此源电阻器202(Rq)，输出电流114被转换为参考电压204(V₀)。因此，设备200可以被认为是具有内部电阻器(Rq)的高精度参考电压源。根据具体情况，通过对源电阻器202的适当选择或调节和/或对电流镜110的比率的适当调节，可以准确地确定参考电压204的值。

图6示出了根据本发明的第三优选实施例的设备300。

可以看出，与图4的设备100不同，在此没有使用电流镜，但是围绕芯302缠绕的第二线圈304与第一线圈108串联连接。

通过选择第二线圈304的几何形状和其线圈绕线的数量以及芯302的材料，可以有针对性地调节这种第二磁路306的磁场。如果需要，可以使用分流器(未示出)有针对性地进行调节，并且如果必要的话，调节第二线圈304的激励电流。

因此，这样的设备300提供用于磁场(并且具体地针对由子磁路306产生的磁场强度H)的高度准确的参考源。代替这样的子磁路306，当然也可以使用磁路。关于磁路的构造和使用，参考“泵磨机理论电气技术，电磁场、电路和电子元件”(“KüpfmüllerTheoretische Elektrotechnik Elektromagnetische Felder,Schaltungen undelektronische Bauelemente”,施普林格(Springer))。

图7示出了根据本发明的第四优选实施例的设备400。

这里可以看到，与图4的设备200相比，除了源电阻器202之外，电容器402并联连接，电容器402通过源电阻器202充电，直到其电压与跨源电阻器202的电压V₀相同。

通过选择电容器402的几何形状及其材料，可以有针对性地调节电容器板404、406之间的电场。如果需要，可以使用分压器(未示出)有针对性地进行调节，并且如果必要的话，调节电容器402的激励电压。

因此，此类设备400为电容器402内的电场提供高度准确的参考源。

另一方面，源电阻器202也可以被省略，建立跨电容器402的电压斜坡，根据具体情况，该电压斜坡可以提供参考时间或参考频率。

图8示出了根据本发明的第五优选实施例的设备500。

可以看到，与控制电路10相比，原则上在此使用对应于图4的磁路502，然而，其中存在用于引入外部磁场的附加元件504、506。

外部磁场在由线圈108产生的磁场强度上叠加外部磁场强度，通过这一点限定了间隙106中的磁通量密度。因此，可以根据控制信号112来计算外部磁场强度。

因此，这种设备500可用于准确地确定被馈送的外部磁场强度。

图9和图10示出了根据本发明的第六优选实施例的设备600。

这里再次可以看到，存在由轭装置604和线圈606形成的磁路602，其中在轭装置中存在两个气隙608、610。每个气隙包含具有相应的NV中心612、614的金刚石611a、611b，每个NV中心612、614被具有第一波长的电磁辐射620、622的激光二极管616、618所激励。

从相应的具有NV中心612、614的金刚石611a、611b发射的第二波长的电磁辐射624、626穿过滤波器628、630，以便对第一波长的电磁辐射620、622进行滤波。

光电检测器632、634检测第二波长的相应电磁辐射624、626，并且产生相应的检测信号636、638，相应的检测信号636、638作为这种检测到的NV中心612、614的第二波长的电磁辐射624、626的函数。检测信号636、638的值优选地与第二波长的相应的电磁辐射624、626的能量强度的幅度量成比例。然而，至少，检测信号636、638分别取决于第二波长的电磁辐射32的能量强度。

最后，在第一NV中心612的一侧提供控制器640，其根据检测信号636产生控制信号642，以经由电导体644来控制线圈606。因此，由线圈606产生的磁激励取决于控制信号642。因此，进而选择控制器640的控制，以使得由第一NV中心612发射的第二波长的电磁辐射624最小化。由此，控制器是例如已知类型的PI或PID控制器，其中PID控制器是优选的，其中对由光检测器632测量的检测信号的导数的零点执行控制。该导数可以是检测信号的一阶或二阶导数。

由于第二NV中心614与第一NV中心612相同，并且其它磁性部件(特别是气隙610中的磁阻)也被形成为理论上相同的，可预期两个气隙608、610中的磁通量密度B是相同的，并且因此第二NV中心614的检测信号638也存在最小值。

然而，由于背景场(例如地球的磁场)的磁场梯度，存在与检测信号638的最小值的偏差。因此，从这种偏差的大小以及两个NV中心612、164之间的距离，可以直接地推断出背景场的磁通量密度的这种梯度。因此，仅需要关于第二NV中心614的检测信号638的磁场偏差的强度进行一次校准。由于预期由梯度引起的磁场中的偏差在两个NV中心612、614之间的距离上仅仅是非常小的，还提供了测量放大器646，其输出相应的测量信号648，该测量信号648可用于分析磁场梯度。因此，设备600的这种实施例可以用于以高准确度确定背景磁场中的梯度。

图10示出设备600的平面实施例。可以看到，所有元件都布置在平面基板650上。可以以与CMOS兼容的方式来制造这种平面结构，对于产生，特别是光源(优选激光二极管)616、618的产生，可参考DE 100 00 707 A1，其公开内容在这方面被完全并入。

如果第一NV中心612存在磁屏蔽(未示出)，此时，磁背景对气隙608中的磁通密度B没有影响。结果是，仅气隙610中的磁通量密度B由磁背景确定，使得检测信号638是背景磁场的测量。因此，设备600的这种替代实施例可用于以高准确度来确定背景磁场。

图11示出了根据本发明第七优选实施例的设备700。

可以看到，在此又如在图4的设备100中，存在具有轭104的磁路102，在轭104的气隙106中布置有具有NV中心26的金刚石24。

NV中心26继而由被具有第一波长的电磁辐射30的激光二极管28所激励，通过该电磁辐射30，NV中心26发射第二波长的电磁辐射32。该辐射又被滤波35，并且被馈送到光电检测器34，光电检测器34输出检测信号36。该检测信号36被馈送到PID控制器38，PID控制器38经由电流线41将控制信号40输出到线圈108。

此外，存在用于传输的高通滤波器702，其具有下截止频率f_gu。控制器38本身或可选地提供用于传输的低通滤波器704，低通滤波器704具有上截止频率f_go。这样的上截止频率f_go小于高通滤波器702的下截止频率，以便防止对磁通量密度B的操作点的控制的干扰，磁通量密度B作用在NV中心26上。

现在，如果交变电磁场706(例如已调制的磁场)被照射并且作用在NV中心26上，则根据具体情况，原子或缺陷将遵循此交变场706，并且发射的荧光32也将以与交变场706的频率相对应的频率经受调制。

根据具体情况，由于控制器38及其低通特性或附加的低通滤波器704，如果调制的频率大于高通滤波器702的下截止频率f_gu，则不存在对荧光的这种调制的控制，使得仅基本的荧光被控制器38控制到最小值，但是调制仍保持。所得到的检测信号36的高频调制由高通滤波器702读出，并且作为有用信号708输出。

因此，设备700为交变磁场706提供高灵敏度天线。基于设备700的结构及其物理操作，它是非常宽频带的接收器，特别地，其可以用于超宽带通信。高通滤波器702可以优选地形成为测量放大器。

除了通过交变电磁场706分析定向调制之外，这种设备700还可以用于分析在NV中心26的位置处的电磁辐射频谱或电磁辐射频谱的部分。

如本领域技术人员所熟悉的，有用信号708的分析可以包括使用例如混频器和滤波器的解调。在此，参考例如M.Bossert的“传输”(“Nachrichtenübertragung”,Vieweg+Teubner Verlag出版社,第5版,2011年修订并添加版本(2011年8月4日))；A.Mertins的“信号理论：基本的信号描述，滤波器台，小波，时频分析，参数和信号估计”(“Signaltheorie:Grundlagen der Signalbeschreibung,

Wavelets,Zeit-Frequenz-Analyse,Parameter-und

”,Springer Vieweg出版社,第3版,2013年修订并扩展版(2012年12月8日))；以及Lüke的“信号传输：数字和模拟信息传输系统基础”(“Signalübertragung:Grundlagen der digitalen und analogen Nachrichtenübertragungssysteme”,Springer Vieweg出版社,第12版(2015年2月19日))。

图12示出了根据本发明的第八优选实施例的设备800。

可以看到，这种设备(作为根据图11的设备700的替代)在理论上基于根据图9的设备600，其中在这里，对应于根据图11的设备700，控制器640具有低通特性，或者可选地，存在用于传输的具有上截止频率为f_go的单独的低通滤波器802，其对控制信号642进行滤波。此外，来自光电检测器634的检测信号638被高通滤波器804滤波，高通滤波器804具有用于传输的下截止频率f_gu，并且被馈送到感测放大器646，感测放大器646输出相应的有用信号806。此外，在气隙608中存在磁屏蔽808(例如，由软磁材料制成)，以根据具体情况防止电磁辐射706或电磁背景对NV中心612的影响。

由于磁屏蔽808，气隙608中的磁通量密度B独立于外部电磁影响706。因此，第一NV中心612用作参考中心，用于借助于经由控制器640的线圈606来控制磁场强度H。

仅气隙610中的第二NV中心614对电磁场706做出响应，使得可以借助于高通滤波器804来分析其高频分量。

因此，根据具体情况，这样的设备800能够为背景电磁场提供甚至更准确和稳定的信息传输或分析。

图13示出根据本发明的可用作设备10、50、100、200、300、400、500、600、700中的任一者中的控制器38、88、640、646、702的PI控制器900的示例。

可以看到，该PI控制器900在其芯处具有跨导放大器(OTA)902。这里示出的OTA902具有由其两个输出电流源I1和I2形成的两个输出904、906。两个电流源(I1)904及(I2)906联接在一起，且每一者产生输出电流，该输出电流与正输入(+)908处的输入电压减去负输入(-)910处的输入电压之差成比例，并具有相应的比例常数。正输入(+)908连接到参考电势912。来自OTA 902的第一输出电流源904(I1)的输出电流经由可选的第四电阻器(R4)914被馈送到OTA 902的负输入910(-)的节点中。可选的电阻器(R4)914也可以被旁路，然后缺失。光电检测器34通过端子36和电阻器(R2)916馈送其电压输出信号。这两个电流经由工作电阻器(R3)918而变换成OTA 902的负输入(-)910处的输入电压，工作电阻器(R3)918连接到参考电势(GND)920。在该示例中，对于控制的适当的起始点，经由第一电阻器(R1)922馈送来自参考电压(Vref)924的偏移电流。电容器(C)926提供控制器的低通特性，控制器然后在低频表现得像PI控制器。这里，磁场激励线圈108的返回线连接到参考电势(GND)920。

注意，PI控制器900不具有电流限制，这将导致发光最小值溢出。因此，必须提供这样的限制(未示出，但是专业技术人员熟悉这些)。

图14示出了用于在根据本发明的图3中的设备中使用的控制器88。

可以看到，借助于两个减法电路1002(电阻器R5、R4、R1、R11和运算放大器OP1)和1004(电阻器R7、R8、R16、R10和运算放大器OP2)由三个光电检测器76、78、80的三个测量信号82、84、86形成两个梯度信号1006、1008。借助于后续的加法级1010(R13、R12、R14、运算放大器OP3)，现在形成了和信号，其用于控制第二电流源(I2)1012，第二电流源(I2)1012将控制信号90馈送到线圈94。在此使用反馈网络1014(R17、R15、C2、C3)来实现PID特性。

最后，图15示出了电流镜装置110的优选实施例，例如，在根据本发明的图4、图5或图7的设备之一中使用。

可以看到，电流镜设备110包括第一MOS晶体管(T1)1102，其被作为MOS二极管连接。第一MOS晶体管(T1)1102检测来自控制器38的电流并且产生参考信号，该参考信号用于在其控制电极处控制第二晶体管(T2)1104。因此，第二晶体管(T2)1104作为电流源操作，用于通过第三晶体管(T3)1106的交叉电流。该交叉电流由晶体管(T1)1102与(T2)1104的比率确定，如已知的用于电流镜，例如，根据Tietze、Schenk的“半导体”(“Halbleiter-Schaltungstechnik”,Springer)。在此示例中，晶体管(T1)1102及(T2)1104优选为N沟道晶体管。第三晶体管(T3)1106检测由第二晶体管(T2)1104产生的交叉电流，并且第三晶体管(T3)又作为MOS二极管连接。它优选地是P沟道晶体管。其产生内部参考电压，由两个电流源晶体管(T4)1108和(T5)1110产生的电流取决于该内部参考电压的值。因此，在该示例中，第四晶体管(T4)1108提供用于控制产生磁场线圈108的电流112。在该示例中，第五晶体管(T5)1110提供参考电流(I0)114，然后在后续电路100、200、400中的其它位置可以使用它。

在此示例中，晶体管(T3)1106、(T4)1108及(T5)1110优选为P沟道晶体管。来自控制器38通过晶体管(T1)1102到地(GND)1112的输入电流具有从电源电压(Vbat)1114通过第三晶体管(T3)1106和第二晶体管(T2)1104到地(GND)1112的交叉电流的固定比率，其由晶体管(T1)1102和(T2)1104的比率确定。从电源电压(Vbat)1114到线圈108、通过线圈108到地(GND)1112的电流取决于对应于晶体管(T3)1006到(T4)1108的比率的交叉电流的大小，且因此与通过晶体管(T1)1102的输入电流成正比。所产生的从电源电压(Vbat)1114到后续电路100、200、400且从那里到地(GND)1112的参考电流(I0)114取决于对应于晶体管(T3)1106到(T5)1108的比率的交叉电流的大小，且因此与通过晶体管(T1)1102的输入电流成正比。此外，显然，然后到线圈108的电流112和参考电流(I0)114彼此成正比。

虽然通过借助于激光二极管的电磁激励和用于荧光的荧光检测器的使用而一直在图2至图15的框架中描述了本发明，但这不是强制性的。事实上，其它的激励(在特定的电激励中，例如，通过在色心的周围材料中的热电荷载流子，和/或激励)可用于读出(优选地以电子方式读出)光电流。由于发光与光电流密切相关，上述优点也适用于此。此外，可以使用LED或其它适当的光源来代替优选的激光二极管28、616、618。

虽然以上指的是材料中的单个NV中心，但是也可以在材料中使用NV中心的集合。对于一个NV中心，可以获得非常好的空间分辨率，而在使用多个NV中心时会有所降低。然而，当使用NV集合时，信号强度增加。

根据前述内容，很清楚的是，本发明提供了一种用于产生和控制磁场强度H的设备10、50、100、200、300、400、500、600、700、800和方法，其中该产生是非常稳定且精确的。优选地，可以相对简单并且经济地生成物理变量的参考值。此外，可以以高分辨率(并且特别是高度地鲁棒性地)测量磁通量密度。本发明还可以用于发送信息，特别是超宽带通信。所需的设备10、50、100、200、300、400、500、600、700、800可以非常小，特别是微型的和移动的。

除非另有说明，否则本发明的所有特征都可以自由地组合。此外，除非另有说明，否则在附图的描述中描述的特征可以与其它特征自由地组合作为本发明的特征。对示例性实施例的各个特征与示例性实施例的其它特征的组合的限制是明确地不希望的。此外，设备的特征也可以被重构并用作方法的特征，并且方法的特征可以被重构并用作设备的特征。因此自动公开了这样的重构。

附图标记列表

10 本发明的基本原理的电气控制电路

12 子磁路

14 轭装置

16、18 轭装置14的芯

20 气隙

22 线圈

24 第一材料，Ib类型金刚石

26 第一材料中的NV中心，金刚石24

28 激光二极管

30 激光二极管28的第一波长的电磁辐射

32 NV中心26的第二波长的发射电磁辐射

34 光电检测器

35 光学滤波器

36 光电检测器34的检测信号

38 控制器

40 控制器38的控制信号，用于控制线圈22

42 电导体

50 根据本发明的替代实施例的控制电路

52 气隙

54 轭装置

56、58、60 气隙52处平行布置的磁体区域

62、64、66 NV中心

68、70、72 第二波长的电磁辐射

74 滤波器

76、78、80 光电检测器

82、84、86 光电检测器76、78、80的检测信号

88 控制器

90 控制器88的控制信号

92 电导体

94 线圈

100 根据本发明的第一优选实施例的设备

102 磁路

104 连续磁轭

106 气隙

108 线圈

110 电流镜

112 控制信号

114 输出电流(I₀)

200 根据本发明的第二优选实施例的设备

202 电阻器，源电阻器(Rq)

204 参考电压(V₀)

300 根据本发明的第三优选实施例的设备

302 芯

304 线圈

306 第二磁路

400 根据本发明的第四优选实施例的设备

402 电容器

404、406 电容器板

500 根据本发明的第五优选实施例的设备

502 磁路

504、506 用于引入外部磁场的附加元件

600 根据本发明的第六优选实施例的设备

602 磁路

604 轭装置

606 线圈

608、610 轭装置的气隙

611a 第一材料，金刚石

611b 另外的材料，金刚石

612、614 NV中心

616、618 激光二极管

620、622 第一波长的电磁辐射

624、626 从NV中心612、614发射的第二波长的电磁辐射

628、630 滤波器

632、634 光电检测器

636、638 光电检测器632、634检测信号

640 控制器

642 控制信号

644 电导体

646 测量放大器

648 测量信号

650 平面基板

700 根据本发明的第七优选实施例的设备

702 具有用于传输的下截止频率f_gu的高通滤波器

704 具有用于传输的上截止频率f_go的低通滤波器

706 电磁交变场

708 有用信号

800 根据本发明的第八优选实施例的设备

802 用于传输的具有上截止频率f_go的低通滤波器

804 用于传输的具有下截止频率f_gu的高通滤波器

806 有用信号

808 磁屏蔽

900 用作控制器38、88、640、646、702的PI控制器

902 跨导放大器(OTA)

904、906 输出

904 电流源(I1)

906 电流源(I2)

908 正输入(+)

910 负输入(-)

912 参考电势

914 可选的第四电阻器(R4)

916 电阻器(R2)

918 工作电阻器(R3)

920 参考电势(GND)

922 第一电阻器(R1)

924 参考电压(Vref)

926 电容器(C)

1000 减法电路(电阻器R5、R4、R1、R11和运算放大器OP1)

1004 减法电路(电阻器R7、R8、R16、R10和运算放大器OP2)

1006、1008 梯度信号

1010 加法级(R13、R12、R14、运算放大器OP3)

1012 第二电流源(I2)

1014 反馈网络(R17、R15、C2、C3)

1102 第一MOS晶体管(T1)

1104 第二晶体管(T2)

1106 第三晶体管(T3)

1108 电流源晶体管(T4)

1110 电流源晶体管(T5)

1112 地(GND)

1114 电源电压(Vbat)

Claims

1.一种用于产生和控制磁场强度的设备(10；50；100；200；300；400；500；700；800)，其特征在于：

-第一材料(24；611a)，其在物理激励时产生发光和/或光电流，其中根据具体情况，所述发光或光电流，具有在至少一个磁通量密度下的关于磁场的极值，

-用于产生物理激励的装置(28；616，618)，

-用于产生磁场的装置(12，16，18，20，22；52，54；102，104，106，108；304，306；502；604，606，608)，其中所述第一材料(24；611a)暴露于所产生的磁场，其中所述磁场强度是能够调节的，

-用于测量发光或光电流的装置(34；76，78，80；632)，其具有检测信号(36；82，84，86；636)，根据具体情况，所述检测信号(36；82，84，86；636)表示检测到的发光信号的强度或检测到的光电流信号的强度，

-用于控制的装置(38；88；640)，其适于输出用于控制所述用于产生磁场的装置(12，16，18，20，22；52，54；102，104，106，108；304，306；502；602，604，606，608)的控制信号(40；90；112；642)，并且适于将所述磁场强度控制为所述检测信号(36；82，84，86；636)的函数，使得所述检测信号(36；82，84，86；636)呈现极值。

2.根据权利要求1所述的装置(100；200；300；400)，其特征在于用于产生作为所述控制信号(112)的函数的物理变量的装置(110；110，202；302、304；110；202、402)，其中所述物理变量(110；110，202；302，304；110；202，402)优选地是来自包括电流、电压、磁场、电场、时间和频率的组的变量。

3.根据权利要求2所述的设备(100；200；300；400)，其特征在于，所述用于生成所述物理变量的装置(110；110，202；302，304；110；202，402)包括从以下的组中选择的至少一个元件：电流镜(110)、电阻器(202)、线圈(304)、电容器(402)、跨导放大器，和运算放大器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(600；800)，其特征在于，其还包括：

-至少一种另外的材料(611b)，在另外的物理激励时，所述至少一种另外的材料(611b)产生发光和/或光电流，其中根据具体情况，所述发光或光电流在至少一个磁通量密度下具有关于磁场的极值，

-用于产生另外的物理激励的另外的装置(618)，

-另外的装置(604，606，610)用于产生磁场，其中所述另外的材料(611b)暴露于所产生的磁场，其中所述磁场强度是能够调节的，其中所述用于产生磁场的另外的装置(604，606，610)适于将所述另外的材料(611b)暴露于与所述第一材料(611a)相同或不同的磁场，

-用于根据具体情况利用另外的检测信号(638)来测量所述另外的材料(611b)的发光或光电流的另外的装置(634)，根据具体情况，所述另外的检测信号(638)表示检测到的另外的发光信号的强度或检测到的另外的光电流信号的强度。

5.根据前述权利要求中的一个所述的设备(10；50；100；200；300；400；500；700；800)，其特征在于，所述第一材料(24；611a)或所述另外的材料(611b)根据具体情况具有晶体结构，所述晶体结构具有至少一个空位(26；612，614)，其中所述第一材料(24；611a)或所述另外的材料(611b)根据具体情况优选为金刚石、碳化硅或硅，并且所述空位是色心，特别地，是氮空位中心或与铕空位中心、钒空位中心或锰空位中心结合的氮空位中心。

6.根据前述权利要求中的一个所述的设备(10；50；100；200；300；400；500；700；800)，其特征在于，所述用于产生所述物理激励的装置(28；616，618)或所述用于产生另外的物理激励的另外的装置(618)根据具体情况提供电激励或电磁激励，优选地为在光学范围和/或微波范围中的激励，特别地，是激光激励或LED激励或通过电离辐射的激励。

7.根据前述权利要求中的一个所述的设备(10；50；100；200；300；400；500；700；800)，其特征在于，所述用于产生磁场的装置(12，16，18，20，22；52，54；102，104，106，108；304，306；502；604，606，608)或用于产生磁场的另外的装置(604，606，610)根据具体情况包括至少一个线圈(22；94；108；606)，所述至少一个线圈(22；94；108；606)能够被电流激励，其中，优选地为磁导体的形式，特别地，是具有气隙(20；52；106；608，610)的轭(14；54；104；604)的形式，其中，所述第一材料(24；611a)和/或所述另外的材料(611b)被布置在所述气隙(20；52；106；608，610)中。

8.根据前述权利要求中的一个所述的设备(10；50；100；200；300；400；500；700；800)，其特征在于，用于测量发光的装置(34；76，78，80；632)和/或用于测量发光的另外的装置(634)包括光电检测器，并且优选地包括滤波器(35；74)，所述滤波器(35；74)使得所述物理激励衰减。

9.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其特征在于，所述用于测量所述光电流的装置和/或所述用于测量光电流的另外的装置被形成为使得在所述第一材料和所述另外的材料上的两个电接触之间施加电压，并且所述光电流根据具体情况被串联地测量。

10.根据前述权利要求中的一项所述的设备(10；50；100；200；300；400；500；700；800)，其特征在于，所述用于控制的装置(38；88；640)被形成为连续线性控制器，优选地作为PI控制器或PID控制器。

11.根据前述权利要求中的一项所述的设备(700；800)，其特征在于，存在用于对所述检测信号(36)和/或所述另外的检测信号(638)进行滤波的至少一个高通滤波器(704；804)。

12.根据前述权利要求中的一项所述的设备(700；800)，其特征在于，存在用于对所述控制信号(40，642)进行滤波的至少一个低通滤波器(702；802)。

13.根据权利要求11或12中的一项所述的设备(700；800)，其特征在于，所述高通滤波器(704；804)的下截止频率的大小根据具体情况大于所述低通滤波器(702；802)或所述用于控制的设备(38；640)的上截止频率的大小。

14.根据前述权利要求中的一项所述的设备(50)，其特征在于，所述用于产生磁场的装置(52，54，56，58，60)包括具有不同的磁阻的至少两个、优选地为三个的磁体区域(56，58，60)，使得所述第一材料(24)或所述另外的材料的至少两个、优选地为三个的材料区域(62，64，66)根据具体情况暴露于不同的磁场，其中每个材料区域(62，64，66)被分配用于测量发光或光电流的其自己的装置(76，78，80)，根据具体情况，相应的检测信号(82，84，86)表示检测到的发光信号或光电流信号的强度，根据具体情况，其中所述用于控制的装置(88)适于输出用于控制用于产生磁场的装置(54，94)的控制信号(90)，并且适于以使得一个材料区域(62，64，66)的所述检测信号(82，84，86)呈现极值的方式来将所述磁场强度控制为所述检测信号(82，84，86)的函数。

15.根据前述权利要求中的一项所述的设备(800)，其特征在于，所述用于产生磁场的装置(602，604，606，608)和/或所述用于产生磁场的另外的装置包括抵御外部磁场的磁屏蔽(808)。

16.根据前述权利要求中的一项所述的设备(500)，其特征在于，所述用于产生所述磁场的装置(108，502，504)适于向所述材料(24)供应外部磁场。

17.根据前述权利要求中的一项所述的设备(700；800)，其特征在于，所述用于产生所述物理激励的装置适于进行所述物理激励的调制，其中存在用于将所述物理激励的调制与所述检测信号相关联的装置。

18.一种用于产生和控制磁场强度的方法，其特征在于使用：

-在物理激励时产生发光和/或光电流的第一材料(24；611a)，其中所述发光或光电流根据具体情况在至少一个磁通量密度下具有关于磁场的极值，

-用于产生所述物理激励的装置(28；616，618)；

-用于产生磁场的装置(12，16，18，20，22；52，54；102，104，106，108；304，306；502；604，606，608)，其中所述第一材料(24；611a)暴露于所产生的磁场，其中所述磁场强度是能够调节的；以及

-用于测量所述发光或所述光电流的装置(34；76，78，80；632)根据具体情况具有表示检测到的发光信号的强度或检测到的光电流信号的强度的检测信号(36；82、84、86；636)，

其中输出控制信号(40；90；112；642)，以控制所述用于产生磁场的装置(12，16，18，20，22；52，54；102，104，106，108；304，306；502；602，604，606，608)，以控制作为所述检测信号(36；82，84，86；636)的函数的所述磁场强度，使得所述检测信号(36；82，84，86；636)呈现极值。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，使用根据权利要求1至17中的一项所述的设备(10；50；100；200；300；400；500；700；800)。

20.一种用于接收利用具有至少一个色心(26)的有用信号所调制的电磁波的接收器(700；800)，其中，所述色心(26)能够发光，并且其中，所述发光取决于在所述色心(26)的位置处的磁通量密度，其中，所述接收器(700；800)适于经由这样的发光来对所述有用信号进行解调，和/或其中，所述色心(26)是用于已调制的电磁波的天线。

21.一种将色心(26)作为天线从而作为用于接收和/或解调已调制的电磁信号特别是已调制的消息信号或测量信号的子设备(700；800)的用途。

22.一种将色心(26)作为天线从而作为用于接收和/或解调以生物方式进行调制的电磁信号特别是已调制的神经信号的子设备(700；800)的用途。