CN117043616A - 用于检测磁场的传感器单元 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于检测磁场的传感器单元(400)，传感器单元(400)包括以下部分：‑用于产生激励光(407)的光源(403)，‑用于确定物体(300)的测量信号的至少一个第一传感器(401)，以及‑用于确定背景磁场的第二传感器(402)，其中，第一传感器(401)构造为基于金刚石的NV磁力计并且包括具有至少一个带负电的NV‑中心的高灵敏度的金刚石(404)，NV‑中心具有荧光效应并且因此发射荧光(408)。

Description

用于检测磁场的传感器单元
技术领域
本发明涉及一种用于检测磁场的传感器单元以及利用这种传感器单元执行的用于检测磁场的方法。
背景技术
磁场是一个矢量场，其描述相对运动中的电荷和磁化材料的磁影响。磁场可以例如由磁性材料、电流和电场随时间的变化引起。
磁场可以用不同的量来描述。因此磁通密度(磁通密度也称磁感应)是电动力学的一个物理量，其描述垂直通过特定表面元件的磁通的表面密度。磁通密度是一个方向量，即矢量。
磁场强度H是描述磁场的另一个量。这与磁通密度B的关系如下：
B＝μ*H，
其中，μ是磁导率。
为了检测磁场，需要记录描述该磁场的量。因此例如可以使用测量装置，测量装置检测磁场的量、例如磁通密度或磁场强度，并且将值分配给检测到的量。这种测量装置例如称为磁力计。
磁力计是用于测量磁通密度的传感装置。磁通密度的测量单位为特斯拉(T)。常见的磁力计例如是霍尔传感器、福斯特探头、质子磁力计、克尔磁力计和法拉第磁力计。
除了所提到的磁力计之外，金刚石的使用也是已知的，其中设置晶格缺位或空缺，其根据所施加的磁场表现出可检测的行为。因此已知使用金刚石中带负电的氮空缺中心(英文：nitrogenvacancycenter，NV-中心)来对磁场、电场、机械应力和温度进行高灵敏度测量。在这种情况下，参考图1。
文献DE102014219550A1描述了一种用于测量磁场的组合传感器，其包括带有具有氮空缺的金刚石结构的敏感部件。敏感部件可以被可见光范围内的辐射激励。
在这种布置中使用的量子技术比经典的传感器原理具有决定性的优势，其凸显了量子技术的颠覆性潜力。氮空缺具体具有以下优点：
-超高灵敏度(1pT/√Hz)，
-矢量磁力测量，即可以确定磁场的方向，
-高测量范围(>1特斯拉)，
-线性(塞曼效应)，
-无退化，因为测量基于量子力学的状态，类似于在氢原子中那样，其中里德伯常数是固定能量，其对于所有原子来说是与位置无关和与时间无关的常数，
-可以根据金刚石中存在的NV轴的四个可能的空间方向以矢量方式确定外磁场。
为了读取基于NV-中心的传感器，需要光学探测基态的三重态的磁共振，参见图1中的3A状态(ODMR，光学探测磁共振)。为此，必须用绿光激励NV-中心。对此参考图2。在另外受到交变电磁场(微波)照射时示出红光跃迁的荧光(参见图2)，在此在电子自旋共振的能量位置中示出特征性下降(对此参见图3)。由于塞曼效应，参见图4，该位置与磁场呈线性关系，参见图3。由此可以构建高灵敏度的磁场传感器。
发明内容
针对上述背景，提出了根据权利要求1的传感器单元和具有权利要求9的特征的方法。
本发明涉及一种用于检测磁场的传感器单元，其中，该传感器单元包括用于产生光(即激励光)的光源。此外，传感器单元包括至少一个用于确定物体的测量信号的第一传感器和用于确定背景磁场的第二传感器。在此第一传感器构造为基于金刚石的NV磁力计，并且具有高灵敏度的金刚石，该金刚石具有至少一个带负电的NV-中心，其中，该NV-中心具有荧光效应并因此发射荧光。
荧光效应是指NV-中心在激励时、特别是借助光源的光发射荧光。荧光是材料被电子跃迁激发后不久自发发射的光。由此发射的光的能量通常低于先前吸收的光(红光跃迁)。因此，由于荧光而发射的光的能量通常低于用于激励的光，优选地通过光源的激励光。
金刚石优选具有多个NV-中心，有利地，金刚石掺杂有0.01至10ppm、最优选0.1至1ppm的NV-中心。尤其是金刚石具有高达1特斯拉的高动态的测量范围。
光源特别地发射称为激励光的光，其中主要是绿光，尤其是具有大约510nm至540nm的波长的光，而发射的荧光具有在650nm至800nm之间的波长。
第一传感器尤其构造用于布置得紧邻待测量的物体。第二传感器尤其用于在第一传感器的位置处以高分辨率求取背景磁场，换句话说背景噪声，而第一传感器用于在距物体尽可能最小的距离处测量实际测量信号。
该物体尤其可以是人的头部。在此第一传感器构造用于指出人的头部处由大脑活动和相关电流产生的磁场。在此由于第一传感器构造为NV磁力计，因此它具有相应测量所需的灵敏度。此外NV磁力计的其他优点是高动态范围和磁场的矢量检测，因为它可以靠近待检查的物体(例如人脑)的表面。
尤其传感器单元优选包括多个NV磁力计，其可以放置在紧邻待测量的物体的不同位置处，以便获得关于测量信号的位置分辨信息，特别是关于被测量的磁场的场分布。在这种情况下，借助第二传感器确定背景噪声也是至关重要的。
第二传感器尤其是气体蒸汽电池磁力计或SQUID(超导量子干涉装置)磁力计。
上述磁力计具有非凡的磁灵敏度，其特别是处在千万分之一特斯拉和更小的范围内。在这方面，第二传感器优于第一传感器(其是NV磁力计)。然而，气体蒸汽电池磁力计和SQUID的缺点是针对传感器和物体之间的距离存在一定的限制，并且空间分辨能力仅在毫米到厘米的范围内。但现在这些正是NV磁力计的优势并且因此也是空间分辨率优选延伸到纳米范围的第一传感器的优势。
为了能够触发特别小的磁场，干扰或背景场的影响尤其起着重要的作用。当物体和磁场传感器之间的距离大时，这是一个问题，因为待测量的磁场的场幅度随着距离而急剧减小，即其以1/r3成比例，其中r代表距离。现在如果采用SQUID或气体蒸汽电池磁力计作为传感器用于测量实际测量信号，现有技术需要磁屏蔽，其成本非常高，而且还需要一定的球体积，这使得整个系统难以小型化。利用用于测量实际测量信号的第一传感器和用于确定背景磁场的第二传感器的当前组合，所使用的传感器类型的优点彼此最佳地组合。虽然第一传感器是没有复杂屏蔽装置的高灵敏度的磁场传感器，但它可以布置得靠近物体，而第二传感器(其优选与待测量的物体相距限定的距离)可以执行参考测量以便确定背景磁场并且由此能够从第一传感器的测量信号中减去它。
尤其传感器单元包括与光源连接的光纤，其中，该光纤构造用于借助光源的光来激励第一传感器的至少一个NV-中心。换言之，光纤例如通过光纤耦合器与光源连接，并且用于将光源的光引导到金刚石上并且因此引导到至少一个NV-中心上。
第二传感器可以固定在光纤上，使得第二传感器相对于第一传感器存在限定的距离。用于第一传感器的光纤因此可以用于固定第二传感器，使得可以求取两个传感器之间的限定距离并且也在测量操作期间对其进行维持。
此外，传感器单元包括评估单元，该评估单元包括至少一个信号处理和控制单元，用于基于第一传感器确定第一测量信号和基于第二传感器确定第二测量信号。信号处理和控制单元构造用于基于第二传感器的第二测量信号来确定第一传感器的位置处的背景磁场。在此考虑传感器之间的已知距离。现在可以通过减去特定的背景磁场来校准或校正第一传感器的测量信号。
总体而言，因此可以在不受背景磁场干扰的情况下求取极小的磁场。
尤其传感器单元包括用于接收发射的荧光的光电探测器。传感器单元优选包括用于分离激励光和发射的荧光的光学器件，使得只有发射的荧光击中光电探测器。尤其由至少一个NV-中心发射的荧光经由与激励相同的光纤读取。因此，激励光和荧光的分离至关重要。为此，尤其使用二向色镜，其可以放置在传感器单元的外围，就像第二传感器一样。
另一方面，本发明涉及一种利用上述传感器单元用于检测磁场的方法，该传感器单元包括第一传感器和第二传感器。尤其该方法包括将第一传感器布置得紧邻待测量的物体、借助第二传感器测量背景场、确定第一传感器的位置处的背景磁场以及借助第一传感器的位置处的特定的背景磁场校准第一传感器的测量信号。
尤其传感器单元包括用于产生微波的微波源，优选地产生具有大约2.87GHz频率的微波。微波对于至少一个NV-中心的自旋操纵是必需的。换句话说，借助微波引发自旋跃迁，使得当微波频率对应于NV-中心的跃迁能量时，至少一个NV-中心发射荧光。本发明利用了塞曼效应，即磁场对谱线的分裂。分裂的发生是由于在待测量的磁场的影响下各个态的能级发生不同的位移。
总的来说，传感器单元因此是优选地将两种不同的传感器类型相互组合的传感器系统。换句话说，本发明实施了相互结合不同传感器类型的优点的混合磁力计方案。因此，利用本发明实现了以下优点：
·不同传感器类型的优点相互结合，即第一传感器的精确的位置分辨率和第二传感器的特殊的灵敏度。
·第二传感器不需要复杂且昂贵的屏蔽装置。
·由于第一传感器和第二传感器都可以紧凑地构造，因此组合的传感器系统具有小型化潜力。
·电干扰场、例如用于电流闭合可以安置在外围，并且因此不会在待检查的物体的区域中产生额外的背景场。
附图说明
图1在示意图中示出了金刚石中的氮空缺(NV-中心)；
图2在示意图中示出了NV-中心的吸收和发射光谱；
图3在示意图中示出了单个NV-中心的光学检测到的磁共振；
图4在示意图中示出了带负电的NV-中心的能量图中的塞曼效应；
图5在示意图中示出了脉冲激励；
图6在示意图中示出了根据本发明的传感器单元相对于物体的结构；
图7在示意图中更详细地示出了图6的传感器单元的结构，以及
图8在示意图中示出了根据本发明的方法的方法图。
具体实施方式
图1在左侧示出了晶格，在该情况中为金刚石，其中，晶格整体由附图标记10表示。晶格10包括多个碳原子12和NV-中心14，其又具有氮原子16和空缺或空位18。氮空缺18沿着金刚石晶体中的四个可能的结合方向之一取向。
带负电的NV-中心14的能级图30示出在右侧。基态3A232是具有总自旋s＝1的自旋三重态。与具有mS＝0的状态36相比，具有磁自旋量子数mS＝+-1的状态发生了能量位移。还示出了状态3E38和中间状态40。用括号42表示2.87GHz的微波频率，其对应于分裂能量或零场分裂Dgs。零场分裂是一个固有量，与照射的微波场或微波频率无关。它约为2.87GHz并且特别依赖于温度。以下关系适用于确定共振频率：
v±≈Dgs+β*ΔT±yNV*B0；
其中，ΔT是与室温的偏差，β是零场分裂与温度相关的位移，β约为-74.2kHz/开尔文，yNV是NV-中心的旋磁比，并且B0是外磁场的场强。
图2在图表50中示出了NV-中心的吸收和发射光谱，NV-中心在图1中示出。在图表50中，波长[nm]绘制在横坐标52上，并且吸收系数[cm-1]绘制在第一横坐标54上，并且荧光绘制在第二横坐标56上。第一曲线60示出了吸收光谱，第二曲线62示出了发射光谱。第一箭头70表示NV0ZPL，第二箭头72表示NV吸收，第三箭头74表示NV荧光。此外，NV-ZPL76为637nm。
图3在图表100中示出了针对不同背景磁场的单个NV-中心的光学可检测的磁共振(ODMR)。在图表100中，微波频率绘制在横坐标102上，磁场B绘制在第一纵坐标104上并且荧光绘制在第二纵坐标106上。
第一曲线110示出了针对B＝0的共振，第二曲线112示出了B＝2.8mT时的共振，具有负峰值ω1114和ω2116，第三曲线120示出了针对B＝5.8mT的共振并且第四曲线122示出了针对8.3mT的共振。
图4示出了NV-中心的基态150下的塞曼效应。此外，进入激励状态152和中间状态154。第一箭头160示出了具有高的概率或跃迁率的跃迁，虚线箭头162示出了具有低的概率或跃迁率的跃迁。框170中示出了没有磁场的跃迁172和有磁场的跃迁174。
图5示出了基于其时间进程的脉冲激励，其绘制在时间轴250上。在此激光激励示出在上部252，并且微波激励示出在下部254。应当注意，激光脉冲和微波脉冲的序列周期性地重复。激光脉冲用于初始化NV空缺的电子自旋(脉冲260的第二部分)并用于在操纵之后读取电子自旋(激光脉冲262的第一部分)。微波脉冲270用于根据测量原理所基于的磁场来操纵电子自旋。
图6在示意图中示出了包括第一传感器401和第二传感器402的传感器单元400。第一传感器401构造为基于金刚石的NV磁力计，但第二传感器402是气体蒸汽电池磁力计或SQUID磁力计。两者之间存在限定的距离405。可以将第一传感器401置于紧邻应该被检查的物体300。
图7更详细地示出了包括图6的第一传感器401和第二传感器402的传感器单元400。此外，在图7中可以看到光源403，其用于产生光，换言之，激励光407。光经由光纤406(优选地还有光纤耦合器406a)供应至第一传感器(401)、即金刚石404。激励光407在此穿过光学器件409、即二向色镜410，光学器件这样布置，从而其允许激励光407不受阻碍地穿过。
图7还示出了用于产生微波的源411，其对于NV-中心的能级的相应分裂是必要的。由电子跃迁触发的荧光408被引导通过相同的光纤406，但不穿过光学器件409，而是被其转向，使得只有荧光408击中光电探测器412。换句话说，光学器件409确保发射的荧光408可以与激励光407分开地击中光电探测器412。用于第一传感器401的光纤406可用于固定第二传感器402。
图8示出了根据本发明的方法500的流程图。在第一步骤中，第一传感器401布置得501紧邻待测量的物体300。借助第二传感器401测量502背景磁场并且确定503在第一传感器401的位置处的背景磁场。以这种方式，可以通过从第一传感器401的测量信号减去第一传感器401的位置处的背景磁场来校准504第一传感器401的测量信号。

Claims (10)

1.用于检测磁场的传感器单元(400)，
其特征在于，
所述传感器单元(400)包括以下部分：
-用于产生激励光(407)的光源(403)，
-用于确定物体(300)的测量信号的至少一个第一传感器(401)，以及
-用于确定背景磁场的第二传感器(402)，
其中，所述第一传感器(401)构造为基于金刚石的NV磁力计并且包括具有至少一个带负电的NV-中心的高灵敏度的金刚石(404)，NV-中心具有荧光效应并且因此发射荧光(408)。
2.根据权利要求1所述的传感器单元(400)，
其特征在于，
所述第一传感器(401)构造用于布置得紧邻待测量的物体(300)。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的传感器单元(400)，
其特征在于，
所述第二传感器(402)是气体蒸汽电池磁力计或SQUID(超导量子干涉装置)磁力计。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器单元(400)，
其特征在于，
所述传感器单元(400)包括与光源(403)连接的光纤(406)，
其中，光纤(406)构造用于借助光源(402)的激励光(407)来激励至少一个NV-中心。
5.根据权利要求4所述的传感器单元(400)，
其特征在于，
所述第二传感器(402)固定在光纤(406)上，使得第二传感器相对于第一传感器存在限定的距离(405)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器单元(400)，
其特征在于，
所述传感器单元(400)包括评估单元，
其中，所述评估单元包括至少一个信号处理和控制单元，用于基于第一传感器(401)确定第一测量信号和基于第二传感器(402)确定第二测量信号。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器单元(400)，
其特征在于，
所述传感器单元(400)包括用于接收发射的荧光(408)的光电探测器(412)。
8.根据权利要求7所述的传感器单元(400)，
其特征在于，
所述传感器单元(400)包括用于分离激励光(407)和发射的荧光(408)的光学器件(409)，使得仅发射的荧光(408)落到光电探测器(412)上。
9.用于利用根据权利要求1至8中任一项所述的传感器单元(400)检测磁场的方法(500)，所述传感器单元包括第一传感器(401)和第二传感器(402)。
10.根据权利要求9所述的方法(500)，
其特征在于，
所述方法(500)包括以下步骤：
-将第一传感器(401)布置(501)得紧邻待测量的物体(300)，
-借助第二传感器(402)测量(502)背景磁场，
-确定(503)第一传感器(401)位置处的背景磁场，以及
-校准(504)第一传感器(401)的测量信号。
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