DE102014219547A1

DE102014219547A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102014219547A1
Application number: DE102014219547.0A
Authority: DE
Inventors: Theresa Lutz; Robert Roelver
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-03-31

Abstract

Bei einem Drucksensor (30) ist wenigstens eine sensitive Schicht (34) vorgesehen, wobei die sensitive Schicht (34) Diamantstrukturen mit Stickstoff-Vakanz-Zentren umfasst. Die Stickstoff-Vakanz-Zentren in der Diamantstruktur weisen eine auslesbare elektronische Struktur auf, die bei Druckeinwirkung direkt oder indirekt veränderbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor sowie eine bevorzugte Verwendung eines solchen Drucksensors.
Stand der Technik
Drucksensoren kommen in vielen technischen Anwendungsgebieten zum Einsatz. Viele Drucksensoren basieren auf der Verwendung eines Dehnmessstreifens, der seinen Widerstand durch eine Dehnung des darunterliegenden Materials verändert. Durch eine Dehnung des Materials kann sich beispielsweise eine Änderung der Geometrie des Streifens ergeben, die über eine Änderung des Widerstandes detektierbar ist. Bei sogenannten piezoresistiven Drucksensoren wird eine Membran mit aufgebrachten elektrischen Widerständen verwendet, wobei sich durch mechanische Spannungen die Bandstruktur des Materials ändert und ein Signal anhand der veränderten elektrischen Spannung durch die verformungsabhängigen Widerstände ausgelesen werden kann. Dieser piezoresistive Effekt wird insbesondere für monolithische Drucksensoren eingesetzt, die für Mikrosysteme vorgesehen sind. Die piezoresistiven Strukturen können hierbei auf einer Membran angebracht sein, wobei sich die Membran bei Druckeinwirkung auslenken kann. Durch die Auslenkung der Membran entsteht in der piezoresistiven Struktur eine mechanische Deformation, die zu einer auslesbaren Änderung des Widerstandes führt. Der Widerstand kann durch eine sogenannte Wheatstonesche Brücke gemessen werden, so dass hieraus Rückschlüsse auf den Druck gezogen werden können.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt einen verbesserten Drucksensor bereit, der sich zum einen durch eine hohe Sensitivität auszeichnet, und der zum anderen auch für schwierige Einsatzgebiete mit speziellen Anforderungen geeignet ist. Der erfindungsgemäße Drucksensor weist wenigstens eine sensitive Schicht auf, wobei diese Schicht Diamantstrukturen mit Stickstoff-Vakanz-Zentren umfasst. Diese Stickstoff-Vakanz-Zentren der Diamantstruktur zeigen eine auslesbare elektronische Struktur, die bei Druckeinwirkung direkt oder indirekt veränderbar ist. Es ist bereits bekannt, dass Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamant eine charakteristische elektronische Struktur besitzen, die durch Mikrowellenstrahlung und optische Strahlung angeregt und durch Detektion der Fluoreszenz wieder ausgelesen werden kann (Jelezko et al., Phys. Stat. Sol. (a) 203, No. 13, 3207–3225 (2006)). Die Erfinder konnten zeigen, dass die NV-Zentren in Diamant in besonderer Weise für einen Einsatz innerhalb eines Drucksensors geeignet sind, da die elektronische Struktur der NV-Zentren stark von der Gitterkonstante des Diamantkristalls und auch von einem wirkenden Magnetfeld abhängig ist. Erfindungsgemäß kann mit einem solchen Drucksensor eine direkte Druckmessung oder auch eine indirekte Druckmessung, die über eine Beeinflussung eines Magnetfeldes innerhalb des Drucksensors vermittelt wird, erfolgen. Bei der direkten Druckmessung führt ein angelegter Druck bei entsprechender Geometrie des Diamantkristalls zu einer mechanischen Verformung und damit zu einer Veränderung der Gitterkonstante, sodass es zu einer Veränderung der elektronischen Struktur des NV-Zentrums kommt.
Die durch eine Druckeinwirkung direkt oder indirekt veränderbare elektronische Struktur der NV-Zentren in der Diamantstruktur wird vorzugsweise mit elektromagnetischer Strahlung im optischen Bereich und im Mikrowellenbereich angeregt und anschließend über eine Fluoreszenzdetektion ausgelesen und ausgewertet. Geeignete Wellenlängen für die optische Bestrahlung liegen beispielsweise in einem Bereich zwischen etwa 530 nm und etwa 570 nm. Ein geeigneter Frequenzbereich für die Mikrowellenbestrahlung liegt beispielsweise zwischen etwa 2000 MHz und etwa 4000 MHz.
Ein besonderer Vorteil des Anregens des Sensors mit elektromagnetischer Strahlung und des optischen Auslesens des Sensors ist, dass der Sensor keinen direkten elektrischen Kontakt mit einer Ausleseelektronik erfordert. Dadurch kann der Sensor beispielsweise auch an schwer zugänglichen Stellen platziert werden. Darüber hinaus kann der Sensor in schwierigen Umgebungen mit speziellen Anforderungen, z.B. im Inneren eines Brennraums mit den dort herrschenden hohen Temperaturen und reaktiver Atmosphäre, eingesetzt werden, da das Diamantmaterial des erfindungsgemäßen Drucksensors sehr robust ist. Allgemein ist der erfindungsgemäße Drucksensor sehr breit einsetzbar und auch für schwierige Anwendungsbereiche sehr geeignet.
Um die erforderlichen Anregungssignale an den im Prinzip beliebig platzierbaren Sensor zu bringen und das optische Signal an eine entsprechende Auswerteelektronik zu übermitteln, kann beispielsweise eine flexible Glasfaser vorgesehen sein. Über die Glasfaser kann das Anregungslicht zum Sensorelement gebracht und das Fluoreszenzsignal über die gleiche Glasfaser zur Auswerteelektronik transportiert werden.
Für die Bestrahlung im optischen Bereich kann beispielsweise eine Laserbestrahlung vorgesehen sein, die beispielsweise durch eine LED (light-emitting diode) und/oder ein VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser), also ein Halbleiterlaser als Oberflächenemitter, realisiert wird.
Für die Bestrahlung im Mikrowellenbereich kann im Bereich der sensitiven Schicht oder direkt auf der sensitiven Schicht des erfindungsgemäßen Drucksensors beispielsweise eine Antenne vorgesehen sein, insbesondere eine übliche Streifenantenne. Alternativ ist es aber auch möglich, dass andere Mittel für eine freie Mikrowelleneinstrahlung vorgesehen sind.
Die sensitive Schicht des Sensors umfasst vorzugsweise eine Schicht aus Diamantstrukturen mit Stickstoff-Vakanz-Zentren. Hierbei kann die sensitive Schicht selbst aus einer solchen Diamantschicht bestehen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die sensitive Schicht ein Trägersubstrat umfasst, wobei das Trägersubstrat eine solche Diamantschicht mit Stickstoff-Vakanz-Zentren trägt. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass das Trägersubstrat eine Mehrzahl von Diamantpartikeln mit Stickstoff-Vakanz-Zentren trägt. Hierbei kann es sich beispielsweise um mikro- oder nanoskalige Diamantpartikel handeln.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors umfasst der Sensor eine Trägerstruktur, die eine Kavernenstruktur bildet, also eine Struktur mit Hohlräumen oder Aushöhlungen. Die Kavernenstruktur wird zumindest teilweise von der sensitiven Schicht bedeckt. Insbesondere verschließt die sensitive Schicht die Kavernenstruktur.
In einer ersten prinzipiellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors wird die elektronische Struktur der NV-Zentren in der Diamantstruktur durch eine mechanische Deformation der Diamantstrukturen bewirkt. Dies wird erfindungsgemäß so umgesetzt, dass die sensitive Schicht, die die NV-Zentren trägt, bei einer Druckeinwirkung deformiert wird, wobei durch diese Deformierung die elektronische Struktur der NV-Zentren verändert wird. Diese Veränderung der elektronischen Struktur ist durch die beschriebene elektromagnetische Anregung und das optische Auslesen des Sensors detektierbar. Um eine maximale Dehnung oder Deformation zu erreichen, ist es von Vorteil, die sensitive Diamantstruktur auf den Bereich der die Kavernenstruktur verschließenden Membranschicht zu begrenzen, in dem eine maximale Deformation zu erwarten ist. Dies ist bei runden Geometrien der Membranen der Membranrand, bei rechteckigen oder quadratischen Geometrien der Membran die Mitte des Membranrands der jeweiligen Membranseiten.
In der Ausgestaltung des Sensors, bei dem die sensitive Schicht die Kavernenstruktur abdeckt, tritt bei Druckeinwirkung auf den Sensor eine Druckdifferenz zwischen der inneren Kavernenstruktur und der äußeren Umgebung des Sensors auf. Hierfür wird vorzugsweise in der Kavernenstruktur ein Referenzdruck angelegt, sodass durch den außen anliegenden zu messenden Druck die Druckdifferenz entsteht. Diese Druckdifferenz bewirkt eine Deformation der sensitiven Schicht, die anhand der veränderten elektronischen Struktur der NV-Zentren detektierbar ist. Da auch Temperaturänderungen eine Veränderung der elektronischen Eigenschaften der NV-Zentren hervorrufen können, ist es von Vorteil, für die direkte Druckmessung ein permanentes Magnetfeld zur Verfügung zu stellen. Hierdurch wird eine eindeutige Unterscheidbarkeit zwischen Veränderungen der elektronischen Eigenschaften der NV-Zentren, die einerseits durch Temperaturänderungen und andererseits durch Verformung hervorgerufen werden können, gewährleistet.
In einer anderen prinzipiellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors wird der Druck indirekt gemessen, wobei die Druckeinwirkung über die Veränderung eines Magnetfeldes an die sensitive Schicht mit den NV-Zentren vermittelt wird. Für diese Ausgestaltung umfasst der Drucksensor Strukturen zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Die Strukturen sind so realisiert, dass bei einer Druckeinwirkung eine Änderung des erzeugbaren Magnetfeldes bzw. des hierdurch in der sensitiven Schicht induzierten lokalen Magnetfeldes ausgelöst wird. Diese Änderung des Magnetfeldes wirkt auf die elektronische Struktur der NV-Zentren. Durch die gegebene Abhängigkeit der elektronischen Struktur der NV-Zentren von dem wirkenden magnetischen Feld ist diese Änderung der elektronischen Struktur ein Maß für die Druckeinwirkung. Mittels der elektromagnetischen Anregung und der optischen Auslesung der veränderten elektronischen Struktur in der sensitiven Schicht kann auf diese Weise indirekt der angelegte bzw. wirkende Druck bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Drucksensors für die indirekte Druckmessung begrenzt die sensitive Schicht einen Raum, in dem das magnetische Feld erzeugbar ist. Die Strukturen sind hierbei so ausgestaltet, dass bei einer Druckeinwirkung die Abmessungen des Raums und damit das magnetische Feld veränderbar sind. Insbesondere weist der Drucksensor hierfür eine Magnetfeld-erzeugende Schicht auf, die in einem gewissen Abstand zu der sensitiven Schicht angeordnet ist. Die Magnetfeld-erzeugende Schicht und/oder die sensitive Schicht sind so ausgestaltet, dass sie bei Druckeinwirkung ihre Lage verändern und/oder ausgelenkt werden, sodass bei Druckeinwirkung die beiden Schichten sich weiter aneinander annähern oder voneinander wegbewegen. Die Schichten können hierfür beispielsweise durch Membranen realisiert sein. In anderen Ausgestaltungen können die sensitive Schicht und/oder die Magnetfeld-erzeugende Schicht als Biegebalken realisiert sein. Durch die Lageveränderung sich der Abstand der Magnetfeld-erzeugenden Schicht zu der sensitiven Schicht, so dass sich das in der sensitiven Schicht induzierte lokale Magnetfeld ändert. Diese Änderung des Magnetfeldes in der sensitiven Schicht bewirkt wiederum eine Änderung der elektronischen Struktur der NV-Zentren. Diese Änderung der elektronischen Struktur ist in der beschriebenen Weise auslesbar, so dass auf diese Weise indirekt der Druck bestimmt werden kann.
Der erfindungsgemäße Drucksensor kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass die bereits erwähnte Kavernenstruktur auf der einen Seite von der sensitiven Schicht und auf einer anderen Seite von der Magnetfeld-erzeugenden Schicht begrenzt wird. Beispielsweise bei einer erhöhten Druckeinwirkung können sowohl die sensitive Schicht als auch die Magnetfeld-erzeugende Schicht jeweils nach innen in Richtung der Kavernenstruktur ausgelenkt werden, wobei sich beide Schichten aneinander annähern. Der Abstand zwischen beiden Schichten wird also verringert, wodurch sich das in der sensitiven Schicht induzierte lokale Magnetfeld verändert. In anderen Ausgestaltungen kann es vorgesehen sein, dass nur eine der beiden Schichten in Abhängigkeit von dem wirkenden Druck auslenkbar ist. Auch in dieser Ausgestaltung verändert sich der Abstand der Schichten zueinander bei einer Änderung der Druckverhältnisse, sodass der Druck indirekt durch Veränderung des Magnetfeldes messbar ist. Da sich die Deformation der sensitiven Schicht und die Veränderung des lokalen Magnetfeldes in unterschiedlicher Weise auf die elektronische Struktur der NV-Zentren auswirken, sind die durch die Dehnung der sensitiven Schicht und die durch eine Magnetfeldänderung hervorgerufenen Effekte voneinander zu unterscheiden.
Zur Erzeugung des Magnetfeldes kann es sich bei der Magnetfeld-erzeugenden Schicht beispielsweise um eine magnetische Schicht aus permanentmagnetischen Materialien handeln. Weiterhin ist es möglich, dass das Magnetfeld mittels eines stromdurchflossenen Leiters oder einer Spule erzeugt wird, wobei der stromdurchflossene Leiter oder die Spule der Magnetfeld-erzeugenden Schicht zugeordnet ist. Hierunter ist auch zu verstehen, dass der stromdurchflossene Leiter oder die Spule die Magnetfeld-erzeugende Schicht bilden kann.
In besonders bevorzugter Weise umfasst der erfindungsgemäße Drucksensor weitere Strukturen, die für Referenzmessungen vorgesehen sind. Bei den Referenzstrukturen kann es sich insbesondere um unbewegliche Referenzstrukturen handeln. Beispielsweise kann in Bezug auf die erste prinzipielle Ausgestaltung des Drucksensors mit direkter Druckmessung eine sensitive Schicht als Referenzstruktur vorgesehen sein, die nicht deformierbar ist, wobei beispielsweise die sensitive Schicht nicht über einer Kaverne, also nicht über einem Hohlraum, angeordnet ist und daher nicht auslenkbar ist. Mit einer solchen Anordnung kann ein Differenzsignal gebildet werden, dass besonders zuverlässige Messungen erlaubt. In entsprechender Weise können für die zweite prinzipielle Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Auswirkungen des Drucks mittelbar über die Veränderungen eines Magnetfeldes gemessen werden, ebenfalls unbewegliche Referenzstrukturen realisiert werden. Durch derartige Referenzstrukturen können Querempfindlichkeiten, z. B. durch Temperaturänderungen, bei der Druckmessung vermieden werden.
Bei der oben beschriebenen direkten Druckmessung kann ein anliegendes permanentes Magnetfeld die Auswertung erleichtern. Jedoch insbesondere in den Fällen, in denen Referenzstrukturen vorgesehen sind, können auch ohne ein Magnetfeld sehr zuverlässige Messungen vorgenommen werden.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Betreiben des beschriebenen Sensors, wobei die NV-Zentren in Diamant durch elektromagnetische Bestrahlung im optischen Bereich und im Mikrowellenbereich angeregt werden und die dadurch in den NV-Zentren induzierte Fluoreszenzstrahlung erfasst und analysiert wird. Hierbei ist das Auftreten von Fluoreszenzminima in dem emittierten Spektrum abhängig von dem wirkenden Druck und/oder dem wirkenden Magnetfeld, sodass hiermit der Druck direkt oder indirekt gemessen werden kann. Bezüglich weiterer Merkmale des Verfahrens zum Betreiben des beschriebenen Sensors wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
Die Erfindung umfasst schließlich eine besonders bevorzugte Verwendung des Drucksensors, bei dem der erfindungsgemäße Drucksensor als Brennraumdrucksensor eingesetzt wird. Allgemein sind an Brennraumdrucksensoren sehr spezielle Anforderungen zu stellen. Insbesondere müssen Brennraumdrucksensoren sehr hohen Temperaturen standhalten. Weiterhin müssen derartige Sensoren in der reaktiven Atmosphäre eines Brennraums korrosionsbeständig sein. Durch die Verwendung von Diamant als Material für den erfindungsgemäßen Drucksensor und insbesondere auch durch die Möglichkeit einer optischen Auslesung des Sensors ist der erfindungsgemäße Drucksensor für diese Verwendung in besonderem Maße geeignet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
In den Zeichnungen zeigt:
1 schematische Darstellung von einem Stickstoff-Vakanz-Zentrum in Diamant;
2 schematische Darstellung einer Kristall-Einheitszelle in Diamant (A-1, A-2) und Verschiebung der messbaren Fluoreszenzminima bei dem Messparameter Druck (B-1, B-2);
3 drei mögliche Ausgestaltungen (A, B, C) der sensitiven Schicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors;
4 zwei Ausgestaltungen von Komponenten des erfindungsgemäßen Drucksensors für die Anregung und das Auslesen der sensitiven Schicht;
5 schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Drucksensors;
6 schematische Schnittansichten von zwei bevorzugten Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Drucksensors;
7 und 8 schematische Schnittansichten von bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Drucksensors mit Referenzstrukturen;
9 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors und
10 schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Membran als sensitive Schicht gemäß der Erfindung in Draufsicht (A) und im Querschnitt (B).
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Kern der Erfindung ist, dass Diamantstrukturen mit Stickstoff-Vakanz-Zentren für eine Druckmessung eingesetzt werden. NV-Zentren in Diamant besitzen eine charakteristische elektronische Struktur, die erfindungsgemäß für eine direkte oder indirekte Druckmessung genutzt wird. Diese charakteristische elektronische Struktur kann nach einer Anregung durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere durch Mikrowellenstrahlen und optische Strahlen, und durch Detektion der von den NV-Zentren emittierten Fluoreszenz ausgelesen und ausgewertet werden. Die elektronische Struktur ist dabei stark vom angelegten Druck und vom Magnetfeld abhängig.
1 illustriert das an sich bekannte Stickstoff-Vakanz-Zentrum (NV-Zentrum) in Diamant. Dargestellt ist das Kohlenstoff-Atomgitter, das die Diamantstruktur bildet. Eines der Kohlenstoff-Atome ist durch ein Stickstoff-Atom N (Pfeil 1) ersetzt. Ein direkt benachbartes Kohlenstoff-Atom fehlt im Diamantgitter. Dies ist in dieser Darstellung mit V (Vacancy) (Pfeil 2) bezeichnet. Ein solches NV-Zentrum in Diamant besitzt bei Raumtemperatur ein bestimmtes Energiespektrum. Im Normalzustand, d.h. ohne eine weitere Bestrahlung im Mikrowellenbereich und ohne Anlegen eines magnetischen Feldes, zeigt das NV-Zentrum bei optischer Anregung eine Fluoreszenz im roten Wellenlängenbereich. Wird neben der optischen Anregung zusätzlich noch eine Mikrowellenbestrahlung eingekoppelt, kommt es bei einer bestimmten Frequenz, insbesondere bei 2,88 GHz, zu einem Einbruch der Fluoreszenz, also zu einem Fluoreszenz-Minimum, das messbar ist. Dieses Phänomen lässt sich damit begründen, dass die Elektronen des NV-Zentrums in diesem Fall von dem Niveau m_s = ±1 des ³A-Zustandes auf das Niveau m_s = ±1 des ³E-Zustandes gehoben werden und von dort nichtstrahlend rekombinieren. Beim Anlegen eines externen Magnetfeldes kommt es zu einer Aufspaltung des Niveaus m_s = ±1 (Zeeman-Splitting) und es zeigen sich bei Auftragen der Fluoreszenz über die Frequenz der Mikrowellenanregung zwei Minima im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke ist (Balasubramanian et al., Nature, Vol. 455, Seite 648 (2008)). Die Position der auftretenden Fluoreszenzminima in Bezug zur eingekoppelten Mikrowellenfrequenz ist abhängig von dem wirkenden Druck und gegebenenfalls von dem wirkenden Magnetfeld, sodass durch Auswertung der auftretenden Fluoreszenzminima in Bezug zur Mikrowellenfrequenz Rückschlüsse auf den wirkenden Druck und/oder das wirkende Magnetfeld (Stärke, Richtung) gezogen werden können.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst eine sensitive Schicht, die diese Stickstoff-Vakanz-Zentren innerhalb einer Diamantstruktur aufweisen.
2 illustriert die erfindungsgemäße Druckmessung mit NV-Zentren in Diamant. Die Teilabbildungen A-1 und A-2 der 2 zeigen eine Kristall-Einheitszelle von Diamant, wobei bei der Teilabbildung A-1 kein Druck und bei der Teilabbildung A-2 ein axialer Druck auf die Kristall-Einheitszelle ausgeübt wird. Hierdurch kommt es zu einer axialen, anisotropen Kristallverspannung, die in der Teilabbildung A-2 durch einen Pfeil angedeutet ist. Diese anisotrope Verformung kann beispielsweise durch Druckänderungen auf eine auslenkbar aufgehängte Membran mit entsprechenden Kristallstrukturen zustande kommen. Hierbei wird der Kristall je nach Aufhängung der Membran in eine bestimmte Richtung gedehnt oder gestaucht. Die anisotrope Kristallverspannung führt zu einer Verschiebung der zugehörigen Fluoreszenz-Minima-Paare 81, 82 in unterschiedlicher Weise, wie es in den Teilabbildungen B-1 und B-2 der 2 schematisch dargestellt ist. Die Verschiebung ist davon abhängig, aus welcher Richtung die Verformung angreift. In dieser Darstellung korrespondieren dabei die Fluoreszenz-Minima 81 mit der Position 83 des Stickstoff-Atoms im Kristallgitter. Die Fluoreszenz-Minima 82 korrespondieren mit der Position 84 des gestreckten Stickstoff-Atoms im Kristallgitter (A-2) bzw. mit der in diesem Beispiel dargestellten anisotropen Kristallverspannung. Diese Verschiebung der Fluoreszenz-Minima bei anisotroper Kristallverspannung wird erfindungsgemäß für eine direkte Druckmessung genutzt, wobei eine sensitive Schicht mit NV-Zentren in Diamant, beispielsweise in Form einer Diamantmembran, eingesetzt wird.
3 illustriert drei mögliche Realisierungen (A, B, C) der sensitiven Schicht. Die NV-Zentren können dabei auf unterschiedliche Weise innerhalb der sensitiven Schicht angeordnet sein. 3A zeigt eine Diamantschicht 11, innerhalb derer sich einzelne NV-Zentren 10 befinden. Die Diamantschicht 11 mit den darin enthaltenen NV-Zentren 10 bildet dabei die sensitive Schicht 12. Die NV-dotierte Diamantmembran (Diamantstruktur mit NV-Zentren) als sensitive Schicht kann durch CVD-Abscheidung auf einer entsprechenden Saatschicht durchgeführt werden. Die Stickstoffdotierung, bei der NV-Zentren ins Material eingebracht werden, kann über anschließende Ionenimplantation oder durch die gezielte Stickstoff-Beimischung während des CVD-Prozesses erfolgen. 3B illustriert eine weitere Realisierungsmöglichkeit, wobei die sensitive Schicht 13 ein Trägersubstrat 14 umfasst. Das Trägersubstrat 14 kann beispielsweise aus Silizium gebildet sein. Auf einer Seite des Trägersubstrates 14 liegt eine Diamantschicht 15 mit den darin enthaltenen NV-Zentren 16. Gemäß der Ausgestaltung in 3C umfasst die sensitive Schicht 17 ein Trägersubstrat 18, auf das nano- oder mikroskalige Diamantstrukturen 19, jeweils mit wenigstens einem NV-Zentrum 20, aufgebracht sind. Diese nanoskaligen Diamanten können in Pulverform einem so genannten Spin On-Glas beigemischt und auf die Oberfläche appliziert werden, wobei beispielsweise Spin coating-Verfahren oder Sprühverfahren eingesetzt werden können. Nach thermischem Aushärten bildet sich dann ein kompakter Film mit NV-dotierten Nanodiamanten.
4 illustriert mögliche Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Drucksensors im Hinblick auf die elektromagnetische Anregung und Auslesung der elektronischen Struktur der NV-Zentren innerhalb der sensitiven Schicht. Die einzelnen NV-Zentren innerhalb der sensitiven Schicht 21 sind in den Teildarstellungen A und B der 4 nicht dargestellt. Für die Anregung der NV-Zentren ist eine optische Anregung 22 vorgesehen, wobei hierfür beispielweise eine Laserstrahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 530 nm bis etwa 570 nm eingesetzt werden kann. Weiterhin ist eine Mikrowelleneinkopplung vorgesehen. In der 4A ist zu diesem Zweck eine Streifenantenne 23 vorgesehen, die direkt auf der sensitiven Schicht liegt. Eine auf diese Weise realisierte elektromagnetische Anregung der sensitiven Schicht bewirkt ein bestimmtes Fluoreszenzsignal 24 bei den NV-Zentren. Das Fluoreszenzsignal 24 kann über einen geeigneten Fluoreszenzdetektor, beispielsweise eine p-n-Photodiode, erfasst und ausgewertet werden. 4B zeigt eine ähnliche Anordnung zur Anregung und Auslesung der NV-Zentren innerhalb der sensitiven Schicht 21. Im Unterschied zu der Ausgestaltung aus 4A ist hier keine Streifenantenne, sondern eine freie Mikrowelleneinstrahlung 25 vorgesehen. Auch auf diese Weise können die NV-Zentren der sensitiven Schicht angeregt und das entsprechende Fluoreszenzsignal 24 ausgelesen und ausgewertet werden.
Die vom Druck abhängige elektronische Struktur der NV-Zentren innerhalb der sensitiven Schicht kann direkt gemessen werden, indem durch den zu messenden Druck eine Deformation der sensitiven Schicht ausgelöst wird. Die hiervon abhängige Veränderung der elektronischen Struktur der NV-Zentren kann in der beschriebenen Weise ausgelesen werden. 5 illustriert eine beispielhafte Ausgestaltung eines hierfür geeigneten Drucksensors 30. Der Drucksensor 30 umfasst eine Trägerstruktur, die auf einem Grundkörper 32 angeordnet ist. Durch geeignete Strukturierung bildet die Trägerstruktur 31 eine Kavernenstruktur 33. Die Kavernenstruktur 33 ist zumindest teilweise von der sensitiven Schicht 34 bedeckt oder verschlossen, wobei die sensitive Schicht 34 die hier nicht dargestellten NV-Zentren in Diamant enthält. Über einen Druckanschluss 35 wird an die Kavernenstruktur 33 ein Referenzdruck angelegt. Bei der sensitiven Schicht 34 handelt es sich zugleich um eine deformierbare Schicht, die beispielsweise in Form einer Membran realisiert ist. Wenn von außen ein Druck (dargestellt durch den Pfeil F) auf den Sensor 30 wirkt, ergibt sich ein Differenzdruck in Bezug zu dem in der Kavernenstruktur 33 anliegenden Referenzdruck. Dies bedingt eine Deformation der sensitiven Schicht. Die Deformation der sensitiven Schicht 34 wirkt sich auf die elektronische Struktur der NV-Zentren innerhalb der sensitiven Schicht 34 aus. Diese Änderung der charakteristischen elektronischen Struktur der NV-Zentren ist in der oben beschriebenen Weise durch elektromagnetische Anregung und Fluoreszenzauslesung messbar. Statt einer Membran kann die sensitive Schicht 34 beispielsweise auch durch einen Biegebalken realisiert sein, der bei Druckeinwirkung ausgelenkt wird.
6 illustriert andere Ausführungformen des erfindungsgemäßen Drucksensors gemäß der anderen prinzipiellen Ausgestaltungsmöglichkeit des Sensors, bei dem über die Druckeinwirkung ein elektrisches Feld verändert wird, was sich wiederum auf die elektronische Struktur der NV-Zentren innerhalb der sensitiven Schicht des Sensors auswirkt. In der in 6A gezeigten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors 40 umfasst der Sensor eine Trägerstruktur 41, die eine Kavernenstruktur 43 realisiert. Die Kavernenstruktur 43 wird von der sensitiven Schicht 44 abgedeckt, wobei die sensitive Schicht 44 die hier nicht dargestellten NV-Zentren enthält. In einem Abstand d zur sensitiven Schicht 44 ist eine Magnetfeld-erzeugende Schicht 46 vorgesehen, die als magnetische Schicht aus permanentmagnetischen Materialien gebildet ist. Die in 6B gezeigte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Drucksensors 50 umfasst eine vergleichbare Kavernenstruktur 53, die von der Trägerstruktur 51 gebildet wird. Darüber hinaus ist eine vergleichbare sensitive Struktur 54 vorhanden. In diesem Beispiel wird die Magnetfeld-erzeugende Schicht 56 mittels eines stromdurchflossenen Leiters oder einer Spule 56 realisiert. Durch die Magnetfeld-erzeugenden Schichten 46 bzw. 56 werden in den sensitiven Schichten 44 bzw. 54 lokale Magnetfelder erzeugt. Wenn der Drucksensor 40 bzw. 50 mit Druck beaufschlagt wird, hier angedeutet durch die Pfeile F, werden bei dem Drucksensor 40 die Schicht 44 oder beide Schichten 44, 46 und bei dem Drucksensor 50 nur die sensitive Schicht 54 deformiert, wodurch sich der Abstand d der Schichten zueinander ändert. Dadurch ändert sich auch das lokale Magnetfeld in der sensitiven Schicht 44 bzw. 54. Dies wirkt sich auf die charakteristische elektronische Struktur der NV-Zentren innerhalb der sensitiven Schichten 44 bzw. 54 aus. Diese Veränderung ist messbar, so dass der Druck indirekt gemessen werden kann.
Um die Änderung der elektronischen Struktur der NV-Zentren in Diamant der sensitiven Schichten anregen und auslesen zu können, weisen die hier beispielhaft gezeigten sensitiven Schichten wenigstens einen optischen Zugang für eine Laseranregung und weiterhin Mittel für die Einkopplung von Mikrowellenstrahlung auf, wobei beispielsweise eine Streifenantenne direkt auf der sensitiven Schicht angeordnet sein kann oder die Mikrowelleneinkopplung durch eine freie Einstrahlung vorgenommen werden kann. Für die Fluoreszenzdetektion ist ebenfalls ein optischer Zugang vorgesehen.
Um Querempfindlichkeiten gegenüber anderen Einflüssen zu vermeiden oder zu verringern, sind in bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Drucksensors Referenzstrukturen vorgesehen, die nicht auf Druckänderungen reagieren. Beispielhafte Ausgestaltungen hierfür sind in den 7 und 8 illustriert.
7 zeigt einen Drucksensor 60, der im linken Teil der Abbildung die anhand von 5 bereits erläuterten Komponenten 31, 32, 33, 34, 35 für eine direkte Druckmessung aufweist. Bezüglich der Funktionsweise dieser Komponenten wird auf die Beschreibung zur 5 verwiesen. Die Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Auf der rechten Seite der Darstellung in 7 ist eine weitere sensitive Schicht 64 vorgesehen, die ebenfalls NV-Zentren enthält. Die sensitive Schicht 64 ist als Referenzstruktur vorgesehen, wobei die sensitive Schicht 64 nicht deformierbar bzw. auslenkbar ist. Der aus der sensitiven Schicht 64 ablesbare Wert für die elektronische Struktur der NV-Zentren ist also unabhängig von einem Druckeinfluss, so dass Werte der sensitiven Schicht 64 für einen Nulllinien-Abgleich oder eine Kalibrierung des Drucksensors 60 verwendet werden können.
8 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines Drucksensors 70, der für eine indirekte Druckmessung vorgesehen ist, mit geeigneten Referenzstrukturen. Auf der linken Seite der schematischen Darstellung sind Komponenten 41, 43, 44, 46 des Drucksensors 70 gezeigt, die dem anhand von 6A erläuterten Drucksensor 40 entsprechen. Die entsprechenden Komponenten des Drucksensors 70 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und es wird diesbezüglich auf die Erläuterungen zur 6A verwiesen. Zusätzlich sind auf der rechten Seite der Darstellung unbewegliche Referenzstrukturen vorgesehen, die von einer sensitiven Schicht 74 und einer magnetischen Schicht 76 gebildet werden. In entsprechender Weise kann die magnetische Schicht 76 auch mit einem stromdurchflossenen Leiter oder einer Spule realisiert sein. Bei einer Änderung der Druckverhältnisse verändert sich der Abstand der sensitiven Schicht 44 und der magnetischen Schicht 46 zueinander, hier angedeutet durch die Pfeile F. Dies bewirkt eine Änderung des lokalen Magnetfeldes in der sensitiven Schicht 44. Die Änderung des Magnetfeldes ist in der oben beschriebenen Weise messbar. Bei den Referenzstrukturen 74 und 76 bewirkt eine Änderung der Druckverhältnisse keine Auslenkung der Strukturen, so dass sich die Druckänderungen nicht auf das von der sensitiven Schicht 74 emittierte Fluoreszenzsignal auswirken.
Der erfindungsgemäße Sensor kann insbesondere durch einen monolithischen Schichtaufbau realisiert werden. Der erfindungsgemäße Drucksensor eignet sich vor allem auch für mikrotechnische bzw. miniaturisierte Anwendungen, bei denen die erforderlichen Strukturen für den Sensor durch Mikrostrukturierungsverfahren auf einen Träger aufgebracht werden.
9 zeigt in schematischer Weise eine mögliche Ausgestaltung eines Brennraumdrucksensors 90, der direkt in einem Brennraum platziert werden kann. Der Brennraumdrucksensor 90 umfasst eine Kavernenstruktur 93, die von einem Grundkörper 92 und einer Trägerstruktur 91 gebildet wird. Die Hohlräume der Kavernenstruktur 93 sind von einer sensitiven Schicht 94, die Diamantstrukturen mit NV-Zentren umfasst, abgedeckt. Die Ankopplung von optischer Anregungsstrahlung und Mikrowellen-Anregungsstrahlung erfolgt über eine flexible, kombinierte Glasfaserleitung 95. Die Glasfaserleitung 95 kann beispielsweise als Koaxialleitung in Form einer Radiofrequenzleitung ausgestaltet sein. Die Glasfaserleitung 95 verbindet das Elektronikmodul 96 (Ansteuerelektronik) mit dem eigentlichen Sensorelement 90. Das Elektronikmodul 96 beinhaltet insbesondere einen Laser und einen Mikrowellen-Generator für die Anregung und einen Detektor für die Auslesung des Sensorelements 90. Das Auslesen der Fluoreszenz erfolgt vorzugsweise mit derselben Glasfaserleitung 95. Mittels der Glasfaserleitung 95 wird ein ausreichender Abstand der empfindlichen Auswerteelektronik von dem heißen Brennraum gewährleistet.
10 illustriert eine mögliche rechteckige Geometrie einer Membran 104 als sensitive Schicht innerhalb eines erfindungsgemäßen Drucksensors. 10A zeigt eine Draufsicht, bei der die Trägerstruktur 101 eines Drucksensors mit einer darauf angeordneten Membran 104 als sensitive Schicht zu erkennen ist. Wie in dem Querschnitt in 10B zu erkennen ist, deckt die Membran 104 eine Kavernenstruktur 103 der Trägerstruktur 101 ab. Die Membran 104 ist so ausgestaltet, dass nur die mittleren Bereiche der Membranseiten mit NV-dotierten Diamantstrukturen 105 versetzt sind. In diesen Bereichen ist eine maximale Membranausdehnung bei einer mechanischen Deformation der Membran 104 zu erwarten, sodass es für eine maximale Sensitivät des Sensors vorteilhaft ist, die Diamantstrukturen 105 auf diese Bereiche zu beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Jelezko et al., Phys. Stat. Sol. (a) 203, No. 13, 3207–3225 (2006) [0003]
Balasubramanian et al., Nature, Vol. 455, Seite 648 (2008) [0033]

Claims

Drucksensor (30; 40; 50; 60; 70; 90), dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor wenigstens eine sensitive Schicht (12; 13; 17; 21; 34; 44; 54; 94; 104) aufweist, die Diamantstrukturen (11; 15; 19; 105) mit Stickstoff-Vakanz-Zentren (10; 16; 20) umfasst, wobei die Stickstoff-Vakanz-Zentren in der Diamantstruktur eine auslesbare elektronische Struktur aufweisen, die bei Druckeinwirkung direkt oder indirekt veränderbar ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Struktur durch elektromagnetische Bestrahlung im optischen Bereich, insbesondere in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 530 nm und etwa 570 nm, und durch elektromagnetische Bestrahlung im Mikrowellenbereich, insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen etwa 2000 MHz bis etwa 4000 MHz, anregbar und durch eine Fluoreszenzdetektion auslesbar ist.
Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel für die Bestrahlung im optischen Bereich eine Laserstrahlungsquelle, insbesondere eine LED und/oder ein VCSEL vorgesehen ist.
Drucksensor nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel für die Bestrahlung im Mikrowellenbereich im Bereich der sensitiven Schicht oder auf der sensitiven Schicht (21) eine Antenne (23), insbesondere eine Streifenantenne, oder Mittel zur freien Mikrowelleneinstrahlung (25) vorgesehen sind.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (12) eine Diamantschicht (11) mit Stickstoff-Vakanz-Zentren (10) umfasst.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (13; 17) ein Trägersubstrat (14; 18) umfasst, wobei das Trägersubstrat eine Diamantschicht (15) mit Stickstoff-Vakanz-Zentren (16) und/oder Diamantpartikel (19) mit Stickstoff-Vakanz-Zentren (20) trägt.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (30; 40; 50) eine Trägerstruktur (31; 41; 51) mit einer Kavernenstruktur (33; 43; 53) umfasst, wobei die sensitive Schicht (34; 44; 54) die Kavernenstruktur (33; 43; 53) zumindest teilweise bedeckt, und wobei vorzugsweise in der Kavernenstruktur ein Referenzdruck anlegbar ist.
Drucksensor (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (34) bei Druckeinwirkung deformierbar ist, wobei durch die Deformierung die elektronische Struktur der Stickstoff-Vakanz-Zentren veränderbar ist.
Drucksensor (40; 50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor Strukturen (46; 56) zur Erzeugung eines Magnetfeldes umfasst, wobei bei Druckeinwirkung eine Änderung des erzeugbaren Magnetfeldes ausgelöst wird und wobei durch die Änderung des Magnetfeldes die elektronische Struktur der Stickstoff-Vakanz-Zentren veränderbar ist.
Drucksensor (40; 50) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (44; 54) einen Raum begrenzt, in dem das Magnetfeld erzeugbar ist, wobei bei Druckeinwirkung die Abmessungen des Raums und damit das Magnetfeld veränderbar sind.
Drucksensor (40; 50) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor eine Magnetfeld-erzeugende Schicht (46; 56) aufweist, die beabstandet zur sensitiven Schicht (44; 54) angeordnet ist.
Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeld-erzeugende Schicht (46; 56) und/oder die sensitive Schicht (44; 54) bei Druckeinwirkung auslenkbar sind.
Drucksensor nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeld-erzeugende Schicht eine magnetische Schicht (46) ist, oder dass der Magnetfeld-erzeugenden Schicht ein stromdurchflossener Leiter oder eine Spule (56) zugeordnet ist.
Drucksensor (60; 70) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor Strukturen (64; 74, 76) für Referenzmessungen umfasst.
Verwendung eines Drucksensors (30; 40; 50; 60; 70; 90) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche als Brennraumdrucksensor.