DE102014219547A1

DE102014219547A1 - pressure sensor

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.In a pressure sensor (30), at least one sensitive layer (34) is provided, wherein the sensitive layer (34) comprises diamond structures with nitrogen vacancy centers. The nitrogen vacancy centers in the diamond structure have a readable electronic structure that is directly or indirectly changeable under pressure.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor sowie eine bevorzugte Verwendung eines solchen Drucksensors.The present invention relates to a pressure sensor and a preferred use of such a pressure sensor.

Stand der TechnikState of the art

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.Pressure sensors are used in many technical applications. Many pressure sensors rely on the use of a strain gauge that changes its resistance by stretching the underlying material. By stretching the material, for example, a change in the geometry of the strip may result, which is detectable via a change in the resistance. In so-called piezoresistive pressure sensors, a membrane with applied electrical resistors is used, wherein the band structure of the material changes due to mechanical stresses and a signal based on the changed electrical voltage can be read out by the deformation-dependent resistors. This piezoresistive effect is used in particular for monolithic pressure sensors, which are intended for microsystems. The piezoresistive structures may in this case be mounted on a membrane, wherein the membrane can deflect when pressure is applied. Due to the deflection of the membrane, a mechanical deformation results in the piezoresistive structure, which leads to a readable change in the resistance. The resistance can be measured by a so-called Wheatstone bridge, so that conclusions can be drawn on the pressure.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

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. The invention provides an improved pressure sensor, which is characterized on the one hand by a high sensitivity, and on the other hand is also suitable for difficult applications with special requirements. The pressure sensor according to the invention has at least one sensitive layer, this layer comprising diamond structures with nitrogen vacancy centers. These nitrogen vacancy centers of the diamond structure show a readable electronic structure that is directly or indirectly changeable under pressure. It is already known that nitrogen vacancy centers (NV centers) in diamond possess a characteristic electronic structure which can be excited by microwave radiation and optical radiation and can be read out again by detection of the fluorescence ( Jelezko et al., Phys. Stat. Sol. (a) 203, no. 13, 3207-3225 (2006) ). The inventors were able to show that the NV centers in diamond are particularly suitable for use within a pressure sensor, since the electronic structure of the NV centers is strongly dependent on the lattice constant of the diamond crystal and also on an acting magnetic field. According to the invention, with such a pressure sensor, a direct pressure measurement or also an indirect pressure measurement, which is mediated by an influence of a magnetic field within the pressure sensor, take place. In the case of direct pressure measurement, applied pressure with appropriate geometry of the diamond crystal leads to mechanical deformation and thus to a change in the lattice constant, with the result that the electronic structure of the NV center changes.

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. The electronic structure of the NV centers in the diamond structure that can be directly or indirectly changed by a pressure effect is preferably excited by electromagnetic radiation in the optical range and in the microwave range and then read out and evaluated by fluorescence detection. Suitable wavelengths for the optical radiation are, for example, in a range between about 530 nm and about 570 nm. A suitable frequency range for the microwave irradiation is for example between about 2000 MHz and about 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. A particular advantage of exciting the sensor with electromagnetic radiation and the optical readout of the sensor is that the sensor requires no direct electrical contact with a readout electronics. As a result, the sensor can be placed, for example, in hard to reach places. In addition, the sensor can be used in difficult environments with special requirements, e.g. be used inside a combustion chamber with the prevailing high temperatures and reactive atmosphere, since the diamond material of the pressure sensor according to the invention is very robust. In general, the pressure sensor according to the invention is very widely used and also very suitable for difficult applications.

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. In order to bring the required excitation signals to the sensor, which in principle can be placed arbitrarily and to transmit the optical signal to a corresponding evaluation electronics, it is possible, for example, to provide a flexible glass fiber. The excitation light can be brought to the sensor element via the glass fiber and the fluorescence signal can be transported via the same glass fiber to the evaluation electronics.

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. For the irradiation in the optical range, for example, a laser irradiation may be provided which, for example, by an LED (light-emitting diode) and / or a VCSEL (vertical- cavity surface-emitting laser), so a semiconductor laser as a surface emitter is realized.

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. For irradiation in the microwave range, for example an antenna can be provided in the region of the sensitive layer or directly on the sensitive layer of the pressure sensor according to the invention, in particular a conventional strip antenna. Alternatively, it is also possible that other means are provided for a free microwave irradiation.

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.The sensitive layer of the sensor preferably comprises a layer of diamond structures with nitrogen vacancy centers. In this case, the sensitive layer itself may consist of such a diamond layer. It can also be provided that the sensitive layer comprises a carrier substrate, wherein the carrier substrate carries such a diamond layer with nitrogen vacancy centers. Furthermore, it can be provided that the carrier substrate carries a plurality of diamond particles with nitrogen vacancy centers. This may be, for example, micro- or nanoscale diamond particles.

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 a preferred embodiment of the pressure sensor according to the invention, the sensor comprises a support structure which forms a cavern structure, that is to say a structure with cavities or cavities. The cavern structure is at least partially covered by the sensitive layer. In particular, the sensitive layer closes the cavern structure.

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 a first embodiment of the pressure sensor according to the invention, the electronic structure of the NV centers in the diamond structure is effected by a mechanical deformation of the diamond structures. This is implemented in accordance with the invention in such a way that the sensitive layer carrying the NV centers is deformed when subjected to pressure, whereby the electronic structure of the NV centers is changed by this deformation. This change in the electronic structure can be detected by the described electromagnetic excitation and the optical readout of the sensor. In order to achieve maximum elongation or deformation, it is advantageous to limit the sensitive diamond structure to the region of the membrane layer closing off the cavern structure, in which maximum deformation is to be expected. In the case of round geometries of the membranes, this is the edge of the membrane, in the case of rectangular or square geometries of the membrane the center of the membrane edge of the respective membrane sides.

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 the embodiment of the sensor in which the sensitive layer covers the cavern structure, a pressure difference occurs between the inner cavern structure and the outer environment of the sensor when pressure is applied to the sensor. For this purpose, a reference pressure is preferably applied in the cavern structure, so that the pressure difference arises due to the externally applied pressure to be measured. This pressure difference causes a deformation of the sensitive layer, which is detectable on the basis of the changed electronic structure of the NV centers. Since temperature changes can also cause a change in the electronic properties of NV centers, it is advantageous to provide a permanent magnetic field for direct pressure measurement. This ensures a clear distinction between changes in the electronic properties of the NV centers, which can be caused on the one hand by temperature changes and on the other hand by deformation.

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 another basic embodiment of the pressure sensor according to the invention, the pressure is measured indirectly, wherein the pressure is mediated by the change of a magnetic field to the sensitive layer with the NV centers. For this embodiment, the pressure sensor comprises structures for generating a magnetic field. The structures are realized in such a way that upon a pressure action, a change in the generatable magnetic field or the local magnetic field induced thereby in the sensitive layer is triggered. This change in the magnetic field affects the electronic structure of the NV centers. Due to the given dependence of the electronic structure of the NV centers on the acting magnetic field, this change in the electronic structure is a measure of the pressure effect. By means of the electromagnetic excitation and the optical readout of the changed electronic structure in the sensitive layer, the applied or acting pressure can be indirectly determined in this way.

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. In a preferred embodiment of the pressure sensor for the indirect pressure measurement, the sensitive layer defines a space in which the magnetic field can be generated. In this case, the structures are designed so that the dimensions of the room and thus the magnetic field can be changed when pressure is applied. In particular, the pressure sensor for this purpose has a magnetic field-generating layer, which is arranged at a certain distance from the sensitive layer. The magnetic field-generating layer and / or the sensitive layer are designed so that they change their position and / or deflected when pressure is applied, so that under pressure the two layers continue to approach each other or move away from each other. The layers can be realized for this purpose for example by membranes. In other embodiments, the sensitive layer and / or the magnetic field generating layer can be realized as a bending beam. As a result of the change in position, the distance between the magnetic field-generating layer and the sensitive layer changes, so that the local magnetic field induced in the sensitive layer changes. This change in the magnetic field in the sensitive layer in turn causes a change in the electronic structure of the NV centers. This change of the electronic structure can be read out in the manner described, so that indirectly the pressure can be determined in this way.

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.The pressure sensor according to the invention can be designed, for example, such that the cavern structure already mentioned is delimited on one side by the sensitive layer and on the other side by the magnetic field-generating layer. For example, in the case of increased pressure, both the sensitive layer and the magnetic field-generating layer can each be deflected inwards in the direction of the cavern structure, with both layers approaching one another. The distance between the two layers is thus reduced, as a result of which the local magnetic field induced in the sensitive layer changes. In other embodiments, it can be provided that only one of the two layers can be deflected as a function of the acting pressure. Also in this embodiment, the distance of the layers to each other changes with a change in the pressure conditions, so that the pressure can be measured indirectly by changing the magnetic field. Since the deformation of the sensitive layer and the change in the local magnetic field have different effects on the electronic structure of the NV centers, the effects caused by the strain of the sensitive layer and the changes in the magnetic field must be distinguished.

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.To generate the magnetic field, the magnetic field-generating layer may be, for example, a magnetic layer made of permanent magnetic materials. Furthermore, it is possible that the magnetic field is generated by means of a current-carrying conductor or a coil, wherein the current-carrying conductor or the coil of the magnetic field-generating layer is assigned. This is also to be understood that the current-carrying conductor or the coil can form the magnetic field-generating layer.

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. In a particularly preferred manner, the pressure sensor according to the invention comprises further structures which are provided for reference measurements. The reference structures may in particular be immovable reference structures. For example, with regard to the first basic configuration of the pressure sensor with direct pressure measurement, a sensitive layer which is not deformable can be provided as a reference structure, wherein, for example, the sensitive layer is not arranged above a cavern, ie not above a cavity, and therefore can not be deflected , With such an arrangement, a difference signal can be formed, which allows particularly reliable measurements. In a corresponding manner, immobile reference structures can also be realized for the second embodiment of the invention, in which the effects of the pressure are measured indirectly via the changes in a magnetic field. By such reference structures cross-sensitivities, eg. B. be avoided by temperature changes in the pressure measurement.

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. In the direct pressure measurement described above, an applied permanent magnetic field can facilitate the evaluation. However, especially in the cases where reference structures are provided, very reliable measurements can be made even without a magnetic field.

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. The invention further comprises a method for operating the described sensor, wherein the NV centers in diamond are excited by electromagnetic irradiation in the optical range and in the microwave range and the fluorescence radiation induced thereby in the NV centers is detected and analyzed. Here, the occurrence of fluorescence minima in the emitted spectrum is dependent on the acting pressure and / or the acting magnetic field, so that hereby the pressure can be measured directly or indirectly. With regard to further features of the method for operating the described sensor, reference is made to the above description.

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.Finally, the invention comprises a particularly preferred use of the pressure sensor, in which the pressure sensor according to the invention is used as a combustion chamber pressure sensor. In general, very special requirements are to be placed on combustion chamber pressure sensors. In particular, combustion chamber pressure sensors must withstand very high temperatures. Furthermore, such sensors must be corrosion resistant in the reactive atmosphere of a combustion chamber. Due to the use of diamond as the material for the pressure sensor according to the invention and in particular also due to the possibility of optical readout of the sensor, the pressure sensor according to the invention is particularly suitable for this use.

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.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments in conjunction with the drawings. In this case, the individual features can be implemented individually or in combination with each other.

In den Zeichnungen zeigt: In the drawings shows:

1 schematische Darstellung von einem Stickstoff-Vakanz-Zentrum in Diamant; 1 schematic representation of a nitrogen vacancy center in diamond;

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); 2 schematic representation of a crystal unit cell in diamond (A-1, A-2) and displacement of the measurable fluorescence minima at the pressure measurement parameter (B-1, B-2);

3 drei mögliche Ausgestaltungen (A, B, C) der sensitiven Schicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors; 3 three possible embodiments (A, B, C) of the sensitive layer of a pressure sensor according to the invention;

4 zwei Ausgestaltungen von Komponenten des erfindungsgemäßen Drucksensors für die Anregung und das Auslesen der sensitiven Schicht; 4 two embodiments of components of the pressure sensor according to the invention for the excitation and the reading of the sensitive layer;

5 schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Drucksensors; 5 schematic sectional view of a preferred embodiment of a pressure sensor according to the invention;

6 schematische Schnittansichten von zwei bevorzugten Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Drucksensors; 6 schematic sectional views of two preferred embodiments of a pressure sensor according to the invention;

7 und 8 schematische Schnittansichten von bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Drucksensors mit Referenzstrukturen; 7 and 8th schematic sectional views of preferred embodiments of the pressure sensor according to the invention with reference structures;

9 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors und 9 schematic representation of a combustion chamber pressure sensor according to the invention and

10 schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Membran als sensitive Schicht gemäß der Erfindung in Draufsicht (A) und im Querschnitt (B). 10 schematic representation of an embodiment of a membrane as a sensitive layer according to the invention in plan view (A) and in cross section (B).

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

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. The core of the invention is that diamond structures with nitrogen vacancy centers are used for pressure measurement. NV centers in diamond have a characteristic electronic structure, which is used according to the invention for a direct or indirect pressure measurement. This characteristic electronic structure can be read out and evaluated after excitation by electromagnetic radiation, in particular by microwave radiation and optical radiation, and by detection of the fluorescence emitted by the NV centers. The electronic structure is strongly dependent on the applied pressure and the magnetic field.

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. 1 illustrates the known nitrogen vacancy center (NV center) in diamond. Shown is the carbon atomic lattice that forms the diamond structure. One of the carbon atoms is represented by a nitrogen atom N (arrow 1 ) replaced. A directly adjacent carbon atom is missing in the diamond lattice. This is in this representation with V (Vacancy) (arrow 2 ) designated. Such an NV center in diamond has a certain energy spectrum at room temperature. In the normal state, ie without further irradiation in the microwave range and without application of a magnetic field, the NV center shows fluorescence in the red wavelength range upon optical excitation. If, in addition to the optical excitation additionally coupled microwave irradiation, it comes at a certain frequency, in particular at 2.88 GHz, to a collapse of fluorescence, ie to a minimum fluorescence that is measurable. This phenomenon can be explained by the fact that the electrons of the NV center in this case are lifted from the level m _s = ± 1 of the ³ A state to the level m _s = ± 1 of the ³ E state and recombine non-radiatively from there , When applying an external magnetic field, there is a splitting of the level m _s = ± 1 (Zeeman splitting) and it shows when applying the fluorescence on the frequency of the microwave excitation two minima in the fluorescence spectrum whose frequency spacing is proportional to the magnetic field strength ( Balasubramanian et al., Nature, Vol. 455, page 648 (2008) ). The position of the occurring fluorescence minima in relation to the injected microwave frequency is dependent on the acting pressure and optionally on the acting magnetic field, so that conclusions about the acting pressure and / or the acting magnetic field (strength, direction) are drawn by evaluating the occurring fluorescence minima with respect to the microwave frequency can be.

Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst eine sensitive Schicht, die diese Stickstoff-Vakanz-Zentren innerhalb einer Diamantstruktur aufweisen. The pressure sensor according to the invention comprises a sensitive layer which has these nitrogen vacancy centers within a diamond structure.

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. 2 illustrates the pressure measurement according to the invention with NV centers in diamond. The partial illustrations A-1 and A-2 of 2 show a crystal unit cell of diamond, wherein in the sub-image A-1 no pressure and in the sub-map A-2 an axial pressure is exerted on the crystal unit cell. This results in an axial, anisotropic crystal strain, which is indicated in the partial illustration A-2 by an arrow. This anisotropic deformation can be achieved, for example, by pressure changes to a deflectably suspended membrane with corresponding crystal structures. Here, the crystal is stretched or compressed in a certain direction depending on the suspension of the membrane. The anisotropic crystal strain leads to a shift of the associated fluorescence-minima pairs 81 . 82 in different ways, as shown in the sub-figures B-1 and B-2 of 2 is shown schematically. The shift depends on which direction the Deformation attacks. In this illustration, the fluorescence minima correspond 81 with the position 83 of the nitrogen atom in the crystal lattice. The fluorescence minima 82 correspond with the position 84 of the stretched nitrogen atom in the crystal lattice (A-2) or with the anisotropic crystal strain shown in this example. This shift of the fluorescence minima with anisotropic crystal strain is used according to the invention for a direct pressure measurement, wherein a sensitive layer with NV centers in diamond, for example in the form of a diamond membrane, is used.

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. 3 illustrates three possible realizations (A, B, C) of the sensitive layer. The NV centers can be arranged in different ways within the sensitive layer. 3A shows a diamond layer 11 within which are individual NV centers 10 are located. The diamond layer 11 with the NV centers contained therein 10 forms the sensitive layer 12 , The NV-doped diamond membrane (diamond structure with NV centers) as a sensitive layer can be carried out by CVD deposition on a corresponding seed layer. Nitrogen doping, which introduces NV centers into the material, can be achieved by subsequent ion implantation or by targeted nitrogen incorporation during the CVD process. 3B illustrates a further realization possibility, wherein the sensitive layer 13 a carrier substrate 14 includes. The carrier substrate 14 may be formed of silicon, for example. On one side of the carrier substrate 14 lies a diamond layer 15 with the NV centers contained therein 16 , According to the embodiment in 3C includes the sensitive layer 17 a carrier substrate 18 , on the nano- or micro-scale diamond structures 19 , each with at least one NV center 20 , are applied. These nanoscale diamonds can be added in powder form to a so-called spin-on-glass and applied to the surface, wherein, for example, spin coating method or spray method can be used. After thermal curing, a compact film with NV-doped nanodiamonds forms.

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. 4 illustrates possible embodiments of the pressure sensor according to the invention with regard to the electromagnetic excitation and readout of the electronic structure of the NV centers within the sensitive layer. The individual NV centers within the sensitive layer 21 are in the partial representations A and B of 4 not shown. The excitation of the NV centers is an optical stimulus 22 provided for this purpose, for example, a laser radiation in a wavelength range of about 530 nm to about 570 nm can be used. Furthermore, a microwave coupling is provided. In the 4A is for this purpose a strip antenna 23 provided, which lies directly on the sensitive layer. An electromagnetic excitation of the sensitive layer realized in this way causes a specific fluorescence signal 24 at the NV centers. The fluorescence signal 24 can be detected and evaluated via a suitable fluorescence detector, such as a pn photodiode. 4B shows a similar arrangement for excitation and readout of the NV centers within the sensitive layer 21 , In contrast to the embodiment of 4A here is not a strip antenna, but a free microwave radiation 25 intended. Also in this way the NV centers of the sensitive layer can be excited and the corresponding fluorescence signal 24 be read out and evaluated.

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. The pressure-dependent electronic structure of the NV centers within the sensitive layer can be measured directly by triggering a deformation of the sensitive layer by the pressure to be measured. The dependent on the change in the electronic structure of the NV centers can be read in the manner described. 5 illustrates an exemplary embodiment of a suitable pressure sensor for this purpose 30 , The pressure sensor 30 includes a support structure resting on a base body 32 is arranged. By suitable structuring forms the support structure 31 a cavern structure 33 , The cavern structure 33 is at least partially of the sensitive layer 34 covered or closed, with the sensitive layer 34 contains the NV centers in diamond, not shown here. Via a pressure connection 35 gets to the cavern structure 33 a reference pressure is created. In the sensitive layer 34 it is also a deformable layer, which is realized for example in the form of a membrane. If from the outside a pressure (represented by the arrow F) on the sensor 30 acts, results in a differential pressure in relation to that in the cavern structure 33 applied reference pressure. This requires a deformation of the sensitive layer. The deformation of the sensitive layer 34 affects the electronic structure of NV centers within the sensitive layer 34 out. This change in the characteristic electronic structure of the NV centers is measurable in the manner described above by electromagnetic excitation and fluorescence readout. Instead of a membrane, the sensitive layer 34 For example, be realized by a bending beam, which is deflected under pressure.

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. 6 illustrates other embodiments of the pressure sensor according to the invention according to the other principal possible embodiment of the sensor, in which an electric field is changed by the action of pressure, which in turn affects the electronic structure of the NV centers within the sensitive layer of the sensor. In the in 6A shown embodiment of the inventive pressure sensor 40 the sensor comprises a support structure 41 that have a cavern structure 43 realized. The cavern structure 43 is from the sensitive layer 44 covered, the sensitive layer 44 contains the NV centers, not shown here. At a distance d to the sensitive layer 44 is a magnetic field generating layer 46 provided, which is formed as a magnetic layer of permanent magnetic materials. In the 6B shown embodiment of a pressure sensor according to the invention 50 includes a comparable cavern structure 53 that from the support structure 51 is formed. In addition, a comparable sensitive structure 54 available. In this example, the magnetic field generating layer becomes 56 by means of a current-carrying conductor or a coil 56 realized. Through the magnetic field generating layers 46 respectively. 56 be in the sensitive layers 44 respectively. 54 generates local magnetic fields. When the pressure sensor 40 respectively. 50 pressurized, indicated here by the arrows F, be in the pressure sensor 40 the layer 44 or both layers 44 . 46 and at the pressure sensor 50 only the sensitive layer 54 deformed, whereby the distance d of the layers changes to each other. This also changes the local magnetic field in the sensitive layer 44 respectively. 54 , This affects the characteristic electronic structure of the NV centers within the sensitive layers 44 respectively. 54 out. This change is measurable, so that the pressure can be measured indirectly.

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.In order to be able to excite and read out the change in the electronic structure of the NV centers in diamond of the sensitive layers, the sensitive layers shown here by way of example have at least one optical access for a laser excitation and furthermore means for the coupling of microwave radiation, for example a strip antenna directly can be arranged on the sensitive layer or the microwave coupling can be made by a free irradiation. For fluorescence detection, optical access is also provided.

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. In order to avoid or reduce cross sensitivity to other influences, reference structures are provided in preferred embodiments of the pressure sensor according to the invention, which do not respond to pressure changes. Exemplary embodiments of this are in the 7 and 8th illustrated.

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. 7 shows a pressure sensor 60 , in the left part of the figure the basis of 5 already explained components 31 . 32 . 33 . 34 . 35 for direct pressure measurement. Regarding the functioning of these components, please refer to the description of 5 directed. The elements are provided with the same reference numerals. On the right side of the illustration in 7 is another sensitive layer 64 provided, which also contains NV centers. The sensitive layer 64 is provided as a reference structure, wherein the sensitive layer 64 is not deformable or deflectable. The one from the sensitive layer 64 readable value for the electronic structure of NV centers is therefore independent of any pressure influence, allowing values of the sensitive layer 64 for a zero-line adjustment or a calibration of the pressure sensor 60 can be used.

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. 8th shows an exemplary embodiment of a pressure sensor 70 , which is intended for indirect pressure measurement, with suitable reference structures. On the left side of the schematic representation are components 41 . 43 . 44 . 46 of the pressure sensor 70 shown by the 6A explained pressure sensor 40 correspond. The corresponding components of the pressure sensor 70 are provided with the same reference numerals and it is in this regard to the explanations to 6A directed. In addition, immobile reference structures are provided on the right side of the representation, which are of a sensitive layer 74 and a magnetic layer 76 be formed. Similarly, the magnetic layer 76 be realized with a current-carrying conductor or a coil. When the pressure conditions change, the distance of the sensitive layer changes 44 and the magnetic layer 46 to each other, indicated here by the arrows F. This causes a change in the local magnetic field in the sensitive layer 44 , The change in the magnetic field can be measured in the manner described above. In the reference structures 74 and 76 causes a change in pressure conditions no deflection of the structures, so that the pressure changes not on that of the sensitive layer 74 affect emitted fluorescence signal.

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.The sensor according to the invention can be realized in particular by a monolithic layer structure. The pressure sensor according to the invention is particularly suitable for microtechnical or miniaturized applications in which the required structures for the sensor are applied by microstructuring on a support.

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. 9 shows in a schematic way a possible embodiment of a combustion chamber pressure sensor 90 which can be placed directly in a combustion chamber. The combustion chamber pressure sensor 90 includes a cavern structure 93 that of a main body 92 and a support structure 91 is formed. The cavities of the cavern structure 93 are of a sensitive layer 94 , which covers diamond structures with NV centers covered. The coupling of optical excitation radiation and microwave Excitation radiation takes place via a flexible, combined fiber optic cable 95 , The fiber optic cable 95 can be configured for example as a coaxial line in the form of a radio frequency line. The fiber optic cable 95 connects the electronics module 96 (Control electronics) with the actual sensor element 90 , The electronics module 96 includes in particular a laser and a microwave generator for the excitation and a detector for reading the sensor element 90 , The reading of the fluorescence is preferably carried out with the same glass fiber cable 95 , By means of the fiber optic cable 95 a sufficient distance of the sensitive transmitter is ensured by the hot combustion chamber.

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. 10 illustrates a possible rectangular geometry of a membrane 104 as a sensitive layer within a pressure sensor according to the invention. 10A shows a plan view in which the support structure 101 a pressure sensor with a membrane disposed thereon 104 can be recognized as a sensitive layer. As in the cross section in 10B can be seen, covers the membrane 104 a cavern structure 103 the support structure 101 from. The membrane 104 is designed so that only the middle regions of the membrane sides with NV-doped diamond structures 105 are offset. In these areas, a maximum membrane expansion is at a mechanical deformation of the membrane 104 to expect, so it is advantageous for maximum sensitivity of the sensor, the diamond structures 105 to restrict to these areas.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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

Claims

Pressure sensor ( 30 ; 40 ; 50 ; 60 ; 70 ; 90 ), characterized in that the pressure sensor at least one sensitive layer ( 12 ; 13 ; 17 ; 21 ; 34 ; 44 ; 54 ; 94 ; 104 ), the diamond structures ( 11 ; 15 ; 19 ; 105 ) with nitrogen vacancy centers ( 10 ; 16 ; 20 ), wherein the nitrogen vacancy centers in the diamond structure have a readable electronic structure which is directly or indirectly changeable under pressure.

Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic structure by electromagnetic radiation in the optical range, in particular in a wavelength range between about 530 nm and about 570 nm, and by electromagnetic radiation in the microwave range, in particular in a frequency range between about 2000 MHz to about 4000 MHz, excitable and readable by fluorescence detection.

Pressure sensor according to claim 2, characterized in that a laser radiation source, in particular an LED and / or a VCSEL is provided as means for the irradiation in the optical range.

Pressure sensor according to claim 2 or claim 3, characterized in that as means for the irradiation in the microwave range in the region of the sensitive layer or on the sensitive layer ( 21 ) an antenna ( 23 ), in particular a strip antenna, or means for free microwave irradiation ( 25 ) are provided.

Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensitive layer ( 12 ) a diamond layer ( 11 ) with nitrogen vacancy centers ( 10 ).

Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensitive layer ( 13 ; 17 ) a carrier substrate ( 14 ; 18 ), wherein the carrier substrate comprises a diamond layer ( 15 ) with nitrogen vacancy centers ( 16 ) and / or diamond particles ( 19 ) with nitrogen vacancy centers ( 20 ) wearing.

Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure sensor ( 30 ; 40 ; 50 ) a support structure ( 31 ; 41 ; 51 ) with a cavern structure ( 33 ; 43 ; 53 ), wherein the sensitive layer ( 34 ; 44 ; 54 ) the cavern structure ( 33 ; 43 ; 53 ) is at least partially covered, and wherein preferably in the cavern structure, a reference pressure can be applied.

Pressure sensor ( 30 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensitive layer ( 34 ) is deformable under pressure, wherein the deformation of the electronic structure of the nitrogen vacancy centers is variable.

Pressure sensor ( 40 ; 50 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the pressure sensor structures ( 46 ; 56 ) for generating a magnetic field, wherein upon pressure, a change in the generatable magnetic field is triggered and wherein the electronic structure of the nitrogen vacancy centers is changeable by the change of the magnetic field.

Pressure sensor ( 40 ; 50 ) according to claim 9, characterized in that the sensitive layer ( 44 ; 54 ) limits a space in which the magnetic field can be generated, wherein the pressure of the dimensions of the room and thus the magnetic field can be changed.

Pressure sensor ( 40 ; 50 ) according to claim 9 or claim 10, characterized in that the pressure sensor is a magnetic field generating layer ( 46 ; 56 ) which is spaced apart from the sensitive layer ( 44 ; 54 ) is arranged.

Pressure sensor according to claim 11, characterized in that the magnetic field generating layer ( 46 ; 56 ) and / or the sensitive layer ( 44 ; 54 ) are deflected under pressure.

Pressure sensor according to claim 11 or claim 12, characterized in that the magnetic field-generating layer comprises a magnetic layer ( 46 ), or that the magnetic field-generating layer is a current-carrying conductor or a coil ( 56 ) assigned.

Pressure sensor ( 60 ; 70 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure sensor structures ( 64 ; 74 . 76 ) for reference measurements.

Using a pressure sensor ( 30 ; 40 ; 50 ; 60 ; 70 ; 90 ) according to one of the preceding claims as a combustion chamber pressure sensor.