DE102014219550A1

DE102014219550A1 - Kombinationssensor zur Messung von Druck und/oder Temperatur und/oder Magnetfeldern

Info

Publication number: DE102014219550A1
Application number: DE102014219550.0A
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 Kombinationssensor (60) zur Messung von Druck und/oder Temperatur und/oder Magnetfeldern umfasst der Kombinationssensor wenigstens eine sensitive Komponente (62) mit Diamantstrukturen, wobei die Diamantstrukturen Stickstoff-Vakanz-Zentren aufweisen. Die sensitive Komponente ist eine deformierbare Schicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kombinationssensor zur Messung von Druck und/oder Temperatur und/oder Magnetfeldern sowie eine Verwendung eines solchen Sensors zur Messung von Druck und/oder Temperatur und/oder Magnetfeldern.
Stand der Technik
Im Bereich der Sensorik gibt es einen klaren Trend zur Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit der Sensoren. Die Entwicklungen gehen dabei in die Richtung einer Kostenreduzierung und einer Baugrößenreduzierung, wobei die Leistungsfähigkeit der Sensoren immer weiter verbessert werden soll. Es existieren bereits kombinierte Sensoren, die beispielsweise eine Messung von Druckverhältnissen, eine Messung der Luftfeuchtigkeit und eine Temperaturmessung in einem sehr kleinen Gehäuse vereinen. Durch eine Zusammenfassung von Sensorfunktionen in einer Einheit kann zum einen die erforderliche Leistungsaufnahme der Sensoranordnung minimiert werden. Zum anderen ermöglicht eine Miniaturisierung von zusammengefassten, also von kombinierten Sensoren eine platzsparende Integration der Sensorik in Endgeräte der Consumer-Elektronik, wie beispielsweise Smartphones, Smartwatches oder anderer tragbarer Elektronik.
Die internationale Patentanmeldung WO 2012/016977 A2 befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements auf der Basis von Diamant. Als mögliche Anwendung eines solchen optischen Elementes wird ein Magnetometer beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt einen Kombinationssensor bereit, der zur Messung von Druck und/oder der Temperatur und/oder von Magnetfeldern vorgesehen ist. Dieser Kombinationssensor basiert darauf, dass der Sensor wenigstens eine sensitive Komponente mit Diamantstrukturen umfasst, wobei die Diamantstrukturen Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) aufweisen, die eine auslesbare elektronische Struktur darstellen. Aus einer wissenschaftlichen Veröffentlichung von Jelezko et al. (Phys. Stat. Sol. (a) 203, No. 13, 3207–3225 (2006)) ist bekannt, dass Stickstoff-Vakanz-Zentren in Diamant eine charakteristische elektronische Struktur aufweisen, die durch eine Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlen und eine Bestrahlung im optischen Bereich angeregt und durch Detektion einer von den NV-Zentren emittierten Fluoreszenz wieder ausgelesen werden kann. Die elektronische Struktur ist von der Gitterkonstante des Diamantkristalls und auch von Magnetfeldeinwirkungen abhängig. Die Gitterkonstante ist von der Temperatur abhängig und kann durch Kristallverspannungen, die z.B. durch einen Druckeinfluss beeinflusst werden können, verändert werden. Die Erfinder konnten zeigen, dass die elektronische Struktur der Stickstoff-Vakanz-Zentren sehr empfindlich auf äußere Magnetfelder sowie auf Temperaturänderungen und Spannungen oder Verformungen des Diamantkristalls reagiert. Bei entsprechender Auslesung der elektronischen Struktur lassen sich Magnetfelder mit einer Sensitivität von bis zu 100 pT/√Hz, Temperaturen mit einer Genauigkeit von bis zu 10 mK und Drücke mit einer Genauigkeit von bis zu 10^–4 mbar messen. Um diese verschiedenen Parameter messen zu können, ist erfindungsgemäß die sensitive Komponente des Kombinationssensors als deformierbare Schicht realisiert. Vorzugsweise ist die deformierbare Schicht eine Membran, insbesondere eine auslenkbare Membran, die auf Druckänderungen reagieren kann. Die deformierbare Schicht kann bei einem wirkenden Druck flexibel beispielsweise mit einer Dehnung reagieren. Dies führt zu Kristallverspannungen in den Diamantstrukturen. Die damit einhergehenden Veränderungen der elektronischen Struktur in den NV-Zentren können erfindungsgemäß erfasst und ausgewertet werden. Auch die Parameter Temperatur und Magnetfeld wirken sich auf die elektronische Struktur der NV-Zentren aus, und können daher mit dem erfindungsgemäßen Kombinationssensor gemessen werden. Der erfindungsgemäße Sensor erlaubt damit eine sehr sensitive Messung von Druck, Temperatur und Magnetfeldern. Dabei realisiert der erfindungsgemäße Kombinationssensor die Messbarkeit dieser verschiedenen Parameter mit nur einer sensitiven Komponente, die auf den mit NV-Zentren versetzten Diamantstrukturen basiert. Der erfindungsgemäße Kombinationssensor realisiert eine Zusammenfassung von Sensorfunktionen (Sensor-Clustering), sodass sich der Kombinationssensor in besonders vorteilhafter Weise für eine Miniaturisierung eignet. Hierbei wird eine hohe Sensitivität mit einer sehr guten Handhabung und vielfältigen Einsetzbarkeit verbunden. Der erfindungsgemäße Kombinationssensor ist beispielsweise für Endgeräte der Consumer-Elektronik, wie beispielsweise Smartphones, Smartwatches oder Ähnliches geeignet. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Kombinationssensor für eine Vielzahl von anderen Anwendungen eingesetzt werden.
Ein besondere Vorteil der Erfindung liegt also darin, dass bei gleichzeitigem Sensitivitätsgewinn eine platzsparende Integration der verschiedenen Sensorfunktionen durch die Nutzung eines einzelnen empfindlichen Elements, also der sensitiven Komponente mit den Diamantstrukturen mit NV-Zentren in Form einer deformierbaren Schicht, insbesondere in Form einer drucksensitiven Membran, zur Messung von Druck, Temperatur und Magnetfeldern erreicht wird. Der erfindungsgemäße Kombinationssensor bietet die Möglichkeit der Messung dieser drei Parameter. Darüber hinaus ist es auch möglich, den Kombinationssensor für die Messung von einzelnen Parameterkombinationen, beispielsweise für die Messung von Druck und Temperatur oder von anderen Parameterkombinationen, einzusetzen. Der Kombinationssensor kann im Prinzip auch zur Messung von einzelnen dieser Parameter genutzt werden.
Zweckmäßigerweise umfasst der erfindungsgemäße Kombinationssensor wenigstens ein Mittel zur Einkopplung von elektromagnetischer Anregungsstrahlung im optischen Bereich und wenigstens ein Mittel zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich. Weiterhin umfasst der Sensor wenigstens ein Mittel zur Detektion von emittierter Fluoreszenzstrahlung, die bei entsprechender Anregung der NV-Zentren in Diamant emittiert wird. Besonders geeignete Wellenlängenbereiche für die elektromagnetische Strahlung im optischen Bereich liegen zwischen etwa 530 nm und etwa 570 nm. Die Wellenlänge der Lichtquelle liegt damit vorzugsweise im grünen Bereich des sichtbaren Lichts. Für die Mikrowellenbestrahlung ist ein Frequenzbereich zwischen etwa 2000 MHz und etwa 4000 MHz geeignet.
Als Mittel für die Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im optischen Bereich kann beispielsweise eine LED (light-emitting diode) und/oder ein VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser), also ein Halbleiterlaser als Oberflächenemitter, eingesetzt werden. Die Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich kann beispielsweise mittels einer Streifenantenne vorgenommen werden, die in unmittelbarer räumlicher Nähe oder direkt an oder auf der sensitiven Komponente angeordnet ist.
Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Kombinationssensor zweckmäßigerweise wenigstens ein Mittel zur Filterung von elektromagnetischer Strahlung und insbesondere zur Filterung der Anregungsstrahlung aus dem von den NV-Zentren emittierten Fluoreszenzspektrum auf, wodurch die Auswertung der Messignale erleichtert wird. Ein Herausfiltern der Anregungsstrahlung ist besonders vorteilhaft, da im Allgemeinen die Anregungsstrahlung deutlich intensiver als die resultierende Fluoreszenzstrahlung ist, sodass die Anregungsstrahlung die Fluoreszenzstrahlung überstrahlen und bei der Auswertung stören würde. Durch eine Filterung kann die störende Anregungsstrahlung auf einfache Weise entfernt werden. Zur Filterung der Anregungsstrahlung kann beispielsweise eine optische Filterschicht vorgesehen sein.
Als Mittel zur Detektion der emittierten Fluoreszenzstrahlung eignet sich insbesondere eine Photodiode, insbesondere eine p-n-Photodiode, die im Sensor integriert sein kann.
Die deformierbare Schicht, die die sensitive Komponente des erfindungsgemäßen Sensors bildet, kann beispielsweise als sensitive Membran ausgestaltet sein, die eine Diamantschicht mit den NV-Zentren aufweist. Die sensitive Membran kann auch so ausgestaltet sein, dass Diamantpartikel mit NV-Zentren, beispielsweise nanoskalige oder mikroskalige Diamantpartikel, auf der Membran oder auf oder in einem Trägersubstrat, das mit einer Membran assoziiert ist, vorgesehen sind. Die Membran kann freistehend bzw. auslenkbar sein, so dass sie bei Druckänderungen durch Verformung reagieren kann.
Die gegebenenfalls vorgesehene optische Filterschicht zur Filterung der Anregungsstrahlen sowie eine integrierte Photodiode können unterhalb der sensitiven Membran angeordnet sein, so dass die von den NV-Zentren der Diamantstrukturen emittierte Fluoreszenz unmittelbar detektiert werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kombinationssensors kann der Sensor ein integriertes Referenzvolumen umfassen, das zum Einschluss eines Referenzdruckes vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise grenzt die sensitive Komponente mit den Diamantstrukturen, also beispielsweise die sensitiven Membran, an dieses Referenzvolumen an. Der Sensor kann hierbei beispielsweise so realisiert sein, dass durch eine Trägerstruktur des Sensors eine Kavernenstruktur bereitgestellt wird, wobei die Kavernen oder die Hohlräume der Struktur durch die sensitive Membran abgedeckt werden. Die Kavernenstruktur wird mit einem Referenzdruck beaufschlagt. Wenn von außen ein zu messender Druck an der sensitiven Komponente anliegt, stellt sich ein Differenzdruck ein, der zur Deformation oder Auslenkung der Membran führt. Dies bewirkt eine Veränderung der elektronischen Struktur der NV-Zentren, wobei dieser Veränderung erfindungsgemäß ausgelesen werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst der erfindungsgemäße Kombinationssensor Mittel zur Erzeugung eines Referenzmagnetfeldes, wobei das Referenzmagnetfeld beispielsweise durch eine in den Sensor integrierte Strom-durchflossene Spule oder durch in den Sensor integrierte permanentmagnetische Materialien erzeugbar ist. Das Referenzmagnetfeld kann dabei beispielsweise durch eine magnetische Schicht erzeugt werden, die in die oben erwähnte Kavernenstruktur integriert ist. Durch das angelegte Referenzmagnetfeld wird eine bestimmte elektronische Struktur der NV-Zentren eingestellt. Bei Einwirkung eines zu messenden äußeren Magnetfeldes wird diese elektronische Struktur verändert. Dies ist wiederum erfindungsgemäß auslesbar.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kombinationssensors ist der Sensor als miniaturisierter Sensor realisiert. Das dem Sensor zugrunde liegende Messprinzip erlaubt mit nur einer sensitiven Komponente die Messung verschiedener Parameter, und zwar eine Messung des wirkenden Drucks, der Temperatur und der Stärke oder Richtung eines wirkenden Magnetfeldes. Für die Messung der verschiedenen Parameter auf der Basis der sensitiven Komponente mit den NV-Zentren in Diamant sind nur wenige Bauteile erforderlich, so dass sich der erfindungsgemäße Sensor in besonderer Weise für eine Miniaturisierung eignet.
Die Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung des beschriebenen Kombinationssensors zur Messung von Druck und/oder Temperatur und/oder Magnetfeldern. Für das Verfahren zur Durchführung der Messung beziehungsweise zum Betreiben des Sensors wird vorzugsweise elektromagnetische Strahlung im optischen Bereich eingekoppelt und zusätzlich wird elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich mit variierender Frequenz eingekoppelt. Hierfür können beispielsweise Frequenzen von etwa 2000 bis etwa 4000 MHz eingekoppelt werden. Während des Durchlaufens dieses Frequenzbereiches wird die in den NV-Zentren in Diamant ausgelöste Fluoreszenzstrahlung gemessen. In Abhängigkeit von den zu messenden Parametern resultieren hieraus verschiedene Minima in der messbaren Fluoreszenz. Durch eine geeignete Auswertung der detektierbaren Minima in dem Fluoreszenzspektrum können Rückschlüsse auf das Maß der wirkenden Magnetfeldstärke und/oder der wirkenden Magnetfeldrichtung oder auf das Maß der wirkenden Temperatur oder auf das Maß des wirkenden Drucks gezogen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und näheren Erläuterungen anhand der Figuren. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
In den Zeichnungen zeigen:
1 schematische Darstellung von einem Stickstoff-Vakanz-Zentrum in Diamant;
2 schematische Darstellung einer Kristall-Einheitszelle von Diamant (A) und Verschiebung der messbaren Fluoreszenz-Minima bei dem Messparameter Magnetfeld (B);
3 schematische Darstellungen von Kristall-Einheitszellen von Diamant (A-1, A-2) und Verschiebung von messbaren Fluoreszenz-Minima bei dem Messparameter Temperatur (B-1, B-2);
4 schematische Darstellungen von Kristall-Einheitszellen von Diamant (A-1, A-2) und Verschiebung der messbaren Fluoreszenz-Minima bei dem Messparameter Druck (B-1, B-2);
5 schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kombinationssensors und
6 schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kombinationssensors.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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 Magnetfeldsensitivität wird dabei durch die minimal-auflösbare Frequenzverschiebung vorgegeben und kann bis zu 100 pT/√Hz erreichen. Bei einer Übereinstimmung der Mikrowellenfrequenz mit dem Energieabstand zwischen dem Niveau m_s = 0 und m_s = ±1 kommt es also zu einem Einbruch der Fluoreszenz. Bei einem externen Magnetfeld spaltet das Niveau m_s = ±1 auf und es sind zwei definierte Mikrowellenfrequenzen zu beobachten, bei denen die Fluoreszenz abnimmt. Der Frequenzabstand bei diesen definierten Mikrowellenfrequenzen ist dabei proportional zum Magnetfeld, so dass durch Auswertung der Fluoreszenzminima auf die Magnetfeldstärke rückgeschlossen werden kann.
2 illustriert in der Teilabbildung A eine Kristall-Einheitszelle von Diamant. Das Stickstoff-Atom 20 des NV-Zentrums hat hierbei im Prinzip vier Möglichkeiten (21, 22, 23, 24), sich im Kristall anzuordnen. Durch diese vier Möglichkeiten kommt es bei Anwesenheit eines gerichteten Magnetfeldes 29 dazu, dass die im Kristall vorhandenen NV-Zentren je nach Lage im Kristall unterschiedlich stark auf das äußere Magnetfeld reagieren. Da der Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und Kristallachse für jede Kristallachse unterschiedlich ist, kommt es zu unterschiedlichen starken Frequenzaufspaltungen in den NV-Zentren, abhängig von der jeweiligen Kristallrichtung. Hierdurch können bis zu vier zusammengehörige Paare von Fluoreszenz-Minima (25, 26, 27, 28) im resultierenden Fluoreszenzspektrum auftreten, wie es in Teilabbildung B schematisch dargestellt ist. In dieser Darstellung entspricht dabei das Paar 25 der Anordnungsmöglichkeit 23, das Paar 26 der Anordnungsmöglichkeit 24, das Paar 27 der Anordnungsmöglichkeit 21 und das Paar 28 der Anordnungsmöglichkeit 22. Durch Auswertung der Frequenzabstände für jede Kristallrichtung lassen sich Magnetfeldrichtung und Stärke extrahieren, aus der Form und Lage der Fluoreszenz-Minima zueinander können also Betrag und Richtung des Magnetfeldes eindeutig bestimmt werden.
3 illustriert die Reaktion der NV-Zentren auf Verspannungen oder Verformungen des Diamantkristalls. Dies stellt die Basis für die erfindungsgemäße Temperaturmessung mittels der NV-Zentren dar. Die Teilabbildungen A-1 und A-2 der 3 zeigen jeweils eine Kristall-Einheitszelle von Diamant, wobei sich durch eine Temperaturerhöhung das Kristall isotrop ausdehnt (A-2). Die Energieniveaus der NV-Zentren reagieren hierbei so, dass bei einer Ausdehnung der energetische Abstand vom Grundniveau und dem Energieschwerpunkt von dem Niveau m_S = –1 auf das Niveau m_S = +1. Dies geht mit einer gleichmäßigen Frequenzverschiebung der zusammengehörenden Fluoreszenz-Minima einher, wie es in den Teilabbildungen B-1 und B-2 der 3 dargestellt ist. Die isotrope Verformung des Kristalls wird durch eine thermische Ausdehnung bewirkt, die in diesem Beispiel durch eine Temperaturerhöhung ausgelöst wird. Die im Fluoreszenzspektrum (B-1, B-2) auftretenden Fluoreszenz-Minima 31 verschieben sich für alle Kristallachsen gleichmäßig zu kleineren Frequenzen 32. Dies ist in diesem Beispiel nur für eine Kristallachse gezeigt. Die Aufspaltung durch ein externes Magnetfeld bleibt dabei erhalten und wird durch eine Temperaturänderung nicht beeinflusst. In dieser Darstellung ist also die Verschiebung der Fluoreszenz-Minima durch eine Temperaturerhöhung bei zusätzlich vorhandenem externem Magnetfeld dargestellt. Die isotrope Verformung des Kristalls durch die Temperaturänderung ist durch die gleichmäßige Frequenzverschiebung zusammengehöriger Fluoreszenz-Minima auslesbar, sodass auf diese Weise die Temperatur gemessen werden kann.
4 illustriert die erfindungsgemäße Druckmessung mit NV-Zentren in Diamant. Die Teilabbildungen A-1 und A-2 der 4 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 nur in eine bestimmte Richtung gedehnt oder gestaucht. Die anisotrope Kristallverspannung führt zu einer Verschiebung der zugehörigen Fluoreszenz-Minima-Paare 41, 42 in unterschiedlicher Weise, wie es in den Teilabbildungen B-1 und B-2 der 4 schematisch dargestellt ist. Die Verschiebung ist davon abhängig, aus welcher Richtung die Verformung angreift. In dieser Darstellung korrespondieren dabei die Fluoreszenz-Minima 41 mit der Position 43 des Stickstoff-Atoms im Kristallgitter. Die Fluoreszenz-Minima 42 korrespondieren mit der Position 44 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 Membran-basierte Druckmessung ausgenutzt.
Eine prinzipielle Anordnung der Elemente eines erfindungsgemäßen Sensors 50 für die Messung von Druck ist in 5 illustriert. Gezeigt ist eine Trägerstruktur 51 des erfindungsgemäßen Sensors 50, bei dem eine Kavernenstruktur 52 realisiert ist. Die Hohlräume der Kavernenstruktur 52 werden durch eine Diamantmembran 53 als sensitive Komponente des Sensors mit den NV-Zentren abgedeckt. Eine Anregung der NV-Zentren der Diamantmembran 53 erfolgt über die Einkopplung von elektromagnetischer Anregungsstrahlung 54 im optischen Bereich. Hierfür ist eine nicht näher dargestellte optische Lichtquelle vorgesehen. Eine Einkopplung der elektromagnetischen Anregungsstrahlung im Mikrowellenbereich, insbesondere zwischen etwa 2 bis 4 GHz, erfolgt mit variierender Frequenz mittels einer Antenne 55, die in unmittelbarer räumlicher Nähe zu der Diamantmembran 53 angeordnet ist. Bei der Antenne kann es sich um eine übliche RF-Antenne (RF = Radiofrequenz) handeln. Durch die Anregung mit optischer Strahlung und mit Mikrowellenstrahlung wird eine Fluoreszenzemission der NV-Zentren der Diamantmembran 53 ausgelöst, die als Messsignal 56 auslesbar ist.
Die Hohlräume der Kavernenstruktur 52 umschließen einen definierten Referenzdruck, der beispielsweise über einen hier nicht dargestellten Druckanschluss der Kavernenstruktur 52 realisiert sein kann. Bei einer externen Druckänderung verformt sich die Diamantmembran 53. Diese Verformung führt zu einer anisotropen Kristallverschiebung in den NV-Zentren der Diamantmembran 53. Dies führt zu der beschriebenen Verschiebung der Fluoreszenzminima, die proportional zur Membranauslenkung und damit zur Druckänderung ist. Auf diese Weise lässt sich der Druck mit einer solchen Anordnung in der erfindungsgemäßen Weise messen.
Die Druckmessung wird dabei durch die auslenkbare Membran, die die sensitive Komponente des Sensors bildet, realisiert, bei der die Diamantstrukturen, die Bestandteil der Membran sind, je nach Aufhängung nur in eine bestimmte Richtung gedehnt oder gestaucht werden. Die mit einer Dehnung oder Stauchung der Membran verbundene anisotrope Kristallverspannung kann als Maß für den zu messenden Druck in der beschriebenen Weise ausgewertet werden kann.
Die Messparameter Druck, Temperatur und Magnetfeld wirken in unterschiedlicher Weise auf die erfindungsgemäß eingesetzten NV-Zentren in Diamant. Ein äußeres Magnetfeld wirkt über das sogenannte Zeeman-Splitting und damit einhergehendem Auftreten von Minima-Paaren in dem resultierenden Fluoreszenzspektrum. Bei einer Temperaturänderung kommt es zu einer isotropen, gleichmäßigen Frequenzverschiebung aller auftretenden Minima-Paare. Bei einer Druck-verursachten Deformierung oder Auslenkung einer frei aufgehängten Membran mit Diamantstrukturen kommt es zu einer ungleichmäßigen Verschiebung der auftretenden Minima-Paare durch die anisotrope Kristallverformung. Diese Phänomene werden erfindungsgemäß genutzt, um die Parameter Magnetfeld (Stärke oder Richtung), Temperatur und Druck unabhängig voneinander mit einem Sensorelement, das NV-versetzte Diamantstrukturen aufweist, zu messen.
6 illustriert in schematischer Weise eine mögliche Realisierung für ein monolithisch integriertes Sensorelement 60 gemäß der Erfindung, das auf einer NV-versetzten Diamantmembran basiert. Der Kombinationssensor 60 umfasst einen Silizium-Wafer 61 als Substrat. Die sensitive Komponente des Sensors 60 wird von einer Diamantmembran 62 gebildet, die die NV-Zentren enthält. Als Quelle für die elektromagnetische Anregungsstrahlung im optischen Bereich (Lichtquelle 63) ist ein LED-Wafer oder ein VCSEL-Wafer 64 vorgesehen. Die Lichtquelle 63 sollte vorzugsweise eine Wellenlänge im grünen Bereich des sichtbaren Lichtspektrums abstrahlen, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen etwa 530 nm bis etwa 570 nm, da in diesem Bereich die Photonenabsorption der NV-Zentren maximal ist. Für eine monolithische Integration des Lichtquellen-Wafers 64 kann ein LED-Chip oder VCSEL-Chip, der beispielsweise aus einem III/V-Halbleitermaterial besteht, über ein Chip-to-Wafer- oder Chip-to-Chip-Bondverfahren auf einen Träger, insbesondere den Silizium-Wafer 61, gebondet werden, wobei der Silizium-Wafer 61 die weiteren notwendigen Sensorelemente einschließlich der Diamantmembran 62 enthalten kann. Als weitere Elemente sind insbesondere ein optischer Filter 65 zur Filterung der Anregungsstrahlung und eine RF-Antenne 66 zur Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung im Mikrowellenbereich vorgesehen. Über eine Photodiode 67, 68 wird die von den NV-Zentren der Diamantmembran 62 emittierte Fluoreszenzstrahlung detektiert.
Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Kombinationssensors 60 kann zunächst die Photodiode 67, 68 in dem Silizium-Wafer 61 strukturiert werden. Hierfür werden insbesondere ein p-dotiertes Gebiet 68 und ein n-dotiertes Gebiet 67 strukturiert, beispielsweise über Ionenimplantation unter Verwendung von Schattenmasken. Auf die Photodiode 67, 68 wird dann die optische Filterschicht 65 aufgebracht. Mögliche Ausführungen hierfür sind beispielsweise dielektrische Filter, micro cavities mit semitransparenten Metallspiegeln, Farbstofffilter oder plasmonische Filter. Für die Bereitstellung eines Referenzvolumens 69 für einen eingeschlossenen Referenzdruck kann anschließend zunächst eine kompakte Schicht 70 abgeschieden und in diese eine Kavität strukturiert werden. Die NV-dotierte Diamantmembran (Diamantstruktur mit NV-Zentren) als sensitive Komponente 62 kann als separat hergestelltes Bauteil auf die Kavität 69 gebondet werden. Alternativ kann auch eine integrierte CVD-Abscheidung einer Diamantschicht mit einer entsprechenden Opferschicht durchgeführt werden. Hierbei kann nach der Diamantabscheidung die Kavität durch eine Opferschichtätzung erzeugt werden. Die RF-Antenne 61 als Mikrowellenantenne kann beispielsweise als metallische Streifenleitung auf dem Silizium-Wafer 61 ausgeführt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Kombinationssensor kann vorteilhafterweise ein Referenzmagnetfeld in das Sensorelement integriert werden, so dass die Auswertung der Messung der Magnetfeldrichtung und/oder -stärke erleichtert wird. Hierfür kann eine Strom-durchflossene Spule, die beispielsweise in Dünnschicht-Metallisierungstechnik gefertigt werden kann, integriert werden, oder das Referenzmagnetfeld kann durch integrierte permanentmagnetische Materialien erzeugt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/016977 A2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Jelezko et al. (Phys. Stat. Sol. (a) 203, No. 13, 3207–3225 (2006) [0004]
Balasubramanian et al., Nature, Vol. 455, Seite 648 (2008) [0024]

Claims

Kombinationssensor (60) zur Messung von Druck und/oder Temperatur und/oder Magnetfeldern, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombinationssensor wenigstens eine sensitive Komponente (62) mit Diamantstrukturen umfasst, wobei die Diamantstrukturen Stickstoff-Vakanz-Zentren aufweisen, und wobei die sensitive Komponente mit den Diamantstrukturen eine deformierbare Schicht ist.
Kombinationssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die deformierbare Schicht eine Membran, insbesondere eine auslenkbare Membran ist.
Kombinationssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombinationssensor (60) wenigstens ein Mittel (63) zur Einkopplung von elektromagnetischer Anregungsstrahlung im optischen Bereich, insbesondere in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 530 nm und etwa 570 nm, und wenigstens ein Mittel (66) zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich, insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen etwa 2000 MHz und etwa 4000 MHz, und wenigstens ein Mittel (67, 68) zur Detektion von emittierter Fluoreszenzstrahlung aufweist.
Kombinationssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (63) zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im optischen Bereich wenigstens eine LED und/oder ein VCSEL ist.
Kombinationssensor nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (66) zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich wenigstens eine Streifenantenne ist.
Kombinationssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombinationssensor (60) wenigstens ein Mittel (65) zur Filterung von elektromagnetischer Strahlung aufweist, wobei vorzugsweise das Mittel (65) zur Filterung von elektromagnetischer Strahlung wenigstens eine optische Filterschicht zur Filterung der Anregungsstrahlung ist.
Kombinationssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (67, 68) zur Detektion von emittierter Fluoreszenzstrahlung wenigsten eine Photodiode, insbesondere eine p-n-Photodiode, ist.
Kombinationssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombinationssensor (60) ein Referenzvolumen (69) zum Einschluss eines Referenzdruckes umfasst, wobei die sensitive Komponente (62) mit Diamantstrukturen an das Referenzvolumen angrenzt.
Kombinationssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombinationssensor (60) Mittel zur Erzeugung eines Referenzmagnetfeld umfasst, wobei vorzugsweise die Mittel zur Erzeugung des Referenzmagnetfeldes durch eine in den Kombinationssensor integrierte Strom-durchflossene Spule oder durch in den Kombinationssensor integrierte permanentmagnetische Materialien gebildet werden.
Kombinationssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kombinationssensor (60) ein miniaturisierter Kombinationssensor ist.
Verwendung eines Kombinationssensors (60) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Messung von Druck und/oder Temperatur und/oder Magnetfeldern.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im optischen Bereich und bei Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich mit variierender Frequenz daraus resultierende Minima (25, 26, 27, 28) einer von den Diamantstrukturen emittierten Fluoreszenzstrahlung in Bezug zu der Frequenz im Mikrowellenbereich als Maß für die wirkende Magnetfeldstärke und/oder die Magnetfeldrichtung ausgewertet werden.
Verwendung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im optischen Bereich und bei Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich mit variierender Frequenz daraus resultierende Minima (31, 32) einer von den Diamantstrukturen emittierten Fluoreszenzstrahlung in Bezug zu der Frequenz im Mikrowellenbereich als Maß für die wirkende Temperatur ausgewertet werden.
Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im optischen Bereich und bei Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich mit variierender Frequenz daraus resultierende Minima (41, 42) einer von den Diamantstrukturen emittierten Fluoreszenzstrahlung in Bezug zu der Frequenz im Mikrowellenbereich als Maß für den wirkenden Druck ausgewertet werden.