DE102016210259A1

DE102016210259A1 - Sensorvorrichtung, Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung und Verfahren zum Erfassen einer Messgröße

Info

Publication number: DE102016210259A1
Application number: DE102016210259.1A
Authority: DE
Inventors: Theresa Lutz; Fabian Purkl; Dayo Oshinubi; Robert Roelver
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-06-11
Also published as: DE102016210259B4; WO2017211504A1; CN109219756A; EP3469388A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (800). Die Sensorvorrichtung (800) weist einen Kristallkörper (810) mit zumindest einer Fehlstelle auf. Auch weist die Sensorvorrichtung (800) eine Lichtquelle (820) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (810) mit Anregungslicht (210) auf. Die Sensorvorrichtung (800) weist ferner zumindest eine Mikrowellenantenne (830) zum Beaufschlagen des Kristallkörpers (810) mit Mikrowellen auf. Zudem weist die Sensorvorrichtung (800) eine Detektionseinrichtung (840, 850, 855) zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals (220) von dem Kristallkörper (810) auf. Die Sensorvorrichtung (800) weist auch eine Anlegeeinrichtung (860, 870, 880) auf, die ausgebildet ist, um ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen und ein Magnetfeldsignal zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Kristallkörper (810) beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830) anzulegen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Beispielsweise können Stickstoff-Fehlstellen in einem Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV = Nitrogen Vacancy) bezeichnet, auf dem Gebiet der Sensorik angewandt werden. Durch Anregung der NV-Zentren mit Licht und Mikrowellenstrahlung kann eine Fluoreszenz derselben beobachtet werden.
Die DE 37 42 878 A1 beschreibt einen optischen Magnetfeldsensor, in dem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Sensorvorrichtung, Verfahren, weiterhin ein Steuergerät, das zumindest eines der Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Gemäß Ausführungsformen kann insbesondere eine Sensorvorrichtung sowie eine Kalibrations- und Auswertemethode für eine Sensorvorrichtung basierend auf Fehlstellen bzw. Gitterfehlstellen in einem Kristall bereitgestellt werden. Hierbei kann beispielsweise eine Funktion von mindestens einer elektrischen Spule für eine Erzeugung eines magnetischen Konstant- oder Wechselfeldes in eine Sensorvorrichtung integriert werden, indem an eine Mikrowellenantenne zusätzlich ein Induktionsstrom angelegt wird. Anders ausgedrückt kann eine Mikrowellenantenne insbesondere in zweifacher Hinsicht genutzt werden, zum einen für Mikrowellen und zum anderen für ein internes Magnetfeld. Somit kann die Sensorvorrichtung insbesondere während einer Benutzung bzw. eines Betriebs auf effiziente Weise kalibriert werden und aus einem Fluoreszenzsignal einfach und genau auf einen Messwert geschlossen werden.
Vorteilhafterweise kann eine Mikrowellenabhängigkeit einer hierbei detektierbaren Fluoreszenz empfindlich auf äußere Einwirkungen wie Magnetfelder, Temperaturänderungen oder mechanische Spannungen als Messgrößen reagieren. Somit kann durch Messung dieser Fluoreszenz ermöglicht werden, sensitive und robuste Sensoren für Magnetfeld, Strom, Temperatur, mechanische Spannungen, Druck und andere Messgrößen bereitzustellen. Auf Grund einer hohen Sensitivität von Fehlstellen in Kristallgittern können beispielsweise bereits schwache Magnetfelder ausreichend und damit auch lediglich geringe elektrische Ströme notwendig sein, was zu einem energieeffizienten Verfahren bzw. Sensor führen kann. Bei einem Sensor, der auf Fehlstellen in einem Kristallkörper basiert, kann somit insbesondere eine Verbesserung der Kalibration und Auswertungsmethodik erreicht werden.
Es wird eine Sensorvorrichtung vorgestellt, die folgende Merkmale aufweist:
einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle;
eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Kristallkörpers mit Anregungslicht;
zumindest eine Mikrowellenantenne zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit Mikrowellen;
eine Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper; und
eine Anlegeeinrichtung, die ausgebildet ist, um ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen und ein Magnetfeldsignal zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Kristallkörper beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne anzulegen.
Die Sensorvorrichtung kann ausgebildet sein, um eine Messgröße zu erfassen. Die Messgröße kann beispielsweise ein externes Magnetfeld, ein elektrischer Strom, eine Temperatur, eine mechanische Spannung, ein Druck und zusätzlich oder alternativ eine andere Messgröße sein. Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise als Batteriestromsensor und zusätzlich oder alternativ als Brennraumdrucksensor, als kombinierter Drucksensor und Erdmagnetfeldsensor, als Stromleitungsdetektor oder dergleichen eingesetzt werden. Die Anlegeeinrichtung kann signalübertragungsfähig mit der zumindest einen Mikrowellenantenne verbindbar oder verbunden sein. Der Kristallkörper kann beispielsweise Diamant, Siliziumcarbid (SiC) oder hexagonales Bornitrid (h-BN) sein. Eine Fehlstelle kann beispielsweise eine Stickstoff-Fehlstelle in einem Diamant, eine Silizium-Fehlstelle in Siliziumcarbid oder ein Fehlstellen-Farbzentrum in hexagonalem Bornitrid sein. Anders ausgedrückt kann eine Fehlstelle eine Gitterfehlstelle bzw. Fehlstelle in einer Gitterstruktur des Kristallkörpers sein. Die Detektionseinrichtung kann ausgebildet sein, um die zumindest eine Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper optisch und/oder elektrisch zu erfassen. Die zumindest eine Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper kann eine Lichtintensität sein. Somit kann die Detektionseinrichtung ausgebildet sein, um die zumindest eine Signaleigenschaft mittels einer optischen Auswertung über eine Intensität des Fluoreszenzsignals oder mittels einer elektrischen Auswertung über eine sogenannte Photocurrent Detection Of Magnetic Resonance (PDMR) zu detektieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung eine Ausführungsform eines nachfolgend genannten Steuergerätes aufweisen. Hierbei kann das Steuergerät signalübertragungsfähig mit der Lichtquelle, mit der zumindest einen Mikrowellenantenne, mit der Detektionseinrichtung und mit der Anlegeeinrichtung verbindbar oder verbunden sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass mittels des Steuergerätes eine präzise, schnelle und einfache Kalibrierung sowie Messgrößenerfassung der Sensorvorrichtung durchgeführt werden kann.
Auch kann die Sensorvorrichtung zumindest eine elektrische Spule zum Bewirken mindestens eines weiteren internen Magnetfelds aufweisen. Hierbei kann das mindestens eine weitere interne Magnetfeld eine weitere Feldrichtung aufweisen, die sich von einer Feldrichtung des internen Magnetfelds unterscheidet. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass aufgrund einer Ausrichtung von Fehlstellen entlang der Kristallrichtungen im Kristallkörper über eine Verschiebung von zu diesen Richtungen gehörenden Fluoreszenz-Minima beispielsweise auch eine Richtung eines externen Magnetfelds bestimmt werden kann.
Insbesondere kann die Anlegeeinrichtung eine Mikrowellenquelle, eine Stromquelle und zusätzlich oder alternativ einen elektrischen Filter zum Minimieren einer gegenseitigen Beeinflussung der Mikrowellenquelle und der Stromquelle aufweisen. Die Stromquelle kann ausgebildet sein, um als Magnetfeldsignal einen Gleichstrom oder einen Wechselstrom in die zumindest eine Mikrowellenantenne einzuprägen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Diamant über die zumindest eine Mikrowellenantenne auf einfache, zuverlässige, effiziente und genaue Weise sowohl mit Mikrowellen als auch mit dem internen Magnetfeld beaufschlagt werden kann.
Es wird auch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung vorgestellt, wobei die Sensorvorrichtung einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Kristallkörpers mit Anregungslicht, zumindest eine Mikrowellenantenne zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit Mikrowellen und eine Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper aufweist, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
Anlegen eines Mikrowellensignals zum Erzeugen der Mikrowellen an die zumindest eine Mikrowellenantenne;
Anlegen eines Magnetfeldsignals zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Kristallkörper beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne; und
Bestimmen zumindest einer Mikrowellenfrequenz, bei der eine vorbestimmte Signaleigenschaft auftritt, in einem Frequenzspektrum der Mikrowellen unter Verwendung des Fluoreszenzsignals ansprechend auf das interne Magnetfeld, um Kalibrierungsdaten zur Verwendung bei einem Erfassen einer Messgröße zu erzeugen.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. Das Verfahren kann unter Verwendung von bzw. in Verbindung mit einer Ausführungsform der vorstehend genannten Sensorvorrichtung vorteilhaft ausgeführt werden, um die Sensorvorrichtung zu kalibrieren. Somit kann durch Ausführen des Verfahrens mittels des induzierten Magnetfeldes eine, beispielsweise regelmäßige, Kalibrierung hinsichtlich einer Sensitivität als auch einer Richtungsabhängigkeit der Sensorvorrichtung während eines Betriebs durchgeführt werden. Im Schritt des Bestimmens kann eine Mikrowellenfrequenz gewählt werden, bei der eine Variation des Fluoreszenzsignals abhängig von dem internen Magnetfeld beobachtbar ist. Die vorbestimmte Signaleigenschaft kann ein Minimum der Lichtintensität repräsentieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Ermittelns zumindest einer Referenzfrequenz, bei der eine Referenzsignaleigenschaft auftritt, in dem Frequenzspektrum unter Verwendung des Fluoreszenzsignals aufweisen. Hierbei kann der Schritt des Ermittelns vor dem Schritt des Anlegens des Magnetfeldsignals ausgeführt werden. Dabei kann im Schritt des Bestimmens mindestens ein Verschiebungswert zwischen der zumindest einen Referenzfrequenz und der zumindest einen Mikrowellenfrequenz unter Einfluss des internen Magnetfeldes berechnet werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Störeinflüsse durch beispielsweise ein externes Magnetfeld berücksichtigt werden können, um eine genaue Kalibrierung zu ermöglichen.
Ferner kann im Schritt des Anlegens des Magnetfeldsignals ein Magnetfeldsignal angelegt werden, das geeignet ist, um ein periodisch variierendes internes Magnetfeld zu generieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass während des Kalibrierens auf einfache Weise eine Veränderung des Fluoreszenzsignals herausgefiltert wird, die mit der bekannten Frequenz des periodisch variierenden Magnetfeldes variiert. Somit kann ein Störeinfluss von externen Magnetfeldern auf die Kalibrierung minimiert werden.
Es wird ferner ein Verfahren zum Erfassen einer Messgröße vorgestellt, wobei das Verfahren in Verbindung mit einer Sensorvorrichtung ausführbar ist, die einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Kristallkörpers mit Anregungslicht, zumindest eine Mikrowellenantenne zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit Mikrowellen und eine Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper aufweist, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
Anlegen eines Mikrowellensignals zum Erzeugen der Mikrowellen an die zumindest eine Mikrowellenantenne, um ein Frequenzspektrum der Mikrowellen zu durchlaufen;
Auswerten des Fluoreszenzsignals ansprechend auf das angelegte Mikrowellensignal, um zumindest eine Mikrowellenfrequenz, bei der eine vorbestimmte Signaleigenschaft auftritt, in dem Frequenzspektrum zu bestimmen;
Einstellen des Mikrowellensignals, um Mikrowellen mit einer im Schritt des Bestimmens bestimmten Mikrowellenfrequenz zu erzeugen;
Verstellen des Mikrowellensignals ansprechend auf eine durch eine Änderung der Messgröße bedingte Verschiebung der vorbestimmten Signaleigenschaft, um eine Frequenz der Mikrowellen um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren, bis eine neue Mikrowellenfrequenz gefunden ist, bei der die verschobene vorbestimmte Signaleigenschaft auftritt; und
Berechnen der Messgröße unter Verwendung der Mikrowellenfrequenz und der neuen Mikrowellenfrequenz.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. Das Verfahren kann unter Verwendung von bzw. in Verbindung mit einer Ausführungsform der vorstehend genannten Sensorvorrichtung vorteilhaft ausgeführt werden, um zumindest eine Messgröße zu erfassen. Eine Verfolgung einer Verschiebung des zumindest einen Minimums, beispielsweise von ODMR-Minima (ODMR = Optically Detected Magnetic Resonance; optisch erfasste Magnetresonanz), kann durch Ausführen des Verfahrens vereinfacht und beschleunigt werden, da nicht bei jeder Änderung ein vollständiges Abfahren des Mikrowellenspektrums der Messgröße notwendig ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Berechnens die Messgröße unter Verwendung der Kalibrierungsdaten berechnet werden, die nach einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens zum Kalibrieren erzeugt sind. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine präzise und zuverlässige Bestimmung der Messgröße auch unter wechselnden Umgebungsbedingungen realisiert werden kann.
Auch kann das Verfahren einen Schritt des Anlegens eines Magnetfeldsignals zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Kristallkörper beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne aufweisen, um ein mit einer Anregungsfrequenz periodisch variierendes internes Magnetfeld zu generieren. Hierbei kann im Schritt des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt werden, bis ein mit der Anregungsfrequenz korrelierter und einer vorbestimmten Signaleigenschaft zugeordneter Frequenzanteil des Fluoreszenzsignals maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Herleitung des Messwerts aus dem Fluoreszenzspektrum vereinfacht werden kann. Insbesondere kann unter Verwendung eines induzierten magnetischen Wechselfelds dabei das Fluoreszenzsignal vorteilhaft moduliert werden. Über das alternierende Magnetfeld in eine Richtung können über eine alternierende Verschiebung der Mikrowellenfrequenz, bei der die zumindest eine vorbestimmte Signaleigenschaft detektiert werden kann, auch Raumrichtungen, auf welche die zumindest eine vorbestimmte Signaleigenschaft reagiert, einfach und zuverlässig identifiziert und abgeglichen werden.
Dabei und zusätzlich oder alternativ bei dem Verfahren zum Kalibrieren können im Schritt des Anlegens des Magnetfeldsignals das Magnetfeldsignal an die zumindest eine Mikrowellenantenne und mindestens ein weiteres Magnetfeldsignal an zumindest eine weitere Mikrowellenantenne oder an zumindest eine elektrische Spule angelegt werden. Dabei können das Magnetfeldsignal und das mindestens eine weitere Magnetfeldsignal sich bezüglich einer Frequenz oder einer Phase voneinander unterscheiden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass über ein alternierendes Magnetfeld mit verschiedenen Frequenzen oder verschiedenen Phasen in verschiedenen Raumrichtungen über eine alternierende Verschiebung der Mikrowellenfrequenz, bei der die zumindest eine vorbestimmte Signaleigenschaft der Fluoreszenz detektiert werden kann, auch Raumrichtungen, auf welche die zumindest eine vorbestimmte Signaleigenschaft reagiert, einfach und zuverlässig identifiziert und abgeglichen werden können.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Veränderns des Mikrowellensignals aufweisen, um eine Frequenz der Mikrowellen mit einer Anregungsfrequenz periodisch um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren. Hierbei kann im Schritt des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt werden, bis ein mit der Anregungsfrequenz korrelierter und einer vorbestimmten Signaleigenschaft zugeordneter Frequenzanteil des Fluoreszenzsignals maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass kein internes Magnetfeld benötigt wird, wobei auch in mehreren Raumrichtungen gemessen werden kann, ohne dass weitere Spulen notwendig wären.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen.
Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung einer Sensorvorrichtung, genauer gesagt der Lichtquelle, der Detektionseinrichtung und der Anlegeeinrichtung einer Ausführungsform der vorstehend genannten Sensorvorrichtung. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf das Fluoreszenzsignal von der Detektionseinrichtung zugreifen. Das Steuergerät kann ausgebildet sein, um die Lichtquelle und die Anlegeeinrichtung anzusteuern.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Vorrichtungen und Verfahren gemäß Ausführungsformen können ausgebildet sein, um eine ODMR-Methode (ODMR = Optically Detected Magnetic Resonance; optisch erfasste Magnetresonanz) zu nutzen bzw. anzuwenden. Dabei kann insbesondere ein Verhalten solcher Fehlstellen in einem Kristallkörper ausgenutzt werden, im Normalzustand bei optischer Anregung Fluoreszenz bei einer Wellenlänge zu zeigen. Wird zusätzlich zu der optischen Anregung noch Mikrowellenstrahlung eingestrahlt, kommt es bei einer bestimmten Frequenz zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall auf ein höheres Energieniveau gehoben werden und von dort nichtstrahlend rekombinieren. Bei einem anliegenden Magnetfeld kommt es zur Aufspaltung des Energieniveaus, dem sogenannten Zeeman Splitting, und es zeigen sich bei Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der Mikrowellenanregung bezogen auf eine einzelne Fehlstelle insbesondere zwei Minima im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke ist.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Stickstoff-Fehlstelle in einem Diamantgitter;
2 bis 7 Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften gemäß Ausführungsbeispielen;
8 eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 und 10 schematische Darstellungen einer Induktion von Magnetfeldern um einen Diamanten gemäß Ausführungsbeispielen;
11 bis 13 schematische Darstellungen und Diagramme zur Richtungsabhängigkeit einer Fluoreszenzmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
14 bis 19 Diagramme zur Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung und Magnetfeldanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
20 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren gemäß einem Ausführungsbeispiel;
21 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
22 ein Ablaufdiagramm eines Messprozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
23 bis 28 Diagramme zur Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Ferner werden nachfolgend Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaft anhand von Stickstoff-Fehlstellen in einem Diamantgitter bzw. Diamant beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Stickstoff-Fehlstelle 105 in einem Diamantgitter 100 bzw. Diamant 100. Die Stickstoff-Fehlstelle 105 kann auch als ein Nitrogen-Vacancy-Zentrum 105 bzw. NV-Zentrum 105 bezeichnet werden. Ein Kohlenstoffatom ist hierbei durch ein Stickstoff-Atom 110 ersetzt, wobei ein direkt benachbartes Kohlenstoff-Atom im Diamantgitter 100 fehlt und sich somit die Stickstoff-Fehlstelle 105 ergibt.
2 bis 7 zeigen Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften gemäß Ausführungsbeispielen. Hierbei zeigt 2 ein Energieschema 200 ohne Mikrowellenanregung und ohne Magnetfeldanregung, wobei Anregungslicht hv 210, ein Fluoreszenzsignal 220 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige Energieniveaus m_S = 0 und m_S = ±1 für die Zustände ³A und ³E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind.
3 zeigt ein Diagramm 300 zu dem Energieschema aus 2. In dem Diagramm 300 ist an der Abszissenachse 302 eine Mikrowellenfrequenz in Megahertz bzw. MHz aufgetragen und ist an der Ordinatenachse 304 eine Fluoreszenz in beliebigen Einheiten aufgetragen, wobei ein zur Ordinatenachse 304 paralleler Pfeil 306 ein ansteigendes Magnetfeld B symbolisiert. Ferner sind in 3 beispielhaft vier Kennlinien bzw. Graphen 310, 312, 314 und 316 dargestellt, die einen Fluoreszenzverlauf für unterschiedlich starke Magnetfelder repräsentieren. Ein erster Graph 310 repräsentiert ein Magnetfeld mit der Stärke 0, B = 0; ein zweiter Graph 312 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld mit der Stärke von 2,8 mT; ein dritter Graph 314 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld mit der Stärke von 5,8 mT; ein vierter Graph 360 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld mit der Stärke von 8,3 mT. Minima einer Fluoreszenz sind lediglich beispielhaft für den zweiten Graphen 312 mit ω₁ und ω₂ bezeichnet. Eine Markierung 320 auf dem ersten Graphen 310 repräsentiert den Sachverhalt aus dem Energieschema von 2, d. h. ohne Magnetfeld (B = 0) und ohne Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz f ≠ 2,9GHz.
4 zeigt ein Energieschema 400 mit Mikrowellenanregung und ohne Magnetfeldanregung, wobei Anregungslicht hv 210, Mikrowellenstrahlung 430 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige Energieniveaus m_S = 0 und m_S = ±1 für die Zustände ³A und ³E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind.
5 zeigt ein Diagramm 500 zu dem Energieschema aus 4. Das Diagramm 500 in 5 entspricht hierbei dem Diagramm aus 3 mit Ausnahme dessen, dass eine Markierung 520 auf dem ersten Graphen 310 den Sachverhalt aus dem Energieschema von 4 repräsentiert, d. h. ohne Magnetfeld (B = 0) und mit Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz f = 2,9GHz. Die Markierung 520 ist hierbei in einem Bereich eines Minimums bzw. Fluoreszenzminimums des ersten Graphen 310 angeordnet.
6 zeigt ein Energieschema 600 mit Mikrowellenanregung und mit Magnetfeldanregung, wobei Anregungslicht hv 210, Mikrowellenstrahlung 430 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige Energieniveaus m_S = 0 und m_S = ±1 für die Zustände ³A und ³E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind. Auch wenn es in 6 nicht explizit bzw. anders dargestellt ist, spalten sich die Zustände ³E ms = ±1 bei angelegtem Magnetfeld wie die Zustände ³A ms = ±1 auf Grund von Zeeman-Splitting ebenfalls auf. Somit weisen die Zustände ³E hier ein weiteres Energieniveau bzw. zwei getrennte Energieniveaus ms = +1 und ms = –1 auf.
7 zeigt ein Diagramm 700 zu dem Energieschema aus 6. Das Diagramm 700 in 7 entspricht hierbei dem Diagramm aus 3 bzw. 5 mit Ausnahme dessen, dass zwei Markierungen 720 und 725 auf dem zweiten Graphen 312 den Sachverhalt aus dem Energieschema von 6 repräsentieren, d. h. mit einem Magnetfeld (B ≠ 0) und mit variabler Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz. Die Markierungen 720 und 725 sind jeweils in einem Bereich jeweils eines Minimums bzw. Fluoreszenzminimums des zweiten Graphen 312 angeordnet. Beispielsweise ist eine erste Markierung 720 im Bereich eines ersten Minimums ω₁ angeordnet und ist eine zweite Markierung 725 im Bereich eines zweiten Minimums ω₂ angeordnet.
Unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 sind mit anderen Worten und zusammenfassend ausgedrückt Energieschemata und Diagramme hinsichtlich einer Funktionsweise einer Magnetfeldmessung über eine Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung bzw. ein Beispiel für eine Messung von Magnetfeldern gezeigt. Stickstoff-Fehlstellen in Diamant weisen das in dem in 2 dargestellten Diagramm bzw. Energieschema 200 gezeigte Energiespektrum bei Raumtemperatur auf. Im Normalzustand, d. h. ohne Mikrowellen und ohne Magnetfeld, zeigt eine Stickstoff-Fehlstelle bei optischer Anregung eine Fluoreszenz bei einer Wellenlänge von 630 nm. Strahlt man zusätzlich zu der optischen Anregung durch das Anregungslicht 210 noch Mikrowellenstrahlung 430 ein, kommt es bei 2,88 GHz zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall von dem Niveau m_S = ±1 des Zustandes ³A auf das Niveau m_S = ±1 des Zustandes ³E gehoben werden und von dort nichtstrahlend rekombinieren. Bei einem externen Magnetfeld kommt es zu einer Aufspaltung des Niveaus m_S = ±1 (Zeeman Splitting) und es zeigen sich bei Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der Mikrowellenanregung zwei Minima, beispielsweise ω₁ und ω₂, im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke B ist. Eine Magnetfeldsensitivität wird dabei durch eine minimal auflösbare Frequenzverschiebung definiert und kann wenige pT/√Hz erreichen. Dieses Verfahren wird auch als ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance; optisch detektiert Magnetresonanz) bezeichnet. Bei Übereinstimmung der Mikrowellenfrequenz mit dem Energieabstand zwischen dem Zustand ³A m_S = 0 und dem Niveau m_S = ±1 kommt es zu einem Einbruch der Fluoreszenz. Bei externem Magnetfeld spaltet das Niveau m_S = ±1 auf und es existieren zwei definierte Mikrowellenfrequenzen, bei denen die Fluoreszenz abnimmt bzw. Minima vorliegen. Der Frequenzabstand ist dabei proportional zum Magnetfeld B.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Sensorvorrichtung 800 weist gemäß dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Diamanten 810 mit zumindest einer Stickstoff-Fehlstelle, eine Lichtquelle 820 zum Bestrahlen des Diamanten 810 mit Anregungslicht 210 bzw. für eine optische Anregung des Diamanten 810, beispielhaft lediglich eine Mikrowellenantenne 830 zum Beaufschlagen des Diamanten 810 mit Mikrowellen bzw. Mikrowellenstrahlung, eine Detektionseinrichtung 840 zum Detektieren einer Lichtintensität eines Fluoreszenzsignals 220 von dem Diamanten 810 mit einem Detektor 850 und einem optischen Filter 855, eine Anlegeeinrichtung 860 mit einer Mikrowellenquelle 870 und einer Stromquelle 880 für ein internes Magnetfeld und ein Steuergerät 890 bzw. eine Ausleseschaltung 890 auf.
Der Diamant 810 ist zwischen der Lichtquelle 820 und der Detektionseinrichtung 840 angeordnet. Dabei ist der optische Filter 855 zwischen dem Diamanten 810 und dem Detektor 850 angeordnet. Die Mikrowellenantenne 830 ist den Diamanten 810 zumindest teilweise umgebend angeordnet. Die Mikrowellenantenne 830 ist signalübertragungsfähig mit der Anlegeeinrichtung 860 bzw. der Mikrowellenquelle 870 und der Stromquelle 880 verbunden.
Die Anlegeeinrichtung 860 ist ausgebildet, um ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen und ein Magnetfeldsignal zum Generieren eines internen Magnetfelds B_mod, mit dem der Diamant 810 beaufschlagbar ist, an die Mikrowellenantenne 830 anzulegen.
Das Steuergerät 890 ist signalübertragungsfähig mit der Lichtquelle 820, mit der Detektionseinrichtung 840, genauer gesagt mit dem Detektor 850, und mit der Anlegeeinrichtung 860 bzw. mit der Mikrowellenquelle 870 und der Stromquelle 880 verbunden. Das Steuergerät 890 ist ausgebildet, um das in 20 dargestellte Verfahren zum Kalibrieren oder ein ähnliches Verfahren, das in 21 dargestellte Verfahren zum Erfassen oder ein ähnliches Verfahren und/oder den in 22 dargestellt Messprozess oder einen ähnlichen Messprozess auszuführen.
Anders ausgedrückt zeigt 8 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung für einen Sensor bzw. die Sensorvorrichtung 800 basierend auf Stickstoff-Fehlstellen bzw. NV-Zentren in dem Diamanten 810. Der Diamant 810 wird in Betrieb der Sensorvorrichtung 800 zur Anregung durch die Lichtquelle 820 bestrahlt und von der Mikrowellenquelle 870 über die Mikrowellenantenne 830 mit Mikrowellen beaufschlagt. Das Fluoreszenzsignal 220 wird von dem optischen Filter 855 vom Anregungslicht 210 getrennt und trifft auf den Detektor 850, der einen Messwert einer Lichtintensität an die Auswerteschaltung 890 bzw. an das Steuergerät 890 weitergibt. Das Steuergerät 890 ist ausgebildet, um unter anderem auch die Lichtquelle 820 und die Mikrowellenquelle 870 zu steuern. Zusätzlich ist die Stromquelle 880 zur Induktion des Magnetfeldes B_mod an die Mikrowellenantenne 830 angeschlossen. Somit zeigt 8 einen beispielhaften Aufbau der Sensorvorrichtung 800 basierend auf NV-Zentren im Diamant 810. Die Mikrowellenquelle 880 ist hierbei elektrisch mit der Mikrowellenantenne 830 verbunden, die im beispielsweise aus einem Draht mit einer oder mehreren Windungen um den Diamanten 810 realisiert ist und ausgebildet ist, um die Stickstoff-Fehlstellen im Diamant 810 mit Mikrowellen anzuregen. Alternativ können andere Methoden zur Herstellung von Spulen oder Mikrowellenantennen verwendet werden, wie z. B. eine Verwendung von Leiterbahnen auf einer Platine.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Induktion eines Magnetfeldes bzw. internen Magnetfeldes B_mod um einen Diamanten 810 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt sind hierbei in 9 der Diamant 810 sowie die Mikrowellenantenne 830 der Sensorvorrichtung aus 8 oder einer ähnlichen Sensorvorrichtung, das interne Magnetfeld B_mod bzw. magnetische Feld B_mod und ein Magnetfeldsignal I_mod bzw. zusätzlicher Strom I_mod oder Induktionsstrom I_mod, der an die Mikrowellenantenne 830 angelegt ist. Somit zeigt 9 eine Induktion des magnetischen Felds B_mod um den Diamanten 810 durch Anlegen des zusätzlichen Stroms I_mod an die Mikrowellenantenne 830.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Induktion von Magnetfeldern B_y und B_x um einen Diamanten 810 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Anders ausgedrückt zeigt 10 eine Erzeugung der Magnetfelder B_y und B_x in zwei Raumrichtungen durch eine Anordnung von mehreren Spulen 830 und 1030 bzw. Mikrowellenantennen 830 und 1030.
Unter Bezugnahme auf 9 und 10 ist anzumerken, dass die Mikrowellenantenne 830 verwendet wird, um ein magnetisches Feld B_mod zu induzieren, das auf den Diamanten 810 wirkt. Hierfür wird in die Mikrowellenantenne 830 ein Gleich- oder Wechselstrom in Gestalt des Induktionsstroms I_mod eingeprägt, welcher ein entsprechendes Magnetfeld B_mod erzeugt, wie es in 9 dargestellt ist. Um Magnetfelder B_y und B_x in mehr als eine Raumrichtung erzeugen zu können, ist in 10 vorgesehen, mehr als eine Mikrowellenantenne 830 zu verwenden, wie es in 10 anhand einer weiteren Mikrowellenantenne 1030 oder elektrischen Spule 1030 gezeigt ist. Hierbei sind die Mikrowellenantenne 830 und die weitere Mikrowellenantenne 1030 oder elektrische Spule 1030 z. B. orthogonal zueinander angeordnet. Wird die Mikrowellenantenne 830 verwendet, um ein magnetisches Wechselfeld B_mod zu erzeugen, kann eine Beeinflussung der hierfür verwendeten Wechselstromquelle (Frequenzen z. B. im kHz-Bereich) und der Mikrowellenquelle (Frequenzen im GHz-Bereich) durch einen elektrischen Filter, z. B. ein Netzwerk aus passiven Bauelementen, verhindert werden.
11 zeigt eine schematische Darstellung zur Richtungsabhängigkeit einer Fluoreszenzmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt sind hierbei der Diamant 810 und die Mikrowellenantenne 830 der Sensorvorrichtung aus 8 oder einer ähnlichen Sensorvorrichtung sowie ein internes Magnetfeld B_mod, eine Messrichtung 1101 und symbolisch eine Ausrichtung 1102 von einzelnen Stickstoff-Fehlstellen an den vier Kristallrichtungen im Diamant 810. Anders ausgedrückt zeigt 11 eine Anordnung zur Bestimmung einer Sensitivität von vier ODMR-Minima bzw. Fluoreszenz-Minima, die mit den vier Kristallrichtungen im Diamant 810 zusammenhängen, auf Magnetfelder B_mod in Messrichtung 1101 durch Anlegen des internen Magnetfeldes B_mod bzw. eines Referenzfelds B_mod, welches über die Mikrowellenantenne 830 bzw. eine elektrische Spule induziert wird.
12 zeigt ein Diagramm 1200 zur Richtungsabhängigkeit einer Fluoreszenzmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Diagramm 1200 in 12 zeigt eine Lichtintensität 1204 eines Fluoreszenzsignals an der Ordinatenachse in Abhängigkeit von einer Mikrowellenfrequenz 1202 an der Abszissenachse für den Sachverhalt aus 11. Dabei ist in 12 eine Verschiebung einzelner ODMR-Minima durch das interne Magnetfeld B_mod für eine optisch detektierte Magnetresonanz (ODMR) veranschaulicht. Hierbei sind in dem Diagramm 1200 vier Paare von ODMR-Minima 1210, 1212, 1214 und 1216 eingezeichnet. Ein erstes Paar von ODMR-Minima 1210 bezieht sich auf eine erste Kristallrichtung des Diamanten und zeigt einen ersten Verschiebungsabstand. Ein zweites Paar von ODMR-Minima 1212 bezieht sich auf eine zweite Kristallrichtung des Diamanten und zeigt einen zweiten Verschiebungsabstand. Der zweite Verschiebungsabstand ist geringer als der erste Verschiebungsabstand. Ein drittes Paar von ODMR-Minima 1214 bezieht sich auf eine dritte Kristallrichtung des Diamanten und zeigt einen dritten Verschiebungsabstand. Der dritte Verschiebungsabstand ist geringer als der zweite Verschiebungsabstand. Ein viertes Paar von ODMR-Minima 1216 bezieht sich auf eine vierte Kristallrichtung des Diamanten und zeigt einen vierten Verschiebungsabstand. Der vierte Verschiebungsabstand ist geringer als der dritte Verschiebungsabstand. Genau gesagt beträgt der vierte Verschiebungsabstand null, wobei das vierte Paar von ODMR-Minima 1216 nicht relativ zueinander verschoben ist.
13 zeigt ein Diagramm 1300 zur Richtungsabhängigkeit einer Fluoreszenzmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Diagramm 1300 in 13 zeigt eine relative Sensitivität 1304 bezogen auf vier Kristallrichtungen in Messrichtung an der Ordinatenachse in Abhängigkeit von einer Kristallrichtung 1302 an der Abszissenachse für den Sachverhalt aus 11 bzw. 12. Hierbei ist einer ersten Kristallrichtung ein erster Balken 1310 mit einem ersten Sensitivitätswert zugeordnet. Einer zweiten Kristallrichtung ist ein zweiter Balken 1312 mit einem zweiten Sensitivitätswert zugeordnet. Der zweite Sensitivitätswert ist geringer als der erste Sensitivitätswert. Einer dritten Kristallrichtung ist ein dritter Balken 1314 mit einem dritten Sensitivitätswert zugeordnet. Der dritte Sensitivitätswert ist geringer als der zweite Sensitivitätswert. Einer vierten Kristallrichtung ist ein vierter Balken 1316 mit der Höhe bzw. einem vierten Sensitivitätswert von null zugeordnet.
14 bis 19 zeigen Diagramme zur Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung und Magnetfeldanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Fluoreszenzmessung ist hierbei unter Verwendung der in 8 dargestellten Sensorvorrichtung oder einer ähnlichen Sensorvorrichtung bzw. in Verbindung mit zumindest einem der Verfahren aus 20 und 21 durchführbar.
14 zeigt ein Diagramm 1400 eines ODMR-Spektrums für verschiedene intern erzeugte Magnetfelder B_mod in Abhängigkeit von einer Mikrowellenfrequenz gemäß einem Ausführungsbeispiel. An der Abszissenachse 1402 ist eine relative Änderung der Mikrowellenfrequenz in Megahertz (MHz) aufgetragen und an der Ordinatenachse 1404 ist ein ODMR-Signal in beliebigen Einheiten aufgetragen. Ferner sind in dem Diagramm 1400 drei Graphen 1410, 1412 und 1414 eingezeichnet. Die drei Graphen 1410, 1412 und 1414 zeigen jeweils beispielhaft lediglich ein Minimum der beiden durch Zeeman-Aufspaltung erzeugten Minima aus den 2 bis 7. Hierbei ist das ODMR-Spektrum in das Minimum verriegelt. Ein erster Graph 1410 repräsentiert ein erstes ODMR-Signal bei einem angelegten Magnetfeld B_mod = 0 bzw. ohne angelegtes Magnetfeld. Ein zweiter Graph 1412 repräsentiert ein zweites ODMR-Signal bei einem angelegten Magnetfeld B_mod = +B. Ein dritter Graph 1414 repräsentiert ein drittes ODMR-Signal bei einem angelegten Magnetfeld B_mod = –B.
15 zeigt ein Signal-Zeit-Diagramm 1500 bezogen auf das ODMR-Spektrum aus 14. Genauer gesagt ist eine zeitliche Variation eines durch eine Mikrowellenantenne oder Spule erzeugten Magnetfeldes B_mod 1510 und eines resultierenden ODMR-Ausgangssignals 1520 für konstante Mikrowellenanregung. An der Abszissenachse 1502 ist hierbei die Zeit in Sekunden (s) multipliziert mit 10^–3 aufgetragen und an der Ordinatenachse 1504 sind Signale in beliebigen Einheiten aufgetragen.
16 zeigt ein Diagramm 1600 eines Frequenzspektrums bzw. Frequenzgehaltes der Signale aus 15. Genauer gesagt zeigt das Diagramm 1600 ein Frequenzspektrum der Signale aus 15 für den Fall, dass die Mikrowellenfrequenz mit einer durch ein externes Magnetfeld bestimmten Position des ODMR-Minimums übereinstimmt. An der Abszissenachse 1602 ist eine Frequenz in Hertz (Hz) aufgetragen und an der Ordinatenachse 1604 ist eine Fourier-Transformation in beliebigen Einheiten aufgetragen. Ein erster Graph 1610 repräsentiert die Fourier-Transformation des Magnetfeldes B_mod und ein zweiter Graph 1620 repräsentiert die Fourier-Transformation des ODMR-Signals.
17 zeigt ein Diagramm 1700 eines ODMR-Spektrums für verschiedene intern erzeugte Magnetfelder B_mod in Abhängigkeit von einer Mikrowellenfrequenz gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Diagramm 1700 in 17 entspricht hierbei dem Diagramm aus 14 mit Ausnahme dessen, dass das ODMR-Spektrum bei zusätzlicher Einwirkung eines externen konstanten magnetischen Feldes gezeigt ist. Hierbei sind die drei Graphen 1410, 1412 und 1414 aufgrund des externen Magnetfeldes verschoben.
18 zeigt ein Signal-Zeit-Diagramm 1800 bezogen auf das ODMR-Spektrum aus 17. Das Signal-Zeit-Diagramm 1800 in 18 entspricht hierbei dem Signal-Zeit-Diagramm aus 15 mit Ausnahme dessen, dass ein Signalverlauf des ODMR-Ausgangssignals 1520 sich von einem in 15 dargestellten Signalverlauf unterscheidet.
19 zeigt ein Diagramm 1900 eines Frequenzspektrums bzw. Frequenzgehaltes der Signale aus 18. Das Diagramm 1900 in 19 entspricht hierbei dem Diagramm aus 16 mit Ausnahme dessen, dass der zweite Graph 1620, welcher die Fourier-Transformation des ODMR-Signals repräsentiert, einen anderen Verlauf zeigt als der zweite Graph aus 16. Anders ausgedrückt zeigt 19 ein Frequenzspektrum der Signale aus 18 für den Fall, dass die Mikrowellenfrequenz mit einer durch ein externes Magnetfeld bestimmten Position des ODMR-Minimums nicht übereinstimmt.
20 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2000 zum Kalibrieren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 2000 ist ausführbar, um eine Sensorvorrichtung zu kalibrieren. Insbesondere ist das Verfahren 2000 ausführbar, um die Sensorvorrichtung aus 8 oder eine ähnliche Sensorvorrichtung kalibrieren. Allgemein gesagt ist das Verfahren 2000 zum Kalibrieren ausführbar, um eine Sensorvorrichtung zu kalibrieren, die einen Diamanten mit zumindest einer Stickstoff-Fehlstelle, eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Diamanten mit Anregungslicht, zumindest eine Mikrowellenantenne zum Beaufschlagen des Diamanten mit Mikrowellen und eine Detektionseinrichtung zum Detektieren einer Lichtintensität eines Fluoreszenzsignals von dem Diamanten aufweist.
Bei dem Verfahren 2000 zum Kalibrieren wird in einem Schritt 2010 des Anlegens ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen an die zumindest eine Mikrowellenantenne der Sensorvorrichtung angelegt. Nachfolgend wird in einem weiteren Schritt 2020 des Anlegens ein Magnetfeldsignal zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Diamant beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne angelegt. Dann wird in einem Schritt 2030 des Bestimmens zumindest eine Mikrowellenfrequenz, bei der ein Minimum der Lichtintensität auftritt, in einem Frequenzspektrum der Mikrowellen unter Verwendung des Fluoreszenzsignals ansprechend auf das interne Magnetfeld bestimmt, um Kalibrierungsdaten zur Verwendung bei einem Erfassen einer Messgröße zu erzeugen.
Gemäß dem in 20 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 2000 zum Kalibrieren ferner einen Schritt 2040 des Ermittelns auf, bei dem zumindest eine Referenzfrequenz, bei der ein Referenzminimum der Lichtintensität auftritt, in dem Frequenzspektrum unter Verwendung des Fluoreszenzsignals ermittelt wird. Der Schritt 2040 des Ermittelns ist hierbei vor dem Schritt 2020 des Anlegens des Magnetfeldsignals ausführbar. Insbesondere wird der Schritt 2040 des Ermittelns zwischen dem Schritt 2010 des Anlegens des Mikrowellensignals und dem Schritt 2020 des Anlegens des Magnetfeldsignals ausgeführt. Hierbei wird dann im Schritt 2030 des Bestimmens mindestens ein Verschiebungswert zwischen der zumindest einen Referenzfrequenz und der zumindest einen Mikrowellenfrequenz berechnet.
Anders ausgedrückt kann durch Ausführen des Verfahrens 2000 zum Kalibrieren unter Verwendung eines internen Magnetfeldes, das z. B. über eine Mikrowellenantenne oder Spule oder auf eine andere, bekannte Weise erzeugt wird, eine Empfindlichkeit der Sensorvorrichtung auf Magnetfelder während eines Betriebs kalibriert werden. Hierzu wird ein Magnetfeld mit bekannter Stärke erzeugt und die zugehörige Verschiebung eines oder mehrerer Minima im ODMR-Spektrum gemessen. Diese Kalibrierungsdaten werden beispielsweise gespeichert und im Folgenden verwendet, um aus gemessenen Verschiebungen der ODMR-Minima die vektorielle Größe eines externen Magnetfeldes zu berechnen.
Da während der Kalibrierung mittels eines in der Sensorvorrichtung erzeugten Magnetfeldes gleichzeitig anliegende äußere Magnetfelder zu Störungen führen können, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel eine relative Messung des ODMR-Signals durchgeführt. Hierzu können in Schritt 2040 des Ermittelns und in Schritt 2030 des Bestimmens z. B. zwei Messungen unmittelbar vor und nach Einschalten bzw. Anlegen des internen Magnetfeldes durchgeführt und verglichen werden. Optional kann ein periodisch variierendes Magnetfeld erzeugt bzw. angelegt werden. Die Verschiebungen der ODMR-Spektren für ein solches variierendes Feld B_mod sind beispielhaft in 14 gezeigt (dargestellt ist jeweils nur ein Peak der beiden durch Zeeman-Aufspaltung erzeugten Minima). Während einer Ausführung des Verfahrens 2000 zum Kalibrieren kann nun lediglich die Verschiebung des ODMR-Spektrums herausgefiltert werden, die mit der bekannten Frequenz des erzeugten Magnetfeldes variiert. Somit kann der Einfluss von externen Magnetfeldern auf die Kalibrierung minimiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann auch eine richtungsabhängige Sensitivität der einzelnen Minima den Raumrichtungen der Sensorvorrichtung zugeordnet werden. NV-Zentren bzw. Stickstoff-Fehlstellen im Diamant richten sich jeweils an einer der vier Kristallrichtungen im Diamant aus und sind auch in dieser Richtung auf Magnetfelder sensitiv. Abhängig von einer Richtung des Magnetfeldes werden die mit diesen vier Ausrichtungen verbundenen vier Minima-Paare im ODMR-Spektrum verschieden stark verschoben, wie es in 12 gezeigt ist. Unter Verwendung der zumindest einen Mikrowellenantenne oder Spule, die in der gewünschten oder mehreren gewünschten Messrichtungen angeordnet ist, und der Messung der Verschiebung der verschiedenen ODMR-Minima aufgrund der erzeugten Magnetfelder, können die Sensitivitäten dieser Minima auf die Messrichtung bestimmt werden. Dieses Prinzip ist beispielhaft in den 11 bis 13 gezeigt. Die Messwerte werden gespeichert und verwendet, um aus einer gemessenen Verschiebung der Minima einen Vektor eines externen Magnetfeldes zu berechnen. Die Kalibrierung von mehreren Raumrichtungen durch mehrere Mikrowellenantennen und/oder Spulen kann z. B. nacheinander durchgeführt werden. Alternativ ist es möglich, verschiedene Mikrowellenantennen und/oder Spulen mit Strömen bzw. Magnetfeldsignalen zu belegen, die sich in Frequenzen oder Phasen unterscheiden. Somit ist die Zuordnung der relativen Verschiebung der ODMR-Spektren auf die Messrichtungen über die Identifikation unter Verwendung von Frequenz oder Phaseninformation auch simultan möglich.
21 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2100 zum Erfassen einer Messgröße gemäß einem Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist das Verfahren 2100 zum Erfassen in Verbindung mit bzw. unter Verwendung der Sensorvorrichtung aus 8 oder einer ähnlichen Sensorvorrichtung ausführbar. Allgemein gesagt ist das Verfahren 2100 zum Erfassen in Verbindung mit bzw. unter Verwendung einer Sensorvorrichtung ausführbar, die einen Diamanten mit zumindest einer Stickstoff-Fehlstelle, eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Diamanten mit Anregungslicht, zumindest eine Mikrowellenantenne zum Beaufschlagen des Diamanten mit Mikrowellen und eine Detektionseinrichtung zum Detektieren einer Lichtintensität eines Fluoreszenzsignals von dem Diamanten aufweist.
Bei dem Verfahren 2100 zum Erfassen wird in einem Schritt 2110 des Anlegens ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen an die zumindest eine Mikrowellenantenne angelegt, um ein Frequenzspektrum der Mikrowellen zu durchlaufen. Danach wird in einem Schritt 2120 des Auswertens das Fluoreszenzsignal ansprechend auf das angelegte Mikrowellensignal ausgewertet, um zumindest eine Mikrowellenfrequenz, bei der ein Minimum der Lichtintensität auftritt, in dem Frequenzspektrum zu bestimmen. Dann wird in einem Schritt 2130 des Einstellens das Mikrowellensignal eingestellt, um Mikrowellen mit einer im Schritt des Bestimmens bestimmten Mikrowellenfrequenz zu erzeugen. Nachfolgend wird in einem Schritt 2140 des Verstellens das Mikrowellensignal ansprechend auf eine durch eine Änderung der Messgröße bedingte Verschiebung des Minimums verstellt, um eine Frequenz der Mikrowellen um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren, bis eine neue Mikrowellenfrequenz gefunden ist, bei der das verschobene Minimum der Lichtintensität auftritt. Schließlich wird in einem Schritt 2150 des Berechnens die Messgröße unter Verwendung der Mikrowellenfrequenz und der neuen Mikrowellenfrequenz berechnet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 2150 des Berechnens die Messgröße unter Verwendung der Kalibrierungsdaten berechnet, die nach dem Verfahren zum Kalibrieren aus 20 oder einem ähnlichen Verfahren erzeugt sind. Anders ausgedrückt werden hierbei im Schritt 2150 des Berechnens die Kalibrierungsdaten verwendet, die nach dem Verfahren zum Kalibrieren aus 20 oder einem ähnlichen Verfahren erzeugt sind.
Optional weist das Verfahren 2100 zum Erfassen einen Schritt 2160 des Anlegens eines Magnetfeldsignals oder einen Schritt 2170 des Veränderns des Mikrowellensignals auf. Der Schritt 2160 des Anlegens eines Magnetfeldsignals bzw. der Schritt 2170 des Veränderns des Mikrowellensignals sind hierbei zwischen dem Schritt 2130 des Einstellens des Mikrowellensignals und dem Schritt 2140 des Verstellens des Mikrowellensignals ausführbar.
Im Schritt 2160 des Anlegens wird ein Magnetfeldsignal zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Diamant beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne angelegt, um ein mit einer Anregungsfrequenz periodisch variierendes internes Magnetfeld zu generieren. Dabei wird dann im Schritt 2140 des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt, bis ein mit der Anregungsfrequenz korrelierter und einem Minimum der Lichtintensität zugeordneter Frequenzanteil des Fluoreszenzsignals maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können im Schritt 2160 des Anlegens des Magnetfeldsignals das Magnetfeldsignal an die zumindest eine Mikrowellenantenne und mindestens ein weiteres Magnetfeldsignal an zumindest eine weitere Mikrowellenantenne oder an zumindest eine elektrische Spule angelegt werden. Hierbei unterscheiden sich das Magnetfeldsignal und das mindestens eine weitere Magnetfeldsignal bezüglich einer Frequenz oder einer Phase voneinander.
Im Schritt 2170 des Veränderns wird das Mikrowellensignal verändert, um eine Frequenz der Mikrowellen mit einer Anregungsfrequenz periodisch um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren. Hierbei wird dann im Schritt 2140 des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt, bis ein mit der Anregungsfrequenz korrelierter und einem Minimum der Lichtintensität zugeordneter Frequenzanteil des Fluoreszenzsignals maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden.
22 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Messprozesses 2200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Anders ausgedrückt zeigt 22 ein Beispiel für einen Ablauf einer Messung bzw. eines Messprozesses 2200, wobei ein intern generiertes Magnetfeld zur Modulation eines ODMR-Spektrums verwendet wird. Der Messprozess 2200 ist im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Erfassen aus 21 oder einem ähnlichen Verfahren ausführbar.
Bei einem Block 2201 erfolgt ein Start der Messung. Danach wird bei einem Block 2202 ein ODMR-Spektrum über alle Mikrowellenfrequenzen aufgenommen. Der Block 2202 ist hierbei vergleichbar mit dem Schritt des Anlegens des Mikrowellensignals bei dem Verfahren zum Erfassen aus 21. Dann geht der Messprozess 2200 zu einem Block 2203 über, bei dem eine Position (Mikrowellenfrequenz) der Minima im ODMR-Spektrum identifiziert wird. Der Block 2203 ist vergleichbar mit dem Schritt des Auswertens des Fluoreszenzsignals bei dem Verfahren zum Erfassen aus 21. Nachfolgend wird in einem Block 2204 die Mikrowellenfrequenz auf die Position des relevanten Minimums eingestellt. Der Block 2204 ist vergleichbar mit dem Schritt des Einstellens des Mikrowellensignals bei dem Verfahren zum Erfassen aus 21.
Danach geht der Messprozess 2200 zu einem Block 2205 über, bei dem ein internes magnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz bzw. Anregungsfrequenz f_mag erzeugt wird. Der Block 2205 ist vergleichbar mit dem Schritt des Anlegens des Magnetfeldsignals gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Erfassen aus 21.
Daraufhin gelangt der Messprozess 2200 zu einem Entscheidungsblock 2206, bei dem geprüft wird, ob ein Frequenzanteil f_mag des ODMR-Signals maximal ist. Falls dem so ist, geht der Prozess zu einem Block 2207 über, bei dem aus der Mikrowellenfrequenz die Größe des externen Magnetfeldes bestimmt wird. Der Block 2207 ist vergleichbar mit dem Schritt des Berechnens bei dem Verfahren zum Erfassen aus 21. Von dem Block 2207 springt der Messprozess 2200 in einer Schleife zurück zu dem Entscheidungsblock 2206.
Falls bei dem Entscheidungsblock 2206 festgestellt wird, dass der Frequenzanteil f_mag des ODMR-Signals nicht maximal ist, geht der Messprozess 2200 zu einem Block 2208 über, bei dem bestimmt wird, ob das Minimum in der Nähe der ursprünglichen Frequenz vermutet wird. Falls dem nicht so ist, geht der Messprozess 2200 zurück zu dem Block 2202. Falls dem so ist, geht der Messprozess 2200 zu einem Block 2209, bei dem eine systematische Variation der Mikrowellenfrequenz von vorheriger Position aus in beide Richtungen durchgeführt wird. Von dem Block 2207 gelangt der Messprozess 2200 zurück zu dem Entscheidungsblock 2206.
Unter Bezugnahme auf 21 und 22 wird nachfolgend das Verfahren 2100 zum Erfassen bzw. der Messprozess 2200 zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt.
Es wird ein Verfahren 2100 zum Erfassen bzw. ein Messprozess 2200 vorgestellt, bei dem intern erzeugte Magnetfelder zur Modulierung verwendet werden, um so auf einfache Weise eine Position und Verschiebung der einzelnen Minima im ODMR-Spektrum der Sensorvorrichtung zu bestimmen und zu verfolgen. Bei einer Änderung der Messgröße, die z. B. ein externes Magnetfeld, eine Temperatur oder eine mechanische Verspannung sein kann, verschieben sich die Mikrowellenfrequenzen, bei denen die einzelnen Minima der Fluoreszenz auftreten. Über diese Verschiebung wird bei dem Verfahren 2100 zum Erfassen bzw. bei dem Messprozess 2200 die äußere Messgröße bestimmt.
Herkömmlicherweise wird häufig, um Verschiebungen der Minima zu bestimmen, eine Intensität der Fluoreszenz gemessen, während die Mikrowellenfrequenz verändert wird. In dem so aufgenommenen Spektrum werden dann üblicherweise durch eine mathematische Operation die Minima identifiziert und mit einem zuvor aufgenommenen Spektrum verglichen, um eine relative Verschiebung der Minima zu bestimmen.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann jedoch bei dem Verfahren 2100 zum Erfassen bzw. bei dem Messprozess 2200 ein Berechnungsaufwand verringert werden und eine Bandbreite der Sensorvorrichtung vergrößert werden, da ein Bereich von regelmäßig zum Aufnehmen des Spektrums zu durchfahrenden Mikrowellenfrequenzen verkleinert werden kann. Dazu wird bei dem Verfahren 2100 zum Erfassen bzw. bei dem Messprozess 2200 zunächst ein vollständiges ODMR-Spektrum aufgenommen, um Positionen der Minima zu identifizieren, wie es in dem Schritt 2110 des Anlegens des Mikrowellensignals und dem Schritt 2120 des Auswertens des Fluoreszenzsignals bzw. in den Blöcken 2202 und 2203 gezeigt ist. Daraufhin wird die Mikrowellenquelle auf die Frequenz des zu messenden Minimums eingestellt, wie es in dem Schritt 2130 des Einstellens des Mikrowellensignals bzw. in dem Block 2204 gezeigt ist.
Nun wird im Block 2205 bzw. im Schritt 2160 des Anlegens des Magnetfeldsignals intern in der Sensorvorrichtung ein periodisch wechselndes, z. B. sinusförmig wie in 15 bzw. 18 gezeigt, magnetisches Feld B_mod in der Richtung induziert, auf die dieses Minimum sensitiv ist. Die Frequenz f_mod des Wechselfeldes wird dabei so eingestellt, dass sie höher als eine gewünschte Bandbreite der Sensorvorrichtung, aber geringer als eine Reaktionszeit der Stickstoff-Fehlstellen ist. Durch das intern erzeugte Magnetfeld variiert die Position des Minimums, wie in 14 dargestellt um die zuvor bestimmte, mittlere Mikrowellenfrequenz herum. Somit ändert sich auch die bei konstant gehaltener Mikrowellenfrequenz gemessene Intensität des Fluoreszenzsignals periodisch mit der doppelten Frequenz des eingeprägten Magnetfeldes (2f_mod), wie in 15 und 16 dargestellt. Ein externes Signal bzw. eine Messgröße, wie z. B. ein externes Magnetfeld, führt zu einer Verschiebung der mittleren Mikrowellenfrequenz, um die das ODMR-Minimum periodisch schwingt, wie es in 17 gezeigt ist. Bei gleichbleibender Mikrowellenfrequenz ändert sich aus diesem Grund das beobachtete Fluoreszenzsignal. Insbesondere reduziert sich der Anteil des Fluoreszenzsignals, der die doppelte Anregungsfrequenz aufweist, wie es in 18 und 19 gezeigt ist. Der Anteil des Fluoreszenzsignals mit der doppelten Anregungsfrequenz wird dann maximal, wenn die Mikrowellenfrequenz mit der Frequenz des ODMR-Minimums übereinstimmt, die ohne das interne Magnetfeld angenommen wird. Mittels einer Auswertung dieses Signalanteils kann folglich eine Veränderung eines externen Messwerts einfach detektiert werden und ein Auswertekonzept ähnlich eines sogenannten Lock-In-Verfahrens realisiert werden.
Wird eine solche Änderung des externen Messwerts festgestellt, wird im Block 2209 die Mikrowellenfrequenz in beide Richtungen der ursprünglichen Frequenz variiert, d. h. zu höheren und niedrigeren Frequenzen, bis der Anteil im ODRM-Signal mit der doppelten Anregungsfrequenz (2f_mod) maximal wird und die neue Mikrowellenfrequenz des verschobenen ODRM-Minimums gefunden ist. Aus dieser Position des verschobenen Minimums kann, z. B. optional unter Verwendung der Kalibrierungswerte aus dem Verfahren zum Kalibrieren aus 20, der neue Messwert der externen Messgröße bestimmt werden. Erst wenn durch eine wiederholte Variation der Mikrowellenfrequenz das Minimum nicht wieder gefunden werden kann, wird erneut ein ODMR-Spektrum aufgenommen, um die Position der Minima zu bestimmen, wie vorhergehend beschrieben.
Für eine Modulation in mehr als einer Messachse werden beispielsweise mehrere Mikrowellenantennen und/oder mehrere Spulen eingesetzt. Dabei ist es wieder denkbar, die induzierten Magnetfelder zueinander in Frequenz oder Phase so zu variieren, dass eine Zuordnung der Auswirkung der Felder zu den Messachsen über diese Variation möglich ist.
23 bis 28 zeigen Diagramme zur Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die in den 23 bis 28 dargestellten Diagramme sind den Diagrammen ähnlich, die in den 14 bis 19 gezeigt sind. Die Fluoreszenzmessung ist hierbei unter Verwendung der in 8 dargestellten Sensorvorrichtung oder einer ähnlichen Sensorvorrichtung bzw. in Verbindung mit zumindest einem der Verfahren aus 20 und 21 durchführbar.
23 zeigt ein Diagramm 2300 eines ODMR-Spektrums für eine periodisch variierte Frequenz der Mikrowellenanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel. An der Abszissenachse 2302 ist eine Änderung der Mikrowellenfrequenz Δf_MW in Megahertz (MHz) aufgetragen und an der Ordinatenachse 2304 ist ein ODMR-Signal in beliebigen Einheiten aufgetragen. Ferner ist in dem Diagramm 2300 ein Graph 2310 eingezeichnet, der beispielhaft lediglich ein Minimum der beiden durch Zeeman-Aufspaltung erzeugten Minima aus den 2 bis 7 repräsentiert. Hierbei ist das ODMR-Signal in das Minimum verriegelt. Bei dem hier dargestellten Auslesekonzept wird die Mikrowellenfrequenz bzw. Frequenz der Mikrowellenanregung periodisch variiert, hier z. B. in den durch Linien 2320 und 2330 markierten Grenzen, was zu einem Ausgangssignal mit ähnlichen Eigenschaften wie in den 14 bis 19 führt, ohne dass eine Modulation durch ein intern generiertes Magnetfeld erfolgt. Eine Verschiebung der ODMR-Minima auf Grund von externen Messgrößen kann wie vorstehend beschrieben detektiert werden.
24 zeigt ein Signal-Zeit-Diagramm 2400 bezogen auf das ODMR-Spektrum aus 23. Das Signal-Zeit-Diagramm 2400 entspricht hierbei dem Signal-Zeit-Diagramm aus 15 mit Ausnahme dessen, dass anstelle des erzeugten Magnetfeldes die periodisch variierte Mikrowellenfrequenz Δf_MW 2410 als ein Graph eingezeichnet ist. Anders ausgedrückt zeigt 24 eine Variation von Δf_MW und des ODMR-Signals.
25 zeigt ein Diagramm 2500 eines Frequenzspektrums bzw. Frequenzgehaltes des ODMR-Signals aus 24. das Diagramm 2500 entspricht hierbei dem Diagramm aus 16 mit Ausnahme dessen, dass lediglich die durch den Graph 1620 repräsentierte Fourier-Transformation des ODMR-Signals eingezeichnet ist.
26 zeigt ein Diagramm 2600 eines ODMR-Spektrums für eine periodisch variierte Frequenz der Mikrowellenanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Diagramm 2600 in 26 entspricht hierbei dem Diagramm aus 23 mit Ausnahme dessen, dass das ODMR-Spektrum bei zusätzlicher Einwirkung eines externen konstanten magnetischen Feldes gezeigt ist. Hierbei ist der Graph 2310 aufgrund des externen Magnetfeldes verschoben.
27 zeigt ein Signal-Zeit-Diagramm 2700 bezogen auf das ODMR-Spektrum aus 26. Das Signal-Zeit-Diagramm 2700 in 27 entspricht hierbei dem Signal-Zeit-Diagramm aus 24 mit Ausnahme dessen, dass ein Signalverlauf des ODMR-Ausgangssignals 1520 sich von einem in 24 dargestellten Signalverlauf unterscheidet.
28 zeigt ein Diagramm 2800 eines Frequenzspektrums bzw. Frequenzgehaltes des ODMR-Signals aus 27. Das Diagramm 2800 in 28 entspricht hierbei dem Diagramm aus 25 mit Ausnahme dessen, dass der Graph 1620, welcher die Fourier-Transformation des ODMR-Signals repräsentiert, einen anderen Verlauf zeigt als der Graph aus 25.
23 bis 28 zeigen somit ein Auswertekonzept, bei dem im Gegensatz zu einer Modulation des Fluoreszenzsignals durch ein intern generiertes Magnetfeld die Mikrowellenfrequenz (um die zuvor bestimmte Frequenz eines Minimums im ODMR-Spektrum) periodisch variiert wird. Dies führt zu einem ähnlichen Ausgangssignal wie durch ein alternierendes Magnetfeld, ohne dass ein solches angelegt ist. Änderungen einer externen Messgröße können wie vorstehend beschrieben detektiert werden. Somit kann in mehreren Raumrichtungen gemessen werden, ohne dass zusätzlicher Aufwand durch weitere Spulen notwendig ist.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3742878 A1 [0003]

Claims

Sensorvorrichtung (800), die folgende Merkmale aufweist: einen Kristallkörper (810) mit zumindest einer Fehlstelle (105); eine Lichtquelle (820) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (810) mit Anregungslicht (210); zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) zum Beaufschlagen des Kristallkörpers (810) mit Mikrowellen (430); eine Detektionseinrichtung (840, 850, 855) zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals (220) von dem Kristallkörper (810); und eine Anlegeeinrichtung (860, 870, 880), die ausgebildet ist, um ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen (430) und ein Magnetfeldsignal (I_mod) zum Generieren eines internen Magnetfelds (B_mod), mit dem der Kristallkörper (810) beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) anzulegen.
Sensorvorrichtung (800) gemäß Anspruch 1, mit einem Steuergerät (890) gemäß einem der nachfolgenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (890) signalübertragungsfähig mit der Lichtquelle (820), mit der Detektionseinrichtung (840, 850, 855) und mit der Anlegeeinrichtung (860, 870, 880) verbindbar oder verbunden ist.
Sensorvorrichtung (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit zumindest einer elektrischen Spule (1030) zum Bewirken mindestens eines weiteren internen Magnetfelds, wobei das mindestens eine weitere interne Magnetfeld eine weitere Feldrichtung aufweist, die sich von einer Feldrichtung des internen Magnetfelds (B_mod) unterscheidet.
Sensorvorrichtung (800) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Anlegeeinrichtung (860) eine Mikrowellenquelle (870), eine Stromquelle (880) und/oder einen elektrischen Filter zum Minimieren einer gegenseitigen Beeinflussung der Mikrowellenquelle (870) und der Stromquelle (880) aufweist, wobei die Stromquelle (880) ausgebildet ist, um als Magnetfeldsignal (I_mod) einen Gleichstrom oder einen Wechselstrom in die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) einzuprägen.
Verfahren (2000) zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung (800), wobei die Sensorvorrichtung (800) einen Kristallkörper (810) mit zumindest einer Fehlstelle (105), eine Lichtquelle (820) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (810) mit Anregungslicht (210), zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) zum Beaufschlagen des Kristallkörpers (810) mit Mikrowellen (430) und eine Detektionseinrichtung (840, 850, 855) zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals (220) von dem Kristallkörper (810) aufweist, wobei das Verfahren (2000) zumindest folgende Schritte aufweist: Anlegen (2010) eines Mikrowellensignals zum Erzeugen der Mikrowellen (430) an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030); Anlegen (2020) eines Magnetfeldsignals (I_mod) zum Generieren eines internen Magnetfelds (B_mod), mit dem der Kristallkörper (810) beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030); und Bestimmen (2030) zumindest einer Mikrowellenfrequenz, bei der eine vordefinierte Signaleigenschaft auftritt, in einem Frequenzspektrum der Mikrowellen (430) unter Verwendung des Fluoreszenzsignals (220) ansprechend auf das interne Magnetfeld (B_mod), um Kalibrierungsdaten zur Verwendung bei einem Erfassen einer Messgröße zu erzeugen.
Verfahren (2000) gemäß Anspruch 5, mit einem Schritt (2040) des Ermittelns zumindest einer Referenzfrequenz, bei der eine Referenzsignaleigenschaft auftritt, in dem Frequenzspektrum unter Verwendung des Fluoreszenzsignals (220), wobei der Schritt (2040) des Ermittelns vor dem Schritt (2020) des Anlegens des Magnetfeldsignals (I_mod) ausgeführt wird, wobei im Schritt (2030) des Bestimmens mindestens ein Verschiebungswert zwischen der zumindest einen Referenzfrequenz und der zumindest einen Mikrowellenfrequenz unter Einfluss des internen Magnetfeldes (B_mod) berechnet wird.
Verfahren (2000) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6, bei dem im Schritt (2020) des Anlegens des Magnetfeldsignals (I_mod) ein Magnetfeldsignal (I_mod) angelegt wird, das geeignet ist, um ein periodisch variierendes internes Magnetfeld (B_mod) zu generieren.
Verfahren (2100) zum Erfassen einer Messgröße, wobei das Verfahren (2100) in Verbindung mit einer Sensorvorrichtung (800) ausführbar ist, die einen Kristallkörper (810) mit zumindest einer Fehlstelle (105), eine Lichtquelle (820) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (810) mit Anregungslicht (210), zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) zum Beaufschlagen des Kristallkörpers (810) mit Mikrowellen (430) und eine Detektionseinrichtung (840, 850, 855) zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals (220) von dem Diamanten (810) aufweist, wobei das Verfahren (2100) zumindest folgende Schritte aufweist: Anlegen (2110) eines Mikrowellensignals zum Erzeugen der Mikrowellen (430) an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030), um ein Frequenzspektrum der Mikrowellen (430) zu durchlaufen; Auswerten (2120) des Fluoreszenzsignals (220) ansprechend auf das angelegte Mikrowellensignal, um zumindest eine Mikrowellenfrequenz, bei der eine vordefinierte Signaleigenschaft auftritt, in dem Frequenzspektrum zu bestimmen; Einstellen (2130) des Mikrowellensignals, um Mikrowellen (430) mit einer im Schritt (2120) des Bestimmens bestimmten Mikrowellenfrequenz zu erzeugen; Verstellen (2140) des Mikrowellensignals ansprechend auf eine durch eine Änderung der Messgröße bedingte Verschiebung der vordefinierten Signaleigenschaft, um eine Frequenz der Mikrowellen (430) um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren, bis eine neue Mikrowellenfrequenz gefunden ist, bei der die verschobene vordefinierte Signaleigenschaft auftritt; und Berechnen (2150) der Messgröße unter Verwendung der Mikrowellenfrequenz und der neuen Mikrowellenfrequenz.
Verfahren (2100) gemäß Anspruch 8, bei dem im Schritt (2150) des Berechnens die Messgröße unter Verwendung der Kalibrierungsdaten berechnet wird, die nach dem Verfahren (2000) zum Kalibrieren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7 erzeugt sind.
Verfahren (2100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, mit einem Schritt (2160) des Anlegens eines Magnetfeldsignals (I_mod) zum Generieren eines internen Magnetfelds (B_mod), mit dem der Kristallkörper (810) beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030), um ein mit einer Anregungsfrequenz periodisch variierendes internes Magnetfeld (B_mod) zu generieren, wobei im Schritt (2140) des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt wird, bis ein mit der Anregungsfrequenz korrelierter und einer vordefinierten Signaleigenschaft zugeordneter Frequenzanteil des Fluoreszenzsignals (220) maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden.
Verfahren (2100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7 und 10, bei dem im Schritt (2160) des Anlegens des Magnetfeldsignals (I_mod) das Magnetfeldsignal (I_mod) an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830) und mindestens ein weiteres Magnetfeldsignal an zumindest eine weitere Mikrowellenantenne (1030) oder an zumindest eine elektrische Spule (1030) angelegt wird, wobei das Magnetfeldsignal (I_mod) und das mindestens eine weitere Magnetfeldsignal sich bezüglich einer Frequenz oder einer Phase voneinander unterscheiden.
Verfahren (2100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, mit einem Schritt (2170) des Veränderns des Mikrowellensignals, um eine Frequenz der Mikrowellen (430) mit einer Anregungsfrequenz periodisch um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren, wobei im Schritt (2140) des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt wird, bis ein mit der Anregungsfrequenz korrelierter und einer vordefinierten Signaleigenschaft zugeordneter Frequenzanteil des Fluoreszenzsignals (220) maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden.
Steuergerät (890), das eingerichtet ist, um Schritte eines Verfahrens (2000; 2100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (2000; 2100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.