DE102016210259A1 - Sensor device, method for calibrating a sensor device and method for detecting a measured variable - Google Patents
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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.The invention relates to a sensor device (800). The sensor device (800) has a crystal body (810) with at least one defect. Also, the sensor device (800) has a light source (820) for irradiating the crystal body (810) with excitation light (210). The sensor device (800) further comprises at least one microwave antenna (830) for applying microwaves to the crystal body (810). In addition, the sensor device (800) has a detection device (840, 850, 855) for detecting at least one signal property of a fluorescence signal (220) from the crystal body (810). The sensor device (800) also has an application device (860, 870, 880) which is designed to generate a microwave signal for generating the microwaves and a magnetic field signal for generating an internal magnetic field which can be applied to the crystal body (810) at least one microwave antenna (830) to create.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.
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.For example, nitrogen defects in a diamond lattice, also referred to as NV centers (NV = Nitrogen Vacancy), can be applied in the field of sensor technology. By exciting the NV centers with light and microwave radiation, a fluorescence of the same can be observed.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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.Against this background, with the approach presented here, a sensor device, methods, furthermore a control device which uses at least one of the methods, and finally a corresponding computer program according to the main claims are presented. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.
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.According to embodiments, in particular a sensor device and a calibration and evaluation method for a sensor device based on defects or lattice defects in a crystal can be provided. In this case, for example, a function of at least one electric coil for generating a magnetic constant or alternating field can be integrated into a sensor device by additionally applying an induction current to a microwave antenna. In other words, a microwave antenna can be used in particular in two ways, on the one hand for microwaves and on the other hand for an internal magnetic field. Thus, the sensor device can be calibrated in an efficient manner, in particular during use or operation, and can be easily and accurately concluded from a fluorescence signal to a measured value.
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.Advantageously, a microwave dependency of a fluorescence detectable in this case can be sensitive to external influences such as magnetic fields, temperature changes or mechanical stresses as measured variables. Thus, by measuring this fluorescence, it is possible to provide sensitive and robust sensors for magnetic field, current, temperature, mechanical stresses, pressure and other measurands. Due to a high sensitivity of defects in crystal lattices, for example, already weak magnetic fields can be sufficient and thus only small electrical currents may be necessary, which can lead to an energy-efficient method or sensor. In the case of a sensor based on defects in a crystal body, an improvement of the calibration and evaluation method can thus be achieved in particular.
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.A sensor device is presented which has the following features:
a crystal body having at least one defect;
a light source for irradiating the crystal body with excitation light;
at least one microwave antenna for exposing the crystal body to microwaves;
a detection device for detecting at least one signal characteristic of a fluorescence signal from the crystal body; and
a applying device, which is designed to apply a microwave signal for generating the microwaves and a magnetic field signal for generating an internal magnetic field, with which the crystal body can be acted upon, to the at least one microwave antenna.
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.The sensor device can be designed to detect a measured variable. The measured variable may be, for example, an external magnetic field, an electrical current, a temperature, a mechanical stress, a pressure and additionally or alternatively another measured variable. The sensor device can be used, for example, as a battery current sensor and additionally or alternatively as a combustion chamber pressure sensor, as a combined pressure sensor and geomagnetic field sensor, as a power line detector or the like. The application device can be connectable or connectable to the at least one microwave antenna in signal transmission capability. The crystal body may be, for example, diamond, silicon carbide (SiC) or hexagonal boron nitride (h-BN). For example, a defect may be a nitrogen defect in a diamond, a silicon defect in silicon carbide, or a vacancy color center in hexagonal boron nitride. In other words, a defect may be a lattice defect in a lattice structure of the crystal body. The detection device can be designed to optically and / or electrically detect the at least one signal property of the fluorescence signal from the crystal body. The at least one signal property of the fluorescence signal from the crystal body may be a light intensity. Thus, the detection device can be designed to provide the at least one signal property by means of an optical evaluation via an intensity of the fluorescence signal or by means of a electrical evaluation via a so-called Photocurrent Detection Of Magnetic Resonance (PDMR) to detect.
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.According to one embodiment, the sensor device may have an embodiment of a control device mentioned below. In this case, the control unit can be connected to or connected to the light source, with the at least one microwave antenna, with the detection device and with the application device. Such an embodiment offers the advantage that by means of the control unit a precise, quick and simple calibration as well as measured variable detection of the sensor device can be carried out.
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.The sensor device can also have at least one electrical coil for effecting at least one further internal magnetic field. In this case, the at least one further internal magnetic field can have a further field direction, which differs from a field direction of the internal magnetic field. Such an embodiment offers the advantage that due to an alignment of defects along the crystal directions in the crystal body, for example, a direction of an external magnetic field can also be determined by a shift of fluorescence minima belonging to these directions.
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.In particular, the applying means may comprise a microwave source, a power source, and additionally or alternatively an electrical filter for minimizing interference between the microwave source and the power source. The current source can be designed to impress a direct current or an alternating current as a magnetic field signal into the at least one microwave antenna. Such an embodiment offers the advantage that the diamond can be acted upon by the at least one microwave antenna in a simple, reliable, efficient and accurate manner both with microwaves and with the internal magnetic field.
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.A method for calibrating a sensor device is also presented, wherein the sensor device comprises a crystal body with at least one defect, a light source for irradiating the crystal body with excitation light, at least one microwave antenna for exposing the crystal body to microwaves, and a detection device for detecting at least one signal property of a fluorescence signal the crystal body, wherein the method comprises at least the following steps:
Applying a microwave signal to generate the microwaves to the at least one microwave antenna;
Applying a magnetic field signal for generating an internal magnetic field, with which the crystal body can be acted upon, to the at least one microwave antenna; and
Determining at least one microwave frequency at which a predetermined signal characteristic occurs in a frequency spectrum of the microwaves using the fluorescence signal in response to the internal magnetic field to generate calibration data for use in detecting a measurand.
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.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit. The method can be advantageously carried out using or in conjunction with an embodiment of the aforementioned sensor device to calibrate the sensor device. Thus, by carrying out the method by means of the induced magnetic field, it is possible to carry out, for example, regular, calibration with regard to sensitivity as well as directional dependence of the sensor device during operation. In the step of determining, a microwave frequency may be selected at which a variation of the fluorescence signal is observable depending on the internal magnetic field. The predetermined signal property may represent a minimum of the light intensity.
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.According to an embodiment, the method may comprise a step of determining at least one reference frequency at which a reference signal property occurs in the frequency spectrum using the fluorescence signal. Here, the step of determining may be performed before the step of applying the magnetic field signal. In this case, in the step of determining at least one shift value between the at least one reference frequency and the at least one microwave frequency can be calculated under the influence of the internal magnetic field. Such an embodiment offers the advantage that interference by, for example, an external magnetic field can be taken into account in order to allow accurate calibration.
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.Further, in the step of applying the magnetic field signal, a magnetic field signal suitable for generating a periodically varying internal magnetic field may be applied. Such an embodiment offers the advantage that a calibration of the fluorescence signal which varies with the known frequency of the periodically varying magnetic field is filtered out in a simple manner during the calibration. Thus, interference from external magnetic fields on the calibration can be minimized.
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. Furthermore, a method for detecting a measured variable is presented, wherein the method is executable in connection with a sensor device comprising a crystal body with at least one defect, a light source for irradiating the crystal body with excitation light, at least one microwave antenna for exposing the crystal body to microwaves and a Detection device for detecting at least one signal property of a fluorescence signal from the crystal body, wherein the method has at least the following steps:
Applying a microwave signal to generate the microwaves to the at least one microwave antenna to traverse a frequency spectrum of the microwaves;
Evaluating the fluorescence signal in response to the applied microwave signal to determine at least one microwave frequency at which a predetermined signal characteristic occurs in the frequency spectrum;
Adjusting the microwave signal to generate microwaves having a microwave frequency determined in the step of determining;
Adjusting the microwave signal in response to a shift in the predetermined signal characteristic caused by a change in the measured quantity to vary a frequency of the microwaves around the determined microwave frequency until a new microwave frequency is found at which the shifted predetermined signal characteristic occurs; and
Calculate the measurand using the microwave frequency and the new microwave frequency.
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.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit. The method can be advantageously carried out using or in conjunction with an embodiment of the aforementioned sensor device to detect at least one measured variable. A pursuit of a shift of the at least one minimum, for example of ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance) minima (ODMR), can be simplified and accelerated by carrying out the method since not every complete change of the microwave spectrum of the measured variable is necessary is.
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.According to one embodiment, in the step of calculating, the measured quantity may be calculated using the calibration data generated according to an embodiment of the aforementioned method for calibration. Such an embodiment offers the advantage that a precise and reliable determination of the measured variable can be realized even under changing environmental conditions.
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.The method may also include a step of applying a magnetic field signal for generating an internal magnetic field, which can be acted on by the crystal body, to the at least one microwave antenna in order to generate an internal magnetic field which periodically varies with an excitation frequency. In this case, in the step of adjusting the microwave signal can be adjusted until a correlated with the excitation frequency and a predetermined signal characteristic associated frequency component of the fluorescence signal is maximum to find the new microwave frequency. Such an embodiment offers the advantage that a derivation of the measured value from the fluorescence spectrum can be simplified. In particular, the fluorescence signal can be advantageously modulated using an induced alternating magnetic field. By way of the alternating magnetic field in one direction, spatial directions to which the at least one predetermined signal property responds can be easily and reliably identified and adjusted via an alternating shift of the microwave frequency at which the at least one predetermined signal characteristic can be detected.
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.In this case, and additionally or alternatively in the method for calibrating, the magnetic field signal can be applied to the at least one microwave antenna and at least one further magnetic field signal to at least one further microwave antenna or to at least one electrical coil in the step of applying the magnetic field signal. In this case, the magnetic field signal and the at least one further magnetic field signal may differ from one another with respect to a frequency or a phase. Such an embodiment offers the advantage that via an alternating magnetic field with different frequencies or different phases in different spatial directions via an alternating shift of the microwave frequency at which the at least one predetermined signal property of the fluorescence can be detected, also spatial directions to which the at least one predetermined Signal property reacts easily and reliably identified and compared.
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.Further, the method may include a step of varying the microwave signal to periodically vary a frequency of the microwaves at an excitation frequency about the particular microwave frequency. In this case, in the step of adjusting the microwave signal can be adjusted until a correlated with the excitation frequency and a predetermined signal characteristic associated frequency component of the fluorescence signal is maximum to find the new microwave frequency. Such an embodiment offers the advantage that no internal magnetic field is required, wherein it is also possible to measure in several spatial directions without the need for further coils.
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. The approach presented here also creates a control unit which is designed to execute, to control or to implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices.
Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
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.For this purpose, the control unit can have at least one arithmetic unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and / or or at least a communication interface for reading or outputting data embedded in a communication protocol. The arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit may be a flash memory, an EPROM or a magnetic memory unit. The communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output to a corresponding data transmission line.
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 the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based embodiment, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
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.In an advantageous embodiment, the controller performs a control of a sensor device, more precisely the light source, the detection device and the application device of an embodiment of the aforementioned sensor device. For this purpose, the control unit can, for example, access the fluorescence signal from the detection device. The control unit can be designed to control the light source and the application device.
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.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.
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.Devices and methods according to embodiments may be configured to use an optically detected magnetic resonance (ODMR) method (ODMR). In particular, a behavior of such defects in a crystal body can be exploited to show fluorescence at a wavelength in the normal state under optical excitation. If, in addition to the optical excitation, microwave radiation is still irradiated, the fluorescence at a certain frequency will break, since in this case the electrons will be lifted to a higher energy level and recombine from there in a nonradiative manner. In an applied magnetic field, there is a splitting of the energy level, the so-called Zeeman splitting, and it shows in the application of fluorescence on the frequency of the microwave excitation with respect to a single defect in particular two minima in the fluorescence spectrum whose frequency spacing is proportional to the magnetic field strength.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the approach presented here are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:
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.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, wherein a repeated description of these elements is omitted. Furthermore, exemplary embodiments are described below by way of example only with reference to nitrogen defects in a diamond lattice or diamond.
Unter Bezugnahme auf die
Der Diamant
Die Anlegeeinrichtung
Das Steuergerät
Anders ausgedrückt zeigt
Unter Bezugnahme auf
Bei dem Verfahren
Gemäß dem in
Anders ausgedrückt kann durch Ausführen des Verfahrens
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
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
Bei dem Verfahren
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt
Optional weist das Verfahren
Im Schritt
Im Schritt
Bei einem Block
Danach geht der Messprozess
Daraufhin gelangt der Messprozess
Falls bei dem Entscheidungsblock
Unter Bezugnahme auf
Es wird ein Verfahren
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.Conventionally, in order to determine shifts in the minima, an intensity of fluorescence is often measured while the microwave frequency is changed. In the spectrum thus acquired, the minima are then usually identified by a mathematical operation and compared with a previously recorded spectrum in order to determine a relative shift of the minima.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann jedoch bei dem Verfahren
Nun wird im Block
Wird eine solche Änderung des externen Messwerts festgestellt, wird im Block
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.For example, a plurality of microwave antennas and / or a plurality of coils are used for a modulation in more than one measuring axis. It is again conceivable to vary the induced magnetic fields relative to one another in frequency or phase such that it is possible to associate the effect of the fields with the measurement axes via this variation.
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.If an exemplary embodiment includes a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to an embodiment, both the first feature and the second feature and according to another Embodiment has either only the first feature or only the second feature.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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