DE102016210259B4 - Sensor device, method for calibrating a sensor device and method for detecting a measured variable - Google Patents

Sensor device, method for calibrating a sensor device and method for detecting a measured variable Download PDF

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DE102016210259B4 DE102016210259.1A DE102016210259A DE102016210259B4 DE 102016210259 B4 DE102016210259 B4 DE 102016210259B4 DE 102016210259 A DE102016210259 A DE 102016210259A DE 102016210259 B4 DE102016210259 B4 DE 102016210259B4
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Abstract

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); undeine Anlegeeinrichtung (860, 870, 880), die ausgebildet ist, um ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen (430), um einen Einbruch des Fluoreszenzsignals (220) zu bewirken, und ein Magnetfeldsignal (Imod) zum Generieren eines internen Magnetfelds (Bmod), mit dem der Kristallkörper (810) beaufschlagbar ist, um einen Zeeman-Effekt zu bewirken, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) anzulegen, wobei 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 (Imod) einen Gleichstrom oder einen Wechselstrom in die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) einzuprägen.Sensor device (800) having the following features: a crystal body (810) with at least one defect (105); a light source (820) for irradiating the crystal body (810) with excitation light (210); at least one microwave antenna (830; 1030) for Applying microwaves (430) to the crystal body (810); a detection device (840, 850, 855) for detecting at least one signal property of a fluorescence signal (220) from the crystal body (810); andan application device (860, 870, 880) which is designed to generate a microwave signal for generating the microwaves (430) in order to cause the fluorescence signal (220) to break in, and a magnetic field signal (Imod) for generating an internal magnetic field (Bmod) , with which the crystal body (810) can be acted upon in order to bring about a Zeeman effect, to apply to the at least one microwave antenna (830; 1030), the application device (860) having a microwave source (870), a power source (880) and / or an electrical filter for minimizing mutual influencing of the microwave source (870) and the current source (880), the current source (880) being designed to supply a direct current or an alternating current as a magnetic field signal (Imod) into the at least one microwave antenna (830; 1030).

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 present invention also relates to 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 vacancies in a diamond lattice, also referred to as NV centers (NV = Nitrogen Vacancy), can be used in the field of sensor technology. By exciting the NV centers with light and microwave radiation, fluorescence of the same can be observed.

Die DE 37 42 878 A1 beschreibt einen optischen Magnetfeldsensor, in dem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird.the DE 37 42 878 A1 describes an optical magnetic field sensor in which a crystal is used as a magnetically sensitive optical component.

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, method, 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 make advantageous developments and improvements of the device specified in the independent claim 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. Here, for example, a function of at least one electrical 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 two ways, on the one hand for microwaves and on the other hand for an internal magnetic field. The sensor device can thus be calibrated in an efficient manner, in particular during use or operation, and a measurement value can be inferred simply and precisely from a fluorescence signal.

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.A microwave dependency of a fluorescence that can be detected here can advantageously react sensitively 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 measured variables. Due to the high sensitivity of imperfections in crystal lattices, for example, already weak magnetic fields can be sufficient and thus only small electrical currents are necessary, which can lead to an energy-efficient method or sensor. In the case of a sensor that is based on imperfections in a crystal body, an improvement in the calibration and evaluation method can 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 with at least one defect;
  • a light source for irradiating the crystal body with excitation light;
  • at least one microwave antenna for applying microwaves to the crystal body;
  • detection means for detecting at least one signal property of a fluorescence signal from the crystal body; and
  • an application 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 applied 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 can be, for example, an external magnetic field, an electric current, a temperature, a mechanical tension, 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 connected or connected to the at least one microwave antenna in a manner capable of signal transmission. The crystal body can be, for example, diamond, silicon carbide (SiC) or hexagonal boron nitride (h-BN). A flaw can be, for example, a nitrogen flaw in a diamond, a silicon flaw in silicon carbide or a flaw color center in hexagonal boron nitride. In other words, a flaw can be a lattice flaw or flaw in a lattice structure of the crystal body. The detection device can be designed to detect the at least one signal property of the fluorescence signal from the crystal body optically and / or electrically. The at least one signal property of the fluorescence signal from the crystal body can be a light intensity. The detection device can thus be designed to detect the at least one signal property by means of an optical evaluation using an intensity of the fluorescence signal or by means of an electrical evaluation using a so-called photocurrent detection of magnetic resonance (PDMR).

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 can have an embodiment of a control device mentioned below. Here, the control device can be able to transmit signals to the light source, to the at least one microwave antenna, to the detection device and to the application device. Such an embodiment offers the advantage that a precise, quick and simple calibration and measurement variable acquisition of the sensor device can be carried out by means of the control device.

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 producing at least one further internal magnetic field. Here, the at least one further internal magnetic field can have a further field direction that 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, a direction of an external magnetic field can also be determined, for example, by shifting 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 application device can have a microwave source, a power source and, additionally or alternatively, an electrical filter for minimizing mutual influencing of the microwave source and the power source. The current source can be designed to impress a direct current or an alternating current into the at least one microwave antenna as a magnetic field signal. Such an embodiment offers the advantage that both microwaves and the internal magnetic field can be applied to the diamond via the at least one microwave antenna in a simple, reliable, efficient and precise manner.

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, the sensor device having 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 applying microwaves to the crystal body and a detection device for detecting at least one signal property of a fluorescence signal from comprising the crystal body, the method comprising at least the following steps:
  • Applying a microwave signal for generating 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 property 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 measurement quantity.

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 device. The method can advantageously be carried out using or in connection with an embodiment of the aforementioned sensor device in order to calibrate the sensor device. Thus, by executing the method by means of the induced magnetic field, a, for example regular, calibration with regard to a sensitivity and also a directional dependency of the sensor device can be carried out during operation. In the determination step, a microwave frequency can be selected at which a variation in the fluorescence signal can be observed as a function of the internal magnetic field. The predetermined signal property can 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 one embodiment, the method can have 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 can be carried out before the step of applying the magnetic field signal. In the determination step, 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 from, for example, an external magnetic field can be taken into account in order to enable precise 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.Furthermore, in the step of applying the magnetic field signal, a magnetic field signal can be applied which is suitable for generating a periodically varying internal magnetic field. Such an embodiment offers the advantage that, during the calibration, a change in the fluorescence signal is filtered out in a simple manner varies with the known frequency of the periodically varying magnetic field. In this way, 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.
A method for detecting a measured variable is also presented, the method being executable in connection with a sensor device which has 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 applying microwaves to the crystal body and a Has detection device for detecting at least one signal property of a fluorescence signal from the crystal body, the method having at least the following steps:
  • Applying a microwave signal for generating the microwaves to the at least one microwave antenna in order to sweep through a frequency spectrum of the microwaves;
  • Evaluating the fluorescence signal in response to the applied microwave signal in order to determine at least one microwave frequency at which a predetermined signal property 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 property caused by a change in the measured variable in order to vary a frequency of the microwaves around the specific microwave frequency until a new microwave frequency is found at which the shifted predetermined signal property occurs; and
  • Calculate the measured variable 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 device. The method can advantageously be carried out using or in connection with an embodiment of the aforementioned sensor device in order to acquire at least one measured variable. Tracking a shift of the at least one minimum, for example ODMR minima (ODMR = Optically Detected Magnetic Resonance; optically detected magnetic resonance), can be simplified and accelerated by executing the method, since a complete scanning of the microwave spectrum of the measured variable is not necessary for every change 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 variable can be calculated using the calibration data that are generated according to one embodiment of the above-mentioned 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 can also have a step of applying a magnetic field signal to generate an internal magnetic field, which can be applied to the crystal body, to the at least one microwave antenna in order to generate an internal magnetic field that varies periodically with an excitation frequency. In this case, the microwave signal can be adjusted in the adjustment step until a frequency component of the fluorescence signal that is correlated with the excitation frequency and assigned to a predetermined signal property is maximum in order 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. Via the alternating magnetic field in one direction, spatial directions to which the at least one predetermined signal property reacts can also be easily and reliably identified and compared via an alternating shift in the microwave frequency at which the at least one predetermined signal property 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 calibration method, 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. The magnetic field signal and the at least one further magnetic field signal can differ from one another with regard 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 in the microwave frequency at which the at least one predetermined signal property of the fluorescence can be detected, also spatial directions in which the at least one predetermined Signal property reacts, can be identified and compared easily and reliably.

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.Furthermore, the method can have a step of changing the microwave signal to a frequency of the microwaves with a To vary the excitation frequency periodically around the specific microwave frequency. In this case, the microwave signal can be adjusted in the adjustment step until a frequency component of the fluorescence signal that is correlated with the excitation frequency and assigned to a predetermined signal property is maximum in order to find the new microwave frequency. Such an embodiment offers the advantage that no internal magnetic field is required, and measurements can also be made in several spatial directions without the need for additional 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 device which is designed to carry out, control or 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.The object on which the invention is based can also be achieved quickly and efficiently by means of this embodiment variant of the invention in the form of a control device.

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 device can have at least one processing unit for processing signals or data, at least one storage unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and / or have at least one communication interface for reading in or outputting data that is embedded in a communication protocol. The computing unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the storage unit can be a flash memory, an EPROM or a magnetic storage unit. The communication interface can be designed to read in or output data wirelessly and / or wired, a communication interface that can read in or output wired data, for example, can read this data electrically or optically from a corresponding data transmission line or output it into 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 to mean an electrical device that processes sensor signals and outputs control and / or data signals as a function thereof. The control device can have an interface which can be designed in terms of hardware and / or software. In the case of a hardware design, the interfaces can, for example, be part of a so-called system ASIC, which contains a wide variety of functions of the control device. However, it is also possible that the interfaces are separate, integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In the case of a software-based design, the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside 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 control device controls 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 device can, for example, access the fluorescence signal from the detection device. The control device 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.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 or an optical memory, and for performing, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is also advantageous is used, especially when the program product or program is executed on a computer or 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 can be designed to use or apply an ODMR method (ODMR = Optically Detected Magnetic Resonance; optically detected magnetic resonance). In particular, a behavior of such defects in a crystal body can be used to show fluorescence at one wavelength in the normal state with optical excitation. If, in addition to the optical excitation, microwave radiation is radiated in, the fluorescence collapses at a certain frequency, since the electrons are raised to a higher energy level in this case and recombine from there in a nonradiative manner. When a magnetic field is applied, the energy level is split, known as Zeeman splitting, and when the fluorescence is plotted against the frequency of the microwave excitation, based on a single defect, there are in particular two minima in the fluorescence spectrum, the frequency of which 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:

  • 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.
Embodiments of the approach presented here are shown in the drawings and explained in more detail in the description below. It shows:
  • 1 a schematic representation of a nitrogen vacancy in a diamond lattice;
  • 2 until 7th Energy schemes and diagrams for fluorescence properties according to exemplary embodiments;
  • 8th a schematic representation of a sensor device according to an embodiment;
  • 9 and 10 schematic representations of an induction of magnetic fields around a diamond according to exemplary embodiments;
  • 11th until 13th schematic representations and diagrams for the directional dependency of a fluorescence measurement according to an exemplary embodiment;
  • 14th until 19th Diagrams for fluorescence measurement with additional microwave excitation and magnetic field excitation according to an embodiment;
  • 20th a flowchart of a method for calibration according to an embodiment;
  • 21 a flowchart of a method for detection according to an embodiment;
  • 22nd a flowchart of a measurement process according to an embodiment; and
  • 23 until 28 Diagrams for fluorescence measurement with additional microwave excitation according to an embodiment.

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 advantageous exemplary embodiments of the present invention, identical or similar reference symbols are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, a repeated description of these elements being dispensed with. Furthermore, exemplary embodiments are described below merely by way of example on the basis of nitrogen defects in a diamond lattice or diamond.

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. 1 shows a schematic representation of a nitrogen vacancy 105 in a diamond lattice 100 or diamond 100 . The nitrogen void 105 can also be used as a nitrogen vacancy center 105 or NV center 105 are designated. A carbon atom is replaced by a nitrogen atom 110 replaced, with a directly adjacent carbon atom in the diamond lattice 100 missing and thus the nitrogen deficiency 105 results.

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 mS=0 und mS=±1 für die Zustände3A und 3E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind. 2 until 7th show energy schemes and diagrams for fluorescence properties according to exemplary embodiments. Here shows 2 a power scheme 200 without microwave excitation and without magnetic field excitation, with excitation light hv 210, a fluorescence signal 220 and three states 3 A, 3 E and 1 A as well as respective energy levels m S = 0 and m S = ± 1 for the states 3 A and 3 E with respect to electrons are shown.

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. 3 shows a diagram 300 to the power scheme 2 . In the diagram 300 is on the abscissa axis 302 a microwave frequency is plotted in megahertz or MHz and is on the ordinate axis 304 a fluorescence is plotted in arbitrary units, with a on the ordinate axis 304 parallel arrow 306 a rising magnetic field B symbolizes. Furthermore, in 3 exemplary four characteristic curves or graphs 310 , 312 , 314 and 316 which represent a fluorescence curve for magnetic fields of different strength. A first graph 310 represents a magnetic field with the strength 0 , B = 0; a second graph 312 represents, for example, a magnetic field with a strength of 2.8 mT; a third graph 314 represents, for example, a magnetic field with the strength of 5.8 mT; a fourth graph 360 represents, for example, a magnetic field with a strength of 8.3 mT. Fluorescence minima are only exemplary for the second graph 312 denoted by ω 1 and ω 2. A mark 320 on the first graph 310 represents the facts from the energy scheme of 2, d . H. without magnetic field (B = 0) and without microwave excitation or a microwave frequency f ≠ 2.9 GHz.

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 ms=0 und mS=±1 für die Zustände3A und 3E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind. 4th shows a power scheme 400 with microwave excitation and without magnetic field excitation, with excitation light hv 210, microwave radiation 430 and three states 3 A, 3 E and 1 A as well as respective energy levels ms = 0 and m S = ± 1 for the states 3 A and 3 E with regard to electrons are shown.

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. 5 shows a diagram 500 to the power scheme 4th . The diagram 500 in 5 corresponds to the diagram 3 except that a mark 520 on the first graph 310 the facts from the energy scheme of 4th represented, ie without a magnetic field (B = 0) and with microwave excitation or a microwave frequency f = 2.9 GHz. The mark 520 is here in a region of a minimum or fluorescence minimum of the first graph 310 arranged.

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 ms=0 und mS=±1 für die Zustände3A 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. 6th shows a power scheme 600 with microwave excitation and with magnetic field excitation, with excitation light hv 210, microwave radiation 430 and three states 3 A, 3 E and 1 A as well as respective energy levels ms = 0 and m S = ± 1 for the states 3 A and 3 E with regard to electrons are shown. Even if it's in 6th is not explicitly or differently shown, the states 3 E m S = ± 1 also split up when a magnetic field is applied like the states 3 A m S = ± 1 due to Zeeman splitting. The states 3 E thus have a further energy level or two separate energy levels ms = + 1 and ms = -1.

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. 7th shows a diagram 700 to the power scheme 6th . The diagram 700 in 7th corresponds to the diagram 3 respectively. 5 except that two marks 720 and 725 on the second graph 312 the facts from the energy scheme of 6th represent, ie with a magnetic field (B ≠ 0) and with variable microwave excitation or a microwave frequency. The markings 720 and 725 are each in a range of a minimum or fluorescence minimum of the second graph 312 arranged. For example, is a first mark 720 arranged in the area of a first minimum ω 1 and is a second marking 725 arranged in the region of a second minimum ω 2 .

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 mS=±1 des Zustandes 3A auf das Niveau mS=±1 des Zustandes 3E gehoben werden und von dort nichtstrahlend rekombinieren. Bei einem externen Magnetfeld kommt es zu einer Aufspaltung des Niveaus mS=±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 mS=0 und dem Niveau mS=±1 kommt es zu einem Einbruch der Fluoreszenz. Bei externem Magnetfeld spaltet das Niveau mS=±1 auf und es existieren zwei definierte Mikrowellenfrequenzen, bei denen die Fluoreszenz abnimmt bzw. Minima vorliegen. Der Frequenzabstand ist dabei proportional zum Magnetfeld B.With reference to the 2 until 7th In other words and in summary terms, energy schemes and diagrams with regard to a mode of operation of a magnetic field measurement via a fluorescence measurement with additional microwave excitation or an example for a measurement of magnetic fields are shown. Nitrogen vacancies in diamond indicate that in 2 shown diagram or energy scheme 200 shown energy spectrum at room temperature. In the normal state, ie without microwaves and without a magnetic field, a nitrogen defect shows fluorescence at a wavelength of 630 nm upon optical excitation. If the excitation light is used in addition to the optical excitation 210 nor microwave radiation 430 a, there is a collapse in fluorescence at 2.88 GHz, since in this case the electrons are lifted from the level m S = ± 1 of the state 3 A to the level m S = ± 1 of the state 3 E and from there Recombine non-radiating. In the case of an external magnetic field, the level m S = ± 1 is split (Zeeman splitting) and when the fluorescence is plotted over the frequency of the microwave excitation, two minima, for example ω 1 and ω 2 , appear in the fluorescence spectrum, the frequency of which is proportional to magnetic field strength B is. A magnetic field sensitivity is defined by a minimally resolvable frequency shift and can reach a few pT / √Hz. This process is also known as ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance; optically detected magnetic resonance). If the microwave frequency agrees with the energy gap between the state 3 A m S = 0 and the level m S = ± 1, there is a collapse in fluorescence. In the case of an external magnetic field, the level m S = ± 1 splits and there are two defined microwave frequencies at which the fluorescence decreases or minima are present. The frequency spacing is proportional to the magnetic field 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. 8th shows a schematic representation of a sensor device 800 according to an embodiment. The sensor device 800 according to the in 8th illustrated embodiment a diamond 810 with at least one nitrogen void, a light source 820 for irradiating the diamond 810 with excitation light 210 or for an optical stimulation of the diamond 810 , for example only a microwave antenna 830 for impacting the diamond 810 with microwaves or microwave radiation, a detection device 840 for detecting a light intensity of a fluorescence signal 220 of the diamond 810 with a detector 850 and an optical filter 855 , a mooring device 860 with a microwave source 870 and a power source 880 for an internal magnetic field and a control unit 890 or a readout circuit 890 on.

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.The diamond 810 is between the light source 820 and the detection device 840 arranged. Here is the optical filter 855 between the diamond 810 and the detector 850 arranged. The microwave antenna 830 is the diamond 810 at least partially arranged surrounding it. The microwave antenna 830 can transmit signals with the mooring device 860 or the microwave source 870 and the power source 880 tied together.

Die Anlegeeinrichtung 860 ist ausgebildet, um ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen und ein Magnetfeldsignal zum Generieren eines internen Magnetfelds Bmod, mit dem der Diamant 810 beaufschlagbar ist, an die Mikrowellenantenne 830 anzulegen.The mooring device 860 is designed to generate a microwave signal for generating the microwaves and a magnetic field signal for generating an internal magnetic field Bmod with which the diamond 810 can be acted upon, to the microwave antenna 830 to put on.

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.The control unit 890 can transmit signals with the light source 820 , with the detection device 840 , more precisely with the detector 850 , and with the mooring device 860 or with the microwave source 870 and the power source 880 tied together. The control unit 890 is trained to handle the in 20th calibration procedure shown or a similar procedure described in 21 The method shown for detection or a similar method and / or the in 22nd to perform a measurement process or a similar measurement process.

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 Bmod 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.In other words, shows 8th a schematic representation of an exemplary arrangement for a sensor or the sensor device 800 based on nitrogen vacancies or NV centers in the diamond 810 . The diamond 810 is in operation of the sensor device 800 for excitation by the light source 820 irradiated and from the microwave source 870 via the microwave antenna 830 exposed to microwaves. The fluorescence signal 220 is from the optical filter 855 from the excitation light 210 separated and hits the detector 850 , which sends a measured value of a light intensity to the evaluation circuit 890 or to the control unit 890 passes on. The control unit 890 is designed to include the light source, among other things 820 and the Microwave source 870 to control. In addition is the power source 880 for the induction of the magnetic field Bmod to the microwave antenna 830 connected. Thus shows 8th an exemplary structure of the sensor device 800 based on NV centers in diamond 810 . The microwave source 880 is here electrical with the microwave antenna 830 connected, for example, from a wire with one or more turns around the diamond 810 is realized and designed to eliminate the nitrogen vacancies in the diamond 810 stimulate with microwaves. Alternatively, other methods of making coils or microwave antennas can be used, such as e.g. B. a use of conductor tracks on a circuit board.

9 zeigt eine schematische Darstellung einer Induktion eines Magnetfeldes bzw. internen Magnetfeldes Bmod 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 Bmod bzw. magnetische Feld Bmod und ein Magnetfeldsignal Imod bzw. zusätzlicher Strom Imod oder Induktionsstrom Imod, der an die Mikrowellenantenne 830 angelegt ist. Somit zeigt 9 eine Induktion des magnetischen Felds Bmod um den Diamanten 810 durch Anlegen des zusätzlichen Stroms Imod an die Mikrowellenantenne 830. 9 shows a schematic representation of an induction of a magnetic field or internal magnetic field Bmod around a diamond 810 according to an embodiment. Shown here are in 9 the diamond 810 as well as the microwave antenna 830 the sensor device 8th or a similar sensor device, the internal magnetic field Bmod or magnetic field Bmod and a magnetic field signal I mod or additional current I mod or induction current I mod that is sent to the microwave antenna 830 is applied. Thus shows 9 an induction of the magnetic field Bmod around the diamond 810 by applying the additional current I mod to the microwave antenna 830 .

10 zeigt eine schematische Darstellung einer Induktion von Magnetfeldern By und Bx um einen Diamanten 810 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Anders ausgedrückt zeigt 10 eine Erzeugung der Magnetfelder By und Bx in zwei Raumrichtungen durch eine Anordnung von mehreren Spulen 830 und 1030 bzw. Mikrowellenantennen 830 und 1030. 10 shows a schematic representation of an induction of magnetic fields B y and B x around a diamond 810 according to an embodiment. In other words, shows 10 a generation of the magnetic fields B y and B x in two spatial directions by an arrangement of several coils 830 and 1030 or microwave antennas 830 and 1030 .

Unter Bezugnahme auf 9 und 10 ist anzumerken, dass die Mikrowellenantenne 830 verwendet wird, um ein magnetisches Feld Bmod zu induzieren, das auf den Diamanten 810 wirkt. Hierfür wird in die Mikrowellenantenne 830 ein Gleich- oder Wechselstrom in Gestalt des Induktionsstroms Imod eingeprägt, welcher ein entsprechendes Magnetfeld Bmod erzeugt, wie es in 9 dargestellt ist. Um Magnetfelder By und Bx 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 Bmod 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.With reference to 9 and 10 it should be noted that the microwave antenna 830 is used to induce a magnetic field Bmod that acts on the diamond 810 works. This is done in the microwave antenna 830 a direct or alternating current is impressed in the form of the induction current I mod , which generates a corresponding magnetic field Bmod, as shown in FIG 9 is shown. In order to be able to generate magnetic fields B y and B x in more than one spatial direction, in 10 provided more than one microwave antenna 830 to use as it is in 10 using another microwave antenna 1030 or electric coil 1030 is shown. Here are the microwave antenna 830 and the other microwave antenna 1030 or electric coil 1030 z. B. arranged orthogonally to one another. Will the microwave antenna 830 used to generate an alternating magnetic field Bmod, the AC power source used for this purpose (frequencies, e.g. in the kHz range) and the microwave source (frequencies in the GHz range) can be influenced by an electrical filter, e.g. B. a network of passive components can be prevented.

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 Bmod, 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 Bmod in Messrichtung 1101 durch Anlegen des internen Magnetfeldes Bmod bzw. eines Referenzfelds Bmod, welches über die Mikrowellenantenne 830 bzw. eine elektrische Spule induziert wird. 11th shows a schematic representation of the directional dependency of a fluorescence measurement according to an embodiment. The diamond is shown here 810 and the microwave antenna 830 the sensor device 8th or a similar sensor device and an internal magnetic field Bmod, a measuring direction 1101 and symbolically an alignment 1102 of individual nitrogen vacancies in the four crystal directions in the diamond 810 . In other words, shows 11th an arrangement for determining a sensitivity of four ODMR minima or fluorescence minima, which correspond to the four crystal directions in diamond 810 related to magnetic fields Bmod in the measuring direction 1101 by applying the internal magnetic field Bmod or a reference field Bmod, which is transmitted via the microwave antenna 830 or an electrical coil is induced.

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 Bmod 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. 12th shows a diagram 1200 for directional dependence of a fluorescence measurement according to an embodiment. The diagram 1200 in 12th shows a light intensity 1204 of a fluorescence signal on the ordinate axis as a function of a microwave frequency 1202 on the abscissa axis for the facts 11th . In 12th a shift of individual ODMR minima by the internal magnetic field Bmod for an optically detected magnetic resonance (ODMR) is illustrated. Here are in the diagram 1200 four pairs of ODMR minima 1210 , 1212 , 1214 and 1216 drawn. A first pair of ODMR minima 1210 refers to a first crystal direction of the diamond and shows a first displacement distance. A second pair of ODMR minima 1212 refers to a second crystal direction of the diamond and shows a second displacement distance. The second displacement distance is less than the first displacement distance. A third pair of ODMR minima 1214 refers to a third crystal direction of the diamond and shows a third displacement distance. The third shift distance is less than the second shift distance. A fourth pair of ODMR minima 1216 refers to a fourth crystal direction of the diamond and shows a fourth displacement distance. The fourth shift distance is less than the third shift distance. Specifically, the fourth shift distance is zero, with the fourth pair of ODMR minima 1216 is not shifted relative to each other.

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. 13th shows a diagram 1300 for directional dependence of a fluorescence measurement according to an embodiment. The diagram 1300 in 13th shows a relative sensitivity 1304 based on four crystal directions in the measuring direction on the ordinate axis depending on one crystal direction 1302 on the abscissa axis for the facts 11th respectively. 12th . Here, a first crystal direction is a first bar 1310 assigned with a first sensitivity value. A second crystal direction is a second bar 1312 assigned with a second sensitivity value. The second sensitivity value is lower than the first sensitivity value. A third crystal direction is a third bar 1314 assigned with a third sensitivity value. The third sensitivity value is lower than the second sensitivity value. A fourth crystal direction is a fourth bar 1316 assigned with the amount or a fourth sensitivity value of zero.

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. 14th until 19th show diagrams for fluorescence measurement with additional microwave excitation and magnetic field excitation according to an embodiment. The fluorescence measurement is carried out using the in 8th illustrated sensor device or a similar sensor device or in connection with at least one of the methods 20th and 21 feasible.

14 zeigt ein Diagramm 1400 eines ODMR-Spektrums für verschiedene intern erzeugte Magnetfelder Bmod 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 Bmod=0 bzw. ohne angelegtes Magnetfeld. Ein zweiter Graph 1412 repräsentiert ein zweites ODMR-Signal bei einem angelegten Magnetfeld Bmod=+B. Ein dritter Graph 1414 repräsentiert ein drittes ODMR-Signal bei einem angelegten Magnetfeld Bmod=-B. 14th shows a diagram 1400 an ODMR spectrum for different internally generated magnetic fields Bmod as a function of a microwave frequency according to an embodiment. On the abscissa axis 1402 a relative change in microwave frequency is plotted in megahertz (MHz) and on the ordinate axis 1404 an ODMR signal is plotted in arbitrary units. Also in the diagram are 1400 three graphs 1410 , 1412 and 1414 drawn. The three graphs 1410 , 1412 and 1414 each show, by way of example, only one minimum of the two minima generated from the Zeeman splitting 2 until 7th . Here the ODMR spectrum is locked to the minimum. A first graph 1410 represents a first ODMR signal with an applied magnetic field B mod = 0 or without an applied magnetic field. A second graph 1412 represents a second ODMR signal with an applied magnetic field B mod = + B. A third graph 1414 represents a third ODMR signal with an applied magnetic field 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 Bmod 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. 15th shows a signal-time diagram 1500 based on the ODMR spectrum 14th . More precisely, a variation over time of a magnetic field generated by a microwave antenna or coil is Bmod 1510 and a resulting ODMR output signal 1520 for constant microwave excitation. On the abscissa axis 1502 the time in seconds (s) multiplied by 10 -3 is plotted on the ordinate axis 1504 signals are plotted in arbitrary units.

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 Bmod und ein zweiter Graph 1620 repräsentiert die Fourier-Transformation des ODMR-Signals. 16 shows a diagram 1600 a frequency spectrum or frequency content of the signals 15th . More precisely, the diagram shows 1600 a frequency spectrum of the signals 15th in the event that the microwave frequency coincides with a position of the ODMR minimum determined by an external magnetic field. On the abscissa axis 1602 a frequency is plotted in Hertz (Hz) and on the ordinate axis 1604 a Fourier transformation is plotted in arbitrary units. A first graph 1610 represents the Fourier transform of the magnetic field Bmod and a second graph 1620 represents the Fourier transform of the ODMR signal.

17 zeigt ein Diagramm 1700 eines ODMR-Spektrums für verschiedene intern erzeugte Magnetfelder Bmod 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. 17th shows a diagram 1700 an ODMR spectrum for different internally generated magnetic fields Bmod as a function of a microwave frequency according to an embodiment. The diagram 1700 in 17th corresponds to the diagram 14th with the exception that the ODMR spectrum is shown with additional exposure to an external constant magnetic field. Here are the three graphs 1410 , 1412 and 1414 shifted due to the external magnetic field.

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. 18th shows a signal-time diagram 1800 based on the ODMR spectrum 17th . The signal-time diagram 1800 in 18th corresponds to the signal-time diagram 15th except that a waveform of the ODMR output signal 1520 from an in 15th signal curve shown differs.

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. 19th shows a diagram 1900 a frequency spectrum or frequency content of the signals 18th . The diagram 1900 in 19th corresponds to the diagram 16 except that the second graph 1620 , which represents the Fourier transform of the ODMR signal, shows a different course than the second graph from 16 . In other words, shows 19th a frequency spectrum of the signals 18th in the event that the microwave frequency does not coincide with a position of the ODMR minimum determined by an external magnetic field.

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. 20th shows a flow chart of a method 2000 for calibration according to an embodiment. The procedure 2000 is executable to calibrate a sensor device. In particular, the procedure 2000 executable to the sensor device 8th or calibrate a similar sensor device. Generally speaking, the procedure is 2000 can be carried out for calibration in order to calibrate a sensor device which has a diamond with at least one nitrogen defect, a light source for irradiating the diamond with excitation light, at least one microwave antenna for applying microwaves to the diamond and a detection device for detecting a Having light intensity of a fluorescent signal from the diamond.

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.In the process 2000 calibration is done in one step 2010 of applying a microwave signal for generating the microwaves is applied to the at least one microwave antenna of the sensor device. Below is a further step 2020 the application of a magnetic field signal for generating an internal magnetic field, with which the diamond can be applied, applied to the at least one microwave antenna. Then in one step 2030 of determining at least one microwave frequency at which a minimum of the light intensity 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 measurement quantity.

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.According to the in 20th illustrated embodiment has the method 2000 a further step for calibration 2040 of determining, at which at least one reference frequency, at which a reference minimum of the light intensity occurs, is determined in the frequency spectrum using the fluorescence signal. The step 2040 the determination is before the step 2020 the application of the magnetic field signal can be carried out. In particular, the step 2040 of determining between the step 2010 the application of the microwave signal and the step 2020 of the application of the magnetic field signal. This is then done in step 2030 of determining at least one shift value between the at least one reference frequency and the at least one microwave frequency is calculated.

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.In other words, by performing the method 2000 for calibration using an internal magnetic field, e.g. B. is generated via a microwave antenna or coil or in some other known manner, a sensitivity of the sensor device to magnetic fields can be calibrated during operation. For this purpose, a magnetic field with a known strength is generated and the associated shift of one or more minima in the ODMR spectrum is measured. These calibration data are stored, for example, and used in the following to calculate the vectorial size of an external magnetic field from measured shifts in the ODMR minima.

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 Bmod 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.Since simultaneously applied external magnetic fields can lead to interference during calibration by means of a magnetic field generated in the sensor device, a relative measurement of the ODMR signal is carried out according to one embodiment. You can do this in step 2040 of determining and in step 2030 of determining z. B. two measurements can be carried out and compared immediately before and after switching on or applying the internal magnetic field. Optionally, a periodically varying magnetic field can be generated or applied. The shifts in the ODMR spectra for such a varying field Bmod are exemplified in FIG 14th (only one peak of the two minima generated by Zeeman splitting is shown). During an execution of the procedure 2000 For calibration, only the shift in the ODMR spectrum can be filtered out, which varies with the known frequency of the generated magnetic field. In this way, the influence of external magnetic fields on the calibration can be minimized.

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. According to one exemplary embodiment, a direction-dependent sensitivity of the individual minima can also be assigned to the spatial directions of the sensor device. NV centers or nitrogen defects in diamond are each aligned with one of the four crystal directions in diamond and are also sensitive to magnetic fields in this direction. Depending on a direction of the magnetic field, the four pairs of minima associated with these four alignments are shifted to different degrees in the ODMR spectrum, as shown in FIG 12th is shown. Using the at least one microwave antenna or coil, which is arranged in the desired or several desired measuring directions, and measuring the displacement of the various ODMR minima due to the generated magnetic fields, the sensitivities of these minima to the measuring direction can be determined. This principle is exemplified in the 11th until 13th shown. The measured values are stored and used to calculate a vector of an external magnetic field from a measured shift in the minima. The calibration of several spatial directions by several microwave antennas and / or coils can, for. B. be carried out one after the other. Alternatively, it is possible to assign currents or magnetic field signals to different microwave antennas and / or coils that differ in frequencies or phases. It is thus also possible to assign the relative shift of the ODMR spectra to the measurement directions via the identification using frequency or phase information simultaneously.

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. 21 shows a flow chart of a method 2100 for acquiring a measured variable according to an exemplary embodiment. In particular, the procedure 2100 for detection in connection with or using the sensor device 8th or a similar sensor device. Generally speaking, the procedure is 2100 can be carried out for detection in connection with or using a sensor device which has a diamond with at least one nitrogen defect and a light source for irradiating the diamond Having excitation light, at least one microwave antenna for exposing the diamond to microwaves and a detection device for detecting a light intensity of a fluorescence signal from the diamond.

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.In the process 2100 to capture is in one step 2110 of applying a microwave signal for generating the microwaves is applied to the at least one microwave antenna in order to traverse a frequency spectrum of the microwaves. Then in one step 2120 of the evaluation, the fluorescence signal is evaluated in response to the applied microwave signal in order to determine at least one microwave frequency at which a minimum of the light intensity occurs in the frequency spectrum. Then in one step 2130 of setting, the microwave signal is set to generate microwaves with a microwave frequency determined in the step of determining. Below is in one step 2140 of adjusting adjusts the microwave signal in response to a shift in the minimum caused by a change in the measured variable in order to vary a frequency of the microwaves around the specific microwave frequency until a new microwave frequency is found at which the shifted minimum in the light intensity occurs. Finally, in one step 2150 after calculating, the measured variable is calculated using the microwave frequency and the new microwave frequency.

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.According to one embodiment, step 2150 of calculating the measured variable using the calibration data calculated according to the method for calibrating 20th or a similar process. In other words, in step 2150 of calculating the calibration data used after the method for calibrating out 20th or a similar process.

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.Optionally, the procedure 2100 to capture one step 2160 the application of a magnetic field signal or a step 2170 of changing the microwave signal. The step 2160 the application of a magnetic field signal or the step 2170 of changing the microwave signal are between step 2130 the setting of the microwave signal and the step 2140 the adjustment of the microwave signal can be carried out.

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.In step 2160 After application, a magnetic field signal for generating an internal magnetic field, with which the diamond can be acted upon, is applied to the at least one microwave antenna in order to generate an internal magnetic field which varies periodically with an excitation frequency. This is then done in step 2140 of the adjustment adjusts the microwave signal until a frequency component of the fluorescence signal that is correlated with the excitation frequency and assigned to a minimum of the light intensity is maximum in order to find the new microwave frequency. According to one embodiment, in step 2160 applying the magnetic field signal, the magnetic field signal is applied to the at least one microwave antenna and at least one further magnetic field signal is applied to at least one further microwave antenna or to at least one electrical coil. Here, the magnetic field signal and the at least one further magnetic field signal differ from one another with regard to a frequency or a phase.

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.In step 2170 of changing, the microwave signal is changed in order to periodically vary a frequency of the microwaves with an excitation frequency around the specific microwave frequency. This is then done in step 2140 of the adjustment adjusts the microwave signal until a frequency component of the fluorescence signal that is correlated with the excitation frequency and assigned to a minimum of the light intensity is maximum in order to find the new microwave frequency.

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. 22nd shows a flow chart of a measurement process 2200 according to an embodiment. In other words, shows 22nd an example of a measurement sequence or a measurement process 2200 , where an internally generated magnetic field is used to modulate an ODMR spectrum. The measurement process 2200 is related to the method of acquisition 21 or a similar procedure.

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.With a block 2201 the measurement starts. After that, at a block 2202 an ODMR spectrum recorded over all microwave frequencies. The block 2202 is here comparable to the step of applying the microwave signal in the method for detecting off 21 . Then the measuring process goes 2200 to a block 2203 above, at which a position (microwave frequency) of the minima in the ODMR spectrum is identified. The block 2203 is comparable to the step of evaluating the fluorescence signal in the method for detecting off 21 . The following is in a block 2204 the microwave frequency is set to the position of the relevant minimum. The block 2204 is comparable to the step of setting the microwave signal in the method for detecting off 21 .

Danach geht der Messprozess 2200 zu einem Block 2205 über, bei dem ein internes magnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz bzw. Anregungsfrequenz fmag erzeugt wird. Der Block 2205 ist vergleichbar mit dem Schritt des Anlegens des Magnetfeldsignals gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Erfassen aus 21.Then the measuring process goes 2200 to a block 2205 over, in which an internal alternating magnetic field with a frequency or excitation frequency fmag is generated. The block 2205 is comparable to the step of applying the magnetic field signal according to an exemplary embodiment of the method for detecting off 21 .

Daraufhin gelangt der Messprozess 2200 zu einem Entscheidungsblock 2206, bei dem geprüft wird, ob ein Frequenzanteil fmag 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.The measuring process then arrives 2200 to a decision block 2206 , which checks whether a frequency component fmag of the ODMR signal is maximum. If so, the process goes to a block 2207 over, at which the magnitude of the external magnetic field is determined from the microwave frequency. The block 2207 is comparable to the step of calculating in the method for acquiring from 21 . From the block 2207 the measuring process jumps 2200 loops back to the decision block 2206 .

Falls bei dem Entscheidungsblock 2206 festgestellt wird, dass der Frequenzanteil fmag 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.If at the decision block 2206 it is determined that the frequency component fmag of the ODMR signal is not at its maximum, the measurement process continues 2200 to a block 2208 over, which determines whether the minimum is presumed to be near the original frequency. If this is not the case, the measuring process works 2200 back to the block 2202 . If so, the measurement process continues 2200 to a block 2209 , in which a systematic variation of the microwave frequency is carried out from the previous position in both directions. From the block 2207 the measuring process arrives 2200 back to the decision block 2206 .

Unter Bezugnahme auf 21 und 22 wird nachfolgend das Verfahren 2100 zum Erfassen bzw. der Messprozess 2200 zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt.With reference to 21 and 22nd is the procedure below 2100 for recording or the measuring process 2200 summarized and presented in other words.

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.It becomes a process 2100 for acquisition or a measurement process 2200 presented, in which internally generated magnetic fields are used for modulation in order to easily determine and track a position and shift of the individual minima in the ODMR spectrum of the sensor device. If the measured variable changes, e.g. B. an external magnetic field, a temperature or a mechanical tension, shift the microwave frequencies at which the individual minima of the fluorescence occur. This shift is discussed in the procedure 2100 for recording or during the measurement process 2200 determines the external measurand.

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 the fluorescence is often measured while the microwave frequency is being changed. In the spectrum recorded in this way, 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 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.According to exemplary embodiments, however, in the method 2100 for recording or during the measurement process 2200 a calculation effort can be reduced and a bandwidth of the sensor device can be increased, since a range of microwave frequencies to be passed through regularly for recording the spectrum can be reduced. This is done in the procedure 2100 for recording or during the measurement process 2200 First a complete ODMR spectrum was recorded in order to identify positions of the minima, as shown in the step 2110 the application of the microwave signal and the step 2120 the evaluation of the fluorescence signal or in the blocks 2202 and 2203 is shown. The microwave source is then set to the frequency of the minimum to be measured, as in step 2130 of setting the microwave signal or in the block 2204 is shown.

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 Bmod in der Richtung induziert, auf die dieses Minimum sensitiv ist. Die Frequenz fmod 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 (2fmod), 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.Now is in the block 2205 or in step 2160 the application of the magnetic field signal internally in the sensor device a periodically changing, z. B. sinusoidal as in 15th respectively. 18th shown, magnetic field B mod induced in the direction to which this minimum is sensitive. The frequency fmod of the alternating field is set in such a way that it is higher than a desired bandwidth of the sensor device, but less than a reaction time of the nitrogen defects. Due to the internally generated magnetic field, the position of the minimum varies, as in 14th shown around the previously determined, mean microwave frequency. Thus, the intensity of the fluorescence signal measured with the microwave frequency kept constant also changes periodically at twice the frequency of the applied magnetic field (2fmod), as in FIG 15th and 16 shown. An external signal or a measured variable, such as B. an external magnetic field, leads to a shift in the mean microwave frequency around which the ODMR minimum oscillates periodically, as shown in 17th is shown. For this reason, the observed fluorescence signal changes if the microwave frequency remains the same. In particular, the proportion of the fluorescence signal that has twice the excitation frequency is reduced, as in FIG 18th and 19th is shown. The portion of the fluorescence signal with twice the excitation frequency is maximal when the microwave frequency coincides with the frequency of the ODMR minimum, which is assumed without the internal magnetic field. By evaluating this signal component, a change in an external measured value can consequently be easily detected and an evaluation concept similar to a so-called lock-in method can be implemented.

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 (2fmod) 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.If such a change in the external measured value is detected, in the block 2209 the microwave frequency varies in both directions of the original frequency, ie to higher and lower frequencies, until the portion in the ODRM signal with twice the excitation frequency (2fmod) is maximum and the new microwave frequency of the shifted ODRM minimum is found. the end this position of the shifted minimum can e.g. B. optionally using the calibration values from the method for calibration 20th , the new measured value of the external measured variable can be determined. Only when the minimum cannot be found again due to a repeated variation of the microwave frequency is an ODMR spectrum recorded again in order to determine the position of the minima, as described above.

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 a modulation in more than one measuring axis, several microwave antennas and / or several coils are used, for example. It is again conceivable to vary the frequency or phase of the induced magnetic fields with respect to one another in such a way that an assignment of the effect of the fields to the measuring axes is possible via this variation.

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 until 28 show diagrams for fluorescence measurement with additional microwave excitation according to an embodiment. The ones in the 23 until 28 The diagrams shown are similar to the diagrams shown in the 14th until 19th are shown. The fluorescence measurement is carried out using the in 8th illustrated sensor device or a similar sensor device or in connection with at least one of the methods 20th and 21 feasible.

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 ΔfMW 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. 23 shows a diagram 2300 an ODMR spectrum for a periodically varied frequency of the microwave excitation according to an embodiment. On the abscissa axis 2302 a change in the microwave frequency Δf MW is plotted in megahertz (MHz) and on the ordinate axis 2304 an ODMR signal is plotted in arbitrary units. Also in the diagram is 2300 a graph 2310 shown, the example of only a minimum of the two minima generated by Zeeman splitting from the 2 until 7th represents. The ODMR signal is locked to the minimum here. In the readout concept shown here, the microwave frequency or frequency of the microwave excitation is varied periodically, here z. B. in the by lines 2320 and 2330 marked limits, resulting in an output signal with properties similar to those in the 14th until 19th without any modulation by an internally generated magnetic field. A shift in the ODMR minima due to external measured variables can be detected as described above.

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 ΔfMW 2410 als ein Graph eingezeichnet ist. Anders ausgedrückt zeigt 24 eine Variation von ΔfMW und des ODMR-Signals. 24 shows a signal-time diagram 2400 based on the ODMR spectrum 23 . The signal-time diagram 2400 corresponds to the signal-time diagram 15th with the exception that instead of the generated magnetic field, the periodically varied microwave frequency Δf MW 2410 is shown as a graph. In other words, shows 24 a variation of Δf MW and the ODMR signal.

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. 25th shows a diagram 2500 a frequency spectrum or frequency content of the ODMR signal 24 . the diagram 2500 corresponds to the diagram 16 except that only those represented by the graph 1620 represented Fourier transform of the ODMR signal is shown.

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. 26th shows a diagram 2600 an ODMR spectrum for a periodically varied frequency of the microwave excitation according to an embodiment. The diagram 2600 in 26th corresponds to the diagram 23 with the exception that the ODMR spectrum is shown with additional exposure to an external constant magnetic field. Here is the graph 2310 shifted due to the external magnetic field.

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. 27 shows a signal-time diagram 2700 based on the ODMR spectrum 26th . The signal-time diagram 2700 in 27 corresponds to the signal-time diagram 24 except that a waveform of the ODMR output signal 1520 from an in 24 signal curve shown differs.

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. 28 shows a diagram 2800 a frequency spectrum or frequency content of the ODMR signal 27 . The diagram 2800 in 28 corresponds to the diagram 25th except that the graph 1620 , which represents the Fourier transform of the ODMR signal, shows a different course than the graph from 25th .

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. 23 until 28 thus show an evaluation concept in which, in contrast to a modulation of the fluorescence signal by an internally generated magnetic field, the microwave frequency is varied periodically (by the previously determined frequency of a minimum in the ODMR spectrum). This leads to an output signal similar to that of an alternating magnetic field without one being applied. Changes in an external measured variable can be detected as described above. This means that measurements can be carried out in several spatial directions without the need for additional work through additional coils.

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 comprises an “and / or” link between a first feature and a second feature, this is to be read in such a way that the exemplary embodiment according to one embodiment has both the first feature and the second feature and, according to a further embodiment, either only the has the first feature or only the second feature.

Claims (14)

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), um einen Einbruch des Fluoreszenzsignals (220) zu bewirken, und ein Magnetfeldsignal (Imod) zum Generieren eines internen Magnetfelds (Bmod), mit dem der Kristallkörper (810) beaufschlagbar ist, um einen Zeeman-Effekt zu bewirken, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) anzulegen, wobei 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 (Imod) einen Gleichstrom oder einen Wechselstrom in die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) einzuprägen.Sensor device (800) having the following features: a crystal body (810) with at least one defect (105); a light source (820) for irradiating the crystal body (810) with excitation light (210); at least one microwave antenna (830; 1030) for applying microwaves (430) to the crystal body (810); detection means (840, 850, 855) for detecting at least one signal property of a fluorescence signal (220) from the crystal body (810); and an application device (860, 870, 880) which is designed to generate a microwave signal for generating the microwaves (430) to cause the fluorescence signal (220) to break in, and a magnetic field signal (I mod ) for generating an internal magnetic field ( B mod ), with which the crystal body (810) can be acted upon in order to bring about a Zeeman effect, to be applied to the at least one microwave antenna (830; 1030), the application device (860) being a microwave source (870), a power source (880 ) and / or an electrical filter to minimize mutual interference between the microwave source (870) and the current source (880), the current source (880) being designed to supply a direct current or an alternating current as a magnetic field signal (I mod) to the at least one Emboss the microwave antenna (830; 1030). Sensorvorrichtung (800) gemäß Patentanspruch 1, mit einem Steuergerät (890), das signalübertragungsfähig mit der Lichtquelle (820), mit der Detektionseinrichtung (840, 850, 855) und mit der Anlegeeinrichtung (860, 870, 880) verbindbar oder verbunden ist.Sensor device (800) according to Claim 1 with a control device (890) which can transmit signals to the light source (820), to the detection device (840, 850, 855) and to the application device (860, 870, 880). 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 (Bmod) unterscheidet.Sensor device (800) according to one of the preceding claims, with at least one electrical coil (1030) for producing at least one further internal magnetic field, the at least one further internal magnetic field having a further field direction which differs from a field direction of the internal magnetic field (B mod ) differs. 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), um einen Einbruch des Fluoreszenzsignals (220) zu bewirken; Anlegen (2020) eines Magnetfeldsignals (Imod) zum Generieren eines internen Magnetfelds (Bmod), mit dem der Kristallkörper (810) beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030), um einen Zeeman-Effekt zu bewirken, wobei als Magnetfeldsignal (Imod) ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom in die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) eingeprägt wird; 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 (Bmod), um Kalibrierungsdaten zur Verwendung bei einem Erfassen einer Messgröße zu erzeugen.Method (2000) for calibrating a sensor device (800), wherein the sensor device (800) has a crystal body (810) with at least one defect (105), a light source (820) for irradiating the crystal body (810) with excitation light (210), at least a microwave antenna (830; 1030) for subjecting the crystal body (810) to microwaves (430) and a detection device (840, 850, 855) for detecting at least one signal property of a fluorescence signal (220) from the crystal body (810), the method (2000) comprises at least the following steps: applying (2010) a microwave signal for generating the microwaves (430) to the at least one microwave antenna (830; 1030) in order to cause the fluorescence signal (220) to break in; Applying (2020) a magnetic field signal (I mod ) for generating an internal magnetic field (B mod ), with which the crystal body (810) can be acted upon, to the at least one microwave antenna (830; 1030) in order to bring about a Zeeman effect, wherein A direct current or an alternating current is impressed into the at least one microwave antenna (830; 1030) as a magnetic field signal (I mod); and determining (2030) at least one microwave frequency at which a predefined signal property occurs in a frequency spectrum of the microwaves (430) using the fluorescence signal (220) in response to the internal magnetic field (B mod ) in order to obtain calibration data for use in detecting a measured variable to create. Verfahren (2000) gemäß Anspruch 4, 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 (Imod) 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 (Bmod) berechnet wird.Procedure (2000) according to Claim 4 , with a step (2040) of determining at least one reference frequency at which a reference signal property occurs in the frequency spectrum using the fluorescence signal (220), wherein the step (2040) of determining before the step (2020) of applying the magnetic field signal (I mod ), wherein in step (2030) of determining at least one shift value between the at least one reference frequency and the at least one microwave frequency is calculated under the influence of the internal magnetic field (B mod ). Verfahren (2000) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem im Schritt (2020) des Anlegens des Magnetfeldsignals (Imod) ein Magnetfeldsignal (Imod) angelegt wird, das geeignet ist, um ein periodisch variierendes internes Magnetfeld (Bmod) zu generieren.Method (2000) according to one of the Claims 4 until 5 , in which, in the step (2020) of applying the magnetic field signal (I mod ), a magnetic field signal (I mod ) is applied which is suitable for generating a periodically varying internal magnetic field (B mod). 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, um einen Einbruch des Fluoreszenzsignals (220) zu bewirken; 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.Method (2100) for detecting a measured variable, the method (2100) being executable in connection with a sensor device (800) which has a crystal body (810) with at least one defect (105), a light source (820) for irradiating the crystal body ( 810) with excitation light (210), at least one microwave antenna (830; 1030) for applying microwaves (430) to the crystal body (810) and a detection device (840, 850, 855) for detecting at least one signal property of a fluorescence signal (220) from the Diamonds (810), the method (2100) having at least the following steps: applying (2110) a microwave signal for generating the microwaves (430) to the at least one microwave antenna (830; 1030) in order to assign a frequency spectrum of the microwaves (430) go through to causing the fluorescence signal (220) to collapse; Evaluating (2120) the fluorescence signal (220) in response to the applied microwave signal in order to determine at least one microwave frequency at which a predefined signal property occurs in the frequency spectrum; Adjusting (2130) the microwave signal to generate microwaves (430) having a microwave frequency determined in the step (2120) of determining; Adjusting (2140) the microwave signal in response to a shift in the predefined signal property caused by a change in the measured variable in order to vary a frequency of the microwaves (430) around the determined microwave frequency until a new microwave frequency is found at which the shifted predefined signal property occurs ; and calculating (2150) the measured variable using the microwave frequency and the new microwave frequency. Verfahren (2100) gemäß Anspruch 7, 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 4 bis 6 erzeugt sind.Method (2100) according to Claim 7 , in which, in the step (2150) of calculating, the measured variable is calculated using the calibration data obtained according to the method (2000) for calibrating in accordance with one of the Claims 4 until 6th are generated. Verfahren (2100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, mit einem Schritt (2160) des Anlegens eines Magnetfeldsignals (Imod) zum Generieren eines internen Magnetfelds (Bmod), mit dem der Kristallkörper (810) beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030), um ein mit einer Anregungsfrequenz periodisch variierendes internes Magnetfeld (Bmod) zu generieren, um einen Zeeman-Effekt zu bewirken, wobei als Magnetfeldsignal (Imod) ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom in die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) eingeprägt wird, 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.Method (2100) according to one of the Claims 7 until 8th , with a step (2160) of applying a magnetic field signal (I mod ) for generating an internal magnetic field (B mod ), with which the crystal body (810) can be acted upon, to the at least one microwave antenna (830; 1030) in order to have a To generate excitation frequency periodically varying internal magnetic field (B mod ) in order to bring about a Zeeman effect, a direct current or an alternating current being impressed into the at least one microwave antenna (830; 1030) as the magnetic field signal (I mod), wherein in step (2140 ) of the adjustment, the microwave signal is adjusted until a frequency component of the fluorescence signal (220) that is correlated with the excitation frequency and assigned to a predefined signal property is maximum in order to find the new microwave frequency. Verfahren (2100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6 und 9, bei dem im Schritt (2160) des Anlegens des Magnetfeldsignals (Imod) das Magnetfeldsignal (Imod) 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 (Imod) und das mindestens eine weitere Magnetfeldsignal sich bezüglich einer Frequenz oder einer Phase voneinander unterscheiden.Method (2100) according to one of the Claims 4 until 6th and 9 in which in the step (2160) of applying the magnetic field signal (I mod ) the magnetic field signal (I mod ) to the at least one microwave antenna (830) and at least one further magnetic field signal to at least one further microwave antenna (1030) or to at least one electrical coil ( 1030) is applied, the magnetic field signal (I mod ) and the at least one further magnetic field signal differing from one another with regard to a frequency or a phase. Verfahren (2100) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, 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.Method (2100) according to one of the Claims 7 until 8th , with a step (2170) of changing the microwave signal in order to vary a frequency of the microwaves (430) with an excitation frequency periodically around the determined microwave frequency, wherein in the step (2140) of adjusting the microwave signal is adjusted until one with the excitation frequency correlated frequency component of the fluorescence signal (220) assigned to a predefined signal property is maximum in order to find the new microwave frequency. Steuergerät (890), das eingerichtet ist, um Schritte eines Verfahrens (2000; 2100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen.Control unit (890) which is set up to carry out steps of a method (2000; 2100) according to one of the preceding claims in corresponding units. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (2000; 2100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.Computer program which is set up to carry out a method (2000; 2100) according to one of the preceding claims. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.Machine-readable storage medium on which the computer program is based Claim 13 is stored.
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