DE102018202588A1 - Optical sensor device and a method for producing an optical sensor device - Google Patents

Optical sensor device and a method for producing an optical sensor device Download PDF

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Andreas Brenneis
Radoslav Rusanov
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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Sensorvorrichtung (1), umfassend eine erste Trägereinrichtung (4) mit einer ersten Kavität (4a), eine lumineszierende Probe (2), welche zum Abstrahlen einer Emissionsstrahlung (E) anregbar ist, und welche innerhalb der ersten Kavität (4a) oder in einer Öffnungsrichtung der ersten Kavität (4a) an die erste Kavität (4a) angrenzend angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Sensorvorrichtung (1) zumindest ein photodetektives Element (3; 3a, 3b), welches dazu eingerichtet ist, die Emissionsstrahlung (E) der lumineszierenden Probe (2) zu detektieren, und ein optisches Filterelement (5; 5a, 5b), welches für die Emissionsstrahlung (E) der lumineszierenden Probe (2) durchlässig ist, und welches zwischen dem photodetektiven Element (3; 3a, 3b) und der lumineszierenden Probe (2) angeordnet ist.The present invention provides an optical sensor device (1), comprising a first carrier device (4) having a first cavity (4a), a luminescent sample (2) which is excitable for emitting an emission radiation (E), and which within the first cavity (4a) or in an opening direction of the first cavity (4a) to the first cavity (4a) is disposed adjacent. Furthermore, the sensor device (1) comprises at least one photodetective element (3; 3a, 3b) which is set up to detect the emission radiation (E) of the luminescent sample (2) and an optical filter element (5; 5a, 5b) which is transparent to the emission radiation (E) of the luminescent sample (2) and which is arranged between the photodetective element (3; 3a, 3b) and the luminescent sample (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Sensorvorrichtung.The present invention relates to an optical sensor device and a method of manufacturing an optical sensor device.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Anwendung von Sensorvorrichtungen, welche Sensoren mit einem lumineszierenden Stoff nutzen, ist es von ausschlaggebender Bedeutung, dass elektromagnetische Strahlung, die durch die Lumineszenz des Sensors erzeugt und abgestrahlt wird, über einen möglichst großen Raumwinkel um den lumineszierenden Stoff herum detektiert wird. Der lumineszierende Stoff strahlt Strahlung in für diesen Stoff charakteristischen Wellenlängen aus, nachdem dieser von einer Einwirkung auf den Stoff zur Lumineszenz angeregt wurde, beispielsweise von einem Laser oder durch Elektrolumineszenz. Durch einen Außeneinfluss auf den Sensor, etwa ein Magnetfeld, Strahlung, Temperatur oder Druck, kann die Wellenlänge der vom lumineszierenden Stoff abgestrahlten Strahlung messbar verändert werden, was Rückschlüsse auf die Art und Intensität des Außeneinflusses zulässt. Der lumineszierende Stoff strahlt üblicherweise isotrop in den Raum, ein Diamant mit NV-Zentren strahlt hingegen dipolartig. Bei einer zu geringen Einsammeleffizienz der Detektionsoptik, etwa einer geringen numerischen Apertur oder einem zu kleinen Detektionsraumwinkel um den lumineszierenden Stoff herum, wird generell nur eine geringe Sensorempfindlichkeit erzielt, da das Signal/Rausch-Verhältnis nur einen kleinen Wert annimmt. Zur Verbesserung der Sensorempfindlichkeit erweist es sich als vorteilhaft, den Raumwinkel der Detektion zu vergrößern, die Probe besser von Störeinflüssen von der Umgebung abzuschirmen, und zur besseren Flexibilität und Nutzbarkeit, den Sensor möglichst klein und portabel zu gestalten. Für Sensoren von Magnetfeldern eignen sich beispielsweise Diamanten mit Stickstoff-Fehlstellen-Defektzentren.When using sensor devices which use sensors with a luminescent substance, it is of decisive importance that electromagnetic radiation which is generated and emitted by the luminescence of the sensor is detected over as large a solid angle around the luminescent substance as possible. The luminescent substance emits radiation in wavelengths characteristic of this substance, after it has been excited by an action on the substance for luminescence, for example by a laser or by electroluminescence. As a result of an external influence on the sensor, for example a magnetic field, radiation, temperature or pressure, the wavelength of the radiation emitted by the luminescent substance can be measurably changed, which allows conclusions about the type and intensity of the external influence. The luminescent substance usually radiates isotropically into space, whereas a diamond with NV centers radiates dipole-like. If the detection optics have too low a collection efficiency, such as a small numerical aperture or too small a detection space angle around the luminescent substance, generally only a small sensor sensitivity is achieved since the signal-to-noise ratio assumes only a small value. To improve the sensor sensitivity, it proves to be advantageous to increase the solid angle of the detection, better shield the sample from interference from the environment, and to make the sensor as small and portable as possible for better flexibility and usability. For magnetic field sensors, for example, diamonds with nitrogen vacancy defect centers are suitable.

Aus der DE 10 2014 219 547 A1 ist ein Drucksensor mit einer sensitiven Schicht bekannt, welche Diamantstrukturen mit Stickstoff-Vakanz-Zentren umfasst. Die elektronische Struktur der Diamantstruktur ist hierbei bei Druckveränderung veränderbar. Durch Bestrahlung im optischen Bereich und im Mikrowellenbereich ist die elektronische Struktur anregbar und über Fluoreszenzdetektion auslesbar.From the DE 10 2014 219 547 A1 For example, a pressure sensor with a sensitive layer comprising diamond structures with nitrogen vacancy centers is known. The electronic structure of the diamond structure is changeable in this case with pressure change. By irradiation in the optical range and in the microwave range, the electronic structure can be excited and read out via fluorescence detection.

Aus der EP 2 261 641 A2 ist eine Anordnung zur Bestimmung einer Lumineszenzquantenausbeute einer lumineszierenden Probe bekannt. Mit einem bifokalen Hohlkörper mit einer gerichteten reflektierenden Innenwand wird Licht einer Probe in einem zweiten Brennpunkt fokussiert und mit einer optischen Einrichtung gesammelt.From the EP 2 261 641 A2 An arrangement for determining a Lumineszenzquantenausbeute a luminescent sample is known. With a bifocal hollow body having a directional reflective inner wall, light from a sample is focused at a second focal point and collected with an optical device.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, und ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Sensorvorrichtung nach Anspruch 14.The present invention provides an optical sensor device according to claim 1, and a method of manufacturing an optical sensor device according to claim 14.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred developments are subject of the dependent claims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine optische Sensorvorrichtung mit einer lumineszierenden Probe anzugeben, welche die Lumineszenzstrahlung der Probe in einem möglichst großen, nahezu vollständigen, Raumwinkel detektieren kann. Des Weiteren kann vorteilhaft ein hoher Grad einer Abschirmung der Probe bezüglich der Außentemperatur, Temperaturschwankungen in der Sensorvorrichtung, sowie mechanischer Verspannungen des Probenmaterials, erzielt werden. Durch eine gute Abschirmung der Probe kann vorteilhaft die Messgenauigkeit der zu bestimmenden physikalischen Messgrößen erhöht werden. Die Sensorvorrichtung kann weiterhin kleinskalig (im Mikrometerbereich, MEMS), energiesparsam und kostengünstig ausgeführt sein.The idea underlying the present invention is to provide an optical sensor device with a luminescent sample, which can detect the luminescence radiation of the sample in the largest possible, almost complete, solid angle. Furthermore, advantageously, a high degree of shielding of the sample with respect to the outside temperature, temperature fluctuations in the sensor device, and mechanical stresses of the sample material can be achieved. Good shielding of the sample can advantageously increase the measurement accuracy of the physical measured variables to be determined. The sensor device can furthermore be of small-scale (micrometre-range, MEMS), energy-saving and cost-effective.

Erfindungsgemäß umfasst die optische Sensorvorrichtung eine erste Trägereinrichtung mit einer ersten Kavität, eine lumineszierende Probe, welche zum Abstrahlen einer Emissionsstrahlung anregbar ist, und welche innerhalb der ersten Kavität oder in einer Öffnungsrichtung der ersten Kavität an die erste Kavität angrenzend angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Sensorvorrichtung zumindest ein photodetektives Element, welches dazu eingerichtet ist, die Emissionsstrahlung der lumineszierenden Probe zu detektieren, und ein optisches Filterelement, welches für die Emissionsstrahlung der lumineszierenden Probe durchlässig ist, und welches zwischen dem photodetektiven Element und der lumineszierenden Probe angeordnet ist.According to the invention, the optical sensor device comprises a first carrier device having a first cavity, a luminescent sample which can be excited for emitting emission radiation, and which is arranged adjacent to the first cavity within the first cavity or in an opening direction of the first cavity. Furthermore, the sensor device comprises at least one photodetective element, which is set up to detect the emission radiation of the luminescent sample, and an optical filter element, which is permeable to the emission radiation of the luminescent sample, and which is arranged between the photodetective element and the luminescent sample ,

Die lumineszierende Probe umfasst vorteilhaft eine Festkörperstruktur, einen Kristall, einen Diamant, oder ein Gas, beispielsweise ein metallisches Gas. Bei einer Anregung der lumineszierenden Probe mit Licht, beispielsweise von einem Laser oder einer LED-Lichtquelle, mit Mikrowellenstrahlung oder mit Wärme, strahlt die Probe eine Strahlung mit einer messbaren Wellenlänge ab, beispielsweise im sichtbaren, UV- oder IR-Bereich. Wird die Probe einem äußeren Einfluss ausgesetzt, beispielsweise einer Temperatur, mechanischer Spannung, einem Magnetfeld oder einem elektrischen Feld, so kann sich die Wellenlänge der Lumineszenz messbar verändern. Die lumineszierende Probe wird vorteilhaft von einer Distanz aus durch eine Licht- oder Strahlungsquelle bestrahlt, und ist somit vorteilhaft thermisch von dieser isoliert.The luminescent sample advantageously comprises a solid-state structure, a crystal, a diamond, or a gas, for example a metallic gas. Upon excitation of the luminescent sample with light, for example from a laser or an LED light source, with microwave radiation or with heat, the sample emits radiation having a measurable wavelength, for example in the visible, UV or IR range. If the sample is exposed to an external influence, for example a temperature, mechanical stress, a magnetic field or an electric field, the wavelength of the luminescence can change measurably. The luminescent sample is advantageously from a distance by a light or Radiation source irradiated, and is thus advantageously thermally isolated from this.

Die erste Kavität wirkt vorteilhaft fokussierend auf die Strahlung der lumineszierenden Probe, vorteilhaft in Richtung der Öffnung der ersten Kavität. Dadurch wird eine zumindest teilweise Sammlung der Emissionsstrahlung von der Probe bewirkt, wodurch eine Einsammeleffizienz des photodetektiven Elements signifikant erhöht werden kann. Diesbezüglich umfasst die erste Trägereinrichtung vorteilhaft ein Material, welches für die Emissionsstrahlung der lumineszierenden Probe streuend oder reflektierend ausgebildet ist oder zumindest mit einem streuenden oder reflektierenden Material beschichtet oder versehen ist. Des Weiteren ist das Material der ersten Trägereinrichtung vorteilhaft wärme- und spannungsisolierend gegenüber den Außenbedingungen der Sensorvorrichtung, um Temperatur- und/oder mechanische Spannungsgradienten nahezu nicht an die lumineszierende Probe weiterzuleiten.The first cavity has an advantageous effect focusing on the radiation of the luminescent sample, advantageously in the direction of the opening of the first cavity. This causes an at least partial collection of the emission radiation from the sample, whereby a collection efficiency of the photodetective element can be significantly increased. In this regard, the first carrier device advantageously comprises a material which is designed to be scattering or reflective for the emission radiation of the luminescent sample or at least coated or provided with a scattering or reflecting material. Furthermore, the material of the first carrier device is advantageously heat and voltage insulating with respect to the external conditions of the sensor device so that temperature and / or mechanical stress gradients are virtually not forwarded to the luminescent sample.

Die lumineszierende Probe kann vorteilhaft innerhalb der ersten Kavität angeordnet sein, wobei die erste Trägereinrichtung die Probe teilweise umgibt. Dadurch wird eine fokussierende Wirkung für die Emissionsstrahlung erzielt. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Probe außerhalb der ersten Kavität angeordnet ist, insbesondere angrenzend an die erste Kavität und in einer Öffnungsrichtung, welche der fokussierenden Abstrahlrichtung der ersten Kavität entspricht wenn diese streuend ausgebildet oder mit einem reflektierenden Material versehen ist.The luminescent sample can advantageously be arranged inside the first cavity, wherein the first carrier device partially surrounds the sample. As a result, a focusing effect for the emission radiation is achieved. Alternatively, it is also possible for the sample to be arranged outside the first cavity, in particular adjacent to the first cavity and in an opening direction which corresponds to the focusing emission direction of the first cavity when it is scattered or provided with a reflective material.

Das photodetektive Element ist der lumineszierenden Probe vorteilhaft in einer Abstrahlrichtung der Probe nachgeordnet, vorteilhaft beabstandet von der Probe, um die Probe keiner mechanischen Verspannung oder Temperaturschwankung durch Absorption an dem photodetektiven Element auszusetzten. Des Weiteren ist das photodetektive Element derart geformt, dass es einen möglichst großen Raumwinkel um die lumineszierende Probe herum umschließt. Daher kann sich das photodetektive Element vorteilhaft in gebogener Form zumindest teilweise um die Probe herum erstrecken. Beispielsweise bildet das photodetektive Element zumindest eine Halbkugel. Das optische Filterelement kann dabei auf dem photodetektiven Element angeordnet sein oder von diesem beabstandet und von der Probe beabstandet und eigenständig angeordnet sein.The photodetective element is advantageously arranged downstream of the luminescent sample in a radiation direction of the sample, advantageously spaced from the sample, so as not to expose the sample to any mechanical strain or temperature variation due to absorption at the photodetective element. Furthermore, the photodetective element is shaped such that it encloses the largest possible solid angle around the luminescent sample. Therefore, the photodetective element may advantageously extend in curved form at least partially around the sample. For example, the photodetective element forms at least one hemisphere. The optical filter element can be arranged on the photodetective element or spaced therefrom and spaced from the sample and arranged independently.

Durch die fokussierende Wirkung der ersten Kavität, und durch den großen Raumwinkel zur Detektion von Emissionsstrahlung, kann vorteilhaft die Einsammeleffizienz der von der Probe abgestrahlten Emissionsstrahlung gegenüber etwa einer Optik mit Linsen signifikant erhöht werden, da eine Linsenoptik eine begrenzte Einsammeleffizienz, etwa durch die begrenzte numerische Apertur oder den begrenzten Raumwinkel, aufweist. Auf diese Weise wird durch die gesteigerte Einsammeleffizienz vorteilhaft die Sensorempfindlichkeit der Vorrichtung erhöht, insbesondere das Verhältnis zwischen Signal und Störrauschen (SNR, signal to noise ratio) signifikant erhöht.Due to the focussing effect of the first cavity, and the large solid angle for the detection of emission radiation, the collection efficiency of the emission radiation emitted by the sample can be increased significantly compared to optics with lenses, since lens optics have a limited collection efficiency, such as limited numerical efficiency Aperture or the limited solid angle, has. In this way, the sensor sensitivity of the device is advantageously increased by the increased collection efficiency, in particular the ratio between signal and noise (SNR, signal to noise ratio) is significantly increased.

Um am photodetektiven Element die empfangene Störstrahlung zu verringern, ist das optische Filterelement vorteilhaft lediglich für die zu erwartende Emissionsstrahlung der Probe durchlässig. Das SNR ist proportional zur Wurzel aus dem Signal, insbesondere zur Wurzel aus der Anzahl der emittierten Photonen der lumineszierenden Probe, falls das Rauschen durch Schrottrauschen verursacht/limitiert wird.In order to reduce the received interference radiation at the photodetective element, the optical filter element is advantageously permeable only to the expected emission radiation of the sample. The SNR is proportional to the root of the signal, in particular to the root of the number of emitted photons of the luminescent sample, if the noise is caused / limited by scrap noise.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der optischen Sensorvorrichtung, umfasst diese eine zweite Trägereinrichtung, welche auf der ersten Trägereinrichtung angeordnet ist, wobei die lumineszierende Probe innerhalb der ersten Kavität und/oder innerhalb einer zweiten Kavität der zweiten Trägereinrichtung angeordnet ist, und die erste Trägereinrichtung und die zweite Trägereinrichtung die lumineszierende Probe zumindest teilweise umschließen und gegenüber einem Außenbereich der optischen Sensorvorrichtung abschirmen.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, this comprises a second carrier device, which is arranged on the first carrier device, wherein the luminescent sample is disposed within the first cavity and / or within a second cavity of the second carrier device, and the first carrier device and the second Carrier device at least partially enclose the luminescent sample and shield against an outer region of the optical sensor device.

Die zweite Trägereinrichtung kann vorteilhaft das gleiche Material umfassen, wie die erste Trägereinrichtung, oder aus einem anderen Material gefertigt sein. Die beiden Trägereinrichtungen können die lumineszierende Probe vorteilhaft vollständig umschließen. Die zweite Trägereinrichtung bildet mit der ersten Kavität einen Innenraum und kann vorteilhaft eine zweite Kavität umfassen oder eben ausgebildet sein. Handelt es sich bei der lumineszierenden Probe um ein Gas, so füllt dieses den Innenraum, welcher durch die abgeschlossene erste und/oder zweite Kavität gebildet wird. Des Weiteren ist eine zusätzliche Gasdampfzelle in der Kavität denkbar, in welcher die Probe angeordnet sein kann. Handelt es sich bei der lumineszierenden Probe um einen Festkörper, so ist dieser vorteilhaft von beiden Trägereinrichtung beabstandet und vorteilhaft in einem Isolatormaterial eingebettet. Das Isolatormaterial ist vorteilhaft derart ausgebildet, dass es durchlässig ist sowohl für die anregende Strahlung als auch für die Emissionsstrahlung. Des Weiteren ist das Isolatormaterial isolierend gegenüber Temperatur und mechanischer Verspannung. Die zweite Trägereinrichtung wird vorteilhaft auf der ersten Trägereinrichtung mechanisch fixiert, beispielsweise geklebt oder gebondet. Das photodetektive Element befindet sich hierbei ebenfalls innerhalb des Innenraumes, welcher durch die zwei Trägereinrichtungen geformt wird, oder innerhalb oder am Ende einer Öffnung in der ersten oder zweiten Trägereinrichtung. Ist eine Öffnung in der ersten oder zweiten Trägereinrichtung zur Abstrahlung vorhanden, so konzentriert sich die Strahlung innerhalb des Innenraumes durch Mehrfachstreuung oder Mehrfachreflexion entsprechend einer Ulbrichtkugel, und tritt dann konzentriert durch die Öffnung zum photodetektiven Element aus, wodurch die Einsammeleffizienz signifikant erhöht wird. Die beiden Trägereinrichtungen sind vorteilhaft für die Emissionsstrahlung streuend oder spiegelnd, oder derart beschichtet, wodurch ein nahezu vollständiger Raumwinkel (4 Pi) zur Detektion erreicht wird. Zur Anregung umfasst die erste oder die zweite Trägereinrichtung vorteilhaft eine Öffnung, um die Probe mit Strahlung von außen anzuregen. Alternativ dazu könnte die Sensorvorrichtung auch mehr als zwei Trägereinrichtungen umfassen.The second carrier device can advantageously comprise the same material as the first carrier device, or be made of a different material. The two carrier devices can advantageously completely enclose the luminescent sample. The second carrier device forms an interior with the first cavity and may advantageously comprise a second cavity or be planar. If the luminescent sample is a gas, it fills the interior, which is formed by the closed first and / or second cavity. Furthermore, an additional gas vapor cell in the cavity is conceivable, in which the sample can be arranged. If the luminescent sample is a solid, it is advantageously spaced from both carrier devices and advantageously embedded in an insulator material. The insulator material is advantageously designed such that it is permeable to both the exciting radiation and the emission radiation. Furthermore, the insulator material is insulating against temperature and mechanical stress. The second carrier device is advantageously mechanically fixed on the first carrier device, for example glued or bonded. The photodetective element is also located inside the inner space, which is formed by the two carrier devices, or inside or at the end of an opening in the first or second carrier device. If there is an opening in the first or second carrier device for radiation, the radiation concentrates within the Interior through multiple scattering or multiple reflection corresponding to an integrating sphere, and then exits concentratedly through the opening to the photodetective element, thereby significantly increasing the collection efficiency. The two carrier devices are advantageous for the emission radiation scattering or specular, or coated, whereby a nearly complete solid angle (4 Pi) is achieved for detection. For excitation, the first or the second carrier device advantageously comprises an opening in order to excite the sample with radiation from the outside. Alternatively, the sensor device could also comprise more than two carrier devices.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst die optische Sensorvorrichtung ein erstes Spiegelelement, wobei das erste Spiegelelement zumindest an einer Innenwand der ersten Kavität oder einer Innenwand der zweiten Kavität angeordnet ist.According to a preferred embodiment, the optical sensor device comprises a first mirror element, wherein the first mirror element is arranged at least on an inner wall of the first cavity or an inner wall of the second cavity.

Das erste Spiegelelement deckt vorteilhaft alle Innenwände der ersten Kavität und/oder der zweiten Kavität vollständig ab. Das erste Spiegelelement umfasst beispielsweise eine Metallisierung oder einen dielektrischen Spiegel (Bragg-Spiegel).The first mirror element advantageously covers all inner walls of the first cavity and / or the second cavity completely. The first mirror element comprises, for example, a metallization or a dielectric mirror (Bragg mirror).

Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst die optische Sensorvorrichtung ein zweites Spiegelelement, wobei das zweite Spiegelelement auf einer der ersten Trägereinrichtung zugewandten Seite der zweiten Trägereinrichtung angeordnet ist, wobei das zweite Spiegelelement die erste Kavität der ersten Trägereinrichtung zumindest teilweise abdeckt.According to a preferred embodiment, the optical sensor device comprises a second mirror element, the second mirror element being arranged on a side of the second carrier device facing the first carrier device, wherein the second mirror element at least partially covers the first cavity of the first carrier device.

Das zweite Spiegelelement kann ebenso wie das erste Spiegelelement vorteilhaft eine Metallisierung auf der zweiten Trägereinrichtung oder einen dielektrischen Spiegel umfassen. Hierbei ist das zweite Spiegelelement vorteilhaft eben auf der Oberfläche der zweiten Trägereinrichtung angeordnet, aufgebracht oder beschichtet.Like the first mirror element, the second mirror element may advantageously comprise a metallization on the second carrier device or a dielectric mirror. In this case, the second mirror element is advantageously arranged, applied or coated just on the surface of the second carrier device.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der optischen Sensorvorrichtung ist die lumineszierende Probe zumindest teilweise von dem ersten Spiegelelement zusammen mit dem zweiten Spiegelelement umgeben.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the luminescent sample is at least partially surrounded by the first mirror element together with the second mirror element.

Die beiden Spiegelelemente umschließen zusammen vorteilhaft den gesamten Raumwinkel um die Probe herum und bewirken im Hohlraum zwischen der ersten und der zweiten Trägereinrichtung einen Mehrfachspiegeleffekt vergleichbar mit einer Ulbrichtkugel.The two mirror elements advantageously together enclose the entire solid angle around the sample and cause in the cavity between the first and the second support means a multi-mirror effect comparable to an integrating sphere.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der optischen Sensorvorrichtung ist das photodetektive Element flächig ausgeformt, an zumindest einer Innenwand der ersten Kavität oder einer Innenwand der zweiten Kavität angeordnet und bedeckt diese zumindest teilweise.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the photodetective element is formed flat, arranged on at least one inner wall of the first cavity or an inner wall of the second cavity and covers them at least partially.

Das photodetektive Element umgibt vorteilhaft einen möglichst großen Raumwinkel um die lumineszierende Probe herum, wobei das photodetektive Element vorzugsweise alle Innenwände der ersten und/oder der zweiten Kavität abdeckt. Das photodetektive Element erhöht dabei selbst durch seine umschließende Form die Einsammeleffizienz. Des Weiteren kann das photodetektive Elemtent vorteilhaft einer fokussierenden ersten Kavität in deren Öffnungsrichtung gegenüber angeordnet sein, wodurch sich die Emissionsstrahlung zusätzlich am photodetektiven Element konzentriert.The photodetective element advantageously surrounds the largest possible solid angle around the luminescent sample, wherein the photodetective element preferably covers all inner walls of the first and / or the second cavity. The photodetective element itself increases its collection efficiency due to its enclosing shape. Furthermore, the photodetective element can advantageously be arranged opposite a focusing first cavity in its opening direction, whereby the emission radiation additionally concentrates on the photodetective element.

Alternativ dazu kann das photodetektive Element aber auch nur einen Teilbereich einer der Trägereinrichtungen innerhalb des Innenraumes abdecken, wobei dieser Teilbereich einen Sammelbereich für die mehrfach reflektierte oder gestreute Emissionsstrahlung gemäß der Strahlung in einer Ulbrichtkugel bildet.Alternatively, however, the photodetective element may also cover only a portion of one of the carrier devices within the interior space, this subarea forming a collection area for the multiply reflected or scattered emission radiation in accordance with the radiation in an integrating sphere.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der optischen Sensorvorrichtung ist das photodetektive Element flächig ausgeformt und auf einer der ersten Trägereinrichtung zugewandten Seite der zweiten Trägereinrichtung angeordnet und deckt die erste Kavität zumindest teilweise ab.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the photodetective element is formed areally and arranged on one of the first carrier device facing side of the second carrier device and covers the first cavity at least partially.

Das photodetektive Element kann entsprechend dem Konzept einer Ulbrichtkugel die Einsammeleffizienz erhöhen wenn dieses einen Teilbereich der zweiten Trägereinrichtung abdeckt und der Restbereich der ersten Trägereinrichtung zugewandten Seite der zweiten Trägereinrichtung streuend oder spiegelnd ist. Andererseits kann das photodetektive Element auch die gesamte, der ersten Trägereinrichtung zugewandte, Seite abdecken.According to the concept of an integrating sphere, the photodetective element can increase the collection efficiency when it covers a subregion of the second carrier device and the remaining region of the first carrier device facing side of the second carrier device is scattering or specular. On the other hand, the photodetective element can also cover the entire side facing the first carrier device.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der optischen Sensorvorrichtung umfasst diese eine Zwischenträgereinrichtung, welche auf der ersten Trägereinrichtung angeordnet ist, so dass die Zwischenträgereinrichtung die erste Kavität überspannt, wobei die lumineszierende Probe auf der Zwischenträgereinrichtung angeordnet ist.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, this comprises an intermediate carrier device, which is arranged on the first carrier device, so that the intermediate carrier device spans the first cavity, wherein the luminescent sample is arranged on the intermediate carrier device.

Die Zwischenträgereinrichtung umfasst vorteilhaft ein Material, welches eine hohe Konstanz in Temperatur und mechanischer Verspannung aufweist, so dass die lumineszierende Probe auf der Zwischenträgereinrichtung von der Umgebung (Außenbereich) der Sensorvorrichtung nahezu vollständig wärme- und spannungsisoliert ist. Mit anderen Worten unterdrückt das Material der Zwischenträgereinrichtung vorteilhaft jeglichen Wärme- und Spannungsgradienten in Richtung der lumineszierenden Probe. Die Zwischenträgereinrichtung ist vorzugsweise transparent für die Emissionsstrahlung, so dass der fokussierende Effekt durch die erste oder die zweite Kavität oder ein Spiegelelement auf einer der Probe gegenüberliegenden Seite der Zwischenträgereinrichtung erhalten bleibt. Die Zwischenträgereinrichtung umfasst vorteilhaft eine Membran mit Perforierungen, welche zu einer Herstellung der ersten oder zweiten Kavität durch beispielsweise ein Ätzverfahren dienen. Des Weiteren verbessern die Perforierungen vorteilhaft die Entkopplung der Probe hinsichtlich Temperatur und mechanischer Spannung, da die Membran flächig nicht vollständig durchgehend ist. Die Zwischenträgereinrichtung kann beispielsweise eine Folie oder einen alternierenden Stapel von isolierenden Materialien wie etwa SiO2, SiN, oder Ähnliches und leitenden Materialien wie dotiertes Si oder Metalle umfassen.The intermediate carrier device advantageously comprises a material which has a high constancy in temperature and mechanical strain, so that the luminescent sample on the intermediate carrier device is almost completely insulated from heat and voltage by the environment (outer region) of the sensor device. In other words, the material of the intermediate carrier device advantageously suppresses any heat and voltage gradients in the direction of the luminescent one Sample. The intermediate carrier device is preferably transparent to the emission radiation so that the focusing effect is maintained by the first or the second cavity or a mirror element on a side of the intermediate carrier device opposite the sample. The intermediate carrier device advantageously comprises a membrane with perforations, which serve to produce the first or second cavity by, for example, an etching process. Furthermore, the perforations advantageously improve the decoupling of the sample with respect to temperature and mechanical stress, since the membrane is not completely continuous throughout. The interposer may comprise, for example, a foil or an alternating stack of insulating materials such as SiO 2, SiN, or the like, and conductive materials such as doped Si or metals.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst die optische Sensorvorrichtung eine Antenne, welche zur Abstrahlung von Mikrowellenstrahlen eingerichtet ist, und/oder ein Heizelement, welche(s) auf der Zwischenträgereinrichtung angeordnet ist/sind.According to a preferred embodiment, the optical sensor device comprises an antenna which is adapted to emit microwave radiation, and / or a heating element which is / are arranged on the intermediate carrier device.

Die Antenne und/oder das Heizelement kann alternativ auch innerhalb der Zwischenträgereinrichtung angeordnet sein. Durch das Heizelement wird die Zwischenträgereinrichtung vorteilhaft auf eine vorbestimmte optimale Betriebstemperatur der lumineszierenden Probe gebracht und danach durch die Eigenschaften der Zwischenträgereinrichtung vorteilhaft konstant gehalten. Die Antenne für die Mikrowellenstrahlen dient vorteilhaft der Anregung der Probe und kann vorteilhaft innerhalb des Innenraumes oder oberhalb der ersten oder zweiten Kavität angeordnet sein. Dadurch kann vorteilhaft eine höhere Miniaturisierung der Sensorvorrichtung erreicht werden, da keine externe Antenne von außerhalb der Sensorvorrichtung genutzt werden muss.The antenna and / or the heating element may alternatively also be arranged within the intermediate carrier device. By the heating element, the intermediate carrier device is advantageously brought to a predetermined optimum operating temperature of the luminescent sample and then kept advantageously constant by the properties of the intermediate carrier device. The antenna for the microwave radiation advantageously serves to excite the sample and can advantageously be arranged inside the inner space or above the first or second cavity. As a result, a higher miniaturization of the sensor device can advantageously be achieved since no external antenna has to be used from outside the sensor device.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung umfasst die lumineszierenden Probe eine Diamantstruktur mit Stickstoff-Vakanz-Zentren und ist von der ersten Trägereinrichtung und/oder von der zweiten Trägereinrichtung beabstandet.According to a preferred embodiment, the luminescent sample comprises a diamond structure with nitrogen vacancy centers and is spaced from the first carrier device and / or from the second carrier device.

Durch die Beabstandung der Diamantstruktur von der ersten und/oder von der zweiten Trägereinrichtung ist die lumineszierende Probe vorteilhaft betreffend Temperatur und mechanischer Verspannung von der Umgebung der Sensorvorrichtung isoliert. Die Diamantstruktur kann vorteilhaft mittels MEMS-basierter Herstellungsverfahren (Mikroelektromechanische Systeme) und Bauteile in der Sensorvorrichtung, oder auf einer Zwischenträgereinrichtung angeordnet werden. Vorteilhaft kann auch die Zwischenträgereinrichtung sowie die restlichen Komponenten der Sensorvorrichtung mittels MEMS-basierter Verfahren hergestellt werden.Due to the spacing of the diamond structure from the first and / or from the second carrier device, the luminescent sample is advantageously insulated from the surroundings of the sensor device in terms of temperature and mechanical stress. The diamond structure can advantageously be arranged by means of MEMS-based production methods (microelectromechanical systems) and components in the sensor device, or on an intermediate carrier device. Advantageously, the intermediate carrier device as well as the remaining components of the sensor device can be produced by means of MEMS-based methods.

Ein Diamant mit Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Diamant) reagiert auf eine Anregung durch Licht mit einer Lumineszenzstrahlung, welche von der Temperatur des Diamanten abhängt, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 630 nm. Durch eine zusätzliche Bestrahlung mit Mikrowellen kann das Spektrum der Lumineszenz verändert werden, wobei Elektronen im Diamant andere Spinzustände (m=+-1) besetzen und unter anderem auch strahlungsfrei rekombinieren können (unter Mikrowellenstrahlung erfolgt ein Einbruch der Fluoreszenz bei einer Mikrowellenstrahlung von 2.88 GHz, wobei die Elektronen durch die Mikrowellen vom m=0 Niveau auf die m=+-1 Zustände gehoben werden und mittels der Anregung durch Laser in das Ausgangsniveau überführt werden und danach strahlungsfrei rekombinieren, wobei zwar keine Strahlung im sichtbaren Spektralbereich sondern im I R emittiert werden kann, etwa in 1024 nm). Durch ein zusätzliches externes Magnetfeld kommt es vorteilhaft zu einer zusätzlichen Modifizierung der Spin-Niveaus im Diamant (Zeeman-Effekt), wodurch sich die Wellenlänge der Lumineszenzstrahlung verändert (Aufspaltung der m=+-1 Zustände der Emission in zwei Strahlungsspitzen). Hierbei zeigen sich bei einer Auftragung der Lumineszenz (Fluoreszenz) über die Frequenz der Mikrowellenanregung zwei Spitzen im Lumineszenzspektrum (Fluoreszenzspektrum) deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke ist (optisch detektierte magnetische Resonanz ODMR). Zum Erreichen einer hohen Sensorsensivität ist es notwendig, den Diamant nahezu auf konstanter Temperatur, insbesondere auf Raumtemperatur zu halten. Die Betriebstemperatur des Diamanten kann vorteilhaft durch ein Heizelement in der Sensorvorrichtung eingestellt werden, und durch die isolierte Anordnung des Diamanten konstant gehalten werden. Die möglichen Temperaturschwankungen liegen vorteilhaft im Bereich von wenigen nK, wobei der Diamant vorteilhaft nahezu frei von Temperaturgradienten (geringer als 1 n K) gehalten werden kann. Auf diese Weise wird eine hohe Magnetfeldsensitivität der Sensorvorrichtung von vorteilhaft wenigen pT/(Hz^1/2) erreicht, welche durch eine mindestauflösbare Frequenzverschiebung bestimmt ist.A diamond with nitrogen vacancy centers (NV-diamond) responds to an excitation by light with a luminescence radiation, which depends on the temperature of the diamond, for example with a wavelength of 630 nm. By additional irradiation with microwaves, the spectrum of luminescence In this case, electrons in the diamond occupy other spin states (m = + 1) and, among other things, can recombine without radiation (under microwave radiation, the fluorescence is collapsed at a microwave radiation of 2.88 GHz, where the electrons are at the m = 0 level due to the microwaves) be lifted to the m = + - 1 states and are converted by laser excitation in the initial level and then recombine radiation-free, although no radiation in the visible spectral range but in the IR can be emitted, approximately in 1024 nm). An additional external magnetic field advantageously brings about an additional modification of the spin levels in the diamond (Zeeman effect), whereby the wavelength of the luminescence radiation changes (splitting of the m = + -1 states of the emission into two radiation peaks). Here, in a plot of luminescence (fluorescence) on the frequency of the microwave excitation two peaks in the luminescence (fluorescence) whose frequency spacing is proportional to the magnetic field strength (optically detected magnetic resonance ODMR). To achieve a high sensor sensitivity, it is necessary to keep the diamond almost at a constant temperature, in particular at room temperature. The operating temperature of the diamond can be advantageously adjusted by a heating element in the sensor device, and kept constant by the isolated arrangement of the diamond. The possible temperature fluctuations are advantageously in the range of a few nK, wherein the diamond can advantageously be kept almost free of temperature gradients (less than 1 n K). In this way, a high magnetic field sensitivity of the sensor device of advantageously few pT / (Hz ^ 1/2) is achieved, which is determined by a minimum resolvable frequency shift.

Mittels einer Entkopplung des Diamanten bezüglich Spannung und Temperatur von den Außenbedingungen, insbesondere durch die Anordnung in einer Kavität oder auf einer Zwischenträgereinrichtung, können vorteilhaft eine Tiefe und Breite von Absorptionslinien für die Mikrowellenstrahlung verbessert werden. Zur Magnetfeldmessung kann der Diamant vorteilhaft mit einem Licht im grünen Wellenlängenbereich bestrahlt werden, wonach dieser vorteilhaft Lumineszenz im roten Wellenlängenbereich abgibt. Die Bestrahlung mit Mikrowellen erfolgt beispielsweise im Bereich von 2 GHz bis 4 GHz. Bei der optisch detektierten magnetischen Resonanz kann durch einen vergrößerten Raumwinkel bei der Detektion vorteilhaft das SNR-Verhältnis verbessert werden und die Sensorempfindlichkeit gesteigert werden. Der NV-Diamant weist beispielsweise einen Brechungsindex von n = 2.4 auf. Durch die hohe Sensorempfindlichkeit (durch den großen Raumwinkel) kann vorteilhaft der Einfluss des Brechungsindex n des Diamanten auf eine 1/n-Reduzierung der numerischen Apertur von Einsammeloptiken verringert werden und eine hohe Sensorempfindlichkeit beibehalten werden.By means of a decoupling of the diamond with respect to voltage and temperature from the external conditions, in particular by the arrangement in a cavity or on an intermediate carrier device, advantageously a depth and width of absorption lines for the microwave radiation can be improved. For magnetic field measurement, the diamond can advantageously be irradiated with a light in the green wavelength range, after which it advantageously emits luminescence in the red wavelength range. The irradiation with microwaves takes place for example in the range from 2 GHz to 4 GHz. In the optically detected magnetic resonance can by an enlarged solid angle in the Detection advantageous the SNR ratio can be improved and the sensor sensitivity can be increased. For example, the NV diamond has a refractive index of n = 2.4. The high sensor sensitivity (due to the large solid angle) can advantageously reduce the influence of the refractive index n of the diamond on a 1 / n reduction of the numerical aperture of collection optics and maintain high sensor sensitivity.

Alternativ zur Anwendung eines NV-Diamanten sind aber auch andere lumineszierende Proben, etwa mit elektrisch anregbaren fluoreszierenden Defekten, beispielsweise in SiC, möglich.As an alternative to the use of an NV diamond, however, other luminescent samples, for example with electrically excitable fluorescent defects, for example in SiC, are also possible.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der optischen Sensorvorrichtung umfasst die erste Trägereinrichtung und/oder die zweite Trägereinrichtung einen Halbleiterchip und/oder ein Silizium-Substrat.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the first carrier device and / or the second carrier device comprises a semiconductor chip and / or a silicon substrate.

Die erste Trägereinrichtung und/oder die zweite Trägereinrichtung können durch Halbleitertechnologien als Chips hergestellt sein, wobei das Substrat der ersten und/oder der zweiten Trägereinrichtung vorteilhaft einen Chip (umfassend Si, vorteilhaft kristallines Si) oder einen Wafer umfasst. Das photodetektive Element kann hierbei vorteilhaft als eine Schicht im Chip ausgebildet werden, beispielsweise durch Dotierung als pin- oder pn-Übergang. Das erste und/oder das zweite Spiegelelement kann vorteilhaft als eine dünne metallische Schicht, oder als eine Schichtenfolge wie ein Bragg-Spiegel auf dem Substrat angeordnet werden.The first carrier device and / or the second carrier device can be produced by semiconductor technologies as chips, wherein the substrate of the first and / or the second carrier device advantageously comprises a chip (comprising Si, advantageously crystalline Si) or a wafer. In this case, the photodetective element can advantageously be formed as a layer in the chip, for example by doping as a pin or pn junction. The first and / or the second mirror element may advantageously be arranged as a thin metallic layer, or as a layer sequence such as a Bragg mirror on the substrate.

Beim Anordnen einer Membran als Zwischenträgereinrichtung auf einem Halbleiterwafer kann dieser vorteilhaft lithographisch an der ersten oder der zweiten Trägereinrichtung (Chip, Wafer) angebracht werden und mit Perforierungen ausgebildet werden, durch welche hindurch die erste oder die zweite Kavität unterhalb der Membran geätzt werden kann, beispielsweis anisotrop mittels KOH-Ätzen. Der Ätzvorgang kann jedoch auch ohne die Membran durchgeführt werden.When arranging a membrane as an intermediate carrier device on a semiconductor wafer, it can advantageously be attached lithographically to the first or the second carrier device (chip, wafer) and be formed with perforations, through which the first or the second cavity can be etched underneath the membrane, for example anisotropic by KOH etching. However, the etching process can also be carried out without the membrane.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der optischen Sensorvorrichtung umfasst die erste Trägereinrichtung und/oder die zweite Trägereinrichtung eine Öffnung, durch welche die lumineszierende Probe mit Licht bestrahlbar ist.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the first carrier device and / or the second carrier device comprises an opening through which the luminescent sample can be irradiated with light.

Bei den Öffnungen kann es sich beispielsweise um optische Zugänge handeln (Trench, VIA im Halbleitermaterial), welche zur Bestrahlung, oder Abstrahlung aus dem Innenraum dienen. Durch solche Öffnungen können vorteilhaft auch Zuleitungen, beispielsweise passivierte Leiterbahnen im Halbleiter, geführt oder angeordnet werden.The openings may, for example, be optical accesses (trench, VIA in the semiconductor material) which serve for irradiation or radiation from the interior. By means of such openings, feed lines, for example passivated conductor tracks in the semiconductor, can advantageously also be guided or arranged.

Erfindungsgemäß wird die optische Sensorvorrichtung als Magnetfeldsensor in einer mobilen oder tragbaren Vorrichtung verwendet.According to the invention, the optical sensor device is used as a magnetic field sensor in a mobile or portable device.

Insbesondere durch die Verwendung von Halbleitertechnologien und MEMS- oder MOEMS-Anwendungen sowie mittels solcher Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), kann vorteilhaft eine besonders kleinskalige und kostengünstige sowie energiesparende Sensorvorrichtung in hohen Stückzahlen hergestellt werden und vorteilhaft in Massenanwendungen in Industrie, Privatgebrauch, im Automobilbereich oder anderen Bereichen verwendet werden. Durch die Anwendung von MEMS- oder MOEMS-Anwendungen sowie mittels solcher Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) kann vorteilhaft eine Integration der Probe (NV-Diamant), der Lichtquelle, des photodetektiven Elements und der Mikrowellenquelle in die Sensorvorrichtung erfolgen. Diesbezüglich ist die Sensorvorrichtung in einer Größenordnung von kleiner 1 cm^3 ausgeführt. Dabei kann insbesondere bei der Anordnung von Lichtquellen zur Anregung, Mikrowellenstrahlern, Einsammeloptiken (Spiegel) und photodetektiven Elementen auf eine eigene AVT verzichtet werden, wodurch die Sensorvorrichtung kleinskaliger und kostengünstiger wird. Eine kleinskalige Ausführung der Sensorvorrichtung ermöglicht vorteilhaft eine gleiche oder zumindest ähnliche Sensorempfindlichkeit, wie in Laborsensoren, bei welchen Lichtquellen, Mikrowellenstrahler und Lichtdetektoren, als Laborgeräte, beispielsweise als Tischlaserquellen, Mikroskope oder Tisch-Mikrowellengeräte zum Einsatz kommen. Durch eine miniaturisierte Bauweise der Sensorvorrichtung kann auf großskalige, laborgebundene und teuere Laborgeräte vorteilhaft verzichtet werden. Eine derartige mobile Sensorvorrichtung kann vorteilhaft in diversen Produkten als Magnetfeldsensor eingesetzt werden. Die Sensorvorrichtung eignet sich als miniaturisierter Sensor auch in mobilen Telekommunikationseinrichtungen (lOT-Anwendungen, Internet der Dinge), Fahrzeugen oder in Vorrichtungen, welche beispielsweise metallische Elemente in Wänden und Böden suchen können oder die Himmelsrichtung zur Navigation bestimmen können.In particular, by the use of semiconductor technologies and MEMS or MOEMS applications as well as by such a construction and connection technology (AVT), advantageously a particularly small-scale and cost-effective and energy-saving sensor device can be produced in large quantities and advantageous in mass applications in industry, private use, in the automotive sector or other areas. Through the use of MEMS or MOEMS applications as well as by means of such assembly and connection techniques (AVT) can advantageously be carried out integration of the sample (NV-diamond), the light source, the photodetective element and the microwave source in the sensor device. In this regard, the sensor device is on the order of less than 1 cm ^ 3 executed. In this case, in particular in the arrangement of light sources for excitation, microwave radiators, collection devices (mirrors) and photodetective elements can be dispensed with a separate AVT, whereby the sensor device is kleinscaliger and cheaper. A small-scale version of the sensor device advantageously allows an identical or at least similar sensor sensitivity, as in laboratory sensors, in which light sources, microwave radiators and light detectors, as laboratory equipment, for example as table laser sources, microscopes or table-top microwave ovens are used. By a miniaturized design of the sensor device can be advantageously dispensed großskalige, laboratory-bound and expensive laboratory equipment. Such a mobile sensor device can be advantageously used in various products as a magnetic field sensor. The sensor device is suitable as a miniaturized sensor in mobile telecommunications equipment (lOT applications, Internet of Things), vehicles or in devices that can search for example metallic elements in walls and floors or determine the direction of the compass for navigation.

Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer optischen Sensorvorrichtung in einem Verfahrensschritt S1 eine erste Trägereinrichtung mit einer ersten Kavität bereitgestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt S2 wird eine lumineszierende Probe innerhalb der ersten Kavität oder in einer Öffnungsrichtung der ersten Kavität an die erste Kavität angrenzend angeordnet. In einem Verfahrensschritt S3 wird ein photodetektives Element in einer fokussierenden Richtung der Emissionsstrahlung der lumineszierenden Probe angeordnet. In einem Verfahrensschritt S4 wird ein optisches Filterelement zwischen dem photodetektiven Element und der lumineszierenden Probe angeordnet.According to the invention, in a method for producing an optical sensor device in a method step S1 a first carrier device provided with a first cavity. In a further process step S2 For example, a luminescent sample is placed adjacent to the first cavity within the first cavity or in an opening direction of the first cavity. In one process step S3 For example, a photodetective element is arranged in a focusing direction of the emission radiation of the luminescent sample. In one process step S4 For example, an optical filter element is placed between the photodetective element and the luminescent sample.

Die Sensorvorrichtung kann vorteilhaft mittels Halbleitertechnologien und MEMS- oder MOEMS-Anwendungen und Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) hergestellt werden. Durch Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) können vorteilhaft weitere Elemente, wie ein Heizelement, eine Mikrowellenantenne, eine Radioantenne oder eine Lasereinrichtung mit der Sensorvorrichtung von außen verbunden oder in dieser angeordnet werden. The sensor device can advantageously be produced by means of semiconductor technologies and MEMS or MOEMS applications and assembly and connection technology (AVT). By means of assembly and connection technology (AVT), further elements, such as a heating element, a microwave antenna, a radio antenna or a laser device can advantageously be connected to the sensor device from outside or arranged in the latter.

Das Verfahren kann vorteilhaft entsprechend den, in Verbindung mit der erfindungsgemäßen optischen Sensorvorrichtung, bereits erläuterten Merkmalen ausgeführt werden.The method can advantageously be carried out in accordance with the features already explained in connection with the optical sensor device according to the invention.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird im Verfahrensschritt S2 eine Zwischenträgereinrichtung auf der ersten Trägereinrichtung angeordnet, so dass die Zwischenträgereinrichtung die erste Kavität überspannt, und die lumineszierende Probe wird auf der Zwischenträgereinrichtung angeordnet.According to a preferred embodiment of the method is in the process step S2 an intermediate carrier device is arranged on the first carrier device so that the intermediate carrier device spans the first cavity, and the luminescent sample is arranged on the intermediate carrier device.

Die erste und/oder die zweite Kavität können vorteilhaft mittels isotropen Gasphasen- oder Nassätzen oder durch KOH-Ätzen durch Perforationen in der Zwischenträgereinrichtung in den Trägereinrichtungen hergestellt werden.The first and / or the second cavity can advantageously be produced by means of isotropic gas-phase or wet etching or by KOH etching through perforations in the intermediate carrier device in the carrier devices.

Die lumineszierende Probe, insbesondere der NV-Diamant, kann vorteilhaft mittels Anwendungen aus MEMS/MOEMS sowie entsprechender Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) auf der Zwischenträgereinrichtung platziert werden.The luminescent sample, in particular the NV diamond, can advantageously be placed on the intermediate carrier device by means of applications of MEMS / MOEMS as well as appropriate assembly and connection technology (AVT).

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.

Figurenlistelist of figures

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand den in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Draufsicht auf eine erste Trägereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 6 eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawings. Show it:
  • 1 a schematic sectional view of an optical sensor device according to an embodiment of the present invention;
  • 2 a schematic sectional view of an optical sensor device according to another embodiment of the present invention;
  • 3 a schematic sectional view of an optical sensor device according to another embodiment of the present invention;
  • 4 a plan view of a first support means according to an embodiment of the present invention;
  • 5 a schematic sectional view of an optical sensor device according to another embodiment of the present invention; and
  • 6 a schematic sectional view of an optical sensor device according to another embodiment of the present invention.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic sectional view of an optical sensor device according to an embodiment of the present invention.

In der optischen Sensorvorrichtung 1 umfasst eine erste Trägereinrichtung 4 eine erste Kavität 4a mit Innenwänden 4b, wobei ein flächiges photodetektives Element 3a in der ersten Kavität 4a, die Innenwände 4b vollständig abdeckend, ausgebildet ist. Die erste Trägereinrichtung 4 ist auf einer zweiten Trägereinrichtung 6 angeordnet, welche planar ausgebildet ist und auf einer der ersten Trägereinrichtung 4 zugewandten Seite 6c ein erstes Spiegelelement 10a umfasst. Die erste Trägereinrichtung 4 und die zweite Trägereinrichtung 6 umfassen vorteilhaft ein Halbleitermaterial, beispielsweise ein Si-Substrat mit jeweils einem Chip oder einem Wafer. Alternativ dazu können die Trägereinrichtungen jedoch auch beliebige andere geeignete Materialien umfassen. Das photodetektive Element 3a kann als eine dotierte Schicht (pin- oder pn-Übergang) im Si-Substrat gebildet sein. Das erste Spiegelelement 10a umfasst vorteilhaft eine Metallisierung auf dem Wafer oder dem Chip der zweiten Trägereinrichtung 6. Die erste Trägereinrichtung 4 und die zweite Trägereinrichtung 6 bilden einen abgeschlossenen Innenraum, indem die zweite Trägereinrichtung 6 die erste Kavität 4a vollständig, mit dem ersten Spiegelelement 10a, abdeckt. Die lumineszierende Probe 2, insbesondere ein NV-Diamant, ist in einem Isolationsmaterial innerhalb der ersten Kavität 4a eingebettet und somit bezüglich Temperatur und mechanischer Spannung von einem Außenbereich der Sensorvorrichtung 1 isoliert. Die erste Trägereinrichtung 4 und die zweite Trägereinrichtung 6 können transparent für eine Strahlung zur Anregung der lumineszierenden Probe 2 sein, welche von außen auf die Probe 2 strahlt (Mikrowellen, Licht). Alternativ dazu kann die Strahlungsquelle zur Anregung auch innerhalb des Innenraumes angeordnet sein, oder eine der Trägereinrichtungen kann eine Öffnung aufweisen (nicht gezeigt). Die lumineszierende Probe 2 emittiert eine Emissionsstrahlung E isotrop in alle Richtungen. Das erste Spiegelelement 10a reflektiert diese in Richtung der ersten Kavität 4a, wo die Emissionsstrahlung E über den gesamten Raumwinkel der ersten Kavität 4a durch das photodetektive Element 3a eingefangen wird. Auf dem photodetektiven Element 3a ist ein optisches Filterelement 5a angeordnet, welches die gesamte Fläche des photodetektiven Elements 3a, welche der Probe 2 zugewandt ist, abdeckt. Bei dem optischen Filterelement 5a kann es sich vorteilhaft um eine Beschichtung des photodetektiven Elements 3a handeln.In the optical sensor device 1 comprises a first carrier device 4 a first cavity 4a with interior walls 4b , wherein a planar photodetective element 3a in the first cavity 4a , the interior walls 4b completely covering, is formed. The first carrier device 4 is on a second carrier device 6 arranged, which is planar and formed on one of the first support means 4 facing side 6c a first mirror element 10a includes. The first carrier device 4 and the second support means 6 advantageously comprise a semiconductor material, for example a Si substrate, each having a chip or a wafer. Alternatively, however, the support means may comprise any other suitable materials. The photodetective element 3a may be formed as a doped layer (pin or pn junction) in the Si substrate. The first mirror element 10a advantageously comprises a metallization on the wafer or the chip of the second carrier device 6 , The first carrier device 4 and the second support means 6 form a sealed interior, by the second support means 6 the first cavity 4a complete, with the first mirror element 10a , covers. The luminescent sample 2 , in particular an NV diamond, is in an insulating material within the first cavity 4a embedded and thus with respect to temperature and mechanical stress from an outside area of the sensor device 1 isolated. The first carrier device 4 and the second support means 6 can be transparent to radiation to excite the luminescent sample 2 be which from the outside to the test 2 radiates (microwaves, light). Alternatively, the radiation source for excitation may also be arranged inside the interior space, or one of the carrier devices may have an opening (not shown). The luminescent sample 2 emits an emission radiation E isotropic in all directions. The first mirror element 10a reflects this towards the first cavity 4a where the emission radiation E over the entire solid angle of the first cavity 4a through the photodetective element 3a is captured. On the photodetective element 3a is an optical filter element 5a arranged, which covers the entire surface of the photodetective element 3a which of the sample 2 facing, covering. In the optical filter element 5a it may be advantageous to a coating of the photodetective element 3a act.

2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung
gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 shows a schematic sectional view of an optical sensor device
according to another embodiment of the present invention.

Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich lediglich durch die Anordnung des photodetektiven Elements sowie des ersten Spiegelelements von der 1. In der 2 wird anstatt dem ersten Spiegelelement 10a aus der 1 auf einer der Probe 2 zugewandte Seite 6c ein flächiges photodetektives Element 3b angeordnet, welches die erste Kavität 4a vollständig bedeckt und vorteilhaft als Schicht auf dem Wafer oder dem Chip ausgebildet (dotiert) ist. Auf diesem photodetektiven Element 3b ist ebenfalls ein optisches Filterelement 5b angeordnet, welches das gesamte photodetektive Element 3b zur ersten Kavität 4a hin bedeckt.The embodiment of the 2 differs only by the arrangement of the photodetective element and the first mirror element of the 1 , In the 2 is used instead of the first mirror element 10a from the 1 on one of the sample 2 facing side 6c a planar photodetective element 3b arranged, which is the first cavity 4a completely covered and advantageously formed (doped) as a layer on the wafer or the chip. On this photodetective element 3b is also an optical filter element 5b arranged, which the entire photodetective element 3b to the first cavity 4a covered.

3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung
gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 shows a schematic sectional view of an optical sensor device
according to another embodiment of the present invention.

Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform aus der
1 ebenfalls durch die Anordnung des photodetektiven Elements sowie des Spiegelelements. In der 3 ist auf der der ersten Trägereinrichtung 4 zugewandten
Seite 6c ein zweites Spiegelelement 10b angeordnet, welches flächig ausgeformt ist und
Die erste Kavität 4a vollständig abdeckt.The embodiment of the 3 differs from the embodiment of the
1 also by the arrangement of the photodetective element and the mirror element. In the 3 is on the first carrier device 4 facing
page 6c a second mirror element 10b arranged, which is formed flat and
The first cavity 4a completely covers.

Die Innenwände 4b der ersten Kavität 4a sind vollständig mit einem ersten Spiegelelement 10 a bedeckt, wodurch sich ein nahezu vollverspiegelter Innenraum zwischen der ersten Trägereinrichtung 4 und der zweiten Trägereinrichtung 6 ergibt. Das photodetektive Element 3a ist als eigenständiges Bauteil auf dem Boden der ersten Kavität 4a angeordnet und mit einem optischen Filterelement 5a versehen, wobei das photodetektive Element 3a selbst vorteilhaft nur einen kleinen Raumwinkel einnehmen braucht. Das photodetektive Element 3a kann als eigenständiges Bauteil jedoch auch auf der zweiten Trägereinrichtung 6, insbesondere auf dem zweiten Spiegelelement 10b angeordnet sein. Die lumineszierende Probe 2 ist beabstandet zu den Trägereinrichtungen 4 und 6 angeordnet und vorteilhaft in einer Isolationsmasse eingebettet. Die Isolationsmasse kann vorteilhaft auch mit dem optischen Filterelement 5a und mit dem photodetektiven Element 3a in direkten Kontakt stehen. An den Seitenbereichen der ersten und der zweiten Trägereinrichtung können das erste Spiegelelement 10a und das zweite Spiegelelement 10b aufeinander angeordnet und befestigt, beispielsweise verklebt sein. Der Innenraum wirkt vorteilhaft wie eine Ulbrichtkugel, wobei durch Mehrfachreflexion die Emissionsstrahlung von der Probe 2 nahezu vollständig am photodetektiven Element 3a ankommt und somit ein nahezu vollständiger Raumwinkel detektierbar ist.The interior walls 4b the first cavity 4a are complete with a first mirror element 10 a, resulting in a nearly fully mirrored interior space between the first support means 4 and the second support means 6 results. The photodetective element 3a is as an independent component on the bottom of the first cavity 4a arranged and with an optical filter element 5a provided, wherein the photodetective element 3a even advantageously takes only a small solid angle needs. The photodetective element 3a can as an independent component, however, also on the second carrier device 6 , in particular on the second mirror element 10b be arranged. The luminescent sample 2 is spaced from the support means 4 and 6 arranged and advantageously embedded in an insulating material. The insulation compound can also be advantageous with the optical filter element 5a and with the photodetective element 3a to be in direct contact. At the side areas of the first and second support means, the first mirror element 10a and the second mirror element 10b arranged on each other and fixed, for example, be glued. The interior acts advantageously as an integrating sphere, whereby by multiple reflection the emission radiation from the sample 2 almost completely on the photodetective element 3a arrives and thus an almost complete solid angle is detectable.

4 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Trägereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 shows a plan view of a first carrier device according to an embodiment of the present invention.

Auf der ersten Trägereinrichtung 4 ist eine Zwischenträgereinrichtung 7 angeordnet, wobei die Zwischenträgereinrichtung 7 die erste Trägereinrichtung 4 zumindest teilweise überspannt. Eine Antenne 8 zur Bestrahlung der Probe 2 mit Mikrowellen ist in Form einer Schleife auf der Zwischenträgereinrichtung 7 angeordnet, so dass die Schleife die lumineszierende Probe, insbesondere einen NV-Diamanten, nahezu vollständig planar umläuft. Die Schleife kann vorteilhaft auch ein Heizelement 9 umfassen, mittels welchem die Zwischenträgereinrichtung 7 und somit die Probe 2 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur gebracht werden kann. Das Heizelement 9 und die Antenne 8 können von einem Außenbereich der Sensorvorrichtung mit Energie versorgt werden.On the first carrier device 4 is an intermediate carrier device 7 arranged, wherein the intermediate carrier device 7 the first carrier device 4 at least partially overstretched. An antenna 8th for irradiation of the sample 2 with microwaves is in the form of a loop on the intermediate carrier device 7 arranged so that the loop circulates the luminescent sample, in particular an NV diamond, almost completely planar. The loop can also advantageously a heating element 9 comprise, by means of which the intermediate carrier device 7 and thus the sample 2 can be brought to a predetermined operating temperature. The heating element 9 and the antenna 8th can be powered from an outside area of the sensor device.

5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 shows a schematic sectional view of an optical sensor device according to another embodiment of the present invention.

Eine erste Trägereinrichtung 4 umfasst eine erste Kavität 4a mit Innenwänden 4b und eine zweite Trägereinrichtung 6 umfasst eine zweite Kavität 6a mit Innenwänden 6b. Die zweite Trägereinrichtung 6 ist auf der ersten Trägereinrichtung 4 angeordnet, so dass die beiden Kavitäten einen Innenraum, beispielsweise einen Hohlraum, bilden und eine lumineszierende Probe 2 vollständig umschließen. Die Probe 2 ist auf einer Zwischenträgereinrichtung 7 angeordnet, welche auf der ersten Trägereinrichtung 4 angeordnet ist und die erste Kavität 4a vollständig überspannt. Bei der ersten Trägereinrichtung 4 und der zweiten Trägereinrichtung 6 handelt es sich vorteilhaft um Halbleiterchips, aber auch andere Trägermaterialien sind möglich. Die zweite Trägereinrichtung 6 wird vorteilhaft auf der ersten Trägereinrichtung fixiert, insbesondere fest mit dieser verbunden. Dabei kann die zweite Trägereinrichtung 6 auch fest auf der Zwischenträgereinheit 7 angeordnet werden, oder die zweite Kavität 6a ist breiter als die erste Kavität 4a, so dass die Zwischenträgereinrichtung 7 auf der ersten Trägereinrichtung 4 aufgesetzt ist, wobei die zweite Trägereinrichtung 6 erst außerhalb der Zwischenträgereinrichtung 7 auf die erste Trägereinrichtung 4 aufgesetzt wird. Die Trägereinrichtungen können vorteilhaft aufeinander geklebt oder gebondet werden. Des Weiteren umfasst die erste Trägereinheit 4 eine Öffnung H, durch welche Licht von einer externen Lichtquelle L in den Innenraum und somit auf die Probe 2 zur Anregung dieser gestrahlt wird. Nach Anregung strahlt die Probe 2 eine Emissionsstrahlung E ab, welche durch Streuung oder Reflexion an den Innenwänden 4b und 6b durch eine Öffnung H in der zweiten Trägereinrichtung 6 zum optischen Filterelement 5 und zum photodetektiven Element 3 gelangt. Die Öffnungen H können vorteilhaft in das Si-Substrat der ersten und/oder zweiten Trägereinrichtung (4, 6) als gerichtete (Trench) Öffnungen eingebracht werden. Die Zwischenträgereinrichtung 7 ist vorteilhaft transparent für das Licht von der Lichtquelle L sowie für die Emissionsstrahlung E von der Probe 2. Die Zwischenträgereinrichtung 7 umfasst vorteilhaft Perforationen, durch welche eine thermische Entkopplung der Probe 2 von einem Außenbereich erreicht werden kann. Auf der Zwischenträgereinrichtung 7, welche beispielsweise als eine Membran zwischen zwei Halbleiterchips 4 und 7 ausgeführt werden kann, ist weiterhin eine Antenne 8 für das Aussenden von Mikrowellenstrahlung angeordnet (gezeigt ist ein Querschnitt durch eine Schleife aus der 4). Die Schleife kann dabei auch ein Heizelement 9 umfassen, mit welchem die Zwischenträgereinrichtung 7 auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden kann. Der Innenraum zwischen den Trägereinrichtungen 4 und 6 ist vorteilhaft gegenüber den Außenbereichen abgeschlossen, wobei die Randbereiche zwischen den Trägereinrichtungen verschlossen sind und das Filterelement 5 sowie die Lichtquelle L direkt an die Öffnungen H anschließen.A first carrier device 4 includes a first cavity 4a with interior walls 4b and a second carrier device 6 includes a second cavity 6a with interior walls 6b , The second carrier device 6 is on the first carrier device 4 arranged so that the two cavities form an interior, such as a cavity, and a luminescent sample 2 completely enclose. The sample 2 is on an intermediate carrier 7 arranged on the first support means 4 is arranged and the first cavity 4a completely overstretched. In the first carrier device 4 and the second support means 6 it is advantageous to semiconductor chips, but also other carrier materials are possible. The second carrier device 6 is advantageously fixed on the first support means, in particular firmly connected thereto. In this case, the second carrier device 6 also firmly on the intermediate carrier unit 7 be arranged, or the second cavity 6a is wider than the first cavity 4a so that the intercarrier device 7 on the first carrier device 4 is attached, wherein the second support means 6 only outside the intermediate carrier device 7 on the first carrier device 4 is put on. The carrier devices can advantageously be glued or bonded to one another. Furthermore, the first carrier unit comprises 4 an opening H through which light from an external light source L into the interior and thus to the test 2 to stimulate this is blasted. After excitation, the sample radiates 2 an emission radiation e which is due to scattering or reflection on the inner walls 4b and 6b through an opening H in the second carrier device 6 to the optical filter element 5 and the photodetective element 3 arrives. The openings H can advantageously be incorporated in the Si substrate of the first and / or second carrier device ( 4 . 6 ) are introduced as directed (trench) openings. The intermediate carrier device 7 is advantageously transparent to the light from the light source L as well as for the emission radiation e from the sample 2 , The intermediate carrier device 7 advantageously comprises perforations, by which a thermal decoupling of the sample 2 can be reached from an outdoor area. On the intermediate carrier 7 which, for example, as a membrane between two semiconductor chips 4 and 7 can be executed, is still an antenna 8th arranged for the emission of microwave radiation (shown is a cross section through a loop of the 4 ). The loop can also be a heating element 9 include, with which the intermediate carrier device 7 can be kept at a predetermined temperature. The interior between the carrier devices 4 and 6 is advantageously completed over the outer areas, wherein the edge regions between the support means are closed and the filter element 5 as well as the light source L directly to the openings H connect.

6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 shows a schematic sectional view of an optical sensor device according to another embodiment of the present invention.

Die Sensorvorrichtung aus der 6 unterscheidet sich von der Anordnung aus der 5 dadurch, dass die Sensorvorrichtung in der 6 nur eine erste Trägereinrichtung 4 mit einer ersten Kavität 4a umfasst. Das photodetektive Element 3 ist mit einem optischen Filterelement 5 versehen, wobei beide eine Halbkugelform aufweisen und oberhalb der Probe 2, der ersten Trägereinrichtung 4 gegenüber, angeordnet sind. Das Licht zur Anregung der Probe 2 wird von einer Lichtquelle L ausgestrahlt, welche seitlich von der Probe 2 versetzt und separat angeordnet ist. Die Probe 2 ist zur thermischen und Spannungsentkopplung auf einer Zwischenträgereinrichtung 7 über der ersten Kavität 4a platziert. Hierbei ist die erste Kavität 4a streuend oder spiegelnd ausgebildet.The sensor device of the 6 differs from the arrangement of the 5 in that the sensor device in the 6 only a first carrier device 4 with a first cavity 4a includes. The photodetective element 3 is with an optical filter element 5 both having a hemispherical shape and above the sample 2 , the first carrier device 4 opposite, are arranged. The light to excite the sample 2 is emitted by a light source L, which laterally from the sample 2 offset and arranged separately. The sample 2 is for thermal and stress decoupling on an intermediate carrier device 7 over the first cavity 4a placed. Here is the first cavity 4a formed scattering or specular.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above with reference to the preferred embodiment, it is not limited thereto but may be modified in a variety of manners.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • EP 2261641 A2 [0004]EP 2261641 A2 [0004]

Claims (15)

Optische Sensorvorrichtung (1), umfassend - eine erste Trägereinrichtung (4) mit einer ersten Kavität (4a), - eine lumineszierende Probe (2), welche zum Abstrahlen einer Emissionsstrahlung (E) anregbar ist, und welche innerhalb der ersten Kavität (4a) oder in einer Öffnungsrichtung der ersten Kavität (4a) an die erste Kavität (4a) angrenzend angeordnet ist, - zumindest ein photodetektives Element (3; 3a, 3b), welches dazu eingerichtet ist, die Emissionsstrahlung (E) der lumineszierenden Probe (2) zu detektieren, und - ein optisches Filterelement (5; 5a, 5b), welches für die Emissionsstrahlung (E) der lumineszierenden Probe (2) durchlässig ist, und welches zwischen dem photodetektiven Element (3; 3a, 3b) und der lumineszierenden Probe (2) angeordnet ist.Optical sensor device (1) comprising a first carrier device (4) having a first cavity (4a), a luminescent sample (2) which can be excited to emit an emission radiation (E) and which is arranged adjacent to the first cavity (4a) within the first cavity (4a) or in an opening direction of the first cavity (4a), at least one photodetective element (3; 3a, 3b), which is set up to detect the emission radiation (E) of the luminescent sample (2), and - an optical filter element (5; 5a, 5b) which is transparent to the emission radiation (E) of the luminescent sample (2) and which is arranged between the photodetective element (3; 3a, 3b) and the luminescent sample (2) , Optische Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1, welche eine zweite Trägereinrichtung (6) umfasst, welche auf der ersten Trägereinrichtung (4) angeordnet ist, wobei die lumineszierende Probe (2) innerhalb der ersten Kavität (4a) und/oder innerhalb einer zweiten Kavität (6a) der zweiten Trägereinrichtung (6) angeordnet ist, und die erste Trägereinrichtung (4) und die zweite Trägereinrichtung (6) die lumineszierende Probe (2) zumindest teilweise umschließen und gegenüber einem Außenbereich der optischen Sensorvorrichtung (1) abschirmen.Optical sensor device (1) according to Claim 1 which comprises a second carrier device (6) which is arranged on the first carrier device (4), wherein the luminescent sample (2) is arranged within the first cavity (4a) and / or within a second cavity (6a) of the second carrier device (6 ), and the first support means (4) and the second support means (6) at least partially enclose the luminescent sample (2) and shield it from an outside of the optical sensor device (1). Optische Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, welche ein erstes Spiegelelement (10a) umfasst, wobei das erste Spiegelelemet (10a) zumindest an einer Innenwand (4b) der ersten Kavität (4a) oder einer Innenwand (6b) der zweiten Kavität (6a) angeordnet ist.Optical sensor device (1) according to Claim 1 or 2 which comprises a first mirror element (10a), wherein the first mirror element (10a) is arranged at least on an inner wall (4b) of the first cavity (4a) or an inner wall (6b) of the second cavity (6a). Optische Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, soweit rückbezogen auf Anspruch 2, welche ein zweites Spiegelelement (10b) umfasst, wobei das zweite Spiegelelement (10b) auf einer der ersten Trägereinrichtung (4) zugewandten Seite (6c) der zweiten Trägereinrichtung (6) angeordnet ist, wobei das zweite Spiegelelement (10b) die erste Kavität (4a) der ersten Trägereinrichtung (4) zumindest teilweise abdeckt.Optical sensor device (1) according to Claim 2 or 3 , as far as referring back to Claim 2 which comprises a second mirror element (10b), the second mirror element (10b) being arranged on a side (6c) of the second carrier device (6) facing the first carrier device (4), the second mirror element (10b) being the first cavity (10b). 4a) of the first carrier device (4) at least partially covers. Optische Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 2, 3 und 4, wobei die lumineszierende Probe (2) zumindest teilweise von dem ersten Spiegelelement (10a) zusammen mit dem zweiten Spiegelelement (10b) umgeben ist.Optical sensor device (1) according to Claim 2 . 3 and 4 wherein the luminescent sample (2) is at least partially surrounded by the first mirror element (10a) together with the second mirror element (10b). Optische Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher das photodetektive Element (3a) flächig ausgeformt ist, an zumindest einer Innenwand (4b) der ersten Kavität (4a) oder einer Innenwand (6b) der zweiten Kavität (6a) angeordnet ist und diese zumindest teilweise bedeckt.Optical sensor device (1) according to one of Claims 1 to 5 in which the photodetective element (3a) is formed flat on at least one inner wall (4b) of the first cavity (4a) or an inner wall (6b) of the second cavity (6a) is arranged and at least partially covered. Optische Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, soweit rückbezogen auf Anspruch 2 oder 3, bei welcher das photodetektive Element (3b) flächig ausgeformt ist und auf einer der ersten Trägereinrichtung (4) zugewandten Seite (6c) der zweiten Trägereinrichtung (6) angeordnet ist und die erste Kavität (4a) zumindest teilweise abdeckt.Optical sensor device (1) according to one of Claims 2 to 6 , as far as referring back to Claim 2 or 3 in which the photodetective element (3b) is formed flat and is arranged on one of the first carrier device (4) facing side (6c) of the second carrier device (6) and at least partially covers the first cavity (4a). Optische Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend eine Zwischenträgereinrichtung (7), welche auf der ersten Trägereinrichtung (4) angeordnet ist, so dass die Zwischenträgereinrichtung (7) die erste Kavität (4a) überspannt, wobei die lumineszierende Probe (2) auf der Zwischenträgereinrichtung (7) angeordnet ist.Optical sensor device (1) according to one of Claims 1 to 7 , comprising an intermediate carrier device (7), which is arranged on the first carrier device (4), so that the intermediate carrier device (7) spans the first cavity (4a), wherein the luminescent sample (2) is arranged on the intermediate carrier device (7). Optische Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 7, welche eine Antenne (8), welche zur Abstrahlung von Mikrowellenstrahlen eingerichtet ist, und/oder ein Heizelement (9) umfasst, welche(s) auf der Zwischenträgereinrichtung (7) angeordnet ist/sind.Optical sensor device (1) according to Claim 7 which comprises an antenna (8) adapted to emit microwave radiation and / or a heating element (9) disposed on the intermediate support means (7). Optische Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher die lumineszierende Probe (2) eine Diamantstruktur mit Stickstoff-Vakanz-Zentren umfasst und von der ersten Trägereinrichtung (4) und/oder von der zweiten Trägereinrichtung (6) beabstandet ist.Optical sensor device (1) according to one of Claims 1 to 9 in which the luminescent sample (2) comprises a diamond structure with nitrogen vacancy centers and is spaced from the first support means (4) and / or from the second support means (6). Optische Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher die erste Trägereinrichtung (4) und/oder die zweite Trägereinrichtung (6) einen Halbleiterchip und/oder ein Silizium-Substrat umfasst.Optical sensor device (1) according to one of Claims 1 to 10 in which the first carrier device (4) and / or the second carrier device (6) comprises a semiconductor chip and / or a silicon substrate. Optische Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welcher die erste Trägereinrichtung (4) und/oder die zweite Trägereinrichtung (6) eine Öffnung (H) umfasst, durch welche die lumineszierende Probe (2) mit Licht bestrahlbar ist.Optical sensor device (1) according to one of Claims 1 to 11 in which the first carrier device (4) and / or the second carrier device (6) comprises an opening (H) through which the luminescent sample (2) can be irradiated with light. Verwendung einer optischen Sensorvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 als Magnetfeldsensor in einer mobilen oder tragbaren Vorrichtung.Use of an optical sensor device (1) according to one of the preceding Claims 1 to 12 as a magnetic field sensor in a mobile or portable device. Verfahren zur Herstellung einer optischen Sensorvorrichtung (1) umfassend die Schritte: - S1) Bereitstellen einer ersten Trägereinrichtung (4) mit einer ersten Kavität (4a); - S2) Anordnen einer lumineszierenden Probe (2) innerhalb der ersten Kavität (4a) oder in einer Öffnungsrichtung der ersten Kavität (4a) an die erste Kavität (4a) angrenzend; - S3) Anordnen eines photodetektiven Elements (3; 3a, 3b) in einer fokussierenden Richtung der Emissionsstrahlung (E) der lumineszierenden Probe (2); - S4) Anordnen eines optischen Filterelements (5; 5a, 5b), so dass das optische Filterelement zwischen dem photodetektiven Element (3; 3a, 3b) und der lumineszierenden Probe (2) angeordnet ist.Method for producing an optical sensor device (1), comprising the steps: - S1) providing a first carrier device (4) with a first cavity (4a); - S2) arranging a luminescent sample (2) within the first cavity (4a) or in an opening direction of the first cavity (4a) adjacent to the first cavity (4a); - S3) arranging a photodetective element (3; 3a, 3b) in a focusing direction of the emission radiation (E) of the luminescent sample (2); - S4) arranging an optical filter element (5; 5a, 5b) such that the optical filter element is arranged between the photodetective element (3; 3a, 3b) and the luminescent sample (2). Verfahren nach Anspruch 14, bei dem - im Verfahrensschritt S2 eine Zwischenträgereinrichtung (7) auf der ersten Trägereinrichtung (4) angeordnet wird, so dass die Zwischenträgereinrichtung (7) die erste Kavität (4a) überspannt, und die lumineszierende Probe (2) auf der Zwischenträgereinrichtung (7) angeordnet wird.Method according to Claim 14 in which - in method step S2, an intermediate carrier device (7) is arranged on the first carrier device (4) such that the intermediate carrier device (7) spans the first cavity (4a) and the luminescent sample (2) on the intermediate carrier device (7) is arranged.
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