DE102018216033A1

DE102018216033A1 - Sensor device

Info

Publication number: DE102018216033A1
Application number: DE102018216033.3A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Amberger; Andreas Brenneis; Radoslav Rusanov; Robert Roelver
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2020-03-26
Also published as: WO2020057890A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (100), umfassend• eine Sensormaterialschicht (105), welche mindestens ein Farbzentrum umfasst,• eine Beleuchtungseinrichtung (103) zur optischen Anregung des mindestens einen Farbzentrums und• eine Detektionseinrichtung (104) zur Detektion einer von dem mindestens einen Farbzentrum emittierbaren elektromagnetischen Strahlung,• wobei die Sensorvorrichtung (100) ein erstes Trägerelement (101) und ein zweites Trägerelement (102) umfasst, wobei die Beleuchtungseinrichtung (103) auf dem ersten Trägerelement (101) auf einer dem zweiten Trägerelement (102) zugewandten ersten Seite (101') angeordnet ist und wobei die Detektionseinrichtung (104) auf dem zweiten Trägerelement (102) auf einer dem ersten Trägerelement (101) zugewandten zweiten Seite (102') angeordnet ist, und• wobei die Sensormaterialschicht (105) zwischen der Beleuchtungseinrichtung (103) und der Detektionseinrichtung (104) angeordnet ist.The invention relates to a sensor device (100), comprising • a sensor material layer (105), which comprises at least one color center, • an illumination device (103) for optically exciting the at least one color center, and • a detection device (104) for detecting one of the at least one Color center of emittable electromagnetic radiation, • wherein the sensor device (100) comprises a first carrier element (101) and a second carrier element (102), the illumination device (103) on the first carrier element (101) on a first carrier element facing the second carrier element (102) Side (101 ') is arranged and wherein the detection device (104) is arranged on the second carrier element (102) on a second side (102') facing the first carrier element (101), and • the sensor material layer (105) between the lighting device (103) and the detection device (104) is arranged.

Description

Stand der TechnikState of the art

In US 2015/0192532 A1 ist ein on-chip Sensor gezeigt, der eine Diamantschicht mit Farbzentren und einen Diodenlaser umfasst, die auf einem gemeinsamen Chipsubstrat aufgebracht sind.In US 2015/0192532 A1 an on-chip sensor is shown, which comprises a diamond layer with color centers and a diode laser, which are applied to a common chip substrate.

Kern und Vorteile der ErfindungCore and advantages of the invention

Die Ausnutzung von Stickstoff-Fehlstellen-Defektzentren, unter anderem auch Nitrogen-Vacancy Zentren oder NV-Zentren genannt, in Diamant zur Messung von Magnetfeldern ist ein bekanntes Messprinzip. Es hat sich in ersten grundlegenden Experimenten gezeigt, dass NV-Zentren mit ihrer hohen Magnetfeldsensitivität basierend auf der Zeeman-Aufspaltung von elektronischen Spin-Zuständen für die Anwendung als hochsensitive Magnetfeldsensorsysteme geeignet sind. Dabei werden heutzutage für die Elemente wie Lichtquelle (beispielsweise Laser-Lichtquelle) Mikrowellenquelle und Lichtdetektor üblicherweise Laborgeräte, wie z.B. Tischlaserquellen, Mikroskope, Tisch-Mikrowellenquellengeräte), die groß, teuer und nicht für mobile Anwendungen geeignet sind, verwendet. Für eine Massenanwendung, beispielsweise für industrielle, consumer oder automotive Anwendungen, wird dabei ein Sensorsystem benötigt, welches ungefähr bzw. maximal 1cm³ groß, energiesparsam und kostengünstig ist.The use of nitrogen defect defect centers, also called nitrogen vacancy centers or NV centers, in diamond for measuring magnetic fields is a well-known measuring principle. It has been shown in the first basic experiments that NV centers with their high magnetic field sensitivity based on the Zeeman splitting of electronic spin states are suitable for use as highly sensitive magnetic field sensor systems. Nowadays, laboratory devices such as table-top laser sources, microscopes, table-top microwave source devices), which are large, expensive and are not suitable for mobile applications, are used for the elements such as light source (for example laser light source), microwave source and light detector. For a mass application, for example for industrial, consumer or automotive applications, a sensor system is required which is approximately or a maximum of 1 cm ^{3 in} size, is energy-efficient and inexpensive.

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine kompakte, energieeffiziente und kostengünstige Sensorvorrichtung bereitgestellt wird.The invention relates to a sensor device. An advantage of the invention is that a compact, energy-efficient and inexpensive sensor device is provided.

Dies wird erreicht mit einer Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung eine Sensormaterialschicht umfasst. Die Sensormaterialschicht umfasst mindestens ein Farbzentrum. Des Weiteren umfasst die Sensorvorrichtung eine Beleuchtungseinrichtung zur optischen Anregung des mindestens einen Farbzentrums und eine Detektionseinheit zur Detektion einer von dem mindestens einen Farbzentrum emittierbaren elektromagnetischen Strahlung. Die Sensorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein erstes Trägerelement und ein zweites Trägerelement umfasst, wobei die Beleuchtungseinrichtung auf dem ersten Trägerelement auf einer dem zweiten Trägerelement zugewandten ersten Seite angeordnet ist und wobei die Detektionseinrichtung auf dem zweiten Trägerelement auf einer dem ersten Trägerelement zugewandten zweiten Seite angeordnet ist. Des Weiteren zeichnet sich die Sensorvorrichtung dadurch aus, dass die Sensormaterialschicht zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der Detektionseinrichtung angeordnet ist. Ein Vorteil ist, dass die Sensorvorrichtung in hohen Stückzahlen und unter Verwendung herkömmlicher Aufbau- und Verbindungsmethoden gefertigt werden kann. Des Weiteren sind die Beleuchtungseinrichtung und die Detektionseinrichtung vorteilhafterweise vor äußeren Einflüssen geschützt, wodurch die Robustheit der Sensorvorrichtung verbessert wird.This is achieved with a sensor device according to claim 1, wherein the sensor device comprises a sensor material layer. The sensor material layer comprises at least one color center. Furthermore, the sensor device comprises an illumination device for the optical excitation of the at least one color center and a detection unit for the detection of electromagnetic radiation which can be emitted by the at least one color center. The sensor device is characterized in that it comprises a first carrier element and a second carrier element, the illumination device being arranged on the first carrier element on a first side facing the second carrier element and the detection device on the second carrier element being on a second side facing the first carrier element Side is arranged. Furthermore, the sensor device is characterized in that the sensor material layer is arranged between the lighting device and the detection device. One advantage is that the sensor device can be manufactured in large numbers and using conventional construction and connection methods. Furthermore, the lighting device and the detection device are advantageously protected against external influences, which improves the robustness of the sensor device.

Die Sensormaterialschicht kann gemäß einer Ausführungsform Diamant mit zumindest einem negativ geladenem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum umfassen. Ein negativ geladenes Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum kann eine Stickstoffeinlagerung in ein Kristallgitter des Diamanten und eine zu der Stickstoffeinlagerung benachbarte Fehlstelle in dem Kristallgitter sein, das ein zusätzliches Elektron eingefangen hat. Das negativ geladene Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum weist eine Empfindlichkeit für ein magnetisches Feld, wie es beispielsweise auch von einem stromdurchflossenen Leiter ausgeht auf. Zumindest eine zu einem lokalen Minimum einer Fluoreszenz (=eingestrahlte Mikrowellenfrequenz), beziehungsweise eines Spektrums einer optisch detektierten magnetischen Resonanz des Diamantmaterials, zugeordnete Anregungsfrequenz (=eingestrahlte Mikrowellenfrequenz) verschiebt sich proportional zu einer magnetischen Feldstärke des Magnetfelds. Die magnetische Feldstärke kann beispielsweise einfach in eine das Magnetfeld verursachende Stromstärke oder eine andere mit dem Magnetfeld über einen physikalischen Zusammenhang in Verbindung stehende physikalische Größe, umgerechnet werden, beispielsweise unter Verwendung einer vorbestimmten V erarbeitu ngsvorschrift.According to one embodiment, the sensor material layer can comprise diamond with at least one negatively charged nitrogen vacancy center. A negatively charged nitrogen vacancy center can be nitrogen intercalation in a crystal lattice of the diamond and a vacancy adjacent to the nitrogen intercalation in the crystal lattice that has captured an additional electron. The negatively charged nitrogen vacancy center has a sensitivity to a magnetic field, such as that also emanates from a current-carrying conductor. At least one excitation frequency (= irradiated microwave frequency) assigned to a local minimum of fluorescence (= incident microwave frequency) or a spectrum of an optically detected magnetic resonance of the diamond material shifts in proportion to a magnetic field strength of the magnetic field. The magnetic field strength can, for example, simply be converted into a current strength which causes the magnetic field or another physical quantity connected to the magnetic field via a physical connection, for example using a predetermined processing regulation.

Ein ähnlicher Effekt tritt auch in Silizium-Vakanz-Zentren bzw. SiV-Zentren in Siliziumcarbid (SiC) auf. Auch hier ist eine Zeeman-Aufspaltung einzelner, quantisierter Energieniveaus durch Änderungen in der Fluoreszenz bei bestimmten eingestrahlten Mikrowellenfrequenzen detektierbar, und darauf eine Magnetfeldstärke bestimmbar.A similar effect also occurs in silicon vacancy centers or SiV centers in silicon carbide (SiC). Here, too, a Zeeman splitting of individual, quantized energy levels can be detected by changes in the fluorescence at certain irradiated microwave frequencies, and a magnetic field strength can be determined thereon.

Neben den hier dargestellten beispielhaften Farbzentren bzw. Fehlstellen-Vakanz-Zentren können auch andere Farbzentren beispielsweise in SiC, Diamant oder Bornitrid als Sensormaterialschicht, insbesondere zur Magnetfeldmessung über den Zeeman-Effekt genutzt werden.In addition to the exemplary color centers or vacancy centers shown here, other color centers, for example in SiC, diamond or boron nitride, can also be used as a sensor material layer, in particular for magnetic field measurement via the Zeeman effect.

Die optische Anregung erfolgt bei der Sensorvorrichtung durch die Beleuchtungseinrichtung, wobei die Beleuchtungseinrichtung beispielsweise eine LED (Leuchtdiode) und/oder einen Oberflächenemitter (VCSEL, englisch: vertical-cavity surface-emitting laser) umfasst.In the case of the sensor device, the optical excitation is provided by the lighting device, the lighting device comprising, for example, an LED (light-emitting diode) and / or a surface emitter (VCSEL, vertical vertical-cavity-emitting laser).

Die Detektionseinheit kann beispielsweise einen Strahlungssensor umfassen. Als Strahlungssensoren eignen sich beispielsweise halbleiterbasierte Detektorelemente, Fotodioden, integrierte Fotodioden oder Bolometer. Strahlungssensoren können in Abhängigkeit einer Eigenschaft der auf den Strahlungssensor auftreffenden elektromagnetischen Strahlung ein elektrisches Detektionssignal ausgeben, welches ein Maß für die Strahlungseigenschaft ist. Strahlungssensoren können beispielsweise eine Intensität oder eine Energieflussdichte der von der Sensormaterialschicht bzw. dem mindestens einen Farbzentrum kommenden elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise der Fluoreszenz der Sensormaterialschicht bzw. des mindestens einen Farbzentrums, detektieren.The detection unit can comprise, for example, a radiation sensor. Semiconductor-based detector elements, photodiodes, integrated ones, for example, are suitable as radiation sensors Photodiodes or bolometers. Depending on a property of the electromagnetic radiation impinging on the radiation sensor, radiation sensors can output an electrical detection signal which is a measure of the radiation property. Radiation sensors can, for example, detect an intensity or an energy flux density of the electromagnetic radiation coming from the sensor material layer or the at least one color center, for example the fluorescence of the sensor material layer or the at least one color center.

Vorteilhaft ist, dass die dem Messprinzip der Sensorvorrichtung zugrundeliegende Zeemann-Aufspaltung der elektronischen Zustände, beispielsweise für NV-Zentrum in Diamant, in einem extrem hohen Feldstärkebereich linear auf externe Magnetfelder reagiert und die Sensorvorrichtung somit auch für präzise Messung elektrischer Ströme oder anderer physikalischer Größen, die mit einem Magnetfeld direkt oder indirekt in Zusammenhang stehen, in einem extrem großen Messbereich geeignet ist.It is advantageous that the Zeemann splitting of the electronic states on which the sensor device is based, for example for the NV center in diamond, reacts linearly to external magnetic fields in an extremely high field strength range and the sensor device thus also for precise measurement of electrical currents or other physical quantities. which are directly or indirectly related to a magnetic field, is suitable in an extremely large measuring range.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Sensormaterialschicht Stickstoff-Fehlstelle-Defekt Zentren in Diamant, alternativ oder ergänzend umfasst die Sensormaterialschicht Siliziumcarbid mit mindestens einen fluoreszierenden Defekt.According to one embodiment, the sensor material layer comprises nitrogen defect defect centers in diamond, alternatively or additionally, the sensor material layer comprises silicon carbide with at least one fluorescent defect.

Gemäß einer Ausführungsform zeichnet sich die Sensorvorrichtung dadurch aus, dass das erste Trägerelement und das zweite Trägerelement durch eine Haltestruktur voneinander beabstandet sind. Ein Vorteil ist, dass somit die Sensormaterialschicht, die Beleuchtungseinrichtung und die Detektionseinrichtung vor äußeren Einflüssen geschützt werden und somit eine robuste Realisierung der Sensorvorrichtung ermöglicht wird. Des Weiteren kann in der Haltestruktur beispielsweise mindestens eine Durchkontaktierung vorgesehen sein, die eine Weiterleitung elektrischer Signale oder Ströme (z.B. Versorgungsstrom für die Beleuchtungseinrichtung oder für die Detektionseinrichtung) zwischen den beiden Trägerelementen bzw. den darauf angeordneten Komponenten der Sensorvorrichtung ermöglichen. Somit ist vorteilhafterweise ein sehr kompakter, kleinbauender und kostengünstiger Aufbau der Sensorvorrichtung realisierbar.According to one embodiment, the sensor device is characterized in that the first carrier element and the second carrier element are spaced apart from one another by a holding structure. An advantage is that the sensor material layer, the lighting device and the detection device are thus protected from external influences and thus a robust implementation of the sensor device is made possible. Furthermore, at least one through-contacting can be provided in the holding structure, for example, which enables electrical signals or currents (for example supply current for the lighting device or for the detection device) to be forwarded between the two carrier elements or the components of the sensor device arranged thereon. A very compact, small-sized and inexpensive construction of the sensor device can thus advantageously be realized.

Beispielsweise können das erste Trägerelement und/oder das zweite Trägerelement als Trägerplatte oder Trägerschicht ausgebildet sein.For example, the first carrier element and / or the second carrier element can be designed as a carrier plate or carrier layer.

Eine Leiterplatte, auch Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung (englisch printed circuit board, PCB) genannt, ist ein Träger für elektronische Bauteile. Sie kann zur mechanischen Befestigung und/oder elektrischen Verbindung von Bauteilen verwendet werden. Leiterplatten können beispielsweise eine Platte aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden, leitenden Verbindungen, sogenannten Leiterbahnen, umfassen. Als isolierendes Material kann beispielsweise faserverstärkter Kunststoff oder Hartpapier verwendet werden. Die Leiterbahnen können beispielsweise aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt werden. Die Bauteile, die auf die Leiterplatte aufgebracht werden sollen, werden auf Lötflächen (Pads) oder in Lötaugen gelötet. So werden sie an diesen „footprints“ gleichzeitig mechanisch gehalten und elektrisch verbunden. Beispiele für Leiterplatten sind unter anderem einseitige Leiterplatten, zweiseitige Leiterplatten oder Multilayer Leiterplatten.A printed circuit board, also called printed circuit board, is a carrier for electronic components. It can be used for mechanical fastening and / or electrical connection of components. Printed circuit boards can comprise, for example, a board made of electrically insulating material with conductive connections, so-called conductor tracks, adhering to it. For example, fiber-reinforced plastic or hard paper can be used as the insulating material. The conductor tracks can, for example, be etched from a thin layer of copper. The components that are to be applied to the printed circuit board are soldered on soldering pads (pads) or in pads. In this way, they are mechanically held and electrically connected to these “footprints” at the same time. Examples of printed circuit boards include one-sided printed circuit boards, two-sided printed circuit boards or multilayer printed circuit boards.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen das erste Trägerelement, das zweite Trägerelement und/oder die Haltestruktur mindestens eine Leiterplatte. Ein Vorteil ist, dass somit bei der Herstellung der Sensorvorrichtung PCBbasierte Aufbau- und Verbindungsmethoden verwendet werden können. Damit ist eine Herstellung von hohen Stückzahlen (gute Skalierbarkeit) zu geringen Kosten realisierbar. Außerdem erlaubt die PCB-Technologie die starke Integration (kleine Baugröße) von kommerziell verfügbaren und damit kostengünstigen Elementen, wie z. B. selbst nicht verpackten, d. h. nichtgepackagten, Elementen, wie beispielsweise bare-Die, als Lichtquelle, Mikrowellenquellen-Chip, Lichtdetektor, etc., so dass eine kostenintensive single-Die oder Hybridintegration nicht erforderlich ist. D.h. es ist bei der Herstellung der Sensorvorrichtung keine eigene Aufbau- und Verbindungstechnik für die Komponenten (Beleuchtungseinrichtung, Mikrowellenquelle, gegebenenfalls optischen Elementen, Detektionseinheit, etc.) notwendig. Des Weiteren können beispielsweise auch Mikrowellenantennenelemente auf der mindestens einen Leiterplatten angeordnet werden. Dadurch wird nicht nur die Realisierung von kleinbauenden kostengünstigen Sensorvorrichtung, sondern auch der Schutz der auf den Leiterplatten angeordneten Komponenten vor äußeren Einflüssen ermöglicht. Die Verwendung von einer PCB-basierten Verbindungs- und Aufbautechnik ist nicht nur auf die Verwendung von NV-Zentren-im-Diamant-Sensormaterialschichten beschränkt, sondern kann auch in anderen ähnlichen Systemen Anwendung finden. Z.B. bei elektrisch angeregten, fluoreszierenden Defekten in SiC oder den zuvor genannten Systemen.According to a further embodiment, the first carrier element, the second carrier element and / or the holding structure comprise at least one printed circuit board. One advantage is that PCB-based assembly and connection methods can thus be used in the manufacture of the sensor device. This makes it possible to manufacture large quantities (good scalability) at low costs. In addition, the PCB technology allows the strong integration (small size) of commercially available and therefore inexpensive elements, such as. B. itself not packaged, d. H. non-packaged elements, such as bare-die, as a light source, microwave source chip, light detector, etc., so that cost-intensive single-die or hybrid integration is not required. I.e. no separate assembly and connection technology for the components (lighting device, microwave source, possibly optical elements, detection unit, etc.) is necessary in the manufacture of the sensor device. Furthermore, for example, microwave antenna elements can also be arranged on the at least one printed circuit board. This not only enables the realization of small-scale, inexpensive sensor devices, but also the protection of the components arranged on the printed circuit boards from external influences. The use of a PCB-based connection and assembly technique is not only limited to the use of NV centers in diamond sensor material layers, but can also be used in other similar systems. E.g. in the case of electrically excited, fluorescent defects in SiC or the aforementioned systems.

Wird als Haltestruktur eine Leiterplatte verwendet, so kann diese Aussparungen aufweisen und somit zusammen mit dem ersten Trägerelement und im zweiten Trägerelement einen Hohlraum bilden. Des Weiteren kann mittels der Haltestruktur so auf einfache Weise eine Weiterleitung elektrischer Signale und elektrischer Ströme zwischen dem ersten Trägerelement und dem zweiten Trägerelement realisiert werden.If a printed circuit board is used as the holding structure, it can have cutouts and thus form a cavity together with the first carrier element and in the second carrier element. Furthermore, the holding structure can be used to easily forward electrical signals and electrical currents between the first carrier element and the second carrier element.

In einer Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung eine Mikrowellenerzeugungseinrichtung zum Beaufschlagen der Sensormaterialschicht mit Mikrowellenstrahlung. Die Mikrowellenerzeugungseinrichtung kann beispielsweise auf dem ersten Trägerelement oder dem zweiten Trägerelement angeordnet sein. Die Mikrowellenerzeugungseinrichtung kann beispielsweise einen Mikrowellenquelle-Chip und mindestens eine Mikrowellenleiterstruktur umfassen, welche die Mikrowellenstrahlung in die Sensormaterialschicht einkoppelt. Des Weiteren kann die Mikrowellenerzeugungseinrichtung zur Mikrowellenanregung der Farbzentren der Sensormaterialschicht Zuleitungen zwischen dem Mikrowellenquelle-Chip und der mindestens einen Mikrowellenantenne umfassen. Ein Vorteil ist, dass die Sensorvorrichtung somit sehr kompakt gebaut und die Mikrowellenerzeugungseinrichtung vor störenden Einflüssen der Umgebung geschützt werden kann. In one embodiment, the sensor device comprises a microwave generating device for applying microwave radiation to the sensor material layer. The microwave generating device can be arranged, for example, on the first carrier element or the second carrier element. The microwave generating device can comprise, for example, a microwave source chip and at least one microwave guide structure, which couples the microwave radiation into the sensor material layer. Furthermore, the microwave generating device for microwave excitation of the color centers of the sensor material layer can comprise feed lines between the microwave source chip and the at least one microwave antenna. An advantage is that the sensor device can thus be built in a very compact manner and the microwave generating device can be protected against disturbing influences from the environment.

In einer Ausführungsform kann die Mikrowellenerzeugungseinrichtung eine erste Mikrowellenleiterstruktur auf dem ersten Trägerelement und eine zweite Mikrowellenleiterstruktur auf dem zweiten Trägerelement umfassen, welche in Form einer Helmholtz-Spulen-Anordnung angeordnet sind und zur Einkopplung der Mikrowellenstrahlung in die Sensorschicht dienen. Ein Vorteil ist, dass somit ein homogenes Mikrowellenfeld zwischen dem ersten Trägerelement und dem zweiten Trägerelement in den Bereich, in dem die Sensormaterialschicht angeordnet ist, erzeugt werden kann und somit die Zuverlässigkeit und Sensitivität der Messergebnisse der Sensorvorrichtung erhöht werden können.In one embodiment, the microwave generating device can comprise a first microwave guide structure on the first carrier element and a second microwave guide structure on the second carrier element, which are arranged in the form of a Helmholtz coil arrangement and are used to couple the microwave radiation into the sensor layer. An advantage is that a homogeneous microwave field can thus be generated between the first carrier element and the second carrier element in the region in which the sensor material layer is arranged, and the reliability and sensitivity of the measurement results of the sensor device can thus be increased.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung eine Auswerteeinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung auf dem ersten Trägerelement oder dem zweiten Trägerelement angeordnet ist. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise einen Mikrocontroller oder einen Mikrocontroller-Chip umfassen. Dieser kann beispielsweise zur Ansteuerung einzelner Komponenten, wie die Beleuchtungseinrichtung und/oder die Detektionseinrichtung, eingerichtet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet sein, Signale, welche von der Detektionseinrichtung kommen, auszuwerten. Beispielsweise kann ein elektrisches Signal, welches ein Maß für die von der Sensormaterialschicht emittierte elektromagnetische Strahlung ist, ausgewertet werden. Insbesondere kann die Mikrowellenfrequenz ermittelt werden, bei der ein Minimum im Signalverlauf, welcher beispielsweise einen Auftrag einer die elektromagnetische Strahlung repräsentierende Größe (z. B. Intensität) über der Mikrowellenfrequenz umfasst, auftritt. Mittels beispielsweise einer Kennlinie kann aus der Änderung der Lage des Minimums gegenüber einem Referenzwert bzw. anhand des Abstands zweier Minima im Signalverlauf anhand einer Kennlinie die Magnetfeldstärke ermittelt werden. Das Ergebnis kann von der Auswerteeinrichtung ausgegeben werden oder an eine Ausgabeeinheit, wie beispielsweise ein Display übertragen werden. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerteeinrichtung eine Kommunikationsschnittstelle umfassen, um Daten von der Sensorvorrichtung zu einer bezüglich der Sensorvorrichtung externen Einheit, wie beispielsweise einer Cloud oder einer bezüglich der Sensorvorrichtung externen Recheneinrichtung oder einer bezüglich der Sensorvorrichtung externen Auswerteeinrichtung zu übertragen. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung auf dem ersten Trägerelement auf der gleichen Seite (erste Seite) wie die Beleuchtungseinrichtung oder auf dem zweiten Trägerelement auf der gleichen Seite (zweite Seite) wie die Detektionseinheit angeordnet sein.According to one embodiment, the sensor device comprises an evaluation device, the evaluation device being arranged on the first carrier element or the second carrier element. The evaluation device can comprise, for example, a microcontroller or a microcontroller chip. This can be set up, for example, to control individual components, such as the lighting device and / or the detection device. As an alternative or in addition, the evaluation device can be set up to evaluate signals which come from the detection device. For example, an electrical signal, which is a measure of the electromagnetic radiation emitted by the sensor material layer, can be evaluated. In particular, the microwave frequency can be determined at which a minimum occurs in the signal curve, which for example includes an application of a variable (eg intensity) representing the electromagnetic radiation above the microwave frequency. By means of, for example, a characteristic curve, the magnetic field strength can be determined from the change in the position of the minimum relative to a reference value or based on the distance between two minima in the signal curve using a characteristic curve. The result can be output by the evaluation device or transmitted to an output unit, such as a display. As an alternative or in addition, the evaluation device can comprise a communication interface in order to transmit data from the sensor device to a unit external to the sensor device, such as a cloud or to a computing device external to the sensor device or to an evaluation device external to the sensor device. In particular, the evaluation device can be arranged on the first carrier element on the same side (first side) as the lighting device or on the second carrier element on the same side (second side) as the detection unit.

Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens ein optischer Filter auf die Sensormaterialschicht aufgebracht. Ein Vorteil ist, dass somit eine sehr kompakte Sensorvorrichtung realisiert werden kann. Der mindestens eine optische Filter kann im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der Sensormaterialschicht und/oder im Strahlengang zwischen der Sensormaterialschicht und der Detektionseinrichtung angeordnet sein. According to one embodiment, at least one optical filter is applied to the sensor material layer. One advantage is that a very compact sensor device can thus be implemented. The at least one optical filter can be arranged in the beam path between the illumination device and the sensor material layer and / or in the beam path between the sensor material layer and the detection device.

Alternativ oder ergänzend können die Beleuchtungseinrichtung und/oder die Detektionseinrichtung mindestens einen optischen Filter umfassen.Alternatively or in addition, the lighting device and / or the detection device can comprise at least one optical filter.

Alternativ oder ergänzend kann der mindestens eine optische Filter als separates Bauteil im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der Sensormaterialschicht und/oder im Strahlengang zwischen der Sensormaterialschicht und der Detektionseinrichtung angeordnet sein.Alternatively or additionally, the at least one optical filter can be arranged as a separate component in the beam path between the illumination device and the sensor material layer and / or in the beam path between the sensor material layer and the detection device.

Ein Vorteil eines optischen Filters im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der Sensormaterialschicht ist, dass somit die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung zur optischen Anregung kontrolliert bzw. festgelegt werden kann.An advantage of an optical filter in the beam path between the illumination device and the sensor material layer is that the wavelength of the electromagnetic radiation for optical excitation can thus be checked or fixed.

Ein Vorteil des mindestens einen optischen Filters im Strahlengang zwischen der Sensormaterialschicht und der Detektionseinrichtung ist, dass somit das von der Beleuchtungseinrichtung kommende Licht herausgefiltert werden kann, sodass nur die von der Sensormaterialschicht emittierte elektromagnetische Strahlung (Fluoreszenz) von der Detektionseinrichtung detektiert wird. Somit können die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit der Messung mit der Sensorvorrichtung erhöht werden.An advantage of the at least one optical filter in the beam path between the sensor material layer and the detection device is that the light coming from the lighting device can thus be filtered out, so that only the electromagnetic radiation (fluorescence) emitted by the sensor material layer is detected by the detection device. The reliability and the accuracy of the measurement with the sensor device can thus be increased.

Als Material für die Filter können farbige Gläse verwendet werden, die selektiv nur das Fluoreszenzlicht transmittieren und das Anregungslicht absorbieren (Position des Filters zwischen Sensormaterialschicht und Detektionseinrichtung) bzw. einen Anteil des Anregungslichts, der im roten Spektralbereich liegt (Wellenlänge λ > 650 nm) absorbieren (Position des Filters zw. Beleuchtungseinrichtung und Sensormaterialschicht). Des Weiteren eignen sich dielektrische Filterschichten (auch Bragg-Reflektor oder distributed bragg reflector [DBR] genannt). Diese werden aus alternierenden dünnen Dielektrika aufgebaut. Aus der Wahl der jeweiligen Schichtdicke und der alternierenden Berchungsindices kann das Reflexions- bzw. Transmissionsverhalten gezielt eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil dieser dielektrischen Filterschichten ist, dass diese direkt auf die Sensormaterialschicht aufgebracht werden können.Colored glasses that selectively transmit only the fluorescent light and absorb the excitation light (position of the filter between Absorb sensor material layer and detection device) or a portion of the excitation light which is in the red spectral range (wavelength λ> 650 nm) (position of the filter between the illumination device and sensor material layer). Dielectric filter layers (also called Bragg reflector or distributed bragg reflector [DBR]) are also suitable. These are made up of alternating thin dielectrics. The reflection and transmission behavior can be set in a targeted manner from the choice of the respective layer thickness and the alternating indices. Another advantage of these dielectric filter layers is that they can be applied directly to the sensor material layer.

Dies reduziert vorteilhafterweise das Bauvolumen des gesamten Sensors und reduziert den AVT Aufwand. Außerdem können durch eine solche skalierbare Technologie Kosten gespart werden.This advantageously reduces the overall volume of the entire sensor and reduces the AVT effort. In addition, such scalable technology can save costs.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description. The same reference symbols in the figures denote the same or equivalent elements.

Es zeigen

1 eine schematische Darstellung einer Stickstoff-Fehlstelle in einem Diamantgitter;
2 bis 7 Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften gemäß Ausführungsbeispielen; und
8 eine schematische Schnittdarstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Show it

1 a schematic representation of a nitrogen defect in a diamond lattice;
2nd to 7 Energy schemes and diagrams for fluorescence properties according to exemplary embodiments; and
8th is a schematic sectional view of a sensor device according to an embodiment.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Stickstoff-Fehlstelle 1002 in Diamant 1000. Im Diamanten 1000 sind die Kohlenstoffatome 1001 tetraedrisch gebunden, d. h. jedes Kohlenstoffatom 1001 hat vier symmetrisch ausgerichtete Bindungen zu seinen nächstliegend benachbarten Kohlenstoffatomen 1001. Eine Stickstoff-Fehlstelle 1002 ergibt sich durch Ersetzen eines Kohlenstoffatoms 1001 durch ein Stickstoff-Atom 100, wobei ein direkt benachbartes Kohlenstoffatom 1001 im Diamantgitter 1000 fehlt (Vacancy 1003) Eine negativ geladene Stickstoff-Fehlstelle hat ein zusätzliches Elektron eingefangen. 1 shows a schematic representation of a nitrogen defect 1002 in diamond 1000 . In the diamond 1000 are the carbon atoms 1001 tetrahedral bound, ie every carbon atom 1001 has four symmetrically aligned bonds to its closest neighboring carbon atoms 1001 . A nitrogen defect 1002 results from replacing a carbon atom 1001 through a nitrogen atom 100 , with a directly adjacent carbon atom 1001 in the diamond grid 1000 missing (Vacancy 1003 ) A negatively charged nitrogen vacancy has captured an additional electron.

Die 2, 4, 6 zeigen Energieschemata und die 3, 5, 7 die zugehörigen Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften in Abhängigkeit des auf das Farbzentrum wirkende Magnetfeld und der Frequenz des eingestrahlten Mikrowellenfeldes gemäß einem Ausführungsbeispiel.The 2nd , 4th , 6 show energy schemes and the 3rd , 5 , 7 the associated diagrams of fluorescence properties as a function of the magnetic field acting on the color center and the frequency of the incident microwave field according to one embodiment.

Beispielsweise weisen Stickstoff-Fehlstellen in Diamant und Siliziumvakanz-Zentren (SiV-Zentren) in Siliziumcarbid (SiC) ein in dem in 2 dargestellten Diagramm bzw. Energieschema 200 gezeigtes Energiespektrum bei Raumtemperatur auf. Im Normalzustand, d. h. ohne Mikrowellen und ohne Magnetfeld, zeigt eine Stickstoff-Fehlstelle bei optischer Anregung eine Fluoreszenz im roten Wellenlängenbereich bzw. bei einer Wellenlänge von 630 nm. Strahlt man zusätzlich zu der optischen Anregung durch das Anregungslicht 210 noch Mikrowellenstrahlung 430 bzw. das Hochfrequenzsignal 430 ein, kommt es bei ca. 2,88 GHz zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall von dem Niveau m_s=±1 des Zustandes ³A auf das Niveau 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 w₁ und w₂, im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke B ist. Eine Magnetfeldsensitivität bzw. Magnetfeldauflösung wird dabei durch eine minimal auflösbare Frequenzverschiebung definiert und kann bis 1 pT bzw. 1 pT/√Hz erreichen.For example, nitrogen vacancies in diamond and silicon vacancy centers (SiV centers) in silicon carbide (SiC) have in the in 2nd 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 in the red wavelength range or at a wavelength of 630 nm with optical excitation. In addition to the optical excitation, radiation is also emitted by the excitation light 210 still microwave radiation 430 or the high-frequency signal 430 a, there is a drop in fluorescence at about 2.88 GHz, since in this case the electrons are raised from the level m _s = ± 1 of state ³ A to the level ms = ± 1 of state ³ E and from recombine there without radiation. In the case of an external magnetic field, the level ms = ± 1 is split (Zeeman splitting) and two minima, for example w ₁ and w ₂ , appear in the fluorescence spectrum when the fluorescence is plotted against the frequency of the microwave excitation, the frequency spacing of which is proportional to magnetic field strength B is. A magnetic field sensitivity or magnetic field resolution is defined by a minimally resolvable frequency shift and can reach up to 1 pT or 1 pT / √Hz.

Neben den hier dargestellten beispielhaften Farbzentren bzw. Fehlstellen-Vakanz-Zentren können auch andere Farbzentren beispielsweise in SiC, Diamant oder Bornitrid, insbesondere zur Magnetfeldmessung über den Zeeman-Effekt genutzt werden. Auch hier ist eine Zeeman-Aufspaltung einzelner, quantisierter Energieniveaus durch Änderungen in der Fluoreszenz bei bestimmten eingestrahlten Mikrowellenfrequenzen detektierbar.In addition to the exemplary color centers or vacancy centers shown here, other color centers, for example in SiC, diamond or boron nitride, can also be used, in particular for magnetic field measurement via the Zeeman effect. Here, too, a Zeeman splitting of individual, quantized energy levels can be detected by changes in the fluorescence at certain irradiated microwave frequencies.

2 ein Energieschema 200 ohne Hochfrequenzsignalanregung bzw. Mikrowellenanregung und ohne Magnetfeldanregung, wobei Anregungslicht hv 210, ein Fluoreszenzsignal 220 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige von Elektronen besetzbare Energieniveaus ms=0 und ms=±1 für die Zustände³A und ³E Elektronen dargestellt sind. 2nd an energy scheme 200 without high-frequency signal excitation or microwave excitation and without magnetic field excitation, excitation light hv 210 , a fluorescence signal 220 and three states ³ A, ³ E and ¹ A as well as energy levels ms = 0 and ms = ± 1 which can be occupied by electrons are shown for the states ³ A and ³ E electrons.

3 zeigt ein Diagramm 300 zu dem in 2 dargestellten Energieschema. In dem Diagramm 300 ist an der Abszissenachse 302 beispielhaft eine Mikrowellenfrequenz in Megahertz (MHz) und an der Ordinatenachse 304 eine Fluoreszenz in beliebigen Einheiten aufgetragen. Ferner sind in 3 beispielhaft vier Kennlinien bzw. Graphen 310, 312, 314 und 316 dargestellt, die einen Fluoreszenzverlauf für unterschiedlich starke Magnetfelder repräsentieren, wobei ein zur Ordinatenachse 304 paralleler Pfeil 306 symbolisiert, dass das auf das System wirkende Magnetfeld B vom untersten im Diagramm 300 eingetragenen ersten Graphen 310 hin zum obersten im Diagramm 300 eingetragenen vierten Graphen 316 ansteigend ist. Der erste Graph 310 ist für ein Magnetfeld mit der Stärke 0, B=0 skizziert; der zweite Graph 312 ist für ein Magnetfeld mit der Stärke von 2,8 mT skizziert; der dritte Graph 314 zeigt ein Fluoreszenzsignal bei einem Magnetfeld mit der Stärke von 5,8 mT; der vierte Graph 316 stellt ein Fluoreszenzsignal mit der Stärke eines anliegenden Magnetfeldes von 8,3 mT. Minima des Fluoreszenzsignals sind lediglich beispielhaft für den zweiten Graphen 312 mit w₁ und w₂ bezeichnet. Eine Markierung 320 auf dem ersten Graphen 310 markiert die Parameterkombination des in 2 gezeigten Energieschema, d. h. ohne Magnetfeld (B=0) und einer Mikrowellenfrequenz f≠2,9GHz. 3rd shows a diagram 300 to the in 2nd shown energy scheme. In the diagram 300 is on the abscissa axis 302 for example a microwave frequency in megahertz (MHz) and on the ordinate axis 304 a fluorescence in arbitrary units. Furthermore, in 3rd four characteristic curves or graphs 310 , 312 , 314 and 316 shown, which represent a fluorescence curve for differently strong magnetic fields, one to the ordinate axis 304 parallel arrow 306 symbolizes that on that System acting magnetic field B from the bottom of the diagram 300 entered first graph 310 to the top of the diagram 300 entered fourth graph 316 is increasing. The first graph 310 is sketched for a magnetic field with strength 0, B = 0; the second graph 312 is sketched for a magnetic field with a strength of 2.8 mT; the third graph 314 shows a fluorescence signal in a magnetic field with the strength of 5.8 mT; the fourth graph 316 provides a fluorescence signal with the strength of an applied magnetic field of 8.3 mT. Minima of the fluorescence signal are only examples of the second graph 312 With w ₁ and w ₂ designated. A mark 320 on the first graph 310 marks the parameter combination of the in 2nd energy scheme shown, ie without magnetic field (B = 0) and a microwave frequency f ≠ 2.9GHz.

Strahlt man, wie im Energieschema in 4 dargestellt, neben der optischen Anregung noch Mikrowellenstrahlung 430 ein, kommt es, wie in 5 durch die Markierung 520 markiert, zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall von der Mikrowellenstrahlung vom m_s=0 Niveau auf das m_s=+-1 Niveau des Zustandes ³A gehoben werden und mittels Laserstrahlung auf das Niveau m_S=±1 des Zustandes ³E gehoben werden und von dort nichtstrahlend rekombinieren.You radiate like in the energy scheme in 4th shown, in addition to the optical excitation microwave radiation 430 a, it comes as in 5 through the mark 520 marked, a drop in fluorescence, since in this case the electrons are lifted from the microwave radiation from the m _s = 0 level to the m _s = + - 1 level of the state ³ A and by means of laser radiation to the level m _S = ± 1 des State ³ E are raised and recombine from there in a non-radiative manner.

5 zeigt ein Diagramm 500 zu dem Energieschema aus 4. Das Diagramm 500 in 5 entspricht hierbei bis auf die Markierung 520 dem Diagramm aus 3. Die Markierung 520 auf dem ersten Graphen 310 markiert die Parameterkombination des in 4 gezeigten Energieschema, d. h. ohne Magnetfeld (B=0) und mit einer Mikrowellenfrequenz von f=2,9GHz. Die Markierung 520 ist hierbei im Minimums des ersten Graphen 310 angeordnet. 5 shows a diagram 500 to the energy scheme 4th . The diagram 500 in 5 corresponds here except for the marking 520 the diagram 3rd . The mark 520 on the first graph 310 marks the parameter combination of the in 4th energy scheme shown, ie without magnetic field (B = 0) and with a microwave frequency of f = 2.9 GHz. The mark 520 is in the minimum of the first graph 310 arranged.

Wie in 6 dargestellt, kommt es bei Vorhandensein eines externen Magnetfeldes zur Aufspaltung des m_s=+-1 Niveaus (Zeeman Splitting) und es zeigen sich bei Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der Mikrowellenanregung (siehe Diagramm 7) zwei Minima w₁ und w₂ im Fluoreszenzspektrum. Die Minima sind in 7 beispielhaft im zweiten Graphen 312 durch die Markierungen 720 und 725 markiert. Der Frequenzabstand der Minima ist jeweils proportional zur magnetischen Feldstärke des anliegenden externen Magnetfeldes ist. Die Magnetfeldsensitivität wird dabei durch die minimal-auflösbare Frequenzverschiebung definiert und kann wenige pT/√Hz erreichen.As in 6 If an external magnetic field is present, the m _s = + - 1 level is split (Zeeman splitting) and the fluorescence is plotted against the frequency of the microwave excitation (see diagram 7 ) two minima w ₁ and w ₂ in the fluorescence spectrum. The minima are in 7 exemplary in the second graph 312 through the markings 720 and 725 marked. The frequency spacing of the minima is proportional to the magnetic field strength of the external magnetic field. The magnetic field sensitivity is defined by the minimally resolvable frequency shift and can reach a few pT / √Hz.

Dieses Verfahren zur Magnetfeldstärkemessung wird auch als ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance; optisch detektiert Magnetresonanz) bezeichnet. Hierbei kommt es bei Übereinstimmung der Mikrowellenfrequenz mit dem Energieabstand zwischen dem Zustand ³A m_S=0 und dem Niveau ms=±1 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.This method for measuring magnetic field strength is also referred to as ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance). If the microwave frequency corresponds to the energy gap between the state ³ A m _S = 0 and the level ms = ± 1, the fluorescence collapses. With an external magnetic field the level splits ms = ± 1 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 Querschnittsdarstellung einer Sensorvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Sensorvorrichtung 100 umfasst ein erstes Trägerelement 101 und ein zweites Trägerelement 102, welche mittels einer Haltestruktur 108 voneinander beabstandet sind. Das erste Trägerelement 101, das zweite Trägerelement 102 und die Haltestruktur 108 begrenzen einen Hohlraum, in dem eine Beleuchtungseinrichtung 103, eine Detektionseinrichtung 104, eine Sensormaterialschicht 105 und optische Filter 1061, 1062 sowie ein Mikrocontroller 110 und eine Mikrowellenerzeugungseinrichtung 107 angeordnet sind. Die Beleuchtungseinrichtung 103 ist auf einer dem zweiten Trägerelement 102 zugewandten ersten Seite 101' des ersten Trägerelement 101 angeordnet. Des Weiteren sind auf der ersten Seite 101' eine Mikrowellenquelle 1070 und eine erste Mikrowellenleiterstruktur 1071, welche in diesem Ausführungsbeispiel um die Beleuchtungseinrichtung 103 herum angeordnet ist, angeordnet. Die Detektionseinrichtung 104 ist auf einer dem ersten Trägerelement 101 zugewandten zweiten Seite 102' des zweiten Trägerelement 102 angeordnet. Des Weiteren sind auf der zweiten Seite 102' der Mikrocontroller 110 und eine zweite Mikrowellenleiterstruktur 1072, welche in diesem Ausführungsbeispiel um die Detektionseinrichtung 104 herum angeordnet ist, angeordnet. Die Mikrowellenleiterstrukturen 1071, 1072 und die Mikrowellenquelle 1070 bilden in diesem Ausführungsbeispiel die Mikrowellenerzeugungseinrichtung 107. 8th shows a schematic cross-sectional view of a sensor device 100 according to an embodiment. The sensor device 100 comprises a first carrier element 101 and a second support element 102 which by means of a holding structure 108 are spaced from each other. The first support element 101 , the second support element 102 and the holding structure 108 delimit a cavity in which a lighting device 103 , a detection device 104 , a layer of sensor material 105 and optical filters 1061 , 1062 as well as a microcontroller 110 and a microwave generating device 107 are arranged. The lighting device 103 is on one of the second carrier element 102 facing first page 101 ' of the first carrier element 101 arranged. Furthermore, are on the first page 101 ' a microwave source 1070 and a first microwave guide structure 1071 , which in this embodiment is about the lighting device 103 is arranged around. The detection device 104 is on one of the first carrier element 101 facing second side 102 ' of the second carrier element 102 arranged. Furthermore, are on the second page 102 ' the microcontroller 110 and a second microwave guide structure 1072 , which in this embodiment is about the detection device 104 is arranged around. The microwave guide structures 1071 , 1072 and the microwave source 1070 form the microwave generating device in this embodiment 107 .

Die Sensormaterialschicht 105 mit dem mindestens einen Farbzentrum ist zwischen der Beleuchtungseinrichtung 103 und der Detektionseinrichtung 104 angeordnet. Zwischen der Sensormaterialschicht 105 und der Beleuchtungseinrichtung 103 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein erster optischer Filter 1061 angeordnet. Dieser erste optische Filter 1061 kann dazu verwendet werden, die Wellenlänge des von der Beleuchtungseinrichtung 103 auf die Sensormaterialschicht 105 eingestrahlten Anregungslichts zu kontrollieren oder festzulegen. Der erste optische Filter 1061 kann auf einer der Beleuchtungseinrichtung 103 zugewandten Fläche der Sensormaterialschicht 105 aufgebracht sein, auf der Beleuchtungseinrichtung 103 angeordnet oder von der Beleuchtungseinrichtung 103 umfasst sein. Zwischen der Detektionseinrichtung 104 und der Sensormaterialschicht 105 ist ein zweiter optischer Filter 1062 angeordnet, der die an der Beleuchtungseinrichtung 103 emittierte Strahlung ausfiltert, sodass nur das von der Sensormaterialschicht 105 emittierte Licht (Fluoreszenz-Licht) in die Detektionseinrichtung 104 gelangt und detektiert wird. Der zweite optische Filter 1062 kann auf einer der Detektionseinrichtung 104 zugewandten Fläche der Sensormaterialschicht 105 aufgebracht sein, auf der Detektionseinrichtung 104 angeordnet oder von der Detektionseinrichtung 104 umfasst sein.The sensor material layer 105 with the at least one color center is between the lighting device 103 and the detection device 104 arranged. Between the sensor material layer 105 and the lighting device 103 is a first optical filter in this embodiment 1061 arranged. This first optical filter 1061 can be used to determine the wavelength of the illumination device 103 on the sensor material layer 105 to control or fix irradiated excitation light. The first optical filter 1061 can on one of the lighting device 103 facing surface of the sensor material layer 105 be applied on the lighting device 103 arranged or from the lighting device 103 be included. Between the detection device 104 and the sensor material layer 105 is a second optical filter 1062 arranged, which on the lighting device 103 filters out emitted radiation so that only that from the sensor material layer 105 emitted light (Fluorescent light) into the detection device 104 arrives and is detected. The second optical filter 1062 can on one of the detection device 104 facing surface of the sensor material layer 105 be applied to the detection device 104 arranged or from the detection device 104 be included.

Als Haltestruktur 108 kann eine Leiterplatte verwendet werden, wobei diese beispielsweise Aussparungen im Bereich des Hohlraums aufweisen kann. Die Haltestruktur 108 dient als Abstandhalter zwischen dem ersten Trägerelement 101 dem zweiten Trägerelement 102. Des Weiteren kann die Haltestruktur 108 dazu dienen elektrische Signale und Ströme zwischen dem Trägerelementen 101, 102 weiterzuleiten. Des Weiteren kann die Haltestruktur 108 zur Ausbildung von Durchführungen 108 (Vias) zwischen den Trägerelementen 101,102 dienen. As a holding structure 108 a circuit board can be used, which can have cutouts in the area of the cavity, for example. The holding structure 108 serves as a spacer between the first carrier element 101 the second support element 102 . Furthermore, the holding structure 108 electrical signals and currents between the carrier elements serve for this purpose 101 , 102 forward. Furthermore, the holding structure 108 for the implementation of implementations 108 (Vias) between the carrier elements 101 , 102 serve.

Das erste Trägerelement 101 und das zweite Trägerelement 102 können als Leiterplatten (PCB-Elemente) ausgeführt sein.The first support element 101 and the second carrier element 102 can be designed as printed circuit boards (PCB elements).

Mit anderen Worten zeigt 8 die mit PCB-basierten Herstellungsmethoden hergestellte Sensorvorrichtung 100 und insbesondere die Platzierung der Sensormaterialschicht 105 zusammen mit den entsprechenden optischen Filtern 1061, 1062 zwischen der Lichtquelle 103 und dem Fotodetektor 104, wobei die Lichtquelle 103 und der Fotodetektor auf zwei sich direkt gegenüberliegenden PCBs 101, 102 angebracht sind. Eine dritte PCB 108, teilweise mit Aussparungen, bildet einen Hohlraum zwischen der ersten PCB 101 und der zweiten PSB und dient als Spacer und zur Weiterleitung der elektrischen Signale zwischen den beiden PCBs 101, 102. Auch die Realisierung von Mikrowellenantennen-Elementen 1071, 1072 auf den PCBs ist möglich. Die Sensormaterialschicht 105, beispielsweise Diamant mit NV-Zentren, wird zwischen dem Fotodetektor 104 und der Lichtquelle 103, welche sich auf jeweils einem von zwei PBC-Elementen 101, 102 befinden, platziert. Zwischen dem Diamanten 105 und dem Fotodetektor 104 befindet sich ein zweiter optischer Filter 1062, der das Licht der Quelle ausfiltert, so dass nur das Fluoreszenz-Licht der Sensormaterialschicht 105 detektiert werden kann. Ein erster optischer Filter 1061 befindet sich optional zwischen dem Diamanten und der Lichtquelle 103 um die Wellenlänge des Anregungslichtes zu kontrollieren. Die optischen Filter 1061, 1062 können auf der Oberfläche der Sensormaterialschicht 105 oder auf dem Fotodetektor 104 und/oder der Lichtquelle 103 befinden. Die Haltestruktur 108 (vorzugsweise PCB) zwischen dem ersten PCB 101 und dem zweiten PCB 102 dient zur Einstellung des richtigen Abstandes zwischen der Lichtquelle 103 und des Fotodetektors 104, sodass die Sensormaterialschicht 105 mit den optische Filtern 1061, 1062 dazwischen passt. Die Sensormaterialschicht 105 und die Detektionseinrichtung 104 und/oder die Sensormaterialschicht 105 und die Beleuchtungseinrichtung 103 sind vorzugsweise direkt oder über die optionalen optischen Filter 1061, 1062 in mechanischem Kontakt miteinander. Die Haltestruktur 108 bzw. das dritte (PCB-) Element kann zur Ausbildung von Durchführungen 108 (Vias) zwischen den beiden anderen PCBs 101, 102 dienen. Insbesondere kann auch ein Mikrowellenquelle-Chip 1070 auf einem der PCBs 101, 102, 108 integriert werden, zusammen mit Zuleitungen zu und von mindestens einer der Mikrowellenantennen 1071, 1072 zur Mikrowellenanregung des mindestens einen Farbzentrums der Sensormaterialschicht 105, beispielsweise NV-Zentren im Diamanten. Um ein homogenes Mikrowellenfeld zu erzeugen können die Mikrowellenantennen 1071, 1072 auf den einander gegenüberliegenden ersten und zweiten PCB-Elementen 101, 102 realisiert werden (Helmholtz-Spulen). Außerdem ist die Integration des Mikrocontroller-Chips 110 zur Ansteuerung der einzelnen Komponenten, Auswertung der Signale und Kommunikation nach außen auf einer der PCBs 101, 102, 108 möglich.In other words, shows 8th the sensor device made with PCB-based manufacturing methods 100 and in particular the placement of the sensor material layer 105 together with the corresponding optical filters 1061 , 1062 between the light source 103 and the photo detector 104 , being the light source 103 and the photodetector on two directly opposite PCBs 101 , 102 are attached. A third PCB 108 , partly with recesses, forms a cavity between the first PCB 101 and the second PSB and serves as a spacer and for forwarding the electrical signals between the two PCBs 101 , 102 . Also the implementation of microwave antenna elements 1071 , 1072 on the PCBs is possible. The sensor material layer 105 , for example diamond with NV centers, is between the photodetector 104 and the light source 103 , which are based on one of two PBC elements 101 , 102 are placed. Between the diamond 105 and the photo detector 104 there is a second optical filter 1062 , which filters out the light from the source so that only the fluorescent light from the sensor material layer 105 can be detected. A first optical filter 1061 is optionally located between the diamond and the light source 103 to control the wavelength of the excitation light. The optical filters 1061 , 1062 can on the surface of the sensor material layer 105 or on the photo detector 104 and / or the light source 103 are located. The holding structure 108 (preferably PCB) between the first PCB 101 and the second PCB 102 is used to set the correct distance between the light source 103 and the photo detector 104 so that the sensor material layer 105 with the optical filters 1061 , 1062 fits in between. The sensor material layer 105 and the detection device 104 and / or the sensor material layer 105 and the lighting device 103 are preferably direct or via the optional optical filters 1061 , 1062 in mechanical contact with each other. The holding structure 108 or the third (PCB) element can be used to form bushings 108 (Vias) between the other two PCBs 101 , 102 serve. In particular, a microwave source chip can also be used 1070 on one of the PCBs 101 , 102 , 108 be integrated, together with leads to and from at least one of the microwave antennas 1071 , 1072 for microwave excitation of the at least one color center of the sensor material layer 105 , for example NV centers in diamonds. The microwave antennas can be used to generate a homogeneous microwave field 1071 , 1072 on the opposing first and second PCB elements 101 , 102 can be realized (Helmholtz coils). In addition, the integration of the microcontroller chip 110 for controlling the individual components, evaluating the signals and communicating externally on one of the PCBs 101 , 102 , 108 possible.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 2015/0192532 A1 [0001]

Claims

Sensor device (100), comprising • a sensor material layer (105), which comprises at least one color center, • an illumination device (103) for the optical excitation of the at least one color center, and • a detection device (104) for detecting an electromagnetic radiation emitted by the at least one color center , characterized in that • the sensor device (100) comprises a first carrier element (101) and a second carrier element (102), the lighting device (103) on the first carrier element (101) on a first side facing the second carrier element (102) (101 ') is arranged and the detection device (104) is arranged on the second carrier element (102) on a second side (102') facing the first carrier element (101), and • that the sensor material layer (105) between the lighting device ( 103) and the detection device (104) is arranged.

Sensor device (100) after Claim 1 , characterized in that the sensor material layer (105) comprises nitrogen defect defect centers in diamond and / or silicon carbide, comprising at least one fluorescent defect.

Sensor device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the first carrier element (101) and the second carrier element (102) are spaced apart from one another by a holding structure (108).

Sensor device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the first carrier element (101), the second carrier element (102) and / or the holding structure (108) comprise at least one printed circuit board.

Sensor device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor device comprises a microwave generating device (107) for applying microwave radiation to the sensor material layer (105).

Sensor device (100) after Claim 5 , characterized in that the microwave generating device (107) is arranged on the first carrier element (101) or the second carrier element (102).

Sensor device (100) after Claim 5 or 6 characterized in that the microwave generating device (107) comprises a first microwave guide structure (1071) on the first carrier element (101) and a second microwave guide structure (1072) on the second carrier element (102), which are arranged in the form of a Helmholtz coil arrangement.

Sensor device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor device (100) comprises an evaluation device (110), the evaluation device (110) being arranged on the first carrier element (101) or the second carrier element (102).

Sensor device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one optical filter (1061, 1062) is applied to the sensor material layer (105).

Sensor device (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the lighting device (103) and / or the detection device (104) comprise at least one optical filter (1061, 1062).

Sensor device (100) according to one of the Claims 9 or 10th , characterized in that the at least one optical filter (1061, 1062) is arranged in the beam path between the illumination device (103) and the sensor material layer (105) and / or in the beam path between the sensor material layer (105) and the detection device (104).