DE102019121137A1

DE102019121137A1 - Gehäuse für eine NV-Zentrum basierende quantentechnologische Vorrichtung und Quantensensor insbesondere zur Stromerfassung

Info

Publication number: DE102019121137A1
Application number: DE102019121137.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Quantum Technologies GmbH
Priority date: 2019-08-05
Filing date: 2019-08-05
Publication date: 2021-02-11

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf Gehäuse mit einem Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, wobei mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements, wobei alle Teilvorrichtungen des Sensorsystems nicht ferromagnetisch sind. Dies betrifft insbesondere das Lead-Frame für die Montage. Das paramagnetische Zentrum ist bevorzugt ein NV-Zentrum in einem Diamantkristall als Sensorelement und Diamant als Material. Die Erfindung hebt auf die Herstellbarkeit im Besonderen ab.

Description

Oberbegriff
Die Erfindung richtet sich auf Gehäuse mit einem Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, wobei mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements, wobei alle Teilvorrichtungen des Sensorsystems nicht ferromagnetisch sind. Dies betrifft insbesondere das Lead-Frame für die Montage. Das paramagnetische Zentrum ist bevorzugt ein NV-Zentrum in einem Diamantkristall als Sensorelement und Diamant als Material.
Allgemeine Einleitung
In letzter Zeit werden sehr viele Publikationen zur Verwendung von NV-Zentren als Quantenpunkte für Quantum-Sensing, Quantum-Computing und Quantum-Kryptografie getätigt.
Aufgabe
Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Lösung der Aufgabe
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse mit einem Sensorsystem, wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems ist, umfasst. Das Sensorsystem und/oder quantentechnologische Systems umfasst eine Quelle für Anregungsstrahlung (PL1). Die Anregungsstrahlung veranlasst das paramagnetische Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL). Das Gehäuse umfasst Mittel, beispielsweise einen Reflektor (RE), die die Anregungsstrahlung auf das paramagnetische Zentrum (NV1) lenken und so die Quelle für Anregungsstrahlung (PL1), beispielsweise eine LED, mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) koppeln. Bevorzugt ist die LED (PL1) eine grüne LED mit grüner Anregungsstrahlung, während die Fluoreszenzstrahlung (FL) typischerweise rot ist.
Bevorzugt ist dabei wobei das Sensorelement und/oder quantentechnologische Vorrichtungselement ein Diamantkristall. Das paramagnetische Zentrum (NV1) ist bevorzugt ein NV-Zentrum in dem Diamantkristall. Ein solches Sensorsystem ist in der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 127 394.0 beschrieben.
Zur Vereinfachung wird im Folgenden der Begriff Sensorelement als Synonym für ein Sensorelement und/oder ein quantentechnologisches Vorrichtungselement verwendet.
Es wird hier ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems das folgende Schritte auch in abweichender Reihenfolge umfasst:

• Bereitstellen eines Open-Cavity-Gehäuses mit Anschlüssen;
• Einbringen einer Quelle für Anregungsstrahlung (PL1);
• Einbringen einer integrierten Schaltung (IC) mit einem Empfänger (PD1);
• Elektrisches Verbinden von integrierter Schaltung und Anschlüssen und Quelle für Anregungsstrahlung (PL1);
• Einbringen eines Sensorelements mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material des Sensorelements;
• Befestigen des Sensorelements mittels eines Befestigungsmittels (Ge);
• Herstellen eines Mittels zur Lenkung der Anregungs- und/oder Fluoreszenzstrahlung;
• Verschließen des Gehäuses mit einem Deckel;

Die Quelle für Anregungsstrahlung (PL1) ist dabei dazu vorgesehen und geeignet, eine Anregungsstrahlung (LB) zu emittieren. Das paramagnetische Zentrum (NV1) im Material des Sensorelements emittiert bei Bestrahlung mit dieser typischerweise grünen Anregungsstrahlung (LB) eine Fluoreszenzstrahlung (FL), die typischerweise rot ist. Das Befestigungsmittel (Ge) ist im Wesentlichen für die Anregungsstrahlung und für die Fluoreszenzstrahlung (FL) transparent und fixiert das Sensorelement auf dem integrierten Schaltkreis in dem Gehäuse.
Es wird ein erstes Verfahren zum Test eines Gehäuses mit einem Sensorsystem entsprechend dem vorstehenden Vorschlag vorgeschlagen mit den Schritten:

• Bestrahlen des offenen Gehäuses mit Anregungsstrahlung;
• Vermessung der durch das Gehäuse emittierten Fluoreszenzstrahlung;
• Bewerten der gemessenen Fluoreszenzstrahlung durch vergleich des Messwerts der Fluoreszenzstrahlung mit einem Schwellwert.

Es wird ein zweites Verfahren zum Test eines Gehäuses mit einem Sensorsystem entsprechend dem vorstehenden Vorschlag vorgeschlagen mit den Schritten:

• Betreiben Quelle für Anregungsstrahlung (PL1);
• Vermessung der durch das Gehäuse emittierten Anregungsstrahlung;
• Bewerten der gemessenen Anregungsstrahlung durch vergleich des Messwerts der Anregungsstrahlung mit einem Schwellwert.

Es wird ein drittes Verfahren zum Test eines Gehäuses mit einem Sensorsystem entsprechend dem vorstehenden Vorschlag vorgeschlagen mit den Schritten:

• Verfahren zum Test eines Gehäuses mit einem Sensorsystem entsprechend dem zuvor vorgeschlagenen beiden Verfahren mit den Schritten
• Betreiben Quelle für Anregungsstrahlung (PL1);
• Vermessung der durch das Gehäuse emittierten Fluoreszenzstrahlung;
• Bewerten der gemessenen Fluoreszenzstrahlung durch vergleich des Messwerts der Fluoreszenzstrahlung mit einem Schwellwert.

Das erste Verfahren, das zweite Verfahren und das dritte Verfahren können miteinander kombiniert werden.
Des Weiteren wird eine integrierte Schaltung zur Verwendung mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements mit einem Treiber zum Betreiben einer Quelle für Anregungsstrahlung (PL1) und mit einem Empfänger (PD1), zur Detektion von Fluoreszenzstrahlung des paramagnetischen Zentrums (NV1) und mit einem Auswerteschaltkreis zur Erzeugung eines Ausgangssignals (out), das von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements abhängt vorgeschlagen. Dabei ist das Sensorelement bevorzugt ein Diamantkristall. Das paramagnetisches Zentrum (NV1) ist bevorzugt ein NV-Zentrum in dem Diamantkristall ist.
Für die Realisierung eines Stromsensors werden nun zwei Dinge vorgeschlagen, die beide zusätzlich zu dem oben beschriebenen erfüllt werden sollten:

Als erstes wird ein Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System - im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet - vorgeschlagen, bei dem das Sensorsystem ein Gehäuse aufweist und bei dem das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems ist, umfasst. Das Sensorsystem umfasst eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1). Die Anregungsstrahlung (LB) veranlasst, wie oben beschrieben das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL). Des Weiteren können die oben beschriebenen Komponenten des Gehäuses und/oder des Sensorsystems ebenfalls vorhanden sein. Im Gegensatz zur obigen Beschreibung umfasst das Gehäuse nun zusätzlich mindestens eine Leitung, die von dem zu erfassenden und zu vermessenden elektrischen Strom durchflossen wird. Das magnetische Feld der Leitung beeinflusst die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder des quantentechnologischen Vorrichtungselements. Das Sensorsystem ermittelt beispielsweise mit dem Besagten Empfänger (PD1) und beispielsweise der besagten integrierten Schaltung (IC) einen Wert für die Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) und stellt diesen Wert für die Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) in digitaler und/oder analoger Form bereit und/oder gibt ihn aus.

Zum Zweiten werden bevorzugt alle Teilvorrichtungen des Sensorsystems sind nicht ferromagnetisch ausgeführt, um die Beeinflussung des paramagnetischen Zentrums (NV1) zu minimieren. Unter nicht ferromagnetisch wird eine Permeabilitätszahl kleiner als 100 verstanden. Bevorzugt sind alle Komponenten des Gehäuses und des Sensorsystems und/oder des quantentechnologischen Systems diamagnetisch, worunter eine Permeabilitätszahl der Materialien mit µ_r < 1 (typisch wären 1 - 7*10^-6...1- 2*10^-4) verstanden wird, und/oder paramagnetisch , worunter eine Permeabilitätszahl der Materialien mit µ_r > 1 (typisch wären 1 + 1*10^-8...1+ 4*10^-4) verstanden wird. Im Sinne dieser Offenbarung gelten aber auch Stoffe mit einer Permeabilitätszahl µ_r < 100 als nicht ferromagnetisch. Somit sind paramagnetische und diamagnetische Stoffe im Sinne dieser Offenlegung nicht ferromagnetisch. Ganz besonders bevorzugt werden alle Lead-Frame-Flächen (LF1 bis LF6) nicht ferromagnetisch ausgeführt.
In dem Gehäuse, dass das paramagnetische Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements aufnimmt, sind daher bevorzugt alle Teilvorrichtungen des Sensorsystems nicht ferromagnetisch.
Es kann ggf. sinnvoll sein, bei Verwendung eines integrierten Schaltkreises (IC) eine magnetische Schirmung (MS) aus weichmagnetischen Material zwischen Fotodetektor, also dem Empfänger (PD1) und der Auswerteschaltung, also der integrierten Schaltung (IC), vorzusehen. Ein solches Gehäuse mit einer solchen Schirmung (MS) gilt im Sinne dieser Offenlegung als hergestellt aus nicht ferromagnetischen Materialien, da es diese Eigenschaft nach Wegnahme der Schirmung (MS) zeigt.
Das Gehäuse mit dem funktionalisierten paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements ist somit bevorzugt so gestaltet, das alle Teilvorrichtungen des Sensorsystems inklusive des Gehäuses bis auf eine weich magnetische Schirmung (MS) aus einem weichmagnetischen Werkstoff und/oder bis auf Teile eines magnetischen Kreises nicht aus einem ferromagnetischen Werkstoff, sondern vorzugsweise aus einem paramagnetischen und/oder diamagnetischen Werkstoff gefertigt sind. Unter einem weichmagnetischen Werkstoff wird im Sinne dieser Offenlegung entsprechend DIN EN 60404-1:2017-08 ein Werkstoff mit einer Koerzitivfeldstärke <= 1000 A/m verstanden. Bevorzugt sind noch kleinere Koerzitivfeldstärken.
Es kann sinnvoll sein, den zu vermessenden magnetischen Fluss in der Nähe des paramagnetischen Zentrums (NV1) durch zusätzliche bevorzugt weichmagnetische Magnetkreiselemente zu verändern um das Empfindlichkeitsfeld des Sensorsystems und/oder der quantentechnologischen Vorrichtung gegenüber externen magnetischen Feldern zu verändern.
Eine weitere Variante ist ein Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, bei dem das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement umfasst und wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst. Des Weiteren umfasst das Sensorsystem eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1). Bevorzugt handelt es sich um eine grüne LED. Es wird nun vorgeschlagen, dass das Sensorsystem eine Quelle (PLK) für Kompensationsstrahlung (KS), insbesondere eine Kompensations LED (PLK), umfasst. Bevorzugt handelt es sich um eine Infrarot-LED. Das Sensorsystem umfasst einen Empfänger (PD1) und einen Regler (M1, TP, M2, OF). Die Anregungsstrahlung (LB) weist eine Anregungswellenlänge auf. Die Kompensationsstrahlung (KS) weist eine Kompensationswellenlänge auf. Die Anregungsstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge. Die Kompensationswellenlänge ist bevorzugt größer ist als die Fluoreszenzwellenlänge. Typischerweise ist bei Verwendung von NV-Zentren in Diamant als paramagnetische Zentren die Fluoreszenzwellenlänge der NV-Zentren so, dass diese rot erscheinen. Bevorzugt wird die Kompensationswellenlänge so gewählt, dass sie im infraroten Bereich liegt. Hierdurch kann sie die Fluoreszenz des NV-Zentrums nicht anregen und somit keine Fluoreszenzstrahlung (FL) des NV-Zentrums erzeugen. Die Anregungswellenlänge wird im Gegensatz dazu kleiner als die Fluoreszenzwellenlänge gewählt. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass die Quelle (PL1) der Anregungsstrahlung bevorzugt eine grüne, blaue oder ultraviolette LED ist. Hierdurch kann das paramagnetische Zentrum, das bevorzugt ein NV-Zentrum in Diamant ist, auf ein höheres Energie-Niveau angeregt werden. Es wurde erfindungsgemäß erkennt, dass im Gegensatz zum Stand der Technik keine Mikrowellenstrahlung notwendig ist, damit das so auf ein hohes Niveau angeregtes paramagnetische Zentrum auf ein Zwischenniveau abfällt. Vielmehr ist es ausreichend wenn das Sensorelement, also beispielsweise der Diamantkristall, eine ausreichend hohe Dichte an paramagnetischen Zentren, also NV-Zentren, aufweist. Bevorzugt weist ein beispielhafter Diamantkristall eine NV-Zentrendichte von mehr als 0,01ppm bezogen auf die Anzahl der Kohlenstoffatome pro Volumeneinheit auf. Natürlich können auch geringere Konzentrationen wie beispielsweise von mehr als 0,01ppm und/oder von mehr als 10^-3ppm und/oder von mehr als 10^-4ppm und/oder von mehr als 10^-5ppm und/oder von mehr als 10^-6ppm verwendet werden. Das Fluoreszenzsignal schwächt sich dann aber immer mehr ab sodass immer höhere Anforderungen an die elektronische Nachverarbeitung gestellt werden müssen. Die besagte Dichte an paramagnetischen Zentren braucht nicht überall im Sensorelement, also dem beispielhaften Diamanten, erreicht werden. Es wurde im Zuge der Erfindung erkannt, dass es vielmehr ausreichend ist, wenn diese Dichte lokal überschritten wird. Bevorzugt werden also mehr als 100, besser noch mehr als 1000, besser mehr als 10⁴, besser mehr als 10⁵, besser mehr als 10⁶, besser mehr als 10⁷ paramagnetische Zentren für den Betrieb des Sensorsystems verwendet. Durch spontane Emission nehmen dann immer einige der paramagnetischen Zentren spontan nach einer Übergangszeit t_d aus dem angeregten Zustand kommend einen energetisch niedrigeren Zwischenzustand ein, der im Stand der Technik erst durch die Verwendung von Mikrowellenstrahlung durch stimulierte Emission erreicht wird. Es wurde somit erfindungsgemäß erkannt, dass durch die hohe Dichte an paramagnetischen Zentren - bei Verwendung von Diamant durch eine hohe Dichte an NV-Zentren - die Notwendigkeit von Vorrichtungsteilen zur Erzeugung und Einbringung der Mikrowellenstrahlung überflüssig macht und somit einspart. Nichtsdestotrotz ist die Verwendung von Mikrowellenantennen und Sendern dann sinnvoll, wenn die Fluoreszenz des paramagnetischen Zentrums zusätzlich moduliert werden soll oder Diamanten mit niedrigerer Dichte verwendet werden sollen. Durch den Verzicht auf die Mikrowellenstrahlung werden solche Sensorsysteme, wie das hier vorgestellte erst für die Verwendung in biologischen und insbesondere medizinischen Anwendungen brauchbar. Ansonsten kommt es zu einer Strahlenbelastung des Gewebes, was die Verwendung von Sensoren mit Mikrowellenabregung der angeregten paramagnetischen Zentren auf ein Zwischenniveau für solche Zwecke massiv einschränkt. Der Empfänger (PD1) ist beispielsweise eine Fotodiode, die bevorzugt für Kompensationswellenlänge, die Anregungswellenlänge und die Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist. Die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) erzeugt die Anregungsstrahlung (LB) in Abhängigkeit von einem Sendesignal (S5). Das Sensorsystem dabei so gestaltet ist, dass die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt. Wie oben beschrieben, können hierzu optische Funktionselemente wie beispielsweise Lichtwellenleiter, Reflektoren, Linsen, Prismen, Freiluftstrecken, Vakuumstrecken, Blenden, Spiegel, Strahlteile, Gitter etc. benutzt werden. In gleicher Weise wird das Sensorsystem bevorzugt so gestaltet, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt. Auch dies kann mittels der besagten optischen Funktionselemente sichergestellt werden. Das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die die Kompensationsstrahlung (KS) den Empfänger (PD1) überlagernd zur Fluoreszenzstrahlung bestrahlt. Auch dies kann mittels der besagten optischen Funktionselemente sichergestellt werden.
Der Empfänger (PD1) erzeugt ein Empfangssignal (S0), dass typischerweise von der Summe der Intensitäten der sich überlagernden Anregungsstrahlung und der Kompensationsstrahlung und der Fluoreszenzstrahlung abhängt. Bevorzugt verhindert jedoch ein erster Filter (F1), dass die Anregungsstrahlung den Empfänger (PD1) erreichen kann. Der Empfänger (PD1) erzeugt in dieser bevorzugten Variante dann ein Empfangssignal (S0), dass typischerweise nur von der Summe der Intensitäten der sich überlagernden Kompensationsstrahlung und der Fluoreszenzstrahlung abhängt, was typischerweise vorteilhaft ist. Der Regler (M1, TP, M2, OF) erzeugt dann in Abhängigkeit von dem Empfangssignal (S0) ein Kompensationssendesignal (S7) und die Quelle (PLK) für Kompensationsstrahlung (KS), die beispielsweise eine Infrarot-LED ist erzeugt die Kompensationsstrahlung in Abhängigkeit von dem Kompensationssendesignal (S7). Der Regler (M1, TP, M2, OF) erzeugt das Kompensationssendesignal (S7) in Abhängigkeit vom Sendesignal (S5) bevorzugt in der Art, dass das Empfangssignal (S0) bis auf Regelfehler und Systemrauschen und ggf. einen konstanten Gleichanteil keine Signalanteile des Sendesignals (S5) mehr aufweist. Dies kann beispielsweise so geschehen, dass der Regler einen ersten Multiplizierer (M1), einen Filter, insbesondere einen Tiefpassfilter (TP) und einen zweiten Multiplizierer (M2) aufweist. Der erste Multiplizierer (M1) multipliziert das Empfangssignal (S0) oder ein daraus abgeleitetes Signal, z.B. ein Gefiltertes oder um weitere Signalanteile ergänztes Signal (z.B. S1), mit dem Sendesignal (S5) oder einem daraus abgeleiteten Signal (z.B. S5') zu einem Filtereingangssignal (S3). Dieses Verfahren ist auch als Synchrondemodulation bekannt. Im Prinzip wird hier ein Skalar-Produkt zwischen dem Sendesignal (S5) und dem Empfangssignal (S0) bzw. den jeweils abgeleiteten Signalen gebildet. Das Ergebnis dieser Skalar-Produktbildung ist das Filterausgangssignal (S4). Bevorzugt wird nach dem Filter, dem Tiefpassfilter (TP), eine Halteschaltung (englisch Sample & Hold) vorgesehen oder eine funktionsäquivalente Teilvorrichtung (bei digitaler Realisierung beispielsweise ein Latch oder ein Register etc.), das das Filterausgangssignal (S4) im Falle eines periodischen Sendesignals (S5) am jeweiligen Periodenende der Periode des Sendesignals (S5) abspeicher und an den zweiten Multiplizierer weitergibt. Diese Halteschaltung ist in der Praxis nur dann nötig, wenn eine verbesserte Messgenauigkeit gefragt ist. In den Zeichnungen ist dies nicht eingezeichnet.
Der Filter (TP) filtert das Filtereingangssignal (S3) zum Filterausgangssignal (S4). Der zweite Multiplizierer (M2) multipliziert das Filterausgangssignal (S4) zum Rückkoppelsignal (S6) und/oder direkt zum Kompensationssignal (S7). Sofern zwischen Filterausgang und Multiplizierer weitere Schaltungsteile wie beispielsweise eine Sample & Hold-Schaltung eingefügt sind, sind die Ansprüche so zu verstehen, dass solche Konstruktionen ausdrücklich mit umfasst sind. Sofern das Rückkoppelsignal (S6) verwendet wird, bildet eine Anpassschaltung (OF) aus dem Rückkoppelsignal (S6) das Kompensationssendesignal (S7). Das Filterausgangssignal (S4) wird dann typischerweise als Sensorausgangssignal (out) verwendet. Es ist ein Maß für die Intensität der Fluoreszenz.
Besonders bevorzugt wird in dem Sensorsystem ein weiteres Sendesignal (S5'), insbesondere ein orthogonales Referenzsignal (S5'), verwendet. Das weitere Sensdesignal (S5') ist bevorzugt vom Sendesignal (S5) verschieden. Bevorzugt ist das Sendesignal (S5) periodisch. Ebenso bevorzugt ist das weitere Sendesignal (S5') bevorzugt periodisch. Es ist aber beispielsweise auch denkbar nichtperiodische Signale zu verwenden. Beispielsweise kann es sich bei dem Sendesignal (S5) auch um ein Zufallssignal handeln, dass auf einem ersten Zufallsprozess beruht. Ebenso kann es sich bei dem zweiten Sendesignal um ein zweites Zufallssignal handeln, dass auf einem zweiten Zufallsprozess beruht, der beispielsweise von dem ersten Zufallsprozess vollkommen unabhängig ist. Auch kann das erste Sendesignal auf einem ersten Spreiz-Code basieren und das zweite Sendesignal auf einem zweiten Spreiz-Code, der bevorzugt von dem ersten Spreiz-Code unabhängig ist.
Wie zuvor beschrieben, bilden der erste Multiplizierer (M1) und der Tiefpassfilter (TP) eine beispielhafte Skalar-Produkteinheit, die das Skalarprodukt zwischen dem Sendesignal (S5) und dem Empfangssignal (S0) bildet, wobei diese Signale durch Signale ersetzt werden können, die beispielsweise durch Filterung oder Phasenverschiebung oder andere Signalmodifikationsmethoden aus diesen abgeleitet wurden. Das bedeutet, dass diese Skalar-Produkteinheit ein Skalarprodukt in einer ganz bestimmten Art und Weise bildet. Somit können im mathematischen Sinne in den Extremfällen Signale in Bezug auf dieses Skalarprodukt orthogonal oder parallel = synchron zueinander sein. Somit ist ein Signal im Sinne dieser Schrift dann orthogonal zu dem anderen, wenn es bezüglich des verwendeten Skalarprodukts orthogonal zu dem anderen Signal ist, also das Filterausgangssignal (S4) 0 ergeben würde. Besonders bevorzugt wird daher das weitere Sendesignal (S5') so gewählt, dass es orthogonal zu dem Sendesignal (S5) ist. Der Regler erzeugt das Kompensationssendesignal (S7) bevorzugt in zusätzlicher Abhängigkeit von dem weiteren Sendesignal (S5') in der Art, dass das Empfangssignal (S0) bis auf Regelfehler und Systemrauschen und ggf. einen konstanten Gleichanteil keine Signalanteile des Sendesignals (S5) und gleichzeitig keine Signalanteile des weiteren Sendesignals (S5'), insbesondere des orthogonalen Referenzsignals (S5') mehr aufweist. Hierzu wir bevorzugt die besagte zweite Skalar-Produkteinheit verwendet, die bevorzugt gleich der ersten Skalar-Produkteinheit konstruiert ist. Ein weiterer erster Multiplizierer (M1') multipliziert das weitere Sendesignal (S5') mit dem Empfangssignal (S0) oder einem daraus abgeleiteten Signal (z.B. S1) und bildet so das weitere Filtereingangssignal (S3') für den weiteren Filter, der bevorzugt ein weiterer Tiefpassfilter (TP') ist. Der weitere Filter (TP') erzeugt aus dem weiteren Filtereingangssignal (S3') das weitere Filterausgangssignal (S4'), das als weiteres Sensorausgangssignal (out') verwendet werden kann. Das Ausgangssignal (out') im Verhältnis zum weiteren Ausgangssignal (out') kann beispielsweise die Phasenverschiebung angeben. Ist das Sendesignal beispielsweise ein PWM-Signal mit einem 50% Duty-Cycle, dass die Anregungsstrahlung (LB) amplitudenmoduliert, wo ist beispielsweise das weitere Sendesignal (S5') bevorzugt ein um 180° dazu phasenverschobenes, also bevorzugt invertiertes Sendesignal (S5). Das weitere Ausgangssignal (out') gibt dann die Intensität des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung (FL) nach dem Ausschalten der Anregungsstrahlung (LB) an. Dies hat den Vorteil, dass dann kein erster optischer Filter (F1) mehr notwendig ist und dass dieser ann eingespart werden kann. Die Kompensationsregelung über den Kompensationssender hält den Empfänger (PD1) immer im gleichen optischen Arbeitspunkt, ohne dass durch die Kompensationsstrahlung (KS) eine Fluoreszenzstrahlung (FL) hervorgerufen wird, da die langwellige Kompensationsstrahlung die paramagnetischen Zentren nicht anregen kann, sehr wohl aber vom Empfänger (PD1) empfangen wird. Der Regler bildet somit in Abhängigkeit von dem weiteren Sendesignal (S5') ein zusätzliches Sensorausgangssignal (out').
In einer weiteren Variante umfasst das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, wieder ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement und ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements. Des weiteren umfasst in dieser Variante das Sensorsystem eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), einen Empfänger (PD1) und einen ersten Filter (F1). Die Anregungsstrahlung (LB) weist eine Anregungswellenlänge auf. Die Anregungsstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge, wenn sie vom paramagnetischen Zentrum (NV1) unter Anregung des paramagnetischen Zentrums absorbiert wird. Der Empfänger (PD1) ist bevorzugt für die Fluoreszenzwellenlänge empfindlich. Die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) erzeugt die Anregungsstrahlung (LB). Das Sensorsystem ist bevorzugt dabei so gestaltet, dass die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt. Auch hier können wie zuvor beschrieben die besagten optischen Funktionselemente genutzt werden. Ebenso ist bevorzugt das Sensorsystem so gestaltet, dass , die die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt. Auch hier können wie zuvor beschrieben die besagten optischen Funktionselemente genutzt werden.
Der erste Filter (F1) ist so gestaltet, dass er für die Fluoreszenzstrahlung (FL) im Wesentlichen transparent ist und für die Anregungsstrahlung (LB) im Wesentlichen nicht transparent ist. Der Filter ist dann für die Fluoreszenzstrahlung (FL) im Wesentlichen transparent, wenn die Funktionstüchtigkeit des Systems für den beabsichtigten Zweck erreicht wird, also die durch die unvermeidliche Dämpfung in diesem Wellenlängenbereich erzeugten Fehler ausreichend klein sind. Der Filter ist dann für die Anregungsstrahlung (FL) im Wesentlichen nicht transparent, wenn die Funktionstüchtigkeit des Systems für den beabsichtigten Zweck erreicht wird, also die durch die unvermeidliche Transparenz in diesem Wellenlängenbereich erzeugten Fehler ausreichend klein sind.
Das Sensorsystem ist in dieser Variante (aber auch in einigen der vorbesprochenen) bevorzugt so gestaltet, dass Strahlung, die vom Empfänger (PD1) empfangen wird, zuvor den ersten Filter (F1) passieren muss. Besonders bevorzugt ist der erste Filter (F1) ein metalloptischer Filter, der bevorzugt Teil der integrierten Schaltung ist und bevorzugt im Metallisierungsstapel der integrierten Schaltung (IC) oberhalb der Fotodiode (PD1), die beispielsweise als Empfänger verwendet werden kann, angebracht ist. ist.
Eine besonders starke Vereinfachung ergibt sich mit einem Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, bei dem das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement umfasst und wobei das Sensorsystem wieder ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst. Das Sensorsystem weist wieder eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1) oder Laser-Diode, und einen Empfänger (PD1) auf. Die Anregungsstrahlung (LB) besitzt eine Anregungswellenlänge. Die Anregungsstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge. Der Empfänger (PD1) ist für die Fluoreszenzstrahlung (FL) mit der Fluoreszenzwellenlänge empfindlich. Die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) erzeugt die Anregungsstrahlung (LB). Das Sensorsystem ist so gestaltet, dass die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt und dass, die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt. Hierzu können optische Funktionselemente, die insbesondere in den Deckel des Gehäuses eingebaut werden können, verwendet werden. Bei dem Sensorelement handelt es sich bevorzugt um einen Diamanten und bei dem paramagnetischen Zentrum um ein NV-Zentrum in diesem Diamanten als Kristall. Bevorzugt ist die Konzentration der NV-Zentren in dem Diamanten zumindest in einem lokal begrenzten Bereich im Mittel bevorzugt größer ist als 0,01ppm und/oder besser größer als 0,001ppm und/oder besser größer als 0,0001ppm und/oder besser größer als 0,0001ppm bezogen auf die Anzahl der Kohlenstoffatome im Diamanten pro Volumeneinheit.
Eine weitere Variante betrifft ein Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, bei der das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement und ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst. Das Sensorsystem umfasst eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1) und einen Empfänger (PD1). Die Anregungsstrahlung (LB) besitzt eine Anregungswellenlänge aufweist und veranlasst das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge. Der Empfänger (PD1) ist für die Fluoreszenzstrahlung (FL) mit der Fluoreszenzwellenlänge empfindlich. Die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) erzeugt die Anregungsstrahlung (LB). Das Sensorsystem ist so gestaltet, dass die die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt und dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt. Das Sensorelement und/oder das quantentechnologische Vorrichtungselement weist einen Kristall mit einer Kristallachse auf. Bevorzugt handelt es sich um einen Diamanten. Der Kristall weist das paramagnetische Zentrum (NV1) in dem Kristall auf. Es handelt sich bevorzugt um ein NV-zentrum in einem Diamanten. Das paramagnetische Zentrum (NV1) ist in Bezug zu einer der folgenden betreffenden Kristallachse in einer ersten Richtung ausgerichtet, wobei die betreffenden Kristallachsen die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.) sind. Das paramagnetische Zentrum (NV1) emittiert bei Anregung durch die Anregungsstrahlung (LB) eine Fluoreszenzstrahlung (FL), die in Abhängigkeit von einem Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte B in einer zweiten Richtung moduliert wird. Die zweite Richtung weicht bevorzugt von der ersten Richtung ab. Bei dem Kristall handelt es sich bevorzugt um einen Diamantkristall mit einem NV-Zentrum als paramagnetisches Zentrum (NV1). Die zweite Richtung weicht bevorzugt von der ersten Richtung in der Art abweicht, dass das GSLAC-Extremum bei einer magnetischen Gesamtflussdichte am Ort des paramagnetischen Zentrums bei 102,4mT um nicht mehr als 2% und/oder nicht mehr als 1% und/oder nicht mehr als 0,5% vom normierten 1-Wert der Fluoreszenz abweicht.
Im Kern der hier vorgelegten Beschreibung steht somit eine quantentechnologische Vorrichtung mit einem Sensorelement. Das Sensorelement umfasst einen Kristall mit einer Kristallachse. Der Kristall ist bevorzugt ein Diamant. Er weist ein paramagnetisches Zentrum (NV1) in dem Kristall auf. Im Falle eines Diamanten ist das paramagnetische Zentrum bevorzugt ein NV-Zentrum. Das Sensorsystem weist bevorzugt die Möglichkeit, beispielsweise in Form einer Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) wie einer LED oder eines Lasers, oder Mittel, beispielsweise in Form eines optischen Fensters, auf, das paramagnetische Zentrum (NV1) mittels Anregungsstrahlung (LB) anzuregen. Das paramagnetische Zentrum (NV1) ist typischerweise in Bezug zu einer der folgenden betreffenden Kristallachsen in einer ersten Richtung ausgerichtet. Die betreffenden Kristallachsen sind, insbesondere im Falle eines Diamanten als Kristall, die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.). Das paramagnetische Zentrum (NV1), also beispielsweise das NV-Zentrum, emittiert bei Anregung durch die Anregungsstrahlung eine Fluoreszenzstrahlung (FL). Die Fluoreszenzstrahlung (FL) wird dabei in Abhängigkeit von einem Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte B in einer zweiten Richtung moduliert. D.h. die Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) hängt von der magnetischen Flussdichte B bzw. von der magnetischen Feldstärke H ab. Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass bevorzugt die zweite Richtung von der ersten Richtung abweichen sollte, da dann die Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit steigendem Betrag der magnetischer Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Kristall streng monoton fallend sinkt. Dies ist nicht der Fall, wenn, wie im Stand der Technik üblich die Kristalle ausgerichtet werden, um Mikrowellenstrahlung einsetzen zu können. 26 zeigt die Fluoreszenzkurve der Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) aus der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 127 394.0 , deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich Teil dieser Offenlegung ist.
In der 26 stimmen die erste Richtung und die zweite Richtung überein.
27 zeigt die Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) bei Verkippung der beiden Richtungen gegeneinander. Ein erster Vorteil ist, dass die sich ergebende Abhängigkeit eine Funktion der magnetischen Flussdichte B ist und damit umkehrbar ist. Im Stand der Technik werden die Kristalle immer ausgerichtet, so dass die Abhängigkeit der der 26 entspricht. Der Graph der 26 ist keine Funktion und damit nicht umkehrbar. Dies wird in den Offenlegungen des Stands der Technik benutzt, um in den Resonanzpunkten mittels Mikrowellenbestrahlung die Spins manipulieren zu können. Der Nachteil des hier vorgeschlagenen Verfahrens im Gegensatz zu den Verfahren und Vorrichtungen des Stands der Technik ist somit, dass eine solche Mikrowellenmanipulation dann bei Nutzung dieser Verkippung der Richtungen nicht mehr möglich ist.
Dieser Nachteil wird jedoch aufgewogen dadurch, dass dann Montageverfahren, wie sie in den noch unveröffentlichten Anmeldungen DE 10 2019 114 032.3 , DE 10 2019 121 028.3 und DE 10 2019 121 029.1 vorgeschlagen werden, angewandt werden können. Der Offenbarungsgehalt der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen DE 10 2019 114 032.3 und DE 10 2019 121 028.3 und DE 10 2019 121 029.1 ist vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung.
Als Gehäuse wird ein Gehäuse wie beispielsweise in der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 120 076.8 vorgeschlagen. Der Offenbarungsgehalt der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 120 076.8 ist vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung.
Bei dem Kristall handelt es sich bevorzugt um einen Diamantkristall mit einem NV-Zentrum als paramagnetisches Zentrum.
Die zweite Richtung weicht von der ersten Richtung bevorzugt in der Art ab, dass das GSLAC-Extremum (siehe 26) bei einer magnetischen Gesamtflussdichte am Ort des paramagnetischen Zentrums bei 102,4mT um nicht mehr als 2% und/oder nicht mehr als 1% und/oder nicht mehr als 0,5% vom normierten 1-Wert der Fluoreszenz (siehe 26 und DE 10 2018 127 394.0 ) abweicht.
Durch diese Richtungsverstimmung bzw. De-Kalibrierung wird eine schlechte Quantenzahl zugrunde gelegt, die zu einer Mischung der Quantenzustände und damit zu einer Abnahme der Fluoreszenzführt. Es wird ein zusätzliches Magnetfeld angelegt, das nicht in Richtung der ersten Richtung der Kristallachse zeigt. Das Lumineszenzverhalten der 26 in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B kann also nur bei Ausrichtung der Kristalle beobachtet werden. Insbesondere die in der 26 erkennbaren Resonanzpunkte (Peaks) sind nur bei Ausrichtung der Magnetfeldrichtung zur Kristallachse erkennbar.
27 zeigt den sich ergebenden Verlauf bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung). Erst dann ist eine beliebige Ausrichtung des Magnetfeldes möglich. Wie leicht in der 27 erkennbar ist, ist die die Abhängigkeit zwischen der Magnetischen Flussdichte B und der Fluoreszenz in einem optimalen Arbeitspunktbereich am größten. Durch einen zusätzlichen Permanentmagneten und/oder eine bestromte elektrische Spule kann dem zu messenden Feld ein Bias-Feld überlagert werden, wodurch die Änderung der Fluoreszenz maximiert wird.
Eine Nichtausrichtung der ersten Richtung gegenüber der zweiten Richtung lässt sich daran erkennen, dass keine Resonanzen auftreten. Natürlich kann man jederzeit das magnetische Feld so ausrichten, dass diese Resonanzen auftreten. Wenn eine Vorrichtung aber dazu bestimmt und geeignet ist, auch Magnetfelder zu vermessen, bei denen die erste und zweite Richtung nicht übereinstimmen, so liegt sie auch dann im Beanspruchungsbereich der entsprechenden Ansprüche sofern deren übrige Merkmale zutreffen und zwar auch dann wenn sie bei einer bestimmten Magnetfeldrichtung die besagten Resonanzen aufweist.
Durch das Vermeiden der Resonanzfälle der 26 ergibt sich somit die streng monoton fallende Kurve der 27, die dann auch bijektiv und damit kalibrierbar ist. Erst dann wird es möglich in einer Massenproduktion ein Messsystem zu produzieren.
Des Weiteren umfasst diese Offenlegung die Verwendung eines Sensorsystems wie zuvor beschrieben zur Ermittlung der Position und/oder der Positionsänderung eines Objekts. Dabei kann es sich auch um Verformungen von Oberflächen und/oder Dichtschwankungen handeln. Das Objekt erzeugt und/oder modifiziert und/oder moduliert ein magnetisches Feld in Form der Flussdichte B dieses Feldes. Diese Modulation wird durch das vorgeschlagene Sensorsystem erfasst. Das vorgeschlagene Sensorsystem erzeugt zumindest ein Ausgangssignal (out) oder stellt dieses bereit. Dieses Bereitstellen kann beispielsweise in einem Speicher oder Register der integrierten Schaltung oder als digitales oder analoges Ausgangssignal der integrierten Schaltung erfolgen. Der Wert dieses Ausgangssignals hängt dabei von dem Wert des magnetischen Feldes- genauer des magnetischen Flusses B - am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) ab, der durch das Objekt erzeugt und/oder modifiziert und/oder moduliert wird.
In wichtigen Anwendungsfällen, wie beispielsweise der Vermessung der Position von Vorrichtungsteilen bei Bedienelementen, Maschinen, Robotern, Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren, kann die Erzeugung und/oder Modifikation und/oder Modulation des magnetischen Feldes in Form der magnetischen Flussdichte periodisch sein. Dabei kann wobei die Periodizität auf eine elektrische und/oder mechanische Schwingung und/oder eine mechanische Bewegung längs einer geschlossenen Bahn zurückzuführen sein.
Eine weitere Variante des vorgeschlagenen Sensorsystems betrifft ein Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, bei dem das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement umfasst und bei dem das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst. Das Sensorsystem umfasst wieder eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1) und einen Empfänger (PD1). Die Anregungsstrahlung (LB) weist wieder eine Anregungswellenlänge auf. Die Anregungsstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge. Der Empfänger (PD1) ist bevorzugt für die Fluoreszenzwellenlänge empfindlich. Die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) emittiert die Anregungsstrahlung (LB). Das Sensorsystem iist insbesondere mittels optischer Funktionselemente so gestaltet, dass die die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt. Des Weiteren ist bevorzugt das Sensorsystem insbesondere mittels optischer Funktionselemente mittels so gestaltet, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt. Das Besondere an der hier vorgestellten Variante ist nun, dass das Sensorsystem Mittel, insbesondere einen Regler (RG) und/oder insbesondere eine Kompensationsspule (LC) und/oder einen Permanentmagneten, umfasst, um die Änderung der Intensität der Fluoreszenzstrahlen (FL) bei einer Änderung der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums bezogen auf die jeweilige Anwendung zu maximieren. D.h. durch Subtraktion oder Addition eines quasistatischen Anteils des magnetischen Flusses wird die magnetische Gesamtflussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums in Richtung eines Arbeitspunktes verlagert, der einen optimierten Abstand zum Punkt der maximalen Empfindlichkeit (siehe 28b) hat. Dabei wird ausgenutzt, dass die paramagnetischen Zentren (im Kalle der 28b sind dies NV-zentren in Diamant) bei ausreichend hoher lokaler NV-Zentrumsdichte koppeln und somit kollektive Effekte von Gruppen paramagnetischer Zentren erzeugen. Diese führen zu der Modulation der Empfindlichkeit auch bei Dekalibrierung der ersten und zweiten Richtung.
Wird diese Arbeitspunkteinstellung der magnetischen Flussdichte mittels einer Kompensationsspule (LC) vorgenommen, so ist es sinnvoll, diese mit einem elektrischen Strom zu bestromen, der aus dem Messwert der magnetischen Flussdichte, also dem Filterausgangssignal (S4) des Filters (TP), abgeleitet wird. Das entsprechende Arbeitspunktregelsignal(S9) leitet ein Regler (RG) bevorzugt aus dem Filterausgangssignal (S4) ab. Bevorzugt hat der Regler (RG) eine Tiefpasscharakteristik oder besser eine integrierende Charakteristik. Die Regelung durch den Regler (RG) erfolgt bevorzugt mit einer ersten Zeitkonstante τ₁, während die Kompensationsregelung mittels des Tiefpassfilters (TP) mit einer zweiten Zeitkonstante τ₂ erfolgt. D.h. ein erstes Ausgangssignal (out) gibt die kurzfristigen Änderungen eines magnetischen Flussdichtewechselfeldes wieder während ein zweites Ausgangssignal (out'') die langfristigen Änderungen bzw. den aktuellen quasistatischen Arbeitspunkt des Sensorsystems wiedergibt. Damit dies möglich ist, ist bevorzugt die erste Zeitkonstante τ₁ größer als die zweite Zeitkonstante τ₂ (τ₁>τ₂)
Wie zuvor beschrieben führt die Kopplung der paramagnetischen Zentren, insbesondere der Nv-Zentren, auch bei Dekalibrierung zu einer Empfindlichkeit der Intensität der Fluoreszenzstrahlung der paramagnetischen Zentren (NV1) gegenüber einer Änderung der magnetischen Flussdichte B. Es ist daher wichtig, dass mindestens zwei, besser mindestens 4, besser mindestens 4, besser mindestens 8, besser mindestens 20, besser mindestens 40, besser mindestens 100, besser mindestens 200, besser mindestens 400, besser mindestens 1000 paramagnetische Zentren (NV1) miteinander gekoppelt sind, um diesen Effekt zu erreichen. Entsprechend ist es sinnvoll, wenn die zuvor beschriebenen Verfahren einen oder mehrere zusätzliche Schritte zur Kopplung von mindestens zwei, besser mindestens 4, besser mindestens 4, besser mindestens 8, besser mindestens 20, besser mindestens 40, besser mindestens 100, besser mindestens 200, besser mindestens 400, besser mindestens 1000 paramagnetische Zentren (NV1) umfassen
Diese Kopplung kann auch über optische und/oder elektronische Funktionselemente der integrierten Schaltung (IC) und/oder über optische Funktionselemente des Gehäuses erfolgen.
Mit dem Begriff Sensorsystem sind in dieser Beschreibung auch solche Systeme umfasst, die Quanteneigenschaften ganz allgemein ausnutzen. Dies betrifft insbesondere Systeme die Modifikationen an Quantenzuständen der paramagnetischen Zentren ausführen und/oder auswerten und/oder erfassen und ausgeben. Diese Systeme sind Teil der hier offengelegten technischen Lehre.
Die in dieser Offenlegung genannten Prinzipien und Merkmale können miteinander kombiniert werden, soweit das Ergebnis sinnvoll ist.
Vorteil
Ein solches Gehäuse und der darauf aufgebaute Sensor ermöglicht zumindest in einigen Realisierungen den kompakten Aufbau und die Kombination konventioneller Schaltungstechnik mit Quantensensorik. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
Figurenliste

1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines vorgeschlagenen Systems.
2 zeigt ein sogenanntes Open-Cavity-Gehäuse in der Aufsicht.
3 zeigt das beispielhafte Gehäuse der 2 im Querschnitt.
4 bis 14 beschreiben einen beispielhaften Montageprozess für das vorgeschlagene Sensorsystem in dem vorgeschlagenen Gehäuse.
15 zeigt ein einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion der integrierten Schaltung (IC).
16 zeigt das System der 15 mit einer optischen Kompensation.
17 zeigt den Test eines vorgeschlagenen Systems.
18 zeigt einen grundsätzlichen Verfahrensablauf zur Herstellung eines Sensorsystems.
19 entspricht der 18, wobei nun ein Test durchgeführt wird.
20 zeigt das System der 15 mit einer optischen Kompensation über den Sender.
21 zeigt das System der 15 mit einer elektrischen Kompensation und einer Messung des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung (FL), was einen Verzicht auf den ersten Filter (F1) ermöglicht.
22 Zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 14 ohne den ersten Filter (F1);
23 Zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 22 mit Schirmung (MS) und einem separierten Empfänger (PD1);
24 Zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 22 mit einer zusätzlichen Leitung (LTG), deren Strom gemessen werden soll, in der Aufsicht vor der Montage;
25 Zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 23 mit der gegenüber 22 zusätzlichen Leitung (LTG), deren Strom gemessen werden soll;
26 Zeigt das Fluoreszenzverhalten in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B wie es nur bei Ausrichtung der Kristalle beobachtet werden kann, wobei insbesondere die in der 26 erkennbaren Resonanzpunkte (Peaks) nur bei Ausrichtung der Magnetfeldrichtung zur Kristallachse erkennbar sind.
27 Zeigt den sich ergebenden Verlauf der 26 nun aber bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung).
28 Zeigt den sich ergebenden Verlauf der 26 nun aber bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung) in 28a und dessen Differentiation als Empfindlichkeitskurve in 28b mit dem Punkt maximaler Empfindlichkeit bei ca. 5-10mT.
29 Zeigt die Einstellung des optimalen Arbeitspunktes mittels einer mittels eines Reglers (RG) langsam nachgeregelten Arbeitspunktregelsignals (S9) zur Bestromung einer Kompensationsspule (LC), die die magnetische Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) nachregelt.
30 zeigt einen beispielhaften Leadframe in der Aufsicht.
31 zeigt den beispielhaften Leadframe der 30 im Querschnitt, wobei der Rahmen hier und im Folgenden zur Vereinfachung weggelassen wird.
32 bis 42 beschreiben einen beispielhaften Montageprozess für das vorgeschlagene Sensorsystem in einem weiteren vorgeschlagenen Gehäuse.
43 zeigt einen grundsätzlichen alternativen Verfahrensablauf zur Herstellung eines alternativen Sensorsystems.
44 zeigt eine beispielhafte Zusammenstellung mehrerer Flachspulen, wie sie bevorzugt als in den integrierten Schaltkreis (IC) zur Erzeugung magnetischer Felder mit Multipolmomenten und/oder zur Modifikation der Richtung des magnetischen Flusses B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) eingesetzt werden.

Beschreibung der Figuren
Figur 1
1 zeigt den Aufbau eines vorgeschlagenen Systems. Es umfasst eine integrierte Schaltung (IC), die einen Empfänger (PD) umfasst. Oberhalb des Empfängers ist ein erster Filter (F1), der bevorzugt ein optischer Filter ist, angeordnet. Dieser erste Filter (F1) ist bevorzugt auf die Oberfläche der integrierten mikroelektronischen Schaltung (IC) aufgeklebt. Die Klebung ist dabei bevorzugt transparent für das Fluoreszenzlicht (FL) eines paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements, das auf der dem Empfänger (PD1) abgewandten Seite des ersten Filters (F1) montiert ist. Die integrierte mikroelektronische Schaltung (IC) ist bevorzugt ein vereinzelter Kristall. Bevorzugt ist die integrierte mikroelektronische Schaltung (IC) eine CMOS-Schaltung, eine bipolare Schaltung oder eine BiCMOS-Schaltung. Das Material der mikroelektronischen Schaltung (IC) ist bevorzugt Silizium. Wird ein III/V Material als Trägermaterial der integrierten mikroelektronischen Schaltung (IC) verwendet, so ist ein Co-Integration einer LED (PL1) mit der mikroelektronischen Schaltung (IC) und mit dem Empfänger (PD) denkbar. Statt der vertikalen Anordnung ist dann eine laterale Anordnung sinnvoll. In dem Fall der 1 gehen wir zur Vereinfachung davon aus, dass die LED (PL1) nicht Co-integriert ist, sondern separat. In dem Beispiel der 1 ist ein Sensorelement mittels eines Befestigungsmittels (Ge) mit dem ersten Filter (F1) mechanisch verbunden. Bevorzugt handelt es sich um verfestigte Gelatine. Die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), genauer die LED (PL1), bestrahlt die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements mit Anregungsstrahlung. Diese regt die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Emission einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das Befestigungsmaterial (Ge) ist bevorzugt transparent für die Anregungsstrahlung der Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), also der LED (PL1), und transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt nicht transparent für das Anregungslicht der Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), also der LED (PL1). Letztlich bildet der Empfänger (PD1) zusammen mit dem ersten Filter (F1) einen Empfänger, der im Wesentlichen nur für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements empfindlich ist und im Wesentlichen nicht für die Anregungsstrahlung (LB) der LED (PL1) empfindlich ist. Die integrierte Schaltung (IC) erzeugt nun bevorzugt eine Modulation der Anregungsstrahlung (LB) der Quelle (PL1) der Anregungsstrahlung (LB), also der LED (PL1). Diese modulierte Anregungsstrahlung (LB) trifft die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. In Abhängigkeit vom magnetischen Fluss am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements emittieren diese dann eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) deren Modulation von der Modulation der eintreffenden Anregungsstrahlung abhängt.
Diese Modulation der Anregungsstrahlung hat somit eine damit korrelierte Modulation der Fluoreszenzstrahlung (FL) zur Folge. Daher wird das Empfangssignal (S0) des Empfängers (PD1) der integrierten Schaltung (IC), der von der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) getroffen wird, ebenfalls moduliert. Da die Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) vom magnetischen Fluss am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements abhängt, hängt die Modulation des Empfangssignals (S0) ebenfalls vom magnetischen Fluss am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements ab.
Die integrierte Schaltung kann nun die Modulation des Empfangssignals (S0) auswerten und davon abhängig Aktoren betätigen oder deren Tätigkeit verändern. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung eine erste Spule (L1) anders bestromen und so eine Änderung des Magnetfeldes, dass die integrierte Schaltung aufgrund eine Modulationsänderung des Empfangssignals (S0) erfasst hat, kompensieren. Bevorzugt ist die besagte erste Spule (L1) Teil der integrierten Schaltung. Sie kann dann beispielsweise als ein- oder mehrlagige Spule gefertigt werden. Die erste Spule (L1) kann aber auch getrennt gefertigt werden.
Figur 2
2 zeigt ein sogenanntes Open-Cavity-Gehäuse in der Aufsicht. Es umfasst einen Boden(BO), Diese Boden (BO) ist von einem umlaufenden Wandung (WA) umfasst, so dass der Boden (BO) zusammen mit dieser Wandung (WA) eine nach oben offene Kavität bildet, in die im Folgenden Bauteile montiert werden können. In dem Beispiel der 2 sind vier beispielhafte Kontakte vorgesehen. Die Anzahl der Kontakte und deren Form können variieren. Bevorzugt entspricht die finale Form des fertig montierten Gehäuses einem Standardgehäuse, wie beispielsweise QFN sodass vollautomatische Bestückungsmaschinen für die Montage des finalen Gehäuses auf Leiterplatten benutzt werden können. Bevorzugt sind der Boden (BO) und die Wandung aus Duroplast gefertigt, sodass das Gehäuse mit den darin enthaltenen Bauteilen in einem Lötprozess verwendet werden kann. In den Gehäuseboden sind bevorzugt Montageflächen eingearbeitet. Diese bestehen bevorzugt aus Metall. Dieses Metall ist bevorzugt beschichtet um eine besser Haftung der Bond-Drähte zu gewährleisten. Im Folgenden werden diese Montageflächen als Lead-Frame-Fläche bezeichnet.
Eine dritte Lead-Frame-Fläche (LF3) und eine zweite Lead-Frame-Fläche (LF2) sind in den Boden (BO) eingearbeitet. Ihre Oberfläche liegt aber innerhalb der Kavität (CAV) frei. In dem Beispiel der 2 sind die Kontakte des Gehäuses als solche Leadframe-Flächen gearbeitet, die die umlaufende Wandung (WA) durchdringen und so einen elektrischen Kontakt durch die Wandung (WA) hindurch ermöglichen. In dem Beispiel der 4 durchstößt eine erste Lead-Frame-Fläche (LF1) die umlaufende Wandung. In dem Beispiel der 4 durchstößt eine vierte Lead-Frame-Fläche (LF4) die umlaufende Wandung. In dem Beispiel der 4 durchstößt eine fünfte Lead-Frame-Fläche (LF5) die umlaufende Wandung. In dem Beispiel der 4 durchstößt eine sechste Lead-Frame-Fläche (LF6) die umlaufende Wandung.
Besonders bevorzugt weist das vorgeschlagene Gehäuse mindestens drei Anschlüsse auf: Eine positive Versorgungsspannungsleitung (Vdd), eine Bezugspotenzialleitung (GND), im Folgenden Masse genannt, und eine Ein- Ausgabeleitung (out). Die integrierte Schaltung (IC) wird durch die Versorgungsspannungsleitung (Vdd) und die Bezugspotenzialleitung mit elektrischer Energie versorgt. Die Ein-/Ausgabeleitung kann digital und/oder analog sein. Im Beispiel der 15 und 16 ist der Ausgang (out) analog. Die 15 und 16 können aber sinngemäß auch digital realisiert werden. Bevorzugt ist der Ein-/Ausgang ein bidirektionaler Eindrahtdatenbus. Besonders geeignet sind bekannte automobile Datenbusse wie beispielsweise der LIN-Datenbus, der DS13-Datenbus oder der PSI5-Datenbus. Beispielsweise im Falle des LIN-Datenbusses und/oder des DSI-3 Datenbusses kann ein vierter Anschluss als Fortsetzung des Datenbusses vorgesehen werden. In dem Fall ist es möglich mittels eines Autoadressierungsverfahrens aus dem Stand der Technik die Position des Gehäuses mit dem Sensorsystem im Datenbus festzustellen und so eine Software-Adresse zu bestimmen, die eine Adressierung jedes verbauten Sensorsystems mit einer individuellen, durch die physikalische Position vorbestimmbaren Sensoradresse erlaubt. Als Schriften für solche Autoadressierungsverfahren seinen hier beispielhaft die folgenden Schriften genannt: EP 1490 772 B1 , DE 10 2017 122 365 B3 . Deren Offenbarungsgehalt ist in Kombination mit dieser Offenlegung vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung.
Dies ist insbesondere für biometrische und/oder medizinische Anwendungen mit sehr vielen Sensoren sehr wünschenswert, da hierdurch die Kosten gesenkt werden.
Figur 3
3 zeigt das beispielhafte Gehäuse der 2 im Querschnitt. Die Kavität (CAV) ist markiert.
Figuren 4 bis 14
Die 4 bis 14 beschreiben einen beispielhaften Montageprozess für das vorgeschlagene System.
Figur 4
In 4 wird zunächst beispielsweise mit Hilfe eines Dispensers auf die dritte Lead-Frame-Fläche (LF3) ein dritter Kleber (GL3) aufgetragen. Mit Hilfe eines Dispensers wird auf die zweite Lead-Frame-Fläche (LF2) ein zweiter Kleber (GL2) aufgetragen.
Figur 5
In 5 wird in den dritten Kleber (GL3) auf der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3) die LED (PL1) gesetzt und damit an der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3) befestigt. Bevorzugt ist der dritte Kleber (GL3) elektrisch leitfähig. In dem Fall entsteht eine elektrische Verbindung zwischen der LED (PL1) und der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3).
Figur 6
In 6 wird eine integrierte Schaltung (IC) in den zweiten Kleber (GL2) gesetzt und damit an der zweiten Lead-Frame-Fläche (LF2) befestigt. Bevorzugt ist der zweite Kleber (GL2) elektrisch leitfähig. In dem Fall entsteht eine elektrische Verbindung zwischen der Rückseite der integrierten Schaltung (IC) und der weiten Lead-Frame-Fläche (LF2). Die integrierte Schaltung (IC) umfasst in dem Beispiel den Empfänger (PD1) und die erste Spule (L1), die in dem Beispiel der 6 den Empfänger umgibt.
Figur 7
Dieser Schritt ist notwendig, sofern der erste Filter (F1) nicht schon Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und z.B. als metalloptischer Filter im Metallisierungsstapel des integrierten Schaltkreises realisiert ist und falls die Notwendigkeit des ersten Filters (F1) nicht durch andere Maßnahmen, wie beispielsweise eine Messung des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung zu Zeiten, in denen die Anregungsstrahlung abgeschaltet und/oder abgeklungen ist, obsolet ist. In 7 wird ein erster Kleber (GL1) auf die Oberfläche der integrierten Schaltung (IC) im Bereich des Empfängers (PD1) aufgetragen. Der erste Kleber (GL1) ist bevorzugt im Wesentlichen transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements transparent. Statt eines ersten Klebers können natürlich auch andere funktionsäquivalente Befestigungsmethoden für den im Folgenden in 8 beschriebenen ersten Filter (F1) verwendet werden.
Figur 8
Dieser Schritt ist notwendig, sofern der erste Filter (F1) nicht schon Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und z.B. als metalloptischer Filter im Metallisierungsstapel des integrierten Schaltkreises realisiert ist und falls die Notwendigkeit des ersten Filters (F1) nicht durch andere Maßnahmen, wie beispielsweise eine Messung des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung zu Zeiten, in denen die Anregungsstrahlung abgeschaltet und/oder abgeklungen ist, obsolet ist. In 8 wird in den ersten Kleber der erste Filter (F1) gesetzt. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt im Wesentlichen transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt im Wesentlichen nicht transparent für die Anregungsstrahlung (LB) der LED (PL1). Der erste Filter (F1) und der erste Kleber (GL1) können entfallen, wenn der Empfänger (PD1) von vornherein so ausgeführt wird, dass er für die Fluoreszenzstrahlung der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements im Wesentlichen empfindlich ist und für die Anregungsstrahlung (LB) der LED (PL1) nicht empfindlich ist. Insofern kann die gemeinsame Funktionalität aus Empfänger (PD1), erstem Kleber (GL1) und erstem Filter auch als ein Empfänger (PD1) betrachtet werden, der für die Fluoreszenzstrahlung der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements im Wesentlichen empfindlich ist und für die Anregungsstrahlung (LB) der LED (PL1) nicht empfindlich ist.
Figur 9
In 9 wird das Sensorelement auf dem ersten Filter (F1) platziert. Dieser Schritt kann auch mit dem folgenden Schritt der 10 zusammen erfolgen. Das Sensorelement umfasst die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements.
Figur 10
In 10 wird das Befestigungsmittel (Ge) zur Befestigung des Sensorelements mit den paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements an dem ersten Filter (F1) eingebracht. Bevorzugt handelt es sich Gelatine. Bevorzugt wird die Gelatine mit den Sensorelementen vermischt und zusammenaufgebracht. In der hier vorgelegten Offenlegung wird hierbei ausdrücklich Bezug auf die DE 10 2019 114 032.3 genommen, deren Offenbarungsgehalt in Kombination mit dem Offenbarungsgehalt dieser Schrift vollumfänglicher Teil dieser Offenbarung ist.
Figur 11
In 11 werden weitere elektrische Verbindungen durch Bonddrähte hergestellt. Hier stellen der erste Bonddraht (BD1), der zweite Bonddraht (BD2), der dritte Bonddraht (BD3) nur Beispiele dar.
Figur 12
In 12 wird ein vierter Kleber (GL4) auf den Wandungen (WA) aufgetragen. Statt eines vierten Klebers (GL4) kann auch ein äquivalentes Verbindungsmittel eingesetzt werden. Sind die Wandungen (WA) beispielsweise aus Glas, so ist beispielsweise die Verwendung eines Glas-Lots denkbar.
Figur 13
In 13 wird der mit einem reflektierenden Material (RE) (beispielsweise einem Anstrich mit Titanoxid) als Reflektor (RE) versehene Deckel (DL) auf die Wandung aufgesetzt. Bevorzugt geschieht dies in einer kontrollierten Atmosphäre, beispielsweise in einem Schutzgas oder Edelgas und/oder in einem Vakuum und/oder in einer Atmosphäre mit reduziertem Druck.
Figur 14
Nach dem Aufsetzen des Deckels (DL) kann der Reflektor (RE) die Anregungsstrahlung (LB1a) der LED (PL1) als reflektierte Anregungsstrahlung (LB1b) in das Sensorelement einstrahlen. Dort regt diese reflektierte Anregungsstrahlung (LB1b) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zu Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Diese wird von dem Empfänger (PD1) der integrierten Schaltung (IC) empfangen und verarbeitet. Der Reflektor (RE) dient also als optisches Funktionselement des Gehäuses, dass das die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements mit der LED (PL1) optisch koppelt.
Figur 15
15 zeigt ein einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion der integrierten Schaltung (IC). Ein Signalgenerator (G) erzeigt ein Sendesignal (S5). Die LED (PL1) wandelt das Sendesignal in eine modulierte Anregungsstrahlung (LB), die direkt oder wie zuvor beschrieben indirekt auf das Sensorelement trifft. Dort regt diese reflektierte Anregungsstrahlung (LB) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zu Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das erste Filter (F1) lässt die Fluoreszenzstrahlung (FL) passieren, während es die modulierte Anregungsstrahlung (LB) nicht passieren lässt. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) ist korreliert zur Anregungsstrahlung (LB) moduliert. Die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) wir nach dem Passieren des ersten Filters (F1) vom Empfänger (PD1) empfangen und in ein moduliertes Empfangssignal (S0) umgewandelt. Ggf. umfasst der Empfänger (PD1) weitere Verstärker und Filter. Ein erster Addierer (A1) subtrahiert ein Rückkoppelsignal (S6) von dem Empfangssignal (S0). Es ergibt sich das reduzierte Empfangssignal (S1). Dieses reduzierte Empfangssignal (S1) wird in einem Synchrondemodulator weiterverarbeitet. Dazu multipliziert ein erster Multiplizierer (M1) das reduzierte Empfangssignal (S1) mit dem Sendesignal (S5) und bildet so das Filtereingangssignal (S3). In einem Tiefpassfilter (TP) wird der Gleichanteil des Filtereingangssignals durchgelassen. Es ergibt sich das Filterausgangssignal (S4) als Ausgangssignal des Tiefpassfilters (TP). Formal bildet der erste Multiplizierer (M1) und der Tiefpass (TP) ein Skalarprodukt des reduzierten Empfangssignals (S1) und des Sendesignals (S5). Der Wert des Filterausgangssignals (S4) gibt dann an, wieviel vom Sendesignal (S5) anteilig im reduzierten Empfangssignal (S1) vorhanden ist. Dieses Filterausgangssignal (S4) kann man mit einem Fourier-Koeffizienten in seiner Funktion vergleichen. Ein zweiter Multiplizierer (M2) multipliziert das Filterausgangssignal (S4) mit dem Sendesignal (S5) und bildet so das Rückkoppelsignal (S6). Ist die Verstärkung des Tiefpasses (TP) sehr groß, so enthält das reduzierte Empfangssignal (S1) typischerweise bis auf einen Regelfehler bei Stabilität keinen Anteil des Sendesignals mehr. Der Wert des Filterausgangssignals (S4) ist dann ein Maß für die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Empfänger (PD1) erreicht. Dieses Empfängerausgangssignal (S4) wird dann als Sensorausgangssignal (out) über eine der Lead-Frame-Flächen mittels eines Bond-Drahtes ausgegeben.
Figur 16
16 zeigt das System der 15 mit dem Unterschied, dass die Rückspeisung des Rückkoppelsignals (S6) nun nicht über einen ersten Addierer (A1) elektrisch erfolgt, sondern über eine Kompensations-LED (PLK). Hierzu wird er Pegel und der Offset des Rückkopplungssignals (S6) durch eine Anpassschaltung (OF) geeignet angepasst. Es ergibt sich ein Kompensationssendesignal (S7) als Ausgangssignal der Anpassschaltung (OF). Mit diesem Kompensationssendesignal (S7) wird die Kompensations-LED (PLK) betrieben. Die Kompensations-LED (PLK) strahlt dann in den Empfänger (PD1) ein. Um die Subtraktion zu reproduzieren, wird nun vorgesehen, dass der Ausgang des Tiefpassfilters (TP) invertierend ausgeführt wird. Es kommt also nicht darauf an, an welcher Stelle diese Inversion im Regelkries ausgeführt wird, sondern nur, dass sie stattfindet. Bevorzugt ist die Vorrichtung mit einer ersten Barriere (BA1) versehen, die verhindert, dass die Kompensations-LED (PLK) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements bestrahlen und damit zur Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) anregen kann. Es handelt sich also um eine Barriere für elektromagnetische Strahlung und/oder Licht.
Bevorzugt ist die Vorrichtung mit einer zweiten Barriere (BA2) versehen, die verhindert, dass die LED (PL1) den Empfänger (PD1) direkt bestrahlen kann. Es handelt sich also auch hier um eine Barriere für elektromagnetische Strahlung und/oder Licht. Aus regelungstechnischen Gründen kann eine gewisse direkte Bestrahlung in sehr geringem Umfang aber ggf. gewünscht sein, um den Fangbereich der Regelung zu verbessern.
Figur 17
17 zeigt den Test eines vorgeschlagenen Systems. Der Test wird bevorzugt vor dem verschließen des Gehäuses mit dem Deckel (DE) durchgeführt. Bevorzugt wird die integrierte Schaltung durch Kontaktieren des Gehäuses und Anlegen geeigneter Pattern in Betrieb gesetzt. Eine erste Test-LED (LED1) emittiert Anregungsstrahlung auf die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Damit werden die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements bestrahlen zur Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) angeregt. Diese Fluoreszenzstrahlung (FL) kann durch einen ersten Testempfänger (TD1), der mit einem Testfilter (TF1) versehen ist, der nur die besagte Fluoreszenzstrahlung (FL) passieren lässt und dadurch im Wesentlichen nur für diese empfindlich ist. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) wird mit Hilfe des Testempfängers (TD1) erfasst und in einen Messwert gewandelt. Dieser Messwert wird durch eine nicht gezeichnete Testvorrichtung mit einem Sollwert verglichen. Verläuft der Vergleich negativ, so ist das System fehlerhaft.
In einem anderen Testschritt wird die LED (PL1) durch die integrierte Schaltung (IC) aufgrund eines Befehls der externen Testvorrichtung an die integrierte Schaltung (IC) zur Abgabe von Anregungsstrahlung (LB) veranlasst. Diese emittierte Anregungsstrahlung (LB) fällt teilweise auf die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Ggf. wird hierfür ein externer Spiegel (EMI) vorgesehen. Damit werden die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements bestrahlen zur Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) angeregt. Diese Fluoreszenzstrahlung (FL) kann durch den ersten Testempfänger (TD1), der mit einem Testfilter (TF1) versehen ist, der nur die besagte Fluoreszenzstrahlung (FL) passieren lässt und dadurch im Wesentlichen nur für diese empfindlich ist, detektiert werden. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) wird mit Hilfe dieses Testempfängers (TD1) wiedererfasst und in einen Messwert gewandelt. Dieser Messwert wird durch eine nicht gezeichnete Testvorrichtung mit einem zweiten Sollwert verglichen. Verläuft der Vergleich negativ, so ist das System fehlerhaft.
Die Anregungsstrahlung (LB) der LED (PL1) kann durch einen zweiten Testempfänger (TD2) detektiert werden. Die Anregungsstrahlung (LB) wird mit Hilfe dieses Testempfängers (TD2) erfasst und in einen Messwert gewandelt. Dieser Messwert wird durch eine nicht gezeichnete Testvorrichtung mit einem dritten Sollwert verglichen. Verläuft der Vergleich negativ, so ist das System fehlerhaft.
Figur 18
18 zeigt einen grundsätzlichen Verfahrensablauf zur Herstellung eines Sensorsystems. Der Vorgeschlagene Herstellungsprozess umfasst die folgenden Schritte, wobei die Reihenfolge der Schritte leicht variieren kann, zusätzliche Schritte ausgeführt werden können und Schritte zusammengefasst werden können. Ein erster Schritt ist das Bereitstellen (1) eines sogenannten premolded Open-Cavity-Gehäuses mit Anschlüssen. Das bedeutet, dass es sich bevorzugt um ein vorgeformtes Gehäuse handelt, das eine Kavität (CAV) aufweist, in die die Komponenten montiert werden. Das Gehäuse ist in den 2 und 3 dargestellt. Als zweiter Schritt erfolgt das Einbringen (2) einer Quelle für Anregungsstrahlung (PL1), also das Einbringen der LED (PL1). Als dritter Schritt erfolgt das Einbringen (3) einer integrierten Schaltung (IC) mit einem Empfänger (PD1), der vorzugsweise bereits wellenlängensensitiv ist. D.h. bevorzugt ist er für die Fluoreszenzstrahlung (FL) eines paramagnetischen Zentrums (NV1) des Materials des Sensorelements im Wesentlichen empfindlich und für die Anregungsstrahlung (LB) der LED (PL1), mit der das paramagnetische Zentrum (NV1) zur Emission der Fluoreszenzstrahlung (FL) veranlasst wird, im Wesentlichen nicht empfindlich. Es folgt der Schritt des elektrischen Verbindens (4) der integrierten Schaltung (IC) und der Anschlüsse (LF1, LF2, LF4, LF5, LF6) und der Quelle (PL1) für die Anregungsstrahlung (LB), also der LED (PL1). Sodann erfolgt das Einbringen (5) eines Sensorelements mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material des Sensorelements und das Befestigen (6) des Sensorelements mittels eines Befestigungsmittels (Ge). Diese beiden letztgenannten Schritte können auch gemeinsam erfolgen. Als weiterer Schritt erfolgt das Herstellen (7) eines Mittels zur Lenkung der Anregungsstrahlung (LB) und/oder Fluoreszenzstrahlung (FL). Hierbei handelt es sich um den Reflektor (RE). Bei dem Reflektor (RE) kann es sich auch ganzeinfach um die unbehandelte Seite des Deckels (DE9 handeln, der in Richtung auf die Kavität (CAV) weist. Diese Deckelseite des Deckels (DE) kann beschichtet sein, mit einem optischen Funktionselement versehen sein, mikrostrukturiert sein und mit einer Wölbung, die moduliert sein kann, versehen sein, um die LED (PL1) mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material des Sensorelements optisch zu koppeln. Das Verschließen (8) des Gehäuses mit dem besagten Deckel (DE) schließt das Verfahren in seiner Grundform ab. In der 18a ist der Ablauf grundsätzlich dargestellt, während in der 18b die Schritte fünf und 6 gemeinsam ausgeführt werden.
Figur 19
In der 19a ist der Ablauf der 18a noch einmal dargestellt. Zwischen dem Schritt des Befestigens (6) des Sensorelements mittels eines Befestigungsmittels (Ge) und dem Schritt der Herstellung (7) eines Mittels zur Lenkung der Anregungsstrahlung (LB) und/oder Fluoreszenzstrahlung (FL) ist ein Schritt zum Test der Systemfunktion (9) eingefügt, in dem ein Messwert ermittelt wird. Dieser Messwert wird in einem weiteren Schritt (10) mit einem Schwellwert verglichen. Ist der Vergleich positiv (p), so folgt der bekannte Schritt der Herstellung (7) eines Mittels zur Lenkung der Anregungsstrahlung (LB) und/oder Fluoreszenzstrahlung (FL). Ist der Vergleich negativ (n) so folgt ein Verwurf (11) oder eine Nacharbeit des Systems.
In der 19a ist der Ablauf der 18a noch einmal dargestellt. Zwischen dem Schritt des Befestigens (6) des Sensorelements mittels eines Befestigungsmittels (Ge) und dem Schritt der Herstellung (7) eines Mittels zur Lenkung der Anregungsstrahlung (LB) und/oder Fluoreszenzstrahlung (FL) ist ein Schritt (12) zum Aufbringen des ersten Klebers (GL1) auf die integrierte mikroelektronische Schaltung (IC) und ein Schritt (13) zum Aufsetzen des ersten Filters (F1) in den ersten Kleber (GL1) vorgesehen. Diese Schritte sind notwendig, wenn der Empfänger nicht im Wesentlichen selektiv für die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums des Materials des Sensorelements gegenüber der Anregungsstrahlung (LB) der LED (PL1) ist.
Weitere Schritte sind möglich. Die Schritte können auch miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist. Es ist auch möglich mehr als einen Testschritt (10) durchzuführen.
Ein Testschritt (9) kann beispielsweise die Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) durch das paramagnetische Zentrum (NV1) des Materials des Sensorelements durch Bestrahlung mit Anregungsstrahlung prüfen.
In Testschritt (9) kann beispielsweise die Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) durch das paramagnetische Zentrum (NV1) des Materials des Sensorelements durch Veranlassung der LED(LED1) zur Abgabe von Anregungsstrahlung (LB) prüfen, wobei dann vorzugsweise auch die durch die LED (PL1) abgegebene Anregungsstrahlung geprüft werden kann.
In Testschritt (9) kann beispielsweise die Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) durch das paramagnetische Zentrum (NV1) des Materials des Sensorelements durch Bestrahlung mit Anregungsstrahlung in Abhängigkeit von einem extern erzeugten magnetischen Fluss geprüft werden. Dies ist insbesondere zu Kalibrationszwecken sinnvoll. Die dann ggf. ermittelten Kalibrationsdaten können in einem Speicher der mikroelektronischen Schaltung (IC) hinterlegt werden. Ein solcher Test und eine solche Kalbration sind selbstverständlich nach dem Aufsetzen des Deckels (DE) auf das Gehäuse sinnvoll.
Figur 20
20 dient zum Verdeutlichen des Verfahrens bei optischer Kompensation über eine geregelte Kompensations-LED (PLK). Das Sensorsystem umfasst wieder ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements, das Teil des Sensorsystems ist. Das Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems läuft dann so ab, dass mittels eines Kompensationssendesignals (S7) ein moduliertes Aussenden einer modulierten Kompensationsstrahlung (KS) durch die moduliert betriebene Kompensations-LED (PLK) erfolgt. Eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) wird mittels eines paramagnetischen Zentrums (NV1) in einem Material eines Sensorelements durch modulierte Anregungsstrahlung (LB) verursacht. deren Ursprung der Anregungsstrahlung (LB) wird später beschrieben. Im Empfänger (PD1) erfolgt ein überlagerndes Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und der modulierten Kompensationsstrahlung (KS) und das Erzeugen eines Empfangssignals (S0). Ist die im Folgenden beschriebene Regelung bei Abwesenheit von Störern eingeschwungen, so enthält das Empfangssignal (S0) bevorzugt keine Modulation mehr. Es wird sodann eine Korrelation des Empfangssignals (S0) mit dem modulierten Kompensationssendesignal (S7), insbesondere unter Zuhilfenahme eines Synchrondemodulators, und Bildung eines Ausgangssignals (out) durchgeführt, um den modulierten Anteil im Empfangssignal (S0) zu detektieren und dann mittels des Sendesignals (S5) zu kompensieren. Das vorgeschlagene Alternativverfahren umfasst das Erzeugen eines mit dem Kompensationssendesignal (S7) modulierten Sendesignals (S5) mit Hilfe des Ausgangssignals (out). Dabei hängt das Ausgangssignal (out) von der Intensität der Korrelation der Modulation der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit dem Kompensationssendesignal (S8) ab.
Die Korrelation erfolgt bevorzugt mit den Schritten

• Multiplikation des Empfangssignals (S0) mit dem Kompensationssendesignal (S7) zum Filtereingangssignal (S3);
• Filtern des Filtereingangssignals (S3) mit einem Filter (TP) zum Filterausgangssignal (S4), wobei das Filterausgangssignal mit einem Faktor -1 multipliziert ist;
• Multiplikation des Filterausgangssignals (S4) mit dem Kompensationssendesignal (S7) zum Sendevorsignal (S8);
• Bilden des Sendesignals (S5) aus dem Sendevorsignal (S8);
• Ansteuern eines Senders (PL1) mit dem Sendesignal (S5);
• Aussenden einer Anregungsstrahlung (LB) durch die LED (PL1) in Abhängigkeit von dem Sendesignal (S5);
• Verwendung des Filterausgangssignals (S4) zur Bildung des Ausgangssignals (out), wobei das Ausgangssignal (out)im Sinne dieses Merkmals gleich dem Filterausgangssignal (S4) sein kann.

Figur 21
21 entspricht einem erweiterten System der 15. 16 und 20 lassen sich in analoger Weise erweitern. Auch 21 zeigt ein einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion der integrierten Schaltung (IC). Ein Signalgenerator (G) erzeigt ein Sendesignal (S5) und ein bezüglich des Skalarprodukts, das durch den ersten Multiplizierer (M1) und den Filter (TP) hier beispielhaft realisiert wird, zu dem Sendesignal (S5) orthogonales Referenzsignal (S5'). Zur Vereinfachung nehmen wir an, dass das Sendesignal (S5) und das orthogonale Referenzsignal (S5') periodisch sind. Bevorzugt ist dann der Filter (TP) mit einem Ausgangsspeicher versehen, der zu jedem Periodenende der Periode des Sendesignals (S5) den erreichten Filterausgangswert unmittelbar vor seinem Ausgang abtastet und bis zum nächsten Periodenende ausgibt. Dieses Latch oder diese Sample&Hold-Schaltung ist in den 15, 16, 20 und 21 zur Vereinfachung nicht eingezeichnet, aber sehr sinnvoll, um die zeitlichen Integrationsgrenzen des Skalarprodukts exakt zu definieren. Dies gilt auch für das zusätzliche Filter (TP') und den zusätzlichen ersten Multiplizierer (M1'). Hier wird zur Vereinfachung angenommen, dass der zusätzliche erste Multiplizierer (M1') die gleichen Eigenschaften hat wie der erste Multiplizierer (M1). Des Weiteren wird angenommen, dass der zusätzliche Filter (TP') die gleichen Eigenschaften hat, wie der Filter (TP). Die LED (PL1) wandelt das Sendesignal (S5) wieder in eine modulierte Anregungsstrahlung (LB), die direkt oder wie zuvor beschrieben indirekt auf das Sensorelement trifft. Dort regt diese reflektierte Anregungsstrahlung (LB) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zu Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das erste Filter (F1) lässt die Fluoreszenzstrahlung (FL) passieren, während es die modulierte Anregungsstrahlung (LB) nicht passieren lässt. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) ist korreliert, aber typischerweise definiert phasenverschoben zur Anregungsstrahlung (LB) moduliert. Dies kann nun ausgenutzt werden. Die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) wird nach dem Passieren des ersten Filters (F1) vom Empfänger (PD1) empfangen und in ein moduliertes Empfangssignal (S0) umgewandelt. Ggf. umfasst der Empfänger (PD1) weitere Verstärker und Filter. Ein erster Addierer (A1) subtrahiert ein komplexes Rückkoppelsignal (S8) von dem Empfangssignal (S0). Es ergibt sich das reduzierte Empfangssignal (S1). Dieses reduzierte Empfangssignal (S1) wird in nunmehr zwei Synchrondemodulatoren weiterverarbeitet.
Erster Synchrondemodulator
Ein erster Multiplizierer (M1) multipliziert das reduzierte Empfangssignal (S1) mit dem Sendesignal (S5) und bildet so das Filtereingangssignal (S3). In dem Tiefpassfilter (TP) wird der Gleichanteil des Filtereingangssignals durchgelassen. Es ergibt sich das Filterausgangssignal (S4) als Ausgangssignal des Tiefpassfilters (TP). Formal bildet der erste Multiplizierer (M1) und der Tiefpass (TP) ein Skalarprodukt des reduzierten Empfangssignals (S1) und des Sendesignals (S5). Der Wert des Filterausgangssignals (S4) gibt dann an, wieviel vom Sendesignal (S5) anteilig im reduzierten Empfangssignal (S1) vorhanden ist. Dieses Filterausgangssignal (S4) kann man mit einem Fourier-Koeffizienten in seiner Funktion vergleichen. Ein zweiter Multiplizierer (M2) multipliziert das Filterausgangssignal (S4) mit dem Sendesignal (S5) und bildet so das Rückkoppelsignal (S6). Ist die Verstärkung des Tiefpasses (TP) sehr groß, so enthält das reduzierte Empfangssignal (S1) typischerweise bis auf einen Regelfehler bei Stabilität keinen Anteil des Sendesignals (S5) mehr. Der Wert des Filterausgangssignals (S4) ist dann ein Maß für die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Empfänger (PD1) erreicht. Dieses Empfängerausgangssignal (S4) wird dann als Sensorausgangssignal (out) über eine der Lead-Frame-Flächen mittels eines Bond-Drahtes ausgegeben.
Zweiter Synchrondemodulator
Ein zusätzlicher erster Multiplizierer (M1') multipliziert das reduzierte Empfangssignal (S1) mit dem orthogonalen Referenzsignal (S5') und bildet so das zusätzliche Filtereingangssignal (S3'). In dem zusätzlichen Tiefpassfilter (TP') wird der Gleichanteil des zusätzlichen Filtereingangssignals (S3') durchgelassen. Es ergibt sich das zusätzliche Filterausgangssignal (S4') als Ausgangssignal des zusätzlichen Tiefpassfilters (TP'). Formal bildet der zusätzlich erste Multiplizierer (M1') und der zusätzliche Tiefpass (TP') ein Skalarprodukt des reduzierten Empfangssignals (S1) und des orthogonalen Referenzsignals (S5'). Der Wert des zusätzlichen Filterausgangssignals (S4') gibt dann an, wieviel vom orthogonalen Referenzsignal (S5') anteilig im reduzierten Empfangssignal (S1) vorhanden ist. Dieses zusätzliche Filterausgangssignal (S4') kann man mit einem weiteren Fourier-Koeffizienten in seiner Funktion vergleichen. Ein zusätzlicher zweiter Multiplizierer (M2') multipliziert das zusätzliche Filterausgangssignal (S4') mit dem orthogonalen Referenzsignal (S5') und bildet so das zusätzliche Rückkoppelsignal (S6'). Ist die Verstärkung des zusätzlichen Tiefpasses (TP') sehr groß, so enthält das reduzierte Empfangssignal (S1) typischerweise bis auf einen Regelfehler bei Stabilität keinen Anteil des orthogonalen Referenzsignales (S5') mehr. Der Wert des zusätzlichen Filterausgangssignals (S4) ist dann ein Maß für die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Empfänger (PD1) zu Zeiten erreicht, in denen keine Anregungsstrahlung (LB) von der LED (PL1) ausgesendet wird. Dieses zusätzliche Empfängerausgangssignal (S4') wird dann als zusätzliches Sensorausgangssignal (out') über eine der Lead-Frame-Flächen mittels eines Bond-Drahtes ausgegeben. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass bei einer Messung über das zusätzliche Sensorausgangssignal (out') der Filter (F1) (siehe 1 und 4 bis 14 und 17) sowie der entsprechende erste Kleber (GL1) entfallen kann, was die Kosten des Systems weiter signifikant senkt.
Somit realisiert dieses System dann ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems ist, umfasst. Mittels eines Sendesignals (S5) erfolgt ein moduliertes Aussenden einer modulierten Anregungsstrahlung (LB) insbesondere durch die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB). Ein paramagnetisches Zentrum (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements erzeugt eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) die von der modulierten Anregungsstrahlung (LB) abhängt. Wie bereits beschrieben handelt es sich bei dem paramagnetischen Zentrum bevorzugt um ein NV-Zentrum in einem Diamanten als Sensorelement. Wie ebenfalls erwähnt, ist die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) typischerweise gegenüber der modulierten Anregungsstrahlung (LB) zeitlich phasenverschoben. Das paramagnetisches Zentrum (NV1) in dem Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements leuchtet also nach der Anregung durch die modulierte Anregungsstrahlung (LB) nach und gibt auch dann noch modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) ab, wenn keine modulierte Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetisches Zentrum (NV1) in dem Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mehr eingestrahlt wird. Dieses Nachleuchten wird durch das zusätzliche Sensorausgangssignal (out') hier repräsentiert. Es erfolgt somit das Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und das Erzeugen eines Empfangssignals (S0). Zur Bestimmung des Nachleuchtens erfolgt das Bestimmen der Intensität der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) in dem Material des Sensorelements zu Zeiten, wenn das modulierte Aussenden der modulierten Anregungsstrahlung (LB) insbesondere durch die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) nicht stattfindet. Das entsprechende Maß ist jeweils der Wert des zusätzlichen Sensorausgangssignals (out')
Ein zweiter Addierer (A2) summiert das Rückkoppelsignal (S6) und das zusätzliche Rückkoppelsignal (S6'9 zum komplexen Rückkoppelsignal (S8) wodurch der Regelkreis geschlossen wird. Die Vorzeichen und die Verstärkung der Filter (TP und TP') werden so gewählt, dass sich Stabilität im Regelkreis einstellt und im Wesentlichen das reduzierte Empfangssignal (S1) keine Komponenten des komplexen Rückkoppelsignals (S8) und des Sendesignals (S5) bis auf Systemrauschen und Regelfehler mehr enthält.
Figur 22
22 zeigt ein System ohne den ersten Filter (F1) und ohne den ersten Kleber (GL1) beispielsweise zum Betrieb mit einem System nach 21.
Bei dem System der 22 handelt es sich somit um ein Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System, wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologisches System ist, umfasst und wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), umfasst. Die von der LED (PL1) zu ersten Zeiten emittierte Anregungsstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL). Diese ist phasenverschoben gegenüber der Anregungsstrahlung (LB). Das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System umfasst daher Mittel (PD1,A1, M1, TP, M2, A2, G, M1', TP', M2'), beispielsweise die der 20, die zu zweiten Zeiten, die von den ersten Zeiten verschieden sind, die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum (NV1) erfassen. Beispielsweise kann die Anregungsstrahlung (LB) durch ein PWM-Signal als Sendesignal (S5) mit einem beispielshaften Duty-Cycle von 50% moduliert sein. Das orthogonale Referenzsignal (S5') ist dann beispielsweise ebenfalls bevorzugt ein PWM-Signal mit 50% Duty-Cycle, das bevorzugt um 90° gegenüber dem Sendesignal (S5) phasenverschoben ist, wenn die Pegel des Sendesignals (S5) und des orthogonalen Referenzsignals (S5') symmetrisch um 0 angelegt sind, also beispielsweise zwischen 1 und -1 hin und herspringen. Sind die Pegel mit 1 und 0 angelegt, so ist das orthogonale Referenzsignal (S5') bevorzugt 180° gegen das Sendesignal (S5) verschoben, also gegenüber dem Sendesignal (S5) invertiert. Andere Orthogonalitätskombinationen (z.B. unterschiedliche Frequenzen) sind denkbar. Im Falle der Pegeldefinition mit 0 und 1 ist der Betrieb von LEDs als Sender (PL1) besonders vorteilhaft. Das beispielsweise entsprechend 21 gebildete zusätzlichen Sensorausgangssignals (out') repräsentiert dann einen Wert für die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum s(NV1) zu Zeiten, da keine Anregungsstrahlung (LB) ausgesendet wird. Da der zeitliche Verlauf des Nachleuchtens der paramagnetischen Zentren (NV1) bekannt und da damit die Phasenverschiebung vorbestimmt ist ist, hängt dieser Wert, der durch das zusätzliche Sensorausgangssignal (out') repräsentiert wird, dann von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum (NV1) und dmit beispielsweise von dem diese Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum (NV1) beeinflussenden magnetischen Fluss am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) ab. Der Vorteil ist, dass auf diese Weise nur noch drei Komponenten in das Gehäuse montiert werden müssen.
Figur 23
23 zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 22 mit Schirmung (MS) und einem separierten Empfänger (PD1).
Figur 24
24 zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 22 mit einer zusätzlichen Leitung (LTG), deren Strom gemessen werden soll, in der Aufsicht vor der Montage;
Figur 25
25 zeigt das beispielhafte Gehäuse mit dem Sensorsystem aus 23 mit der gegenüber 22 zusätzlichen Leitung (LTG), deren Strom gemessen werden soll;
Figuren 26 und 27
26 zeigt die Fluoreszenzkurve aus der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 127 394.0 , deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich Teil dieser Offenlegung ist. In der 8 stimmen die erste Richtung und die zweite Richtung überein. 27 zeigt die Lumineszenz bei Verkippung der beiden Richtungen gegeneinander.
Durch eine Richtungsverstimmung bzw. De-Kalibrierung der 9 wird eine schlechte Quantenzahl zugrunde gelegt, die zu einer Mischung der Quantenzustände und damit zu einer Abnahme der Fluoreszenz führt. Es wird ein zusätzliches Magnetfeld angelegt, das nicht in Richtung der ersten Richtung der Kristallachse zeigt. Das Lumineszenzverhalten der 26 in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B kann also nur bei Ausrichtung der Kristalle beobachtet werden. Insbesondere die in der 26 erkennbaren Resonanzpunkte (Peaks) sind nur bei Ausrichtung der Magnetfeldrichtung zur Kristallachse erkennbar.
27 zeigt den sich ergebenden Verlauf bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung). Erst dann ist eine beliebige Ausrichtung des Magnetfeldes möglich. Wie leicht in der 27 erkennbar ist, ist die die Abhängigkeit zwischen der Magnetischen Flussdichte B und der Fluoreszenz in einem optimalen Arbeitspunktbereich am größten. Durch einen zusätzlichen Permanentmagneten und/oder eine bestromte elektrische Spule kann dem zu messenden Feld ein Bias-Feld überlagert werden, wodurch die Änderung der Fluoreszenz maximiert wird.
Eine Nichtausrichtung der ersten Richtung gegenüber der zweiten Richtung lässt sich daran erkennen, dass keine Resonanzen auftreten. Natürlich kann man jederzeit das magnetische Feld so ausrichten, dass diese Resonanzen auftreten. Wenn eine Vorrichtung aber dazu bestimmt und geeignet ist, auch Magnetfelder zu vermessen, bei denen die erste und zweite Richtung nicht übereinstimmen, so liegt sie auch dann im Beanspruchungsbereich der entsprechenden Ansprüche sofern deren übrige Merkmale zutreffen und zwar auch dann wenn sie bei einer bestimmten Magnetfeldrichtung die besagten Resonanzen aufweist.
Durch das Vermeiden der Resonanzfälle der 26 ergibt sich somit die streng monoton fallende Kurve der 27, die dann auch bijektiv und damit kalibrierbar ist. Erst dann wird es möglich in einer Massenproduktion ein Messsystem zu produzieren.
Figur 28
28a zeigt wieder den sich ergebenden Verlauf der Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung). Die Figur entspricht der 27. Erst dann ist eine beliebige Ausrichtung des Magnetfeldes möglich. Wie leicht in der 228 erkennbar ist, ist die die Abhängigkeit zwischen der magnetischen Flussdichte B und der Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) in einem optimalen Arbeitspunktbereich am größten. Durch einen zusätzlichen Permanentmagneten und/oder eine bestromte elektrische Kompensationsspule (LC) kann dem zu messenden Feld ein Bias-Feld überlagert werden, wodurch die Änderung der Fluoreszenzstrahlungsintensität maximiert wird.
Eine Nichtausrichtung der ersten Richtung gegenüber der zweiten Richtung lässt sich daran erkennen, dass keine Resonanzen auftreten. Natürlich kann man jederzeit das magnetische Feld so ausrichten, dass diese Resonanzen auftreten. Wenn eine Vorrichtung aber dazu bestimmt und geeignet ist, auch Magnetfelder zu vermessen, bei denen die erste und zweite Richtung nicht übereinstimmen, so liegt sie auch dann im Beanspruchungsbereich der entsprechenden Ansprüche sofern deren übrige Merkmale zutreffen und zwar auch dann wenn sie bei einer bestimmten Magnetfeldrichtung die besagten Resonanzen aufweist.
Durch das Vermeiden der Resonanzfälle der 26 ergibt sich somit die streng monoton fallende Kurve der 28a, die dann auch bijektiv und damit kalibrierbar ist. Erst dann wird es möglich in einer Massenproduktion ein Messsystem zu produzieren.
Eine Differentiation der Kurve der 28a nach der magnetischen Flussdichte ergibt die Kurve der 28b. Der optimale Arbeitspunkt wird deutlich erkennbar.
Bevorzugt wird der eigentliche Arbeitspunkt eines Sensorsystems oberhalb dieses optimalen Arbeitspunktes gelegt, um sicherzustellen, dass die Regelung stets vorzeichenrichtig reagiert. Der Abstand zwischen dem gewählten Arbeitspunkt und dem optimalen Arbeitspunkt wird bevorzugt in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung so gewählt, dass ein Sprung des momentanen Systemzustands von dem Bereich rechts des optimalen Arbeitspunktes zu einem neuen Systemzustand links des optimalen Arbeitspunktes durch einen Sprung einer von außen zusätzlich überlagerten magnetischen Flussdichte unwahrscheinlich ist.
Figur 29
29 zeigt die Einstellung des optimalen Arbeitspunktes mittels einer mittels eines Reglers (RG) langsam nachgeregelten Arbeitspunktregelsignals (S9) zur Bestromung einer Kompensationsspule (LC), die die magnetische Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) nachregelt.
Figur 30
30 zeigt einen Lead-Frame in der Aufsicht. In den Leadframe sind bevorzugt Montageflächen eingearbeitet. Diese bestehen bevorzugt aus Metall. Dieses Metall ist bevorzugt beschichtet um eine besser Haftung der Bond-Drähte zu gewährleisten. Im Folgenden werden diese Montageflächen als Lead-Frame-Fläche bezeichnet.
Die erste Leadframe-Fläche (LF1), die fünfte Leadframe-Fläche (LF5), die sechste Leadframe-Fläche (LF6) und die vierte Leadframe-Fläche (LF4) werden später die Kontakte bilden.
Die zweite Leadframe-Fläche (LF2) und die dritte Leadframe-Fläche (LF3) dienen später zur Montage der integrierten Schaltung (IC) und der Quelle (PL1) für die Anregungsstrahlung (LB1)
Figur 31
31 zeigt den beispielhaften Leadframe der 30 im Querschnitt. Der Rahmen des Leadframes ist zur Vereinfachung hier und im Folgenden nicht gezeichnet.
Figuren 32 bis 43
Die 32 bis 42 beschreiben einen beispielhaften Montageprozess für das weitere vorgeschlagene System.
Figur 32
In 32 wird zunächst beispielsweise mit Hilfe eines Dispensers auf die dritte Lead-Frame-Fläche (LF3) ein dritter Kleber (GL3) aufgetragen. Mit Hilfe eines Dispensers wird auf die zweite Lead-Frame-Fläche (LF2) ein zweiter Kleber (GL2) aufgetragen.
Figur 33
In 33 wird in den dritten Kleber (GL3) auf der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3) die LED (PL1), also die Quelle (PL1) für die Anregungsstrahlung (LB1), gesetzt und damit an der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3) befestigt. Bevorzugt ist der dritte Kleber (GL3) elektrisch leitfähig. In dem Fall entsteht eine elektrische Verbindung zwischen der LED (PL1) und der dritten Lead-Frame-Fläche (LF3).
Figur 34
In 34 wird eine integrierte Schaltung (IC) in den zweiten Kleber (GL2) gesetzt und damit an der zweiten Lead-Frame-Fläche (LF2) befestigt. Bevorzugt ist der zweite Kleber (GL2) elektrisch leitfähig. In dem Fall entsteht eine elektrische Verbindung zwischen der Rückseite der integrierten Schaltung (IC) und der weiten Lead-Frame-Fläche (LF2). Die integrierte Schaltung (IC) umfasst in dem Beispiel den Empfänger (PD1) und die erste Spule (L1), die in dem Beispiel der 34 den Empfänger (PD1) umgibt. Diese erste Spule (L1) kann beispielsweise als Kompensationsspule (LC) eingesetzt werden. Bevorzugt handelt es sich um eine Flachspule im Metallisierungsstapel der integrierten Schaltung (IC).
Figur 35
Dieser Schritt ist notwendig, sofern der erste Filter (F1) nicht schon Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und z.B. als metalloptischer Filter im Metallisierungsstapel des integrierten Schaltkreises realisiert ist und falls die Notwendigkeit des ersten Filters (F1) nicht durch andere Maßnahmen, wie beispielsweise eine Messung des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung zu Zeiten, in denen die Anregungsstrahlung abgeschaltet und/oder abgeklungen ist, obsolet ist. In 35 wird ein erster Kleber (GL1) auf die Oberfläche der integrierten Schaltung (IC) im Bereich des Empfängers (PD1) aufgetragen. Der erste Kleber (GL1) ist bevorzugt im Wesentlichen transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements transparent. Statt eines ersten Klebers können natürlich auch andere funktionsäquivalente Befestigungsmethoden für den im Folgenden in 36 beschriebenen ersten Filter (F1) verwendet werden.
Figur 36
Dieser Schritt ist notwendig, sofern der erste Filter (F1) nicht schon Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und z.B. als metalloptischer Filter im Metallisierungsstapel des integrierten Schaltkreises realisiert ist und falls die Notwendigkeit des ersten Filters (F1) nicht durch andere Maßnahmen, wie beispielsweise eine Messung des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung zu Zeiten, in denen die Anregungsstrahlung abgeschaltet und/oder abgeklungen ist, obsolet ist. In 36 wird in den ersten Kleber der erste Filter (F1) gesetzt. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt im Wesentlichen transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt im Wesentlichen nicht transparent für die Anregungsstrahlung (LB) der LED (PL1). Der erste Filter (F1) und der erste Kleber (GL1) können entfallen, wenn der Empfänger (PD1) von vornherein so ausgeführt wird, dass er für die Fluoreszenzstrahlung der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements im Wesentlichen empfindlich ist und für die Anregungsstrahlung (LB) der LED (PL1) nicht empfindlich ist. Insofern kann die gemeinsame Funktionalität aus Empfänger (PD1), erstem Kleber (GL1) und erstem Filter auch als ein Empfänger (PD1) betrachtet werden, der für die Fluoreszenzstrahlung der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements im Wesentlichen empfindlich ist und für die Anregungsstrahlung (LB) der LED (PL1) nicht empfindlich ist.
Figur 37
In 37 wird das Sensorelement auf dem ersten Filter (F1) platziert. Dieser Schritt kann auch mit dem folgenden Schritt der 38 zusammen erfolgen. Das Sensorelement umfasst die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements.
Figur 38
In 38 wird das Befestigungsmittel (Ge) zur Befestigung des Sensorelements mit den paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements an dem ersten Filter (F1) eingebracht. Bevorzugt handelt es sich Gelatine. Bevorzugt wird die Gelatine mit den Sensorelementen vermischt und zusammenaufgebracht. In der hier vorgelegten Offenlegung wird hierbei ausdrücklich Bezug auf die DE 10 2019 114 032.3 genommen, deren Offenbarungsgehalt in Kombination mit dem Offenbarungsgehalt dieser Schrift vollumfänglicher Teil dieser Offenbarung ist.
Figur 39
In 39 werden weitere elektrische Verbindungen durch Bonddrähte hergestellt. Hier stellen der erste Bonddraht (BD1), der zweite Bonddraht (BD2), der dritte Bonddraht (BD3) nur Beispiele dar.
Figur 40
In 40 wird ein transparentes Vergusshilfsmittel (GLT) auf die soweit gefertigte Teilvorrichtung aufgetragen. Bevorzugt wird dabei darauf geachtet, dass die Oberfläche dieses Vergusshilfsmittels (GLT) eine vorbestimmte Qualtität und Form annimmt. Bevorzugt wird dies durch Einstellung der Oberflächenspannung erreicht.
Figur 41
In 41 wird die bisherige Teilkonstruktion der 40 mit einem Vergussmittel, beispielsweise Duroplast umformt. Das Vergusshilfsmittel formt dann an der Oberfläche automatisch den Refelktor (RE). Ggf. ist es sinnvoll unter Zuhilfenahme einer Schattenmaske das Vergusshilfsmittel mit einer optisch reflektierenden Schicht vor dem Umspritzen mit dem Vergussmittel reflektierend zu beschichten.
Figur 42
Nach dem Aushärten alles Stoffe und der Restbearbeitung (z.B. De-Flashen) ist das System einsatzbereit. Die von der Quelle (PL1) der Anregungsstrahlung (LB1a, LB1b) ausgesendete Anregungsstrahlung (LB1a, LB1b) wird an der Grenzfläche zwischen dem Vergusshilfsmittel (GLT) und dem Vergussmittel bevorzugt in das parametrische Zentrum (NV1) in dem Sensorelement gespiegelt oder gestreut. Die Grenzfläche stellt somit im Sinne dieser Offenlegung ein optisches Funktionselement dar, dass die Quelle (PL1) der Anregungsstrahlung (LB1a, LB1b) mit dem parametrischen Zentrum (NV1) koppelt.
Figur 43
43 zeigt ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems. Es umfasst die Schritte

• Bereitstellen (14) eines Leadframes mit Anschlüssen und
• Montieren (15) einer Quelle für Anregungsstrahlung (PL1) auf dem Leadframe und
• Montieren (16) einer integrierten Schaltung (IC) mit einem Empfänger (PD1) auf dem Leadframe und
• Elektrisches Verbinden (17) der integrierten Schaltung (IC) und der Anschlüsse und der Quelle für Anregungsstrahlung (PL1) und
• Montieren (18) eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements und
• Befestigen (19) des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mittels eines Befestigungsmittels (Ge) und
• Überdecken (20) der Teilvorrichtung mit einem Vergusshilfsmittel (GLT) und
• Verguss (21) der Teilvorrichtung mit einer Vergussmasse,

Die Quelle für Anregungsstrahlung (PL1) ist dabei dazu vorgesehen, die Anregungsstrahlung (LB) zu emittieren. Das paramagnetische Zentrum (NV1) im Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements emittiert bei Bestrahlung mit dieser Anregungsstrahlung (LB) die Fluoreszenzstrahlung (FL). Das Vergusshilfsmittel (GLT) ist bevorzugt im Wesentlichen für die Anregungsstrahlung (LB) und für die Fluoreszenzstrahlung (FL) transparent.
Die Schritt e des Montierens (18) eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements und des Befestigens (19) des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mittels eines Befestigungsmittels (Ge) werden bevorzugt als ein Schritt ausgeführt.
Figur 44
44 zeigt eine beispielhafte Zusammenstellung mehrerer Flachspulen, wie sie bevorzugt als in den integrierten Schaltkreis (IC) zur Erzeugung magnetischer Felder mit Multipolmomenten und/oder zur Modifikation der Richtung des magnetischen Flusses B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) eingesetzt werden. Die Darstellung zweigt vereinfach und schematisch die beispielhafte Anordnung mehrerer Spulen in Aufsicht. Dies beispielhafte Kombination von Flachspulen umfasst eine erste Spule (L1) ausgeführt als Flachspule. Diese ist symmetrisch um den Mittelpunkt angeordnet und erzeugt daher kein Multipolmoment bezüglich eines paramagnetischen Zentrums (NV1), das bevorzugt ein NV-Zentrum in Diamant ist. Im Gegensatz dazu sind symmetrisch um das Zentrum mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) in diesem Beispiel beispielhaft drei Paare von Flachspulen ([L2, L5], [L3, L6], [L4, L7]) angeordnet. Statt dreier Paare können auch andere Paaranzahlen verwendet werden.
Eine zweite Flachspulte (L2) bildet mit einer fünften Flachspule (L5) ein erstes Spulenpaar. Bevorzugt wird die zweite Flachspule (L2) vom betragsmäßig gleichen Strom durchflossen, wie die fünfte Flachspule (L5). Bevorzugt sind die Vorzeichen der Ströme in diesen beiden Spulen unterschiedlich, sodass sich die Richtung des magnetischen Flusses B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) ändert.
Eine dritte Flachspulte (L3) bildet mit einer sechsten Flachspule (L6) ein zweites Spulenpaar. Bevorzugt wird die dritte Flachspule (L3) vom betragsmäßig gleichen Strom durchflossen, wie die sechste Flachspule (L6). Bevorzugt sind die Vorzeichen der Ströme in diesen beiden Spulen unterschiedlich, sodass sich die Richtung des magnetischen Flusses B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) ändert.
Eine vierte Flachspulte (L4) bildet mit einer siebten Flachspule (L7) ein drittes Spulenpaar. Bevorzugt wird die vierte Flachspule (L4) vom betragsmäßig gleichen Strom durchflossen, wie die siebte Flachspule (L7). Bevorzugt sind die Vorzeichen der Ströme in diesen beiden Spulen unterschiedlich, sodass sich die Richtung des magnetischen Flusses B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) ändert.
44a zeigt die Spulenanordnung ohne paramagnetisches Zentrum. 44b zeigt die Spulenanordnung mit paramagnetischen Zentrum.
Es ergibt sich dann ein Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, bei dem das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement umfasst und bei dem das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst. Das Sensorsystem weist wieder eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), auf. Das Sensorsystem umfasst einen Empfänger (PD1). Die Anregungsstrahlung (LB) eine Anregungswellenlänge auf, die wieder bevorzugt grün ist. Die Anregungsstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge, die bevorzugt im Falle eines NV.-Zentrums in einem Diamanten als paramagnetisches Zentrum (NV1), rot ist. Der Empfänger (PD1) ist wieder für die Fluoreszenzwellenlänge empfindlich. Die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) erzeugt die Anregungsstrahlung (LB). Das Sensorsystem ist so gestaltet, dass die die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt. Das Sensorsystem ist so gestaltet, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt. Das Sensorsystem weist nun darüber hinaus noch Mittel, insbesondere die besagte Spulenanordnung (L1, 12, 13, 14, L5), auf, die geeignet ist eine Änderung der magnetischen Flussdichte B in Amplitude und Richtung am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) in der Art hervorzurufen. Diese Änderung der magnetischen Flussdichte B in Amplitude und Richtung am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) beeinflusst dann die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1). Zudiesem Zweck wird dann bevorzugt eine integrierte Schaltung (IC) mit einer ersten Spule (L1) und mit zumindest einem weiteren Spulenpaar ([L2, L5], [L3, L6], [L4, L7]) und/oder einer weiteren Spule (L2, L3, L4, L5, L6, L7) verwendet. Die erste Spule (L1) und/oder das zumindest eine weitere Spulenpaar ([L2, L5], [L3, L6], [L4, L7]) und/oder die weitere Spule (L2, L3, L4, L5, L6, L7) werden bevorzugt im Metallisierungsstapel der integrierten Schaltung (IC) realisiert. Die erste Spule (L1) und/oder das zumindest eine weitere Spulenpaar ([L2, L5], [L3, L6], [L4, L7]) und/oder die weitere Spule (L2, L3, L4, L5, L6, L7) sind dabein bevorzugt dazu geeignet und vorgesehen die Erzeugung von Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Zentrum der Anordnung zu beeinflussen. Bevorzugt umgibt die Spulenanordnung eine lichtempfindliche Teilvorrichtung des integrierten Schaltkreises (IC), sodass das Licht ungehindert durch die Spulenanordnung hindurch auf das lichtempfindliche Bauelement (PD1) fallen kann.
Bezugszeichenliste

A1: erster Addierer;
A2: zweiter Addierer;
BA1: erste Barriere;
BA2: zweite Barriere;
BD1: erster Bonddraht;
BD2: zweiter Bonddraht;
BD3: dritter Bonddraht;
BO: Boden des Gehäuses;
CAV: Kavität, die von Boden (BO) und umlaufender Wandung (WA) gebildet wird.
DL: Deckel;
EMI: externer Spiegel;
F1: erster Filter. Der erste Filter ist transparent für das Fluoreszenzlicht (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Bevorzugt handelt es sich dabei um die Fluoreszenzstrahlung eines NV-Zentrums, wobei das Sensorelement bevorzugt ein Nano-Diamant mit Diamant als Material ist;
FL: Fluoreszenzlicht der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Bevorzugt handelt es sich dabei um die Fluoreszenzstrahlung eines NV-Zentrums, wobei das Sensorelement bevorzugt ein Nano-Diamant mit Diamant als Material ist;
G: Signalgenerator;
Ge: Befestigungsmittel, mit dem das Sensorelement mit den paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements an dem ersten Filter (F1) und/oder an der integrierten Schaltung (IC) befestigt ist. Das
GL1: Befestigungsmittel ist vorzugsweise transparent für Fluoreszenzlicht der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Das Befestigungsmittel ist bevorzugt transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Das Befestigungsmittel ist bevorzugt transparent für die Anregungsstrahlung der LED (PL1). erster Kleber zur Befestigung des Sensorelements am ersten Filter (F1);
GL2: zweiter Kleber, der auf die zweite Lead-Frame-Fläche (LF2) aufgetragen wird;
GL3: dritter Kleber, der auf die dritte Lead-Frame-Fläche (LF3) aufgetragen wird;
GL4: vierter Kleber zur Befestigung des Deckels (DL).
IC: integrierte Schaltung;
L1: erste Spule. Die erste Spule ist ein optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die erste Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt.
L2: zweite Spule. Die zweite Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die zweite Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt.
L3: dritte Spule. Die dritte Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die dritte Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt.
L4: vierte Spule. Die vierte Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die vierte Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt.
L5: fünfte Spule. Die fünfte Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die fünfte Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt.
L6: sechste Spule. Die sechste Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die sechste Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt.
L7: siebte Spule. Die siebte Spule ist ein weiteres optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die siebte Spule von dem integrierten Schaltkreis (IC) bestromt.
LB: Anregungsstrahlung;
LBla: Anregungsstrahlung;
LBlb: reflektierte Anregungsstrahlung;
LC: Kompensationsspule (Diese kann beispielsweise eine erste Spule (L1) sein);
LED1: erste Test-LED;
LF1: erste Lead-Frame-Fläche;
LF2: zweite Lead-Frame-Fläche;
LF3: dritte Lead-Frame-Fläche;
LF4: vierte Lead-Frame-Fläche;
LF5: fünfte Lead-Frame-Fläche;
LF6: sechste Lead-Frame-Fläche;
LF7: siebte Lead-Frame-Fläche;
LTG: Leitung, deren Strom gemessen werden soll;
M1: erster Multiplizierer;
M1': zusätzlicher erster Multiplizierer;
M2: zweiter Multiplizierer;
M2': zusätzlicher zweiter Multiplizierer;
MS: Schirmung;
NV1: paramagnetisches Zentrum im Material des Sensorelements. Die paramagnetischen Zentren strahlen bei Bestrahlung mit Anregungsstrahlung der LED (PL1) Fluoreszenzlicht (FL) ab. Diese Fluoreszenzstrahlung eines parametrischen Zentrums hängt dabei typischerweise von der magnetischen Flussdichte am Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums ab. Die Kristallausrichtung des Materials des Sensorelements kann diese Abstrahlung typischerweise und die Abhängigkeit dieser Abstrahlung des Fluoreszenzlichts (FL) vom magnetischen Fluss beeinflussen. Bei dem paramagnetischen Zentrum handelt es sich bevorzugt um ein NV Zentrum. Bei dem Material handelt es sich bevorzugt um Diamant. Bei dem Sensorelement handelt es sich bevorzugt um einen Diamant-Kristall, noch mehr bevorzugt um einen Diamant-Nanokristall.
OF: Anpassschaltung;
out: Sensorausgangssignal;
out': zusätzliches Sensorausgangssignal;
PD1: Empfänger. Der Empfänger ist für das Fluoreszenzlicht (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements empfindlich. Bevorzugt handelt es sich dabei um die Fluoreszenzstrahlung (FL) eines NV-Zentrums, wobei das Sensorelement bevorzugt ein Nano-Diamant mit Diamant als Material ist. Bevorzugt ist der Empfänger ein Teil der integrierten Schaltung (IC). Bevorzugt handelt es sich um eine Fotodiode. Es kann sich beispielsweise um eine
PL1: APD (avalanche photo diode) oder eine SPAD (single photo avalanche diode) etc. handeln; LED. Die LED kann auch eine Laserdiode oder eine andere geeignete Lichtquelle sein. Die LED strahlt Anregungsstrahlung aus, die die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Abstrahlung von Fluoreszenzlicht (FL) anregt;
PLK: Kompensations-LED. Die Kompensations-LED kann auch eine Laserdiode oder eine andere geeignete Lichtquelle sein.;
RE: Reflektor;
RG: Regler. Der Regler hat bevorzugt eine Tiefpasscharakteristik, die eine obere Grenzfrequenz, die kleiner ist als die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters (TP), aufweist. Bevorzugt regelt der Regler (RG) den Strom durch die Kompensationsspule (LC) in der Art, dass sich am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1), das bevorzugt ein NV-Zentrum in Diamant ist, ein Arbeitspunkt durch eine entsprechende mittlere magnetische Flussdichte am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) einstellt, der sich im optimalen Arbeitsbereich (siehe 27) befindet,
S0: Empfangssignal;
51: reduziertes Empfangssignal;
S3: Filtereingangssignal;
S3': zusätzliches Filtereingangssignal;
S4: Filterausgangssignal;
S4': zusätzliches Filterausgangssignal;
S5: Sendesignal;
S5': orthogonales Referenzsignal;
S6: Rückkoppelsignal;
S6': zusätzliches Rückkoppelsignal;
S7: Kompensationssendesignal;
S8: komplexes Rückkoppelsignal;
S9: Arbeitspunktregelsignal;
TP: Tiefpassfilter;
TP': zusätzlicher Tiefpassfilter;
WA: umlaufende Wandung des Gehäuses;

Liste der zitierten Schriften

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018127394 [0006, 0031, 0037, 0096, 0131]
DE 102019114032 [0034, 0066, 0118, 0131]
DE 102019121028 [0034, 0131]
DE 102019121029 [0034, 0131]
DE 102019120076 [0035, 0131]
EP 1490772 B1 [0056, 0131]
DE 102017122365 B3 [0056, 0131]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 60404-1:2017-08 [0019]

Claims

Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System - im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet - wobei das Sensorsystem ein Gehäuse aufweist und wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems ist, umfasst und wobei das Sensorsystem eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), umfasst und wobei die Anregungsstrahlung (LB) das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) veranlasst und wobei das Gehäuse mindestens eine Leitung umfasst, die von einem elektrischen Strom durchflossen wird, und wobei das magnetische Feld der Leitung die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements beeinflusst und wobei das Sensorsystem einen Wert für die Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) ermittelt und wobei das Sensorsystem diesen Wert für die Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) in digitaler und/oder analoger Form bereitstellt und/oder ausgibt.
Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System - im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet- wobei das Sensorsystem ein Gehäuse aufweist und wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems ist, umfasst und wobei das Sensorsystem eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), umfasst und wobei die Anregungsstrahlung (LB) das paramagnetische Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) veranlasst und wobei alle Teilvorrichtungen des Sensorsystems nicht ferromagnetisch sind und wobei unter ferromagnetisch eine Permeabilitätszahl µ_r größer als 100 verstanden wird.
Gehäuse mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements, wobei alle Teilvorrichtungen des Sensorsystems nicht ferromagnetisch sind und wobei unter ferromagnetisch eine Permeabilitätszahl µ_r kleiner als 100 verstanden wird.
Gehäuse mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements, wobei alle Teilvorrichtungen des Gehäuses und des Sensorsystems bis auf eine magnetische Schirmung (MS) und/oder bis auf Teile eines magnetischen Kreises nicht ferromagnetisch sind und wobei unter ferromagnetisch eine Permeabilitätszahl µ_r kleiner als 100 verstanden wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 wobei es sich bei dem Sensorelement um einen Diamanten handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 Wobei es sich bei dem paramagnetischen Zentrum um ein NV-Zentrum handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 Wobei die Konzentration der NV-Zentren in dem Diamanten größer ist als 0,01ppm.
Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, wobei das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement umfasst und wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst und wobei das Sensorsystem eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), umfasst und wobei das Sensorsystem eine Quelle (PLK) für Kompensationsstrahlung (KS), insbesondere eine Kompensations LED (PLK), umfasst und wobei das Sensorsystem einen Empfänger (PD1) umfasst und wobei das Sensorsystem einen Regler (M1, TP, M2, OF) umfasst und wobei die Anregungsstrahlung (LB) eine Anregungswellenlänge aufweist und wobei die Kompensationsstrahlung (KS) eine Kompensationswellenlänge aufweist und wobei die Anregungsstrahlung (LB) das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge veranlasst und wobei die Kompensationswellenlänge größer ist als die Fluoreszenzwellenlänge und wobei die Anregungswellenlänge kleiner ist als die Fluoreszenzwellenlänge und wobei der Empfänger (PD1) für die Kompensationswellenlänge empfindlich ist und wobei der Empfänger (PD1) für die Anregungswellenlänge empfindlich ist und wobei der Empfänger (PD1) für die Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist und wobei die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) die Anregungsstrahlung (LB) in Abhängigkeit von einem Sendesignal (S5) erzeugt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die die Kompensationsstrahlung (KS) den Empfänger (PD1) überlagernd zur Fluoreszenzstrahlung bestrahlt und wobei der Empfänger (PD1) ein Empfangssignal (S0) erzeugt und wobei der Regler (M1, TP, M2, OF) in Abhängigkeit von dem Empfangssignal (S0) ein Kompensationssendesignal (S7) erzeugt und wobei die Quelle (PLK) für Kompensationsstrahlung (KS) die Kompensationsstrahlung in Abhängigkeit von dem Kompensationssendesignal (S7) erzeugt und wobei der Regler (M1, TP, M2, OF) das Kompensationssendesignal (S7) in Abhängigkeit vom Sendesignal (S5) in der Art erzeugt, dass das Empfangssignal (S0) bis auf Regelfehler und Systemrauschen und ggf. einen konstanten Gleichanteil keine Signalanteile des Sendesignals (S5) mehr aufweist.
Sensorsystem nach Anspruch 8 wobei der Regler einen ersten Multiplizierer (M1) aufweist und wobei der Regler einen Filter, insbesondere einen Tiefpassfilter (TP) aufweist und wobei der Regler einen zweiten Multiplizierer (M2) aufweist und wobei der erste Multiplizierer (M1) das Empfangssignal (S0) oder ein daraus abgeleitetes Signal (z.B. S1) mit dem Sendesignal (S5) oder einem daraus abgeleiteten Signal (z.B. S5') zu einem Filtereingangssignal (S3) multipliziert und wobei der Filter (TP) das Filtereingangssignal (S3) zum Filterausgangssignal (S4) filtert und wobei der zweite Multiplizierer (M2) das Filterausgangssignal (S4) zum Rückkoppelsignal und/oder direkt zum Kompensationssignal (S7) multipliziert und wobei, sofern das Rückkoppelsignal gebildet wird, eine Anpassschaltung (OF) aus dem Rückkoppelsignal (S6) das Kompensationssendesignal (S7) bildet und wobei das Filterausgangssignal (S4) als Sensorausgangssignal (out) verwendet wird.
Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 9 wobei in dem Sensorsystem ein weiteres Sendesignal (S5'), insbesondere ein orthogonales Referenzsignal (S5'), verwendet wird und wobei der Regler das Kompensationssendesignal (S7) in zusätzlicher Abhängigkeit von dem weiteren Sendesignal (S5') in der Art erzeugt, dass das Empfangssignal (S0) bis auf Regelfehler und Systemrauschen und ggf. einen konstanten Gleichanteil keine Signalanteile des Sendesignals (S5) und gleichzeitig keine Signalanteile des weiteren Sendesignals (S5'), insbesondere des orthogonalen Referenzsignals (S5') mehr aufweist.
Sensorsystem Anspruch 10 wobei der Regler in Abhängigkeit von dem weiteren Sendesignal (S5') ein zusätzliches Sensorausgangssignal (out') bildet.
Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, wobei das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement umfasst und wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst und wobei das Sensorsystem eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), umfasst und wobei das Sensorsystem einen Empfänger (PD1) umfasst und wobei das Sensorsystem einen ersten Filter (F1) umfasst und wobei die Anregungsstrahlung (LB) eine Anregungswellenlänge aufweist und wobei die Anregungsstrahlung (LB) das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge veranlasst und wobei der Empfänger (PD1) für die Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist und wobei die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) die Anregungsstrahlung (LB) erzeugt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt und wobei der erste Filter (F1) für die Fluoreszenzstrahlung (FL) im Wesentlichen transparent ist und wobei der erste Filter (F1) für die Anregungsstrahlung (LB) im Wesentlichen nicht transparent ist und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass Strahlung, die vom Empfänger (PD1) empfangen wird, zuvor den ersten Filter (F1) passieren muss und wobei der erste Filter (F1) ein metalloptischer Filter ist.
Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, wobei das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement umfasst und wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst und wobei das Sensorsystem eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), umfasst und wobei das Sensorsystem einen Empfänger (PD1) umfasst und wobei die Anregungsstrahlung (LB) eine Anregungswellenlänge aufweist und wobei die Anregungsstrahlung (LB) das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge veranlasst und wobei der Empfänger (PD1) für die Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist und wobei die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) die Anregungsstrahlung (LB) erzeugt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt und wobei es sich bei dem Sensorelement um einen Diamanten handelt und wobei es sich bei dem paramagnetischen Zentrum um ein NV-Zentrum handelt und wobei die Konzentration der NV-Zentren in dem Diamanten zumindest in einem lokal begrenzten Bereich im Mittel bevorzugt größer ist als 0,01ppm und/oder größer ist als 0,001ppm und/oder größer ist als 0,0001ppm und/oder größer ist als 0,0001ppm bezogen auf die Anzahl der Kohlenstoffatome im Diamanten pro Volumeneinheit.
Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, wobei das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement umfasst und wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst und wobei das Sensorsystem eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), umfasst und wobei das Sensorsystem einen Empfänger (PD1) umfasst und wobei die Anregungsstrahlung (LB) eine Anregungswellenlänge aufweist und wobei die Anregungsstrahlung (LB) das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge veranlasst und wobei der Empfänger (PD1) für die Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist und wobei die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) die Anregungsstrahlung (LB) erzeugt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt und wobei das Sensorelement und/oder das quantentechnologische Vorrichtungselement einen Kristall mit einer Kristallachse aufweist und wobei der Kristall das paramagnetische Zentrum (NV1) in dem Kristall aufweist, wobei das paramagnetische Zentrum (NV1) in Bezug zu einer der folgenden betreffenden Kristallachse in einer ersten Richtung ausgerichtet ist und wobei die betreffenden Kristallachsen die Kristallachsen [100], [010], [001], [111] des Kristalls und deren Äquivalente (wie z.B. [-100], [-1,-1,-1] etc.) sind und wobei das paramagnetische Zentrum (NV1) bei Anregung durch die Anregungsstrahlung (LB) eine Fluoreszenzstrahlung (FL) emittiert und wobei die Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit von einem Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte B in einer zweiten Richtung moduliert wird und wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung abweicht.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei es sich bei dem Kristall um einen Diamantkristall mit einem NV-Zentrum als paramagnetisches Zentrum handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung in der Art abweicht, dass das GSLAC- Extremum bei einer magnetischen Gesamtflussdichte am Ort des paramagnetischen Zentrums bei 102,4mT um nicht mehr als 2% und/oder nicht mehr als 1% und/oder nicht mehr als 0,5% vom normierten 1-Wert der Fluoreszenz abweicht.
Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, wobei das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement umfasst und wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst und wobei das Sensorsystem eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), umfasst und wobei das Sensorsystem einen Empfänger (PD1) umfasst und wobei die Anregungsstrahlung (LB) eine Anregungswellenlänge aufweist und wobei die Anregungsstrahlung (LB) das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge veranlasst und wobei der Empfänger (PD1) für die Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist und wobei die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) die Anregungsstrahlung (LB) erzeugt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt und wobei das Sensorsystem Mittel, insbesondere einen Regler (RG) und/oder insbesondere eine Kompensationsspule (LC) und/oder einen Permanentmagneten, umfasst, um die Änderung der Intensität der Fluoreszenzstrahlen (FL) bei einer Änderung der magnetischen Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums bezogen auf die jeweilige Anwendung zu maximieren.
Vorrichtung nach Anspruch 17 wobei die Regelung durch den Regler mit einer ersten Zeitkonstante τ₁ erfolgt und wobei die Regelung durch einen Filter (TP) mit einer zweiten Zeitkonstante τ₂ erfolgt und wobei die erste Zeitkonstante τ₁ größer ist als die zweite Zeitkonstante τ₂ (τ₁>τ₂)
Verwendung eines Sensorsystems nach einem der vorausgehenden Ansprüche Zur Ermittlung der Position eines Objekts, wobei das Objekt ein magnetisches Feld erzeugt und/oder modifiziert und/oder moduliert und wobei diese Modulation durch das Sensorsystem erfasst wird und wobei das Sensorsystem zumindest ein Ausgangssignal (out) erzeugt oder bereitstellt, dessen Wert von dem Wert des magnetischen Feldes am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) abhängt, der durch das Objekt erzeugt und/oder modifiziert und/oder moduliert wird.
Verwendung nach Anspruch 19 wobei die Erzeugung und/oder Modifikation und/oder Modulation periodisch ist.
Verwendung nach Anspruch 20 wobei die Periodizität auf eine elektrische und/oder mechanische Schwingung und/oder eine mechanische Bewegung längs einer geschlossenen Bahn zurückzuführen ist.
Vorrichtung nach einer der vorausgehenden Vorrichtungsansprüche wobei mindestens zwei paramagnetische Zentren (NV1) miteinander gekoppelt sind.
Verfahren nach einer der vorausgehenden Verfahrensansprüche Umfassend den Schritt Kopplung mindestens zweier paramagnetischer Zentren (NV1).
Gehäuse mit einem Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System - im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet - wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems ist, umfasst und wobei das Sensorsystem eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), umfasst und wobei die Anregungsstrahlung (LB) das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) veranlasst und wobei das Gehäuse Mittel (RE) umfasst, die die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) lenken und so die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere die LED (PL1), mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) koppeln.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen System umfassend die Schritte Bereitstellen (14) eines Leadframes mit Anschlüssen und Montieren (15) einer Quelle für Anregungsstrahlung (PL1) auf dem Leadframe und Montieren (16) einer integrierten Schaltung (IC) mit einem Empfänger (PD1) auf dem Leadframe und Elektrisches Verbinden (17) der integrierten Schaltung (IC) und der Anschlüsse und der Quelle für Anregungsstrahlung (PL1) und Montieren (18) eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements und Befestigen (19) des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mittels eines Befestigungsmittels (Ge) und Überdecken (20) der Teilvorrichtung mit einem Vergusshilfsmittel (GLT) und Verguss (21) der Teilvorrichtung mit einer Vergussmasse, wobei Quelle für Anregungsstrahlung (PL1) dazu vorgesehen ist, die Anregungsstrahlung (LB) zu emittieren und wobei das paramagnetische Zentrum (NV1) im Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements bei Bestrahlung mit dieser Anregungsstrahlung (LB) die Fluoreszenzstrahlung (FL) emittiert und wobei das Vergusshilfsmittel (GLT) im Wesentlichen für die Anregungsstrahlung (LB) und für die Fluoreszenzstrahlung (FL) transparent ist;
Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System, im Folgenden auch nur vereinfacht als Sensorsystem bezeichnet, wobei das Sensorsystem ein Sensorelement und/oder quantentechnologisches Vorrichtungselement umfasst und wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material dieses Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements umfasst und wobei das Sensorsystem eine Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB), insbesondere eine LED (PL1), umfasst und wobei das Sensorsystem einen Empfänger (PD1) umfasst und wobei die Anregungsstrahlung (LB) eine Anregungswellenlänge aufweist und wobei die Anregungsstrahlung (LB) das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) mit einer Fluoreszenzwellenlänge veranlasst und wobei der Empfänger (PD1) für die Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist und wobei die Quelle (PL1) für Anregungsstrahlung (LB) die Anregungsstrahlung (LB) erzeugt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die die Anregungsstrahlung (LB) auf das paramagnetische Zentrum (NV1) fällt und wobei das Sensorsystem so gestaltet ist, dass die Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1) bestrahlt und wobei das Sensorsystem Mittel, insbesondere eine Spulenanordnung (L1, 12, 13, 14, L5) umfasst, die geeignet ist eine Änderung der magnetischen Flussdichte B in Amplitude und Richtung am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) in der Art hervorzurufen wobei diese Änderung der magnetischen Flussdichte B in Amplitude und Richtung am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums beeinflusst.
integrierte Schaltung (IC) mit einer ersten Spule (L1) und mit zumindest einem weiteren Spulenpaar ([L2, L5], [L3, L6], [L4, L7]) und/oder einer weiteren Spule (L2, L3, L4, L5, L6, L7) und wobei die erste Spule (L1) und das zumindest eine weitere Spulenpaar ([L2, L5], [L3, L6], [L4, L7]) und/oder die weitere Spule (L2, L3, L4, L5, L6, L7) dazu geeignet und vorgesehen sind die Erzeugung von Fluoreszenzstrahlung (FL) eines paramagnetischen Zentrums (NV1) zu beeinflussen.