DE102019212587A1

DE102019212587A1 - Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes

Info

Publication number: DE102019212587A1
Application number: DE102019212587.5A
Authority: DE
Inventors: Fedor Jelezko; Andreas Brenneis; Felix Michael Stuerner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2021-02-25

Abstract

Sensoreinheit mit einem Baustein, einem Filter und einem Photodetektor (312), bei der der Filter zumindest abschnittsweise zwischen dem Baustein und dem Photodetektor angeordnet ist, der Baustein ein Kristallgitter aufweist, in dem mindestens ein Defekt vorgesehen ist, der eine fluoreszierende Wirkung hat, in den Baustein über einen ersten Oberflächenabschnitt des Bausteins eine elektromagnetische Strahlung einkoppelbar ist, die Fluoreszenz in dem Baustein bewirkt, die über einen zweiten Oberflächenabschnitt des Bausteins, der von dem ersten Oberflächenabschnitt verschieden ist, auskoppelbar ist, der Filter dazu eingerichtet ist, durch Fluoreszenz bewirkte elektromagnetische Strahlung, die über den zweiten Oberflächenabschnitt ausgekoppelt wird, duchzulassen, und der Photodetektor (312) dazu eingerichtet ist, die durch Fluoreszenz in dem Baustein bewirkte Strahlung zu erfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes und ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes, das mit einer solchen Sensoreinheit durchgeführt wird.
Stand der Technik
Ein Magnetfeld ist ein Vektorfeld, das den magnetischen Einfluss elektrischer Ladungen in Relativbewegungen und magnetisierten Materialien beschreibt. Magnetfelder können bspw. durch magnetische Materialien, elektrische Ströme und zeitliche Änderungen eines elektrischen Feldes verursacht werden.
Ein Magnetfeld kann mit unterschiedlichen Größen beschrieben werden. So ist die magnetische Flussdichte, die auch als magnetische Induktion bezeichnet wird, eine physikalische Größe der Elektrodynamik, die die Flächendichte des magnetischen Flusses, der senkrecht durch ein bestimmtes Flächenelement hindurchtritt, beschreibt. Die magnetische Flussdichte ist eine gerichtete Größe, d. h. ein Vektor.
Die magnetische Feldstärke H ist eine weitere Größe, die das magnetische Feld beschreibt. Diese hängt mit der magnetischen Flussdichte B über die Beziehung zusammen: $B = μ * H,$
wobei µ die magnetische Permeabilität ist.
Zum Erfassen eines Magnetfelds ist es erforderlich, eine Größe aufzunehmen, die dieses Magnetfeld beschreibt. So kann bspw. eine Messeinrichtung verwendet werden, die eine Größe des Magnetfeldes, wie bspw. die magnetische Flussdichte oder die magnetische Feldstärke, erfasst und der erfassten Größe einen Wert zuordnet. Eine solche Messeinrichtung wird bspw. als Magnetometer bezeichnet.
Ein Magnetometer ist eine sensorische Einrichtung zum Messen von magnetischen Flussdichten. Magnetische Flussdichten werden in der Einheit Tesla (T) gemessen. Gebräuchliche Magnetometer sind bspw. Hall-Sensoren, Förster-Sonden, Protonenmagnetometer, Kerr-Magnetometer und Farady-Magnetometer.
Hierin wird insbesondere auf die Sensoreinheit eines Magnetometers eingegangen, die die Einheit darstellt, die dazu eingerichtet ist, die Größe, die zum Beschreiben des Magnetfeldes herangezogen wird und die somit dieses Magnetfeld repräsentiert, zu erfassen.
Neben den genannten Magnetometern ist auch der Einsatz von Diamanten bekannt, in deren Gitter Defekte bzw. Fehlstellen vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von einem anliegenden Magnetfeld ein erfassbares Verhalten zeigen. So ist es bekannt, eine negativ geladene Stickstoff-Fehlstelle (engl.: nitrogen vacancy center, NV-Zentrum) in einem Diamant für hochempfindliche Messungen von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperaturen zu nutzen. Es wird in diesem Zusammenhang auf 1 verwiesen.
Die Druckschrift DE 10 2014 219 550 A1 beschreibt einen Kombinationssensor zur Messung eines Magnetfeldes, der eine sensitive Komponente mit Diamantstrukturen, die Stickstoff-Fehlstellen aufweisen, umfasst. Die sensitive Komponente kann mit Strahlung im sichtbaren Bereich angeregt werden.
Die bei solchen Anordnungen verwendeten Quantentechnologien bieten gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den Stickstoff-Fehlstellen bestehen konkret folgende Vorteile:

- ultrahohe Empfindlichkeiten (1 pT/VHz),
- Vektormagnetometrie, d. h. eine Richtungsbestimmung des Magnetfeldes ist möglich,
- hoher Messbereich (> 1 Tesla),
- Linearität (Zeemaneffekt),
- keine Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht, ähnlich wie beim Wasserstoffatom, bei dem die Rydbergkonstante eine fixe Energie ist, die für alle Atome eine ortsunabhängige und zeitunabhängige Konstante ist,
- es ist möglich, externe Magnetfelder vektoriell anhand der im Diamant vorhandenen vier möglichen Raumrichtungen der NV-Achse zu bestimmen.

Um einen auf NV-Zentren basierten Sensor auszulesen, wird die magnetische Resonanz des Triplets des Grundzustands optisch detektiert, siehe ³A Zustand in 1 (ODMR, optically detected magnetic resonance). Dazu muss das NV-Zentrum mit grünem Licht angeregt werden. Es wird hierzu auf 2 verwiesen. Das rotverschobene Fluoreszenzlicht, siehe 2, zeigt bei zusätzlicher Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes (Mikrowelle) dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz, siehe hierzu 3. Die Lage ist aufgrund des Zeemaneffekts, siehe 4, linear abhängig vom magnetischen Feld, siehe 3. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.
Die Komponenten, die für das ODMR-Prinzip notwenig sind, sind in 5 schematisch dargestellt. Diese sind: eine Lichtquelle im Grünen, ggf. eine Optik, um den Strahl auf den Diamant zu führen, ein Diamant, der NV-Zentren aufweist, eine Mikrowellenquelle und dazu passende Leitungen, die Mikrowellen (MW) im Frequenzbereich um das sogenannte Zero-Field Splitting bei circa 2,87 Gigahertz zum Diamant führen, ein Farbfilter, der nur das rotverschobene Fluoreszenzlicht transmittiert, ggf. weitere Optik, ein Photodedektor, der die Fluoreszenzstrahlung detektiert.
Es sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen NV-Zentren direkt elektrisch ausgelesen werden können. Die Anregungsbedingungen sind allerdings die selben.
Typische Magnetfeldmessungen mit Farbzentren in einem Diamanten, welche einen fasergekoppelten Aufbau umfassen, verwenden die optische Faser sowohl zum Anregen der NV-Zentren mit grünem Licht als auch zum Auslesen der von den NV-Zentren emittierten Fluoreszenz. Bei diesem Ansatz ist ein dichroischer Spiegel erforderlich, um das Fluoreszenzlicht nach Austritt aus dem Faserende von eingekoppeltem Anregungslicht zu separieren. Weiter weisen insbesondere Singlemode-Fasern typischerweise nur eine geringe numerische Apertur, bspw. kleiner 0,2, auf, die in einem geringen Einsammelvermögen der Fluoreszenz aus dem Diamanten in die Faser resuliert. Ansätze zur Steigerung dieser Einsammeleffizienz sind u. a. durch Verwendung von Fasern mit höherer numerischer Apertur, z. B. sogenannte Photonic-Crystal Fibers (PCFs), oder durch Ausnutzung von geometrischen Spiegelstrukturen gegeben. Diese Aufbauten benötigen jedoch alle einen dichroischen Spiegel und insbesondere die PCFs sind komplex und teuer in der Fertigung.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden eine Sensoreinheit nach Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Die vorgestellte Sensoreinheit weist einen Baustein, einen Filter und einen Photodetektor auf, wobei der Filter zumindest abschnittsweise zwischen dem Baustein und dem Photodetektor angeordnet ist. Der Baustein weist ein Kristallgitter auf, in dem mindestens ein Defekt vorgesehen ist, der eine fluoreszierende Wirkung hat. Dies bedeutet, dass die Fehlstelle auf eine Anregung eine Fluoreszenzstrahlung emittiert. In den Baustein ist über einen ersten Oberflächenabschnitt des Bausteins eine elektromagnetische Strahlung, bspw. Strahlung im grünen Lichtbereich zur Anregung, einkoppelbar, die Fluoreszenz in dem Baustein bewirkt, die über einen zweiten Oberflächenabschnitt des Bausteins, der von dem ersten Oberflächenabschnitt verschieden ist, auskoppelbar ist. Der Filter ist dazu eingerichtet, die durch Fluoreszenz bewirkte elektromagnetische Strahlung, die über den zweiten Oberflächenabschnitt ausgekoppelt wird, duchzulassen, aber die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung zu blockieren. Das Blockieren der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung, bspw. bei einer Wellenlänge von 532 nm, ist essentiell, da ansonsten der Photodetektor mit dieser Strahlung übersättigt werden könnte. Dies hätte zur Folge, dass die Empfindlichkeit gegenüber der fluoreszenten Strahlung und damit die magnetische Empfindlichkeit sich verschlechtert. Der Photodetektor ist dazu eingerichtet, die durch Fluoreszenz in dem Baustein bewirkte Strahlung zu erfassen.
Der Baustein aus einer Gitterstruktur stellt somit die sensitive Komponente dar, die angeregt durch einen Anregungsstrahl aufgrund von Fluoreszenz eine Strahlung emittiert. Fluoreszenz ist die spontane Emission von Licht kurz nach Anregung eines Materials durch Elektronenübergang. Dabei ist das emittierte Licht regelmäßig energieärmer als das zuvor absorbierte Licht (Rotverschiebung). Der aufgrund von Fluoreszenz emittierte Strahl ist somit in der Regel energieärmer als der Anregungsstrahl.
Ein Kristallgitter ist die atomare Struktur von kristallinen Körpern, wie bspw. von einem Diamanten, und stellt eine regelmäßige dreidimensionale Anordnung von Punkten bzw. Atomen dar.
Der bei der vorgestellten Sensoreinheit genutzte Zeemaneffekt bescheibt die Aufspaltung von Spektrallinien durch ein Magnetfeld. Die Aufspaltung entsteht durch die unterschiedliche Verschiebung von Energieniveaus einzelner Zustände unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes.
Die vorgestellte Sensoreinheit ermöglicht einen Aufbau, bei dem ein dichroischer Spiegel, wie dies bei bekannten Sensoreinheiten der Fall ist, nicht erforderlich ist. Auf diese Weise wird die Komplexität im Bereich der Lichtquelle reduziert und es kann zudem ein kompakter und integrierter Sensorkopf realisiert werden. Weiter können in dem beschriebenen Aufbau Singlemode-Fasern mit geringer numerischer Apertur verwendet werden, so dass die Anforderungen an die verwendete Faser nicht besonders hoch sind.
Zur Steigerung der Auskoppeleffizienz können des weiteren Reflexionsprismen vorgesehen sein, um die Auskoppeleffizienz der Fluoreszenz aus dem Baustein, bspw. aus einem Diamanten, zu erhöhen, welche bei einem Baustein-Luft-Photodioden-Übergang geringer wäre. Alternativ kann der Baustein auch wie ein Pyramidenstumpf geformt sein. Damit ist kein zusätzliches Prisma erforderlich. Die Form des Pyramidenstupfes übernimmt dann die Aufgabe des zusätzlichen Prismas.
Ein besonderer Vorteil gegenüber bekannten Sensoreinheiten, die auch eine Faser zum Einsammeln der Fluoreszenz verwenden, besteht darin, dass sich durch die direkte Anordnung eines Photodedektors an einen Baustein, der ein Kristallgitter umfasst, wie bspw. einen Diamanten, eine deutlich höhere Einsammlungseffizienz erreichen lässt.
In einer Ausführung wird der Anregungsstrahl über eine Faser eingekoppelt. Diese Faser dient dann zur Anregung und koppelt den Anregungsstrahl an einem ersten Oberflächenabschnitt ein. Das Auslesen der Fluoreszenz erfolgt dann durch Auskoppeln an einem zweiten Oberflächenabschnitt, bspw. an einem zur Faser abgewendeten zweiten Oberflächenabschnitt. Die beiden Oberflächenabschnitte können aneinander angrenzen, sind aber typischerweise auf einander gegenüberliegenden Seiten des Bausteins vorgesehen und somit an voneinander abgewandten Seiten des Bausteins vorgesehen.
In einer Ausführung umfasst die Sensoreinheit mindestens einen hochsensitiven Diamanten mit negativ geladenen NV-Zentren als Magnetometer, der einen hohen dynamischen Messbereich, in Ausgestaltung bis zu 1 Tesla, aufweist und der eine vektorielle Erfassung des Magnetfeldes ermöglicht. Weiterhin umfasst diese Sensoreinheit einen faserbasierten optischen Anregungspfad, der eine Lichtquelle, bspw. einen Laser oder eine LED, aufweist, ein optisches Einkoppelsystem für eine Faser, bspw. einen Faserkoppler, eine Faser, bspw. eine Singlemode-Faser, Multimode-Faser oder Photonic Crystal Faser, die bspw. mit Hilfe einer Klebeschicht an einer Diamantfacette angeklebt ist, eine Detektionseinheit zum Einsammeln der von den NV-Zentren emittierten Fluoreszenz, die mindestens eine Photodiode aufweist und es ermöglicht, dass Reflexionsprismen an den Seitenflächen des Diamanten angebracht werden können oder der Diamant eine ähnliche Struktur, bspw. einen Pyramidenstumpf bzw. mindestens eine abgeschrägte Seitenfläche, direkt bildet, was bspw. durch Schleifprozesse oder Diamantätzen erreichbar ist. Die Sensoreinheit umfasst weiterhin eine Filterschicht, bspw. einen sogenannten Distributed Bragg Reflector, welcher das Anregungslicht vor dem Detektor blockiert, d. h. dieser Filter wird zwischen Diamant und Photodiode platziert, optional eine weitere Filterschicht, die direkt auf die zur Faser orientierten Diamantfläche platziert wird, um die emittierte Fluoreszenz innerhalb des Diamant zu reflektieren, sowie einen Betrieb der Magnetfeldmessung entweder im kontinuierlichen Modus (continuous wave: CW), d. h. kontinuierliche optische Anregung und Manipulation mit MW, oder im gepulsten Modus, d. h. zeitliche Trennung von optischer Anregung und MW-Manipulation, siehe 6, und eine Mikrowellenquelle, die in der Peripherie platziert werden kann und über Leitungen zu einer MW-Struktur in der näheren Umgebung des Diamanten verbunden ist.
Zu beachten ist, dass der Bereich bzw. der Übergang zwischen Diamant und Detektionseinheit, einschließlich der Filterschicht zum Blockieren des Anregungslichts vor dem Photodetektor als Fluoreszenz-Detektionseinheit, keine Lufteinschlüsse enthalten sollte. Es bietet sich somit ein Vergießen, bspw. mittels PDMS (Polydimethylsiloxan), der Übergänge Kristallgitter-Filterschicht-Detektionseinheit an.
Es wird somit bei dieser Ausführung eine Sensoreinheit mit einem Aufbau und folglich ein Sensoraufbau vorgestellt, bei dem NV-Zentren in einem Diamanten über eine optische Faser bspw. mit Hilfe eines Lasers angeregt werden, mit einer Mikrowellen-Struktur Spinübergänge getrieben werden und die bewirkte Fluoreszenz mit Hilfe von Reflexionsprismen an mindestens einer Diamantfläche ausgelesen werden, so dass ein homogenes Anregen und ein effizientes Auslesen erzielt werden kann.
Eine Auswerteeinheit, die mit der vorgestellten Sensoreinheit zusammenwirkt und mit dieser zusammen ein Magnetometer bildet, umfasst bspw. mindestens eine Signalverarbeitungs- und Steuerungseinheit. Vorteile dieser, zumindest in einigen der Ausführungsformen, sind:

- Steigerung der Einsammeleffizienz durch direkte Detektion der Fluoreszenz mit einem Photodedektor, der unmittelbar am Diamant angebracht ist, im Vergleich zur Einsammlung mit einer Faser,
- Steigerung der Einsammeleffizienz der Fluoreszenz durch Verwendung der Reflexionsprismen an den Diamantflächen im Vergleich zu einem direkten Kontakt Diamant-Photodiode,
- homogene Anregung der NV-Zentren im Diamant durch einen geringen Abstrahlwinkel innerhalb des Diamanten bei Kontakt Faser-Klebeschicht-Diamant möglich,
- Kompaktheit des Sensorkopfes, während Lichtquelle und Mikrowellenquelle in der Peripherie platziert werden können,
- integrierter Sensorkopf anwendbar für eine Mensch-Gehirn-Schnittstelle.

Vorstehend wird der Baustein, der ein Kristallgitter umfasst, vornehmlich als Diamant beschrieben. Dies wird jedoch lediglich beispielhaft angegeben, da die Sensoreinheit auch mit anderen Kristallgittern verwirklicht werden kann. Ein Diamant mit Kohlenstoffatomen, insbesondere C₁₂-Atomen, bietet sich an, da diese keinen Spin aufweisen und daher die Messung nicht beeinflusst wird. Von Bedeutung ist, dass das Kristallgitter, das bspw. auch als Gitter mit Silizium- (Si) Atomen aufgebaut sein kann, Defekte bzw. Fehlstellen aufweist, die fluoreszierend sind und bei denen ein Magnetfeld eine Energieänderung über den Zeemaneffekt bewirkt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Figurenliste

1 zeigt Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in einem Diamanten.
2 zeigt ein Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums.
3 zeigt eine optisch dedektierte magnetische Resonanz eines einzelnen NV-Zentrums.
4 zeigt den Zeeman-Effekt innerhalb des Energiediagramms des negativ geladenen NV-Zentrums.
5 zeigt in einer schematischen Darstellung die benötigten Komponenten für die Sensoreinheit in einer Ausgestaltung.
Figut 6 zeigt eine gepulste Anregung.
7 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführung der Sensoreinheit.
8 zeigt eine weitere Ausführung der Sensoreinheit.
9 zeigt in einer Schnittansicht den Diamanten und die Reflexionsprismen.
10 zeigt verschiedene Anordnungen der Reflexionsprismen.
11 zeigt denkbare Geometrien der Reflexionsprismen.
12 zeigt Ergebnisse einer Strahlengang-Simulation.

1 zeigt auf der linken Seite ein Kristallgitter, in diesem Fall einen Diamanten, wobei das Kristallgitter insgesamt mit Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Das Kristallgitter 10 umfasst eine Anzahl von Kohlenstoffatomen 12 und ein NV-Zentrum 14, das wiederum ein Stickstoff-Atom 16 und eine Fehlstelle bzw. Vakanz 18 aufweist. Die Stickstoff-Fehlstelle 14 ist entlang einer der vier möglichen Bindungsrichtungen im Diamant-Kristall ausgerichtet.
Auf der rechten Seite ist das Energieniveauschema 30 des negativ geladenen NV-Zentrums 14 dargestellt. Ein Grundzustand ³A₂ 32 ist ein Spin-Triplet mit Gesamtspin s = 1. Die Zustände 34 mit magnetischer Spinquantenzahl m_s = +- 1 sind gegenüber dem Zustand 36 mit m_s = 0 energetisch verschoben. Es sind weiterhin ein Zustand ³E 38 und ein Zwischenzustand 40 dargestellt. Mit Klammer 42 ist eine Mikrowellenfrequenz von 2,87 GHz verdeutlicht, die einer Aufspaltungsenergie bzw. Zero-Filed Splitting Dgs entspricht. Das Zero-Filed Splitting ist eine intrinsosche Größe, die unabhängig vom eingestrahlten MW-Feld bzw. der MW-Frequenz ist. Si beträgt ungefähr 2,87 GHz und ist insbesondere temperaturabhängig. Für die Bestimmung der Resonanzfrequenz gilt folgende Beziehung: $v_{\pm} \approx D_{gs} + β * Δ T \pm y_{NV} * B_{0};$
wobei ΔT die Abweichung von der Raumtemperatur, β die temperaturbedingte Verschiebung des Zero-Field Splittings mit β ungefähr -74,2 Kilohertz/Kelvin, y_NV das gyromagnetische Verhältnis des NV-Zentrums und B₀ die Feldstärke eines externen Magnetfelds angibt.
2 zeigt in einem Graphen 50 das Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums, das in 1 dargestellt ist. Im Graphen 50 ist an einer Abszisse 52 die Wellenlänge [nm] und an einer ersten Abszisse 54 der Absorptionskoeffizient [cm^-1] und an einer zweiten Abszisse 56 die Fluoreszenz aufgetragen. Eine erste Kurve 60 zeigt das Absorptionsspektrum, eine zweite Kurve 62 zeigt das Emissionsspektrum. Ein erster Pfeil 70 bezeichnet NV° ZPL, ein zweiter Pfeil 72 bezeichnet NV^- Absorption, ein dritter Pfeil 74 bezeichnet NV^- Fluoreszenz. Weiterhin ist NV^- ZPL 76 bei 637 nm eingetragen.
3 zeigt in einem Graphen 100 die optisch detektierbare magnetische Resonanz (ODMR) eines einzelnen NV-Zentrums für verschiedene Hintergrundmagnetfelder. In dem Graphen 100 ist an einer Abszisse 102 die Mikrowellenfrequenz, an einer ersten Ordinate 104 das Magnetfeld B und an einer zweiten Ordinate 106 die Fluoreszenz aufgetragen.
Eine erste Kurve 110 zeigt die Resonanz für B = 0, eine zweite Kurve 112 zeigt die Resonanz bei B = 2,8 mT mit den negativen Peaks ω₁ 114 und ω₂ 116, eine dritte Kurve 120 die Resonanz für B = 5,8 mT und eine vierte Kurve 122 die Resonanz für 8,3 mT.
4 zeigt den Zeemaneffekt im Grundzustand 150 des NV-Zentrums. Weiterhin sind der angeregte Zustand 152 und der Zwischenzustand 154 eingetragen. Ein erster Pfeil 160 zeigt einen Übergang mit hoher Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate, ein gestrichelter Pfeil 162 zeigt einen Übergang mit geringer Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate. In einem Kasten 170 sind ein Übergang 172 ohne magnetisches Feld und ein Übergang 174 mit magnetischem Feld wiedergegeben.
5 zeigt in schematischer Darstellung die benötigten Komponenten zum Anregen und Auslesen eines Magnetometers mit Diamant/NV-basierter Sensoreinheit, die insgesamt mit Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Laserquelle 202. Alternativ kann auch eine LED verwendet werden. Weiterhin sind eine Optik 204, eine Mikrowellen-Quelle 206, ein Diamant 208 mit NV-Fehlstellen, eine weitere Optik 210, ein Langpassfilter (LP) 650 nm 212, ein Photodetektor 214, ein Analog-Digital-Wandler 216 und eine Signalverarbeitung 218, die eine Ausgabe 220 mit Magnetfeld, Temperatur, Druck ausgibt, dargestellt. Der Langpassfilter 212 ist bspw. ein Distributed Bragg Reflector und sorgt dafür, dass das grüne Anregungslicht blockiert wird und damit nicht auf den Photodetektor 214 trifft. Andererseits lässt der Langpassfilter 212 das emittierte Fluoreszenzlicht im Wellenlängenbereich > 650 nm, d. h. 650 - 800 nm, passieren.
6 zeigt die gepulste Anregung anhand ihres zeitlichen Verlaufs, der an einer Zeitachse 250 aufgetragen ist. Dabei ist oben 252 die Laseranregung und unten 254 die Mikrowellenanregung gezeigt. Zu beachten ist, dass die Abfolge von einem Laserpuls und einem Mikrowellenpuls periodisch wiederholt werden. Der Laserpuls dient zum Initialisieren des Elektronenspins der NV-Fehlstellen (zweiter Anteil des Pulses 260) und zum Auslesen des Elektronenspins nach der Manipulation (erster Anteil des Laserpulses 262). Der Mikrowellenpuls 270 dient zur Manipulation des Elektronenspins, in Abhängigkeit von dem magnetischen Feld, worauf das Messprinzip beruht.
Das hierin vorgestellte Verfahren verwendet somit in Ausgestaltung einen Laserfaser-basierten Aufbau zur Anregung der NV-Zentren in einem Diamanten. Das Auslesen der emittierten Fluoroszenz erfolgt an mindestens einer der anderen Diamantoberflächen als jener, die für die Faserankopplung des Anregungslichts verwendet worden ist, siehe 7.
7 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführung der vorgestellten Sensoreinheit, die insgesamt mit der Bezugsziffer 300 bezeichnet ist. Eine Lichtquelle 302, in diesem eine Laser-Quelle, wird mit Hilfe eines Faserkopplers 304 in eine optische Faser 306, bspw. eine Singlemode-Faser, gekoppelt. Diese Faser 306 wird mit Hilfe einer transparenten Klebeschicht, z. B. M-Glass oder PDMS, die auch bei hohen Leistungen bis 1 Watt beständig ist, an einen Diamanten 308 geklebt. In Ausgestaltung ist zwischen dem Ende der Faser 306 und der Oberfläche des Diamanten 308 eine optische Filterschicht 310, bspw. ein Kurzpassfilter, z. B. ein Distributed Bragg Reflector (DBR), eingesetzt, die dafür sorgt, dass die emittierte Fluoreszenz an dieser Seitenfläche nicht aus dem Diamanten 308 austreten kann und in Richtung eines Photodetektors 312, bspw. einer Photodiode, rückreflektiert wird. Eine Mikrowellen-Struktur 314 wird verwendet, um die in der Peripherie erzeugten Mikrowellen über das Volumen des Diamanten 308 homogen zu verteilen. Ein Langpassfilter 316, z. B ein DBR, kann zwischen dem Diamanten und dem Photodetektor 312 platziert sein, um das Anregungslicht zu blockieren, jedoch die durch Fluoreszenz bewirkte Strahlung transmittieren zu lassen, die dann auf den Photodetektor 312 trifft. Eine Umwandlung des gemessenen Signals mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 318 ist regelmäßig erforderlich, genauso wie eine Signalverarbeitungseinheit 320, die die Signale verarbeitet und die Messapparatur steuert.
8 zeigt eine weitere Ausführung der Sensoreinheit, die insgesamt mit Bezugsziffer 400 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Lichtquelle 402, bspw. eine Laser-Quelle 402, einen Faserkoppler 404, eine Faser 406, einen Diamanten 408, eine Filterschicht 410, einen Photodetektor 412, eine Mikrowellen-Struktur 414, einen Filter 416, insbesondere einen Langpassfilter, einen ADC 418 und eine Signalverarbeitungseinheit 420. Die in Verbindung mit der Ausführung der 7 genannten weiteren Merkmale können bei dieser Ausführung ebenfalls verwirklicht sein. Zusätzlich ist bei dieser Ausführung an den Seitenflächen des Diamanten 408 ein Reflexionsprisma 430 angesetzt bzw. angeklebt, um das Auskoppeln der Fluoreszenzstrahlung aus dem Diamanten 408 zu erhöhen.
Bei den gezeigten Ausführungen wird somit eine Lichtquelle mithilfe eines Faserkopplers in eine optische Faser gekoppelt. Diese Faser wird in Ausgestaltung mithilfe einer Klebeschicht an einen Diamanten geklebt. Hierbei soll vermieden werden, dass sich ein Luftspalt zwischen Faserende und Diamantoberfläche bildet, der wiederum die Transmissionseigenschaften beim Übergang zwischen den Medien verschlechtern und sich der Winkel zur optischen Achse vergrößern würde. Dies ist hinderlich für ein möglichst homogenes Ausleuchten des Diamanten. In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwischen Faserende und Diamantoberfläche eine optische Filterschicht eingesetzt wird, die dafür sorgt, dass die emittierte Fluoreszenz an dieser Seitenfläche nicht ungehindert aus dem Diamanten treten kann und in Richtung Photodiode rückreflektiert wird. Eine MW-Struktur wird verwendet, um die in der Peripherie erzeugten Mikrowellen über das Diamantvolumen homogen zu verteilen. Ein Langpassfilter soll zwischen Diamant und Photodiode platziert werden, um das Anregungslicht zu blockieren, jedoch die Fluoreszenz transmittieren zu lassen, die dann auf die Fotodiode trifft. Eine Umwandlung des gemessenen Signals erfolgt mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers; für die Signalverarbeitung und Steuerung der Messapparatur wird eine Einheit, bspw. ein PC oder Mikrocontroller, benötigt.
Um die Einsammeleffizienz der Fluoreszenz aus dem Diamanten zu erhöhen, können Prismen aus einem Material mit Brechungsindex größer 1 verwendet werden, die an den Seitenflächen des Diamanten angebracht werden, siehe 9.
9 zeigt in Schnittansichten Diamanten mit Reflexionsprismen. Die Darstellung zeigt einen ersten Diamanten 450, der über Klebeschichten 452 an Seitenflächen mit Reflexionsprismen 454 verbunden ist. Bei einem zweiten Diamanten 460 sind Reflexionsprismen 464 direkt an Seitenflächen des Diamanten 460 angesetzt. Bei den gezeigten Ausführungen befindet sich der Photodetektor, bspw. die Photodiode, unterhalb des Diamanten 450, 460 bzw. der Prismen 454, 464.
Als Material der Reflexionsprismen eignet sich hierfür z. B. N-BK7, es ist auch denkbar, diese Prismen aus PDMS in einem Gussverfahren herzustellen. Dies gilt auch für weitere Kristallgitter neben Diamanten.
Falls die Ablenkung des Fluoreszenzlichts im Prisma auch auf durch totale interne Reflexion erfolgt, muss jedoch das Prisma einen ausreichend hohen Brechungsindex besitzen. Ein typischer Wert ist n ~ 1/ sinus (45 Grad) ungefähr 1,41. Das heißt, der Brechungsindex sollte mindestens 1,41 betragen, besser 1,5 oder mehr. Falls dies nicht erfüllt ist, muss die diagonale Seitenfläche des Prismas verspiegelt werden, bspw. metallisch oder auch mittels eines DBRs.
Denkbare Geometrien und Anordnungen, die das /die Prisma/Prismen gegenüber dem Diamant angeordnet sind, sind in 10 und 11 zu finden. Hier ist jeweils eine Darstellung in Draufsicht gewählt.
10 zeigt verschiedene Anordnungen der Reflexionsprismen zum Diamanten in einer Sicht auf die Diamantfläche, die zum Photodetektor, bspw. zur Photodiode, hingewandt ist. Die Darstellung zeigt einen ersten Diamanten 500 mit Reflexionsprismen 502, einen zweiten Diamanten 510 mit Reflexionsprismen 512 und einen dritten Diamanten 520 mit Reflexionsprismen 522. Die Darstellungen sind in Draufsicht gegeben, es ist somit jeweils die Fläche des Diamanten nach oben gerichtet, die zum Photodetektor hin gewandt ist.
11 zeigt mögliche Geometrien der Reflexionsprismen im Verhältnis zu den Diamantflächen. Die Darstellung zeigt einen ersten Diamanten 550 mit Reflexionsprismen 552 und einen zweiten Diamanten 560 mit Reflexionsprismen 562.
Weiter ist auch denkbar, dass durch Schleifprozesse oder Diamant-Ätzen diese Prismenstruktur direkt im Diamantvolumen erstellt werden. In 12 sind Strahlengang-Simulationen zur Erhöhung der Auskoppeleffizienz zusammengefasst.
12 zeigt in vier Ansichten Ergebnisse einer Strahlengangsimulation. Die Darstellung zeigt mit Bezugsziffer 600 ein Ein N-BK7 Prisma: 13,76%, mit Bezugsziffer 602 Zwei N-BK7- Prismen: 17.20%, mit Bezugsziffer 604 Zwei N-BK7 Prismen: 14,33% und mit Bezugsziffer 606 ein Vier N-BK7 Prisma: 18,45 %.
Bei der gezeigten Simulation ist ein 1 NV-Zentrum direkt in der Mitte des Diamanten als isotroper Emitter platziert worden. Dabei sind bei unterschiedlichen Anordnungen jeweils Reflexionsprismen aus Material N-BK7 mit einer Abmessung von 500 µm Kantenlänge (Kathetenlänge) und einem Winkel von 45° direkt auf die Diamantoberfläche platziert worden. Eine noch leichtere Auskopplung wird erzielt, wenn eine dünne Klebeschicht, z. B. 20 µm aus PDMS zwischen Prisma und Diamant gesetzt wird. Nichtsdestotrotz wird eine verbesserte Auskopplung der Fluoreszenz, die hier durch Strahlen simuliert ist, im Vergleich zu einem reinen Diamant-Luft-Übergang (< 10% Einsammeleffizienz) erzielt, wenn derartige Prismen eingesetzt werden. Diese Ergebnisse sind erzielt worden, indem sich zwischen Diamant und Detektor ein Luftspalt von etwa 200 µm befand.
Es soll somit im Bereich zwischen Diamant und Detektionseinheit auf optische Übergänge zur Luft verzichtet werden, um die Auskoppeleffizienz der Fluoreszenz aus dem Diamanten zum Detektor weiter erhöhen zu können. Dies kann z. B. durch Vergießen der Übergänge mit PDMS erreicht werden.
Die vorgestellte Sensoreinheit und das beschriebene Verfahren sind vielfältig einsetzbar. So können diese bspw. dazu dienen, die Himmelsrichtung zur Navigation in Fahrzeugen oder mit dem Smartphone zu bestimmen. Darüber hinaus können diese bei der Ortung von metallischen und magnetischen Gegenständen verwendet werden.
Eine weitere mögliche Anwendung ist eine sogenannte Mensch-Maschinen-Schnittstelle. Dabei können Magnetfeldsensoren mit NV-Zentren die Magnetfelder am menschlichen Kopf nachweisen, die durch die Gehirnaktivität und die damit verbundenen Ströme entstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014219550 A1 [0009]

Claims

Sensoreinheit mit einem Baustein, einem Filter (416) und einem Photodetektor (214, 312, 412), bei der - der Filter (416) zumindest abschnittsweise zwischen dem Baustein und dem Photodetektor (214, 312, 412) angeordnet ist, - der Baustein ein Kristallgitter (10) aufweist, in dem mindestens ein Defekt vorgesehen ist, der eine fluoreszierende Wirkung hat, - in den Baustein über einen ersten Oberflächenabschnitt des Bausteins eine elektromagnetische Strahlung einkoppelbar ist, die Fluoreszenz in dem Baustein bewirkt, die über einen zweiten Oberflächenabschnitt des Bausteins, der von dem ersten Oberflächenabschnitt verschieden ist, auskoppelbar ist, - der Filter dazu eingerichtet ist, durch Fluoreszenz bewirkte elektromagnetische Strahlung, die über den zweiten Oberflächenabschnitt ausgekoppelt wird, duchzulassen, und - der Photodetektor (214, 312, 412) dazu eingerichtet ist, die durch Fluoreszenz in dem Baustein bewirkte Strahlung zu erfassen.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, bei der als Kristallgitter (10) ein Diamant (208, 308, 408, 450, 460, 500, 510, 520, 550, 560) vorgesehen ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei der der mindestens eine Defekt als Stickstoff-Fehlstelle (NV-Zentrum) (14) ausgebildet ist.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Anregungsstrahl über eine Faser (306, 406) einzukoppeln ist.
Sensoreinheit nach einem der Anspüche 1 bis 4, die zusätzlich mindestens eine Mikrowellen-Quelle (206) aufweist.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Baustein seitlich mindestens ein Reflexionsprisma (430, 454, 464, 502, 512, 522, 552, 562) hat.
Sensoreinheit nach Anspruch 6, bei der das mindestens eine Reflexionsprisma (430, 454, 464, 502, 512, 522, 552, 562) über eine Klebeschicht (452) mit dem Baustein verbunden ist.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Baustein wie ein Pyramidenstumpf geformt ist.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes mit einer Sensoreinheit (300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Richtung des Magnetfeldes erfasst wird.