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Diese Anmeldung nimmt zum Ersten die Priorität der Teilung aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2019 120 076.8 vom 25.07.2019 in Anspruch. Das Aktenzeichen des deutschen Patent- und Markenamts dieser Teilung aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2019 120 076.8 vom 25.07.2019 ist zum Zeitpunkt der Anmeldung der hier vorgelegten deutschen Patentanmeldung noch unbekannt und wird nachgereicht. Die Priorität der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2019 120 076.8 vom 25.07.2019 selbst wird jedoch ausdrücklich nicht in Anspruch genommen, da dies zum Verfall der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2019 120 076.8 vom 25.07.2019 durch Inanspruchnahme der inneren Priorität führen würde.
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Diese Anmeldung nimmt zum Zweiten die Priorität der Teilung aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2019 121 137.9 vom 05.08.2019 in Anspruch. Das Aktenzeichen des deutschen Patent- und Markenamts dieser Teilung aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2019 121 137.9 vom 05.08.2019 ist zum Zeitpunkt der Anmeldung der hier vorgelegten deutschen Patentanmeldung noch unbekannt und wird nachgereicht. Die Priorität der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2019 121 137.9 vom 05.08.2019 selbst wird jedoch ausdrücklich nicht in Anspruch genommen, da dies zum Verfall der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2019 121 137.9 vom 05.08.2019 durch Inanspruchnahme der inneren Priorität führen würde.
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Oberbegriff
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Die Erfindung richtet sich ein Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, wobei der optische Sender des Sensorsystems gechoppert wird und durch eine spezielle Maßnahem alle Reste der Copper-Frequenz aus dem Spektrum des Sensorausgangssignals entfernt werden. Das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System umfasst ein paramagnetisches Zentrum im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen System ist. Das paramagnetische Zentrum ist bevorzugt ein NV-Zentrum in einem Diamantkristall als Sensorelement und Diamant als Material.
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Allgemeine Einleitung
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In letzter Zeit werden sehr viele Publikationen zur Verwendung von NV-Zentren als Quantenpunkte für Quantum-Sensing, Quantum-Computing und Quantum-Kryptografie getätigt.
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Ein Problem ist der unzureichende Störabstand aller Systeme.
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Aufgabe
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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.
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Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen nach Anspruch 1 und 10 und Verfahren nach Anspruch 3 und 6 und 9 gelöst.
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Lösung der Aufgabe
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Die Erfindung betrifft ein Quantensensorsystem, 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 Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) mit der die Pumpstrahlungsquelle (PL1) das paramagnetische Zentrum (NV1) bestrahlt. Die Pumpstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetische Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL). Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für die Pumpstrahlung (LB), beispielsweise eine LED, ist über einen optischen Pfad mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) gekoppelt. Bevorzugt ist die Pumpstrahlungsquelle (PL1) eine grüne LED oder ein Pumplaser mit grüner Pumpstrahlung (LB), während die Fluoreszenzstrahlung (FL) typischerweise rot ist.
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Bevorzugt ist dabei wobei das Sensorelement und/oder quantentechnologische Vorrichtungselement ein Diamantkristall. Das paramagnetische Zentrum (
NV1) ist bevorzugt ein NV-Zentrum in dem besagten Diamantkristall. Ein solches Sensorsystem ist in der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2018 127 394 .0 beschrieben.
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Zur Vereinfachung wird im Folgenden der Begriff Sensorelement als Synonym für ein Sensorelement und/oder ein quantentechnologisches Vorrichtungselement verwendet.
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Des Weiteren wird eine integrierte Schaltung zur Verwendung mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements mit einem Treiber zum Betreiben einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) und mit einem Empfänger (PD1), zur Detektion von Fluoreszenzstrahlung des paramagnetischen Zentrums (NV1) und mit einem Auswerteschaltkreis zur Erzeugung eines Sensorausgangssignals (out), das von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements abhängt vorgeschlagen. Dabei ist das Sensorelement bevorzugt ein Diamantkristall. Das paramagnetische Zentrum (NV1) ist bevorzugt ein NV-Zentrum in dem Diamantkristall.
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Es wird somit eine bevorzugt integrierte Schaltung (IC) zur Verwendung mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mit einem Treiber zum Betreiben einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) zur Aussendung von Pumpstrahlung (LB) und mit einem Empfänger (PD1) zur selektiven Detektion von Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) vorgeschlagen. Der Empfänger (PD1) ist bevorzugt dazu vorgesehen, im Sinne der besagten Selektivität die Pumpstrahlung (LB) im Wesentlichen nicht zu detektieren. Die integrierte Schaltung (IC) umfasst des Weiteren bevorzugt einem Auswerteschaltkreis (M1, TP, M2, G) zur Erzeugung eines Sensorausgangssignals (out), das von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements abhängt. Der integrierte Schaltkreis (IC) verfügt bevorzugt über eine Halteschaltung (S&H). Die Halteschaltung (S&H) weist dabei einen Eingang und einen Ausgang auf. Die Halteschaltung (S&H) ist dabei bevorzugt in den Signalpfad zwischen Empfänger (PD1) und Sensorausgangssignal (out) geschaltet. Bevorzugt wird eine Halteschaltung (S&H) zwischen ersten Multiplizierer (M1) und Filter und/oder Integrator (TP) und/oder nach dem Filter und/oder Integrator (TP) in den Signalpfad eingefügt. Die Halteschaltung (S&H) hält dabei in ersten Zeiträumen ihr Ausgangssignal an ihrem Ausgang im Wesentlichen konstant, fiert es also quasi ein. Die Halteschaltung (S&H) ändert in zweiten Zeiträumen, die von den ersten Zeiträumen verschieden sind, ihr Ausgangssignal an ihrem Ausgang in Abhängigkeit von dem Signal an ihrem Eingang. Sie ist in diesen zweiten Zeiträumen also quasi transparent.
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Bevorzugt ist das Sensorelement und/oder quantentechnologische Vorrichtungselement ein Diamantkristall, wobei bevorzugt das paramagnetische Zentrum (NV1) ein NV-Zentrum und/oder ein ST1-Zentrum in dem Diamantkristall ist.
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Bei einem hier offengelegten Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems umfasst 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. Das Verfahren umfasst dann beispielsweise den Schritt des modulierten Aussendens einer modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), wobei die Modulation des Aussendens mittels eines Sendesignals (S5) erfolgt. Ein weiterer Schritt des Verfahrens ist das Erzeugen einer modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) mittels eines paramagnetischen Zentrums (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, die von der modulierten Pumpstrahlung (LB) abhängt. Es folgt der Schritt des Empfangens der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und des Erzeugens eines Empfangssignals (S0). Darauf folgt typischer Weise die Korrelation des Empfangssignals (S0) mit dem Sendesignal (S5), insbesondere unter Zuhilfenahme eines Synchrondemodulators, und Bildung eines Filterausgangssignals (S4), wobei das Filterausgangssignal (S4) von der Intensität der Korrelation der Modulation der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit dem Sendesignal (S5) abhängt. Es hat sich nun herausgestellt, dass das Abtasten des Filterausgangssignals (S4), insbesondere mittels einer Halteschaltung (S&H), unter Ermittlung einer Folge von Abtastwerten und die Verwendung der Folge der Abtastwerte als Sensorausgangssignal (out) besonders vorteilhaft sind, da dieses Verfahren in der Lage ist, die Spuren des Copper-Signals in Form des Sendesignals (S5) im Spektrum des Sensorausgangssignals (out) fast vollständig zu entfernen.
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Die Korrelation kann dabei mit dem Schritt der Bildung eines Rückkoppelsignals (S6) in Abhängigkeit von dem Sensorausgangssignal (out) und dem Sendesignal (S5) erfolgen, wobei das Rückkoppelsignal (S6) einen Signalanteil aufweist, der komplementär zu einem Signalanteil des Sendesignals (S5) moduliert ist. Zusätzlich erfolgt dann bevorzugt die Subtraktion des Rückkoppelsignals (S6) vom Empfangssignal (S0) zum reduzierten Empfangssignal (S1), womit dann die Rückkoppelschleife des Reglers später geschlossen wird. Zur Korrelation erfolgt bevorzugt eine Multiplikation des reduzierten Empfangssignals (S1) mit dem Sendesignal (S5) zum Filtereingangssignal (S3) und ein anschließendes Filtern des Filtereingangssignals (S3) mit einem Filter und/oder Integrator (TP) zum Filterausgangssignal (S4), womit dann der Regelkreis geschlossen ist.
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Die Bildung eines Rückkoppelsignals (S6) erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit von dem Sensorausgangssignal (out) und dem Sendesignal (S5) durch Multiplikation des Sensorausgangssignals (out) mit dem Sendesignal (S5) zum Rückkoppelsignal (S6) ggf. verbunden mit der Multiplikation eines geeigneten Vorzeichens und ggf. verbunden mit der Hinzufügung eines geeigneten Offsets.
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Die Korrelation erfolgt bevorzugt mit den Schritten der Multiplikation des Empfangssignals (S0) mit dem Sendesignal (S5) zum Filtereingangssignal (S3) und des Filterns und/oder Integrierens des Filtereingangssignals (S3) mit einem Filter und/oder Integrator (TP) zum Filterausgangssignal (S4), wobei das Filterausgangssignal (S4) ggf. mit einem Faktor -1 multipliziert ist. Ist dies der Fall entfällt die Multiplikation mit -1 im zweiten Multiplizierer (M2). Des Weiteren erfolgt ein Abtasten des Filterausgangssignals (S4), insbesondere mittels einer Halteschaltung (S&H), unter Ermittlung einer Folge von Abtastwerten und die Verwendung der Folge der Abtastwerte als Sensorausgangssignal (out). Durch Multiplikation des Sensorausgangssignals (out) mit dem Sendesignal (S5) bildet bevorzugt ein zweiter Multiplizierer (M2) das Rückkoppelsignal (S6). Das Ansteuern einer Kompensationsstrahlungsquelle(PLK) erfolgt bevorzugt mit dem Rückkoppelsignal (S6). Dadurch erfolgt typischerweise ein Aussenden einer Kompensationsstrahlung durch die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) in Abhängigkeit von dem Rückkoppelsignal (S6). Es kommt dann zum Einstrahlen von Kompensationsstrahlung in den Empfänger (PD1). Dort erfolgt dann ein typischerweise überlagerndes, insbesondere summierend überlagerndes, Empfangen der Fluoreszenzstrahlung (FL) und der Kompensationsstrahlung im Empfänger (PD1) und die Bildung des Empfangssignals (S0) in Abhängigkeit von dieser Überlagerung, womit wieder der Regelkreis geschlossen wird.
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Bei einem anderen, hier vorgestellten Verfahren (13) zum Betreiben eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems umfasst 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. Das Verfahren umfasst als Schritt das modulierte Aussenden modulierten Kompensationsstrahlung (KS), wobei diese Modulation mittels eines Kompensationssendesignals (S7) moduliert wird. Dieses Verfahren regelt also nun im Gegensatz zu dem zuvor vorgestellten Verfahren das Kompensationssendesignal und nicht das Sendesignal (S5). Das Sendesignal (S5) wird bei diesem Verfahren also unverändert quasistatisch betrieben. Beide Grundverfahren können aber kombiniert werden, wobei eine Regel festgelegt werden muss, in welcher Weise das Kompensationssendesignal (S7) und/oder das Sendesignal (S5) zu regeln sind. In dem hie nun in diesem Abschnitt besprochenen Beispiel wird das Kompensationssendesignal (S7) geregelt. Daher umfasst das hier in diesem Abschnitt besprochene Verfahren das Erzeugen einer modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) mittels eines paramagnetischen Zentrums (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, die von einer modulierten Pumpstrahlung (LB) und ggf. weiteren Parameter, insbesondere der magnetischen Flussdichte B, abhängt. Es erfolgen nun auch hier ein Überlagerndes, insbesondere summierend überlagerndes, Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und der Kompensationsstrahlung (KS) und das Erzeugen eines Empfangssignals (S0) in Abhängigkeit von dieser Überlagerung. In analoger Weise wird nun eine Korrelation des Empfangssignals (S0) mit dem Kompensationssendesignal (S7), insbesondere unter Zuhilfenahme eines Synchrondemodulators, zur Bildung eines Filterausgangssignals (S4) durchgeführt. Es folgt nun das Abtasten des Filterausgangssignals (S4), insbesondere mittels einer Halteschaltung (S&H), unter Ermittlung einer Folge von Abtastwerten. Hierdurch werden die Suren des Kompensationssendesignals (S7) im Sensorausgangssignal (out) getilgt oder massiv unterdrückt. Es folgt die Verwendung der so bereinigten Folge der Abtastwerte als Sensorausgangssignal (out). Nun erfolgen das Erzeugen eines mit dem Kompensationssendesignals (S7) modulierten komplexen Rückkoppelsignals (S8) mit Hilfe dieses Sensorausgangssignals (out) und das Bilden des Sendesignals (S5) aus dem Sendevorsignal (S8), insbesondere durch Offsetaddition und/oder Leistungsverstärkung. Sodann erfolgen das Ansteuern einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dem so gebildeten Sendesignal (S5) und das Aussenden einer Pumpstrahlung (LB) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), insbesondere durch eine LED oder durch einen Laser, in Abhängigkeit von dem Sendesignal (S5).
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Bevorzugt erfolgt dabei die Korrelation erfolgt mit den Schritten der Multiplikation des Empfangssignals (S0) mit dem Kompensationssendesignal (S7) zum Filtereingangssignal (S3) und des Filterns und/oder Integrierens des Filtereingangssignals (S3) mit einem Filter und/oder Integrator (TP) zum Filterausgangssignal (S4), wobei insbesondere das Filterausgangssignal (S4) mit einem Faktor -1 multipliziert sein kann.
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Bevorzugt erfolgt die Bildung des komplexen Rückkoppelsignals (S8) durch Multiplikation des Filterausgangssignals (S4) mit dem Kompensationssendesignal (S7) zum komplexen Rückkoppelsignal (S8).
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In einem weiteren hier vorgestellten Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems umfasst 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. Das Verfahren umfasst wieder das modulierte Aussenden einer modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), wobei die Modulation der Aussendung der Pumpstrahlung (LB) mittels eines Sendesignals (S5) erfolgt. Das Verfahren umfasst darüber hinaus das Erzeugen einer modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) mittels eines paramagnetischen Zentrums (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, die von der modulierten Pumpstrahlung (LB) abhängt und das Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und Erzeugen eines Empfangssignals (S0) sowie das Bestimmen der Intensität der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) in dem Material des Sensorelements in Form eines Filterausgangssignals (S4) zu Zeiten, wenn das modulierte Aussenden der modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) nicht stattfindet. Wie zuvor wird ein Abtasten des Filterausgangssignals (S4), insbesondere mittels einer Halteschaltung (S&H), unter Ermittlung einer Folge von Abtastwerten vorgeschlagen, um Spuren des Sendesignals (S5) aus dem Spektrum des Sensorausgangssignals (out) zu entfernen und so die Empfindlichkeit zu steigern. Es folgt dann eine Verwendung der Folge der Abtastwerte als Sensorausgangssignal (out).
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Schließlich wird ein Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System vorgeschlagen, 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 Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), insbesondere eine LED oder einen Laser, umfasst. Die Pumpstrahlung (LB) veranlasst zu ersten Zeiten das paramagnetische Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL). Das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System umfasst dabei dann Mittel (PD1, A1, M1, TP, M2, A2, G, M1', TP', M2'), die zu zweiten Zeiten, die von den ersten Zeiten verschieden sind, die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) in Form eines zusätzlichen Filterausgangssignals (S4') erfassen und das zusätzliche Filterausgangssignal (S4') in Form einer zusätzlichen Folge von zusätzlichen Abtastwerten abtasten und diese zusätzliche Folge zusätzlicher Abtastwerte als ein zusätzliches Sensorausgangssignal (out') ausgibt, das von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum (NV1) zu diesen zweiten Zeiten abhängt. Hierdurch kann die Fluoreszenz zu Zeiten gemessen werden, zu denen die Pumpstrahlungsquelle (PL1) bereits abgeschaltet ist. Das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System umfasst zur Bildung dieser Abtastwerte weitere Mittel (S&H'), um im Signalpfad zwischen dem Empfangssignal (S0) und dem zusätzlichen Sensorausgangssignal (out') das jeweilige Signal an der Stelle der Einfügung dieser weiteren Mittel (S&H') abzutasten.
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Vorteil
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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.
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Figurenliste
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- 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines vorgeschlagenen Systems.
- 2 zeigt ein einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion der integrierten Schaltung (IC).
- 3 zeigt das System der 2 mit einer optischen Kompensation.
- 4 zeigt das System der 2 mit einer optischen Kompensation über den Sender.
- 5 zeigt das System der 2 mit einer elektrischen Kompensation und einer Messung des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung (FL), was einen Verzicht auf den ersten Filter (F1) ermöglicht.
- 6 zeigt das System der 5 ohne ersten Filter (F1).
- 7 zeigt schematisch vereinfacht das Fluoreszenzverhalten in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B bei Dekalibrierung der Ausrichtung.
- 8 Zeigt den sich ergebenden Verlauf der 7 bei Dekalibrierung der Ausrichtung des Kristalls am Beispiel der Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit vom Betrag der Stärke der magnetischen Flussdichte B 8a und dessen Differentiation als Empfindlichkeitskurve in 8b mit dem Punkt maximaler Empfindlichkeit bei ca. 5-10mT.
- 9 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.
- 10 zeigt das beansprucht Grundsystem mit einer Halteschaltung (S&H).
- 11 zeigt das System der 2 ergänzt um die Halteschaltung (S&H).
- 12 zeigt das System der 3 ergänzt um die Halteschaltung (S&H).
- 13 zeigt das System der 4 ergänzt um die Halteschaltung (S&H).
- 14 zeigt das System der 5 ergänzt um die Halteschaltung (S&H).
- 15 zeigt das System der 6 ergänzt um die Halteschaltung (S&H).
- 16 zeigt das System der 7 ergänzt um die Halteschaltung (S&H).
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Beschreibung der Figuren
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Figur 1
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1 zeigt den grundsätzlichen 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 die Fluoreszenzstrahlung (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 oder eines Lasers als Pumpstrahlungsquelle (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 Pumpstrahlungsquelle (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 Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), genauer die LED oder der Laser, bestrahlt die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements mit Pumpstrahlung (LB). Diese regt die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Emission einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das Material des Befestigungsmittels (Ge) ist bevorzugt transparent für die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (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 die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (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 Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) empfindlich ist. Die integrierte Schaltung (IC) erzeugt nun bevorzugt eine Modulation der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) der Pumpstrahlung (LB), also die LED oder der Laser. Diese modulierte Pumpstrahlung (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 Pumpstrahlung (LB) abhängt.
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Diese Modulation der Pumpstrahlung (LB) 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.
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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, das die integrierte Schaltung aufgrund einer 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.
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Figur 2
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2 zeigt ein einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion der integrierten Schaltung (IC). Ein Signalgenerator (G) erzeigt ein Sendesignal (S5). Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) wandelt das Sendesignal in eine modulierte Pumpstrahlung (LB), die direkt oder wie zuvor beschrieben indirekt auf das Sensorelement trifft. Dort regt diese reflektierte Pumpstrahlung (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 Pumpstrahlung (LB) nicht passieren lässt. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) ist korreliert zur Pumpstrahlung (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 Filter und/oder Integrator (TP) wird der Gleichanteil des Filtereingangssignals durchgelassen. Es ergibt sich das Filterausgangssignal (S4) als Ausgangssignal des Filters und/oder Integrators (TP). Formal bildet der erste Multiplizierer (M1) und der Filter und/oder Integrator (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.
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Ein zweiter Multiplizierer (M2) multipliziert das Filterausgangssignal (S4) mit dem Sendesignal (S5) und bildet so das Rückkoppelsignal (S6). Ist die Verstärkung des Filters und/oder Integrators (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.
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Figur 3
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3 zeigt das System der 2 mit dem Unterschied, dass die Rückspeisung des Rückkoppelsignals (S6) nun nicht über einen ersten Addierer (A1) elektrisch erfolgt, sondern über eine Kompensationsstrahlungsquelle (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 Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) betrieben. Die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) strahlt dann in den Empfänger (PD1) ein. Um die Subtraktion zu reproduzieren, wird nun vorgesehen, dass der Ausgang des Filters und/oder Integrators (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 Kompensationsstrahlungsquelle (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.
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Bevorzugt ist die Vorrichtung mit einer zweiten Barriere (BA2) versehen, die verhindert, dass die Pumpstrahlungsquelle (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.
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Figur 4
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4 dient zum Verdeutlichen des Verfahrens bei optischer Kompensation über eine geregelte Kompensationsstrahlungsquelle (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 Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) erfolgt. Eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) wird mittels eines paramagnetischen Zentrums (NV1) in einem Material eines Sensorelements durch modulierte Pumpstrahlung (LB) verursacht. deren Ursprung der Pumpstrahlung (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 Sensorausgangssignals (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 Sensorausgangssignals (out). Dabei hängt das Sensorausgangssignal (out) von der Intensität der Korrelation der Modulation der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit dem Kompensationssendesignal (S7) ab.
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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 und/oder Integrator (TP) zum Filterausgangssignal (S4), wobei das Filterausgangssignal (S4) mit einem Faktor -1 multipliziert ist;
- • Multiplikation des Filterausgangssignals (S4) mit dem Kompensationssendesignal (S7) zum komplexen Rückkoppelsignal (S8);
- • Bilden des Sendesignals (S5) aus dem komplexen Rückkoppelsignal (S8);
- • Ansteuern einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) als Sender mit dem Sendesignal (S5);
- • Aussenden einer Pumpstrahlung (LB) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) in Abhängigkeit von dem Sendesignal (S5);
- • Verwendung des Filterausgangssignals (S4) zur Bildung des Sensorausgangssignals (out), wobei das Sensorausgangssignal (out)im Sinne dieses Merkmals gleich dem Filterausgangssignal (S4) sein kann.
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Figur 5
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5 entspricht einem erweiterten System der 2. 3 und 4 lassen sich in analoger Weise erweitern. Auch 5 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 und/oder Integrator (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 und/oder Integrator (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 und/oder Integrator (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 und/oder Integrator (TP') die gleichen Eigenschaften hat, wie der Filter und/oder Integrator (TP). Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) wandelt das Sendesignal (S5) wieder in eine modulierte Pumpstrahlung (LB), die direkt oder wie zuvor beschrieben indirekt auf das Sensorelement trifft. Dort regt diese reflektierte Pumpstrahlung (LB) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zu Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das erste Filter (F1) lässt die Fluoreszenzstrahlung (FL) aufgrund ihrer Fluoreszenzwellenlänge passieren, während es die modulierte Pumpstrahlung (LB) nicht passieren lässt. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) ist korreliert, aber typischerweise definiert phasenverschoben zur Pumpstrahlung (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.
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Erster Synchrondemodulator
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Ein erster Multiplizierer (M1) multipliziert das reduzierte Empfangssignal (S1) mit dem Sendesignal (S5) und bildet so das Filtereingangssignal (S3). In dem Filter und/oder Integrator (TP) wird der Gleichanteil des Filtereingangssignals durchgelassen. Es ergibt sich das Filterausgangssignal (S4) als Ausgangssignal des Filters und/oder Integrators (TP). Formal bildet der erste Multiplizierer (M1) und der Filter und/oder Integrator (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 Filters und/oder Integrators (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.
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Zweiter Synchrondemodulator
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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 Filter und/oder Integrator (TP') wird der Gleichanteil des zusätzlichen Filtereingangssignals (S3') durchgelassen. Es ergibt sich das zusätzliche Filterausgangssignal (S4') als Ausgangssignal des zusätzlichen Filters und/oder Integrators (TP'). Formal bildet der zusätzlich erste Multiplizierer (M1') und der zusätzliche Filter und/oder Integrator (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 Filters und/oder Integrators (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 Pumpstrahlung (LB) von der Pumpstrahlungsquelle (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) sowie der entsprechende erste Kleber zum Befestigen des ersten Filters (F1) entfallen kann, was die Kosten des Systems weiter signifikant senkt.
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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 Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB). Ein paramagnetisches Zentrum (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements erzeugt eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) die von der modulierten Pumpstrahlung (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 Pumpstrahlung (LB) zeitlich phasenverschoben. Das paramagnetisches Zentrum (NV1) in dem Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements leuchtet also nach der Anregung durch die modulierte Pumpstrahlung (LB) nach und gibt auch dann noch modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) ab, wenn keine modulierte Pumpstrahlung (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 Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) nicht stattfindet. Das entsprechende Maß ist jeweils der Wert des zusätzlichen Sensorausgangssignals (out')
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Ein zweiter Addierer (A2) summiert das Rückkoppelsignal (S6) und das zusätzliche Rückkoppelsignal (S6') zum komplexen Rückkoppelsignal (S8) wodurch der Regelkreis geschlossen wird. Die Vorzeichen und die Verstärkung der Filter und/oder Integrator (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.
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Figur 6
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6 zeigt ein System der 2 ohne den ersten Filter (F1) und ohne den ersten Kleber. Es entspricht von seiner Grundstruktur her einem System nach 5.
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Bei dem System der 6 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 Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), insbesondere eine LED oder einen Laser, umfasst. Die von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) zu ersten Zeiten emittierte Pumpstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL). Diese ist phasenverschoben gegenüber der Pumpstrahlung (LB). Das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System umfasst daher Mittel (PD1, A1, M1, TP, M2, A2, G, M1', TP', M2'), beispielsweise die der 5, die zu zweiten Zeiten, die von den ersten Zeiten verschieden sind, die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum (NV1) erfassen. Beispielsweise kann die Pumpstrahlung (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 oder Lasern als Pumpstrahlungsquelle (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 Pumpstrahlung (LB) ausgesendet wird. Da der zeitliche Verlauf des Nachleuchtens der paramagnetischen Zentren (NV1) bekannt und damit die Phasenverschiebung vorbestimmt ist, hängt dieser Wert, der durch das zusätzliche Sensorausgangssignal (out') repräsentiert wird, dann von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum (NV1) und damit 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.
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Figur 7
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Durch eine Richtungsverstimmung der Kristallrichtung des Sensorelements, also beispielsweise eines Diamantkristalls mit NV-Zentren als paramagnetische Zentren, gegenüber der Richtung der magnetischen Flussdichte B (De-Kalibrierung) wird eine schlechte Quantenzahl zugrunde gelegt, die zu einer Mischung der Quantenzustände und damit zu einer Abnahme der Intensität der Fluoreszenzstrahlung (
FL) führt. Es wird ein zusätzliches Magnetfeld angelegt, das nicht in Richtung der ersten Richtung der Kristallachse zeigt. Bei Gleichausrichtung der magnetischen Flussdichte zu bestimmten Kristallachsen treten Resonanzen auf. In diesem Zusammenhang sei auf die zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2018 127 394.0 , deren Offenbarungsgehalt vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung ist Resonanzpunkte (Peaks) sind nur bei Ausrichtung der Magnetfeldrichtung zur Kristallachse erkennbar.
7 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
7 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.
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Eine Nichtausrichtung der ersten Richtung gegenüber der zweiten Richtung lässt sich daran erkennen, dass im Wesentlichen 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.
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Durch das Vermeiden der Resonanzfälle ergibt sich somit die in wesentlichen Bereichen monoton fallende Kurve der 7, die dann in diesen Bereichen auch bijektiv und damit kalibrierbar ist. Erst dann wird es möglich, in einer Massenproduktion ein Messsystem zu produzieren.
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Figur 8
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28a zeigt wieder den sich ergebenden Verlauf der Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bei Dekalibrierung der Ausrichtung. Die Figur entspricht der 7. Erst dann ist eine beliebige Ausrichtung des Magnetfeldes möglich. Wie leicht in der 8 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.
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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.
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Durch das Vermeiden der Resonanzfälle ergibt sich somit die in weiten Bereichen monoton fallende Kurve der 8a, die dann auch bijektiv und damit kalibrierbar ist. Erst dann wird es möglich in einer Massenproduktion ein Messsystem zu produzieren.
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Eine Differentiation der Kurve der 8a nach der magnetischen Flussdichte B ergibt in Etwa die Kurve der 8b. Der optimale Arbeitspunkt mit der größten Empfindlichkeit wird deutlich erkennbar.
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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.
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Figur 9
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9 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.
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Figur 10
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10 zeigt das hier beanspruchte grundlegende Sensorsystem, dass dann in den folgenden Figuren weiter verfeinert wird. Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) emittiert Pumpstrahlung (LB) in Abhängigkeit von einem Sendesignal (S5). Die Pumpstrahlung (LB) trifft auf das paramagnetische Zentrum (NV1) innerhalb des Sensorelements. Das paramagnetische Zentrum (NV1) wird in Abhängigkeit von der Intensität der Pumpstrahlung (LB) und dem Betrag des magnetischen Feldes B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) veranlasst.
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Dabei weist die Fluoreszenzstrahlung (FL) typischerweise eine Fluoreszenzwellenlänge auf die von der Pumpwellenlänge der Pumpstrahlung (LB) abweicht. Bevorzugt handelt es sich bei dem paramagnetischen Zentrum (NV1) um ein NV-Zentrum in Diamant. Ein Sensorelement kann ein solcher Diamant sein. Es kann sich aber auch um mehrere Diamanten und/oder Diamantpulver und/oder Nanodiamanten handeln. Bevorzugt umfasst das Sensorelement mehrere paramagnetische Zentren. Bevorzugt liegen die paramagnetischen Zentren in einer besonders hohen Dichte vor.
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Ein erster Filter (F1) ist bevorzugt für die Fluoreszenzstrahlung (FL) in dem Maße transparent, dass seine Absorptionswirkung bezogen auf die Fluoreszenzstrahlung (FL) hinsichtlich der zu erzielenden technischen Wirkung vernachlässigt werden kann.
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Ein erster Filter (F1) ist bevorzugt für die Pumpstrahlung (LB) in dem Maße nicht transparent, dass seine Transmissionswirkung bezogen auf die Pumpstrahlung (LB) hinsichtlich der zu erzielenden technischen Wirkung vernachlässigt werden kann.
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Somit erreicht im Wesentlichen nur noch Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1). Dieser wandelt die Amplitudenmodulation der Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) in ein Empfangssignal (S0) um. In einem ersten Multiplizierer (M1) wird das Empfangssignal (M1) mit dem Sendesignal (S5) oder einem aus dem Sendesignal (S5) beispielsweise durch Verzögerung abgeleiteten Signal zum Filtereingangssignal (S3) gemischt. Ein Filter, der bevorzugt ein Filter und/oder Integrator (TP) ist, filtert das Filtereingangssignal zur einem Filterausgangssignal (S4).
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Der Signalgenerator (G) erzeugt das Sendesignal (S5). Beim Sendesignal (S5) kann es sich beispielsweise um ein PWM-Signal mit 50% Taktverhältnis (englisch: Duty-Cycle) handeln. Das Sendesignal (S5) besitzt typischerweise einen Gleichsignalanteil, der aber auch 0 sein kann. Das Sendesignal (S5) besitzt eine Sendesignalperiode. Bevorzugt am Ende der Sendesignalperiode vor dem Auftreten einer Flanke des Sendesignals (S5) erzeugt der Signalgenerator (G) ein Trigger-Signal (STR). Das Trigger-Signal (STR) weist bevorzugt einen ersten Signalzustand und einen zweiten Signalzustand auf. Das Trigger-Signal befindet sich während einer Sendesignalperiode im ersten Signalzustand. Nur am Ende der Sendesignalperiode des Sendesignals (S5) bringt der Signalgenerator (G) das Trigger-Signal (STR) in den zweiten Signalzustand.
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Die Halteschaltung (S&H) (englisch Sample&Hold) speichert den während der Phase des sich im zweiten Signalzustand befindenden Trigger-Signals (STR) zuletzt anliegenden Wert des Filterausgangssignals (S4) für die Dauer des anliegenden ersten Signalszustands des Trigger-Signals (STR). Erst mit dem Übergang des Trigger-Signals (STR) vom ersten Signalzustand in den zweiten Signalzustand wird typischerweise die Halteschaltung (S&H) transparent und das Sensorausgangssignal (out) folgt in dieser Phase eines im zweiten Signalzustand befindlichen Trigger-Signals (STR) dem Filterausgangssignal (S4). Mit dem Übergang des Trigger-Signals (STR) vom zweiten Signalzustand in den ersten Signalzustand friert die Halteschaltung (S&H) den Pegel des Sensorausgangssignals (out) ein, bis wieder ein Übergang vom ersten Signalzustand in den zweiten Signalzustand des Trigger-Signals (STR) eintritt. Hierdurch wird die Chopperfrequenz des Sendesignals (S5) massiv unterdrückt. Diese Unterdrückung kann bis zu 60dB betragen. Ohne diese Halteschaltung, wäre somit ein Filter 10-ter Ordnung als Filter und/oder Integrator (TP) notwendig, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Die Unterdrückung ist umso stärker je kürzer die zeitliche Dauer der Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) relativ zur Sendesignalperiode ist. Bevorzugt befindet sich die Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) am Ende oder fast am Ende einer Sendesignalperiode. Diese zeitliche Platzierung der Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) am Ende oder fast am Ende einer Sendesignalperiode hat den Vorteil, dass eine unvermeidliche Tiefpass-Charakteristik der Pumpstrahlungsquelle (PL1), des paramagnetischen Zentrums (NV1) und des Empfängers (PD1) und ggf. weiterer im Signalpfad befindlichen Elemente sich zum Ende einer Sendesignalperiode geringer auswirkt. Ist der Filter und/oder Integrator (TP) ein Integrator, so sorgt die Halteschaltung dafür, dass aus dem unbestimmten Integral, das der Integrator bildet, ein bestimmtes Integral wird, wobei bei einer zeitlichen Platzierung der Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) am Ende oder fast am Ende einer Sendesignalperiode die Integration dann von 0 bis 2π über eine Sendesignalperiode läuft. Es kann beispielsweise leicht nachgerechnet werden, dass das Integral von sin(ω)cos(ω) nur dann verschwindet, wenn immer nur über eine ganze Periode integriert wird. Der Fehler, der ansonsten auftritt, führt zu einem massiv verringerten Störabstand und einem Verlust von bis zu 60dB Auflösung.
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Figur 11
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11 entspricht der 2. Die 2 ist um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR) ergänzt. Die 11 entspricht auch der 10. Die 10 ist um den zweiten Multiplizierer (M2) ergänzt. Der zweite Multiplizierer (M2) mischt das Sensorausgangssignal (out) mit dem Sendesignal (S5) zum Rückkoppelsignal (S6). Das Rückkoppelsignal ist wird dabei bevorzugt komplementär zum Sendesignal (S5) gebildet. Dies kann durch Hinzunahme der Multiplikation mit einem geeigneten Vorzeichen und einem geeigneten Offset geschehen, was zur Vereinfachung nicht eingezeichnet ist. Das Rückkoppelsignal (S6) wird in dem ersten Addierer (A1) vom dem Empfangssignal (S0) abgezogen. Der erste Addierer (A1) bildet so das reduzierte Empfangssignal (S1), dass als Eingangssignal für den ersten Multiplizierer (M1) anstelle des Empfangssignals (S0) in 10 nun verwendet wird. Durch die komplementräre Gestaltung des Rückkoppelsignals (S6) ergibt sich im eingeschwungenen Zustand der Regelung bevorzugt im Wesentlichen ein Gleichsignal als reduziertes Empfangssignal (S1). Die Störungen durch die besagten Tiefpasseigenschaften der Pumpstrahlungsquelle (PL1), des Empfängers (PD1) und des paramagnetischen Zentrums können bei dieser Betrachtung zunächst vernachlässigt werden.
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Figur 12
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In analoger Weise zeigt 12 das System der 3 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).
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Figur 13
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In analoger Weise zeigt 13 das System der 4 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).
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Figur 14
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In analoger Weise zeigt 14 das System der 5 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).
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Figur 15
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In analoger Weise zeigt 15 das System der 6 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).
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Figur 16
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In analoger Weise zeigt 16 das System der 9 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).
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Bezugszeichenliste
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- A1
- erster Addierer;
- A2
- zweiter Addierer;
- BA1
- erste Barriere;
- BA2
- zweite Barriere;
- F1
- erster Filter. Der erste Filter ist transparent für die Fluoreszenzstrahlung (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
- Fluoreszenzstrahlung 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) und/oder an der Pumpstrahlungsquelle (PL1) befestigt ist. Das Befestigungsmittel ist vorzugsweise transparent für Fluoreszenzstrahlung (FL) 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 Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1).
- 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 bestromt.
- LB
- Pumpstrahlung;
- M1
- erster Multiplizierer;
- M1'
- zusätzlicher erster Multiplizierer;
- M2
- zweiter Multiplizierer;
- M2'
- zusätzlicher zweiter Multiplizierer;
- NV1
- paramagnetisches Zentrum im Material des Sensorelements. Die paramagnetischen Zentren strahlen bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) Fluoreszenzstrahlung (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 der Fluoreszenzstrahlung (FL) vom magnetischen Fluss B 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. Es kann sich auch um mehrere Kristalle mit mehreren paramagnetischen Zentren, also beispielsweise um mehrere Diamantkristalle mit mehreren NV-Zentren und/oder anderen geeigneten Störstellen, handeln;
- OF
- Anpassschaltung;
- out
- Sensorausgangssignal;
- out'
- zusätzliches Sensorausgangssignal;
- PD1
- Empfänger. Der Empfänger ist für das Fluoreszenzstrahlung (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 APD (avalanche photo diode) oder eine SPAD (single photo avalanche diode) etc. handeln;
- PL1
- Pumpstrahlungsquelle. Es handelt sich bevorzugt um eine LED. Es kann sich aus um eine andere geeignete Strahlungsquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode oder eine andere geeignete Lichtquelle. Die Pumpstrahlungsquelle strahlt Pumpstrahlung (LB) aus, die die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Abstrahlung von Fluoreszenzstrahlung (FL) anregt;
- PLK
- Kompensationsstrahlungsquelle. Die Kompensationsstrahlungsquelle kann auch eine LED oder eine Laserdiode oder eine andere geeignete Lichtquelle sein;
- S0
- Empfangssignal;
- S1
- 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;
- STR
- Trigger-Signal;
- S&H
- Halteschaltung (englisch Sample & Hold-Schaltung);
- S&H'
- zusätzliche Halteschaltung (englisch Sample & Hold-Schaltung);
- TP
- Filter, insbesondere ein Tiefpassfilter und/oder Integrator;
- TP'
- zusätzlicher Filter, insbesondere ein zusätzlicher Tiefpassfilter und/oder zusätzlicher Integrator;
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Liste der zitierten Schriften
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019120076 [0001]
- DE 102019121137 [0002]
- DE 102018127394 [0009, 0040, 0061]
- DE 102017122365 B3 [0061]
- DE 102019114032 [0061]
- EP 1490772 B1 [0061]
