DE102020204729A1

DE102020204729A1 - Verfahren zum Herstellen zumindest einer Vorstufe einer Sensorvorrichtung und Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung

Info

Publication number: DE102020204729A1
Application number: DE102020204729.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kugler; Andreas Brenneis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen zumindest einer Vorstufe einer Sensorvorrichtung (900) zur Magnetfeldmessung, die dazu eingerichtet ist, einen Kristallkörper (100) mit Farbzentren mittels Lichts (210) und mittels Mikrowellen anzuregen und von dem Kristallkörper (100) ausgestrahltes Fluoreszenzlicht (220) zu erfassen, wobei ein Glassubstrat (901), insbesondere in Dünnschichttechnologie, hergestellt wird, in dem optische Strukturen (910, 920, 921) eingebracht und/oder auf dem optische Strukturen aufgebracht werden, die zum Leiten des Lichts (210) und/oder des Fluoreszenzlichts (220) ausgebildet sind, sowie eine solche Sensorvorrichtung (900).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen zumindest einer Vorstufe einer Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung mit einem Kristallkörper mit Farbzentren, sowie eine solche Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung
Stand der Technik
Farbzentren wie beispielsweise Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem Kristallkörper, insbesondere in einem Diamant bzw. Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV steht dabei für „Nitrogen Vacancy“) bezeichnet, können beispielsweise auf dem Gebiet der Sensorik eingesetzt werden. Durch Anregung solcher NV-Zentren mit Licht, insbesondere grünem Licht, und Mikrowellenstrahlung kann eine magnetfeldabhängige Fluoreszenz derselben beobachtet werden. Andere Beispiele derartiger Farbzentren sind Defektzentren in SiC oder SiV in Diamant.
Das negativ geladene NV-Zentrum in Diamant kann generell zur hochempfindlichen Messung von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperatur genutzt werden. Derartige Quantentechnologien bieten gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den NV-Zentren bestehen konkret die Vorteile einer ultrahohen Empfindlichkeit (mitunter < 1 pT/√Hz), einer Vektormagnetometrie (d.h. einer Richtungsbestimmung des Magnetfelds), eines hohen Messbereichs (> 1 T), einer Linearität (über den Zeemaneffekt) sowie das Fehlen einer 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 orts- und zeitunabhängige Konstante ist).
Um einen auf NV-Zentren basierenden Sensor auszulesen, kann die magnetische Resonanz des Triplets des Grundzustands optisch detektiert werden (ODMR, optically detected magnetic resonance). Dazu kann das NV-Zentrum mit grünem Licht angeregt werden. Das rot-verschobene Fluoreszenzlicht zeigt dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der ElektronenspinResonanz. Die Lage ist auf Grund des Zeeman-Effekts linear abhängig vom magnetischen Feld. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Herstellen zumindest einer Vorstufe einer Sensorvorrichtung sowie eine solche Sensorvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung bzw. zumindest einer Vorstufe einer solchen Sensorvorrichtung. Unter einer Vorstufe ist hierbei insbesondere ein Zwischenprodukt während der Herstellung der Sensorvorrichtung zu verstehen, das dann auch später Teil der Sensorvorrichtung ist oder Teile umfasst, die später Teil der Sensorvorrichtung sein sollen. Insbesondere kann das Verfahren in einer Weiterbildung daher auch die Herstellung einer Sensorvorrichtung insgesamt betreffen.
Die betreffende Sensorvorrichtung ist dazu eingerichtet, einen Kristallkörper mit Farbzentren mittels Lichts (z.B. sichtbaren oder ggf. auch infraroten Lichts) und mittels Mikrowellen anzuregen und von dem Kristallkörper ausgestrahltes Fluoreszenzlicht zu erfassen. Hierfür kann insbesondere ein Detektor zum Erfassen von von dem Kristallkörper ausgehendem Fluoreszenzlicht vorgesehen sein. Zum Erzeugen des Lichts kann eine geeignete Lichterzeugungseinrichtung vorgesehen sein, wobei sich zum optischen Anregen der NV-Zentren insbesondere Laserlichtquellen eigenen, die auf den NV-dotierten Diamanten fokussiert werden. Zum Erzeugen der Mikrowellen kann eine geeignete Hochfrequenzeinrichtung vorgesehen sein.
Als Kristallkörper mit Farbzentren kommt dabei insbesondere ein Diamant bzw. Diamantgitter mit den bereits erwähnten sog. NV-Zentren (Stickstoff-Fehlstellen) in Betracht. Auch wenn hier und nachfolgend insbesondere von Stickstoff-Fehlstellen bzw. NV-Zentren in Diamant als Kristallkörper die Rede ist, so sind diese Erläuterungen nur beispielhaft und gelten entsprechend für andere Arten von Farbzentren in Kristallkörpern.
Ein relevanter Aspekt solcher Sensorvorrichtungen bei deren Herstellung ist eine mögliche Herstellung im industriellen Maßstab, was letztlich Auswirkungen auf die Kosten hat.
Bei sog. faserbasierten Ansätzen wird ein Diamant, der NV-Zentren beinhaltet, auf die Spitze eine Faser geklebt. Die Faser dient dabei zum Anregen des Diamanten mit grünem Licht, z.B. 532 nm. Außerdem kann über die Faser das Fluoreszenzlicht eingesammelt werden. Außerdem gibt es Ansätze in Richtung einer sog. CMOS-Integration. Hierbei kann mit Siliziumtechnologie ein Teil der benötigten Komponenten integriert werden. Dazu gehören eine Mikrowellenquelle (also die Hochfrequenzeinrichtung), Zuleitungen für die Mikrowellen zum Diamant und deren Kopplung an den Diamanten mit einem Resonator bzw. einer Anordnung mit mehreren Windungen, eine Photodiode als Detektor und ein Transimpedanzwandler zur Photodiode, sowie ein Farbfilter, der Fluoreszenzlicht in Richtung der Photodiode transmittieren soll und Anregungslicht blocken soll. Nicht integriert wird hierbei die Lichtquelle (Laser). Der Diamant kann dabei auf den CMOS-Chip aufgelegt sein. Eine effiziente Herstellung ist hiermit allerdings eher problematisch.
Im Rahmen der Erfindung wird nun vorgeschlagen, dass ein Glassubstrat, insbesondere in Dünnschichttechnik, hergestellt wird, in dem optische Strukturen eingebracht und/oder auf dem optische Strukturen aufgebracht werden, die zum Leiten des Lichts und/oder des Fluoreszenzlichts ausgebildet sind. Solche optischen Strukturen können z.B. Lichtwellenleiter, Spiegel (bzw. reflektierende Flächen) und dergleichen umfassen, die z.B. durch geeignete mechanische Bearbeitung des Glassubstrats erhalten werden. Bevorzugt ist dabei zudem, wenn in dem Glassubstrat metallische Strukturen eingebracht und/oder auf dem Glassubstrat metallische Strukturen aufgebracht werden, die zum Leiten von Mikrowellensignalen ausgebildet sind. Hierzu können z.B. geeignete Leiterstrukturen auf das Glassubstrat aufgetragen werden.
Außerdem können weitere metallische Strukturen bzw. Leiterstrukturen für z.B. das Erzeugen eines statischen Magnetfeldes und auch zur ggf. nötigen Energieversorgung von Komponenten vorgesehen werden. Zudem ist es zweckmäßig, wenn das Glassubstrat auf eine Leiterplatte (sog. „Printed Circuit Board“, PCB) aufgebracht oder in eine Leiterplatte integriert wird. Alternativ oder zusätzlich können elektrische Schnittstellen auf dem Glassubstrat mit der Leiterplatte elektrisch verbunden werden, z.B. mittels sog. Ballbonds, Kleb- oder galvanisch hergestellten Kontakten.
Auf diese Weise wird ein Integrationskonzept für Quantensensoren, und zwar insbesondere solche mit Farb- bzw. NV-Zentren in Diamant als Magnetometer, bereitgestellt. Hiermit kann neben einer ausreichend guten Leistungsfähigkeit auch eine Industrialisierung der Technologie erreicht werden.
Außerdem hat es sich hierbei als vorteilhaft erwiesen, dass ein solches Glassubstrat eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist. Dies kann dazu genutzt werden, den sensitiven Bereich des Sensors (also insbesondere den Diamant) gegenüber möglichen Wärmequellen (z.B. Abwärme des Lasers und eines Lasertreibers) thermisch zu isolieren. Der Laser bzw. die Lichterzeugungseinrichtung selbst können wiederum derart auf metallischen Strukturen befestigt werden, dass die dort erzeugte Wärme über diese abgeleitet werden kann. Allgemein können also Wärme erzeugende Komponenten wie die Lichterzeugungseinrichtung derart auf metallischen Strukturen angeordnet werden, dass die Wärme (zumindest zu einem wesentlichen Teil) über die metallischen Strukturen ableitbar ist, während das Glassubstrat als thermisch isolierendes Element dient bzw. verwendet wird. Damit wird ein sichererer Betrieb der Sensorvorrichtung erreicht, insbesondere auch hinsichtlich eines Thermo-Managements.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Kristallkörper derart in Relation zu dem Glassubstrat angeordnet wird, dass das Licht über die optischen Strukturen zu dem Kristallkörper hin leitbar ist, und/oder dass das Fluoreszenzlicht über die optischen Strukturen von dem Kristallkörper weg leitbar ist. Hierzu wird der Kristallkörper insbesondere auf dem Glassubstrat aufgebracht, ggf. mittels geeigneter Verbindungsmittel befestigt.
Vorzugsweise wird auch ein Detektor zum Erfassen von von dem Kristallkörper ausgestrahltem Fluoreszenzlicht, z.B. eine Photodiode, derart in Relation zu dem Glassubstrat angeordnet, dass das Fluoreszenzlicht über die optischen Strukturen zu dem Detektor hin leitbar ist. Hierzu wird der Detektor insbesondere auf dem Glassubstrat aufgebracht, ggf. mittels geeigneter Verbindungsmittel befestigt.
Je nach Situation können der Kristallkörper und der Detektor separat angeordnet, insbesondere auf dem Glassubstrat aufgebracht werden. Denkbar ist aber auch, dass beide zunächst im Sinne eines Empfängermoduls kombiniert werden, z.B. in einer Weise vergleichbar der sog. eWLB-Technologie (eWLB steht hierbei für „Embedded Wafer Level Ball Grid Array“ und ist eine Gehäusebauform für integrierte Schaltungen, bei der die Gehäuseanschlüsse auf einem aus Chips und Vergussmasse künstlich hergestellten Wafer erzeugt werden), aber mit optischer Vergussmasse bzw. optischen Vergussmaterialien.
Ebenso wird vorteilhafterweise eine Lichterzeugungseinrichtung, insbesondere ein Laser mit ggf. einem (Laser-)Treiber, zum Erzeugen von Licht zur Anregung des Kristallkörpers derart in Relation zu dem Glassubstrat angeordnet, dass das Licht über die optischen Strukturen von der Lichterzeugungseinrichtung weg leitbar ist, zweckmäßigerweise dann hin zum Kristallkörper. Hierzu wird die Lichterzeugungseinrichtung, ggf. auch nur ein Teil davon wie z.B. der Laser selbst, bevorzugt auf dem Glassubstrat aufgebracht. Denkbar ist aber auch, dass die Lichterzeugungseinrichtung oder Teile davon, z.B. der Laser-Treiber, nicht oder nicht direkt auf dem Glassubstrat aufgebracht werden, sondern z.B. auf der schon erwähnten Leiterplatte. Zur Anbindung können dann die schon erwähnten elektrischen Schnittstellen bzw. die weiteren metallischen Strukturen verwendet werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Kristallkörper derart in Relation zu dem Glassubstrat angeordnet wird, dass die Mikrowellen über die metallischen Strukturen zu dem Kristallkörper hin leitbar sind. Hierzu wird der Kristallkörper insbesondere auf dem Glassubstrat aufgebracht. Zudem ist es zweckmäßig, wenn eine Hochfrequenzeinrichtung zum Erzeugen von Mikrowellen zur Anregung des Kristallkörpers derart in Relation zu dem Glassubstrat angeordnet, insbesondere auf dem Glassubstrat aufgebracht, wird, dass Mikrowellensignale über die metallischen Strukturen von der Hochfrequenzeinrichtung weg leitbar sind. Die Hochfrequenzeinrichtung (z.B. umfassend eine Mikrowellenquelle bzw. einen elektrischen Frequenzgenerator) muss aber nicht (direkt) auf dem Glassubstrat aufgebracht werden, sondern kann auch auf der erwähnten Leiterplatte vorgesehen werden, ebenso wie dies vorstehend für die Lichterzeugungseinrichtung erläutert wurde.
Alle auf dem Glassubstrat aufgebrachten Komponenten, ggf. aber auch nur einige davon, können - sei es nach dem Aufbringen der betreffenden Komponente oder auch nach Aufbringen mehrerer Komponenten - z.B. mit einer geeigneten, optischen Vergussmasse oder dergleichen vergossen werden.
Die Reihenfolge der Montage - sei es der einzelnen Komponenten auf dem Glassubstrat bzw. auf der Leiterplatte oder die Montage des Glassubstrats (mit ggf. schon darauf angebrachten Komponenten) auf bzw. in der Leiterplatte - ist dabei nicht zwingend vorgegeben, sondern kann je nach Bedarf und Situation gewählt werden. Dabei sollte natürlich sichergestellt werden, dass sämtliche Komponenten ordnungsgemäß aufgebracht und angeschlossen werden.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung, mit einem Kristallkörper mit Farbzentren, einer Lichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Licht zur Anregung des Kristallkörpers, einer Hochfrequenzeinrichtung zum Erzeugen von Mikrowellensignalen zur Anregung des Kristallkörpers, und einem Detektor zum Erfassen von von dem Kristallkörper ausgestrahltem Fluoreszenzlicht. Zudem weist die Sensorvorrichtung ein Glassubstrat auf, in dem optische Strukturen eingebracht und/oder auf dem optische Strukturen aufgebracht sind, die zum Leiten des Lichts und/oder des Fluoreszenzlichts ausgebildet sind. Zweckmäßigerweise sind in dem Glassubstrat auch metallische Strukturen eingebracht und/oder es sind auf dem Glassubstrat metallische Strukturen aufgebracht, die zum Leiten der Mikrowellensignale ausgebildet sind. Besonders bevorzugt ist die Sensorvorrichtung dabei gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
Für weitere bevorzugte Ausgestaltungen sowie Vorteile der Sensorvorrichtung sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen zum Verfahren verwiesen, die hier entsprechend gelten. Dies gilt insbesondere für die Anordnung der verschiedenen Komponenten zueinander.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch einen Kristallkörper mit einem Defekt, wie er im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung verwendet werden kann.
2 bis 7 zeigen Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften von Kristallkörpern mit Defekten.
8 zeigt schematisch die Funktionsweise einer Sensorvorrichtung, wie sie im Rahmen der Erfindung verwendet bzw. hergestellt wird.
9 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
10 zeigt schematisch die Sensorvorrichtung aus 9 in einer anderen Ansicht.
11 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Kristallkörper 100 mit einem als Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (Nitrogen-Vacancy-Zentrum bzw. NV-Zentrum) ausgebildeten Defekt bzw. Farbzentrum, wie er im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung verwendet werden kann, dargestellt. Bei dem Kristallkörper 100 handelt es sich beispielhaft um einen Diamanten bzw. ein Diamantgitter, welcher idealerweise nur Kohlenstoffatome aufweist. Bei einem solchen NV-Zentrum sind nun jedoch ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom (N) 110 und ein nächster Nachbar durch eine Fehlstelle (V) 105 ersetzt. Zusammen bilden diese beiden Positionen im Diamantgitter den Defekt bzw. ein Farbzentrum - das NV-Zentrum. Es versteht sich, dass ein solcher Kristallkörper 100 weitere solche NV-Zentren aufweisen kann.
In den 2 bis 7 sind nun Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften von Kristallkörpern, wie beispielhaft in Bezug auf 1 beschrieben und im Rahmen der Erfindung verwendet, dargestellt.
In 2 ist hierzu ein Energieschema 200 ohne Hochfrequenzsignalanregung bzw. ohne Mikrowellenanregung (das zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes dient) und ohne Magnetfeldanregung gezeigt, wobei Anregungslicht 210, ein Fluoreszenzsignal bzw. Fluoreszenzlicht 220 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige von Elektronen besetzbare Energieniveaus ms=0 und ms=±1 für die Zustände ³A und ³E dargestellt sind.
In 3 ist ein Diagramm 300 zu dem Energieschema aus 2 dargestellt, und zeigt die optische Detektion der magnetischen Resonanz (ODMR-Spektrum). In dem Diagramm 300 ist an der Abszissenachse 302 beispielhaft eine Mikrowellenfrequenz, beispielsweise in Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz), aufgetragen. An der Ordinatenachse 304 ist eine Fluoreszenz in beliebigen Einheiten aufgetragen, wobei ein zur Ordinatenachse 304 paralleler Pfeil 306 ein ansteigendes (statisches) Magnetfeld B symbolisiert.
Ferner sind in 3 beispielhaft vier Kennlinien bzw. Graphen 310, 312, 314 und 316 dargestellt, die einen Fluoreszenzverlauf für unterschiedlich starke Magnetfelder repräsentieren. Ein erster Graph 310 repräsentiert ein Magnetfeld mit der Stärke 0, d.h. B=0, ein zweiter Graph 312 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld der Stärke 2,8 mT, ein dritter Graph 314 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld der Stärke 5,8 mT, und ein vierter Graph 360 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld der Stärke 8,3 mT.
Minima einer Fluoreszenz sind lediglich beispielhaft für den zweiten Graphen 312 mit ω₁ und ω₂ bezeichnet. Eine Markierung 320 auf dem ersten Graphen 310 repräsentiert den Sachverhalt aus dem Energieschema gemäß 2, d.h. ohne Magnetfeld (B=0) und ohne Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz, die von 2,9 GHz verschieden ist (d.h. f ≠ 2,9 GHz). Hierbei entspricht f=2,9 GHz in etwa der Frequenz des sog. „Zero field splitting“. Bei dieser Frequenz kann ohne äußeres Magnetfeld (B=0), die Spinresonanz angeregt werden. Die mit ansteigendem Magnetfeld aufgeteilten Minima der Kennlinien bzw. die Zunahme des Frequenzabstandes dieser Minima liegt in der mit zunehmendem Magnetfeld weiteren Aufspaltung der Energieniveaus ms=±1, wie oben erwähnt, begründet.
In 4 ist ein Energieschema 400 mit zusätzlicher Mikrowellenanregung (und damit hervorgerufenem magnetischem Wechselfeld) und ohne Anregung mit statischem Magnetfeld dargestellt, wobei Anregungslicht 210, eine Mikrowellenstrahlung bzw. Mikrowellen 430 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige Energieniveaus ms=0 und ms=±1 für die Zustände ³A und ³E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind.
In 5 ist ein Diagramm 500 zu dem Energieschema aus 4 gezeigt. Das Diagramm 500 in 5 entspricht hierbei dem Diagramm aus 3, mit dem Unterschied, dass eine Markierung 520 auf dem ersten Graphen 310 den Sachverhalt aus dem Energieschema von 4 repräsentiert, d.h. ohne (statisches) Magnetfeld (B=0), aber (im Vergleich zu 2 und 3) mit Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz von f≈2,9 GHz.
Die Markierung 520 befindet sich hierbei in einem Bereich eines Minimums bzw. eines Fluoreszenzminimums des ersten Graphen 310. Diese Verschiebung gegenüber dem Sachverhalt gemäß 3 in das Minimum resultiert aus der erwähnten Mikrowellenanregung.
In 6 ist ein Energieschema 600 mit Mikrowellenanregung und mit Magnetfeld bzw. Anregung mit statischem Magnetfeld dargestellt, wobei Anregungslicht 210, Mikrowellenstrahlung bzw. Mikrowellen 430 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige Energieniveaus ms=0, ms=-1 und ms=+1 für die Zustände ³A und ³E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind. Durch das vorhandene Magnetfeld ist die energetische Entartung der Zustände mit den Spinquantenzahlen ms=-1 und ms=+1 aufgehoben. Dies ist im Vergleich zu 4 durch eine zusätzliche Linie bei den Zuständen ³A und ³E dargestellt.
Die Mikrowellenfrequenz kann hier f≈2,8 GHz oder f≈3,0 GHz betragen, wodurch die Elektronen im gezeigten Beispiel vom Niveau ³A, ms=0 in das Niveau ³A, ms=-1 bzw. ms=+1 gehoben werden können.
In 7 ist ein Diagramm 700 zu dem Energieschema aus 6 gezeigt. Das Diagramm 700 in 7 entspricht hierbei dem Diagramm aus 3 bzw. 5, mit dem Unterschied, dass zwei Markierungen 720 und 725 auf dem zweiten Graphen 312 den Sachverhalt aus dem Energieschema von 6 repräsentieren, d.h. mit einem (statischen) Magnetfeld (d.h. B≠0) und mit variabler Mikrowellenanregung bzw. variabler Mikrowellenfrequenz.
Die Markierungen 720 und 725 sind jeweils in einem Bereich eines Minimums bzw. Fluoreszenzminimums des zweiten Graphen 312 angeordnet. Beispielsweise ist eine erste Markierung 720 im Bereich eines ersten Minimums ω₁ angeordnet und eine zweite Markierung 725 ist im Bereich eines zweiten Minimums ω₂ angeordnet (vgl. auch 5 zur Lage dieser Minima).
Unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 sind also mit anderen Worten und zusammenfassend ausgedrückt Energieschemata und Diagramme hinsichtlich der Funktionsweise einer Magnetfeldmessung über eine Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung bzw. ein Beispiel für eine Messung von (statischen) Magnetfeldern gezeigt. Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant weisen das in dem Diagramm bzw. im Energieschema 200 gemäß 2 gezeigte ODMR-Spektrum (optisch detektierte magnetische Resonanz ODMR) bei Raumtemperatur auf.
Im Normalzustand, d.h. ohne Mikrowellenanregung und ohne (externes, statisches) Magnetfeld, zeigt eine Stickstoff-Fehlstelle bei optischer Anregung eine Fluoreszenz im roten Wellenlängenbereich bei einer Wellenlänge von ca. 630 nm bis 800 nm. Strahlt man zusätzlich zu der optischen Anregung durch das Anregungslicht 210 noch Mikrowellenstrahlung 430 ein, so kommt es bei einer Frequenz von ca. 2,88 GHz zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall zunächst durch die resonante Mikrowellenstrahlung zwischen dem Zustand ms=0 und ms=±1 des Zustandes ³A übergehen können und anschließend von dem Niveau m_s=±1 des Zustandes ³A auf das Niveau m_s=±1 des Zustandes ³E gehoben werden (durch optische Anregung) und von dort strahlungslos bzw. nicht-strahlend rekombinieren können.
Bei einem externen Magnetfeld kommt es zu einer Aufspaltung des Niveaus ms=±1 (sog. Zeeman-Splitting bzw. Zeeman-Effekt) und es zeigen sich bei Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der Mikrowellenanregung zwei Minima, beispielsweise die gezeigten Minima ω₁ und ω₂, im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke B ist. Eine Magnetfeldsensitivität wird dabei durch eine minimal auflösbare Frequenzverschiebung definiert und kann bis zu 1 pT/√Hz erreichen.
Dieses Verfahren wird auch als ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance bzw. optisch detektierte Magnetresonanz) bezeichnet. Hierbei kommt es bei einer Übereinstimmung der Mikrowellenfrequenz mit dem Energieabstand zwischen dem Zustand ³A, ms=0 und dem Niveau ms=±1 zu einem Einbruch der Fluoreszenz. Bei externem (statischem) Magnetfeld spaltet das Niveau ms=±1 auf und es existieren zwei definierte Mikrowellenfrequenzen, bei denen die Fluoreszenz abnimmt bzw. Minima vorliegen. Der Frequenzabstand ist dabei proportional zum Magnetfeld B.
In 8 ist schematisch die Funktionsweise einer Sensorvorrichtung, wie sie im Rahmen der Erfindung verwendet bzw. hergestellt wird, erläutert. Hierzu sei angemerkt, dass dabei keine Rücksicht auf die geometrischen Verhältnisse genommen wird, sondern lediglich die Funktion der einzelnen Komponenten erläutert wird.
Die Sensorvorrichtung 800 dient zur Magnetfeldmessung und weist neben einem Kristallkörper 100 mit Farbzentren, wie er- zumindest hinsichtlich seiner grundlegenden Funktion - schon in Bezug auf 1 näher erläutert wurde, eine Lichterzeugungseinrichtung 810, eine Hochfrequenzeinrichtung 820 und einen Detektor 870 auf. Die Lichterzeugungseinrichtung 810 wiederum weist eine Lichtquelle 811 wie beispielsweise einen Laser auf, mittels welcher insbesondere grünes, sichtbares Licht 210 als Anregungslicht erzeugt werden kann. Dieses Licht 210 wird dann ggf. über eine Optik oder Linse 850 auf den Kristallkörper 100 mit den Farbzentren bzw. Stickstoff-Fehlstellen gelenkt.
Die Hochfrequenzeinrichtung 820 weist eine Mikrowellenquelle 821 (z.B. Frequenzgenerator mit Antenne oder Magnetspulen oder Mikrowellenresonator oder Mikrowellenstreifenleiter) auf, um Mikrowellen 430 erzeugen zu können, die dann auf den Kristallköper 100 eingestrahlt bzw. gelenkt werden, um dort ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Von dem Kristallkörper 100 ausgestrahltes Fluoreszenzlicht 220 wird dann ggf. über eine weitere Optik oder Linse 851, einen Filter 860 sowie noch eine weitere Optik oder Linse 852 auf den Detektor 870 gelenkt. Bei dem Detektor 870 kann es sich insbesondere um einen Photodetektor handeln. Über einen Analog-Digital-Wandler 871 kann ein vom Detektor 870 erzeugtes Signal einer Signalverarbeitungseinheit 872 zugeführt werden, um so Messergebnisse 873 zu erhalten.
In 9 ist schematisch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 900 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt, bei der insbesondere auch eine konkrete, geometrische Anordnung der einzelnen Komponenten zueinander gezeigt ist und anhand welcher auch die Herstellung, wie sie im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen wird, erläutert werden soll. Während 9 eine Schnittansicht zeigt, ist in 10 eine Draufsicht hierzu dargestellt, wobei dort der Übersichtlichkeit halber nur einige der Komponenten aus 9 gezeigt sind. Beide Figuren sollen nachfolgend übergreifend beschrieben werden.
Beispielhaft ist ein Glassubstrat 901 gezeigt, das zwei Schichten, eine erste Schicht 902 und eine zweite Schicht 903 aufweist. Auf der ersten Schicht 902 sind bzw. werden optoelektronische Komponenten integriert. Die zweite Schicht 903 dient zum Leiten des Anregungslichts bzw. der Laserstrahlung 210. Diese zweite Schicht 903 weist mindestens einen Wellenleiter 910 und schräge Kanten 920, 921 auf, die zum Ein- und Auskoppeln der Laserstrahlung dienen.
Der Wellenleiter 910 sowie die schrägen Kanten 920, 921 stellen dabei optische Strukturen dar, die in das Glassubstrat 901 eingebracht oder darauf aufgebracht sind. Hierzu sei auch erwähnt, dass es grundsätzlich möglich ist, die beiden Schichten 902, 903 aus einem Glassubstrat herzustellen, indem z.B. die optischen Strukturen 910, 920, 921 durch entsprechende mechanische Bearbeitung erzeugt werden.
Ebenso können beide Schichten 902, 903 aber getrennt voneinander hergestellt werden, wobei die zweite Schicht bzw. die damit gebildeten optischen Strukturen auf die erste Schicht aufgebracht werden, insbesondere mit sog. Dünnschichttechnik. Hierzu können Schichten auf einem Substrat abgeschieden werden, also z.B. die Schicht 903 auf der Schicht 902, die dann das Substrat bildet bzw. als Substrat dient.
Auf der ersten Schicht 901 sind (von links nach rechts) die nachfolgenden Komponenten aufgebracht. Der Laser 811 dient als Lichtquelle zusammen mit einem zugehörigen Treiber bzw. Steuergerät 812. Elektrische Leitungen führen den Strom vom Treiber 812 zum Laser 811. Als Laser 811 kann z.B. ein Kantenemitter oder auch ein VCSEL (Oberflächenemitter) verwendet werden.
Die Laserstrahlung 210 wird über eine Optik, die als Linse 850 dargestellt ist (ggf. auch mehrere Linsen, um auf den Wellenleiter zu fokussieren) über ein Prisma 930 (oder ggf. auch einen Reflektor) umgelenkt. Die Strahlleitung erfolgt anschließend im Wellenleiter 910 der zweiten Schicht 903. Die Auskopplung erfolgt analog zur Einkopplung über ein Prisma 931 bzw. einen Reflektor und eine Optik 850'.
Der Laserstrahl 210 verläuft anschließend kollimiert durch den Diamanten bzw. Kristallkörper 100, der negativ geladene NV-Zentren enthält. Um den Diamanten 100 verlaufen eine Windung oder mehreren Windungen eines elektrischen Leiters bzw. einer elektrischen Leiterbahn 960 im Sinne einer metallischen Struktur, die dazu genutzt werden, um ein statisches, möglichst homogenes Magnetfeld am Ort des Diamanten 100 zu erzeugen. Ggf. sind Vias nötig, um Kreuzungen mit anderen elektrischen Leiterbahnen zu vermeiden. Rechts neben dem Diamanten 100 ist eine solche Situation dargestellt. Die Leiterbahn 960 muss entweder an einer anderen y-Koordinate als die schwarze Leiterbahn sein, oder es werden Überschneidungen durch Vias ausgeschlossen (in 10 ist nur eine Windung gezeigt).
Ein Stromtreiber 831 erzeugt z.B. das für die Funktion der Magnetfeldmessung nötige konstante magnetische Hintergrundfeld, wozu auch die schon erwähnte elektrische Leiterbahn 960 verwendet wird. Der Stromtreiber ist beispielhaft an eine elektrische Schnittstelle 970 angebunden, mit der z.B. eine Anbindung an eine Leiterplatte möglich ist, wie später noch näher erläutert.
Unterhalb des Diamanten 100 bzw. in seiner direkten Umgebung ist eine elektrische Übertragungsleitung 950 im Sinne einer metallischen Struktur für bzw. zum Leiten von Mikrowellensignalen (mit ca. 2.87 GHz) ausgeführt. Die Kopplung an den Diamanten 100 kann durch eine Schleife mit mehreren Windungen oder einen Resonator, der auch kapazitiv an die Zuleitung gekoppelt ist, erfolgen.
Außerdem ist die Zuleitung an eine Hochfrequenzeinrichtung bzw. eine Mikrowellenquelle 821 angeschlossen. Die Mikrowellenquelle erzeugt ein passtrahls Mikrowellensignal, das zu Anregung der Elektronenspinresonanz der NV-Zentren benötigt wird. Dabei wird das Signal ggf. ausreichend verstärkt. Ein solches Signal kann entweder aus einer einstellbaren Frequenz bestehen, oder ein frequenzmoduliertes Signal sein, oder ein Signal, das aus mehreren Frequenzen besteht, die idealerweise einen Frequenzabstand haben, der dem Hyperfinesplitting des NV-Zentrums entspricht (ca. 2.14 MHz (¹⁴N) bzw. 3.03 MHz (¹⁵N Stickstoffisotop). Außerdem kann das Mikrowellensignal gepulst werden.
Auf der Rückseite der ersten Schicht 902 ist ein Photodetektor 870 vorgesehen, der dazu dient, das Fluoreszenzlicht 220 einzusammeln. Durch einen Langpassfilter 875, der nur das rotverschobene Fluoreszenzlicht der NV-Zentren transmittiert und das Anregungslicht (grün) blockiert, kann sichergestellt werden, dass nur das Signal aus dem Fluoreszenzlicht 220 als Messgröße erfasst wird. Dieser Filter kann entweder durch Beschichtung des Glassubstrats bzw. der ersten Schicht 902 oder der Photodiode 870 mittels eines sog. „Distributed Bragg Reflectors“ (DBR) erfolgen, oder es kann ein diskretes Element verwendet werden, das zwischen der Photodiode und dem Glassubstrat angebracht wird.
Die Photodiode 870 ist mittels elektrischer Leitungen, die sich auf der Rückseite der ersten Schicht 902 befinden, mit einer Verstärkerschaltung 881 verbunden, die ein verstärktes Spannungssignal erzeugt, das proportional zur Fluoreszenzleistung ist.
Ein zweiter (optionaler) Photodetektor 880 kann für eine hochempfindliche Magnetfeldmessung wichtig sein, um Schwankungen der Laserintensität zu erfassen und aus dem detektierten Fluoreszenzsignal herauszurechnen. Ein Kurzpassfilter 885 blockiert den Einfall möglicher Fluoreszenzstrahlung, so dass von diesem zweiten Photodetektor 880 nur das Laserlicht 210 erfasst wird.
Die hier dargestellte optoelektronische Integration, insbesondere mittels Glasdünnschichttechnologie, kann auch auf einer PCB bzw. Leiterplatte montiert bzw. integriert werden. Es können auch nur einzelne elektrische Komponenten auf der PCB montiert werden.
In 11 ist schematisch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 1000 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist ein Glassubstrat 1001 gezeigt, das auf bzw. in einer Leiterplatte bzw. PCB 1010 aufgebracht bzw. integriert ist.
Wie vorstehend schon erwähnt, können dabei auch nur einzelne elektrische Komponenten, z.B. der Treiber 812 des Lasers oder der Stromtreiber 831, auf der PCB 1010 montiert werden und über elektrische Verbindungen (z.B. Ball bonding) mit den Leitungen bzw. elektrischen Schnittstellen auf dem Glassubstrat 1001 verbunden werden. Ggf. sind hierzu Vias im Glassubstrat nötig. Beispielhaft sind weiterhin der Diamant 100 sowie der Photodetektor 870 gezeigt, die auf dem Glassubstrat 1001 aufgebracht sind.
Durch die Verwendung eines solchen Glassubstrats kann nicht nur eine effiziente Herstellung der Sensorvorrichtung erfolgen, sondern es wird zugleich eine Wärmeübertragung von z.B. Treibern auf die Diamanten effektiv verhindert bzw. zumindest deutlich reduziert.

Claims

Verfahren zum Herstellen zumindest einer Vorstufe einer Sensorvorrichtung (900, 1000) zur Magnetfeldmessung, die dazu eingerichtet ist, einen Kristallkörper (100) mit Farbzentren mittels Lichts (210) und mittels Mikrowellen (430) anzuregen und von dem Kristallkörper (100) ausgestrahltes Fluoreszenzlicht (220) zu erfassen, wobei ein Glassubstrat (901, 1001), insbesondere in Dünnschichttechnik, hergestellt wird, in dem optische Strukturen (910, 920, 921) eingebracht und/oder auf dem optische Strukturen aufgebracht werden, die zum Leiten des Lichts (210) und/oder des Fluoreszenzlichts (220) ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kristallkörper (100) derart in Relation zu dem Glassubstrat (901, 1001) angeordnet, insbesondere auf dem Glassubstrat aufgebracht, wird, dass das Licht (210) über die optischen Strukturen (910, 920, 921) zu dem Kristallkörper (100) hin leitbar ist, und/oder, dass das Fluoreszenzlicht (220) über die optischen Strukturen von dem Kristallkörper weg leitbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Detektor (870) zum Erfassen von von dem Kristallkörper (100) ausgestrahltem Fluoreszenzlicht (220) derart in Relation zu dem Glassubstrat (901, 1001) angeordnet, insbesondere auf dem Glassubstrat aufgebracht, wird, dass das Fluoreszenzlicht über die optischen Strukturen zu dem Detektor (870) hin leitbar ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Lichterzeugungseinrichtung (810) zum Erzeugen von Licht (210) zur Anregung des Kristallkörpers (100) derart in Relation zu dem Glassubstrat (901, 1001) angeordnet, insbesondere auf dem Glassubstrat aufgebracht, wird, dass das Licht (210) über die optischen Strukturen von der Lichterzeugungseinrichtung weg leitbar ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei weiterhin in dem Glassubstrat (901, 1001) metallische Strukturen (950) eingebracht und/oder auf dem Glassubstrat metallische Strukturen aufgebracht werden, die zum Leiten von Mikrowellensignalen ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 5, in Rückbezug auf Anspruch 2, wobei der Kristallkörper (100) derart in Relation zu dem Glassubstrat (901, 1001) angeordnet, insbesondere auf dem Glassubstrat aufgebracht, wird, dass die Mikrowellensignale über die metallischen Strukturen (950) zu dem Kristallkörper (100) hin leitbar sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Hochfrequenzeinrichtung (820) zum Erzeugen von Mikrowellensignalen zur Anregung des Kristallkörpers (100) derart in Relation zu dem Glassubstrat (901, 1001) angeordnet, insbesondere auf dem Glassubstrat aufgebracht, wird, dass die Mikrowellensignale über die metallischen Strukturen (950) von der Hochfrequenzeinrichtung weg leitbar sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glassubstrat (1001) auf eine Leiterplatte (1010) aufgebracht oder in eine Leiterplatte integriert wird, und/oder wobei elektrische Schnittstellen (970) auf dem Glassubstrat (1001) mit der Leiterplatte (1010) elektrisch verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Wärme erzeugende Komponenten derart auf metallischen Strukturen angeordnet werden, dass die Wärme über die metallischen Strukturen ableitbar ist, und wobei das Glassubstrat als thermisch isolierendes Element verwendet wird.
Sensorvorrichtung (900, 1000) zur Magnetfeldmessung, mit einem Kristallkörper (100) mit Farbzentren (105, 110), einer Lichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Licht (210) zur Anregung des Kristallkörpers (100), einer Hochfrequenzeinrichtung (820) zum Erzeugen von Mikrowellen (430) zur Anregung des Kristallkörpers (100), und einem Detektor (870) zum Erfassen von von dem Kristallkörper (100) ausgestrahltem Fluoreszenzlicht (220), weiterhin mit einem Glassubstrat (901, 1001), in dem optische Strukturen (910, 920, 921) eingebracht und/oder auf dem optische Strukturen aufgebracht sind, die zum Leiten des Lichts (210) und/oder des Fluoreszenzlichts (220) ausgebildet sind.
Sensorvorrichtung (900, 1000) nach Anspruch 10, wobei in dem Glassubstrat (901, 1001) metallische Strukturen (950) eingebracht und/oder auf dem Glassubstrat metallische Strukturen aufgebracht sind, die zum Leiten von Mikrowellensignalen ausgebildet sind.
Sensorvorrichtung (900, 1000) nach Anspruch 10 oder 11, die gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.