DE102020211864A1

DE102020211864A1 - Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes

Info

Publication number: DE102020211864A1
Application number: DE102020211864.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Brenneis; Robert Roelver
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-03-24

Abstract

Es wird eine Sensoreinheit (400) zum Erfassen eines Magnetfeldes vorgeschlagen,die eine Vielzahl voneinander beabstandeter, NV-dotierter Diamantvolumina (10, 412) umfasst, wobei jedes Diamantvolumen (10, 412) mit mindestens einem negativ geladenen NV-Zentrum (14) dotiert ist, und wobei das mindestes eine NV-Zentrum (14) eine fluoreszierende Wirkung hat und somit bei Anregung Fluoreszenz emittiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes, ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes, das mit einer solchen Sensoreinheit durchgeführt wird und ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl voneinander beabstandeter, NV-dotierter Diamantvolumina einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist im Rahmen einer durch das EU-Projekt ASTERIQS (Advancing Science and TEchnology thRough diamond Quantum Sensing), Nr. 820394, öffentlich geförderten Entwicklung entstanden.
Stand der Technik
Ein Magnetfeld ist ein Vektorfeld, das den magnetischen Einfluss elektrischer Ladungen in Relativbewegungen und magnetisierten Materialien beschreibt. Magnetfelder können bspw. durch magnetische Materialien, elektrische Ströme und zeitliche Änderungen eines elektrischen Feldes verursacht werden.
Ein Magnetfeld kann mit unterschiedlichen Größen beschrieben werden. So ist die magnetische Flussdichte, die auch als magnetische Induktion bezeichnet wird, eine physikalische Größe der Elektrodynamik, die die Flächendichte des magnetischen Flusses, der senkrecht durch ein bestimmtes Flächenelement hindurchtritt, beschreibt. Die magnetische Flussdichte ist eine gerichtete Größe, d. h. ein Vektor.
Die magnetische Feldstärke H ist eine weitere Größe, die das magnetische Feld beschreibt. Diese hängt mit der magnetischen Flussdichte B über die Beziehung zusammen: $B = μ * H,$
wobei µ die magnetische Permeabilität ist.
Zum Erfassen eines Magnetfelds ist es erforderlich, eine Größe aufzunehmen, die dieses Magnetfeld beschreibt. So kann bspw. eine Messeinrichtung verwendet werden, die eine Größe des Magnetfeldes, wie bspw. die magnetische Flussdichte oder die magnetische Feldstärke, erfasst und der erfassten Größe einen Wert zuordnet. Eine solche Messeinrichtung wird bspw. als Magnetometer bezeichnet.
Ein Magnetometer ist eine sensorische Einrichtung zum Messen von magnetischen Flussdichten. Magnetische Flussdichten werden in der Einheit Tesla (T) gemessen. Gebräuchliche Magnetometer sind bspw. Hall-Sensoren, Tunnel-Magnetwiderstandssensoren (TMR) und Giant-Magnetoresistive Sensoren (GMR), Förster-Sonden, Protonenmagnetometer, Kerr-Magnetometer und Farady-Magnetometer.
Nachfolgend wird insbesondere auf die Sensoreinheit eines Magnetometers eingegangen, die die Einheit darstellt, die dazu eingerichtet ist, die Größe, die zum Beschreiben des Magnetfeldes herangezogen wird und die somit dieses Magnetfeld repräsentiert, zu erfassen.
Neben den genannten Magnetometern ist auch der Einsatz von Diamanten bekannt, in denen Gitterdefekte bzw. Fehlstellen vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von einem anliegenden Magnetfeld ein erfassbares Verhalten zeigen. So ist es bekannt, eine negativ geladene Stickstoff-Fehlstelle (engl.: nitrogen vacancy center, NV-Zentrum) in einem Diamant für hochempfindliche Messungen von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperaturen zu nutzen. Es wird in diesem Zusammenhang auf 1 verwiesen.
Die Druckschrift DE 10 2014 219 550 A1 beschreibt einen Kombinationssensor zur Messung eines Magnetfeldes, der eine sensitive Komponente mit Diamantstrukturen, die Stickstoff-Fehlstellen aufweisen, umfasst. Die sensitive Komponente kann mit Strahlung im sichtbaren Bereich angeregt werden.
Die bei solchen Anordnungen verwendeten Quantentechnologien haben gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den Stickstoff-Fehlstellen bestehen konkret folgende Vorteile:

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

Um einen auf NV-Zentren basierten Sensor auszulesen, wird die magnetische Resonanz des Triplets des Grundzustands optisch detektiert, siehe ³A Zustand in 1 (ODMR, optically detected magnetic resonance). Dazu muss das NV-Zentrum mit grünem Licht angeregt werden. Es wird hierzu auf 2 verwiesen. Das rotverschobene Fluoreszenzlicht, siehe 2, zeigt bei zusätzlicher Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes (Mikrowelle) dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz, siehe hierzu 3. Die Lage ist aufgrund des Zeemaneffekts, siehe 4, linear abhängig vom magnetischen Feld, siehe 3. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes. Bei der Sensoreinheit handelt es sich insbesondere um ein Magnetometer. Dabei umfasst die Sensoreinheit eine Vielzahl voneinander beabstandeter, NV-dotierter Diamantenvolumina, wobei jedes Diamantvolumen mit mindestens einem negativ geladenen NV-Zentrum dotiert ist, und wobei das NV-Zentrum eine fluoreszierende Wirkung hat und somit bei Anregung Fluoreszenz emittiert. Eine fluoreszierende Wirkung bedeutet, dass das NV-Zentrum auf eine Anregung, d.h. bei Einstrahlung von Anregungslicht, eine Fluoreszenz emittiert. Fluoreszenz ist die spontane Emission von Licht kurz nach der Erregung eines Materials durch Elektronenübergang. Dabei ist das emittierte Licht regelmäßig energieärmer als das zuvor absorbierte Licht (Rotverschiebung). Das aufgrund von Fluoreszenz emittierte Licht ist somit in der Regel energieärmer als das Licht, das zur Anregung verwendet wird.
Jedes Diamantvolumen kann vorzugsweise mehrere NV-Zentren aufweisen. Vorteilhafterweise kann jedes Diamantvolumen mit 0,01 bis 10 ppm, am meisten bevorzugt mit 0,1 bis 1 ppm, NV-Zentren dotiert sein.
Durch die Verwendung einer Vielzahl voneinander beabstandeter Diamantvolumina kann eine besonders kleine Sensoreinheit geschaffen werden. Ein Aspekt, der bei der Miniaturisierung von Diamantsensoren berücksichtigt werden muss, ist der Einfluss von magnetischen Streufeldern, welche durch Stromflüsse in der Anrege- und Auswerteelektronik verursacht werden. Dadurch kann eine Linienverbreiterung resultieren, was die Sensorempfindlichkeit deutlich herabsetzt. Durch die vorliegende Sensoreinheit wird allerdings erreicht, dass trotz hoher Streufelder, die durch die umliegende Elektronik in der Sensoreinheit erzeugt werden, eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit sichergestellt wird. Durch die Vorsehung einer Vielzahl voneinander beanstandeter, NV-dotierter Diamantvolumina wird eine Mikrostrukturierung des Diamanten erreicht. Es handelt sich bei den voneinander beabstandeten, NV-dotierten Diamantvolumina somit insgesamt um einen mikrostrukturierten Diamanten. In anderen Worten werden die einzelnen Diamantvolumina klein gehalten, sodass innerhalb eines jeweiligen verkleinerten Diamantvolumens trotz hoher Streufelder kein nennenswerter Magnetfeldgradient und so auch keine Linienverbreiterung resultiert. Die gleiche Empfindlichkeit im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten größeren Diamantvolumen wird dadurch gewährleistet, dass viele voneinander beabstandete Diamantvolumina herangezogen werden, die unabhängig voneinander einen Messwert desselben Magnetfeldes liefern. Es wird somit insbesondere mit jedem der Diamantvolumina eine Messung durchgeführt.
Insbesondere benutzt die vorliegende Sensoreinheit den Zeeman-Effekt, und zwar die Aufspaltung von Spektrallinien durch das erzeugte Magnetfeld. Die Aufspaltung entsteht durch die unterschiedliche Verschiebung von Energieniveaus einzelner Zustände unter dem Einfluss eines zu bestimmenden Magnetfeldes. Dies wird auch als externes Magnetfeld bezeichnet.
Insbesondere handelt es sich bei den Diamantvolumina um Diamantpixel. Vorzugsweise ist jedes Diamantvolumen selektiv auslesbar, wobei jedem Diamantvolumen ein eigener Photodetektor, insbesondere ein einzeln adressierbarer Sensorpixel oder mehrere zusammengefasste Sensorpixel, zum Messen der im Diamantvolumen erzeugten Fluoreszenz zugeordnet ist. Bei der Vorsehung mehrerer zusammengefasster Sensorpixel entsteht der Vorteil, dass durch Mittelung eine Rauschreduktion erreicht wird. Die Diamantvolumina sind somit einzeln auslesbar, sodass jedes einen Messwert liefert. Der entsprechend zugeordnete Photodetektor ist jeweils so angeordnet, dass dieser nur die Fluoreszenz des zugeordneten Diamantvolumens misst. Der einzeln adressierbare Sensorpixel oder die mehreren zusammengefassten Sensorpixel sind insbesondere als Sensorpixel eines bildgebenden CMOS-Chips ausgebildet. Die Photodetektoren können vor allem als Photodiode ausgebildet sein, wobei deren Messsignal ein Photostrom darstellt. Die Photodetektoren können als Array angeordnet sein. Sie befinden sich insbesondere auf einer Leiterplatte auf einer dem Träger abgewandten Seite der Diamantvolumina.
Vorteilhafterweise sind die NV-dotierten Diamantvolumina jeweils als zylindrische Säule ausgebildet. Dies ist besonders vorteilhaft, da eine zylindrische Säule das Licht wie ein optischer Wellenleiter leiten kann, insbesondere in Richtung des entsprechend zugeordneten Photodetektors. So ist vor allem eine Stirnseite einer Säule dem zuegordneten Photodetektor zugewandt.
Insbesondere sind die NV-dotierten Diamantvolumina auf einem Träger angeordnet, wobei der Träger als undotierte Diamantschicht ausgebildet ist. Die Diamantvolumina sind somit mit einer Stirnseite jeweils auf dem Träger angeordnet, vorzugsweise in regelmäßigem Abstand. Insbesondere sind die Diamantvolumina parallel zueinander angeordnet. In anderen Worten weisen die Diamantvolumina eine Höhenrichtung auf, die für alle in dieselbe Richtung zeigt.
Im Falle zylindrischer und damit rotationssymmetrischer Säulen stehen somit die Rotationssymmetrie-Achsen der Diamantvolumina zueinander parallel.
Insbesondere umfasst die Sensoreinheit eine Lichtquelle zum Emittieren von Anregungslicht. Bei der Lichtquelle handelt es sich insbesondere um einen Laser. Die Lichtquelle kann insbesondere alle NV-dotierten Diamantvolumina gleichzeitig anregen. Es handelt sich insbesondere um grünes Licht, vor allem Licht mit einer Wellenlänge von etwa 510 nm bis 540 nm, während die erzeugte Fluoreszenz eine Wellenlänge zwischen 650 nm und 800 nm aufweist.
Vorzugsweise kann die Sensoreinheit mindestens eine photonische Struktur im Träger umfassen, um Anregungslicht gezielt auf mindestens ein NV-dotiertes Diamantvolumen zu lenken. Dabei handelt es sich bei der photonischen Struktur insbesondere um eine angeschrägte, in den Träger geätzte Struktur. In anderen Worten handelt es sich somit um eine geometrische Struktur, die einen Abschnitt des Trägers darstellt und deren Formgebung so ausgebildet ist, dass Anregungslicht optimal in mindestens ein NV-dotiertes Diamantvolumen eingeleitet wird.
Bei der geometrischen Struktur kann es sich insbesondere um eine Fläche oder ein Prisma handeln. Insbesondere kann die photonische Struktur einen Winkel zwischen 40° und 60°, insbesondere zwischen 42° und 48° oder 51° und 57°, am meisten bevorzugt 45° oder 54°, zur Richtung des auftretenden Anregungslicht aufweisen. Die photonische Struktur ist in Höhenrichtung der NV-dotierten Diamantvolumina, in die dieses Anregungslicht leiten soll, vorzugsweise direkt darüber angeordnet. Vorteilhafterweise bildet die photonische Struktur einen 45°-Winkel, sodass Anregungslicht, das vorzugsweise in einem 90°-Winkel zur Höhenrichtung der Diamantvolumina eingestrahlt wird, genau in Höhenrichtung der Diamantvolumina in diese eingeleitet wird. Bei der Verwendung eines Winkels, der von 45° abweicht, kann die photonische Struktur in eine Richtung senkrecht zur Höhenrichtung entsprechend verschoben sein, um den schrägen Verlauf des Anregungslichts nach Reflektion bei Einstrahlung in einem 90°-Winkel zur Höhenrichtung der Diamantvolumina zu kompensieren.
Insbesondere kann eine photonische Struktur jeweils einer Gruppe von NV-dotierten Diamantvolumina zugeordnet werden. Die NV-dotierten Diamantvolumina können vor allem in Spalten und Reihen auf dem Träger angeordnet sein. Eine photonische Struktur kann sich über die gesamte Länge einer Spalte oder Reihe erstrecken und somit an der jeweiligen Stelle eines NV-dotierten Diamantvolumens Anregungslicht einleiten.
Vorteilhafterweise umfasst die Sensoreinheit eine Mikrowellenquelle zum Erzeugen von Mikrowellen und mindestens eine, am meisten bevorzugt genau eine, Mikrowelleneinkoppelstruktur, wobei die Mikrowelleneinkoppelstruktur dazu dient, die erzeugten Mikrowellen über mindestens ein NV-dotiertes Diamantvolumen, insbesondere über sämtliche NV-dotierten Diamantvolumina, homogen und energetisch effizient zu verteilen, in dem es ein Mikrowellenfeld erzeugt. Bei der Mikrowelleneinkoppelstruktur kann es sich insbesondere um eine Resonatorstruktur oder eine Leiterschleife handeln. Besonders bevorzugt kann es sich bei der Mikrowelleneinkoppelstruktur um eine Doppeldrahtstruktur handeln, die zwei Drähte umfasst, wobei beide Drähte mit einem amplitudengleichen Mikrowellensignal beaufschlagt sind, und wobei sich die Phasen des Mikrowellensignals in den Drähten um 180° unterscheiden. In anderen Worten sind die Mikrowellensignale in den Drähten im Gegentakt. Die Mikrowellenfrequenz ist insbesondere auf die Frequenzen der Elektronenspinnresonanzen getuned.
Insbesondere kann, um einen gesamten Magnetfeldwert zu erfassen, die Intensität der Fluoreszenz an jedem einzelnen Volumen in Abhängigkeit der Mikrowellenfrequenz durch eine Auswerteeinheit, insbesondere einen ASIC, einen Mikrocontroller oder einen externen PC, ausgewertet werden. Insbesondere kann, wenn die Sensoreinheit vorher in einer feldfreien Umgebung kalibriert wurde, der durch die Elektronik erzeugte Magnetfeldgradient aus dem Photodetektoren-Array herausgerechnet werden. Im Anschluss kann entweder ein verbleibender Magnetfeldgradient direkt bestimmt werden oder, zur Erhöhung des Signals zum Rauschverhältnis, über alle Sensorpixel gemittelt werden, um einen Magnetfeldwert für die gesamte Sensoreinheit zu erhalten. Eine Kombination aus beiden Ansätzen, beispielsweise mittels einer Verschaltung mehrerer Diamantvolumina zu größeren Clustern, deren Anzahl größer als 1 ist, ist ebenfalls möglich. Insbesondere kann die Sensoreinheit ferner einen gemeinsamen Taktgeber, beispielsweise eine Uhr, umfassen, mittels dessen der Photodetektoren-Array, die Anregung mittels der Mikrowellen, die Auswerteeinheit und die Anregung mittels der Lichtquelle synchronisiert werden. Dies ermöglicht gepulste Messungen und dient dazu, über eine zeitlich wechselnde Abfolge von Licht und Mikrowellenanregung die Empfindlichkeit zu erhöhen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes mit einer oben beschriebenen Sensoreinheit, wobei mittels des Verfahrens insbesondere eine Richtung des Magnetfeldes erfasst wird. Dabei weist das mindestens eine NV-Zentrum jedes Diamantvolumens eine von vier möglichen Raumrichtungen auf, eine sogenannte NV-Orientierung, wobei es auf Basis dieser möglich ist, die Richtung des externen Magnetfeldes zu bestimmen, in anderen Worten, das externe Magnetfeld vektoriell zu bestimmen.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl voneinander beabstandeter, NV-dotierter Diamantvolumina einer oben beschriebenen Sensoreinheit mittels lonenätzen.
Insbesondere wird auf eine zunächst undotierte Diamantschicht, die als Träger bzw. Diamantsubstrat fungiert, über eine Gasphasenabscheidung eine NV-dotierte Diamantschicht aufgewachsen. Diese wird über eine strukturierte Hartmaske und anschließend reaktives lonenätzen zu einzelnen Diamantvolumina, insbesondere Diamantpixeln, strukturiert. Zur Strukturierung der einzelnen Diamantvolumina werden idealerweise metallische Hartmasken aus AI, Ti, Ta, W, SiN oder SiO2 verwendet. Hierfür kommt insbesondere reaktives lonenätzen mit Ar:O2 Plasmen oder Ni-induziertes Ätzen mit Wasserdampf oder Sauerstoff in Frage. Bei dem Ätzen wird insbesondere ein dünner Ni-Film aufgebracht und strukturiert. Durch Aufheizen auf Temperaturen größer als 850°C kann Kohlenstoff in den Ni-Film diffundieren und wandert zur Oberfläche, wo er mit Hilfe einer automatisch entstehenden NiO-Schicht mit dem Wasserdampf oder dem Sauerstoff zu CO und CO2 reagiert.
Ebenfalls über reaktives lonenätzen kann die mindestens eine photonische Struktur hergestellt werden. Da es schwierig ist, über fotolithografische Prozesse 3D-Strukturen wie angeschrägte Prismen zu strukturieren, kann für solche Strukturen bevorzugt ein anisotropes Ätzverfahren wie das Ni-induzierte Ätzen mittels H2O-Dampf verwendet werden. Insbesondere können als Träger Diamantenschichten, deren geschliffene Oberfläche einen Winkel von 12° zur Diamantebene aufweist, verwendet werden, sodass beim späteren Ätzen exakt 45°-winklige Ätzkanten entstehen. Es kann allerdings auch der entstehende 54°-Winkel genutzt werden, der sich durch Ätzen in einen 100 Diamantwafer ergibt.
Figurenliste
Es zeigen in rein schematischer Darstellung:

1: Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in einem Diamanten;
2: ein Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums;
3: eine optisch detektierte magnetische Resonanz eines einzelnen NV-Zentrums;
4: den Zeeman-Effekt innerhalb des Energiediagramms des negativ geladenen NV-Zentrums;
5: den Aufbau einer Sensoreinheit;
6: eine photonische Struktur der Sensoreinheit nach 5;
7: eine weitere photonische Struktur einer Sensoreinheit; und
8: die Schritte eines Verfahrens zum Herstellen der NV-dotierten Diamantvolumina der Sensoreinheit der 5.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt auf der linken Seite ein einzelnes NV-dotiertes Diamantvolumen, das insgesamt mit Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Das Diamantvolumen 10 umfasst eine Anzahl von Kohlenstoffatomen 12 und ein NV-Zentrum 14, das wiederum ein Stickstoff-Atom 16 und eine Fehlstelle bzw. Vakanz 18 aufweist. Die Stickstoff-Fehlstelle 18 ist entlang einer der vier möglichen Bindungsrichtungen im Diamantvolumen ausgerichtet.
Auf der rechten Seite ist das Energieniveauschema 30 des negativ geladenen NV-Zentrums 14 dargestellt. Ein Grundzustand ³A₂ 32 ist ein Spin-Triplet mit Gesamtspin s = 1. Die Zustände 34 mit magnetischer Spinquantenzahl ms = +- 1 sind gegenüber dem Zustand 36 mit ms = 0 energetisch verschoben. Es sind weiterhin ein Zustand ³E 38 und ein Zwischenzustand 40 dargestellt. Mit Klammer 42 ist eine Mikrowellenfrequenz von 2,87 GHz verdeutlicht, die einer Aufspaltungsenergie bzw. Zero-Field Splitting Dgs entspricht. Das Zero-Field Splitting ist eine intrinsosche Größe, die unabhängig vom eingestrahlten MW-Feld bzw. der MW-Frequenz ist. Sie beträgt ungefähr 2,87 GHz und ist insbesondere temperaturabhängig. Für die Bestimmung der Resonanzfrequenz gilt folgende Beziehung: $v \pm \approx D_{gs} + β * Δ T \pm y_{NV} * B_{0};$
wobei ΔT die Abweichung von der Raumtemperatur, β die temperaturbedingte Verschiebung des Zero-Field Splittings mit β ungefähr -74,2 Kilohertz/Kelvin, y_NV das gyromagnetische Verhältnis des NV-Zentrums und B₀ die Feldstärke eines externen Magnetfelds angibt.
2 zeigt in einem Graphen 50 das Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums, das in 1 dargestellt ist. Im Graphen 50 ist an einer Abszisse 52 die Wellenlänge [nm] und an einer ersten Abszisse 54 der Absorptionskoeffizient [cm^-1] und an einer zweiten Abszisse 56 die Fluoreszenz aufgetragen. Eine erste Kurve 60 zeigt das Absorptionsspektrum, eine zweite Kurve 62 zeigt das Emissionsspektrum. Ein erster Pfeil 70 bezeichnet NV⁰ ZPL, ein zweiter Pfeil 72 bezeichnet NV- Absorption, ein dritter Pfeil 74 bezeichnet NV-Fluoreszenz. Weiterhin ist NV- ZPL 76 bei 637 nm eingetragen.
3 zeigt in einem Graphen 100 die optisch detektierbare magnetische Resonanz (ODMR) eines einzelnen NV-Zentrums für verschiedene Hintergrundmagnetfelder. In dem Graphen 100 ist an einer Abszisse 102 die Mikrowellenfrequenz, an einer ersten Ordinate 104 das Magnetfeld B und an einer zweiten Ordinate 106 die Fluoreszenz aufgetragen.
Eine erste Kurve 110 zeigt die Resonanz für B = 0, eine zweite Kurve 112 zeigt die Resonanz bei B = 2,8 mT mit den negativen Peaks ω₁ 114 und ω₂ 116, eine dritte Kurve 120 die Resonanz für B = 5,8 mT und eine vierte Kurve 122 die Resonanz für 8,3 mT.
4 zeigt den Zeemaneffekt im Grundzustand 150 des NV-Zentrums. Weiterhin sind der angeregte Zustand 152 und der Zwischenzustand 154 eingetragen. Ein erster Pfeil 160 zeigt einen Übergang mit hoher Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate, ein gestrichelter Pfeil 162 zeigt einen Übergang mit geringer Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate. In einem Kasten 170 sind ein Übergang 172 ohne magnetisches Feld und ein Übergang 174 mit magnetischem Feld wiedergegeben.
5 zeigt den Aufbau einer Sensoreinheit 400. Die Sensoreinheit umfasst NV-dotierte Diamantvolumina 412. Dabei ist jedes NV-dotierte Diamantvolumen 412 als Säule 413 ausgebildet. Die NV-dotierten Diamantvolumina 412 sind auf einem Träger 414 angeordnet. Bei dem Träger 414 handelt es sich um eine undotierte Diamantschicht 415. Ferner umfasst die Sensoreinheit 400 eine Lichtquelle 404, und zwar einen Laser 405, der Anregungslicht 406 emittiert.
Ferner umfasst die Sensoreinheit eine Mikrowellenquelle 401 zur Erzeugung von Mikrowellen sowie eine Mikrowelleneinkoppelstruktur 402, um ein Mikrowellenfeld an der Position der NV-dotierten Diamantvolumina 412 möglichst homogen und effizient zu erzeugen. Insbesondere ist die Mikrowelleneinkoppelstruktur als Doppeldrahtstruktur 403 ausgebildet, die um die Gesamtheit der NV-dotierten Diamantvolumina 412 angeordnet ist und somit gleichzeitig an deren Position das Magnetfeld einkoppelt. Ferner umfasst die Sensoreinheit 400 jeweils einen Photodetektor 407 pro NV-dotiertes Diamantvolumen 412. Insbesondere bilden die Photodetektoren 407 ein Photodetektoren-Array.
Oberhalb der photosensitiven Fläche der Photodetektoren 407 ist insbesondere eine optische Filterschicht 411 angeordnet, die derart ausgebildet ist, dass diese das Anregungslicht 406 blockiert, doch die innerhalb der NV-dotierten Diamantvolumina 412 erzeugte Fluoreszenz passieren lässt.
Ferner kann die Sensoreinheit 400 einen Taktgeber 409 umfassen, mit dem die Anregung mittels der Lichtquelle 404, die Mikrowellenanregung und das Auslesen der Diamantvolumina zeitlich synchronisiert werden können. Ferner kann die Sensoreinheit 400 eine Auswerteeinheit 410 aufweisen, die die Daten der Photodetektoren 407 verarbeitet. Ferner kann die Auswerteeinheit 410 dazu ausgebildet sein, als Steuereinheit zu fungieren und somit die Mikrowellenanregung, die Lichtquelle und den Photodetektor zu steuern.
6 zeigt eine photonische Struktur 416 der Sensoreinheit 400 der 5. Bei der photonischen Struktur 416 handelt es sich insbesondere um eine angeschrägte Fläche 417, die einen Winkel 418 mit der Einstrahlrichtung des Anregungslichtes 406 einschließt.
Die NV-dotierten Diamantvolumina 412 sind auf dem Träger 414 in Reihen und Spalten angeordnet, wobei 6 eine Reihe zeigt und in die Blattebene hinein weitere Reihen hinter der in 6 gezeigten Reihe angeordnet sind. Alle in die Blattebene hinein hintereinander angeordneten Diamantvolumina bilden eine jeweilige Spalte. Eine in 6 zu sehende photonische Struktur 416 ist als Fläche ausgebildet, die sich entlang einer gesamten in die Blattebene hinein erstreckenden Spalte erstreckt und an der jeweiligen Position eines Diamantvolumens 412 Anregungslicht 406 in die entsprechende Höhenrichtung 412a und somit in das Diamantvolumen 412 hinein leitet. Die photonische Struktur 416 dient somit dazu, Anregungslicht 406 der Lichtquelle 404 optimal in die NV-dotierten Diamantvolumina 412 einzuleiten. Insbesondere kann jeder Spalte der NV-dotierten Diamantvolumina eine photonische Struktur 416 zugeordnet sein.
Bei dem Winkel 418 handelt es sich bei der 6 um 45°, sodass das in 6 von links kommende Anregungslicht 406 durch die photonische Struktur 416 um 90° umgelenkt wird und somit direkt in Höhenrichtung 412a der NV-dotierten Diamantvolumina 412 verläuft und optimal in die entsprechenden NV-dotierten Diamantvolumina eingeleitet wird.
7 zeigt eine weitere photonische Struktur 416, die bis auf die im Folgenden genannten Unterschiede wie die photonische Struktur 416 der 6 ausgebildet ist. Bei dem Winkel 418 handelt es sich nicht, wie bei 6, um 45°, sondern um 54°. Es wird somit von der Seite eingestrahltes Anregungslicht 406 schräg in Richtung Diamantvolumina 412 reflektiert, wobei durch eine seitliche Verschiebung der Diamantvolumina 412, nämlich quer zur Höhenrichtung 412a, gewährleistet wird, dass das Anregungslicht 406 dennoch in die entsprechend zugeordneten NV-dotierten Diamantvolumina 412 eingeleitet wird.
8 zeigt die Schritte eines Herstellungsverfahrens der NV-dotierten Diamantvolumina 412 der Sensoreinheit 400 der 5. Zunächst wird in Abschnitt a) ein Träger 414 bereitgestellt, der insbesondere als undotierte Diamantschicht 415 ausgebildet ist. Über Gasphasenabscheidung wird eine NV-dotierte Diamantschicht aufgewachsen, und zwar in Abschnitt b). In Abschnitt c) wird eine strukturierte Hartmaske 420 aufgebracht. Anschließend wird in Abschnitt d) ein reaktives lonenätzen durchgeführt und somit einzelne Säulen beziehungsweise Diamantvolumina 412 strukturiert. Dies ist in Abschnitt e) in Seitensicht zu sehen und in Abschnitt f) in Draufsicht zu sehen. Vor allem zeigt Abschnitt f) die Anordnung in Reihen und Spalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014219550 A1 [0010]

Claims

Sensoreinheit (400) zum Erfassen eines Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (400) eine Vielzahl voneinander beabstandeter, NV-dotierter Diamantvolumina (10, 412) umfasst, wobei jedes Diamantvolumen (10, 412) mit mindestens einem negativ geladenen NV-Zentrum (14) dotiert ist, und wobei das mindestens eine NV-Zentrum (14) eine fluoreszierende Wirkung hat und somit bei Anregung Fluoreszenz emittiert.
Sensoreinheit (400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den NV-dotierten Diamantvolumina (10, 412) um Diamantpixel handelt.
Sensoreinheit (400) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Diamantvolumen (412) selektiv auslesbar ist, wobei jedem NV-dotierten Diamantvolumen (412) ein eigener Photodetektor (407) zum Messen der erzeugten Fluoreszenz im jeweiligen NV-dotierten Diamantvolumen (412) zugeordnet ist.
Sensoreinheit (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NV-dotierten Diamantvolumina (412) jeweils als zylindrische Säule (413) ausgebildet sind.
Sensoreinheit (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die NV-dotierten Diamantvolumina (412) auf einem Träger (414) angeordnet sind, wobei der Träger (414) als undotierte Diamantschicht (415) ausgebildet ist.
Sensoreinheit (400) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (400) mindestens eine photonische Struktur (416) im Träger (414) umfasst, um Anregungslicht (406) gezielt auf mindestens ein NV-dotiertes Diamantvolumen (412) zu lenken, wobei es sich bei einer photonischen Struktur (412) um eine angeschrägte, in den Träger (414) geätzte Struktur handelt.
Sensoreinheit (400) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische Struktur (416) einen Winkel (418) zwischen 40° und 60° zum auftreffenden Anregungslicht (406) aufweist.
Sensoreinheit (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (400) eine Mikrowellenquelle (401) zum Erzeugen von Mikrowellen und mindestens eine Mikrowelleneinkoppelstruktur (402) aufweist, wobei die Mikrowelleneinkoppelstruktur (402) dazu dient, die erzeugten Mikrowellen über mindestens ein NV-dotiertes Diamantenvolumen (412) homogen und energetisch effizient zu verteilen.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes mit einer Sensoreinheit (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl voneinander beabstandeter, NV-dotierter Diamantvolumina (412) einer Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mittels lonenätzen.