DE102021202416A1 - NMR vapor cell assembly, method of making the NMR vapor cell assembly, NMR gyroscope and method of operating the NMR gyroscope - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine NMR-Dampfzellenanordnung,- wobei ein erstes Medium in einer ersten Kammer (101) angeordnet ist,- wobei ein zweites Medium (1020) in einer zweiten Kammer (102) angeordnet ist, und- wobei zwischen der ersten Kammer (101) und der zweiten Kammer (102) eine Durchlassanordnung (103) ausgebildet ist, wobei die Durchlassanordnung (103) einen Leitungskanal (1030) zum Leiten des zweiten Mediums (1020) von der zweiten Kammer (102) in die erste Kammer (101) umfasst, wobei- die NMR-Dampfzellenanordnung (100) eine Heizvorrichtung (104) zum Einstellen einer ersten Temperatur in der ersten Kammer (101) umfasst, und- die Durchlassanordnung (103) eine Verbindungsstruktur (1031) zur Bereitstellung einer thermischen Kopplung zwischen der ersten Kammer (101) und der zweiten Kammer (102) umfasst,• wobei durch Einstellen der ersten Temperatur in der ersten Kammer (101) aufgrund der thermischen Kopplung in der zweiten Kammer (102) eine zweite Temperatur erzeugbar ist, und• wobei ein Temperaturunterschied zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur durch eine Dimensionierung der Verbindungsstruktur (1031) festgelegt ist.Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der NMR-Dampfzellenanordnung (100), ein NMR-Gyroskop und ein Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops.The invention relates to an NMR vapor cell arrangement, - with a first medium being arranged in a first chamber (101), - with a second medium (1020) being arranged in a second chamber (102), and - with between the first chamber (101 ) and the second chamber (102) a passage arrangement (103) is formed, wherein the passage arrangement (103) comprises a duct (1030) for conducting the second medium (1020) from the second chamber (102) into the first chamber (101). , wherein- the NMR vapor cell assembly (100) comprises a heater (104) for setting a first temperature in the first chamber (101), and- the port assembly (103) comprises a connection structure (1031) for providing thermal coupling between the first chamber (101) and the second chamber (102),• wherein a second temperature can be generated by setting the first temperature in the first chamber (101) due to the thermal coupling in the second chamber (102), and• wherein ei n temperature difference between the first temperature and the second temperature is determined by a dimensioning of the connection structure (1031). The invention also relates to a method for producing the NMR vapor cell arrangement (100), an NMR gyroscope and a method for operating the NMR gyroscope.
Description
Stand der TechnikState of the art
In „Microfabricated alkali vapor cell with anti-relaxation wall coating“ (Straessle et al., Applied Physics Letters, 105, issue 4, 043502/1-4, 2014) ist eine mikrostrukturierte Alkali-Dampfzelle beschrieben, welche eine Reservoirkammer umfasst, in welcher flüssige Alkali-Tröpfchen angeordnet sind, und welche eine Messkammer umfasst, wobei über einen die Kammern verbindenden Kanal Alkalidampf aus der Reservoir-Kammer in die Messkammer gelangen kann.In "Microfabricated alkaline vapor cell with anti-relaxation wall coating" (Straessle et al., Applied Physics Letters, 105,
Kern und Vorteile der Erfindungessence and advantages of the invention
Heutige Drehratensensoren auf der Basis von MEMS erlauben als Backup für Radar-, Videoassistierte- und GPS-Positionierung ein Spurhalten von Fahrzeugen für einen Zeitraum von etwa 40 Sekunden. Dies ermöglicht bei einer Reisegeschwindigkeit von 100 km/h eine Nothaltefunktion bei Ausfall aller anderen Fahrerassistenzsysteme.Today's rotation rate sensors based on MEMS allow vehicles to stay in lane for a period of around 40 seconds as a backup for radar, video-assisted and GPS positioning. At a cruising speed of 100 km/h, this enables an emergency stop function if all other driver assistance systems fail.
Um die Sicherheit und den Komfort autonom fahrender Fahrzeuge zu verbessern, wäre eine deutliche Steigerung der Driftstabilität und eine signifikante Reduktion des Rauschens von Drehratensensoren wünschenswert, um rein inertiales Navigieren auch für längere Strecken wie z.B. in Tunneln oder in Häuserschluchten zu ermöglichen.In order to improve the safety and comfort of autonomously driving vehicles, a significant increase in drift stability and a significant reduction in the noise of yaw rate sensors would be desirable in order to enable purely inertial navigation even for longer distances, such as in tunnels or in urban canyons.
Aus der Grundlagenforschung bekannte Gyroskope, die Kernspinresonanzsignale von Atomkernen mit nicht-verschwindendem magnetischen Moment (Spin 1/2 Kerne, Spin 3/2 Kerne, Spin ((2n+1)/2) Kerne, wobei n eine natürliche Zahl ist) auswerten, zeigen eine 100-fach erhöhte Driftstabilität und 50-fach erhöhte Genauigkeit gegenüber heutigen in der Automobilindustrie eingesetzten MEMS Drehratensensoren (siehe Neul, et al., IEEE Sensors Journal, Vol. 7, No. 2 (2007)).Gyroscopes known from basic research, which evaluate nuclear magnetic resonance signals from atomic nuclei with a non-vanishing magnetic moment (
Verglichen mit anderen hoch-genauen Drehratensensoren, welche beispielsweise im Bereich Flugzeugnavigation eingesetzt werden und welche auf dem optischen Sagnac-Effekt beruhen (Laser Gyro), werden miniaturisierte Kernspingyroskope (=NMR-Gyroskop) deutlich geringere Herstellkosten als die für mehrere tausend Euro angebotenen Sagnac-Gyroskope, die in der Luftfahrt eingesetzt werden, aufweisen.Compared to other high-precision yaw rate sensors, which are used for example in the field of aircraft navigation and which are based on the optical Sagnac effect (laser gyro), miniaturized nuclear spin gyroscopes (= NMR gyroscope) are significantly lower production costs than the Sagnac Gyroscopes that are used in aviation have.
Ein weiterer Vorteil von NMR-Gyroskopen gegenüber Sagnac-Gyroskopen, besteht darin, dass NMR-Gyroskope bei einer sehr hohen Sensitivität ein hohes Miniaturisierungspotential aufweisen, wohingegen Sagnac-Gyroskope einen deutlich größeren Aufbau aufgrund ihres Wirkprinzips erfordern.Another advantage of NMR gyroscopes compared to Sagnac gyroscopes is that NMR gyroscopes have a high potential for miniaturization with a very high sensitivity, whereas Sagnac gyroscopes require a significantly larger structure due to their operating principle.
Bei Kernspinresonanz-Gyroskopen, auch spinbasierte Gyroskope oder NMR-Gyroskope genannt (NMR=nuclear magnetic resonance), die auf einer Dampfzelle basieren, wird die entstandene Spin-Larmor-Präzession ωlarmor in einer Dampfzelle ausgelesen. Eine äußere Rotation ωrot stellt eine zusätzliche Drehung dar, welche durch Auslesen der Rotationsfrequenz ωmess folgendermaßen ermittelt werden kann:
Ein beispielhafter Aufbau eines NMR-Gyroskops und dessen Funktionsweise sind beispielsweise in „MEMS Components for NMR Atomic Sensors“ (R. M. Noor and A. M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27(6):1148-1159, Dec. 2018) gezeigt.An exemplary structure of an NMR gyroscope and its mode of operation are shown, for example, in "MEMS Components for NMR Atomic Sensors" (R. M. Noor and A. M. Shkel; Journal of Microelectromechanical Systems, 27(6):1148-1159, Dec. 2018).
Die Erfindung betrifft eine NMR-Dampfzellenanordung, ein Verfahren zur Herstellung der NMR-Dampfzellenanordnung, ein NMR-Gyroskop und ein Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops.The invention relates to an NMR vapor cell assembly, a method for manufacturing the NMR vapor cell assembly, an NMR gyroscope and a method for operating the NMR gyroscope.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass eine Steigerung der Driftstabilität und eine signifikante Reduktion des Rauschens gegenüber bekannten NMR-Gyroskopen erreicht wird und Messfehler oder Funktionsausfälle reduziert bzw. vermieden werden können.An advantage of the invention with the features of the independent patent claims is that the drift stability is increased and the noise is significantly reduced compared to known NMR gyroscopes, and measurement errors or functional failures can be reduced or avoided.
Dies wird erreicht mit einer NMR-Dampfzellenanordnung, umfassend ein erstes Medium, ein zweites Medium, eine erste Kammer und eine zweite Kammer. Das erste Medium ist hierbei in der ersten Kammer angeordnet ist, das zweite Medium ist in der zweiten Kammer angeordnet. Zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer ist eine Durchlassanordnung ausgebildet, wobei die Durchlassanordnung einen Leitungskanal zum Leiten des zweiten Mediums von der zweiten Kammer in die erste Kammer umfasst. Die NMR-Dampfzellenanordung zeichnet sich dadurch aus, dass die NMR-Dampfzellenanordnung eine Heizvorrichtung zum Einstellen einer ersten Temperatur in der ersten Kammer umfasst, und die Durchlassanordnung eine Verbindungsstruktur zur Bereitstellung einer thermischen Kopplung zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer umfasst. Die Verbindungsstruktur zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer ist derart dimensioniert, dass durch Einstellen der ersten Temperatur in der ersten Kammer aufgrund der thermischen Kopplung eine zweite Temperatur in der zweiten Kammer erzeugt wird, wobei die erste Temperatur von der zweiten Temperatur abweicht. Durch Einstellen der ersten Temperatur in der ersten Kammer wird folglich aufgrund der thermischen Kopplung in der zweiten Kammer eine zweite Temperatur erzeugt, wobei ein Temperaturunterschied zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur insbesondere durch eine Dimensionierung der Verbindungsstruktur festgelegt ist.This is achieved with an NMR vapor cell assembly comprising a first medium, a second medium, a first chamber and a second chamber. In this case, the first medium is arranged in the first chamber, and the second medium is arranged in the second chamber. A passage arrangement is formed between the first chamber and the second chamber, the passage arrangement comprising a duct for conducting the second medium from the second chamber into the first chamber. The NMR vapor cell assembly is characterized in that the NMR vapor cell assembly includes a heater for setting a first temperature in the first chamber, and the port assembly includes a connection structure for providing thermal coupling between the first chamber and the second chamber. The connection structure between the first chamber and the second chamber is dimensioned such that a second temperature is generated in the second chamber due to the thermal coupling by setting the first temperature in the first chamber, the first temperature differing from the second temperature. By setting the first temperature in Consequently, a second temperature is generated in the first chamber due to the thermal coupling in the second chamber, with a temperature difference between the first temperature and the second temperature being determined in particular by a dimensioning of the connection structure.
Die Realisierung eines mit zwei Medien, wie beispielsweise Rubidium als zweitem Medium und Xenon als erstem Medium, befüllten Zwei-Kammer-MEMS (= microelectromechanical system) Chips (d. h. die NMR-Dampfzellenanordnung) mit definierter thermischer Kopplung der beiden Kammern, ermöglicht es vorteilhafterweise die beheizte Messkammer (erste Kammer) immer um einige Grad wärmer als die Reservoirkammer (zweite Kammer) zu halten, wodurch die Kondensation des zweiten Mediums in der Messkammer, welches durch den mindestens einen Leitungskanal von der Reservoirkammer in die Messkammer gelangt, dauerhaft vermieden werden kann. Somit können vorteilh afterweise Messfehler oder Funktionsausfälle in einem NMR-basierten Gyroskop, welches die NMR-Dampfzellenanordnung umfasst, oder einer Atomuhr, welche die NMR-Dampfzellenanordnung umfasst, nachhaltig vermieden werden.The realization of a two-chamber MEMS (= microelectromechanical system) chip (i.e. the NMR vapor cell arrangement) filled with two media, such as rubidium as the second medium and xenon as the first medium, with defined thermal coupling of the two chambers, advantageously enables the to keep the heated measuring chamber (first chamber) a few degrees warmer than the reservoir chamber (second chamber), whereby the condensation of the second medium in the measuring chamber, which reaches the measuring chamber through the at least one duct from the reservoir chamber, can be permanently avoided. Thus, advantageously, measurement errors or functional failures in an NMR-based gyroscope, which includes the NMR vapor cell arrangement, or in an atomic clock, which includes the NMR vapor cell arrangement, can be sustainably avoided.
Unter einer NMR-Dampfzellenanordnung wird insbesondere eine Dampfzellenanordnung verstanden, welche für die Verwendung in einem NMR-Gyroskop ausgebildet ist.An NMR vapor cell arrangement is understood to mean, in particular, a vapor cell arrangement which is designed for use in an NMR gyroscope.
Die NMR-Dampfzellenanordnung kann zwei Kammern (auch Dampfzellen genannt) oder mehr als zwei Kammern umfassen. Eine Dampfzelle ist hierbei beispielsweise als Hohlraumkörper aus Glas, Silizium, etc. ausgebildet, wobei die erste Kammer und die zweite Kammer durch den Leitungskanal verbunden sind, sodass ein Gasaustausch zwischen den beiden Dampfzellen stattfinden kann. Die beiden Dampfzellen und der Leitungskanal sind hermetisch gegenüber der Umgebung der NMR-Dampfzellenanordnung verschließbar, sodass insbesondere Gase aus dem Inneren der Dampfzellen im Betrieb nicht entweichen können und Drücke innerhalb der Dampfzellen erzeugbar sind, welche vom Umgebungsdruck der NMR-Dampfzellenanordnung abweichen können.The NMR vapor cell assembly may include two chambers (also called vapor cells) or more than two chambers. A vapor cell is designed here, for example, as a hollow body made of glass, silicon, etc., with the first chamber and the second chamber being connected by the duct, so that gas exchange can take place between the two vapor cells. The two vapor cells and the duct can be hermetically sealed from the environment of the NMR vapor cell arrangement, so that gases in particular cannot escape from the interior of the vapor cells during operation and pressures can be generated inside the vapor cells which can deviate from the ambient pressure of the NMR vapor cell arrangement.
Zur Einstellung eines Drucks und/oder zur Erzeugung eines Gases in den Kammern kann beispielsweise ein Heizelement an der ersten Kammer oder in einer Umgebung, der ersten Kammer, welche thermisch mit der ersten Kammer verbunden ist, angeordnet sein. Eine Ausführungsform eines Heizelements zum Heizen der ersten Kammer umfasst mindestens einen Laser, d. h. einen Heizlaser, insbesondere einen Infrarotlaser, dessen Laserlicht auf einen Bereich der ersten Kammer oder der thermisch mit der ersten Kammer verbundenen Umgebung gerichtet ist. Beispielsweise kann die Laserleistung 50 mW (Milliwatt) betragen. Das Laserlicht wird vom Material der ersten Kammer, insbesondere dem Silizium oder Glas, absorbiert und erwärmt somit die Dampfzelle. To set a pressure and/or to generate a gas in the chambers, a heating element can be arranged on the first chamber or in an environment of the first chamber, which is thermally connected to the first chamber. An embodiment of a heating element for heating the first chamber comprises at least one laser, i. H. a heating laser, in particular an infrared laser, the laser light of which is directed onto a region of the first chamber or the environment thermally connected to the first chamber. For example, the laser power can be 50 mW (milliwatts). The laser light is absorbed by the material of the first chamber, in particular the silicon or glass, and thus heats the vapor cell.
Insbesondere kann die mindestens eine Dampfzelle aus Glas und/oder Silizium ausgebildet sein und beispielsweise rund, zylindrisch, würfelförmig, oval, etc. sein oder eine beliebige polygone Kontur aufweisen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform des Heizelements ist, dass die für das Messprinzip des NMR-Gyroskops erforderliche Magnetfeldkonfiguration durch diese Heizmethode nicht gestört wird und somit die Sensitivität und die Zuverlässigkeit einer Messung bei Verwendung der NMR-Dampfzellenanordnung in einem NMR-Gyroskop erhöht werden kann.In particular, the at least one vapor cell can be made of glass and/or silicon and can be round, cylindrical, cube-shaped, oval, etc., for example, or have any desired polygonal contour. An advantage of this embodiment of the heating element is that the magnetic field configuration required for the measuring principle of the NMR gyroscope is not disturbed by this heating method, and the sensitivity and reliability of a measurement can therefore be increased when using the NMR vapor cell arrangement in an NMR gyroscope.
Eine weitere Ausführungsform zum Heizen der Dampfzelle bzw. der Dampfzellen umfasst beispielsweise elektrisch leitende Drähte als Heizelemente, wobei über den durch die Drähte fließenden elektrischen Strom eine Temperatur der sich in der Dampfzelle befindlichen Medien einstellbar ist.A further embodiment for heating the steam cell or steam cells comprises, for example, electrically conductive wires as heating elements, with a temperature of the media located in the steam cell being adjustable via the electric current flowing through the wires.
Durch das Heizen lässt sich in der ersten Kammer die erste Temperatur einstellen. Über die Verbindungsstruktur sind die erste Kammer und die zweite Kammer miteinander thermisch gekoppelt. Daher ergibt sich beim Heizen der ersten Kammer ein Wärmefluss hin zur zweiten Kammer, welche folglich über die Verbindungsstruktur mitgeheizt bzw. passiv geheizt wird. Aufgrund des thermischen Widerstands der Verbindungsstruktur erhitzt sich die zweite Kammer auf die zweite Temperatur, welche insbesondere kleiner als die erste Temperatur ist. Im Gleichgewicht stellt sich somit ein Temperaturunterschied zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer ein. Insbesondere ist ein Temperaturunterschied von größer gleich 3° Celsius, insbesondere größer gleich 5° Celsius (C) somit erzielbar, wobei die Reservoirkammer auf der zum Betrieb des NMR-Gyroskops erforderlichen Temperatur von ca. 90°-100°C gehalten werden kann. Durch den Temperaturunterschied kann vorteilhafterweise ein Kondensieren des zweiten Mediums, insbesondere Rubidium, in der ersten Kammer dauerhaft verhindert werden, wodurch Messfehler und Funktionsausfälle des NMR-Gyroskops vermieden werden können.The first temperature can be set in the first chamber by heating. The first chamber and the second chamber are thermally coupled to one another via the connection structure. Therefore, when the first chamber is heated, there is a flow of heat towards the second chamber, which is consequently also heated or passively heated via the connection structure. Because of the thermal resistance of the connection structure, the second chamber heats up to the second temperature, which is in particular lower than the first temperature. In equilibrium, a temperature difference thus arises between the first chamber and the second chamber. In particular, a temperature difference of greater than or equal to 3° Celsius, in particular greater than or equal to 5° Celsius (C), can thus be achieved, with the reservoir chamber being able to be kept at the temperature of approximately 90°-100° C. required for operating the NMR gyroscope. The temperature difference can advantageously permanently prevent condensation of the second medium, in particular rubidium, in the first chamber, as a result of which measurement errors and functional failures of the NMR gyroscope can be avoided.
Als erstes Medium kann beispielsweise ein Edelgas wie Xenon (Xe), Neon (Ne), Krypton (Kr)oder Helium-3 (3He) verwendet werden. Als zweites Medium kann beispielsweise ein Alkalimetall wie Rubidium (Rb), insbesondere Rubidium 87 (87 Rb) oder Rubidium 85 (85 Rb), Cäsium (Cs), Kalium (K), etc. oder Quecksilber (Hg) verwendet werden. Das erste Medium und das zweite Medium können insbesondere gasförmig sein oder durch Heizen in einen gasförmigen Zustand überführbar sein. Insbesondere kann das zweite Medium bei der Herstellung der NMR-Dampfzellenanordnung in einem flüssigen Aggregatzustand in die zweite Kammer eingebracht werden.For example, a noble gas such as xenon (Xe), neon (Ne), krypton (Kr) or helium-3 ( 3 He) can be used as the first medium. For example, an alkali metal such as rubidium (Rb), in particular rubidium 87 ( 87 Rb) or rubidium 85 ( 85 Rb), cesium (Cs), potassium (K), etc. or mercury (Hg) can be used as the second medium. The first medium and the second medium can in particular be gaseous or by heating in one gaseous state can be converted. In particular, the second medium can be introduced into the second chamber in a liquid state of aggregation during the production of the NMR vapor cell arrangement.
Insbesondere wird das zweite Medium bei der Herstellung der Dampfzellenanordnung in einem festen oder flüssigen Zustand in die zweite Kammer eingebracht.In particular, the second medium is introduced into the second chamber in a solid or liquid state during the manufacture of the vapor cell arrangement.
Insbesondere liegt das zweite Medium in der ersten Kammer im Betrieb des NMR-Gyroskops lediglich in einem gasförmigen Zustand, nicht jedoch in einem festen oder flüssigen Zustand vor.In particular, the second medium in the first chamber is only in a gaseous state when the NMR gyroscope is in operation, but not in a solid or liquid state.
Die Durchlassanordnung umfasst die Verbindungsstruktur und mindestens einen Leitungskanal.The passage arrangement comprises the connection structure and at least one duct.
Eine Dimensionierung der Verbindungsstruktur umfasst sowohl die Beschreibung eines Materials, aus dem die Verbindungsstruktur gefertigt ist, als auch Form, Abmessungen und Querschnittsfläche der Verbindungsstruktur.A dimensioning of the connection structure includes both the description of a material from which the connection structure is made and the shape, dimensions and cross-sectional area of the connection structure.
In einer Ausführungsform erstreckt sich die Verbindungsstruktur in Form eines oder mehrerer Stege oder Brücken zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer. Sie kann insbesondere aus dem gleichen Material wie die Kammern - d. h. Glas, Silizium, etc. - oder aus einem von den Kammern abweichenden Material ausgebildet sein. Insbesondere kann die Verbindungsstruktur zumindest abschnittsweise krummlinig, eckig, mäanderförmig und/ oder gerade ausgeführt sein. Insbesondere kann die Verbindungsstruktur einen quadratischen, trapezförmigen, rechteckigen, runden oder beliebig geformten Querschnitt aufweisen.In one embodiment, the connection structure extends in the form of one or more webs or bridges between the first chamber and the second chamber. In particular, it can be made of the same material as the chambers--i.e. H. Glass, silicon, etc. - or be made of a material different from the chambers. In particular, the connection structure can be curvilinear, angular, meandering and/or straight, at least in sections. In particular, the connection structure can have a square, trapezoidal, rectangular, round or any shaped cross section.
Die Verbindungsstruktur wirkt als thermische Kopplung (Koppelstruktur) zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer. Sie weist einen thermischen Widerstand, welcher von der Dimensionierung der Verbindungsstruktur abhängt. Der thermische Widerstand ist ein Maß für eine Temperaturdifferenz, die in einem Objekt beim Hindurchtreten eines Wärmestromes (Wärme pro Zeiteinheit oder Wärmeleistung) entsteht. Beispielsweise über die Länge und die Querschnittsfläche der Verbindungsstruktur lässt sich der thermische Widerstand dieser Koppelstruktur und damit der Temperaturunterschied zwischen der beheizten ersten Kammer und der passiv geheizten zweiten Kammer gezielt einstellen. Die erste Kammer dient im NMR-Gyroskop als Messkammer. Die passiv über die Verbindungsstruktur in Abhängigkeit des thermischen Widerstands der Verbindungsstruktur mitgeheizte zweite Kammer dient im NMR-Gyroskop als Reservoirkammer. Ein Vorteil dessen, die zweite Kammer indirekt über die Verbindungsstruktur mitzuheizen, wobei sich ein Temperaturunterschied zwischen der ersten und der zweiten Kammer einstellt, besteht darin, dass vorteilhafterweise ein Kondensieren des zweiten Mediums, insbesondere Rubidium, in der ersten Kammer dauerhaft verhindert werden kann und somit die Funktion und Zuverlässigkeit der NMR-Dampfzellenanordnung sichergestellt werden kann.The connection structure acts as a thermal coupling (coupling structure) between the first chamber and the second chamber. It has a thermal resistance which depends on the dimensioning of the connection structure. Thermal resistance is a measure of the temperature difference that occurs in an object when a heat flow (heat per unit time or heat output) passes through it. For example, the thermal resistance of this coupling structure and thus the temperature difference between the heated first chamber and the passively heated second chamber can be adjusted in a targeted manner via the length and the cross-sectional area of the connecting structure. The first chamber serves as a measuring chamber in the NMR gyroscope. The second chamber, which is heated passively via the connection structure as a function of the thermal resistance of the connection structure, serves as a reservoir chamber in the NMR gyroscope. An advantage of also heating the second chamber indirectly via the connection structure, with a temperature difference being established between the first and second chambers, is that advantageously a condensation of the second medium, in particular rubidium, can be permanently prevented in the first chamber and thus the function and reliability of the NMR vapor cell arrangement can be ensured.
Die erste Kammer und die zweite Kammer sind insbesondere beabstandet zueinander angeordnet, wobei im Zwischenraum zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer ein Medium bzw. Material angeordnet ist, welches die erste Kammer und die zweite Kammer thermisch voneinander entkoppelt, sodass die thermische Kopplung vorzugsweise ausschließlich durch die Verbindungsstruktur erfolgt. Insbesondere weicht dieses Medium/ Material von dem Material, aus dem die erste Kammer, die zweite Kammer und die Verbindungsstruktur ausgebildet sind ab. Insbesondere kann sich ein gasförmiges Medium, wie beispielweise Luft, in dem Zwischenraum befinden. In einer Ausführungsform kann in dem Zwischenraum ein Vakuum vorliegen.The first chamber and the second chamber are in particular arranged at a distance from one another, with a medium or material being arranged in the space between the first chamber and the second chamber, which thermally decouples the first chamber and the second chamber from one another, so that the thermal coupling is preferably exclusively through the connection structure. In particular, this medium/material differs from the material from which the first chamber, the second chamber and the connecting structure are formed. In particular, a gaseous medium such as air can be located in the intermediate space. In one embodiment, there may be a vacuum in the gap.
Die Verbindungsstruktur verbindet die erste Kammer und die zweite Kammer über den Zwischenraum hinweg. Insbesondere erstreckt sich die Verbindungsstruktur stegförmig im Zwischenraum zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer von der ersten Kammer hin zur zweiten Kammer.The connection structure connects the first chamber and the second chamber across the gap. In particular, the connecting structure extends in the form of a bar in the intermediate space between the first chamber and the second chamber, from the first chamber to the second chamber.
Um ein Leiten des zweiten Mediums von der Reservoirkammer, in die das zweite Medium bei der Herstellung der NMR-Dampfzellenanordnung eingebracht wird, in die erste Kammer zu ermöglichen, wird der thermische Koppelsteg, d. h. die Verbindungsstruktur - vorzugsweise auf der Oberseite oder auch der Unterseite - mit einem Kanal versehen, der etwa halb so breit wie der Steg ist und wenige 10 bis einige 100 µm tief ist. Unter dem Leitungskanal kann insbesondere eine Struktur verstanden werden, welche dazu geeignet ist, einen Gasaustausch zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer zu ermöglichen. Beispielsweise kann sich der Leitungskanal röhren- oder tunnelförmig zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer erstrecken. Insbesondere kann der Leitungskanal einen runden, rechteckigen, quadratischen oder beliebig geformten Querschnitt aufweisen. Insbesondere kann der Leitungskanal auf die Verbindungsstruktur aufgebracht, zumindest teilweise oder vollständig in die Verbindungsstruktur eingebettet sein. Insbesondere kann ein erster Leitungskanal auf einer ersten Seite der Verbindungsstruktur von der ersten Kammer zur zweiten Kammer verlaufen. Alternativ oder ergänzend kann auf einer der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite der Verbindungsstruktur ein zweiter Leitungskanal, der von der ersten Kammer zur zweiten Kammer verläuft, angeordnet sein.In order to enable the second medium to be conducted from the reservoir chamber, into which the second medium is introduced during the manufacture of the NMR vapor cell arrangement, into the first chamber, the thermal coupling web, i. H. the connection structure - provided with a channel which is about half as wide as the web and a few 10 to a few 100 microns deep - preferably on the top or the bottom. The line channel can be understood in particular as a structure which is suitable for enabling gas exchange between the first chamber and the second chamber. For example, the duct can extend in the form of a tube or tunnel between the first chamber and the second chamber. In particular, the duct can have a round, rectangular, square or any shape cross-section. In particular, the duct can be applied to the connection structure, embedded at least partially or completely in the connection structure. In particular, a first line channel can run on a first side of the connection structure from the first chamber to the second chamber. Alternatively or additionally, a second line channel, which runs from the first chamber to the second chamber, can be arranged on a second side of the connecting structure opposite the first side.
Insbesondere kann das zweite Medium nur in einer Dampfphase durch den Leitungskanal in die erste Kammer gelangen.In particular, the second medium can only get into the first chamber through the duct in a vapor phase.
In einer Ausführungsform umfasst die Verbindungsstruktur mindestens einen, insbesondere jedoch größer gleich zwei Kopplungsstege, von denen alle, mehr als einer oder nur einer jeweils mit mindestens einem Austauschkanal (Leitungskanal) für das erste und zweite Medium (beispielsweise Xe- und Rb-Gas) versehen sind. Ein Vorteil ist, dass somit vorteilhafterweise bei gleichem thermischen Widerstand der Verbindungsstruktur die erste Kammer und die zweite Kammer näher beieinander angeordnet werden können.In one embodiment, the connection structure comprises at least one, but in particular greater than or equal to two coupling webs, all of which, more than one or only one are each provided with at least one exchange channel (line channel) for the first and second medium (e.g. Xe and Rb gas). are. One advantage is that the first chamber and the second chamber can thus advantageously be arranged closer together with the same thermal resistance of the connection structure.
Ein Verfahren zur Herstellung der NMR-Dampfzellenanordnung, umfasst die Schritte:
- • Strukturieren einer Grundplatte zum Erzeugen der ersten Kammer, der zweiten Kammer und der Durchlassanordnung, wobei die Durchlassanordnung den mindestens einen Leitungskanal und die mindestens eine Verbindungsstruktur umfasst;
- • Einbringen des zweiten Mediums in die zweite Kammer, wobei das Medium in einem festen oder flüssigen Aggregatzustand vorliegt;
- • Aufbringen einer Deckplatte auf die strukturierte Grundplatte zum Verschließen der ersten Kammer, der zweiten Kammer und/oder des mindestens einen Leitungskanals.
- • structuring a base plate to create the first chamber, the second chamber and the passage arrangement, wherein the passage arrangement comprises the at least one duct and the at least one connection structure;
- • introducing the second medium into the second chamber, the medium being present in a solid or liquid state of aggregation;
- • Applying a cover plate to the structured base plate to close the first chamber, the second chamber and/or the at least one duct.
Vorteile sind, dass die NMR-Dampfzellenanordnungen in MEMS-Technologie in großer Stückzahl, zu geringen Kosten und mit hoher Präzision hergestellt werden können. Insbesondere können mehrere NMR-Dampfzellenanordnungen gemäß den vorstehenden Verfahren hergestellt werden, indem beim Strukturieren einer Grundplatte mehrere, insbesondere mindestens zwei erste Kammern, sowie mehrere, insbesondere mindestens zwei zweite Kammern und mehrere, insbesondere mindestens zwei Durchlassanordnungen hergestellt werden, wobei jede der Durchlassanordnungen mindestens einen Leitungskanal und mindestens eine Verbindungsstruktur umfasst. Anschließend können die NMR-Dampfzellenanordnungen vereinzelt werden. Hierzu kann der Schichtstapel aus strukturierter Grundplatte und Deckplatte in einem Dicing-Schritt zerteilt werden.The advantages are that the NMR vapor cell configurations using MEMS technology can be manufactured in large numbers, at low cost and with high precision. In particular, several NMR vapor cell arrangements can be produced according to the above methods by producing several, in particular at least two, first chambers and several, in particular at least two, second chambers and several, in particular at least two passage arrangements when structuring a base plate, with each of the passage arrangements having at least one Includes duct and at least one connection structure. The NMR vapor cell assemblies can then be separated. For this purpose, the stack of layers of structured base plate and cover plate can be divided in a dicing step.
Die Verbindung zwischen den der Grundplatte und der Deckplatte wird vorzugsweise mittels anodischem Bonden hergestellt. Alternativ oder ergänzend kann die Verbindung auch durch direktes Waferbonden, Thermokompressionsbonden, o.ä. Bondverfahren sowie durch die Verbindung mit Sealglass hergestellt werden.The connection between the base plate and the cover plate is preferably produced by means of anodic bonding. Alternatively or in addition, the connection can also be made by direct wafer bonding, thermocompression bonding, or similar bonding methods and by connecting with seal glass.
Eine Dicke der Grundplatte beträgt insbesondere einen Millimeter (1 mm) oder mehr als einen Millimeter oder weniger als einen Millimeter..A thickness of the base plate is in particular one millimeter (1 mm) or more than one millimeter or less than one millimeter.
In einer Ausführungsform werden die erste Kammer, die zweite Kammer und die Verbindungsstruktur sowie der Leitungskanal durch Strukturieren der Grundplatte (auch Wafer oder Substrat genannt) hergestellt, wobei die Grundplatte beispielsweise aus Silizium ausgebildet ist.In one embodiment, the first chamber, the second chamber and the connection structure as well as the duct are produced by structuring the base plate (also called wafer or substrate), the base plate being made of silicon, for example.
Alternativ oder ergänzend kann die Grundplatte aus Glas ausgebildet sein. Ein Vorteil der Herstellung in Glas ist aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit von Glas, dass das Einstellen des Temperaturunterschieds von größer gleich 3° Celsius, insbesondere von größer gleich 5° Celsius, bereits bei sehr kleinen Kammerabständen von wenigen 100 µm, beispielsweise 200 µm, realisiert werden kann, was zu einer geringeren Baugröße der gesamten NMR-Dampfzellenanordnung führt und somit vorteilhafterweise eine Miniaturisierung der NMR-Dampfzellenanordnung ermöglicht.Alternatively or additionally, the base plate can be made of glass. One advantage of production in glass, due to the lower thermal conductivity of glass, is that the setting of the temperature difference of greater than or equal to 3° Celsius, in particular greater than or equal to 5° Celsius, can already be achieved with very small chamber distances of a few 100 μm, for example 200 μm can, which leads to a smaller size of the entire NMR vapor cell assembly and thus advantageously allows miniaturization of the NMR vapor cell assembly.
Gemäß einer Ausführungsform wird die NMR-Dampfzellenanordnung mit definierter, d. h. durch die Dimensionierung der Verbindungsstruktur festgelegter, thermischer Kopplung der Kammern in MEMS-Technologie hergestellt. Insbesondere umfasst die NMR-Dampfzellenanordung einen Dreifach-Stapel aus einem unteren Wafer (Bodenplatte), einem strukturierten Wafer (Grundplatte) und einem oberen Wafer (Deckplatte), wobei der strukturierte Wafer zwischen dem unteren Wafer und dem oberen Wafer angeordnet ist. Insbesondere kann der strukturierte Wafer aus Silizium, Glas, o.ä. ausgeführt sein. Der untere Wafer und der obere Wafer können beispielsweise jeweils als Glas-Wafer ausgeführt sein. Die Verbindung zwischen den drei Wafern wird vorzugsweise mittels anodischem Bonden hergestellt. Alternativ oder ergänzend kann die Verbindung auch durch direktes Waferbonden, Thermokompressionsbonden, o.ä. Bondverfahren sowie durch die Verbindung mit Sealglass hergestellt werden. Die Strukturierung des mittleren Wafers (Grundplatte) erfolgt derart, dass zwei separierte Kammern - die Messkammer und die Reservoirkammer - als durch die gesamte Dicke des strukturierten Wafers (z. B. Silizium-Wafer) gehende Öffnungen erzeugt werden. Die umgebenden Material-Flächen (insbesondere Si-Flächen) dieser Öffnungen stehen durch die thermische Koppelstruktur (Verbindungsstruktur) in Verbindung als gerader oder mäanderförmiger Steg, der sich von der oberen bis zu unteren Oberfläche des Siliziumwafers erstreckt. Über die Wahl der Abmessungen, wie beispielsweise der Länge, der Querschnittsfläche, etc. lässt sich der thermische Widerstand dieser Koppelstruktur und damit der Temperaturunterschied zwischen per Laser beheizter Messkammer und passiv beheizter Reservoirkammer gezielt einstellen, um ein Kondensieren des Rb in der Messkammer dauerhaft zu verhindern. Damit ein Austausch des zweiten Mediums von der Reservoirkammer, in die dieses bei der Herstellung des Chips eingebracht wird, in die Messkammer zu ermöglichen, wird der thermische Koppelsteg auf der Oberseite und/oder auch der Unterseite mit mindestens einem Kanal versehen, der sich von der ersten Kammer zur zweiten Kammer erstreckt. Dieser Kanal ist etwa halb so breit wie der Steg und wenige 10 µm bis einige 100 µm, größer gleich 10 µm und kleiner gleich 200 µm, tief.According to one embodiment, the NMR vapor cell arrangement is produced with a defined thermal coupling of the chambers, ie, one that is fixed by the dimensioning of the connection structure, using MEMS technology. In particular, the NMR vapor cell assembly includes a triple stack of a bottom wafer (bottom plate), a patterned wafer (base plate), and a top wafer (top plate), with the patterned wafer sandwiched between the bottom wafer and the top wafer. In particular, the structured wafer can be made of silicon, glass or the like. The lower wafer and the upper wafer can each be designed as a glass wafer, for example. The connection between the three wafers is preferably established by means of anodic bonding. Alternatively or in addition, the connection can also be made by direct wafer bonding, thermocompression bonding, or similar bonding methods and by connecting with seal glass. The middle wafer (base plate) is structured in such a way that two separate chambers—the measuring chamber and the reservoir chamber—are created as openings that go through the entire thickness of the structured wafer (e.g. silicon wafer). The surrounding material surfaces (in particular Si surfaces) of these openings are connected by the thermal coupling structure (connection structure) as a straight or meandering ridge that extends from the upper to the lower surface of the silicon wafer. The thermal resistance of this coupling structure and thus the temperature difference between the laser-heated measuring chamber and the passively heated reservoir can be adjusted by selecting the dimensions, such as the length, the cross-sectional area, etc chamber in order to permanently prevent Rb from condensing in the measuring chamber. In order to enable an exchange of the second medium from the reservoir chamber, into which it is introduced during production of the chip, into the measuring chamber, the thermal coupling web is provided with at least one channel on the top and/or the bottom, which extends from the first chamber extends to the second chamber. This channel is about half as wide as the web and a few 10 μm to a few 100 μm, greater than or equal to 10 μm and less than or equal to 200 μm deep.
Das Strukturieren der Grundplatte zum Erzeugen des mindestens einen Leitungskanals kann in einer Ausführungsform mindestens einen der nachfolgenden Schritte umfassen:
- • Aufbringen einer ersten Fotomaske, insbesondere umfassend einen Positivlack, auf die Grundplatte zur fotolithografischen Strukturierung des mindestens einen Leitungskanals;
- • Anwenden eines Ätzprozesses, insbesondere reaktives Ionentiefenätzen (DRIE-Prozess), zum Erzeugen des mindestens einen Leitungskanals in der Grundplatte. Die Ätztiefe liegt insbesondere in einem Bereich von größer gleich 10 µm bis kleiner gleich 200 µm, beispielsweise 50 µm, sodass der mindestens eine Leitungskanal folglich eine Tiefe im Bereich von größer gleich 10 µm
bis kleiner gleich 200, beispielsweise 50 µm, aufweist. - • Entfernen der ersten Fotomaske.
- • Application of a first photomask, in particular comprising a positive resist, to the base plate for photolithographic structuring of the at least one duct;
- • Applying an etching process, in particular deep reactive ion etching (DRIE process), to produce the at least one line channel in the base plate. The etching depth is in particular in a range from greater than or equal to 10 μm to less than or equal to 200 μm, for example 50 μm, so that the at least one line channel consequently has a depth in the range from greater than or equal to 10 μm to less than or equal to 200, for example 50 μm.
- • Removal of the first photomask.
In einer Ausführungsform erfolgt nach dem Strukturieren der Grundplatte zum Erzeugen des mindestens einen Leitungskanals ein Nasschemisches Reinigen der Grundplatte, der Bodenplatte (sofern vorhanden) und/oder der Deckplatte, beispielsweise durch einen RCA-Reinigungsschritt.In one embodiment, after structuring the base plate to create the at least one duct, the base plate, the base plate (if present) and/or the cover plate are wet-chemically cleaned, for example by an RCA cleaning step.
In einer Ausführungsform umfasst das Strukturieren der Grundplatte zum Erzeugen der ersten Kammer, der zweiten Kammer und der Verbindungsstruktur mindestens einen der nachfolgenden Schritte:
- • Aufbringen einer Maske auf die Grundplatte, wobei das Aufbringen der Maske insbesondere die nachfolgenden Schritte umfassen kann:
- ◯ Thermisches Oxidieren der Grundplatte, insbesondere kann das Oxid auf einer Unterseite der Grundplatte entfernt werden und eine Bodenplatte (beispielsweise ein Glaswafer) auf der Unterseite der Grundplatte angeordnet werden. Die Grundplatte und die Bodenplatte können beispielsweise durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden;
- ◯ Aufbringen einer zweiten Fotomaske auf die thermisch oxidierte Grundplatte, insbesondere auf eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite der thermisch oxidierten Grundplatte, zur fotolithografischen Strukturierung der ersten Kammer und der zweiten Kammer, wobei die zweite Fotomaske insbesondere einen Positivlack umfasst;
- ◯ Anwenden eines Ätzprozesses, insbesondere eines Trockenätzprozesse, bei dem die Strukturierung der Fotomaske auf die Oxidschicht der Grundplatte übertragen wird, d. h. die Oxidschicht wird durch den Ätzprozess in den Bereichen entfernt, in denen die erste Kammer, die zweite Kammer und die Verbindungsstruktur erzeugt werden sollen;
- ◯ Entfernen der zweiten Fotomaske;
- • Aufbringen einer metallischen Schicht, insbesondere einer Aluminium-Schicht, auf eine Unterseite der Bodenplatte, welche einer Oberseite der Bodenplatte, die mit der Grundplatte verbunden ist, gegenüberliegt;
- • Anwenden eines Ätzprozesses, insbesondere eines Tiefenätzprozesses, bei dem die Strukturierung der Oxidschicht auf die Grundplatte übertragen wird und somit die erste Kammer, die zweite Kammer und die Verbindungsstruktur ausgebildet werden;
- • Entfernen der Maske, insbesondere der strukturierten Oxidschicht, dieser Schritt erfolgt beispielsweise durch einen Nassätzprozess
- • Applying a mask to the base plate, whereby the application of the mask can include the following steps in particular:
- ◯ Thermal oxidation of the base plate, in particular the oxide on a bottom side of the base plate can be removed and a bottom plate (e.g. a glass wafer) can be arranged on the bottom side of the base plate. The base plate and the bottom plate can be connected to one another, for example, by anodic bonding;
- ◯ Application of a second photomask to the thermally oxidized base plate, in particular to an upper side of the thermally oxidized base plate opposite the underside, for photolithographic structuring of the first chamber and the second chamber, the second photomask comprising in particular a positive resist;
- ◯ Applying an etching process, in particular a dry etching process, in which the structure of the photomask is transferred to the oxide layer of the base plate, i.e. the oxide layer is removed by the etching process in the areas in which the first chamber, the second chamber and the connection structure are to be created ;
- ◯ removing the second photomask;
- • Application of a metallic layer, in particular an aluminum layer, to an underside of the base plate which is opposite an upper side of the base plate which is connected to the base plate;
- • Applying an etching process, in particular a deep etching process, in which the structuring of the oxide layer is transferred to the base plate and the first chamber, the second chamber and the connection structure are thus formed;
- • Removal of the mask, in particular the structured oxide layer, this step is carried out, for example, by a wet etching process
In einer Ausführungsform kann - beispielsweise durch Atomlagenabscheidung (englisch atomic layer deposition, ALD) - eine dünne Schicht Aluminiumoxid (Al2O3) auf die strukturierte Oberseite der Grundplatte und/oder die Oberfläche der Deckplatte, die mit der strukturierten Grundplatte verbunden werden soll, aufgebracht werden.In one embodiment - for example by atomic layer deposition (ALD) - a thin layer of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) on the structured upper side of the base plate and / or the surface of the cover plate, which is to be connected to the structured base plate, be raised.
In einer Ausführungsform umfasst der Schritt Einbringen des zweiten Mediums in die zweite Kammer, mindestens einen der nachfolgenden Schritte:
- • Einbringen des zweiten Mediums in die zweite Kammer in Form einer wässrigen Lösung, wobei als zweites Medium beispielsweise Rubidiumazid (RbN3) verwendet wird;
- • Trocknen des zweiten Mediums, wobei als zweites Medium beispielsweise Rubidiumazid (RbN3) als wässrige Lösung vorliegt.
- • introducing the second medium into the second chamber in the form of an aqueous solution, rubidium azide (RbN 3 ), for example, being used as the second medium;
- • Drying of the second medium, rubidium azide (RbN 3 ), for example, being present as an aqueous solution as the second medium.
Das erste Medium kann beispielsweise direkt vor dem Anodischen Bonden von der Deckplatte auf die Grundplatte eingebracht werden. Das geschieht insbesondere in dem Bond-Tool selbst.The first medium can, for example, be introduced from the cover plate to the base plate directly before the anodic bonding. This happens in particular in the bond tool itself.
In einer Ausführungsform erfolgt eine Aktivierung des zweiten Mediums in der zweiten Kammer durch Einstrahlen von ultravioletter Strahlung (UV-Strahlung), insbesondere erfolgt die UV-Aktivierung durch Bestrahlen des zweiten Mediums für vierundzwanzig Stunden mit UV-Strahlung. Die Aktivierung des zweiten Mediums, kann insbesondere auch durch Bestrahlung mit einem UV-Laser erfolgen.In one embodiment, the second medium in the second chamber is activated by irradiating it with ultraviolet radiation (UV radiation), in particular UV activation takes place by exposing the second medium to UV radiation for twenty-four hours. The second medium can also be activated, in particular, by irradiation with a UV laser.
In einer Ausführungsform umfasst die NMR-Dampfzellenanordnung die Grundplatte, die Deckplatte und eine Bodenplatte.In one embodiment, the NMR vapor cell assembly includes the base plate, the top plate, and a bottom plate.
In einer Ausführungsform können die Grundplatte, die Deckplatte und/oder die Bodenplatte mehrschichtig ausgebildet sein. Folglich kann die NMR-Dampfzellenanordnung zwei Wafer, drei Wafer oder mehr als drei Wafer umfassen.In one embodiment, the base plate, the cover plate and/or the base plate can be multi-layered. Thus, the NMR vapor cell assembly may include two wafers, three wafers, or more than three wafers.
Vorteile eines NMR-Gyroskops, umfassend die NMR-Dampfzellenanordnung ergeben sich aus den vorgenannten Vorteilen der NMR-Dampfzellenanordnung gemäß der jeweiligen Ausführungsform.Advantages of an NMR gyroscope including the NMR vapor cell arrangement result from the aforementioned advantages of the NMR vapor cell arrangement according to the respective embodiment.
Ein Verfahren zum Betreiben des NMR-Gyroskops umfasst die Schritte:
- • Einstellen der ersten Temperatur in der ersten Kammer durch Heizen, wobei die Verbindungsstruktur zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer derart dimensioniert ist, dass durch Einstellen der ersten Temperatur in der ersten Kammer aufgrund der thermischen Kopplung eine zweite Temperatur in der zweiten Kammer erzeugt wird, wobei die erste Temperatur von der zweiten Temperatur abweicht;
- • Erzeugen einer synchronisierten Präzessionsbewegung polarisierter Kernspins des ersten Mediums in der ersten Kammer;
- • Optisches Auslesen der synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins in der ersten Kammer, welches einen Schritt Erfassen eines Messsignals umfasst;
- • Bestimmen einer Drehmessgröße der Drehung des NMR-Gyroskops aus dem Messsignal.
- • Setting the first temperature in the first chamber by heating, wherein the connection structure between the first chamber and the second chamber is dimensioned such that a second temperature is generated in the second chamber by setting the first temperature in the first chamber due to the thermal coupling , wherein the first temperature differs from the second temperature;
- • generating a synchronized precession motion of polarized nuclear spins of the first medium in the first chamber;
- • Optical readout of the synchronized precession movement of the polarized nuclear spins in the first chamber, which includes a step of acquiring a measurement signal;
- • Determination of a rotational variable of the rotation of the NMR gyroscope from the measurement signal.
D. h., dass die zweite Kammer aufgrund der thermischen Kopplung mittels der Verbindungsstruktur somit insbesondere passiv geheizt wird.This means that the second chamber is thus heated, in particular passively, due to the thermal coupling by means of the connection structure.
Ein Temperaturunterschied zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur ist insbesondere durch eine Dimensionierung der Verbindungsstruktur festgelegt.A temperature difference between the first temperature and the second temperature is determined in particular by a dimensioning of the connection structure.
Ein Vorteil ist, dass aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen der ersten und der zweiten Kammer eine Kondensation des zweiten Mediums in der Messkammer (erste Kammer), welche durch den mindestens einen Leitungskanal von der Reservoirkammer (zweite Kammer) in die Messkammer gelangt, dauerhaft vermieden werden kann, und damit Messfehler oder Funktionsausfälle in einem NMR-basierten Gyroskop, welches die NMR-Dampfzellenanordnung umfasst, nachhaltig vermieden werden können.One advantage is that due to the temperature difference between the first and the second chamber, condensation of the second medium in the measuring chamber (first chamber), which enters the measuring chamber through the at least one duct from the reservoir chamber (second chamber), can be permanently avoided , and thus measurement errors or functional failures in an NMR-based gyroscope, which includes the NMR vapor cell arrangement, can be avoided in the long term.
Beispiele von Drehmessgrößen sind die Drehrate oder die Rotationsfrequenz der Drehung des NMR-Gyroskops.Examples of rotation quantities are the rotation rate or the rotation frequency of the rotation of the NMR gyroscope.
Beim Erfassen des Messsignals kann beispielsweise ein Auslese-Lichtstrahl zunächst die erste Kammer der NMR-Dampfzellenanordnung durchstrahlen, wobei der Auslese-Lichtstrahl nach Passieren der ersten Kammer beispielsweise durch eine Detektionsanordnung aufgenommen werden kann. Der Auslese-Lichtstrahl wird dort wie nachfolgend beschrieben in ein Messsignal, beispielsweise in Form eines elektrischen Signals, umgewandelt.When detecting the measurement signal, for example, a readout light beam can first radiate through the first chamber of the NMR vapor cell arrangement, in which case the readout light beam can be recorded, for example, by a detection arrangement after passing through the first chamber. The read-out light beam is converted there into a measurement signal, for example in the form of an electrical signal, as described below.
Das Wirkprinzip des NMR-Gyroskops basiert auf den folgenden Schritten: Durch optisches Pumpen wird der Elektronenspin eines Alkalimetalldampfes, wie beispielsweise Rubidium (Rb) in einer Dampfzelle polarisiert. Insbesondere können als Alkalimetall Rubidium 87 (87 Rb) oder Rubidium 85 (85 Rb), Cäsium (Cs), Kalium (K), etc. verwendet werden. In der Dampfzelle ist des Weiteren ein Edelgas, wie beispielsweise Xenon (Xe), Neon (Ne), Krypton (Kr)oder Helium-3 (3He) angeordnet.The operating principle of the NMR gyroscope is based on the following steps: The electron spin of an alkali metal vapor such as rubidium (Rb) is polarized in a vapor cell by optical pumping. Specifically, as the alkali metal, rubidium 87 ( 87 Rb) or rubidium 85 ( 85 Rb), cesium (Cs), potassium (K), etc. can be used. An inert gas such as xenon (Xe), neon (Ne), krypton (Kr) or helium-3 ( 3 He) is also arranged in the vapor cell.
Durch eine starke Elektron-Kernspin-Wechselwirkung zwischen dem Edelgas und dem Alkalimetall führt die Elektronenspin-Polarisation zu einer Polarisation der Kernspins des Edelgases. Ein Vormagnetisierungsfeld, welchem die Dampfzelle ausgesetzt ist, gibt eine Richtung vor, um welche die polarisierten Kernspins des Edelgases präzedieren. Durch Anlegen eines oszillierenden Magnetfeldes (magnetisches Wechselfeld), welches mindestens eine Komponente orthogonal zu der Richtung des Vormagnetisierungsfeldes aufweist, wird die Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins um die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes synchronisiert, sodass alle polarisierten Kernspins in Phase miteinander mit der Larmorfrequenz (sofern keine äußere Drehrate an dem NMR-Gyroskop anliegt) um die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes präzedieren, d. h. eine kollektiv kohärenten Präzessionsbewegung ausführen, was zu einer harmonisch oszillierenden makroskopischen Magnetisierung führt. Die Frequenz des oszillierenden Magnetfeldes stimmt vorzugsweise mit der Larmorfrequenz der polarisierten Kernspins überein. Die Elektronenspins des Alkalimetalls sind sensitiv auf die durch die gleichphasige Kernspinpräzession hervorgerufene periodische Magnetfeldänderung. Somit ist es möglich, die gleichphasige Kernspinpräzession auf die Elektronenspins des Alkalimetalls zu übertragen. Die Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins kann somit in ein auslesbares elektrisches Signal umgewandelt werden. Hierzu kann die Dampfzelle beispielsweise mit einem linear polarisierten Auslese-Lichtstrahl beleuchtet werden. Beim Durchlaufen der Dampfzelle wird die Polarisation des Auslese-Lichtstrahls periodisch gedreht, was durch die Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins hervorgerufen wird (Faraday Effekt). Der Faraday Effekt beschreibt die Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle in einem Medium, wenn darin ein Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle herrscht. Die periodische Drehung der Polarisation des Auslese-Lichtstrahls kann beispielsweise durch eine Detektionsanordnung in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Beispielsweise kann vor der Fotodiode ein Polarisationsfilter angeordnet sein, der zu einer Abschwächung des Auslese-Lichtstrahls in Abhängigkeit von dieser Polarisationsdrehung führt, so dass an der Fotodiode eine Intensitätsschwankung beobachtet werden kann, die mit der Larmorfrequenz der Kernspins des ersten Mediums moduliert ist. Diese Intensitätsschwankung kann beispielsweise in Form eines elektrischen Signals erfasst werden und als Messsignal, welches ein Maß für die sich periodisch ändernde Strahlungsintensität ist, verwendet werden. Im Falle eines ruhenden Mess-Systems ist diese Larmorfrequenz gleich dem Produkt aus dem gyromagnetischen Verhältnis der Kerne des zweiten Mediums und dem Vormagnetisierungsfeld. Im Falle eines gleichförmig rotierenden Mess-System misst man eine um diese Rotationsfrequenz des Mess-Systems höhere oder niedrigere Larmorfrequenz, was dazu genutzt wird, die Rotationsfrequenz (Drehrate) des Mess-Systems zu bestimmen.Due to a strong electron-nuclear spin interaction between the noble gas and the alkali metal, the electron spin polarization leads to a polarization of the nuclear spins of the noble gas. A bias field to which the vapor cell is subjected dictates a direction about which the polarized nuclear spins of the noble gas precess. By applying an oscillating magnetic field (AC magnetic field), which has at least one component orthogonal to the direction of the bias field, the precession motion of the polarized nuclear spins around the direction of the bias field is synchronized, so that all polarized nuclear spins are in phase with each other at the Larmor frequency (if no external rotation rate applied to the NMR gyro) precess around the direction of the bias field, ie perform a collectively coherent precession motion, resulting in a harmonically oscillating macroscopic magnetization. The frequency of the oscillating magnetic field preferably matches the Larmor frequency of the polarized nuclear spins. The electron spins of the alkali metal are sensitive to the periodic magnetic field change caused by the in-phase nuclear spin precession. So it is possible lich to transfer the in-phase nuclear spin precession to the electron spins of the alkali metal. The precession movement of the polarized nuclear spins can thus be converted into a readable electrical signal. For this purpose, the vapor cell can be illuminated with a linearly polarized readout light beam, for example. When passing through the vapor cell, the polarization of the readout light beam is rotated periodically, which is caused by the precession movement of the polarized nuclear spins (Faraday effect). The Faraday effect describes the rotation of the plane of polarization of a linearly polarized electromagnetic wave in a medium when there is a magnetic field parallel to the direction of propagation of the wave. The periodic rotation of the polarization of the read-out light beam can be converted into an electrical signal by a detection arrangement, for example. For example, a polarization filter can be arranged in front of the photodiode, which leads to an attenuation of the read-out light beam as a function of this polarization rotation, so that an intensity fluctuation can be observed at the photodiode, which is modulated with the Larmor frequency of the nuclear spins of the first medium. This intensity fluctuation can be detected, for example, in the form of an electrical signal and used as a measurement signal, which is a measure of the periodically changing radiation intensity. In the case of a measuring system at rest, this Larmor frequency is equal to the product of the gyromagnetic ratio of the nuclei of the second medium and the bias field. In the case of a uniformly rotating measuring system, a Larmor frequency that is higher or lower by this rotational frequency of the measuring system is measured, which is used to determine the rotational frequency (angular rate) of the measuring system.
Das zweite Medium sollte im Betrieb des NMR-Gyroskops als Dampf mit konstantem Druck in der Messzelle, d.h. der ersten Kammer, vorliegen. Dies erfordert ein aktives Beheizen der ersten Kammer auf ca. 115° Celsius. Dies kann beispielsweise wie vorstehend beschrieben durch einen Infrarot-Laser erfolgen.During operation of the NMR gyroscope, the second medium should be present as vapor with constant pressure in the measuring cell, i.e. the first chamber. This requires active heating of the first chamber to approx. 115° Celsius. This can be done, for example, as described above, using an infrared laser.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description. The same reference symbols in the figures denote the same or equivalent elements.
Es zeigen
-
1a bis1d eine Darstellung des Wirkprinzips eines NMR-Gyroskops, -
2 eine dreidimensionale Ansicht einer NMR-Dampfzellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel, -
3 eine dreidimensionale Ansicht einer strukturierten Grundplatte einer NMR-Dampfzellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel, -
4 einen Querschnitt durch dieDurchlassanordnung der 2 , -
5 einen Querschnitt durch die erste Kammer und die zweiteKammer der 2 , -
6 eine Temperaturverteilungsfunktion in einer NMR-Dampfzellenanordung gemäß einem Ausführungsbeispiel, -
7 einen Aufbau eines NMR-Gyroskops, umfassend eine NMR-Dampfzellenanordnung, gemäß einem Ausführungsbeispiel, -
8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer NMR-Dampfzellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel, -
9 eine Aufsicht einer strukturierten Grundplatte einer NMR-Dampfzellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel -
10 bis27 jeweils einen Querschnitt der in9 gezeigten NMR-Dampfzellenanordnung während der verschiedenen Herstellungsschritte und -
28 ein Verfahren zur Verwendung eines NMR-Gyroskops gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1a until1d a representation of the operating principle of an NMR gyroscope, -
2 a three-dimensional view of an NMR vapor cell arrangement according to an embodiment, -
3 a three-dimensional view of a structured base plate of an NMR vapor cell arrangement according to an embodiment, -
4 a cross section through the passage arrangement of2 , -
5 a cross section through the first chamber and the second chamber of2 , -
6 a temperature distribution function in an NMR vapor cell arrangement according to an embodiment, -
7 a structure of an NMR gyroscope, comprising an NMR vapor cell arrangement, according to an embodiment, -
8th a flowchart of a method for producing an NMR vapor cell arrangement according to an embodiment, -
9 a top view of a structured base plate of an NMR vapor cell arrangement according to an embodiment -
10 until27 each a cross-section of the in9 shown NMR vapor cell arrangement during the various manufacturing steps and -
28 a method of using an NMR gyroscope according to an embodiment.
Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention
In den
In
Die durch optisches Pumpen hervorgerufene Elektronenspin-Polarisation führt durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium und dem ersten Medium zu einer Polarisation der Kernspins 2011 des ersten Mediums. Dadurch erfolgt, wie dies in
In
Durch das Anlegen des mangetischen Wechselfeldes 2015 werden die Präzessionsbewegungen der Kernspins 2011 synchronisiert, sodass sie gleichphasig zueinander präzedieren. Diese gleichphasige Kernspin-Präzessionsbewegung sorgt dafür, dass die resultierende Magnetisierung 2014 präzediert und somit eine periodische Magnetfeldänderung bewirkt, wie dies in
By applying the alternating
Diese periodische Magnetfeldänderung wirkt zurück auf die Elektronenspins 2012 und kann durch den Faraday Effekt im zweiten Medium mit einem Auslese-Laser nachgewiesen werden, wie dies in
Die Durchlassanordnung 103 umfasst einen Leitungskanal 1030 und eine Verbindungsstruktur 1031. Diese können insbesondere durch Strukturieren der Grundplatte aus dem Material der Grundplatte ausgebildet werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsstruktur 1031 mäanderförmig ausgebildet. Auf ihrer Oberseite, d. h. auf einer der Deckplatte 107 zugewandten Seite der Verbindungsstruktur ist eine kanalförmige Vertiefung in die Verbindungsstruktur 1031 eingelassen, welche sich von der ersten Kammer 101 zur zweiten Kammer 102 erstreckt und jeweils zu den Kammern 101, 102 hin offen ist, sodass insbesondere gasförmige Medien zwischen den Kammern 101, 102 ausgetauscht werden können. Die Deckplatte 107 und die Verbindungsstruktur 1031 bilden die Begrenzungsflächen der kanalförmigen Vertiefung, welche als Leitungskanal 1030 zwischen den Kammern 101, 102 ausgebildet ist. In einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Leitungskanal 1030 alternativ oder ergänzend auf einer der Bodenplatte zugewandten Seite der Verbindungsstruktur 1031 ausgebildet sein. Insbesondere können auch mehrere Verbindungsstrukturen 1031 zwischen den Teilplatten 1010, 1021 angeordnet sein, wobei zumindest eine der Verbindungsstrukturen 1031 einen oder mehrere Leitungskanäle 1030 aufweist.The
In der zweiten Kammer 102 ist das zweite Medium 1020 angeordnet, welches beispielsweise in einer wässrigen Lösung oder in einer festen Form bei der Herstellung in die zweite Kammer 102 eingebracht wurde. Insbesondere ist das zweite Medium derart gewählt, dass die Elektronenspins des zweiten Mediums 1020 durch optisches Pumpen polarisierbar sind. Daher eignen sich beispielsweise Alkalimetalle wie Rubidium (Rb), insbesondere Rubidium 87 (87 Rb) oder Rubidium 85 (85 Rb), Cäsium (Cs), Kalium (K), etc. oder Quecksilber (Hg) als zweites Medium 1020. In der ersten Kammer 101 ist das erste Medium, insbesondere in einem gasförmigen Zustand, eingebracht. Insbesondere ist das erste Medium derart gewählt, dass die Kernspins des ersten Mediums, wie oben beschrieben, durch die Elektron-Kernspin Wechselwirkung polarisierbar sind. Hierzu eignen sich insbesondere Edelmetalle wie Xenon (Xe), Neon (Ne), Krypton (Kr)oder Helium-3 (3He) als erstes Medium. Das gasförmige erste Medium kann sich entlang der Verbindungsstruktur auch zur zweiten Kammer ausbreiten.The second medium 1020 is arranged in the
Die NMR-Dampfzellenanordnung 100 umfasst des Weiteren eine Heizvorrichtung 104, welche auf eine thermisch mit der ersten Kammer verbundenen Umgebung 1011 gerichtet ist. Insbesondere wird diese Umgebung durch die Heizvorrichtung auf eine Temperatur aufgeheizt, wobei sich die erste Teilplatte 1010 und die Deckplatte, insbesondere in der Umgebung 1011 der ersten Kammer 101, erwärmen. Die erste Teilplatte 1010 bildet die seitlichen Begrenzungsflächen der ersten Kammer 101 und die Deckplatte 107 die obere Begrenzungsfläche, sodass ein Heizen der Umgebung 1011 ein Heizen der ersten Kammer 101 bewirkt. Insbesondere wird die Umgebung 1011 derart geheizt, dass sich in der ersten Kammer 101 eine erste Temperatur einstellt, wobei die erste Temperatur insbesondere im Bereich zwischen ca. 95° Celsius und ca. 105° Celsius liegt. Insbesondere kann die Heizvorrichtung einen Heizlaser umfassen. Insbesondere kann die Leistung des Heizlasers etwa 50 mW betragen. Alternativ oder ergänzend kann die Heizvorrichtung 104 an der ersten Kammer 101 angeordnet sein.The NMR
Die Verbindungsstruktur 1031 stellt eine thermische Kopplung zwischen der ersten Kammer 101 und der zweiten Kammer 102 dar. D. h. eine Temperaturänderung in der ersten Kammer führt zu einer Temperaturänderung der zweiten Kammer 102, anders gesagt wird die zweite Kammer 102 passiv durch die erste Kammer geheizt, wobei der Wärmestrom über die Verbindungsstruktur 1031 fließt. Das bedeutet, dass wenn die erste Kammer 101 auf die erste Temperatur geheizt wird, sich in der zweiten Kammer 102 automatisch eine zweite Temperatur einstellt, wobei die zweite Temperatur insbesondere im Bereich zwischen ca. 90° Celsius und ca. 100° Celsius liegt. Der Temperaturunterschied zwischen der ersten Kammer 101 und der zweiten Kammer 102 hängt von der Dimensionierung der Verbindungsstruktur 1031 ab. In der zweiten Kammer 102 wird zumindest ein Teil des in fester oder wässriger Lösung vorliegenden zweiten Mediums 1020 in einen gasförmigen Aggregatzustand überführt. Das gasförmige zweite Medium 1020 kann dann über den mindestens einen Leitungskanal 1030 in die erste Kammer 101 gelangen. Dort können die Elektronenspins des zweiten Mediums durch optisches Pumpen wie vorstehend beschrieben polarisiert werden und durch die starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung können die Kernspins des ersten Mediums in der ersten Kammer 101 polarisiert werden. Die erste Kammer 101 kann beispielsweise wie in
Insbesondere ist ein Temperaturunterschied von größer gleich 3° Celsius, insbesondere von größer oder gleich 5° Celsius zwischen der ersten Kammer 101 und der zweiten Kammer 102 vorteilhaft, um eine Kondensation des zweiten Mediums 1020 in der ersten Kammer 101 zu verhindern. Über die Dimensionierung der Verbindungsstruktur 1031, beispielsweise über die Länge und die Querschnittsfläche der Verbindungsstruktur, lässt sich der thermische Widerstand dieser Verbindungsstruktur 1031 und damit der Temperaturunterschied zwischen per Laser beheizter Messkammer und passiver Reservoirkammer gezielt einstellen. Dabei wächst der erzielte Temperaturunterschied etwa linear mit der Länge der Verbindungsstruktur, und nimmt etwa invers proportional mit der Querschnittsfläche der Verbindungsstruktur ab.In particular, a temperature difference of greater than or equal to 3° Celsius, in particular greater than or equal to 5° Celsius, between the
Die NMR-Dampfzellenanordnung 100 ist von einer Magnetfelderzeugungseinrichtung 206 umgeben, welche das statische Magnetfeld, welches als Vormagnetisierungsfeld 2010 dient, und ein oszillierendes Magnetfeld 2015, welches mindestens eine Komponente orthogonal zum Vormagnetisierungsfeld 2010 aufweist, am Ort der NMR-Dampfzellenanordnung 100 bereitstellt. In dem in
Des Weiteren umfasst das NMR-Gyroskop 200 eine Pump-Beleuchtungsquelle 2052, wobei ein Polarisator 2051, insbesondere ein Zirkularpolarisator, im Strahlengang zwischen der Pump-Beleuchtungsquelle 2052 und der NMR-Dampfzellenanordnung 100 angeordnet ist. Die Pump-Beleuchtungsquelle 2052 und der Polarisator 2051 sind Teil einer Beleuchtungseinrichtung 205. Die Pump-Beleuchtungsquelle 2052 emittiert elektromagnetische Strahlung 2001 zum Bereitstellen der Pump-Lichtstrahlen für die Dampfzellenanordnung 201, um durch optisches Pumpen die Elektronenspins 2012 des zweiten Mediums 1020 zu polarisieren, wobei mittels dieser Elektronenspin-Polarisation durch eine starke Elektron-Kernspin Wechselwirkung zwischen dem zweiten Medium und dem ersten Medium die Kernspins 2011 des ersten Mediums polarisierbar sind. Das Vormagnetisierungsfeld 2010 legt eine Richtung einer Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins 2011 des ersten Mediums fest und mittels des oszillierenden Magnetfelds 2015 wird eine Synchronisation der Präzessionsbewegungen der polarisierbaren Kernspins 2011 des ersten Mediums ermöglicht.Furthermore, the
Das NMR-Gyroskop 200 umfasst eine Detektionsanordnung 208, welche zur Detektion einer Drehung des NMR-Gyroskops 200 um eine Richtung des Vormagnetisierungsfeldes 2010 aus einer Änderung der Präzessionsbewegung der polarisierbaren Kernspins 2011 eingerichtet ist. Die Detektionsanordnung 208 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Linearpolarisator 2081 und eine Auslese-Beleuchtungsquelle 2084, wobei im Strahlengang zwischen der Auslese-Beleuchtungsquelle 2084 und der NMR-Dampfzellenanordnung 100 der Linearpolarisator 2081 angeordnet ist, sodass von der Auslese-Beleuchtungsquelle 2084 emittierte elektromagnetische Strahlung nach Passieren des Linearpolarisators 2081 als linear polarisierter Lichtstrahl 2000 auf die NMR-Dampfzellenanordnung 100, insbesondere die erste Kammer 101, trifft und von dieser transmittiert 2002 wird. Des Weiteren umfasst die Detektionsanordnung 208 einen Polarisator 2083 und ein Detektorelement 2082, sodass unter Ausnutzung des magnetooptischen Faraday-Effekts die Präzessionsbewegungen der polarisierten Kernspins 2011 des ersten Mediums in der NMR-Dampfzellenanordnung 100 als Messsignal 2003, beispielsweise in Form eines elektrischen Signals, welches ein Maß für die sich periodisch ändernden Strahlungsintensität ist, erfassbar ist. Das Messsignal 2003 wird an eine Signalverarbeitungseinrichtung 2085 übermittelt, welche aus dem Messsignal 2003 ein Detektionssignal 2086 (beispielsweise eine Drehrate) des NMR-Gyroskops 200 bestimmt. Die Signalverarbeitungseinrichtung 2085 kann hierbei als Teil des NMR-Gyroskops 200 ausgebildet sein oder außerhalb des NMR-Gyroskops 200 angeordnet sein, wobei das NMR-Gyroskop 200 in diesem Fall Kommunikationsschnittstellen aufweist, welche insbesondere eine Übermittlung der Messsignale 2003 des NMR-Gyroskops 200 an die Signalverarbeitungseinrichtung 2085 ermöglicht.The
- •
Strukturieren einer Grundplatte 1060zum Erzeugen 301 der erstenKammer 101, der zweitenKammer 102 und derDurchlassanordnung 103, wobei letztere den mindestens einenLeitungskanal 1030 und diemindestens eine Verbindungsstruktur 1031 umfasst; - • Aufbringen der Grundplatte auf die Bodenplatte
- •
Einbringen 302 des zweitenMediums 1020 in die zweiteKammer 102, wobei das zweiteMedium 1020 in einem festen oder flüssigen Aggregatzustand vorliegt - • Einbringen des gasförmigen ersten Mediums in die erste Kammer vorzugsweise in der Einrichtung zum Aufbringen der Deckplatte
- •
Aufbringen 303der Deckplatte 107 auf diestrukturierte Grundplatte 106 zum Verschließen der erstenKammer 101, der zweitenKammer 106 und desmindestens einen Leitungskanals 1030.
- • Structuring a
base plate 1060 for generating 301 thefirst chamber 101, thesecond chamber 102 and thepassage arrangement 103, the latter comprising the at least oneduct 1030 and the at least oneconnection structure 1031; - • Applying the base plate to the floor plate
- • Introducing 302 the second medium 1020 into the
second chamber 102, the second medium 1020 being present in a solid or liquid state of aggregation - • Introduction of the gaseous first medium into the first chamber, preferably in the device for applying the cover plate
- • Applying 303 the
cover plate 107 to the structuredbase plate 106 to close thefirst chamber 101, thesecond chamber 106 and the at least oneduct 1030.
Der Schritt des Einbringens 302 des zweiten Mediums 1020 in die zweite Kammer 102 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel des Weiteren die Schritte:
- •
Einbringen 3020 des zweitenMediums 10200, insbesondere Rubidiumazid (RbN3), in die zweiteKammer 102 in Form einer wässrigen Lösung; - •
Trocknen 3021 des zweitenMediums 10200, welches in Form einer wässrigen Lösung eingebracht wurde.
- • introducing 3020 the
second medium 10200, in particular rubidium azide (RbN3), into thesecond chamber 102 in the form of an aqueous solution; - • Drying 3021 of the
second medium 10200 introduced in the form of an aqueous solution.
Die
Die
Wie in
In
In
Wie in
Im nächsten, in
Anschließend können die metallische Schicht 111 und die Maske 3010 (siehe
In
In den
In
Wie in
Das erste Medium kann insbesondere unmittelbar vor dem Aufbringen der Deckplatte 107 in die erste Kammer 101 eingebracht werden.In particular, the first medium can be introduced into the
Anschließend kann eine Aktivierung des zweiten Mediums in der zweiten Kammer durch Einstrahlen von ultravioletter Strahlung (UV-Strahlung) erfolgen (siehe
In
- •
Einstellen 401 der ersten Temperatur in der erstenKammer 101 durch Heizen, ◯ wobei durchdas Einstellen 401 der ersten Temperatur in der erstenKammer 101 aufgrund der thermischen Kopplung in der zweitenKammer 102 die zweite Temperatur erzeugt wird 402, und- ◯ wobei der Temperaturunterschied zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur durch die
Dimensionierung der Verbindungsstruktur 1031 festgelegt ist;
- ◯ wobei der Temperaturunterschied zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur durch die
- •
Erzeugen 403 einer synchronisierten Präzessionsbewegung polarisierter Kernspins des ersten Mediums in der erstenKammer 101; - •
Optisches Auslesen 404 der synchronisierten Präzessionsbewegung der polarisierten Kernspins in der erstenKammer 101, welches einenSchritt Erfassen 4040eines Messsignals 4041 umfasst; - •
Bestimmen 405einer Drehmessgröße 4050 der Drehung des NMR-Gyroskops 200aus dem Messsignal 4041.
- • Setting 401 the first temperature in the
first chamber 101 by heating, ◯ the second temperature being generated 402 by the setting 401 of the first temperature in thefirst chamber 101 due to the thermal coupling in thesecond chamber 102, and- ◯ wherein the temperature difference between the first temperature and the second temperature is determined by the dimensioning of the
connection structure 1031;
- ◯ wherein the temperature difference between the first temperature and the second temperature is determined by the dimensioning of the
- • generating 403 a synchronized precession movement of polarized nuclear spins of the first medium in the
first chamber 101; - •
Optical readout 404 of the synchronized precession movement of the polarized nuclear spins in thefirst chamber 101, which comprises a step of detecting 4040 ameasurement signal 4041; - • Determining 405 a
rotational measurement variable 4050 of the rotation of theNMR gyroscope 200 from themeasurement signal 4041.
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102021202416.5A DE102021202416A1 (en) | 2021-03-12 | 2021-03-12 | NMR vapor cell assembly, method of making the NMR vapor cell assembly, NMR gyroscope and method of operating the NMR gyroscope |
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DE102021202416.5A DE102021202416A1 (en) | 2021-03-12 | 2021-03-12 | NMR vapor cell assembly, method of making the NMR vapor cell assembly, NMR gyroscope and method of operating the NMR gyroscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021202416A1 true DE102021202416A1 (en) | 2022-09-15 |
Family
ID=83005147
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102021202416.5A Pending DE102021202416A1 (en) | 2021-03-12 | 2021-03-12 | NMR vapor cell assembly, method of making the NMR vapor cell assembly, NMR gyroscope and method of operating the NMR gyroscope |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE102021202416A1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060269614A1 (en) | 2003-01-17 | 2006-11-30 | Ian Nelson | Multi-cell polarizer systems for hyperpolarizing gases |
EP1865283A1 (en) | 2006-05-18 | 2007-12-12 | Honeywell International Inc. | Chip scale atomic gyroscope |
-
2021
- 2021-03-12 DE DE102021202416.5A patent/DE102021202416A1/en active Pending
Patent Citations (2)
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