DE102021212687A1 - Vapor cell for sensor arrangement based on nuclear magnetic resonance - Google Patents

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Janine Riedrich-Moeller
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Abstract

Um eine Dampfzelle (10) für eine Sensoranordnung (100) zur Messung von Larmorfrequenzen, aufweisend ein mit mindesten einem chemischen Stoff gefülltes Volumen (11), welches in ein Substrat (12) eingebracht ist und von zumindest einer Seite (13, 14) durch einen transparenten Waferabschnitt (15, 16) abgeschlossen ist, zu schaffen, durch welche eine für die Messung störende Kondensatbildung vermieden wird, wird vorgeschlagen, im Bereich der Messkammer (31) eine erste Heizstruktur (21) und im Bereich der Reservoirkammer (32) eine zweite Heizstruktur (22) anzuordnen, wobei die erste Heizstruktur (21) dazu eingerichtet ist, den chemischen Stoff in der Messkammer (31) gegenüber dem chemischen Stoff in der Reservoirkammer (32) auf eine höhere Temperatur (T31) zu erwärmen.A vapor cell (10) for a sensor arrangement (100) for measuring Larmor frequencies, having a volume (11) filled with at least one chemical substance, which is introduced into a substrate (12) and penetrated by at least one side (13, 14). a transparent wafer section (15, 16), through which a formation of condensate, which would interfere with the measurement, is avoided, it is proposed to use a first heating structure (21) in the area of the measuring chamber (31) and a first heating structure (21) in the area of the reservoir chamber (32). arranging a second heating structure (22), the first heating structure (21) being set up to heat the chemical substance in the measurement chamber (31) to a higher temperature (T31) than the chemical substance in the reservoir chamber (32).

Description

Die Erfindung betrifft eine Dampfzelle für eine Sensoranordnung zur Messung von Larmorfrequenzen sowie eine Sensoranordnung, insbesondere zur Messung von Veränderungen von Larmorfrequenzen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren.The invention relates to a vapor cell for a sensor arrangement for measuring Larmor frequencies and a sensor arrangement, in particular for measuring changes in Larmor frequencies. Furthermore, the invention relates to a method.

Stand der TechnikState of the art

Ultragenaue Zeit- bzw. Frequenzgeber sind ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen, wie beispielsweise der Nachrichtenübertragung und von Navigationssystemen. Darüber hinaus ist die ultragenaue Zeitmessung für eine präzise Navigation von autonomen Fahrzeugen essenziell.Ultra-accurate time and frequency transmitters are an important part of many applications, such as communications and navigation systems. In addition, ultra-precise timekeeping is essential for precise navigation of autonomous vehicles.

Das wichtigste Hilfsmittel für die Navigation und Ortsbestimmung von autonom fahrenden Fahrzeugen sind satellitengestützte Navigationssysteme. In diesen Systemen wie beispielsweise dem GPS-System wird über die Differenz der Signallaufzeiten von einzelnen Navigationssatelliten zum Fahrzeug die genaue Position bestimmt. Dabei sendet jeder Satellit kontinuierlich seine Position sowie den Sendezeitpunkt seines Signals zum Empfänger. Der Empfänger vergleicht die Ankunftszeiten der Signale und kann über die Laufzeitdifferenzen der eintreffenden Satellitensignale sowie mit den mitgesendeten Satellitenpositionen eine genaue Ortung durchführen. Um eine korrekte Ortsbestimmung (x, y und z-Richtung) durchzuführen, müssen die Signale von mindestens vier Satelliten am Empfänger vorliegen. Insbesondere in urbanen Gebieten mit hohen Gebäuden kann der Empfang der Satellitensignale durch die Bebauung eingeschränkt sein. Dies verhindert ein ausschließlich auf Satellitennavigation gestütztes autonomes Fahren. Die Robustheit der Satellitennavigation kann durch eine genaue Zeitreferenz am Empfänger, mit der die absolute Ankunftszeit der Satellitensignale erfasst werden kann, verbessert werden. Durch eine präzise Zeitmessung kann somit die Anzahl der benötigten Satellitensignale reduziert und das Wiederfinden eines verlorenen Satellitensignals beschleunigt werden. Beispielsweise ist eine Stabilität der Zeitmessung von ca. 5x10-12 erforderlich, um einen Signalausfall von 10 Minuten zu überbrücken. Eine derartige Präzision kann mit den bisher verfügbaren Quarz- oder Silizium-MEMS-Oszillatoren nicht erreicht werden.The most important tool for navigating and determining the location of autonomously driving vehicles are satellite-based navigation systems. In these systems, such as the GPS system, the exact position is determined via the difference in the signal propagation times from individual navigation satellites to the vehicle. Each satellite continuously sends its position and the time of transmission of its signal to the receiver. The receiver compares the arrival times of the signals and can carry out an exact location using the transit time differences of the incoming satellite signals and the satellite positions sent with them. In order to determine the location correctly (x, y and z-direction), the signals from at least four satellites must be available at the receiver. Especially in urban areas with high buildings, the reception of the satellite signals can be limited by the buildings. This prevents autonomous driving based exclusively on satellite navigation. The robustness of satellite navigation can be improved by having an accurate time reference at the receiver, which can be used to determine the absolute time of arrival of the satellite signals. Precise time measurement can thus reduce the number of satellite signals required and speed up the recovery of a lost satellite signal. For example, a stability of the time measurement of approx. 5x10-12 is required to bridge a signal failure of 10 minutes. Such precision cannot be achieved with the quartz or silicon MEMS oscillators available to date.

Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, durch welche eine derartig präzise Zeitmessung möglich ist, wie beispielsweise Atomuhren oder Laser-Gyroskope aus der Luft- und Raumfahrt. Derartige Vorrichtungen sind jedoch aufwändig in der Herstellung und somit kostenintensiv. Des Weiteren sind hochpräzise Drehratensensoren basierend auf Kernspinresonanzeffekten in Edelgasisotopen bekannt, durch welche eine ultrapräzise Zeitmessung möglich ist. Derartige Drehratensensoren weisen nicht die Nachteile der Atomuhren oder der Laser-Gyroskope auf. Problematisch an den bekannten Drehratensensoren basierend auf Kernspinresonanzeffekten in Edelgasisotopen ist jedoch die Ablagerung bzw. die Kondensation des aktiven chemischen Stoffs in der Dampfzelle, durch welche die Messung beeinträchtigt wird.Devices are already known by which such precise time measurement is possible, such as atomic clocks or laser gyroscopes from the aerospace industry. However, such devices are complex to manufacture and therefore expensive. Furthermore, high-precision yaw rate sensors based on nuclear magnetic resonance effects in noble gas isotopes are known, through which ultra-precise time measurement is possible. Yaw rate sensors of this type do not have the disadvantages of atomic clocks or laser gyroscopes. The problem with the known yaw rate sensors based on nuclear magnetic resonance effects in noble gas isotopes, however, is the deposit or condensation of the active chemical substance in the vapor cell, which impairs the measurement.

Die US 2013/0176080 A1 offenbart einen Oszillator, welcher Quanten-Interferenz-Effekte ausnutzt. Hierzu wird eine Gaszelle mit resonanter Laserstrahlung beaufschlagt. Die durch die Gaszelle transmittierte Laserstrahlung wird anschließend von einem Detektor registriert. Die Gaszelle wird mit einem Temperaturgradienten beaufschlagt.The U.S. 2013/0176080 A1 discloses an oscillator which exploits quantum interference effects. For this purpose, a gas cell is exposed to resonant laser radiation. The laser radiation transmitted through the gas cell is then registered by a detector. A temperature gradient is applied to the gas cell.

Darüber hinaus ist aus der US 9,112,518 B2 ein beheizbares Substrat mit einer Heizstruktur zum Erwärmen einer Dampfzelle bekannt. Die Heizstruktur ist als eine eigenständige Komponente ringförmig ausgestaltet und wird in einem Schritt mit der Dampfzelle verbunden.In addition, from the U.S. 9,112,518 B2 a heatable substrate with a heating structure for heating a vapor cell is known. The heating structure is ring-shaped as an independent component and is connected to the steam cell in one step.

In der US 9,312,871 B2 ist eine Anordnung mit einer Gaszelle beschrieben, in welcher Metallatome und ein Puffergas eingeschlossen sind. Die gesamte Gaszelle wird beheizt, um eine konstante Konzentration der Metallatome im Puffergas aufrechtzuerhalten.In the US 9,312,871 B2 describes an arrangement with a gas cell in which metal atoms and a buffer gas are enclosed. The entire gas cell is heated to maintain a constant concentration of metal atoms in the buffer gas.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfzelle für eine Sensoranordnung zu schaffen, durch welche eine für die Messung störende Kondensatbildung vermieden wird.The invention is based on the object of creating a vapor cell for a sensor arrangement which avoids the formation of condensate which would interfere with the measurement.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by the features specified in claim 1 and claim 10. Further advantageous configurations of the invention are described in the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Dampfzelle für eine Sensoranordnung zur Messung von Larmorfrequenzen bereitgestellt. Die Dampfzelle weist ein mit mindestens einem chemischen Stoff gefülltes Volumen auf, welches in ein Substrat eingebracht ist und von zumindest einer Seite durch einen transparenten Waferabschnitt abgeschlossen ist.According to one aspect of the invention, a vapor cell for a sensor arrangement for measuring Larmor frequencies is provided. The vapor cell has a volume filled with at least one chemical substance, which is introduced into a substrate and is closed off on at least one side by a transparent wafer section.

Das Volumen kann in Form einer einteiligen oder mehrteiligen Kavität oder Aushöhlung oder als eine durch das Substrat hindurch verlaufende Aussparung ausgestaltet sein. Das Substrat kann hierbei in Form einer waferförmigen Schicht ausgeführt sein. Insbesondere kann die Dampfzelle durch ein Halbleiterherstellungsverfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Volumen nebeneinander in einen Substratwafer eingebracht werden, welcher nachträglich einer Separierung unterzogen wird.The volume can be designed in the form of a one-part or multi-part cavity or cavity or as a recess running through the substrate. In this case, the substrate can be designed in the form of a wafer-shaped layer. In particular, the vapor cell can be manufactured by a semiconductor manufacturing process. At For example, a large number of volumes can be introduced next to one another into a substrate wafer, which is subsequently subjected to a separation.

Das Volumen der Dampfzelle weist eine Messkammer und eine Reservoirkammer auf, die fluidleitend miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß ist im Bereich der Messkammer eine erste Heizstruktur und im Bereich der Reservoirkammer eine zweite Heizstruktur angeordnet. Die erste Heizstruktur ist dazu eingerichtet, den chemischen Stoff in der Messkammer gegenüber dem chemischen Stoff in der Reservoirkammer auf eine höhere Temperatur zu erwärmen. Dementsprechend ist die zweite Heizstruktur dazu eingerichtet, die Temperatur des chemischen Stoffs in der Reservoirkammer gegenüber der Temperatur des chemischen Stoffs in der Messkammer geringer zu halten.The volume of the vapor cell has a measuring chamber and a reservoir chamber which are fluidly connected to one another. According to the invention, a first heating structure is arranged in the area of the measuring chamber and a second heating structure is arranged in the area of the reservoir chamber. The first heating structure is configured to heat the chemical in the sensing chamber to a higher temperature than the chemical in the reservoir chamber. Accordingly, the second heating structure is configured to keep the temperature of the chemical in the reservoir chamber lower than the temperature of the chemical in the measurement chamber.

Es können somit mindestens zwei definierte Temperaturniveaus im Volumen eingestellt werden, die im Betrieb der Dampfzelle, beispielsweise durch eine Steuereinheit oder eine Heizeinheit, geregelt werden.At least two defined temperature levels can thus be set in the volume, which are regulated during operation of the steam cell, for example by a control unit or a heating unit.

Die Dampfzelle ist vorzugsweise als eine sogenannte MEMS Dampfzelle ausgestaltet.The vapor cell is preferably designed as a so-called MEMS vapor cell.

Das Substrat kann hierbei als ein Silizium oder ein Siliziumoxid ausgestaltet sein. Das Volumen wird in das Substrat durch ein Ätzverfahren bzw. einen chemischen Materialabtrag oder durch einen physikalischen Materialabtrag, beispielsweise Fräsen oder Trenchen, eingebracht.In this case, the substrate can be in the form of silicon or silicon oxide. The volume is introduced into the substrate by an etching process or chemical material removal or by physical material removal, for example milling or trenching.

Für den optischen Zugang zum chemischen Stoff bzw. dem Volumen ist das Substrat einseitig oder beidseitig durch einen transparenten Waferabschnitt verschlossen. Bei einer einseitigen Bedeckung des Substrats kann das Substrat bodenseitig transparent oder spiegelnd ausgestaltet sein. Der zumindest eine transparente Waferabschnitt kann ein Glas sein und durch Bonden fluiddicht mit dem Substrat verbunden sein.For optical access to the chemical substance or the volume, the substrate is closed on one or both sides by a transparent wafer section. If the substrate is covered on one side, the bottom side of the substrate can be transparent or reflective. The at least one transparent wafer section can be glass and can be connected to the substrate in a fluid-tight manner by bonding.

Als ein chemisches Stoffgemisch können Alkalimetalle, wie Rubidium, Cäsium, Kalium und dergleichen, in dem Volumen eingeschlossen werden. Vorteilhafterweise können Alkalimetalle leicht optisch polarisiert werden. Die Aufteilung des Volumens bzw. der Kavität in zwei Sektionen bzw. eine Messkammer und eine Reservoirkammer, die durch einen Verbindungskanal miteinander verbunden sind, ist besonders vorteilhaft. Grund für dieses Vorgehen ist, dass derartige Alkalimetalle bei Raumtemperatur und einem in der (kalten) Dampfzelle typischen Druck von wenigen mbar bis einigen 100mbar als Feststoff vorliegt und die Alkalimetalle sich auf den Oberflächen des Volumens niederschlagen. Rückstände dieses Niederschlags bzw. Kondensats wirken im Betrieb der Dampfzelle störend, da die notwendige Transmission der Laserstrahlung, die zum Auslesen eines Sensors mit der Dampfzelle dient, gestört wird. Die zusätzliche Reservoirkammer kann dazu genutzt werden, um das Alkalimetall beim Abschalten der Heizstrukturen und für den Standby der Heizstrukturen gezielt zu kondensieren, während die andere Sektion der Kavität, die Messkammer, für den Betrieb und die Intensitätsmessung durch Laserstrahlen ablagerungsfrei bleibt.As a chemistry, alkali metals such as rubidium, cesium, potassium and the like can be included in the volume. Advantageously, alkali metals can be easily optically polarized. The division of the volume or the cavity into two sections or a measuring chamber and a reservoir chamber, which are connected to one another by a connecting channel, is particularly advantageous. The reason for this procedure is that such alkali metals are present as solids at room temperature and a pressure of a few mbar to several 100 mbar, which is typical in the (cold) steam cell, and the alkali metals are deposited on the surfaces of the volume. Residues of this precipitation or condensate have a disruptive effect on the operation of the vapor cell, since the necessary transmission of the laser radiation, which is used to read a sensor with the vapor cell, is disrupted. The additional reservoir chamber can be used to specifically condense the alkali metal when switching off the heating structures and for the standby of the heating structures, while the other section of the cavity, the measuring chamber, remains deposit-free for operation and intensity measurement by laser beams.

Die Temperaturregelung der Messkammer und der Reservoirkammer begünstigt die Verlagerung der Kondensatbildung bzw. Niederschlagsbildung von der Messkammer in die Reservoirkammer. Insbesondere kann durch eine optimierte zeitlich und räumlich (auf die Messkammer und die Reservoirkammer bezogen) gesteuerte Temperaturrampe gewährleistet werden, dass ein störender Alkalimetallniederschlag in der Messkammer vermieden wird. Somit kann ein mit der Dampfzelle ausgestatteter Sensor nachhaltiger betrieben werden, wobei Alterungserscheinungen und Leistungseinbußen vermieden werden.The temperature control of the measuring chamber and the reservoir chamber promotes the shifting of the formation of condensate or precipitation from the measuring chamber to the reservoir chamber. In particular, an optimized temperature ramp controlled in terms of time and space (related to the measuring chamber and the reservoir chamber) can ensure that a disruptive alkali metal precipitation in the measuring chamber is avoided. Thus, a sensor equipped with the vapor cell can be operated more sustainably, avoiding signs of aging and loss of performance.

Durch die zweite Heizstruktur wird auch die Reservoirkammer über die Siedetemperatur des chemischen Stoffs, welcher ein Alkalimetall umfassen kann, geheizt. Die Temperatur des chemischen Stoffs in der Reservoirkammer bleibt jedoch unterhalb einer Temperatur des chemischen Stoffs in der Messkammer.The second heating structure also heats the reservoir chamber above the boiling temperature of the chemical, which may include an alkali metal. However, the temperature of the chemical in the reservoir chamber remains below a temperature of the chemical in the measurement chamber.

Der chemische Stoff kann besonders vielseitig auf eine Betriebstemperatur gebracht werden, wenn die erste Heizstruktur und/oder die zweite Heizstruktur auf oder in dem mindestens einen transparenten Waferabschnitt angeordnet sind. Die Heizstrukturen können durch Lithografie oder durch Metallisierung auf das Glas bzw. den transparenten Waferabschnitt aufgebracht werden. Dabei können die Heizstrukturen eine zusätzliche Schicht auf dem transparenten Waferabschnitt bilden oder in eine auf einer Oberfläche des transparenten Waferabschnitts ausgebildeten Aussparung bzw. Nut abgelagert werden.The chemical substance can be brought to an operating temperature in a particularly versatile manner if the first heating structure and/or the second heating structure are arranged on or in the at least one transparent wafer section. The heating structures can be applied to the glass or the transparent wafer section by lithography or by metallization. In this case, the heating structures can form an additional layer on the transparent wafer section or be deposited in a recess or groove formed on a surface of the transparent wafer section.

Die Heizstrukturen können einseitig oder zweiseitig bzw. auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Dampfzelle angeordnet sein.The heating structures can be arranged on one side or two sides or on two opposite sides of the vapor cell.

Darüber hinaus kann der chemische Stoff frei von Interferenzen oder Verdeckungen mit Laserstrahlen beaufschlagt werden, wenn die erste Heizstruktur und/oder die zweite Heizstruktur im Wesentlichen ringförmig ausgestaltet sind. Durch die ringförmige Ausgestaltung der Heizstrukturen kann ein rundes oder ovales Fenster im transparenten Waferabschnitt bereitgestellt werden, um eine Intensitätsmessung in einer Durchstrahlanordnung durchzuführen.Furthermore, if the first heating structure and/or the second heating structure are designed to be substantially annular, the chemical substance can be exposed to laser radiation without interference or occlusion. Due to the ring-shaped design of the heating structures, a round or oval window can be provided in the transparent wafer section in order to carry out sity measurement in a transmission arrangement.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die erste Heizstruktur und/oder die zweite Heizstruktur auf oder in dem Substrat angeordnet. Je nach Ausgestaltung können die Heizstrukturen vor dem Bonden des transparenten Waferabschnitts in das Substrat eingebracht werden. Der mindestens eine transparente Waferabschnitt kann die Heizstrukturen anschließend versiegeln und somit vor äußeren Einflüssen schützen.According to a further exemplary embodiment, the first heating structure and/or the second heating structure are arranged on or in the substrate. Depending on the configuration, the heating structures can be introduced into the substrate before the transparent wafer section is bonded. The at least one transparent wafer section can then seal the heating structures and thus protect them from external influences.

Insbesondere bei Substraten, die aus mehreren Schichten bestehen, können die Heizstrukturen im Bereich des Volumens angeordnet sein oder mit dem Volumen in Kontakt stehen. Hierdurch kann der chemische Stoff besonders effizient erwärmt werden, wenn die erste Heizstruktur und/oder die zweite Heizstruktur entlang einer Wandung der Messkammer und/oder innerhalb der Wandung der Reservoirkammer verlaufen. Die Heizstrukturen können durch mindestens einen transparenten Waferabschnitt begrenzt oder versiegelt werden, indem eine einseitig geöffnete Aussparung, in welcher die Heizstrukturen angeordnet sind, durch mindestens einen transparenten Waferabschnitt verschlossen werden.In particular in the case of substrates which consist of several layers, the heating structures can be arranged in the area of the volume or can be in contact with the volume. As a result, the chemical substance can be heated particularly efficiently if the first heating structure and/or the second heating structure run along a wall of the measurement chamber and/or within the wall of the reservoir chamber. The heating structures can be delimited or sealed by at least one transparent wafer section, in that a recess which is open on one side and in which the heating structures are arranged is closed by at least one transparent wafer section.

Die Dampfzelle kann besonders nachhaltig durch ein erfindungsgemäßes Verfahren betrieben werden, welches einen Temperaturverlauf des chemischen Stoffs im Betrieb der Dampfzelle steuert. Hierzu werden die erste Heizstruktur und die zweite Heizstruktur derart gesteuert, dass ein Temperaturprofil des chemischen Stoffs in der Messkammer über einem Temperaturprofil des chemischen Stoffs in der Reservoirkammer liegt.The steam cell can be operated particularly sustainably by a method according to the invention, which controls a temperature profile of the chemical substance during operation of the steam cell. For this purpose, the first heating structure and the second heating structure are controlled in such a way that a temperature profile of the chemical substance in the measuring chamber is above a temperature profile of the chemical substance in the reservoir chamber.

Durch das zeitlich gesteuerte Temperaturprofil und den Temperaturgradienten zwischen Messkammer und Reservoirkammer wird vermieden, dass sich Alkalidampf auf den Seitenwänden der Messkammer niederschlägt. Die Transmission des Detektionslasers durch die Messkammer wird somit nicht gestört. Durch das Vermeiden von Kondensation von Alkalidampf in der Messkammer können längere Kohärenzzeiten der Alkaliatome ermöglicht werden.The time-controlled temperature profile and the temperature gradient between the measuring chamber and the reservoir chamber prevent alkali vapor from condensing on the side walls of the measuring chamber. The transmission of the detection laser through the measuring chamber is therefore not disturbed. By avoiding condensation of alkali vapor in the measuring chamber, longer coherence times of the alkali atoms can be made possible.

Die Temperaturdifferenz zwischen der Messkammer und der Reservoirkammer kann technisch besonders eingestellt werden, wenn die zweite Heizstruktur gegenüber der ersten Heizstruktur zeitverzögert betreibbar ist. Die erste Heizstruktur für die Messkammer wird beim Einschalten vor der zweiten Heizstruktur der Vorratskammer eingeschaltet, wodurch in der Messkammer eine höhere Temperatur gegenüber der Reservoirkammer erreicht wird.The temperature difference between the measuring chamber and the reservoir chamber can be technically set in particular if the second heating structure can be operated with a time delay compared to the first heating structure. When switched on, the first heating structure for the measuring chamber is switched on before the second heating structure of the storage chamber, as a result of which a higher temperature is reached in the measuring chamber than in the reservoir chamber.

Nach einer weiteren Ausführungsform weist die erste Heizstruktur eine Heizleistung auf, welche größer ist als eine Heizleistung der zweiten Heizstruktur.According to a further embodiment, the first heating structure has a heating power which is greater than a heating power of the second heating structure.

Die erhöhte Heizleistung kann vielseitig bereitgestellt werden, wenn die erste Heizstruktur im Vergleich zu der zweiten Heizstruktur größere Abmessung aufweist; und/oder die erste Heizstruktur mit einer höheren elektrischen Leistung beaufschlagbar ist; und/oder die erste Heizstruktur einen geringeren Abstand zu dem chemischen Stoff in der Messkammer aufweist.The increased heating power can be provided in a variety of ways if the first heating structure has larger dimensions compared to the second heating structure; and/or the first heating structure can be subjected to a higher electrical power; and/or the first heating structure has a smaller distance to the chemical substance in the measuring chamber.

Hierdurch kann die erste Heizstruktur für die Messkammer bei einem Einschalten mit einer größeren Heizleistung, beispielsweise durch einen höheren Betriebsstrom, als die zweite Heizstruktur der Reservoirkammer bzw. Vorratskammer versorgt. Dies führt dazu, dass sich die Messkammer schneller erwärmt und eine gegenüber der Reservoirkammer erhöhte Temperatur erreicht. Um die höhere Leistung im Bereich der Messkammer einzubringen, kann die erste Heizstruktur der Messkammer größer dimensioniert werden bzw. längere Leiter aufweisen als die der Reservoirkammer.As a result, the first heating structure for the measuring chamber can be supplied with a greater heating power when it is switched on, for example by a higher operating current, than the second heating structure of the reservoir chamber or storage chamber. As a result, the measurement chamber heats up faster and reaches a higher temperature than the reservoir chamber. In order to bring in the higher power in the area of the measuring chamber, the first heating structure of the measuring chamber can be dimensioned larger or have longer conductors than that of the reservoir chamber.

Ein geringerer Abstand zwischen einer Heizstruktur und dem chemischen Stoff, welcher auch als ein Stoffgemisch in einer gasförmigen, flüssigen und/oder festen Phase vorliegen kann, ermöglicht eine schnellere Erwärmung durch einen verbesserten Wärmetransfer. Somit ist eine technisch einfache Realisierung der zwei Temperaturniveaus möglich.A smaller distance between a heating structure and the chemical substance, which can also be present as a substance mixture in a gaseous, liquid and/or solid phase, enables faster heating through improved heat transfer. A technically simple realization of the two temperature levels is thus possible.

Die Heizleistung kann auch durch eine Pulsweitenmodulation der Heizströme bzw. Heizleistungen geregelt werden, sodass die mittlere Heizleistung der Messkammer beim Ein- und Ausschalten oberhalb der Vorratskammer liegt, um den gewünschten Temperaturunterschied zwischen der Messkammer und der Reservoirkammer zu erzielen.The heating power can also be regulated by pulse width modulation of the heating currents or heating powers, so that the average heating power of the measuring chamber is above the storage chamber when switching on and off in order to achieve the desired temperature difference between the measuring chamber and the reservoir chamber.

Grundsätzlich sind die Heizstrukturen nicht auf Widerstandsheizer, beispielsweise in Form von langen, dünnen Leitern beschränkt. Die Heizstrukturen können auch als Emissionsoberflächen fungieren, die einen besonders hohen Emissionskoeffizienten aufweisen, um auf die Dampfzelle emittierte Strahlungsleistung in Wärmeenergie umzuwandeln. Die Strahlungsleistung kann beispielsweise durch einen Laser bereitgestellt werden. Die Heizstrukturen können beispielsweise durch eine schwarze Farbe und/oder durch eine Oberflächenbeschichtung einen erhöhten Emissionskoeffizienten aufweisen.In principle, the heating structures are not limited to resistance heaters, for example in the form of long, thin conductors. The heating structures can also function as emission surfaces, which have a particularly high emission coefficient, in order to convert radiant power emitted onto the vapor cell into thermal energy. The radiant power can be provided by a laser, for example. The heating structures can have an increased emission coefficient, for example due to a black color and/or due to a surface coating.

Nach einer weiteren Ausführungsform sind die erste Heizstruktur durch eine erste elektrische Schnittstelle und die zweite Heizstruktur durch eine zweite elektrische Schnittstelle elektrisch verbindbar. Hierdurch sind die elektrischen Anschlüsse der Heizstrukturen getrennt voneinander ausgeführt, wodurch eine aktive Steuerung der Temperaturniveaus in den jeweiligen Kammern des Volumens möglich ist.According to a further embodiment, the first heating structure can be electrically connected by a first electrical interface and the second heating structure can be electrically connected by a second electrical interface. As a result, the electrical connections of the heating structures are designed separately from one another, as a result of which active control of the temperature levels in the respective chambers of the volume is possible.

Alternativ sind die erste Heizstruktur und die zweite Heizstruktur über eine gemeinsame elektrische Schnittstelle elektrisch verbindbar. Eine derartige elektrische Ansteuerung der Heizstrukturen ermöglicht eine passive Steuerung der Temperaturniveaus in den Kammern des Volumens. Die Heizstruktur ist hierdurch derart ausgeführt, dass in den Bereich der Messkammer eine höhere Heizleistung eingebracht wird als in den Bereich der Reservoirkammer. Folglich liegt die Temperatur der Reservoirkammer stets unterhalb der Temperatur der Messkammer. Dies kann durch eine serielle Verbindung der ersten Heizstruktur mit der zweiten, kleiner ausgestalteten, Heizstruktur realisiert werden.Alternatively, the first heating structure and the second heating structure can be electrically connected via a common electrical interface. Such an electrical control of the heating structures enables a passive control of the temperature levels in the chambers of the volume. The heating structure is designed in such a way that a higher heating power is introduced into the area of the measuring chamber than into the area of the reservoir chamber. Consequently, the temperature of the reservoir chamber is always below the temperature of the measuring chamber. This can be realized by connecting the first heating structure in series to the second, smaller heating structure.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist durch die erste Heizstruktur und die zweite Heizstruktur in dem Volumen im Betrieb ein Temperaturgradient einstellbar, bei welchem eine der Messkammer abgewandte Wandung der Reservoirkammer eine geringste Temperatur aufweist. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die zweite Heizstruktur lediglich an einer der Messkammer zugewandten Seite der Reservoirkammer positioniert ist. Beispielsweise kann die zweite Heizstruktur halbkreisförmig ausgeführt sein. Da die der Messkammer abgewandte Seite der Reservoirkammer nicht beheizt ist, resultiert hier die geringste Temperatur innerhalb des Volumens. Damit wird sichergestellt, dass die von der Messkammer abgewandte Seite der Reservoirkammer beim Abschalten der Heizstrukturen schneller abkühlt und der Alkalimetalldampf vorzugsweise hier kondensiert. Beim Einschalten bewirkt die zweite Heizstruktur vorbeugend gegenüber einer Kondensation von Alkalimetallen in der Messkammer, da die Temperatur in der Messkammer durch die höhere eingebrachte Leistung schneller ansteigt als in der Reservoirkammer.According to a further exemplary embodiment, a temperature gradient can be set by the first heating structure and the second heating structure in the volume during operation, in which a wall of the reservoir chamber facing away from the measuring chamber has a lowest temperature. This can be achieved, for example, in that the second heating structure is only positioned on a side of the reservoir chamber that faces the measuring chamber. For example, the second heating structure can be semicircular. Since the side of the reservoir chamber facing away from the measuring chamber is not heated, the lowest temperature within the volume results here. This ensures that the side of the reservoir chamber facing away from the measuring chamber cools down more quickly when the heating structures are switched off and the alkali metal vapor preferably condenses here. When switched on, the second heating structure prevents the condensation of alkali metals in the measuring chamber, since the temperature in the measuring chamber rises faster than in the reservoir chamber due to the higher power input.

Der chemische Stoff kann besonders flexibel erwärmt werden, wenn die erste Heizstruktur und/oder die zweite Heizstruktur als elektrische Heizelemente oder als Absorptionselemente zum Absorbieren von Strahlungsleistung ausgestaltet sind. Die als Absorptionselemente ausgestalteten Heizelemente können beispielsweise Mikrowellenstrahlung und/oder Infrarotstrahlung absorbieren und in Wärme wandeln.The chemical substance can be heated particularly flexibly if the first heating structure and/or the second heating structure are designed as electrical heating elements or as absorption elements for absorbing radiation power. The heating elements designed as absorption elements can, for example, absorb microwave radiation and/or infrared radiation and convert it into heat.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Sensoranordnung zur Messung von Larmorfrequenzen, insbesondere einer Veränderung von Larmorfrequenzen, bereitgestellt. Die Sensoranordnung weist mindestens eine erfindungsgemäße Dampfzelle und mindestens eine Heizvorrichtung zum Erzeugen von Wärmeenergie durch Heizstrukturen der Dampfzelle auf. Mindestens ein Anregungslaser dient zum optischen Pumpen von mindestens einem chemischen Stoff in einem Volumen der Dampfzelle. Des Weiteren sind ein erster Elektromagnet zum Beaufschlagen des Volumens der Dampfzelle mit einem statischen Magnetfeld und ein zweiter, senkrecht zum ersten Elektromagneten ausgerichteter, Elektromagnet zum Beaufschlagen des Volumens mit einem Wechselmagnetfeld vorgesehen. Die Sensoranordnung weist weiterhin einen Infrarotlaser auf, welcher durch eine Messkammer der Dampfzelle hindurchstrahlt und auf einen Detektor gerichtet ist, um eine von der Larmorfrequenz abhängige Intensität zu ermitteln.According to a further aspect of the invention, a sensor arrangement for measuring Larmor frequencies, in particular a change in Larmor frequencies, is provided. The sensor arrangement has at least one vapor cell according to the invention and at least one heating device for generating thermal energy through heating structures of the vapor cell. At least one excitation laser is used to optically pump at least one chemical species in a volume of the vapor cell. Furthermore, a first electromagnet is provided for applying a static magnetic field to the volume of the vapor cell and a second electromagnet, which is aligned perpendicularly to the first electromagnet, is provided for applying an alternating magnetic field to the volume. The sensor arrangement also has an infrared laser, which radiates through a measurement chamber of the vapor cell and is directed at a detector in order to determine an intensity that is dependent on the Larmor frequency.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen von Larmorfrequenzen, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, bereitgestellt. Mindestens eine Dampfzelle wird durch Heizstrukturen erwärmt. In einem weiteren Schritt wird mindestens ein chemischer Stoff in einem Volumen der Dampfzelle durch mindestens einen Anregungslaser optische gepumpt. Parallel hierzu wird das Volumen mit einem statischen Magnetfeld mittels eines ersten Elektromagneten beaufschlagt, und mittels eines zweiten senkrecht zum ersten Elektromagneten ausgerichteten Elektromagneten mit einem Wechselmagnetfeld beaufschlagt. Anschließend wird eine Messkammer der Dampfzelle durch einen Infrarotlaser belichtet, wobei die aus der Dampfzelle austretenden Strahlen auf einen Detektor gerichtet werden, um eine von der Larmorfrequenz abhängige Intensität der durch den Infrarotlaser erzeugten Strahlen zu ermitteln.According to a further aspect of the invention, a method for measuring Larmor frequencies, in particular with a sensor arrangement according to the invention, is provided. At least one vapor cell is heated by heating structures. In a further step, at least one chemical substance is optically pumped in a volume of the vapor cell by at least one excitation laser. In parallel with this, the volume is acted upon by a static magnetic field by means of a first electromagnet, and an alternating magnetic field is acted upon by means of a second electromagnet aligned perpendicular to the first electromagnet. A measurement chamber of the vapor cell is then illuminated by an infrared laser, with the rays emerging from the vapor cell being directed onto a detector in order to determine an intensity of the rays generated by the infrared laser which is dependent on the Larmor frequency.

Nachstehend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • 2a, 2b, 2c schematische Schnittdarstellungen von Dampfzellen gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
  • 3a und 3b schematische Draufsichten auf Dampfzellen gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
  • 4 ein Verlauf eines Temperaturprofils in einer Messkammer und einer Reservoirkammer in einem Betrieb der Sensoranordnung, und
  • 5 ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Several exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a sensor arrangement according to an embodiment of the invention,
  • 2a , 2 B , 2c schematic sectional views of vapor cells according to embodiments of the invention,
  • 3a and 3b schematic top views of steam cells according to embodiments of the invention,
  • 4 a course of a temperature profile in a measuring chamber and a reservoir chamber when the sensor arrangement is in operation, and
  • 5 a flowchart to illustrate a method according to an embodiment of the invention.

In der 1 ist eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Sensoranordnung 100 ist beispielhaft als ein sogenanntes NMR-Drehraten-Sensorsystem ausgestaltet und dient zur Messung von Larmorfrequenzen.In the 1 1 is a schematic representation of a sensor arrangement 100 according to an embodiment of the invention. The sensor arrangement 100 is configured as a so-called NMR yaw rate sensor system, for example, and is used to measure Larmor frequencies.

Die Sensoranordnung 100 weist eine Dampfzelle 10 auf. Ein in 2a beziffertes Volumen der Dampfzelle 10 ist beispielhaft mit Rb und Xe als chemische Stoffe gefüllt.The sensor arrangement 100 has a vapor cell 10 . a in 2a numbered volume of the vapor cell 10 is exemplarily filled with Rb and Xe as chemical substances.

Ein als ein polarisierter Pump-Laser ausgestalteter Anregungslaser 110 führt in der Dampfzelle 10 zur Polarisation eines Rb-Elektronenspins, was durch Elektron-Kernspin Kopplung zwischen Rb und Xe auch in einer Polarisation des Xe-Kernspins resultiert.An excitation laser 110 designed as a polarized pump laser leads to the polarization of an Rb electron spin in the vapor cell 10, which also results in a polarization of the Xe nuclear spin due to electron-nuclear spin coupling between Rb and Xe.

Des Weiteren ist ein erster Elektromagnet 111 zum Beaufschlagen der Dampfzelle 10 mit einem statischen Magnetfeld B0 vorgesehen. Das durch den ersten Elektromagneten 111 erzeugte Magnetfeld B0 führt zu einer endlichen Larmorfrequenz der Xe-Atome. Alternativ zu Xe können auch andere Atome mit einem nicht verschwindenden Kernspin, wie beispielsweise He oder Kr, in der Dampfzelle 10 verwendet werden. Im Folgenden wird mit B0 ein statisches Magnetfeld bezeichnet.Furthermore, a first electromagnet 111 is provided for applying a static magnetic field B 0 to the vapor cell 10 . The magnetic field B 0 generated by the first electromagnet 111 leads to a finite Larmor frequency of the Xe atoms. As an alternative to Xe, other atoms with a non-vanishing nuclear spin, such as He or Kr, can also be used in the vapor cell 10 . In the following, B 0 designates a static magnetic field.

Ein zweiter Elektromagnet 112 dient zum Erzeugen eines magnetischen AC-Felds Bx senkrecht zur Rotationsachse bzw. senkrecht zum statischen Magnetfeld B0. Die Frequenz des magnetischen AC-Felds Bx entspricht der Larmor-Präzessionsfrequenz und resultiert in einer kohärenten Präzession aller Kernspins. Die kohärente Präzession der Xe-Kernspins beeinflusst wiederum die Präzession der Rb-Elektronenspins. Um diese Modifikation der Rb-Elektronenspins aufgrund der kohärenten Xe-Präzession in ein auslesbares Signal umzuwandeln, wird ein polarisierter Laserstrahl durch einen Infrarotlaser 113 erzeugt, welcher auf die Rb-Wellenlänge abgestimmt ist. Der Infrarotlaser 113 strahlt durch die Dampfzelle 10 hindurch. Der entsprechende vom Infrarotlaser 113 erzeugte Laserstrahl kann nach dem Transmittieren durch die Dampfzelle 10 auf einen Detektor 114 treffen und ausgewertet werden.A second electromagnet 112 serves to generate a magnetic AC field B x perpendicular to the axis of rotation or perpendicular to the static magnetic field B 0 . The frequency of the AC magnetic field B x corresponds to the Larmor precession frequency and results in a coherent precession of all nuclear spins. The coherent precession of the Xe nuclear spins in turn influences the precession of the Rb electron spins. In order to convert this modification of the Rb electron spins into a readable signal due to the coherent Xe precession, a polarized laser beam is generated by an infrared laser 113, which is tuned to the Rb wavelength. The infrared laser 113 radiates through the vapor cell 10 therethrough. After being transmitted through the vapor cell 10, the corresponding laser beam generated by the infrared laser 113 can strike a detector 114 and be evaluated.

Aufgrund des Faraday Effekts, der von der geänderten Rb-Spinpräzession des Gases herrührt, wird die Polarisation des Laserstrahls des Infrarotlasers 113 periodisch mit der Larmorfrequenz gedreht. Ein Polarisationsfilter 115 vor dem als Fotodiode beispielhaft ausgeführten Detektor 114 ermöglicht eine Abschwächung des von dem Infrarotlaser 113 erzeugten Laserstrahls in Abhängigkeit dieser Polarisationsdrehung, sodass an dem Detektor 114 eine Intensitätsschwankung beobachtet werden kann, die mit der Larmorfrequenz moduliert ist.Due to the Faraday effect resulting from the changed Rb spin precession of the gas, the polarization of the laser beam of the infrared laser 113 is periodically rotated at the Larmor frequency. A polarization filter 115 in front of the detector 114 embodied as a photodiode allows the laser beam generated by the infrared laser 113 to be attenuated as a function of this polarization rotation, so that an intensity fluctuation can be observed on the detector 114, which is modulated with the Larmor frequency.

Eine Rotation der Sensoranordnung 100 führt zu einer Verschiebung der Larmorfrequenz proportional zur Drehrate der Sensoranordnung 100, die an dem Detektor 114 gemessen werden kann. Eine Heizvorrichtung 120 ist zum Einstellen einer konstanten Temperierung der Dampfzelle 10 auf ca. 115 °C vorgesehen. Die Heizvorrichtung 120 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Heizlaser ausgestaltet und kann die chemischen Stoffe direkt oder indirekt über mindestens eine Heizstruktur 20 erwärmen. Die Heizstruktur 20 kann beispielsweise eine Beschichtung mit einem hohen Emissionskoeffizienten von >0,9 sein.A rotation of the sensor arrangement 100 leads to a shift in the Larmor frequency proportional to the rate of rotation of the sensor arrangement 100, which can be measured at the detector 114. A heating device 120 is provided for setting a constant temperature control of the vapor cell 10 at approximately 115.degree. In the exemplary embodiment shown, the heating device 120 is designed as a heating laser and can heat the chemical substances directly or indirectly via at least one heating structure 20 . The heating structure 20 can be a coating with a high emission coefficient of >0.9, for example.

Durch die Erwärmung der Dampfzelle 10 liegt das Rb in der Dampfzelle 10 dampfförmig vor und weist einen konstanten Rb Dampfdruck auf. Die für die Sensoranordnung 100 benötigten Dampfzellenatmosphären bzw. chemischen Stoffe können auch durch Stoffgemische, beispielsweise aus Xe129, Xe131 und Ar, realisiert werden.Due to the heating of the vapor cell 10, the Rb is present in vapor form in the vapor cell 10 and has a constant Rb vapor pressure. The vapor cell atmospheres or chemical substances required for the sensor arrangement 100 can also be realized by substance mixtures, for example of Xe129, Xe131 and Ar.

Kombinationen mit anderen Edelgasisotopen wie He oder Kr und anderen Puffergasen wie Stickstoff sind ebenfalls möglich. Beiden Ausführungen gemein sind atomare Dampfzellen 10 als sensitives Element, die mit definierten Zusammensetzungen von Alkali-Atomen sowie isotopenreinen Edelgasen und Puffergasen gefüllt werden. Je nach Ausgestaltung können die chemischen Stoffe in der Dampfzelle 10 mit einem Überdruck eingeschlossen sein.Combinations with other noble gas isotopes such as He or Kr and other buffer gases such as nitrogen are also possible. Both versions have atomic vapor cells 10 in common as a sensitive element, which are filled with defined compositions of alkali atoms and isotopically pure noble gases and buffer gases. Depending on the configuration, the chemical substances in the vapor cell 10 can be enclosed with an overpressure.

Zum Vermeiden von äußeren Einflüssen auf die Magnetfelder Bö, Bx ist die Sensoranordnung 100 durch ein Gehäuse 116 magnetisch abgeschirmt.To avoid external influences on the magnetic fields Bö, B x , the sensor arrangement 100 is magnetically shielded by a housing 116 .

Die 2a und 2b zeigen schematische Schnittdarstellungen von Dampfzellen 10 gemäß Ausführungsformen der Erfindung.The 2a and 2 B 12 show schematic sectional views of vapor cells 10 according to embodiments of the invention.

In der 2a ist eine Dampfzelle 10 für eine in 1 gezeigte Sensoranordnung 100 zur Messung von Larmorfrequenzen dargestellt. Die Dampfzelle 10 weist ein mit mindestens einem chemischen Stoff gefülltes Volumen 11 auf, welches in ein, beispielsweise waferförmiges, Substrat 12 eingebracht ist. Das Substrat 12 kann als ein Abschnitt eines Wafers ausgestaltet sein, welcher separiert wurde.In the 2a is a vapor cell 10 for an in 1 shown sensor arrangement 100 for measuring Larmor frequencies. The vapor cell 10 has a volume 11 filled with at least one chemical substance, which is introduced into a substrate 12, for example a wafer-shaped one. The substrate 12 may be configured as a portion of a wafer that has been separated.

Das Volumen 11 ist als eine bereichsweise Ausnehmung in das Substrat 12 eingebracht und ist von einer ersten Seite 13 von einem ersten transparenten Waferabschnitt 15 und von einer zweiten Seite 14 von einem zweiten Waferabschnitt 16 begrenzt bzw. verschlossen. Die transparenten Waferabschnitte 15, 16 sind als Glasschichten ausgestaltet und mittels Bonden mit dem Substrat 12 verbunden.The volume 11 is introduced as a regional recess in the substrate 12 and is delimited or closed by a first transparent wafer section 15 on a first side 13 and by a second wafer section 16 on a second side 14 . The transparent wafer sections 15, 16 are made of glass layers designed and connected to the substrate 12 by means of bonding.

Das Volumen 11 weist eine Messkammer 31 und eine Reservoirkammer 32 auf, die durch einen Verbindungsabschnitt 30 fluidleitend miteinander verbunden sind.The volume 11 has a measuring chamber 31 and a reservoir chamber 32 which are connected to one another in a fluid-conducting manner by a connecting section 30 .

Im Bereich der Messkammer 31 ist eine erste Heizstruktur 21 und im Bereich der Reservoirkammer 32 eine zweite Heizstruktur 22 angeordnet.A first heating structure 21 is arranged in the area of the measuring chamber 31 and a second heating structure 22 is arranged in the area of the reservoir chamber 32 .

Die erste Heizstruktur 21 ist dazu eingerichtet, den chemischen Stoff in der Messkammer 31 gegenüber dem chemischen Stoff in der Reservoirkammer 32 auf eine höhere Temperatur zu erwärmen.The first heating structure 21 is configured to heat the chemical substance in the measurement chamber 31 to a higher temperature than the chemical substance in the reservoir chamber 32 .

In der 2a sind die Heizstrukturen 21, 22 auf dem ersten transparenten Waferabschnitt 15 angeordnet, wodurch ein Wärmeeintrag über die erste Seite 13 in das Volumen 11 erfolgt.In the 2a the heating structures 21, 22 are arranged on the first transparent wafer section 15, as a result of which heat is introduced into the volume 11 via the first side 13.

Im Unterschied zum in 2a gezeigten Ausführungsbeispiel sind in 2b die Heizstrukturen 21, 22 in das Substrat 12 eingebracht. Hierzu wurden Aussparungen in Wandungen 17 der Messkammer 31 und in Wandungen 18 der Reservoirkammer 32 eingebracht und anschließend mit einem Metall gefüllt. Somit sind die Heizstrukturen 21, 22 in den Wandungen 17, 18 des Substrats 12 angeordnet. Die Aussparungen 60 sind im Bereich des zweiten transparenten Waferabschnitts 16 angeordnet. Dabei kann der zweite transparente Waferabschnitt 16 die Aussparungen 60 und damit auch die Heizstrukturen 21, 22 vollständig in der Aussparung 60 einsperren oder einen bereichsweise Kontakt zu der Messkammer 31 und der Reservoirkammer 32 ermöglichen. Bei der in der 2b gezeigten Ausführungsform sind die Aussparungen 60 in Richtung der Messkammer 31 und der Reservoirkammer 32 geöffnet.In contrast to the in 2a shown embodiment are in 2 B the heating structures 21, 22 are introduced into the substrate 12. For this purpose, recesses were made in walls 17 of measuring chamber 31 and in walls 18 of reservoir chamber 32 and then filled with a metal. The heating structures 21 , 22 are thus arranged in the walls 17 , 18 of the substrate 12 . The recesses 60 are arranged in the area of the second transparent wafer section 16 . The second transparent wafer section 16 can lock the cutouts 60 and thus also the heating structures 21 , 22 completely in the cutout 60 or enable contact with the measurement chamber 31 and the reservoir chamber 32 in certain areas. At the in the 2 B shown embodiment, the recesses 60 are open in the direction of the measuring chamber 31 and the reservoir chamber 32 .

Alternativ zum in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel, ist in 2c ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Aussparungen 60 im Bereich des ersten transparenten Waferabschnitts 15 angeordnet sind. Die Aussparungen 60 sind von der ersten Seite 13 in das Substrat 12 hineingebracht und werden durch den ersten transparenten Waferabschnitt 15 hermetisch gegenüber der Messkammer 31 und der Reservoirkammer 32 abgedichtet. In den Aussparungen 60 sind hier die Heizstrukturen 21, 22 angeordnet.As an alternative to the 2 B shown embodiment is in 2c a further exemplary embodiment is shown, in which the recesses 60 are arranged in the region of the first transparent wafer section 15 . The recesses 60 are brought into the substrate 12 from the first side 13 and are hermetically sealed with respect to the measuring chamber 31 and the reservoir chamber 32 by the first transparent wafer section 15 . The heating structures 21, 22 are arranged in the recesses 60 here.

Die Heizstrukturen 21, 22 können hierbei die Aussparungen 60 vollständig oder bereichsweise ausfüllen.The heating structures 21, 22 can fill the recesses 60 completely or in certain areas.

Die 3a und 3b zeigen schematische Draufsichten auf Dampfzellen 10 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Dabei wird veranschaulicht, dass die Heizstrukturen 21, 22 ringförmig angeordnet sind, um ein Bestrahlen der Messkammer 31 mit Laserstrahlen des Infrarotlasers 113 zu ermöglichen.The 3a and 3b 12 show schematic plan views of vapor cells 10 according to embodiments of the invention. It is illustrated that the heating structures 21, 22 are arranged in a ring shape in order to enable the measuring chamber 31 to be irradiated with laser beams from the infrared laser 113.

In der 3a sind die erste Heizstruktur 21 und die zweite Heizstruktur 22 im Wesentlichen identisch dimensioniert. Die erste Heizstruktur 21 ist durch eine erste elektrische Schnittstelle 41 und die zweite Heizstruktur 22 durch eine zweite elektrische Schnittstelle 42 elektrisch verbindbar.In the 3a the first heating structure 21 and the second heating structure 22 are dimensioned essentially identically. The first heating structure 21 can be electrically connected through a first electrical interface 41 and the second heating structure 22 through a second electrical interface 42 .

Zum Einstellen einer höheren Temperatur in der Messkammer 31 relativ zu einer Temperatur in der Reservoirkammer 32 kann die erste Heizstruktur 21 mit einer höheren elektrischen Leistung beaufschlagt oder zeitlich vorgezogen aktiviert werden. Somit können die Heizstrukturen 21, 22 unabhängig voneinander bzw. aktiv gesteuert werden.In order to set a higher temperature in the measuring chamber 31 relative to a temperature in the reservoir chamber 32, the first heating structure 21 can be subjected to a higher electrical power or activated earlier in time. Thus, the heating structures 21, 22 can be controlled independently or actively.

Die 3b zeigt im Unterschied zu der 3a eine Dampfzelle 10 auf, bei der die Heizleistung der zweiten Heizstruktur 22 durch eine reduzierte Abmessung eingestellt wird. Die zweite Heizstruktur 22 ist als ein Ringsegment ausgestaltet. Somit wird eine der Messkammer 31 abgewandte Wandung 18 der Reservoirkammer 32 nicht erwärmt und kann eine minimale Temperatur innerhalb des Volumens 11 aufweisen. Des Weiteren sind die Heizstrukturen 21, 22 in der 3b elektrisch in Serie geschaltet und über eine gemeinsame elektrische Schnittstelle 40 elektrisch verbindbar. Durch eine derartige elektrische Verbindung ist eine passive Steuerung der beiden Heizstrukturen 21, 22 möglich.The 3b shows in contrast to the 3a a vapor cell 10 in which the heating power of the second heating structure 22 is adjusted by a reduced dimension. The second heating structure 22 is designed as a ring segment. Thus, a wall 18 of the reservoir chamber 32 facing away from the measuring chamber 31 is not heated and can have a minimum temperature within the volume 11 . Furthermore, the heating structures 21, 22 in the 3b electrically connected in series and electrically connectable via a common electrical interface 40 . Such an electrical connection allows passive control of the two heating structures 21, 22.

In der 4 ist ein zeitlicher Verlauf eines Temperaturprofils in einer Messkammer 31 und einer Reservoirkammer 32 in einem Betrieb der Sensoranordnung 100 dargestellt. Dabei wird eine Temperatur T31 der Messkammer 31 gegenüber einer Temperatur T32 der Reservoirkammer 32 erhöht, um eine Kondensatbildung in der Messkammer 31 zu vermeiden.In the 4 a time profile of a temperature profile in a measuring chamber 31 and a reservoir chamber 32 is shown when the sensor arrangement 100 is in operation. A temperature T 31 of the measuring chamber 31 is increased compared to a temperature T 32 of the reservoir chamber 32 in order to avoid the formation of condensate in the measuring chamber 31 .

Dabei ist das Temperaturprofil mit einer Einschaltphase 50, einer Betriebsphase 51 und einer Abschaltphase 52 veranschaulicht. Die Temperatur T31 der Messkammer 31 wird in der Betriebsphase 51 auf einer Betriebstemperatur TB konstant gehalten. Insbesondere während der Abschaltphase 52 wird die Temperatur T32 der Reservoirkammer 32 gegenüber der Temperatur T31 der Messkammer 31 gering gehalten, wodurch die chemischen Stoffe im Volumen 11 im Bereich der Reservoirkammer 32 kondensieren können.The temperature profile is illustrated with a switch-on phase 50, an operating phase 51 and a switch-off phase 52. The temperature T 31 of the measuring chamber 31 is kept constant in the operating phase 51 at an operating temperature TB. In particular during the switch-off phase 52, the temperature T 32 of the reservoir chamber 32 is kept low compared to the temperature T 31 of the measuring chamber 31, as a result of which the chemical substances in the volume 11 in the region of the reservoir chamber 32 can condense.

Die 5 veranschaulicht durch ein Ablaufdiagramm ein Verfahren 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren 200 dient zum Messen von Larmorfrequenzen mit einer Sensoranordnung 100.The 5 FIG. 2 illustrates a method 200 according to an embodiment of the invention by means of a flowchart. The method 200 is used to measure Larmor frequencies with a sensor arrangement 100.

In einem Schritt 201 wird die Dampfzelle 10 durch die Heizstrukturen 20, 21, 22 erwärmt.In a step 201, the vapor cell 10 is heated by the heating structures 20, 21, 22.

Des Weiteren erfolgt ein optisches Pumpen 202 des chemischen Stoffs in dem Volumen 11 der Dampfzelle 10 durch den Anregungslaser 110.Furthermore, the chemical substance in the volume 11 of the vapor cell 10 is optically pumped 202 by the excitation laser 110.

Das Volumen 11 wird anschließend mit einem statischen Magnetfeld B0 mittels des ersten Elektromagneten 111 beaufschlagt 203. Parallel hierzu wird das Volumen 11 mittels des zweiten senkrecht zum ersten Elektromagneten 111 ausgerichteten Elektromagneten 112 mit einem Wechselmagnetfeld Bx beaufschlagt 204.The volume 11 is then subjected to a static magnetic field B 0 by means of the first electromagnet 111 203. Parallel to this, the volume 11 is subjected to an alternating magnetic field B x by means of the second electromagnet 112, which is aligned perpendicularly to the first electromagnet 111 204.

Die Messkammer 31 der Dampfzelle 10 wird anschließend durch einen Infrarotlaser 113 belichtet 205.The measuring chamber 31 of the vapor cell 10 is then illuminated 205 by an infrared laser 113.

Die aus der Dampfzelle 10 austretenden Strahlen des Infrarotlasers 113 werden auf den Detektor 114 gelenkt 206, um die von der Larmorfrequenz abhängige Intensität der durch den Infrarotlaser 113 erzeugten Strahlen zu ermitteln 207.The rays of the infrared laser 113 emerging from the vapor cell 10 are directed 206 onto the detector 114 in order to determine 207 the intensity of the rays generated by the infrared laser 113, which depends on the Larmor frequency.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 2013/0176080 A1 [0005]US 2013/0176080 A1 [0005]
  • US 9112518 B2 [0006]US9112518B2 [0006]
  • US 9312871 B2 [0007]US9312871B2 [0007]

Claims (11)

Dampfzelle (10) für eine Sensoranordnung (100) zur Messung von Larmorfrequenzen, aufweisend ein mit mindesten einem chemischen Stoff gefülltes Volumen (11), welches in ein Substrat (12) eingebracht ist und von zumindest einer Seite (13, 14) durch einen transparenten Waferabschnitt (15, 16) abgeschlossen ist, wobei das Volumen (11) eine Messkammer (31) und eine Reservoirkammer (32) aufweist, die fluidleitend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Messkammer (31) eine erste Heizstruktur (21) und im Bereich der Reservoirkammer (32) eine zweite Heizstruktur (22) angeordnet ist, wobei die erste Heizstruktur (21) dazu eingerichtet ist, den chemischen Stoff in der Messkammer (31) gegenüber dem chemischen Stoff in der Reservoirkammer (32) auf eine höhere Temperatur (T31) zu erwärmen.Vapor cell (10) for a sensor arrangement (100) for measuring Larmor frequencies, having a volume (11) filled with at least one chemical substance, which is introduced into a substrate (12) and covered from at least one side (13, 14) by a transparent Wafer section (15, 16) is closed, the volume (11) having a measuring chamber (31) and a reservoir chamber (32) which are connected to one another in a fluid-conducting manner, characterized in that in the area of the measuring chamber (31) a first heating structure (21 ) and a second heating structure (22) is arranged in the region of the reservoir chamber (32), the first heating structure (21) being set up to heat the chemical substance in the measuring chamber (31) in relation to the chemical substance in the reservoir chamber (32). higher temperature (T 31 ) to heat. Dampfzelle nach Anspruch 1, wobei die erste Heizstruktur (21) und/oder die zweite Heizstruktur (22) auf oder in dem mindestens einen transparenten Waferabschnitt (15, 16) angeordnet sind, wobei die die erste Heizstruktur (21) und/oder die zweite Heizstruktur (22) im Wesentlichen ringförmig ausgestaltet sind.steam cell after claim 1 , wherein the first heating structure (21) and/or the second heating structure (22) are arranged on or in the at least one transparent wafer section (15, 16), the first heating structure (21) and/or the second heating structure (22) are configured essentially annular. Dampfzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Heizstruktur (21) und/oder die zweite Heizstruktur (22) auf oder in dem Substrat (12) angeordnet sind, wobei die erste Heizstruktur (21) und/oder die zweite Heizstruktur (22) entlang einer Wandung (17) der Messkammer (31) und/oder innerhalb der Wandung (18) der Reservoirkammer (32) verlaufen.steam cell after claim 1 or 2 , The first heating structure (21) and/or the second heating structure (22) being arranged on or in the substrate (12), the first heating structure (21) and/or the second heating structure (22) being arranged along a wall (17) of the measuring chamber (31) and/or within the wall (18) of the reservoir chamber (32). Dampfzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Heizstruktur (22) gegenüber der ersten Heizstruktur (21) zeitverzögert betreibbar ist.Steam cell after one of Claims 1 until 3 , wherein the second heating structure (22) compared to the first heating structure (21) can be operated with a time delay. Dampfzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Heizstruktur (21) eine Heizleistung aufweist, welche größer ist als eine Heizleistung der zweiten Heizstruktur (22).Steam cell after one of Claims 1 until 4 , wherein the first heating structure (21) has a heating power which is greater than a heating power of the second heating structure (22). Dampfzelle nach Anspruch 5, wobei die erste Heizstruktur (21) im Vergleich zu der zweiten Heizstruktur (22) eine größere Abmessung aufweist; und/oder die erste Heizstruktur (21) mit einer höheren elektrischen Leistung beaufschlagbar ist; und/oder die erste Heizstruktur (21) einen geringeren Abstand zu dem chemischen Stoff in der Messkammer (31) aufweist.steam cell after claim 5 wherein the first heating structure (21) has a larger dimension compared to the second heating structure (22); and/or the first heating structure (21) can be subjected to a higher electrical power; and/or the first heating structure (21) has a smaller distance to the chemical substance in the measuring chamber (31). Dampfzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Heizstruktur (21) durch eine erste elektrische Schnittstelle (41) und die zweite Heizstruktur (22) durch eine zweite elektrische Schnittstelle (42) elektrisch verbindbar sind; oder die erste Heizstruktur (21) und die zweite Heizstruktur (22) über eine gemeinsame elektrische Schnittstelle (40) elektrisch verbindbar sind.Steam cell after one of Claims 1 until 6 , wherein the first heating structure (21) can be electrically connected by a first electrical interface (41) and the second heating structure (22) by a second electrical interface (42); or the first heating structure (21) and the second heating structure (22) can be electrically connected via a common electrical interface (40). Dampfzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei durch die erste Heizstruktur (21) und die zweite Heizstruktur (22) in dem Volumen (11) im Betrieb (51) ein Temperaturgradient einstellbar ist, bei welchem eine der Messkammer (31) abgewandte Wandung (18) der Reservoirkammer (32) eine geringste Temperatur aufweist.Steam cell after one of Claims 1 until 7 , wherein a temperature gradient can be set by the first heating structure (21) and the second heating structure (22) in the volume (11) during operation (51), in which a wall (18) of the reservoir chamber (32) facing away from the measuring chamber (31) has a lowest temperature. Dampfzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Heizstruktur (21) und/oder die zweite Heizstruktur (22) als elektrische Heizelemente oder als Absorptionselemente (20) zum Absorbieren von Strahlung ausgestaltet sind.Steam cell after one of Claims 1 until 8th , wherein the first heating structure (21) and/or the second heating structure (22) are designed as electrical heating elements or as absorption elements (20) for absorbing radiation. Sensoranordnung (100) zur Messung von Larmorfrequenzen, insbesondere einer Veränderung von Larmorfrequenzen, aufweisend mindestens eine Dampfzelle (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mindestens eine Heizvorrichtung (120) zum Erzeugen von Wärmeenergie durch Heizstrukturen (20, 21, 22) der Dampfzelle (10), mindestens einen Anregungslaser (110) zum optischen Pumpen von mindestens einem chemischen Stoff in einem Volumen (11) der Dampfzelle (10), aufweisend einen ersten Elektromagneten (111) zum Beaufschlagen des Volumens (11) der Dampfzelle (10) mit einem statischen Magnetfeld (B0) und aufweisend einen zweiten senkrecht zum ersten Elektromagneten (111) ausgerichteten Elektromagneten (112) zum Beaufschlagen des Volumens (11) mit einem Wechselmagnetfeld (Bx) und aufweisend einen Infrarotlaser (113), welcher durch eine Messkammer (31) der Dampfzelle (10) hindurchstrahlt und auf einen Detektor (114) gerichtet ist, um eine von der Larmorfrequenz abhängige Intensität zu ermitteln.Sensor arrangement (100) for measuring Larmor frequencies, in particular a change in Larmor frequencies, having at least one steam cell (10) according to one of the preceding claims, having at least one heating device (120) for generating thermal energy through heating structures (20, 21, 22) of the steam cell (10), at least one excitation laser (110) for optically pumping at least one chemical substance in a volume (11) of the vapor cell (10), having a first electromagnet (111) for acting on the volume (11) of the vapor cell (10). a static magnetic field (B 0 ) and having a second electromagnet (112) aligned perpendicular to the first electromagnet (111) for applying an alternating magnetic field (B x ) to the volume (11) and having an infrared laser (113) which passes through a measuring chamber ( 31) of the vapor cell (10) and directed towards a detector (114) in order to determine an intensity dependent on the Larmor frequency. Verfahren (200) zum Messen von Larmorfrequenzen mit einer Sensoranordnung (100) gemäß Anspruch 10, wobei mindestens eine Dampfzelle (10) durch Heizstrukturen (20, 21, 22) erwärmt wird, mindestens ein chemischer Stoff in einem Volumen (11) der Dampfzelle (10) durch mindestens einen Anregungslaser (110) optische gepumpt wird, das Volumen (11) mit einem statischen Magnetfeld (B0) mittels eines ersten Elektromagneten (111) beaufschlagt wird, und das Volumen (11) mittels eines zweiten senkrecht zum ersten Elektromagneten (111) ausgerichteten Elektromagneten (112) mit einem Wechselmagnetfeld (Bx) beaufschlagt wird, wobei eine Messkammer (31) der Dampfzelle (10) durch einen Infrarotlaser (113) belichtet wird, wobei die aus der Dampfzelle (10) austretenden Strahlen des Infrarotlasers (113) auf einen Detektor (114) gelenkt werden, um eine von der Larmorfrequenz abhängige Intensität der durch den Infrarotlaser (113) erzeugten Strahlen zu ermitteln.Method (200) for measuring Larmor frequencies with a sensor arrangement (100) according to claim 10 , wherein at least one vapor cell (10) is heated by heating structures (20, 21, 22), at least one chemical substance in a volume (11) of the vapor cell (10) is optically pumped by at least one excitation laser (110), the volume (11 ) is acted upon by a static magnetic field (B 0 ) by means of a first electromagnet (111), and the volume (11) is acted upon by an alternating magnetic field (B x ) by means of a second electromagnet (112) aligned perpendicularly to the first electromagnet (111), wherein a measuring chamber (31) of the vapor cell (10) is illuminated by an infrared laser (113), the beams of the infrared laser (113) emerging from the vapor cell (10) being directed onto a detector (114) to one of the Larmor frequency determine dependent intensity of the rays generated by the infrared laser (113).
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