DE102022201185A1

DE102022201185A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102022201185A1
Application number: DE102022201185.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hengesbach; Michael Förtsch; Robert Rölver
Original assignee: QAnt GmbH
Current assignee: QAnt GmbH
Priority date: 2022-02-04
Filing date: 2022-02-04
Publication date: 2023-08-10

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, umfassend: eine durch Druckeinwirkung (Δp) auslenkbare Diamantmembran (1), die ein Teilvolumen (6) aufweist, das mit Farbzentren, bevorzugt mit Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV), dotiert ist, wobei das Teilvolumen (6) einen Messbereich (M) zur Messung der Druckeinwirkung (Δp) auf die Diamantmembran (1) bildet. Bei dem Drucksensor (25) weist das mit den Farbzentren dotierte Teilvolumen (6) eine Dicke (d) auf, die kleiner ist als die Dicke (D) der Diamantmembran (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, umfassend: eine durch Druckeinwirkung auslenkbare Diamantmembran, die mindestens ein Teilvolumen aufweist, das mit Farbzentren, bevorzugt mit Stickstoff-Vakanz-Zentren, dotiert ist. Das (mindestens eine) Teilvolumen bildet einen Messbereich zur Messung der Druckeinwirkung auf die Diamantmembran.
Drucksensoren spielen eine zentrale Rolle in vielen technischen Anwendungsgebieten, beispielsweise bei der Überwachung von Prozessen und von Maschinen. Insbesondere in diesen Einsatzbereichen spielt die Robustheit des Drucksensors gegenüber Temperatur- und Chemikalieneinwirkung eine wesentliche Rolle. Herkömmliche piezoresistive Drucksensoren, die eine Membran mit aufgebrachten Elektroden verwenden, benötigen für diesen Einsatzzweck zwingend eine schützende Zwischenschicht, um die Elektroden zu schützen. Die Zwischenschicht beeinträchtigt jedoch die Genauigkeit des Drucksensors.
Es ist bekannt, Diamant als drucksensitives Material zu verwenden. Zu diesem Zweck werden Farbzentren, in der Regel Stickstoff-Vakanz-(NV-)Zentren, in einem Farbzentren-dotierten Diamantmaterial verwendet. NV-Zentren in Diamant weisen eine charakteristische elektronische Struktur auf, die bei Druckeinwirkung direkt oder indirekt veränderbar ist. Da das drucksensitive Diamantmaterial sowohl temperaturstabil als auch inert ist, entfällt die Notwendigkeit einer Schutzschicht, was die Genauigkeit erhöht und den Systemaufwand verringert.
Aus der DE 10 2014 219 547 A1 ist ein Drucksensor bekannt geworden, der mindestens eine sensitive Schicht aufweist, die Diamantstrukturen mit NV-Zentren umfasst. Die sensitive Schicht kann eine Diamantschicht aufweisen oder aus einer Diamantschicht bestehen, welche die NV-Zentren enthält. Die NV-Zentren in der Diamantstruktur weisen eine auslesbare elektronische Struktur auf, die bei Druckeinwirkung direkt oder indirekt veränderbar ist. Die NV-Zentren werden durch elektromagnetische Bestrahlung im optischen Bereich und im Mikrowellenbereich angeregt und die dadurch in den NV-Zentren induzierte Fluoreszenzstrahlung wird erfasst und analysiert.
Der in der DE 10 2014 219 547 A1 beschriebene Drucksensor kann eine Kavernenstruktur umfassen und die sensitive Schicht kann in Form einer Membranschicht die Kavernenstruktur zumindest teilweise bedecken. Die sensitive Diamantstruktur kann auf denjenigen Bereich einer die Kavernenstruktur verschließenden Membranschicht begrenzt werden, in dem eine maximale Deformation zu erwarten ist. Dies ist bei runden Geometrien der Membranrand, bei rechteckigen oder quadratischen Geometrien der Membran die Mitte des Membranrands der jeweiligen Membranseiten.
In der DE 10 2014 219 550 A1 ist ein Kombinationssensor zur Messung von Druck und/oder Temperatur und/oder Magnetfeldern beschrieben, der wenigstens eine sensitive Komponente in Form einer deformierbaren Schicht, insbesondere einer auslenkbaren Membran, mit Diamantstrukturen aufweist. Die Diamantstrukturen weisen NV-Zentren auf. Bei der Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im optischen Bereich und bei der Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich variierender Frequenz werden daraus resultierende Minima einer von den Diamantstrukturen emittierten Fluoreszenzstrahlung in Bezug zur Frequenz im Mikrowellenbereich als Maß für den wirkenden Druck ausgewertet.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor bereitzustellen, der sich durch eine hohe Sensitivität auszeichnet.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das mit den Farbzentren dotierte Teilvolumen eine Dicke aufweist, die kleiner ist als die Dicke der Diamantmembran.
Das Herzstück des erfindungsgemäßen Drucksensors bildet wie bei anderen Drucksensor-Architekturen die drucksensitive Membran, die beim erfindungsgemäßen Drucksensor aus einkristallinem Diamant besteht. Die Herstellung der Diamantmembran kann durch reaktives Ionenätzen, durch Niinduziertes Ätzen in Wasserdampfatmosphäre oder durch Laserablation an einem einkristallinen Diamantmaterial erfolgen. Die Diamantmembran weist üblicherweise eine Dicke auf, die in der Größenordnung von 0,1 mm liegt. Die Dicke der Diamantmembran kann konstant sein, diese kann aber auch ortsabhängig variieren.
Eine Seite der Diamantmembran grenzt an ein Messvolumen an, in dem der Druck bestimmt werden soll, die andere Seite der Diamantmembran ist im einfachsten Fall einem Referenzvolumen ausgesetzt, in dem Umgebungsdruck (Normaldruck) herrscht oder grenzt an ein Referenzvolumen an, in dem ein konstanter, definierter Referenzdruck herrscht. Durch eine Druckänderung im Messvolumen ergibt sich eine Druckdifferenz zwischen dem Mess- und dem Referenzvolumen, was gleichbedeutend mit einer Druck- bzw. einer Krafteinwirkung auf die Diamantmembran ist.
Die Druckdifferenz bzw. die Krafteinwirkung führt dazu, dass die Diamantmembran ausgelenkt wird. Dabei wird das Diamantmaterial insbesondere im Bereich der Membrankanten bzw. der Membranseiten je nach Membrantiefe, d.h. je nach der Position in Dickenrichtung der Membran, gestaucht oder gedehnt. Eine Stauchung führt zu einer Verkürzung der Bindungslängen der Atome im Diamantmaterial der Membran, was wiederum die Potenzialverteilung im Atomgitter verändert und zu einer Erhöhung der Energieabstände zwischen den besetzbaren Elektronenzuständen führt. Bei der Dehnung des Diamantmaterials ist es umgekehrt.
Im Falle eines Farbzentrums in Form eines NV-Zentrums führt eine solche Verspannung σ des Diamantkristalls zu einer linearen Frequenz-Verschiebung Δf der Magnetresonanzen, die sich mit der Spannungsabhängigkeitskonstante C_strain = 6,2 MHz/GPa zu $Δ f = C_{strain} σ$
ergibt (vgl. „Electronic Properties and Metrology Applications of the Diamond NV-Center under Pressure“, P. Doherty et al., Phys. Rev. Lett. 112, 047601 (2013)).
Durch den linearen Zusammenhang zwischen der Krafteinwirkung auf die Diamantmembran und die in der Membran auftretende Spannung σ ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Druck bzw. der Druckeinwirkung und der spanungsinduzierten Resonanz- bzw. Frequenzverschiebung Δf, der zur Umsetzung eines diamant-basierten Drucksensors eingesetzt werden kann.
Der lineare Zusammenhang zwischen der Spannung σ und der Frequenzverschiebung Δf hat aber auch zur Folge, dass unterschiedliche Werte der Spannung σ, die auf unterschiedliche Spannungszustände in der Diamantmembran zurückzuführen sind, zu unterschiedlich großen Frequenzverschiebungen Δf führen. Es ist daher günstig, wenn in dem dotierten Teilvolumen der Diamantmembran, das den Messbereich bildet, möglichst konstante Verspannungsverhältnisse vorliegen. Da der Spannungszustand der Membran von der Position in Dickenrichtung der Membran abhängig ist, ist es vorteilhaft, wenn sich das dotierte Teilvolumen nicht über die gesamte Dicke der Diamantmembran erstreckt.
Bei einer Ausführungsform weist das Teilvolumen eine Dicke auf, die kleiner ist als die Hälfte, bevorzugt kleiner ist als ein Drittel, insbesondere kleiner ist als ein Viertel der Dicke der Diamantmembran. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es günstig, wenn in dem dotierten Teilvolumen ein möglichst einheitlicher Spannungszustand vorliegt. Dies kann erreicht werden, wenn die Dicke des dotierten Teilvolumens, welches den Messbereich bildet, bezogen auf die gesamte Dicke der Diamantmembran vergleichsweise gering ist. Für den Fall, dass die Dicke der Diamantmembran ortsabhängig variiert, gilt die obige Bedingung für die Dicke lokal, d.h. an einem jeweiligen Ort der Diamantmembran.
Die lokale Eingrenzung des spannungssensitiven, mit den Farbzentren dotierten Teilvolumens kann beispielsweise durch eine selektive Dotierung des Diamanten bzw. des Diamantmaterials in einer bestimmten Tiefe entweder durch Zugabe von Stickstoff während des CVD-Wachstums von Diamant erreicht werden oder durch nachträgliche Ionenimplantation erfolgen.
Bei einer weiteren Ausführungsform grenzt das dotierte Teilvolumen an eine Seite bzw. an eine Oberfläche der Diamantmembran an. Wie weiter oben beschrieben wurde, sind die Verspannungen beim Auslenken der Diamantmembran an den Kanten bzw. an den beiden Oberflächen der Diamantmembran, die an das Messvolumen bzw. an das Referenzvolumen angrenzen, in der Regel maximal. Bei der maximalen Verspannung ist auch die Signalstärke bzw. die resultierende Frequenzverschiebung Δf maximal. Daher ist es vorteilhaft, wenn das dotierte Teilvolumen an eine Seite bzw. an eine Oberfläche der Diamantmembran angrenzt.
Grenzt das mit den Farbzentren dotierte Teilvolumen an die Oberfläche der Diamantmembran an, kann die Diamantmembran zunächst an ihrer gesamten Oberfläche mit Farbzentren dotiert werden. Das dotierte Volumen, das an die Oberfläche angrenzt, kann dann selektiv durch reaktives Ionenätzen oder durch Laserablation abgetragen werden, so dass nur in einem Teilbereich der Oberfläche der Diamantmembran ein mit Farbzentren dotiertes Teilvolumen verbleibt. Ein solches Vorgehen hat den Vorteil, dass sichergestellt ist, dass das Messsignal der Diamant-Fluoreszenz ausschließlich aus dem gewünschten, mit den Farbzentren dotierten Teilvolumen der Diamantmembran stammt, welches den Messbereich bildet, und nicht durch die Streuung des Anregungslichts auch andere, weniger oder überhaupt nicht verspannte Bereiche der Diamantmembran optisch angeregt werden können und die Signaländerung bei der Druckeinwirkung abschwächen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Diamantmembran an ihrem seitlichen Rand an einem Trägerkörper angebracht, wobei das mit den Farbzentren dotierte Teilvolumen am seitlichen Rand der Diamantmembran oder im Bereich maximaler Auslenkung der Diamantmembran, insbesondere in der Mitte der Diamantmembran, angeordnet ist. Die Diamantmembran ist typischerweise an ihrem (umlaufenden) Rand fest eingespannt. Das feste Einspannen bzw. das Anbringen der Diamantmembran an dem Trägerkörper kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Diamantmembran und der Trägerkörper einstückig aus einem einkristallinen Diamantmaterial hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Diamantmembran an einem Trägerkörper aus einem anderen Material angebracht bzw. an ihrem seitlichen Rand eingespannt wird.
Bei der hier beschriebenen Diamantmembran ist die Verspannung im Bereich der Aufhängung, d.h. am Rand der Diamantmembran, sowie im Bereich maximaler Auslenkung der Diamantmembran, der sich typischerweise in der Mitte der Diamantmembran befindet, maximal. Zwischen dem seitlichen Rand und der Mitte der Diamantmembran ist die Dehnung bzw. die Verspannung geringer. Unter einer Anordnung des Teilvolumens in der Mitte der Diamantmembran wird verstanden, dass die Mitte der Diamantmembran sich in dem mit den Farbzentren dotierten Teilvolumen befindet. Unter der Mitte der Diamantmembran wird der Flächenschwerpunkt der Fläche bezeichnet, der von der Diamantmembran überdeckt wird. Bei einer Diamantmembran mit einer kreisförmigen Geometrie handelt es sich bei der Mitte der Diamantmembran um den Kreismittelpunkt.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Drucksensor mindestens ein weiteres mit den Farbzentren dotiertes Teilvolumen auf, das einen Referenzbereich bildet, wobei das Teilvolumen, das den Messbereich bildet, und das weitere Teilvolumen, das den Referenzbereich bildet, bevorzugt eine identische Geometrie und Größe bzw. Ausdehnung aufweisen. Das weitere Teilvolumen kann an der Diamantmembran angebracht sein, die bei der Druckeinwirkung ausgelenkt wird. Es ist aber auch möglich, dass das weitere Teilvolumen in einem Diamantmaterial gebildet ist, das nicht Teil der Diamantmembran ist. Dies ist beispielsweise möglich, wenn nicht nur die Diamantmembran selbst, sondern auch das an diese angrenzende Volumen aus ein- und demselben Diamantkristall hergestellt werden. Das weitere Teilvolumen bzw. der Referenzbereich dient dazu, nicht durch die Druckeinwirkung auf die Diamantmembran bedingte Magnetresonanzverschiebungen zu messen und bei der Messung zu berücksichtigen, wie nachfolgend beschrieben wird.
Wie dies beispielsweise in der eingangs zitierten DE 10 2014 219 550 A1 beschrieben ist, werden Magnetresonanzverschiebungen nicht nur durch Verspannungen der Diamantmembran bzw. des Diamantkristalls, sondern auch durch Temperaturänderungen (vgl. „Fluorescence thermometry enhanced by the quantum coherence of single spins in diamond“, Toyli et al., PNAS Vol. 110 p. 8417 (2013)) und vor allem durch äußere Magnetfelder hervorgerufen. Es ist daher vorteilhaft, zusätzlich zu dem mit den Farbzentren dotierten Teilvolumen, welches den Messbereich bildet, ein weiteres mit Farbzentren dotiertes Teilvolumen zu verwenden, das einen Referenzbereich bildet, der einer geringeren, idealerweise keiner durch die Druckeinwirkung induzierten Verspannung ausgesetzt ist. Es ist günstig, wenn das Teilvolumen, das den Messbereich bildet, und das weitere Teilvolumen, das den Referenzbereich bildet, dieselbe Größe und dieselben Abmessungen bzw. dieselbe Geometrie haben. Dies gilt auch für die Erstreckung des jeweiligen Teilvolumens in Dickenrichtung der Diamantmembran.
Idealerweise werden der Messbereich und der Referenzbereich mit einer identischen Anregungslichtleistung angeregt. Da bei identischer Geometrie und starker räumlicher Nähe des Referenzbereichs zu dem Messbereich die Temperatur und die Magnetfeldverhältnisse praktisch identisch sind, kann durch die Differenzbildung der beiden Signale (Mess- und Referenzsignal) der Einfluss der Temperatur und der Einfluss von Magnetfeldern eliminiert werden, sodass bei der Messung ausschließlich druckinduzierte Signaländerungen detektiert werden.
Bei einer Weiterbildung ist das weitere Teilvolumen, das den Referenzbereich bildet, in einem Bereich der Diamantmembran angeordnet, der eine gegenüber dem Teilvolumen, welches den Messbereich bildet, reduzierte Deformation bei der Druckeinwirkung aufweist, wobei das weitere Teilvolumen, welches den Referenzbereich bildet, bevorzugt zwischen der Mitte der Diamantmembran und dem seitlichen Rand der Diamantmembran angeordnet ist.
Wie weiter oben beschrieben wurde, sind am seitlichen Rand und in der Mitte der Membran die Verspannungen maximal. Es ist daher günstig, wenn der Referenzbereich zwischen der Mitte und dem seitlichen Rand der Diamantmembran angeordnet ist, da in diesem Bereich die Diamantmembran bei der Auslenkung weitestgehend verspannungsfrei ist. Insbesondere kann das Referenzbereich ungefähr in der Mitte zwischen dem seitlichen Rand und der Mitte der Diamantmembran angeordnet sein.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist das weitere Teilvolumen, das den Referenzbereich bildet, außerhalb der Diamantmembran angeordnet und deformiert sich bei der Druckeinwirkung auf die Diamantmembran nicht. Das weitere Teilvolumen kann beispielsweise an der weiter oben beschriebenen Trägerstruktur angebracht sein, die massiv ausgebildet ist und die sich im Gegensatz zu der Diamantmembran nicht deformiert, wenn auf diese eine Druckwirkung ausgeübt wird.
Weiterhin besteht eine Weiterbildung darin, das weitere Teilvolumen, das den Referenzbereich bildet, an einer weiteren Diamantmembran vorzusehen, die baugleich zu der Diamantmembran ist und die bei der Druckeinwirkung auf die Diamantmembran keiner Druckeinwirkung ausgesetzt ist. Bevorzugt sind das Teilvolumen, das den Messbereich bildet, an der Diamantmembran und das weitere Teilvolumen, das den Referenzbereich bildet, an der weiteren Diamantmembran identisch positioniert. Die Diamantmembran und die weitere Diamantmembran sind typischerweise benachbart zueinander angeordnet. Die weitere Diamantmembran wird an beiden Seiten mit demselben Druck beaufschlagt und wird daher bei der Druckeinwirkung auf die Diamantmembran, die das Teilvolumen aufweist, der als Messbereich dient, nicht ausgelenkt. Um dies zu erreichen, kann die weitere Diamantmembran von dem Messvolumen, das die Druckänderung erfährt, mit Hilfe eines Gehäuses oder dergleichen abgeschirmt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Messbereich und der Referenzbereich eine identische Wärmekapazität und eine identische, wärmeleitende Anbindung haben und somit zeitliche Temperaturänderungen exakt gleich auf den Referenzbereich und auf den Messbereich wirken. Auch kann aufgrund der räumlichen Nähe zwischen dem Messbereich und dem Referenzbereich davon ausgegangen werden, dass die Magnetfeldverhältnisse in dem Messbereich und in dem Referenzbereich praktisch identisch sind.
Die Diamantmembran und die weitere Diamantmembran stellen bevorzugt Bereiche eines einstückigen Diamantkristalls dar, d.h. die beiden Diamantmembranen und auch deren gemeinsamer Trägerkörper werden typischerweise aus ein- und demselben Diamantkristall hergestellt.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das mindestens eine mit den Farbzentren dotierte Teilvolumen eine Längsrichtung auf, die parallel zu einer bei der Druckeinwirkung auf die Diamantmembran maximal gedehnten oder maximal gestauchten Kristallachse der Diamantmembran ausgerichtet ist.
Die Längsrichtung sowie die Querrichtung des mit den Farbzentren dotierten Teilvolumens ist in Bezug auf die nicht ausgelenkte Diamantmembran definiert, d.h. auf eine Ebene, die senkrecht zur Dickenrichtung der Membran ausgerichtet ist. Die Erstreckung des Teilvolumens in Längsrichtung ist größer als die Erstreckung des Teilvolumens in Querrichtung. Das Teilvolumen kann in diesem Fall beispielsweise eine rechteckige bzw. - unter Berücksichtigung der Erstreckung in Dickenrichtung - quaderförmige Geometrie aufweisen. Die räumliche Eingrenzung des mit den Farbzentren dotierten Teilvolumens erfolgt hierbei derart, dass an der Position des Teilvolumens eine der vier Kristallachsen des Diamantkristalls maximal gedehnt oder gestaucht wird und das Teilvolumen mit seiner Längsrichtung entlang dieser Kristallachse ausgerichtet ist.
Durch die selektive Adressierung der von der Verspannungsänderung am meisten betroffenen Kristallachse über die Einstellung der zugehörigen Mikrowellenfrequenz kann eine weitere Signalstärkenmaximierung erreicht werden. Der weiteren hat die selektive Anregung der Magnetresonanz, die durch die am meisten gedehnte oder gestauchte Kristallachse hervorgerufen wird, den Vorteil, dass auf komplexe Mikrowellen-Anregungsschemen zur Adressierung aller vier möglichen Kristallachsen des Diamantkristalls verzichtet werden kann.
Bei einer Weiterbildung ist eine Längsrichtung des weiteren Teilvolumens, welches den Referenzbereich bildet, parallel zur Längsrichtung des Teilvolumens ausgerichtet, welches den Messbereich bildet. Die Längsrichtung des weiteren Teilvolumens, welches den Referenzbereich bildet, ist somit ebenfalls parallel zur maximal gedehnten und/oder maximal gestauchten Kristallachse des Diamantkristalls ausgerichtet.
Für die Resonanzverschiebung der spannungsempfindlichen Kristallachse (d.h. der maximal gedehnten bzw. maximal gestauchten Kristallachse) des Messbereichs und des Referenzbereichs (bei paralleler Ausrichtung) gilt folgendes: $f_{s e n s} = f_{0} + γ B - θ T + C_{s t r a i n} σ$
$f_{r e f} = f_{0} + γ B - θ T,$
wobei f_sens die Frequenzverschiebung in dem Messbereich und f_ref die Frequenzverschiebung in dem Referenzbereich, γ das gyromagnetische Verhältnis, B die magnetische Flussdichte, θ den Temperaturkoeffizienten und T die Temperatur bezeichnen. Wird für die Auswertung ein Differenzverstärker verwendet, der die Differenz f_sens - f_ref der beiden Frequenzsignale auswertet, ergibt sich als verbleibendes Signal: $Δ f = f_{s e n s} - f_{r e f} = C_{s t r a i n} σ .$
Daher reicht es in diesem Fall aus, wie weiter oben in Zusammenhang mit Gleichung (1) beschrieben nur die Magnetresonanz der drucksensitiven Kristallrichtung auszulesen, so dass sowohl der Referenzbereich als auch der Messbereich mit der gleichen Mikrowellenfrequenz angeregt werden können und die resultierende Frequenzverschiebung Δf proportional zur Signalstärke des demodulierten Signals ist.
Es ist grundsätzlich möglich, dass der Drucksensor nur ein Teilvolumen aufweist, das den Messbereich bildet, aber kein weiteres Teilvolumen, das einen Referenzbereich bildet. Die Bestimmung des Drucks mit dem Drucksensor ist in diesem Fall etwas ungenauer und mit mehr Aufwand im Bereich der Signalanregung und beim Auslesen der Signale verbunden. Bei einem solchen Drucksensor werden sowohl die maximal gedehnte Kristallachse als auch eine weitere, möglichst unverspannte Kristallachse in ihrer Magnetresonanz angeregt und beobachtet. Um gleichzeitig Magnetfeld- und Temperatureinflüsse zu kompensieren, ist es in diesem Fall typischerweise erforderlich, von diesen beiden Kristallachsen sowohl die m- als auch die m+ Resonanz anzuregen, sodass vier Resonanzen gleichzeitig angeregt und beobachtet werden müssen.
Aus den Frequenzschwerpunkten der m+ und der m- Magnetresonanz beider Kristallachsen wird die Differenz gebildet, die direkt der Verspannung und damit der Druckdifferenz zugeordnet werden kann. Da die Temperatur auf die beiden Kristallachsen gleichermaßen und die Verspannungen selektiv nur auf eine Kristallachse wirken, werden Temperatureinflüsse kompensiert. Da Magnetfelder nur den Abstand zwischen der m+ und der m- Resonanz, nicht aber den Schwerpunkt beider Frequenzen beeinflussen, können auf diese Weise auch Magnetfeldeinflüsse kompensiert werden.
Ein Drucksensor, der auf die weiter oben beschriebene Weise ausgebildet ist, ermöglicht zusätzlich eine Bestimmung der Temperatur, die sich aus dem Frequenzschwerpunkt der Magnetresonanzen der unverspannten Kristallachse ablesen lässt, ist aber vom apparativen Aufwand und von der Signalverarbeitung sehr viel aufwändiger als ein Drucksensor, der zusätzlich zu dem Messbereich einen Referenzbereich aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Drucksensor mindestens eine Anregungslichtquelle zur Einstrahlung von Anregungslicht in das Teilvolumen, das den Messbereich bildet, und bevorzugt in das weitere Teilvolumen, das den Referenzbereich bildet. Wie weiter oben beschrieben wurde, werden die Farbzentren gleichzeitig mit Anregungslicht und mit Mikrowellenstrahlung angeregt. Für den Fall, dass der Messbereich und der Referenzbereich sich an zwei unterschiedlichen Diamantmembranen befinden, können für die Einstrahlung von Anregungslicht zwei separate Anregungslichtquellen verwendet werden. Alternativ ist es möglich, ein- und dieselbe Anregungslichtquelle für die Einstrahlung von Anregungslicht in den Messbereich und in den Referenzbereich zu verwenden. Die bzw. eine jeweilige Anregungslichtquelle umfasset typischerweise eine Laserquelle zur Erzeugung des Anregungslichts.
Um Schwankungen der Anregungslichtquelle auszugleichen, die zur Anregung der Magnetresonanzen dient, ist bei einem Drucksensor, der keinen Referenzbereich aufweist, in der Regel eine zusätzliche Beobachtung der Leistung der Anregungslichtquelle bzw. der Laserquelle erforderlich. Die Beobachtung der Leistung der Anregungslichtquelle kann beispielsweise mit Hilfe einer Referenz-Fotodiode erfolgen. Auch bei der Verwendung eines Messbereichs und eines zusätzlichen Referenzbereichs kann es günstig sein, wenn eine zusätzliche Beobachtung der Laserintensität z.B. über eine separate Fotodiode, dazu verwendet wird, um Fluktuationen der Leistung der Laserquelle zusätzlich aus dem Messsignal herauszurechnen.
Bei einer Weiterbildung ist die Anregungslichtquelle zur seitlichen Einstrahlung von Anregungslicht in die Diamantmembran ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform wird das Anregungslicht typischerweise parallel zu der Ebene eingestrahlt, entlang derer die Diamantmembran sich im nicht ausgelenkten Zustand erstreckt. Um dies zu ermöglichen, ist es günstig, wenn der Trägerkörper, an dem die Diamantmembran angebracht ist, zumindest in dem Volumenbereich, in dem die Einstrahlung des Anregungslichts erfolgt, transparent für das Anregungslicht ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Trägerkörper selbst aus dem Material der Diamantmembran besteht. Für die seitliche Einkopplung des Anregungslichts kann die Anregungslichtquelle beispielsweise Spiegel oder dergleichen zur Umlenkung des Anregungslichts aufweisen und auch der Trägerkörper kann ggf. zur Umlenkung des Anregungslichts eines oder mehrere Umlenkelemente aufweisen.
Die hier beschriebene Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn sowohl der Messbereich als auch der Referenzbereich an bzw. in der Diamantmembran gebildet sind, da in diesem Fall durch die seitliche Einstrahlung das Anregungslicht sowohl in das Teilvolumen, welches den Messbereich bildet, als auch in das Teilvolumen, welches den Referenzbereich bildet, eingestrahlt werden kann, sofern diese entlang einer gemeinsamen Sichtlinie angeordnet sind. Auch wenn die Diamantmembran ausgelenkt wird, kann das Anregungslicht in das Teilvolumen bzw. in das weitere Teilvolumen eingestrahlt werden, sofern die Auslenkung der Diamantmembran nicht zu groß ist bzw. sofern das Teilvolumen und das weitere Teilvolumen eine ausreichende Dicke aufweisen.
Da das Teilvolumen, welches den Messbereich bildet, und das weitere Teilvolumen, welches den Referenzbereich bildet, in der Regel räumlich sehr nahe zueinander angeordnet sein sollten (s.o.) stellt das selektive Auslesen der beiden Bereiche eine gewisse Herausforderung dar. Die Detektion von Fluoreszenzlicht, welches bei der Anregung der Farbzentren in dem Teilvolumen bzw. in dem weiteren Teilvolumen erzeugt wird, kann für den Fall der seitlichen Einstrahlung des Anregungslichts beispielsweise durch zwei Detektoren erfolgen, die in geringem Abstand von dem Messbereich bzw. von dem Referenzbereich der Diamantmembran beabstandet sind. Der geringe Abstand der Detektoren von der Diamantmembran, der beispielsweise in der Größenordnung der Dicke der Diamantmembran liegen kann, ist aufgrund der seitlichen Einstrahlung des Anregungslichts möglich und stellt sicher, dass ein jeweiliger Detektor nur das Fluoreszenzlicht aus einem der beiden Bereiche detektiert.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Anregungslichtquelle mindestens einen Lichtleiter zur Zuführung des Anregungslichts zu dem Teilvolumen und bevorzugt zur Abführung von Fluoreszenzlicht von dem Teilvolumen und/oder mindestens einen weiteren Lichtleiter zur Zuführung des Anregungslichts zu dem weiteren Teilvolumen und bevorzugt zur Abführung von weiterem Fluoreszenzlicht von dem weiteren Teilvolumen auf. Die Anregungslichtquelle kann beispielsweise einen Strahlteiler aufweisen, um das Anregungslicht in den Lichtleiter und in den weiteren Lichtleiter einzukoppeln. Die Lichtleiter, die beispielsweise als Lichtleitfasern oder als „Light Pipes“ ausgebildet sein können, dienen typischerweise sowohl zur Führung des Anregungslichts zu dem Teilvolumen bzw. zu dem weiteren Teilvolumen als auch zum Einsammeln bzw. zur Abführung von Fluoreszenzlicht bzw. von weiterem Fluoreszenzlicht aus dem Teilvolumen bzw. aus dem weiteren Teilvolumen. An einem dem Teilbereich bzw. dem weiteren Teilbereich abgewandten Ende des Lichtleiters bzw. des weiteren Lichtleiters kann jeweils ein Strahlteiler z.B. in Form eines dichroitischen Spiegels, angeordnet sein, um das Fluoreszenzlicht bzw. das weitere Fluoreszenzlicht vom Anregungslicht zu trennen und einem jeweiligen Detektor zuzuführen.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Drucksensor einen Detektor zur Detektion von Fluoreszenzlicht aus dem Teilvolumen, welches den Messbereich bildet, sowie bevorzugt einen weiteren Detektor zur Detektion von weiterem Fluoreszenzlicht aus dem weiteren Teilvolumen, welches den Referenzbereich bildet.
Der Detektor sollte so angeordnet werden, dass möglichst nur das Fluoreszenzlicht aus dem Messbereich, aber nicht das weitere Fluoreszenzlicht aus dem Referenzbereich detektiert wird. Für den weiteren Detektor gilt dies entsprechend. Bei der Verwendung einer einzigen Diamantmembran kann dies durch die seitliche Einstrahlung des Anregungslichts bzw. durch die Verwendung von Lichtleitern sichergestellt werden (s.o.). Wenn der Referenzbereich an einer weiteren Diamantmembran gebildet ist, die nicht ausgelenkt wird, können die Diamantmembran und die weitere Diamantmembran jeweils getrennt mit einer Anregungslichtquelle mit Anregungslicht in Freistrahlpropagation ausgeleuchtet werden und mit dem Detektor bzw. mit dem weiteren Detektor kann das Fluoreszenzlicht detektiert bzw. ausgelesen werden. Der Detektor bzw. der weitere Detektor können hierbei insbesondere vollständig oder teilweise seitlich versetzt zum Messbereich bzw. zum Referenzbereich angeordnet werden, um die Einstrahlung des Anregungslichts zu ermöglichen. Da das Fluoreszenzlicht isotrop abgestrahlt wird, kann ein Teil des Fluoreszenzsignals von dem seitlich versetzt angeordneten Detektor bzw. von dem weiteren Detektor eingesammelt werden. Bei dem Detektor und bei dem weiteren Detektor kann es sich beispielsweise um Fototdioden oder dergleichen handeln.
Bei einer Weiterbildung umfasst der Drucksensor eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Druckeinwirkung auf die Diamantmembran anhand des Fluoreszenzlichts und bevorzugt anhand des weiteren Fluoreszenzlichts. Der Drucksensor weist eine Auswerteeinrichtung auf, die in der Regel in Form einer elektronischen Schaltung bzw. in geeigneter Soft- und/oder Hardware realisiert ist. Für den Fall, dass der Drucksensor sowohl einen Messbereich als auch einen Referenzbereich aufweist, dient die Auswerteeinrichtung zur Differenzbildung zwischen den von dem Detektor und von dem weiteren Detektor gelieferten Messsignalen. Wie weiter oben beschrieben wurde, können auf diese Weise Temperatureinflüsse, Magnetfeldeinflüsse sowie ggf. Intensitätsschwankungen der Anregungslichtquelle eliminiert werden.
Die Differenzbildung in der Auswerteeinrichtung erfolgt vorteilhafterweise, indem zunächst die von dem Detektor und dem weiteren Detektor gelieferten Signale voneinander subtrahiert werden und nachfolgend nur das Differenzsignal verstärkt wird. Erst nach der Verstärkung wird das Differenzsignal in einem A/D-Wandler digitalisiert, wodurch die gesamte Bandbreite des A/D-Wandlers ausgenutzt werden kann. Der Wert bzw. die Signalstärke des digitalisierten Messsignals ist ein Maß für die Druckeinwirkung, die dem Differenzdruck zwischen dem Messvolumen und dem Referenzvolumen entspricht.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Drucksensor mindestens einen Mikrowellenemitter zur Beaufschlagung des Teilvolumens, das den Messbereich bildet, und bevorzugt des weiteren Teilvolumens, das den Referenzbereich bildet, mit mindestens einem Mikrowellenfeld auf. Bei dem Mikrowellenemitter kann es sich beispielsweise um einen Resonator oder um eine Antenne handeln. Die Verwendung eines Mikrowellen-Resonators ist günstig, um den ODMR(„optically detected magnetic resonance“)-Signalkontrast zu erhöhen und die Anforderungen an die Anregungsleistung des Mikrowellenemitters zu erhöhen. In der Regel werden der Messbereich und der Referenzbereich mit ein- und demselben Mikrowellenemitter angeregt. Da es im weiter oben beschriebenen Fall ausreichend ist, nur eine Magnetresonanz anzuregen, die einer einzelnen Kristallachse entspricht, kann der Mikrowellen-Resonator sehr schmalbandig ausgelegt werden. Auf diese Weise kann die Effektivität des Resonators gegenüber den bei Magnetfeld-Vektorsensoren eingesetzten Breitband-Resonatoren deutlich verbessert werden (vgl. „Integrated and Portable Magnetometer Based on Nitrogen-Vacancy Ensembles in Diamond“, F. M. Stürmer et al., Adv. Quantum Technol. Vol. 4, p.2000111 (2021)). Der Frequenzbereich des Mikrowellenemitters liegt bevorzugt zwischen 2,8 GHz und 3,1 GHz.
Das Mikrowellenfeld kann auch mittels einer geeigneten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, typischerweise als ASIC bezeichnet, erzeugt werden. Über entsprechende Metallisierungsebenen und Strukturen im ASIC können der Messbereich und der Referenzbereich einer direkt auf dem ASIC angeordneten Diamantmembran bzw. einer weiteren Diamantmembran mit dem Mikrowellenfeld beaufschlagt werden. In einer solchen hochintegrierten Lösung bietet es sich an, dass der ASIC gleichzeitig auch die Detektoren und die Auswerteeinheit, typischerweise in Form einer Auswerteelektronik beinhaltet, die gegebenenfalls zur balancierten Detektion bzw. zur Differenzbildung der Signale aus dem Messbereich und aus dem Referenzbereich ausgebildet ist (s.o.).
Bei einer Weiterbildung ist der Mikrowellenemitter ausgebildet, eine Mikrowellenfrequenz des Mikrowellenfeldes zu modulieren. Dies ermöglicht eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei der Messung (Lock-In-Technik). Durch die Demodulation des Fluoreszenzsignals ergibt sich im Bereich der Magnetresonanz ein linearer Zusammenhang zwischen Signalstärke und Druckänderung (vgl. den weiter oben zitierten Artikel von F. Stuerner et al., insbesondere 3). Eine Verschiebung der Lage der Magnetresonanz durch Temperaturänderungen oder äußere Magnetfelder über die Frequenzbreite der Magnetresonanz hinaus kann durch regelmäßiges Nachjustieren der eingestrahlten Mikrowellenfrequenz erfolgen, so dass der Drucksensor immer im empfindlichsten Arbeitspunkt im Bereich der Magnetresonanz des NV-Zentrums betrieben wird. Um ein durch eine Druckänderung hervorgerufenes Nachjustieren zu vermeiden, kann die Dicke der Diamantmembran und damit die maximale Ausdehnung oder Stauchung des Diamantkristalls so begrenzt werden, dass die maximale, druckinduzierte Resonanzverschiebung im Bereich der Magnetresonanzbreite liegt.
Der Fluoreszenzkontrast der beobachteten Magnetresonanzen lässt sich zusätzlich dadurch erhöhen, dass die drei Hyperfeinniveaus der beobachteten Magnetresonanz, welche 2,16 MHz von der jeweiligen Zentralwellenlänge verschoben sind, gleichzeitig angeregt werden. Dies kann z.B. durch Zumischen einer festen HF-Frequenz von 2,16 MHz zum eigentlichen Mikrowellensignal erfolgen.
Ohne eine äußere (mechanische) Verspannung der Diamantmembran oder ohne ein äußeres Magnetfeld liegen die Magnetresonanzen der vier unterschiedlichen Kristallachsen übereinander. Dies macht es schwierig, eine einzelne Kristallachse gezielt mit Mikrowellenstrahlung zu adressieren und selektiv auszulesen, da die Signalstärke durch die Überlagerung mit den Resonanzsignalen der anderen Kristallachsen beeinträchtigt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst der Drucksensor eine Magnetfeldquelle zur Beaufschlagung des Teilvolumens, welches den Messbereich bildet, und bevorzugt des weiteren Teilvolumens, welches den Referenzbereich bildet, mit einem Bias-Magnetfeld. Um auch im drucklosen Bereich ein deutliches Signal zu generieren, kann eine Separation der Magnetresonanzen durch ein (in der Regel statisches) Bias-Magnetfeld herbeigeführt werden. Bei der Magnetfeldquelle zur Erzeugung des Bias-Magnetfelds kann es sich beispielsweise um eine stromdurchflossene Helmholtz-Spule handeln oder um einen oder mehrere Permanentmagnete. Da eine stromdurchflossene Spule den Energiebedarf des Sensors erhöht, ist die Verwendung eines Permanentmagneten vorteilhaft. Möglich ist auch eine Kombination von Permanentmagneten und Spulen, wobei die Spulenmagnetfelder nur zum Ausgleich von Schwankungen und Inhomogenitäten des bzw. der Permanentmagneten dienen und somit nur mit einem vergleichsweise geringen Strom beaufschlagt werden müssen.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Diamantmembran eine mechanische Bias-Vorspannung auf. Wie weiter oben beschrieben wurde, herrscht in der Regel von bzw. bei Beginn der Messung typischerweise in dem Messvolumen, das an eine erste Seite der Diamantmembran angrenzt und in dem Referenzvolumen, das an eine zweite Seite der Diamantmembran angrenzt, derselbe Druck, sodass die Diamantmembran vor der Messung nicht ausgelenkt wird und plan ausgerichtet ist. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird gezielt eine mechanische (Bias-)Vorspannung auf die Diamantmembran ausgeübt, indem vor der Messung der Druckeinwirkung ein Differenzdruck erzeugt wird, der eine Auslenkung bzw. Verformung der Diamantmembran bewirkt. Eine Bias-Vorspannung der Diamantmembran kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass im Referenzvolumen des Drucksensors ein Druck eingestellt bzw. vorgegeben wird, der außerhalb des zu messenden Druckbereichs des Messvolumens liegt, sodass zu jedem Zeitpunkt eine Auslenkung der Diamantmembran und damit eine Verspannung des dotierten Teilbereichs sowie ggf. des weiteren dotierten Teilbereichs vorliegt, die eine Separation der Magnetresonanzen der Kristallachsen der Diamantmembran bewirkt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1a,b schematische Darstellungen einer Diamantmembran in einer nicht ausgelenkten Grundstellung sowie in einer durch eine Druckeinwirkung ausgelenkten Stellung,
2a,b eine Schnittdarstellung und eine Draufsicht auf die ausgelenkte Diamantmembran von 1b mit einem mit NV-Zentren dotierten Teilvolumen, das einen Messbereich bildet, der in der Mitte der Diamantmembran angeordnet ist,
3a,b Darstellungen analog zu 2a,b mit einem weiteren mit NV-Zentren dotierten Teilvolumen, das einen Referenzbereich bildet, der exzentrisch zur Mitte der Diamantmembran angeordnet ist,
4 eine Darstellung analog zu 3a, bei welcher der Referenzbereich an einer weiteren Diamantmembran gebildet ist, die keiner Druckeinwirkung ausgesetzt ist,
5a-d Darstellungen der Energieniveaus und der Übergänge zwischen den Energieniveaus der NV-Zentren des dotierten Teilvolumens der Diamantmembran bei der Anregung mit Anregungslicht und mit Mikrowellenstrahlung,
6a,b Darstellungen analog zu 5a-d bei der Anregung der NV-Zentren mit Anregungslicht und mit Mikrowellenstrahlung mit und ohne eine Verspannung,
7 eine Darstellung eines Drucksensors mit der Diamantmembran von 3a,b und mit einer Anregungslichtquelle, die einen Lichtleiter zur Zuführung von Anregungslicht zu dem Messbereich und einen weiteren Lichtleiter zur Zuführung von weiterem Anregungslicht zu dem Referenzbereich aufweist,
8a eine Darstellung einer Anregungslichtquelle zur seitlichen Einstrahlung des Anregungslichts in die Diamantmembran von 3a,b, sowie
8b eine Darstellung von zwei Anregungslichtquellen zur senkrechten Einstrahlung des Anregungslichts auf die Diamantmembran und auf die weitere Diamantmembran von 4.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1a,b zeigen eine Diamantmembran 1, die durch Materialabtrag aus einem Diamant-Einkristall hergestellt wurde, dessen nicht abgetragenes Volumen einen Trägerkörper 2 für die Diamantmembran 1 bildet. Die Diamantmembran 1 und der Trägerkörper 2 sind einstückig ausgebildet. Die Diamantmembran 1 weist eine erste, obere Seite 1a auf, die an ein Messvolumen 3 angrenzt, in dem ein Druck p₁ herrscht. Die Diamantmembran 1 weist auch eine zweite, untere Seite 1b auf, die an ein Referenzvolumen 4 angrenzt, in dem ein Druck p₂ herrscht. Bei dem Referenzvolumen 4 kann es sich um ein Volumen handeln, in dem Umgebungsdruck herrscht, es ist aber auch möglich, dass das Referenzvolumen 4 von der Umgebung abgeschirmt ist, wie dies in 1a,b durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Das Messvolumen 3 ist von der Umgebung durch ein Gehäuse 5 getrennt. Der Druck p₁ in dem Messvolumen 3, genauer gesagt eine Druckeinwirkung in Form einer Druckdifferenz Δp = p₁ - p₂ zwischen dem Druck p₁ in dem Messvolumen 3 und dem Druck p₂ in dem Referenzvolumen 4 kann anhand einer Auslenkung der Diamantmembran 1 bestimmt werden, wie nachfolgend anhand eines Vergleichs von 1a mit 1b beschrieben wird.
Bei dem in 1a gezeigten Beispiel herrschen in dem Messvolumen 3 und in dem Referenzvolumen 4 dieselben Druckverhältnisse, d.h. es gilt: p₁ = p₂. Die Druckdifferenz Δp ist Null und somit die Druck- bzw. die Krafteinwirkung auf beide Seiten 1a, 1b der Diamantmembran 1 gleich groß. Die Diamantmembran 1 ist in diesem Fall in einer Grundstellung parallel zu einer XY-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems ausgerichtet.
Bei dem in 1b dargestellten Beispiel ist der Druck p₁ in dem Messvolumen 3 größer als der (konstante) Druck p₂ in dem Referenzvolumen. Es findet somit eine Druckeinwirkung Δp = p₁ - p₂ auf die Diamantmembran 1 statt, welche dazu führt, dass die Diamantmembran 1 sich deformiert bzw. verbiegt und hierbei aus der in 1a gezeigten Ruhestellung ausgelenkt wird, wie dies in 1b dargestellt ist. Der Grad der Auslenkung der Diamantmembran 1 stellt ein Maß für die Druckdifferenz bzw. die Druckeinwirkung Δp auf die Diamantmembran 1 dar.
Die Druckeinwirkung Δp auf die Diamantmembran 1 wird im gezeigten Beispiel mit Hilfe eines mit Farbzentren, genauer gesagt mit NV-Zentren, dotierten Teilvolumens 6 der Diamantmembran 1 gemessen, d.h. das Teilvolumen 6 bildet einen Messbereich M. Bei der Messung der Druckeinwirkung Δp auf die Diamantmembran 1 wird ausgenutzt, dass das dotierte Teilvolumen 6 sich bei der Auslenkung bzw. der Deformation der Diamantmembran 1 verformt, wobei Verspannungen in dem dotierten Teilvolumen 6 induziert werden. Durch eine Anregung des mit den NV-Zentren dotierten Teilvolumens 6 durch Anregungslicht und Mikrowellenstrahlung (s.u.) kann der Grad der Verspannung des dotierten Teilvolumens 6 gemessen und auf die Größe der Druckeinwirkung Δp auf die Diamantmembran 1 geschlossen werden.
Alternativ zu dem in 1a,b beschriebenen Vorgehen ist es möglich, dass die Diamantmembran 1 bei der Druckeinwirkung Δp aus einer Grundstellung heraus ausgelenkt wird, bei der eine Bias-Vorspannung auf die Diamantmembran 1 ausgeübt wird. In diesem Fall wird der Druck p₂ in dem Referenzvolumen 4 so gewählt, dass dieser außerhalb des Wertebereichs des Drucks p₁ in dem Messvolumen 3 liegt, innerhalb dessen die Druckmessung erfolgen soll. In diesem Fall liegt zu jedem Zeitpunkt eine Auslenkung der Diamantmembran 1 und damit eine Verspannung des dotierten Teilvolumens 6 vor, welches den Messbereich M bildet.
Da die Verspannung der Diamantmembran 1 in Dickenrichtung Z der Diamantmembran 1 variiert und für die Messung möglichst konstante Verspannungsverhältnisse in dem Teilvolumen 6 vorliegen sollten, welches den Messbereich M bildet, weist das mit den NV-Zentren dotierte Teilvolumen 6 eine Dicke d auf, die geringer ist als die Dicke D der Diamantmembran 1, die im gezeigten Beispiel bei ca. 0,1 mm liegt. Im gezeigten Beispiel weist das Teilvolumen 6 eine Dicke auf, die geringfügig kleiner ist als die Hälfte D/2 der Dicke D der Diamantmembran 1. Es ist aber auch möglich, dass die Dicke d des Teilvolumens kleiner als ein Drittel, insbesondere kleiner als ein Viertel der Dicke D der Diamantmembran 1 ist,
Wie in 1a,b ebenfalls zu erkennen ist, grenzt das dotierte Teilvolumen 6 an eine Seite 1b bzw. an eine Oberfläche der Diamantmembran 1 an, die im gezeigten Beispiel dem Referenzvolumen 4 zugewandt ist. Dies ist u.a. deshalb günstig, da in diesem Fall das (nicht gezeigte) Anregungslicht in dem Referenzvolumen 4 propagieren kann und nicht das Messvolumen 3 durchlaufen muss.
Die Spannungsverhältnisse in der Diamantmembran 1 variieren nicht nur in Dickenrichtung Z, sondern auch in Abhängigkeit von der Position in lateraler Richtung, d.h. über die jeweilige Oberfläche 1 a,b. Um eine maximale Signalstärke bei der Messung der Druckeinwirkung Δp zu erzeugen, ist es von Vorteil, wenn die Verspannung der Diamantmembran 1 nur im Bereich maximaler Verspannung bzw. Deformation ausgelesen wird. Bei den Bereichen maximaler Deformation handelt es sich um den in 2b dargestellten umlaufenden kreisförmigen Rand 7 der Diamantmembran 1, mit dem diese an dem Tragkörper 2 angebracht ist bzw. in diesen übergeht, sowie um die Mitte 8 bzw. um den Mittelpunkt der Diamantmembran 1, der in 2b durch ein Kreuz angedeutet ist. Es hat sich als günstig erwiesen, für die Messung der Druckeinwirkung Δp den Messbereich M bzw. das dotierte Teilvolumen 6 zentrisch an der Diamantmembran 1 zu positionieren.
Die Magnetresonanzverschiebungen, anhand derer die Druckeinwirkung Δp auf die Diamantmembran 1 gemessen wird, werden nicht nur durch die Verspannung der Diamantmembran 1, sondern auch durch andere Einflüsse, beispielsweise durch Temperaturänderungen und vor allem durch äußere Magnetfelder verändert. Um diese Einflüsse bei der Bestimmung der Druckeinwirkung Δp möglichst zu eliminieren, ist es günstig, (mindestens) ein weiteres mit NV-Zentren dotiertes Teilvolumen 9 zu verwenden, das einen Referenzbereich R bildet, der möglichst keiner durch die Druckeinwirkung Δp induzierten Verspannung, aber den anderen Einflüssen wie einer Temperaturänderung oder ggf. zeitlich veränderlichen Magnetfeldern ausgesetzt ist.
3a,b zeigen ein Beispiel einer Diamantmembran 1, bei der das weitere Teilvolumen 9, das den Referenzbereich R bildet, an der Diamantmembran 1 seitlich versetzt zu dem Teilvolumen 6 angebracht ist, welches den Messbereich M bildet. Das weitere Teilvolumen 9, welches den Referenzbereich R bildet, und das Teilvolumen 6, welches den Messbereich M bildet, weisen dieselben Abmessungen und dieselbe Geometrie auf, d.h. bei beiden handelt es sich um längliche, quaderförmige Volumenbereiche. Das weitere Teilvolumen 9, welches den Referenzbereich R bildet, ist zwischen dem äußeren Rand 7 und der Mitte 8 der Diamantmembran 1 angeordnet, an der diese bei der Auslenkung ihre maximale Deformation erfährt. Im gezeigten Beispiel ist das weitere Teilvolumen 9 ungefähr mittig zwischen der Mitte 8 der Diamantmembran 1 und dem seitlichen Rand 7 der Diamantmembran 1 positioniert.
4 zeigt eine weitere Möglichkeit der Anordnung des weiteren Teilvolumens 9, welches den Referenzbereich R bildet. Bei dem in 4 gezeigten Beispiel weist dem Trägerkörper 2 aus dem Diamant-Einkristall zusätzlich zu der Diamantmembran 1 eine weitere Diamantmembran 1' auf, die baugleich zu der Diamantmembran 1 ist. Die weitere Diamantmembran 1' ist ebenfalls kreisförmig ausgebildet und weist identische Abmessungen zu der Diamantmembran 1 auf, insbesondere eine identische Dicke. Wie in 4 zu erkennen ist, ist das weitere Teilvolumen 9, das den Referenzbereich R bildet, an der weiteren Diamantmembran 1' an derselben Stelle (mittig) positioniert wie das Teilvolumen 6, welches den Messbereich M an der Diamantmembran 1 bildet. Auch bei dem in 4 gezeigten Beispiel stimmen die Abmessungen des Teilvolumens 6, welches den Messbereich M bildet, und des Teilvolumens 9, welches den Referenzbereich R bildet, überein.
Wie in 4 ebenfalls zu erkennen ist, ist die weitere Diamantmembran 1' bei der Druckeinwirkung auf die Diamantmembran 1 keiner Druckeinwirkung Δp ausgesetzt, da beide Seiten 1a', 1b' der weiteren Diamantmembran 1' an das Referenzvolumen 4 angrenzen und das Messvolumen 3 durch das Gehäuse 5 abgeschlossen ist.
Aufgrund der benachbarten Anordnung des Referenzbereichs R von dem Messbereich M wirken sich sowohl bei dem in 3a,b gezeigten Beispiel als auch bei dem in 4 gezeigten Beispiel Umgebungseinflüsse wie Schwankungen der Temperatur, Magnetfelder, etc. praktisch identisch auf den Messbereich M und auf den Referenzbereich R aus, sodass durch eine Differenzbildung der in dem Messbereich M und in dem Referenzbereich R gemessenen Signale die Einflüsse der Temperatur und der Magnetfelder eliminiert werden. Auf diese Weise können praktisch ausschließlich druckinduzierte Signaländerungen gemessen werden, wie dies weiter unten näher beschrieben wird.
Wie in 2a,b, 3a,b und in 4 ebenfalls zu erkennen ist, weisen das Teilvolumen 6 und das weitere Teilvolumen 9 entlang einer Längsrichtung X eine erheblich größere Erstreckung aus als in Querrichtung Y. Die Längsrichtung X des Teilvolumens 6 und die Längsrichtung X des weiteren Teilvolumens 9 verlaufen hierbei parallel zu einer - abhängig vom Vorzeichen der Druckeinwirkung Δp - maximal gedehnten bzw. maximal gestauchten Kristallachse K der Diamantmembran 1 (vgl. 6a,b). Durch diese Ausrichtung des Teilvolumens 6 und des weiteren Teilvolumens 9 ist es möglich, nur die Magnetresonanz der drucksensitivsten Kristallachse K der Diamantmembran 1 auszulesen, sodass das Teilvolumen 6 und das weitere Teilvolumen 9 mit der gleichen Mikrowellenfrequenz angeregt werden können, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Nachfolgend wird anhand von 5a-d das Energieschema eines NV-Zentrums, das in 5a mit NV bezeichnet ist, dessen Anregung mit Hilfe von Anregungslicht 10 sowie mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung bzw. eines Mikrowellenfeldes 11 sowie die Aussendung von Fluoreszenzlicht 12 beschrieben. Ohne äußere Einwirkung von Druck, Temperatur oder Magnetfeld hat das NV-Zentrum das in 5a gezeigte Energieschema. Durch optische Anregung mit Anregungslicht 11 (vgl. 5b) im grünen Wellenlängenbereich werden Elektronen aus dem ³A-Zustand in den ³E, ms = 0 Energiezustand angeregt und fällt unter Aussendung von Fluoreszenzlicht 12 im roten Wellenlängenbereich in den ³A, ms = 0 Energiezustand zurück. Wird zusätzlich ein Mikrowellenfeld 11 eingestrahlt (vgl. 5c), dessen Frequenz (z.B. bei ca. 2,87 GHz) in der Lage ist, den Übergang vom m_s = 0 in den m_s = +/- 1 Elektronenzustand resonant zu treiben, wird das Elektron in den ³A, m_s = +/- 1 Elektronenzustand angeregt und durch die zusätzliche optische Anregung mit dem Anregungslicht 10 in den ³E ms = +/- 1 Elektronenzustand überführt. Der Zerfall dieses Zustands erfolgt mit hoher Übergangswahrscheinlichkeit über den sogenannten Shelving-State ¹A ohne die Aussendung von Fluoreszenzlicht 12 in den Grundzustand (³A, m_s = 0) zurück.
Wie in 5b,c oben zu erkennen ist, wird die Magnetresonanz, d.h. das Erreichen der (Resonanz-)Frequenz f der Mikrowellenstrahlung 11, bei welcher der Übergang vom m_s = 0 in den m_s = +/- 1 Elektronenzustand angeregt wird, durch einen Einbruch in der Intensität I_fl des Fluoreszenzlichts 12 sichtbar. Bei Anlegen eines Magnetfeldes B, wie dies in 5d gezeigt ist, spaltet der m_S = +/- 1 Energiezustand in separierbare m_S = +1 und m_S = -1 Energiezustände auf (Zeeman-Effekt), sodass im Fluoreszenzspektrum bzw. in der Intensität I_fl des Fluoreszenzlichts 12 bei zwei unterschiedlichen Frequenzen f₁, f₂ jeweils eine Magnetresonanz auftritt (Doppelresonanz). Der Frequenzabstand | f₁-f₂ | zwischen den beiden Frequenzen f₁, f₂ ist proportional zur magnetischen Feldstärke bzw. Flussdichte B.
Durch die auf die Diamantmembran 1 ausgeübte Druckeinwirkung Δp wird eine Verspannung σ (engl. „strain“) in dem Diamantmaterial erzeugt, die zur Veränderung des Bindungsabstands zwischen den in 6a,b unten in Form von Kreisen dargestellten Kohlenstoff-Atomen des Diamantgitters führt. Die Veränderung des Bindungsabstands verändert auch die energetische Umgebung eines jeweiligen in dieser Kristallrichtung ausgedehnten NV-Zentrums. Die maximal gedehnte bzw. gestauchte Kristallachse K verläuft bei dem in 6a,b gezeigten Beispiel unter einem Winkel zur horizontalen Richtung.
Wie in 6a,b oben zu erkennen ist, wird bei einer solchen in 6b dargestellten von Null verschiedenen Druckeinwirkung Δp der Abstand zwischen dem Energieniveau des ms = 0 Energiezustand und dem Frequenzschwerpunkt des ms = +1 und des ms = -1 Energieniveaus verändert, ohne dass hierbei die magnetfeldinduzierte Resonanzaufspaltung, d.h. der Frequenzabstand | f₁ - f₂ |, beeinflusst wird. Die Verschiebung Δf der beiden Magnetresonanzen f₁, f₂ ist hierbei proportional zur Verspannung σ, vgl. die weiter oben angegebene Gleichung (1). Die Verspannung σ ist wiederum proportional zur Druckeinwirkung Δp, weshalb aus der Frequenzverschiebung Δf die Druckeinwirkung Δp bestimmt werden kann.
7 zeigt ein Beispiel für einen Drucksensor 13, der ausgebildet ist, anhand der weiter oben beschriebenen Verschiebung Δf der Magnetresonanzen aufgrund der Verspannung σ des Diamantmaterials der in 3a,b gezeigten Diamantmembran 1 die Druckeinwirkung Δp auf die Diamantmembran 1 und somit (bei bekanntem Referenzdruck p₂) den Druck p₁ in dem Messvolumen 3 zu bestimmen. Auf die Darstellung des Messvolumens 3 und des Referenzvolumens 4 wurde in 7 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
Der Drucksensor 13 weist eine Anregungslichtquelle 14 auf, die zur Einstrahlung des Anregungslichts 10 in die Diamantmembran 1, genauer gesagt in das dotierte Teilvolumen 6, welches den Messbereich M bildet, sowie in das weitre dotierte Teilvolumen 9, welches den Referenzbereich R bildet, ausgebildet ist. Zu diesem Zweck umfasst die Anregungslichtquelle 14 eine Laserquelle 15, die zur Erzeugung des Anregungslichts 14 mit einer Wellenlänge im roten Wellenlängenbereich ausgebildet ist. Das Anregungslicht 14 wird in einem Strahlteiler 16 aufgeteilt und ein in der Regel gleich großer Anteil wird in einen Lichtleiter 17 und in einen weiteren Lichtleiter 17' eingekoppelt. Der Lichtleiter 17 dient zur Zuführung des Anregungslichts 10 zu dem Teilvolumen 6, welches den Messbereich M bildet, sowie zum Sammeln und Abführen des Fluoreszenzlichts 12, das in dem dotierten Teilbereich 6 bei der weiter oben beschriebenen Anregung der NV-Zentren erzeugt wird. Entsprechend wird das Anregungslicht 10 in dem weiteren Lichtleiter 17' dem weiteren Teilvolumen 9 zugeführt, welches den Referenzbereich R bildet. Das bei der weiter oben beschriebenen Anregung in dem weiteren Teilvolumen 9 erzeugte weitere Fluoreszenzlicht 11' wird in dem weiteren Lichtleiter 17' von dem Referenzbereich R bzw. von der Diamantmembran 1 abgeführt. Bei dem Lichtleiter 17 und bei dem weiteren Lichtleiter 17' kann es sich beispielsweise um Lichtleitfasern handeln.
Wie in 7 ebenfalls zu erkennen ist, wird das Fluoreszenzlicht 12, das von dem Messbereich M ausgeht, an einem dichroitischen Strahlteiler-Spiegel 18 vom Anregungslicht 10 getrennt und einem Detektor 19 zugeführt. Entsprechend wird das weitere Fluoreszenzlicht 12', das von dem Referenzbereich R ausgeht, an einem weiteren dichroitischen Strahlteiler-Spiegel 18' vom Anregungslicht 10 getrennt und einem weiteren Detektor 19' zugeleitet.
Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es für die Bestimmung der Druckeinwirkung Δp erforderlich, die Diamantmembran 1, genauer gesagt das Teilvolumen 66und das weitere Teilvolumen 9 mit einem Mikrowellenfeld 11 bzw. mit Mikrowellenstrahlung zu beaufschlagen. Zu diesem Zweck weist der Drucksensor 13 einen Mikrowellenemitter 20 auf. Der Mikrowellenemitter 20 umfasst einen Mikrowellengenerator 21, der zur Erzeugung von Mikrowellen dient, die mit Hilfe eines Mikrowellenresonators 22 emittiert werden. Der Frequenzbereich des Mikrowellenemitters 20 liegt typischerweise zwischen 2,8 GHz und 3,1 GHz. Der Mikrowellenemitter 20, genauer gesagt der Mikrowellengenerator 21, ist im gezeigten Beispiel ausgebildet, die Mikrowellenfrequenz f des Mikrowellenfeldes 11 zu modulieren. Dies ist günstig, um das Rauschen zu minimieren. Für Details des Modulationsverfahrens sei auf den weiter oben zitierten Artikel von F. M. Stürner verwiesen. Um eine durch die Druckänderung bzw. Druckeinwirkung Δp hervorgerufenes Nachjustieren zu vermeiden, kann die Dicke D der Diamantmembran 1 und damit die maximale Auslenkung oder Stauchung des Diamantkristalls so begrenzt werden, dass die maximale druckinduzierte Resonanzverschiebung im Bereich der Magnetresonanzbreite liegt.
Das Fluoreszenzlicht 12 aus dem Messbereich M wird von dem Detektor 19 in Form einer Fotodiode in ein elektrisches Fluoreszenzsignal umgewandelt, das ein Messsignal bildet. Entsprechend wird das weitere Fluoreszenzlicht 12' aus dem Referenzbereich R von dem weiteren Detektor 19' in Form einer Fotodiode in ein weiteres elektrisches Fluoreszenzsignal umgewandelt, das ein Referenzsignal bildet. Das Mess- und das Referenzsignal werden einer Auswerteeinrichtung 23 zugeführt, die in Form einer elektronischen Schaltung ausgebildet ist. Die Auswerteeinrichtung 23 umfasst einen Differenzverstärker 24, der einen Subtrahierer 25 zur Differenzbildung des Mess- und des Referenzsignals sowie einen Verstärker 26 zur Verstärkung des hierbei gebildeten Differenzsignals aufweist. Das verstärkte Differenzsignal wird einem A/D-Wandler 27 zugeführt und in ein digitales Signal umgewandelt. Wie weiter oben beschrieben wurde, können durch die Differenzbildung die Auswirkungen von Temperatureinflüssen, Magnetfeldeinflüssen und von Intensitätsschwankungen der Laserquelle 15 auf die Messung der Druckeinwirkung Δp eliminiert werden. Gegebenenfalls kann zusätzlich die Intensität der Laserquelle 15 mit Hilfe einer Fotodiode oder dergleichen überwacht werden, um den Einfluss von deren Intensitätsschwankungen auf die Druckmessung zu eliminieren.
Ohne eine druckbedingte Verspannung oder ein äußeres Magnetfeld liegen die Magnetresonanzen der vier Kristallachsen des Diamantkristalls, aus dem die Diamantmembran 1 hergestellt ist, übereinander. Das macht es schwierig, eine einzelne Kristallachse, beispielsweise die maximal gedehnte bzw. maximal gestauchte Kristallachse K, zu adressieren und selektiv auszulesen, da die Signalstärke einer Kristallachse K durch die Überlagerung mit den Resonanzsignalen der anderen Kristallachsen beeinträchtigt wird. Um auch im drucklosen Bereich ein deutliches Signal zu generieren, weist der in 7 gezeigte Drucksensor 13 eine schematisch angedeutete Magnetfeldquelle 28 zur Erzeugung eines Bias-Magnetfeldes B₀ auf. Die Magnetfeldquelle 28 kann beispielsweise eine oder mehrere stromdurchflossene Spulen, einen oder mehrere Permanentmagnete oder eine Kombination von Spulen und Permanentmagneten beinhalten. Die Magnetfeldquelle 28 ist ausgebildet, am Ort des Teilvolumens 6, welches den Messbereich M bildet, sowie am Ort des weiteren Teilvolumens 9, welches den Referenzbereich R bildet, das (statische) Bias-Magnetfeld B₀ zu erzeugen, um die Magnetresonanzen der einzelnen Kristallachsen zu separieren. Eine Separation der Magnetresonanzen der einzelnen Kristallachsen des Diamantkristalls kann alternativ oder zusätzlich durch die weiter oben beschriebene mechanische Vorspannung der Diamantmembran 1 erzeugt werden.
8a zeigt eine weitere Möglichkeit zur Einstrahlung des Anregungslichts 10 in die Diamantmembran 1 sowie zur Detektion des Fluoreszenzlichts 12 aus dem Messbereich M bzw. des weiteren Fluoreszenzlichts 12' aus dem Referenzbereich R. Bei dem in 8a gezeigten Beispiel ist die Anregungslichtquelle 14 ausgebildet, das Anregungslicht 10 seitlich in die Diamantmembran 1 einzustrahlen. Die Einstrahlug erfolgt hierbei durch den Trägerkörper 2 hindurch sowohl in das Teilvolumen 6, welches den Messbereich M bildet, als auch in das weitere Teilvolumen 9, welches den Referenzbereich R bildet. Wie in 8a gut zu erkennen ist, können die beiden Detektoren 19, 19' bei diesem Beispiel in geringem Abstand von der Diamantmembran 1 positioniert werden. Der geringe Abstand der Detektoren 19, 19' von der Diamantmembran 1, der in der Größenordnung der Dicke D der Diamantmembran 1 liegen kann, ist aufgrund der seitlichen Einstrahlung des Anregungslichts 10 möglich und stellt sicher, dass ein jeweiliger Detektor 19, 19' nur das Fluoreszenzlicht 12, 12' des Messbereichs M bzw. des Referenzbereichs R auffängt.
8b zeigt ein Beispiel der Einstrahlung des Anregungslichts 10 für den in 4 dargestellten Fall, bei welcher der Drucksensor 13 zusätzlich zu der Diamantmembran 1 eine weitere, baugleiche Diamantmembran 1' aufweist. Bei dem in 8b gezeigten Beispiel dient eine Anregungslichtquelle 14 zur Einstrahlung von Anregungslicht 10 in Freistrahlpropagation auf die Diamantmembran 1, genauer gesagt auf das dotierte Teilvolumen 6, das den Messbereich M bildet. Entsprechend dient eine weitere, baugleiche Anregungslichtquelle 14' zur Einstrahlung von Anregungslicht 10 in Freistrahlpropagation auf die weitere Diamantmembran 1', genauer gesagt auf das weitere Teilvolumen 9, welches den Referenzbereich R bildet. Da das Fluoreszenzlicht 12, 12' isotrop abgestrahlt wird, sind der Detektor 19 und der weitere Detektor 19' jeweils exzentrisch bzw. seitlich zur Mitte der Diamantmembran 1 bzw. der weiteren Diamantmembran 1' versetzt angeordnet.
Zusammenfassend kann mit Hilfe des weitere oben beschriebenen Drucksensors 13 eine präzise Messung der Druckeinwirkung Δp auf die Diamantmembran 1 und somit eine präzise Messung des Drucks p₁ in dem Messvolumen 3 erfolgen. Hierbei kann durch das differentielle Auslesen von Fluoreszenzlicht 12 aus dem Messbereich M und von weiterem Fluoreszenzlicht 21' aus einem identischen, aber nicht verspannten Referenzbereich R eine Kompensation von Leistungsschwankungen der Anregungslichtquelle 14 sowie von Temperatur- und Magnetfeldeinflüssen erfolgen. Durch das selektive Auslesen des am stärksten verformten bzw. ausgelenkten Bereichs der Diamantmembran 1 kann zudem eine Signalmaximierung erreicht werden. Die Begrenzung des dotierten Teilvolumens 6, welches den Messbereich M bildet, sowie des weiteren dotierten Teilvolumens 9, welches den Referenzbereich R bildet in Dickenrichtung sowie in lateraler Richtung kann beispielsweise durch eine lokal begrenzte Ionenimplantation oder durch eine Strukturierung einer NV-dotierten Schicht der Diamantmembran 1 erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014219547 A1 [0004, 0005]
DE 102014219550 A1 [0006, 0022]

Claims

Drucksensor (13), umfassend: eine durch Druckeinwirkung (Δp) auslenkbare Diamantmembran (1), die ein Teilvolumen (6) aufweist, das mit Farbzentren, bevorzugt mit Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV), dotiert ist, wobei das Teilvolumen (6) einen Messbereich (M) zur Messung der Druckeinwirkung (Δp) auf die Diamantmembran (1) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das mit den Farbzentren dotierte Teilvolumen (6) eine Dicke (d) aufweist, die kleiner ist als die Dicke (D) der Diamantmembran (1).
Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem das Teilvolumen (6) eine Dicke (d) aufweist, die kleiner ist als die Hälfte, bevorzugt kleiner ist als ein Drittel, insbesondere kleiner ist als ein Viertel der Dicke (D) der Diamantmembran (1).
Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Teilvolumen (6) an eine Oberfläche (1a, 1b) der Diamantmembran (1) angrenzt.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Diamantmembran (1) an ihrem seitlichen Rand (7) an einem Trägerkörper (2) angebracht ist, wobei das Teilvolumen (6) am seitlichen Rand (7) der Diamantmembran (1) oder im Bereich maximaler Auslenkung der Diamantmembran (1), insbesondere in der Mitte (8) der Diamantmembran (1), angeordnet ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mindestens ein weiteres mit den Farbzentren dotiertes Teilvolumen (9) aufweist, das einen Referenzbereich (R) bildet, wobei das Teilvolumen (6), das den Messbereich (M) bildet, und das weitere Teilvolumen (9), das den Referenzbereich (R) bildet, bevorzugt eine identische Geometrie und Größe aufweisen.
Drucksensor nach Anspruch 5, bei dem das weitere Teilvolumen (9), das den Referenzbereich (R) bildet, in einem Bereich der Diamantmembran (1) angeordnet ist, der eine gegenüber dem Teilvolumen (6), welches den Messbereich (M) bildet, reduzierte Deformation bei der Druckeinwirkung (Δp) aufweist, wobei das weitere Teilvolumen (9), welches den Referenzbereich (R) bildet, bevorzugt zwischen der Mitte (8) der Diamantmembran (1) und dem seitlichen Rand (7) der Diamantmembran (1) angeordnet ist.
Drucksensor nach Anspruch 5, bei dem das weitere Teilvolumen (9), das den Referenzbereich (R) bildet, außerhalb der Diamantmembran (1) angeordnet ist und sich bei der Druckeinwirkung (Δp) auf die Diamantmembran (1) nicht deformiert.
Drucksensor nach Anspruch 7, bei dem das weitere Teilvolumen (9), das den Referenzbereich (R) bildet, an einer weiteren Diamantmembran (1') vorgesehen ist, die baugleich zu der Diamantmembran (1) ist und die bei der Druckeinwirkung (Δp) auf die Diamantmembran (1) keiner Druckeinwirkung ausgesetzt ist, wobei bevorzugt das Teilvolumen (6), das den Messbereich (M) bildet, an der Diamantmembran (1) und das weitere Teilvolumen (9), das den Referenzbereich (R) bildet, an der weiteren Diamantmembran (1') identisch positioniert sind.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mindestens eine mit den Farbzentren dotierte Teilvolumen (6), das den Messbereich (M) bildet, eine Längsrichtung (X) aufweist, die parallel zu einer bei der Druckeinwirkung (Δp) auf die Diamantmembran (1) maximal gedehnten oder maximal gestauchten Kristallachse (K) der Diamantmembran (1) ausgerichtet ist.
Drucksensor nach Anspruch 9, bei dem eine Längsrichtung (X) des weiteren Teilvolumens (9), welches den Referenzbereich (R) bildet, parallel zur Längsrichtung (X) des Teilvolumens (6) ausgerichtet ist, welches den Messbereich (M) bildet.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: mindestens eine Anregungslichtquelle (14, 14') zur Einstrahlung von Anregungslicht (10) in das Teilvolumen (6), das den Messbereich (M) bildet, und bevorzugt in das weitere Teilvolumen (9), das den Referenzbereich (R) bildet.
Drucksensor nach Anspruch 11, bei dem die Anregungslichtquelle (14) zur seitlichen Einstrahlung des Anregungslichts (10) in die Diamantmembran (1) ausgebildet ist.
Drucksensor nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Anregungslichtquelle (14) mindestens einen Lichtleiter (17) zur Zuführung des Anregungslichts (10) zu dem Teilvolumen (6) und bevorzugt zur Abführung von Fluoreszenzlicht (12) von dem Teilvolumen (6) und/oder mindestens einen weiteren Lichtleiter (17') zur Zuführung des Anregungslichts (10) zu dem weiteren Teilvolumen (9) und bevorzugt zur Abführung von weiterem Fluoreszenzlicht (12') von dem weiteren Teilvolumen (9) aufweist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: einen Detektor (19) zur Detektion von Fluoreszenzlicht (12) aus dem Teilvolumen (6), welches den Messbereich (M) bildet, sowie bevorzugt einen weiteren Detektor (19') zur Detektion von weiterem Fluoreszenzlicht (12') aus dem weiteren Teilvolumen (9), welches den Referenzbereich (R) bildet.
Drucksensor nach Anspruch 14, weiter umfassend: eine Auswerteeinrichtung (23) zur Bestimmung der Druckeinwirkung (Δp) auf die Diamantmembran (1) anhand des Fluoreszenzlichts (12) und bevorzugt anhand des weiteren Fluoreszenzlichts (12').
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: mindestens einen Mikrowellenemitter (20) zur Beaufschlagung des Teilvolumens (6), das den Messbereich (M) bildet, und bevorzugt des weiteren Teilvolumens (9), das den Referenzbereich (R) bildet, mit mindestens einem Mikrowellenfeld (11), wobei der Mikrowellenemitter (20) bevorzugt ausgebildet ist, eine Mikrowellenfrequenz (f) des Mikrowellenfeldes (11) zu modulieren.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Magnetfeldquelle (28) zur Beaufschlagung des Teilvolumens (6), welches den Messbereich (M) bildet, und bevorzugt des weiteren Teilvolumens (9), welches den Referenzbereich (R) bildet, mit einem Bias-Magnetfeld (B₀).
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Diamantmembran (1) eine mechanische Bias-Vorspannung aufweist.