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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für ein optisch gepumptes Magnetometer.
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Hintergrund der Erfindung
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Um sehr kleine Magnetfeldstärken zu messen, eignen sich als Sensoren insbesondere quantenbasierte bzw. optisch gepumpte Magnetometer. Die hier beschriebenen Magnetometer nutzen optisch gepumpte und optisch detektierte magnetische Resonanzen (optically detected magnetic resonance, ODRM). Dabei wird ausgenutzt, dass unter Einfluss eines äußeren Magnetfelds die Energieniveaus bestimmter Spinzustände ungepaarter Elektronen aufspalten, der sogenannte Zeeman-Effekt. Durch die Aufspaltung der Energieniveaus ergeben sich veränderte Übergänge bei der Relaxation aus angeregten Zuständen, die dann beispielsweise durch optische Anregung und frequenzabhängige Detektion der resultierenden Fluoreszenzstrahlung oder durch Beobachtung optischer Eigenschaften wie der Absorption von Licht gemessen werden können. Aus den gemessenen optischen Parametern kann dann wiederum auf die Magnetfeldstärke geschlossen werden.
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Für solche quantenbasierten Magnetfeldsensoren können Sensorkristalle mit anregbaren Defektzentren genutzt werden. Typischerweise werden Diamanten verwendet, die homogen mit negativen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren, nitrogen vacancy) dotiert sind. Die Präparation des Quantenzustands erfolgt über optische Anregung und die Wechselwirkung mit einem statischen Magnetfeld und einem dynamischen Magnetfeld, d.h. einem Mikrowellenfeld. Alle diese Einwirkungen besitzen eine räumliche Abhängigkeit, d.h. sie sind hinsichtlich bestimmter physikalischer Größen räumlich nicht konstant. Beispielsweise ist es nicht einfach, ein homogenes, resonantes Mikrowellenfeld zu erzeugen, wenn nicht vergleichsweise große Strukturen verwendet werden, die jedoch proportional mehr Leistung für die benötigten Feldstärken benötigen.
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Die NV-Zentren dagegen befinden sich typischerweise im Diamantvolumen von beispielsweise ca. 1mm3 verteilt. Damit erfährt jedes NV-Zentrum im Diamanten eine leicht unterschiedliche Einwirkung durch die verschiedenen Felder von außen. Die NV-Zentren sind damit inhomogen präpariert, was die Leistungsfähigkeit und die Empfindlichkeit des Sensors verringert.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Sensorvorrichtung für ein optisch gepumptes Magnetometer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Insbesondere wird eine Sensorvorrichtung für ein optisch gepumptes Magnetometer vorgeschlagen, welches einen Sensorkristall umfasst, welcher eine erste Schicht mit optisch anregbaren Kristalldefekten und eine zweite Schicht ohne optisch anregbare Kristalldefekte umfasst. Die Sensorvorrichtung umfasst außerdem einen Photodetektor zum Erfassen von Fluoreszenzlicht aus der ersten Schicht, sowie eine Mikrowellenstruktur zum Erzeugen eines im Wesentlichen homogenen resonanten Mikrowellenfelds zumindest in der ersten Schicht. Dabei ist der Sensorkristall relativ zu dem Photodetektor so angeordnet, dass die zweite Schicht zwischen dem Photodetektor und der ersten Schicht angeordnet ist und als Lichtleiter für das Fluoreszenzlicht aus der ersten Schicht dient.
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Indem der Sensorkristall eines solchen Sensorkopfs für ein Magnetometer nur in einem Teilbereich anregbare Kristalldefekte umfasst, können die erforderlichen Anregungsfelder (d.h. die optische Anregung, ein statisches Hintergrundfeld sowie ein magnetisches Wechselfeld bzw. Mikrowellenfeld) mit weniger Aufwand homogen erzeugt werden, so dass die Empfindlichkeit und das Signal-RauschVerhältnis des Magnetometers verbessert wird. Außerdem kann der Teil des Sensorkristalls, der nicht mit anregbaren Kristalldefekten versehen ist, als Lichtleiter für das Fluoreszenzlicht hin zum Photodetektor verwendet werden und damit die Einsammeleffizienz für das Fluoreszenzsignal verbessern.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Mikrowellenstruktur einen planaren Mikrowellenresonator umfassen, wobei zumindest die erste Schicht des Sensorkristalls, die mit optisch anregbaren Kristalldefekten versehen ist, im Wesentlichen in der Ebene des planaren Mikrowellenresonators angeordnet ist. Indem die erste, aktive Schicht in der Resonatorebene angeordnet wird, wird dort ein homogenes Mikrowellenfeld sichergestellt; gleichzeitig sorgt die zweite, undotierte Schicht für einen Abstand des planaren Resonators zum Photodetektor, so dass störende Offsetströme verringert werden können.
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Es ist dabei möglich, dass der planare Mikrowellenresonator auf einem Substrat aufgebracht ist, wobei das Substrat in dem Resonatorbereich ein Durchgangsloch aufweist, in dem zumindest die erste Schicht des Sensorkristalls angeordnet ist. Außerdem kann die Sensorvorrichtung zur Einstrahlung eines Anregungslichtstrahls in die erste Schicht mit einer Einstrahlungsrichtung senkrecht zu der Ebene des planaren Mikrowellenresonators ausgelegt sein. Damit kann eine kompakte Bauweise erreicht werden, bei der das Durchgangsloch in der Mikrowellenstruktur sowohl als Durchtrittsloch für das Anregungslicht als auch als Aufnahme für den aktiven Teil des Sensorkristalls dient. Durch das Substrat der Mikrowellenstruktur, z.B. eine Platine, wird so eine zusätzliche Abschirmung von Diamant und Photodetektor erreicht.
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Insbesondere kann in einer solchen Ausführungsform der Photodetektor in einer Ebene parallel zu der Ebene des Mikrowellenresonators angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die Mikrowellenstruktur eine Vielzahl von parallelen Leiterbahnen in einer Ebene in einem Substrat umfassen, wobei die Ebene parallel zu der ersten Schicht verläuft, und wobei die Sensorvorrichtung zur Einstrahlung eines Anregungslichtstrahls in die erste Schicht mit einer Einstrahlungsrichtung parallel zu der Ebene der Mikrowellenstruktur ausgelegt ist. Die parallelen Leiterbahnen erzeugen ein im Wesentlichen homogenes Mikrowellenfeld jeweils in den Ebenen parallel zu der Strukturebene, während das Feld senkrecht dazu einen Gradienten aufweist, Indem die erste, aktive Schicht des Sensorkristalls in eine Ebene gelegt wird, die parallel zu der Mikrowellenstruktur verläuft, ist das Mikrowellenfeld in diesem Bereich bei hinreichend dünner Schichtdicke im Wesentlichen homogen. Gleichzeitig kann wieder die zweite Schicht des Sensorkristalls als Lichtleiter dienen.
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Dabei kann der Photodetektor beispielsweise in dem Substrat integriert sein, wobei die Mikrowellenstruktur zwischen dem Photodetektor und dem Sensorkristall angeordnet ist. Damit kann ein besonders kompakter Sensor erreicht werden, da alle aktiven Bauteile wie der Mikrowellenresonator, der Photodetektor und optional verschiedene Signalleiter und Verarbeitungselemente innerhalb desselben Substrats untergebracht werden können.
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Alternativ kann der Photodetektor in einer Ebene parallel zu der ersten Schicht angeordnet ist, wobei der Sensorkristall weiter eine dritte Schicht ohne optisch anregbare Defektzentren umfasst, wobei Schichten des Sensorkristalls so angeordnet sind, dass die erste, aktive Schicht zwischen der undotierten zweiten Schicht und der undotierten dritten Schicht angeordnet ist, wobei die dritte Schicht zwischen der Mikrowellenstruktur und der ersten Schicht angeordnet ist. Mit dieser Sandwichstruktur kann erreicht werden, dass der Photodetektor in einem Abstand zum störenden Mikrowellenfeld liegt, der durch die Dicke der zweiten undotierten Lichtleiter-Schicht definiert ist, und dass gleichzeitig durch die undotierte dritte Schicht ein Abstand zur Mikrowellenstruktur festgelegt ist. Die an der Mikrowellenstruktur anliegende Diamantschicht kann außerdem genutzt werden, um Wärme auf das Substrat abzuleiten, die durch den Anregungslichtstrahl eingebracht wird.
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Zusätzlich kann die Sensorvorrichtung in allen Ausführungsformen ein optisches Filterelement umfassen, welches zwischen der zweiten Schicht und dem Photodetektor angeordnet ist und für das Fluoreszenzlicht aus der ersten Schicht durchlässig ist, wobei das Filterelement mindestens eines der folgenden umfasst: eine auf dem Photodetektor abgeschiedene Filterstruktur, eine auf der Oberfläche des Sensorkristalls abgeschiedene Filterstruktur, eine in einem Substrat gebildete Filterstruktur, ein diskretes Filterelement. Außerdem kann zwischen der zweiten Schicht des Sensorkristalls und dem Photodetektor mindestens ein Material angebracht sein, welches einen Brechungsindex aufweist, das eine Totalreflexion des Fluoreszenzlichts zwischen der zweiten Schicht und dem Photodetektor verhindert, z.B. ein geeigneter optischer Kleber oder ein Polymer, so dass keine verlustreichen Übergänge zwischen Diamant und Luft auftreten.
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Ein Sensorkristall dieser Art, der nur in einem Teilbereich anregbare Defekte umfasst, kann beispielsweise durch eine chemische Gasphasenabscheidung hergestellt werden. Es sind jedoch auch andere Varianten möglich, um die jeweiligen Defekte lokalisiert einzubringen.
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Insbesondere kann die Erfindung in einer Sensorvorrichtung eingesetzt werden, bei der der Sensorkristall ein Diamant ist, wobei die anregbaren Kristalldefekte Stickstoff-Fehlstellen-Zentren umfassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt einen möglichen Aufbau eines Sensorkopfs gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform;
- 2 zeigt beispielhaft einen planaren Mikrowellenresonator, der in einem Sensorkopf verwendet werden kann;
- 3 zeigt einen möglichen Aufbau eines Sensorkopfs gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform; und
- 4 zeigt einen möglichen Aufbau eines Sensorkopfs gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren basieren auf optisch gepumpten Magnetometern, die hochempfindliche Magnetfeldmessungen ermöglichen. Insbesondere kann das hier beschriebene Prinzip mit Magnetometern umgesetzt werden, die auf optisch anregbaren und auslesbaren Resonanzen an Farbzentren in Kristallen beruhen. Als Beispiel sollen hier NV-Magnetometer angeführt werden, die auf Stickstoff-Fehlstellenzentren in einkristallinem Diamant basieren. Durch optisches Auslesen der magnetischen Resonanz dieses Farbzentrums und Ausnutzung des Zeeman-Effekts, der die magnetfeldabhängige Aufspaltung der Spinzustände beschreibt, lassen sich bei sich bei Raumtemperatur und bei Hintergrundfeldern bis etwa 100mT auch sehr kleine Magnetfelder messen, wobei sich Sensitivitäten bis 1pT/√Hz erreichen lassen. Da das NV-Zentrum in Diamant vier mögliche Ausrichtungen aufweist, erhält man für ein Ensemble von NV-Zentren bei Anlegen eines zusätzlichen statischen Hintergrund-Magnetfelds von z.B. 1 mT ein Quartett aus Resonanzen, aus deren Frequenzlage sich dann die volle Vektorinformation eines zusätzlichen unbekannten Magnetfelds durch Lösung algebraischer Gleichungen bestimmen lässt. Generell sind also eine Anregungslichtquelle mit Wellenlängen im Bereich der Anregungszustände, ein Photodetektor für das Erfassen des Fluoreszenzlichts und Signalverarbeitung wie Vorverstärker in einem solchen Magnetometer vorgesehen. Darüber hinaus können weitere Elemente wie etwa ein zweiter Photodetektor zum Erfassen des Anregungslichtstrahls für eine balancierte Vorverstärkung des Fluoreszenzsignals vorhanden sein.
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Die grundsätzliche Funktionsweise und beispielhafte weitere Elemente von Magnetometern auf Basis von NV-Zentren in Diamant, die hier nicht ausführlicher beschrieben sind, können beispielsweise
DE 10 2018 203 845 A1 ,
DE 10 2019 212 587 A1 oder
DE 10 2020 207 200 A1 entnommen werden, auf deren Inhalt ausdrücklich verwiesen wird.
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Alle auf den Sensorkristall bzw. auf die NV-Zentren einwirkenden Felder sollen möglichst homogen sein. Ein inhomogenes statisches Magnetfeld würde beispielsweise zu einer räumlichen Verteilung der Resonanzfrequenzen der entsprechenden im Raum verteilten NV-Zentren führen. Die damit einhergehende Linienverbreiterung der Resonanz würde die Empfindlichkeit eines solchen Sensors verschlechtern, so dass umgekehrt durch ein möglichst homogenes statisches Feld die Empfindlichkeit verbessert werden kann. Auch das resonante Mikrowellenfeld sollte möglichst homogen im Bereich der NV-Zentren sein, da sonst zum einen eine Abweichung von der optimalen Rabifrequenz (Spinflip) vorliegt und zum anderen ein inhomogenes Mikrowellenfeld zu einer Dekohärenz des Spinensembles führt. Mit der optischen Anregung durch das Anregungslicht hängt die optische Pumprate zwischen dem Grundzustand (3A) und dem angeregten Zustand (3E) zusammen. Bei einem Magnetometer, das in einem Dauerstrichmodus (continuous wave, CW) betrieben wird, also mit kontinuierlicher, nicht gepulster Einstrahlung des Anregungslichts, liegt das Optimum für die Pumprate im Bereich der transversalen Relaxationszeit. Daher ist es auch für die optische Anregung vorteilhaft, wenn diese homogen erfolgt und diesem Optimum entspricht.
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Im Folgenden werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen von Sensorköpfen für einen optisch gepumpten Magnetfeldsensor beschrieben, die möglichst homogene Anregungsbedingungen hinsichtlich der angelegten Felder erreichen können, d.h. für die optische Anregung, das statische Magnetfeld und das magnetische Wechselfeld (Mikrowellenfeld). Gleichzeitig soll die optische Einsammeleffizienz erhöht werden. Als Sensorkopf soll dabei eine Baugruppe verstanden werden, die zumindest einen Teil der für den gesamten Magnetfeldsensor erforderlichen Elemente umfasst. Weitere Elemente des Magnetfeldsensors können dann aber gesondert und außerhalb des Sensorkopfs vorgesehen sein, z.B. eine Anregungslichtquelle, deren Licht über geeignete optische Elemente in den Sensorkristall eingestrahlt werden kann, eine Signalverarbeitungseinheit, die zur Verarbeitung des von dem Photodetektor erfassten Fluoreszenzsignals vorgesehen ist, oder eine Mikrowellenquelle, die eine Mikrowellenstruktur (z.B. einen Resonator) im Sensorkopf speist. Diese zusätzlichen Elemente werden hier nicht näher beschrieben und können auf übliche Weise mit den Elementen des Sensorkopfs funktional verbunden werden.
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Zum Erreichen einer möglichst homogenen Anregung können in einem Sensorkopf Sensorkristalle verwendet werden, die nur zum Teil mit anregbaren Defektzentren versehen sind, wobei die Bereiche, die mit den anregbaren Defektzentren versehen sind, auf definierte Weise relativ zu den verschiedenen angelegten Feldern angeordnet werden. Durch eine solche definierte Positionierung der Defektzentren in einer Schicht wird das Volumen, in dem sich die Defektzentren befinden, reduziert, so dass Inhomogenitäten der jeweiligen Felder (Anregungslicht, statisches Magnetfeld, Mikrowellenfeld) eine geringere Auswirkung haben bzw. besser angepasst werden können. Insbesondere kann ein Bereich bzw. eine Schicht, die mit Defektzentren versehen ist, klein gegenüber dem Gesamtvolumen des verwendeten Sensorkristalls sein. Beispielsweise kann ein Diamantelement mit einer Ausdehnung im Millimeterbereich (z.B. 1 mm Kantenlänge) genutzt werden, in dem eine mit NV-Zentren dotierte Schicht von wenigen Mikrometern Dicke eingebracht ist, z.B. zwischen etwa 5 und 50 Mikrometern.
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Die hier genannten Beispiele werden für einen Magnetfeldsensor bzw. einen Sensorkopf eines Magnetfeldsensors beschrieben, der als Sensorkristall einen einkristallinen Diamanten mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) nutzt; ebenso können die Beispiele aber auch auf andere anregbare Defektzentren und andere Kristalle übertragen werden, wobei dann selbstverständlich z.B. die verwendeten Wellenlängen und Resonanzfrequenzen entsprechend angepasst werden.
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Dabei kann insbesondere ein Diamant als Sensorkristall genutzt werden, der nur in einer definierten Schicht NV-Zentren umfasst und in den übrigen Bereichen bevorzugt undotiert, zumindest jedoch ohne anregbare NV-Zentren ausgebildet ist. Die definierte Schicht, in der die NV-Zentren als Gitterdefekte vorliegen, kann dabei vergleichsweise dünn gegenüber den Gesamtdimensionen des Sensordiamanten sein.
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Um die gewünschte Homogenität zu erreichen, kann das aktive Volumen im Diamanten, d.h. das Volumen, in dem NV-Zentren optisch angeregt werden können und infolge dessen Fluoreszenz emittieren, möglichst klein gehalten werden.
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Zur Erzeugung solcher Sensorkristalle wie etwa Diamanten können unter anderem CVD-Verfahren (chemical vapor deposition, chemische Gasphasenabscheidung) genutzt werden. Die benötigten negativ geladenen NV-Zentren können auf diese Weise beim CVD-Wachstum von Diamant als zusammenhängende Schichten selektiv erzeugt werden. Damit ist es möglich, entlang der Wachstumsrichtung mindestens einen Bereich des Diamanten frei von NV-Zentren zu halten, während in einem zweiten Bereich selektiv negativ geladene NV-Zentren mit einer Dichte von etwa 1 ppm erzeugt werden können. Damit kann ein Teil eines so gewachsenen Diamanten als aktives Transducer-Volumen genutzt werden, während ein anderer Teil z.B. als passiver Lichtleiter oder zur Festlegung eines bestimmten Abstands zwischen Bauelementen genutzt werden kann.
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Es versteht sich, dass in allen hier beschriebenen Beispielen die Bereiche, die als „frei“ von Defektzentren bzw. NV-Zentren oder „ohne“ NV-Zentren beschrieben werden, auch solche Bereiche einschließen, in denen nur eine geringere Anzahl von NV-Zentren vorhanden sind oder andere Gitterdefekte auftreten, so dass in diesen Bereichen keine maßgebliche Anregung für ein Fluoreszenzsignal mit den gewählten Wellenlängen erreicht wird. Es können auch mehrere Bereiche jeweils mit und ohne NV-Zentren vorhanden sein; beispielsweise kann eine aktive Schicht, die mit NV-Zentren dotiert ist, zu beiden Seiten sandwichartig von passiven, defektfreien Diamantschichten umgeben sein. Es ist auch möglich, in einem Diamantelement mehrere separate mit NV-Zentren versehene Bereiche einzubringen, so dass beispielsweise mit einem einzigen Diamantkristall mit ausreichender Ausdehnung zwei Sensorköpfe gebildet werden können, die einen Gradiometeraufbau zur hintergrundfreien Messung eines Magnetfelds ermöglichen.
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Zur Erhöhung der Einsammeleffizienz für das Fluoreszenzsignal kann die Detektion so umgesetzt werden, dass das Fluoreszenzlicht, das von den NV-Zentren im Diamanten abgestrahlt wird, möglichst ohne Verluste zu einem Photodetektor geleitet wird. Da optische Übergänge, z.B. zwischen Luft und dem hochbrechenden Diamanten, die optische Ausbeute reduzieren können, können einzelne Bestandteile optional direkt (oder über dazwischenliegende Elemente) so miteinander verbunden werden, dass möglichst keine optischen Reflexionen an Grenzflächen entstehen. Die Übergänge zwischen Materialien können durch im Brechungsindex angepasste Stoffe erreicht werden, z.B. geeignete Verklebungen.
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1 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch einen Sensorkopf 100 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform. Dabei ist ein Diamant 110 als Sensorkristall eingesetzt, der zumindest eine nicht dotierte Schicht 112 umfasst, die als Lichtleiter genutzt werden kann, sowie eine mit NV-Zentren versehene Schicht 114, die als aktives Volumen dient. Ein Anregungslichtstrahl 120 wird auf geeignete Weise in die aktive Schicht 114 eingestrahlt, beispielsweise durch entsprechende Umlenk- und Fokusoptiken und/oder mittels faseroptischer Elemente, die hier nicht gezeigt sind. Als Lichtquelle kann beispielsweise ein Laser oder eine Laserdiode im grünen Bereich verwendet werden.
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Der Diamant 110 steht in der hier gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen in direktem Kontakt mit einem Photodetektor 130 wie etwa einer Photodiode, die zusätzlich mit einem Filter 132 versehen sein kann. Der optische Filter 132 kann insbesondere als Longpass-Filter ausgebildet sein, so dass er das Anregungslicht 120 (im Falle von Diamanten mit NV-Zentren grünes Licht) unterdrückt und das Fluoreszenzlicht (bei Diamant mit NV-Zentren rotverschobenes Fluoreszenzlicht) transmittiert. Ein solcher Filter kann wahlweise als diskretes Element zwischen Diamant und Photodiode vorliegen, z.B. als Glasträger mit einer Filterschicht, oder kann beispielsweise als Bragg-Spiegel (DBR, distributed Bragg reflector) unmittelbar auf der Photodiode oder auf dem Diamanten abgeschieden werden. Zur Verbindung von Diamant und Photodiode bzw. Filterschicht kann ein optischer Kleber oder ein transparentes Polymer wie PDMS verwendet werden.
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Darüber hinaus kann zur Erzeugung des magnetischen hochfrequenten Wechselfelds ein Mikrowellenresonator verwendet werden, der in dieser Ausführungsform als planarer Resonator ausgebildet ist. Der Diamant kann relativ zum Mikrowellenresonator so angeordnet werden, dass sich zumindest der dotierte Bereich 114 des Diamanten, in den der Anregungslichtstrahl 120 eingestrahlt wird, so genau wie möglich in der Ebene des planaren Mikrowellenresonators 140 befindet. Zu diesem Zweck kann das Resonatorelement 140 ein Durchgangsloch 142 aufweisen, in welches der Sensordiamant 110 hineinragt. Falls der Diamant auf beiden Seiten des dotierten Bereichs 114 einen undotierten Bereich 112 umfasst, kann der Diamant natürlich auch entsprechend über die Ebene des Resonators 140 hinausragen. Ebenso ist es bei kleinen aktiven Volumen auch möglich, dass auch ein Teil des undotierten Bereichs 112 innerhalb der Resonatorebene liegt.
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Eine mögliche Variante für einen solchen planaren Resonator ist in 2 abgebildet. Hier handelt es sich um einen Split-Ring-Resonator 240, der beispielsweise auf der Ober- und Unterseite einer Platine 250 abgeschieden werden kann. In der Figur ist nur die Struktur einer Seite der Platine 250 gezeigt, die zwei konzentrische offene Leiter-Ringe 244, 246 und einen Streifenleiter 248 als Zuleitung umfasst. Im Mittelpunkt des inneren Rings 244 ist das Durchgangsloch 242 vorgesehen, in dem das Diamantelement 110 angeordnet wird. Auf der anderen Seite der Platine (nicht gezeigt) kann dann eine leitende Fläche als Masse vorgesehen sein. Ebenso sind aber beliebige andere im Fach bekannte Resonatorstrukturen an dieser Stelle denkbar, die ein ausreichend homogenes Feld im dotierten Bereich des Sensordiamanten erzeugen können, insbesondere planare Resonatoren, die auf einer Platine bzw. Chipoberfläche ausgebildet sein können.
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Durch die Kombination eines Diamanten, der nur in einem Teilbereich 114 mit NV-Zentren versehen ist, mit einem solchen Mikrowellenresonator 140 kann sichergestellt werden, dass der gesamte aktive Bereich 114 des Diamanten näherungsweise in der Resonatorebene liegt und somit ein möglichst homogenes Mikrowellenfeld im gesamten Messbereich angeregt werden kann. Gleichzeitig kann der nicht-aktive bzw. nicht-dotierte Teil 112 des Diamanten 110 als Lichtleiter für das Fluoreszenzlicht bis hin zum Photodetektor genutzt werden. Damit kann das Diamantelement unmittelbar mit dem Photodetektor verbunden werden, so dass optische Übergänge und Reflexionsverluste vermieden werden, die die Einsammeleffizienz senken würden. Da Wechselfelder der Mikrowellenstruktur 140 von der Photodiode 130 gleichgerichtet werden, können diese einen störenden Offsetstrom im Photodetektor erzeugen. Daher ist ein Abstand zwischen der Mikrowellenstruktur und dem Photodetektor 130 sinnvoll, der durch die Nutzung des undotierten Diamantabschnitts 112 als Lichtleiter sichergestellt werden kann. Der undotierte Bereich 112 des Diamanten wirkt also in diesem Beispiel als definiertes Abstandselement zwischen Mikrowellenstruktur 140 und Photodetektor 130. Der bevorzugte Abstand der beiden Strukturen ist abhängig von der Größe des Resonators, insbesondere von der Größe des Lochs 142 in der Resonatorstruktur. Bei einem Lochdurchmesser von etwa 1 mm kann auch der Abstand zwischen Mikrowellenstruktur und Photodetektor - und damit die Schichtdicke der undotierten Diamantschicht - etwa bei 1 mm liegen. Bei kleineren oder größeren Durchmessern kann der Abstand auch entsprechend kleiner oder größer ausfallen. Ebenso kann bei anderen Resonatorvarianten ein anderes Abstandsverhältnis vorteilhaft sein.
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Um die korrekte Anordnung zwischen Diamant, Mikrowellenresonator und Photodiode sicherzustellen, können beispielsweise Abstandshalter 152 vorgesehen sein, die zwischen der Platine 150, auf der die Photodiode 130 angebracht ist, und der Resonatorplatine 140 angeordnet und befestigt sind. Diese können auch zusätzlich dazu dienen, den empfindlichen Messbereich des Sensorkopfs (d.h. insbesondere den Diamanten und den Photodetektor) gehäuseartig vor äußeren Einflüssen zu schützen und z.B. Streulicht abzuhalten.
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Nicht gezeigt ist hier eine zusätzliche Struktur, die ein statisches Bias-Magnetfeld erzeugt; diese kann aber auf ähnliche Weise so angeordnet werden, dass das Magnetfeld im aktiven Bereich des Diamanten möglichst homogen ist. Dazu eignen sich beispielsweise Helmholtzspulen mit einem oder mehreren Spulenpaaren, die so angeordnet werden, dass das aktive dotierte Volumen des Sensorkristalls in etwa im Mittelpunkt zwischen den jeweiligen Spulen eines Paars liegen. Da das statische Magnetfeld weniger Störungen verursacht, kann beispielsweise auch eine Spulenanordnung gewählt werden, die um die gesamte in 1 dargestellte Baugruppe herum angeordnet ist, so dass also die Elemente wie Diamant, Photodetektor und Mikrowellenresonator innerhalb der Spulen liegen.
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In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle des planaren Mikrowellenresonators und der Anordnung des Sensorkristalls in der Resonatorebene eine andere Anordnung zur Erzeugung des Mikrowellenfelds verwendet werden. Theoretisch lässt sich durch eine unendlich ausgedehnte und gleichförmige Matrix von parallel in einer Ebene angeordneten stromdurchflossenen Leitern ein perfektes homogenes Magnetfeld in der Ebene der Leiter und mit einer Richtung quer zu den Leiterbahnen bilden. Bei einer endlichen Anzahl von Leitern hebt sich das senkrecht zur Matrix ausgerichtete Feld nicht mehr vollständig auf, so dass zu den Kanten der Matrix hin dieser Anteil in entgegengesetzten Richtungen zunimmt und ein Magnetfeldgradient in der Richtung senkrecht zu der Leiterebene entsteht. Zum Ausgleich können an den beiden äußeren Kanten der Matrix Kompensationsleiter angeordnet werden, die ein senkrechtes Gegenfeld an den Matrixkanten erzeugen. Auf diese Weise kann ein näherungsweise homogenes Magnetfeld innerhalb der Leitermatrix in der Matrixebene erzeugt werden.
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Eine solche Mikrowellenstruktur kann nun mit einem nur teilweise mit Defektzentren versehenen Sensorkristall kombiniert werden. Ein Beispiel einer solchen Ausführungsform ist in den 3a und 3b dargestellt. Dabei zeigt 3a eine Schnittansicht durch den Sensorkopf, während 3b eine Draufsicht zeigt. Die Mikrowellenstruktur umfasst wie oben beschrieben mehrere parallele Leiterbahnen, an die ein Wechselstromfeld mit der erforderlichen Resonanzfrequenz angelegt wird. Beispielsweise können etwa 10-25 parallele Leiterbahnen genutzt werden, die jeweils eine Breite von 2-20 µm aufweisen und in einem Abstand von 10 bis 100 µm zueinander angeordnet sind. Bevorzugt wird die Breite der Leiterbahnen und die Abstände zwischen den Leiterbahnen für alle Bahnen gleich gewählt; grundsätzlich sind aber auch Variationen innerhalb einer Mikrowellenstruktur möglich, insbesondere um z.B. die oben beschriebene Kompensationswirkung an den Außenrändern zu erreichen, oder um andere spezifisch erwünschte Feldverteilungen zu erreichen. Auch die Dimensionen und die Anzahl der Leiterbahnen können von den hier genannten Beispielstrukturen abweichen, solange damit der gewünschte Effekt erreicht wird. Die Leiterbahnen können beispielsweise auf einem Chipelement oder einem anderen Substrat 450 angebracht werden. Das erzeugte Mikrowellenfeld wird durch die gestrichelten Feldlinien in der 3a angedeutet. Um den Einfluss des Magnetfeldgradienten in z-Richtung gering zu halten, kann der Sensorkristall bzw. Sensordiamant 310 nur in einer flachen Schicht 314, die parallel zu der Ebene der Mikrowellenstruktur verläuft, mit Defektzentren bzw. NV-Zentren versehen sein. Dabei kann der Sensordiamant unmittelbar auf der Mikrowellenstruktur angeordnet werden. Zwischen der Mikrowellenstruktur 340 und dem aktiven Messbereich ist damit ein Bereich 312 des Sensorkristalls vorgesehen, der keine Defektzentren aufweist.
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Der Anregungslichtstrahl 320 wird in dieser Ausführungsform parallel zur Ebene der Mikrowellenstruktur in den Diamanten 310 eingestrahlt und tritt auf der gegenüberliegenden Seite aus dem Diamanten aus. Es versteht sich, dass der Strahldurchmesser relativ zu der Dicke der mit NV-Zentren versehenen Diamantschicht 314 ähnliche Abmessungen aufweist; beispielsweise kann der Strahldurchmesser wie dargestellt etwas kleiner gewählt sein als die Dicke des aktiven Volumens, so dass der Strahl vollständig innerhalb des dotierten Bereichs liegt. Ebenso sind aber auch andere Verhältnisse zwischen Strahldurchmesser und Schichtdicke möglich.
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Der Photodetektor 330 zur Erfassung des erzeugten Fluoreszenzlichts aus der aktiven Schicht 314 kann beispielsweise in demselben Substrat 350 vorgesehen sein, auf dem die Mikrowellenstruktur aus parallelen Leiterbahnen aufgebracht ist. Damit wird das entstehende Fluoreszenzlicht durch die undotierte Schicht 312 hindurchgeleitet und in einer Richtung senkrecht zu der Einstrahlungsrichtung des Anregungslichtstrahls 320 erfasst. Ein Filter (nicht gezeigt) zum Durchlassen des Fluoreszenzlichts und Filtern anderer Wellenlängen zwischen Diamant 310 und Photodiode kann dabei wieder auf der Photodiode oder auf dem Diamantelement angeordnet sein. Falls beispielsweise als Substrat ein Chipelement genutzt wird, können auch Filter auf Basis von Beugungseffekten in einer oder mehreren Schichten über dem aktiven Detektorelement realisiert werden. Bevorzugt wird auch hier der Übergang zwischen Diamant und Chipsubstrat bzw. Photodiode so gestaltet, dass möglichst wenig Verluste auftreten, zum Beispiel durch geeignetes Verkleben ohne Luftlücken (nicht gezeigt).
Mit der gezeigten Ausführung ist es also möglich, nur eine dünne Schicht des Diamanten als aktives Volumen zu nutzen. Die Schichtdicke kann beispielsweise bei etwa 10 Mikrometern liegen und wie zuvor beschrieben beim Kristallwachstum in den Sensorkristall eingebracht werden. Gleichzeitig kann der undotierte Bereich des Diamanten mehrere Funktionen erfüllen. Durch den undotierten Bereich 312 und die Anbringung des Diamanten auf der Platine 350 bzw. auf der Mikrowellenstruktur 340 kann ein fester Abstand zwischen dem aktiven Messbereich 314 und der Mikrowellenstruktur 340 eingehalten werden. Während also in der ersten Ausführungsform die undotierten Diamantbereiche 112 die Funktion eines Abstandhalters gegenüber der Photodiode übernommen haben, wirken die undotierten Diamantbereiche hier als Abstandshalter gegenüber der Mikrowellenstruktur. Der Diamant bietet außerdem eine gute Wärmeleitfähigkeit, so dass der sich ergebende Wärmeeintrag durch den Anregungslaserstrahl 320 auf das Substrat abgeleitet werden kann. Außerdem dient auch hier der nicht dotierte Bereich 312 als Lichtleiter für das Fluoreszenzlicht hin zum Photodetektor 330. Damit kann eine besonders kompakte Integration erreicht werden.
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4 zeigt eine Variante der Ausführungsform aus 3, bei der ein Photodetektor nicht im Mikrowellensubstrat angeordnet ist, sondern auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Diamantelements 410 angebracht ist. Die Mikrowellenstruktur 440 kann in diesem Fall wie in der vorherigen Ausführungsform durch parallele Leiterbahnen 440 auf einem Substrat 450 umgesetzt werden, um ein homogenes Mikrowellenfeld zu erzeugen. Auch die Struktur und Ausrichtung des Diamantelements sowie die Anordnung des Anregungslichtstrahls ist identisch gestaltet und wird nicht erneut beschrieben. Der Photodetektor mit dem Filterelement 432 ist in diesem Beispiel auf der Oberseite des Diamantelements angebracht, so dass das Diamantelement zwischen der Mikrowellenstruktur und der Photodetektorstruktur sandwichartig eingebettet ist. Hier sind auf beiden Seiten der mit NV-Zentren dotierten Diamantschicht 414 jeweils undotierte Schichten 412a, 412b vorgesehen, so dass das aktive Volumen in einem Abstand zum Photodetektor sowie zur Mikrowellenstruktur steht. Die undotierte Schicht 412a dient als Lichtleiter für das Fluoreszenzlicht zum Photodetektor 430 und kann wie schon in der ersten Ausführungsform so dick ausgeführt sein, dass störende Offsetströme im Photodetektor minimiert werden. Außerdem können auch hier die Übergänge zwischen Diamant und Photodetektor bzw. Filterelement möglichst so gestaltet sein, dass die optischen Verluste minimiert werden. Die andere undotierte Schicht 412b liegt zwischen der ersten, aktiven Schicht und der Mikrowellenstruktur.
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Es ist auch denkbar, dass sich neben den Stickstoffdefekten in Diamant auch andere Farbzentren oder andere Defekte in Kristallen als Magnetometer eignen, wie etwa verschiedene Defekte in Siliziumkarbid. In diesem Fall können die hier beschriebenen Parameter wie Wellenlänge, Empfindlichkeiten der Detektoren, Resonanzfrequenzen und andere an die entsprechenden Resonanzübergänge angepasst werden, während der grundsätzliche Aufbau des hier beschriebenen Sensorkopfs bestehen bleiben kann.
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Ein Magnetometer bzw. ein Sensorkopf für ein Magnetometer wie vorstehend beschrieben kann in vielen Bereichen der Technik eingesetzt werden. Beispielsweise kann über Magnetometer die Himmelsrichtung zur Navigation in Fahrzeugen oder elektronischen Geräten (z.B. Smartphone) bestimmt werden. Darüber hinaus können hochgenaue Magnetfeldsensoren zur Ortung von metallischen oder magnetischen Gegenständen genutzt werden. Außerdem bieten NV-Zentren-Magnetometer wie die hier beschriebene Vorrichtung eine ausreichende Empfindlichkeit, um Magnetfelder zu erfassen, die durch Ströme im menschlichen Körper entstehen, so dass auf diese Weise z.B. Gehirnströme, Nervenströme und ähnliche Parameter erfasst und ausgewertet werden können. Solche Messungen können dann beispielsweise zur Bildung von Mensch-Maschine-Schnittstellen, z.B. in der Neurorehabilitation, oder allgemein zur Erfassung verschiedener gesundheitlicher Zustände genutzt werden.
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Die kompakte Bauweise ermöglicht beispielsweise die Verwendung von einem oder mehreren Sensorköpfen in handgehaltenen Geräten, z.B. Magnetsuchgeräte zum Aufspüren von Leitungen und/oder magnetischen Gegenständen in der Wand und im Boden. Für beliebige Lab-on-the-Chip-Systeme, welche die Messung eines Magnetfelds erforderlich machen, können diese Sensorköpfe ebenso genutzt werden. Magnetische Sensoren allgemein werden in vielen Bereichen der Technik genutzt, z.B. bei der Überwachung des Batteriestroms von Elektrofahrzeugen oder zur Lokalisierung in der Robotik bzw. für autonome Fahrzeuge. Hier lassen sich mit Hilfe hochempfindlicher Magnetometer genaue und absolute Positionierungen realisieren. Gegenüber den bisher bekannten Lösungen bietet das hier vorgeschlagene Sensorprinzip darüber hinaus eine galvanisch getrennte Sensorlösung mit hohem Dynamikbereich und sehr hoher Empfindlichkeit.
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Es versteht sich, dass die Angaben „unterer“ und „oberer“ Schichten oder Oberflächen nur auf die dargestellten Skizzen der Ausführungsbeispiele bezogen sind und zur Erläuterung dienen; selbstverständlich kann ein Sensorkopf unabhängig davon auch z.B. in umgekehrter Reihenfolge aufgebaut sein oder in einer Vorrichtung in beliebiger Ausrichtung eingebaut sein. Ebenso können alle Teile wie Abstandshalter, Platinen, Rahmen und andere auch aus anderen als den hier angegebenen Materialien und mit anderen Techniken gefertigt werden, solange der jeweilige Zweck erfüllt wird. Weitere Elemente wie optische Elemente, elektronische Bauteile oder Signalverarbeitungseinheiten können zusätzlich ergänzt werden, auch wenn sie hier nicht ausdrücklich gezeigt oder genannt wurden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018203845 A1 [0020]
- DE 102019212587 A1 [0020]
- DE 102020207200 A1 [0020]
