EP3469388A1 - SENSORVORRICHTUNG, VERFAHREN ZUM KALIBRIEREN EINER SENSORVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM ERFASSEN EINER MESSGRÖßE - Google Patents

SENSORVORRICHTUNG, VERFAHREN ZUM KALIBRIEREN EINER SENSORVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM ERFASSEN EINER MESSGRÖßE

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Publication number
EP3469388A1
EP3469388A1 EP17722413.6A EP17722413A EP3469388A1 EP 3469388 A1 EP3469388 A1 EP 3469388A1 EP 17722413 A EP17722413 A EP 17722413A EP 3469388 A1 EP3469388 A1 EP 3469388A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
microwave
magnetic field
frequency
crystal body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17722413.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Theresa Lutz
Fabian Purkl
Dayo Oshinubi
Robert Roelver
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3469388A1 publication Critical patent/EP3469388A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect

Definitions

  • the invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • the subject of the present invention is also a computer program.
  • NV Nitrogen Vacancy
  • Microwave radiation a fluorescence of the same can be observed.
  • a sensor device and a calibration and evaluation method based on a sensor device be provided on defects or lattice defects in a crystal.
  • a function of at least one electric coil for generating a magnetic constant or alternating field can be integrated into a sensor device by additionally applying an induction current to a microwave antenna.
  • Microwave antenna can be used in particular in two ways, on the one hand for microwaves and the other for an internal magnetic field.
  • the sensor device can be calibrated in an efficient manner, in particular during use or operation, and can be easily and accurately concluded from a fluorescence signal to a measured value.
  • this fluorescence it is possible to provide sensitive and robust sensors for magnetic field, current, temperature, mechanical stresses, pressure and other measurands. Due to a high sensitivity of imperfections in
  • Crystal lattices for example, already weak magnetic fields sufficient and therefore only small electrical currents may be necessary, which can lead to an energy-efficient method or sensor.
  • an improvement of the calibration and evaluation method can thus be achieved in particular.
  • a sensor device which has the following features: a crystal body with at least one defect; a light source for irradiating the crystal body with excitation light; at least one microwave antenna for exposing the crystal body to microwaves; a detection device for detecting at least one signal characteristic of a fluorescence signal from the crystal body; and a applying device, which is designed to apply a microwave signal for generating the microwaves and a magnetic field signal for generating an internal magnetic field, with which the crystal body can be acted upon, to the at least one microwave antenna.
  • the sensor device can be designed to detect a measured variable.
  • the measured variable may be, for example, an external magnetic field, an electrical current, a temperature, a mechanical stress, a pressure and additionally or alternatively another measured variable.
  • the sensor device can be used, for example, as a battery current sensor and additionally or alternatively as
  • Combustion chamber pressure sensor as a combined pressure sensor and geomagnetic field sensor, used as a power line detector or the like.
  • Mooring device can be connected or connected signal transmitting capable with the at least one microwave antenna.
  • the crystal body may be, for example, diamond, silicon carbide (SiC) or hexagonal boron nitride (h-BN).
  • a defect may be a nitrogen defect in a diamond, a silicon defect in silicon carbide, or a vacancy color center in hexagonal boron nitride.
  • a defect can be a lattice defect in a lattice structure of the
  • the detection device can be designed to optically and / or electrically detect the at least one signal property of the fluorescence signal from the crystal body.
  • the at least one signal property of the fluorescence signal from the crystal body may be a light intensity.
  • the detection device can be designed to provide the at least one
  • the sensor device may include a
  • control unit can be connected to or connected to the light source, with the at least one microwave antenna, with the detection device and with the application device.
  • the control unit can be connected to or connected to the light source, with the at least one microwave antenna, with the detection device and with the application device.
  • the sensor device can at least one electric coil for
  • the at least one further internal magnetic field can have a further field direction, which differs from a field direction of the internal magnetic field
  • Such an embodiment offers the advantage that, due to an alignment of defects along the crystal directions in the crystal body, for example, a direction of an external magnetic field can also be determined by a shift of fluorescence minima belonging to these directions.
  • the application device can be a microwave source, a
  • the power source may be configured to be as
  • Magnetic field signal to inject a direct current or an alternating current into the at least one microwave antenna.
  • Such an embodiment offers the advantage that the diamond can be acted upon by the at least one microwave antenna in a simple, reliable, efficient and accurate manner both with microwaves and with the internal magnetic field.
  • a method for calibrating a sensor device comprises a crystal body with at least one defect, a light source for irradiating the crystal body with excitation light, at least one microwave antenna for exposing the crystal body to microwaves, and a detection device for detecting at least one signal property of a fluorescence signal the crystal body, wherein the method comprises at least the following steps:
  • At least one microwave antenna Applying a magnetic field signal for generating an internal magnetic field, with which the crystal body can be acted upon, to the at least one
  • This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
  • the method can be carried out using or in
  • Sensor device are advantageously carried out to calibrate the sensor device.
  • the method by means of the induced magnetic field, it is possible to carry out, for example, regular, calibration with regard to sensitivity as well as directional dependence of the sensor device during operation.
  • a microwave frequency may be chosen in which a variation of the
  • Fluorescence signal is observable depending on the internal magnetic field.
  • the predetermined signal property may represent a minimum of the light intensity.
  • the method may comprise a step of determining at least one reference frequency at which a reference signal property occurs in the frequency spectrum using the fluorescence signal.
  • the step of determining may be performed before the step of applying the magnetic field signal. It can be in the step of
  • Reference frequency and the at least one microwave frequency can be calculated under the influence of the internal magnetic field.
  • Such an embodiment offers the advantage that interference by, for example, an external
  • Magnetic field can be considered to allow accurate calibration. Further, in the step of applying the magnetic field signal, a magnetic field signal suitable for generating a periodically varying internal magnetic field may be applied. Such an embodiment offers the advantage that during the calibration in a simple manner a change in the
  • Fluorescence signal is filtered out, which varies with the known frequency of the periodically varying magnetic field. Thus, interference from external magnetic fields on the calibration can be minimized.
  • a method for detecting a measured variable is also presented, wherein the method can be carried out in conjunction with a sensor device comprising a crystal body with at least one defect, a light source for
  • a microwave antenna for exposing the crystal body to microwaves and detection means for detecting at least one signal characteristic of a fluorescence signal from the crystal body, the method having at least the following steps:
  • This method can be used, for example, in software or hardware or in a
  • Sensor device are advantageously carried out to detect at least one measured variable. A pursuit of a shift of the at least one
  • ODMR Optically Detected Magnetic Resonance
  • the measured quantity in the step of calculating, may be calculated using the calibration data generated according to an embodiment of the aforementioned method for calibration.
  • Such an embodiment offers the advantage that a precise and reliable determination of the measured variable even under changing
  • the method may also include a step of applying a magnetic field signal for generating an internal magnetic field, which can be acted upon by the crystal body, to the at least one microwave antenna in order to generate an internal magnetic field which periodically varies with an excitation frequency.
  • a magnetic field signal for generating an internal magnetic field which can be acted upon by the crystal body
  • the microwave signal can be adjusted until correlated with the excitation frequency and a predetermined signal property associated frequency component of the
  • Fluorescence signal is maximum to find the new microwave frequency.
  • Such an embodiment offers the advantage that a derivation of the measured value from the fluorescence spectrum can be simplified.
  • Alternating field thereby the fluorescence signal are advantageously modulated.
  • about the alternating magnetic field in one direction can be easily and reliably identified and adjusted via an alternating shift of the microwave frequency at which the at least one predetermined signal property can be detected, also spatial directions to which the at least one predetermined signal property reacts.
  • Magnetic field signal to be applied to at least one further microwave antenna or to at least one electrical coil. It can do that
  • Magnetic field signal and the at least one further magnetic field signal differ from each other with respect to a frequency or a phase.
  • Such an embodiment offers the advantage that over an alternating
  • Magnetic field with different frequencies or different phases in different spatial directions via an alternating shift of the microwave frequency at which the at least one predetermined signal property of the fluorescence can be detected, also spatial directions to which the at least one predetermined signal property reacts, can be easily and reliably identified and compared ,
  • the method may include a step of varying the microwave signal to periodically vary a frequency of the microwaves at an excitation frequency about the particular microwave frequency.
  • the step of adjusting the microwave signal can be adjusted until correlated with the excitation frequency and a predetermined
  • the approach presented here also provides a control unit which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • control unit can have at least one arithmetic unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and / or or at least one
  • the arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit is a flash memory, an EPROM or a
  • the magnetic storage unit can be.
  • the communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output in a corresponding data transmission line.
  • a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In a hardware training, the interfaces may for example be part of a so-called system ASICs, the various functions of the
  • Control unit includes.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • control device is used to control a sensor device, more precisely the light source
  • control unit can, for example, access the fluorescence signal from the detection device.
  • the control unit can be designed to control the light source and the application device.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • ODM R Optically Detected Magnetic
  • Crystal bodies are exploited to show fluorescence at a wavelength in the normal state under optical excitation. Is in addition to the optical
  • the fluorescence at a certain frequency is broken, since in this case the electrons are raised to a higher energy level and recombine non-radiatively from there.
  • the splitting of the energy level the so-called Zeeman Splitting, occurs, and the frequency of the fluorescence is shown by the frequency
  • Fig. 1 is a schematic representation of a nitrogen defect in a diamond lattice
  • Figures 2 to 7 are energy schemes and diagrams of fluorescence characteristics according to embodiments
  • FIG. 8 is a schematic representation of a sensor device according to an embodiment
  • Figures 9 and 10 are schematic representations of an induction of magnetic fields around a diamond according to embodiments.
  • FIGS 11 to 13 are schematic representations and diagrams for
  • FIG. 14 to 19 diagrams for fluorescence measurement with additional microwave excitation and magnetic field excitation according to a
  • FIG. 20 is a flowchart of a method of calibration according to an embodiment
  • 21 is a flow chart of a method of detecting according to an embodiment
  • FIG. 22 is a flowchart of a measuring process according to FIG.
  • Figures 23 to 28 are diagrams for fluorescence measurement with additional microwave excitation according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a nitrogen defect 105 in a diamond lattice 100 or diamond 100.
  • the nitrogen defect 105 may also be referred to as a nitrogen vacancy center 105 or NV center 105.
  • a carbon atom here is replaced by a nitrogen atom 110, wherein a directly adjacent carbon atom in the diamond lattice 100 is missing and thus the nitrogen defect 105 results.
  • FIGS. 2 to 7 show energy schemes and diagrams
  • FIG. 3 shows a diagram 300 of the energy scheme of FIG.
  • Diagram 300 a microwave frequency in megahertz or MHz is plotted on the abscissa axis 302, and a fluorescence in arbitrary units is plotted on the ordinate axis 304, wherein an arrow 306 parallel to the ordinate axis 304 symbolizes a rising magnetic field B.
  • four characteristic curves or graphs 310, 312, 314 and 316 are shown by way of example, which represent a fluorescence profile for magnetic fields of different strength.
  • a third graph 314 represents a
  • a fourth graph 360 represents a magnetic field of 8.3 mT.
  • 4 shows a power scheme 400 with microwave excitation and without
  • FIG. 5 shows a diagram 500 for the energy scheme from FIG. 4.
  • Mark 520 is here in a range of a minimum or
  • Fluorescence minimum of the first graph 310 is arranged.
  • FIG. 6 shows a power scheme 600 with microwave excitation and with
  • FIG. 7 shows a diagram 700 for the energy scheme from FIG. 6.
  • the diagram 700 in FIG. 7 corresponds to the diagram from FIG. 3 or FIG. 5 with FIG.
  • Microwave excitation or a microwave frequency are each in a range of a minimum or
  • Fluorescence minimum of the second graph 312 arranged.
  • a first marking 720 is arranged in the region of a first minimum ⁇ and a second marking 725 is arranged in the region of a second minimum 002.
  • energy schemes and diagrams are shown with respect to an operation of a magnetic field measurement via a fluorescence measurement with additional microwave excitation or an example of a measurement of magnetic fields, with reference to FIGS. 2 to 7. Nitrogen defects in diamond exhibit that in the in
  • Fig. 2 illustrated diagram or energy scheme 200 shown
  • Microwaves and no magnetic field shows a nitrogen defect at optical excitation fluorescence at a wavelength of 630 nm. If one radiates in addition to the optical excitation by the excitation light 210 yet
  • the method is also referred to as ODM R (Optically Detected Magnetic Resonance). If the agreement
  • the level ms ⁇ l splits and there are two defined microwave frequencies at which the fluorescence decreases or minima are present.
  • the frequency spacing is proportional to the magnetic field B.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a sensor device 800 according to one exemplary embodiment.
  • the sensor device 800 has according to the in Fig.
  • a diamond 810 with at least one nitrogen defect illustrates a diamond 810 with at least one nitrogen defect, a light source 820 for irradiating the diamond 810 with excitation light 210 or for an optical excitation of the diamond 810, for example only a microwave antenna 830 for exposing the diamond 810 with microwaves or microwave radiation, a Detection device 840 for detecting a light intensity of a
  • the diamond 810 is disposed between the light source 820 and the detection device 840.
  • the optical filter 855 is disposed between the diamond 810 and the detector 850.
  • the microwave antenna 830 is the
  • Diamonds 810 arranged at least partially surrounding.
  • Microwave antenna 830 is signal transmitting capable connected to the applying device 860 or the microwave source 870 and the power source 880.
  • the applying device 860 is designed to transmit a microwave signal to the
  • the controller 890 is signal transmitting with the light source 820, with the detection device 840, more precisely with the detector 850, and with the
  • the controller 890 is configured to execute the calibration method or the like shown in FIG. 20, the detection method or the like shown in FIG. 21, and / or the measurement process shown in FIG. 22 or a similar measurement process.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a
  • Diamond 810 is irradiated in operation of the sensor device 800 for excitation by the light source 820 and irradiated from the microwave source 870 via the light source 820
  • Microwave antenna 830 charged with microwaves.
  • the fluorescence signal 220 is separated from the excitation light 210 by the optical filter 855 and impinges on the detector 850 which applies a measurement of a light intensity to the light source Evaluation circuit 890 or passes on to the control unit 890.
  • the controller 890 is configured to inter alia also the light source 820 and the
  • the power source 880 is for controlling microwave source 870.
  • the power source 880 is for controlling microwave source 870.
  • the power source 880 is for controlling microwave source 870.
  • FIG. 8 shows an exemplary configuration of the sensor device 800 based on NV centers in the diamond 810.
  • the microwave source 880 is electrically connected to the microwave antenna 830, which is implemented in, for example, a wire having one or more turns around the diamond 810, and is designed to excite the nitrogen defects in the diamond 810 with microwaves.
  • Coils or microwave antennas are used, such.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of an induction of a magnetic field or internal magnetic field B mo d about a diamond 810 in accordance with FIG. 9
  • FIG. 9 Shown here in FIG. 9 are the diamond 810 and the microwave antenna 830 of the sensor device of FIG. 8 or a similar sensor device, the internal magnetic field B mo d or magnetic field B mo d and a magnetic field signal Lod or additional current Lod or induction current Lod which is applied to the microwave antenna 830.
  • FIG. 9 shows induction of the magnetic field B mo d about the diamond 810 by applying the additional current Lod to the microwave antenna 830.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of an induction of magnetic fields B y and B x around a diamond 810 according to one exemplary embodiment.
  • FIG. 10 shows a generation of the magnetic fields B y and B x in two spatial directions by an arrangement of a plurality of coils 830 and 1030 or microwave antennas 830 and 1030.
  • FIGS. 9 and 10 it should be noted that the
  • Microwave antenna 830 is used to induce a magnetic field B mo d acting on the diamond 810. For this purpose is in the
  • Microwave antenna 830 a DC or AC in the form of
  • Induction current Lod imprinted which generates a corresponding magnetic field B mo d, as shown in Fig. 9.
  • To magnetic fields B y and B x in more than 10 is intended to use more than one microwave antenna 830, as shown in FIG. 10 with reference to another microwave antenna 1030 or electrical coil 1030.
  • Microwave antenna 830 used to generate an alternating magnetic field B mo d, influencing the AC power source used for this purpose (frequencies eg in the kHz range) and the microwave source (frequencies in the GHz range) by an electric filter, for. As a network of passive components can be prevented.
  • FIG. 11 shows a schematic representation of the directional dependence of a fluorescence measurement according to an exemplary embodiment. Shown here are the diamond 810 and the microwave antenna 830 of the sensor device of FIG. 8 or a similar sensor device and an internal magnetic field B mo d, a measuring direction 1101 and symbolically an alignment 1102 of individual nitrogen defects at the four crystal directions in the diamond 810 11 shows an arrangement for determining a sensitivity of four ODMR minima or fluorescence minima, which are related to the four crystal directions in the diamond 810, on magnetic fields B mo d in the measuring direction 1101 by applying the internal magnetic field B mo d or a reference field B mo d, which is induced via the microwave antenna 830 or an electrical coil.
  • FIG. 12 shows a diagram 1200 for the directional dependence of a
  • the graph 1200 in FIG. 12 shows a light intensity 1204 of a fluorescence signal at the
  • a second pair of ODMR minima 1212 relates on a second crystal direction of the diamond and shows a second
  • a third pair of ODMR minima 1214 refers to a third crystal direction of the diamond and shows a third one
  • a fourth pair of ODMR minima 1216 refers to a fourth crystal direction of the diamond and shows a fourth shift distance.
  • the fourth shift distance is less than the third shift distance. Strictly speaking, the fourth is
  • FIG. 13 shows a direction dependence diagram 1300
  • the diagram 1300 in FIG. 13 shows a relative sensitivity 1304 with respect to four crystal directions in the measuring direction on the ordinate axis as a function of a crystal direction 1302 on the abscissa axis for the situation from FIG. 11 or FIG. 12.
  • a first crystal direction is associated with a first bar 1310 having a first sensitivity value.
  • a second crystal direction is associated with a second bar 1312 having a second sensitivity value. The second
  • Sensitivity value is less than the first sensitivity value.
  • Crystal direction is associated with a third bar 1314 having a third sensitivity value.
  • the third sensitivity value is less than the second one
  • a fourth crystal direction is associated with a fourth bar 1316 having the height and a fourth sensitivity value of zero, respectively.
  • Figures 14 to 19 are diagrams for measuring fluorescence with additional microwave excitation and magnetic field excitation according to a
  • the fluorescence measurement can be carried out using the sensor device illustrated in FIG. 8 or a similar sensor device or in conjunction with at least one of the methods from FIGS. 20 and 21.
  • FIG. 14 shows a plot 1400 of an ODMR spectrum for various internally generated magnetic fields B mod as a function of a microwave frequency according to an embodiment.
  • the abscissa axis 1402 plots a relative change in the microwave frequency in megahertz (MHz) and the ordinate axis 1404 plots an ODMR signal in arbitrary units.
  • three graphs 1410, 1412, and 1414 are drawn.
  • the three graphs 1410, 1412, and 1414 each exemplarily show only a minimum of the two minima generated by Zeeman splitting from FIGS. 2 to 7.
  • the ODMR spectrum is locked to the minimum.
  • a second graph 1412 represents a second ODMR signal at a
  • Fig. 15 shows a signal-time diagram 1500 related to the ODMR spectrum of Fig. 14. More specifically, a temporal variation of one through a
  • Microwave excitation On the abscissa axis 1502 here is the time in
  • Seconds (s) multiplied by 10 "3 and plotted on the ordinate axis 1504 are signals in arbitrary units.
  • 16 shows a diagram 1600 of a frequency spectrum
  • the diagram 1600 shows a frequency spectrum of the signals of Fig. 15 in the case where the microwave frequency is determined by an external magnetic field
  • the abscissa axis 1602 plots a frequency in Hertz (Hz) and the ordinate axis 1604 plots a Fourier transform in arbitrary units.
  • a first graph 1610 represents the Fourier transform of the magnetic field B mo d and a second graph 1620 represents the Fourier transform of the ODM R
  • FIG. 17 shows a diagram 1700 of an ODMR spectrum for various internally generated magnetic fields B mod as a function of a microwave frequency according to an exemplary embodiment.
  • the diagram 1700 in FIG. 17 corresponds Here, the diagram of Fig. 14 except that the ODM R spectrum is shown by the additional action of an external constant magnetic field.
  • the three graphs 1410, 1412 and 1414 are shifted due to the external magnetic field.
  • FIG. 18 shows a signal-time diagram 1800 related to the ODMR spectrum of FIG. 17.
  • the signal-time diagram 1800 in FIG. 18 corresponds to the signal-time diagram of FIG. 15, except that FIG a waveform of the ODMR output signal 1520 is different from a waveform shown in FIG.
  • 19 shows a diagram 1900 of a frequency spectrum
  • FIG. 19 shows a frequency spectrum of the signals of Fig. 18 in the case where the microwave frequency is separated by an external one
  • Magnetic field determined position of the ODMR minimum does not match.
  • FIG. 20 shows a flow chart of a method 2000 for calibration according to one exemplary embodiment.
  • the method 2000 is executable to a
  • Calibrate sensor device may be practiced to include the sensor device of FIG. 8 or the like
  • the calibration method 2000 is operable to calibrate a sensor device including a diamond having at least one nitrogen vacancy, a light source for irradiating the diamond with excitation light, at least one of the two
  • a microwave antenna for exposing the diamond to microwaves and detection means for detecting a light intensity of a microwave
  • the method 2000 for calibrating further comprises a step 2040 of determining in which at least one reference frequency at which a reference minimum of the
  • the determining step 2040 is executable before the step of applying the magnetic field signal. Specifically, the determining step 2040 is between the step 2010 of application of the microwave signal and the step 2020 of applying the microwave signal
  • a magnetic field of known strength is generated and the associated displacement of one or more minima in the ODMR spectrum is measured.
  • These calibration data are stored, for example, and used hereafter to calculate the vectorial size of an external magnetic field from measured shifts in the ODMR minima.
  • a relative measurement of the ODMR signal is performed.
  • step 2040 of the determination and in step 2030 of determining z. B. two measurements immediately before and after switching on or applying the internal magnetic field performed and compared.
  • a periodically varying magnetic field can be generated or applied.
  • the displacements of the ODMR spectra for such a varying field B mo d are shown by way of example in FIG. 14 (only one peak of the two minima generated by Zeeman splitting is shown in each case).
  • Sensitivity of the individual minima are assigned to the spatial directions of the sensor device. NV centers or nitrogen defects in the diamond align in each case at one of the four crystal directions in the diamond and are also sensitive in this direction to magnetic fields. Depending on a direction of the magnetic field, the four minima pairs associated with these four orientations are shifted differently in the ODMR spectrum, as shown in FIG.
  • the sensitivities of these minima to the measurement direction can be determined. This principle is shown by way of example in FIGS. 11 to 13.
  • the measured values are stored and used to calculate a vector of an external magnetic field from a measured shift of the minima.
  • the calibration of several spatial directions by a plurality of microwave antennas and / or coils may, for. B. be performed sequentially. Alternatively it is possible to different
  • Microwave antennas and / or coils with currents or magnetic field signals to occupy which differ in frequencies or phases.
  • FIG. 21 shows a flowchart of a method 2100 for detecting a measured variable according to an exemplary embodiment.
  • the method 2100 is for detecting in conjunction with or using the
  • Sensor device of FIG. 8 or a similar sensor device executable.
  • the detection method 2100 is practicable in conjunction with a sensor device comprising a diamond having at least one nitrogen vacancy, a light source for irradiating the diamond with excitation light, at least one microwave antenna for
  • a microwave signal for generating the microwaves is applied to the at least one microwave antenna to traverse a frequency spectrum of the microwaves. Thereafter, in a step 2120 of the evaluation, the
  • the microwave signal is set to
  • the microwave signal is adjusted in response to a shift of the minimum caused by a change of the measured variable to a
  • the measured quantity is calculated using the
  • step 2150 of calculating the measure is calculated using the calibration data generated according to the method of calibration of FIG. 20 or a similar method.
  • step 2150 of the calculation the Calibration data generated according to the method of calibration of Fig. 20 or a similar method.
  • the detecting method 2100 includes a step 2160 of applying a magnetic field signal or a step 2170 of changing the magnetic field signal
  • the step 2160 of applying a magnetic field signal or the step 2170 of changing the microwave signal are in this case executable between the step 2130 of setting the microwave signal and the step 2140 of adjusting the microwave signal.
  • a magnetic field signal for generating an internal magnetic field to which the diamond can be acted upon is applied to the at least one microwave antenna in order to generate an internal magnetic field which periodically varies with an excitation frequency.
  • the microwave signal is then adjusted in step 2140 of adjusting until one with the
  • the magnetic field signal may be applied to the at least one microwave antenna and at least one other
  • Magnetic field signal to be applied to at least one further microwave antenna or to at least one electrical coil.
  • the magnetic field signal and the at least one further magnetic field signal differ from one another with respect to a frequency or a phase.
  • step 2170 of varying the microwave signal is varied to periodically vary a frequency of the microwaves having an excitation frequency about the particular microwave frequency.
  • the microwave signal is then adjusted in step 2140 of the adjustment until one with the
  • Excitation frequency correlated and a minimum of the light intensity associated frequency component of the fluorescence signal is maximum to find the new microwave frequency.
  • FIG. 22 shows a flow chart of a measurement process 2200 according to an exemplary embodiment.
  • Fig. 22 shows an example of one Sequence of a measurement or a measuring process 2200, wherein an internally generated magnetic field is used to modulate an ODMR spectrum.
  • the measuring process 2200 can be carried out in conjunction with the method for detecting from FIG. 21 or a similar method.
  • the measurement is started. Thereafter, at block 2202, an ODMR spectrum is transmitted over all microwave frequencies
  • the block 2202 is hereby comparable to the step of applying the microwave signal in the method for detecting from FIG. 21. Then, the measuring process 2200 proceeds to a block 2203 in which a position (microwave frequency) of the minima in the ODMR spectrum is identified. Block 2203 is similar to the step of evaluating the
  • a block 2204 Fluorescence signal in the method of detection of Fig. 21. Subsequently, in a block 2204, the microwave frequency is set to the position of the relevant minimum.
  • the block 2204 is similar to the step of setting the microwave signal in the detection method of FIG. 21.
  • the measurement process 2200 proceeds to a block 2205 in which an internal alternating magnetic field with a frequency or excitation frequency fmag is generated.
  • the block 2205 is similar to the step of applying the magnetic field signal according to an embodiment of the detecting method of FIG. 21.
  • the measurement process 2200 then passes to a decision block 2206, in which it is checked whether a frequency component f ma g of the ODMR signal is maximum. If so, the process proceeds to block 2207 where the microwave frequency determines the size of the external magnetic field. Block 2207 is similar to the step of calculating in the method of FIG. 21. From block 2207, the measurement process 2200 loops back to decision block 2206.
  • the measuring process 2200 goes to a block 2208, in which it is determined whether the minimum in the Near the original frequency is suspected. If not, the measurement process 2200 goes back to the block 2202. If so, the measurement process 2200 proceeds to a block 2209 where a systematic variation of the microwave frequency from the previous position in both directions is performed. From block 2207, measurement process 2200 returns to decision block 2206.
  • a method 2100 for sensing or measuring process 2200 is presented in which internally generated magnetic fields are used for modulation so as to easily determine and track a position and shift of the individual minima in the ODMR spectrum of the sensor device.
  • the z. B. may be an external magnetic field, a temperature or a mechanical strain, move the microwave frequencies at which the individual minima of fluorescence occur.
  • the external measured variable is determined via this displacement.
  • a calculation effort can be reduced and a bandwidth of the sensor device can be increased, since a range of microwave frequencies to be traversed regularly for recording the spectrum can be reduced.
  • a complete ODMR spectrum is recorded in order to identify positions of the minima, such as it is shown in the step 2110 of application of the microwave signal and the step 2120 of the evaluation of the fluorescence signal or in the blocks 2202 and 2203.
  • the microwave source is set to the frequency of the minimum to be measured, as shown in step 2130 of setting the microwave signal and in block 2204, respectively.
  • Magnetic field signal internally in the sensor device a periodically changing, z. B. sinusoidal as shown in Fig. 15 and Fig. 18, magnetic field B mo d induced in the direction to which this minimum is sensitive.
  • the frequency f mo d of the alternating field is set so that it is higher than a desired bandwidth of the sensor device, but less than a reaction time of nitrogen vacancies. Due to the internally generated magnetic field, the position of the minimum varies as shown in FIG. 14 around the previously determined average microwave frequency.
  • the intensity of the fluorescence signal measured at a constant microwave frequency also periodically changes at twice the frequency of the impressed magnetic field (2f mo d), as shown in FIGS. 15 and 16.
  • Microwave frequency coincides with the frequency of the ODMR minimum, which is assumed without the internal magnetic field.
  • the microwave frequency is varied in both directions of the original frequency, ie, higher and lower frequencies until the proportion in the ODRM signal becomes twice the excitation frequency (2f mo d) and the maximum new Microwave frequency of the shifted ODRM minimum is found. From this position of the shifted minimum can, for. B. optional under
  • the new measured value of the external measurement is determined. Only when the minimum can not be found again by a repeated variation of the microwave frequency, an ODMR spectrum is again recorded to determine the position of the minima, as previously described.
  • FIGS. 23 to 28 are diagrams for fluorescence measurement with additional
  • FIGS. 23 to 28 are similar to the diagrams shown in FIGS. 14 to 19.
  • the fluorescence measurement is in this case using the sensor device shown in FIG. 8 or a similar sensor device or in conjunction with at least one of the methods
  • FIG. 23 shows a diagram 2300 of an ODMR spectrum for a periodically varied frequency of the microwave excitation according to an embodiment.
  • FIG. 24 shows a signal-time diagram 2400 related to the ODMR spectrum from FIG. 23.
  • the signal-time diagram 2400 corresponds to the signal-time diagram.
  • Fig. 24 shows a variation of A ⁇ MW and the ODMR signal.
  • FIG. 25 shows a diagram 2500 of a frequency spectrum
  • the diagram 2500 corresponds to the diagram from FIG. 16, with the exception that only the Fourier transformation of the ODMR signal represented by the graph 1620 is plotted.
  • FIG. 26 shows a graph 2600 of an ODMR spectrum for a periodically varied microwave excitation frequency according to one embodiment.
  • Diagram 2600 in FIG. 26 corresponds to the diagram of FIG. 23, except that the ODMR spectrum is shown with the additional action of an external constant magnetic field.
  • the graph 2310 is shifted due to the external magnetic field.
  • FIG. 27 shows a signal-time diagram 2700 related to the ODMR spectrum of FIG. 26.
  • the signal-time diagram 2700 in FIG. 27 corresponds to FIG.
  • FIG. 28 shows a diagram 2800 of a frequency spectrum
  • FIGS. 23 to 28 thus show an evaluation concept in which, in contrast to a modulation of the fluorescence signal by an internally generated magnetic field, the microwave frequency (by the previously determined frequency of a minimum in the ODMR spectrum) is periodically varied. This results in a similar output signal as through an alternating magnetic field without being applied. Changes of an external measurand can be detected as described above. Thus, it is possible to measure in several directions in space, without the additional expense of further coils being necessary.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (800). Die Sensorvorrichtung (800) weist einen Kristallkörper (810) mit zumindest einer Fehlstelle auf. Auch weist die Sensorvorrichtung (800) eine Lichtquelle (820) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (810) mit Anregungslicht (210) auf. Die Sensorvorrichtung (800) weist ferner zumindest eine Mikrowellenantenne (830) zum Beaufschlagen des Kristallkörpers (810) mit Mikrowellen auf. Zudem weist die Sensorvorrichtung (800) eine Detektionseinrichtung (840, 850, 855) zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals (220) von dem Kristallkörper (810) auf. Die Sensorvorrichtung (800) weist auch eine Anlegeeinrichtung (860, 870, 880) auf, die ausgebildet ist, um ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen und ein Magnetfeldsignal zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Kristallkörper (810) beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830) anzulegen.

Description

Beschreibung Titel
Sensorvorrichtung, Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung und Verfahren zum Erfassen einer Messgröße
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Beispielsweise können Stickstoff- Fehlstellen in einem Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV = Nitrogen Vacancy) bezeichnet, auf dem Gebiet der Sensorik angewandt werden. Durch Anregung der NV-Zentren mit Licht und
Mikrowellenstrahlung kann eine Fluoreszenz derselben beobachtet werden.
Die DE 37 42 878 AI beschreibt einen optischen Magnetfeldsensor, in dem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Sensorvorrichtung, Verfahren, weiterhin ein Steuergerät, das zumindest eines der Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes
Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Gemäß Ausführungsformen kann insbesondere eine Sensorvorrichtung sowie eine Kalibrations- und Auswertemethode für eine Sensorvorrichtung basierend auf Fehlstellen bzw. Gitterfehlstellen in einem Kristall bereitgestellt werden. Hierbei kann beispielsweise eine Funktion von mindestens einer elektrischen Spule für eine Erzeugung eines magnetischen Konstant- oder Wechselfeldes in eine Sensorvorrichtung integriert werden, indem an eine Mikrowellenantenne zusätzlich ein Induktionsstrom angelegt wird. Anders ausgedrückt kann eine
Mikrowellenantenne insbesondere in zweifacher Hinsicht genutzt werden, zum einen für Mikrowellen und zum anderen für ein internes Magnetfeld. Somit kann die Sensorvorrichtung insbesondere während einer Benutzung bzw. eines Betriebs auf effiziente Weise kalibriert werden und aus einem Fluoreszenzsignal einfach und genau auf einen Messwert geschlossen werden.
Vorteilhafterweise kann eine Mikrowellenabhängigkeit einer hierbei
detektierbaren Fluoreszenz empfindlich auf äußere Einwirkungen wie
Magnetfelder, Temperaturänderungen oder mechanische Spannungen als Messgrößen reagieren. Somit kann durch Messung dieser Fluoreszenz ermöglicht werden, sensitive und robuste Sensoren für Magnetfeld, Strom, Temperatur, mechanische Spannungen, Druck und andere Messgrößen bereitzustellen. Auf Grund einer hohen Sensitivität von Fehlstellen in
Kristallgittern können beispielsweise bereits schwache Magnetfelder ausreichend und damit auch lediglich geringe elektrische Ströme notwendig sein, was zu einem energieeffizienten Verfahren bzw. Sensor führen kann. Bei einem Sensor, der auf Fehlstellen in einem Kristallkörper basiert, kann somit insbesondere eine Verbesserung der Kalibration und Auswertungsmethodik erreicht werden. Es wird eine Sensorvorrichtung vorgestellt, die folgende Merkmale aufweist: einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle; eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Kristallkörpers mit Anregungslicht; zumindest eine Mikrowellenantenne zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit Mikrowellen; eine Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper; und eine Anlegeeinrichtung, die ausgebildet ist, um ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen und ein Magnetfeldsignal zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Kristallkörper beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne anzulegen.
Die Sensorvorrichtung kann ausgebildet sein, um eine Messgröße zu erfassen. Die Messgröße kann beispielsweise ein externes Magnetfeld, ein elektrischer Strom, eine Temperatur, eine mechanische Spannung, ein Druck und zusätzlich oder alternativ eine andere Messgröße sein. Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise als Batteriestromsensor und zusätzlich oder alternativ als
Brennraumdrucksensor, als kombinierter Drucksensor und Erdmagnetfeldsensor, als Stromleitungsdetektor oder dergleichen eingesetzt werden. Die
Anlegeeinrichtung kann signalübertragungsfähig mit der zumindest einen Mikrowellenantenne verbindbar oder verbunden sein. Der Kristallkörper kann beispielsweise Diamant, Siliziumcarbid (SiC) oder hexagonales Bornitrid (h-BN) sein. Eine Fehlstelle kann beispielsweise eine Stickstoff- Fehlstelle in einem Diamant, eine Silizium-Fehlstelle in Siliziumcarbid oder ein Fehlstellen- Farbzentrum in hexagonalem Bornitrid sein. Anders ausgedrückt kann eine Fehlstelle eine Gitterfehlstelle bzw. Fehlstelle in einer Gitterstruktur des
Kristallkörpers sein. Die Detektionseinrichtung kann ausgebildet sein, um die zumindest eine Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper optisch und/oder elektrisch zu erfassen. Die zumindest eine Signaleigenschaft des Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper kann eine Lichtintensität sein. Somit kann die Detektionseinrichtung ausgebildet sein, um die zumindest eine
Signaleigenschaft mittels einer optischen Auswertung über eine Intensität des Fluoreszenzsignals oder mittels einer elektrischen Auswertung über eine sogenannte Photocurrent Detection Of Magnetic Resonance (PDMR) zu detektieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung eine
Ausführungsform eines nachfolgend genannten Steuergerätes aufweisen.
Hierbei kann das Steuergerät signalübertragungsfähig mit der Lichtquelle, mit der zumindest einen Mikrowellenantenne, mit der Detektionseinrichtung und mit der Anlegeeinrichtung verbindbar oder verbunden sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass mittels des Steuergerätes eine präzise, schnelle und einfache Kalibrierung sowie Messgrößenerfassung der Sensorvorrichtung durchgeführt werden kann. Auch kann die Sensorvorrichtung zumindest eine elektrische Spule zum
Bewirken mindestens eines weiteren internen Magnetfelds aufweisen. Hierbei kann das mindestens eine weitere interne Magnetfeld eine weitere Feldrichtung aufweisen, die sich von einer Feldrichtung des internen Magnetfelds
unterscheidet. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass aufgrund einer Ausrichtung von Fehlstellen entlang der Kristallrichtungen im Kristallkörper über eine Verschiebung von zu diesen Richtungen gehörenden Fluoreszenz- Minima beispielsweise auch eine Richtung eines externen Magnetfelds bestimmt werden kann.
Insbesondere kann die Anlegeeinrichtung eine Mikrowellenquelle, eine
Stromquelle und zusätzlich oder alternativ einen elektrischen Filter zum
Minimieren einer gegenseitigen Beeinflussung der Mikrowellenquelle und der Stromquelle aufweisen. Die Stromquelle kann ausgebildet sein, um als
Magnetfeldsignal einen Gleichstrom oder einen Wechselstrom in die zumindest eine Mikrowellenantenne einzuprägen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Diamant über die zumindest eine Mikrowellenantenne auf einfache, zuverlässige, effiziente und genaue Weise sowohl mit Mikrowellen als auch mit dem internen Magnetfeld beaufschlagt werden kann.
Es wird auch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung vorgestellt, wobei die Sensorvorrichtung einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Kristallkörpers mit Anregungslicht, zumindest eine Mikrowellenantenne zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit Mikrowellen und eine Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper aufweist, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
Anlegen eines Mikrowellensignals zum Erzeugen der Mikrowellen
zumindest eine Mikrowellenantenne; Anlegen eines Magnetfeldsignals zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Kristallkörper beaufschlagbar ist, an die zumindest eine
Mikrowellenantenne; und
Bestimmen zumindest einer Mikrowellenfrequenz, bei der eine vorbestimmte Signaleigenschaft auftritt, in einem Frequenzspektrum der Mikrowellen unter Verwendung des Fluoreszenzsignals ansprechend auf das interne Magnetfeld, um Kalibrierungsdaten zur Verwendung bei einem Erfassen einer Messgröße zu erzeugen.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. Das Verfahren kann unter Verwendung von bzw. in
Verbindung mit einer Ausführungsform der vorstehend genannten
Sensorvorrichtung vorteilhaft ausgeführt werden, um die Sensorvorrichtung zu kalibrieren. Somit kann durch Ausführen des Verfahrens mittels des induzierten Magnetfeldes eine, beispielsweise regelmäßige, Kalibrierung hinsichtlich einer Sensitivität als auch einer Richtungsabhängigkeit der Sensorvorrichtung während eines Betriebs durchgeführt werden. Im Schritt des Bestimmens kann eine Mikrowellenfrequenz gewählt werden, bei der eine Variation des
Fluoreszenzsignals abhängig von dem internen Magnetfeld beobachtbar ist. Die vorbestimmte Signaleigenschaft kann ein Minimum der Lichtintensität repräsentieren. Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Ermitteins zumindest einer Referenzfrequenz, bei der eine Referenzsignaleigenschaft auftritt, in dem Frequenzspektrum unter Verwendung des Fluoreszenzsignals aufweisen. Hierbei kann der Schritt des Ermitteins vor dem Schritt des Anlegens des Magnetfeldsignals ausgeführt werden. Dabei kann im Schritt des
Bestimmens mindestens ein Verschiebungswert zwischen der zumindest einen
Referenzfrequenz und der zumindest einen Mikrowellenfrequenz unter Einfluss des internen Magnetfeldes berechnet werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Störeinflüsse durch beispielsweise ein externes
Magnetfeld berücksichtigt werden können, um eine genaue Kalibrierung zu ermöglichen. Ferner kann im Schritt des Anlegens des Magnetfeldsignals ein Magnetfeldsignal angelegt werden, das geeignet ist, um ein periodisch variierendes internes Magnetfeld zu generieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass während des Kalibrierens auf einfache Weise eine Veränderung des
Fluoreszenzsignals herausgefiltert wird, die mit der bekannten Frequenz des periodisch variierenden Magnetfeldes variiert. Somit kann ein Störeinfluss von externen Magnetfeldern auf die Kalibrierung minimiert werden.
Es wird ferner ein Verfahren zum Erfassen einer Messgröße vorgestellt, wobei das Verfahren in Verbindung mit einer Sensorvorrichtung ausführbar ist, die einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, eine Lichtquelle zum
Bestrahlen des Kristallkörpers mit Anregungslicht, zumindest eine
Mikrowellenantenne zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit Mikrowellen und eine Detektionseinrichtung zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals von dem Kristallkörper aufweist, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
Anlegen eines Mikrowellensignals zum Erzeugen der Mikrowellen an die zumindest eine Mikrowellenantenne, um ein Frequenzspektrum der Mikrowellen zu durchlaufen;
Auswerten des Fluoreszenzsignals ansprechend auf das angelegte
Mikrowellensignal, um zumindest eine Mikrowellenfrequenz, bei der eine vorbestimmte Signaleigenschaft auftritt, in dem Frequenzspektrum zu
bestimmen;
Einstellen des Mikrowellensignals, um Mikrowellen mit einer im Schritt des Bestimmens bestimmten Mikrowellenfrequenz zu erzeugen;
Verstellen des Mikrowellensignals ansprechend auf eine durch eine Änderung der Messgröße bedingte Verschiebung der vorbestimmten Signaleigenschaft, um eine Frequenz der Mikrowellen um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren, bis eine neue Mikrowellenfrequenz gefunden ist, bei der die
verschobene vorbestimmte Signaleigenschaft auftritt; und Berechnen der Messgröße unter Verwendung der Mikrowellenfrequenz und der neuen Mikrowellenfrequenz. Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer
Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. Das Verfahren kann unter Verwendung von bzw. in
Verbindung mit einer Ausführungsform der vorstehend genannten
Sensorvorrichtung vorteilhaft ausgeführt werden, um zumindest eine Messgröße zu erfassen. Eine Verfolgung einer Verschiebung des zumindest einen
Minimums, beispielsweise von ODMR-Minima (ODM R = Optically Detected Magnetic Resonance; optisch erfasste Magnetresonanz), kann durch Ausführen des Verfahrens vereinfacht und beschleunigt werden, da nicht bei jeder
Änderung ein vollständiges Abfahren des Mikrowellenspektrums der Messgröße notwendig ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Berechnens die Messgröße unter Verwendung der Kalibrierungsdaten berechnet werden, die nach einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens zum Kalibrieren erzeugt sind. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine präzise und zuverlässige Bestimmung der Messgröße auch unter wechselnden
Umgebungsbedingungen realisiert werden kann.
Auch kann das Verfahren einen Schritt des Anlegens eines Magnetfeldsignals zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Kristallkörper beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne aufweisen, um ein mit einer Anregungsfrequenz periodisch variierendes internes Magnetfeld zu generieren. Hierbei kann im Schritt des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt werden, bis ein mit der Anregungsfrequenz korrelierter und einer vorbestimmten Signaleigenschaft zugeordneter Frequenzanteil des
Fluoreszenzsignals maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Herleitung des Messwerts aus dem Fluoreszenzspektrum vereinfacht werden kann.
Insbesondere kann unter Verwendung eines induzierten magnetischen
Wechselfelds dabei das Fluoreszenzsignal vorteilhaft moduliert werden. Über das alternierende Magnetfeld in eine Richtung können über eine alternierende Verschiebung der Mikrowellenfrequenz, bei der die zumindest eine vorbestimmte Signaleigenschaft detektiert werden kann, auch Raumrichtungen, auf welche die zumindest eine vorbestimmte Signaleigenschaft reagiert, einfach und zuverlässig identifiziert und abgeglichen werden.
Dabei und zusätzlich oder alternativ bei dem Verfahren zum Kalibrieren können im Schritt des Anlegens des Magnetfeldsignals das Magnetfeldsignal an die zumindest eine Mikrowellenantenne und mindestens ein weiteres
Magnetfeldsignal an zumindest eine weitere Mikrowellenantenne oder an zumindest eine elektrische Spule angelegt werden. Dabei können das
Magnetfeldsignal und das mindestens eine weitere Magnetfeldsignal sich bezüglich einer Frequenz oder einer Phase voneinander unterscheiden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass über ein alternierendes
Magnetfeld mit verschiedenen Frequenzen oder verschiedenen Phasen in verschiedenen Raumrichtungen über eine alternierende Verschiebung der Mikrowellenfrequenz, bei der die zumindest eine vorbestimmte Signaleigenschaft der Fluoreszenz detektiert werden kann, auch Raumrichtungen, auf weiche die zumindest eine vorbestimmte Signaleigenschaft reagiert, einfach und zuverlässig identifiziert und abgeglichen werden können.
Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Veränderns des Mikrowellensignals aufweisen, um eine Frequenz der Mikrowellen mit einer Anregungsfrequenz periodisch um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren. Hierbei kann im Schritt des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt werden, bis ein mit der Anregungsfrequenz korrelierter und einer vorbestimmten
Signaleigenschaft zugeordneter Frequenzanteil des Fluoreszenzsignals maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass kein internes Magnetfeld benötigt wird, wobei auch in mehreren Raumrichtungen gemessen werden kann, ohne dass weitere Spulen notwendig wären.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine
Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine
magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des
Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung einer Sensorvorrichtung, genauer gesagt der Lichtquelle, der
Detektionseinrichtung und der Anlegeeinrichtung einer Ausführungsform der vorstehend genannten Sensorvorrichtung. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf das Fluoreszenzsignal von der Detektionseinrichtung zugreifen. Das Steuergerät kann ausgebildet sein, um die Lichtquelle und die Anlegeeinrichtung anzusteuern.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Vorrichtungen und Verfahren gemäß Ausführungsformen können ausgebildet sein, um eine ODM R- Methode (ODM R = Optically Detected Magnetic
Resonance; optisch erfasste Magnetresonanz) zu nutzen bzw. anzuwenden. Dabei kann insbesondere ein Verhalten solcher Fehlstellen in einem
Kristallkörper ausgenutzt werden, im Normalzustand bei optischer Anregung Fluoreszenz bei einer Wellenlänge zu zeigen. Wird zusätzlich zu der optischen
Anregung noch Mikrowellenstrahlung eingestrahlt, kommt es bei einer bestimmten Frequenz zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall auf ein höheres Energieniveau gehoben werden und von dort nichtstrahlend rekombinieren. Bei einem anliegenden Magnetfeld kommt es zur Aufspaltung des Energieniveaus, dem sogenannten Zeeman Splitting, und es zeigen sich bei Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der
Mikrowellenanregung bezogen auf eine einzelne Fehlstelle insbesondere zwei Minima im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke ist.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Stickstoff- Fehlstelle in einem Diamantgitter; Figuren 2 bis 7 Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Figuren 9 und 10 schematische Darstellungen einer Induktion von Magnetfeldern um einen Diamanten gemäß Ausführungsbeispielen;
Figuren 11 bis 13 schematische Darstellungen und Diagramme zur
Richtungsabhängigkeit einer Fluoreszenzmessung gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Figuren 14 bis 19 Diagramme zur Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung und Magnetfeldanregung gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 20 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 21 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 22 ein Ablaufdiagramm eines Messprozesses gemäß einem
Ausführungsbeispiel; und
Figuren 23 bis 28 Diagramme zur Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Ferner werden nachfolgend Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaft anhand von Stickstoff- Fehlstellen in einem Diamantgitter bzw. Diamant beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Stickstoff- Fehlstelle 105 in einem Diamantgitter 100 bzw. Diamant 100. Die Stickstoff- Fehlstelle 105 kann auch als ein Nitrogen-Vacancy-Zentrum 105 bzw. NV-Zentrum 105 bezeichnet werden. Ein Kohlenstoffatom ist hierbei durch ein Stickstoff -Atom 110 ersetzt, wobei ein direkt benachbartes Kohlenstoff-Atom im Diamantgitter 100 fehlt und sich somit die Stickstoff- Fehlstelle 105 ergibt.
Figuren 2 bis 7 zeigen Energieschemata und Diagramme zu
Fluoreszenzeigenschaften gemäß Ausführungsbeispielen. Hierbei zeigt Fig. 2 ein Energieschema 200 ohne Mikrowellenanregung und ohne Magnetfeldanregung, wobei Anregungslicht hv 210, ein Fluoreszenzsignal 220 und drei Zustände 3A, 3E und 1A sowie jeweilige Energieniveaus ms=0 und ms=±l für die Zustände3A und 3E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm 300 zu dem Energieschema aus Fig. 2. In dem
Diagramm 300 ist an der Abszissenachse 302 eine Mikrowellenfrequenz in Megahertz bzw. MHz aufgetragen und ist an der Ordinatenachse 304 eine Fluoreszenz in beliebigen Einheiten aufgetragen, wobei ein zur Ordinatenachse 304 paralleler Pfeil 306 ein ansteigendes Magnetfeld B symbolisiert. Ferner sind in Fig. 3 beispielhaft vier Kennlinien bzw. Graphen 310, 312, 314 und 316 dargestellt, die einen Fluoreszenzverlauf für unterschiedlich starke Magnetfelder repräsentieren. Ein erster Graph 310 repräsentiert ein Magnetfeld mit der Stärke 0, B=0; ein zweiter Graph 312 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld mit der Stärke von 2,8 mT; ein dritter Graph 314 repräsentiert beispielsweise ein
Magnetfeld mit der Stärke von 5,8 mT; ein vierter Graph 360 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld mit der Stärke von 8,3 mT. Minima einer
Fluoreszenz sind lediglich beispielhaft für den zweiten Graphen 312 mit ωι und 002 bezeichnet. Eine Markierung 320 auf dem ersten Graphen 310 repräsentiert den Sachverhalt aus dem Energieschema von Fig. 2, d. h. ohne Magnetfeld (B=0) und ohne Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz f 2,9GHz. Fig. 4 zeigt ein Energieschema 400 mit Mikrowellenanregung und ohne
Magnetfeldanregung, wobei Anregungslicht hv 210, Mikrowellenstrahlung 430 und drei Zustände 3A, 3E und 1A sowie jeweilige Energieniveaus ms=0 und ms=±l für die Zustände3A und 3E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm 500 zu dem Energieschema aus Fig. 4. Das Diagramm 500 in Fig. 5 entspricht hierbei dem Diagramm aus Fig. 3 mit Ausnahme dessen, dass eine Markierung 520 auf dem ersten Graphen 310 den Sachverhalt aus dem Energieschema von Fig. 4 repräsentiert, d. h. ohne Magnetfeld (B=0) und mit Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz f=2,9GHz. Die
Markierung 520 ist hierbei in einem Bereich eines Minimums bzw.
Fluoreszenzminimums des ersten Graphen 310 angeordnet.
Fig. 6 zeigt ein Energieschema 600 mit Mikrowellenanregung und mit
Magnetfeldanregung, wobei Anregungslicht hv 210, Mikrowellenstrahlung 430 und drei Zustände 3A, 3E und 1A sowie jeweilige Energieniveaus ms=0 und ms=±l für die Zustände3A und 3E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind. Auch wenn es in Fig. 6 nicht explizit bzw. anders dargestellt ist, spalten sich die Zustände 3E ms=±l bei angelegtem Magnetfeld wie die Zustände 3A ms=±l auf Grund von Zeeman-Splitting ebenfalls auf. Somit weisen die Zustände 3E hier ein weiteres Energieniveau bzw. zwei getrennte Energieniveaus ms=+l und ms=-l auf.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm 700 zu dem Energieschema aus Fig. 6. Das Diagramm 700 in Fig. 7 entspricht hierbei dem Diagramm aus Fig. 3 bzw. Fig. 5 mit
Ausnahme dessen, dass zwei Markierungen 720 und 725 auf dem zweiten Graphen 312 den Sachverhalt aus dem Energieschema von Fig. 6
repräsentieren, d. h. mit einem Magnetfeld (B*0) und mit variabler
Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz. Die Markierungen 720 und 725 sind jeweils in einem Bereich jeweils eines Minimums bzw.
Fluoreszenzminimums des zweiten Graphen 312 angeordnet. Beispielsweise ist eine erste Markierung 720 im Bereich eines ersten Minimums ωι angeordnet und ist eine zweite Markierung 725 im Bereich eines zweiten Minimums 002 angeordnet. Unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 7 sind mit anderen Worten und zusammenfassend ausgedrückt Energieschemata und Diagramme hinsichtlich einer Funktionsweise einer Magnetfeldmessung über eine Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung bzw. ein Beispiel für eine Messung von Magnetfeldern gezeigt. Stickstoff- Fehlstellen in Diamant weisen das in dem in
Fig. 2 dargestellten Diagramm bzw. Energieschema 200 gezeigte
Energiespektrum bei Raumtemperatur auf. Im Normalzustand, d. h. ohne
Mikrowellen und ohne Magnetfeld, zeigt eine Stickstoff- Fehlstelle bei optischer Anregung eine Fluoreszenz bei einer Wellenlänge von 630 nm. Strahlt man zusätzlich zu der optischen Anregung durch das Anregungslicht 210 noch
Mikrowellenstrahlung 430 ein, kommt es bei 2,88 GHz zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall von dem Niveau ms=±l des Zustandes 3A auf das Niveau ms=±l des Zustandes 3E gehoben werden und von dort nichtstrahlend rekombinieren. Bei einem externen Magnetfeld kommt es zu einer Aufspaltung des Niveaus ms=±l (Zeeman Splitting) und es zeigen sich bei
Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der Mikrowellenanregung zwei Minima, beispielsweise ωι und 002, im Fluoreszenzspektrum, deren
Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke B ist. Eine
Magnetfeldsensitivität wird dabei durch eine minimal auflösbare
Frequenzverschiebung definiert und kann wenige ρΤ/νΉζ erreichen. Dieses
Verfahren wird auch als ODM R (Optically Detected Magnetic Resonance; optisch detektiert Magnetresonanz) bezeichnet. Bei Übereinstimmung der
Mikrowellenfrequenz mit dem Energieabstand zwischen dem Zustand 3A ms=0 und dem Niveau ms=±l kommt es zu einem Einbruch der Fluoreszenz. Bei externem Magnetfeld spaltet das Niveau ms=±l auf und es existieren zwei definierte Mikrowellenfrequenzen, bei denen die Fluoreszenz abnimmt bzw. Minima vorliegen. Der Frequenzabstand ist dabei proportional zum Magnetfeld B.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Sensorvorrichtung 800 weist gemäß dem in Fig.
8 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Diamanten 810 mit zumindest einer Stickstoff- Fehlstelle, eine Lichtquelle 820 zum Bestrahlen des Diamanten 810 mit Anregungslicht 210 bzw. für eine optische Anregung des Diamanten 810, beispielhaft lediglich eine Mikrowellenantenne 830 zum Beaufschlagen des Diamanten 810 mit Mikrowellen bzw. Mikrowellenstrahlung, eine Detektionseinrichtung 840 zum Detektieren einer Lichtintensität eines
Fluoreszenzsignals 220 von dem Diamanten 810 mit einem Detektor 850 und einem optischen Filter 855, eine Anlegeeinrichtung 860 mit einer
Mikrowellenquelle 870 und einer Stromquelle 880 für ein internes Magnetfeld und ein Steuergerät 890 bzw. eine Ausleseschaltung 890 auf.
Der Diamant 810 ist zwischen der Lichtquelle 820 und der Detektionseinrichtung 840 angeordnet. Dabei ist der optische Filter 855 zwischen dem Diamanten 810 und dem Detektor 850 angeordnet. Die Mikrowellenantenne 830 ist den
Diamanten 810 zumindest teilweise umgebend angeordnet. Die
Mikrowellenantenne 830 ist signalübertragungsfähig mit der Anlegeeinrichtung 860 bzw. der Mikrowellenquelle 870 und der Stromquelle 880 verbunden.
Die Anlegeeinrichtung 860 ist ausgebildet, um ein Mikrowellensignal zum
Erzeugen der Mikrowellen und ein Magnetfeldsignal zum Generieren eines internen Magnetfelds Bmod, mit dem der Diamant 810 beaufschlagbar ist, an die Mikrowellenantenne 830 anzulegen.
Das Steuergerät 890 ist signalübertragungsfähig mit der Lichtquelle 820, mit der Detektionseinrichtung 840, genauer gesagt mit dem Detektor 850, und mit der
Anlegeeinrichtung 860 bzw. mit der Mikrowellenquelle 870 und der Stromquelle 880 verbunden. Das Steuergerät 890 ist ausgebildet, um das in Fig. 20 dargestellte Verfahren zum Kalibrieren oder ein ähnliches Verfahren, das in Fig. 21 dargestellte Verfahren zum Erfassen oder ein ähnliches Verfahren und/oder den in Fig. 22 dargestellt Messprozess oder einen ähnlichen Messprozess auszuführen.
Anders ausgedrückt zeigt Fig. 8 eine schematische Darstellung einer
beispielhaften Anordnung für einen Sensor bzw. die Sensorvorrichtung 800 basierend auf Stickstoff- Fehlstellen bzw. NV-Zentren in dem Diamanten 810. Der
Diamant 810 wird in Betrieb der Sensorvorrichtung 800 zur Anregung durch die Lichtquelle 820 bestrahlt und von der Mikrowellenquelle 870 über die
Mikrowellenantenne 830 mit Mikrowellen beaufschlagt. Das Fluoreszenzsignal 220 wird von dem optischen Filter 855 vom Anregungslicht 210 getrennt und trifft auf den Detektor 850, der einen Messwert einer Lichtintensität an die Auswerteschaltung 890 bzw. an das Steuergerät 890 weitergibt. Das Steuergerät 890 ist ausgebildet, um unter anderem auch die Lichtquelle 820 und die
Mikrowellenquelle 870 zu steuern. Zusätzlich ist die Stromquelle 880 zur
Induktion des Magnetfeldes Bmod an die Mikrowellenantenne 830 angeschlossen. Somit zeigt Fig. 8 einen beispielhaften Aufbau der Sensorvorrichtung 800 basierend auf NV-Zentren im Diamant 810. Die Mikrowellenquelle 880 ist hierbei elektrisch mit der Mikrowellenantenne 830 verbunden, die im beispielsweise aus einem Draht mit einer oder mehreren Windungen um den Diamanten 810 realisiert ist und ausgebildet ist, um die Stickstoff- Fehlstellen im Diamant 810 mit Mikrowellen anzuregen. Alternativ können andere Methoden zur Herstellung von
Spulen oder Mikrowellenantennen verwendet werden, wie z. B. eine Verwendung von Leiterbahnen auf einer Platine.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Induktion eines Magnetfeldes bzw. internen Magnetfeldes Bmod um einen Diamanten 810 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Gezeigt sind hierbei in Fig. 9 der Diamant 810 sowie die Mikrowellenantenne 830 der Sensorvorrichtung aus Fig. 8 oder einer ähnlichen Sensorvorrichtung, das interne Magnetfeld Bmod bzw. magnetische Feld Bmod und ein Magnetfeldsignal Lod bzw. zusätzlicher Strom Lod oder Induktionsstrom Lod, der an die Mikrowellenantenne 830 angelegt ist. Somit zeigt Fig. 9 eine Induktion des magnetischen Felds Bmod um den Diamanten 810 durch Anlegen des zusätzlichen Stroms Lod an die Mikrowellenantenne 830.
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Induktion von Magnetfeldern By und Bx um einen Diamanten 810 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Anders ausgedrückt zeigt Fig. 10 eine Erzeugung der Magnetfelder By und Bx in zwei Raumrichtungen durch eine Anordnung von mehreren Spulen 830 und 1030 bzw. Mikrowellenantennen 830 und 1030. Unter Bezugnahme auf Fig. 9 und Fig. 10 ist anzumerken, dass die
Mikrowellenantenne 830 verwendet wird, um ein magnetisches Feld Bmod zu induzieren, das auf den Diamanten 810 wirkt. Hierfür wird in die
Mikrowellenantenne 830 ein Gleich- oder Wechselstrom in Gestalt des
Induktionsstroms Lod eingeprägt, welcher ein entsprechendes Magnetfeld Bmod erzeugt, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Um Magnetfelder By und Bx in mehr als eine Raumrichtung erzeugen zu können, ist in Fig. 10 vorgesehen, mehr als eine Mikrowellenantenne 830 zu verwenden, wie es in Fig. 10 anhand einer weiteren Mikrowellenantenne 1030 oder elektrischen Spule 1030 gezeigt ist. Hierbei sind die Mikrowellenantenne 830 und die weitere Mikrowellenantenne 1030 oder elektrische Spule 1030 z. B. orthogonal zueinander angeordnet. Wird die
Mikrowellenantenne 830 verwendet, um ein magnetisches Wechselfeld Bmod zu erzeugen, kann eine Beeinflussung der hierfür verwendeten Wechselstromquelle (Frequenzen z. B. im kHz-Bereich) und der Mikrowellenquelle (Frequenzen im GHz-Bereich) durch einen elektrischen Filter, z. B. ein Netzwerk aus passiven Bauelementen, verhindert werden.
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung zur Richtungsabhängigkeit einer Fluoreszenzmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt sind hierbei der Diamant 810 und die Mikrowellenantenne 830 der Sensorvorrichtung aus Fig. 8 oder einer ähnlichen Sensorvorrichtung sowie ein internes Magnetfeld Bmod, eine Messrichtung 1101 und symbolisch eine Ausrichtung 1102 von einzelnen Stickstoff- Fehlstellen an den vier Kristallrichtungen im Diamant 810. Anders ausgedrückt zeigt Fig. 11 eine Anordnung zur Bestimmung einer Sensitivität von vier ODMR-Minima bzw. Fluoreszenz-Minima, die mit den vier Kristallrichtungen im Diamant 810 zusammenhängen, auf Magnetfelder Bmod in Messrichtung 1101 durch Anlegen des internen Magnetfeldes Bmod bzw. eines Referenzfelds Bmod, welches über die Mikrowellenantenne 830 bzw. eine elektrische Spule induziert wird. Fig. 12 zeigt ein Diagramm 1200 zur Richtungsabhängigkeit einer
Fluoreszenzmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Diagramm 1200 in Fig. 12 zeigt eine Lichtintensität 1204 eines Fluoreszenzsignals an der
Ordinatenachse in Abhängigkeit von einer Mikrowellenfrequenz 1202 an der Abszissenachse für den Sachverhalt aus Fig. 11. Dabei ist in Fig. 12 eine Verschiebung einzelner ODMR-Minima durch das interne Magnetfeld Bmod für eine optisch detektierte Magnetresonanz (ODM R) veranschaulicht. Hierbei sind in dem Diagramm 1200 vier Paare von ODMR-Minima 1210, 1212, 1214 und 1216 eingezeichnet. Ein erstes Paar von ODMR-Minima 1210 bezieht sich auf eine erste Kristallrichtung des Diamanten und zeigt einen ersten
Verschiebungsabstand. Ein zweites Paar von ODMR-Minima 1212 bezieht sich auf eine zweite Kristallrichtung des Diamanten und zeigt einen zweiten
Verschiebungsabstand. Der zweite Verschiebungsabstand ist geringer als der erste Verschiebungsabstand. Ein drittes Paar von ODMR-Minima 1214 bezieht sich auf eine dritte Kristallrichtung des Diamanten und zeigt einen dritten
Verschiebungsabstand. Der dritte Verschiebungsabstand ist geringer als der zweite Verschiebungsabstand. Ein viertes Paar von ODMR-Minima 1216 bezieht sich auf eine vierte Kristallrichtung des Diamanten und zeigt einen vierten Verschiebungsabstand. Der vierte Verschiebungsabstand ist geringer als der dritte Verschiebungsabstand. Genau gesagt beträgt der vierte
Verschiebungsabstand null, wobei das vierte Paar von ODMR-Minima 1216 nicht relativ zueinander verschoben ist.
Fig. 13 zeigt ein Diagramm 1300 zur Richtungsabhängigkeit einer
Fluoreszenzmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Diagramm 1300 in Fig. 13 zeigt eine relative Sensitivität 1304 bezogen auf vier Kristallrichtungen in Messrichtung an der Ordinatenachse in Abhängigkeit von einer Kristallrichtung 1302 an der Abszissenachse für den Sachverhalt aus Fig. 11 bzw. Fig. 12.
Hierbei ist einer ersten Kristallrichtung ein erster Balken 1310 mit einem ersten Sensitivitätswert zugeordnet. Einer zweiten Kristallrichtung ist ein zweiter Balken 1312 mit einem zweiten Sensitivitätswert zugeordnet. Der zweite
Sensitivitätswert ist geringer als der erste Sensitivitätswert. Einer dritten
Kristallrichtung ist ein dritter Balken 1314 mit einem dritten Sensitivitätswert zugeordnet. Der dritte Sensitivitätswert ist geringer als der zweite
Sensitivitätswert. Einer vierten Kristallrichtung ist ein vierter Balken 1316 mit der Höhe bzw. einem vierten Sensitivitätswert von null zugeordnet.
Figuren 14 bis 19 zeigen Diagramme zur Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung und Magnetfeldanregung gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Die Fluoreszenzmessung ist hierbei unter Verwendung der in Fig. 8 dargestellten Sensorvorrichtung oder einer ähnlichen Sensorvorrichtung bzw. in Verbindung mit zumindest einem der Verfahren aus Fig. 20 und Fig. 21 durchführbar.
Fig. 14 zeigt ein Diagramm 1400 eines ODMR-Spektrums für verschiedene intern erzeugte Magnetfelder Bmod in Abhängigkeit von einer Mikrowellenfrequenz gemäß einem Ausführungsbeispiel. An der Abszissenachse 1402 ist eine relative Änderung der Mikrowellenfrequenz in Megahertz (MHz) aufgetragen und an der Ordinatenachse 1404 ist ein ODMR-Signal in beliebigen Einheiten aufgetragen. Ferner sind in dem Diagramm 1400 drei Graphen 1410, 1412 und 1414 eingezeichnet. Die drei Graphen 1410, 1412 und 1414 zeigen jeweils beispielhaft lediglich ein Minimum der beiden durch Zeeman-Aufspaltung erzeugten Minima aus den Figuren 2 bis 7. Hierbei ist das ODMR-Spektrum in das Minimum verriegelt. Ein erster Graph 1410 repräsentiert ein erstes ODMR-Signal bei einem angelegten Magnetfeld Bmod=0 bzw. ohne angelegtes Magnetfeld. Ein zweiter Graph 1412 repräsentiert ein zweites ODMR-Signal bei einem
angelegten Magnetfeld Bmod=+B. Ein dritter Graph 1414 repräsentiert ein drittes ODMR-Signal bei einem angelegten Magnetfeld Bmod=-B.
Fig. 15 zeigt ein Signal-Zeit-Diagramm 1500 bezogen auf das ODMR-Spektrum aus Fig. 14. Genauer gesagt ist eine zeitliche Variation eines durch eine
Mikrowellenantenne oder Spule erzeugten Magnetfeldes Bmod 1510 und eines resultierenden ODMR-Ausgangssignals 1520 für konstante
Mikrowellenanregung. An der Abszissenachse 1502 ist hierbei die Zeit in
Sekunden (s) multipliziert mit 10"3 aufgetragen und an der Ordinatenachse 1504 sind Signale in beliebigen Einheiten aufgetragen.
Fig. 16 zeigt ein Diagramm 1600 eines Frequenzspektrums bzw.
Frequenzgehaltes der Signale aus Fig. 15. Genauer gesagt zeigt das Diagramm 1600 ein Frequenzspektrum der Signale aus Fig. 15 für den Fall, dass die Mikrowellenfrequenz mit einer durch ein externes Magnetfeld bestimmten
Position des ODMR-Minimums übereinstimmt. An der Abszissenachse 1602 ist eine Frequenz in Hertz (Hz) aufgetragen und an der Ordinatenachse 1604 ist eine Fourier-Transformation in beliebigen Einheiten aufgetragen. Ein erster Graph 1610 repräsentiert die Fourier-Transformation des Magnetfeldes Bmod und ein zweiter Graph 1620 repräsentiert die Fourier-Transformation des ODM R-
Signals.
Fig. 17 zeigt ein Diagramm 1700 eines ODMR-Spektrums für verschiedene intern erzeugte Magnetfelder Bmod in Abhängigkeit von einer Mikrowellenfrequenz gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Diagramm 1700 in Fig. 17 entspricht hierbei dem Diagramm aus Fig. 14 mit Ausnahme dessen, dass das ODM R- Spektrum bei zusätzlicher Einwirkung eines externen konstanten magnetischen Feldes gezeigt ist. Hierbei sind die drei Graphen 1410, 1412 und 1414 aufgrund des externen Magnetfeldes verschoben.
Fig. 18 zeigt ein Signal-Zeit-Diagramm 1800 bezogen auf das ODMR-Spektrum aus Fig. 17. Das Signal-Zeit-Diagramm 1800 in Fig. 18 entspricht hierbei dem Signal-Zeit-Diagramm aus Fig. 15 mit Ausnahme dessen, dass ein Signalverlauf des ODMR-Ausgangssignals 1520 sich von einem in Fig. 15 dargestellten Signalverlauf unterscheidet.
Fig. 19 zeigt ein Diagramm 1900 eines Frequenzspektrums bzw.
Frequenzgehaltes der Signale aus Fig. 18. Das Diagramm 1900 in Fig. 19 entspricht hierbei dem Diagramm aus Fig. 16 mit Ausnahme dessen, dass der zweite Graph 1620, welcher die Fourier-Transformation des ODMR-Signals repräsentiert, einen anderen Verlauf zeigt als der zweite Graph aus Fig. 16. Anders ausgedrückt zeigt Fig. 19 ein Frequenzspektrum der Signale aus Fig. 18 für den Fall, dass die Mikrowellenfrequenz mit einer durch ein externes
Magnetfeld bestimmten Position des ODMR-Minimums nicht übereinstimmt.
Fig. 20 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2000 zum Kalibrieren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 2000 ist ausführbar, um eine
Sensorvorrichtung zu kalibrieren. Insbesondere ist das Verfahren 2000 ausführbar, um die Sensorvorrichtung aus Fig. 8 oder eine ähnliche
Sensorvorrichtung kalibrieren. Allgemein gesagt ist das Verfahren 2000 zum Kalibrieren ausführbar, um eine Sensorvorrichtung zu kalibrieren, die einen Diamanten mit zumindest einer Stickstoff- Fehlstelle, eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Diamanten mit Anregungslicht, zumindest eine
Mikrowellenantenne zum Beaufschlagen des Diamanten mit Mikrowellen und eine Detektionseinrichtung zum Detektieren einer Lichtintensität eines
Fluoreszenzsignals von dem Diamanten aufweist.
Bei dem Verfahren 2000 zum Kalibrieren wird in einem Schritt 2010 des
Anlegens ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen an die zumindest eine Mikrowellenantenne der Sensorvorrichtung angelegt. Nachfolgend wird in einem weiteren Schritt 2020 des Anlegens ein Magnetfeldsignal zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Diamant beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne angelegt. Dann wird in einem Schritt 2030 des Bestimmens zumindest eine Mikrowellenfrequenz, bei der ein Minimum der Lichtintensität auftritt, in einem Frequenzspektrum der Mikrowellen unter
Verwendung des Fluoreszenzsignals ansprechend auf das interne Magnetfeld bestimmt, um Kalibrierungsdaten zur Verwendung bei einem Erfassen einer Messgröße zu erzeugen.
Gemäß dem in Fig. 20 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 2000 zum Kalibrieren ferner einen Schritt 2040 des Ermitteins auf, bei dem zumindest eine Referenzfrequenz, bei der ein Referenzminimum der
Lichtintensität auftritt, in dem Frequenzspektrum unter Verwendung des
Fluoreszenzsignals ermittelt wird. Der Schritt 2040 des Ermitteins ist hierbei vor dem Schritt 2020 des Anlegens des Magnetfeldsignals ausführbar. Insbesondere wird der Schritt 2040 des Ermitteins zwischen dem Schritt 2010 des Anlegens des Mikrowellensignals und dem Schritt 2020 des Anlegens des
Magnetfeldsignals ausgeführt. Hierbei wird dann im Schritt 2030 des Bestimmens mindestens ein Verschiebungswert zwischen der zumindest einen
Referenzfrequenz und der zumindest einen Mikrowellenfrequenz berechnet.
Anders ausgedrückt kann durch Ausführen des Verfahrens 2000 zum Kalibrieren unter Verwendung eines internen Magnetfeldes, das z. B. über eine
Mikrowellenantenne oder Spule oder auf eine andere, bekannte Weise erzeugt wird, eine Empfindlichkeit der Sensorvorrichtung auf Magnetfelder während eines
Betriebs kalibriert werden. Hierzu wird ein Magnetfeld mit bekannter Stärke erzeugt und die zugehörige Verschiebung eines oder mehrerer Minima im ODMR-Spektrum gemessen. Diese Kalibrierungsdaten werden beispielsweise gespeichert und im Folgenden verwendet, um aus gemessenen Verschiebungen der ODMR-Minima die vektorielle Größe eines externen Magnetfeldes zu berechnen.
Da während der Kalibrierung mittels eines in der Sensorvorrichtung erzeugten Magnetfeldes gleichzeitig anliegende äußere Magnetfelder zu Störungen führen können, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel eine relative Messung des ODMR-Signals durchgeführt. Hierzu können in Schritt 2040 des Ermitteins und in Schritt 2030 des Bestimmens z. B. zwei Messungen unmittelbar vor und nach Einschalten bzw. Anlegen des internen Magnetfeldes durchgeführt und verglichen werden. Optional kann ein periodisch variierendes Magnetfeld erzeugt bzw. angelegt werden. Die Verschiebungen der ODMR-Spektren für ein solches variierendes Feld Bmod sind beispielhaft in Fig. 14 gezeigt (dargestellt ist jeweils nur ein Peak der beiden durch Zeeman-Aufspaltung erzeugten Minima).
Während einer Ausführung des Verfahrens 2000 zum Kalibrieren kann nun lediglich die Verschiebung des ODMR-Spektrums herausgefiltert werden, die mit der bekannten Frequenz des erzeugten Magnetfeldes variiert. Somit kann der Einfluss von externen Magnetfeldern auf die Kalibrierung minimiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann auch eine richtungsabhängige
Sensitivität der einzelnen Minima den Raumrichtungen der Sensorvorrichtung zugeordnet werden. NV-Zentren bzw. Stickstoff- Fehlstellen im Diamant richten sich jeweils an einer der vier Kristallrichtungen im Diamant aus und sind auch in dieser Richtung auf Magnetfelder sensitiv. Abhängig von einer Richtung des Magnetfeldes werden die mit diesen vier Ausrichtungen verbundenen vier Minima-Paare im ODMR-Spektrum verschieden stark verschoben, wie es in Fig.
12 gezeigt ist. Unter Verwendung der zumindest einen Mikrowellenantenne oder Spule, die in der gewünschten oder mehreren gewünschten Messrichtungen angeordnet ist, und der Messung der Verschiebung der verschiedenen ODM R- Minima aufgrund der erzeugten Magnetfelder, können die Sensitivitäten dieser Minima auf die Messrichtung bestimmt werden. Dieses Prinzip ist beispielhaft in den Figuren 11 bis 13 gezeigt. Die Messwerte werden gespeichert und verwendet, um aus einer gemessenen Verschiebung der Minima einen Vektor eines externen Magnetfeldes zu berechnen. Die Kalibrierung von mehreren Raumrichtungen durch mehrere Mikrowellenantennen und/oder Spulen kann z. B. nacheinander durchgeführt werden. Alternativ ist es möglich, verschiedene
Mikrowellenantennen und/oder Spulen mit Strömen bzw. Magnetfeldsignalen zu belegen, die sich in Frequenzen oder Phasen unterscheiden. Somit ist die Zuordnung der relativen Verschiebung der ODMR-Spektren auf die
Messrichtungen über die Identifikation unter Verwendung von Frequenz oder Phaseninformation auch simultan möglich. Fig. 21 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2100 zum Erfassen einer Messgröße gemäß einem Ausführungsbeispiel. Insbesondere ist das Verfahren 2100 zum Erfassen in Verbindung mit bzw. unter Verwendung der
Sensorvorrichtung aus Fig. 8 oder einer ähnlichen Sensorvorrichtung ausführbar.
Allgemein gesagt ist das Verfahren 2100 zum Erfassen in Verbindung mit bzw. unter Verwendung einer Sensorvorrichtung ausführbar, die einen Diamanten mit zumindest einer Stickstoff- Fehlstelle, eine Lichtquelle zum Bestrahlen des Diamanten mit Anregungslicht, zumindest eine Mikrowellenantenne zum
Beaufschlagen des Diamanten mit Mikrowellen und eine Detektionseinrichtung zum Detektieren einer Lichtintensität eines Fluoreszenzsignals von dem
Diamanten aufweist.
Bei dem Verfahren 2100 zum Erfassen wird in einem Schritt 2110 des Anlegens ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen an die zumindest eine Mikrowellenantenne angelegt, um ein Frequenzspektrum der Mikrowellen zu durchlaufen. Danach wird in einem Schritt 2120 des Auswertens das
Fluoreszenzsignal ansprechend auf das angelegte Mikrowellensignal
ausgewertet, um zumindest eine Mikrowellenfrequenz, bei der ein Minimum der Lichtintensität auftritt, in dem Frequenzspektrum zu bestimmen. Dann wird in einem Schritt 2130 des Einstellens das Mikrowellensignal eingestellt, um
Mikrowellen mit einer im Schritt des Bestimmens bestimmten
Mikrowellenfrequenz zu erzeugen. Nachfolgend wird in einem Schritt 2140 des Verstellens das Mikrowellensignal ansprechend auf eine durch eine Änderung der Messgröße bedingte Verschiebung des Minimums verstellt, um eine
Frequenz der Mikrowellen um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren, bis eine neue Mikrowellenfrequenz gefunden ist, bei der das verschobene Minimum der Lichtintensität auftritt. Schließlich wird in einem Schritt 2150 des Berechnens die Messgröße unter Verwendung der
Mikrowellenfrequenz und der neuen Mikrowellenfrequenz berechnet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 2150 des Berechnens die Messgröße unter Verwendung der Kalibrierungsdaten berechnet, die nach dem Verfahren zum Kalibrieren aus Fig. 20 oder einem ähnlichen Verfahren erzeugt sind. Anders ausgedrückt werden hierbei im Schritt 2150 des Berechnens die Kalibrierungsdaten verwendet, die nach dem Verfahren zum Kalibrieren aus Fig. 20 oder einem ähnlichen Verfahren erzeugt sind.
Optional weist das Verfahren 2100 zum Erfassen einen Schritt 2160 des Anlegens eines Magnetfeldsignals oder einen Schritt 2170 des Veränderns des
Mikrowellensignals auf. Der Schritt 2160 des Anlegens eines Magnetfeldsignals bzw. der Schritt 2170 des Veränderns des Mikrowellensignals sind hierbei zwischen dem Schritt 2130 des Einstellens des Mikrowellensignals und dem Schritt 2140 des Verstellens des Mikrowellensignals ausführbar.
Im Schritt 2160 des Anlegens wird ein Magnetfeldsignal zum Generieren eines internen Magnetfelds, mit dem der Diamant beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne angelegt, um ein mit einer Anregungsfrequenz periodisch variierendes internes Magnetfeld zu generieren. Dabei wird dann im Schritt 2140 des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt, bis ein mit der
Anregungsfrequenz korrelierter und einem Minimum der Lichtintensität zugeordneter Frequenzanteil des Fluoreszenzsignals maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können im Schritt 2160 des Anlegens des Magnetfeldsignals das Magnetfeldsignal an die zumindest eine Mikrowellenantenne und mindestens ein weiteres
Magnetfeldsignal an zumindest eine weitere Mikrowellenantenne oder an zumindest eine elektrische Spule angelegt werden. Hierbei unterscheiden sich das Magnetfeldsignal und das mindestens eine weitere Magnetfeldsignal bezüglich einer Frequenz oder einer Phase voneinander.
Im Schritt 2170 des Veränderns wird das Mikrowellensignal verändert, um eine Frequenz der Mikrowellen mit einer Anregungsfrequenz periodisch um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren. Hierbei wird dann im Schritt 2140 des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt, bis ein mit der
Anregungsfrequenz korrelierter und einem Minimum der Lichtintensität zugeordneter Frequenzanteil des Fluoreszenzsignals maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden.
Fig. 22 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Messprozesses 2200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Anders ausgedrückt zeigt Fig. 22 ein Beispiel für einen Ablauf einer Messung bzw. eines Messprozesses 2200, wobei ein intern generiertes Magnetfeld zur Modulation eines ODMR-Spektrums verwendet wird. Der Messprozess 2200 ist im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Erfassen aus Fig. 21 oder einem ähnlichen Verfahren ausführbar.
Bei einem Block 2201 erfolgt ein Start der Messung. Danach wird bei einem Block 2202 ein ODMR-Spektrum über alle Mikrowellenfrequenzen
aufgenommen. Der Block 2202 ist hierbei vergleichbar mit dem Schritt des Anlegens des Mikrowellensignals bei dem Verfahren zum Erfassen aus Fig. 21. Dann geht der Messprozess 2200 zu einem Block 2203 über, bei dem eine Position (Mikrowellenfrequenz) der Minima im ODMR-Spektrum identifiziert wird. Der Block 2203 ist vergleichbar mit dem Schritt des Auswertens des
Fluoreszenzsignals bei dem Verfahren zum Erfassen aus Fig. 21. Nachfolgend wird in einem Block 2204 die Mikrowellenfrequenz auf die Position des relevanten Minimums eingestellt. Der Block 2204 ist vergleichbar mit dem Schritt des Einstellens des Mikrowellensignals bei dem Verfahren zum Erfassen aus Fig. 21.
Danach geht der Messprozess 2200 zu einem Block 2205 über, bei dem ein internes magnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz bzw. Anregungsfrequenz fmag erzeugt wird. Der Block 2205 ist vergleichbar mit dem Schritt des Anlegens des Magnetfeldsignals gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Erfassen aus Fig. 21.
Daraufhin gelangt der Messprozess 2200 zu einem Entscheidungsblock 2206, bei dem geprüft wird, ob ein Frequenzanteil fmag des ODMR-Signals maximal ist. Falls dem so ist, geht der Prozess zu einem Block 2207 über, bei dem aus der Mikrowellenfrequenz die Größe des externen Magnetfeldes bestimmt wird. Der Block 2207 ist vergleichbar mit dem Schritt des Berechnens bei dem Verfahren zum Erfassen aus Fig. 21. Von dem Block 2207 springt der Messprozess 2200 in einer Schleife zurück zu dem Entscheidungsblock 2206.
Falls bei dem Entscheidungsblock 2206 festgestellt wird, dass der
Frequenzanteil fmag des ODMR-Signals nicht maximal ist, geht der Messprozess 2200 zu einem Block 2208 über, bei dem bestimmt wird, ob das Minimum in der Nähe der ursprünglichen Frequenz vermutet wird. Falls dem nicht so ist, geht der Messprozess 2200 zurück zu dem Block 2202. Falls dem so ist, geht der Messprozess 2200 zu einem Block 2209, bei dem eine systematische Variation der Mikrowellenfrequenz von vorheriger Position aus in beide Richtungen durchgeführt wird. Von dem Block 2207 gelangt der Messprozess 2200 zurück zu dem Entscheidungsblock 2206.
Unter Bezugnahme auf Fig. 21 und Fig. 22 wird nachfolgend das Verfahren 2100 zum Erfassen bzw. der Messprozess 2200 zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt.
Es wird ein Verfahren 2100 zum Erfassen bzw. ein Messprozess 2200 vorgestellt, bei dem intern erzeugte Magnetfelder zur Modulierung verwendet werden, um so auf einfache Weise eine Position und Verschiebung der einzelnen Minima im ODMR-Spektrum der Sensorvorrichtung zu bestimmen und zu verfolgen. Bei einer Änderung der Messgröße, die z. B. ein externes Magnetfeld, eine Temperatur oder eine mechanische Verspannung sein kann, verschieben sich die Mikrowellenfrequenzen, bei denen die einzelnen Minima der Fluoreszenz auftreten. Über diese Verschiebung wird bei dem Verfahren 2100 zum Erfassen bzw. bei dem Messprozess 2200 die äußere Messgröße bestimmt.
Herkömmlicherweise wird häufig, um Verschiebungen der Minima zu bestimmen, eine Intensität der Fluoreszenz gemessen, während die Mikrowellenfrequenz verändert wird. In dem so aufgenommenen Spektrum werden dann üblicherweise durch eine mathematische Operation die Minima identifiziert und mit einem zuvor aufgenommenen Spektrum verglichen, um eine relative Verschiebung der Minima zu bestimmen.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann jedoch bei dem Verfahren 2100 zum Erfassen bzw. bei dem Messprozess 2200 ein Berechnungsaufwand verringert werden und eine Bandbreite der Sensorvorrichtung vergrößert werden, da ein Bereich von regelmäßig zum Aufnehmen des Spektrums zu durchfahrenden Mikrowellenfrequenzen verkleinert werden kann. Dazu wird bei dem Verfahren 2100 zum Erfassen bzw. bei dem Messprozess 2200 zunächst ein vollständiges ODMR-Spektrum aufgenommen, um Positionen der Minima zu identifizieren, wie es in dem Schritt 2110 des Anlegens des Mikrowellensignals und dem Schritt 2120 des Auswertens des Fluoreszenzsignals bzw. in den Blöcken 2202 und 2203 gezeigt ist. Daraufhin wird die Mikrowellenquelle auf die Frequenz des zu messenden Minimums eingestellt, wie es in dem Schritt 2130 des Einstellens des Mikrowellensignals bzw. in dem Block 2204 gezeigt ist.
Nun wird im Block 2205 bzw. im Schritt 2160 des Anlegens des
Magnetfeldsignals intern in der Sensorvorrichtung ein periodisch wechselndes, z. B. sinusförmig wie in Fig. 15 bzw. Fig. 18 gezeigt, magnetisches Feld Bmod in der Richtung induziert, auf die dieses Minimum sensitiv ist. Die Frequenz fmod des Wechselfeldes wird dabei so eingestellt, dass sie höher als eine gewünschte Bandbreite der Sensorvorrichtung, aber geringer als eine Reaktionszeit der Stickstoff- Fehlstellen ist. Durch das intern erzeugte Magnetfeld variiert die Position des Minimums, wie in Fig. 14 dargestellt um die zuvor bestimmte, mittlere Mikrowellenfrequenz herum. Somit ändert sich auch die bei konstant gehaltener Mikrowellenfrequenz gemessene Intensität des Fluoreszenzsignals periodisch mit der doppelten Frequenz des eingeprägten Magnetfeldes (2fmod), wie in Fig. 15 und Fig. 16 dargestellt. Ein externes Signal bzw. eine Messgröße, wie z. B. ein externes Magnetfeld, führt zu einer Verschiebung der mittleren Mikrowellenfrequenz, um die das ODMR-Minimum periodisch schwingt, wie es in Fig. 17 gezeigt ist. Bei gleichbleibender Mikrowellenfrequenz ändert sich aus diesem Grund das beobachtete Fluoreszenzsignal. Insbesondere reduziert sich der Anteil des Fluoreszenzsignals, der die doppelte Anregungsfrequenz aufweist, wie es in Fig. 18 und Fig. 19 gezeigt ist. Der Anteil des Fluoreszenzsignals mit der doppelten Anregungsfrequenz wird dann maximal, wenn die
Mikrowellenfrequenz mit der Frequenz des ODMR-Minimums übereinstimmt, die ohne das interne Magnetfeld angenommen wird. Mittels einer Auswertung dieses Signalanteils kann folglich eine Veränderung eines externen Messwerts einfach detektiert werden und ein Auswertekonzept ähnlich eines sogenannten Lock-In- Verfahrens realisiert werden.
Wird eine solche Änderung des externen Messwerts festgestellt, wird im Block 2209 die Mikrowellenfrequenz in beide Richtungen der ursprünglichen Frequenz variiert, d. h. zu höheren und niedrigeren Frequenzen, bis der Anteil im ODRM- Signal mit der doppelten Anregungsfrequenz (2fmod) maximal wird und die neue Mikrowellenfrequenz des verschobenen ODRM-Minimums gefunden ist. Aus dieser Position des verschobenen Minimums kann, z. B. optional unter
Verwendung der Kalibrierungswerte aus dem Verfahren zum Kalibrieren aus Fig. 20, der neue Messwert der externen Messgröße bestimmt werden. Erst wenn durch eine wiederholte Variation der Mikrowellenfrequenz das Minimum nicht wieder gefunden werden kann, wird erneut ein ODMR-Spektrum aufgenommen, um die Position der Minima zu bestimmen, wie vorhergehend beschrieben.
Für eine Modulation in mehr als einer Messachse werden beispielsweise mehrere Mikrowellenantennen und/oder mehrere Spulen eingesetzt. Dabei ist es wieder denkbar, die induzierten Magnetfelder zueinander in Frequenz oder Phase so zu variieren, dass eine Zuordnung der Auswirkung der Felder zu den Messachsen über diese Variation möglich ist. Figuren 23 bis 28 zeigen Diagramme zur Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher
Mikrowellenanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die in den Figuren 23 bis 28 dargestellten Diagramme sind den Diagrammen ähnlich, die in den Figuren 14 bis 19 gezeigt sind. Die Fluoreszenzmessung ist hierbei unter Verwendung der in Fig. 8 dargestellten Sensorvorrichtung oder einer ähnlichen Sensorvorrichtung bzw. in Verbindung mit zumindest einem der Verfahren aus
Fig. 20 und Fig. 21 durchführbar.
Fig. 23 zeigt ein Diagramm 2300 eines ODMR-Spektrums für eine periodisch variierte Frequenz der Mikrowellenanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel. An der Abszissenachse 2302 ist eine Änderung der Mikrowellenfreq uenz A†MW in
Megahertz (MHz) aufgetragen und an der Ordinatenachse 2304 ist ein ODMR- Signal in beliebigen Einheiten aufgetragen. Ferner ist in dem Diagramm 2300 ein Graph 2310 eingezeichnet, der beispielhaft lediglich ein Minimum der beiden durch Zeeman-Aufspaltung erzeugten Minima aus den Figuren 2 bis 7 repräsentiert. Hierbei ist das ODMR-Signal in das Minimum verriegelt. Bei dem hier dargestellten Auslesekonzept wird die Mikrowellenfrequenz bzw. Frequenz der Mikrowellenanregung periodisch variiert, hier z. B. in den durch Linien 2320 und 2330 markierten Grenzen, was zu einem Ausgangssignal mit ähnlichen Eigenschaften wie in den Figuren 14 bis 19 führt, ohne dass eine Modulation durch ein intern generiertes Magnetfeld erfolgt. Eine Verschiebung der ODM R- Minima auf Grund von externen Messgrößen kann wie vorstehend beschrieben detektiert werden.
Fig. 24 zeigt ein Signal-Zeit-Diagramm 2400 bezogen auf das ODMR-Spektrum aus Fig. 23. Das Signal-Zeit-Diagramm 2400 entspricht hierbei dem Signal-Zeit-
Diagramm aus Fig. 15 mit Ausnahme dessen, dass anstelle des erzeugten Magnetfeldes die periodisch variierte Mikrowellenfrequenz A†MW 2410 als ein Graph eingezeichnet ist. Anders ausgedrückt zeigt Fig. 24 eine Variation von A†MW und des ODMR-Signals.
Fig. 25 zeigt ein Diagramm 2500 eines Frequenzspektrums bzw.
Frequenzgehaltes des ODMR-Signals aus Fig. 24. das Diagramm 2500 entspricht hierbei dem Diagramm aus Fig. 16 mit Ausnahme dessen, dass lediglich die durch den Graph 1620 repräsentierte Fourier-Transformation des ODMR-Signals eingezeichnet ist.
Fig. 26 zeigt ein Diagramm 2600 eines ODMR-Spektrums für eine periodisch variierte Frequenz der Mikrowellenanregung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Diagramm 2600 in Fig. 26 entspricht hierbei dem Diagramm aus Fig. 23 mit Ausnahme dessen, dass das ODMR-Spektrum bei zusätzlicher Einwirkung eines externen konstanten magnetischen Feldes gezeigt ist. Hierbei ist der Graph 2310 aufgrund des externen Magnetfeldes verschoben.
Fig. 27 zeigt ein Signal-Zeit-Diagramm 2700 bezogen auf das ODMR-Spektrum aus Fig. 26. Das Signal-Zeit-Diagramm 2700 in Fig. 27 entspricht hierbei dem
Signal-Zeit-Diagramm aus Fig. 24 mit Ausnahme dessen, dass ein Signalverlauf des ODMR-Ausgangssignals 1520 sich von einem in Fig. 24 dargestellten Signalverlauf unterscheidet. Fig. 28 zeigt ein Diagramm 2800 eines Frequenzspektrums bzw.
Frequenzgehaltes des ODMR-Signals aus Fig. 27. Das Diagramm 2800 in Fig. 28 entspricht hierbei dem Diagramm aus Fig. 25 mit Ausnahme dessen, dass der Graph 1620, welcher die Fourier-Transformation des ODMR-Signals
repräsentiert, einen anderen Verlauf zeigt als der Graph aus Fig. 25. Figuren 23 bis 28 zeigen somit ein Auswertekonzept, bei dem im Gegensatz zu einer Modulation des Fluoreszenzsignals durch ein intern generiertes Magnetfeld die Mikrowellenfrequenz (um die zuvor bestimmte Frequenz eines Minimums im ODMR-Spektrum) periodisch variiert wird. Dies führt zu einem ähnlichen Ausgangssignal wie durch ein alternierendes Magnetfeld, ohne dass ein solches angelegt ist. Änderungen einer externen Messgröße können wie vorstehend beschrieben detektiert werden. Somit kann in mehreren Raumrichtungen gemessen werden, ohne dass zusätzlicher Aufwand durch weitere Spulen notwendig ist.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
1. Sensorvorrichtung (800), die folgende Merkmale aufweist: einen Kristallkörper (810) mit zumindest einer Fehlstelle (105); eine Lichtquelle (820) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (810) mit Anregungslicht (210); zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) zum Beaufschlagen des Kristallkörpers (810) mit Mikrowellen (430); eine Detektionseinrichtung (840, 850, 855) zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals (220) von dem Kristallkörper (810); und eine Anlegeeinrichtung (860, 870, 880), die ausgebildet ist, um ein Mikrowellensignal zum Erzeugen der Mikrowellen (430) und ein
Magnetfeldsignal (Lod) zum Generieren eines internen Magnetfelds (Bmod), mit dem der Kristallkörper (810) beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) anzulegen.
2. Sensorvorrichtung (800) gemäß Anspruch 1, mit einem Steuergerät (890) gemäß einem der nachfolgenden Ansprüche, wobei das
Steuergerät (890) signalübertragungsfähig mit der Lichtquelle (820), mit der Detektionseinrichtung (840, 850, 855) und mit der Anlegeeinrichtung (860, 870, 880) verbindbar oder verbunden ist.
3. Sensorvorrichtung (800) gemäß einem der vorangegangenen
Ansprüche, mit zumindest einer elektrischen Spule (1030) zum Bewirken mindestens eines weiteren internen Magnetfelds, wobei das mindestens eine weitere interne Magnetfeld eine weitere Feldrichtung aufweist, die sich von einer Feldrichtung des internen Magnetfelds (Bmod)
unterscheidet.
Sensorvorrichtung (800) gemäß einem der vorangegangenen
Ansprüche, bei der die Anlegeeinrichtung (860) eine Mikrowellenquelle (870), eine Stromquelle (880) und/oder einen elektrischen Filter zum Minimieren einer gegenseitigen Beeinflussung der Mikrowellenquelle (870) und der Stromquelle (880) aufweist, wobei die Stromquelle (880) ausgebildet ist, um als Magnetfeldsignal (Lod) einen Gleichstrom oder einen Wechselstrom in die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) einzuprägen.
Verfahren (2000) zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung (800), wobei die Sensorvorrichtung (800) einen Kristallkörper (810) mit zumindest einer Fehlstelle (105), eine Lichtquelle (820) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (810) mit Anregungslicht (210), zumindest eine
Mikrowellenantenne (830; 1030) zum Beaufschlagen des Kristallkörpers (810) mit Mikrowellen (430) und eine Detektionseinrichtung (840, 850, 855) zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines
Fluoreszenzsignals (220) von dem Kristallkörper (810) aufweist, wobei das Verfahren (2000) zumindest folgende Schritte aufweist:
Anlegen (2010) eines Mikrowellensignals zum Erzeugen der Mikrowellen (430) an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030);
Anlegen (2020) eines Magnetfeldsignals (Lod) zum Generieren eines internen Magnetfelds (Bmod), mit dem der Kristallkörper (810)
beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030); und
Bestimmen (2030) zumindest einer Mikrowellenfrequenz, bei der eine vordefinierte Signaleigenschaft auftritt, in einem Frequenzspektrum der Mikrowellen (430) unter Verwendung des Fluoreszenzsignals (220) ansprechend auf das interne Magnetfeld (Bmod), um Kalibrierungsdaten zur Verwendung bei einem Erfassen einer Messgröße zu erzeugen. Verfahren (2000) gemäß Anspruch 5, mit einem Schritt (2040) des Ermitteins zumindest einer Referenzfrequenz, bei der eine
Referenzsignaleigenschaft auftritt, in dem Frequenzspektrum unter Verwendung des Fluoreszenzsignals (220), wobei der Schritt (2040) des Ermitteins vor dem Schritt (2020) des Anlegens des Magnetfeldsignals (Lod) ausgeführt wird, wobei im Schritt (2030) des Bestimmens mindestens ein Verschiebungswert zwischen der zumindest einen Referenzfrequenz und der zumindest einen Mikrowellenfrequenz unter Einfluss des internen Magnetfeldes (Bmod) berechnet wird.
Verfahren (2000) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6, bei dem im Schritt (2020) des Anlegens des Magnetfeldsignals (Lod) ein
Magnetfeldsignal (Lod) angelegt wird, das geeignet ist, um ein periodisch variierendes internes Magnetfeld (Bmod) zu generieren.
Verfahren (2100) zum Erfassen einer Messgröße, wobei das Verfahren (2100) in Verbindung mit einer Sensorvorrichtung (800) ausführbar ist, die einen Kristallkörper (810) mit zumindest einer Fehlstelle (105), eine Lichtquelle (820) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (810) mit
Anregungslicht (210), zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030) zum Beaufschlagen des Kristallkörpers (810) mit Mikrowellen (430) und eine Detektionseinrichtung (840, 850, 855) zum Detektieren zumindest einer Signaleigenschaft eines Fluoreszenzsignals (220) von dem Diamanten (810) aufweist, wobei das Verfahren (2100) zumindest folgende Schritte aufweist:
Anlegen (2110) eines Mikrowellensignals zum Erzeugen der Mikrowellen (430) an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030), um ein Frequenzspektrum der Mikrowellen (430) zu durchlaufen;
Auswerten (2120) des Fluoreszenzsignals (220) ansprechend auf das angelegte Mikrowellensignal, um zumindest eine Mikrowellenfrequenz, bei der eine vordefinierte Signaleigenschaft auftritt, in dem
Frequenzspektrum zu bestimmen; Einstellen (2130) des Mikrowellensignals, um Mikrowellen (430) mit einer im Schritt (2120) des Bestimmens bestimmten
Mikrowellenfrequenz zu erzeugen;
Verstellen (2140) des Mikrowellensignals ansprechend auf eine durch eine Änderung der Messgröße bedingte Verschiebung der vordefinierten Signaleigenschaft, um eine Frequenz der Mikrowellen (430) um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren, bis eine neue Mikrowellenfrequenz gefunden ist, bei der die verschobene vordefinierte Signaleigenschaft auftritt; und
Berechnen (2150) der Messgröße unter Verwendung der
Mikrowellenfrequenz und der neuen Mikrowellenfrequenz.
Verfahren (2100) gemäß Anspruch 8, bei dem im Schritt (2150) des Berechnens die Messgröße unter Verwendung der Kalibrierungsdaten berechnet wird, die nach dem Verfahren (2000) zum Kalibrieren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7 erzeugt sind.
Verfahren (2100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, mit einem Schritt (2160) des Anlegens eines Magnetfeldsignals (Lod) zum Generieren eines internen Magnetfelds (Bmod), mit dem der Kristallkörper (810) beaufschlagbar ist, an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830; 1030), um ein mit einer Anregungsfrequenz periodisch variierendes internes Magnetfeld (Bmod) zu generieren, wobei im Schritt (2140) des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt wird, bis ein mit der
Anregungsfrequenz korrelierter und einer vordefinierten
Signaleigenschaft zugeordneter Frequenzanteil des Fluoreszenzsignals (220) maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden.
Verfahren (2100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7 und 10, bei dem im Schritt (2160) des Anlegens des Magnetfeldsignals (Lod) das
Magnetfeldsignal (Lod) an die zumindest eine Mikrowellenantenne (830) und mindestens ein weiteres Magnetfeldsignal an zumindest eine weitere Mikrowellenantenne (1030) oder an zumindest eine elektrische Spule (1030) angelegt wird, wobei das Magnetfeldsignal (Lod) und das mindestens eine weitere Magnetfeldsignal sich bezüglich einer Frequenz oder einer Phase voneinander unterscheiden.
12. Verfahren (2100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, mit einem Schritt (2170) des Veränderns des Mikrowellensignals, um eine Frequenz der Mikrowellen (430) mit einer Anregungsfrequenz periodisch um die bestimmte Mikrowellenfrequenz herum zu variieren, wobei im Schritt (2140) des Verstellens das Mikrowellensignal verstellt wird, bis ein mit der Anregungsfrequenz korrelierter und einer vordefinierten
Signaleigenschaft zugeordneter Frequenzanteil des Fluoreszenzsignals (220) maximal ist, um die neue Mikrowellenfrequenz zu finden.
13. Steuergerät (890), das eingerichtet ist, um Schritte eines Verfahrens (2000; 2100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen.
14. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (2000;
2100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.
15. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprog
nach Anspruch 14 gespeichert ist.
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