WO2020057890A1 - Sensor device - Google Patents

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WO2020057890A1
WO2020057890A1 PCT/EP2019/072449 EP2019072449W WO2020057890A1 WO 2020057890 A1 WO2020057890 A1 WO 2020057890A1 EP 2019072449 W EP2019072449 W EP 2019072449W WO 2020057890 A1 WO2020057890 A1 WO 2020057890A1
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WO
WIPO (PCT)
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carrier element
sensor
material layer
sensor device
microwave
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/072449
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German (de)
French (fr)
Inventor
Maximilian Amberger
Andreas Brenneis
Radoslav Rusanov
Robert Roelver
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 WO2020057890A1 publication Critical patent/WO2020057890A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals

Definitions

  • US 2015/0192532 A1 shows an on-chip sensor which comprises a diamond layer with color centers and a diode laser which are applied to a common chip substrate.
  • nitrogen defect defect centers also called nitrogen vacancy centers or NV centers
  • diamond for measuring magnetic fields is a well-known measuring principle. It has been shown in the first basic experiments that NV centers with their high
  • Magnetic field sensitivity based on the Zeeman splitting of electronic spin states are suitable for use as highly sensitive magnetic field sensor systems.
  • elements such as light sources (e.g. laser light sources), microwave sources and light detectors are usually used in laboratory devices, e.g. Table laser sources, microscopes, table microwave source devices), which are large, expensive and not suitable for mobile applications.
  • light sources e.g. laser light sources
  • microwave sources and light detectors are usually used in laboratory devices, e.g. Table laser sources, microscopes, table microwave source devices
  • the invention relates to a sensor device.
  • An advantage of the invention is that a compact, energy-efficient and inexpensive sensor device is provided. This is achieved with a sensor device according to claim 1, wherein the sensor device comprises a sensor material layer.
  • Sensor material layer comprises at least one color center.
  • the sensor device comprises an illumination device for the optical excitation of the at least one color center and a detection unit for the detection of electromagnetic radiation which can be emitted by the at least one color center.
  • the sensor device is characterized in that it comprises a first carrier element and a second carrier element, the illumination device being arranged on the first carrier element on a first side facing the second carrier element and the detection device on the second carrier element being on a second side facing the first carrier element Side is arranged.
  • the sensor device is characterized in that the sensor material layer is arranged between the lighting device and the detection device.
  • Detection device is advantageously protected from external influences, which improves the robustness of the sensor device.
  • the sensor material layer can comprise diamond with at least one negatively charged nitrogen vacancy center.
  • a negatively charged nitrogen vacancy center can be one
  • Nitrogen deposition adjacent defect in the crystal lattice which has captured an additional electron.
  • the negatively charged nitrogen vacancy center has a sensitivity to a magnetic field, as is also the case, for example, with a current-carrying conductor.
  • the Magnetic field strength can, for example, easily be converted into a current strength that causes the magnetic field or another physical quantity that is connected to the magnetic field via a physical connection, for example using a predetermined processing rule.
  • Diamond or boron nitride as a sensor material layer, especially for
  • Magnetic field measurement can be used via the Zeeman effect.
  • Lighting device for example an LED (light-emitting diode) and / or a surface emitter (VCSEL, English:
  • the detection unit can comprise, for example, a radiation sensor.
  • Semiconductor-based, for example, are suitable as radiation sensors
  • Detector elements photodiodes, integrated photodiodes or bolometers.
  • radiation sensors can output an electrical detection signal which is a measure of the radiation property.
  • Radiation sensors can be, for example, an intensity or a
  • Energy flux density of the electromagnetic radiation coming from the sensor material layer or the at least one color center for example the fluorescence of the sensor material layer or the at least one
  • Sensor device is therefore also suitable for precise measurement of electrical currents or other physical quantities that are directly or indirectly related to a magnetic field in an extremely large measuring range.
  • the sensor material layer comprises nitrogen defect defect centers in diamond, alternatively or additionally, the sensor material layer comprises silicon carbide with at least one fluorescent defect.
  • the sensor device is characterized in that the first carrier element and the second carrier element have a
  • Holding structure are spaced apart.
  • At least one through-contact can be provided in the holding structure, for example, which transmits electrical signals or currents (e.g. supply current for the lighting device or for the
  • Detection device between the two support elements or the components of the sensor device arranged thereon.
  • a very compact, small-sized and inexpensive construction of the sensor device can thus advantageously be realized.
  • Carrier element can be designed as a carrier plate or carrier layer.
  • a printed circuit board also called a printed circuit board, is a carrier for electronic components. It can be used for mechanical fastening and / or electrical connection of components.
  • Printed circuit boards can, for example, be a board comprise electrically insulating material with adhering, conductive connections, so-called conductor tracks. Can be used as an insulating material
  • fiber-reinforced plastic or hard paper can be used.
  • the conductor tracks can, for example, be etched from a thin layer of copper.
  • the components that are to be applied to the printed circuit board are soldered on soldering pads (pads) or in pads. In this way, they are mechanically held and electrically connected to these “footprints” at the same time.
  • Examples of printed circuit boards include one-sided, two-sided
  • the first carrier element, the second carrier element and / or the holding structure comprise at least one printed circuit board.
  • PCB-based assembly and connection methods can thus be used in the manufacture of the sensor device. This makes it possible to manufacture large quantities (good scalability) at low costs.
  • PCB technology allows the strong
  • Microwave source chip, light detector, etc. so that cost-intensive single-die or hybrid integration is not required. I.e. it is not a separate assembly and connection technology for the manufacture of the sensor device
  • microwave antenna elements can also be arranged on the at least one printed circuit board. This not only enables the realization of small-scale, inexpensive sensor devices, but also the protection of the components arranged on the printed circuit boards from external influences.
  • Construction technology is not only limited to the use of NV centers in diamond sensor material layers, but can also be used in other similar systems. Eg with electrically excited, fluorescent defects in SiC or the systems mentioned above. If a printed circuit board is used as the holding structure, it can have cutouts and thus form a cavity together with the first carrier element and in the second carrier element. Furthermore, the
  • Holding structure can be realized in a simple manner, a forwarding of electrical signals and electrical currents between the first carrier element and the second carrier element.
  • the sensor device comprises a
  • Microwave generating device for loading the
  • Microwave generating device can, for example, on the first
  • Carrier element or the second carrier element may be arranged.
  • Microwave generation device can comprise, for example, a microwave source chip and at least one microwave guide structure, which couples the microwave radiation into the sensor material layer. Furthermore, the microwave generating device for microwave excitation of the color centers of the sensor material layer can lead between the
  • Microwave source chip and the at least one microwave antenna An advantage is that the sensor device can thus be built in a very compact manner and the microwave generating device can be protected against disturbing influences from the environment.
  • the microwave generating device can have a first microwave guide structure on the first carrier element and a second one
  • microwave guide structure on the second carrier element which are arranged in the form of a Helmholtz coil arrangement and are used to couple the microwave radiation into the sensor layer.
  • One advantage is that a homogeneous microwave field can thus be generated between the first carrier element and the second carrier element in the region in which the sensor material layer is arranged, and thus the reliability and
  • Sensitivity of the measurement results of the sensor device can be increased.
  • the sensor device comprises a
  • Evaluation device the evaluation device on the first Carrier element or the second carrier element is arranged.
  • Evaluation device can include, for example, a microcontroller or a microcontroller chip. This can be used, for example, to control individual components, such as the lighting device and / or the
  • the evaluation device can be set up to receive signals from the
  • Detection device come to evaluate. For example, an electrical signal, which is a measure of the electromagnetic radiation emitted by the sensor material layer, can be evaluated.
  • the microwave frequency can be determined at which a minimum in
  • Signal curve which includes, for example, an application of a variable (eg intensity) representing the electromagnetic radiation above the microwave frequency, occurs.
  • a variable eg intensity
  • the change of the position of the minimum relative to a reference value or based on the distance between two minima in the signal curve can be used to determine the characteristic curve
  • Magnetic field strength can be determined.
  • the result can be from the
  • Evaluation device are output or transmitted to an output unit, such as a display.
  • the evaluation device can comprise a communication interface in order to transfer data from the sensor device to a unit external to the sensor device, such as a cloud or one relating to the
  • the evaluation device can be arranged on the first carrier element on the same side (first side) as the lighting device or on the second carrier element on the same side (second side) as the detection unit.
  • At least one optical filter is applied to the sensor material layer.
  • the at least one optical filter can be in the beam path between the lighting device and the sensor material layer and / or in the beam path between the
  • Sensor material layer and the detection device can be arranged.
  • the lighting device and / or the detection device can comprise at least one optical filter.
  • the at least one optical filter can be a separate component in the beam path between the lighting device and the
  • Sensor material layer and the detection device can be arranged.
  • Illumination device and the sensor material layer is that the wavelength of the electromagnetic radiation for optical excitation can thus be controlled or fixed.
  • An advantage of the at least one optical filter in the beam path between the sensor material layer and the detection device is that the light coming from the lighting device can thus be filtered out, so that only the electromagnetic radiation (fluorescence) emitted by the sensor material layer is detected by the detection device. The reliability and the accuracy of the measurement with the sensor device can thus be increased.
  • Colored glasses that selectively transmit only the fluorescent light and absorb the excitation light (position of the filter between the sensor material layer and detection device) or a portion of the excitation light that is in the red spectral range (wavelength l> 650 nm) can be used as the material for the filters (Position of the filter between
  • Dielectric filter layers also called Bragg reflector or distributed bragg reflector [DBR]
  • DBR distributed bragg reflector
  • These are made up of alternating thin dielectrics. The reflection and transmission behavior can be set in a targeted manner from the choice of the respective layer thickness and the alternating indices.
  • Another advantage of these dielectric filter layers is that they can be applied directly to the sensor material layer. This advantageously reduces the overall volume of the entire sensor and reduces the AVT effort. In addition, such scalable technology can save costs.
  • Figure 1 is a schematic representation of a nitrogen defect in a diamond grid.
  • FIG. 8 shows a schematic sectional illustration of a sensor device according to an exemplary embodiment.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a nitrogen vacancy 1002 in diamond 1000.
  • the carbon atoms 1001 are tetrahedral, i. H. each carbon atom 1001 has four symmetrically aligned bonds to its closest neighboring carbon atoms 1001.
  • a nitrogen vacancy 1002 results from the replacement of a carbon atom 1001 by a nitrogen atom 100, one directly adjacent
  • Carbon atom 1001 missing in diamond lattice 1000 (Vacancy 1003) A negatively charged nitrogen vacancy has captured an additional electron.
  • Figures 2, 4, 6 show energy schemes and Figures 3, 5, 7 the associated diagrams of fluorescence properties depending on the the color center acting magnetic field and the frequency of the irradiated microwave field according to an embodiment.
  • nitrogen vacancies in diamond and silicon vacancy centers (SiV centers) in silicon carbide (SiC) exhibit an energy spectrum shown in the diagram or energy diagram 200 shown in FIG. 2
  • Frequency shift defined and can reach up to 1 pT or 1 pT / VHz.
  • Diamond or boron nitride in particular for magnetic field measurement using the Zeeman effect.
  • a Zeeman splitting of individual, quantized energy levels can be detected by changes in the fluorescence at certain irradiated microwave frequencies.
  • FIG. 2 shows an energy diagram 200 without high-frequency signal excitation
  • FIG. 3 shows a diagram 300 relating to the energy scheme shown in FIG. 2.
  • the diagram 300 there is an example on the abscissa axis 302
  • Microwave frequency in megahertz (MHz) and a fluorescence in arbitrary units is plotted on the ordinate axis 304.
  • four characteristic curves or graphs 310, 312, 314 and 316 are shown by way of example in FIG. 3, which represent a fluorescence profile for magnetic fields of different strengths, an arrow 306 parallel to the ordinate axis 304 symbolizing that the magnetic field B acting on the system is at the bottom in diagram 300
  • the first graph 310 entered increases to the top fourth graph 316 entered in the diagram 300.
  • the second graph 312 is sketched for a magnetic field with a strength of 2.8 mT;
  • the third graph 314 shows a fluorescence signal in a magnetic field with the strength of 5.8 mT;
  • the fourth graph 316 represents a fluorescence signal with the strength of an applied one
  • FIG. 5 shows a diagram 500 relating to the energy scheme from FIG. 4.
  • the diagram 500 in FIG. 5 corresponds to the diagram from FIG. 3 except for the marking 520.
  • the marking 520 on the first graph 310 marks the
  • Marking 520 is arranged in the minimum of the first graph 310. As shown in Fig. 6, it occurs in the presence of an external one
  • the minima are marked by way of example in the second graph 312 in FIG. 7 by the markings 720 and 725.
  • the frequency spacing of the minima is proportional to the magnetic field strength of the external magnetic field.
  • the magnetic field sensitivity is defined by the minimally resolvable frequency shift and can reach a few rTL / Hz.
  • the sensor device 100 comprises a first carrier element 101 and a second carrier element 102, which are spaced apart from one another by means of a holding structure 108.
  • the first carrier element 101, the second carrier element 102 and the holding structure 108 delimit a cavity in which an illumination device 103, a detection device 104, a sensor material layer 105 and optical filters 1061, 1062 as well as a microcontroller 110 and a microwave generating device 107 are arranged.
  • the lighting device 103 is arranged on a first side 10T of the first carrier element 101 facing the second carrier element 102.
  • a microwave source 1070 and a first microwave guide structure 1071 which in this exemplary embodiment is arranged around the lighting device 103, are arranged on the first side 10T.
  • the detection device 104 is on the first carrier element 101 facing second side 102 'of the second support member 102.
  • the microcontroller 110 and a second microwave conductor structure 1072 which in this exemplary embodiment is arranged around the detection device 104, are arranged on the second side 102 ′.
  • microwave guide structures 1071, 1072 and the microwave source 1070 form the microwave generating device 107.
  • the sensor material layer 105 with the at least one color center is arranged between the illumination device 103 and the detection device 104. Between the sensor material layer 105 and the
  • lighting device 103 is arranged a first optical filter 1061.
  • This first optical filter 1061 can be used to increase the wavelength of the excitation light irradiated by the illuminating device 103 onto the sensor material layer 105
  • the first optical filter 1061 can be applied to a surface of the sensor material layer 105 facing the illuminating device 103, arranged on the illuminating device 103 or encompassed by the illuminating device 103. Between the
  • a second optical filter 1062 is arranged, which filters out the radiation emitted at the illuminating device 103, so that only the light (fluorescent light) emitted by the sensor material layer 105 enters the detection device 104 and is detected.
  • the second optical filter 1062 can be on one of the
  • Detection device 104 facing surface of the sensor material layer 105 may be applied, arranged on the detection device 104 or be included in the detection device 104.
  • a printed circuit board can be used as the holding structure 108, which can have cutouts in the region of the cavity, for example.
  • the holding structure 108 serves as a spacer between the first carrier element 101 and the second carrier element 102. Furthermore, the holding structure 108 can serve to transmit electrical signals and currents between the carrier elements 101, 102. Furthermore, the holding structure 108 can be used to form feedthroughs 108 (vias) between the carrier elements 101, 102.
  • the first carrier element 101 and the second carrier element 102 can be embodied as printed circuit boards (PCB elements).
  • FIG. 8 shows the sensor device 100 produced using PCB-based production methods and in particular the placement of the sensor material layer 105 together with the corresponding optical filters 1061, 1062 between the light source 103 and the photodetector 104, the light source 103 and the photodetector being two directly opposite PCBs 101, 102 are attached.
  • a third PCB 108 partially with
  • Recesses forms a cavity between the first PCB 101 and the second PSB and serves as a spacer and for forwarding the electrical signals between the two PCBs 101, 102.
  • Microwave antenna elements 1071, 1072 on the PCBs are possible.
  • the sensor material layer 105 for example diamond with NV centers, is placed between the photodetector 104 and the light source 103, which are each located on one of two PBC elements 101, 102.
  • a second optical filter 1062 Between the diamond 105 and the photodetector 104 there is a second optical filter 1062, which filters out the light from the source, so that only the fluorescent light from the sensor material layer 105 can be detected.
  • optical filters 1061 is optionally located between the diamond and the light source 103 to control the wavelength of the excitation light.
  • the holding structure 108 (preferably PCB) between the first PCB 101 and the second PCB 102 serves to set the correct distance between the light source 103 and the photodetector 104 so that the sensor material layer 105 with the optical filters 1061, 1062 fits between them.
  • the sensor material layer 105 and the detection device 104 and / or the sensor material layer 105 and the lighting device 103 are preferably in mechanical contact with one another directly or via the optional optical filters 1061, 1062.
  • the holding structure 108 or the third (PCB) element can be used to form feedthroughs 108 (vias) between the two other PCBs 101, 102.
  • a microwave source chip 1070 can also be integrated on one of the PCBs 101, 102, 108, together with leads to and from at least one of the microwave antennas 1071, 1072 for microwave excitation of the at least one color center of the sensor material layer 105, for example NV centers in the diamond.
  • the microwave antennas 1071, 1072 can be implemented on the mutually opposite first and second PCB elements 101, 102 (Helmholtz coils).
  • Chips 1 10 for controlling the individual components, evaluating the signals and communicating externally on one of the PCBs 101, 102, 108 are possible.

Abstract

The invention relates to a sensor device (100), comprising: a sensor material layer (105), which comprises at least one color center; an illumination apparatus (103) for optically exciting the at least one color center; and a detection apparatus (104) for detecting electromagnetic radiation that can be emitted by the at least one color center, wherein: the sensor device (100) comprises a first carrier element (101) and a second carrier element (102); the illumination apparatus (103) is arranged on the first carrier element (101) on a first side (101') facing the second carrier element (102); the detection apparatus (104) is arranged on the second carrier element (102) on a second side (102') facing the first carrier element (101); and the sensor material layer (105) is arranged between the illumination apparatus (103) and the detection apparatus (104).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Sensorvorrichtunq  Sensor device
Stand der Technik State of the art
In US 2015/0192532 A1 ist ein on-chip Sensor gezeigt, der eine Diamantschicht mit Farbzentren und einen Diodenlaser umfasst, die auf einem gemeinsamen Chipsubstrat aufgebracht sind. US 2015/0192532 A1 shows an on-chip sensor which comprises a diamond layer with color centers and a diode laser which are applied to a common chip substrate.
Kern und Vorteile der Erfindung Core and advantages of the invention
Die Ausnutzung von Stickstoff-Fehlstellen-Defektzentren, unter anderem auch Nitrogen-Vacancy Zentren oder NV-Zentren genannt, in Diamant zur Messung von Magnetfeldern ist ein bekanntes Messprinzip. Es hat sich in ersten grundlegenden Experimenten gezeigt, dass NV-Zentren mit ihrer hohen The use of nitrogen defect defect centers, also called nitrogen vacancy centers or NV centers, in diamond for measuring magnetic fields is a well-known measuring principle. It has been shown in the first basic experiments that NV centers with their high
Magnetfeldsensitivität basierend auf der Zeeman-Aufspaltung von elektronischen Spin-Zuständen für die Anwendung als hochsensitive Magnetfeldsensorsysteme geeignet sind. Dabei werden heutzutage für die Elemente wie Lichtquelle (beispielsweise Laser-Lichtquelle) Mikrowellenquelle und Lichtdetektor üblicherweise Laborgeräte, wie z.B. Tischlaserquellen, Mikroskope, Tisch- Mikrowellenquellengeräte), die groß, teuer und nicht für mobile Anwendungen geeignet sind, verwendet. Für eine Massenanwendung, beispielsweise für industrielle, consumer oder automotive Anwendungen, wird dabei ein Magnetic field sensitivity based on the Zeeman splitting of electronic spin states are suitable for use as highly sensitive magnetic field sensor systems. These days, elements such as light sources (e.g. laser light sources), microwave sources and light detectors are usually used in laboratory devices, e.g. Table laser sources, microscopes, table microwave source devices), which are large, expensive and not suitable for mobile applications. For a mass application, for example for industrial, consumer or automotive applications, is a
Sensorsystem benötigt, welches ungefähr bzw. maximal 1 cm3 groß, Sensor system required, which is approximately or maximum 1 cm 3 in size,
energiesparsam und kostengünstig ist. is energy efficient and inexpensive.
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass eine kompakte, energieeffiziente und kostengünstige Sensorvorrichtung bereitgestellt wird. Dies wird erreicht mit einer Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1 , wobei die Sensorvorrichtung eine Sensormaterialschicht umfasst. Die The invention relates to a sensor device. An advantage of the invention is that a compact, energy-efficient and inexpensive sensor device is provided. This is achieved with a sensor device according to claim 1, wherein the sensor device comprises a sensor material layer. The
Sensormaterialschicht umfasst mindestens ein Farbzentrum. Des Weiteren umfasst die Sensorvorrichtung eine Beleuchtungseinrichtung zur optischen Anregung des mindestens einen Farbzentrums und eine Detektionseinheit zur Detektion einer von dem mindestens einen Farbzentrum emittierbaren elektromagnetischen Strahlung. Die Sensorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein erstes Trägerelement und ein zweites Trägerelement umfasst, wobei die Beleuchtungseinrichtung auf dem ersten Trägerelement auf einer dem zweiten Trägerelement zugewandten ersten Seite angeordnet ist und wobei die Detektionseinrichtung auf dem zweiten Trägerelement auf einer dem ersten Trägerelement zugewandten zweiten Seite angeordnet ist. Des Weiteren zeichnet sich die Sensorvorrichtung dadurch aus, dass die Sensormaterialschicht zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der Detektionseinrichtung angeordnet ist. Ein Vorteil ist, dass die Sensorvorrichtung in hohen Stückzahlen und unter Verwendung herkömmlicher Aufbau- und Verbindungsmethoden gefertigt werden kann. Des Weiteren sind die Beleuchtungseinrichtung und die Sensor material layer comprises at least one color center. Furthermore, the sensor device comprises an illumination device for the optical excitation of the at least one color center and a detection unit for the detection of electromagnetic radiation which can be emitted by the at least one color center. The sensor device is characterized in that it comprises a first carrier element and a second carrier element, the illumination device being arranged on the first carrier element on a first side facing the second carrier element and the detection device on the second carrier element being on a second side facing the first carrier element Side is arranged. Furthermore, the sensor device is characterized in that the sensor material layer is arranged between the lighting device and the detection device. One advantage is that the sensor device can be manufactured in large numbers and using conventional construction and connection methods. Furthermore, the lighting device and the
Detektionseinrichtung vorteilhafterweise vor äußeren Einflüssen geschützt, wodurch die Robustheit der Sensorvorrichtung verbessert wird. Detection device is advantageously protected from external influences, which improves the robustness of the sensor device.
Die Sensormaterialschicht kann gemäß einer Ausführungsform Diamant mit zumindest einem negativ geladenem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum umfassen. Ein negativ geladenes Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum kann eine According to one embodiment, the sensor material layer can comprise diamond with at least one negatively charged nitrogen vacancy center. A negatively charged nitrogen vacancy center can be one
Stickstoffeinlagerung in ein Kristallgitter des Diamanten und eine zu der Nitrogen storage in a crystal lattice of the diamond and one to the
Stickstoffeinlagerung benachbarte Fehlstelle in dem Kristallgitter sein, das ein zusätzliches Elektron eingefangen hat. Das negativ geladene Stickstoff- Fehlstellen-Zentrum weist eine Empfindlichkeit für ein magnetisches Feld, wie es beispielsweise auch von einem stromdurchflossenen Leiter ausgeht auf. Nitrogen deposition adjacent defect in the crystal lattice, which has captured an additional electron. The negatively charged nitrogen vacancy center has a sensitivity to a magnetic field, as is also the case, for example, with a current-carrying conductor.
Zumindest eine zu einem lokalen Minimum einer Fluoreszenz (=eingestrahlte Mikrowellenfrequenz), beziehungsweise eines Spektrums einer optisch detektierten magnetischen Resonanz des Diamantmaterials, zugeordnete Anregungsfrequenz (=eingestrahlte Mikrowellenfrequenz) verschiebt sich proportional zu einer magnetischen Feldstärke des Magnetfelds. Die magnetische Feldstärke kann beispielsweise einfach in eine das Magnetfeld verursachende Stromstärke oder eine andere mit dem Magnetfeld über einen physikalischen Zusammenhang in Verbindung stehende physikalische Größe, umgerechnet werden, beispielsweise unter Verwendung einer vorbestimmten Verarbeitungsvorschrift. At least one excitation frequency (= irradiated microwave frequency) assigned to a local minimum of fluorescence (= incident microwave frequency) or a spectrum of an optically detected magnetic resonance of the diamond material shifts in proportion to a magnetic field strength of the magnetic field. The Magnetic field strength can, for example, easily be converted into a current strength that causes the magnetic field or another physical quantity that is connected to the magnetic field via a physical connection, for example using a predetermined processing rule.
Ein ähnlicher Effekt tritt auch in Silizium-Vakanz-Zentren bzw. SiV-Zentren in Siliziumcarbid (SiC) auf. Auch hier ist eine Zeeman-Aufspaltung einzelner, quantisierter Energieniveaus durch Änderungen in der Fluoreszenz bei bestimmten eingestrahlten Mikrowellenfrequenzen detektierbar, und darauf eine Magnetfeldstärke bestimmbar. A similar effect also occurs in silicon vacancy centers or SiV centers in silicon carbide (SiC). Here, too, a Zeeman splitting of individual, quantized energy levels can be detected by changes in the fluorescence at certain irradiated microwave frequencies, and a magnetic field strength can be determined thereon.
Neben den hier dargestellten beispielhaften Farbzentren bzw. Fehlstellen- Vakanz-Zentren können auch andere Farbzentren beispielsweise in SiC,In addition to the exemplary color centers or vacancy centers shown here, other color centers, for example in SiC,
Diamant oder Bornitrid als Sensormaterialschicht, insbesondere zur Diamond or boron nitride as a sensor material layer, especially for
Magnetfeldmessung über den Zeeman-Effekt genutzt werden. Magnetic field measurement can be used via the Zeeman effect.
Die optische Anregung erfolgt bei der Sensorvorrichtung durch die The optical excitation takes place in the sensor device by the
Beleuchtungseinrichtung, wobei die Beleuchtungseinrichtung beispielsweise eine LED (Leuchtdiode) und/oder einen Oberflächenemitter (VCSEL, englisch: Lighting device, the lighting device for example an LED (light-emitting diode) and / or a surface emitter (VCSEL, English:
vertical-cavity surface-emitting laser) umfasst. vertical-cavity surface-emitting laser).
Die Detektionseinheit kann beispielsweise einen Strahlungssensor umfassen. Als Strahlungssensoren eignen sich beispielsweise halbleiterbasierte The detection unit can comprise, for example, a radiation sensor. Semiconductor-based, for example, are suitable as radiation sensors
Detektorelemente, Fotodioden, integrierte Fotodioden oder Bolometer. Detector elements, photodiodes, integrated photodiodes or bolometers.
Strahlungssensoren können in Abhängigkeit einer Eigenschaft der auf den Strahlungssensor auftreffenden elektromagnetischen Strahlung ein elektrisches Detektionssignal ausgeben, welches ein Maß für die Strahlungseigenschaft ist. Strahlungssensoren können beispielsweise eine Intensität oder eine Depending on a property of the electromagnetic radiation impinging on the radiation sensor, radiation sensors can output an electrical detection signal which is a measure of the radiation property. Radiation sensors can be, for example, an intensity or a
Energieflussdichte der von der Sensormaterialschicht bzw. dem mindestens einen Farbzentrum kommenden elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise der Fluoreszenz der Sensormaterialschicht bzw. des mindestens einen Energy flux density of the electromagnetic radiation coming from the sensor material layer or the at least one color center, for example the fluorescence of the sensor material layer or the at least one
Farbzentrums, detektieren. Vorteilhaft ist, dass die dem Messprinzip der Sensorvorrichtung zugrundeliegende Zeemann-Aufspaltung der elektronischen Zustände, beispielsweise für NV-Zentrum in Diamant, in einem extrem hohen Color center, detect. It is advantageous that the Zeemann splitting of the electronic states on which the measuring principle of the sensor device is based, for example for the NV center in diamond, is extremely high
Feldstärkebereich linear auf externe Magnetfelder reagiert und die Field strength range reacts linearly to external magnetic fields and the
Sensorvorrichtung somit auch für präzise Messung elektrischer Ströme oder anderer physikalischer Größen, die mit einem Magnetfeld direkt oder indirekt in Zusammenhang stehen, in einem extrem großen Messbereich geeignet ist. Sensor device is therefore also suitable for precise measurement of electrical currents or other physical quantities that are directly or indirectly related to a magnetic field in an extremely large measuring range.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Sensormaterialschicht Stickstoff- Fehlstelle-Defekt Zentren in Diamant, alternativ oder ergänzend umfasst die Sensormaterialschicht Siliziumcarbid mit mindestens einen fluoreszierenden Defekt. According to one embodiment, the sensor material layer comprises nitrogen defect defect centers in diamond, alternatively or additionally, the sensor material layer comprises silicon carbide with at least one fluorescent defect.
Gemäß einer Ausführungsform zeichnet sich die Sensorvorrichtung dadurch aus, dass das erste Trägerelement und das zweite Trägerelement durch eine According to one embodiment, the sensor device is characterized in that the first carrier element and the second carrier element have a
Haltestruktur voneinander beabstandet sind. Ein Vorteil ist, dass somit die Sensormaterialschicht, die Beleuchtungseinrichtung und die Holding structure are spaced apart. An advantage is that the sensor material layer, the lighting device and the
Detektionseinrichtung vor äußeren Einflüssen geschützt werden und somit eine robuste Realisierung der Sensorvorrichtung ermöglicht wird. Des Weiteren kann in der Haltestruktur beispielsweise mindestens eine Durchkontaktierung vorgesehen sein, die eine Weiterleitung elektrischer Signale oder Ströme (z.B. Versorgungsstrom für die Beleuchtungseinrichtung oder für die Detection device are protected from external influences and thus a robust implementation of the sensor device is made possible. Furthermore, at least one through-contact can be provided in the holding structure, for example, which transmits electrical signals or currents (e.g. supply current for the lighting device or for the
Detektionseinrichtung) zwischen den beiden Trägerelementen bzw. den darauf angeordneten Komponenten der Sensorvorrichtung ermöglichen. Somit ist vorteilhafterweise ein sehr kompakter, kleinbauender und kostengünstiger Aufbau der Sensorvorrichtung realisierbar. Detection device) between the two support elements or the components of the sensor device arranged thereon. A very compact, small-sized and inexpensive construction of the sensor device can thus advantageously be realized.
Beispielsweise können das erste Trägerelement und/oder das zweite For example, the first carrier element and / or the second
Trägerelement als Trägerplatte oder Trägerschicht ausgebildet sein. Carrier element can be designed as a carrier plate or carrier layer.
Eine Leiterplatte, auch Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung (englisch printed Circuit board, PCB) genannt, ist ein Träger für elektronische Bauteile. Sie kann zur mechanischen Befestigung und/oder elektrischen Verbindung von Bauteilen verwendet werden. Leiterplatten können beispielsweise eine Platte aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden, leitenden Verbindungen, sogenannten Leiterbahnen, umfassen. Als isolierendes Material kann A printed circuit board, also called a printed circuit board, is a carrier for electronic components. It can be used for mechanical fastening and / or electrical connection of components. Printed circuit boards can, for example, be a board comprise electrically insulating material with adhering, conductive connections, so-called conductor tracks. Can be used as an insulating material
beispielsweise faserverstärkter Kunststoff oder Hartpapier verwendet werden.For example, fiber-reinforced plastic or hard paper can be used.
Die Leiterbahnen können beispielsweise aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt werden. Die Bauteile, die auf die Leiterplatte aufgebracht werden sollen, werden auf Lötflächen (Pads) oder in Lötaugen gelötet. So werden sie an diesen „footprints“ gleichzeitig mechanisch gehalten und elektrisch verbunden. Beispiele für Leiterplatten sind unter anderem einseitige Leiterplatten, zweiseitige The conductor tracks can, for example, be etched from a thin layer of copper. The components that are to be applied to the printed circuit board are soldered on soldering pads (pads) or in pads. In this way, they are mechanically held and electrically connected to these “footprints” at the same time. Examples of printed circuit boards include one-sided, two-sided
Leiterplatten oder Multilayer Leiterplatten. Printed circuit boards or multilayer printed circuit boards.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen das erste Trägerelement, das zweite Trägerelement und/oder die Haltestruktur mindestens eine Leiterplatte.According to a further embodiment, the first carrier element, the second carrier element and / or the holding structure comprise at least one printed circuit board.
Ein Vorteil ist, dass somit bei der Herstellung der Sensorvorrichtung PCB- basierte Aufbau- und Verbindungsmethoden verwendet werden können. Damit ist eine Herstellung von hohen Stückzahlen (gute Skalierbarkeit) zu geringen Kosten realisierbar. Außerdem erlaubt die PCB-Technologie die starke An advantage is that PCB-based assembly and connection methods can thus be used in the manufacture of the sensor device. This makes it possible to manufacture large quantities (good scalability) at low costs. In addition, the PCB technology allows the strong
Integration (kleine Baugröße) von kommerziell verfügbaren und damit kostengünstigen Elementen, wie z. B. selbst nicht verpackten, d. h. nicht- gepackagten, Elementen, wie beispielsweise bare-Die, als Lichtquelle, Integration (small size) of commercially available and therefore inexpensive elements, such as B. itself not packaged, d. H. non-packed elements, such as bare-die, as a light source,
Mikrowellenquellen-Chip, Lichtdetektor, etc., so dass eine kostenintensive single- Die oder Hybridintegration nicht erforderlich ist. D.h. es ist bei der Herstellung der Sensorvorrichtung keine eigene Aufbau- und Verbindungstechnik für die Microwave source chip, light detector, etc., so that cost-intensive single-die or hybrid integration is not required. I.e. it is not a separate assembly and connection technology for the manufacture of the sensor device
Komponenten (Beleuchtungseinrichtung, Mikrowellenquelle, gegebenenfalls optischen Elementen, Detektionseinheit, etc.) notwendig. Des Weiteren können beispielsweise auch Mikrowellenantennenelemente auf der mindestens einen Leiterplatten angeordnet werden. Dadurch wird nicht nur die Realisierung von kleinbauenden kostengünstigen Sensorvorrichtung, sondern auch der Schutz der auf den Leiterplatten angeordneten Komponenten vor äußeren Einflüssen ermöglicht. Die Verwendung von einer PCB-basierten Verbindungs- und Components (lighting device, microwave source, possibly optical elements, detection unit, etc.) necessary. Furthermore, for example, microwave antenna elements can also be arranged on the at least one printed circuit board. This not only enables the realization of small-scale, inexpensive sensor devices, but also the protection of the components arranged on the printed circuit boards from external influences. The use of a PCB-based connection and
Aufbautechnik ist nicht nur auf die Verwendung von NV-Zentren-im-Diamant- Sensormaterialschichten beschränkt, sondern kann auch in anderen ähnlichen Systemen Anwendung finden. Z.B. bei elektrisch angeregten, fluoreszierenden Defekten in SiC oder den zuvor genannten Systemen. Wird als Haltestruktur eine Leiterplatte verwendet, so kann diese Aussparungen aufweisen und somit zusammen mit dem ersten Trägerelement und im zweiten Trägerelement einen Hohlraum bilden. Des Weiteren kann mittels der Construction technology is not only limited to the use of NV centers in diamond sensor material layers, but can also be used in other similar systems. Eg with electrically excited, fluorescent defects in SiC or the systems mentioned above. If a printed circuit board is used as the holding structure, it can have cutouts and thus form a cavity together with the first carrier element and in the second carrier element. Furthermore, the
Haltestruktur so auf einfache Weise eine Weiterleitung elektrischer Signale und elektrischer Ströme zwischen dem ersten Trägerelement und dem zweiten Trägerelement realisiert werden. Holding structure can be realized in a simple manner, a forwarding of electrical signals and electrical currents between the first carrier element and the second carrier element.
In einer Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung eine In one embodiment, the sensor device comprises a
Mikrowellenerzeugungseinrichtung zum Beaufschlagen der Microwave generating device for loading the
Sensormaterialschicht mit Mikrowellenstrahlung. Die Sensor material layer with microwave radiation. The
Mikrowellenerzeugungseinrichtung kann beispielsweise auf dem ersten Microwave generating device can, for example, on the first
Trägerelement oder dem zweiten Trägerelement angeordnet sein. Die Carrier element or the second carrier element may be arranged. The
Mikrowellenerzeugungseinrichtung kann beispielsweise einen Mikrowellenquelle- Chip und mindestens eine Mikrowellenleiterstruktur umfassen, welche die Mikrowellenstrahlung in die Sensormaterialschicht einkoppelt. Des Weiteren kann die Mikrowellenerzeugungseinrichtung zur Mikrowellenanregung der Farbzentren der Sensormaterialschicht Zuleitungen zwischen dem Microwave generation device can comprise, for example, a microwave source chip and at least one microwave guide structure, which couples the microwave radiation into the sensor material layer. Furthermore, the microwave generating device for microwave excitation of the color centers of the sensor material layer can lead between the
Mikrowellenquelle-Chip und der mindestens einen Mikrowellenantenne umfassen. Ein Vorteil ist, dass die Sensorvorrichtung somit sehr kompakt gebaut und die Mikrowellenerzeugungseinrichtung vor störenden Einflüssen der Umgebung geschützt werden kann. Microwave source chip and the at least one microwave antenna. An advantage is that the sensor device can thus be built in a very compact manner and the microwave generating device can be protected against disturbing influences from the environment.
In einer Ausführungsform kann die Mikrowellenerzeugungseinrichtung eine erste Mikrowellenleiterstruktur auf dem ersten Trägerelement und eine zweite In one embodiment, the microwave generating device can have a first microwave guide structure on the first carrier element and a second one
Mikrowellenleiterstruktur auf dem zweiten Trägerelement umfassen, welche in Form einer Helmholtz-Spulen-Anordnung angeordnet sind und zur Einkopplung der Mikrowellenstrahlung in die Sensorschicht dienen. Ein Vorteil ist, dass somit ein homogenes Mikrowellenfeld zwischen dem ersten Trägerelement und dem zweiten Trägerelement in den Bereich, in dem die Sensormaterialschicht angeordnet ist, erzeugt werden kann und somit die Zuverlässigkeit und Include microwave guide structure on the second carrier element, which are arranged in the form of a Helmholtz coil arrangement and are used to couple the microwave radiation into the sensor layer. One advantage is that a homogeneous microwave field can thus be generated between the first carrier element and the second carrier element in the region in which the sensor material layer is arranged, and thus the reliability and
Sensitivität der Messergebnisse der Sensorvorrichtung erhöht werden können. Sensitivity of the measurement results of the sensor device can be increased.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Sensorvorrichtung eine According to one embodiment, the sensor device comprises a
Auswerteeinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung auf dem ersten Trägerelement oder dem zweiten Trägerelement angeordnet ist. Die Evaluation device, the evaluation device on the first Carrier element or the second carrier element is arranged. The
Auswerteeinrichtung kann beispielsweise einen Mikrocontroller oder einen Mikrocontroller-Chip umfassen. Dieser kann beispielsweise zur Ansteuerung einzelner Komponenten, wie die Beleuchtungseinrichtung und/oder die Evaluation device can include, for example, a microcontroller or a microcontroller chip. This can be used, for example, to control individual components, such as the lighting device and / or the
Detektionseinrichtung, eingerichtet sein. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet sein, Signale, welche von der Detection device. As an alternative or in addition, the evaluation device can be set up to receive signals from the
Detektionseinrichtung kommen, auszuwerten. Beispielsweise kann ein elektrisches Signal, welches ein Maß für die von der Sensormaterialschicht emittierte elektromagnetische Strahlung ist, ausgewertet werden. Insbesondere kann die Mikrowellenfrequenz ermittelt werden, bei der ein Minimum im Detection device come to evaluate. For example, an electrical signal, which is a measure of the electromagnetic radiation emitted by the sensor material layer, can be evaluated. In particular, the microwave frequency can be determined at which a minimum in
Signalverlauf, welcher beispielsweise einen Auftrag einer die elektromagnetische Strahlung repräsentierende Größe (z. B. Intensität) über der Mikrowellenfrequenz umfasst, auftritt. Mittels beispielsweise einer Kennlinie kann aus der Änderung der Lage des Minimums gegenüber einem Referenzwert bzw. anhand des Abstands zweier Minima im Signalverlauf anhand einer Kennlinie die Signal curve, which includes, for example, an application of a variable (eg intensity) representing the electromagnetic radiation above the microwave frequency, occurs. By means of, for example, a characteristic curve, the change of the position of the minimum relative to a reference value or based on the distance between two minima in the signal curve can be used to determine the characteristic curve
Magnetfeldstärke ermittelt werden. Das Ergebnis kann von der Magnetic field strength can be determined. The result can be from the
Auswerteeinrichtung ausgegeben werden oder an eine Ausgabeeinheit, wie beispielsweise ein Display übertragen werden. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerteeinrichtung eine Kommunikationsschnittstelle umfassen, um Daten von der Sensorvorrichtung zu einer bezüglich der Sensorvorrichtung externen Einheit, wie beispielsweise einer Cloud oder einer bezüglich der Evaluation device are output or transmitted to an output unit, such as a display. As an alternative or in addition, the evaluation device can comprise a communication interface in order to transfer data from the sensor device to a unit external to the sensor device, such as a cloud or one relating to the
Sensorvorrichtung externen Recheneinrichtung oder einer bezüglich der Sensorvorrichtung externen Auswerteeinrichtung zu übertragen. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung auf dem ersten Trägerelement auf der gleichen Seite (erste Seite) wie die Beleuchtungseinrichtung oder auf dem zweiten Trägerelement auf der gleichen Seite (zweite Seite) wie die Detektionseinheit angeordnet sein. Sensor device external computing device or an external evaluation device related to the sensor device. In particular, the evaluation device can be arranged on the first carrier element on the same side (first side) as the lighting device or on the second carrier element on the same side (second side) as the detection unit.
Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens ein optischer Filter auf die Sensormaterialschicht aufgebracht. Ein Vorteil ist, dass somit eine sehr kompakte Sensorvorrichtung realisiert werden kann. Der mindestens eine optische Filter kann im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der Sensormaterialschicht und/oder im Strahlengang zwischen der According to one embodiment, at least one optical filter is applied to the sensor material layer. One advantage is that a very compact sensor device can thus be implemented. The at least one optical filter can be in the beam path between the lighting device and the sensor material layer and / or in the beam path between the
Sensormaterialschicht und der Detektionseinrichtung angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend können die Beleuchtungseinrichtung und/oder die Detektionseinrichtung mindestens einen optischen Filter umfassen. Sensor material layer and the detection device can be arranged. Alternatively or in addition, the lighting device and / or the detection device can comprise at least one optical filter.
Alternativ oder ergänzend kann der mindestens eine optische Filter als separates Bauteil im Strahlengang zwischen der Beleuchtungseinrichtung und der Alternatively or additionally, the at least one optical filter can be a separate component in the beam path between the lighting device and the
Sensormaterialschicht und/oder im Strahlengang zwischen der Sensor material layer and / or in the beam path between the
Sensormaterialschicht und der Detektionseinrichtung angeordnet sein. Sensor material layer and the detection device can be arranged.
Ein Vorteil eines optischen Filters im Strahlengang zwischen der An advantage of an optical filter in the beam path between the
Beleuchtungseinrichtung und der Sensormaterialschicht ist, dass somit die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung zur optischen Anregung kontrolliert bzw. festgelegt werden kann. Illumination device and the sensor material layer is that the wavelength of the electromagnetic radiation for optical excitation can thus be controlled or fixed.
Ein Vorteil des mindestens einen optischen Filters im Strahlengang zwischen der Sensormaterialschicht und der Detektionseinrichtung ist, dass somit das von der Beleuchtungseinrichtung kommende Licht herausgefiltert werden kann, sodass nur die von der Sensormaterialschicht emittierte elektromagnetische Strahlung (Fluoreszenz) von der Detektionseinrichtung detektiert wird. Somit können die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit der Messung mit der Sensorvorrichtung erhöht werden. An advantage of the at least one optical filter in the beam path between the sensor material layer and the detection device is that the light coming from the lighting device can thus be filtered out, so that only the electromagnetic radiation (fluorescence) emitted by the sensor material layer is detected by the detection device. The reliability and the accuracy of the measurement with the sensor device can thus be increased.
Als Material für die Filter können farbige Gläse verwendet werden, die selektiv nur das Fluoreszenzlicht transmittieren und das Anregungslicht absorbieren (Position des Filters zwischen Sensormaterialschicht und Detektionseinrichtung) bzw. einen Anteil des Anregungslichts, der im roten Spektralbereich liegt (Wellenlänge l > 650 nm) absorbieren (Position des Filters zw. Colored glasses that selectively transmit only the fluorescent light and absorb the excitation light (position of the filter between the sensor material layer and detection device) or a portion of the excitation light that is in the red spectral range (wavelength l> 650 nm) can be used as the material for the filters (Position of the filter between
Beleuchtungseinrichtung und Sensormaterialschicht). Des Weiteren eignen sich dielektrische Filterschichten (auch Bragg-Reflektor oder distributed bragg reflector [DBR] genannt). Diese werden aus alternierenden dünnen Dielektrika aufgebaut. Aus der Wahl der jeweiligen Schichtdicke und der alternierenden Berchungsindices kann das Reflexions- bzw. Transmissionsverhalten gezielt eingestellt werden. Ein weiterer Vorteil dieser dielektrischen Filterschichten ist, dass diese direkt auf die Sensormaterialschicht aufgebracht werden können. Dies reduziert vorteilhafterweise das Bauvolumen des gesamten Sensors und reduziert den AVT Aufwand. Außerdem können durch eine solche skalierbare Technologie Kosten gespart werden. Illumination device and sensor material layer). Dielectric filter layers (also called Bragg reflector or distributed bragg reflector [DBR]) are also suitable. These are made up of alternating thin dielectrics. The reflection and transmission behavior can be set in a targeted manner from the choice of the respective layer thickness and the alternating indices. Another advantage of these dielectric filter layers is that they can be applied directly to the sensor material layer. This advantageously reduces the overall volume of the entire sensor and reduces the AVT effort. In addition, such scalable technology can save costs.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description. Same
Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Reference symbols in the figures denote identical or equivalent functions
Elemente. Elements.
Es zeigen Show it
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Stickstoff-Fehlstelle in einem Diamantgitter; Figure 1 is a schematic representation of a nitrogen defect in a diamond grid.
Figuren 2 bis 7 Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften gemäß Ausführungsbeispielen; und Figures 2 to 7 energy schemes and diagrams for fluorescence properties according to embodiments; and
Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. 8 shows a schematic sectional illustration of a sensor device according to an exemplary embodiment.
Ausführungsbeispiele der Erfindung Embodiments of the invention
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Stickstoff-Fehlstelle 1002 in Diamant 1000. Im Diamanten 1000 sind die Kohlenstoffatome 1001 tetraedrisch gebunden, d. h. jedes Kohlenstoffatom 1001 hat vier symmetrisch ausgerichtete Bindungen zu seinen nächstliegend benachbarten Kohlenstoffatomen 1001. Eine Stickstoff-Fehlstelle 1002 ergibt sich durch Ersetzen eines Kohlenstoffatoms 1001 durch ein Stickstoff-Atom 100, wobei ein direkt benachbartes Fig. 1 shows a schematic representation of a nitrogen vacancy 1002 in diamond 1000. In diamond 1000, the carbon atoms 1001 are tetrahedral, i. H. each carbon atom 1001 has four symmetrically aligned bonds to its closest neighboring carbon atoms 1001. A nitrogen vacancy 1002 results from the replacement of a carbon atom 1001 by a nitrogen atom 100, one directly adjacent
Kohlenstoffatom 1001 im Diamantgitter 1000 fehlt (Vacancy 1003) Eine negativ geladene Stickstoff-Fehlstelle hat ein zusätzliches Elektron eingefangen. Carbon atom 1001 missing in diamond lattice 1000 (Vacancy 1003) A negatively charged nitrogen vacancy has captured an additional electron.
Die Figuren 2, 4, 6 zeigen Energieschemata und die Figuren 3, 5, 7 die zugehörigen Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften in Abhängigkeit des auf das Farbzentrum wirkende Magnetfeld und der Frequenz des eingestrahlten Mikrowellenfeldes gemäß einem Ausführungsbeispiel. Figures 2, 4, 6 show energy schemes and Figures 3, 5, 7 the associated diagrams of fluorescence properties depending on the the color center acting magnetic field and the frequency of the irradiated microwave field according to an embodiment.
Beispielsweise weisen Stickstoff-Fehlstellen in Diamant und Siliziumvakanz- Zentren (SiV-Zentren) in Siliziumcarbid (SiC) ein in dem in Fig. 2 dargestellten Diagramm bzw. Energieschema 200 gezeigtes Energiespektrum bei For example, nitrogen vacancies in diamond and silicon vacancy centers (SiV centers) in silicon carbide (SiC) exhibit an energy spectrum shown in the diagram or energy diagram 200 shown in FIG. 2
Raumtemperatur auf. Im Normalzustand, d. h. ohne Mikrowellen und ohne Magnetfeld, zeigt eine Stickstoff-Fehlstelle bei optischer Anregung eine Room temperature. In the normal state, i.e. H. without microwaves and without a magnetic field, a nitrogen defect shows one with optical excitation
Fluoreszenz im roten Wellenlängenbereich bzw. bei einer Wellenlänge von 630 nm. Strahlt man zusätzlich zu der optischen Anregung durch das Anregungslicht 210 noch Mikrowellenstrahlung 430 bzw. das Hochfrequenzsignal 430 ein, kommt es bei ca. 2,88 GHz zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Fluorescence in the red wavelength range or at a wavelength of 630 nm.If microwave radiation 430 or high-frequency signal 430 is radiated in addition to the optical excitation by excitation light 210, the fluorescence will collapse at approx.2.88 GHz, since the
Elektronen in diesem Fall von dem Niveau ms=±1 des Zustandes 3A auf das Niveau ms=±1 des Zustandes 3E gehoben werden und von dort nichtstrahlend rekombinieren. Bei einem externen Magnetfeld kommt es zu einer Aufspaltung des Niveaus ms=±1 (Zeeman-Splitting) und es zeigen sich bei Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der Mikrowellenanregung zwei Minima, beispielsweise wi und w2, im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke B ist. Eine Magnetfeldsensitivität bzw. Magnetfeldauflösung wird dabei durch eine minimal auflösbare In this case, electrons are raised from the level ms = ± 1 of state 3 A to the level ms = ± 1 of state 3 E and recombine from there in a non-radiative manner. In the case of an external magnetic field, the level ms = ± 1 is split (Zeeman splitting), and when the fluorescence is plotted against the frequency of the microwave excitation, two minima, for example wi and w 2 , appear in the fluorescence spectrum, the frequency spacing of which is proportional to the magnetic one Field strength B is. A magnetic field sensitivity or magnetic field resolution is achieved by a minimally resolvable one
Frequenzverschiebung definiert und kann bis 1 pT bzw. 1 pT/VHz erreichen. Frequency shift defined and can reach up to 1 pT or 1 pT / VHz.
Neben den hier dargestellten beispielhaften Farbzentren bzw. Fehlstellen- Vakanz-Zentren können auch andere Farbzentren beispielsweise in SiC,In addition to the exemplary color centers or vacancy centers shown here, other color centers, for example in SiC,
Diamant oder Bornitrid, insbesondere zur Magnetfeldmessung über den Zeeman- Effekt genutzt werden. Auch hier ist eine Zeeman-Aufspaltung einzelner, quantisierter Energieniveaus durch Änderungen in der Fluoreszenz bei bestimmten eingestrahlten Mikrowellenfrequenzen detektierbar. Diamond or boron nitride, in particular for magnetic field measurement using the Zeeman effect. Here, too, a Zeeman splitting of individual, quantized energy levels can be detected by changes in the fluorescence at certain irradiated microwave frequencies.
Fig. 2 ein Energieschema 200 ohne Hochfrequenzsignalanregung bzw. 2 shows an energy diagram 200 without high-frequency signal excitation or
Mikrowellenanregung und ohne Magnetfeldanregung, wobei Anregungslicht hv 210, ein Fluoreszenzsignal 220 und drei Zustände 3A, 3E und 1A sowie jeweilige von Elektronen besetzbare Energieniveaus ms=0 und ms=±1 für die Zustände3A und 3E Elektronen dargestellt sind. Fig. 3 zeigt ein Diagramm 300 zu dem in Fig. 2 dargestellten Energieschema. In dem Diagramm 300 ist an der Abszissenachse 302 beispielhaft eine Microwave excitation and without magnetic field excitation, whereby excitation light hv 210, a fluorescence signal 220 and three states 3 A, 3 E and 1 A as well as energy levels ms = 0 and ms = ± 1 are shown for the states 3 A and 3 E electrons. FIG. 3 shows a diagram 300 relating to the energy scheme shown in FIG. 2. In the diagram 300 there is an example on the abscissa axis 302
Mikrowellenfrequenz in Megahertz (MHz) und an der Ordinatenachse 304 eine Fluoreszenz in beliebigen Einheiten aufgetragen. Ferner sind in Fig. 3 beispielhaft vier Kennlinien bzw. Graphen 310, 312, 314 und 316 dargestellt, die einen Fluoreszenzverlauf für unterschiedlich starke Magnetfelder repräsentieren, wobei ein zur Ordinatenachse 304 paralleler Pfeil 306 symbolisiert, dass das auf das System wirkende Magnetfeld B vom untersten im Diagramm 300 Microwave frequency in megahertz (MHz) and a fluorescence in arbitrary units is plotted on the ordinate axis 304. In addition, four characteristic curves or graphs 310, 312, 314 and 316 are shown by way of example in FIG. 3, which represent a fluorescence profile for magnetic fields of different strengths, an arrow 306 parallel to the ordinate axis 304 symbolizing that the magnetic field B acting on the system is at the bottom in diagram 300
eingetragenen ersten Graphen 310 hin zum obersten im Diagramm 300 eingetragenen vierten Graphen 316 ansteigend ist. Der erste Graph 310 ist für ein Magnetfeld mit der Stärke 0, B=0 skizziert; der zweite Graph 312 ist für ein Magnetfeld mit der Stärke von 2,8 mT skizziert; der dritte Graph 314 zeigt ein Fluoreszenzsignal bei einem Magnetfeld mit der Stärke von 5,8 mT ; der vierte Graph 316 stellt ein Fluoreszenzsignal mit der Stärke eines anliegenden the first graph 310 entered increases to the top fourth graph 316 entered in the diagram 300. The first graph 310 is sketched for a magnetic field with the strength 0, B = 0; the second graph 312 is sketched for a magnetic field with a strength of 2.8 mT; the third graph 314 shows a fluorescence signal in a magnetic field with the strength of 5.8 mT; the fourth graph 316 represents a fluorescence signal with the strength of an applied one
Magnetfeldes von 8,3 mT. Minima des Fluoreszenzsignals sind lediglich beispielhaft für den zweiten Graphen 312 mit wi und w2 bezeichnet. Eine Magnetic field of 8.3 mT. Minima of the fluorescence signal are designated wi and w 2 for the second graph 312 only as an example. A
Markierung 320 auf dem ersten Graphen 310 markiert die Parameterkombination des in Fig. 2 gezeigten Energieschema, d. h. ohne Magnetfeld (B=0) und einer Mikrowellenfrequenz f^2,9GHz. Mark 320 on the first graph 310 marks the parameter combination of the energy scheme shown in FIG. H. without magnetic field (B = 0) and a microwave frequency f ^ 2.9GHz.
Strahlt man, wie im Energieschema in Fig. 4 dargestellt, neben der optischen Anregung noch Mikrowellenstrahlung 430 ein, kommt es, wie in Fig. 5 durch die Markierung 520 markiert, zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall von der Mikrowellenstrahlung vom m s=0 Niveau auf das ms=+-1 Niveau des Zustandes 3A gehoben werden und mittels Laserstrahlung auf das Niveau ms=±l des Zustandes 3E gehoben werden und von dort nichtstrahlend rekombinieren. If, as shown in the energy diagram in FIG. 4, radiation 430 is emitted in addition to the optical excitation, as shown in FIG. 5 by the marking 520, the fluorescence collapses, since in this case the electrons are from the microwave radiation from the m s = 0 level to the m s = + - 1 level of state 3 A and raised to the level ms = ± l of state 3 E by means of laser radiation and recombine from there without radiation.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm 500 zu dem Energieschema aus Fig. 4. Das Diagramm 500 in Fig. 5 entspricht hierbei bis auf die Markierung 520 dem Diagramm aus Fig. 3. Die Markierung 520 auf dem ersten Graphen 310 markiert die 5 shows a diagram 500 relating to the energy scheme from FIG. 4. The diagram 500 in FIG. 5 corresponds to the diagram from FIG. 3 except for the marking 520. The marking 520 on the first graph 310 marks the
Parameterkombination des in Fig. 4 gezeigten Energieschema, d. h. ohne Magnetfeld (B=0) und mit einer Mikrowellenfrequenz von f=2,9GHz. Die Parameter combination of the energy scheme shown in Fig. 4, i. H. without magnetic field (B = 0) and with a microwave frequency of f = 2.9GHz. The
Markierung 520 ist hierbei im Minimums des ersten Graphen 310 angeordnet. Wie in Fig. 6 dargestellt, kommt es bei Vorhandensein eines externen Marking 520 is arranged in the minimum of the first graph 310. As shown in Fig. 6, it occurs in the presence of an external one
Magnetfeldes zur Aufspaltung des ms=+-1 Niveaus (Zeeman Splitting) und es zeigen sich bei Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der Magnetic field for splitting the m s = + - 1 level (Zeeman splitting) and it shows up when the fluorescence is plotted over the frequency of the
Mikrowellenanregung (siehe Diagramm Fig. 7) zwei Minima wi und w2 im Microwave excitation (see diagram Fig. 7) two minima wi and w 2 in
Fluoreszenzspektrum. Die Minima sind in Fig. 7 beispielhaft im zweiten Graphen 312 durch die Markierungen 720 und 725 markiert. Der Frequenzabstand der Minima ist jeweils proportional zur magnetischen Feldstärke des anliegenden externen Magnetfeldes ist. Die Magnetfeldsensitivität wird dabei durch die minimal-auflösbare Frequenzverschiebung definiert und kann wenige rTL/Hz erreichen. Fluorescence spectrum. The minima are marked by way of example in the second graph 312 in FIG. 7 by the markings 720 and 725. The frequency spacing of the minima is proportional to the magnetic field strength of the external magnetic field. The magnetic field sensitivity is defined by the minimally resolvable frequency shift and can reach a few rTL / Hz.
Dieses Verfahren zur Magnetfeldstärkemessung wird auch als ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance; optisch detektiert Magnetresonanz) bezeichnet. Hierbei kommt es bei Übereinstimmung der Mikrowellenfrequenz mit dem Energieabstand zwischen dem Zustand 3A ms=0 und dem Niveau ms=±1 zu einem Einbruch der Fluoreszenz. Bei externem Magnetfeld spaltet das Niveau ms=±1 auf und es existieren zwei definierte Mikrowellenfrequenzen, bei denen die Fluoreszenz abnimmt bzw. Minima vorliegen. Der Frequenzabstand ist dabei proportional zum Magnetfeld B. This method for measuring magnetic field strength is also referred to as ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance). If the microwave frequency corresponds to the energy gap between the state 3 A ms = 0 and the level ms = ± 1, the fluorescence collapses. With an external magnetic field the level splits ms = ± 1 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 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Sensorvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Sensorvorrichtung 100 umfasst ein erstes Trägerelement 101 und ein zweites Trägerelement 102, welche mittels einer Haltestruktur 108 voneinander beabstandet sind. Das erste Trägerelement 101 , das zweite Trägerelement 102 und die Haltestruktur 108 begrenzen einen Hohlraum, in dem eine Beleuchtungseinrichtung 103, eine Detektionseinrichtung 104, eine Sensormaterialschicht 105 und optische Filter 1061 , 1062 sowie ein Mikrocontroller 1 10 und eine Mikrowellenerzeugungseinrichtung 107 angeordnet sind. Die Beleuchtungseinrichtung 103 ist auf einer dem zweiten Trägerelement 102 zugewandten ersten Seite 10T des ersten Trägerelement 101 angeordnet. Des Weiteren sind auf der ersten Seite 10T eine Mikrowellenquelle 1070 und eine erste Mikrowellenleiterstruktur 1071 , welche in diesem Ausführungsbeispiel um die Beleuchtungseinrichtung 103 herum angeordnet ist, angeordnet. Die Detektionseinrichtung 104 ist auf einer dem ersten Trägerelement 101 zugewandten zweiten Seite 102‘ des zweiten Trägerelement 102 angeordnet. Des Weiteren sind auf der zweiten Seite 102‘ der Mikrocontroller 110 und eine zweite Mikrowellenleiterstruktur 1072, welche in diesem Ausführungsbeispiel um die Detektionseinrichtung 104 herum angeordnet ist, angeordnet. Die 8 shows a schematic cross-sectional illustration of a sensor device 100 according to an exemplary embodiment. The sensor device 100 comprises a first carrier element 101 and a second carrier element 102, which are spaced apart from one another by means of a holding structure 108. The first carrier element 101, the second carrier element 102 and the holding structure 108 delimit a cavity in which an illumination device 103, a detection device 104, a sensor material layer 105 and optical filters 1061, 1062 as well as a microcontroller 110 and a microwave generating device 107 are arranged. The lighting device 103 is arranged on a first side 10T of the first carrier element 101 facing the second carrier element 102. Furthermore, a microwave source 1070 and a first microwave guide structure 1071, which in this exemplary embodiment is arranged around the lighting device 103, are arranged on the first side 10T. The detection device 104 is on the first carrier element 101 facing second side 102 'of the second support member 102. Furthermore, the microcontroller 110 and a second microwave conductor structure 1072, which in this exemplary embodiment is arranged around the detection device 104, are arranged on the second side 102 ′. The
Mikrowellenleiterstrukturen 1071 , 1072 und die Mikrowellenquelle 1070 bilden in diesem Ausführungsbeispiel die Mikrowellenerzeugungseinrichtung 107. In this exemplary embodiment, microwave guide structures 1071, 1072 and the microwave source 1070 form the microwave generating device 107.
Die Sensormaterialschicht 105 mit dem mindestens einen Farbzentrum ist zwischen der Beleuchtungseinrichtung 103 und der Detektionseinrichtung 104 angeordnet. Zwischen der Sensormaterialschicht 105 und der The sensor material layer 105 with the at least one color center is arranged between the illumination device 103 and the detection device 104. Between the sensor material layer 105 and the
Beleuchtungseinrichtung 103 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein erster optischer Filter 1061 angeordnet. Dieser erste optische Filter 1061 kann dazu verwendet werden, die Wellenlänge des von der Beleuchtungseinrichtung 103 auf die Sensormaterialschicht 105 eingestrahlten Anregungslichts zu In this exemplary embodiment, lighting device 103 is arranged a first optical filter 1061. This first optical filter 1061 can be used to increase the wavelength of the excitation light irradiated by the illuminating device 103 onto the sensor material layer 105
kontrollieren oder festzulegen. Der erste optische Filter 1061 kann auf einer der Beleuchtungseinrichtung 103 zugewandten Fläche der Sensormaterialschicht 105 aufgebracht sein, auf der Beleuchtungseinrichtung 103 angeordnet oder von der Beleuchtungseinrichtung 103 umfasst sein. Zwischen der control or fix. The first optical filter 1061 can be applied to a surface of the sensor material layer 105 facing the illuminating device 103, arranged on the illuminating device 103 or encompassed by the illuminating device 103. Between the
Detektionseinrichtung 104 und der Sensormaterialschicht 105 ist ein zweiter optischer Filter 1062 angeordnet, der die an der Beleuchtungseinrichtung 103 emittierte Strahlung ausfiltert, sodass nur das von der Sensormaterialschicht 105 emittierte Licht (Fluoreszenz-Licht) in die Detektionseinrichtung 104 gelangt und detektiert wird. Der zweite optische Filter 1062 kann auf einer der Detection device 104 and the sensor material layer 105, a second optical filter 1062 is arranged, which filters out the radiation emitted at the illuminating device 103, so that only the light (fluorescent light) emitted by the sensor material layer 105 enters the detection device 104 and is detected. The second optical filter 1062 can be on one of the
Detektionseinrichtung 104 zugewandten Fläche der Sensormaterialschicht 105 aufgebracht sein, auf der Detektionseinrichtung 104 angeordnet oder von der Detektionseinrichtung 104 umfasst sein. Detection device 104 facing surface of the sensor material layer 105 may be applied, arranged on the detection device 104 or be included in the detection device 104.
Als Haltestruktur 108 kann eine Leiterplatte verwendet werden, wobei diese beispielsweise Aussparungen im Bereich des Hohlraums aufweisen kann. Die Haltestruktur 108 dient als Abstandhalter zwischen dem ersten Trägerelement 101 dem zweiten Trägerelement 102. Des Weiteren kann die Haltestruktur 108 dazu dienen elektrische Signale und Ströme zwischen dem Trägerelementen 101 , 102 weiterzuleiten. Des Weiteren kann die Haltestruktur 108 zur Ausbildung von Durchführungen 108 (Vias) zwischen den Trägerelementen 101 ,102 dienen. Das erste Trägerelement 101 und das zweite Trägerelement 102 können als Leiterplatten (PCB-Elemente) ausgeführt sein. A printed circuit board can be used as the holding structure 108, which can have cutouts in the region of the cavity, for example. The holding structure 108 serves as a spacer between the first carrier element 101 and the second carrier element 102. Furthermore, the holding structure 108 can serve to transmit electrical signals and currents between the carrier elements 101, 102. Furthermore, the holding structure 108 can be used to form feedthroughs 108 (vias) between the carrier elements 101, 102. The first carrier element 101 and the second carrier element 102 can be embodied as printed circuit boards (PCB elements).
Mit anderen Worten zeigt Fig. 8 die mit PCB-basierten Herstellungsmethoden hergestellte Sensorvorrichtung 100 und insbesondere die Platzierung der Sensormaterialschicht 105 zusammen mit den entsprechenden optischen Filtern 1061 , 1062 zwischen der Lichtquelle 103 und dem Fotodetektor 104, wobei die Lichtquelle 103 und der Fotodetektor auf zwei sich direkt gegenüberliegenden PCBs 101 , 102 angebracht sind. Eine dritte PCB 108, teilweise mit In other words, FIG. 8 shows the sensor device 100 produced using PCB-based production methods and in particular the placement of the sensor material layer 105 together with the corresponding optical filters 1061, 1062 between the light source 103 and the photodetector 104, the light source 103 and the photodetector being two directly opposite PCBs 101, 102 are attached. A third PCB 108, partially with
Aussparungen, bildet einen Hohlraum zwischen der ersten PCB 101 und der zweiten PSB und dient als Spacer und zur Weiterleitung der elektrischen Signale zwischen den beiden PCBs 101 , 102. Auch die Realisierung von Recesses, forms a cavity between the first PCB 101 and the second PSB and serves as a spacer and for forwarding the electrical signals between the two PCBs 101, 102. The realization of
Mikrowellenantennen-Elementen 1071 , 1072 auf den PCBs ist möglich. Die Sensormaterialschicht 105, beispielsweise Diamant mit NV-Zentren, wird zwischen dem Fotodetektor 104 und der Lichtquelle 103, welche sich auf jeweils einem von zwei PBC-Elementen 101 , 102 befinden, platziert. Zwischen dem Diamanten 105 und dem Fotodetektor 104 befindet sich ein zweiter optischer Filter 1062, der das Licht der Quelle ausfiltert, so dass nur das Fluoreszenz-Licht der Sensormaterialschicht 105 detektiert werden kann. Ein erster optischer FilterMicrowave antenna elements 1071, 1072 on the PCBs are possible. The sensor material layer 105, for example diamond with NV centers, is placed between the photodetector 104 and the light source 103, which are each located on one of two PBC elements 101, 102. Between the diamond 105 and the photodetector 104 there is a second optical filter 1062, which filters out the light from the source, so that only the fluorescent light from the sensor material layer 105 can be detected. A first optical filter
1061 befindet sich optional zwischen dem Diamanten und der Lichtquelle 103 um die Wellenlänge des Anregungslichtes zu kontrollieren. Die optischen Filter 1061 ,1061 is optionally located between the diamond and the light source 103 to control the wavelength of the excitation light. The optical filters 1061,
1062 können auf der Oberfläche der Sensormaterialschicht 105 oder auf dem Fotodetektor 104 und/oder der Lichtquelle 103 befinden. Die Haltestruktur 108 (vorzugsweise PCB) zwischen dem ersten PCB 101 und dem zweiten PCB 102 dient zur Einstellung des richtigen Abstandes zwischen der Lichtquelle 103 und des Fotodetektors 104, sodass die Sensormaterialschicht 105 mit den optische Filtern 1061 , 1062 dazwischen passt. Die Sensormaterialschicht 105 und die Detektionseinrichtung 104 und/oder die Sensormaterialschicht 105 und die Beleuchtungseinrichtung 103 sind vorzugsweise direkt oder über die optionalen optischen Filter 1061 , 1062 in mechanischem Kontakt miteinander. Die 1062 can be located on the surface of the sensor material layer 105 or on the photodetector 104 and / or the light source 103. The holding structure 108 (preferably PCB) between the first PCB 101 and the second PCB 102 serves to set the correct distance between the light source 103 and the photodetector 104 so that the sensor material layer 105 with the optical filters 1061, 1062 fits between them. The sensor material layer 105 and the detection device 104 and / or the sensor material layer 105 and the lighting device 103 are preferably in mechanical contact with one another directly or via the optional optical filters 1061, 1062. The
Haltestruktur 108 bzw. das dritte (PCB-) Element kann zur Ausbildung von Durchführungen 108 (Vias) zwischen den beiden anderen PCBs 101 , 102 dienen. Insbesondere kann auch ein Mikrowellenquelle-Chip 1070 auf einem der PCBs 101 , 102, 108 integriert werden, zusammen mit Zuleitungen zu und von mindestens einer der Mikrowellenantennen 1071 , 1072 zur Mikrowellenanregung des mindestens einen Farbzentrums der Sensormaterialschicht 105, beispielsweise NV-Zentren im Diamanten. Um ein homogenes Mikrowellenfeld zu erzeugen können die Mikrowellenantennen 1071 , 1072 auf den einander gegenüberliegenden ersten und zweiten PCB-Elementen 101 , 102 realisiert werden (Helmholtz-Spulen). Außerdem ist die Integration des Mikrocontroller-The holding structure 108 or the third (PCB) element can be used to form feedthroughs 108 (vias) between the two other PCBs 101, 102. In particular, a microwave source chip 1070 can also be integrated on one of the PCBs 101, 102, 108, together with leads to and from at least one of the microwave antennas 1071, 1072 for microwave excitation of the at least one color center of the sensor material layer 105, for example NV centers in the diamond. In order to generate a homogeneous microwave field, the microwave antennas 1071, 1072 can be implemented on the mutually opposite first and second PCB elements 101, 102 (Helmholtz coils). In addition, the integration of the microcontroller
Chips 1 10 zur Ansteuerung der einzelnen Komponenten, Auswertung der Signale und Kommunikation nach außen auf einer der PCBs 101 , 102, 108 möglich. Chips 1 10 for controlling the individual components, evaluating the signals and communicating externally on one of the PCBs 101, 102, 108 are possible.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Sensorvorrichtung (100), umfassend 1. Sensor device (100) comprising
• eine Sensormaterialschicht (105), welche mindestens ein Farbzentrum umfasst,  A sensor material layer (105) which comprises at least one color center,
• eine Beleuchtungseinrichtung (103) zur optischen Anregung des  • a lighting device (103) for optical excitation of the
mindestens einen Farbzentrums und  at least one color center and
• eine Detektionseinrichtung (104) zur Detektion einer von dem mindestens einen Farbzentrum emittierbaren elektromagnetischen Strahlung, dadurch gekennzeichnet,  A detection device (104) for detecting an electromagnetic radiation emitted by the at least one color center, characterized in that
• dass die Sensorvorrichtung (100) ein erstes T rägerelement (101 ) und ein zweites Trägerelement (102) umfasst, wobei die Beleuchtungseinrichtung (103) auf dem ersten T rägerelement (101 ) auf einer dem zweiten  • That the sensor device (100) comprises a first carrier element (101) and a second carrier element (102), the lighting device (103) on the first carrier element (101) on one of the second
Trägerelement (102) zugewandten ersten Seite (10T) angeordnet ist und wobei die Detektionseinrichtung (104) auf dem zweiten Trägerelement Carrier element (102) facing first side (10T) is arranged and wherein the detection device (104) on the second carrier element
(102) auf einer dem ersten T rägerelement (101 ) zugewandten zweiten Seite (102‘) angeordnet ist, und (102) is arranged on a second side (102 ') facing the first carrier element (101), and
• dass die Sensormaterialschicht (105) zwischen der  • that the sensor material layer (105) between the
Beleuchtungseinrichtung (103) und der Detektionseinrichtung (104) angeordnet ist.  Lighting device (103) and the detection device (104) is arranged.
2. Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormaterialschicht (105) Stickstoff-Fehlstellen-Defektzentren in Diamant und/oder Siliziumcarbid, umfassend mindestens einen fluoreszierenden Defekt, umfasst. 2. Sensor device (100) according to claim 1, characterized in that the sensor material layer (105) comprises nitrogen defect defect centers in diamond and / or silicon carbide, comprising at least one fluorescent defect.
3. Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 3. Sensor device (100) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trägerelement (101 ) und das zweite Trägerelement (102) durch eine Haltestruktur (108) voneinander beabstandet sind.  characterized in that the first carrier element (101) and the second carrier element (102) are spaced apart from one another by a holding structure (108).
4. Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. Sensor device (100) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trägerelement (101 ), das zweite Trägerelement (102) und/ oder die Haltestruktur (108) mindestens eine Leiterplatte umfassen. characterized in that the first carrier element (101), the second Carrier element (102) and / or the holding structure (108) comprise at least one printed circuit board.
5. Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. Sensor device (100) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung eine  characterized in that the sensor device a
Mikrowellenerzeugungseinrichtung (107) zum Beaufschlagen der  Microwave generating device (107) for loading the
Sensormaterialschicht (105) mit Mikrowellenstrahlung umfasst.  Includes sensor material layer (105) with microwave radiation.
6. Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenerzeugungseinrichtung (107) auf dem ersten Trägerelement (101 ) oder dem zweiten Trägerelement (102) angeordnet ist. 6. Sensor device (100) according to claim 5, characterized in that the microwave generating device (107) is arranged on the first carrier element (101) or the second carrier element (102).
7. Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenerzeugungseinrichtung (107) eine erste 7. Sensor device (100) according to claim 5 or 6, characterized in that the microwave generating device (107) a first
Mikrowellenleiterstruktur (1071 ) auf dem ersten Trägerelement (101 ) und eine zweite Mikrowellenleiterstruktur (1072) auf dem zweiten Trägerelement (102) umfasst, welche in Form einer Helmholtz-Spulen-Anordnung angeordnet sind.  Microwave guide structure (1071) on the first support element (101) and a second microwave guide structure (1072) on the second support element (102), which are arranged in the form of a Helmholtz coil arrangement.
8. Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. Sensor device (100) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (100) eine  characterized in that the sensor device (100) has a
Auswerteeinrichtung (1 10) umfasst, wobei die Auswerteeinrichtung (1 10) auf dem ersten Trägerelement (101 ) oder dem zweiten Trägerelement (102) angeordnet ist.  Evaluation device (1 10), wherein the evaluation device (1 10) is arranged on the first carrier element (101) or the second carrier element (102).
9. Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. Sensor device (100) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optischer Filter (1061 , 1062) auf die Sensormaterialschicht (105) aufgebracht ist.  characterized in that at least one optical filter (1061, 1062) is applied to the sensor material layer (105).
10. Sensorvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 10. Sensor device (100) according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (103) und/oder die Detektionseinrichtung (104) mindestens einen optischen Filter (1061 , 1062) umfassen.  characterized in that the lighting device (103) and / or the detection device (104) comprise at least one optical filter (1061, 1062).
1 1. Sensorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch 1 1. Sensor device (100) according to one of claims 9 or 10, characterized
gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen der  characterized that in the beam path between the
Beleuchtungseinrichtung (103) und der Sensormaterialschicht (105) und/oder im Strahlengang zwischen der Sensormaterialschicht (105) und der Detektionseinrichtung (104) der mindestens eine optischer Filter (1061 , 1062) angeordnet ist. Illumination device (103) and the sensor material layer (105) and / or in the beam path between the sensor material layer (105) and the Detection device (104) which has at least one optical filter (1061, 1062) arranged.
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