WO2022249995A1 - 検出基板、検出機及び検出装置 - Google Patents

検出基板、検出機及び検出装置 Download PDF

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WO2022249995A1
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WO
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light
diamond crystal
center
detection
substrate
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PCT/JP2022/021004
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English (en)
French (fr)
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裕司 岸田
博道 吉川
Original Assignee
京セラ株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/24—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/26—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
    • G01N24/006—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects using optical pumping

Definitions

  • the present disclosure relates to detection substrates, detectors, and detection devices.
  • Patent Document 1 discloses a device that uses a SQUID element to measure the magnetic field on each point of a sample.
  • Patent Document 1 With the technique described in Patent Document 1, it is necessary to insert a sapphire window between the sample and the SQUID element, and to provide a certain distance for heat insulation between the sapphire window and the SQUID element. Therefore, the SQUID element cannot be brought close to the sample. Therefore, it is difficult to separate adjacent magnetic field distributions and observe them individually. Thus, there is room for improvement in detection accuracy.
  • a detection substrate includes a diamond crystal having NV centers formed on one surface thereof, and a radiator located on the surface of the diamond crystal opposite to the surface having the NV centers formed thereon.
  • a detector is a detector having a detection substrate and a dielectric substrate, the detection substrate including a diamond crystal on which an NV center is formed and a radiator provided on the diamond crystal.
  • a detection device is a detection device comprising the above-described detector, a light-emitting element, and a light-receiving element, wherein the light-emitting element irradiates the NV center with light, and the light-receiving element Receive fluorescence from NV centers.
  • a magnetic field can be detected with high accuracy.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an outline of a detection substrate of a detector according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a detector and a detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating another example of the detector and detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating another example of the dielectric substrate.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating an example of a signal control unit;
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the outline of the detection substrate of the detector according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of a detector and a detection device according to the second embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an example of a detection substrate.
  • FIG. 9 is a plan view illustrating an example of an antenna conductor.
  • FIG. 10 is a plan view explaining another example of the antenna conductor.
  • FIG. 11 is a plan view explaining another example of the antenna conductor.
  • FIG. 12 is a graph illustrating an example of reflection characteristics of an antenna conductor.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an outline of a detection substrate of a detector according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a detector and a detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating another example of the detector and detection device according to the first embodiment.
  • a detection target is an object to be detected by the detector 10 and the detection device 1, in other words, a sample.
  • a magnetic field is generated by the electric current in the object to be detected.
  • the object to be detected has a dielectric 100 and conductors 101 , 102 , 103 and 104 arranged inside the dielectric 100 .
  • the conductor 101, the conductor 102, and the conductor 103 are arranged on the surface 100a side of the dielectric 100 with a space therebetween.
  • the width d21 of the conductors 101, 102 and 103 is, for example, about 1 ⁇ m.
  • the conductor 104 is arranged on the surface 100b side of the dielectric 100 .
  • a current I1 flows through the conductor 101 from the front side to the back side in FIG.
  • a current I1 flows through the dielectric 100 on the surface 100a side.
  • the arrow indicates the direction of the magnetic field F1 due to the current I1.
  • a current I2 flows through the conductor 102 from the back side to the front side in FIG.
  • a current I2 flows through the dielectric 100 on the surface 100a side.
  • the arrow indicates the direction of the magnetic field F2 due to the current I2.
  • a current I3 flows through the conductor 103 from the front side to the back side in FIG.
  • a current I3 flows through the dielectric 100 on the surface 100a side.
  • the arrow indicates the direction of the magnetic field F3 due to the current I3.
  • a current I4 flows through the conductor 104 from left to right in FIG.
  • a current I4 flows through the dielectric 100 on the surface 100b side.
  • the arrow indicates the direction of the magnetic field F4 generated by the current I4.
  • Detector 10 includes a detection substrate 11 and a dielectric substrate 13 .
  • the detection substrate 11 is a so-called diamond sensor.
  • the detection substrate 11 includes a diamond crystal 111, an NV center 112, a high-frequency line conductor (not shown), and an antenna conductor 113 as a radiator.
  • the diamond crystal 111 has an NV center 112 formed on the surface 111b opposite to the surface 111a in contact with the antenna conductor 113 .
  • the diamond crystal 111 has a side length d11 of 2 mm, for example.
  • the diamond crystal 111 has a thickness d12 of 100 ⁇ m, for example.
  • the surface 111a is exposed at a portion where the antenna conductor 113 is not provided.
  • the exposed portion is called an exposed portion 111c.
  • the exposed portion 111c is located in the central portion of the surface 111a of the diamond crystal 111. As shown in FIG.
  • the surface 111b is a magnetic field acting surface facing the detection target.
  • An NV center 112 is formed on the surface 111b side.
  • the surface 111b is a smooth flat surface that can adhere to or approach the surface of the detection target at a level of several ⁇ m or less while being parallel to the surface of the detection target.
  • a conductive thin film may be provided on the surface 111b to allow current to flow through magnetic field coupling with the object to be detected.
  • An objective lens (not shown) may be arranged close to the surface 111a of the diamond crystal 111, and the diamond crystal 111 and the objective lens may be provided with an antireflection film on their surfaces.
  • the diamond crystal 111 has a surface 111b protruding from the dielectric substrate 13 on which the NV center 112 is provided.
  • the surface 111b is a portion that senses the magnetic field to be measured.
  • a single NV center 112 may be arranged on the surface 111b side of the diamond crystal 111, or a plurality thereof may be arranged.
  • FIG. 1 and the like illustrate a state in which a plurality of NV centers 112 are arranged.
  • the NV center 112 is preferably oriented in one direction.
  • NV centers 112 may be crystals of different orientations.
  • the NV center 112 is a complex defect in the diamond crystal 111 where carbon is substituted with nitrogen and vacancies are present at adjacent positions.
  • the NV center 112 lacks part of the degenerate shared electron pairs.
  • the magnetic field and current can be detected by capturing this change as the frequency change of fluorescence intensity.
  • Light with a wavelength of 532 nm is incident from the exposed portion 111c, and fluorescent light with a wavelength of 638 nm is emitted from the exposed portion 111c.
  • a high-frequency line conductor is formed on the surface 111a of the diamond crystal 111.
  • the high-frequency line conductor has a center conductor and a ground conductor spaced a certain distance therefrom. Impedance is adjusted by the distance between the central conductor and the grounded conductor.
  • the center conductor and ground conductor are connected to the center conductor and ground conductor of the high-frequency line conductor of the dielectric substrate 13 by solder 15, respectively.
  • the antenna conductor 113 transmits and radiates microwaves to irradiate the NV center 112 of the diamond crystal 111 .
  • Antenna conductor 113 is located on the surface of diamond crystal 111 opposite to the surface on which NV center 112 is formed.
  • the antenna conductor 113 is electrically connected to the exposed portion of the internal pattern 16 of the dielectric substrate 13 through the solder 15 .
  • the antenna conductor 113 is provided on the outer peripheral side of the surface 111a of the diamond crystal 111 .
  • the antenna conductor 113 is formed in a ring shape when viewed in the normal direction of the surface 111a (hereinafter referred to as “plan view”).
  • Antenna conductor 113 is a loop antenna formed of a conductive thin film.
  • An end of the antenna conductor 113 is connected to the ground conductor of the high frequency line conductor.
  • the antenna conductor 113 has a loop diameter of several millimeters.
  • An exposed portion 111c is arranged substantially in the center inside the antenna conductor 113 and serves as an optical input/output portion. Further, the exposed portion 111c is arranged inside the collar portion 133 of the dielectric substrate 13 .
  • the dielectric substrate 13 is a support substrate that supports the outer peripheral side of the detection substrate 11 .
  • the dielectric substrate 13 accommodates the detection substrate 11 .
  • the dielectric substrate 13 is formed in a cylindrical shape that accommodates the detection substrate 11 .
  • the dielectric substrate 13 is formed in a rectangular tubular shape corresponding to the outer shape of the detection substrate 11 .
  • the dielectric substrate 13 is made of, for example, SiO 2 , a glass material, a ceramic material, or a resin material such as glass epoxy.
  • a high-frequency transmission line is formed on the dielectric substrate 13 , and this high-frequency transmission line is electrically connected to the antenna conductor 113 .
  • the dielectric substrate 13 has a first accommodation portion 131 , a second accommodation portion 132 and a collar portion 133 .
  • the first accommodating portion 131 and the second accommodating portion 132 are separated by a flange portion 133 arranged in the axially intermediate portion of the dielectric substrate 13 .
  • the collar portion 133 protrudes toward the inner peripheral side of the dielectric substrate 13 .
  • the flange portion 133 is formed in a ring shape in plan view.
  • the first housing portion 131 is a support portion that supports the optical window 14 .
  • the first accommodating portion 131 is arranged on one side of the dielectric substrate 13 in the axial direction.
  • the optical window 14 is arranged in the central portion of the first accommodating portion 131 of the dielectric substrate 13 .
  • the second housing portion 132 is a support portion that supports the detection substrate 11 .
  • the second accommodating portion 132 is arranged on the other side of the dielectric substrate 13 in the axial direction.
  • the detection substrate 11 is arranged in the central portion of the second housing portion 132 of the dielectric substrate 13 .
  • FIG. 2 illustrates a configuration in which the surface 111b protrudes in the axial direction from the surface 13b of the dielectric substrate 13, the surface 111b and the surface 13b of the dielectric substrate 13 may be flat.
  • the optical window 14 is accommodated in the dielectric substrate 13 and arranged to face the detection substrate 11 .
  • the optical window 14 is supported by the first housing portion 131 of the dielectric substrate 13 .
  • Optical window 14 inputs and outputs light to NV center 112 of detector substrate 11 of detector 10 .
  • the optical window 14 is made of a material such as sapphire or quartz.
  • One surface 14a of the optical window 14 is flat with the surface 13a of the dielectric substrate 13 opposite to the surface 13b.
  • the surface 14b of the optical window 14 opposite to the surface 14a faces the surface 111a of the diamond crystal 111 of the detection substrate 11 with a gap therebetween.
  • Optical window 14 is not an essential component.
  • the dielectric substrate 13 includes high-frequency transmission lines including internal patterns 16 and RF (Radio Frequency) vias 17 that transmit microwave signals to the detection substrate 11 .
  • a high-frequency transmission line is composed of two conductors provided on the dielectric substrate 13 . One of the conductors is the center conductor and the other is the ground conductor. The center conductor and the ground conductor are separated by a fixed distance.
  • the internal pattern 16 and the RF via 17 constitute either a central conductor or a ground conductor.
  • the center conductor and ground conductor are connected to the center conductor and ground conductor of the high-frequency line conductor of the detection substrate 11 by solder 15, respectively.
  • the interior pattern 16 is a thin-film conductor pattern formed inside the dielectric substrate 13 and includes a portion partially exposed on the surface of the dielectric substrate 13 .
  • the RF via 17 has a through hole formed in the inner wall of the via. This through hole functions as a signal line.
  • ground lines ground conductors
  • a through hole of the RF via 17 is connected to a signal line of the internal pattern 16 .
  • a signal line of the internal pattern 16 is connected via solder 15 to a pad 1142 (see FIG. 9, for example) to which the end of the antenna conductor 113 is connected.
  • the high-frequency microwave signal is transmitted through a high-frequency transmission path passing through the microwave source, pad 18, via 17, interior pattern 16, solder 15, pad 1142, and antenna conductor 113 in order.
  • microwaves are generated from the antenna conductor 113 .
  • the solder 15 is provided on the lower surface of the collar portion 133 of the dielectric substrate 13 .
  • the solder 15 is provided in a ring shape in plan view.
  • the solder 15 is electrically connected to the antenna conductor 113 and the internal pattern 16 of the detection board 11 .
  • the interior pattern 16 is provided on the collar portion 133 of the dielectric substrate 13 .
  • the internal pattern 16 is electrically connected to the solder 15 and the RF vias 17 .
  • the RF via 17 extends from the internal pattern 16 to the surface 13a of the dielectric substrate 13 at the outer peripheral portion of the dielectric substrate 13 .
  • the RF vias 17 are electrically connected with the internal pattern 16 and the bonding pads 18 .
  • the bonding pads 18 are provided on the surface 13a of the dielectric substrate 13. Bonding pad 18 is electrically connected to RF via 17 .
  • the dielectric substrate 13 described above has the first accommodating portion 131, the second accommodating portion 132, and the flange portion 133, the first accommodating portion 131, the second accommodating portion 132, and the flange portion 133 are provided.
  • a configuration without the flange portion 133 may be employed.
  • FIG. 4 is a schematic diagram explaining another example of the dielectric substrate.
  • the dielectric substrate 13 may be flat and have a through hole in the center.
  • the dielectric substrate 13 has a high-frequency transmission line on its surface or inside.
  • a diamond crystal 111 of the detection substrate 11 is provided on the lower surface of the dielectric substrate 13 so as to close the through hole.
  • An antenna conductor 113 provided on the upper surface (surface 111 a ) of the detection substrate 11 is connected to the high-frequency transmission line of the dielectric substrate 13 via solder 5 .
  • the exposed portion 111c of the diamond crystal 111 is visible from the upper surface side of the dielectric substrate through the through hole.
  • a high frequency connector may be attached to the end of the high frequency transmission line.
  • the dielectric substrate is used as an intermediary, so that a microwave input end of a large size that is easy to handle can be provided. It becomes easier to control and allow microwaves to pass through easily. Since light and microwaves are input and output from the surface 111a side of the detector 10 constructed in this way, it is possible to detect a minute circuit or the like to be detected close to the surface 111b side with good sensitivity. In addition, since the microwave is applied to the NV center 112 from the side of the surface 111a, transmission of the microwave is hindered by microcircuits or the like to be detected compared to the case where the NV center 112 is irradiated from the side of the surface 111b.
  • the antenna conductor 113 is small, it is possible to efficiently apply microwaves using a high-frequency line conductor or a high-frequency connector, so that it is suitable for high-resolution detection of microcircuits and the like.
  • the detection device 1 has a detector 10 , a light emitting element 21 and a light receiving element 22 . More specifically, the detection device 1 includes a detection substrate 11 , a dielectric substrate 13 that accommodates the detection substrate 11 , and a light emitting element 21 and a light receiving element 22 that input and output light to the NV center 112 .
  • the detection device 1 may include a sample stage 110 on which a detection target is placed.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 detect the magnetism of the dielectric 100, which is the object of detection. In this embodiment, the light emitting element 21 and the light receiving element 22 detect magnetism while scanning the dielectric 100 .
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 are arranged to face the detection substrate 11 of the detector 10 .
  • the light emitting element 21 and the light receiving element 22 input and output light to the NV center 112 of the diamond crystal 111 .
  • the light emitting element 21 is a light source
  • the light receiving element 22 is a light receiver.
  • the light emitting element 21 and the light receiving element 22 are controlled by a control circuit (not shown).
  • the control circuit controls light emission in the light emitting element 21 .
  • the control circuit controls light reception by the light receiving element 22 .
  • the control circuit processes the red fluorescence signal received by the light receiving element 22 .
  • the control circuit outputs the strength of the magnetic field as a result
  • the light emitting element 21 irradiates the detection board 11 of the detector 10 with light.
  • the light emitting element 21 emits excitation light that irradiates the diamond crystal 111 .
  • the light emitting element 21 irradiates excitation light to the NV center 112 .
  • the light emitting element 21 is a laser diode.
  • the light emitting element 21 emits laser light with a wavelength of 527 nm, for example, under the control of the control circuit.
  • the light emitting element 21 emits green excitation light.
  • a green light emitting diode LED: Light Emitting Diode
  • a green surface emitting laser diode VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • a green edge emitting laser diode LD: Laser Diode
  • the light receiving element 22 detects fluorescence from the detection substrate 11 of the detector 10 .
  • the light receiving element 22 is a photodiode.
  • the light receiving element 22 receives fluorescence from the NV center 112 of the diamond crystal 111 under the control of the control circuit.
  • the light receiving element 22 receives fluorescence emitted by the excitation light from the diamond crystal 111 .
  • a Si-PIN photodiode PD: Photo Diode
  • InGaAs-PIN photodiode or the like can be used.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 may be arranged in close contact with the exposed portion 111c of the surface 111a of the diamond crystal 111, for example, as shown in FIG. In this case, power is supplied to each of the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 from wiring (not shown) formed independently of the dielectric substrate 13 .
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 may be arranged at a constant distance above the exposed portion 111c of the surface 111a of the diamond crystal 111, for example, as shown in FIG.
  • an optical window which is an optical component such as a lens or a mirror, may be used between the light emitting element 21 and light receiving element 22 and the NV center 112 .
  • the light emitting element 21 and the light receiving element 22 may be an optical pickup in which light receiving and emitting are integrated.
  • the sample stage 110 is a table on which an object is placed.
  • the sample stage 110 has a flat surface 110a. An object is placed on the surface 110a.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 may be miniaturized to input/output fluorescence/excitation light while scanning the surface 111a of the diamond crystal 111 of the detection substrate 11 of the detector 10.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 may be shaped so that fluorescence and excitation light can be input to and output from the entire surface 111a of the diamond crystal 111 of the detection substrate 11 of the detector 10 without scanning.
  • the microwave that irradiates the NV center 112 of the diamond crystal 111 is generated by the oscillation element 31 (see FIG. 5), which is the microwave source.
  • the oscillation element 31 is, for example, a voltage controlled oscillation element (VCO: Voltage Controlled Oscillator).
  • the oscillation element 31 is, for example, a heterojunction bipolar transistor (HBT: Heterojunction Bipolar Transistor), a field effect transistor (FET: Field Effect Transistor), a complementary MOS (Metal-Oxide Semiconductor), a high electron mobility transistor (HEMT: High Electron It may be composed of a semiconductor element such as a Mobility Transistor.
  • the material of the semiconductor element is Si, GaAs, or GaN, for example.
  • Such an oscillator is connected to pad 18 by a high frequency circuit (not shown). 2 and 3, the illustration of the oscillation element is omitted.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating an example of a signal control unit;
  • the signal control unit 200 is, for example, a microcomputer.
  • the signal control section 200 controls the light emitting operation of the light emitting element 21 .
  • the signal control section 200 controls the light receiving operation of the light receiving element 22 .
  • the signal control unit 200 controls the microwave oscillation operation of the oscillation element 31, which is a microwave source for generating microwaves.
  • An optical signal of the fluorescence image captured by the light receiving element 22 is output to the signal control section 200 .
  • the signal control unit 200 has a signal processing unit 202 as a signal processing circuit and a control unit 201 as a control circuit.
  • the control unit 201 supplies timing signals to the light receiving element 22, the light emitting element 21, and the oscillation element 31 to perform operation control.
  • the control unit 201 performs control for setting the frequency of the microwave output from the oscillation element 31 .
  • the signal processing unit 202 performs image processing on the fluorescence image based on the optical signal input from the light receiving element 22 .
  • the signal control unit 200 and the oscillation element 31 are each formed on, for example, a semiconductor chip. Although FIG. 5 shows an example in which the signal control section 200 and the oscillation element 31 are formed by different semiconductor chips, they may be formed by one semiconductor chip.
  • Detection method A method of detecting a magnetic field to be detected using the detection device 1 will be described. First, the dielectric 100 to be detected is placed on the surface 110 a of the sample stage 110 . A magnetic field F1, a magnetic field F2, a magnetic field F3 and a magnetic field F4 are generated in the dielectric 100 by the current I1, the current I2, the current I3 and the current I4.
  • the surface 100a of the dielectric 100 is brought close to or in close contact with the surface 111b of the diamond crystal 111, which is the magnetic field acting surface of the detection substrate 11 of the detection device 1.
  • a spatial change in the direction or magnitude of the magnetic field generated in the dielectric 100 acts on the NV center 112 near the surface 111b of the diamond crystal 111 of the detection substrate 11 of the detection device 1.
  • the detection substrate 11 is scanned with fluorescence/excitation light by the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 of the detection device 1 .
  • the NV center 112 is irradiated and excited from the exposed portion 111c of the surface 111a of the diamond crystal 111 of the detection substrate 11 .
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 receive the electron spin resonance signal of the NV center 112 excited by the excitation light from the exposed portion 111c of the surface 111a of the diamond crystal 111 as fluorescence.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 receive fluorescence signals corresponding to changes in the direction or magnitude of the magnetic field.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 of the detection device 1 detect the magnetic charge to be detected.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 detect the level of the magnetic charge to be detected.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 calculate the strength of the magnetic field from the signals, which are the detection results of the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22, and output the result.
  • An example of the application of the detection device 1 shown in FIG. 2 is the magnetic head of a magnetic force microscope.
  • a magnetic head is used in connection with a magnetic force microscope.
  • the semiconductor element in which the signal control section is formed and the semiconductor element in which the microwave source is formed are mounted on the magnetic force microscope rather than the magnetic head itself.
  • the bonding pad 18 is connected to the microwave source, and the light emitting element 21 and the light receiving element 22 are connected to the signal controller.
  • the diamond crystal 111 can be provided with both the NV center 112 and the antenna conductor 113 .
  • the NV center 112 and the antenna conductor 113 can be provided close to each other.
  • the present embodiment can accurately arrange the antenna conductor 113 with respect to the NV center 112 . Therefore, this embodiment can effectively apply microwaves of sufficient intensity to the NV center 112 at a specific site with low power.
  • the NV center 112 is formed on one surface 111b of the diamond crystal 111, and the antenna conductor 113 is formed on the opposite surface 111a.
  • the antenna conductor 113 on the other surface 111a can be accurately arranged with respect to the NV center 112 on the one surface 111b in terms of manufacturing. According to this embodiment, microwaves of sufficient intensity can be effectively applied to the NV center 112 at a specific site with low power.
  • one surface 111b of the diamond crystal 111 is arranged so as to be close to the detection target. According to this embodiment, since the NV center 112 is close to the detection target, it is possible to improve the measurement accuracy. Also, in this embodiment, the NV center 112 is formed on one surface 111b of the diamond crystal 111, and the antenna conductor 113 is formed on the opposite surface 111a, so that the one surface 111b can be brought closer to the detection target.
  • the NV centers 112 of a plurality of parts and each circuit can be arranged in a highly accurate positional relationship. According to the present embodiment, it is also possible to easily implement expansion so that multiple NV centers 112 operate independently.
  • the NV center 112 and the antenna conductor 113 are integrated with the diamond crystal 111 interposed therebetween. According to this embodiment, it is possible to reduce the fluctuation of the arrangement due to temperature fluctuation, mechanical vibration, and the like, with respect to assembly as a module. According to this embodiment, highly stable operation can be achieved.
  • the surface 111b of the diamond crystal 111 which is the magnetic field acting surface of the detection substrate 11 of the detection device 1
  • the surface 111b of the diamond crystal 111 of the detection device 1 can be brought close to or in close contact with the object to be detected.
  • the present embodiment can detect a change in the direction or magnitude of a magnetic field of several ⁇ m, which has been difficult to detect in the past, and a spatial distribution of current vectors detected by a current magnetic field on the order of nT.
  • this embodiment can improve the detection accuracy of the detection target.
  • the NV center 112 formed on the surface 111b of the diamond crystal 111 can be brought close to or in close contact with the detection target. According to this embodiment, it is possible to detect very weak minute current such as leakage.
  • the detection substrate 11 is scanned with fluorescence/excitation light by the light emitting element 21 and the light receiving element 22 of the detection device 1 . According to this embodiment, it is possible to detect changes in the direction or magnitude of the magnetic field generated in the detection target, and the spatial distribution of the current vector detected by the current magnetic field. According to this embodiment, it is possible to easily identify a complicated current magnetic field path, in other words, a current path or the like.
  • the dielectric substrate 13 is formed into a cylindrical shape that accommodates the detection substrate 11 . According to this embodiment, handling can be facilitated by unitizing the detector 10 .
  • the surface 111a of the diamond crystal 111 has an exposed portion 111c.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 can input/output fluorescence/excitation light to/from the surface 111a of the diamond crystal 111 of the detection substrate 11 of the detector 10 from the exposed portion 111c.
  • the surface 111b of the diamond crystal 111 is a smooth surface. According to this embodiment, the surface 111b of the diamond crystal 111 can be brought into close contact with or close to the surface to be detected at a level of several ⁇ m or less while being parallel to the surface to be detected. According to this embodiment, it is possible to detect a change in the direction or magnitude of a magnetic field of about several ⁇ m and a spatial distribution of a current vector detected by a current magnetic field of nT order.
  • the optical window 14 is housed in the dielectric substrate 13 and arranged to face the detection substrate 11 .
  • the detection board 11 can be protected from dust and the like.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the outline of the detection substrate of the detector according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of a detector and a detection device according to the second embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating an example of a detection substrate.
  • symbol is attached
  • the diamond crystal 111 has a side length d11 of 1 mm, for example.
  • the diamond crystal 111 has a thickness d12 of 200 ⁇ m, for example.
  • the surface 111a is brought into contact with a contact portion 134 of the dielectric substrate 13, which will be described later.
  • FIG. 9 is a plan view explaining an example of an antenna conductor.
  • Antenna conductor 113 transmits microwaves to irradiate NV center 112 of diamond crystal 111 .
  • the antenna conductor 113 is located on the surface 111a of the diamond crystal 111 opposite to the surface 111b on which the NV center 112 is formed.
  • Antenna conductor 113 is interposed between solder 15 and surface 111 a of diamond crystal 111 .
  • the antenna conductor 113 is provided on the outer peripheral side of the surface 111a of the diamond crystal 111 .
  • the antenna conductor 113 is formed in a ring shape when viewed in the normal direction of the surface 111a (hereinafter referred to as “plan view”).
  • Antenna conductor 113 is a loop antenna formed of a conductive thin film. Antenna conductor 113 is formed in a ring shape with a part being opened. An end of the antenna conductor 113 is connected to the pad conductor 1142 of the high frequency line conductor 114 .
  • the antenna conductor 113 has a loop diameter of several millimeters.
  • the antenna conductor 113 is a minute loop antenna.
  • the antenna conductor 113 has a frequency of, for example, 2.8 GHz or more and 2.9 GHz or less.
  • the antenna conductor 113 has an input power of -20 dBm, for example.
  • the high-frequency line conductor 114 is formed on the surface 111a of the diamond crystal 111.
  • the high-frequency line conductor 114 has a center conductor and a ground conductor spaced a certain distance therefrom. Impedance is adjusted by the distance between the central conductor and the grounded conductor.
  • the center conductor and ground conductor are connected to the center conductor and ground conductor of the high-frequency line conductor (not shown) of the dielectric substrate 13 by soldering, respectively.
  • the antenna conductor 113 may be directly connected to the pad conductors 1141 and 1142 without providing a ground conductor for the high-frequency line conductor 114.
  • a surface electrode 23 is connected to the pad conductor 1141 via a wiring 1143 .
  • the pad conductor 1141 is made of gold, for example.
  • the pad conductor 1141 has a film thickness of, for example, 200 nm or more and 1000 nm or less.
  • the pad conductor 1142 is made of gold, for example.
  • the pad conductor 1142 has a film thickness of, for example, 200 nm or more and 1000 nm or less.
  • the oscillation element 31 is electrically connected to wiring on the dielectric substrate 13 .
  • Oscillating element 31 is in contact with dielectric substrate 13 .
  • Oscillating element 31 is located on surface 111a of diamond crystal 111 opposite to surface 11b on which NV center 112 is formed.
  • the oscillation element 31 is housed in the third housing portion 135 of the dielectric substrate 13 .
  • the oscillation element 31 may be wire-bonded or solder-ball-connected to the ground conductor of the dielectric substrate 13 .
  • the oscillation element 31 is electrically connected to the antenna conductor 113 of the detection substrate 11 at the contact portion 134 of the dielectric substrate 13 .
  • a high-frequency line conductor (not shown) of the dielectric substrate 13 a high-frequency line conductor 114 arranged on the surface 111a of the diamond crystal 111, and an antenna conductor 113 are electrically connected to the detection substrate 11 via solder. connected.
  • the dielectric substrate 13 has a first accommodation portion 131 , a second accommodation portion 132 and a third accommodation portion 135 .
  • the first accommodation portion 131 and the second accommodation portion 132 are continuous in the axial direction.
  • the first accommodating portion 131 and the second accommodating portion 132 penetrate through the dielectric substrate 13 from the surface 13a to the surface 13b.
  • the opening width of the first accommodation portion 131 is wider than the opening width of the second accommodation portion 132 .
  • a boundary portion between the first accommodation portion 131 and the second accommodation portion 132 has a contact portion 134 with a narrow opening width.
  • the first accommodating portion 131 is arranged on one side of the dielectric substrate 13 in the axial direction.
  • a light-emitting element 21 and a light-receiving element 22 are arranged in the first accommodation portion 131 .
  • the second housing portion 132 is a support portion that supports the detection substrate 11 .
  • the second accommodating portion 132 is arranged on the other side of the dielectric substrate 13 in the axial direction.
  • the detection substrate 11 is arranged in the central portion of the second housing portion 132 of the dielectric substrate 13 .
  • the third housing portion 135 is formed in a concave shape on the surface 13a of the dielectric substrate 13. As shown in FIG. The oscillation element 31 is arranged in the third accommodation portion 135 .
  • a lid may be provided on the first accommodating portion 131, the second accommodating portion 132, and the third accommodating portion 135 to hermetically seal the inside.
  • a lead terminal or a ball terminal may be provided on the dielectric substrate 13 .
  • FIG. 7 illustrates a configuration in which the surface 111b protrudes in the axial direction from the surface 13b of the dielectric substrate 13, the surface 111b and the surface 13b of the dielectric substrate 13 may be flat.
  • the solder is provided on the contact portion 134 of the dielectric substrate 13 .
  • the solder is provided in a ring shape in plan view.
  • the solder is electrically connected to the high-frequency line conductor 114 of the detection board 11 , the antenna conductor 113 , and the internal pattern of the dielectric substrate 13 .
  • the light emitting element 21 and the light receiving element 22 are arranged inside the ring shape of the antenna conductor 113 .
  • a light emitting portion and a light incident portion are arranged to face the surface 111a.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 are arranged in close contact with the exposed portion 111c of the surface 111a of the diamond crystal 111, as shown in FIG. 7, for example.
  • power is supplied to each of the light emitting element 21 and the light receiving element 22 from a pad conductor 1141 and a wiring 1143 formed independently of the dielectric substrate 13 .
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 may be connected to the ground conductor of the dielectric substrate 13 by wire bonding or solder ball connection.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 may be arranged, for example, just above the exposed portion 111c of the surface 111a of the diamond crystal 111 with a certain distance therebetween.
  • optical components such as lenses, filters, isolators, mirrors, and antireflection films may be used between the light emitting element 21 and light receiving element 22 and the NV center 112 .
  • the light emitting element 21 and the light receiving element 22 have a side length d13 of, for example, 300 ⁇ m.
  • the light emitting element 21 and the light receiving element 22 have a thickness d14 of 100 ⁇ m, for example.
  • the surface electrode 23 is arranged on the surface 21b, which is the lower surface of the light emitting element 21, and the surface 22b, which is the lower surface of the light receiving element 22, respectively.
  • the surface electrode 23 is wire-bonded to the ground conductor of the dielectric substrate 13 .
  • the back surface electrode 24 is arranged on the surface 21a, which is the upper surface of the light emitting element 21, and the surface 22a, which is the upper surface of the light receiving element 22, respectively.
  • the back electrode 24 is wire-bonded to the ground conductor of the dielectric substrate 13 .
  • the upper surface of the light emitting element 21 and the upper surface of the light receiving element 22 are the surfaces of the light emitting element 21 and the light receiving element 22 opposite to the diamond crystal 111 .
  • the lower surface of the light emitting element 21 and the lower surface of the light receiving element 22 are surfaces of the light emitting element 21 and the light receiving element 22 on the diamond crystal 111 side.
  • the light input/output side surfaces of the light emitting element 21 and the light receiving element 22 face the NV center 112 .
  • the front surface electrode 23 and rear surface electrode 24 function as an anode electrode or a cathode electrode, respectively. Either of the surface electrode 23 and the back electrode 24 may be the anode electrode or the cathode electrode.
  • the light receiving element 22 is a diode such as a PD
  • the surface electrode 23 and the back surface electrode 24 function as an anode electrode or a cathode electrode, respectively. Either of the surface electrode 23 and the back electrode 24 may be the anode electrode or the cathode electrode.
  • the surface electrode 23 of the light emitting element 21 is connected to the pad conductor 1141 through the wiring 1143 .
  • Surface electrode 23 of light receiving element 22 is connected to pad conductor 1141 via wiring 1143 . Electrically, the pad conductor 1141 and the backside electrode 24 are connected to the semiconductor element in which the signal control section 200 (see FIG. 5) is formed.
  • the surface 100a of the dielectric 100 is brought close to or in close contact with the surface 111b of the diamond crystal 111, which is the magnetic field acting surface of the detection substrate 11 of the detection device 1.
  • FIG. 5 the microwave generated by the oscillation element 31 as the microwave source propagates to the antenna conductor 113 of the detection substrate 11 through a high-frequency transmission line (not shown) provided inside the dielectric substrate 13 .
  • Microwaves are radiated from the antenna conductor 113 .
  • the radiated microwaves then act on the NV center 112 to cause electron spin resonance.
  • a spatial change in the direction or magnitude of the magnetic field generated in the dielectric 100 acts on the NV center 112 near the surface 111b of the diamond crystal 111 of the detection substrate 11 of the detection device 1.
  • the detection substrate 11 is scanned with fluorescence/excitation light by the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 of the detection device 1 .
  • the green excitation light of the light emitting element 21 is incident on the surface 111b, which is the front surface, from the exposed portion 111c side of the surface 111a, which is the back surface, of the diamond crystal 111.
  • FIG. The green excitation light incident on the surface 111b side spreads and diffuses within the surface 111b of the diamond crystal 111, irradiates the NV center 112, and excites it.
  • the NV center 112 is irradiated and excited from the exposed portion 111c of the surface 111a of the diamond crystal 111 of the detection substrate 11 .
  • the excited NV center 112 emits red fluorescence, which is incident on the exposed portion 111c side of the surface 111a, which is the rear surface, from the surface 111b side, which is the front surface of the diamond crystal 111. Then, the light diffuses in the surface 111 a of the diamond crystal 111 and enters the light receiving surface of the light receiving element 22 .
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 receive the electron spin resonance signal of the NV center 112 excited by the excitation light from the exposed portion 111c of the surface 111a of the diamond crystal 111 as fluorescence.
  • the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 receive fluorescence signals corresponding to changes in the direction or magnitude of the magnetic field.
  • the magnetic field to be measured acts on the NV center 112 to change the electron spin resonance frequency.
  • the red fluorescence intensity changes according to the change in the electron spin resonance frequency.
  • the detection device 1 detects the magnitude of the magnetic field by reading this. Further, the detection device 1 operates as a current sensor by measuring a magnetic field due to current.
  • An example of the application of the detection device 1 shown in FIG. 7 is a device for measuring charge/discharge current of a battery.
  • the semiconductor element in which the signal control section is formed and the semiconductor element in which the microwave source is formed are configured as a module integrated with the diamond crystal 111 .
  • the semiconductor element in which the microwave source is formed is illustrated as the oscillation element 31, but a separate semiconductor element in which a signal control section is formed may be provided.
  • the detection device 1 is formed by integrating the detector 10, the light emitting element 21, and the light receiving element 22.
  • the oscillation element 31 is electrically connected to wiring on the dielectric substrate 13 .
  • a magnetic sensor using a diamond crystal can be configured to be compact, simple, and robust.
  • the current integration can be detected with high accuracy.
  • errors are not accumulated when the secondary battery is repeatedly charged and discharged, and the charge amount of the storage battery can be accurately grasped or predicted.
  • the present embodiment can be suitably used for, for example, a storage battery system and an inverter system for an electric vehicle.
  • the oscillation element 31 is in contact with the dielectric substrate 13 .
  • a magnetic sensor using a diamond crystal can be miniaturized.
  • the oscillation element 31 is located on the surface 111a of the diamond crystal 111 opposite to the surface 11b on which the NV center 112 is formed, and is the magnetic field acting surface of the detection substrate 11 of the detection device 1. is not positioned on the side of the surface 111b. According to this embodiment, the surface 111b of the diamond crystal 111 of the detection device 1 can be brought close to or in close contact with the object to be detected.
  • the surface 111b of the diamond crystal 111 which is the magnetic field acting surface of the detection substrate 11 of the detection device 1, protrudes from the surface 13b of the dielectric substrate 13.
  • the surface 111b of the diamond crystal 111 of the detection device 1 can be brought close to or in close contact with the object to be detected.
  • the present embodiment can detect a change in the direction or magnitude of a magnetic field of about several ⁇ m, which has been difficult to detect in the past, and a current vector detected by a current magnetic field of nT order.
  • this embodiment can improve the detection accuracy of the detection target.
  • FIG. 10 is a plan view explaining another example of the antenna conductor.
  • the antenna conductor 113 shown in FIG. 10 is formed in a rectangular frame shape with one side open.
  • a light emitting element 21 and a light receiving element 22 are arranged inside the antenna conductor 113 .
  • FIG. 11 is a plan view explaining another example of the antenna conductor.
  • the antenna conductor 113 shown in FIG. 11 is formed in a rectangular frame shape.
  • a comb portion 115 is provided on a part of the antenna conductor 113 .
  • comb portion 115 comb portion 1151 having comb teeth extending from one side of the rectangle of antenna conductor 113 to the opposite side and comb portion 1152 having comb teeth extending from the opposite side to one side are meshed.
  • the comb portion 115 is a so-called IDT (Inter Digital Transducer) and constitutes a capacitance forming portion. Comb 1151 and comb 1152 form a capacitance.
  • Comb portion 1151 and comb portion 1152 can suppress reflection of microwaves of a specific frequency incident on antenna conductor 113 by adjusting the line and space and the logarithm of the electrodes.
  • the comb portion 115 it is possible to effectively radiate microwaves of about 3 GHz even if the antenna 113 is of a very small size, making it suitable for detecting microcircuits.
  • the antenna conductor 113 as a radiator has a first side having the first comb portion 1151 and a second side having the second comb portion 1152 .
  • the first comb portion 1151 and the second comb portion 1152 are arranged to mesh with each other to form a capacitance forming portion.
  • FIG. 12 is a graph illustrating an example of reflection characteristics of the antenna conductor 113.
  • FIG. 12 is an example of S 11 reflection characteristics viewed from pad conductor 1142 .
  • S 11 reflection characteristics shown in FIG. 12 reflection of microwaves of 2.7 to 2.9 GHz from the antenna conductor 113 is suppressed, and microwaves of 2.7 to 2.9 GHz from the antenna conductor 113 are effective. It can be seen that radiated to
  • a member or fluid with high relative magnetic permeability may be inserted between the detection substrate 11 of the detection device 1 and the detection target. Thereby, the detection accuracy can be further improved.
  • a member or fluid with high relative magnetic permeability may be inserted into the space located on the optical path of the fluorescence/excitation light. Thereby, the detection accuracy can be further improved.
  • a member or fluid having a high relative magnetic permeability may be inserted between the detection substrate 11 of the detection device 1 and the detection target. Thereby, the detection accuracy can be further improved.
  • a member or fluid with high relative magnetic permeability may be inserted into the space located on the optical path of the fluorescence/excitation light. Thereby, the detection accuracy can be further improved.
  • a high-frequency micro-signal may be input to the antenna conductor 113 through a fiber or the like instead of the dielectric substrate 13 described above.
  • An insulating film may be formed on the antenna conductor 113 described above, and another antenna conductor 113 may be laminated thereon. In this case, it can be operated at multiple frequencies. This facilitates measurement of electron spin resonance points at a plurality of points.
  • the NV center 112 is formed on one surface 111b of the diamond crystal 111, and the antenna conductor 113 is formed on the opposite surface 111a, but the present invention is not limited to this.
  • the NV center 112 and the antenna conductor 113 may be arranged on the surface 111a, and the NV center 112 and the antenna conductor 113 may be arranged on the surface 111b.
  • the above antenna conductor 113 may be configured as follows. An antenna conductor 113 is arranged on one surface of a separate substrate separate from the diamond crystal 111 . Then, one surface of the separate substrate is placed in close contact with the surface of the diamond crystal 111 . The antenna conductor 113 arranged in this way is also included in the radiator provided on the diamond crystal 111 .
  • the separate substrate is preferably, for example, a glass plate transparent to excitation light and fluorescence. A separate substrate made of a glass plate is placed on the surface 111a of the diamond crystal 111. As shown in FIG. Further, if a light receiving element 21 and a light emitting element 22 are arranged thereon, it is possible to input/output light through a separate substrate.
  • the separate substrate may be composed of, for example, a non-light-transmitting substrate that is not a glass plate.
  • a separate substrate which is a non-transparent substrate, is arranged on the surface 111a of the diamond crystal.
  • Light may be input/output to/from the light receiving element 21 and the light emitting element 22 from the lower side of the diamond crystal 111 .
  • Reference Signs List 1 detection device 10 detector 11 detection substrate 111 diamond crystal 111a, 111b surface 112 NV center 113 antenna conductor (radiator) 13 Dielectric Substrate 13a, 13b Surface 131 First Accommodating Part 132 Second Accommodating Part 133 Flange 14 Optical Window 14a, 14b Surface 15 Solder 16 Interior Pattern 17 RF Via 18 Bonding Pad 21 Light Emitting Element 22 Light Receiving Element 31 Oscillating Element (Micro wave source) 100 Dielectric 101, 102, 103, 104 Conductor 200 Signal Control Section 201 Control Section 202 Signal Processing Section F1, F2, F3, F4 Magnetic Field I1, I2, I3, I4 Current

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Abstract

検出基板（１１）は、ＮＶセンタ（１１２）が形成されるダイヤモンド結晶（１１１）と、ダイヤモンド結晶（１１１）に設けられたであるアンテナ導体（１１３）とを備える。

Description

検出基板、検出機及び検出装置
　本開示は、検出基板、検出機及び検出装置に関する。
　特許文献１には、ＳＱＵＩＤ素子を利用し、サンプルの各点上の磁界を測定する装置が開示されている。
特開２０１６－０１４５４１号公報
　特許文献１に記載の技術では、試料とＳＱＵＩＤ素子との間にサファイア窓が挿入され、かつ、サファイア窓とＳＱＵＩＤ素子の間に断熱のための一定距離を設ける必要がある。このため、ＳＱＵＩＤ素子を試料へ近づけることができない。そのため、近接する磁界分布を分離してそれぞれを観察することが難しい。このように、検出精度には改善の余地がある。
　１つの態様に係る検出基板は、一方の面にＮＶセンタが形成されるダイヤモンド結晶と、前記ダイヤモンド結晶のうちＮＶセンタが形成される面と反対側の面に位置する放射体とを備える。
　１つの態様に係る検出機は、検出基板と、誘電体基体とを有する検出機であって、前記検出基板は、ＮＶセンタが形成されるダイヤモンド結晶と、前記ダイヤモンド結晶に設けられた放射体とを備える。
　１つの態様に係る検出装置は、上記の検出機と、発光素子と、受光素子とを備える検出装置であって、前記発光素子は、前記ＮＶセンタへ光を照射し、前記受光素子は、前記ＮＶセンタの蛍光を受光する。
　本開示の１つの態様に係る検出基板、検出機及び検出装置によれば、磁界を高精度に検出できる。
図１は、第１実施形態に係る検出機の検出基板の概略を説明する断面図である。 図２は、第１実施形態に係る検出機及び検出装置の一例を説明する概略図である。 図３は、第１実施形態に係る検出機及び検出装置の他の例を説明する概略図である。 図４は、誘電体基体の他の例を説明する概略図である。 図５は、信号制御部の一例を説明するブロック図である。 図６は、第２実施形態に係る検出機の検出基板の概略を説明する断面図である。 図７は、第２実施形態に係る検出機及び検出装置の一例を説明する概略図である。 図８は、検出基板の一例を説明する概略図である。 図９は、アンテナ導体の一例を説明する平面図である。 図１０は、アンテナ導体の他の例を説明する平面図である。 図１１は、アンテナ導体の他の例を説明する平面図である。 図１２は、アンテナ導体の反射特性の一例を説明するグラフである。
　以下に実施形態に係る検出機及び検出装置について説明する。検出機及び検出装置は、検出対象に発生する磁界を検出するためのものである。図１は、第１実施形態に係る検出機の検出基板の概略を説明する断面図である。図２は、第１実施形態に係る検出機及び検出装置の一例を説明する概略図である。図３は、第１実施形態に係る検出機及び検出装置の他の例を説明する概略図である。
［第１実施形態］
　（検出対象）
　検出対象は、検出機１０及び検出装置１による検出の対象物、言い換えると、試料である。検出対象は、電流によって磁界が発生する。図１に示す例では、検出対象は、誘電体１００と、誘電体１００の内部に配置された導体１０１、導体１０２、導体１０３及び導体１０４とを有する。導体１０１、導体１０２及び導体１０３は、誘電体１００の面１００ａ側に間隔を空けて配置されている。導体１０１、導体１０２及び導体１０３の幅ｄ２１は、例えば１μｍ程度である。導体１０４は、誘電体１００の面１００ｂ側に配置されている。導体１０１には、図１における手前側から奥側に向かって電流Ｉ１が流れる。電流Ｉ１は、誘電体１００の面１００ａ側を流れる。電流Ｉ１による磁界Ｆ１の向きを矢印で示す。導体１０２には、図１における奥側から手前側に向かって電流Ｉ２が流れる。電流Ｉ２は、誘電体１００の面１００ａ側を流れる。電流Ｉ２による磁界Ｆ２の向きを矢印で示す。導体１０３には、図１における手前側から奥側に向かって電流Ｉ３が流れる。電流Ｉ３は、誘電体１００の面１００ａ側を流れる。電流Ｉ３による磁界Ｆ３の向きを矢印で示す。導体１０４には、図１における左側から右側に向かって電流Ｉ４が流れる。電流Ｉ４は、誘電体１００の面１００ｂ側を流れる。電流Ｉ４による磁界Ｆ４の向きを矢印で示す。
　（検出機）
　検出機１０は、検出基板１１と、誘電体基体１３とを備える。
　検出基板１１は、いわゆるダイヤモンドセンサである。検出基板１１は、ダイヤモンド結晶１１１と、ＮＶセンタ１１２と、図示しない高周波線路導体と、放射体であるアンテナ導体１１３とを含む。
　ダイヤモンド結晶１１１は、アンテナ導体１１３と接触する面１１１ａと反対側の面１１１ｂ側にＮＶセンタ１１２が形成される。ダイヤモンド結晶１１１は、１辺の長さｄ１１が例えば２ｍｍである。ダイヤモンド結晶１１１は、厚さｄ１２が例えば１００μｍである。
　面１１１ａは、アンテナ導体１１３が設けられていない部位において露出している。露出した部分を、露出部１１１ｃという。露出部１１１ｃは、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａの中央部に位置する。
　面１１１ｂは、検出対象と対向する磁界作用面である。面１１１ｂ側には、ＮＶセンタ１１２が形成される。面１１１ｂは、検出対象の面と平行を保った状態で、検出対象の面に数μｍ以下のレベルで密着または近接可能に平滑な平面である。面１１１ｂには、検出対象との磁界結合による電流を流すための導体薄膜を設けてもよい。
　ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａに図示しない対物レンズを近接させて配置し、ダイヤモンド結晶１１１及び対物レンズは、表面に反射防止膜を設けてもよい。
　ダイヤモンド結晶１１１は、誘電体基体１３に対してＮＶセンタ１１２を設けた面１１１ｂが突出する。面１１１ｂは、測定対象の磁場を感じる部位となる。
　ＮＶセンタ１１２は、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂ側に単一で配置されていても、複数を配列してもよい。本実施形態では、図１等においては、ＮＶセンタ１１２が複数を配列される状態を図示している。ＮＶセンタ１１２は、方位が一方向にそろっていることが好ましい。ＮＶセンタ１１２は、異なる複数の方位の結晶であってもよい。
　ＮＶセンタ１１２は、ダイヤモンド結晶１１１において、本来は炭素が存在するべきところが窒素で置換され、隣接する位置に空孔がある複合欠陥である。ＮＶセンタ１１２は、縮退する共有電子対の一部が欠損する。ＮＶセンタ１１２は、ゼロ磁場においてｍ＝０とｍ＝±１の２つの準位の軌道角運動量を持った電子を有する。ｍ＝±１の電子は磁気モーメントを持つため外部磁場の影響を受け、ｍ＝±１の縮退も解け、さらに２つのエネルギー準位を有する。これらに起因する電子スピン共鳴を光波及びマイクロ波を用いて検知することにより外部磁場の強度を検出可能である。
　ＮＶセンタ１１２の電子は、５３２ｎｍの波長の光で励起され、緩和の過程で６３８ｎｍの波長の蛍光を放出する。この蛍光過程は電子スピン共鳴周波数においては起こりにくい。そのため、この性質を用いることにより、ｍ＝±１の電子の状態を観測することができる。ダイヤモンド結晶１１１のＮＶセンタ１１２では、ゼロ磁場における電子スピン共鳴周波数が約２．８７ＧＨｚと知られている。この共鳴点の周波数（共鳴周波数）のマイクロ波が照射されたときに６３８ｎｍの波長の蛍光が消光する。また、外部磁場の大きさ等に応じたｍ＝±１の電子の状態の変化により、マイクロ波の共鳴周波数が変化する。そして、この変化を蛍光強度の周波数変化により捉えることで、磁界及び電流をを検出可能である。５３２ｎｍの波長の光は、露出部１１１ｃから入射し、６３８ｎｍの波長の蛍光は露出部１１１ｃから出射する。
　高周波線路導体は、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａ上に形成される。高周波線路導体は、中心導体とそれから一定距離だけ隔てた接地導体とを有する。中心導体と接地度体との距離によりインピーダンスが調整される。中心導体、接地導体はそれぞれ誘電体基体１３の高周波線路導体の中心導体、接地導体に半田１５によって接続される。
　アンテナ導体１１３は、ダイヤモンド結晶１１１のＮＶセンタ１１２に照射するマイクロ波を伝送し放射する。アンテナ導体１１３は、ダイヤモンド結晶１１１のうちＮＶセンタ１１２が形成される面と反対側の面に位置する。アンテナ導体１１３は、誘電体基板１３の内装パターン１６の露出部に半田１５を介在し電気的に接続される。アンテナ導体１１３は、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａ上の外周側に設けられている。アンテナ導体１１３は、面１１１ａの法線方向視（以下、「平面視」という。）においてリング状に形成されている。アンテナ導体１１３は、導体薄膜で形成されたループアンテナである。アンテナ導体１１３の端部は高周波線路導体の接地導体に接続されている。アンテナ導体１１３は、ループの径は数ｍｍ程度である。アンテナ導体１１３の内側の略中央に露出部１１１ｃが配置され、光学的な入出射部となる。また露出部１１１ｃは誘電体基体１３の鍔部１３３の内側に配置される。
　誘電体基体１３は、検出基板１１の外周側を支持する支持基体である。誘電体基体１３は、検出基板１１を収容する。誘電体基体１３は、検出基板１１を収容する筒状に形成されている。本開示では、誘電体基体１３は、検出基板１１の外形に対応した角筒状に形成されている。誘電体基体１３は、例えばＳｉＯ２、ガラス材料、セラミックス材料、ガラスエポキシなどの樹脂系材料で形成される。誘電体基体１３は、高周波伝送線路が形成され、この高周波伝送線路がアンテナ導体１１３と電気的に接続される。
　誘電体基体１３は、第１収容部１３１と、第２収容部１３２と、鍔部１３３とを有する。第１収容部１３１と第２収容部１３２とは、誘電体基体１３の軸方向の中間部に配置された鍔部１３３によって区切られている。鍔部１３３は、誘電体基体１３の内周側に突出している。鍔部１３３は、平面視においてリング状に形成されている。第１収容部１３１は、光学窓１４を支持する支持部である。第１収容部１３１は、誘電体基体１３の軸方向の一方に配置されている。誘電体基体１３の第１収容部１３１の中央部に光学窓１４が配置される。第２収容部１３２は、検出基板１１を支持する支持部である。第２収容部１３２は、誘電体基体１３の軸方向の他方に配置されている。誘電体基体１３の第２収容部１３２の中央部に検出基板１１が配置される。
　図２では、面１１１ｂが、誘電体基体１３の面１３ｂより軸方向に突出している構成を図示したが、面１１１ｂと誘電体基体１３の面１３ｂとは平坦でもよい。
　光学窓１４は、誘電体基体１３に収容され、検出基板１１と向かい合って配置される。光学窓１４は、誘電体基体１３の第１収容部１３１によって支持されている。光学窓１４は、検出機１０の検出基板１１のＮＶセンタ１１２に光を入出力する。光学窓１４は、例えばサファイア、石英などの材料で形成される。光学窓１４の一方の面１４ａは、誘電体基体１３の面１３ｂと反対側の面１３ａと平坦である。光学窓１４の面１４ａと反対側の面１４ｂと、検出基板１１のダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａとは間を空けて対向している。光学窓１４は、必須の構成ではない。
　誘電体基体１３には、検出基板１１にマイクロ波信号を伝送する、内装パターン１６及びＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ビア１７を含む高周波伝送線路が含まれる。高周波伝送線路は、誘電体基体１３上に設けられた２つの導体で構成される。導体の一方が中心導体、他方が接地導体である。中心導体と接地導体とは、一定距離だけ離される。内装パターン１６及びＲＦビア１７は、中心導体と接地導体とのいずれかを構成する。中心導体、接地導体はそれぞれ検出基板１１の高周波線路導体の中心導体、接地導体に半田１５によって接続される。なお内装パターン１６は誘電体基体１３の内部に形成される薄膜状の導体パターンであり、誘電体基体１３の表面に一部露出した部位を含む。
　内装パターン１６及びＲＦビア１７が高周波伝送線路として機能する構成の一例を説明する。ＲＦビア１７は、ビア内壁にスルーホールが形成されている。このスルーホールが信号ラインとして機能する。内装パターン１６は、平面視で信号ライン（中心導体）の両側をグランドライン（接地導体）が走っていてもよい。ＲＦビア１７のスルーホールが、内装パターン１６の信号ラインに接続される。内装パターン１６の信号ラインが、半田１５を介して、アンテナ導体１１３の端部が接続されたパッド１１４２（例えば、図９参照）に接続される。このように高周波のマイクロ波信号は、マイクロ波源、パッド１８、ビア１７、内装パターン１６、半田１５、パッド１１４２、アンテナ導体１１３を順番に経由する高周波伝送経路で伝送される。この結果、アンテナ導体１１３からマイクロ波が発生される。
　半田１５は、誘電体基体１３の鍔部１３３の下面上に設けられている。半田１５は、平面視において、リング状に設けられている。半田１５は、検出基板１１のアンテナ導体１１３及び内装パターン１６と電気的に接続されている。
　内装パターン１６は、誘電体基体１３の鍔部１３３に設けられている。内装パターン１６は、半田１５及びＲＦビア１７に電気的に接続されている。
　ＲＦビア１７は、誘電体基体１３の外周部において、内装パターン１６から誘電体基体１３の面１３ａまで延びている。ＲＦビア１７は、内装パターン１６及びボンディングパッド１８と電気的に接続されている。
　ボンディングパッド１８は、誘電体基体１３の面１３ａ上に設けられている。ボンディングパッド１８は、ＲＦビア１７と電気的に接続されている。
　なお、以上説明した誘電体基体１３では、第１収容部１３１と、第２収容部１３２と、鍔部１３３とを有する例を示したが、これら第１収容部１３１、第２収容部１３２および鍔部１３３を有さない構成としても構わない。
　図４は、誘電体基体の他の例を説明する概略図である。例えば、図４に示すように、誘電体基体１３は、平板状であり中央に貫通孔を有していればよい。誘電体基体１３は、表面または内部に高周波伝送線路を有している。検出基板１１のダイヤモンド結晶１１１は、貫通孔を塞ぐように、誘電体基体１３の下面に設けられている。検出基板１１の上面（面１１１a）に設けられたアンテナ導体１１３は、誘電体基体１３の高周波伝送線路に半田５を介して接続されている。ダイヤモンド結晶１１１の露出部１１１ｃは、貫通孔を通じて、誘電体基体の上面側から視認可能である。高周波伝送線路の端部には高周波コネクタを取り付けてもよい。
　このような構成によれば、ダイヤモンド結晶１１１が小さくても誘電体基体を仲介に使用するから取扱いしやすい大きなサイズのマイクロ波入力端部を設けることができるので、ＮＶセンタ１１２までの特性インピーダンスを制御してマイクロ波を容易に通しやすくなる。このように構成された検出機１０は光およびマイクロ波が面１１１ａ側から入出力されるので面１１１ｂ側に検出対象の微小回路等を接近させて良好な感度で検出することができる。また、ＮＶセンタ１１２に対して、マイクロ波は面１１１a側から照射されるので、面１１１ｂ側からＮＶセンタ１１２に照射される場合よりも、検出対象の微小回路等によってマイクロ波の伝送が阻害されることがない。よって、厚みの大きい検出対象や厚さ方向に複数の回路が含まれる等、さまざまな微小回路等の検出に好適である。またアンテナ導体１１３が小型であっても高周波線路導体や高周波コネクタを使用してマイクロ波を効率良く印加することができるので微小回路等の高分解能な検出に好適なものとなる。
　（検出装置）
　検出装置１は、検出機１０と、発光素子２１及び受光素子２２とを有する。より詳しくは、検出装置１は、検出基板１１と、検出基板１１を収容する誘電体基体１３と、ＮＶセンタ１１２に光を入出力する発光素子２１及び受光素子２２とを含む。検出装置１は、検出対象を載置するサンプルステージ１１０を含んでもよい。
　発光素子２１及び受光素子２２は、検出対象である誘電体１００の磁気を検出する。本実施形態では、発光素子２１及び受光素子２２は、誘電体１００上を走査しながら磁気を検出する。発光素子２１及び受光素子２２は、検出機１０の検出基板１１に向かい合って配置される。発光素子２１及び受光素子２２は、ダイヤモンド結晶１１１のＮＶセンタ１１２に光を入出力する。発光素子２１は、光源であり、受光素子２２は、受光器である。発光素子２１及び受光素子２２は、図示しない制御回路によって制御される。制御回路は、発光素子２１における発光を制御する。制御回路は、受光素子２２における受光を制御する。制御回路は、受光素子２２が受光した赤色蛍光の信号を処理する。制御回路は、結果として磁界の強度を出力する。
　発光素子２１は、検出機１０の検出基板１１へ光を照射する。発光素子２１は、ダイヤモンド結晶１１１を照射する励起光を発光する。発光素子２１は、ＮＶセンタ１１２へ励起光を照射する。発光素子２１は、レーザダイオードである。発光素子２１は、制御回路の制御に基づいて、例えば波長５２７ｎｍのレーザ光を発光する。発光素子２１は、緑色の励起光を発光する。発光素子２１として、例えば緑色発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）、緑色面発光レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ）及び緑色端面発光レーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）等を用いることができる。
　受光素子２２は、検出機１０の検出基板１１の蛍光を検出する。受光素子２２は、フォトダイオードである。受光素子２２は、制御回路の制御に基づいて、ダイヤモンド結晶１１１のＮＶセンタ１１２の蛍光を受光する。受光素子２２は、励起光により発する蛍光を、ダイヤモンド結晶１１１から受光する。受光素子２２は、例えばＳｉ－ＰＩＮフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）及びＩｎＧａＡｓ－ＰＩＮフォトダイオード等を用いることができる。
　発光素子２１及び受光素子２２は、例えば図２に示すように、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａの露出部１１１ｃに密着して配置されてもよい。この場合、発光素子２１及び受光素子２２のそれぞれに対して、誘電体基板１３とは独立に形成された図示しない配線から給電される。
　発光素子２１及び受光素子２２は、例えば図３に示すように、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａの露出部１１１ｃの直上に一定距離だけ離隔されて配置されてもよい。この場合、発光素子２１及び受光素子２２とＮＶセンタ１１２との間に、例えばレンズ、ミラー等の光学部品である光学窓が用いられてもよい。発光素子２１及び受光素子２２は受発光が一体化された光ピックアップであってもよい。
　サンプルステージ１１０は、対象物を載置する台である。サンプルステージ１１０は、平坦な面１１０ａを有する。面１１０ａ上に、対象物が載置される。
　発光素子２１及び受光素子２２を小型化して、検出機１０の検出基板１１のダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａに対して走査しながら蛍光・励起光を入出力してもよい。
　発光素子２１及び受光素子２２は、走査せずに、検出機１０の検出基板１１のダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａの全面に対して蛍光・励起光を入出力可能な形状にしてもよい。
　ダイヤモンド結晶１１１のＮＶセンタ１１２に照射するマイクロ波は、マイクロ波源である発振素子３１（図５参照）によって発生される。発振素子３１は、例えば、電圧制御発振素子（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）である。発振素子３１は、例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ：Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、相補型ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子で構成されてもい。半導体素子の材料は、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、又は、ＧａＮである。このような発振素子が、図示しない高周波回路によって、パッド１８に接続される。図２、図３において、発振素子は図示を省略している。
　（信号制御部）
　図５は、信号制御部の一例を説明するブロック図である。信号制御部２００は、例えばマイクロコンピュータなどである。信号制御部２００は、発光素子２１における発光動作の制御を行う。信号制御部２００は、受光素子２２における受光動作の制御を行う。信号制御部２００は、マイクロ波を発生させるマイクロ波源である発振素子３１におけるマイクロ波の発振動作の制御を行う。信号制御部２００には、受光素子２２が取り込んだ蛍光像の光信号が出力される。信号制御部２００は、信号処理回路である信号処理部２０２及び制御回路である制御部２０１を有する。制御部２０１は、受光素子２２、発光素子２１及び発振素子３１にタイミング信号を供給して動作制御を行う。制御部２０１は、発振素子３１から出力されるマイクロ波の周波数を設定する制御を行う。信号処理部２０２は、受光素子２２から入力された光信号に基づいて蛍光像の画像処理を行う。信号制御部２００及び発振素子３１は、例えば半導体チップなどにそれぞれ形成されている。図５では、信号制御部２００及び発振素子３１が異なる半導体チップによって形成されている例を示したが、これらは１つの半導体チップによって形成するようにしてもよい。
　（検出方法）
　検出装置１を使用した、検出対象の磁界の検出方法について説明する。まず、サンプルステージ１１０の面１１０ａ上に検出対象である誘電体１００を載置する。誘電体１００には、電流Ｉ１、電流Ｉ２、電流Ｉ３及び電流Ｉ４によって、磁界Ｆ１、磁界Ｆ２、磁界Ｆ３及び磁界Ｆ４が発生している。
　検出装置１の検出基板１１の磁界作用面であるダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂに、誘電体１００の面１００ａを近接または密着させる。誘電体１００に発生する磁界の向きまたは大きさの空間的な変化が、検出装置１の検出基板１１のダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂの近傍にあるＮＶセンタ１１２に作用する。
　そして、検出装置１の発光素子２１及び受光素子２２によって、検出基板１１に対して蛍光・励起光が走査される。これにより、検出基板１１のダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａの露出部１１１ｃから、ＮＶセンタ１１２が照射、励起される。発光素子２１及び受光素子２２は、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａの露出部１１１ｃから、励起光で励起されたＮＶセンタ１１２の電子スピン共鳴信号を蛍光で受光する。発光素子２１及び受光素子２２は、磁界の向きまたは大きさの変化に応じた蛍光信号を受信する。
　このようにして、検出装置１の発光素子２１及び受光素子２２は、検出対象の磁荷を検出する。発光素子２１及び受光素子２２によって、検出対象の磁荷の高低が検出される。発光素子２１及び受光素子２２は、発光素子２１及び受光素子２２の検出結果である信号から、磁界の強度を算出し結果として出力する。
　（検出装置の用途）
　図２に示す検出装置１の用途の一例は、磁気力顕微鏡の磁気ヘッドである。磁気ヘッドは、磁気力顕微鏡に接続されて使用される。この場合、信号制御部が形成された半導体素子と、マイクロ波源が形成された半導体素子とは、磁気ヘッド自体ではなく、磁気力顕微鏡に搭載されている。ボンディングパッド１８はマイクロ波源に接続され、発光素子２１及び受光素子２２は信号制御部に接続される。
　（効果）
　以上により、本実施形態では、ダイヤモンド結晶１１１に、ＮＶセンタ１１２及びアンテナ導体１１３を双方とも設けることができる。本実施形態によれば、ＮＶセンタ１１２及びアンテナ導体１１３を近接して設けることができる。これにより、本実施形態は、ＮＶセンタ１１２に対しアンテナ導体１１３を正確に配置することができる。よって、本実施形態は、特定部位のＮＶセンタ１１２に対し十分な強度のマイクロ波を少ない電力で効果的に印加することができる。
　本実施形態では、ダイヤモンド結晶１１１の一方の面１１１ｂにＮＶセンタ１１２が形成され、反対の面１１１ａにアンテナ導体１１３が形成される。本実施形態は、製作上において一方の面１１１ｂのＮＶセンタ１１２に対し他方の面１１１ａのアンテナ導体１１３を正確に配置できる。本実施形態によれば、特定部位のＮＶセンタ１１２に対し十分な強度のマイクロ波を少ない電力で効果的に印加できる。
　本実施形態では、ダイヤモンド結晶１１１の一方の面１１１ｂは、検出対象に近接するように配置される。本実施形態によれば、ＮＶセンタ１１２が検出対象に近接するので、測定精度を向上できる。また、本実施形態は、ダイヤモンド結晶１１１の一方の面１１１ｂにＮＶセンタ１１２が形成され、反対の面１１１ａにアンテナ導体１１３が形成されるので、一方の面１１１ｂをより検出対象に近接できる。
　本実施形態は、アンテナ導体１１３が複数個設けられ回路が複雑化しても、複数部位のＮＶセンタ１１２と各回路とを高精度な位置関係で配置できる。本実施形態によれば、複数のＮＶセンタ１１２を独立に動作させるように拡張することも容易に実装できる。
　本実施形態では、ＮＶセンタ１１２とアンテナ導体１１３とは、ダイヤモンド結晶１１１を挟んで一体化されている。本実施形態によれば、温度変動や機械的振動等、モジュールとしての組立てに対して、配置が変動することが少なくできる。本実施形態によれば、安定性の高い動作を可能にできる。
　本実施形態では、検出装置１の検出基板１１の磁界作用面であるダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂに、検出窓などが設けられていない。本実施形態によれば、検出装置１のダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂを、検出対象に近接または密着させることができる。これにより、本実施形態は、従来は検出が困難であった数μｍ程度の磁界の向きまたは大きさの変化、ｎＴオーダーの電流磁界によって検出される電流ベクトルの空間的な分布を検出できる。このように、本実施形態は、検出対象の検出精度を向上できる。
　本実施形態では、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂに形成されたＮＶセンタ１１２を、検出対象に近接または密着することができる。本実施形態によれば、リーク等の非常に微弱な微小電流も検出できる。
　本実施形態では、検出装置１の発光素子２１及び受光素子２２によって、検出基板１１に対して蛍光・励起光が走査される。本実施形態によれば、検出対象に発生した磁界の向きまたは大きさの変化、電流磁界によって検出される電流ベクトルの空間的な分布を検出できる。本実施形態によれば、複雑な電流磁界の経路、言い換えると、電流経路等を容易に特定できる。
　本実施形態では、誘電体基体１３は、検出基板１１を収容する筒状に形成されている。本実施形態によれば、検出機１０をユニット化することによって取り扱いを容易にできる。
　本実施形態では、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａは、露出部１１１ｃが露出する。本実施形態によれば、発光素子２１及び受光素子２２によって、露出部１１１ｃから、検出機１０の検出基板１１のダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａに対して蛍光・励起光を入出力できる。
　本実施形態では、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂは、平滑な面である。本実施形態によれば、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂは、検出対象の面と平行を保った状態で、検出対象の面に数μｍ以下のレベルで密着または近接できる。本実施形態によれば、数μｍ程度の磁界の向きまたは大きさの変化、ｎＴオーダーの電流磁界によって検出される電流ベクトルの空間的な分布を検出できる。
　本実施形態では、誘電体基体１３に収容され、検出基板１１と向かい合って配置された光学窓１４を備える。本実施形態によれば、検出基板１１を塵埃等から保護できる。
［第２実施形態］
　図６は、第２実施形態に係る検出機の検出基板の概略を説明する断面図である。図７は、第２実施形態に係る検出機及び検出装置の一例を説明する概略図である。図８は、検出基板の一例を説明する概略図である。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成には、同じ符号を付して説明を省略する。
　ダイヤモンド結晶１１１は、１辺の長さｄ１１が例えば１ｍｍである。ダイヤモンド結晶１１１は、厚さｄ１２が例えば２００μｍである。
　面１１１ａは、後述する誘電体基体１３の当接部１３４に当接される。
　図９は、アンテナ導体の一例を説明する平面図である。アンテナ導体１１３は、ダイヤモンド結晶１１１のＮＶセンタ１１２に照射するマイクロ波を伝送する。アンテナ導体１１３は、ダイヤモンド結晶１１１のうちＮＶセンタ１１２が形成される面１１１ｂと反対側の面１１１ａに位置する。アンテナ導体１１３は、半田１５と、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａとの間に介在する。アンテナ導体１１３は、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａ上の外周側に設けられている。アンテナ導体１１３は、面１１１ａの法線方向視（以下、「平面視」という。）においてリング状に形成されている。アンテナ導体１１３は、導体薄膜で形成されたループアンテナである。アンテナ導体１１３は、一部が開口したリング状に形成されている。アンテナ導体１１３の端部は高周波線路導体１１４のパッド導体１１４２に接続されている。アンテナ導体１１３は、ループの径は数ｍｍ程度である。
　アンテナ導体１１３は、微小ループアンテナである。アンテナ導体１１３は、例えば、周波数が２．８ＧＨｚ以上２．９ＧＨｚ以下である。アンテナ導体１１３は、例えば、入力電力が－２０ｄＢｍである。
　高周波線路導体１１４は、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａ上に形成される。高周波線路導体１１４は、中心導体とそれから一定距離だけ隔てた接地導体とを有する。中心導体と接地度体との距離によりインピーダンスが調整される。中心導体、接地導体はそれぞれ誘電体基体１３の図示しない高周波線路導体の中心導体、接地導体に半田によって接続される。なお、図９ないし図１１に示すように、高周波線路導体１１４は接地導体を設けることなく、アンテナ導体１１３を直接的にパッド導体１１４１およびパッド導体１１４２に接続しても構わない。それらの間を接続する線路が高周波線路導体１１４を構成し極力短いことが好ましい。
　パッド導体１１４１には、配線１１４３を介して表面電極２３が接続される。パッド導体１１４１は、例えば、金で構成されている。パッド導体１１４１は、例えば、膜厚が２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
　パッド導体１１４２には、アンテナ導体１１３の端部が接続されている。パッド導体１１４２は、例えば、金で構成されている。パッド導体１１４２は、例えば、膜厚が２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
　発振素子３１は、誘電体基体１３上の配線と電気的に接続される。発振素子３１は、誘電体基体１３と接する。発振素子３１は、ダイヤモンド結晶１１１のうちＮＶセンタ１１２が形成される面１１ｂと反対側の面１１１ａに位置する。発振素子３１は、誘電体基体１３の第３収容部１３５に収容される。発振素子３１は、誘電体基体１３の接地導体にワイヤボンド接続するか、半田ボール接続してもよい。発振素子３１は、誘電体基体１３の当接部１３４において検出基板１１のアンテナ導体１１３と電気的に接続される。
　誘電体基体１３は、誘電体基体１３の図示しない高周波線路導体、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａ上に配置された高周波線路導体１１４、及び、アンテナ導体１１３とが半田を介して、検出基板１１と電気的に接続される。
　誘電体基体１３は、第１収容部１３１と、第２収容部１３２と、第３収容部１３５とを有する。第１収容部１３１と第２収容部１３２とは、軸方向に連続している。第１収容部１３１と第２収容部１３２とは、誘電体基体１３の面１３ａから面１３ｂまで貫通している。第１収容部１３１の開口幅は、第２収容部１３２の開口幅より広い。第１収容部１３１と第２収容部１３２との境界部は、開口幅の狭い当接部１３４を有する。
　第１収容部１３１は、誘電体基体１３の軸方向の一方に配置されている。第１収容部１３１には、発光素子２１及び受光素子２２が配置される。第２収容部１３２は、検出基板１１を支持する支持部である。第２収容部１３２は、誘電体基体１３の軸方向の他方に配置されている。誘電体基体１３の第２収容部１３２の中央部に検出基板１１が配置される。
　第３収容部１３５は、誘電体基体１３の面１３ａに凹状に形成されている。第３収容部１３５は、発振素子３１が配置される。
　第１収容部１３１及び第２収容部１３２と、第３収容部１３５に蓋を設けて内部を気密封止してもよい。誘電体基体１３にリード端子やボール端子を設けても構わない。
　図７では、面１１１ｂが、誘電体基体１３の面１３ｂより軸方向に突出している構成を図示したが、面１１１ｂと誘電体基体１３の面１３ｂとは平坦でもよい。
　半田は、誘電体基体１３の当接部１３４に設けられている。半田は、平面視において、リング状に設けられている。半田は、検出基板１１の高周波線路導体１１４、アンテナ導体１１３、及び、誘電体基体１３の内装パターンと電気的に接続されている。
　（検出装置）
　発光素子２１及び受光素子２２は、アンテナ導体１１３のリング状の内側に配置される。光出射部及び光入射部が、面１１１ａに向いて配置されている。発光素子２１及び受光素子２２は、例えば図７に示すように、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａの露出部１１１ｃに密着して配置される。この場合、発光素子２１及び受光素子２２のそれぞれに対して、誘電体基体１３とは独立に形成されたパッド導体１１４１及び配線１１４３から給電される。発光素子２１及び受光素子２２は、誘電体基体１３の接地導体にワイヤボンド接続するか、半田ボール接続してもよい。
　発光素子２１及び受光素子２２は、例えば、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａの露出部１１１ｃの直上に一定距離だけ離隔されて配置されてもよい。この場合、発光素子２１及び受光素子２２とＮＶセンタ１１２との間に、例えばレンズ、フィルター、アイソレータ、ミラー、反射防止膜等の光学部品が用いられてもよい。
　発光素子２１及び受光素子２２は、１辺の長さｄ１３が例えば３００μｍである。発光素子２１及び受光素子２２は、厚さｄ１４が例えば１００μｍである。
　表面電極２３は、発光素子２１の下面である面２１ｂ及び受光素子２２の下面である面２２ｂにそれぞれ配置されている。表面電極２３は、誘電体基体１３の接地導体にワイヤボンド接続される。
　裏面電極２４は、発光素子２１の上面である面２１ａ及び受光素子２２の上面である面２２ａにそれぞれ配置されている。裏面電極２４は、誘電体基体１３の接地導体にワイヤボンド接続される。
　発光素子２１の上面及び受光素子２２の上面とは、発光素子２１、受光素子２２における、ダイヤモンド結晶１１１と反対側の面である。発光素子２１の下面及び受光素子２２の下面とは、発光素子２１、受光素子２２における、ダイヤモンド結晶１１１側の面である。発光素子２１及び受光素子２２における光の入出力側の面は、ＮＶセンタ１１２を向いている。
　発光素子２１が、例えばＬＥＤやＬＤ等のダイオードである場合、表面電極２３及び裏面電極２４は、それぞれアノード電極又はカソード電極として機能する。表面電極２３及び裏面電極２４のどちらが、アノード電極で又はカソード電極であってもよい。受光素子２２が、例えばＰＤ等のダイオードである場合、表面電極２３及び裏面電極２４は、それぞれアノード電極又はカソード電極として機能する。表面電極２３及び裏面電極２４のどちらが、アノード電極で又はカソード電極であってもよい。発光素子２１の表面電極２３は、配線１１４３を介してパッド導体１１４１と接続される。受光素子２２の表面電極２３は、配線１１４３を介してパッド導体１１４１と接続される。電気的には、パッド導体１１４１と裏面電極２４とは、信号制御部２００（図５参照）が形成された半導体素子に接続される。
　（検出方法）
　検出装置１の検出基板１１の磁界作用面であるダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂに、誘電体１００の面１００ａを近接または密着させる。図５に示すように、マイクロ波源である発振素子３１が発生させたマイクロ波は、誘電体基体１３の内部に設けた、図示しない高周波伝送線路を通じて検出基板１１のアンテナ導体１１３に伝搬する。そして、アンテナ導体１１３からマイクロ波が放射される。そして、放射されたマイクロ波は、ＮＶセンタ１１２に作用し電子スピン共鳴を生じさせる。誘電体１００に発生する磁界の向きまたは大きさの空間的な変化が、検出装置１の検出基板１１のダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂの近傍にあるＮＶセンタ１１２に作用する。
　そして、検出装置１の発光素子２１及び受光素子２２によって、検出基板１１に対して蛍光・励起光が走査される。より詳しくは、発光素子２１の緑色の励起光は、ダイヤモンド結晶１１１の裏面である面１１１ａの露出部１１１ｃ側から表面である面１１１ｂ側に入射する。そして、面１１１ｂ側に入射した緑色の励起光は、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂ内で広がりをもって拡散し、ＮＶセンタ１１２を照射し励起する。これにより、検出基板１１のダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａの露出部１１１ｃから、ＮＶセンタ１１２が照射、励起される。
　そして、励起されたＮＶセンタ１１２は、赤色の蛍光を発生し、ダイヤモンド結晶１１１の表面である面１１１ｂ側から裏面である面１１１ａの露出部１１１ｃ側に入射する。そして、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａ内で広がりをもって拡散し、受光素子２２の受光面に入射する。発光素子２１及び受光素子２２は、ダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａの露出部１１１ｃから、励起光で励起されたＮＶセンタ１１２の電子スピン共鳴信号を蛍光で受光する。発光素子２１及び受光素子２２は、磁界の向きまたは大きさの変化に応じた蛍光信号を受信する。
　測定対象の磁場は、ＮＶセンタ１１２に作用し電子スピン共鳴周波数を変化させる。電子スピン共鳴周波数の変化に応じて赤色の蛍光強度が変化する。そして、検出装置１は、これを読み取ることにより磁場の大きさを検出する。また、検出装置１は、電流による磁場を測定することにより、電流センサーとして動作する。
　（検出装置の用途）
　図７に示す検出装置１の用途の一例は、バッテリーの充放電電流の計測用デバイスである。この場合、信号制御部が形成された半導体素子と、マイクロ波源が形成された半導体素子とは、ダイヤモンド結晶１１１と一体のモジュールとして構成される。図７では、マイクロ波源が形成された半導体素子のみ、発振素子３１として図示しているが、別途信号制御部が形成された半導体素子が設けられていてもよい。
　（効果）
　以上により、本実施形態は、検出装置１は、検出機１０と、発光素子２１及び受光素子２２とを一体化して形成する。本実施形態は、発振素子３１が誘電体基体１３上の配線と電気的に接続される。本実施形態は、ダイヤモンド結晶を用いた磁気センサーを、小型、簡素、堅牢に構成できる。本実施形態によれば、ダイヤモンド結晶にはヒステリシスがなく、磁場計測の直線性がよいので、高精度に電流積算を検出できる。本実施形態は、例えば、二次電池に充電と放電を繰り返し行ったときに誤差が積算されず、蓄電池の充電量を正確に把握したり予測したりできる。本実施形態は、例えば、電気自動車の蓄電池システム及びインバータシステム等に好適に用いることができる。
　本実施形態では、発振素子３１が誘電体基体１３と接している。本実施形態によれば、ダイヤモンド結晶を用いた磁気センサーを、小型化できる。
　本実施形態では、発振素子３１は、ダイヤモンド結晶１１１のうちＮＶセンタ１１２が形成される面１１ｂと反対側の面１１１ａに位置し、検出装置１の検出基板１１の磁界作用面であるダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂ側には位置しない。本実施形態によれば、検出装置１のダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂを、検出対象に近接または密着させることができる。
　本実施形態では、検出装置１の検出基板１１の磁界作用面であるダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂは、誘電体基体１３の面１３ｂより突出している。本実施形態によれば、検出装置１のダイヤモンド結晶１１１の面１１１ｂを、検出対象に近接または密着させることができる。これにより、本実施形態は、従来は検出が困難であった数μｍ程度の磁界の向きまたは大きさの変化、ｎＴオーダーの電流磁界によって検出される電流ベクトルを検出できる。このように、本実施形態は、検出対象の検出精度を向上できる。
　（変形例１）
　図１０は、アンテナ導体の他の例を説明する平面図である。図１０に示すアンテナ導体１１３は、一辺が開放した矩形の枠状に形成されている。アンテナ導体１１３の内側に、発光素子２１及び受光素子２２が配置されている。
　（変形例２）
　図１１は、アンテナ導体の他の例を説明する平面図である。図１１に示すアンテナ導体１１３は、矩形の枠状に形成されている。アンテナ導体１１３の一部に、櫛部１１５が設けられている。櫛部１１５は、アンテナ導体１１３の矩形のうちの一つの辺から対向する辺に向かう櫛歯を有する櫛部１１５１と、対向する辺から一つの辺に向かう櫛歯を有する櫛部１１５２とが噛み合っている。櫛部１１５は所謂ＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と呼ばれるものであり、容量（キャパシタンス）形成部を構成する。櫛部１１５１および櫛部１１５２はキャパシタンスを構成する。櫛部１１５１および櫛部１１５２は電極子のライン＆スペースや対数を調整することにより、アンテナ導体１１３に入射する特定周波数のマイクロ波の反射を抑制することができる。櫛部１１５を設けることにより、アンテナ１１３を微小サイズにしても３ＧＨｚ程度のマイクロ波を効果的に放射させることができるので微小回路の検出に適したものとなる。このように、放射体であるアンテナ導体１１３は、第１櫛部１１５１を有する第１辺と、第２櫛部１１５２を有する第２辺とを有している。第１櫛部１１５１と第２櫛部１１５２とは、噛み合うように配置されて容量形成部を形成している。図１２は、アンテナ導体１１３の反射特性の一例を説明するグラフである。図１２は、パッド導体１１４２からみたＳ１１反射特性の一例である。図１２に示すＳ１１反射特性によれば、アンテナ導体１１３からの２．７～２．９ＧＨｚのマイクロ波の反射が抑制され、アンテナ導体１１３から２．７～２．９ＧＨｚのマイクロ波が効果的に放射されることがわかる。
　上記において、検出装置１の検出基板１１と検出対象との間に、比透磁率の高い部材または流体を挿入してもよい。これにより、検出精度をより向上できる。
　上記において、検出機１０の内部において、蛍光・励起光の光路上に位置する空間部に、比透磁率の高い部材または流体を挿入してもよい。これにより、検出精度をより向上できる。
　（その他の変形例）
　上記において、検出装置１の検出基板１１と検出対象との間に、比透磁率の高い部材または流体を挿入してもよい。これにより、検出精度をより向上できる。
　上記において、検出機１０の内部において、蛍光・励起光の光路上に位置する空間部に、比透磁率の高い部材または流体を挿入してもよい。これにより、検出精度をより向上できる。
　上記の誘電体基体１３の代わりに、ファイバ等によって高周波のマイクロ信号をアンテナ導体１１３に入力してもよい。
　上記のアンテナ導体１１３上に絶縁膜を形成し、その上にさらに別のアンテナ導体１１３を積層させてもよい。この場合、複数の周波数で動作させることができる。これにより、複数点の電子スピン共鳴点の測定を容易にできる。
　上記では、ダイヤモンド結晶１１１の一方の面１１１ｂにＮＶセンタ１１２が形成され、反対の面１１１ａにアンテナ導体１１３が形成されるものとして説明したが、これに限定されない。面１１１ａに、ＮＶセンタ１１２及びアンテナ導体１１３が配置されてもよいし、面１１１ｂに、ＮＶセンタ１１２及びアンテナ導体１１３が配置されてもよい。
　上記のアンテナ導体１１３は、次のように構成されていてもよい。ダイヤモンド結晶１１１とは別体の別体基板の一方の面にアンテナ導体１１３を配置する。そして、別体基板の一方の面を、ダイヤモンド結晶１１１の面に密着させて配置する。このように配置されたアンテナ導体１１３も、ダイヤモンド結晶１１１に設けられた放射体に含まれる。別体基板は、例えば励起光および蛍光に対し透明なガラス板であることが好ましい。ガラス板で構成された別体基板をダイヤモンド結晶１１１の面１１１ａ上に配置する。そして、その上にさらに受光素子２１及び発光素子２２を配置すれば、別体基板を通して光の入出力が可能である。また、別体基板は、例えば、ガラス板ではない非透光基板で構成されてもよい。この場合、非透光基板である別体基板をダイヤモンド結晶の面１１１ａ上に配置する。そして、ダイヤモンド結晶１１１の下側から、受光素子２１及び発光素子２２との光の入出力を行ってもよい。
　本出願の開示する実施形態は、発明の要旨及び範囲を逸脱しない範囲で変更できる。さらに、本出願の開示する実施形態及びその変形例は、適宜組み合わせることができる。
　添付の請求項に係る技術を完全かつ明瞭に開示するために特徴的な実施形態に関し記載してきた。しかし、添付の請求項は、上記実施形態に限定されるべきものでなく、本明細書に示した基礎的事項の範囲内で当該技術分野の当業者が創作しうるすべての変形例及び代替可能な構成を具現化するように構成されるべきである。
　１　検出装置
　１０　検出機
　１１　検出基板
　１１１　ダイヤモンド結晶
　１１１ａ、１１１ｂ　面
　１１２　ＮＶセンタ
　１１３　アンテナ導体（放射体）
　１３　誘電体基体
　１３ａ、１３ｂ　面
　１３１　第１収容部
　１３２　第２収容部
　１３３　鍔部
　１４　光学窓
　１４ａ、１４ｂ　面
　１５　半田
　１６　内装パターン
　１７　ＲＦビア
　１８　ボンディングパッド
　２１　発光素子
　２２　受光素子
　３１　発振素子（マイクロ波源）
　１００　誘電体
　１０１、１０２、１０３、１０４　導体
　２００　信号制御部
　２０１　制御部
　２０２　信号処理部
　Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４　磁界
　Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４　電流

Claims (18)

  1. 　ＮＶセンタが形成されるダイヤモンド結晶と、
    　前記ダイヤモンド結晶に設けられた放射体と
    　を備える検出基板。
  2. 　前記ＮＶセンタは、前記ダイヤモンド結晶の一方の面に配置され、
    　前記放射体は、前記ダイヤモンド結晶のうち前記ＮＶセンタが形成される面と反対側の面に配置される、
    　請求項１に記載の検出基板。
  3. 　前記ダイヤモンド結晶の一方の面は、検出対象に近接するように配置される、
    　請求項２に記載の検出基板。
  4. 　前記放射体は、第１櫛部を有する第１辺と、第２櫛部を有する第２辺と、を有しており、第１櫛部と第２櫛部が噛み合うように配置されて容量形成部を形成している、
    　請求項１に記載の検出基板。
  5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の検出基板と、
    　誘電体基体と
    　を備える検出機。
  6. 　前記ＮＶセンタは、前記ダイヤモンド結晶の一方の面に配置され、
    　前記放射体は、前記ダイヤモンド結晶のうち前記ＮＶセンタが形成される面と反対側の面に配置される、
    　請求項５に記載の検出機。
  7. 　前記ダイヤモンド結晶の一方の面は、検出対象に近接するように配置される、
    　請求項６に記載の検出機。
  8. 　前記誘電体基体は、前記放射体を介して、前記検出基板と電気的に接続される、
    　請求項５から７のいずれか一項に記載の検出機。
  9. 　前記誘電体基体は、前記誘電体基体上の配線と電気的に接続される発振素子を備え、
    　前記放射体は、前記配線を介して、前記発振素子と電気的に接続される、
    　請求項８に記載の検出機。
  10. 　前記発振素子は、前記誘電体基体と接する、
    　請求項９に記載の検出機。
  11. 　前記発振素子は、前記ＮＶセンタが形成される面と反対側の面に位置する、
    　請求項１０に記載の検出機。
  12. 　前記誘電体基体は、前記検出基板を収容する筒状に形成されている、
    　請求項５から１１のいずれか一項に記載の検出機。
  13. 　前記放射体は、リング状に形成され、
    　前記ダイヤモンド結晶のうち前記ＮＶセンタが形成される面と反対側の面は、前記放射体が配置されていない部分が露出する、
    　請求項５から１２のいずれか一項に記載の検出機。
  14. 　前記ダイヤモンド結晶のうち前記ＮＶセンタが形成される面は、平滑な面である、
    　請求項５から１３のいずれか一項に記載の検出機。
  15. 　請求項５から１４のいずれか一項に記載の検出機と、発光素子と、受光素子とを備える検出装置であって、
    　前記発光素子は、前記ＮＶセンタへ光を照射し、
    　前記受光素子は、前記ＮＶセンタの蛍光を受光する、
    　検出装置。
  16. 　前記発光素子と前記受光素子とは、前記ダイヤモンド結晶のうち前記ＮＶセンタが形成される面と反対側の面における、前記放射体が配置されていない部分に密着して配置される、
    　請求項１５に記載の検出装置。
  17. 　前記発光素子と前記受光素子とは、前記ダイヤモンド結晶のうち前記ＮＶセンタが形成される面と反対側の面における、前記放射体が配置されていない部分の直上に一定距離だけ離隔されて配置される、
    　請求項１６に記載の検出装置。
  18. 　前記検出機は、前記誘電体基体に収容され、前記検出基板と向かい合って配置された光学窓
    　を備える、請求項１７に記載の検出装置。
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