用于借助于光学磁共振测量来进行磁场测量的传感器装置的制作方法

本发明涉及一种用于借助于光学磁共振测量(odmr)来进行磁场测量的传感器装置，其包括具有多个颜色中心、尤其是氮缺陷部位的金刚石、激光发射器、第一光电探测器和电路板，其中所述激光发射器被构造用于对金刚石中的颜色中心进行荧光激励，其中所述第一光电探测器被构造用于接收金刚石的颜色中心的荧光辐射。

背景技术：

1、在金刚石中带负电荷的氮缺陷部位-中心、即由金刚石晶格中的替代性的氮原子和直接在晶格中相邻的缺陷部位所构成的颜色中心，能够用于磁场、电场、机械应力和温度的高度灵敏的测量。这样的量子技术相对于传统的传感器原理提供决定性的优点。所述优点尤其在于超高的灵敏度、矢量测磁电学法(磁场的方向确定)的可行方案以及大的线性测量范围(塞曼效应)。此外不出现退化，因为颜色中心是稳定的或者不退色并且所述测量基于量子力学的状态。为了读出基于氮缺陷部位-中心的传感器，基础状态的三元组的磁共振被光学探测(odmr-optically detected magnetic resonance)。为此，必须用绿光来激励氮缺陷部位-中心。在此，经红移的荧光在电子自旋共振的能量位置处显示出表征的凹陷。所述位置由于塞曼效应而线性地取决于在氮缺陷部位-中心的位置处的磁场。因为单晶金刚石中的氮缺陷部位-中心拥有四种在晶格中定向的可行方案，所以在存在定向磁场时出现的情况是，在晶体中存在的氮缺陷部位-中心根据晶体中的位置不同程度地对外部磁场作出反应。也就是说，所述磁场到氮缺陷部位-轴线上的投影不一样大。由此，在最大情况下，可能在光谱中出现四对彼此相关的荧光最小值，从其形状和相对于彼此的位置中能够明确地确定所述磁场的大小和方向。

2、为了在存在弱的外磁场的情况下就已经能够获得矢量信息，必须通过合适的技术措施来确保即使没有从外部作用到所述传感器上的磁场，也能够在odmr频谱中区分金刚石晶体中的所有四种可能的氮缺陷部位-定向的贡献。这能够通过静态的偏置磁场来进行，该偏置磁场在所述传感器的内部通过相应的技术措施来提供。所述偏置磁场必须在敏感的金刚石体积的内部具有尽可能均匀的场强，因为所述偏置磁场的不均匀性损害所述传感器的灵敏度。所述偏置磁场的强度为了对四个氮缺陷部位定向进行有效分离而应当在100μt与10mt之间、理想地为大约1mt。所述偏置场在金刚石体积的区域中允许与额定值相差不超过1‰。所述偏置场的产生能够通过永磁体或通过由电流流过的线圈来进行。

3、为了能够实现的灵敏度，需要以大约为100kw/cm2的饱和功率密度的大约1％来光学泵浦金刚石中的氮缺陷部位。为了实现这样的强度，要使用激光发射器。

4、对于已知的用于借助于光学磁共振测量来进行磁场测量的传感器装置来说，这种激光发射器是独立的组件，并且光或是通过自由射束镜组或是通过光纤被引导至金刚石。因此，已知的用于进行磁场测量的传感器装置需要大的结构空间，由此可能的应用场景受到了限制。此外，单独的激光发射器显著地助长了制造成本，因而不能服务于具有巨大的成本压力的应用情况。

5、由本技术人的de 102018214617 a1已知一种传感器装置，其具有晶体本体、尤其是金刚石、多个颜色中心、尤其氮缺陷部位、用于用可见光来照射晶体本体的光源、用于用微波来照射晶体本体的高频装置以及光电探测器。所述光电探测器被设立用于探测由于通过可见光和微波对晶体本体进行照射而产生的荧光，其中所述传感器装置具有布置在晶体本体与光电探测器之间的梯度折射率透镜或布置在晶体本体与光电探测器之间的光导体和/或至少部分地将用于可见光的光源包围的镜和/或至少一个将晶体本体的表面的一部分覆盖的滤光层。

技术实现思路

1、本发明的任务在于，提供一种用于借助于光学磁共振测量来进行磁场测量的传感器装置，其相对于已知的装置具有减小的结构尺寸和降低的制造成本。

2、为了解决本发明的任务，提出一种用于借助于光学磁共振测量(odmr)来进行磁场测量的传感器装置，其包括具有多个颜色中心、尤其是氮缺陷部位的金刚石、激光发射器、第一光电探测器和电路板，其中所述激光发射器被构造用于对金刚石中的颜色中心进行荧光激励，其中所述第一光电探测器被构造用于接收金刚石的颜色中心的荧光辐射，其中规定，所述电路板具有多个层，所述层包括至少一个处于里面的层，所述激光发射器布置在电路板的上侧上，所述第一光电探测器布置在电路板的下侧面上，所述金刚石在电路板的内部布置在至少一个处于里面的层的延伸平面中，并且所述层中的至少一个层具有导引电流的结构，所述导引电流的结构被构造用于产生垂直于电路板的层来定向的均匀的并且穿透金刚石的磁场。

3、在本发明的范围内，概念“氮缺陷部位”、“氮缺陷部位-中心”和“nv-中心”用作同义词并且能够彼此交换。

4、所述颜色中心、尤其是氮缺陷部位-中心和/或nv-中心优选带负电荷。

5、借助于所述按本发明的传感器装置所适合的光学磁共振测量(odmr)进行磁场测量的物理原理对本领域技术人员来说是已知的并且在此不作详细解释。

6、所述按发明的传感器装置的电路板具有多个层。这尤其是说，电路板由基片的多个层构成，其中每个层都能够具有导电的结构。所述层的延伸平面彼此平行，并且所述层以彼此未隔开的、处于直接的物理接触中的方式来布置并且彼此连接。

7、所述电路板具有至少一个处于里面的层。因此，所述电路板具有至少三个层。在至少一个处于里面的层的延伸平面中布置了所述传感器装置的金刚石。为此，能够在所述至少一个处于里面的层中设置相应的留空部。在垂直于处于里面的层的延伸平面的方向上，所述金刚石能够突出超过所述处于里面的层，使得所述金刚石至少部分地也布置在电路板的其它处于里面的层中，如果存在所述其它处于里面的层的话。因为所述金刚石在电路板的内部布置在至少一个处于里面的层的延伸平面中，所以所述处于里面的层包括金刚石。

8、现在，根据本发明而规定，所述层中的至少一个层具有导引电流的结构，所述结构被构造用于产生垂直于电路板的层来定向的均匀的并且穿透金刚石的磁场。

9、所述均匀的并且穿透金刚石的磁场在此能够是偏置磁场，用该偏置磁场在磁共振测量期间即使在没有从外部作用到传感器装置上的磁场的情况下也能够区分所述金刚石中的氮缺陷部位的可能的自旋定向的贡献。

10、在所述按本发明的传感器装置上特别有利的是，通过所述金刚石在电路板的内部中的布置并且通过所述布置在电路板的内部中的导引电流的结构，能够提供用于一种特别紧凑的用于进行磁场测量的传感器装置。此外，制造成本得到了降低。

11、在此，所述导引电流的结构能够被构造为线圈或被构造为电流回路。也就是说，所述导引电流的结构能够在垂直于层的延伸平面朝电路板看的俯视图中圆形地或环形地构成。此外能够规定，所述导引电流的结构包围布置在处于里面的层中的金刚石。

12、在已知的装置中，所述偏置磁场例如用布置在传感器装置的外部的亥姆霍兹线圈对来产生。在所述按本发明的传感器装置中，能够省去外部的亥姆霍兹线圈对的使用。所述偏置磁场的产生由被集成到电路板中的导引电流的结构承担。

13、能够进一步有利地规定，所述激光发射器是激光二极管并且/或者所述光电探测器是光电二极管。激光二极管能够提供所需要的用于金刚石的氮缺陷部位-中心的光学激励的强度。此外，激光二极管和/或光电二极管小且成本低。

14、所述激光发射器优选被构造用于发射处于优选在520nm至530nm之间的绿色范围内的光。

15、能够进一步有利地规定，所述层中的多个层具有用于产生均匀磁场的导引电流的结构，其中所述层优选布置在包括金刚石的层的上方和下方。

16、在一种特殊的实施方式中，在所述包括金刚石的层的上方设置了至少一个另外的层，所述另外的层包括例如作为电流回路或作为线圈来构成的导引电流的结构。此外，优选在所述包括金刚石的层的下方设置了另一个层，所述另一个层包括例如作为电流回路或作为线圈来构成的导引电流的结构。在所述包括金刚石的层的上方和下方也能够设置多个具有导引电流的结构的层。

17、概念“上方”和“下方”涉及垂直于层的延伸平面的方向，其中在所述包括金刚石的层的上方布置的层更靠近所述上侧面和布置在上侧面上的激光发射器，并且在所述包括金刚石的层的下方布置的层更靠近所述下侧面和布置在下侧面上的光电探测器。

18、优选能够规定，所述激光发射器的发射方向平行于电路板的上侧面来定向，并且在所述激光发射器的第一光出射侧上布置了第一光学元件，该第一光学元件被构造用于使从第一光出射侧出射的激光优选偏转90°，使得所述激光射到金刚石上。

19、所述第一光学元件因此被构造用于：使从所述激光发射器的第一光出射侧出射的、平行于电路板的上侧面地离开激光发射器的激光束优选以90°偏转到电路板的内部中，使得所述激光射到布置在那里的金刚石上。因此，所述激光发射器能够齐平地并且直接地被固定在电路板的上侧面上，由此节省结构空间。

20、优选地规定，所述第一光学元件以与激光发射器的第一光出射侧处于紧挨着的且直接的物理接触之中的方式来布置。

21、优选地规定，所述第一光学元件是镜或棱镜。

22、进一步优选地设置了第二光电探测器，其中所述第二光电探测器布置在电路板的下侧面上，并且在与所述激光发射器的第一光出射侧对置的第二光出射侧上设置了第二光学元件、优选镜或棱镜，所述第二光学元件被构造用于使从第二光出射侧出射的激光优选偏转90°，使得所述激光射到第二光电探测器上。

23、用从所述第二光出射侧出射的并且被偏转到第二光电探测器上的激光，能够构造参考激光束并且用第二光电探测器对其进行测量。所述参考激光束用于对激光功率中的波动进行校正。

24、为了使由所述第二光学元件偏转的激光从电路板的上侧面出发到达布置在电路板的下侧面上的第二光电探测器，能够设置从上侧面至下侧面穿过电路板的孔或开口。必要时，所述开口或孔能够用导光介质来填满。

25、为了使由所述第一光学元件偏转的激光从电路板的上侧面出发到达布置在电路板的内部的金刚石，能够相应地设置从上侧面直至金刚石穿过所述电路板的孔或开口。必要时，所述开口或孔能够用导光介质来填满。此外，能够设置另一个从金刚石一直伸展到下侧面的孔或开口，以便金刚石的荧光辐射能够到达所述第一光电探测器。

26、优选地规定，由所述第一光学元件并且/或者由所述第二光学元件偏转的激光在垂直于所述层的方向上穿过电路板。

27、能够优选地规定，在所述第一光学元件与所述金刚石之间布置了第一光学透明体、优选玻璃块，使得由所述第一光学元件偏转的光穿过所述第一光学透明体并且射到所述金刚石上。

28、由所述第一光学元件偏转的激光从所述第一光学元件中出射并且进入到所述第一光学透明体中。所述光随后穿过光学透明体直至金刚石，以便对其进行光学激励。所述光学透明体能够为此布置在相应的、处于电路板中的金刚石上方的孔或开口中。

29、特别优选的是，所述第一光学透明体与所述第一光学元件的出射侧没有隔开并且处于直接的物理接触之中。进一步优选的是，所述布置在第一透明体下方的金刚石与所述第一光学透明体的下侧面没有隔开并且处于直接的物理接触之中。

30、优选所述金刚石在上侧面上、优选在朝向第一光学透明体的一侧上具有光学涂层、尤其是红光反射器，所述红光反射器负责使绿色的激发光几乎完全被透射，而所述颜色中心的具有大于约700nm的波长的红色荧光则几乎完全地被反射。此外优选的是，所述金刚石在下侧面上具有光学涂层、尤其是绿光反射器，所述绿光反射器负责使具有大于700nm的波长的红色荧光几乎完全被透射，而所述激光发射器的绿色激发光则几乎完全被反射。

31、进一步有利地规定，在所述金刚石与所述第一光电探测器之间布置了第二光学透明体、尤其是玻璃块，在所述第二光学透明体的上侧面上布置了金属印制导线，其中所述电路板的层具有用于为金属印制导线供给电压的导线。

32、在所述金刚石的下方、也就是在更靠近电路板的下侧面的地方能够布置第二光学透明体，该第二光学透明体进一步优选在直接的物理接触之中并且不隔开地布置在金刚石上。换句话说，处于包括金刚石的层之下的、电路板的层中的至少一个层包括第二光学透明体。所述第二光学透明体在上侧面上、即在朝向金刚石的一侧上具有金属印制导线或金属涂层。所述印制导线能够以几微米的宽度和间距来施加。所述电路板的包括第二光学透明体的层或者邻接的层此外具有用于为第二光学透明体的金属印制导线供给电压的导线。通过将交流电压施加到相应的层的导线上这种方式，能够向所述第二光学透明体上的金属印制导线供给交流电流。由此在所述金刚石中产生微波磁场，其平行于所述电路板的上侧面来定向。特别优选的是，为此设置了大约2.87ghz的微波频率。

33、在此，所述第二光学透明体能够在延伸平面中构造得比所述金刚石大。

34、所述第二光学透明体优选与金刚石处于直接的且不隔开的物理接触之中。

35、优选地规定，在所述第二光学透明体与所述第一光电探测器之间布置了第三光学透明体。

36、所述第三光学透明体优选与所述第二光学透明体的下侧面处于直接的物理接触之中。此外，所述第三光学透明体优选与所述第一光电探测器的上侧面处于直接的物理接触之中。

37、从所述金刚石中出射的荧光穿过所述第二光学透明体和第三光学透明体并且到达所述第一光电探测器。在所述电路板的内部，能够为所述第一、第二和第三光学透明体设置孔、留空部或开口。

38、尤其优选的是，所有光学元件、也就是所述激光发射器、第一光学元件、第一光学透明体、金刚石、第二光学透明体、第三光学透明体和光电探测器以这个顺序相互处于直接的物理接触之中。由此确保了所述激光器的最佳的射束导引并且减小了用于所述传感器装置的结构空间。

39、能够进一步有利地规定，在所述第二光学元件与所述第二光电探测器之间布置了第四光学透明体、优选是玻璃块。

40、所述第四光学透明体进一步优选地与所述第二光学元件的出射侧和所述第二光电探测器的上侧面处于直接的物理接触之中。所述第四光学透明体优选布置在从上侧面到下侧面穿过电路板的孔、留空部或开口中。

41、优选地规定，所述电路板具有至少5个层、优选至少7个层。

42、进一步优选地规定，在所述电路板的下侧面上布置了吸热装置和/或物料，所述吸热装置和/或物料通过从下侧面伸展至上侧面的热的和/或电的导通孔与激光发射器连接。

43、通过电的或热的导通孔能够将所述激光发射器的可能高达100mw的电损耗功率导出到传感器装置或电路板的下侧面上并且在那里在吸热装置中在较大的面积范围内分布。

44、优选所述激光发射器、尤其是激光二极管以阴极侧被固定、尤其是被钎焊在电路板的上侧面上。进一步优选的是，所述激光发射器的阳极触头通过引线与电路板的最上面的层相连接。

45、此外优选的是，所述第一和/或第二光电探测器的阴极被电连接且被热连接到吸热装置和/或物料。

46、进一步有利的是，能够在所述吸热装置与所述电路板的下侧面之间设置间隔垫片、即所谓的间隔物。

47、所述间隔垫片提高了所述构造的机械稳定性。

48、还进一步有利的是，至少五个层具有用于产生均匀磁场的导引电流的结构。

49、特别优选的是，所述电路板具有在延伸平面中测量的5mm×5mm的尺寸。此外，所述用于激光发射器驱动电路、用于微波驱动电路和用于光电探测器的测评电路的组件能够被集成在电路板之上或之中。这些组件优选被构造为asic组合件。

50、非常特别优选的是，所述传感器装置具有2cm×2cm×0.5cm的盒容积。