用于测量磁场的磁场传感器和方法与流程

本发明涉及一种磁场传感器、尤其是基于由应变引起的磁共振偏移的磁场传感器，和一种用于测量磁场的方法以及一种用于执行该方法的计算单元和一种用于执行该方法的计算机程序。

背景技术：

1、对于磁场传感器，当前可用的最灵敏的传感器技术是使用超导量子干涉器件(squids)，利用这些超导量子干涉器件可以对各个磁通量量子进行分辨。这些高灵敏度对于实现比如磁图等应用是必需的，即依据在神经元中产生的信号电流及其感应磁场对大脑活动的局部测量。在此，需要几个皮特斯拉(pt)的磁传感器的分辨能力。然而，squids的缺点在于需要冷却到超导转变温度以下，该超导转变温度对于大多数超导材料来说低于63k、即液氮的温度。

2、可在室温下运行并且具有类似灵敏度的传感器技术是基于金刚石中氮空位中心的磁力计(金刚石中的氮空位，nv中心)，比如在de 102018220234a1或de 102018214617a1中所介绍的那样。在此，对光学激发和读取的共振频率进行评估，这些共振频率在磁场中由于塞曼效应而分裂，其中分裂状态的频率间隔取决于待测量磁场的强度。但是，对于传感器运行来说需要施加偏置磁场，该偏置磁场可以通过永磁体或生成磁场的线圈来实现。永磁体的缺点在于：它们的磁化不仅随着使用寿命而变化而且随着温度变化而变化，并且因此造成金刚石磁力计中的传感器漂移。载流线圈需要一定的结构空间并且增加对于传感器运行来说所需的功率需求。附加地，传感器需要频率可调的微波源，这需要一定的附加的系统花费。

技术实现思路

1、按照本发明，提出了具有专利独立权利要求的特征的一种用于测量磁场的磁场传感器和方法以及一种用于执行该方法的计算机程序。有利的设计方案是从属权利要求以及随后的描述的主题。

2、尤其提出了一种用于测量磁场的方法，其中首先将具有第一频率f0的微波场辐射到晶体、尤其是金刚石晶体中的至少一个测量位置，该测量位置至少具有在该至少一个测量位置处可光学激发的色心缺陷。尤其是具有氮空位中心(nv中心)的金刚石适合于此，然而还可设想其它色心缺陷，以利用所述效应。

3、接着，将激发光辐射到一个或多个测量位置，并且检测来自相应的测量位置的所产生的荧光。向晶体施加变形力，该变形力至少在测量位置的区域引起局部机械应变。在此，所施加的第一变形力首先被选择为使得第一频率(即微波场的辐射频率)对应于在没有待测量磁场的第一变形力的作用下的色心缺陷的共振频率并且所检测到的荧光变得最小。然后，将磁场传感器引入待测量磁场中，使得引起共振频率的偏移。结果，在第一微波频率下，不再检测到荧光最小值，而是检测到更高的荧光信号。然后，所施加的变形力为了补偿共振频率的偏移而一直被改变，直至在第二变形力的情况下重新检测到最小荧光信号为止。力可以持续变化或者以指定的步骤来变化。也可能的是：使用适合于变形力的调节，该调节将到达荧光最小值作为目标值来调节。

4、接着，这样检测到的变形力尤其可以被用于确定磁场传感器被引入到其中的磁场。场强与共振线的偏移成比例，而频移又与所施加的力成比例。借此，现在可以基于第一变形力与第二变形力之差来确定待测量磁场的场强。为了该目的，测量模块以及借此还有传感器可以已经被设立为使得该测量模块施加场强；但是同样可设想的是：从测量模块只输出第一变形力和第二变形力的所检测到的值，这些值接着在另一单元中被进一步处理以确定磁场。

5、为了实现矢量磁力测量、即根据方向来确定场强，微波场尤其也可以以超过一个频率来辐射，例如以3个频率来辐射，用于获得在三个空间轴上的场强。由于晶体中的色心具有不同取向，所以这些频移也通过所施加的变形力根据方向来偏移，使得存在多个共振频率，针对这些共振频率可以分别选择微波频率。在这种情况下，所辐射的频率中的每个频率都对应于色心缺陷的针对在没有待测量磁场的第一变形力的作用下在晶体中的色心缺陷的对准轴的共振频率。然后，变形力可以在引入到磁场中之后被改变，直至针对所辐射的频率中的每个频率在相关的其它变形力的情况下重新检测到最小荧光信号为止，并且根据这些分别被分配给所辐射的频率的其它变形力的情况下可以根据方向来确定磁场的场强。尤其是，待测量磁场的朝着被分配给所辐射的频率的对准轴的方向的场强可以基于第一变形力与第二变形力之差来确定。

6、还提出了一种用于测量磁场的磁场传感器，该磁场传感器包括如下组成部分：晶体、尤其是金刚石晶体，该晶体至少具有在一个或多个测量位置处可光学激发的色心缺陷；荧光模块，用于对在至少一个测量位置处的色心缺陷进行光学激发并且用于检测来自该测量位置的所产生的荧光信号；致动器，用于在应用所定义的可变变形力的情况下至少在晶体中的测量位置的一个或多个测量位置处产生机械应变；微波发生器，用于在至少一个测量位置处以预定频率来产生微波场；和测量模块，该测量模块被设立为根据所检测到的荧光信号来操控该致动器并且至少在荧光最小值处检测该致动器的所应用的变形力。利用这种磁场传感器，能够观察由于磁场所引起的激发共振的偏移并且从中确定磁场。这种传感器可以以非常小的尺寸来制造，尤其是被制造成mems构件(微机电系统(micro-electro-mechanical-system))并且不需要复杂的屏蔽或冷却系统。然而，能良好地测量小场强。

7、该传感器的测量模块尤其可以被设立为：操控该致动器以应用第一变形力，该第一变形力被选择为使得第一频率对应于在没有待测量磁场的第一变形力的作用下的色心缺陷的共振频率并且所检测到的荧光最小；并且如果所检测到的荧光由于外部磁场的作用而不再最小，则操控该致动器用于改变所施加的变形力，直至在第二变形力的情况下重新检测到最小荧光信号为止。可选地，该测量模块也可以被设立用于基于第一变形力与第二变形力之差来确定待测量磁场的场强。但是，也可能的是：该测量模块只向另一单元输出所施加的变形力(或者还只输出操控信号，这些操控信号是被用于在相应的力的情况下操控致动器的，例如所使用的压电电压)。接着，在这种情况下，可以根据由测量模块输出的值在该传感器外部或者例如在更大系统的另一控制单元中确定磁场。对可变变形力的施加和评估能够在在此无需对微波频谱进行调谐的情况下对共振频率进行比较；以这种方式，例如可以使用非常窄带的微波发生器。

8、磁场传感器中的晶体例如可以部分地或完全被设计成晶体膜。这种膜可以以简单的方式以最小的力来偏转并且足以检测所描述的效应。在此，该膜例如可以被设计得具有几微米的厚度，例如在1到10微米之间。该膜的面积范围取决于如光电探测器和光源等其它构件的固定和安装，但是例如可以在mm范围内变动并且借此实现非常紧凑的传感器。在此，晶体膜可以固定或布置在其它构件中；但是，同样可设想的是：在所需的位置取出稍大并且借此更稳定的晶体部分，使得在一个区域内形成薄膜，该薄膜至少在某些区域具有相应的色心缺陷。附加地，在其它实施方式中，这种膜可具有留空部，这些留空部改变晶体膜的变形和/或应变特性。

9、在其它实施方式中，晶体例如可以部分地或完全被设计成晶体弯曲梁，该晶体弯曲梁可以刚性固定在一侧或两侧。

10、该荧光模块可以包括：至少一个激发光源，用于将激发光辐射到这些测量位置中的一个或多个测量位置中；和至少一个光电探测器，用于检测在这些测量位置中的一个或多个测量位置处的荧光，其中晶体可以可选地被设计成光波导，用于将激发光引导到这些测量位置中的一个或多个测量位置和/或用于将荧光从这些测量位置中的一个或多个测量位置引导到光电探测器。激发光和/或荧光可以通过适合的、本领域公知的耦合结构来耦合输入或耦合输出到晶体中。借此，磁场传感器的结构类型被简化并且可以进一步小型化，原因在于荧光模块的元件不必直接位于测量位置的区域(例如晶体膜)。

11、用于使晶体产生变形或应变的致动器例如可以包括压电致动器或者静电致动器。这种致动器能特别简单地集成到mems系统中并且可以以所定义的方式来操控。但是，同样可设想的是所有其它致动器，这些致动器可以引起对晶体的所定义的力。

12、在磁场传感器的示例性的实施方式中，晶体可以被安置在载体衬底上，使得在衬底与测量位置之间形成留空部，其中该致动器布置在晶体上，使得能够通过该致动器来至少在晶体的部分区域内实现该晶体的偏转。这样，可以实现紧凑且受保护的结构类型，其中在该留空部中也可以以节省空间的方式布置比如致动器或者荧光模块的部分(例如光电探测器)等其它元件。

13、尤其是当执行的计算单元还被用于其它任务并且因而总归存在时，按照本发明的方法的以具有用于执行方法步骤的程序代码的计算机程序或计算机程序产品的形式的至少部分的实现也是有利的，因为这引起了特别低的成本。最后，提供了一种机器可读存储介质，在其上存储有如上所述的计算机程序。尤其是，适合于提供该计算机程序的存储介质或数据载体是磁存储器、光存储器和电存储器，诸如硬盘、闪速存储器、eeprom、dvd以及其它等等。通过计算机网络(因特网、内联网等等)来下载程序也是可行的。在此，这种下载可以以有线方式或以线缆方式或者以无线方式(例如经由wlan网络，3g、4g、5g或6g连接，等等)实现。

14、本发明的其它优点和设计方案从说明书以及随附的附图中得到。

15、本发明依据实施例在附图中示意性示出并且在下文参考附图予以描述。