用于借助具有至少三个单个永磁体的磁场产生装置检测磁场或与磁场相关的测量参量的传感器系统的制作方法

本发明涉及一种用于检测磁场或与磁场相关的测量参量的传感器系统。

背景技术：

1、为了检测磁场，使用所谓的nv磁场传感器。这些传感器包括金刚石，其晶格具有形式为nv中心的缺陷。在nv中心内，氮原子占据碳原子的晶格位置，其中在与氮原子直接相邻的位置，同样是在碳原子的晶格位置上布置有空位。如果用波长在490 nm至575 nm之间的激发辐射照射这样的晶格，则在晶格中会诱导从基态3a2到激发态3e的电子跃迁。nv中心从激发态3e通过在600 nm至850 nm波长范围内的荧光辐射发射而弛豫回基态3a2。基态3a2具有三个磁子能级，分别为ms=0、ms=±1。ms=0和ms=±1状态之间的能量差为2.87 ghz（零场分裂）。激发态3e同样具有三个磁子能级，分别为ms=0、ms=±1。如果现在对基态3a2中的nv中心施加频率为2.87 ghz的微波辐射，则nv中心在ms=0、3a2基态和ms=±1、3a2基态之间振荡。在激发辐射照射下，nv中心部分地从ms=±1、3a2基态移位到激发的ms=±1、3e态。从那里，它主要以无辐射且不保持自旋的方式弛豫回ms=0、3a2基态。同时，激发的ms=0、3e态也在发射荧光辐射的情况下弛豫到ms=0、3a2基态。如果在用激发辐射照射期间测量荧光辐射的幅度与微波辐射频率的关系，则在2.87 ghz频率处会出现荧光辐射幅度的突然下降（所谓的“谷”）。荧光辐射幅度的下降可以解释为：在频率为2.87 ghz的微波辐射照射下，ms=0、3a2基态和ms=±1、3a2基态之间的跃迁被诱导，该跃迁通过激发辐射以保持自旋的方式被激发，但可以无辐射且不保持自旋地弛豫回ms=0、3a2基态。因此，如果微波辐射精确匹配照射频率，则ms=0、3a2基态被排空，而ms=±1、3a2基态被填充。

2、在外磁场中，ms=±1、3a2基态分裂为自旋量子数ms=1和ms=-1两个状态（塞曼效应）。如果在改变微波辐射频率的同时测量荧光辐射的幅度，则得到两个谷（dips），其中谷之间的频率间隔与磁场在nv中心轴方向上的投影成比例。这些谷出现的频率取决于ms=±1、3a2基态分裂的大小，从而取决于外磁场的场强和方向。

3、在金刚石的晶格中，nv中心的轴有四种不同的可能取向。如果nv金刚石的晶格中存在这四种取向的nv轴，则在改变微波辐射频率测量荧光辐射幅度时，会得到八个谷，即相应于自旋量子数ms=1和ms=-1的两个共振各自分裂为四个状态。这里分别检测磁场在相应nv中心上的投影。为了避免在外磁场较小时相应谷的重叠，需要一个静磁场，在下文中称为内静态磁场。内静态磁场的场强必须足够大，使得相应nv轴取向所产生的各个共振不会重叠，从而外磁场仅仅是作为内磁场的附加被测量。如果共振彼此非常接近，在个别情况下可能相应线宽大于分裂间距。

4、例如，这样的nv磁场传感器在us 2019/0018091 a1中有所描述。该nv磁场传感器具有多个永磁体，它们产生内静态磁场。这些永磁体布置为halbach阵列（halbach-anordnung）。激发辐射垂直于halbach阵列的平面照射到nv金刚石上。

5、nv磁场传感器的灵敏度在很大程度上取决于nv金刚石位置处内静态磁场的均匀性。在大多数情况下，这直接取决于磁场产生装置的尺寸。因此，通常使用尽可能大的磁场产生装置。然而，对于许多应用而言，尽可能紧凑的磁场传感器是有利的。为了能够同时使nv磁场传感器尽可能紧凑且尽可能灵敏，因此有必要以其他方式方法提高nv磁场传感器的灵敏度。

技术实现思路

1、本发明涉及一种用于检测外磁场的磁场参数的传感器系统，磁场参数例如外磁场的磁场强度。这样的传感器系统包含具有至少一个nv中心的金刚石（nv金刚石）。该传感器系统还具有微波源、激发光源和探测器。微波源布置和构造用于产生电磁场。该传感器系统还具有微波结构，该微波结构布置和构造用于对由微波源产生的电磁场如此进行成形，使得在nv金刚石中产生微波场。激发光源例如可以是二极管激光器。激发光源特别是构造用于产生波长在490 nm至575 nm之间的激发光束。激发光源还布置和构造用于将激发光束如此定向到nv金刚石上，使得沿着激发光束的光束轴线在nv金刚石内部形成光场，其中nv金刚石由于受到激发光束的照射而发射光信号，特别是在600 nm至850 nm波长范围内的荧光辐射。其中，可以在激发光源和nv金刚石之间布置进行光束成形（例如透镜）和/或至少一个进行光束引导（例如至少一个转向反射镜）的光学元件。探测器构造和布置成能够检测由nv金刚石由于受到激发光束照射而发射的光信号。特别地，探测器可以构造为光电二极管，其能够探测nv金刚石发射的荧光辐射的波长范围的辐射，所述波长范围特别是在600 nm至850 nm之间。

2、该传感器系统还包括磁场产生装置，该装置布置和构造用于在nv金刚石内部产生定向的内静态磁场。

3、该磁场产生装置包括至少三个单个永磁体，这些永磁体根据halbach原理至少近似地沿着圆线在恰好一个平面内布置，此平面也称为xy平面。至少三个单个磁体的磁偶极矩的取向符合halbach原理，即对于各个单个永磁体i，其取向满足：mi= a (cos2, sin2,0)，其中静态内磁场指向(a,0,0)方向。常数a的符号定义极性。即使在位置处没有单个永磁体，这一原理也同样适用。其中，激发光束的光束轴线平行于恰好一个平面，其中布置有单个永磁体。这样的传感器系统具有特别高的灵敏度，同时构造特别紧凑。

4、在本发明的一个实施方式中，沿着圆线在至少一个平面中布置有3至64个、特别是4至16个单个永磁体。这样数量的单个永磁体特别容易操作，同时内静态磁场非常均匀。

5、由磁场产生装置产生的内静态磁场在nv金刚石内部沿着第一优选轴具有提高的均匀性。第一优选轴平行于恰好一个平面延伸，并且垂直于内静态磁场的方向取向。内静态磁场在围绕该优选轴的体积内具有提高的均匀性。该区域特别是具有沿着第一优选轴伸长的形状。第一优选轴特别是以距离h/2延伸至恰好一个平面（xy平面）。其中，h是单个永磁体的垂直于xy平面测量的高度。如果存在不同高度的单个永磁体，则第一优选轴沿着平均高度延伸。

6、在本发明的一个实施方式中，在nv金刚石内部，激发光束的光束轴线沿着第一优选轴取向。以这种方式可充分利用以下空间区域，从而实现了特别小型化且高灵敏度的传感器系统：在所述空间区域内，静磁场均匀性具有提高的均匀性。

7、在本发明的一个实施方式中，磁场产生装置包括四个布置在一个平面内且呈halbach阵列的单个永磁体。它们至少近似地沿着圆线布置，并且彼此之间的角度偏移至少近似为90°。这些单个永磁体的磁偶极矩至少近似地彼此平行或反平行，并且至少近似地垂直于由磁场产生装置产生的内静态磁场取向。原则上，对于各个单个永磁体i，其取向满足：mi= a (cos2, sin2, 0)，其中静态内磁场指向(a,0,0)方向。常数a的符号定义极性。例如，单个永磁体分别位于角度=45°、=135°、=225°和=315°处。在常数a的符号为正的情况下，内静态磁场指向正x方向。位于位置=45°和=225°处的单个永磁体的磁偶极矩也指向正y方向。位于位置=135°和=315°处的单个永磁体的磁偶极矩指向负y方向。四个单个永磁体的磁偶极矩全部都垂直于内静态磁场的方向取向。这样的单个永磁体布置使得内静态磁场特别均匀。

8、在本发明的一个实施方式中，磁场产生装置具有八个单个永磁体。这八个单个永磁体至少近似地布置在圆线上，其中相邻单个永磁体之间的角度偏移为45°。例如，单个永磁体位于角度=45°、=90°、=135°、=180°、=225°、=270°、=315°和=360°处。相邻单个磁体的磁偶极矩彼此垂直取向。这样的磁场产生装置尤其沿着第一优选轴产生特别均匀的静态内磁场。

9、在本发明的一个实施方式中，磁场产生装置具有温度梯度，其中该温度梯度横向于、特别是垂直于第一优选轴取向。温度梯度可归因于，传感器系统的一些部件，例如激发光源、微波结构和/或nv金刚石在传感器系统开启状态下用作热源。在磁场产生装置的区域内得到以下温度分布，其具体变化过程由传感器系统内部热源的布置以及它们在传感器系统运行期间释放的相应热量得出。

10、nv金刚石和微波结构通常居中地布置在磁场产生装置内部，因此由这两个部件引起的热量输入至少近似对称地作用于磁场产生装置，即nv金刚石和微波结构以至少近似相同的程度加热磁场产生装置的所有局部区域（对称热源）。这里假设传感器系统中围绕磁场产生装置的部件具有至少近似各向同性的导热性。

11、然而，激发光源不是相对于磁场产生装置居中布置的，因此相对于磁场产生装置而言，它表现为非对称热源。传感器系统可以具有其他并非居中布置在磁场产生装置内部的部件，这些部件也相对于磁场产生装置表现为非对称热源。由激发光源或其他非对称热源引起的热量输入并不均匀地作用于磁场产生装置。那些与非对称热源距离较小的磁场产生装置局部区域接收的热量大于那些与非对称热源距离较大的磁场产生装置局部区域。各个非对称热源的相互作用在磁场产生装置方面，即在磁场产生装置的区域内产生温度梯度。

12、磁场产生装置中那些更靠近一个或多个非对称热源，特别是靠近激发光源的局部区域具有比那些距离更远的局部区域更高的温度。特别是，磁场产生装置中与一个或多个非对称热源，特别是与激发光源距离最大的第一局部区域的温度最小，而磁场产生装置中与一个或多个非对称热源，特别是与激发光源距离最小的第二局部区域的温度最大。如果仅观察磁场产生装置的温度，则得出温度变化过程，其中温度从距非对称热源、尤其是距激发光源最远的第一局部区域朝向距非对称热源、尤其是距激发光源最近的第二局部区域上升，即温度梯度沿此方向变化。由于这种温度梯度，内静态磁场的均匀性降低。其原因是磁性材料的剩磁典型地与温度有关。这种温度依赖性范围从温度稳定的smco磁体的每摄氏度0.001%到硬铁氧体的每摄氏度0.2%不等。

13、根据本发明的一个实施方式，温度梯度横向于、特别是至少近似垂直于第一优选轴取向。这种方式最小化温度梯度对内静态磁场的影响。这提高了内静态磁场的均匀性，这又提高了传感器系统的灵敏度。

14、这样的布置使得可以进一步提高内静态磁场沿着第一优选轴的均匀性。特别是，与其它构造的磁场产生装置相比，这样布置的内静态磁场沿着特别长的路段（strecke）都具有提高的均匀性。

15、在本发明的一个实施方式中，静态内磁场沿着第一优选轴取值特别是在平均矢量场的99.9%至100.1%之间，沿着该轴内静态磁场具有提高的均匀性。

16、提高的均匀性特别是在10 ppm至10000ppm之间，优选在200ppm至2000ppm之间，其中ppm代表“part per million，百万分之几”。对于所考虑的体积，满足：

17、1000000||b(x,y,z)-|| / ||||<均匀性值（ppm）,

18、其中||.||是相应矢量的范数，是所考虑体积中磁场的平均矢量值。

19、具有磁场产生装置的传感器系统具备特别高的灵敏度，该传感器系统的磁场产生装置能够产生具有上述较高均匀性的内静态磁场。

20、在本发明的一个实施方式中，单个永磁体构造为圆环的分段。这些分段尤其应理解为在横向于其周向方向、特别是径向上分割的圆环的分段。其中，各个单个永磁体的磁偶极矩特别是分别在其整个体积上指向恰好一个方向。以这种方式方法构造的单个磁体可以特别精确地定位，因此由于非常小的定位误差，磁场产生装置产生特别均匀的内静态磁场。

21、在本发明的一个实施方式中，在各自构造为圆环分段的单个永磁体之间构造有非磁化区域。由此可以实现，对于单个永磁体使用相对强磁化的磁性材料，但仍然能达到内静态磁场的磁场强度相对较低的目标值。以这种方式，可以在紧凑的结构中使用强磁化的磁性材料，然而它们产生如所期望的小的内静态磁场，例如在1 mt至2 mt之间。

22、在本发明的一个实施方式中，构造为圆环分段的单个永磁体各自直接彼此相邻构造，使得总体上存在闭合的圆环。这简化了单个永磁体的定位，由于非常小的定位误差，因此磁场产生装置产生特别均匀的内静态磁场。

23、在本发明的一个实施方式中，单个永磁体构造为长方体、立方体或圆柱体，其中它们的磁偶极矩沿着相应主对称轴取向，即在构造为圆柱体的情况下沿着圆柱体的旋转轴，在构造为长方体的情况下沿着长方体的长轴。长方体、圆柱体或立方体形状的单个永磁体特别易于制造且不易出错。