DE102019203929A1 - Sensor device and method for producing a mirror arrangement for a sensor device - Google Patents

Sensor device and method for producing a mirror arrangement for a sensor device Download PDF

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DE102019203929A1 DE102019203929.4A DE102019203929A DE102019203929A1 DE 102019203929 A1 DE102019203929 A1 DE 102019203929A1 DE 102019203929 A DE102019203929 A DE 102019203929A DE 102019203929 A1 DE102019203929 A1 DE 102019203929A1
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Andreas Brenneis
Robert Roelver
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung mit einem Kristallkörper (1), insbesondere einem Diamanten, mit einer Anzahl von Farbzentren, insbesondere von Stickstoff-Fehlstellen, einer Lichtquelle (3) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (1) mit Anregungslicht (20), einer Hochfrequenzeinrichtung (7) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (1) mit Mikrowellen, und einem oder mehreren Photodetektoren, die eingerichtet sind zum Detektieren von Fluoreszenzlicht, welches aufgrund der Bestrahlung des Kristallkörpers (1) durch das Anregungslicht (20) und die Mikrowellen erzeugt wird, wobei die Sensoreinrichtung wenigstens ein Spiegelsystem aufweist, wobei die Lichtquelle (3) derart angeordnet ist, dass das Anregungslicht (20) in den Kristallkörper (1) eingekoppelt wird und aus dem Kristallkörper (1) wieder transmittiert wird, wobei wenigstens ein Spiegelsystem derart ausgebildet und angeordnet ist, dass nach einem ersten Durchlauf durch den Kristallkörper (1) transmittiertes Anregungslicht (20) derart reflektiert wird, das es wieder in den Kristallkörper (1) eingekoppelt wird, wobei ein Spiegelsystem einen oder mehrere Spiegel (2a, 2b, 2c) aufweist, wobei das Anregungslicht nach wenigstens einem Austritt aus dem Kristallkörper (1) ein den Kristallkörper (1) umgebendes Medium oder ein Vakuum passiert. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Spiegelanordnung für eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung.The invention relates to a sensor device with a crystal body (1), in particular a diamond, with a number of color centers, in particular nitrogen defects, a light source (3) for irradiating the crystal body (1) with excitation light (20), a high-frequency device (7) ) for irradiating the crystal body (1) with microwaves, and one or more photodetectors which are set up to detect fluorescent light which is generated due to the irradiation of the crystal body (1) by the excitation light (20) and the microwaves, the sensor device at least has a mirror system, wherein the light source (3) is arranged in such a way that the excitation light (20) is coupled into the crystal body (1) and is transmitted again from the crystal body (1), at least one mirror system being designed and arranged such that after a first pass through the crystal body (1) transmitted excitation light (20) de Rart is reflected that it is coupled back into the crystal body (1), wherein a mirror system has one or more mirrors (2a, 2b, 2c), the excitation light after at least one exit from the crystal body (1) enters the crystal body (1 ) surrounding medium or a vacuum happens. The invention also relates to a method for producing a mirror arrangement for a sensor device according to the invention.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung mit einem Kristallkörper, insbesondere einem Diamanten, mit einer Anzahl von Farbzentren, insbesondere von Stickstoff-Fehlstellen , einer Lichtquelle zum Bestrahlen des Kristallkörpers mit Anregungslicht, einer Hochfrequenzeinrichtung zum Bestrahlen des Kristallkörpers mit Mikrowellen, und einem oder mehreren Photodetektoren, die eingerichtet sind zum Detektieren von Fluoreszenzlicht, welches aufgrund der Bestrahlung des Kristallkörpers durch das Licht und die Mikrowellen erzeugt wird, und ein Verfahren zur Herstellung einer Spiegelanordnung für eine Sensoreinrichtung.The present invention relates to a sensor device with a crystal body, in particular a diamond, with a number of color centers, in particular nitrogen defects, a light source for irradiating the crystal body with excitation light, a high-frequency device for irradiating the crystal body with microwaves, and one or more photodetectors, which are set up to detect fluorescent light which is generated due to the irradiation of the crystal body by the light and the microwaves, and a method for producing a mirror arrangement for a sensor device.

Stand der TechnikState of the art

Farbzentren, wie etwa Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem Kristallkörper, insbesondere einem Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV steht hierbei für „Nitrogen Vacancy“) bezeichnet, können beispielsweise auf dem Gebiet der Sensorik angewandt werden. Durch Anregung derartiger NV-Zentren mit sichtbarem Licht im Grün-Bereich und Mikrowellenstrahlung kann eine magnetfeldabhängige Fluoreszenz beobachtet werden. Diese Fluoreszenz wird mittels einer Sensoreinrichtung erfasst und ausgewertet. Als weiteres Beispiel derartiger Farbzentren sei auf Defektzentren in SiC, aber auch auf SiV in Diamant, verwiesen.Color centers, such as nitrogen vacancy centers in a crystal body, in particular a diamond lattice, also referred to as NV centers (NV stands for “Nitrogen Vacancy”), can be used, for example, in the field of sensor technology. By exciting such NV centers with visible light in the green range and microwave radiation, a magnetic field-dependent fluorescence can be observed. This fluorescence is recorded and evaluated by means of a sensor device. As a further example of such color centers, reference is made to defect centers in SiC, but also to SiV in diamond.

Das negativ geladene NV-Zentrum in Diamant kann insbesondere zur hochempfindlichen Messung von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperaturen genutzt werden. Derartige Quantentechnologien bieten gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den NV Zentren bestehen konkret folgende Vorteile: (i) ultrahohe Empfindlichkeiten, (ii) Vektormagnetometrie (Richtungsbestimmung des Magnetfelds), (iii) hoher dynamischer Messbereich (> 1 Tesla), (iv) Linearität (Zeeman-Effekt), (v) keine Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht. Um einen auf NV Zentren basierten Sensor auszulesen, wird die magnetische Resonanz des Spin-Triplets des Grundzustands optisch detektiert (ODMR, optically detected magnetic resonance). Dazu rot-verschobenes Fluoreszenzlicht zeigt dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz. Die Lage ist auf Grund des Zeeman-Effekts linear abhängig vom magnetischen Feld. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.The negatively charged NV center in diamond can be used in particular for the highly sensitive measurement of magnetic fields, electrical fields, mechanical stresses and temperatures. Such quantum technologies offer decisive advantages over classic sensor principles, which underline the disruptive potential of quantum technology. The NV centers have the following advantages: (i) ultra-high sensitivities, (ii) vector magnetometry (determination of the direction of the magnetic field), (iii) high dynamic measuring range (> 1 Tesla), (iv) linearity (Zeeman effect), (v) no degradation, since the measurement is based on quantum mechanical states. In order to read a sensor based on NV centers, the magnetic resonance of the spin triplet of the ground state is optically detected (ODMR, optically detected magnetic resonance). In addition, red-shifted fluorescent light shows a characteristic dip in the energetic position of the electron spin resonance. Due to the Zeeman effect, the position is linearly dependent on the magnetic field. This enables a highly sensitive magnetic field sensor to be constructed.

NV-Zentren in Diamant besitzen eine derart hohe Magnetfeldempfindlichkeit, dass dies dazu genutzt werden kann um vielfältige bestehende Produkte zu verbessern (z.B. Suchgeräte für elektrische Leitungen in Wänden oder Strommessung von Fahrzeugbatterien) oder auch um neue Produkte zu realisieren, wie zum Beispiel eine kontaktlose Mensch-Maschine-Schnittstelle, die Ströme bzw. Steuersignale aus dem Gehirn nachweist und auswertet.NV centers in Diamant are so sensitive to magnetic fields that they can be used to improve a wide range of existing products (e.g. search devices for electrical lines in walls or current measurement of vehicle batteries) or to implement new products, such as a contactless person -Machine interface that detects and evaluates currents or control signals from the brain.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Messung von Magnetfeldern über eine kombinierte Anregung derartiger Farbzentren mit sichtbarem Licht und Mikrowellen erwiesen. Insbesondere die hier eingesetzte Anregung mit sichtbarem Licht führt allerdings zu relativ komplexen und groß bauenden Sensoreinrichtungen.The measurement of magnetic fields via a combined excitation of such color centers with visible light and microwaves has proven to be particularly advantageous. In particular, the excitation with visible light used here leads to relatively complex and large-scale sensor devices.

Die DE 37 42 878 A1 beschreibt beispielsweise einen optischen Magnetfeldsensor, in dem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird. Da nur ein Teil des sichtbaren Anregungslichtes an den Farbzentren absorbiert wird, ist die Effizienz derartiger Sensoreinrichtungen und damit ihre Genauigkeit nicht optimal. Es sind hohe Anregungslichtintensitäten notwendig, um einen hinreichend genauen Sensor zu erhalten.The DE 37 42 878 A1 describes, for example, an optical magnetic field sensor in which a crystal is used as a magnetically sensitive optical component. Since only part of the visible excitation light is absorbed at the color centers, the efficiency of such sensor devices and thus their accuracy is not optimal. High excitation light intensities are necessary in order to obtain a sufficiently accurate sensor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung des Anteils des absorbierten Anregungslichtes und damit eine Verbesserung der Energieeffizienz und eine Energieeinsparung bei der Anregungslichterzeugung.The object of the present invention is to improve the proportion of the absorbed excitation light and thus to improve the energy efficiency and to save energy when generating the excitation light.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden eine Sensoreinrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Spiegelanordnung für eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a sensor device and a method for producing a mirror arrangement for a sensor device with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous configurations are the subject of the subclaims and the description below.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Erfindungsgemäß weist eine Sensoreinrichtung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wenigstens ein Spiegelsystem auf, wobei die Lichtquelle derart angeordnet ist, dass das Anregungslicht in den Kristallkörper eingekoppelt wird und aus dem Kristallkörper wieder transmittiert wird, wobei das wenigstens eine Spiegelsystem derart ausgebildet und angeordnet ist, dass nach einem ersten Durchlauf durch den Kristallkörper transmittiertes Anregungslicht derart reflektiert wird, das es wieder in den Kristallkörper eingekoppelt wird, wobei jedes der Spiegelsysteme einen oder mehrere Spiegel aufweist.According to the invention, a sensor device according to a first aspect of the invention has at least one mirror system, the light source being arranged such that the excitation light is coupled into the crystal body and is transmitted again from the crystal body, the at least one mirror system being designed and arranged in such a way that after a first pass through the crystal body, excitation light transmitted is reflected in such a way that it is coupled back into the crystal body, each of the mirror systems having one or more mirrors.

Ein bevorzugt kollimierter Lichtstrahl des Anregungslichtes, der insbesondere als Laserstrahl ausgebildet ist, wird zunächst auf eine erste Facette des Kristallkörpers gerichtet. Im Gegensatz zu bisher bekannten Ansätzen wird der durch den transparenten Kristallkörper transmittierte Lichtstrahl des Anregungslichtes, nachdem er den Kristallkörper passiert hat und aus diesem wieder ausgetreten ist, erneut zur Anregung des Kristallkörpers genutzt. Dies geschieht, indem er außerhalb des Kristallkörpers innerhalb der Sensoreinrichtung mit Hilfe von wenigstens einem Spiegelsystem erneut auf den Kristallkörper gelenkt wird. Auf diese Weise kann das Anregungslicht den Diamanten zwar aus einem anderen Winkel, aber in vorzugsweise exakt dem gleichen Volumen bzw. der gleichen Stelle anregen, das bzw. die bereits bei dem ersten Durchgang angeregt wurde.A preferably collimated light beam of the excitation light, which is designed in particular as a laser beam, is initially directed onto a first facet of the crystal body. In contrast to Previously known approaches, the light beam of the excitation light transmitted through the transparent crystal body is used again to excite the crystal body after it has passed the crystal body and has exited it again. This is done in that it is again directed onto the crystal body outside the crystal body within the sensor device with the aid of at least one mirror system. In this way, the excitation light can excite the diamond from a different angle, but preferably in exactly the same volume or the same location that was already excited in the first pass.

Bevorzugt passiert das Anregungslicht bei mehreren, insbesondere sämtlichen Durchläufen durch den Kristallkörper zumindest teilweise dasselbe Kristallkörpervolumen. Dies ist vorteilhaft, da die Sensitivität für Magnetfelder in einem einzelnen NV-Zentrum von der Lichtintensität an der Stelle des NV-Zentrums abhängt. Würde das Licht gleichmäßig über den Kristallkörper verteilt, würden zwar viele NV-Zentren erreicht, aber jedes für sich genommen hätte eine geringe Empfindlichkeit. Daher ist es vorteilhaft, mit dem verfügbaren Anregungslicht, das ein bestimmtes Strahlprofil besitzt, immer die gleiche Region im Kristall zu treffenThe excitation light preferably passes at least partially the same crystal body volume during several, in particular all, passes through the crystal body. This is advantageous because the sensitivity to magnetic fields in a single NV center depends on the light intensity at the location of the NV center. If the light were evenly distributed over the crystal body, many NV centers would be reached, but each of them would have a low sensitivity. It is therefore advantageous to always hit the same region in the crystal with the available excitation light which has a certain beam profile

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung mehr als ein Spiegelsystem auf, wobei die Spiegelsysteme derart angeordnet und ausgebildet sind, dass von dem Kristallkörper transmittiertes Anregungslicht nacheinander jeweils auf eins der Spiegelsysteme trifft, von diesem derart reflektiert wird, dass es wieder in den Kristallkörper eingekoppelt wird, wieder aus diesem Kristallkörper transmittiert wird, danach auf ein nächstes der Spiegelsysteme trifft und von diesem wieder derart reflektiert wird, dass es wieder in den Kristallkörper eingekoppelt wird, bis das Anregungslicht sämtliche der Spiegelsysteme passiert hat und wieder in den Kristallkörper eingekoppelt wird.In an advantageous embodiment, the sensor device has more than one mirror system, the mirror systems being arranged and designed in such a way that excitation light transmitted by the crystal body hits one of the mirror systems one after the other and is reflected by this in such a way that it is coupled back into the crystal body , is transmitted again from this crystal body, then hits another of the mirror systems and is reflected by this again in such a way that it is coupled back into the crystal body until the excitation light has passed all of the mirror systems and is coupled back into the crystal body.

Die Anzahl der Durchgänge des Anregungslichtes durch den Kristallkörper kann durch eine entsprechende Zahl an Spiegelsystemen beliebig oft wiederholt und erweitert werden. Je öfter das Anregungslicht den Kristallkörper passiert, desto größer wird der Anteil des absorbierten Anregungslichtes und desto größer ist auch die Energieeffizienz. Jedoch nimmt der Zuwachs an Effizienz mit der Anzahl der Spiegelsysteme ab, da das Anregungslicht durch die fortlaufende Absorption mit jedem Durchgang schwächer wird. So ist eine vorteilhafte Anzahl zwischen zwei und zehn Spiegelsystemen, eine noch vorteilhaftere Anzahl zwischen drei und sechs Spiegelsystemen.The number of passages of the excitation light through the crystal body can be repeated and extended as often as desired using a corresponding number of mirror systems. The more often the excitation light passes through the crystal body, the greater the proportion of the excitation light absorbed and the greater the energy efficiency. However, the increase in efficiency decreases with the number of mirror systems, since the excitation light becomes weaker with each pass due to the continuous absorption. An advantageous number is between two and ten mirror systems, an even more advantageous number between three and six mirror systems.

Bevorzugt ist eines der Spiegelsysteme, das als letztes von dem Anregungslicht passiert wird, derart ausgebildet und angeordnet, dass das Anregungslicht im 180°-Winkel von diesem zurückreflektiert wird und in umgekehrter Reihenfolge sämtliche anderen der Spiegelsysteme erneut passiert. Ein Hinweg des Anregungslichtes entspricht demzufolge einem Rückweg des Anregungslichtes. Das Anregungslicht verlässt den Kristallkörper auf dem Rückweg bei dem letzten Durchgang umgekehrt parallel zu einem Eingangsstrahl des Anregungslichtes von der Lichtquelle.Preferably, one of the mirror systems through which the excitation light passes last is designed and arranged in such a way that the excitation light is reflected back from it at a 180 ° angle and passes through all of the other mirror systems again in reverse order. An outward path of the excitation light therefore corresponds to a return path of the excitation light. On the way back, the excitation light leaves the crystal body on the way back during the last passage, reversely parallel to an input beam of the excitation light from the light source.

Sämtliche der Spiegelsysteme sind hierbei bevorzugt derart angeordnet, dass das Anregungslicht sich von der Lichtquelle bis zu einem letzten Durchgang durch den Kristallkörper auf seiner gesamten Weglänge in einer Anregungslichtebene fortsetzt. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise senkrecht zu der Anregungslichtebene bezüglich des Kristallkörpers Platz für wenigstens einen Photodetektor ist. So ist vorteilhaft wenigstens ein Photodetektor senkrecht zu der Anregungslichtebene bezüglich des Kristallkörpers angeordnet. Da sich das Fluoreszenzlicht von dem Kristallkörper annähernd isotrop in sämtliche Richtungen ausbreitet, lässt sich durch eine solche Anordnung ein großer Teil des Anregungslichtes detektieren, ohne den Anregungslichtstrahl zu blockieren. Insbesondere weist der wenigstens eine Photodetektor eine Detektionsfläche parallel zu der Anregungsebene auf. Dies ist aber nicht beschränkend zu verstehen.All of the mirror systems are preferably arranged in such a way that the excitation light continues from the light source to a last passage through the crystal body over its entire path in an excitation light plane. This is advantageous because in this way there is space for at least one photodetector perpendicular to the excitation light plane with respect to the crystal body. At least one photodetector is advantageously arranged perpendicular to the excitation light plane with respect to the crystal body. Since the fluorescent light propagates almost isotropically in all directions from the crystal body, a large part of the excitation light can be detected by such an arrangement without blocking the excitation light beam. In particular, the at least one photodetector has a detection surface parallel to the excitation plane. However, this is not to be understood as restrictive.

Insbesondere ist wenigstens einer der Spiegel als holografischer Spiegel ausgebildet. Ein holografischer Spiegel weist holografische Schichten auf. Dies sind periodische Strukturen, die kohärentes Licht ablenken können. Solche holografischen Strukturen haben den Vorteil, dass sie planar implementiert werden können und gleichzeitig den Strahl in eine gewünschte Richtung ablenken können.In particular, at least one of the mirrors is designed as a holographic mirror. A holographic mirror has holographic layers. These are periodic structures that can deflect coherent light. Such holographic structures have the advantage that they can be implemented in a planar manner and at the same time can deflect the beam in a desired direction.

Auch ist denkbar, dass wenigstens ein Spiegel durch eine metallische Schicht realisiert ist. Metallische Schichten sind vergleichsweise günstig und einfach zu realisieren.It is also conceivable that at least one mirror is implemented by a metallic layer. Metallic layers are comparatively cheap and easy to implement.

Andererseits kann wenigstens ein Spiegel durch eine dielektrische Schichtfolge realisiert sein. Eine dielektrische Schichtfolge hat sehr gute Reflexionseigenschaften.On the other hand, at least one mirror can be implemented by a dielectric layer sequence. A dielectric layer sequence has very good reflective properties.

Auch eine synergetische Kombination aus metallischen oder dielektrischen Spiegeln und holografischen Strukturen zur Strahlführung ist denkbar. Der Vorteil dieser Kombination besteht darin, dass nur ein fester Winkel für einen klassischen Spiegel gewählt werden muss, was beispielsweise durch nasschemisches KOH-Ätzen von Silizium erzeugt werden kann. Gleichzeitig können die holografischen Strukturen dazu genutzt werden, um für jeden Strahlendurchgang einen beliebigen Reflexionswinkel einzustellen. Zusätzlich kann eine refokussierende bzw. rekollimierende Wirkung durch die holografischen Elemente erzeugt werden. Somit würden sich aufwendige Geometrien, die z.B. mikromechanisch strukturiert werden müssen, um verschiedene Ablenkungswinkel einzustellen, vermeiden.A synergetic combination of metallic or dielectric mirrors and holographic structures for beam guidance is also conceivable. The advantage of this combination is that only a fixed angle has to be selected for a classic mirror, which can be produced, for example, by wet chemical KOH etching of silicon. At the same time, the holographic structures can be used to create an arbitrary Adjust the reflection angle. In addition, a refocusing or recollimating effect can be generated by the holographic elements. Complex geometries, which have to be structured micromechanically in order to set different deflection angles, would thus be avoided.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens einer der Spiegel als aktuierbarer Mikrospiegel ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, dadurch eine nachträgliche Justierung und Fokussierung des Laserstrahls auf den Kristallkörper ermöglicht wird. Somit können nachträgliche Einflüsse von z.B. thermischer Ausdehnung bei Temperaturschwankungen ausgeglichen werden.In an advantageous embodiment, at least one of the mirrors is designed as an actuatable micromirror. This is advantageous as it enables subsequent adjustment and focusing of the laser beam on the crystal body. Subsequent influences from e.g. thermal expansion with temperature fluctuations can be compensated.

Bevorzugt ist wenigstens einer der Spiegel, bevorzugt alle Spiegel, durch lithografisch definierte Strukturen und anschließend tiefes reaktives lonenätzen in eine Silizium-Kaverne strukturiert, in die der Kristallkörper eingepasst ist. Dies ermöglicht eine miniaturisierte Umsetzung. Insbesondere sind geätzte Oberflächen beschichtet, bevorzugt metallisch oder dielektrisch beschichtet, ausgebildet, was zur Verbesserung der Lichtreflexion dient.At least one of the mirrors, preferably all mirrors, is preferably structured by lithographically defined structures and then by deep reactive ion etching in a silicon cavity into which the crystal body is fitted. This enables a miniaturized implementation. In particular, etched surfaces are coated, preferably coated in a metallic or dielectric manner, which serves to improve the light reflection.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind sämtliche Spiegel und der Kristallkörper durch eine transparente Kappe bzw. Abdeckung geschützt, durch die das Anregungslicht von der Lichtquelle einkoppelbar ist. Diese kann durch Bonden, z.B. anodisches Bonden, auf eine Halterung der Spiegel aufgebracht werden. Dabei ist die Lichtquelle bevorzugt derart angeordnet, dass das Anregungslicht senkrecht durch die transparente Kappe geführt wird. Insbesondere wird das Anregungslicht durch einen weiteren Spiegel abgelenkt, bevor es auf den Kristallkörper trifft. Durch die transparente Kappe können die Spiegel der Spiegelsysteme dauerhaft vor äußeren Einflüssen wie Staub oder Oxidation geschützt werden.In an advantageous embodiment, all mirrors and the crystal body are protected by a transparent cap or cover, through which the excitation light from the light source can be coupled. This can be done by bonding, e.g. anodic bonding, can be applied to a holder of the mirror. The light source is preferably arranged in such a way that the excitation light is guided perpendicularly through the transparent cap. In particular, the excitation light is deflected by a further mirror before it hits the crystal body. With the transparent cap, the mirrors of the mirror systems can be permanently protected from external influences such as dust or oxidation.

Bevorzugt passiert das Anregungslicht nach wenigstens einem, bevorzugt nach jedem Austritt aus dem Kristallkörper ein gasförmiges Medium, das bevorzugt Umgebungsluft oder ein Schutzgas ist. Auf diese Weise ist es möglich, Spiegelflächen in unterschiedlichen Winkeln zu der Kristallkörperoberfläche anzuordnen. After at least one, preferably after each exit from the crystal body, the excitation light preferably passes through a gaseous medium, which is preferably ambient air or a protective gas. In this way it is possible to arrange mirror surfaces at different angles to the crystal body surface.

Weiterhin ermöglicht ein Schutzgas einen Schutz des Kristallkörpers und der Spiegelflächen vor Oxidation.Furthermore, a protective gas enables the crystal body and the mirror surfaces to be protected from oxidation.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Spiegelanordnung für eine Sensoreinrichtung vorgeschlagen, das, die folgenden Schritte umfasst:

  • - Bereitstellen eines Si-Substrats;
  • - Aufbringen eines Photoresistfilms;
  • - Lithografische Strukturierung des Photoresistfilms;
  • - Unter Ätzen Ausbildung einer Struktur einer Kaverne mit Spiegelflächen;
  • - Unter Ätzen Ausbildung einer podestartigen Aufnahme für einen Kristallkörper;
  • - Platzieren und Aufkleben des Kristallkörpers.
According to a second aspect of the invention, a method for producing a mirror arrangement for a sensor device is proposed which comprises the following steps:
  • - Providing a Si substrate;
  • - applying a photoresist film;
  • - Lithographic structuring of the photoresist film;
  • - Formation of a structure of a cavern with mirror surfaces with etching;
  • - Formation of a pedestal-like receptacle for a crystal body with etching;
  • - Placing and gluing the crystal body.

Dieses Verfahren ermöglicht die einfache Herstellung einer miniaturisierten Sensoreinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Außerdem entfällt das aufwändige Justieren der Spiegelsysteme, da bei diesem Verfahren die Winkel bei richtigem Ätzen direkt vorgegeben werden, so dass ein Justieren nicht erforderlich ist.This method enables the simple production of a miniaturized sensor device according to the first aspect of the invention. In addition, the time-consuming adjustment of the mirror systems is no longer necessary, since with this method the angles are specified directly with correct etching, so that adjustment is not necessary.

Bevorzugt umfasst das Verfahren weiter das Aufbringen einer spiegelnden Beschichtung. Dies kann durch Sputtern oder Atomic Layer Deposition von Metall oder durch die CVD- oder ALD-Abscheidung dielektrischer Schichten erfolgen. Dadurch werden die Reflexionseigenschaften der Spiegeloberflächen verbessert.The method preferably further comprises the application of a reflective coating. This can be done by sputtering or atomic layer deposition of metal or by CVD or ALD deposition of dielectric layers. This improves the reflective properties of the mirror surfaces.

Es ist außerdem denkbar, dass als spiegelnde Beschichtung holografische Strukturen abgeschieden werden. Dies hat den Vorteil, dass keine schrägen und/oder glatten Reflexionsflächen notwendig sind. Da die Reflexionsebene von holografischen Strukturen nicht notwendig parallel zur Reflexionsfläche ist, kann durch entsprechende Strukturen eine Vielzahl von Reflexionswinkeln eingestellt werden.It is also conceivable that holographic structures are deposited as a reflective coating. This has the advantage that no inclined and / or smooth reflection surfaces are necessary. Since the reflection plane of holographic structures is not necessarily parallel to the reflection surface, a large number of reflection angles can be set using appropriate structures.

Bevorzugt wird bei der Ausbildung der Struktur durch anisotropes nasschemisches Ätzen wenigstens eine schräge Facette ausgebildet. Dies ist eine weitere Möglichkeit, einen Reflexionswinkel einzustellen.Preferably, at least one inclined facet is formed when the structure is formed by anisotropic wet chemical etching. This is another way of setting a reflection angle.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and configurations of the invention emerge from the description and the accompanying drawing.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.The invention is illustrated schematically in the drawings using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawings.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung; 1 shows a first embodiment of a sensor device according to the invention;
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung; 2 shows a second embodiment of a sensor device according to the invention;
  • 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung; 3 shows a third embodiment of a sensor device according to the invention;
  • 4-11 zeigen ein Siliziumsubstrat jeweils nach der Durchführung einzelner Schritte einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Spiegelanordnung für eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung; 4-11 show a silicon substrate each after the implementation of individual steps of a first embodiment of a method according to the invention for producing a mirror arrangement for an embodiment of a sensor device according to the invention;
  • 12-15 zeigen ein Siliziumsubstrat jeweils nach der Durchführung einzelner Schritte einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Spiegelanordnung für eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung; 12-15 show a silicon substrate in each case after the implementation of individual steps of a second embodiment of a method according to the invention for producing a mirror arrangement for an embodiment of a sensor device according to the invention;
  • 16 zeigt eine Spiegelanordnung für eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung; 16 shows a mirror arrangement for an embodiment of a sensor device according to the invention;
  • 17 zeigt eine Spiegelanordnung für eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung; 17th shows a mirror arrangement for a further embodiment of a sensor device according to the invention;
  • 18 zeigt eine Spiegelanordnung für noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. 18th shows a mirror arrangement for yet another embodiment of a sensor device according to the invention.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

In 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Sensoreinrichtung 100 weist einen Kristallkörper 1, insbesondere einen Diamanten, mit einer Anzahl von Farbzentren, insbesondere von Stickstoff-Fehlstellen auf, sowie eine Lichtquelle 3 zum Bestrahlen des Kristallkörpers 1 mit Anregungslicht 20, eine Hochfrequenzeinrichtung 7 zum Bestrahlen des Kristallkörpers mit Mikrowellen und einen oder mehrere Photodetektoren, die eingerichtet sind zum Detektieren von Fluoreszenzlicht, welches aufgrund der Bestrahlung des Kristallkörpers durch das Anregungslicht 20 und die Mikrowellen erzeugt wird. Die Photodetektoren sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der 1 nicht dargestellt.In 1 an embodiment of a sensor device according to the invention is shown and designated as a whole by 100. The sensor device 100 has a crystal body 1 , in particular a diamond, with a number of color centers, in particular nitrogen voids, and a light source 3 for irradiating the crystal body 1 with excitation light 20th , a high frequency device 7th for irradiating the crystal body with microwaves and one or more photodetectors which are set up to detect fluorescent light, which is caused by the irradiation of the crystal body by the excitation light 20th and the microwave is generated. For the sake of clarity, the photodetectors are in the 1 not shown.

Die Sensoreinrichtung weist weiterhin mehrere Spiegelsysteme 2 auf, wobei die Lichtquelle 3 derart angeordnet ist, dass das Anregungslicht 20 in den Kristallkörper 1 eingekoppelt wird und aus dem Kristallkörper wieder transmittiert wird.The sensor device also has a plurality of mirror systems 2 on, being the light source 3 is arranged such that the excitation light 20th into the crystal body 1 is coupled and is transmitted again from the crystal body.

Die Spiegelsysteme 2 sind hierbei derart angeordnet und ausgebildet, dass von dem Kristallkörper 1 transmittiertes Anregungslicht 20 nacheinander jeweils auf eines der Spiegelsysteme 2 trifft, von diesem derart reflektiert wird, dass es wieder in den Kristallkörper 1 eingekoppelt wird, wieder aus diesem Kristallkörper 1 transmittiert wird, danach auf ein nächstes der Spiegelsysteme 2 trifft und von diesem wieder derart reflektiert wird, dass es wieder in den Kristallkörper 1 eingekoppelt wird.The mirror systems 2 are here arranged and designed in such a way that of the crystal body 1 transmitted excitation light 20th one after the other on one of the mirror systems 2 hits, is reflected by this in such a way that it returns to the crystal body 1 is coupled, again from this crystal body 1 is transmitted, then to another of the mirror systems 2 hits and is reflected by this again in such a way that it is back into the crystal body 1 is coupled.

Das erste Spiegelsystem 2 weist in dieser Ausführungsform zwei Spiegel 2a und 2b auf, die nach der ersten Transmission des Anregungslichts aus dem Kristallkörper 1 nacheinander passiert werden, bevor das Anregungslicht wieder in den Kristallkörper 1 eingekoppelt wird. Das zweite Spiegelsystem 2 weist in dieser Ausführungsform einen Spiegel 2c auf.The first mirror system 2 has two mirrors in this embodiment 2a and 2 B after the first transmission of the excitation light from the crystal body 1 successively before the excitation light enters the crystal body again 1 is coupled. The second mirror system 2 has a mirror in this embodiment 2c on.

Das zweite Spiegelsystem wird als letztes von dem Anregungslicht 20 passiert. Es ist derart ausgebildet und angeordnet, dass das Anregungslicht 20 im 180°-Winkel von dessen Spiegel 2c zurückreflektiert wird und in umgekehrter Reihenfolge sämtliche anderen der Spiegelsysteme erneut passiert. Das zurücklaufende Anregungslicht ist in dieser Ausführungsform mit 20' bezeichnet. Ein Hinweg des Anregungslichtes 20 durch den Kristallkörper 1 entspricht demzufolge einem Rückweg des Anregungslichtes 20'. Das Anregungslicht 20' verlässt den Kristallkörper auf dem Rückweg bei dem letzten Durchgang umgekehrt parallel zu einem Eingangsstrahl des Anregungslichtes 20 von der Lichtquelle 3. Auf diese Weise werden mit dieser Anordnung vier Durchgänge des Anregungslichts 20, 20' durch den Kristallkörper 1 erzielt. Sämtliche der Spiegelsysteme sind derart angeordnet, dass das Anregungslicht 20 sich von der Lichtquelle 3 bis zu einem letzten Durchgang durch den Kristallkörper 1 auf seiner gesamten Weglänge in einer Anregungslichtebene fortsetzt, welche in der dargestellten Figur der Zeichenebene entspricht. So ist vorteilhaft wenigstens ein nicht dargestellter Photodetektor senkrecht zu der Anregungslichtebene bezüglich des Kristallkörpers 1 angeordnet, so dass er den Strahlengang des Anregungslichtes 20 nicht blockiert.The second mirror system is the last of the excitation light 20th happens. It is designed and arranged in such a way that the excitation light 20th at a 180 ° angle from its mirror 2c is reflected back and passes all the other mirror systems again in reverse order. In this embodiment, the returning excitation light is denoted by 20 '. A way of the excitation light 20th through the crystal body 1 therefore corresponds to a return path of the excitation light 20 ' . The excitation light 20 ' leaves the crystal body on the way back in the last pass, inversely parallel to an input beam of the excitation light 20th from the light source 3 . In this way, with this arrangement, there are four passes of the excitation light 20th , 20 ' through the crystal body 1 achieved. All of the mirror systems are arranged in such a way that the excitation light 20th away from the light source 3 up to a final passage through the crystal body 1 continues over its entire path in an excitation light plane which corresponds to the drawing plane in the figure shown. Thus, at least one photodetector, not shown, is advantageous perpendicular to the excitation light plane with respect to the crystal body 1 arranged so that he the beam path of the excitation light 20th not blocked.

Die Spiegel 2a, 2b, 2c sind in dieser Ausführungsform bevorzugt durch lithografisch definierte Strukturen und anschließend tiefes reaktives lonenätzen in eine Silizium-Kaverne 60 strukturiert, in die der Kristallkörper 1 eingepasst ist. Bei jedem Austritt aus dem Kristallkörper findet ein Durchgang des Anregungslichtes durch Luft oder ein Schutzgas statt.The mirror 2a , 2 B , 2c are in this embodiment preferably through lithographically defined structures and then deep reactive ion etching in a silicon cavern 60 structured into which the crystal body 1 is fitted. With each exit from the crystal body, the excitation light passes through air or a protective gas.

2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche Elemente wie in 1 und werden nicht erneut beschrieben. 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass drei Spiegelsysteme 2 vorgesehen sind, die anders ausgebildet und angeordnet sind als in 1. Ein erstes Spiegelsystem 2 weist gemäß dieser Ausführungsform die Spiegel 2d und 2e auf. Ein zweites Spiegelsystem weist die Spiegel 2f und 2g auf. Ein drittes Spiegelsystem weist den Spiegel 2h auf. Das dritte Spiegelsystem wird als letztes von dem Anregungslicht 20 passiert. Es ist derart ausgebildet und angeordnet, dass das Anregungslicht 20 im 180°-Winkel von diesem zurückreflektiert wird und in umgekehrter Reihenfolge sämtliche anderen der Spiegelsysteme 2 erneut passiert. Auf diese Weise werden sechs Durchgänge des Anregungslichtes 20, 20' durch den Kristallkörper realisiert. 2 shows a further embodiment of a sensor device according to the invention. The same reference symbols denote the same elements as in FIG 1 and will not be described again. 2 differs from 1 by having three mirror systems 2 are provided that are designed and arranged differently than in 1 . A first mirror system 2 according to this embodiment has the mirror 2d and 2e on. A second mirror system has the mirrors 2f and 2g on. A third mirror system has the mirror 2h on. The third mirror system is the last of the Excitation light 20th happens. It is designed and arranged in such a way that the excitation light 20th is reflected back from this at a 180 ° angle and all the other mirror systems in reverse order 2 happened again. In this way, there are six passes of the excitation light 20th , 20 ' realized by the crystal body.

3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. Die dritte Ausführungsform weist drei Spiegelsysteme auf. Das erste Spiegelsystem umfasst Spiegel 2i und 2k, die nach dem ersten Durchgang des Anregungslichtes 20 durch den Kristallkörper 1 nacheinander passiert werden, bevor das Anregungslicht erneut in den Kristallkörper 1 eingekoppelt wird. Das zweite Spiegelsystem 2 weist die Spiegel 2l und 2m auf. Das dritte Spiegelsystem weist die Spiegel 2n und 2k auf. Dabei gehört der Spiegel 2k sowohl zum ersten Spiegelsystem 2 als auch zum dritten Spiegelsystem 2. Im Gegensatz zu der ersten und zweiten Ausführungsform findet keine 180°-Spiegelung statt. Das Anregungslicht 20 wird nach dem vierten Durchgang durch den Kristallkörper 20 nicht erneut reflektiert. Ein weiterer Unterschied zu der ersten und zweiten Ausführungsform ist, dass die dritte Ausführungsform holografische Spiegel 2a, 2c, 2e aufweist. Wie in der Figur sichtbar ist, kann durch gezielte Beschichtungen erreicht werden, dass ein Ausfallswinkel jeweils der holografischen Spiegel 2a, 2c, 2e nicht gleich dem Einfallswinkel ist. Durch die Wahl der Beschichtung kann ein beliebiger Reflexionswinkel eingestellt werden. Dies vereinfacht die Herstellung der Spiegelanordnung, da für die Ausbildung der holografischen Spiegel 2a, 2c, 2e keine schrägen Reflexionsflächen bezüglich des Subtrates bzw. der Kaverne 60 notwendig sind. 3 shows a third embodiment of a sensor device according to the invention. The third embodiment has three mirror systems. The first mirror system includes mirrors 2i and 2k after the first passage of the excitation light 20th through the crystal body 1 successively before the excitation light enters the crystal body again 1 is coupled. The second mirror system 2 instructs the mirror 2l and 2m on. The third mirror system has the mirrors 2n and 2k on. The mirror belongs here 2k both to the first mirror system 2 as well as the third mirror system 2 . In contrast to the first and second embodiment, there is no 180 ° mirroring. The excitation light 20th becomes after the fourth pass through the crystal body 20th not reflected again. Another difference from the first and second embodiment is that the third embodiment has holographic mirrors 2a , 2c , 2e having. As can be seen in the figure, it can be achieved through targeted coatings that an angle of reflection of each of the holographic mirrors 2a , 2c , 2e is not equal to the angle of incidence. Any desired angle of reflection can be set by choosing the coating. This simplifies the manufacture of the mirror arrangement, since it is necessary for the formation of the holographic mirror 2a , 2c , 2e no inclined reflective surfaces with regard to the substrate or the cavern 60 are necessary.

Gemäß den 4-11 wird nun eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Spiegelanordnung für eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung erläutert. In 4 ist ein bereitgestelltes Siliziumsubstrat 4 dargestellt. Darauf wird in einem Verfahrensschritt ein Photoresistfilm aufgebracht. 5 zeigt das bereitgestellte Siliziumsubstrat 4 nach Aufbringung des Photoresistfilms 5. Dieser Photoresistfilm wird in einem nächsten Verfahrensschritt lithografisch, insbesondere photolithografisch strukturiert. 6 zeigt Abschnitte 5a, 5b des Photoresistfilms auf dem Siliziumsubstrat 4 nach der lithografischen Strukturierung.According to the 4-11 An embodiment of a method according to the invention for producing a mirror arrangement for an embodiment of a sensor device according to the invention will now be explained. In 4th is a provided silicon substrate 4th shown. A photoresist film is applied to this in one process step. 5 shows the silicon substrate provided 4th after application of the photoresist film 5 . This photoresist film is structured lithographically, in particular photolithographically, in a next process step. 6th shows sections 5a , 5b of the photoresist film on the silicon substrate 4th after the lithographic structuring.

Durch einen ersten Ätzvorgang wird eine Struktur in dem Siliziumsubstrat ausgebildet. 7 zeigt das Siliziumsubstrat nach dem ersten Ätzvorgang, wobei es nun mit 4a bezeichnet ist.A structure is formed in the silicon substrate by a first etching process. 7th shows the silicon substrate after the first etching process, it is now designated with 4a.

Auf dieses Siliziumsubstrat 4a wird ein weiterer Photoresistfilm aufgebracht, wobei dieser weitere Photoresistfilm auch noch vorhandene Abschnitte 5a, 5b des ersten Photoresistfilms 5 bedecken kann. Auch dieser wird durch Belichtung strukturiert. Danach wird ein zweiter Ätzvorgang durchgeführt, wodurch eine podestartige Aufnahme 6 für einen Kristallkörper 1 entsteht. 8 zeigt das Siliziumsubstrat 4c mit der podestartigen Aufnahme 6 und den Abschnitten 8a, 8b, 8c, 5b des Photoresistfilms. Man erkennt, dass hierbei der Abschnitt 8c den Abschnitt 5b überdeckt.On this silicon substrate 4a a further photoresist film is applied, this further photoresist film also still existing sections 5a , 5b of the first photoresist film 5 can cover. This is also structured by exposure. A second etching process is then carried out, creating a pedestal-like receptacle 6th for a crystal body 1 arises. 8th shows the silicon substrate 4c with the pedestal-like recording 6th and the sections 8a , 8b , 8c , 5b of the photoresist film. It can be seen that the section 8c the section 5b covered.

Nach Entfernung der verbleibenden Photoresistfilmabschnitte 8a, 8b, 8c, 5b wird in einem weiteren Verfahrensschritt auf das Siliziumsubstrat 4c eine Spiegelschicht 9 aufgebracht. Dies ist in 9 sichtbar. Danach wird ein Kristallkörper 1 auf der podestartigen Aufnahme 6 platziert und aufgeklebt, was in 10 dargestellt ist.After removing the remaining photoresist film sections 8a , 8b , 8c , 5b is applied to the silicon substrate in a further process step 4c a mirror layer 9 upset. This is in 9 visible. After that it becomes a crystal body 1 on the pedestal-like recording 6th placed and glued what was in 10 is shown.

In weiteren Verfahrensschritten können die vorstehend genannten Schritte an einem neuen Siliziumsubstrat wiederholt werden und mehrere strukturierte Siliziumsubstrate miteinander zu einer Kavität 60 zusammengestellt werden. 11 zeigt eine fertige Spiegelanordnung nach Durchführung sämtlicher Herstellungsschritte. Die Spiegelanordnung nach 11 ist auch in 1 dargestellt, weswegen weitere Bezugszeichen in 11 weggelassen sind.In further method steps, the above-mentioned steps can be repeated on a new silicon substrate and several structured silicon substrates together to form a cavity 60 be put together. 11 shows a finished mirror arrangement after all manufacturing steps have been carried out. The mirror arrangement according to 11 is also in 1 shown, which is why further reference symbols in 11 are omitted.

Gemäß den 12-15 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Spiegelanordnung für eine Sensoreinrichtung beschrieben. 12 zeigt ein bereitgestelltes Siliziumsubstrat 4. Auf dieses wird ein Photoresistfilm aufgetragen. Dieser wird lithografisch strukturiert und es wird unter Ätzen eine Struktur einer Kaverne mit Spiegelflächen ausgebildet. Diese Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausbildung der Struktur durch anisotropes nasschemisches Ätzen eine schräge Facette 40 ausgebildet wird. Nach diesen Verfahrensschritten erhält man die Struktur in 13.According to the 12-15 a further embodiment of a method according to the invention for producing a mirror arrangement for a sensor device is described. 12th Fig. 10 shows a provided silicon substrate 4th . A photoresist film is applied to this. This is structured lithographically and a structure of a cavern with mirror surfaces is formed while etching. This embodiment of the method is characterized in that when the structure is formed by anisotropic wet-chemical etching, an inclined facet 40 is trained. After these process steps, the structure in 13 .

Auf die schräge Facette 40 wird nun eine Spiegelschicht 41 aufgebracht, was in 14 dargestellt ist. Durch die Abscheidung holografischer Strukturen 2i, 2n erhält man das Siliziumsubstrat 4d gemäß 15.On the oblique facet 40 now becomes a mirror layer 41 upset what in 14th is shown. By depositing holographic structures 2i , 2n one obtains the silicon substrate 4d according to 15th .

Durch weitere Verfahrensschritte, die für den Fachmann aus den genannten Verfahrensschritten ableitbar sind, lässt sich die Spiegelanordnung der Sensoreinrichtung gemäß 3 herstellen.By means of further method steps, which can be derived from the method steps mentioned by a person skilled in the art, the mirror arrangement of the sensor device according to FIG 3 produce.

16 zeigt eine Spiegelanordnung für eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung. In dieser Spiegelanordnung wird das Anregungslicht zunächst von einem weiteren Spiegel 2p abgelenkt, bevor es auf den Kristallkörper 1 trifft. Im Übrigen entspricht diese Ausführungsform derjenigen gemäß 1. 16 shows a mirror arrangement for an embodiment of a sensor device according to the invention. In this mirror arrangement, the excitation light is initially from a further mirror 2p distracted before it hits the crystal body 1 meets. Otherwise, this embodiment corresponds to that according to FIG 1 .

Gemäß 17 und 18 sind sämtliche Spiegel 2p, 9 und der Kristallkörper 1 durch eine transparente Abdeckung bzw. Kappe 30 geschützt, durch die das Anregungslicht 20 von der Lichtquelle 3 einkoppelbar ist. Diese kann durch Bonden, z.B. anodisches Bonden, auf eine Halterung der Spiegel 2o, 9 aufgebracht werden. Dabei ist die Lichtquelle 3 bevorzugt derart angeordnet, dass das Anregungslicht senkrecht durch die transparente Kappe 30 geführt wird. Insbesondere wird das Anregungslicht durch einen weiteren Spiegel 2o abgelenkt, bevor es auf den Kristallkörper trifft. Die Spiegel 2p, 9 befinden sich in einer Gasatmosphäre 50, bevorzugt eine Schutzgasatmosphäre.According to 17th and 18th are all mirrors 2p , 9 and the crystal body 1 through a transparent cover or cap 30th protected by the excitation light 20th from the light source 3 can be coupled. This can be done by bonding, for example anodic bonding, to a bracket for the mirror 2o , 9 be applied. Here is the light source 3 preferably arranged such that the excitation light perpendicularly through the transparent cap 30th to be led. In particular, the excitation light is through a further mirror 2o deflected before it hits the crystal body. The mirror 2p , 9 are in a gas atmosphere 50 , preferably a protective gas atmosphere.

18 zeigt hierbei einen Spiegel 2p, der als aktuierbarer Mikrospiegel ausgebildet ist und damit eine nachträgliche Justierung ermöglicht. 18th shows here a mirror 2p , which is designed as an actuatable micromirror and thus enables subsequent adjustment.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 3742878 A1 [0006]DE 3742878 A1 [0006]

Claims (18)

Sensoreinrichtung mit einem Kristallkörper (1), insbesondere einem Diamanten, mit einer Anzahl von Farbzentren, insbesondere von Stickstoff-Fehlstellen, einer Lichtquelle (3) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (1) mit Anregungslicht (20), einer Hochfrequenzeinrichtung (7) zum Bestrahlen des Kristallkörpers (1) mit Mikrowellen, und einem oder mehreren Photodetektoren, die eingerichtet sind zum Detektieren von Fluoreszenzlicht, welches aufgrund der Bestrahlung des Kristallkörpers (1) durch das Anregungslicht (20) und die Mikrowellen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung wenigstens ein Spiegelsystem aufweist, wobei die Lichtquelle (3) derart angeordnet ist, dass das Anregungslicht (20) in den Kristallkörper (1) eingekoppelt wird und aus dem Kristallkörper (1) wieder transmittiert wird, wobei das wenigstens eine Spiegelsystem derart ausgebildet und angeordnet ist, dass nach einem ersten Durchlauf durch den Kristallkörper (1) transmittiertes Anregungslicht (20) derart reflektiert wird, dass es wieder in den Kristallkörper (1) eingekoppelt wird, wobei jedes der Spiegelsysteme einen oder mehrere Spiegel (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) aufweist, wobei das Anregungslicht (20) nach wenigstens einem Austritt aus dem Kristallkörper (1) ein den Kristallkörper (1) umgebendes Medium (50) oder ein Vakuum passiert.Sensor device with a crystal body (1), in particular a diamond, with a number of color centers, in particular nitrogen defects, a light source (3) for irradiating the crystal body (1) with excitation light (20), a high-frequency device (7) for irradiating the Crystal body (1) with microwaves, and one or more photodetectors which are set up to detect fluorescent light which is generated due to the irradiation of the crystal body (1) by the excitation light (20) and the microwaves, characterized in that the sensor device has at least one Having a mirror system, the light source (3) being arranged in such a way that the excitation light (20) is coupled into the crystal body (1) and is transmitted again from the crystal body (1), the at least one mirror system being designed and arranged in such a way that after a first pass through the crystal body (1) transmitted excitation light (20) d is reflected so that it is coupled back into the crystal body (1), with each of the mirror systems having one or more mirrors (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n , 2p), the excitation light (20) passing through a medium (50) surrounding the crystal body (1) or a vacuum after at least one exit from the crystal body (1). Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (3) und die Spiegelsysteme derart angeordnet sind, dass das Anregungslicht (20) bei mehreren, insbesondere sämtlichen Durchläufen durch den Kristallkörper (1) zumindest teilweise dasselbe Kristallkörpervolumen passiert.Sensor device according to Claim 1 , wherein the light source (3) and the mirror systems are arranged in such a way that the excitation light (20) passes at least partially the same crystal body volume during several, in particular all, passes through the crystal body (1). Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoreinrichtung mehr als ein Spiegelsystem aufweist, wobei die Spiegelsysteme derart angeordnet und ausgebildet sind, dass von dem Kristallkörper (1) transmittiertes Anregungslicht (20) nacheinander jeweils auf eins der Spiegelsysteme trifft, von diesem derart reflektiert wird, dass es wieder in den Kristallkörper eingekoppelt wird, wieder aus dem Kristallkörper (1) transmittiert wird, danach auf ein weiteres der Spiegelsysteme trifft und von diesem wieder derart reflektiert wird, dass es wieder in den Kristallkörper (1) eingekoppelt wird, bis das Anregungslicht (20) sämtliche der Spiegelsysteme passiert hat und wieder in den Kristallkörper (1) eingekoppelt wird.Sensor device according to Claim 1 or 2 , the sensor device having more than one mirror system, the mirror systems being arranged and designed in such a way that excitation light (20) transmitted by the crystal body (1) hits one of the mirror systems one after the other and is reflected by this in such a way that it is returned to the Crystal body is coupled in, is transmitted again from the crystal body (1), then hits another of the mirror systems and is reflected by this again in such a way that it is coupled back into the crystal body (1) until the excitation light (20) all of the mirror systems has happened and is coupled back into the crystal body (1). Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, wobei eines der Spiegelsysteme, das als letztes von dem Anregungslicht (20) passiert wird, derart ausgebildet und angeordnet ist, dass das Anregungslicht (20) in einem 180°-Winkel von diesem zurückreflektiert wird und in umgekehrter Reihenfolge sämtliche anderen der Spiegelsysteme erneut passiert.Sensor device according to Claim 3 wherein one of the mirror systems, which is passed last by the excitation light (20), is designed and arranged in such a way that the excitation light (20) is reflected back from it at a 180 ° angle and passes all the other mirror systems again in reverse order . Sensoreinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei sämtliche der Spiegelsysteme derart angeordnet sind, dass das Anregungslicht (20) sich ausgehend von der Lichtquelle (3) bis zu einem letzten Durchgang durch den Kristallkörper (1) auf seiner gesamten Weglänge in einer Anregungslichtebene fortsetzt.Sensor device according to Claim 3 or 4th , all of the mirror systems being arranged in such a way that the excitation light (20), starting from the light source (3), continues on its entire path in an excitation light plane up to a final passage through the crystal body (1). Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, wobei wenigstens ein Photodetektor senkrecht zu der Anregungslichtebene bezüglich des Kristallkörpers (1) angeordnet ist, bevorzugt mit seiner Detektionsfläche parallel zur Anregungslichtebene.Sensor device according to Claim 5 , wherein at least one photodetector is arranged perpendicular to the excitation light plane with respect to the crystal body (1), preferably with its detection surface parallel to the excitation light plane. Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Spiegel (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) ein holografischer Spiegel ist.Sensor device according to one of the preceding claims, wherein at least one of the mirrors (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) is a holographic mirror. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei wenigstens einer der Spiegel (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) durch eine metallische Schicht realisiert ist.Sensor device according to one of the Claims 1 - 7th , at least one of the mirrors (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) being realized by a metallic layer. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, wobei wenigstens einer der Spiegel (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) durch eine dielektrische Schichtfolge realisiert ist.Sensor device according to one of the Claims 1 - 8th , wherein at least one of the mirrors (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) is realized by a dielectric layer sequence. Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Spiegel (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) als aktuierbarer Mikrospiegel ausgebildet ist.Sensor device according to one of the preceding claims, wherein at least one of the mirrors (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) is designed as an actuatable micromirror. Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Spiegel (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) durch lithografisch definierte Strukturen und anschließend tiefes reaktives lonenätzen in eine Silizium-Kaverne strukturiert ist, in die der Kristallkörper (1) eingepasst ist.Sensor device according to one of the preceding claims, wherein at least one of the mirrors (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) by lithographically defined structures and then deep reactive ion etching is structured in a silicon cavity into which the crystal body (1) is fitted. Sensoreinrichtung nach Anspruch 11, wobei geätzte Oberflächen beschichtet, bevorzugt metallisch oder dielektrisch beschichtet, ausgebildet sind.Sensor device according to Claim 11 , with etched surfaces coated, preferably metallic or dielectric coated, formed. Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sämtliche Spiegel (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) und der Kristallkörper (1) durch eine transparente Kappe (30) geschützt sind, durch die das Anregungslicht von der Lichtquelle eingekoppelt wird.Sensor device according to one of the preceding claims, wherein all mirrors (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 2k, 21, 2m, 2n, 2p) and the crystal body (1) are covered by a transparent cap ( 30), through which the excitation light is coupled from the light source. Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das den Kristallkörper umgebende Medium (50) bevorzugt ein gasförmiges Medium und noch bevorzugter Umgebungsluft oder ein Schutzgas ist.Sensor device according to one of the preceding claims, wherein the medium (50) surrounding the crystal body is preferably a gaseous medium and more preferably ambient air or a protective gas. Verfahren zur Herstellung einer Spiegelanordnung für eine Sensoreinrichtung, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Si-Substrats (4, 4a, 4c, 4d); - Aufbringen eines Photoresistfilms (5, 5a, 5b); - Lithografische Strukturierung des Photoresistfilms (5, 5a, 5b); - Unter Ätzen Ausbildung einer Struktur einer Kaverne mit Spiegelflächen (9); - Unter Ätzen Ausbildung einer podestartigen Aufnahme (6) für einen Kristallkörper (1); - Platzieren und Aufkleben des Kristallkörpers (1) auf der Aufnahme (6).A method for producing a mirror arrangement for a sensor device, comprising the steps: - providing a Si substrate (4, 4a, 4c, 4d); - applying a photoresist film (5, 5a, 5b); - Lithographic structuring of the photoresist film (5, 5a, 5b); - Formation of a structure of a cavern with mirror surfaces (9) with etching; - With etching formation of a pedestal-like receptacle (6) for a crystal body (1); - Placing and sticking the crystal body (1) on the receptacle (6). Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend das Aufbringen einer spiegelnden Beschichtung (9).Procedure according to Claim 15 , further comprising the application of a reflective coating (9). Verfahren nach Anspruch 16, wobei als spiegelnde Beschichtung (9) holografische Strukturen (2i, 2n) abgeschieden werden.Procedure according to Claim 16 , with holographic structures (2i, 2n) being deposited as a reflective coating (9). Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei bei der Ausbildung der Struktur durch anisotropes nasschemisches Ätzen wenigstens eine schräge Facette (40) ausgebildet wird.Method according to one of the Claims 15 to 17th wherein at least one inclined facet (40) is formed during the formation of the structure by anisotropic wet chemical etching.
DE102019203929.4A 2019-03-22 2019-03-22 Sensor device and method for producing a mirror arrangement for a sensor device Pending DE102019203929A1 (en)

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