用于测量磁场方向的方法和设备技术

本发明专利技术涉及一种用于测量外部磁场的磁场方向的方法，该方法具有步骤：将样品（2）引入（S1）到外部磁场中，其中样品（2）具有缺陷，所述缺陷预先规定样品（2）的相对应的取向方向；在样品（2）的区域中产生（S2）交变磁场，所述交变磁场具有预先规定的或者可预先规定的磁场方向；测量（S3）由于样品（2）与交变磁场的相互作用引起的自旋共振效应；和在使用所测量的自旋共振效应和使用交变磁场的磁场方向相对于样品（2）的取向方向的定向的情况下，测定（S4）外部磁场的磁场方向。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于测量磁场方向的方法和设备
本专利技术涉及一种用于测量外部磁场的磁场方向的方法和一种相对应的设备。
技术介绍
确定磁场在传感器技术中起到重要作用。例如，在车辆中或者利用便携式设备，可测定用于导航的方位。也为了对金属的或者磁的对象进行测位，需要高精度的磁场传感器。磁场的将来的可能应用可以是人机接口。借助磁场传感器，测量在大脑活动中形成的电流。借助磁场脉冲确定磁场例如从WO2016/118791A1中已知。为此，采用带有具有氮空位中心（NV中心）的金刚石的样品。Balasubramanian的“Nanoscaleimagingmagnetometrywithdiamondspinsunderambientconditions”（Nature，第455卷，第648-651页，2008年）提供了对NV中心的研究。除了精确地确定磁场强度之外，对于许多应用而言也要求知晓磁场方向。因此存在对可小型化的和成本有利的传感器设备的需求，以确定磁场方向。
技术实现思路
本专利技术提供了具有权利要求1的特征的一种用于测量外部磁场的磁场方向的方法，并且提供了具有权利要求9的特征的一种用于测量外部磁场的磁场方向的设备。优选的实施形式是相应的从属权利要求的主题。根据第一方面，本专利技术因此涉及一种用于测量外部磁场的磁场方向的方法。样品被引入到外部磁场中，其中该样品具有缺陷，所述缺陷预先规定样品的相对应的取向方向（Orientierungsrichtung）。在样品的区域中产生具有预先规定的或者可预先规定的磁场方向的交变磁场。由于样品与交变磁场的相互作用而形成自旋共振效应，并且测量这些自旋共振效应。在使用所测量的自旋共振效应和使用交变磁场的磁场方向相对于样品的取向方向的定向（Ausrichtung）的情况下，测定外部磁场的磁场方向。根据第二方面，本专利技术因此涉及一种用于测量外部磁场的磁场方向的设备，所述设备具有样品，所述样品可引入到外部磁场中。该样品具有缺陷，所述缺陷预先规定相对应的取向方向。所述设备进一步具有磁场装置，所述磁场装置可以在样品的区域中产生具有预先规定的或者可预先规定的磁场方向的交变磁场。该设备具有测量装置，所述测量装置测量自旋共振效应，所述自旋共振效应由样品与交变磁场的相互作用造成。最后，该设备具有评估装置，所述评估装置在使用所测量的自旋共振效应和使用交变磁场的磁场方向相对于样品的取向方向的定向的情况下来测定外部磁场的磁场方向。本专利技术的优点本专利技术能够实现，依据对具有缺陷的样品的调查，测量开头未知的外部磁场的磁场方向。交变磁场的磁场方向相对于样品的取向方向的定向是已知的，并且被考虑用于测定外部磁场的磁场方向。样品例如可以是具有预先规定的晶体结构的固体。在晶体生长时，可能出现确定的缺陷，其中缺陷的定向典型地限于少数几个通过晶体结构预先规定的方向。这些取向方向已经由于样品的制造方法而可能是已知的。然而根据其他实施形式，也可以在下面进一步描述的校准步骤中测定这些取向方向。与通过恒定电流产生的静态磁场相比，或与磁场脉冲相比，通过使用交变磁场可以实现明显更低的能量消耗。由此，本方法和本设备尤其是也适用于在移动应用中采用。根据本方法的优选的改进方案，测量自旋共振效应包括测量光探测磁共振（ODMR）和/或电探测磁共振（EDMR）。根据一实施形式，测量自旋共振效应可以包括：测量ODMR谱和/或EDMR谱。测定调节参量（即所施加的交变磁场的方向和数值）对电子自旋共振的谱的影响。谱的测量被理解为根据变量来测定测量参量，其中所述变量以优选地相同的步长变化。然而根据确定的实施形式，只测量谱中的确定的点。因此，并不一定要求完整确定该谱。根据其他实施形式，自旋共振效应也可以是核自旋共振效应。根据本方法的优选的改进方案，样品是金刚石，其中缺陷是NV中心。取向方向对应于金刚石晶格中的NV中心的四个可能的定向中的至少一个定向。取向方向指的是从氮原子N和空位V的布局中得出的那个轴线。根据本方法的优选的改进方案，垂直于取向方向中的一个取向方向来设定（eingestellt）交变磁场的磁场方向。所测量的自旋共振效应的共振频率被测定，并且被分配给该取向方向。在使用分配给该取向方向的共振频率的情况下，确定磁场方向。根据本方法的优选的改进方案，相继地针对所有取向方向，执行交变磁场的设定和共振频率的测定。在使用金刚石样品的情况下，因此针对四个取向方向重复这些测量。根据本方法的优选的改进方案，在使用交变磁场的情况下，在校准步骤中测定样品的取向方向。因此，不要求最初知晓样品的取向方向。根据本方法的优选的实施形式，校准步骤包括多个单个步骤。这样，样品被引入到外部测试磁场中，该外部测试磁场具有已知的磁场强度和磁场方向。交变磁场的磁场方向相对于外部测试磁场的磁场方向变化，并且测定自旋共振效应的最大值。在使用交变磁场的出现自旋共振效应的最大值的那些磁场方向的情况下，测定样品的取向方向。根据本方法的改进方案，与如下磁场方向正交地测定样品的取向方向之一：在所述磁场方向的情况下，出现自旋共振效应的最大值。根据本设备的优选的改进方案，磁场装置构造为，使所发出的交变磁场的磁场方向变化。附图说明附图：图1示出了根据本专利技术的实施形式的用于测量外部磁场的磁场方向的设备的示意性框图；图2示出了具有NV中心的金刚石晶格的示意性图解；图3示出了NV中心的基态和激发的能级的图解；图4示出了在NV中心的取向方向、外部磁场和交变磁场之间的角度的图解；图5示出了本设备的磁场装置和样品的示意性横截面视图；图6示出了本设备的磁场装置和样品的示意性斜视图；图7针对具有不同的磁场强度的外部磁场示出了单个NV中心的光探测磁共振；图8示出了NV中心的系综（Ensemble）的光探测磁共振；图9示出了交变磁场相对于NV中心的四个取向轴线的可能的角度位置的图解；图10示出了与在图9中所图解说明的角度位置相关的跃迁概率；和图11示出了根据本专利技术的实施形式的用于测量外部磁场的磁场方向的方法的流程图。在所有附图中，相同的或功能相同的元件和设备配备有同一附图标记。具体实施方式图1示出了用于测量外部磁场的设备1的示意性框图。设备1具有样品2，其中所述样品2优选地是具有固定地预先规定的晶体结构的固体。样品2具有缺陷，所述缺陷预先规定相对应的取向方向。在最简单的情况下，可以涉及单个缺陷，比方说在金刚石样品2中的单个NV中心。然而，为了获得较强的信号，优选地涉及这样的缺陷的系综。尤其是，可以涉及具有多个NV中心的金刚石样品2。视晶格中的取向而定，NV中心可以具有四个不同的取向方向。样品2引入到设备1的磁场装置3中，或者可引入到所述磁场装置3中。磁场装置3构造为，产生共振的交变磁场，所述交变磁场可以激发样品的电子或者核子的自旋。激发的强度与交变磁场相对于样品2的取向方向的定向有关。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量外部磁场的磁场方向的方法，其具有步骤：/n将样品（2）引入（S1）到所述外部磁场中，其中所述样品（2）具有缺陷，所述缺陷预先规定所述样品（2）的相对应的取向方向；/n在所述样品（2）的区域中产生（S2）交变磁场，所述交变磁场具有预先规定的或者可预先规定的磁场方向；/n测量（S3）由于所述样品（2）与所述交变磁场的相互作用引起的自旋共振效应；和/n在使用所测量的自旋共振效应和使用所述交变磁场的所述磁场方向相对于所述样品（2）的所述取向方向的定向的情况下，测定（S4）所述外部磁场的所述磁场方向。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180314 DE 102018203845.71.一种用于测量外部磁场的磁场方向的方法，其具有步骤：
将样品（2）引入（S1）到所述外部磁场中，其中所述样品（2）具有缺陷，所述缺陷预先规定所述样品（2）的相对应的取向方向；
在所述样品（2）的区域中产生（S2）交变磁场，所述交变磁场具有预先规定的或者可预先规定的磁场方向；
测量（S3）由于所述样品（2）与所述交变磁场的相互作用引起的自旋共振效应；和
在使用所测量的自旋共振效应和使用所述交变磁场的所述磁场方向相对于所述样品（2）的所述取向方向的定向的情况下，测定（S4）所述外部磁场的所述磁场方向。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，测量自旋共振效应包括测量光探测磁共振和/或电探测磁共振。


3.根据权利要求1或者2所述的方法，其中，所述样品（2）是金刚石，其中所述缺陷是NV中心，并且其中所述取向方向对应于在金刚石晶格中的NV中心的四个可能的定向中的至少一个定向。


4.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，垂直于所述取向方向中的一个取向方向来设定所述交变磁场的所述磁场方向，并且测定所述所测量的自旋共振效应的共振频率和给所述取向方向分配所述共振频率，而且其中在使用分配给所述取向方向的共振频率的情况下，确定所述磁场方向。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，相继地针对所有取向方向，执行所述交变磁场的设定和所述共振频率的测定。


6.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：F普尔克尔，A布伦奈斯，R勒尔韦，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE