本發(fā)明涉及用于感測磁場分布的設備和方法的領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、用于測量任何永磁體和磁體組件的磁場分布的設備在本領(lǐng)域中是已知的。這些設備稱為磁場感測設備，有時也稱為磁場相機，其由多個磁場感測元件組成，以允許進行局部測量，從而能夠以適當?shù)姆直媛蚀_定磁場感測設備感測區(qū)域中的磁場空間分布。這些磁場感測元件可以以矩陣或網(wǎng)格的形式排列成一維或二維陣列。

2、ep1720026a1中公開了這種磁場感測設備的示例。使用的磁場感測元件是以矩陣形式排列的霍爾傳感器。為了能夠單獨尋址矩陣中的每個霍爾傳感器，使用晶體管形式的開關(guān)?；魻杺鞲衅骱烷_關(guān)由半導體材料制成。

3、近年來，人們研究了使用金剛石氮空位(nitrogenvacancy,nv)中心材料測量磁場的方法。例如，“bourgeois,e.,jarmola,a.,siyushev,p.et?al.photoelectric?detectionof?electron?spin?resonance?of?nitrogen-vacancy?centres?in?diamond.nat?commun6,8577(2015)”描述了兩種這樣的方法：磁共振的光學檢測(optical?detectionofmagnetic?resonance,odmr)和磁共振的光電流檢測(photocurrent?detectionofmagnetic?resonance,pdmr)。

4、由霍爾傳感器和半導體材料制成的晶體管開關(guān)組成的現(xiàn)有磁場感測設備在測量磁場分布方面有其優(yōu)點。

5、us10,901,054b1公開了一種使用量子缺陷中心的集成光波導和電子。與許多當前的設計一樣，其中的一對電極以或多或少對稱的方式彼此相對布置。然而，這種布置導致產(chǎn)生(特別是在端部)不均勻的電場。因此，相鄰感測設備的磁場可能會相互干擾，導致結(jié)果不準確。

6、然而，本發(fā)明的目的是提供一種替代的磁場感測設備和方法，以使測量結(jié)果更加準確。

7、本發(fā)明的另一個目的是將這種磁場感測設備集成在金剛石nv中心基板上，以獲得磁場感測元件的更高空間分辨率，并改進測量靈敏度和整體測量時間。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了在本發(fā)明的一個方面實現(xiàn)這些目的，提供了一種用于確定區(qū)域中磁場分布的磁場感測設備，包括金剛石nv中心基板的預定區(qū)域和控制器。預定區(qū)域具有多個磁感測元件，所述多個感測元件中的每一個都具有與金剛石nv中心基板的表面電接觸的第一觸點和第二觸點。每個第二觸點與每個第一觸點電隔離。

2、金剛石nv中心基板可以構(gòu)成薄板形式的、包含氮空位(nv)中心的金剛石材料。

3、根據(jù)本發(fā)明，控制器被配置為控制：

4、-偏置元件，以向所選擇的多個感測元件的第一觸點施加偏置電壓，從而在所選感測元件中的每一個中產(chǎn)生局部外部電場，同時所選感測元件被至少一個光源照射，從而在所選感測元件中的每一個中感應出光電流，并被至少一個微波源照射，從而影響所選感測元件中的每一個內(nèi)產(chǎn)生的光電流；

5、-測量單元，以測量由所選感測元件的第二觸點中的每一個檢測到的光電流，并從中提取所選感測元件中的每個感測元件的感測磁場值；

6、-調(diào)整對多個感測元件的選擇，以允許獲得預定區(qū)域的每個能夠選擇的感測元件的感測磁場值。應當理解，預定區(qū)域中的感測元件的數(shù)量決定了最大分辨率。因此，在以最大分辨率進行測量的情況下，如所述控制所有可選的感測元件，并提取預定區(qū)域中的每個感測元件的磁場值。然而，可以決定以較低的分辨率進行測量，因此僅使用預定區(qū)域中的部分可用感測元件在整個預定區(qū)域上進行測量，或者換句話說，預定區(qū)域中只有部分感測元件能夠選擇。替代地，在較低分辨率下，所有感測元件都用于測量，但僅根據(jù)所需分辨率提取感測元件組合的感測磁場值。

7、測量單元通常包括放大器、用于測量電流和/或電壓的裝備、信號處理裝置(means)和數(shù)據(jù)處理單元。

8、為了使磁感測元件能夠同時感測磁場，通過在感測元件的第一觸點和第二觸點之間施加偏置電壓來產(chǎn)生局部電場，感測元件必須暴露于預定波長或波長范圍的光下，并且磁性元件將被預定頻率或頻率范圍的微波照射。局部電場和暴露于光的共同存在感應出光電流并實現(xiàn)了光電流的收集。同時用微波照射會影響光電流，這取決于磁場的存在。因此，通過將感測元件的第二觸點電連接到測量單元，測量單元可以從第二觸點檢測到的光電流中提取感測磁場值?？梢詫γ總€感測元件重復上述操作，以便順序地獲得每個單獨感測元件的磁場貢獻，或者可以通過將每個所選磁感測元件中的第二觸點單獨連接到測量單元，對所選磁感測元件并行執(zhí)行上述操作。提取每個單獨磁感測元件的感測磁場值的能力，即所謂的讀出選擇性，可以通過多種方式實現(xiàn)，而不需要單獨連接每個第二觸點。未施加局部外部場和/或未暴露于光的非選擇磁感測元件不產(chǎn)生光電流。因此，如果它們的第二導線連接到所選磁感測元件的第二觸點，則所選磁感測元件的讀出選擇性不受影響。對光源和電場進行空間控制可以創(chuàng)造設計自由，以允許更簡單的設計和更快、更準確的測量。當對第二觸點進行分組時，還可以通過調(diào)制偏置電壓和/或光源和/或微波源來實現(xiàn)讀出選擇性，諸如將不同的磁感測元件或其組暴露于具有不同調(diào)制頻率的信號，從而允許使用多頻鎖相放大器分離單個磁感測元件對成組的第二觸點檢測到的光電流的貢獻。

9、在本發(fā)明的實施例中，磁感測元件的第一和第二觸點中的任一個位于第一和第二觸點中的另一個的內(nèi)里。特別地，該布置可以是這樣的，即磁感測元件的第一和第二觸點中的一個基本上圍繞第一和第二觸點中的另一個，即這兩個觸點具有不同的形狀，并且一個圍繞另一個延伸(沿著閉合線或僅部分延伸)。例如，一個觸點是位于感測元件中心的點(任何形狀)，而另一個觸點則是朝向感測元件外圍布置的線。這樣做有助于定義施加電場的基板區(qū)域(在兩個觸點之間)以及磁感測元件中電場的均勻性。此外，它還改善了磁感測元件的屏蔽，使其免受相鄰磁感測元件的影響。

10、多個感測元件可以排列成一維或二維陣列，以定義形成磁感測設備的磁感測元件的矩陣或網(wǎng)格?？梢蕴峁┭氐谝环较蛉∠虻牡谝黄叫袑Ь€以連接第一觸點，并且可以提供沿第二方向取向的第二平行導線以連接第二觸點。這允許連接矩陣中磁感測元件的行和/或列的第一和第二觸點。

11、第一方向可以選為垂直于第二方向。因此，第一導線可以連接磁感測元件行的第一觸點，而第二導線可以連接磁感測元件列的第二觸點，反之亦然。這很方便，因為第一和第二導線可以很容易地在磁感測設備的不同側(cè)訪問。可以提供多路復用器，當多路復用器的輸出連接到測量單元時，所有第二導線都連接到該多路復用器。因此，所有第二觸點都已連接，測量單元可以按行或按列讀取它們。例如，假設第一導線連接磁感測元件的行，第二導線(即讀出線)連接磁感測元件的列，并且選擇并偏置單行磁感測元件，使得該行的每個感測元件中都存在電場。當這行感測元件同時暴露于預定波長的光下并以預定頻率用微波照射時，在該行的每個感測元件中，都會產(chǎn)生受磁場影響的光電流。在這種情況下，每列只有一個有源感測元件，或者換句話說，每條讀出線尋址一個有源感測元件。因此，根據(jù)測量單元測量的光電流，當讀出線通過多路復用器選擇性地連接到測量單元時，可以提取單個磁感測單元的感測磁場值。

12、在本發(fā)明的實施例中，當偏置元件被控制為偏置所選感測元件的第一觸點時，偏置元件可以被進一步控制以將未選擇的感測元件中的第一觸點接地。由于第二觸點全部接地，這抑制了未選擇的感測元件的第二觸點拾取的潛在噪聲，這些噪聲可能會影響測量的光電流的可靠性和準確性，從而也會影響提取的感測磁場值的可靠性和精度。

13、替代地，在同時選擇(激活)多行感測元件的情況下，可以控制偏置元件以向相關(guān)聯(lián)的第一導線中的每一條施加不同調(diào)制的偏置電壓。然后，在讀出線中測量的光電流包含多行磁感測元件的貢獻，但每個貢獻都被不同地調(diào)制，并且可以使用至少一個鎖定放大器或用于模數(shù)轉(zhuǎn)換和后續(xù)快速傅里葉變換(fast?fouriertransform,fft)分析的裝備(如頻譜分析儀)單獨提取。

14、至少一個微波源可以是一個或更多個射頻(radio?frequency,rf)天線?？梢栽谡丈涞耐瑫r控制至少一個微波源，以在預定頻率范圍內(nèi)掃頻。至少一個微波源可以被配置為直接照射磁感測元件?；蛘撸梢蕴峁┮唤M平行微波導線，用于承載由至少一個微波源產(chǎn)生的微波信號，微波線形成在第一和/或第二觸點上方，并與第一和第二觸點以及基板電絕緣。微波導線可以被定位為使得它們至少部分地覆蓋基板上未被第一和/或第二觸點覆蓋的部分。特別地，微波導線可以被配置為使第一和/或第二觸點未覆蓋的基板部分的覆蓋最大化，從而使微波最大化地耦接到金剛石材料中。

15、在本發(fā)明的實施例中，微波線交替地連接到地，以限定一組共面微波帶或一組共面波導。在另一個實施例中，在微波線之間設置有專用的接地電極，例如每個接地電極連接第二觸點中的一些，以便獲得共面波導結(jié)構(gòu)，而不需要將微波線與微波地線交替。

16、在本發(fā)明的另一個實施例中，該組平行微波導線平行于第二導線取向?；剡^來參考上面的矩陣示例，這意味著微波線平行于讀出線，或者換句話說，平行于磁感測元件的列。

17、在另一個實施例中，可以控制至少一個微波源以產(chǎn)生調(diào)制的微波信號。

18、在本發(fā)明的另一個實施例中，第一觸點和第二觸點形成在基板的同一表面上，并且由至少一個光源產(chǎn)生的光引導到相對表面，以照射所選感測元件。這是有利的，因為光不會被觸點屏蔽，從而增加了基板的暴露表面和/或體積。

19、照射與入射表面無關(guān)，可以遍及預定區(qū)域連續(xù)?；蛘撸丈浔榧邦A定區(qū)域在空間上變化。空間變化可以通過機械地移動光源來獲得，或者通過使用一個或更多個反射元件，例如至少一個鏡子(例如多邊形鏡子)，或者通過使用至少一個衍射元件，或者通過使用可以選擇性尋址的多個光源來獲得。特別地，至少一個光源可以是聚焦激光束、線形激光束、發(fā)光二極管(light-emitting?diode,led)或激光器的一維或二維陣列，例如垂直腔面發(fā)射激光器(vertical?cavity?surface?emitting?laser,vcsel)。

20、在本發(fā)明的另一個實施例中，測量單元被配置為從測量的光電流中提取所選感測元件中每個感測元件的感測溫度值。

21、在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種使用磁場感測設備確定區(qū)域中磁場分布的方法，該磁場感測設備包括金剛石nv中心基板的預定區(qū)域，該預定區(qū)域具有多個感測元件，多個感測元件中的每一個都具有與金剛石nv中心基板的表面電接觸的第一觸點和第二觸點，第二觸點與所述第一觸點電隔離；該方法包括以下步驟：

22、-向多個感測元件中的選擇的第一觸點施加偏置電壓，從而在所選感測元件中的每一個中產(chǎn)生局部外部電場，同時由至少一個光源照射所選感測元件，從而在所選感測元件中的每一個中感應出光電流，并由至少一個微波源照射所選感測元件，從而影響所選感應元件中的每一個內(nèi)產(chǎn)生的光電流；

23、-測量由所選感測元件的第二觸點中的每一個檢測到的光電流，并從中提取所選感測元件中的每個感測元件的感測磁場值，以及

24、-調(diào)整感測元件的選擇，并重復該方法的步驟，直到獲得預定區(qū)域的每個能夠選擇的感測元件的感測磁場值。

25、該方法還包括將必須確定磁場分布的物體放置在感測元件附近，優(yōu)選地放置在感測元件的限定距離處。然后，如本領(lǐng)域已知的，使用感測磁場值來計算磁場分布。

26、所述待測對象可以是任何類型和任何技術(shù)領(lǐng)域。例如，本發(fā)明的方法可用于各種形狀、大小或容器的樣品內(nèi)的生物檢測或生物傳感。由于本發(fā)明的方法而達到的高靈敏度可以例如允許確定微流體設備內(nèi)、芯片或晶片上的磁場分布，以監(jiān)測電子系統(tǒng)的功能，如檢測集成電路上的小電流。例如，它也可用于生產(chǎn)環(huán)境中的質(zhì)量控制靜態(tài)測量。