Magnetfeld­messung auf atomarer Ebene

Sensorik in einer neuen Dimension

Hochsensitive Verfahren zur Messung von Magnetfeldern haben bis heute entscheidende Nachteile: Sie benötigen entweder sehr große Aufbauten, haben hohe Leistungsaufnahmen, die verwendeten Bauteile leiden unter Selbsterhitzung oder die zu messenden Felder werden durch Wirbelströme beeinflusst. Ein mikrowellenfreies Quantenmagnetometer lässt sich kostengünstig und kompakt aufbauen. Seine hohe Sensitivität macht den Einsatz in zahlreichen Anwendungsfeldern interessant.

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Was ist ein Quantensensor?

Quantensensoren nutzen auf der Quantentechnologie basierende Gesetze und Verfahren. Physikalische Größen wie Temperatur, Geschwindigkeit, elektrische und magnetische Felder sowie Positionen lassen sich mit einer bisher nicht realisierbaren Genauigkeit bestimmen. Aktuell bereiten Forschungsinstitute und Industrieunternehmen wie die Turck duotec die Quantensensorik bzw. die Quantenmagnetsensorik auf ihre praktische Anwendung vor.

Mikrowellenfreier, quantenbasierter Magnetfeldsensor zum Einsatz unter widrigsten Bedingungen

Der zu realisierende Sensor nutzt High-Density-NV-Diamanten, die bei Bestrahlung mit grünem Licht eine rote Fluoreszenzstrahlung abgeben, welche durch magnetische Flussdichten beeinflusst wird. Auf diese Weise lässt sich ein hochempfindlicher und dynamischer sowie galvanisch getrennter Magnetfeldsensor herstellen, der im Vergleich mit anderen NV-basierten Sensoren ohne die Anwendung von Mikrowellen auskommt.

Der Sensor lässt sich kostengünstig und kompakt aufbauen, ein miniaturisierter Aufbau besteht bereits. Der Betrieb ist über einen weiten Temperaturbereich, einschließlich Raumtemperatur, möglich.

Das Messverfahren

Das Sensorsystem verwendet die magnetfeldabhängige rote Fluoreszenz von High-Density-NV-Diamanten. Die rote Fluoreszenzstrahlung entsteht bei Bestrahlung mit grünem Licht. Der Sensor nutzt die Magnetfeldabhängigkeit der Spinzustände der NV-Zentren und die damit verbundene Änderung der Fluoreszenzintensität zur Vermessung der magnetischen Flussdichte.

Vorteile des mikrowellenfreien, quantenbasierten Magnetfeldsensors:

  • Einfacher und kostengünstiger Aufbau
  • Schutzrechtsfreiheit, rechtliche Verwertbarkeit
  • Unproblematische Sensorelementausrichtung in einer späteren Serienfertigung, da keine Kristallausrichtung erforderlich ist
  • Kein Sensor-Reset erforderlich, keine Hysterese oder Memory-Effekte
  • Hohe Reaktionsgeschwindigkeit des Fluoreszenzsignals (<20ns)
  • Skalar-Magnetometrie
  • Große Arbeitsdistanz möglich
  • Sensorelementoberfläche mit maximaler mechanischer Härte (10);
    kann in direkten Kontakt mit sich bewegenden Oberflächen gebracht werden.
  • Optisches Sensorelement mit rein optischer Ankopplung ohne Mikrowellen z.B. mit Lichtwellenleitern ermöglicht:
    • Galvanische Trennung von Magnetfeldmessung und Auswerteelektronik mit Datenbusanbindung (>1kV, wichtig für die Strommessung in Batterien für Elektromobile Hauptantriebe)
    • Keine Selbsterhitzung wie bei Strommessung mit Bus-Shunts
    • Chemische Inertheit des Sensorelements bei Ankopplung des Elements über einen Lichtwellenleiter (Platzierung in elektrochemischen Zellen wie Batterien möglich)
    • Messungen bei sehr hoher Temperatur (bis ~720°C = Oxidationsgrenze) und sehr niedriger Temperatur (z.B. LN2, LHe-Temperatur) möglich
    • Messung in verstrahlten Bereichen möglich (z.B. während medizinischer Untersuchungen in der Radiologie)

Mögliche Anwendungsfelder

Aufgrund des weiten Temperaturbereichs, einem möglichen Einsatz unter ionisierender Strahlung sowie einer Anwendung unter sehr widrigen Umweltbedingungen eignet sich der quantenbasierte Magnetfeldsensor für:

Maschinen- und Anlagenbau

Hochspannungs­technik

Medizintechnik

Die Kooperation

Turck duotec verfügt als EMS- und E2MS-Dienstleister über eine mehr als dreißigjährige Expertise in der Produktion und Entwicklung von elektronischen Bauteilgruppen/Sensoren und das entsprechende Know-how in der Industrialisierung von Produkten. Turck duotec ist strategischer Investor bei Quantum Technologies, einem Unternehmen für die sensitive Material- bzw. Magnetfelddetektion.

Gemeinsam arbeiten die beiden Unternehmen an der Entwicklung eines marktreifen Quantenmagnetsensor, mit dem Ziel der Portfolioerweiterung für Kunden in den Segmenten Medizintechnik, Energie, Kommunikation u.v.m.

Weitere Fragen zum Quantensensor bitte an:

Quantum Technologies UG (haftungsbeschränkt)
Herr Robert Staacke (Geschäftsführer)
Karl-Liebknecht-Str. 152
04277 Leipzig

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