Abb.: Struktur des NV-Zentrums: oben: der Diamantkristall; unten: das NV-Zentrum mit N=Stickstoff und V=fehlender Kohlenstoff (englisch Vacancy).

Wie funktioniert NV-Diamant-Sensorik?

NV-Sensoren nutzen spezielle Nitrogen-Vacancy-Zentren (NV-Zentren) im Diamantkristall, die auf Magnetfelder, elektrische und thermische Einflüsse extrem empfindlich reagieren. Diese Quanten-Defekte werden von einem grünen Laser optisch angeregt – die erzeugte Fluoreszenz hängt vom lokalen Magnetfeld ab und wird per Glasfaser ausgelesen.

Hauptvorteile: kontaktlos, galvanisch getrennt, robust gegen elektromagnetische Störungen, Messung von Gleich- und Wechselgrößen sowie Temperaturen in extrem rauen Umgebungen möglich
Messung ist mikrowellenfrei (kein Wärmeeintrag ins Messobjekt, hohe Sicherheit in Hochspannungsanwendungen)
Isotope Magnetfeldmessung: Ermittelt den Betrag |B| direkt und ortsaufgelöst

Abb.: AMA Innovationspreis 2023

Einsatz- und Alleinstellungsmerkmale

Galvanisch getrennte Hochspannungs- und Strommessung
Galvanisch und thermisch getrennte hoch genaue Positionssensorik in schwierigsten Umgebungen
Magnetfeld- und Eddy-Current-Kameras: Bildhafte Darstellung magnetischer Phänomene in Echtzeit
Miniaturisierte Sensorköpfe, die in medizinischen Kathetern, Zwischen Leitungen oder schwer zugänglichen Industrieanlagen eingesetzt werden können
Robustes Design, geeignet für Temperaturen von −100 °C (wahrscheinlich auch niedriger) bis +250 °C (wahrscheinlich auch höher) und aggressive Chemikalien oder für Einsatz bei Partikelstrahlung
Anwendungsvielfalt von Materialprüfung, Motorüberwachung bis zu Forschung und Life Sciences und Defence

Mehr technische Details und Beispiele finden Sie im offiziellen Technologiehandout (PDF) von Quantum Technologies.

Nutzen auf einen Blick

Kontaktlose, galvanisch und thermisch getrennte Positions- Strom- und Magnetfeldmessung – robust, schnell, bei Raumtemperatur, ohne Mikrowellen auch in schwierigsten atomaren, chemischen, biologischen, thermischen Umgebungen.

So funktioniert’s

Die Steuereinheit veranlasst eine Lichtquelle z.B. einer LED moduliertes grünes Licht auszusenden.
Das Grüne Licht regt NV-Zentren im Diamant an.
Die NV-Zentren fluoreszieren rot; Die Fluoreszenzintensität ist abhängig vom Magnetfeld B.
Die feldabhängige rote Fluoreszenz wird z.B. per Glasfaser zur Auswerteeinheit geleitet
Die feldabhängige rote Fluoreszenz wird typ. dort von dem grünen Licht absepariert
Die feldabhängige rote Fluoreszenz wird durch einen Fotodetektor erfasst.
Die Steuereinheit detektiert die auf das Magnetfeld zurückzuführende Änderung in der Fluorszenz
Die Steuereinheit ermittelt daraus einen oder mehrere Messwerte – galvanisch und thermisch getrennt vom Messpunkt.

Abb.: Grundlagen-Prinzip: grünes Licht → rot fluoreszierender Diamant → feldabhängiges Signal.

Warum mikrowellenfrei?

Weniger Komplexität: Kein Mikrowellengenerator oder Antenne nötig → Aufbau kompakter, kostengünstiger.
Aktive EMV-Freundlichkeit: Keine aktive Mikrowellenquelle, geringe Störungen.
Passive EMV-Freundlichkeit: Keine Antennenwirkung durch fehlende Mikrowellenzuleitung.
Energieeffizient: Geringere Leistungsaufnahme, keine Eigenerwärmung.
Robustheit: Weniger Bauteile → höhere Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit.
Kostenvorteil: Einfacherer Aufbau, signalauswertung unkomplizierter, Packaging und Integration schneller und günstiger.
Besser für Serienproduktion, CMOS-Integration (low-power) und HV-Integration geeignet.

Anwendungen

Strommessung (z. B. HV-Batterien, Wechselrichter, DC-Link)
Stromdichteverteilung (Elektochemie etc.)
EMV-Diagnostik und Magnetfeldüberwachung
Magnetfeld-Bildgebung (Prototyping, QS, Feldverteilungen)
Zustandsüberwachung in Maschinen und Anlagen
Positionsdetektion unter schwierigsten Umständen
(Medizin, Industrie, Bergbau, Bohrtechnologie, Defence, Automotive, Avionik)
Steuerung und Schutz (z. B. Wide-Bandgap-Switches, optische Sicherungen)

Material- & Designoptionen

Grundtypen:

• Einkristall-Diamant (sc-C): einheitliches Gitter, NV-Achsen definiert, hohe Empfindlichkeit

• ausgerichteter Kristall:NV-Zentren bevorzugt orientiert (z. B. ⟨111⟩); Keine glatte Kurve; Verwendung der Spikes zu Messung; Magnetfeld muss stabilisiert werden.
• ausgerichteter Kristall:NV-Zentren stochastisch auf vier Ausrichtungen im Kristall verteilt: vier Vorzugsrichtung (schwierig bis unbrauchbar) Keine glatte kurve.

• Polykristallin (pc-C): viele Körner mit unterschiedlicher Ausrichtung; NV-Achsen über das Volumen stochastisch verteilt ausgerichtet; glatte Messkurven; Verwendung der gesamten Kurve; Bias-Magnetfeld nicht notwendig (= kostengünstig)

Vor- und Nachteile:

Variante	Vorteile	Nachteile
Einkristall, ausgerichtet und NV-Zentren ausgerichtet	Vektorielle Messung (3D), höchste Homogenität/Sensitivität, selbstkalibrierend, gute physikalische Reproduzierbarkeit, sehr geringe Prozessfähigkeit für Serienfertigung	Teuer, komplexe Herstellung & Ausrichtung auf Mikrorad genau, empfindlich gegen Schiefstellung und Schwankungen, nur für Nischenmärkte
Einkristall, ausgerichtet und NV-Zentren nicht ausgerichtet	Vektorielle Messung (3D), hohe Homogenität/Sensitivität, selbstkalibrierend, gute physikalische Reproduzierbarkeit, sehr geringe Prozessfähigkeit für Serienfertigung	Teuer, komplexe Herstellung & Ausrichtung auf Mikrorad genau, empfindlich gegen Schiefstellung und Schwankungen, nur für Nischenmärkte
Polykristallin, stochastisch	Sehr robust, kostengünstig, beste Massenintegrationsoption, isotrope skalare Messung, hohe NV-Dichte	Niedrigere Sensitivität, breitere Linien, selbstkalibirerende Systeme möglich, weniger geeignet für exakte Vektoranalysen, sehr gut für Massenmärkte in Bereichen, in denen Hall- TMR- und GMR-Sensoren nicht arbeiten.
Polykristallin, teil-ausgerichtet	Sehr robust, kostengünstig, beste Massenintegrationsoption, isotrope skalare Messung und anisotrope vektorielle Messung mit einem Substrat möglich, hohe NV-Dichte	Niedrigere Sensitivität, breitere Linien, elbstkalibirerende Systeme möglich, geeignet einfache Vektoranalysen, sehr gut für Massenmärkte in Bereichen, in denen Hall- TMR- und GMR-Sensoren nicht arbeiten.

Praxisfazit: Für skalare, mikrowellenfreie Strom-/Magnetfeldmessung in rauen HV-Umgebungen sind polykristalline, stochastisch verteilte NV-Medien ideal (erste Wahl für Serie). Für höchste Empfindlichkeit und hoch präzise Vektormessung eignen sich einkristalline, ausgerichtete NV-Medien.

Leistungsdaten & Integration

Bandbreite: Von DC bis Hochfrequenz (Design-abhängig, bis mehrere MHz)
Ansprechzeit: Bis in den Nanosekundenbereich
Isolation: z.B. Glasfaser oder andere optische Systeme, hohe galvanische, thermische und Strahlungsisolation
Temperaturfenster: −100 °C bis +250 °C, strahlungsstabil (z. B. Fusion/X-Ray-Umgebung)
Formfaktoren: Sensorelemente bei fasergekoppelte Varianten <50µm Durchmesser möglich
Formfaktoren: Sensoren (Sensorelement incl. Elektronik) von würfelzucker- bis fingerkuppengroß, arrays, fasergekoppelte Varianten
Integration: CMOS/ MOEMS-kompatibel, für miniaturisierte Systeme und Arrays geeignet

Vorteile der NV-Diamant-Sensorik (kompakt)

Raumtemperaturbetrieb, kein Kyrobedarf
Hohe Isolation (galvanisch, thermisch, strahlungstechnisch)
Bei Strommessung kontaktlos/shuntlos → keine Leitungsverluste, keine Eigenerwärmung
Metallfreie Ansteuerung & Auslesung – keine Lichtbogengefahr, für Luftspalt/Trafo/EMV optimiert
Schnell (ns), große Bandbreite (DC-MHz+)
Mechanisch, chemisch robust (Diamant)
Driftarm & tolerant bei skalaren Messungen
Miniaturisierbar
für flächenflexible Array/Kamera-Konzepte (von wenigen µm² bis zu mehreren m²)
auch für Magnetfeldverteilungsmessung auf gekrümmten Flächen geeignet
Lange Messwege von der Elektronik zum Sensorelement möglich
hohe Distanz-Empfindlichkeit Sensorelement zu Probe
Zukunftssicher: proprietäre IP, Partner aus Industrie & Wissenschaft

IP & Partner

Schutzrechte an Schlüsseltechnologien und Designvarianten liegen bei Quantum Technologies
Starke vertragliche Partnerschaften mit akademischen und industriellen F&E-Partnern
Langfristige Roadmap für industrielle Integration und Technologie-Leadership

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