FI108889B - Menetelmä lämpötilan mittaamiseksi laajalla alueella tunneliliitosta hyväksikäyttäen - Google Patents

Description

108889

MENETELMÄ LÄMPÖTILAN MITTAAMISEKSI LAAJALLA ALUEELLA TUNNELI-LIITOSTA HYVÄKSIKÄYTTÄEN

Keksinnön kohteena on menetelmä lämpötilan mittaamiseksi laa-5 jalla alueella tunneliliitosta hyväksikäyttäen, jossa tunneli-liitos käsittää kaksi metallista johdetta ja niiden välisen ohuen eristeen, jolla on mitattavissa oleva resistanssi.

Suomalaisesta patentista nro 102695 (vastaava US-patentti nro 10 5,947,601) tunnetaan Coulombin saartoon perustuva lämpömittari. Tämä Coulombin saartona (Coulomb blockade) tunnettu ilmiö aiheuttaa bias-jännitteen nollakohdassa konduktanssikuopan, jonka karakteriset suureet ovat riippuvaisia lämpötilasta. Tällaisen konduktanssikuopan havaitseminen on kuitenkin mahdollista vain 15 alhaisissa lämpötiloissa ja menetelmää on vaikea soveltaa yli 20 K lämpötilassa. Edellä mainitussa patentissa esitetään pienimmän tunneliliitoskoon avulla päästävän mittausalueelle 1 -100 K, mutta käytännössä tämä on erittäin vaikea toteuttaa. Niinpä on etsitty läheistä tekniikkaa, jolla päästäisiin aina 20 huonelämpötila-alueelle saakka.

Keksinnön mukaisen menetelmän tunnusmerkilliset piirteet on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa. Keksintö perustuu paljolti siihen oivallukseen, että tunneliliitoksen konduktans-25 sin suhteellinen muutos on verrannollinen absoluuttisen lämpötilan neliöön ja verrannollisuuskerroin on riippumaton tunneli-liitoksen eristeen paksuudesta. Vaikka aiemmin tunnetun teorian mukaan neliöllinen riippuvuus oli odotettu, samalla ennustettiin riippuvuus eristeen paksuudesta, mikä ei havaintojen mu-30 kaan pidä paikkaansa. Keksinnön mukainen menetelmä lämpötilan mittaamiseksi vaatii ainoastaan yhden kalibrointipisteen, joka on mahdollista saada jäähdyttämällä anturi yksinkertaisesti hyvin alhaiseen lämpötilaan. Muut keksinnön edut ja sovellukset selviävät jäljempänä sovellusesimerkkien yhteydessä.

35 108889 2

Seuraavassa keksintöä kuvataan viittaamalla oheisiin kuviin, jotka esittävät keksinnön mukaisen menetelmän perusteita ja sovellusesimerkkej a.

5 Kuva 1 esittää tunneliliitoksen symbolia,

Kuva 2 esittää tunneliliitoksen rakennetta,

Kuva 3 esittää tunneliliitoksen konduktanssin mi tattua riippuvuutta lämpötilan neliöstä,

Kuva 4 esittää parannettua anturia, 10 Kuva 5 esittää kolmella anturilla varustettua mik ropiiriä .

Kuvan 1 mukaisella anturilla, joka käsittää vain yhden tunneli-liitoksen 10, on mahdollista mitata lämpötila laajalla alueella la, alarajan ollessa kymmenen Kelvinin luokkaa. Osoittautuu, että tunneliliitoksen lämpötilavaste ei ole lainkaan riippuvainen sen paksuudesta vaan ainoastaan materiaalista seuraavan kcisvcin mukaisesti.

11 f T)2 — = —-(1+ — ) R Roy \To) r 20 jossa R0 on ennalta kalibroitava vakio ja T3 on materiaalivakio. Tn on siten vakio kaikille antureille, joissa on käytetty samoja materiaaleja. Esimerkiksi Al-O-Al-liitokselle Tc= 725 K ±10 K.

Tunneliliitos 10 ja sen tarvitsemat johteet 7 ja 8 muodostetaan 25 puhtaalle piialustalle 1, kuva 2. Perusmateriaalin 1' pinnalle muodostetaan eristekerros 1" (oksidi- tai nitridikerros), jotta anturia voidaan käyttää myös huonelämpötilassa. Elektronisuih-kulitografiän avulla muodostetaan vaiheittain johdekerros 8, eristekerros 9 ja toinen johdekerros 7. Tunneliliitos 10 muo-30 dostuu johteiden 7 ja 8 yhtymäkohtaan, jossa niiden välissä on noin 1 nm paksuinen eristekerros. Kuvassa eristekerroksen 9 paksuutta on liioiteltu. Johteiden 7 ja 8 paksuus on nimittäin noin 100 nm. Alumiinioksidinen eristekerros luo 2 eV:n korkui- 108889 3 sen potentiaalivallin, jota johdeaineen elektronit eivät klassisen fysiikan mukaan pysty ylittämään. Kvanttimekaanisen tunneli-ilmiön johdosta voidaan kuitenkin havaita jännitteen funktiona virta, joka on verrannollinen lämpötilan neliöön.

5 Mittausjännite on tyypillisesti 1 mV:n (AC) luokkaa ketjun liitosta kohden ja mitattava resistanssi on alueella 10 kQ -1000 kQ.

Kuvassa 3 on esitetty erään Al-O-Al-rakenteisen lämpötila-antu-10 rin konduktanssin ja lämpötilan välinen riippuvuus. Konduk- tanssi on varsin tarkoin lineaarinen lämpötilan neliön suhteen. Tässä tapauksessa suora noudattaa yhtälöä: 1 1 1,1

W) = n222 m +6l3m T W

- 32.222(1 +(0>725[*k-], Jälkimmäinen vastaa yleistä muotoa: 11 f T)2 — =—(1+ — ) ΊΚ Roy V7V 7 15 , jossa R.: on ennalta kalibroitu vakio riippuen tunneliliitoksen mitoista ja T0 on materiaalivakio. Kalibroitava vakio voidaan mitata esimerkiksi veden kolmoispisteen avulla tai yksinkertaisesti vain jäähdyttämällä anturi oleellisesti alempaan lämpöti-20 laan kuin alin mittauslämpötila, jolloin lämpötilatermi häviää merkityksettömäksi ja mittaus kertoo suoraan R0:n arvon. Jos primäärinen CB- anturi on käytettävissä ja mittausalueet limittyvät keskenään, kalibrointipiste saadaan tätä kautta.

4 1 n 8 8 8 9

Osoittautuu, että vakio T, riippuu johdemateriaalista, joina voidaan käyttää alumiinia, kromia, niobiumia ja kuparia tai näiden yhdistelmiä. Kromi ja niobium ovat tässä erityisen edullisia, koska piiri on nykytekniikalla valmistettavissa ja ne 5 antavat voimakkaamman lämpötilavasteen kuin alumiini. Oksidi-kerros on yleensä ensimmäiseksi höyrystetyn johdemateriaalin oksidi.

Mittausteknisistä syistä mitattava resistanssi sovitetaan, 10 kuten edellä selostettiin, edullisimmin alueelle 10 kQ - 1000 kQ ja käytetään matalataajuista (f = 10 - 100 Hz), pientä AC-jännitettä (V = 0,1 - 10 mV jokaista ketjussa olevaa tunneli-liitosta kohden). Tällöin käytetään edullisesti kuvan 4 mukaista anturia, joka voi olla sama kuin CB-lampömittarissa käytet-15 tävä anturi. Mittaustapa muutetaan vastaamaan uutta menetelmää. Mittauspiiri 4 käsittää 10 rinnakkain kytkettyä identtistä tunneliliitosketjua 4.1 ... 4.10, kussakin 20 tunneliliitosta. Kun yhden ketjun resistanssi on 400 kQ, koko piirin resistanssi on enää 40 kQ. Maksimissaan kokonaisresistanssi saa olla CB-20 lämpömittarissa korkeintaan 150 kQ. Edullisimmin ketjuja on rinnakkain 4 tai 5, jolloin valmistus ei tule kohtuuttoman vaikeaksi, mutta piirin resistanssi putoaa alle 100 kQ:n. Tällainen anturi soveltuu hyvin myös tässä esitettyyn uuteen käyttöön .

25

Useimmiten tavoitteena on aikaansaada mittauslaitteisto, jolla voidaan mitata lämpötiloja erittäin laajalla alueella. Tämä saavutetaan edullisesti kuvan 5 mukaisella anturilla, jossa on esimerkiksi kaksi anturia 4', , jotka toimivat tunnetulla 30 CB-tunnelointiin perustuvina lämpömittareina ja yksi tämän keksinnön mukainen anturi 4, jolla ulotetaan lämpötila-alue aina huonelämpötila-alueelle tai jopa korkeammalle. Eri antureilla voi olla yksi yhteinen elektrodi 2 ja kullakin yksi oma elektrodi 3, 3' ja 3’'. Luonnollisesti kaikki anturit voivat 35 toimia jopa molemmissa moodeissa, mutta lienee optimaalista sovittaa useimmat anturit yhteen moodiin.

Claims (7)

108889 s

1. Menetelmä lämpötilan T mittaamiseksi laajalla alueella tunneliliitosta (10) hyväksikäyttäen, jossa tunneliliitos (10) 5 käsittää kaksi metallista johdetta (7, 8) ja niiden välisen ohuen eristeen (9), jolla on mitattavissa oleva resistanssi R, tunnettu siitä, että mitataan resistanssi R jännite-virtakäyrän lineaarisella osalla, ja määritetään lämpötila T kaavalla: 1 1 ( T)\ R ~ ϊ?ο^1+ v ToJ ^ 10 jossa R0 on ennalta kalibroitu vakio ja T0 on materiaalivakio.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että eristemateriaali (9) on yhden johdemateriaalin oksidi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin yksi johde (7, 8) on valmistettu materiaalista, joka kuuluu ryhmään alumiini (AI), kromi (Cr), niobium (Nb), kupari (Cu).

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittaus suoritetaan käyttämällä yhtä usean tun-neliliitoksen (10) ketjua (4) tai useampaa tällaista ketjua i (4.1 - 4.10) rinnakkain kytkettynä. i

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitattava resistanssi R on sovitettu alueelle 10 kQ - 1000 kQ.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnet-30 tu siitä, että mittaus suoritetaan matalataajuisella vaihtojännitteellä, jonka amplitudi on alueella 0,1 - 10 mV jokaista ketjussa olevaa tunneliliitosta kohden. j 108889

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittaus kalibroidaan jäähdyttämällä mitattava tunneliliitos hyvin alhaiseen lämpötilaan, jolloin kalibroitava vakio R0 saadaan suoraan hyvällä tarkkuudella mitatusta resis-5 tanssista R.