JP2001507120A

JP2001507120A - 温度センサ及び検出装置

Info

Publication number: JP2001507120A
Application number: JP52114998A
Authority: JP
Inventors: マイオマルコディ; ロジャーレイチェル
Original assignee: ユーロピアンアトミックエネルギーコミュニティ（ユーラトム）
Priority date: 1996-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 2001-05-29
Also published as: CA2270659A1; EP0937236A1; US6388255B1; US6534767B1; WO1998020316A1; GB9623139D0

Abstract

(57)【要約】検出装置、ボロメータ、ボロメータセンサであって、温度センサを一体的に組み込んだものが示されている。温度センサは、インダクタ及びキャパシタを接続した共振回路を含んでいる。ここで、少なくともキャパシタ及びインダクタの１つは温度依存性のリアクタンスを有し、共振回路の共振周波数は、インダクタ及びキャパシタの少なくとも１つの温度に依存する。核融合研究に好適なボロメータが示されており、共振回路は強誘電性キャパシタを含む。共振周波数は、位相ロックループを用いて追従される。

Description

【発明の詳細な説明】温度センサ及び検出装置本発明は温度センサに関し、特にボロメータにおける放射検出要素として使用される温度センサに関する（ただしこれに限定するものではない）。電気的に測定可能な温度依存の特性を有する温度センサがよく知られており、これは抵抗、ダイオードなどの半導体デバイス、熱電対を含んでいる。これら従来例の各々では、センサの温度は、典型的には、当該センサの両端の電圧又は当該センサを通る電流の大きさを測定することにより求められる。これらセンサの欠点は、当該センサ、又は当該センサと電気的測定装置とを結ぶケーブルによって生じたり、拾われたりするノイズにあり、これが温度測定値にノイズをもたらす。温度センサとしてキャパシタを用いることも知られており、この方式では温度変化が、キャパシタの電極同士を隔てている誘電体材料の寸法変化（dimensiona l change）を引き起こし、キャパシタンス・ブリッジを用いて測定されるキャパシタンスに変化をもたらす。しかしながら、このキャパシタンスの測定、ひいてはセンサの温度測定値は、当該センサを電気的測定装置に接続するケーブルの固有のインダクタンス及びキャパシタンスの妨害により、十分な精度が得られない。更に、例えばセンサが苛酷な環境に置かれるような応用では、この問題を克服するため、測定装置をセンサの近傍には置くことができないこともあり得る。温度センサを組み込んだボロメータは、放射測定のための装置としてよく知られている。そして、これら装置では、温度センサは入射線束（入射する放射のフラックス）に依存する温度値となるように構成されている。様々なタイプのボロメータが、様々な環境における様々なタイプの放射を測定するのに用いられている。例えば、核融合実験では、ボロメータがプラズマからの放射と中性粒子放出の量的な測定に用いられる。このような応用において、ボロメータは、高いＳＮ比と、時間及び放射束の両方についての良好な分解能と、を持つことが好適であり、高温・高真空への適合性を持った温度センサを含む。この温度センサをボロメータの他の部分に対して接続するケーブルはできるだけ少なくなるようにされている。また、ボロメータは、核融合特有のノイズ源に対して反応してはならず、温度センサは、小型で、中性子やガンマ線に対して耐性があり、強磁場の存在にも影響されないようなものである必要がある。核融合研究において最もよく用いられるボロメータは、ホイートストン・ブリッジの一部を形成する感温性の薄い金属抵抗を基礎に構成されている。他の抵抗ボロメータの構成では、良好な温度効果に着目して、温度センサとして半導体を用いている。更に別の方式はピロ電気（焦電気：pyroelectric）ボロメータであり、この方式ではピロ電気性結晶の自発分極が温度感知要素として用いられる。上記構成は、多くの短所を持っている。それらすべてに共通の問題は、感知要素によって生成された絶対電圧又は絶対電流を測定しようとしていることであり、これは電気的なノイズの多い環境からかなりのノイズを拾うことにつながる。将来の核融合装置は更に大きくなることが予想され、その結果これらの信号は例えば１００ｍを超えるような現在より大きな距離を隔てて伝送されることになり、ノイズを拾いやすくなると考えられる。別の短所は中性子環境から生じる。上記現状構成は、将来の応用においては十分に放射線に強いとは言い難い。抵抗ボロメータはキャリア・フォイルを用いており、このキャリア・フォイルは雲母とカプトン（kapton）を含んでおり、これら両方とも急速な劣化をもたらす水素を含んでいる。半導体のシステムは、強い中性子束に曝されると特性が変わる。そして、ピロ電気ボロメータに必要な電子部品は、検出器のヘッド近傍で用いることができない。赤外線検出の分野では、抵抗を温度センサとして用いたボロメータが知られている。この構成では、抵抗は電子アクティブ発振回路の一部を構成している。この回路の共振周波数は、抵抗の抵抗値に依存する。一方、その抵抗値は、抵抗自体の温度の関数である。しかし、このようなボロメータは、核融合研究で用いるには適さない。なぜなら、抵抗センサを用いた場合、ノイズの多い環境でかなりのノイズを拾うことになり、発振回路に必要な電子部品は中性子束の強い場所には配置できないからである。従って、本発明の実施形態の目的は、ノイズの多い環境での使用に適した温度センサを提供し、核融合研究における放射測定のためのボロメータに使用するのに適した温度センサを提供することである。本発明の更なる実施形態の目的は、ノイズの多い環境における温度測定に適した検出装置を提供することである。本発明の更なる実施形態の目的は、ノイズの多い環境における放射の測定のためのボロメータを提供することである。本発明の更なる実施形態の目的は、核融合研究における放射の測定のためのボロメータを提供することである。本発明の更なる実施形態の目的は、ノイズの多い環境での使用に適し、特に核融合研究での使用に適したボロメータセンサを提供することである。本発明の第１の側面では、共振回路として接続されたキャパシタ及びインダクタを含んだ温度センサであって、前記キャパシタ及びインダクタの少なくとも１つが温度依存性のリアクタンスを有し、これにより前記共振回路の共振周波数が前記インダクタ及び前記キャパシタの少なくとも１つの温度に依存する温度センサと、前記共振回路の共振周波数を測定する手段と、を備えた検出装置が提供される。ここで、前記測定手段は、前記共振回路に応答してその回路の共振周波数の信号を生成する信号生成手段と、この信号生成手段で生成された信号の周波数を表示する表示手段と、を備え、前記測定手段は前記共振回路との組み合わせにおいて、前記共振周波数に追従して動作する位相ロックループ（ＰＬＬ）を有する。本発明の第２の側面では、共振回路として接続されたキャパシタ及びインダクタを含んだ温度センサであって、前記キャパシタ及びインダクタの少なくとも１つが温度依存性のリアクタンスを有し、これにより前記共振回路の共振周波数が前記インダクタ及び前記キャパシタの少なくとも１つの温度に依存する温度センサと、前記共振回路の共振周波数を測定する手段と、を備えた検出装置が提供される。ここで、前記測定手段は、前記共振周波数を含む周波数範囲の中のある周波数の信号を生成し、その信号の周波数を前記範囲にわたって走査するよう動作する信号生成手段を備える。本発明の第３の側面では、その各々が共振回路として接続されたキャパシタ及びインダクタを含み、前記キャパシタ及びインダクタの少なくとも１つが温度依存性のリアクタンスを有し、これにより前記共振回路の共振周波数が前記インダクタ及び前記キャパシタの少なくとも１つの温度に依存するように構成された複数の温度センサであって、各々がそれぞれ異なる共振周波数範囲を有する複数の温度センサと、それら各センサの共振回路の共振周波数を測定する手段と、共通伝送ラインと、を備え、前記センサ群は、前記共通伝送ラインにより前記測定手段に接続されている検出装置を提供する。本発明のこれら３つの側面の利点は、共振回路の共振周波数がノイズに反応しないので、温度センサをノイズの多い環境で使用できるという点である。本発明のこれら側面の第２の利点は、前記回路の共振周波数はキャパシタとインダクタのリアクタンスにより求められ、このリアクタンスは当該センサの局所的状態によって求められるので、前記回路の共振周波数は付属のケーブル群の特性の影響を受けず、長いケーブルによって共振回路に接続された測定手段を用いても正確に測定することができるという点である。好適には、キャパシタは、誘電率が温度依存性を持つ誘電体を有することができ、この誘電体は強誘電性材料から形成することができる。また、キャパシタは、基板上に集積回路デバイスとして形成される、薄膜強誘電体キャパシタであってもよい。また好適には、キャパシタは、温度応答を良くするため、基板の中の薄くした（できる限り薄くした）領域に配置することもできる。インダクタは導電性ループを備えてもよく、このループは例えば平面状薄膜として形成してもよい。好適には、前記検出装置はボロメータに組み込まれ、キャパシタはセンサに入射する放射の線束に依存する温度値を持つように調整される。好適には、ボロメータは核融合研究に利用できる。本発明の第４の側面では、その各々が共振回路として接続されたキャパシタ及びインダクタを含み、前記キャパシタ及びインダクタの少なくとも１つが温度依存性のリアクタンスを有し、これにより前記共振回路の共振周波数が前記インダクタ及び前記キャパシタの少なくとも１つの温度に依存するように構成された２個の温度センサと、前記センサ群の中の１つのセンサの温度依存性のインダクタ又はキャパシタを、少なくとも１つの種類の放射の入射の少なくとも一部（proportion）からシールドするためのシールドと、を有するボロメータセンサを提供する。２つの温度センサは、名目上同一でよく、共通基板上に形成された強誘電性キャパシタを含むことができる。２つの共振回路の共振周波数同士の差は、センサに入射した所定タイプの放射の強度の正確な表示に用いることができる。本発明の第５の側面では、共振回路として接続されたインダクタ及びキャパシタを含む温度センサが提供され、このセンサにおいて、前記キャパシタは集積回路技術によって基板上に形成された強誘電性キャパシタであり、これにより前記共振回路の共振周波数は前記キャパシタの温度に依存するようになる。ここより、本発明の実施形態について、次の図面に基づいて説明する。図１は、第１の実施形態による温度センサの模式図である。図２は、図１のセンサを組み込んだ温度モニタ装置のブロック図である。図３は、図２の装置の送信ラインが接続されるセンサにどのように取り付けられるかを示す回路図である。図４は、共振測定手段を組み合わせた温度センサの更なる実施形態の模式図である。図５は、マルチセンサシステムのブロック図である。図６は、ボロメータセンサの模式図である。図７は、マルチボロメータシステムのブロック図である。図８は、本発明の実施形態における使用に好適なキャパシタの模式図である。図９は、本発明の実施形態における使用に好適な他のキャパシタの模式図である。図１には、温度センサ１が示されている。これは、ボロメータにおける放射検出器としての使用に好適である。よい温度及び電気的応答を得るために、このセンサは、低い熱容量（マス：ｍａｓｓ）及び目標とする動作周波数において高い電気的な性質のファクタ（すなわち、非常に低いオーミック抵抗、Ｑ＝（１／Ｒ）√（Ｌ／Ｃ））を有するようにデザインされている。センサ１は、薄膜強誘電体（フェロエレクトリック）キャパシタ２及び単巻きＲＦコイルの形態のインダクタ３を含む。インダクタ３は、少ない浮遊容量を有し、キャパシタの電極２１，２２に接続され、これによってパラレル（並列）ＬＣ共振回路を形成している。キャパシタ基板１０上に集積回路技術によって形成されている。キャパシタ２は、エッチングによって基板１０に形成された領域（ウインドウ）１１として画定されるウインドウ１１上に位置される。基板が電気的に絶縁材であるかまたはキャパシタは半導体基板から絶縁層（図示ぜず）によって絶縁されている。ウインドウ１１、キャパシタ２のトップ及びボトム電極２１、２２、及び強誘電体２３の厚さは、それぞれ５μｍ、１．５μｍ、２．５μｍ、１μｍのオーダーである。また、トップ及びボトム電極２１，２２は、等しい厚さでもよい。部材の厚さは、所望の熱応答を得るために適宜選択されることが明らかである。熱応答を改善するためには、ウインドウの厚さは更に減少することができ、キャパシタ２の下の基板は、完全にエッチングによって除去されてもよい。この実施形態の基板１０は、シリコンウエハであるが、他の基板材料を採用することもできる。強誘電体２３の誘電率εは、温度によって急速に変化する。すなわち、温度変化によって、誘電率が変化する。これは、キユーリー温度の近くでは変化が大きい。強誘電体キャパシタのキャパシタンスも変化する。Ｃ（Ｔ）〜ε（Ｔ）キャパシタンスの温度による変化率は、誘電率εの変化率に等しく、（１／Ｃ）ｄＣ／ｄＴ＝（１／ε）ｄε／ｄＴであり、ケルビン温度の１度に対し、１％以上の変化率が報告されている。ＬＣ共振回路の共振振動数（共振周波数）ｆ₀は、Ｃ及びＴに依存し、その測定は、温度測定に利用することができる。ｆ₀〜１／√（Ｃ（Ｔ））周波数の温度による変化率は、（１／ｆ₀）ｄｆ₀／ｄＴ＝−（１／２）（１／Ｃ）ｄＣ／ｄＴ＝−（１／２）（１／ε）ｄε／ｄＴで表され、εのためのもの（＞５．１０ｅ^-3Ｋ^-1）より２のファクタ（１／２）だけ小さい。センサ１がボロメータの放射検出器として使用される場合、キャパシタ２への放射入力は、キャパシタの２つの電極２１，２２により吸収される。キャパシタは、これにより加熱される。センサ１は、キャパシタ２に入射する放射のフラックス（線束）にキャパシタ２の温度が依存するように、配置される。入射放射フラックスの測定は、このように共振回路の共振周波数の測定によって行われる。温度センサ１は、キャパシタに組み込まれている強誘電体物質２３のキューリー温度を超えた温度において動作する。このような温度では、電気分極率χ_eの温度による変化は、下記の形のキューリー・ワイスの法則に従い、 χ_e＝Ａ／（Ｔ−θ）であり、ここで、Ａは定数、Ｔは絶対温度、θはワイス定数であり、物質のキューリー温度とほぼ等しい。ここで、 ε＝ε_rε₀ また、ε_r＝１＋χ_e’ であり、従ってキューリー・ワイスの法則は、共振周波数の変化の測定からキャパシタ２の温度変化を決定するのに使用できる。また、センサ１は、キューリー温度以下の温度で動作させることができる。このような温度は、更にセンサ１の更なるキャリブレーション（較正）が必要である。好適には、強誘電体物質は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）である。この第１の実施形態の効果は次の通りである。（１）強誘電体キャパシタのキャパシタンス（容量）は、強い温度依存性を持ち、温度変化についての高い分解能を可能とする。（２）共振回路は、ハイクオリティファクタ（高品質の特性）を有している。（３）キャパシタは、低い熱容量を有し、センサに良好な熱応答を提供する。（４）センサ１の共振周波数は、自己インダクタンスの異なる他のコイルにコイル３を取り替えることで変更できる。このように、異なるコイルを採用することで、オフセット共振周波数を有する複数のセンサを提供することができる。このような異なる複数のセンサは温度測定またはボロメータシステムにおいて一緒に利用することができ、共通の１または複数のケーブルを用いて共振周波数測定手段に接続することができ、共通のケーブルから送られてくる異なる周波数の信号を用いる測定手段は、個々の共振回路の共振を検出することができる。（５）センサ１の構成部材は、非常に高い温度において使用することができる。強誘電体２３のキューリー温度は、例えば３００〜４００℃、またはそれ以上（他の実施形態においてキューリー温度は当然もっと低くてもよい）にできる。センサを製造するプロセスは、より高温においても機械的、化学的、電気的に安定であることができる。（６）センサの共振周波数は、電気的ノイズに対して反応すべきでなく、またセンサと離れた測定モニタ機器とを結ぶケーブルにおけるロスによって影響を受けるべきでない。（７）強誘電体２３は、放射耐久性がある（radiation-hard）。これによって、センサは、核反応器（ニュークリアーリアクター）のようなかなりのニュートロンフラックス（中性子束）にであう状況において利用できる。（８）センサの共振周波数は、高磁界の存在に対し反応しない。またセンサは、フージョン（核融合）の研究に使用されるボロメータの放射検出器として使用できる。次に、図２を参照すると、温度モニタ装置５は、図１に記載された温度センサ１を含んでいる。また、温度モニタ装置５は、更にセンサの共振回路の共振周波数を測定する手段４を含んでいる。この装置は、ボロメータとして作成される。この場合、キャパシタの温度は、センサ１への放射（放射線）の入射線束に依存する。共振周波数測定手段４は、温度センサ１の共振周波数の変化に追従して動作する位相ロックループ（ＰＬＬ）を含んでいる。このＰＬＬは、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１５、パワースプリッター（電力分配器）１６、９０°位相シフタ（移相器）１７、位相差測定手段（ＰＤ）１８乃び積分手段１９を含んでいる。電圧制御発振器（ＶＣＯ）１５は、周波数（振動数）ｆの信号を発生する。ここで、ｆは、ＶＣＯ１５へ供給される入力電圧に比例する。この信号は、パワースプリッタ１６により、２つに分岐される。分岐された１つ目の信号は、位相差測定手段（ＰＤ）１８にセンサ１のＬＣ共振回路を介し供給される。分岐された２つ目の信号は、ＰＤ１８に９０°位相シフタ１７を介し供給される。センサ１は、パワースプリッタ１６に第１伝送ラインセクション４６によって接続され、第２伝送ラインセクション４７によってＰＤ１８に接続される。第１伝送ラインセクション４６へのフィードは、そのラインのインピーダンス特性に合致したソースインピーダンス（電源インピーダンス）、典型的には５０Ωを有している。同様に、第２伝送ラインセクション４７は、ＰＤ１８における終端に合致するインピーダンスを有している。伝送ラインセクション４６のインピーダンスマッチングは、センサ１においても満たされる。特に、単一のセンサだけがラインに接続される場合、ラインセクション４６，４７を一緒にして直接、これらラインセクションをアクロスして（わたって：横切って）接続されるセンサの共振回路に接続される。そして、ＰＬＬが共振回路の共振周波数にラインの周波数を保持するように動作している限り、パラレル共振回路は、非常に高いインピーダンスを持ち、センサ接続において伝送ラインヘ大きな負荷をかけない。好適には、伝送ラインセクション４６，４７は、センサに図３に示されるように接続される。抵抗３２（典型的には５０Ω）は、伝送ラインセクション４６の終端マッチングを提供する。相対的に高い抵抗値を持つ抵抗３３（典型的には１００Ω＋）は、抵抗３２をアクロスして（わたって：横切って）発生されるＲＦ電圧をセンサ１の共振回路へフィードする（供給する）。更に、抵抗３４（典型的には１００Ω＋）は、共振回路をアクロスして（わたって：横切って）発生した電圧を第２ラインセクション４７にフィードする。このようにして、もし、パラレル共振回路のインピーダンスが、オフ共振（共振はずれ）時において非常に低い値になったとしても、伝送ラインセクション４６のインピーダンスマッチングされた終端が、センサにおいて維持される。抵抗３４は、共振回路を第２ラインセクション４７からデカップル（切り離す）ために働く。ここで、ラインセクション４７のインピーダンスは上述と同じく５０Ωである。２つの分岐を経てＰＤ１８に到達した信号は、ＰＤ１８によって比較される。ＰＤ１８は、積分手段１９に伝送される対応出力電圧を生成する。この出力電圧は、２つの信号の位相差が９０°の時に０に積分される。積分手段１９は、ＰＤ１８の出力電圧を積分及び増幅し、ＶＣＯ１５に供給する。これによって、積分された出力電圧に比例する入力電圧をＶＣＯ１５に供給する。そこで、ＰＤ１８からの積分出力電圧が、ＶＣＯ１５のコントロールに利用される。もし、ｆが共振周波数ｆ₀に等しくなかった場合、共振回路は、ＰＤ１８に第１の分岐を介し到着する信号に位相シフトを導入する。ＰＤ１８は、ＶＣＯ１５の入力電圧を変化させる出力電圧を生成し、ｆをｆ₀に近づかせる。積分手段１９は、ループに十分なゲインをもたらす。これによって、ＶＣＯ１５の出力周波数ｆは、共振振動するｆ₀に追従する。この場合、ＰＤ１８における位相差は、低い値に保たれる。このようにして、ＰＬＬは、ロックし、ＬＣ共振回路の共振周波数にトラックし追従する。実際において、例えば遅延ラインによる位相補償を、位相シフタ１７に組み込まれる分岐に含ませることができる。また、分岐は、直接共振回路に接続することもできる。これによって、伝送ライン４６，４７のそれぞれの長さによってもたらせる位相シフトを補償できる。周波数表示手段４０は、ＶＣＯ１５に接続されこれに応答する。周波数表示手段４０は、現在発生している信号の周波数を表示する。ＰＬＬの動作により、この周波数は、センサ１の現在の共振周波数と等しい。この周波数表示手段４０からの読み出し結果は、センサ１へ入射する放射（radiation：放射線）３０のフラックス（線束）を検出するのに利用することができる。読み出し結果は、較正データと比較される。また、センサへのフラックスを示す信号は、ＶＣＯ１５への入力制御電圧から得ることもできる。本実施形態の利点は次の通りである。（１）共振周波数は、追従され、その値の連続的な読み出しが得られる。（２）共振周波数の測定は、ノイズに反応しない。また、ボロメータは、ノイズの多い環境、例えば核融合の研究における環境において、放射を計測するのに利用することができる。（３）共振周波数測定手段とセンサを接続するケーブルは、長くても共振周波数の正確な測定を妨げない。図４を参照すると、この実施形態において、温度センサ１は、共振周波数測定手段４に単一の伝送ライン５０によって接続されている。この伝送ライン５０は、センサ近くで、伝送ライン５０の特性インピーダンスと等しい抵抗を有する終端抵抗５１によって終端されている。共振周波数における信号に対し、センサは、反応する部材を有しない非常に高いインピーダンスにみえる。そして、伝送ライン５０をアクロスして（わたって：横切って）接続されているようにみえる影響する負荷は、単に終端抵抗５１の抵抗である。このようにして、伝送ラインは、無限ライン（無端ライン：infini te line）のように見え、共振周波数における反射信号は生成されない。共振から離れると、測定手段４において、センサからの反射信号が検出される。例えば、ＶＣＯのソースインピーダンスをアクロスする（わたる）位相変化として検出される。このときに、位相ロックループが、ＶＣＯを共振周波数にロックし、位相変化を最小限に維持するために用いられる。この実施形態の利点は、センサ１を接続するケーブルの数を最小限にできることである。図５には、４つの温度センサ１，４つの共振周波数測定手段４、２つのチョッパ４５，及び第１及び第２の伝送ライン４６，４７を有するマルチセンサシステムの模式図が示されている。温度センサ１は、４つの異なるインダクタ３及び共振周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４は、オフセットして（ずれて）いる。異なる並列共振回路のキャパシタンスが併設接続されているように見えるのを防ぐため、複数の共振回路は、伝送ラインセクション４６に対応する直列接続した複数の入力抵抗によって接続され、またラインセクション４７に対応する直列接続された複数の出力抵抗によって接続される。各周波数測定手段４は、ＰＬＬ及びチョッパ４５を含み、チョッパ４５は、複数のＰＬＬを順番に伝送ライン４６，４７に接続する。４つのＶＣＯ１５によって発生された信号のパルス４８は、第１伝送ライン４６によりセンサ１のＬＣ共振回路に供給される。信号パルスは、伝送ライン４７を介し複数のＰＬＬに返る。複数のＰＬＬは、入力信号がない間「コースト（coast：惰性でそのまま動作する）」するように構成されており、各ＰＬＬは、それぞれの対応するセンサの共振周波数に追従しロックすることが可能になっている。また、それぞれの共振回路の周波数帯域のみを通過させるフィルタ手段（図示ぜず）をセンサから各ＰＤ１８に至る返りの経路に設けることもできる。これによって、すべての周波数がセンサに同時に供給されてよくなり、時分割のチョッピングが不要になる。他の複数の温度センサ１を有する実施形態においては、各温度センサ１は、測定手段にそれぞれ別のケーブルを用いて接続される。図６は、核融合の研究のためのボロメータにおいて利用されるボロメータセンサ６の実施形態である。図１に示されているのと同様の温度センサ１が２つ組み込まれている。２つの温度センサ１は、名目的に（定格として：nominal）同一の電気的、温度的性質を有している。各温度センサ１は、薄膜強誘電体キャパシタ及びキャパシタ電極２１，２２に接続された単巻きＲＦコイルを有している。この２つのキャパシタは、同一の基板１０の隣接するウインドウ１１を覆って位置している。シールド２４は、センサ６が測定しようとするタイプの放射（放射線）を吸収することができ、中性子（ニュートロン）や硬Ｘ線は吸収しない材質でできており、キャパシタのうちの１つを覆うように位置される。シールド２４は、センサ６が測定しようとするタイプの入射放射線の少なくとも一部（フラクション）からキャパシタをシールドする。なお、中性子及び硬Ｘ線はキャパシタを照射されている。シールドされている温度センサ１は、このようにしてリファレンスセンサ（基準センサ）になる。すなわち、中性子及び硬Ｘ線による温度上昇についての補正が可能になり、すべての核融合ボロメータシステムにおいて、本質的なものである。シールドは、センサハウジングの一部として形成することができる。ハウジングは、シールドされていないキャパシタにそろえられた（合致するように配置された）ウインドウを有することができる。ボロメータセンサ６は、２つのキャパシタ２の温度の差がボロメータセンサ６が測定しようとするタイプの入射放射線のフラックスに比例するように構成することができる。ボロメータセンサ６は、２つの温度センサ１の共振周波数を測定する共振周波数測定手段と組み合わせることができ、１つのボロメータに組み込むことができる。他の実施形態においては、異なるタイプの放射を吸収するシールドを採用できることが明らかである。シールドの材料の選択は、ボロメータセンサ使用されるアプリケーションに応じて行われる。図７において、ボロメータシステムは、３つのボロメータセンサ６を有している。このボロメータセンサ６は、１つの共振周波数測定手段４に伝送ライン４６，４７によって接続されている。測定手段４は、温度センサ１の共振回路の共振周波数の信号を発生することができる信号発生手段５３、及び２つのスペクトルアナライザ（分析器）５４を有している。３つのボロメータセンサ６で使用されるコイル３は、異なるインダクタンスを有しており、共振周波数は、例えばｆ１，ｆ２，ｆ３というように互いにオフセットしている。それぞれのボロメータセンサ６において、基準及び測定温度センサの共振周波数（例えば、f1，f2およびf3）は、ボロメータセンサ６に入射する放射フラックス（線束）に依存した（応じた）量だけ異なる。第１伝送ライン４６を介してボロメータセンサ６に伝送される信号の周波数は、時間に応じて変化する（傾斜している）。スペクトルアナライザ５４は、共振回路における周波数の関数としての電圧強度（周波数成分）を示す。温度差、すなわち放射線束は、共振周波数から計算される。共振周波数は、電圧の極大に対応する周波数である。他の実施形態において、多数のボロメータセンサ６を組み込むことができることは明らかである。図８は、本発明の実施形態及び他のアプリケーションにおいて好適なキャパシタを示している。このキャパシタは、薄膜技術を利用して作られており、強誘電体層２３をシリコンウエハ１０をカバーする薄膜（薄いメンブレン）上の２つの電極２１，２２の間に組み込んでいる。この例の薄膜は、例えば窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）の薄い層である。このメンブレン（薄膜）１００は、電極を損傷することなく酸によって強誘電体層２３の下のシリコンウエハを完全にエッチング除去することを可能とする。他の例において、メンブレンの材質の選択は、基板材料及びウインドウのエッチング技術によって決定される。メンブレンの材料は、非常に強く、またメンブレンの厚さは１μｍ以下、例えば５００ｎｍである。ウインドウ領域１１のシリコンをエッチングで完全に除去し、非常に薄いメンブレンを採用することによって、キャパシタのセンサ部分の熱容量を減少することができ、応答性を改善することができる。電極２１，２２は、強誘電体層２３からその先へメンブレン１００の表面に沿ってのびる。コンタクト領域２１ａ，２２ａを画定するために厚くされている。このコンタクト領域２１ａ、２２ａは、強誘電体層２３と直接接触される部分から厚みが減少された部分２１ｂ、２２ｂによって隔離されている。図においては、厚みが減少された領域は、強誘電体と直接接触するキャパシタ２１ｃ、２２ｃのプレートとしての厚さと同じ厚さに示されている。しかし、他の構成としては、この部分をプレートより薄くすることができる。この構成は、キャパシタへの電気的接続のための構成を容易にする。そして、比較的高い熱抵抗を電気的接続及びキャパシタプレートの間に提供する。これは、センサ部分（測定部分）（すなわち、プレート２１ｃ、２２ｃ及び強誘電体層２３）を他の関連する測定経路から熱的に隔離するのに役立つ。キャパシタへの低抵抗の接続は、（ワイヤーを厚みの増加された領域２１ａ、２２ａに接続することによって）プレート２１ｃ、２２ｃへの直接の接続を行わなくても得られる。この特徴は、すべてのアプリケーションにおいて利点がある。これは、コンタクト抵抗がキャパシタと直列接続した抵抗と等しくなるからである。コンタクト抵抗（接触抵抗）を減少することによって、キャパシタの動作は、理想的なキャパシタの動作により近づく。図８のキャパシタは、共振回路の温度感応性部材として本発明の実施形態に組み込まれる。この電極構成は、より低い抵抗でのコンタクトを可能として、また共振回路のＱファクタを改善する。コンタクト抵抗を減少することにより、Ｑファクタは上昇し、よりシャープな共振が得られ、これによって温度センサの分解能が改善される。より厚いコンタクト領域２１ａ、２２ａを、キャパシタのプレートに直接接続するのではなく強誘電体物質２３からはなして設けることは、第２の利点を生む。図８からわかるように、キャパシタの「温度測定部分」（すなわち、プレート２１ｃ、２２ｃ及び強誘電体層２３）は、キャパシタの残りの部分と薄いリンクによって接続される。このリンクは、電極の厚さが減少された領域２１ｂ、２２ｂ及びメンブレンを含む。これらの薄いリンクは、キャパシタの測定部分をコンタクト領域及び関連する回路から隔離するのに役立つ。リンクは、強誘電体層から熱が伝導して逃げるのを防ぐ。これによって、温度センサ部材としてのキャパシタの応答速度及び正確性が改善される。例えば、キャパシタがボロメータに温度測定部材（共振回路においてまたは他の構成において）として組み込まれた場合、熱伝導防止リンクは、より正確な入射放射線の測定を可能にする。なぜなら測定インターバル毎のすべての温度上昇は、インターバル（そのインターバルの期間）にキャパシタプレート上に入射したトータルの放射エネルギーをより正確に示す。また、この電極構成によれば、接続ワイヤに沿ってキャパシタに伝導するすべての熱は、最初に厚いコンタクト領域２１ａ、２２ａに至る。そして、強誘電体物質２３ではなく、シリコンウエハに向けて主に流れる。これによって、コンタクト領域２１ａ、２２ａ及びシリコン基板１０をヒートシンクとして働かせることができる。これは、キャパシタが、ボロメータにおける温度センサ部材として利用されるときに特に有利である。これは、キャパシタが共振回路に組み込まれていても、また他の回路、例えばキャパシタンスを測定するためのブリッジ回路に組み込まれていてもである。接続ワイヤから強誘電体物質への熱伝導を防止することによって、上記構成は、キャパシタを入力放射強度における非常に小さい変化を分析することに利用することを可能にする。「ヒートシンク」の熱特性は、基板１０及びコンタクト領域２１ａ、２２ａの厚さを適当に選択することにより、設定することができる。キャパシタ全体の熱特性は、各構成部材をそれぞれ適切な厚さとすることによってセットされることが明らかである。強誘電体領域２３の下は、シリコンウエハがほとんど完全にエッチング除去されている。これによって、温度測定領域の熱量を非常に小さくすることができる。これによって非常に高速の応答を得ることができる。有限要素解析により、このキャパシタを組み込んだいくつかのボロメータにおける時定数τが１０ｍｓより小さいことが示されている。これは、従来の典型的な値である０．２ｓに比べ小さい。このキャパシタは、理論的には、リーズナブルな（妥当な）周波数（re asonable frequency）（２５Ｈｚ）において、非常に低いパワーレベル（例えば、４０μＷ／ｃｍ²、これはある核融合研究アプリケーションにおけるノイズレベルである）まで分解検出することができる。強誘電体物質の下のシリコンをエッチング除去することは、強誘電体の温度を上昇させる接続リードからキャパシタへの熱伝導を防止する。更に、強誘電体層及びキャパシタプレートからに熱伝導して逃げるのを上述のように防止する。電極及び基板のこの構成により、強誘電体物質を他の関係する回路から熱的に隔離することができる。キャパシタプレートの間の強誘電体材料２３を利用することの利点は、強誘電体セラミックの誘電率は、強い温度依存性を示すことである。また、強誘電体セラミックは、広い範囲の化学物質を利用することができる。組成を変更することにより、物質の電気的特性（すなわち、誘電率及びキューリー温度）は、技術的な適応（アプリケーション）の要求に応じて調整することができる。これらは、薄膜技術によって製造することができ、これは機械的化学的に強く（耐性があり）高温にも耐える。核融合研究において特に興味があるのは、強誘電体セラミックの放射特性である。強誘電体セラミックは、本質的に放射線に強く（radiation hard）、放射線により壊れた場合にはこれをアニールによって回復することができる。図８のキャパシタは、特に高レベルの放射線が照射されるような環境における温度センサとしての使用に好適である。電極２１，２２は、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、強誘電体２３は、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）（８／６５／３５）を使用できる。強誘電体は、その化学組成を変更することができる。他の強誘電体物質も利用できる。例えば、例えばジルコン酸鉛（ＰＺ）（５０／５０）、ＰＺＴ及びＢＳＴ／６０％Ｓｒを使用することができる。ＰＬＺＴ、ＰＺ及びＢＳＴは、ＰＺＴより核融合アプリケーションにおいて適している。これは、ＰＺＴが高いキューリー温度を有するためである。要約すると、図８のキャパシタは、非常に低い熱容量（高速の応答を可能にする）を有し、熱時定数（熱遅延）を減少することができ、測定部分のアクティブな（動的な）温度を隔離することができ、良好な電気的接続が形成でき、よい生産性を持って製造できる。図９は、本発明の実施形態における使用に好適な他のキャパシタの断面模式図を示す。この例では、対称に形成され、分離されたボトム電極２２と、非接触の中心に設けられた１つのトップ電極２１を有している。ボトム電極の２つの部分は、互いに直接には電気的に接続されていない。キャパシタが回路に接続されるとき、左と右のコンタクト領域２２ａＬ、２２ａＲは別々のコンタクトが形成され、キャパシタは、２つの直列接続されたキャパシタと等価になる。この構成は、図８のキャパシタにおけるすべての利点を得る。例えば、アクティブ熱センサ部の熱的分離、電気的コンタクトの容易化、低抵抗コンタクトなどの利点が得られる。更に、この構成により製作の容易化を図ることができる。特に、図９のトップ電極２１は、単純な層である。すなわち、図８のキャパシタのトップ電極２１は段差があるが図９のトップ電極２１には段差はない。この単純化された構成は、製造において電極の厚さを容易に厚くできることを意味している。これによって、ボロメータへの適用（アプリケーション）に有利である。すなわち、厚い電極は、より高いエネルギーのフォトン（光子）をストップし（受け止め）吸収することができる。図８の構成のキャパシタにおいて、トップ電極の厚さを増加させることができる。しかし、ステップ（段差）領域において、高温のストレス（応力）が生起され、問題を生じやすい。図９の構成によれば、このような問題は避けられる。図９のキャパシタによれば、接触しないトップ電極は、ボトム電極（及び他の関連する回路）から強誘電体層によって熱的に隔離されるという利点がある。上述の実施形態においては、共振回路は、パラレル（並列）ＬＣ共振回路であった。しかし、他の実施形態においては、インダクタ及びキャパシタは、直列共振回路として接続することも可能である。特に、共振点から離れると高インピーダンスを示す。多数のシリーズ（直列）共振構成は、構成のそれぞれの共振周波数が互いに十分離れていれば、１つの直列構成が他の共振の干渉を生起することなく単一の伝送ラインに接続することを可能にする。単巻きコイルを使用する実施例を記載したが、複数巻きのコイルを利用することも当然可能である。他の形式のインダクタ装置を利用することもできる。温度依存リアクタンスを有するキャパシタを用いる代わりに、温度依存リアクタンスを有するインダクタを用いることができる。例えば、強磁性体のコアを有するコイルを有することができる。これをボロメータセンサに使用するとき、インダクタの１つをキャパシタの１つに代えてシールドする。強磁性体は、しかしながら核融合の研究において一般的には適さない。強誘電体キャパシタを組み込んだ実施形態を述べた。しかし、他のキャパシタのタイプとしては、温度依存リアクタンスを有するキャパシタが利用できる。このキャパシタは、誘電体であって、温度によってそのディメンション（dimensio n：寸法）が変化するものを含む。これによって、キャパシタの電極間の距離が変化する。核融合研究についての適用においては、共振回路がノイズを減少させるため、プラズマを加熱するために利用するＲＦ加熱装置において採用されている周波数から十分離れた定格（nominal）共振周波数を有するものが好適である。１つのアプリケーションにおいて、典型的な加熱装置の周波数は、２０ＭＨｚの領域である。この場合の好適な共振周波数領域は、１０ＭＨｚの領域である。他のアプリケーションにおいては、他の共振周波数が好適である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者レイチェルロジャーフランスエフ 13100 オーアンプロヴァンスシュマンデュブールガールヴァロンデスルス 22

Claims

【特許請求の範囲】１．共振回路として接続されたキャパシタ及びインダクタを含んだ温度センサであって、前記キャパシタ及び前記インダクタの少なくとも１つが温度依存性のリアクタンスを有し、これにより前記共振回路の共振周波数が前記インダクタ及び前記キャパシタの少なくとも１つの温度に依存する温度センサと、前記共振回路の共振周波数を測定する手段と、を備え、前記測定手段は、前記共振回路に応答してその回路の共振周波数の信号を生成する信号生成手段と、この信号生成手段で生成された信号の周波数を表示する表示手段と、を備え、前記測定手段は、前記共振回路との組み合わせにおいて、前記共振周波数に追従して動作する位相ロックループ（ＰＬＬ）を有することを特徴とする検出装置。２．共振回路として接続されたキャパシタ及びインダクタを含んだ温度センサであって、前記キャパシタ及び前記インダクタの少なくとも１つが温度依存性のリアクタンスを有し、これにより前記共振回路の共振周波数が前記インダクタ及び前記キャパシタの少なくとも１つの温度に依存する温度センサと、前記共振回路の共振周波数を測定する手段と、を備え、前記測定手段は、前記共振周波数を含む周波数範囲の中にある周波数の信号を生成し、その信号の周波数を前記範囲にわたって走査するよう動作する信号生成手段を備える検出装置。３．請求の範囲１又は２に記載の検出装置であって、前記センサを前記測定手段に接続する伝送ラインと、前記伝送ラインに架けわたされたインピーダンス整合用の終端抵抗と、を含むことを特徴とする検出装置。４．請求の範囲３に記載の検出装置であって、前記センサは前記終端抵抗から遠隔の点で前記伝送ラインに接続されることを特徴とする検出装置。５．請求の範囲４に記載の検出装置であって、前記伝送ラインは、前記測定手段から前記センサへと延びる第１ライン部分と、前記センサから戻って前記測定手段で終端される第２ライン部分と、を含むことを特徴とする検出装置。６．請求の範囲５に記載の検出装置であって、前記センサに抵抗を設け、前記第１ライン部分をインピーダンス整合がとれた状態で終端したことを特徴とする検出装置。７．その各々が、共振回路として接続されたキャパシタ及びインダクタを含み、前記キャパシタ及び前記インダクタの少なくとも１つが温度依存性のリアクタンスを有し、これにより前記共振回路の共振周波数が前記インダクタ及び前記キャパシタの少なくとも１つの温度に依存するように構成された複数の温度センサであって、各々がそれぞれ異なる共振周波数範囲を有する複数の温度センサと、それら各センサの共振回路の共振周波数を測定する手段と、共通伝送ラインと、を備え、前記センサ群は、前記共通伝送ラインにより前記測定手段に接続されている検出装置８．請求の範囲１〜７のいずれかに記載の検出装置であって、前記温度センサの前記キャパシタは、温度依存性のリアクタンスを有することを特徴とする検出装置。９．請求の範囲８に記載の検出装置であって、前記キャパシタは、温度依存性の誘電率を有する誘電体を含むことを特徴とする検出装置。１０．請求の範囲９に記載の検出装置であって、前記キャパシタが強誘電体キャパシタであることを特徴とする検出装置。１１．請求の範囲１０に記載の検出装置であって、前記キャパシタは基板上に集積回路技術を用いて形成されることを特徴とする検出装置。１２．請求の範囲１１に記載の検出装置であって、前記基板は、厚みを薄くした領域を有し、前記キャパシタはその領域に配置されることを特徴とする検出装置。１３．上記各請求の範囲のいずれかに記載の検出装置であって、前記温度センサの前記インダクタは導電性ループであることを特徴とする検出装置。１４．請求の範囲１〜１３のいずれかに記載の検出装置を含んだボロメータであって、前記温度センサにおける前記温度依存性のインダクタ又はキャパシタが、当該センサに入射する所定種類の放射の線束に依存した温度を持つように設定されることを特徴とするボロメータ。１５．請求の範囲１４に記載のボロメータであって、２つの前記温度センサと、これら２つのセンサの内の１つの中の温度依存の部分を所定種類の放射の入射の少なくとも一部からシールドするシールドと、を含むボロメータ。１６．請求の範囲１５に記載のボロメータのうち請求の範囲１１に従属するものであって、前記２つのセンサのキャパシタが共通の基板上に形成され、前記シールドは前記シールドされるセンサの前記キャパシタをシールドするよう構成されることを特徴とするボロメータ。１７．請求の範囲１５又は１６のいずれかに記載のボロメータであって、前記測定手段は各温度センサの共振回路の共振周波数を測定するように構成されることを特徴とするボロメータ。１８．請求の範囲８〜１３のいずれかに記載の検出装置のうち請求の範囲７に従属するものを有するボロメータであって、前記複数の温度センサにおける前記温度依存性のインダクタ又はキャパシタは、入射する所定種類の放射の線束に依存する温度を持つように構成されたことを特徴とするボロメータ。１９．その各々が共振回路として接続されたキャパシタ及びインダクタを含み、前記キャパシタ及び前記インダクタの少なくとも１つが温度依存性のリアクタンスを有し、これにより前記共振回路の共振周波数が前記インダクタ及び前記キャパシタの少なくとも１つの温度に依存するように構成された２個の温度センサと、前記センサ群の中の１つのセンサの温度依存性のインダクタ又はキャパシタを、少なくとも１つの種類の放射の入射の少なくとも一部からシールドするためのシールドと、を有するボロメータセンサ。２０．請求の範囲１９に記載のボロメータセンサであって、前記各キャパシタは偏度依存性のリアクタンスを有することを特徴とするボロメータセンサ。２１．請求の範囲２０に記載のボロメータセンサであって、前記各キャパシタは温度依存性の誘電率を有する誘電体を含むことを特徴とするボロメータセンサ。２２．請求の範囲２１に記載のボロメータセンサであって、前記各キャパシタは強誘電体キャパシタであることを特徴とするボロメータセンサ。２３．請求の範囲２２に記載のボロメータセンサであって、各キャパシタは基板上に集積回路技術を用いて形成されることを特徴とするボロメータセンサ。２４．請求の範囲２３に記載のボロメータセンサであって、前記２つのキャパシタは共通の半導体基板上に形成され、前記シールドは、前記シールドされるセンサのキャパシタをシールドするように構成されることを特徴とするボロメータセンサ。２５．請求の範囲２３又は２４に記載のボロメータセンサであって、各キャパシタは基板の中の厚みを薄くした領域に配置されることを特徴とするボロメータセンサ。２６．請求の範囲１９〜２５のいずれかに記載のボロメータセンサであって、前記インダクタが導電性ループであることを特徴とするボロメータセンサ。２７．共振回路として接続されたインダクタ及びキャパシタを有する温度センサであって、前記キャパシタは集積回路技術によって基板上に形成された強誘電性キャパシタであり、これにより前記共振回路の共振周波数が前記キャパシタの温度に依存するよう構成された温度センサ。２８．請求の範囲２７に記載の温度センサであって、前記基板は、厚みを薄くした領域を有し、この領域に前記キャパシタが形成されることを特徴とする温度センサ。２９．請求の範囲２７又は２８に記載の温度センサであって、前記インダクタが導電性ループであることを特徴とする温度センサ。