JP2003344171A - 熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサ - Google Patents
熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサInfo
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Abstract
係数の大きな素材である熱膨張材料を用いたマイクロ熱
膨張温度センサを提供する。 【解決手段】支持基体の先端部に、熱膨張係数の大きな
材料から成る熱膨張温度センサ層を設けたマイクロ熱膨
張温度センサを用い、微小部位の温度計測を行うマイク
ロ熱膨張温度センサにおいて、前記支持基体と前記熱膨
張温度センサ層との間には、熱伝導制御層が設けてあ
り、かつ該熱膨張温度センサ層の試料接触側は、高熱伝
導絶縁層によって被覆されていることを特徴とする熱膨
張材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサである。
Description
マイクロ熱膨張温度センサに関し、特に、光熱変換分光
法によって、光の回析限界以下の極微小部位の温度計測
のために用いるのに適切な熱膨張材料を用いたマイクロ
熱膨張温度センサに関する。
外)分光法では、光の回折限界よりも小さな領域、また
は物質を測定観測することは原理的に非常に困難であ
る。しかしながら回折限界の影響を回避する方法を適用
することにより、この限界よりも小さな領域を測定する
ことは可能である。
な領域を測定することを可能とする新しい分光測定法が
注目されるようになっている。1つは近接場光を利用し
た方法であり、もう1つは光熱変換分光法である。これ
らの方法ではいずれも光の回折限界の影響を受けず(あ
るいは無視できる条件下で)測定を行うものである。後
者の光熱変換分光法を利用した方法では、光の照射に伴
う熱膨張変化を捕らえて、分光測定を行う試みがすでに
検討されている(M.S.Anderson、Appl
ied Spectroscopy,54,349,2
000)。
熱膨張をAFM(Atomic Force Micr
oscopy)におけるカンチレバーの変位量の変化を
とらえて計測する方法である。しかしながら、通常観測
する有機・高分子材料の熱膨張係数(線膨張率又は体膨
張率。本明細書において同じ。)は大きいとはいえず、
当然ながら測定感度が極めて不足している。
感度な熱膨張温度センサとなりうる抵抗温度係数の大き
な素材である熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度セ
ンサを提供することを課題とする。
明は、下記構成を有する。 1.支持基体の先端部に、熱膨張係数の大きな材料から
成る熱膨張温度センサ層を設けたマイクロ熱膨張温度セ
ンサを用い、微小部位の温度計測を行うマイクロ熱膨張
温度センサにおいて、前記支持基体と前記熱膨張温度セ
ンサ層との間には、熱伝導制御層が設けてあり、かつ該
熱膨張温度センサ層の試料接触側は、高熱伝導絶縁層に
よって被覆されていることを特徴とする熱膨張材料を用
いたマイクロ熱膨張温度センサ。
置する高熱伝導絶縁層と、熱膨張温度センサ側に位置す
る低熱伝導絶縁層とを有することを特徴とする前記1に
記載の熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサ。
/mK以上で熱膨張係数10×10− 6/K以下さらに
好ましくは5×10−6/K以下の絶縁材料から成り、
低熱伝導絶縁層が熱伝導率10W/mK未満で熱膨張係
数10×10−6/K以下、さらに好ましくは5×10
−6/K以下の絶縁材料から成ることを特徴とする前記
2に記載の熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度セン
サ。
5×10−6/K以上であることを特徴とする前記1、
2又は3に記載の熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温
度センサ。
/mK以上で熱膨張係数10×10− 6/K以下、さら
に好ましくは5×10−6/K以下の絶縁材料から成る
ことを特徴とする前記1〜4のいずれかに記載の熱膨張
材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサ。
マイクロ変位センサ基体であり、光の照射に伴う熱膨張
変化を捕らえて分光測定を行う光熱変換分光法によっ
て、光の回析限界以下の極微小部位の温度計測が可能で
あることを特徴とする前記1〜5のいずれかに記載の熱
膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサ。
計測が可能であることを特徴とする前記1〜5のいずれ
かに記載の熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度セン
サ。
本発明の支持基体は、AFMカンチレバー等のマイクロ
変位センサ基体であり、これを形成する材料としては、
セラミック、圧電材料、シリコンなどの半導体材料また
は絶縁材料が挙げられ、支持基体の先端部の形状は台形
型、針状、半球状などのいずれであってもよい。
膨張係数の大きな感熱抵抗材料としては、Ga,P,T
l,Zn,Rb,銀塩化合物(AgCl,AgBr,A
gNO3など)、ハロゲン系化合物(BeCl2,Cd
Cl2,CuCl2,Hg2Cl2,KCl,MgCl
2,NaCl,RbCl,SnCl2,ZnCl2)、
KNO3,KClO3,KMnO4、Al合金、Mg合
金など熱膨張係数が25×10−6/K以上の化合物群
であるが、25×10−6/K以上の熱膨張係数を有す
るその他の熱膨張材料でもよい。カーボンナノチューブ
材料等に上記熱膨張材料を封じ込めたものでもよい。
せるには、上記材料をnmオーダーに薄膜化して熱膨張
温度センサ層とすることに加え、該支持基体と該熱膨張
温度センサ層との間に、適度な熱伝導度を有すると共に
熱膨張の小さい熱伝導制御層を設けることで達成でき
る。
により発生した熱を効率よく熱膨張温度センサに伝達で
きることが肝要である。しかしながら熱膨張する物質に
よるセンサでは、熱伝導率を単純に高くとれば良いわけ
ではなく、たとえば熱伝導率の高い銅などの金属を基体
などに利用すると、熱の伝導度は高くなるが、逆に熱膨
張温度センサ層が十分熱膨張しないうちに素早く熱が拡
散してしまい温度変化の検出感度が逆に低下してしま
う。したがって試料に接する部分、および/または熱膨
張温度センサを設ける支持基体には目的(温度、時定
数、試料の種類)に応じた最適な熱伝導度を有する材料
を複数層配することが好ましい。
置する高熱伝導絶縁層と、熱膨張温度センサ側に位置す
る低熱伝導絶縁層とから成ることが好ましい。また、上
記試料に接する部分には高熱伝導絶縁層を設けることが
好ましい。
の高い(且つ熱膨張の小さい絶縁または導電性)材料と
しては、絶縁材料−ベリリヤ磁器(BeO〉、A1N、
SiC、アルミナ単結晶、多結晶(サファイア、ルビ
ー)、MgO、TiO2(ルチル)、ThO2(熱伝導
率:10W/mK以上)等が挙げられ、これらの材料の
なかでは熱伝導率が100W/mK以上で、熱膨張係数
が5×10−6/K以下であるAlN(商品名デンカA
Nプレート),SiCなどがさらに好ましい。これらを
用いて、熱伝導制御層を構成する高熱伝導絶縁層と、熱
膨張温度センサ層を被覆する高熱伝導絶縁層とを形成す
る。この2つの高熱伝導絶縁層には、同一の材料を用い
てもよいし、異なる材料を用いてもよい。
の低い且つ熱膨張の小さい絶縁材料としては、石英ガラ
ス、ガラ[商品名:パイレックス(登録商標)]、ホウ
素ガラス、雲母など(熱伝導率0.5〜5W/mK)等
が挙げられる。
が、熱伝導率100W/mK以上で熱膨張係数10×1
0−6/K以下、さらに好ましくは5×10−6/K以
下の絶縁材料から成り、低熱伝導絶縁層が熱伝導率10
W/mK未満で熱膨張係数10×10−6/K以下、さ
らに好ましくは5×10−6/K以下の絶縁材料から成
る。そして、この範囲を逸脱すると本発明の効果が得ら
れなくなる。
サ層が、熱膨張係数25×10−6/K以上である。そ
して、熱膨張係数が上記範囲未満であると、温度変化に
伴う体積膨張率が低下し、温度変化を高感度に検出する
ことが困難となる不都合がある。
が、熱伝導率100W/mK以上で熱膨張係数10×1
0−6/K以下、さらに好ましくは5×10−6/K以
下の絶縁材料から成る。そして、この範囲を逸脱すると
本発明の効果が得られなくなる。
高感度に光の照射に伴う温度変化を高感度に検出可能で
ある。
は、分光測定以外の目的で微小部位の温度計測に利用す
ることもできる。
に、光の回折限界以下に先細りさせた(<1.0μm
φ)半導体材料または絶縁体材料から成る支持基体1の
先端部に、熱膨張が小さく熱伝導度を制御する熱伝導制
御層2を設ける。この熱伝導制御層は、高熱伝導絶縁層
2Aと低熱伝導絶縁層2Bとの2層以上から成る。この
上に、熱膨張温度センサ層3を設け、この上の試料が直
接接触する部分には、熱膨張が小さく熱伝導度の高い高
熱伝導絶縁層4を設ける。
で支持基体1側には適度な熱伝導度を有し、熱を適切に
保持する高熱伝導絶縁層2Aを1層以上を設ける。本発
明の一実施態様では、熱膨張が小さく熱伝導度の高い絶
縁材料であるベリリヤ磁器(酸化ベリリウム)、アルミ
ナ単結晶などによって高熱伝導絶縁層2Aを設ける。そ
して、この層2Aの上に、熱膨張が小さく熱伝導度の低
いガラス材料等から成る低熱伝導絶縁層2Bを設ける。
と直接接する部分)には熱膨張温度センサ層3を保護す
ることと、効率よく試料からの熱を伝えることを目的と
する熱膨張が小さく熱伝導度の高い絶縁材料(本発明の
一実施態様では、ベリリヤ磁器(酸化ベリリウム)、ア
ルミナ単結晶などによる。)から成る高熱伝導絶縁層4
を設ける。
熱伝導絶縁層2B、熱膨張温度センサ層3、高熱伝導絶
縁層4の各薄膜層の作製は、抵抗加熱蒸着法、電子ビー
ム蒸着法、化学的気相堆積法、大気圧プラズマ法など公
知の技術および装置を利用することができる。
の製造には材料をそのまま蒸発源とする製膜法と、蒸着
用材料を蒸発源として真空中に酸素ガスを導入しながら
製膜する反応蒸着法があり、いずれの方法でも製膜可能
である。
抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学的気相堆積
法、スパッタリング法などに用いられるものであれば、
公知のものを特別の制限なく用いることができる。
emical Vaper Depisition)と
は、真空槽内に気体(酸素、窒素、弗素、塩素、反応性
特殊ガスなど)を導入し、この気体に高圧電場をかけプ
ラズマ化して、加熱ボートから蒸発した材料蒸気と反応
させて製膜する方法である。一般的には、製膜した化合
物が高融点のため、抵抗加熱ではそのまま蒸着できない
ものを、金属状態で蒸発させてから導入ガスと反応させ
て製膜する方法として用いる。
うな熱膨張係数が0.3×10−4K−1以上の熱膨張
材料であるハロゲン化銀、ハロゲン系化合物、ガリウム
含有カーボンナノ材料などで形成する。
B、熱膨張温度センサ層3、高熱伝導絶縁層4の各薄膜
層の膜厚は、1nmから1000nmであり、好ましく
は5nmから500nmである。ただし、熱膨張温度セ
ンサ層3を被覆する高熱伝導絶縁層4については、1〜
5nmであることがより好ましい。
単結晶などを異方性エッチングやフォトリソグラフィー
の手法を利用して先端部を0.5μmになるように台形
状に形成させた支持基体上に、CVD,電子ビーム蒸着
法などを利用して高熱伝導絶縁層、例えばAlNを50
0nm積層させる。さらに同様な方法で低熱伝導絶縁層
例えばガラス材を200nm積層させる。この上に熱膨
張温度センサ層3、例えばGaを同様な方法で300n
m積層させる。さらに熱膨張温度センサ層3の保護を目
的とした高熱伝導絶縁層、例えばAlNを同様な方法で
10nm形成させることにより得る。
に示す本発明に係る熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張
温度センサをAFM用カンチレバーに設置した3つの実
施例が示されている。
B、熱膨張温度センサ層3、高熱伝導絶縁層4の各薄膜
層の温度変化による熱膨張変化の時定数が0.5msか
ら50msが好ましい。
を用いた変位センサ[図2(A)]、ピエゾ抵抗体を利
用したもの[図2(B)]、ひずみゲージを利用する方
法[図2(C)]など公知の方法が利用できる。
用いるための、FT−IR(Fourier Tran
sform Infrared Spectrocop
y)又はチョッパーを利用する光学系を示している。か
かる光学系の構成は公知のものを特別の制限なく利用で
きる。
ンサとなりうる抵抗温度係数の大きな素材である熱膨張
材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサを提供できる。
施例を示す概略構成図
チレバーに設置した3例を示す概略構成図
示す概略構成図
Claims (7)
- 【請求項1】支持基体の先端部に、熱膨張係数の大きな
材料から成る熱膨張温度センサ層を設けたマイクロ熱膨
張温度センサを用い、微小部位の温度計測を行うマイク
ロ熱膨張温度センサにおいて、前記支持基体と前記熱膨
張温度センサ層との間には、熱伝導制御層が設けてあ
り、かつ該熱膨張温度センサ層の試料接触側は、高熱伝
導絶縁層によって被覆されていることを特徴とする熱膨
張材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサ。 - 【請求項2】前記熱伝導制御層が、支持基体側に位置す
る高熱伝導絶縁層と、熱膨張温度センサ側に位置する低
熱伝導絶縁層とを有することを特徴とする請求項1に記
載の熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサ。 - 【請求項3】高熱伝導絶縁層が、熱伝導率100W/m
K以上で熱膨張係数10×10−6/K以下の絶縁材料
から成り、低熱伝導絶縁層が熱伝導率10W/mK未満
で熱膨張係数10×10−6/K以下の絶縁材料から成
ることを特徴とする請求項2に記載の熱膨張材料を用い
たマイクロ熱膨張温度センサ。 - 【請求項4】熱膨張温度センサ層が、熱膨張係数25×
10−6/K以上であることを特徴とする請求項1、2
又は3に記載の熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度
センサ。 - 【請求項5】高熱伝導絶縁層が、熱伝導率100W/m
K以上で熱膨張係数10×10−6/K以下の絶縁材料
から成ることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記
載の熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサ。 - 【請求項6】支持基体がAFMカンチレバーなどのマイ
クロ変位センサ基体であり、光の照射に伴う熱膨張変化
を捕らえて分光測定を行う光熱変換分光法によって、光
の回析限界以下の極微小部位の温度計測が可能であるこ
とを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の熱膨張
材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサ。 - 【請求項7】分光測定以外の目的で微小部位の温度計測
が可能であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか
に記載の熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度セン
サ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002154917A JP4007068B2 (ja) | 2002-05-29 | 2002-05-29 | 熱膨張材料を用いたマイクロ熱膨張温度センサ |
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JP4007068B2 JP4007068B2 (ja) | 2007-11-14 |
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JP (1) | JP4007068B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112805544A (zh) * | 2018-09-10 | 2021-05-14 | 泰连公司 | 电触头热感测系统及方法 |
CN112805545A (zh) * | 2018-09-10 | 2021-05-14 | 泰连公司 | 电触头热感测系统 |
-
2002
- 2002-05-29 JP JP2002154917A patent/JP4007068B2/ja not_active Expired - Fee Related
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CN112805545A (zh) * | 2018-09-10 | 2021-05-14 | 泰连公司 | 电触头热感测系统 |
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JP4007068B2 (ja) | 2007-11-14 |
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