JP2005315661A - キャパシタンス温度センサ及び温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸素１６の所定重量％を同位体酸素１８で置換したチタン酸ストロンチウ単結晶を誘電体として用いて平板コンデンサを作製し、低温で高い誘電率を有し、残留分極特性がなく、かつ高い温度感度Ｓ＝ΔＣ／ΔＴ、高い絶対感度Ｓｄ＝（Ｔ／Ｃ）ΔＣ／ΔＴを実現した、温度分解能の優れたキャパシタンス温度センサを提供すること。
【解決手段】 酸素１６のうち所定重量％を同位体酸素１８で置換したチタン酸ストロンチウ単結晶からなる誘電体を有する平行平板コンデンサのキャパシタンスを検出して温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度センサである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、チタン酸ストロンチウム単結晶からなる誘電体を有する平行平板コンデンサのキャパシタンスを検出して温度測定を行うキャパシタンス温度センサに関する。

バルク単結晶のチタン酸ストロンチウム（以下「ＳＴＯ」という。）は、量子常誘電体として知られ、その比誘電率は、４．２Ｋで２０，０００以上の値を示す。また、その誘電率は、バイアス依存性、ストレス依存性を持ち、それらによって低下する特長を持っている。

米国特許第３６４９８９１号には、強誘電体材料をキャパシタンス温度センサとして用いることが記載されている。

米国特許第３６４９８９１号

上述したように、バルク単結晶ＳＴＯは、低温で高い誘電率を示すため、超伝導デバイスや低温で使用される半導体デバイスで使用した場合は、極めて有用な誘電体である。

一方、従来技術に示すように、強誘電体材料をキャパシタンス温度センサとして用いると、温度変化によって残留分極が生じ、その結果、ヒシテリシス特性が現れるため、温度と測定されたキャパシタンス値との間に１対１の相対関係を有するキャパシタンス温度センサが得られなかった。
また、従来技術に示すように、強誘電体材料をキャパシタンス温度センサとするものは商品化されているが、その感度は２０ｐＦ／Ｋ、およびその絶対感度は０．０２と小さく、そのため、キャパシタンス温度センサとしては測定温度精度が低いことが問題となっていた。

本発明の第１の目的は、酸素１６を重量３０％以下の同位体酸素１８で置換したチタン酸ストロンチウ単結晶からなる量子常誘電性を有する平板コンデンサを作製し、低温で高い誘電率を有し、残留分極特性がなく、かつ高い温度感度Ｓ＝ΔＣ／ΔＴ、高い絶対感度Ｓｄ＝（Ｔ／Ｃ）ΔＣ／ΔＴを実現した、温度分解能の優れたキャパシタンス温度センサを提供することにある。
本発明の第２の目的は、酸素１６を重量３５％以上５０％以下の同位体酸素１８で置換したチタン酸ストロンチウ単結晶からなる強誘電性を有する平板コンデンサを作製し、低温で高い誘電率を有し、高い温度感度Ｓ＝ΔＣ／ΔＴ、高い絶対感度Ｓｄ＝（Ｔ／Ｃ）ΔＣ／ΔＴを実現した、温度分解能の優れたキャパシタンス温度センサを提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するために以下のような手段を採用した。
第１の手段は、酸素１６のうち重量３０％以下を同位体酸素１８で置換したチタン酸ストロンチウ単結晶からなる誘電体を有する平行平板コンデンサのキャパシタンスを検出して温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度センサである。

第２の手段は、酸素１６のうち重量３５％以上５０％以下を同位体酸素１８で置換したチタン酸ストロンチウ単結晶からなる誘電体を有する平行平板コンデンサのキャパシタンスを検出して温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度センサである。

第３の手段は、第１の手段又は第２の手段に記載のキャパシタンス温度センサと、前記キャパシタンス温度センサのキャパシタンスを測定する測定器と、前記測定されたキャパシタンスから温度を求める測定器とからなることを特徴とする温度測定装置である。

第４の手段は、第３の手段において、前記キャパシタンス温度センサのキャパシタンスを測定する測定器が、キャパシタンスブリッジであることを特徴とする温度測定装置である。

第５の手段は、第３の手段または第４の手段において、温度を測定温度を測定する場が磁場中であることを特徴とする温度測定装置である。

本発明によれば、酸素１６のうち重量３０％以下を同位体酸素１８で置換したチタン酸ストロンチウ単結晶では、低温で高い誘電率を示し、特に、同位体酸素１８の置換重量２６％では、温度４．２Ｋにおいて５０，０００以上の比誘電率を有し、量子常誘電性を有するため、残留分極がなく、測定したキャパシタンスと温度との間に１対１の相対関係特性を有するキャパシタンス温度センサを得ることができる。
また、本発明によれば、酸素１６のうち重量３５％以上５０％以下を同位体酸素１８で置換したチタン酸ストロンチウ単結晶では、低温で高い誘電率を示し、特に、同位体酸素１８の置換重量３８％では、誘電体温度４．２Ｋにおいて１００，０００以上の比誘電率を有する、強誘電性からなる、感度が５００ｐＦ／Ｋ、絶対感度が０．０９以上のキャパシタンス温度センサを得ることができる。

本発明の第１の実施形態を図１乃至図５を用いて説明する。
図１は本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度センサの作製工程を示す図である。
チタン酸ストロンチウム単結晶は、切断や形状処理、また成長段階にできる格子欠陥によってその表面に低誘電体層が生じる。このため、例えば、厚さ２００μｍを有するチタン酸ストロンチウム単結晶をリン酸によるエッチング処理を行ったり、また切り出し作業等によって生じたストレスを受けた層を除去するためにケミカルエッチング処理を行い、厚さ１００μｍまで薄くして低誘電率層を除去する。その後、チタン酸ストロンチウム単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３０％以下、例えば、重量２６％置換する。置換の方法は、同位体酸素１８とチタン酸ストロンチウム単結晶を密閉した容器中に封入し、６００℃から１０００℃の高温で熱処理を行う。同位体酸素１８の置換重量はこの熱処理時間に依存する。その後、試料中の同位体酸素１８を拡散させるため、真空中で長時間熱処理を行う。その後、蒸着によって銅を成膜し、その後金を蒸着して電極を形成し、量子常誘電性を有する平行平板コンデンサからなるキャパシタンス温度センサを得る。

図２は、チタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの誘電率の置換効果を説明する図である。
図２（ａ）は、同位体酸素１８の置換重量０％のときの誘電率の温度依存性を示す図であり、図２（ｂ）は、同位体酸素１８の置換重量２６％のときの誘電率の温度依存性を示す図である。
これらの図から明らかなように、両特性図とも量子常誘電性を示している。
図２（ａ）における誘電率の温度依存性は、温度２．２Ｋで比誘電率は約２００００であり、極低温領域で誘電率が飽和する量子常誘電性を示していることが分る。
それに対して、チタン酸ストロンチウム単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量２６％置換したときの、図２（ｂ）における誘電率の温度依存性は、２．２Ｋで比誘電率は５００００を超え、量子常誘電性を維持していることが分る。なお、平行平板キャパシタンスＣは誘電率e_re_０と電極面積Ａ、厚みｔで計算されＣ＝e_re_０Ａ/ｔで示される。ここでe_０は真空の誘電率である。

通常、キャパシタンス温度センサの性能は、その素子の任意温度での１Ｋ当りのキャパシタンス変化分（感度）Ｓ＝ΔＣ／ΔＴと、その感度をキャパシタンスで除算し温度を乗じた値（絶対温度）Ｓｄ＝（Ｔ／Ｃ）ΔＣ／ΔＴで評価される。

図３は、チタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの感度Ｓの向上を説明する図である。
図３（ａ）は、同位体酸素１８の置換重量０％のときの感度Ｓを示す図であり、図３（ｂ）は、同位体酸素１８の置換重量２６％のときの感度Ｓを示す図である。
これらの図から明らかなように、図３（ａ）における同位体酸素１８の置換重量０％のときの感度Ｓは、２．２Ｋで３．１ｐＦ／Ｋであるのに対して、図３（ｂ）に示すように同位体酸素１８の置換重量２６％のときの感度Ｓは３２ｐＦ／Ｋとなり、感度が向上していることが分る。

図４は、チタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの絶対感度Ｓｄの向上を説明する図である。
図４（ａ）は、同位体酸素１８の置換重量０％のときの絶対感度Ｓｄを示す図であり、図４（ｂ）は、同位体酸素１８の置換重量２６％のときの絶対感度Ｓｄを示す図である。
これらの図から明らかなように、図４（ａ）における同位体酸素１８の置換重量０％のときの絶対感度Ｓｄは、２．２Ｋで０．００７であるのに対して、図４（ｂ）に示すように同位体酸素１８の置換重量２６％のときの絶対感度Ｓｄは０．０２２となり、約３倍以上絶対感度が向上し、高精度で温度計測できることが分る。この結果、量子常誘電体で高い感度が得られ、残留分極によるによる影響がないことから絶対温度計として利用できることが分る。

図５は、本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度センサを用いた温度測定装置の構成を示す図である。
同図において、１は低温容器、２は低温容器１に設けられ、図示していない被測定物に設けられる平行平板コンデンサからなるキャパシタンス温度センサ、３は低温プローブ、４はキャパシタンス温度センサ２のキャパシタンスを測定する、例えば、ＬＣＲメーターやキャパシタンスブリッジ等からなる測定器、５は、例えば、パソコン等からなる測定されたキャパシタンス値から温度値を求める測定器である。
なお、一般にキャパシタンスの測定は、磁場の影響を受けないので、磁場中での温度計測に適している。

次に、本発明の第２の実施形態を図６乃至図９を用いて説明する。
図６は本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度センサの作製工程を示す図である。
チタン酸ストロンチウム単結晶は、切断や形状処理、また成長段階にできる格子欠陥によってその表面に低誘電体層が生じるので、例えば、厚さ２００μｍを有するチタン酸ストロンチウム単結晶をリン酸によるエッチング処理を行ったり、また切り出し作業等によって生じたストレスを受けた層を除去するためにケミカルエッチング処理を行い、厚さ１００μｍまで薄くして低誘電率層を除去する。その後、チタン酸ストロンチウム単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３５％以上５０％以下、例えば、重量３８％置換する。置換の方法は、同位体酸素１８とチタン酸ストロンチウム単結晶を密閉した容器中に封入し、６００℃から１０００℃の高温で熱処理を行う。同位体酸素１８の置換重量はこの熱処理時間に依存する。その後、試料中の同位体酸素１８を拡散させるため、真空中で長時間熱処理を行う。その後、蒸着によって銅を成膜し、その後金を蒸着して電極を形成し、強誘電性を有する平行平板コンデンサからなるキャパシタンス温度センサを得る。

図７は、チタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの誘電率の置換効果を説明する図である。
図７（ａ）は、同位体酸素１８の置換重量０％のときの誘電率の温度依存性を示す図であり、図７（ｂ）は、同位体酸素１８の置換重量３８％のときの誘電率の温度依存性を示す図である。
これらの図から明らかなように、図７（ａ）では量子常誘電性を示すが、図７（ｂ）では強誘電性を示している。
図７（ａ）における誘電率の温度依存性は、温度２．２Ｋで比誘電率は約２００００以上であり、極低温領域で誘電率が飽和する量子常誘電性を示していることが分る。
それに対して、チタン酸ストロンチウム単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３８％置換したときの、図７（ｂ）における誘電率の温度依存性は、２．２Ｋで比誘電率は１０００００を超え、強誘電性を示していることが分る。

図８は、チタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの感度Ｓの向上を説明する図である。
図８（ａ）は、同位体酸素１８の置換重量０％のときの感度Ｓを示す図であり、図８（ｂ）は、同位体酸素１８の置換重量３８％のときの感度Ｓを示す図である。
これらの図から明らかなように、図８（ａ）における同位体酸素１８の置換重量０％のときの感度Ｓは、２．２Ｋで３．１ｐＦ／Ｋであるのに対して、図３（ｂ）における同位体酸素１８の置換重量３８％のときの感度Ｓは５００ｐＦ／Ｋにもなり、感度が大幅に向上していることが分る。

図９は、チタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの絶対感度Ｓｄの向上を説明する図である。
図９（ａ）は、同位体酸素１８の置換重量０％のときの絶対感度Ｓｄを示す図であり、図９（ｂ）は、同位体酸素１８の置換重量３８％のときの絶対感度Ｓｄを示す図である。
これらの図から明らかなように、図９（ａ）における同位体酸素１８の置換重量０％のときの絶対感度Ｓｄは、２．２Ｋで０．００７であるのに対して、図９（ｂ）に示すように同位体酸素１８の置換重量３８％のときの絶対感度Ｓｄは０．０９５となり、約１０倍以上絶対感度が向上し、高精度で温度計測できることが分る。この結果、強誘電性を有するため、残留分極を呈するものの、極めて高感度のキャパシタンス温度センサが得られる。

なお、本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度センサを用いた温度測定装置の構成は、図５に示したものと同様であるので、説明を省略する。

本発明の第１の実施形態に係るキャパシタンス温度センサの作製工程を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るチタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの誘電率の置換効果を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係るチタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの感度Ｓの向上を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係るチタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの絶対感度Ｓｄの向上を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係るキャパシタンス温度センサを用いた温度測定装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るキャパシタンス温度センサの作製工程を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るチタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの誘電率の置換効果を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係るチタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの感度Ｓの向上を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係るチタン酸ストロンチウ単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときのキャパシタンス温度センサの絶対感度Ｓｄの向上を説明する図である。

符号の説明

１ 低温容器
２ キャパシタンス温度センサ
３ 低温プローブ
４ キャパシタンスを測定する測定器
５ 温度を測定する測定器

Claims (5)

1. 酸素１６のうち重量３０％以下を同位体酸素１８で置換したチタン酸ストロンチウ単結晶からなる誘電体を有する平行平板コンデンサのキャパシタンスを検出して温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度センサ。
2. 酸素１６のうち重量３５％以上５０％以下を同位体酸素１８で置換したチタン酸ストロンチウ単結晶からなる誘電体を有する平行平板コンデンサのキャパシタンスを検出して温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度センサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のキャパシタンス温度センサと、前記キャパシタンス温度センサのキャパシタンスを測定する測定器と、前記測定されたキャパシタンスから温度を求める測定器とからなることを特徴とする温度測定装置。
4. 前記キャパシタンス温度センサのキャパシタンスを測定する測定器が、キャパシタンスブリッジであることを特徴とする請求項３に記載の温度測定装置。
5. 温度を測定する場が磁場中であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の温度測定装置。