JP2017532534A

JP2017532534A - 温度測定デバイス、デバイスの製造方法及びデバイスに組み込まれた衝突点測定システム

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Publication number: JP2017532534A
Application number: JP2017507448A
Authority: JP
Inventors: フェルナンデス，ホセフランシスコリヴァドゥラ; ブイ，ティンコング
Original assignee: Universidade de Santiago de Compostela
Current assignee: Universidade de Santiago de Compostela
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2017-11-02
Also published as: EP3184981A1; WO2016026996A1; CN107076622A; EP3184981A4; ES2528865A1; KR20170045252A; US20170268936A1; ES2528865B2

Abstract

本発明は、温度測定デバイス、このデバイスを製造する方法、及びデバイスに組み込まれた衝突点を測定するためのシステムに関する。一局面によれば、本発明は、磁性金属材料からなる薄膜シートを含む温度測定デバイスに関し、使用時及び印加磁界の存在下において、シートの１つの領域における温度の変化が領域内に電圧を生成し、この生成される電圧は、この領域に対応する電圧読取器によって読み取り可能である。他の局面として、本発明は、デバイスを製造する方法に関する。更に他の局面として、本発明は、衝突点、放射線又は粒子を測定するためのデバイスに組み込まれたシステムに関する。【選択図】図１

Description

本発明は、温度測定デバイス及び温度測定デバイスの製造プロセスに関する。

現在、異なる物理現象に基づいて、温度測定を行うことができる多くのデバイスが知られている。これらのシステムの大部分は、周囲温度を測定することを目的としている。
米国特許出願番号ＵＳ２０１４／１０５２４２号には、温度及び湿度測定システムが開示されている。このシステムは、ナノ粒子（カーボンナノチューブ）と非導電性ポリマの層とからなる。
米国特許第４，６０３，３７２号には、導電性膜、複数の電極及びポリマ膜を含む集積回路が開示されている。このシステムは、環境の温度及び湿度を測定するために使用される。
これらの温度測定デバイスは、何れも複雑な構成（電極、ナノ粒子、導電性及び／又はポリマフィルム等）を有し、温度分解能が不十分であり、安定性及び分解能も低い。

一方、粒子及び／又は放射線の衝突点の位置を判定するためのシステムも知られている。
例えば、米国特許第４８９８４７１号は、特定のパターンを有する表面上の粒子検出システムを開示している。このシステムは、光ビームの適用と、表面によって反射された信号の測定に基づいている。
米国特許出願番号ＵＳ２０１２／２９３１９２号は、光子又は粒子がシステムに衝突する際の光子又は粒子によって生成される電荷の検出に基づく光子及び粒子検出システムを開示している。
「Mayer et.al. Nuclear Science Symposium, 1996. Conference Record., 1996 IEEE」は、放射線測定のためのミリメートル未満の分解能（sub-millimeter resolution）を有するシステムを開示しており、このシステムは、ＣｄＺｎＴｅ検出器を用いて、放射線の位置を判定する。

最後に、「Lameres et.al, IEEE SENSORS 2010 Conference」は、システム内の入射放射線によって生成された電荷の蓄積に基づいて、放射線が衝突する位置を示すことを可能にする放射線検出システムを開示している。
これらの及び従来技術で知られている他の検出システムは、通常、複雑な回路を必要とするため、高コストであり、障害に対する感受性が高く、更に、これらが提供できる分解能は、最良の場合でも、１０分の１程度までである。

したがって、上述の問題の少なくとも幾つかを解決する新しい温度測定デバイス及びこのような温度測定デバイスを製造する方法が要求されている。本発明の目的は、このような要求を満足させることである。

第１の局面によれば、この目的は、磁性金属材料の薄膜シートを含む温度測定デバイスを提供することにより達成され、このシートは、それぞれが電圧読取手段を含む複数の領域によって形成され、動作中及び印加磁界の存在下で、１つの領域における温度の変化が、その領域において電圧を生成し（すなわち、その領域内の電位の変化を引き起し）、この電圧は、領域に対応する電圧読取手段によって読み取ることができる。

これにより、単純で効率的な（すなわち、複雑な回路を必要としない）温度測定デバイスが実現される。更に、薄膜シートは、複数の領域に分割され、各領域が、その領域に温度変化が生じたときに、電圧測定値を取得するための読出手段を備えるので、局所的な僅かな温度変化を検出することができる。
一方、（温度が測定される表面に適合する）薄膜の特別な堆積は不要であり、任意のタイプの強磁性及び金属材料を使用することができる。

更に、このデバイスは、単純であり、従来の手法を用いて、低コストで製造することができる。本発明のデバイスの他の利点は、温度測定のための空間分解能が優れている点である。
シート内に複数の領域を得るために、シートは、後述するように、リソグラフィプロセス、マスク等によって分割する必要がある。
このデバイスの動作の技術的説明は、基本的に、以下の根拠に基づいている。
電子伝導体における基本的な電荷及び熱の輸送係数は、電流及び熱流がそれらの対応する共役的な力、すなわち電界Ｅ及び温度勾配∇Ｔに線形相関する一対の運動方程式によって記述することができる。電流Ｊ及び熱Ｕが相互作用できるという事実のために、対角以外の成分がオンサーガー−ケルビン（Onsager-Kelvin）相反定理によって相関する輸送行列が定義される。これはペルチェ係数を介してＵとＪとの間の関係を提供する熱電変換工学の基礎である。

アップ／ダウン磁気スピンモーメント（「スピン」という用語は、素粒子又は原子核の固有の回転モーメントとして理解される）を有する電子の状態密度及びフェルミ速度が異なるという磁気金属材料群の特性のために、反対のスピン方向に異なる導電率が生じる。スピン緩和時間がモーメントの緩和時間よりも大きい場合、輸送方程式において、スピン依存項を考慮に入れる必要がある。すなわち、オンサーガー相反定理に基づいて、スピンに依存するゼーベック係数とペルチェ係数が存在する。一方、磁気伝導体では、スピン−軌道相互作用によって、材料Ｍの温度勾配と磁化との間の角度Θの関数として、異方性熱電電圧が導入される。これらは、異方性磁気抵抗（anisotropic magnetoresistance：ＡＭＲ）及び平面ホール効果（planar Hall effect：ＰＨＥ）の熱的対応物（オンサーガー相反）である。平面ネルンスト効果（planar Nernst effect：ＰＮＥ）において、横方向電圧は、以下の式によって磁化Ｍ及び角度Θに関連付けられる。

ここで、Ｍ及び∇Ｔは、ｘ−ｙ平面内の成分を有する。但し、磁性金属材料において∇Ｔｚ≠０である場合、以下のように、異常ネルンスト効果（anomalous Nernst anomalous：ＡＮＥ）のために電位差Ｖ_ｘｙが生じる。

ここで、Ｓ_ｘｘは線形ゼーベック係数であり、ｍは磁化の単位ベクトルであり、ξはネルンストファクタである。したがって、磁場の存在下で、磁性金属材料の薄いシート上に平面ネルンスト効果及び異常ネルンスト効果が生じる。

ＡＮＥの式からわかるように、磁化に比例する温度差を有するシステムでは、この両方に直交する電圧が発生する（図２参照）。
したがって、領域内の電圧（すなわち、その領域で発生する温度変化に起因する電位変化）を測定することによって、温度変化が生じた位置（詳しくは、薄膜シートの領域）を判定することができる。
強磁性金属では、ゼーベック係数は、ケルビンあたりマイクロボルトの桁であり、ネルンスト係数は通常０．１〜０．５の範囲で変化するので、温度変化は、マイクロケルビンの精度となり、これによって、１マイクロボルトの数分の一の桁の電圧が発生し、これは対応する読取手段で読み取ることができる。

ここで、印加される磁界は、薄膜の平面に平行であるか、又は少なくともデバイスの配向に対して可能な限り平行であり、１９００Ａ／ｍより大きい値を有し得ることに留意することが重要である。
幾つかの例によれば、デバイスに含まれる薄膜シートは、１０ｎｍから１００ｎｍの範囲の厚さを有していてもよい。
一方、薄膜シートの磁性金属材料は、以下から選択できる。
・半金属磁性材料
・ペロブスカイト酸化物材料
・パーマロイ系合金
・Ｎｉ−Ｃｒ合金
・室温における金属強磁性元素

半金属磁性材料は、Ｌａ_２／３Ｓｒ_１／３ＭｎＯ_３、Ｌａ_２／３Ｃａ_１／３ＭｎＯ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４から選択でき、金属強磁性元素は、Ｆｅ及びＮｉから選択できる。
他の例によれば、電圧を読み取るための読取手段は、各領域において、金属材料の堆積物（例えば金属接点）を含むことができる。これらの堆積物は、シート内（詳しくは、電圧を発生させるこの温度変化が生じるシートの領域）の温度変化によってシート内に生じる電圧変化の測定を可能にし、すなわち、薄膜シート内の温度の局所的変化は、電圧を発生させ、この電圧は、これらの堆積物（これは、例えば、金属接点の形状を有することができる）において測定される。堆積物は、薄膜シート上に規則的なアレイを形成することができる。

したがって、これらの電圧の読取手段は、領域毎に、例えば、複数（少なくとも２つ）の金属接点の構成を有することができ、ここに導電性（例えば、銅製）ワイヤを接続することができ、このワイヤの他端を、例えば、ナノ電圧計又は同様のデバイスに接続して、領域内の電圧の変化を測定することができる。
幾つかの例によれば、堆積物は、プラチナ、金、パラジウム、銀、銅、アルミニウムから選択される材料から形成してもよい。更に、堆積物は、点状の堆積物（punctual depositions）であってもよく、同一の領域における堆積同士の間は、数ミクロンから数ミリメートルの範囲離れていてもよい。

他の例によれば、温度測定デバイスは、更に、磁性金属材料の薄膜シートが配置された基板を備えていてもよい。
更なる例として、粒子の衝突点を測定するためのシステムも提供され、このシステムは、上述のような温度測定デバイスと、運動エネルギを温度変化に変換するように構成された運動エネルギ吸収材料のシート（すなわち、この運動エネルギ吸収材料のシートは、温度測定デバイスにおいて局所的な温度変化を生じさせる）とを備えていてもよい。

基本的に、粒子が運動エネルギ吸収材料のシートに衝突すると、このシートは、このエネルギを温度変化に変換し、薄膜シートの対応する領域に電圧を発生させ、粒子が衝突する運動エネルギ吸収材料のシートの点に接触している対応する（領域内に存在する）電圧読取手段によって、粒子の衝突によって生成された電圧値を読み取る又は取得することができる。更に、薄膜シート上の粒子の衝突点（すなわち、粒子が衝突した薄膜シートの領域）は、ゼロではない電圧値を示し、薄膜シートの残りの領域は、ゼロの電圧値を示すため、この衝突点を判定することもできる。したがって、粒子がヒット又は衝突した位置を簡単かつ安価に判定できるシステムを実現することができる。
更なる例として、本発明は、上述のような温度測定デバイスと、放射線ビームのエネルギを熱に変換するように構成された放射線吸収材料のシートとによって放射ビームの衝突点を測定する方法を提供する（すなわち、この放射線吸収材料のシートは、温度測定デバイスにおいて局所的な温度変化を引き起こす）。

上述のシステムと同様に、放射線ビームが放射線吸収シート材料に衝突すると、シート材料は、このエネルギを温度変化（例えば熱）に変換し、放射線ビームが衝突した放射線吸収シート材料のシートの点に接触する薄膜シートの対応する領域に電圧を発生させる。対応する領域の電圧読取手段（領域に存在する電圧読取手段）を用いることにより、ビームの衝突によって生じる電圧値を判定することができる。更に、シート上のビームの衝突点（すなわち、ビームが衝突したシートの領域）は、ゼロではない電圧値を示し、他の領域は、ゼロの電圧値を示すため、この衝突点を判定することもできる。したがって、放射線ビームが衝突した位置を簡単かつ安価に判定できるシステムを実現することができる。
ここで、放射ビームは、例えば、レーザによって生成できる点が重要である。

本発明の他の局面である温度測定デバイスの製造プロセスは、
・前駆体カチオン及びポリマを含む水溶液を準備すること、
・堆積プロセスによって、水溶液を基板の上に堆積させること、
・基板を加熱処理すること、及び
・基板内に複数の金属堆積物（４）を形成することを含む。

幾つかの例によれば、堆積プロセスは、物理的真空堆積プロセスであってもよく、物理的真空堆積プロセスは、
・スピンコーティング、
・スパッタリング、
・原子層堆積、及び
・パルスレーザ（pulsed laserＰＬＤ）から選択してもよい。

更に、基板内に複数の金属堆積物を生成するステップは、
・基板上に金属を堆積させること
・基板にマスクを適用すること、及び
・リソグラフィプロセスを適用し、基板上に複数の点状の金属堆積物を形成することを含む。

金属ポイント堆積物は、上述したように、金属接点であってもよい。
水溶液中に含まれる前駆体カチオンは、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉから選択してもよく、その濃度はミリモルの範囲であってもよい。
一方、ポリマは、水溶性ＰＥＩ（ポリエチレンイミン）又はキトサンポリマから選択してもよく、その濃度はミリモルの範囲であってもよい。

幾つかの例によれば、水溶液が堆積される基板は、磁性金属材料であってもよく、これは、以下のものから選択してもよい。
・半金属磁性材料
・ペロブスカイト酸化物材料
・パーマロイ型合金
・Ｎｉ−Ｃｒ合金
・室温での金属強磁性元素

磁性半金属材料は、Ｌａ_２／３Ｓｒ_１／３ＭｎＯ_３、Ｌａ_２／３Ｃａ_１／３ＭｎＯ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４から選択でき、強磁性金属元素はＦｅ、Ｎｉから選択できる。
更なる例によれば、基板を加熱処理するステップは、基板を、６００℃〜９００℃の範囲の温度に設定して加熱処理することを含む。
更なる例として、堆積物は、プラチナ、金、パラジウム、銀、銅、アルミニウムから選択される材料から形成してもよい。

本発明の実施形態の他の利点及び特徴は、以下の説明から当業者に明らかになり、又は本発明の実施によって知ることができる。
非限定的な例として、添付の図面を参照して、本発明の特定の実施形態を説明する。

本開示に基づく温度測定デバイスの例を示す図である。温度勾配によって発生する電圧差∇Ｖ_ｘｙの変化を磁界Ｈの大きさの関数として示すグラフ図である。印加磁界Ｈを変化させることによる温度勾配によって発生する電圧Ｖの変化を示すグラフ図である。

図１に示すように、幾つかの例によれば、温度測定デバイス１は、磁性金属材料の薄膜シート２を含むことができる。この薄膜シート２は、複数の領域３から構成してもよく、各領域内に電圧読取手段４を含む。したがって、デバイス１が動作しているとき、印加された磁界の存在下では、領域３の１つの温度の変化が電圧を発生させ（すなわち、領域内の電位の変化を引き起こし）、この電圧は、対応する領域の電圧読取手段によって読取可能である。

薄膜シート２は、以下から選択できる。
・半金属磁性材料
・ペロブスカイト酸化物材料
・パーマロイ系合金
・Ｎｉ−Ｃｒ合金
・室温における金属強磁性元素

磁性半金属材料は、Ｌａ_２／３Ｓｒ_１／３ＭｎＯ_３、Ｌａ_２／３Ｃａ_１／３ＭｎＯ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４から選択でき、強磁性金属元素はＦｅ、Ｎｉから選択できる。
また、シート２の厚さは、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であってもよい。

幾つかの例では、印加される磁界は、デバイスの向きに平行であり、１９００Ａ／ｍより大きい値を有することができる。
対応する領域の電圧読取手段４は、複数（例えば２つ）の電気接点の構成を有してもよく、これらのそれぞれを導電性（例えば、銅製）ワイヤの端部に接続してもよい。ワイヤの他端は、領域における電圧変化を測定するために、ナノ電圧計（図示せず）等に接続してもよい。

更に、図１は、放射ビーム又は粒子の衝突点を判定するためのシステムの一部を構成する際の温度測定デバイス１の動作を基本的に示しており、ここに導入されているシート５は、粒子の運動エネルギを温度変化に変換し（この場合、これは、運動エネルギ吸収材料のシートであってもよい）又は放射線ビームのエネルギを熱に変換し（この場合、これは、放射線吸収材料のシートであってもよい）、温度勾配又は温度変化６を発生させる。磁界７の存在下でのこの温度勾配６は、電圧８を発生させ、この電圧は、測定され、これによって、放射線又は粒子の衝突点を判定することができる。

幾つかの例では、面寸法５ｍｍ×５ｍｍ、厚さ３５ｎｍの強磁性金属酸化物Ｌａ_２／３Ｓｒ_１／３ＭｎＯ_３（ＬＳＭＯ）の層が堆積される。この層は、パルスレーザ堆積（pulsed laser deposition：ＰＬＤ）によって厚さ０．５ｍｍの単結晶ＳｒＴｉＯ_３（ＳＴＯ）基板上に堆積される。
ＬＳＭＯ膜の一端には、長さ４ｍｍ、幅１００μｍ、厚さ１０ｎｍのＰｔラインが蒸着により堆積される。温度勾配の発生に応じて発生した電圧を判定又は測定するために、プラチナラインの端部は、上述のように、銅線によってナノ電圧計に接続され、これによって、電圧変化を測定する。

最上部にＬＳＭＯ層を有するＳＴＯは、内部にセラミック電気抵抗を有する銅ブロック上に配置され、これは温度を変化させることによって、ＬＳＭＯ膜の底面と上面との間に温度勾配を発生させるために使用される。更に、制御されない温度勾配が生じると、測定を劣化させる寄生勾配（parasitic gradient）が発生するおそれがあり、これを回避するために、このシステムに１０−５Ｔｏｒｒの基準圧力を印加する。

そして、銅ブロック内の抵抗に電流を流し、ベースの温度を上昇させ、ＬＳＭＯ膜に亘って温度勾配を発生させる。非常に僅か（数ｍＷ）であっても、電力が散逸すると、銅ベースに積層されたＧａＡｓダイオードは、温度の変化を検出することができない。しかしながら、図３から分かるように、磁界走査を行うことによって、異常ネルンスト効果（Nernst Anomalous Effect：ＡＮＥ）のために、プラチナストリップの端部間に横方向電圧が出現する。この電圧は、ＡＮＥの式に基づいて予想されるように、磁界を変化させると、符合が変化する。ＬＳＭＯシステムが飽和磁化に達すると、電圧は磁界と共に安定する。更に、この電圧はＬＳＭＯ層に亘る温度勾配と共に直線的に上昇する。ここに示す例では、推定される温度変化は、３５ｎｍのＬＳＭＯ層の上面及び底面の間で２マイクロケルビンである。

ここでは、幾つか特定の実施形態及び実施例のみを説明したが、他の代替の実施形態及び／又は使用が可能であること、並びに自明な変形及び等価の要素は、当業者にとって明らかである。更に、本開示は、記載された特定の実施形態の全ての可能な組み合わせを包含する。特許請求の範囲に括弧書きで示す図面に関連する符合は、特許請求の範囲の理解を補助するためのものであり、特許請求の範囲を限定するものとは解釈されない。本開示の範囲は、特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲を適切に読み取ることによってのみ判定される。

Claims

温度測定デバイス（１）であって、
複数の領域（３）によって構成され、前記領域内に、金属材料堆積物を含む電圧読取手段（４）をそれぞれ備える磁気金属薄膜シート（２）を備え、
動作時及び印加磁界（７）の存在下において、前記領域の１つにおける温度変化（６）が該領域に電圧（８）を発生させ、該電圧は、該領域に対応する前記電圧読取手段（４）によって読取可能であることを特徴とするデバイス。
前記シート（２）は、１０ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
前記シート（２）の磁気金属材料は、
半金属磁性材料、
ペロブスカイト酸化物材料、
パーマロイ系合金、
Ｎｉ−Ｃｒ合金、及び
室温における金属強磁性元素
から選択されることを特徴とする請求項１又は２記載のデバイス。
前記半金属磁性材料は、Ｌａ_２／３Ｓｒ_１／３ＭｎＯ_３、Ｌａ_２／３Ｃａ_１／３ＭｎＯ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４から選択されることを特徴とする請求項３記載のデバイス。
前記金属強磁性元素は、Ｆｅ及びＮｉから選択されることを特徴とする請求項３記載のデバイス。
前記堆積物（４）は、プラチナ、金、パラジウム、銀、銅、アルミニウムから選択される材料から形成されていることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
前記堆積物（４）は、点状の堆積物であることを特徴とする請求項１又は６記載のデバイス。
同一の前記領域の堆積物間の分離が数ミクロンから数ミリメートルの範囲であることを特徴とする請求項６又は７記載のデバイス。
前記磁気金属薄膜シート（２）が配置される基板を更に備えることを特徴とする請求項１乃至８何れか１項記載のデバイス。
粒子の衝突点を測定するためのシステムであって、
請求項１乃至９何れか１項記載の温度測定デバイス（１）と、
運動エネルギを温度変化に変換するように構成された運動エネルギ吸収材料で形成されたシート（５）とを備えることを特徴とするシステム。
放射線ビームの衝突点を測定するためのシステムであって、
請求項１乃至９何れか１項記載の温度測定デバイス（１）と、
前記放射線ビームのエネルギを熱に変換するように構成された放射線吸収材料で形成されたシート（５）とを備えることを特徴とするシステム。
温度測定デバイス（１）の製造プロセスであって、
前駆体カチオン及びポリマを含む水溶液を準備することと、
堆積プロセスによって、前記水溶液を基板の上に堆積させることと、
前記基板を加熱処理することと、
前記基板内に複数の金属堆積物（４）を形成することとを含むことを特徴とするプロセス。
前記堆積プロセスは、物理的真空蒸着プロセスであることを特徴とする請求項１２記載のプロセス。
前記物理的真空蒸着プロセスは、
スピンコーティング、
スパッタリング、
原子層堆積、及び
パルスレーザ（ＰＬＤ）
から選択されることを特徴とする請求項１３記載のプロセス。
前記基板内に複数の金属堆積物（４）を生成することは、
前記基板上に金属を堆積させること、
前記基板にマスクを適用すること、及び
リソグラフィプロセスを適用して前記基板上に複数の点状の金属堆積物を形成すること
を含むことを特徴とする請求項１２乃至１４何れか１項記載のプロセス。
前記前駆体カチオンはＬａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉから選択されることを特徴とする請求項１２乃至１５何れか１項記載のプロセス。
前記ポリマは、ＰＥＩ（ポリエチレンイミン）水溶性ポリマ及びキトサンから選択されることを特徴とする請求項１２乃至１６何れか１項記載のプロセス。
前記カチオンの濃度は、ミリモル範囲であることを特徴とする請求項１２乃至１７何れか１項記載のプロセス。
前記ポリマの濃度は、ミリモル範囲であることを特徴とする請求項１２乃至１８何れか１項記載のプロセス。
前記基板は、磁気金属材料から形成されていることを特徴とする請求項１２乃至１９何れか１項記載のプロセス。
前記磁気金属材料は、
半金属磁性材料、
ペロブスカイト酸化物材料、
パーマロイ系合金、
Ｎｉ−Ｃｒ合金、及び
室温における金属強磁性元素
から選択されることを特徴とする請求項２０記載のプロセス。
前記半金属磁性材料は、Ｌａ_２／３Ｓｒ_１／３ＭｎＯ_３、Ｌａ_２／３Ｃａ_１／３ＭｎＯ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４から選択されることを特徴とする請求項２１記載のプロセス。
前記金属強磁性元素は、Ｆｅ及びＮｉから選択されることを特徴とする請求項２１記載のプロセス。
前記基板を加熱処理することは、前記基板を６００℃乃至９００℃の範囲に設定された温度で加熱処理することを含むことを特徴とする請求項１２乃至２３何れか１項記載のプロセス。
前記堆積物（４）は、プラチナ、金、パラジウム、銀、銅、アルミニウムから選択される材料から形成されていることを特徴とする請求項１２乃至２４何れか１項記載のプロセス。