JP2730662B2 - 温度測定素子及び温度測定方法 - Google Patents
温度測定素子及び温度測定方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱電変換性能の高い新規
な材料を用いた温度測定素子及び温度測定方法に関す
る。
な材料を用いた温度測定素子及び温度測定方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】熱電効果の研究の歴史は非常に長く、ま
た、熱電効果を応用した発電、冷却は、大きな経済的・
社会的効果が期待されたにもかかわらず、１９５０年代
のＢｉ 2 Ｔｅ3 系半導体熱電材料の開発以来、著しい発
展をみせていない。これは熱電変換性能指数の向上が頭
打ちになっていることに起因しており、熱電変換性能が
高い新たな材料の出現が望まれいた。また、熱電効果を
利用した温度測定素子の場合も同様であって、熱電変換
性能が高く、温度測定精度が優れた新たな熱電材料の出
現が望まれていた。
た、熱電効果を応用した発電、冷却は、大きな経済的・
社会的効果が期待されたにもかかわらず、１９５０年代
のＢｉ 2 Ｔｅ3 系半導体熱電材料の開発以来、著しい発
展をみせていない。これは熱電変換性能指数の向上が頭
打ちになっていることに起因しており、熱電変換性能が
高い新たな材料の出現が望まれいた。また、熱電効果を
利用した温度測定素子の場合も同様であって、熱電変換
性能が高く、温度測定精度が優れた新たな熱電材料の出
現が望まれていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、熱電
変換性能の高い新規な材料を用いた温度測定素子及び温
度測定方法を提供することにある。
変換性能の高い新規な材料を用いた温度測定素子及び温
度測定方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的は、シリコン基
板と、前記シリコン基板上に形成され、Ｂｉ薄層とＳｂ
薄層を交互に積層したＢｉ／Ｓｂ超格子層とを有し、前
記Ｂｉ／Ｓｂ超格子層上の異なる部位間に発生する熱起
電力に基づいて温度を測定することを特徴とする温度測
定素子によって達成される。
板と、前記シリコン基板上に形成され、Ｂｉ薄層とＳｂ
薄層を交互に積層したＢｉ／Ｓｂ超格子層とを有し、前
記Ｂｉ／Ｓｂ超格子層上の異なる部位間に発生する熱起
電力に基づいて温度を測定することを特徴とする温度測
定素子によって達成される。
【０００５】また、上記温度測定素子は、約−８９℃か
ら約＋７７℃の範囲の温度を測定することが望ましい。
また、上記目的は、シリコン基板と、前記シリコン基板
上に形成され、Ｂｉ薄層とＳｂ薄層を交互に積層したＢ
ｉ／Ｓｂ超格子層とを有する温度測定素子を用い、前記
Ｂｉ／Ｓｂ超格子層の第１の部位を基準温度とし、前記
第１の部位と異なる第２の部位を測定部位とし、前記第
１の部位と前記第２の部位の間の熱起電力を測定するこ
とにより、約−８９℃から約＋７７℃の範囲の温度を測
定することを特徴とする温度測定方法によって達成され
る。
ら約＋７７℃の範囲の温度を測定することが望ましい。
また、上記目的は、シリコン基板と、前記シリコン基板
上に形成され、Ｂｉ薄層とＳｂ薄層を交互に積層したＢ
ｉ／Ｓｂ超格子層とを有する温度測定素子を用い、前記
Ｂｉ／Ｓｂ超格子層の第１の部位を基準温度とし、前記
第１の部位と異なる第２の部位を測定部位とし、前記第
１の部位と前記第２の部位の間の熱起電力を測定するこ
とにより、約−８９℃から約＋７７℃の範囲の温度を測
定することを特徴とする温度測定方法によって達成され
る。
【０００６】
【作用】本発明によれば、シリコン基板上にＢｉ／Ｓｂ
超格子層を形成した熱電変換性能の高い新規な熱電材料
を用い、Ｂｉ／Ｓｂ超格子層の異なる部位間に発生する
熱起電力に基づいて温度を測定するようにしたので、温
度測定精度に優れた温度測定を実現することができる。
超格子層を形成した熱電変換性能の高い新規な熱電材料
を用い、Ｂｉ／Ｓｂ超格子層の異なる部位間に発生する
熱起電力に基づいて温度を測定するようにしたので、温
度測定精度に優れた温度測定を実現することができる。
【０００７】
【実施例】本願発明者等は、従来の熱電材料の熱電変換
性能指数が頭打ちになっている現状を打開するものとし
て、従来のバルク材料の代わりに、超格子材料について
着目した。単結晶基板上に、バルク材料として用いられ
ている熱電材料の構成元素の薄層を交互に積層して超格
子層を形成し、その超格子層について熱電変換性能を測
定した。その結果、バルク材料の場合に比べて異常に大
きい熱電変換性能を有する単結晶基板と超格子材料の組
み合わせを見出だし、それを温度測定に用いることに思
い至った。
性能指数が頭打ちになっている現状を打開するものとし
て、従来のバルク材料の代わりに、超格子材料について
着目した。単結晶基板上に、バルク材料として用いられ
ている熱電材料の構成元素の薄層を交互に積層して超格
子層を形成し、その超格子層について熱電変換性能を測
定した。その結果、バルク材料の場合に比べて異常に大
きい熱電変換性能を有する単結晶基板と超格子材料の組
み合わせを見出だし、それを温度測定に用いることに思
い至った。
【０００８】本願発明者等は、単結晶基板としてシリコ
ン（Ｓｉ）基板、弗化バリウム（ＢａＦ2 ）基板を用
い、熱電材料としてビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓ
ｂ）を用い、分子線セルＭＢＥ法により試料を製造し
た。表面が（１１１）面のＳｉ基板と、劈開面が（１１
１）面のＢａＦ2 基板に、Ｂｉ薄層とＳｂ薄層を交互に
積層したＢｉ／Ｓｂ超格子層、Ｂｉバルク単層、Ｂｉと
１２％ＳｂのＢｉ・１２％Ｓｂ合金層を形成し、それぞ
れの試料に対して熱電能の温度依存性を測定した。
ン（Ｓｉ）基板、弗化バリウム（ＢａＦ2 ）基板を用
い、熱電材料としてビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓ
ｂ）を用い、分子線セルＭＢＥ法により試料を製造し
た。表面が（１１１）面のＳｉ基板と、劈開面が（１１
１）面のＢａＦ2 基板に、Ｂｉ薄層とＳｂ薄層を交互に
積層したＢｉ／Ｓｂ超格子層、Ｂｉバルク単層、Ｂｉと
１２％ＳｂのＢｉ・１２％Ｓｂ合金層を形成し、それぞ
れの試料に対して熱電能の温度依存性を測定した。
【０００９】製造した試料は次の通りである。 ［実施例１］ Ｓｉ基板上に、５．２ｎｍ厚のＢｉ薄層
と０．８ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計２０層積層
し、１２０ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した。 ［実施例２］ Ｓｉ基板上に、５．２ｎｍ厚のＢｉ薄層
と１．６ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計２０層積層
し、１３６ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した。 ［実施例３］ Ｓｉ基板上に、２．６ｎｍ厚のＢｉ薄層
と０．４ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計４０層積層
し、１２０ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した。 ［比較例１］ ＢａＦ2 基板上に、１０．３ｎｍ厚のＢ
ｉ薄層と６．０ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計３０層
積層し、４９０ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成し
た。 ［比較例２］ ＢａＦ2 基板上に、２３ｎｍ厚のＢｉ薄
層と６ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計３０層積層し、
８７０ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した。 ［比較例３］ ＢａＦ2 基板上に、２３ｎｍ厚のＢｉ薄
層と６ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計３０層積層し、
８７０ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した。 ［比較例４］ ＢａＦ2 基板上に、３６０ｎｍ厚のＢｉ
バルク層を形成した。 ［比較例５］ Ｓｉ基板上に、３６０ｎｍ厚のＢｉバル
ク層を形成した。 ［比較例６］ Ｓｉ基板上に、７４ｎｍ厚のＢｉ・１２
％Ｓｂ合金層を形成した。
と０．８ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計２０層積層
し、１２０ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した。 ［実施例２］ Ｓｉ基板上に、５．２ｎｍ厚のＢｉ薄層
と１．６ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計２０層積層
し、１３６ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した。 ［実施例３］ Ｓｉ基板上に、２．６ｎｍ厚のＢｉ薄層
と０．４ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計４０層積層
し、１２０ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した。 ［比較例１］ ＢａＦ2 基板上に、１０．３ｎｍ厚のＢ
ｉ薄層と６．０ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計３０層
積層し、４９０ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成し
た。 ［比較例２］ ＢａＦ2 基板上に、２３ｎｍ厚のＢｉ薄
層と６ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計３０層積層し、
８７０ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した。 ［比較例３］ ＢａＦ2 基板上に、２３ｎｍ厚のＢｉ薄
層と６ｎｍ厚のＳｂ薄層とを交互に合計３０層積層し、
８７０ｎｍ厚のＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した。 ［比較例４］ ＢａＦ2 基板上に、３６０ｎｍ厚のＢｉ
バルク層を形成した。 ［比較例５］ Ｓｉ基板上に、３６０ｎｍ厚のＢｉバル
ク層を形成した。 ［比較例６］ Ｓｉ基板上に、７４ｎｍ厚のＢｉ・１２
％Ｓｂ合金層を形成した。
【００１０】本願発明者等は、これら試料に対して熱電
変換性能を測定した。本願発明者等が行った測定方法に
ついて図１を用いて説明する。液体窒素を入れた容器１
０内に試料台１２が設けられている。試料台１２下部に
は試料加熱用のヒータ１４が設けられ、試料台１２上の
試料の右端部を基板下から加熱する。試料の上面の左部
位と右部位の温度を測定するために熱電対１８、２０が
それぞれ設けられている。試料の上面の左部位と右部位
間に、熱起電力を測定するための電圧計２２を設ける。
変換性能を測定した。本願発明者等が行った測定方法に
ついて図１を用いて説明する。液体窒素を入れた容器１
０内に試料台１２が設けられている。試料台１２下部に
は試料加熱用のヒータ１４が設けられ、試料台１２上の
試料の右端部を基板下から加熱する。試料の上面の左部
位と右部位の温度を測定するために熱電対１８、２０が
それぞれ設けられている。試料の上面の左部位と右部位
間に、熱起電力を測定するための電圧計２２を設ける。
【００１１】測定すべき試料を試料台１２上に載置す
る。試料の左部位と右部位に熱電対１８、２０をセット
すると共に、電圧計２２の測定端子をセットする。ヒー
タ１４により試料の右部位を加熱し、そのときの熱起電
力を電圧計２２により測定する。試料の左部位の温度を
Ｔ１［°Ｋ］、右部位の温度をＴ２［°Ｋ］とし、試料
に温度差ΔＴ［°Ｋ］＝Ｔ２−Ｔ１が与えられたとし
て、そのときの熱起電力をΔＶ［μＶ］とすると、ゼー
ベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）係数αは次式 α＝ΔＶ／ΔＴ［μＶ／°Ｋ］ のようになる。実施例１乃至３及び比較例１及び比較例
３乃至６のそれぞれに対してヒータによる加熱温度を変
更して熱起電力を測定した。図２乃至図４にその測定結
果を示す。図２乃至図４の横軸は、左部位の温度Ｔ１
［°Ｋ］と右部位の温度Ｔ２［°Ｋ］の算術平均の温度
（（Ｔ１＋Ｔ２）／２［°Ｋ］）であり、縦軸は、ゼー
ベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）係数α［μＶ／°Ｋ］であ
る。
る。試料の左部位と右部位に熱電対１８、２０をセット
すると共に、電圧計２２の測定端子をセットする。ヒー
タ１４により試料の右部位を加熱し、そのときの熱起電
力を電圧計２２により測定する。試料の左部位の温度を
Ｔ１［°Ｋ］、右部位の温度をＴ２［°Ｋ］とし、試料
に温度差ΔＴ［°Ｋ］＝Ｔ２−Ｔ１が与えられたとし
て、そのときの熱起電力をΔＶ［μＶ］とすると、ゼー
ベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）係数αは次式 α＝ΔＶ／ΔＴ［μＶ／°Ｋ］ のようになる。実施例１乃至３及び比較例１及び比較例
３乃至６のそれぞれに対してヒータによる加熱温度を変
更して熱起電力を測定した。図２乃至図４にその測定結
果を示す。図２乃至図４の横軸は、左部位の温度Ｔ１
［°Ｋ］と右部位の温度Ｔ２［°Ｋ］の算術平均の温度
（（Ｔ１＋Ｔ２）／２［°Ｋ］）であり、縦軸は、ゼー
ベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）係数α［μＶ／°Ｋ］であ
る。
【００１２】図２に実施例１、実施例２、実施例３、比
較例１、比較例３の測定結果を示し、図３に比較例４、
比較例５の測定結果を示し、図４に比較例６の測定結果
を示す。図２乃至図４からわかるように、Ｓｉ基板上に
Ｂｉ／Ｓｂ超格子層を形成した実施例のゼーベック係数
が、比較例と比較して、液体窒素温度から室温に向かっ
て急激に増大していることがわかった。特に、Ｓｉ基板
に形成したＢｉ／Ｓｂ超格子層の積層数の多い実施例３
の熱電変換性能は非常に高くなることがわかった。
較例１、比較例３の測定結果を示し、図３に比較例４、
比較例５の測定結果を示し、図４に比較例６の測定結果
を示す。図２乃至図４からわかるように、Ｓｉ基板上に
Ｂｉ／Ｓｂ超格子層を形成した実施例のゼーベック係数
が、比較例と比較して、液体窒素温度から室温に向かっ
て急激に増大していることがわかった。特に、Ｓｉ基板
に形成したＢｉ／Ｓｂ超格子層の積層数の多い実施例３
の熱電変換性能は非常に高くなることがわかった。
【００１３】これに対して、Ｂｉ／Ｓｂ超格子層をＢａ
Ｆ2 基板上に形成した比較例１及び３は、図２に示すよ
うに、液体窒素温度から室温にわたってゼーベック係数
が極めて小さい。これは、ｐ型層（Ｓｂ薄層）とｎ型層
（Ｂｉ薄層）が互いにキャンセルしていることに起因し
ているようである。また、ＢａＦ2 基板上にＢｉバルク
層を形成した比較例４及びＳｉ基板上にＢｉバルク層を
形成した比較例５は、図３に示すように、液体窒素温度
から室温にわたってゼーベック係数がほぼ一定の値とな
り、Ｂｉのバルク材に近い測定結果となった。
Ｆ2 基板上に形成した比較例１及び３は、図２に示すよ
うに、液体窒素温度から室温にわたってゼーベック係数
が極めて小さい。これは、ｐ型層（Ｓｂ薄層）とｎ型層
（Ｂｉ薄層）が互いにキャンセルしていることに起因し
ているようである。また、ＢａＦ2 基板上にＢｉバルク
層を形成した比較例４及びＳｉ基板上にＢｉバルク層を
形成した比較例５は、図３に示すように、液体窒素温度
から室温にわたってゼーベック係数がほぼ一定の値とな
り、Ｂｉのバルク材に近い測定結果となった。
【００１４】また、Ｓｉ基板上にＢｉ・１２％Ｓｂ合金
層を形成した比較例６は、図４に示すように、液体窒素
温度から室温にわたってゼーベック係数がほぼ一定の値
となり、Ｂｉ・１２％Ｓｂ合金のバルク材に近い測定結
果となった。測定の上限温度を室温までに止めて反復す
る限り、上述した測定結果は再現されたが、測定の上限
温度を４００°Ｋ程度まで広げると測定の再現性がはか
れなくなった。
層を形成した比較例６は、図４に示すように、液体窒素
温度から室温にわたってゼーベック係数がほぼ一定の値
となり、Ｂｉ・１２％Ｓｂ合金のバルク材に近い測定結
果となった。測定の上限温度を室温までに止めて反復す
る限り、上述した測定結果は再現されたが、測定の上限
温度を４００°Ｋ程度まで広げると測定の再現性がはか
れなくなった。
【００１５】特に、ゼーベック係数の大きい実施例１乃
至３の場合には、測定の上限温度を４００°Ｋ程度まで
広げると、大きなゼーベック係数が得られるものの、測
定を反復するにつれてゼーベック係数が低くなった。図
５は、ゼーベック係数が最も大きい実施例３の試料に対
して、測定の上限温度を４００°Ｋ程度まで広げて反復
した場合のゼーベック係数の測定結果である。Ａ（第１
回目）は最初に室温まで昇温した場合の測定結果であ
り、Ｂ（第２回目）、Ｃ（第３回目）、Ｄ（第４回目）
は４００°Ｋまで反復昇温した場合の測定結果である。
第２回目（曲線Ｂ）では３５０°Ｋにゼーベック係数の
大きなピーク（−４００μＶ／°Ｋ）が表れたが、第３
回目（曲線Ｃ）、第４回目（曲線Ｄ）と反復回数が多く
なるにつれてピーク値が低下し、ついには消失した。
至３の場合には、測定の上限温度を４００°Ｋ程度まで
広げると、大きなゼーベック係数が得られるものの、測
定を反復するにつれてゼーベック係数が低くなった。図
５は、ゼーベック係数が最も大きい実施例３の試料に対
して、測定の上限温度を４００°Ｋ程度まで広げて反復
した場合のゼーベック係数の測定結果である。Ａ（第１
回目）は最初に室温まで昇温した場合の測定結果であ
り、Ｂ（第２回目）、Ｃ（第３回目）、Ｄ（第４回目）
は４００°Ｋまで反復昇温した場合の測定結果である。
第２回目（曲線Ｂ）では３５０°Ｋにゼーベック係数の
大きなピーク（−４００μＶ／°Ｋ）が表れたが、第３
回目（曲線Ｃ）、第４回目（曲線Ｄ）と反復回数が多く
なるにつれてピーク値が低下し、ついには消失した。
【００１６】次に、試料の電気抵抗の温度依存性につい
て測定した。実施例１乃至３の電気抵抗の温度依存性は
いずれも半導体的傾向を示した。実施例３の電気抵抗の
温度依存性を図６に示す。横軸は測定温度Ｔ［°Ｋ］で
あり、縦軸は電気抵抗の抵抗値（任意単位）である。Ａ
（第１回目）が成膜したままの抵抗値の測定結果であ
り、Ｂ（第２回目）、Ｃ（第３回目）は４００°Ｋまで
反復昇温した後の抵抗値の測定結果である。なお、曲線
Ａ、Ｂ、Ｃを見易くするために、縦軸の抵抗値を任意単
位とし、上下にずらして記載している。
て測定した。実施例１乃至３の電気抵抗の温度依存性は
いずれも半導体的傾向を示した。実施例３の電気抵抗の
温度依存性を図６に示す。横軸は測定温度Ｔ［°Ｋ］で
あり、縦軸は電気抵抗の抵抗値（任意単位）である。Ａ
（第１回目）が成膜したままの抵抗値の測定結果であ
り、Ｂ（第２回目）、Ｃ（第３回目）は４００°Ｋまで
反復昇温した後の抵抗値の測定結果である。なお、曲線
Ａ、Ｂ、Ｃを見易くするために、縦軸の抵抗値を任意単
位とし、上下にずらして記載している。
【００１７】図６から明らかなように、電気抵抗の温度
依存性にも４００°Ｋまでの加熱処理の効果があらわれ
ている。成膜したままの曲線Ａは、バンドギャップＥｇ
＝４１ｍｅＶを与える典型的な曲線形状であるのに対
し、４００°Ｋに昇温した後の曲線Ｂ、曲線Ｃは、図６
から明らかなように、３段に折れ曲がった曲線となる。
曲線Ｂ（第２回目）のバンドギャップＥｇは４２．６９
ｍｅＶ、曲線Ｃ（第３回目）のバンドギャップＥｇは３
２．６６ｍｅＶとなる。
依存性にも４００°Ｋまでの加熱処理の効果があらわれ
ている。成膜したままの曲線Ａは、バンドギャップＥｇ
＝４１ｍｅＶを与える典型的な曲線形状であるのに対
し、４００°Ｋに昇温した後の曲線Ｂ、曲線Ｃは、図６
から明らかなように、３段に折れ曲がった曲線となる。
曲線Ｂ（第２回目）のバンドギャップＥｇは４２．６９
ｍｅＶ、曲線Ｃ（第３回目）のバンドギャップＥｇは３
２．６６ｍｅＶとなる。
【００１８】本願発明者等は、上述した測定結果から次
のように考察した。Ｂｉは伝導体と価電子帯とが僅かに
（約２０ｍｅＶ）重畳する半金属であるが、薄膜の電気
抵抗は半導体的振る舞いをすることが知られている。そ
の理由については、実際にバンドの重量が解けるとする
考えと、散乱の自由行程が膜厚によって制限されるため
に過ぎないというとする考えがある。上述した測定結果
は前者の実際にバンドの重量が解けるとする考えを支持
するように思われる。Ｂｉ／Ｓｂ超格子層のＢｉ薄層と
Ｓｂ薄層間の界面が異常熱電能に重要な役割を果たし、
４００°Ｋ加熱での相互拡散による構造変化が熱電能・
電気抵抗変化を起こした可能性を示唆している。基板材
料の相違による差が、成膜条件の差として効くのか、ま
たは基板自体が何らかの効果を持つのかは明らかではな
いが、応用の可能性の観点からも重要な課題である。
のように考察した。Ｂｉは伝導体と価電子帯とが僅かに
（約２０ｍｅＶ）重畳する半金属であるが、薄膜の電気
抵抗は半導体的振る舞いをすることが知られている。そ
の理由については、実際にバンドの重量が解けるとする
考えと、散乱の自由行程が膜厚によって制限されるため
に過ぎないというとする考えがある。上述した測定結果
は前者の実際にバンドの重量が解けるとする考えを支持
するように思われる。Ｂｉ／Ｓｂ超格子層のＢｉ薄層と
Ｓｂ薄層間の界面が異常熱電能に重要な役割を果たし、
４００°Ｋ加熱での相互拡散による構造変化が熱電能・
電気抵抗変化を起こした可能性を示唆している。基板材
料の相違による差が、成膜条件の差として効くのか、ま
たは基板自体が何らかの効果を持つのかは明らかではな
いが、応用の可能性の観点からも重要な課題である。
【００１９】次に、上述した実施例１乃至３の試料を実
際に温度測定素子として応用することを考え、本発明の
温度測定素子の温度測定範囲について考察する。温度測
定範囲の下限の温度は、温度測定素子として実用的なゼ
ーベック係数が得られる温度である。実用的なゼーベッ
ク係数は約４０［μＶ／°Ｋ］であるから、図２のグラ
フから、本発明の温度測定素子の温度測定範囲の下限温
度は約１８４°Ｋ程度となる。
際に温度測定素子として応用することを考え、本発明の
温度測定素子の温度測定範囲について考察する。温度測
定範囲の下限の温度は、温度測定素子として実用的なゼ
ーベック係数が得られる温度である。実用的なゼーベッ
ク係数は約４０［μＶ／°Ｋ］であるから、図２のグラ
フから、本発明の温度測定素子の温度測定範囲の下限温
度は約１８４°Ｋ程度となる。
【００２０】温度測定範囲の上限の温度は、反復昇温し
てもゼーベック係数が低下して劣化することがない最も
高い温度である。図５のグラフから、本発明の温度測定
素子の温度測定範囲の上限温度は約３５０°Ｋ程度とな
る。したがって、本発明の温度測定素子の測定範囲は約
１８４°Ｋから約３５０°Ｋの範囲の温度となる。
てもゼーベック係数が低下して劣化することがない最も
高い温度である。図５のグラフから、本発明の温度測定
素子の温度測定範囲の上限温度は約３５０°Ｋ程度とな
る。したがって、本発明の温度測定素子の測定範囲は約
１８４°Ｋから約３５０°Ｋの範囲の温度となる。
【００２１】次に、本発明の温度測定素子で温度測定す
るためには、シリコン基板上に形成されたＢｉ／Ｓｂ超
格子層の異なる部位に温度差が生ずるような構成にする
必要がある。本発明の温度測定素子の具体例を図７及び
図８に示す。第１の具体例は、図７に示すように、Ｓｉ
基板３０上にＢｉ／Ｓｂ超格子層３２が形成された温度
測定素子チップ３４が外囲器３６内に載置されている。
外囲器３６下部には熱起電力を測定するための外部端子
３８、４０が設けられている。これら外部端子３８、４
０と、温度測定素子チップ３４の左右の部位とは、ボン
ディングワイヤ４２、４４によりワイヤボンディングさ
れている。外囲器３６の上面には熱線を遮蔽する遮蔽板
４６が設けられている。この遮蔽板４６には、温度測定
素子チップ３４の右半部が露出するような窓４８が形成
されている。
るためには、シリコン基板上に形成されたＢｉ／Ｓｂ超
格子層の異なる部位に温度差が生ずるような構成にする
必要がある。本発明の温度測定素子の具体例を図７及び
図８に示す。第１の具体例は、図７に示すように、Ｓｉ
基板３０上にＢｉ／Ｓｂ超格子層３２が形成された温度
測定素子チップ３４が外囲器３６内に載置されている。
外囲器３６下部には熱起電力を測定するための外部端子
３８、４０が設けられている。これら外部端子３８、４
０と、温度測定素子チップ３４の左右の部位とは、ボン
ディングワイヤ４２、４４によりワイヤボンディングさ
れている。外囲器３６の上面には熱線を遮蔽する遮蔽板
４６が設けられている。この遮蔽板４６には、温度測定
素子チップ３４の右半部が露出するような窓４８が形成
されている。
【００２２】外部からの熱線は遮蔽板４６により遮蔽さ
れるので、遮蔽板４６の窓４８下の温度測定素子チップ
３４の右半部だけが加熱され、温度測定素子チップ３４
の左右部位間に温度差を生じさせることができる。第２
の具体例は、図８に示すように、図７に示す第１の具体
例と基本的な構成は同じであるが、遮蔽板４６を設ける
代わりに、温度測定素子チップ３４の左半部に反射膜５
０を設けている点が第１の具体例と異なる。外部からの
熱線は反射膜５０により反射されるので、反射膜５０に
覆われていない温度測定素子チップ３４の右半部だけが
加熱され、温度測定素子チップ３４の左右部位間に温度
差を生じさせることができる。
れるので、遮蔽板４６の窓４８下の温度測定素子チップ
３４の右半部だけが加熱され、温度測定素子チップ３４
の左右部位間に温度差を生じさせることができる。第２
の具体例は、図８に示すように、図７に示す第１の具体
例と基本的な構成は同じであるが、遮蔽板４６を設ける
代わりに、温度測定素子チップ３４の左半部に反射膜５
０を設けている点が第１の具体例と異なる。外部からの
熱線は反射膜５０により反射されるので、反射膜５０に
覆われていない温度測定素子チップ３４の右半部だけが
加熱され、温度測定素子チップ３４の左右部位間に温度
差を生じさせることができる。
【００２３】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、シリコン
基板上にＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した熱電変換性能の
高い新規な熱電材料を用い、Ｂｉ／Ｓｂ超格子層の異な
る部位間に発生する熱起電力に基づいて温度を測定する
ようにしたので、温度測定精度に優れた温度測定を実現
することができる。
基板上にＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した熱電変換性能の
高い新規な熱電材料を用い、Ｂｉ／Ｓｂ超格子層の異な
る部位間に発生する熱起電力に基づいて温度を測定する
ようにしたので、温度測定精度に優れた温度測定を実現
することができる。
【図１】実施例と比較例の試料に対する熱電変換性能の
測定方法の説明図である。
測定方法の説明図である。
【図２】基板上にＢｉ／Ｓｂ超格子層を形成した実施例
１、実施例２、実施例３、比較例１、比較例３のゼーベ
ック係数の温度依存性を示すグラフである。
１、実施例２、実施例３、比較例１、比較例３のゼーベ
ック係数の温度依存性を示すグラフである。
【図３】基板上にＢｉバルク層を形成した比較例４、比
較例５のゼーベック係数の温度依存性を示すグラフであ
る。
較例５のゼーベック係数の温度依存性を示すグラフであ
る。
【図４】Ｓｉ基板上にＢｉ・１２％Ｓｂ合金層を形成し
た比較例６のゼーベック係数の温度依存性を示すグラフ
である。
た比較例６のゼーベック係数の温度依存性を示すグラフ
である。
【図５】実施例３の試料に対して、測定の上限温度を４
００°Ｋ程度まで広げて反復した場合のゼーベック係数
の温度依存性を示すグラフである。
００°Ｋ程度まで広げて反復した場合のゼーベック係数
の温度依存性を示すグラフである。
【図６】実施例３の試料の電気抵抗の温度依存性を示す
グラフである。
グラフである。
【図７】本発明の温度測定素子の第１の具体例を示す図
である。
である。
【図８】本発明の温度測定素子の第２の具体例を示す図
である。
である。
１０…容器 １２…試料台 １４…ヒータ １８、２０…熱電対 ２２…電圧計 ３０…Ｓｉ基板 ３２…Ｂｉ／Ｓｂ超格子層 ３４…温度測定素子チップ ３６…外囲器 ３８、４０…外部端子 ４２、４４…ボンディングワイヤ ４６…遮蔽板 ４８…窓 ５０…反射膜
Claims (3)
- 【請求項１】 シリコン基板と、前記シリコン基板上に
形成され、Ｂｉ薄層とＳｂ薄層を交互に積層したＢｉ／
Ｓｂ超格子層とを有し、前記Ｂｉ／Ｓｂ超格子層上の異
なる部位間に発生する熱起電力に基づいて温度を測定す
ることを特徴とする温度測定素子。 - 【請求項２】 請求項１記載の温度測定素子において、
約−８９℃から約＋７７℃の範囲の温度を測定すること
を特徴とする温度測定素子。 - 【請求項３】 シリコン基板と、前記シリコン基板上に
形成され、Ｂｉ薄層とＳｂ薄層を交互に積層したＢｉ／
Ｓｂ超格子層とを有する温度測定素子を用い、前記Ｂｉ
／Ｓｂ超格子層の第１の部位を基準温度とし、前記第１
の部位と異なる第２の部位を測定部位とし、前記第１の
部位と前記第２の部位の間の熱起電力を測定することに
より、約−８９℃から約＋７７℃の範囲の温度を測定す
ることを特徴とする温度測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5056067A JP2730662B2 (ja) | 1993-03-16 | 1993-03-16 | 温度測定素子及び温度測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5056067A JP2730662B2 (ja) | 1993-03-16 | 1993-03-16 | 温度測定素子及び温度測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06265414A JPH06265414A (ja) | 1994-09-22 |
| JP2730662B2 true JP2730662B2 (ja) | 1998-03-25 |
Family
ID=13016742
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5056067A Expired - Lifetime JP2730662B2 (ja) | 1993-03-16 | 1993-03-16 | 温度測定素子及び温度測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2730662B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100465661B1 (ko) * | 1999-06-02 | 2005-01-13 | 아사히 가세이 가부시키가이샤 | 열전 재료 및 그 제조 방법 |
| JP3388731B2 (ja) * | 2001-03-16 | 2003-03-24 | 科学技術振興事業団 | コンビナトリアル試料の熱電特性測定方法及びその装置 |
-
1993
- 1993-03-16 JP JP5056067A patent/JP2730662B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06265414A (ja) | 1994-09-22 |
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