JP4528943B2 - キャパシタンス温度センサ及び温度測定装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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(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ere0と電極面積A、厚みtで計算されC=ere0A/tで示される。ここでe0は真空の誘電率である。
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(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。
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。
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(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(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(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。
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)
- 酸素16のうち重量30%以下(但し0%を除く)を同位体酸素18で置換した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極低温領域における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。
- 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極低温領域における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。
- 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。
- 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。
- 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。
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