JP4686759B2

JP4686759B2 - キャパシタンス温度計

Info

Publication number: JP4686759B2
Application number: JP2005309199A
Authority: JP
Inventors: 浩高島; 満伊藤; 瑞平王
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: JP2007120948A

Description

本発明は、ストロンチウム原子に対してカルシウム原子を置換した多結晶チタン酸ストロンチウムからなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって温度測定を行うキャパシタンス温度計に関する。

バルク単結晶のチタン酸ストロンチウムは、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、物理的ストレス依存性を持ち、それらによって低下する特徴を持っている。

また、チタン酸ストロンチウムのストロンチウム原子をカルシウム原子で置換することによって、強誘電性が出現し、その転移温度はカルシウム原子の置換量の増加に伴い高温側に出現する特性を有していることは知られている。

また、特開平０４−３４２４５９号公報によれば、チタン酸ストロンチウムのチタン原子を鉛原子で置換することによってキュリー温度が高い圧電性が生じることが記載されている。

また、従来は、５０Ｋ以下の低温を測定する手段として、抵抗を測定し温度に換算することによって温度を測定することが主として行われているが、近年では新規な温度計素子の開発されている。

特開昭６３−２７９１２８号公報には、温度センサ素子として超伝導材料を用い、負特性のクリテジスタ、サーミスタが開発されたことが記載されている。

また、特開昭６３−４５８４７号公報には、ｐｎ接合の容量の急峻な温度依存性を利用した素子を温度計として利用することが記載されている。

また、特開２００５−１５６１９４号公報には、チタン酸ストロンチウム薄膜によって平行平板コンデンサを構成しキャパシタンス温度センサが記載されている。

また、米国特許第３６４９８９１号公報には、シリコンやアルミニウムを多結晶チタン酸ストロンチウムに導入した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。

特開平０４−３４２４５９号公報特開昭６３−２７９１２８号公報特開昭６３−４５８４７号公報特開２００５−１５６１９４号公報米国特許第３６４９８９１号公報

多結晶チタン酸ストロンチウムは、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デバイスのコンデンサ容量として有効な材料の一種と考えられている。
一方、上記特許文献５に示すように、アルミニウムやシリコンで置換された多結晶体チタン酸ストロンチウムで作製された温度センサは、絶対感度が２Ｋで０．００７と極めて小さく、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る。

本発明の目的は、ストロンチウム原子に対するカルシウム原子の置換量を０．０１以上０.０７以下とする多結晶チタン酸ストロンチウからなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することにより、温度測定を行うキャパシタンス温度計を提供するにある。

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、Ｓｒ原子に対するＣａ原子の置換範囲が０．０１＜ｘ＜０．０７にある多結晶Ｓｒ_１−ｘＣａ_ｘＴｉＯ_３からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによっ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計である。
第２の手段は、第１の手段において、１０Ｋ以下の極低温環境下で使用することを特徴とするキャパシタンス温度計である。
第３の手段は、第１の手段において、前記温度測定を行う場が強磁場中であることを特徴とするキャパシタンス温度計である。
第４の手段は、第１の手段において、強誘電体転移点以下で連続使用することを特徴とするキャパシタンス温度計である。
第５の手段は、第１の手段において、前記コンデンサの電極がくし型形状であることを特徴とするキャパシタンス温度計である。

請求項１に記載の発明によれば、多結晶チタン酸ストロンチウムのストロンチウム原子に対するカルシウム原子の置換量を０．０１以上０．０７以下とすることによって、低温で強誘電特性を出現させ、かつ高い温度感度Ｓ＝ΔＣ／ΔＴ、高い絶対感度Ｓｄ＝（Ｔ／Ｃ）ΔＣ／ΔＴを有する、温度分解能の優れたキャパシタンス温度計を実現することができる。また、多結晶チタン酸ストロンチウムは作製が容易である。
本発明のように、１０Ｋ以下の極低温環境下で使用するようにすれば、^３Ｈｅで希釈された冷凍機等で使用することが可能となる。
本発明のように、温度測定を行う場が強磁場中であるようにすれば、磁場の大きさによって温度が変化しないキャパシタンス温度計を実現することができる。
本発明のように、強誘電体転位点以下で連続使用するようにすれば、温度ヒステリシスを有しないキャパシタンス温度計を実現することができる。
本発明のように、コンデンサの電極がくし型形状であるようにすれば、両面に電極が形成される平行平板コンデンサと異なり、一面にくし型電極を形成することにより、他面を測定対象と密着させることができるので、より一層精密な温度計測が実現できる。

図１は、本発明に係るキャパシタンス温度計の作成工程を示す図である。
同図に示すように、まず、ＳｒＣＯ_３（９９・９９％）、ＴｉＯ_２（９９．９％）ＣａＣＯ_３（９９．９９％）を原料粉として化学量論組成で計量し、ボールミルで１２０分間、湿式混合し、１３２３Ｋで１２時間の仮焼を行った。その後、粉砕、混合を行い、ペレットに成形し、１６２３Ｋで６時間の本焼を行った。その後、酸素を十分に結晶中に導入するため１２７３Ｋで５時間、酸素中で熱処理を行った。その後、作成された誘電体上に金電極を形成するため、メタルマスクを用いて、直流スパッタを行い、キャパシタンス温度計を得た。なお、これらの作成工程は最も一般的な手法であるため、コストの低減を図ることができる。

図２は、上記金電極が施されたコンデンサからなるキャパシタンス温度計の構成を示す図である。
同図に示すように、このキャパシタンス温度計の金電極の幅は１００μｍであり、両電極は左右よりくし型状に配置され、その間の隙間は１００μｍである。誘電体の分極はこの隙間部が担うことになる。

図３は、上記本焼、熱処理後得られた誘電体のＸ線回折パターンを示す図である。
同図に示すように、全てのピークは多結晶Ｓｒ_１−ｘＣａ_ｘＴｉＯ_３で指数付けされ、原料粉やその他不純物を示すピークは観測されず、単相のＳｒ_１−ｘＣａ_ｘＴｉＯ_３が１％以上７％以下のｘの領域でできていることが分かる。

次に、カルシウム原子置換量の違いによるキャパシタンスの温度依存性と温度センサ特性について図４乃至図８を用いて説明する。

図４は、カルシウム原子置換量１％時のキャパシタンスの温度依存性と温度センサ特性を示す図である。
図４（ａ）に示すように、キャパシタンスの温度依存性は１４Ｋ付近でキャパシタンスが最大値を有する振る舞いが確認された。このことから１４Ｋが強誘電体転移温度であり、その高温側では常誘電体、低温側では強誘電体であることが分かった。また、図４（ｂ）に示すように、温度センサ特性は、１４Ｋ以下の強誘電体領域で、感度Ｓ＝ｄＣ／ｄＴが４０ｐＦ／Ｋでほぼ一定の値を示し、絶対感度Ｓ_ｄ＝（Ｔ／Ｃ）ｄＣ／ｄＴは、１０Ｋで０．０７、２Ｋで０．０２であり、さらに低温での振る舞いを図４（ｂ）から外挿すると１Ｋで０．０１であることが分かる。

図５は、カルシウム原子置換量２％時のキャパシタンスの温度依存性と温度センサ特性を示す図である。
図５（ａ）に示すように、キャパシタンスの温度依存性では２０Ｋ付近でキャパシタンスが最大値を有する振る舞いが確認された。このことから２０Ｋが強誘電体転移温度であり、その高温側では常誘電体、低温側では強誘電体であることが分かった。また、図５（ｂ）に示すように、温度センサ特性は、２０Ｋ以下の強誘電体領域で、感度Ｓ＝ｄＣ／ｄＴが５０ｐＦ／Ｋでほぼ一定の値を示し、絶対感度Ｓ_ｄ＝（Ｔ／Ｃ）ｄＣ／ｄＴでは１０Ｋで０．０８、２Ｋで０．０３であり、さらに低温での振る舞いを図５（Ｂ）から外挿すると１Ｋで０．０１であることが分かる。

図６は、カルシウム原子置換量３％時のキャパシタンスの温度依存性と温度センサ特性を示す図である。
図６（ａ）に示すように、キャパシタンスの温度依存性では２５Ｋ付近でキャパシタンスが最大値を有する振る舞いが確認された。このことから２５Ｋが強誘電体転移温度であり、その高温側では常誘電体、低温側では強誘電体であることが分かった。また、図６（ｂ）に示すように、温度センサ特性では、２５Ｋ以下の強誘電体領域で、感度Ｓ＝ｄＣ／ｄＴが５０ｐＦ／Ｋでほぼ一定の値を示し、絶対感度Ｓ_ｄ＝（Ｔ／Ｃ）ｄＣ／ｄＴでは１０Ｋで０．１、２Ｋで０．０３であり、さらに低温での振る舞いを図６（ｂ）から外挿すると１Ｋで０．０２であることが分かる。

図７は、カルシウム原子置換量５％時のキャパシタンスの温度依存性と温度センサ特性を示す図である。
図７（ａ）に示すように、キャパシタンスの温度依存性では３１Ｋ付近でキャパシタンスが最大値を有する振る舞いが確認された。このことから３１Ｋが強誘電体転移温度であり、その高温側では常誘電体、低温側では強誘電体であることが分かった。また、図７（ｂ）に示すように、温度センサ特性では、３１Ｋ以下の強誘電体領域で、感度Ｓ＝ｄＣ／ｄＴが５０ｐＦ／Ｋでほぼ一定の値を示し、絶対感度Ｓ_ｄ＝（Ｔ／Ｃ）ｄＣ／ｄＴでは１０Ｋで０．１６、２Ｋで０．０５であり、さらに低温での振る舞いを図７（ｂ）から外挿すると１Ｋで０．０２５であることが分かる。

図８は、カルシウム原子置換量７％試料のキャパシタンスの温度依存性と温度センサ特性を示す図である。
図８（ａ）に示すように、キャパシタンスの温度依存性では３５Ｋ付近でキャパシタンスが最大値を有する振る舞いが確認された。このことから３５Ｋが強誘電体転移温度であり、その高温側では常誘電体、低温側では強誘電体であることが分かった。また、図８（ｂ）に示すように、温度センサ特性では、３５Ｋ以下の強誘電体領域で、感度Ｓ＝ｄＣ／ｄＴが２０ｐＦ／Ｋでほぼ一定の値を示し、絶対感度Ｓ_ｄ＝（Ｔ／Ｃ）ｄＣ／ｄＴでは１０Ｋで０．０９、２Ｋで０．０２５であり、さらに低温での振る舞いを図８（ｂ）から外挿すると１Ｋで０．０１であることが分かる。

図９は、Ｃａ置換量に対する感度および強誘電体転移温度の関係を示す図である。
同図に示すように、Ｃａ置換量１％から７％の間では、感度は２０から５０ｐＦ/Ｋの間の値を有している。感度の最大値はＣａ置換量２％、３％，５％時は５０ｐＦ／Ｋである。また、強誘電体転移温度はＣａ置換量増加に伴い高温側にシフトしていることが分かる。

図１０は、１０Ｋおよび２ＫにおけるＣａ置換量に対する絶対感度の関係を示す図である。
同図に示すように、Ｃａ置換量１％から７％の間で、１０Ｋにおける絶対感度は０．０７から０．１６の間の値を有している。１０Ｋにおける絶対感度の最大値はＣａ置換量５％時の０．１６である。また、Ｃａ置換量１％から７％の間で、２Ｋにおける絶対感度は０．０２から０．０５の間の値を有している。２Ｋにおける絶対感度の最大値はＣａ置換量５％時の０．０５である。

図９および図１０の結果から明らかなように、Ｃａ置換量５％時の１０Ｋ以下の極低温において、高い絶対感度かつ高い感度を有するキャパシタンス温度計によって高精度に温度を計測することが可能となる。

図１１は、本発明に係るキャパシタンス温度計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本発明に係るくし型コンデンサからなるキャパシタンス温度計、３は低温プローブ、４はキャパシタンス温度計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。低温プローブ内の配線は同軸ケーブルを用いている。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。

本発明に係るキャパシタンス温度計の作成工程を示す図である。金電極が施されたコンデンサからなるキャパシタンス温度計の構成を示す図である。本焼、熱処理後得られた誘電体のＸ線回折パターンを示す図である。カルシウム原子置換量１％時のキャパシタンスの温度依存性と温度センサ特性を示す図である。カルシウム原子置換量２％時のキャパシタンスの温度依存性と温度センサ特性を示す図である。カルシウム原子置換量３％時のキャパシタンスの温度依存性と温度センサ特性を示す図である。カルシウム原子置換量５％時のキャパシタンスの温度依存性と温度センサ特性を示す図である。カルシウム原子置換量７％試料のキャパシタンスの温度依存性と温度センサ特性を示す図である。Ｃａ置換量に対する感度および強誘電体転移温度の関係を示す図である。１０Ｋおよび２ＫにおけるＣａ置換量に対する絶対感度の関係を示す図である。本発明に係るキャパシタンス温度計を用いた温度測定装置の構成を示す図である。

符号の説明

１低温容器
２キャパシタンス温度計
３低温プローブ
４測定器
５測定器

Claims

Ｓｒ原子に対するＣａ原子の置換範囲が０．０１＜ｘ＜０．０７にある多結晶Ｓｒ_１−ｘＣａ_ｘＴｉＯ_３からなる誘電体を有するコンデンサのキャパシタンスを検出することによって１０Ｋ以下の温度測定を行うことを特徴とするキャパシタンス温度計。
２Ｋにおける絶対感度が０．０２から０．０５の間の値であることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタンス温度計。
前記温度測定を行う場が強磁場中であることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタンス温度計。
強誘電体転移点以下で連続使用することを特徴とする請求項１に記載のキャパシタンス温度計。
前記コンデンサの電極がくし型形状であることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタンス温度計。