JP2006234574A - Capacitance thermometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チタン酸ストロンチウ単結晶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。 The present invention relates to a capacitance thermometer that measures temperature by detecting the capacitance of a capacitor having a dielectric made of strontium titanate single crystal.
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、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。 Bulk single crystal strontium titanate is known as a quantum paraelectric, and has a relative dielectric constant of 4.2K and a value of 20,000 or more. Further, the dielectric constant has a bias dependency and a stress dependency, and has a feature of decreasing by them.
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計として用いることが記載されている。 U.S. Pat. No. 3,648,891 describes the use of a ferroelectric material as a capacitance thermometer.
上述したように、バルク単結晶の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。 As described above, bulk single crystal strontium titanate exhibits a high dielectric constant at low temperatures, and is therefore a very useful dielectric when used in superconducting devices and semiconductor devices used at low temperatures.
一方、通常、強誘電体材料をキャパシタンス温度計として利用しようとすると、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計が得られなかった。
また、強誘電体材料を利用してキャパシタンス温度計とするものは商品化されているが、その絶対感度は０．０２と小さく、キャパシタンス温度計としては測定温度精度が低いことが問題となっていた。
On the other hand, in general, when a ferroelectric material is used as a capacitance thermometer, remanent polarization occurs due to a temperature change, and as a result, hysteresis characteristics appear. Therefore, there is a one-to-one relationship between the temperature and the measured capacitance value. A capacitance thermometer having a relative relationship could not be obtained.
In addition, a capacitance thermometer using a ferroelectric material has been commercialized, but its absolute sensitivity is as small as 0.02, and the measurement temperature accuracy is low as a capacitance thermometer. It was.
本発明は上記の問題点に鑑み、本発明の第１の目的は、結晶方位が（１００）であって置換範囲がｘ<０．３のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶からなる量子常誘電性を有するコンデンサのキャパシタンスを測定することにより、極低温で高い誘電率を有し、残留分極特性がなく、高い温度感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計を実現することにある。
また、本発明の第２の目的は、結晶方位が（１００）であって置換範囲が０．３５>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶からなる強誘電性を有するコンデンサのキャパシタンスを測定することにより、極低温で高い誘電率を有し、高い温度感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計を実現することにある。
また、本発明の第３の目的は、結晶方位が（１１０）であって置換範囲がｘ<０．３のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶からなる量子常誘電性を有するコンデンサのキャパシタンスを測定することにより、極低温で高い誘電率を有し、残留分極特性がなく、高い温度感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計を実現することにある。
また、本発明の第４の目的は、結晶方位が（１１０）であって置換範囲が０．３８>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶からなる高い誘電率を有するコンデンサのキャパシタンスを測定することにより、極低温で高い誘電率を有し、高い温度感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計を実現することにある。
In view of the above problems, the first object of the present invention is to provide SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having a crystal orientation of (100) and a substitution range of x <0.3. By measuring the capacitance of a capacitor having a quantum paraelectric property consisting of crystals, a capacitance thermometer having a high dielectric constant at a very low temperature, no remanent polarization characteristic, and high temperature sensitivity and absolute sensitivity is realized. is there.
The second object of the present invention is to provide a strong crystal composed of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having a crystal orientation of (100) and a substitution range of 0.35>x> 0.6. By measuring the capacitance of a capacitor having dielectric properties, a capacitance thermometer having a high dielectric constant at a very low temperature and high temperature sensitivity and absolute sensitivity is realized.
The third object of the present invention is to provide quantum paraelectricity composed of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having a crystal orientation of (110) and a substitution range of x <0.3. It is to realize a capacitance thermometer having a high dielectric constant at a very low temperature, no remanent polarization characteristic, and high temperature sensitivity and absolute sensitivity by measuring the capacitance of the capacitor.
A fourth object of the present invention is a high crystal composed of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having a crystal orientation of (110) and a substitution range of 0.38>x> 0.6. By measuring the capacitance of a capacitor having a dielectric constant, a capacitance thermometer having a high dielectric constant at a very low temperature and high temperature sensitivity and absolute sensitivity is realized.
本発明は、上記の課題を解決するために下記の手段を採用した。
第１の手段は、結晶方位が（１００）であって置換範囲がｘ<０．３のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶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。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
First means, the replacement range a crystal orientation (100) detects the capacitance of a capacitor having a dielectric made of SrTi (18 O x 16 O 1 -x) 3 single crystal x <0.3 The capacitance thermometer is characterized in that temperature measurement is performed.
第２の手段は、結晶方位が（１００）であって置換範囲が０．３５>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶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。 Second means, the replacement range a crystal orientation (100) 0.35>x> 0.6 of SrTi (18 O x 16 O 1 -x) 3 of the capacitor having a dielectric made of monocrystalline The capacitance thermometer is characterized in that temperature measurement is performed by detecting capacitance.
第３の手段は、結晶方位が（１１０）であって置換範囲がｘ<０．３のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶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。 Third means, the replacement range a crystal orientation (110) detects the capacitance of a capacitor having a dielectric made of SrTi (18 O x 16 O 1 -x) 3 single crystal x <0.3 The capacitance thermometer is characterized in that temperature measurement is performed.
第４の手段は、結晶方位が（１１０）であって置換範囲が０．３８>ｘ>０．６のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶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。 A fourth means is a capacitor having a dielectric made of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having a crystal orientation of (110) and a substitution range of 0.38>x> 0.6. The capacitance thermometer is characterized in that temperature measurement is performed by detecting capacitance.
第５の手段は、第１の手段乃至第４の手段のいずれか１つの手段において、前記温度測定を行う場が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。 A fifth means is the capacitance thermometer according to any one of the first means to the fourth means, wherein the temperature measurement field is in a magnetic field.
請求項１に記載の発明によれば、感度は５０ｐＦ／Ｋ以下であり、絶対感度は０．０５以下であるが、誘電体が量子常誘電性を示すので、温度変化によって残留分極が生じず、ヒシテリシス特性が現れないため、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計が得られる。 According to the first aspect of the present invention, the sensitivity is 50 pF / K or less and the absolute sensitivity is 0.05 or less. However, since the dielectric exhibits quantum paraelectricity, no remanent polarization occurs due to temperature change. Since no hysteresis characteristic appears, a capacitance thermometer having a one-to-one relative relationship between the temperature and the measured capacitance value is obtained.
請求項２に記載の発明によれば、高い感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計が得られる。例えば、酸素１６を同位体酸素１８で４５％置換したときは、感度は２．２Ｋで３００ｐＦ／Ｋに達し、０．３ｍＫの高い分解能を有するキャパシタンス温度計が得られ、また絶対感度も０．１２３であり、従来のものと比べて、非常に高い絶対感度がを有するキャパシタンス温度計が得られる。また、量子常誘電性から強誘電性への転移温度よりも高温側では１．０以上と高い絶対感度が得られ、この範囲では量子常誘電性を示すので、温度ヒシテリシスのないキャパシタンス温度計が得られる。 According to the second aspect of the present invention, a capacitance thermometer having high sensitivity and absolute sensitivity can be obtained. For example, when oxygen 16 is replaced with isotope oxygen 45% by 45%, the sensitivity reaches 300 pF / K at 2.2K, a capacitance thermometer having a high resolution of 0.3 mK is obtained, and the absolute sensitivity is also 0.1. 123, and a capacitance thermometer having a very high absolute sensitivity compared to the conventional one can be obtained. In addition, a high absolute sensitivity of 1.0 or higher is obtained at a temperature higher than the transition temperature from quantum paraelectricity to ferroelectricity, and in this range, it exhibits quantum paraelectricity. Therefore, a capacitance thermometer without temperature hysteresis is provided. can get.
請求項３に記載の発明によれば、感度は２００ｐＦ／Ｋ以下であり、絶対感度は０．０１以下であるが、誘電体が量子常誘電性を示すので、温度変化によって残留分極が生じず、ヒシテリシス特性が現れないため、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計が得られる。 According to the third aspect of the present invention, the sensitivity is 200 pF / K or less and the absolute sensitivity is 0.01 or less. However, since the dielectric exhibits quantum paraelectricity, no remanent polarization occurs due to temperature change. Since no hysteresis characteristic appears, a capacitance thermometer having a one-to-one relative relationship between the temperature and the measured capacitance value is obtained.
請求項４に記載の発明によれば、高い感度と絶対感度を有するキャパシタンス温度計が得られる。例えば、酸素１６を同位体酸素１８で３８％置換したときは、感度は、２．２Ｋで３０００ｐＦ／Ｋにも達し、０．０３ｍＫと極めて高い分解能を有するキャパシタンス温度計が得られる。また絶対感度も０．０８であり、従来のものと比べて、高い絶対感度を有するキャパシタンス温度計が得られる。また、量子常誘電性から強誘電性への転移温度よりも高温側では１．０以上と高い絶対感度が得られ、この範囲では量子常誘電性を示すので、温度ヒシテリシスのないキャパシタンス温度計が得られる。 According to the fourth aspect of the present invention, a capacitance thermometer having high sensitivity and absolute sensitivity can be obtained. For example, when oxygen 16 is replaced with isotope oxygen 18 by 38%, the sensitivity reaches 3000 pF / K at 2.2K, and a capacitance thermometer having an extremely high resolution of 0.03 mK is obtained. The absolute sensitivity is 0.08, and a capacitance thermometer having a higher absolute sensitivity than that of the conventional one can be obtained. In addition, a high absolute sensitivity of 1.0 or higher is obtained at a temperature higher than the transition temperature from quantum paraelectricity to ferroelectricity, and in this range, it exhibits quantum paraelectricity. Therefore, a capacitance thermometer without temperature hysteresis is provided. can get.
請求項５に記載の発明によれば、温度測定を行う場が磁場中であっても、磁場の影響を受けずに温度測定を行うことができる。 According to the fifth aspect of the present invention, temperature measurement can be performed without being affected by the magnetic field even when the temperature measurement field is in a magnetic field.
本発明の実施形態を図１乃至図８を用いて説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１は、本実施形態の発明に係るキャパシタンス温度計の作製工程を示す図である。
はじめに、結晶方位（１００）のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３０％以下に置換する場合について説明する。
ＳｒＴｉ１６Ｏ３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つてその表面に低誘電体層が生じる。そのため、例えば、図１に示すように、厚さ２００μｍを有するＳｒＴｉ１６Ｏ３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体層を除去する。
その後、ＳｒＴｉ１６Ｏ３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と単結晶ＳｒＴｉ１６Ｏ３を密閉した容器中に封入し、６００℃から１０００℃の高温で所定時間熱処理を行う。これによって同位体酸素１８は均一に結晶中に導入される。なお、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、蒸着によって銅を成膜し、さらに金を蒸着して電極を形成する。
その結果、量子常誘電性を有するＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶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して温度測定を行うキャパシタンス温度計が得られる。
FIG. 1 is a diagram showing a manufacturing process of a capacitance thermometer according to the invention of this embodiment.
First , a case where oxygen 16 of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having a crystal orientation (100) is replaced with isotope oxygen 18 to a weight of 30% or less will be described.
The SrTi 16 O 3 single crystal has a low dielectric layer on its surface due to lattice defects that can be cut, shaped, or grown. Therefore, for example, as shown in FIG. 1, in order to remove a layer subjected to stress caused by an etching process using phosphoric acid or a cutting operation or the like on a SrTi 16 O 3 single crystal having a thickness of 200 μm. Etching is performed to reduce the thickness to 100 μm and remove the low dielectric layer.
Thereafter, oxygen 16 of the SrTi 16 O 3 single crystal is replaced with isotope oxygen 18 by 30% by weight or less, for example, 26% by weight. In the replacement method, isotope oxygen 18 and single crystal SrTi 16 O 3 are sealed in a sealed container, and heat treatment is performed at a high temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. for a predetermined time. As a result, the isotope oxygen 18 is uniformly introduced into the crystal. The substitution weight of isotope oxygen 18 depends on the heat treatment time. Then, copper is formed into a film by vapor deposition, and gold is vapor-deposited to form an electrode.
As a result, it is possible to obtain a capacitance thermometer that measures the temperature by detecting the capacitance of a capacitor having a dielectric composed of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having quantum paraelectric properties.
また、結晶方位（１００）のＳｒＴｉ１６Ｏ３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３５％以上６０％以下に置換する場合は、上記の置換の段階で、同位体酸素１８とＳｒＴｉ１６Ｏ３単結晶を密閉した容器中に封入し、６００℃から１０００℃の高温で所定時間熱処理を行い、その後、蒸着によって銅を成膜し、さらに金を蒸着して電極を形成する。
その結果、量子常誘電性及び強誘電性を有するＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶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して温度測定を行うキャパシタンス温度計が得られる。
In addition, when oxygen 16 of SrTi 16 O 3 single crystal having a crystal orientation (100) is substituted with isotope oxygen 18 to a weight of 35% or more and 60% or less, isotope oxygen 18 and SrTi 16 are replaced at the above-described substitution stage. An O 3 single crystal is enclosed in a sealed container, heat-treated at a high temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. for a predetermined time, copper is then formed by vapor deposition, and gold is further vapor deposited to form an electrode.
As a result, it is possible to obtain a capacitance thermometer that detects the capacitance of a capacitor having a dielectric made of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having quantum paraelectricity and ferroelectricity and performs temperature measurement. .
次に、結晶方位（１１０）のＳｒＴｉ１６Ｏ３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３０％以下に置換する場合も、図１に示した作製工程と同様の工程で行う。ＳｒＴｉ１６Ｏ３単結晶は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ＳｒＴｉ１６Ｏ３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体層を除去する。
その後、結晶方位（１１０）のＳｒＴｉ１６Ｏ３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３０％以下置換する。置換の方法は、同位体酸素１８と結晶方位（１１０）の単結晶ＳｒＴｉ１６Ｏ３を密閉した容器中に封入し、６００℃から１０００℃の高温で所定時間熱処理を行う。その後、蒸着によって銅を成膜し、さらに金を蒸着して電極を形成する。
その結果、量子常誘電性を有するＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶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して温度測定を行うキャパシタンス温度計が得られる。
Next, also in the case where the oxygen 16 of the SrTi 16 O 3 single crystal having the crystal orientation (110) is replaced with isotope oxygen 18 by 30% or less in weight, the same process as the manufacturing process shown in FIG. Since a low dielectric layer is formed on the surface of the SrTi 16 O 3 single crystal, for example, an SrTi 16 O 3 single crystal having a thickness of 200 μm is subjected to an etching treatment with phosphoric acid, or stress caused by a cutting operation or the like. A chemical etching process is performed to remove the received layer, and the thickness is reduced to 100 μm to remove the low dielectric layer.
Thereafter, the oxygen 16 of the SrTi 16 O 3 single crystal having the crystal orientation (110) is replaced with an isotope oxygen 18 by 30% or less in weight. In the replacement method, isotope oxygen 18 and single crystal SrTi 16 O 3 having a crystal orientation (110) are sealed in a sealed container, and heat treatment is performed at a high temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. for a predetermined time. Then, copper is formed into a film by vapor deposition, and gold is vapor-deposited to form an electrode.
As a result, it is possible to obtain a capacitance thermometer that measures the temperature by detecting the capacitance of a capacitor having a dielectric composed of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having quantum paraelectric properties.
また、結晶方位（１１０）のＳｒＴｉ１６Ｏ３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量３８％以上６０％以下に置換する場合は、上記の置換の段階で、同位体酸素１８とＳｒＴｉ１６Ｏ３単結晶を密閉した容器中に封入し、６００℃から１０００℃の高温で所定時間熱処理を行い、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する。
その結果、量子常誘電性及び強誘電性を有するＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶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して温度測定を行うキャパシタンス温度計が得られる。
When oxygen 16 of SrTi 16 O 3 single crystal having a crystal orientation (110) is substituted with isotope oxygen 18 to a weight of 38% or more and 60% or less, isotope oxygen 18 and SrTi 16 are replaced at the above-described substitution stage. An O 3 single crystal is sealed in a sealed container, heat-treated at a high temperature of 600 ° C. to 1000 ° C. for a predetermined time, and then copper is formed by vapor deposition, and then gold is vapor deposited to form an electrode.
As a result, it is possible to obtain a capacitance thermometer that detects the capacitance of a capacitor having a dielectric made of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having quantum paraelectricity and ferroelectricity and performs temperature measurement. .
図２は、結晶方位が（１００）のＳｒＴｉ１６Ｏ３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計の比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％のときの比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％のときの比誘電率の温度依存性を示す図である。
図２（ｃ）は、同位体酸素１８の置換重量３７％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図２（ｄ）は、同位体酸素１８の置換重量４５％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図２（e）は、同位体酸素１８の置換重量５７％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図２（ｆ）は、同位体酸素１８の置換重量７２％のときの比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２（ａ）及び図２（ｂ）の各特性はともに量子常誘電性を示している。また、図２（ｃ）から図２（ｆ）の各特性は量子常誘電性及び強誘電性を示しており、量子常誘電性から強誘電性への転移点は、それぞれ８Ｋ、９Ｋ、１５Ｋ、１８Ｋである。
FIG. 2 is a diagram for explaining the effect of substituting the relative permittivity of the capacitance thermometer when oxygen 16 of SrTi 16 O 3 single crystal having a crystal orientation of (100) is replaced with isotope oxygen 18.
FIG. 2A is a diagram showing the temperature dependence of the relative permittivity when the substitution weight of isotope oxygen 18 is 0%, and FIG. 2B is the case where the substitution weight of isotope oxygen 18 is 26%. It is a figure which shows the temperature dependence of the relative dielectric constant.
FIG. 2 (c) is a graph showing the temperature dependence of the relative permittivity when the substitution weight of isotope oxygen 18 is 37%, and FIG. 2 (d) is the figure when the substitution weight of isotope oxygen 18 is 45%. FIG. 2 (e) is a diagram showing the temperature dependence of the relative dielectric constant when the substitution weight of the isotope oxygen 18 is 57%, and FIG. ) Is a graph showing the temperature dependence of the relative dielectric constant when the substitution weight of isotope oxygen 18 is 72%.
As is clear from these figures, each characteristic of FIG. 2A and FIG. 2B shows quantum paraelectric properties. 2C to 2F show quantum paraelectricity and ferroelectricity, and transition points from quantum paraelectricity to ferroelectricity are 8K, 9K, and 15K, respectively. , 18K.
図２（ａ）における比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、極低温領域で比誘電率が飽和する量子常誘電性を示している。
それに対して、ＳｒＴｉ１６Ｏ３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）における比誘電率の温度依存性は、２．２Ｋで比誘電率は５００００を超え、かつ量子常誘電性を維持している。
The temperature dependence of the relative permittivity in FIG. 2A is a quantum paraelectric property in which the relative permittivity is about 20000 at a temperature of 2.2 K, and the relative permittivity is saturated in a very low temperature region.
On the other hand, the temperature dependence of the relative permittivity in FIG. 2B when oxygen 16 of SrTi 16 O 3 single crystal is replaced by 26% by weight with isotope oxygen 18 is 2.2K and the relative permittivity is It exceeds 50,000 and maintains a quantum paraelectric property.
図３は、結晶方位が（１１０）のＳｒＴｉ１６Ｏ３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計の比誘電率の置換効果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％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図３（ｂ）は、同位体酸素１８の置換重量２５％のときの比誘電率の温度依存性を示す図である。
図３（ｃ）は、同位体酸素１８の置換重量３８％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図３（ｄ）は、同位体酸素１８の置換重量４５％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図３（e）は、同位体酸素１８の置換重量６０％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図３（ｆ）は、同位体酸素１８の置換重量７５％のときの比誘電率の温度依存性を示す図であり、図３（ｇ）は、同位体酸素１８の置換重量８４％のときの比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３（ａ）及び図３（ｂ）の各特性はともに量子常誘電性を示している。また図３（ｃ）から図３（ｇ）の各特性は量子常誘電性及び強誘電性を示しており、その量子常誘電性から強誘電性への転移点は、それぞれ７Ｋ、１０Ｋ、１５Ｋ、１９Ｋ、２２Ｋである。
FIG. 3 is a diagram for explaining the effect of substituting the relative permittivity of the capacitance thermometer when oxygen 16 of a SrTi 16 O 3 single crystal having a crystal orientation of (110) is replaced with isotope oxygen 18.
FIG. 3A is a diagram showing the temperature dependence of the relative permittivity when the substitution weight of isotope oxygen 18 is 0%, and FIG. 3B is the diagram when the substitution weight of isotope oxygen 18 is 25%. It is a figure which shows the temperature dependence of the relative dielectric constant.
FIG. 3C shows the temperature dependence of the relative permittivity when the substitution weight of isotope oxygen 18 is 38%, and FIG. 3D shows the case where the substitution weight of isotope oxygen 18 is 45%. FIG. 3 (e) is a diagram showing the temperature dependence of the relative permittivity when the substitution weight of the isotope oxygen 18 is 60%, and FIG. ) Is a graph showing the temperature dependence of the relative permittivity when the substitution weight of isotope oxygen 18 is 75%, and FIG. 3G shows the relative permittivity when the substitution weight of isotope oxygen 18 is 84%. It is a figure which shows the temperature dependence of.
As is clear from these figures, each characteristic in FIGS. 3A and 3B shows quantum paraelectric properties. 3C to 3G show quantum paraelectricity and ferroelectricity, and the transition points from the quantum paraelectricity to the ferroelectricity are 7K, 10K, and 15K, respectively. , 19K, 22K.
図３（ａ）における比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、ＳｒＴｉ１６Ｏ３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で重量２５％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４００００を超え、量子常誘電性を維持していることが分る。
The temperature dependence of the relative permittivity in FIG. 3 (a) shows that the relative permittivity is about 20000 at a temperature of 2.2K, indicating a quantum paraelectric property in which the permittivity is saturated in a very low temperature region. .
On the other hand, when oxygen 16 of SrTi 16 O 3 single crystal is substituted with isotope oxygen 18 by 25% by weight, the temperature dependence of the dielectric constant in FIG. 2B is 2.2K and the relative dielectric constant is 40,000. It can be seen that the quantum paraelectric property is maintained.
通常、キャパシタンス温度計の性能は、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（絶対感度）Ｓｄ＝（Ｔ／Ｃ）ΔＣ／ΔＴで評価される。 In general, the performance of a capacitance thermometer is a capacitance change per 1K (sensitivity) S = ΔC / ΔT at an arbitrary temperature of the element, and a value obtained by dividing the sensitivity by the capacitance and multiplying by the temperature (absolute sensitivity) Sd = (T / C) It is evaluated by ΔC / ΔT.
図４は、結晶方位が（１００）のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で４５％置換したときの温度（Ｋ）に対するキャパシタンス温度計の感度Ｓ及び絶対感度Ｓｄの関係を示す図である。
この図から明らかなように、図４における感度Ｓは、２．２Ｋで３００ｐＦ／Ｋに達し、０．３ｍＫの高い分解能を有するキャパシタンス温度計が得られることが分かる。また絶対感度Ｓｄは０．１２３であり、従来のものと比べて、非常に高い絶対感度を有するキャパシタンス温度計が得られる。また、量子常誘電性から強誘電性への転移温度よりも高温側では１．０以上と高い絶対感度が得られることが分かる。またこの範囲では量子常誘電性を示し、温度ヒシテリシスのないキャパシタンス温度計が得られる。
FIG. 4 shows the sensitivity of a capacitance thermometer with respect to temperature (K) when 45% substitution of oxygen 16 of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having a crystal orientation of (100) with isotope oxygen 18 is performed. It is a figure which shows the relationship between S and absolute sensitivity Sd.
As can be seen from FIG. 4, the sensitivity S in FIG. 4
図５は、結晶方位が（１１０）のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で３８％置換したときの温度（Ｋ）に対するキャパシタンス温度計の感度Ｓおよび絶対感度Ｓｄの関係を示す図である。
この図から明らかなように、図５における感度Ｓは、２．２Ｋで３０００ｐＦ／Ｋにも達し、０．０３ｍＫの極めて高い分解能を有するキャパシタンス温度計が得られることが分かる。また絶対感度Ｓｄは０．０８であり、従来のものと比べて、高い絶対感度がを有するキャパシタンス温度計が得られる。また、量子常誘電性から強誘電性への転移温度よりも高温側では１．０以上と高い絶対感度が得られることが分かる。またこの範囲では量子常誘電性を示すので、温度ヒシテリシスのないキャパシタンス温度計が得られる。
FIG. 5 shows the sensitivity of the capacitance thermometer with respect to the temperature (K) when 38% of oxygen 16 of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having a crystal orientation of (110) is substituted with isotope oxygen 18. It is a figure which shows the relationship between S and absolute sensitivity Sd.
As can be seen from FIG. 5, the sensitivity S in FIG. 5
図６は、結晶方位が（１００）のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときの置換重量に対する外部磁束密度Ｂ＝０、２Ｋにおける感度および絶対感度の関係を示す図である。
同図に示すように、置換重量が３０％以下のときには量子常誘電性を示し、感度は５０ｐＦ／Ｋ以下であり、絶対感度は０．０５以下であることが分かる。また置換重量が３５％以上では強誘電性を示し、置換重量４５％で感度が最大３００ｐＦ/Ｋであり、また、置換重量が３７％から５７％の範囲では０．１以上と非常に高い絶対感度が得られることが分かる。
FIG. 6 shows that the external magnetic flux density B = 0 and 2K with respect to the substitution weight when oxygen 16 of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having a crystal orientation of (100) is substituted with isotope oxygen 18. It is a figure which shows the relationship between a sensitivity and an absolute sensitivity.
As shown in the figure, it can be seen that when the substitution weight is 30% or less, quantum paraelectric property is exhibited, the sensitivity is 50 pF / K or less, and the absolute sensitivity is 0.05 or less. In addition, when the substitution weight is 35% or more, ferroelectricity is exhibited, and when the substitution weight is 45%, the sensitivity is a maximum of 300 pF / K, and when the substitution weight is in the range of 37% to 57%, the absolute value is 0.1 or more. It can be seen that sensitivity can be obtained.
図７は、結晶方位が（１１０）のＳｒＴｉ（１８Ｏｘ １６Ｏ１−ｘ）３単結晶の酸素１６を同位体酸素１８で置換したときの置換重量に対する外部磁束密度Ｂ＝０、２Ｋにおける感度及び絶対感度の関係を示す図である。
同図に示すように、置換重量が３０％以下のときには量子常誘電性を示し、感度は２００ｐＦ/Ｋ以下であり、絶対感度は０．０１以下であることが分かる。また置換重量が３８％以上では強誘電性を示し、置換重量３８％で感度が最大３０００ｐＦ/Ｋであり、また、置換重量が３８％から６０％の範囲では０．０８以上と高い絶対感度が得られることが分かる。
FIG. 7 shows that the external magnetic flux density B = 0 and 2K with respect to the substitution weight when oxygen 16 of SrTi ( 18 O x 16 O 1-x ) 3 single crystal having a crystal orientation of (110) is substituted with isotope oxygen 18. It is a figure which shows the relationship between a sensitivity and an absolute sensitivity.
As shown in the figure, it can be seen that when the substitution weight is 30% or less, quantum paraelectric property is exhibited, the sensitivity is 200 pF / K or less, and the absolute sensitivity is 0.01 or less. When the substitution weight is 38% or more, ferroelectricity is exhibited, and when the substitution weight is 38%, the maximum sensitivity is 3000 pF / K, and when the substitution weight is in the range of 38% to 60%, the absolute sensitivity is as high as 0.08 or more. You can see that
図８は、本実施形態の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の一例を示す図である。
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。
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。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a configuration of a temperature measuring device using the capacitance thermometer according to the invention of the present embodiment.
In the same figure, 1 is a cryogenic container, 2 is a
In general, capacitance measurement is not affected by a magnetic field and is suitable for temperature measurement in a magnetic field.
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
1
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