JP2006234574A - キャパシタンス温度計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】キャパシタンス温度計として、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、又は結晶方位が(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。
【選択図】図1
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (5)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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請求項1乃至請求項4のいずれか1つの請求項に記載のキャパシタンス温度計。
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